DE3940424A1

DE3940424A1 - Dichtung fuer eine axialsymmetrische strahlumlenkungsschubduese

Info

Publication number: DE3940424A1
Application number: DE3940424A
Authority: DE
Inventors: William Charles Lippmeier
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-04-11
Filing date: 1989-12-07
Publication date: 1990-10-25
Also published as: GB8927662D0; IT1237858B; IL92601A0; CH683020A5; SE468063B; CA2013934A1; JPH02275025A; FR2645595B1; NO173070B; SE8904174D0; KR900016594A; NO894950L; DE3940424C2; CN1022433C; FR2645595A1; KR930003078B1; AU623203B2; CN1046371A; GB2230299A; AU4607389A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerksschub düsen und betrifft insbesondere Dichtungen zur Verwendung zwischen divergenten Klappen von axialsymmetrischen Strahl umlenkungsschubdüsen.

Axialsymmetrische Schubdüsen mit veränderbarem Querschnitt sind auf dem Fachgebiet bekannt und werden in Triebwerken wie dem Triebwerk F 110 von General Electric benutzt. Die Schubdüsen von solchen Triebwerken haben konvergen te/divergente Klappen und Dichtungen zum aerodynamischen Steuern des Abgasstroms, um den Druck und die Wärmeenergie des Verbrennungsaustrittsluftstroms in Geschwindigkeit und Vorwärtsschub für das Triebwerk umzuwandeln. Die Art und die Einrichtungen zum Schaffen von solchen Düsen sind in vielen Veröffentlichungen gezeigt, beispielsweise in den US-PS 41 76 792, 42 45 787 und 41 28 208 der Anmelderin, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird. Eine neue Funktion, nämlich die Schubstrahlumlenkung ist diesem Typ von Düse hinzugefügt worden und wird durch eine Erfindung repräsentiert, die bei der General Electric Com pany entwickelt worden ist.

Für das Verständnis, wie die einzelnen Klappen und Dichtun gen miteinander in Verbindung stehen und arbeiten, um die Gesamtschubdüse und die Schubstrahlumlenkungsfunktion zu erfüllen, wird auf eine gleichzeitig eingereichte weitere deutsche Patentanmeldung Anwaltszeichen 12619-13DV-9566 der Anmelderin verwiesen, deren Gegenstand eine axialsymmetrische Strahlumlenkungsschubdüse ist. Die Klappenzwischenabdichtung für axialsymmetrische konvergente/divergente Schubdüsen hat immer ein interessan tes Problem und eine Herausforderung für Gasturbinentrieb werksschubdüsenkonstrukteure dargestellt, was die vielen Konstruktionen, Anordnungen und Patente beweisen, von denen einige hier zitiert werden.

Herkömmliche Schubdüsen einschließlich solchen mit vari ablen Düsenhals- und Austrittsquerschnitten haben Düsen klappen und Düsenklappendichtungen, welche um dieselben Winkel schwenken oder ihre Lage in bezug auf eine Trieb werksmittellinie insgesamt gleichzeitig ändern, so daß es keine umfangsmäßige Veränderung in ihren Lagen oder ihrem Schwenkwinkel in bezug auf eine Triebwerks- oder Schubdü senmittellinie gibt. Die axialsymmetrische Strahlumlen kungsschubdüse hat einem bereits schwierigen Problem eine neue Dimension hinzugefügt, nämlich das Problem, wie zwi schen zwei Flächen abgedichtet werden kann, deren Orientie rung oder Lage ständig verändert wird. Die Erfindung befaßt sich mit den Dichtproblemen einer Klappenzwischendichtung, die für eine Abdichtung zwischen zwei benachbarten diver genten Klappen sorgt, welche um unterschiedliche Winkel ge geneinander und in bezug auf eine Triebwerksmittellinie ge schwenkt werden. Jede Klappe kann in einer konischen Bewe gung relativ zu der konvergenten Klappe oder zu einem ande ren Schubdüsenelement, an dem sie befestigt ist, geschwenkt werden. Ein anderer Weg der Beschreibung des Problems ist, daß es eine umfangsmäßige Veränderung in den Düsenklappen lagen in bezug auf eine Triebwerks- oder Düsenmittellinie gibt.

Wie bei allen Schubdüsen- und Gasturbinentriebwerkssystem konstruktionen ist es erwünscht, daß sie ein geringes Ge wicht haben, leicht und relativ billig hergestellt, gewar tet und repariert werden können und in einer Umgebung mit hoher Temperatur und Beanspruchung äußerst dauerhaft sind.

Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine Ab dichtung zwischen Düsenklappen einer axialsymmetrischen Strahlumlenkungsschubdüse eines Gasturbinentriebwerks zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung eine Abdichtung zwischen den divergenten Klappen der axialsymmetrischen Strahlum lenkungsverstellschubdüse eines Gasturbinentriebwerks ge schaffen werden.

Ferner soll durch die Erfindung eine Abdichtung zwischen den divergenten Klappen der axialsymmetrischen Strahlum lenkungsverstellschubdüse eines Gasturbinentriebwerks ge schaffen werden, bei dem benachbarte Klappen um unter schiedliche Winkel oder Lagen in bezug auf die Düsenmit tellinie während Strahlumlenkungsvorgängen gedreht werden.

Außerdem soll durch die Erfindung eine Abdichtung zwischen den divergenten Klappen geschaffen werden, welche die axiale und die umfangsmäßige Abdichtungsunversehrtheit in dem gesamten Bereich der umfangsmäßigen Veränderung in den Düsenklappenlagen in bezug auf die Düsenmittellinie auf rechterhält.

Darüber hinaus soll durch die Erfindung eine Dichtein richtung zwischen den divergenten Klappen einer axialsym metrischen Strahlumlenkungsverstellschubdüse geschaffen werden, die ein geringes Gewicht hat und leicht hergestellt und repariert werden kann.

Schließlich sollen durch die Erfindung Dichtsegmente für eine Klappenzwischendichtung zur Verwendung in einer axial symmetrischen Strahlumlenkungsverstellschubdüse geschaffen werden, welche die Reparatur und die Wartung der Dichtung und der Schubdüse erleichtern.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist, kurz gesagt, eine divergente Dichtung einen Träger auf, der vorzugsweise hohl ist und einen in etwa elliptischen Querschnitt hat und an seinem vorderen Ende eine Einrichtung hat zum orbitalen Verbinden des Trägers mit einem stationären konvergenten Dichtteil der Schubdüse. Mehrere Dichtsegmente sind längs des Trägers axial angeordnet und weisen Befestigungsein richtungen auf zum Befestigen des Segments an dem Träger derart, daß während des Schubdüsenbetriebes benachbarte Segmente in überlappender Dichtberührung sind. Die sich in Längsrichtung erstreckenden Dichtabschnitte haben nach in nen und nach außen weisende Oberflächen, wobei die nach innen weisenden Oberflächen so ausgebildet sind, daß sie der Schubdüsengasströmung zugewandt sind, und ein Flansch, der an dem Dichtabschnitt befestigt ist, weist eine Befestigungseinrichtung auf, die ein Kleeblattloch umfaßt, um das Dichtsegment auf eine Weise zu befestigen, welche gestattet, das Segment um die Achse des Trägers zu verdrehen.

Eine mehr besondere Ausführungsform der Dichtung weist Dichtsegmente auf, wobei der Dichtabschnitt nach außen in der Richtung gekrümmt ist, in die die äußere Oberfläche ge wandt ist. Die Segmente sind zu der Schubdüsenmittellinie hin gekrümmt oder nach außen gebogen, und es gibt eine Veränderung in ihrer Krümmung längs des Trägers, wobei die Segmente an dem Hinterende am stärksten gekrümmt sind und das vorderste Segment den geringsten Grad an Krümmung hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines axial symmetrischen Strahlumlenkungsverstellschub düsenabschnitts eines Gasturbinentriebwerks mit einer Dichteinrichtung nach der Erfin dung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der divergenten Dichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 in Draufsicht bei Blick auf die Seite der Dichtung, die von der Schubdüsenströmung weggerichtet ist, der Klappenzwischendich tung nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht der Dichtung in Fig. 2 längs ihrer axialen Mittellinie,

Fig. 5 einen Querschnitt der Dichtung in Fig. 2 in Blickrichtung von hinten nach vorn an einer relativ stromaufwärtigen Stelle der Dich tung, welcher die relativ geringe Krümmung eines Dichtsegments zeigt,

Fig. 6 einen Querschnitt der Dichtung in Fig. 2 in Blickrichtung von hinten nach vorn an einer relativ stromabwärtigen Stelle der Dichtung, welcher die relativ starke Krümmung eines Dichtsegments am hinteren Ende der Dichtung zeigt,

Fig. 7 in Vorwärtsblickrichtung eine Ansicht des hinteren Endes der Dichtung in Fig. 2,

Fig. 8 einen Querschnitt der Dichtung in Fig. 2 in Blickrichtung von hinten nach vorn durch ei nen Flansch eines Dichtsegments,

Fig. 9 eine vergrößerte Einzelheit der Querschnitt ansicht der Dichtung in Fig. 4,

Fig. 10 in Blickrichtung von hinten nach vorn eine Ansicht von Fig. 1, welche die Schubdüse bei einem Ablenk- oder Strahlumlenkungswinkel von 0 Grad zeigt, und

Fig. 11 in Blickrichtung von hinten nach vorn eine Ansicht von Fig. 1, welche die Schubdüse bei einem exemplarischen negativen Ablenk- oder Strahlumlenkungswinkel zeigt.

In Fig. 1 ist die axialsymmetrische Strahlumlenkungs schubdüse eines Gasturbinentriebwerks insgesamt mit 10 be zeichnet und weist ein Gehäuse 12 und in Reihenströ mungsbeziehung einen konvergenten Abschnitt 18, einen Dü senhals 24 und einen divergenten Abschnitt 26 auf. Die vorliegende Erfindung ist insgesamt als eine divergente Dichtung 30 dargestellt, welche umfangsmäßig zwischen divergenten Klappen 28 angeordnet ist, die umfangsmäßig um die Mittellinie 8 der axialsymmetrischen Schubdüse ange ordnet sind. Die divergenten Klappen 28 werden so ge steuert, daß sie den Abgasweg der Schubdüse und die Rich tung der Abgasströmung 40 festlegen. Äußere Klappen 16 bilden eine aerodynamische Verkleidung um die konvergenten und divergenten Abschnitte der Schubdüse 10. Der her kömmliche Betrieb von axialsymmetrischen Schubdüsen bein haltete das Öffnen und Schließen des Austrittsquerschnittes A 9 der Schubdüse oder des Düsenhalsquerschnitts A 8 oder von beiden. In jedem Fall blieb die Schubdüsenkonfiguration axialsymmetrisch, und die Lage jeder divergenten Klappe 28 in bezug auf jede andere divergente Düsenklappe blieb ins gesamt dieselbe. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine divergente Dichtung 30 vorgesehen, um Einrichtungen aufzunehmen, die vorgesehen sind zur Schub strahlumlenkung des Triebswerks durch Verschwenken der ver schiedenen divergenten Klappen 28 um verschiedene Winkel gegenüber ihren axialsymmetrischen Positionen. Die diver genten Klappen werden in der radialen Richtung R gegen die Mittellinie 8 der axialsymmetrischen Schubdüse und in der tangentialen Richtung (in den Fig. 10 und 11 deutlicher ge zeigt) geschwenkt. Eine weitere Möglichkeit der Betrachtung des Strahlumlenkungsbetriebes besteht darin, daß durch Bilden eines asymmetrischen, divergenten Schubdüsenab schnitts 26 umfangsmäßig benachbarte divergente Klappen in Lagen geschwenkt oder gedreht werden, welche sich von den Lagen der benachbarten Klappen unterscheiden.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2, 3, 4 und 9 weist eine divergente Dichtung 30 einen Träger 50 als Rückgrat und eine Anzahl von besonderen Dichtsegmenten 56 auf, die an dem Träger axial angeordnet sind. Jedes Dichtsegment 56 weist einen Dichtabschnitt 58 auf, der freitragend an einem Flansch 60 befestigt ist, an welchem der Träger 50 so be festigt ist, daß während des Triebwerksbetriebes benach barte Dichtsegmente in überlappender Dichtberührung sind.

Jeder Dichtabschnitt 58 jedes Dichtsegments 56 ist längs des Trägers einmal vorhanden. Der Unterschied liegt in der Krümmung oder Auswärtswölbung des Dichtabschnitts. Das größte Ausmaß an Krümmung ist an dem hinteren Ende der Dichtung, was in Fig. 2 ohne weiteres zu erkennen ist. Das ist weiter aus der allmählichen Krümmung der Grenzfläche zwischen dem Flansch 60 und dem Dichtabschnitt 58 jedes der aufeinanderfolgenden Dichtsegmente 56 von dem vordersten Dichtsegment bis zu dem hintersten zu erkennen. Die Grund rißfläche bleibt gemäß der Darstellung in Fig. 3 bei jedem der Segmente vorzugsweise dieselbe. Diese Differenz ist vorgesehen, um die breiteren Lücken zwischen benachbarten divergenten Klappen 28 zu kompensieren, welche an dem hin teren Ende der Düse vorhanden sind, im Gegensatz zu dem vorderen Ende des divergenten Abschnitts der Düse. Vorzugsweise wird das Segment 56 aus Blech gestanzt, wobei ein anderer Werkzeugsatz für jedes Segment erforderlich ist, der ein bogenförmiges Profilieren jedes Segments gestattet. Vorzugsweise gibt es zwölf divergente Dichtungen 30 in jeder Schubdüse, und Einsparungen werden dadurch erzielt, daß jeder Satz von Segmenten längs einer bestimmten Dichtung von Dichtung zu Dichtung umfangsmäßig um die Schubdüse derselbe ist. Die Flanschbe festigungseinrichtung weist ein Distanzstück 64 zwischen Flanschen 60 und Unterlegscheiben 66 zwischen dem Flansch und dem Distanzstück auf. Jedes Ende des Trägers 50 ist mit einer Schraubendkappe 70 versehen, auf die eine Mutter 62 aufgeschraubt wird und zum Spannen der Vorrichtung dient. Fig. 7, auf die für einen Augenblick Bezug genommen wird, zeigt einen ausführlicheren Querschnitt des Flansches 60, der an dem Träger 50 befestigt ist. Der Flansch 60 weist ein kleeblattförmiges Loch 72 zur Aufnahme des Trägers 50 auf, der als ein Rohr mit elliptischem Querschnitt dargestellt ist.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Dichtungshalteeinrichtungen 80, welche einen Schienenarm 86 und eine Schiene 88 aufweisen, die in Bahnen passen und laufen, welche an benachbarten divergenten Klappen befestigt sind, die nicht gezeigt sind. Ein solches Bahn- und Schienensystem weist ein Dichtungs haltesystem auf, das benutzt wird, um die Dichtungen und die benachbarten Klappen auf im Stand der Technik bekannte und gezeigte Weise auszurichten. Die Halteeinrichtungen 80 sind an dem Träger 50 durch eine geeignete Einrichtung be festigt, beispielsweise durch Befestigung an einem Distanz stück 64.

Im Betrieb wird die axialsymmetrische Schubdüsen konfiguration nach Fig. 10 asymmetrisch gemacht, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, indem die divergenten Klappen 28 in radialer und tangentialer Richtung geschwenkt werden, wie es durch Pfeile R bzw. T gezeigt ist. In dem Beispiel, das in Fig. 11 gezeigt ist, wird der Abgasstrahl in stromab wärtiger Richtung umgelenkt, um einen Schub zu erzeugen, der in der Nickebene umgelenkt wird. Die Klappen sind zwar bei 6 Uhr insgesamt abwärts geschwenkt gezeigt, die Ori entierung der Neigung kann jedoch auf 9 Uhr geändert wer den, wodurch ein Schub erzeugt wird, der in der Gierebene umgelenkt wird. Schließlich würde eine weitere Orientierung der Neigung eine Kombination der Nick- und der Gierum lenkung des Schubes ergeben, was eine viel verlangte und äußerst erwünschte Eigenschaft bei Gasturbinentriebwerken darstellt.

Während des Betriebes drücken die Hochdruckabgase sämtliche Klappen und Dichtungen nach außen, wobei die Klappen durch ihre Betätigungssysteme in ihrer Lage gehalten werden und wobei die Dichtungen durch die Dichtungshalteeinrichtungen 80 in ihrer Lage gehalten werden. Die radial nach außen ge richteten Kräfte aufgrund des hohen Druckes zwingen die Dichtungen, welche in überlappender Berührung mit und ra dial einwärts von den benachbarten Klappen sind, in fluid dichte Berührung. Die Erfindung hält die divergenten Dich tungen und die zugeordneten Dichtsegmente und Dichtab schnitte in bezug auf die divergenten Klappen richtig aus gerichtet, wenn die Klappen so geschwenkt werden, daß ein asymmetrischer divergenter Schubdüsenquerschnitt zur Strahlumlenkung erzeugt wird. Die Erfindung minimiert außerdem eine Leckage während des Strahlumlenkbetriebes. Die Erfindung dichtet außerdem zwischen den Klappen während des herkömmlicheren Verschwenkens der divergenten und kon vergenten Klappen zum Verändern des Düsenhalsquerschnitts und der Schubdüsenquerschnittsfläche ab, so daß die Abdichtung an den Klappen maximiert und die Leckage minimiert wird. Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 bis 8 kann jedes Dichtsegment 56 sich um den Träger 50 verdrehen, um so sich selbst besser auszurichten oder sein Dicht segment 56 auszurichten, um die Abdichtung an benachbarten divergenten Klappen 28 zu maximieren. Die Kraft, um das zu erreichen, wird durch die Hochdruckabgase in der Schubdüse geliefert. Die Krümmung oder Auswärtswölbung des Dicht segments 56 verstärkt die Dichtfunktion weiter, weil das Dichtsegment immer unter Spannung gegen die divergenten Klappen gepreßt gehalten wird.

Claims

1. Klappenzwischendichtsegment für die Schubdüse eines Flugzeuggasturbinentriebwerks, gekennzeichnet durch:
einen sich in Längsrichtung erstreckenden Dichtabschnitt (58), der eine nach innen und eine nach außen weisende Oberfläche hat, wobei die nach außen weisende Oberfläche vorgesehen ist, der Düsenabgasströmung zugewandt zu sein,
einen Flansch (60), der an dem Dichtabschnitt (58) befe stigt ist, und
eine Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) zum Befestigen des Flansches (60) an der Klappenzwischendichtung (30).

2. Dichtsegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) eine Einrich tung aufweist, welche dem Segment (56) gestattet, sich um eine Längsachse zu verdrehen.

3. Dichtsegment nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) ein Kleeblatt loch (72) in dem Flansch (60) aufweist.

4. Dichtsegment nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtabschnitt (58) gekrümmt ist.

5. Dichtsegment nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Dichtabschnitts (58) nach außen in Richtung der Abgasströmung gekrümmt ist.

6. Dichtsegment nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtabschnitte (58) zu dem Ende des Dichtab schnitts (58) hin einen zunehmenden Grad an Krümmung haben.

7. Dichtsegment nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtsegment (58) aus einem einzelnen Stück Blech hergestellt ist.

8. Divergentes Dichtsegment für die Schubdüse eines Flug zeuggasturbinentriebwerks, gekennzeichnet durch:
einen sich in Längsrichtung erstreckenden Dichtabschnitt (58), der eine nach innen und eine nach außen weisende Oberfläche hat, wobei die nach außen weisende Oberfläche vorgesehen ist, der Düsenabgasströmung zugewandt zu sein,
einen Flansch (60), der an dem Dichtabschnitt (58) befe stigt ist, und
eine Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) zum Befestigen des Flansches (60) an der Klappenzwischendichtung (30).

9. Dichtsegment nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) eine Einrich tung aufweist, welche dem Segment (56) gestattet, sich um eine Längsachse zu verdrehen.

10. Dichtsegment nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) ein Kleeblatt loch (72) in dem Flansch (60) aufweist.

11. Dichtsegment nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtabschnitt (58) gekrümmt ist.

12. Dichtsegment nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Dichtabschnitts (58) nach außen in Richtung der Abgasströmung gekrümmt ist.

13. Dichtsegment nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtabschnitte (58) einen zunehmenden Grad an Krümmung zu dem hinteren Ende des Dichtabschnitts (58) hin haben.

14. Dichtsegment nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtsegment (56) aus einem einzelnen Stück Blech hergestellt ist.

15. Divergente Dichtung für die Schubdüse eines Flugzeug gasturbinentriebwerks, gekennzeichnet durch:
einen Träger (50) ,
mehrere Dichtsegmente (56), die an dem Träger (50) befe stigt sind,
wobei das Segment (56) einen sich in Längsrichtung erstrec kenden Dichtabschnitt (58) aufweist, der eine nach innen und eine nach außen weisende Oberfläche hat, wobei die nach außen weisende Oberfläche so ausgebildet ist, daß sie der Düsenabgasströmung zugewandt ist,
einen Flansch (60), der an dem Dichtabschnitt (58) befe stigt ist, und
eine Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) zum Befestigen des Flansches (60) an der Klappenzwischendichtung (30).

16. Dichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) eine Einrichtung aufweist, welche dem Segment (56) gestattet, sich um eine Längsachse zu verdrehen.

17. Dichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) ein Kleeblattloch (72) in dem Flansch (60) aufweist und daß der Träger (50) einen elliptischen Querschnitt hat.

18. Dichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Dichtabschnitts (58) nach außen in Richtung der Abgasströmung gekrümmt ist.

19. Dichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtabschnitte (58) einen zunehmenden Grad an Krümmung zu dem hinteren Ende des Dichtabschnitts (58) hin haben.

20. Dichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment (56) aus einem einzelnen Stück Blech herge stellt ist.