DE3008691A1

DE3008691A1 - Verstellduese fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3008691A1
Application number: DE19803008691
Authority: DE
Inventors: Clifford Stanley Woodward
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1979-03-10
Filing date: 1980-03-06
Publication date: 1980-09-11
Also published as: IT8020479A0; DE3008691C2; US4327548A; JPS55123317A; IT1130016B; GB2043786A; GB2043786B; FR2451467A1

Description

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Rolls-Royce Limited, üuckingnam Gate, London SWIc 6AT, *in_oland

Verstelldüse für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung oetrifft eine Verstelldüse für turbinentriebwerke nach der*; Ocarba^riff deo Ans^rucns 1.

ßine derartige Verstellaüse ist Dciü^ielsweise aus der GB-PÖ 735 122 bekannt. Bei dieser bekannten Verstelldüse sind die beiden jeweils halbzylindrischen, den Düsenkanal umgreifenden Düsenschalen mit ihren stromauf-

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wärtigen Jnden derart schwenkbar am feststehenden Strahlrohr des Triebwerks angelenkt, aaß oeide Düsenschalen um eine gemeinsame, quer zur Triebwerksachse verlaufende und diese schneidende Schwenkachse schwenkbar sind.

Die beiden Düsenschalen weisen jeweils stromaufseitig einen an das stromabwärtige jinde des feststehenden Strahlrohrs angrenzenden, in Umfangsrichtung halbrund verlaufenden Rand und an den beiden Bogenenden axial verlaufende gerade Ränder auf. Eine Vergrößerung des Düsenaus tritt squerschnxtts erfolgt dadurch, daß die beiden Düsenschalen voneinander weg auseinandergeschwenkt werden. Diese Schwenkung erfordert bei der oben erwähnten bekannten Anlenkung der beiden Düsenschalen am Strahlrohrende eine gewisse Überlappung der aneinander angrenzenden Händer der Düsenschalen und des feststehenden Strahlrohres. Infolgedessen weisen die einander benachbarten Randbereiche der Düsenschalen und des Stranlrohrendes eine beträchtliche radiale Dicke auf, ",ras in aerodynamiscner Hinsicht nacnteilig ist. Außerdem ist im Bereich der aneinander angrenzenden Ränder der Düsensehalen und des otrahlrohrendes eine Diskontinuität der von aer ümgebungsluft überströmten Außenflächen vornanden, was einen weiteren aerodynamischen Nachteil bedeutet. Diese aerodynamischen Nachteile sind

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besonders dann von Bedeutung, wenn die von den beiden halbrunden Düsenschalen gebildete Verstelldüse den Mantelstromkanal eines Mantelstromtriebwerks begrenzt, da uei einem solchen Triebwerk die Verstellaüse und der Mantelstromkanal bereits aus üründen der mechnischen Festigkeit eine beträchtliche radiale Dicke haben.

Es ist auch bereits bekannt, den stromaowärtigen Endteil eines Mantelstromkanals von dem stromaufseitig angrenzenden feststehenden nanalabschnitt weg axial nach hinten auszubilden, um dadurch einen Lufteinlaß zu schaffen, durch welchen Luft zur Erzeugung einer nach vorne gerichteten, das Flugzeug bremsenden Umkehrschubströmung durch den Mantelstromkanal in diesen eintritt. Dabei kann es wünschenswert sein, den gesamten verschiebbaren Endteil des Mantelstromkanals als Verstelldüse auszubilden. Die bekannte, aus zwei halbrunden Düsenschalen bestehende Verstelldüse ist jedoch für diesen Zweck nicht einsetzbar, da sie wegen der Anlenkung der stromaufwärtigen Enden der üüsensehalen am feststehenden Strahlrohrende nicht axial verschoben werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstelldüse der eingangs genannten Art so auszubilden, daß einerseits die- oben erläuterten aerodynamischen Probleme

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bewältigt werden und andererseits eine axiale ■Verschiebbarkeit der gesamten Verstelldüse in Betracht gezogen werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Durch Festlegung gesonderter Schwenkachsen für die beiden Düsenschalen jeweils etwa tangential an deren Umfang lassen sich die oben erwähnten Probleme, die ihre Ursache in der sonst erforderlichen Überlappung zwischen dem stromaufwärtigen Düsenschalenende und dem stromabwärtigen Strahlrohrende haben, im wesentlichen vermeiden. Außerdem ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht notwendigerweise eine unmittelbare Gelenkverbindung zwischen den Düsenschalen und dem Strahlrohrende erforderlich. Infolgedessen können die Düsenschalen vom Strahlrohrende weg nach hinten verschiebbar gemacht werden, um den erwänten Lufteinlaß für den Schubumkehrbetrieb zu schaffen, ohne daß die Schwenkbarkeit der Düsenschalen zur Austrittsquerschnittsveränderung der Düse dadurch beeinträchtigt wird.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen menr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Ein an einem Pylon eines Flug

zeugs aufgehängtes Mantelgeblase Gasturoinentriebwerk mit einer Verstelldüse nach der

Fig. 2 in teilweise geschnittener Dar

stellung eine Draufsicht auf das Triebwerk nach Fig. 1,

Fig. 3 in perspektivischer Darstellung

das Triebwerk mit in der Startstellung befindlicher Verstelldüse,

Fig. 4 ebenfalls in perspektivischer

Darstellung das Triebwerk mit in der S chub Umkehrstellung befindlicher Verstelldüse, und

Fig. 5 in vergrößerter Detaildarstellung

den Betätigungsmechanismus für die Düsenschalenverstellung der Verstelldüse.

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lie maß den Pig. 1 und 2 weist das dargestelllte Iiantelgebläse-üasturDixieritrieDn'erk 1 ein Basistrieowerk 2 auf, das ein Geuläse 3 antreibt, das koaxial wit dem BasistrieDwerk stromauf desseloen. angeordnet ist. Liab Gebläse 3 ist von einem üebläsemantel 4 umscxilosotin, der einen stromauf cies Basistriebwerks angeordneten Mittelkörper 5 koaxial ums cnließt. Der Witte 1-Korper 5 erstreckt sich konisch verjüngend bis vorderhalb des CieDläses 3 und begrenzt zusammen mit dem äußeren üebläsemantel 4 einen Lufteinlauf für das Gebläse 3. Die Gebläseschaufeln 6 des Gebläses 3 sind an einem innerhalb des Mittelkörpers 5 angeordneten Gebläserotor 7 gehaltert und erstrecken sich vom Mittelkörper 5 aus radial auswärts.

In den Gebläserotor 7 ist ein hydraulisch betätigter Blatteinste11-Verstellmechanismus 8 an sich bekannter Konstruktion eingebaut, der in Fig. 2 gestrichelt angedeutet ist. Dieser Blatteinstellwinkel-Verstelimechnismus 8 dient zur Veränderung des Blatteinstellwinkels der Gebläseschaufeln 6 zwecks Anpassung des Gebläses an unterschiedliche Triebwerksbetriebszustände. Außerdem gestattet der Blatteinstellwinkel-Verstellmechanismus 8 auch die Verstellung der Geblaseschaufein 6 in eine Schubumkehrstellung, wenn

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das Triebwerk Urakehrschub erzeugen soll.

Der Gebläsemantel 4 ist mittels eines j\rauzes von stromab der Gebläseschaufeln 6 angeordneten ötatorschaufeln 3 starr mit dem Mittelkorper y verbunueii. Ler Gebläsemantel 4 und das üasistrieuwerK 2 sind beispielsweise mittels eines Pylons 10 an uer starren i^ons truktion eines r'lugzeugs genaltert. Die in Fi₀. 1 teilweise dargestellte fylon lü ragt gemäß b'i^. 2 von einem eoenfaliö teilweise dargestellten Tragflü_oel 11 ues r'lug2;eu_os ίι schräg vorvrirts aach unten.

Das ßas is triebwerk 2 weist einen rin^ioriui^en uui'teinlauf 12 auf, uer stromab der ütatorscnaufeln j Kuaxiax um den Mittelk^x'per j xierum verlauft. In diesen Lufteinlauf 12 tritt ein Teil des vom Geüläse j> geförderten Luftstroms ein, während der übrige Gebläseluftstrom uurcn eine ringförmige Gebläsestralildüse 13 austritt, die zwischen eineu Geb läse düsenrohr 14, das sich uni.iitteloar an das stromabseitige ^nde des Geoläsemantels 4 anscixließt, und dem Außengehäuse Ii) des ßasistrieuwerKS 2 gebildet ist. Der Gebläsekanal und der mit dem Lufteinlauf Id oeginnende, durch das liasistrieDwerk 2 hindurch ve rlaufeuue iii-ucits-

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raittelkanal Dilden also zwei zueinander parallele otrömungs kariule fur uin u^b Ilses tr or; ο zw. den Arbeitsmittels trom

Stromao des Lufteinlaufs 12 weist das Basistrieowerk, 3tromuribStechnisch in Reine angeordnet, einen riiederdruckveruicnter mm einen nocnaruckverdichter, eine tsrenneinricntuiit,, uua eine liocndrucKturbine und eine riieuerurucK-turbine zum Antrieo des nochdrucKverdichters bzw. des rliederdruckverdichters auf. Diese Komponenten sind alle an sich Dekannt und daher nicht im einzelnen aargestellt. Das Abgas der Turbinen des Basistriebwerks tritt durch eine Jtrahldüse 17 aus dem Basis triebwerke aus.

Die Niederdruckturbinenwelle weist einen nach vorne ragenden Wellenansatz 16 auf, mit welchem der Gebläserotor gekuppelt ist, der ebenfalls von der i\i ie de rdruckt urb ine des Basistriebwerks angetrieben wird. Um aer Arbeitsmittel-Strömung aes Ü as is trieb werks die notwendige linergie zum Antrieb des Gebläses entziehen zu Können, ist die xMiederaruckturbine mehrstufig, aufgebaut und weist beispielsweise vier Rotorstufen auf.

Das Gebläsedüserirohr 14 Desteht aus zwei halbzylindrischen Düsenschalen 18 und 19 (Fig. 2), die symmetrisch

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beiderseits des das Triebwerk tragenden Pylons lü angeordnet sina und im normalen Reiseflugzustand (Fig. 1 und 2) eine kontinuierliche stromaowärtige Verlängerung des Gebläsemantels 4 bilden. Die beiden Düsenschalen 18 und 19 weisen jeweils zwei in einer gemeinsamen Ebene 2OA bzw. 21A liegende axiale Ränder bzw. 21 auf. Diese Ränder 20 und 21 der beiden Düsenschalen 18 und 19 sind in der in Fig. 2 gezeigten Reiseflugstellung, zueinander parallel. Fig. 5 zeigt schematisch das eine Paar der einander zugewandten Längsränder 20 und 21 der beiden Düsenschalen 18 und 19, wobei die obere Hälfte der Fig. 5 die eine Düsenschale 18 in der Reiseflugstellung und die untere Hälfte der Fig. 5 die andere Düsenschale 19 in der Startstellung zeigt.

An jedem der Düsenschalenlängsränder 20 und 21 ist ein Montageflansch 22 bzw. 23 angeordnet, und diese Montageflansche 22 und 23 ragen zueinander hin und sind jeweils mit ihrem stromaufseitigen Ende mittels eines Zapfens bzw. 25 an einer gemeinsamen Betätigungsstange 26A angelenkt, die mittels eines Hydraulikantriebs 26 eines Betätigungsmechnismus in Längsrichtung, d.h. parallel zur Triebwerksachse, verschiebbar ist. An ihrem stromabwärtigen Ende tragen die Montage flansche 22 und 23 jeweils einen

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Profilfolgestift 27 bzw. 28, der in einen Kulissenschlitζ bzw. 30 einer feststehenden Führungsplatte 31 hineinragt, die zwischen den beiden üüsenschalen 18 und 19 am Pylon montiert ist. Die Kulissenschlitze 29 und 30 divergieren in stromabwärtiger Richtung und sind so angeordnet, daß, wenn die Betätigungsstange 25A sicn in der stromaufwärtigen Stellung befindet (obere Hälfte der Fig. 5), der zugehörige Profilfolgestift 27 sich am stromauf sei tigen linde des betreffenden Kulissenschlitzes befindet. Die Betätigungsstange 26a ist in einer in der feststehenden Konstruktion gebildeten Führung 26B geführt. Ein entsprechender Betätigungsmechnismus ist dem diametral gegenüberliegenden Paar von einander zugewandten Längsrändern 20 und 21 der beiden jeweils halb zylindrischen Düsenschalen 18 und 19 zugeordnet.

Die obere und die untere Hälfte der Fig. 5 zeigen die beiden Betriebsstellungen der Betätigungsstange 26A, in welchen die Profilfolgestifte 27 und 28 jeweils am stromaufseitigen Kulxssenschlitzende bzw. am stromabseitigen Kulxssenschlitzende stehen. Beim Ausfahren der Betätigungsstange 26a aus dem Hydraulikantrieb 26 werden die Gelenkzapfen 24 und 25 stromaufwärts verschoben, wie die obere Hälfte der Fig. 5 zeigt, und die beiden Düsenschalen 18

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und 19 werden in eine Stellung gebracht, in welcher ihre Längsränder 20 und 21 zueinander parallel sind. Bei dieser Betriebsstellung handelt es sich um die Reiseflugstellung, in welcher das lieb läse düsenrohr 14, wie scnon erwähnt, eine kontinuierlicne Verlängerung der Außenfläche des Gebläsemantels 4 oildet. Außerdem liefen in dieser Betriebsstellung die beiden Düsenschalen 18 und 19 mit ihren stromaufseitigen Rändern fest am stromabseitigen Rand des Gebläsemantels 4 an und bilden zusammen mit dem Gebläsemantel ein starres Rohr. In der zurückgezogenen Stellung der Betätigungsstange 26A sind die Gelenkzapfen und 25 dagegen stromabwärts verschoben, wie die untere Hälfte der Fig. 5 zeigt, und die beiden Profilfolgestifte 27 und 28 befinden sicn jeweils am stromabseitieen Ende des betreffenden Kulissenschlitzes 2y bzw. 30, so daß die beiden Düsenschalen 18 und 19 in einer divergierenden Betriebsstellung gehalten werden, wie in Fig. 2 durch gestrichelte Linien 18. und 19-, und außerdem in Fig. 3 gezeigt ist. In dieser BetrieDsstellung bilden die üeiden Düsenschalen 18 und 19 eine ringförmige Austrittsdüse mit vergrößertem Austrittsquerschnitt, der typischerweise um etwa 10 % größer als der Austrittsquerschnitt bei in der Reiseflugstellung befindlichen Düsenschalen 18 und 19 ist.

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Die Verschiebung der beiden Düsenschalen 18 und in stromabwärtiger Richtung während ihrer Schwenkung in die Startstellung stellt sicher, daß die Winkelbewegung der Düsenschalen nicht durch eine Kollision mit dem stromabseitigen Ende des feststehenden Düsenmantels behindert wird.

Außerdem sind nicht dargestellte weitere Betätigungsvorrichtungen vorgesehen, mittels derer die beiden Düsenschalen 18 und 19 in ihrer divergierenden Stellung in eine weiter stromabwärts liegende hintere Betriebsstellung verschoben werden können, die in Fig. 2 durch gestrichelte Linien 18p und 19p und außerdem in Fig. 4 dargestellt ist. in dieser hinteren Betriebsstellung weisen die beiden Düsenschalen 18 und 19 einen Axialabstand vom feststehenden Düsenmantel 4 auf, so daß zwischen diesem und den Düsenschalen gemäß Fig. 4 zwei haloringförmige Öffnungen vorhanden sind, die als Lufteinlässe dienen, wenn die Gebläseschaufeln 6 in ihre Schubumkehrsteilung gestellt sind und die οtrömungsrichtung der Arbeitsmittelströmung im Gebläsekanal infol_&edessen umgekehrt ist.

Zur Herstellung der AxialverschieDbarkeit der oeiden Düsenschalen Ib und 19 in die eben beschrieDene nintere

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Betriebsstellung (S chub Umkehrstellung) Korinen axe Längsränaer 20 und 21 der Düsenschalen in an den Mont anflanschen 22 und 2 3 geuilueten fcLirungen 32 bzw. 33 geführt sein, längs derer die L»üs en schalen Ib una 19 mittels zwiscnen innen una den Hontagefianscnen 22 und angeordneter nyurauliseher Antrieue (nicht dargestellt) relativ zu den Planschen verscnieobar sina.

Obwohl die Düsenschalen 16 und 19 an inrem umfang, d.h. im i'littenuereicn der um fangs mäßige η Ausuennun_to aes stromaufwärtigen Düsenschalenrandes, nicnt i^ecnaniscii mit dem Gebläsemantel 4 verbunden sina, erzeugen die koorainierten Bewegungen der Gelenkzapfen 24 und 25 und aer Frofilfolgestifte 2 7 und 2 8 effektiv eine WinkeIbewe^un^j ä.a. eine Verschwenkung der Düsenschalen um ocnwenkachoen 18A bzw. 19A (Fig. 2), die senkrecht zur Triebwerks achse B und parallel zu den iibenen 2OA und 2IA verlaufen. Mit anderen Worten, die Führung 2bB und die Kulissenscnlitze 2j und 30 führen die Längs rander 20 und 21 der υ us en schalen derart, daß diese jeweils eine zusammengesetzte bewegung ausführen können, die aus einer geradlinigen Verschiebung längs der Achse der Führung 2bB und aus einer Drehbewegung um den betreffenden Gelenkzapfen 24 bzw. 25 bestent. Außerdem

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näxWrx* ■.·.:.c j-^lenkzapfen ^h uüu 25 unu die frofilfcl^eot-iTie 27 und 2:8 die jeweilige iXisenschale lü ozw. Tj an zv/ei axial aufeinanderliegender! stellen und bewirken damit eine std^ile .ialterung der Dudens chalen trotz der Tatsacnti, uaii an der Peripnerie der Düsenscnale kein fiitcnariiechec ürehpeleriK voi'geaenen ist.

iis ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Busenscnalen 18 und 19 im Bereich der Schwenkachsen 16A und 19A mittels mechanischer Drengelenke (nicht dargestellt) am Cebläseinantel 24 anzulenken. In diesem Fall konnte auf die Kulissenschiitzw Zj und 30 und die Profilfolgestifte 27 und 2ό sowie auf üie Führung 2bb verzicntet werden und der Hydraulikantrieb 2ö könnte über gesonderte Lenker mit den Gelenkzapfen 24 und 2-j verbunden sein. .Die eben erwännte ^onstruktionsmö^lichkeit läßt sich natürlich nicht anwenden, wenn die jjüsenschalen 18 und 19 relativ zum Gebläsemantel 4 axial nach hinten in eine Gcnubunucenrstellung verschieobar sein sollen.

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SAD

Leerseite

Claims

Patentansprüche

LJ Verstelldüse für GasturbinentriebwerKe, bestenend aus zwei im wesentlichen halbzylindriscnen Düsenschalen, die jeweils um eine quer zur Trieowerksachse una parallel zu der die oeiden Längsränder der betreffenden Düsenschale enthaltenden Ebene verlaufende Schwenkachse schwenkbar sind, und mit einem Betätigungsmechanismus zum SchweriKen der Düsenschalen im Sinne einer Veränderung des Düsenaustrittsquerschnitts gekennzeicnnet durch die Schwenkbarkeit der beiden Düsenschalen (18, 19) ermöglichende Halterungen (24, 25, 26b, 27, 28, 29, 30), die so angeordnet sind, daß die Drehachse (l8A, 19A) der Schwenkbewegung jeder Düsenschale jeweils etwa tangential am üüsenumfang verläuft.
2. Verstelldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenschalen (18, 19) im Bereich ihrer Längsränder (20, 21) jeweils an einer stromaufwärtigen Stelle mittels eines in Richtung der üüsenachse (B) verschiebbaren Drehgelenks (24, 25) und an einer stromabwärtigen otelle mittels eines in einem bogenförmig um die Drenachse der betreffenden Düsenschale verlaufenden Kulissenscnlitz (2y, 30) geführten Profilfolgestiftes (27, 2ö) schwenkuar ₆enaltert sind.

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3. Verstelldüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe das Austrittsende des Gebläsemantels (4) eines Mantelgebläsetriebwerks bildet«
4. Verstelldüse nacn Anspruch 3 für Marite Ige blase-Gasturbinentriebwerke mit Verstellgebläse, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Düsenschalen (18, 19) relativ zum feststenenden Gebläsemantel (4) axial in eine hintere Stellung verschiebDar sind, in welcher zwischen den stromauf seitigen Düsenschalenrändern und dem rinde des ueüläsemantels ein im wesentlichen ringförmiger, als Lufteinlaß dienender Spalt gebildet ist.

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