DE4100427C2

DE4100427C2 - Bypass-Ventilvorrichtung

Info

Publication number: DE4100427C2
Application number: DE4100427A
Authority: DE
Inventors: Jun Walter Francis Siedlecki
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-05-11
Filing date: 1991-01-09
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2011-01-10
Also published as: US5113649A; JPH04228838A; CA2034391A1; DE4100427A1; GB2243871A; JPH0692742B2; FR2661948A1; GB9100510D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bypass-Ventil vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Bypass-Ventilvorrichtung ist aus der DE 36 06 286 bekannt.

Ein herkömmliches Gasturbinentriebwerk mit variablem Zyklus enthält ein Grundtriebwerk, das ein üblicherweise als Fan bezeichnetes Gebläse antreibt, und hat einen das Grund triebwerk umgebenden Bypass- oder Mantelstromkanal, der mit dem Fan in Strömungsverbindung steht. Ein herkömmliches Anzapf- oder Mantelstromventil ist an einem stromaufwärtigen Einlaßende des Bypass- oder Mantelstromkanals angeordnet und in eine geschlossene Stellung bringbar, in welcher es die Strömung aus dem Fan in den Bypass- oder Mantelstromkanal unter gewissen Bedingungen in dem zulässigen Flugleistungsbereich eines durch das Triebwerk angetriebenen Flugzeuges im wesentlichen blockiert und das Einleiten der Strömung aus dem Fan in das Grundtriebwerk gestattet. Das Mantelstromventil ist außerdem in eine offene Stellung bringbar, in welcher es eine im wesentlichen unbehinderte Strömung aus dem Fan in den Bypass- oder Mantelstromkanal gestattet, um einen Teil der Fanluft um das Grundtriebwerk herumzuleiten und das Hindurchleiten des übrigen Teils der Fanluft durch das Grundtriebwerk während des Betriebes des Flugzeuges bei anderen Bedingungen in dem zulässigen Flugleistungsbereich zu gestatten.

Bekannte Bypass-Ventilvorrichtungen gemäß der eingangs genannten DE 36 06 286 sind relativ kompliziert und werden gemäß vorbestimmten Plänen entsprechend dem Betrieb in dem zulässigen Flugleistungsbereich des Flugzeuges gesteuert. Beispielsweise werden dort Gestänge, Abtastmittel und Servoventile benutzt, um Ventilkörper zu verstellen, und sind funktional mit dem Steuersystem des Triebwerks verbunden, damit aufgrund der vorbestimmten Pläne, die in dem Steuersystem enthalten sind, die Bypass-Ventilvor richtung unter verschiedenen Bedingungen in dem zulässigen Flugleistungsbereich geöffnet und geschlossen werden kann.

In der offenen Stellung muß die Bypass-Ventilvorrichtung eine im wesentlichen unbehinderte Strömung in den Bypass- oder Mantelstromkanal ermöglichen, um Druckverluste zu reduzieren oder zu minimieren, welche die Leistungsfähig keit des Triebwerks verringern und die Kühlleistung der in den Bypass- oder Mantelstromkanal geleiteten Mantelstromluft reduzieren würden. Die Mantelstromluft wird üblicherweise benutzt, um stromabwärtige Teile in dem Triebwerk wie z. B. einen herkömmlichen Schubverstärker und eine verstellbare Schubdüse zu kühlen, und jegliche Druckverluste aufgrund des Bypass- oder Mantelstromkanals müßten kompensiert werden, üblicherweise durch Erhöhen des Druckes in dem Bypass- oder Mantelstromkanal, wodurch die Triebwerksleistungsfähigkeit verringert würde. Außerdem muß die Bypass-Ventilvorrichtung eine im wesentlichen unbehin derte Strömung in den Bypass- oder Mantelstromkanal ermöglichen, um jeglichen Gegendruck auf den Fan zu verhindern oder zu minimieren, der den Spielraum des Fan bis zum Strömungsabriß unerwünscht reduzieren würde. Dieser Faktor ist noch bedeutsamer bei einem Triebwerk, bei dem der Spielraum des Fan bis zum Strömungsabriß einen "Einschnürpunkt" oder Minimalwert hat, der etwa bei demselben Zustand in dem zulässigen Flugleistungsbereich auftritt, wenn die Bypass-Ventilvorrichtung vollständig offen sein muß.

Die FR 26 40 685 beschreibt zwar einen Bypassventil- Klappenmechanismus, bei dem sich die Klappenpositionen durch die an den Klappen jeweils angreifenden Druckkräfte ergeben. Es ist dort jedoch möglich, daß Klappen in unerwünschten Zwischenstellungen stehen bleiben.

Eine Bypass-Ventilvorrichtung in Form eines Betriebsartwählventils in einem Mantelstromtriebwerk wird üblicherweise entweder in eine vollständig offene oder in eine vollständig geschlossene Stellung gebracht, obgleich Zwischenstellungen bei gewissen anderen Ausführungsformen erwünscht sein können. Demgemäß wird die Bypass- Ventilvorrichtung üblicherweise relativ schnell geöffnet oder geschlossen, wenn es für den Betrieb in dem zulässigen Flugleistungsbereich erforderlich ist und z. B. der Übergang zwischen einem Betrieb mit niedrigem Mantelstromverhältnis und einem Betrieb mit hohem Mantelstromverhältnis erfolgt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Bypass-Ventilvorrichtung zu schaffen, die sich durch die an den Klappen angreifenden Druckkräfte selbsttätig öffnet und schließt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung und die durch sie erzielbaren Vorteile werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks mit variablem Zyklus zum Antreiben eines Flugzeuges, das eine Bypass-Ventilvorrichtung gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung aufweist,

Fig. 2 eine perspektivische schematische Darstellung eines Teils der Bypass- Ventilvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Teils der Bypass-Ventilvorrichtung nach der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 in Blickrichtung stromaufwärts eine Endansicht eines Teils der Bypassklappen nach der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 ein Diagramm, welches das Schließdrehmoment T_c über dem Klappenwinkel h für die in den Fig. 4, 6 und 7 dargestellten Bypassklappen zeigt,

Fig. 6 eine schematische Darstellung, die eine Schnittansicht einer Bypassklappe in geschlossener Stellung nach der Linie 6-6 in Fig. 4 zeigt,

Fig. 7 eine schematische Darstellung ähnlich der in Fig. 6, welche eine der Bypassklappen in einer offenen Stellung zeigt,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Bypassklappe, welche mit einer linearen Feder zum Hervorrufen eines Schließdrehmoments verbunden ist,

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 8, welche die Bypassklappe in einer geschlossenen Stellung zeigt, und

Fig. 10 ein Diagramm, welches das Schließdrehmoment T_c über dem Türwinkel h für die in den Fig. 8 und 9 dargestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines exemplari schen Gasturbinentriebwerks 10 mit variablem Zyklus zum An treiben eines Flugzeuges in einem zulässigen Flugleistungs bereich, der Unterschall- und Überschallgeschwindigkeiten in verschiedenen Höhen umfaßt. Das Triebwerk 10 hat einen ringförmigen Einlaß 12 zum Aufnehmen von Umgebungsluft 14, an den sich der Reihe nach ein herkömmlicher vorderer Fan 16, ein hinterer Fan 18 oder Niederdruckverdichter, ein Hochdruckverdichter 20, eine Brennkammer 22, eine Hoch druckturbine 24 und eine Niederdruckturbine 26 anschließen. Die Hochdruckturbine 24 treibt sowohl den hinteren Fan 18 als auch den Hochdruckverdichter 20 über eine herkömmliche erste Welle 28 an. Die Niederdruckturbine 26 treibt den vorderen Fan 16 über eine herkömmliche zweite Welle 30 an.

Das Triebwerk 10 hat außerdem ein äußeres Gehäuse 32, wel ches Abstand von einem inneren Gehäuse 34 hat, so daß zwi schen denselben ein herkömmlicher Bypass- bzw. Mantelstromkanal 36 gebildet ist. Von dem äußeren Gehäuse 32 und der Niederdruckturbine 26 aus erstreckt sich stromabwärts ein herkömmlicher Nachbrenner oder Schubverstärker 38, welcher ein herkömmliches Flammrohr 40 aufweist, das von einem herkömmlichen ringförmigen Nachbrennerkanal 42 umgeben ist.

Der Nachbrennerkanal 42 steht in Strömungsverbindung mit dem Bypass- oder Mantelstromkanal 36, und ein herkömmlicher Mischer 44 ist zwischen denselben angeordnet, um einen Teil der Mantelstromluft 46, welche durch den Bypass- oder Mantelstromkanal 36 geleitet wird, mit Verbrennungsgasen 48 aus der Niederdruckturbine 26 zu vermischen, die in den Nachbrenner 38 geleitet und über eine herkömmliche verstellbare Schubdüse 50 abgegeben werden, welche an dem stromabwärtigen Ende des Nachbrenners 38 angeordnet ist.

In dieser exemplarischen Ausführungsform ist das Triebwerk 10 ein Doppelmantelstromtriebwerk, das ein wahlweise vor handenes, herkömmliches Ventil 52 aufweist, welches in dem inneren Gehäuse 34 zwischen dem hinteren Fan 18 und dem Hochdruckverdichter 20 angeordnet ist, um einen Teil der Luft 14, die durch den hinteren Fan 18 strömt, während ei nes gewissen Betriebes des Triebwerks 10 in den Bypass- oder Mantelstromkanal 36 zu leiten. Das Ventil 52 kann nach Bedarf auf herkömmliche Weise geöffnet oder geschlossen werden, oder aber das Ventil 52 kann in einer anderen Ausführungsform weggelassen werden, was eine ständige Strömung eines Teils der Luft 14 aus dem Bereich zwischen dem Fan 18 und dem Hochdruckverdichter 20 in den Bypass- oder Mantelstromkanal 36 gestattet.

Das Triebwerk 10 ist mit Ausnahme einer Bypass- bzw. Mantelstromventilvorrichtung 54 gemäß einer bevorzugten, exemplarischen Ausführungsform der Erfindung, die zwischen dem vorderen Fan 16 und dem hinteren Fan 18 angeordnet ist, herkömmlich. In den Fig. 2 und 3 ist die Bypass- Ventilvorrichtung 54 ausführlicher gezeigt. Die Bypass- Ventilvorrichtung 54 weist einen ringförmigen Fanrahmen 56 auf, der ein äußeres Gehäuse 58 und ein inneres Gehäuse 60 hat, das mit Abstand radial einwärts von dem äußeren Gehäuse 58 angeordnet ist, so daß zwischen ihnen ein erster Kanal 62 zum Hindurchleiten der Luft 14 gebildet ist. Der vordere Fan 16 weist eine Vielzahl von herkömmlichen Fanlaufschaufeln 64 auf, die auf herkömmliche Weise mit der zweiten Welle 30 verbunden sind, und eine Vielzahl von herkömmlichen Fanauslaßleitschaufeln 66, die in dem ersten Kanal 62 zum Hindurchleiten der Luft 14 angeordnet sind. Ein herkömmlicher ringförmiger Strömungsteiler 68 ist auf herkömmliche Weise zwischen dem äußeren Gehäuse 58 und dem inneren Gehäuse 60 durch eine Vielzahl von in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Streben 70 befestigt, welche sich zwischen dem äußeren Gehäuse 58 und dem Strömungsteiler 68 erstrecken, wobei das Gehäuse und der Strömungsteiler einen zweiten Strömungskanal 72 oder Einlaß in den Bypass- oder Mantelstromkanal 36 bilden. Der Strömungsteiler 68 ist auf herkömmliche Weise mit dem inne ren Gehäuse 60 durch eine Vielzahl von in gegenseitigem Um fangsabstand angeordneten, herkömmlichen Einlaßleitschau feln 74 verbunden, wodurch zwischen ihnen ein dritter Strö mungskanal 76 oder ein Einlaß in das Grundtriebwerk gebil det ist. Der hintere Fan 18 des Grundtriebwerks hat die Einlaßleitschaufeln 74 und eine Vielzahl von herkömmlichen, in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Laufschaufeln 78, die auf herkömmliche Weise mit der ersten Welle 28 be triebsmäßig verbunden sind. Der Strömungsteiler 68 weist einen vorderen Rand 80 auf, welcher die Luft 14 in eine Mantelstromluftströmung 82, die in den zweiten Kanal 72 ge leitet wird, und in eine Kern- oder Grundtriebwerksluft strömung 84, welche in den dritten Kanal 76 geleitet wird, aufteilt.

Die Bypass-Ventilvorrichtung 54 weist weiter eine ring förmige Öffnung 86 in dem äußeren Gehäuse 58 auf, welche dem Strömungsteiler 68 zugewandt ist. In der ringförmigen Öffnung 86 sind mehrere Bypass-Ventilklappen 88 in Um fangsrichtung nebeneinander angeordnet. In einer exemplari schen Ausführungsform sind zwölf Klappen 88 über der Um fangsausdehnung von 360° der Öffnung 86 angeordnet.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 4 weisen die Klap pen 88 jeweils eine innere Oberfläche 90 auf, die dem Strö mungsteiler 68 und der Mantelstromluftströmung 82 zugewandt ist und einen Teil der Begrenzung des zweiten Kanals 72 bildet. Die Klappen 88 weisen außerdem eine äußere Oberflä che 92 auf, die in zu der inneren Oberfläche 90 entgegenge setzter Richtung gewandt ist. Die Klappen 88 sind relativ dünn und vorzugsweise aus Titan hergestellt, um das Gewicht zu reduzieren, und weisen mehrere herkömmliche Ver steifungsrippen 94 auf der äußeren Oberfläche 92 auf. Die Klappen 88 sind jeweils an dem Rahmen 56 an einem stromauf wärtigen Ende 96 jeder Klappe 88 drehbar angelenkt, wie es im folgenden ausführlicher beschrieben ist. Die Klappe 88 weist außerdem ein stromabwärtiges Ende 90 auf.

Die Klappen 88 sind jeweils in eine offene Stellung bring bar, die beispielsweise in Fig. 2 und gestrichelt in Fig. 3 dargestellt ist, wobei die Klappe 88 insgesamt parallel in der ringförmigen Öffnung 86 angeordnet ist, um eine im we sentlichen unbehinderte Strömung der Mantelstromluftströ mung 82 aus dem ersten Kanal 62 in den zweiten Kanal 72 zu gestatten. Die Klappen 88 sind außerdem in eine geschlos sene Stellung bringbar, die mit ausgezogenen Linien in Fig. 3 dargestellt ist, um den Eintritt der Mantelstromluftströ mung 82 aus dem ersten Kanal 62 in den zweiten Kanal 72 im wesentlichen zu blockieren und dadurch die gesamte Luft 14 als Grundtriebwerksluftströmung 84 in den dritten Kanal 76 des hinteren Fan 18 zu leiten. Während des Betriebes des Triebwerks 10 trifft die Mantelstromluftströmung 82 auf die innere Oberfläche 90 der Klappen 88 auf und erzeugt eine resultierende Druckkraft F_p, welche auf die Klappe 88 ein wirkt und eine aerodynamische Fluidöffnungskraft zum Öffnen der Klappen 88 darstellt.

Die Bypass-Ventilvorrichtung 54 weist weiter eine Positioniereinrichtung 100 auf, welche die Klappen 88 auf grund von Differenzdruck an den Klappen 88 in dem zweiten Kanal 72 automatisch in die offene und die geschlossene Stellung bringt. Die Positioniereinrichtung 100 erzeugt ein Schließdrehmoment T_c an den Klappen 88, welches wenigstens auf einem Teil der Winkelbewegung h der Klappen 88 aus der geschlossenen in die offene Stellung abnimmt, um ein voll ständiges Öffnen der Klappen 88 zum Erzielen einer im we sentlichen unbehinderten Strömung zu gestatten.

Der Differenzdruck an den Klappen 88 kann als die Differenz zwischen einem Druck P₁ der Luft 14 in dem ersten Kanal 62 stromaufwärts der Klappen 88 minus einem Druck P₂ in dem Bypass- oder Mantelstromkanal 36, welcher in einer Position in dem zweiten Kanal 72 unmittelbar stromabwärts der Klappen 88 auftreten kann, definiert werden. Während des Betriebes des Triebwerks 10 hat der Differenzdruck P₁-P₂ (zum Beispiel der statische Druck) Werte, die von positiven Werten bis zu negativen Werten reichen, wobei die positiven Werte positive Werte der Drucköffnungskraft F_p erzeugen, welche die Klappen 88 im Gegenuhrzeigersinn drehen und dadurch die Klappen öffnen, und wobei der negative Differenzdruck P₁-P₂ negative Werte der Drucköffnungskraft F_p hervorruft, welche die Klappen im Uhrzeigersinn in deren geschlossene Stellung drehen.

Dieser Differenzdruck P₁-P₂ wird gemäß der Erfindung ef fektiv ausgenutzt, indem die Positioniereinrichtung 100 vorgesehen wird, welche in einer besonderen Ausführungsform eine jeder Klappe 88 zugeordnete herkömmliche Torsionsfeder 102 aufweist, wobei die Feder 102 in der bevorzugten Ausführungsform aus herkömmlichem Material besteht. Jede Feder 102 verbindet ihre Klappe 88 mit dem Rahmen 56, um eine Federschließkraft F_c mit einem resultierenden Schließdrehmoment T_c zu erzeugen, die gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 4 auf die Klappe 88 in zu der Öffnungskraft F_p entgegengesetzter Richtung einwirkt.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in welchem das Schließdrehmoment T_c über dem Klappenwinkel h von der geschlossenen Stellung bis zu der offenen Stellung, was einen Bereich von h von etwa 40° darstellt, aufgetragen ist. Das Schließdrehmoment T_c ist durch eine Kurve 104 dargestellt, die einen minimalen ersten Wert T₁ hat, welcher erzielt wird, indem die Feder 102 herkömmlich so positioniert wird, daß die den ersten Wert T₁ des Schließdrehmoments in der offenen Stellung der Klappe 88 erzeugt, und welcher wenigstens groß genug ist, um die Klappe 88 gegen die Schwerkraft zu schließen, welche auf die Klappe 88 einwirkt, wenn die Drucköffnungskraft F_p Null ist, was zum Beispiel der Fall sein kann, wenn das Triebwerk 10 nicht in Betrieb ist. Die Klappen 88 sind in Umfangsrichtung um die Öffnung 86 angeordnet, und ohne die Verwendung der Feder 102 würden wenigstens einige der Klappen 88 aufgrund der Schwerkraft einfach in der offenen Stellung bleiben, das heißt diejenigen Türen, die in der Öffnung 86 unten angeordnet sind und bezüglich den in Fig. 3 gezeigten mit ihrer Oberseite unten angeordnet sind. Demgemäß ist die Feder 102 so bemessen und positioniert, daß sie wenigstens die auf die Klappe 88 einwirkende Schwerkraft überwindet, um die Klappe 88 am Anfang in die geschlossene Stellung zu bringen. Gemäß der folgenden Beschreibung gestattet die Positioniereinrichtung 100 weiter einen zweiten Wert T₂ des Schließdrehmoments T_c in der geschlossenen Stellung der Klappe, der größer ist als der erste Wert T₁ des Schließdrehmoments.

Die herkömmliche Torsionsfeder 102 ist so bemessen und re lativ zu der Klappe 88 so positioniert, daß sie ein Schließdrehmoment T_c erzeugt, das gewöhnlich zu einer Erhö hung des Schließdrehmoments T_c führen würde, wenn die Tür aus der geschlossenen Stellung in die offene Stellung be wegt wird, aber nicht so bei der Erfindung. Federn bewirken üblicherweise eine Zunahme der Rückstellkraft, wenn sie zu sammengedrückt oder ausgedehnt werden, was erfindungsgemäß unerwünscht ist, weil eine auf die Klappe 88 einwirkende herkömmliche Federanordnung eine kontinuierlich zunehmende Kraft erfordern würde, um die Klappe 88 zu öffnen, was dazu führen könnte, daß die Klappe 88 nicht vollständig geöffnet und dadurch die Mantelstromluftströmung 82 in dem zweiten Kanal 72 behindert würde.

In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Klappen 88 gemäß der Darstellung in Fig. 4 jeweils zwei in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Scharnierge lenke oder einfach Scharniere 106 auf, mittels welchen das stromaufwärtige Ende 96 der Klappe 88 an dem Rahmen 56 drehbar angelenkt ist. Jedes Scharnier 106 weist einen langgestreckten Halter 108 auf, der sich von dem Rahmen 56 aus erstreckt und an seinem distalen Ende eine Öffnung 110 hat. Ein komplementäres Paar Öffnungen 112 ist in einem entsprechenden Paar Rippen 94 angeordnet, die den Halter 108 zwischen sich aufnehmen, und ein Scharnierstab oder -stift 114 ist in den Öffnungen 110 und 112 geeignet posi tioniert, um das Schwenken der Klappen 88 relativ zu dem Rahmen 56 zu gestatten. Eine herkömmliche Büchse (nicht ge zeigt) kann zwischen dem Scharnierstift 114 und den Öffnun gen 110 und 112 vorgesehen sein, um die Reibung zwischen ihnen zu reduzieren.

In der bevorzugten Ausführungsform, die in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, ist der Scharnierstift 114 eines der Scharniere 106 mit dem Halter 108 fest verbunden und hat eine ausreichende Länge zum Aufnehmen einer Anzahl von her kömmlichen Windungen 116 der Torsionsfeder 102, die koaxial zu ihm angeordnet ist. Beispielsweise können wenigstens vier Windungen 116 benutzt werden. Die Feder 102 weist wei ter ein festes Ende 118 auf einer Seite der Windungen 116 auf, das mit dem Scharnierstift 114 fest verbunden ist, der auf herkömmliche Weise mit dem Halter 108 fest verbunden ist. Die Feder 102 weist ein langgestrecktes, bogenförmi ges, konkaves freies Ende 120 auf der entgegengesetzten Seite der Windungen 116 auf.

In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann das feste Ende 118 der Feder auch langgestreckt sein und sich von dem Scharnierstift 114 aus erstrecken, um auf ei nem einstellbaren Halter aufzuliegen, zum Beispiel einer Schraube, die beispielsweise an dem Rahmen 56 oder dem Hal ter 108 befestigt ist. In dieser Ausführungsform kann sich der Scharnierstift 114 relativ zu dem Halter 108 bei Bedarf frei drehen, wobei sich die Federwindungen 116 weiterhin frei um den Scharnierstift 114 drehen können. Durch Ein stellen der Länge der Schraube kann das auf ihr ruhende fe ste Ende 118 bewegt werden, um die Federwindungen 116 rela tiv zu dem freien Ende 120 zu spannen oder zu lockern und so den Anfangswert einer Schließkraft F_c einzustellen, wel che durch das freie Federende 120 auf die Klappe 88 aus geübt wird. Dieses Merkmal gestattet dann das individuelle Einstellen der Anfangsschließkraft F_c an jeder Klappe 88, um Fertigungstoleranzen zu kompensieren, die zu variieren den Klappengewichten und Federkräften führen, und um eine gleichlaufende Bewegung von sämtlichen Klappen 88 zu ge währleisten. Selbstverständlich können andere Anordnungen zum Einstellen der Anfangsfederschließkraft F_c benutzt wer den.

Gemäß den Fig. 2, 4 und 6 weist die Positioniereinrich tung 100 weiter eine Steuerfläche 122 an der äußeren Ober fläche 92 der Klappe auf. Die Steuerfläche 122 weist einen konvexen vorderen Steuerteil 124 auf, der an dem stromauf wärtigen Ende 96 der Klappe angeordnet ist, und einen ins gesamt ebenen hinteren Steuerteil 126, der sich von dem vorderen Steuerteil 124 aus zu dem stromabwärtigen Ende 98 der Klappe erstreckt. Das freie Ende 120 der Feder weist ein hinteres Ende 128 auf, welches den hinteren Steuerteil 126 zumindest dann berührt, wenn die Klappe 88 in der ge schlossenen Stellung ist, wie es beispielsweise in Fig. 6 dargestellt ist. Das ergibt die Anfangsfederschließkraft, die als zweiter Wert F₂ der Federschließkraft F_c bezeichnet wird. Das freie Ende 120 der Feder weist außerdem einen Zwischenteil 130 auf, der insbesondere in Fig. 7 gezeigt und zwischen den Windungen 116 und dem hinteren Ende 128 der Feder angeordnet ist und den vorderen Steuerteil 124 zumin dest dann berührt, wenn die Klappe 88 in der offenen Stel lung ist, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, um einen ersten Wert F₁ der Schließkraft F_c zu erzeugen.

Gemäß den Fig. 5, 6 und 7 sind das konvexe freie Ende 120 der Feder, der vordere Steuerteil 124 und der hintere Steu erteil 126 hauptsächlich so gewählt, daß der erste Wert T₁ des Schließdrehmoments kleiner ist als der zweite Wert T₂ des Schließdrehmoments, um sicherzustellen, daß die Klappe 88 vollständig offen ist und eine im wesentlichen unbehin derte Strömung in den zweiten Kanal 72 bei einem positiven Differenzdruck P₁-P₂ ermöglicht. Da die Winkelposition h der Torsionsfeder 102 ab der geschlossenen Stellung bis zu der offenen Stellung gemäß der Darstellung in Fig. 5 wei terhin zunimmt, nimmt die Schließkraft F_c, welche durch die Torsionsfeder erzeugt wird, üblicherweise zu. Die Positio niereinrichtung 100 bewirkt jedoch durch wirksame Ausnut zung von Momentenarmen, daß die Schließkraft T_c abnimmt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 6 wird die Schließkraft F_c auf die Klappe 88 über einem Momentenarm L₂, welcher von dem Scharnier 106 bis zu dem hinteren Ende 128 der Feder gemessen wird, ausgeübt, was das Schließdrehmoment T_c gleich F_c mal L₂ ergibt, das den besonderen Wert F₂L₂ in der geschlossenen Stellung hat, die in Fig. 6 gezeigt ist. Wenn jedoch die Klappe 88 zu öffnen beginnt, berührt das hintere Ende 128 der Feder weiterhin den hinteren Steuer teil 126 für nur einen gewissen vorgewählten Drehbereich h, der bei Bedarf Null sein kann, wobei die Schließkraft F_c und das Schließdrehmoment T_c bis zu dem Punkt zunehmen, wo der Federzwischenteil 130 den vorderen Steuerteil 124 be rührt, was bei einem Zwischenwert h_i zwischen der geschlos senen und der offenen Stellung der Klappen 88 erfolgt. An diesem Punkt bewirkt weiteres Öffnen der Klappe 88, daß der vordere Steuerteil 124 den Federzwischenteil 130 berührt und so das hintere Ende 128 der Feder von dem hinteren Steuerteil 126 abhebt, wie es beispielsweise in Fig. 7 ge zeigt ist. Die Schließkraft F_c, die auf die Klappe 88 ein wirkt, wirkt nun über einer kürzeren Länge L₁ von dem Scharnier 106 bis zu dem Berührungspunkt an dem Federzwi schenteil 130. Obgleich die Rückstellkraft F_c aus der Feder 102 zugenommen haben kann, als der Klappenwinkel h vergrö ßert worden ist, ist die Länge L₁ ausreichend kleiner als die Länge L₂, um den Momentenarm und das effektive Schließ drehmoment T_c (F_cL₁), das auf die Klappen 88 einwirkt, zu reduzieren. Beispielsweise ist der erste Wert T₁ des Schließdrehmoments, welcher durch F₁L₁ dargestellt wird, kleiner als der zweite Schließdrehmomentwert T₂ von F₂L₂, da L₁ vorgewählt kleiner als L₂ ist, um sicherzustellen, daß T₁ kleiner als T₂ ist.

Demgemäß weist das Schließdrehmoment T_c, das auf die Klap pen 88 einwirkt, einen ersten Teil 132 auf, wie es Fig. 5 zeigt, der zunimmt, bis der vordere Steuerteil 124 den Fe derzwischenteil 130 bei dem Klappenwinkel h_i berührt, und einen zweiten Teil 134, wobei das Schließdrehmoment T_c bis auf einen Minimalwert von T₁ abnimmt, wenn die Klappe 88 vollständig offen ist.

Die Feder 102 ist so bemessen und ausgestaltet, daß ein po sitiver Differenzdruck von P₁-P₂ an der Klappe 88 in dem zweiten Kanal 72 bewirkt, daß die Klappe 88 gegen das Schließdrehmoment T_c geöffnet wird, und daß ein negativer Differenzdruck von P₁-P₂ an der Klappe 88 in dem zweiten Kanal 72 bewirkt, daß die Klappe 88 geschlossen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der positive Diffe renzdruck größer als etwa 3,45 kPa, um sicherzustellen, daß die Klappe 88 bei Beaufschlagung mit einem positiven Differenzdruck P₁-P₂ relativ schnell öff net. Der Differenzdruck P₁-P₂ hat einen Bereich von Wer ten während des Betriebes des Triebwerks 10, und die Posi tioniereinrichtung 100 bewirkt das Öffnen und Schließen der Klappen bei etwa einem einzelnen Wert des Differenzdruckes P₁-P₂, wenn der Differenzdruck in dem Bereich zunimmt bzw. abnimmt, um ein im wesentlichen augenblickliches Öff nen oder Schließen der Klappen 88 zu bewirken. In anderen Ausführungsformen der Erfindung könnte die Feder 102 so be messen sein, daß die Klappen 88 über einem Bereich von Wer ten des Differenzdruckes nach Bedarf relativ langsam öffnen und schließen.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 4 weist jede Klappe 88 an ihrem stromabwärtigen Ende 98 eine langgestreckte, elastische Dichtung 136 auf, die an dem stromabwärtigen Ende 98 geeignet befestigt ist, beispielsweise durch Befe stigung in einem Schlitz darin. Die Dichtung berührt den Strömungsteiler 68, wenn die Klappe 88 in der geschlossenen Stellung ist, um eine gute Abdichtung der Klappe 88 an dem Strömungsteiler 68 zu bewirken. Die Dichtung 136 sorgt auch für eine Dämpfung der Klappe 88, wenn der Kontakt mit dem Strömungsteiler 68 plötzlich verlorengeht oder wenn durch den Aufprall der Mantelstromluftströmung 82 auf die Klappen 88 Vibration hervorgerufen wird. In der bevorzugten Ausfüh rungsform besteht die Dichtung aus einem elastomeren Werkstoff, der mit Gewebe (zum Beispiel Glasfasergewebe) verstärkt ist.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2, 3 und 7 hat das stromabwärtige Ende 98 der Klappe im wesentlichen die glei che Erstreckung wie das äußere Gehäuse 58, wenn die Klappe in der offenen Stellung ist, um einen im wesentlichen glat ten Strömungswegübergang an dem stromabwärtigen Ende 98 der Klappe und dem äußeren Gehäuse 58 zu schaffen, das einen Teil des zweiten Kanals 72 bildet. Da eine Reduktion des Schließdrehmoments T_c durch die vorliegende Erfindung er zielt wird, wenn die Klappen 88 aus der geschlossenen Stel lung in die offene Stellung gebracht werden, wird die Ge fahr, daß die Klappe 88 nicht vollständig öffnet, reduziert und in einigen Ausführungsformen eliminiert.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 6 und 7 weist die Klappe 88 eine Vorderkante 138 auf, und das Scharnier 106 ist vor zugsweise mit Abstand stromabwärts von der Vorderkante 138 angeordnet, so daß das stromaufwärtige Ende 96 vorderhalb des Scharniers 106 als Gegengewicht dient, um die Schwer kraft zu kompensieren, die auf das stromabwärtige Ende 98 wirkt, und das Drehmoment zu reduzieren, welches zum Öffnen der Klappe 88 erforderlich ist, insbesondere bei der oberen Klappe 88, die in Fig. 7 gezeigt ist. Bei den unteren Klap pen 88 ist das Gegengewicht aufgrund des versetzten strom aufwärtigen Endes 96 bestrebt, das Schließen der Klappen 88 zu unterstützen und dadurch die Größe der Schließkraft F_c zu reduzieren, welche von der Feder 102 verlangt wird.

Darüber hinaus weist das äußere Gehäuse 58 eine innere Strömungswegoberfläche 140 gemäß Fig. 7 auf, und der vor dere Rand 138 hat einen rechtwinkeligen Abstand d davon, wenn die Klappe 88 in der offenen Stellung ist, so daß die Mantelstromluftströmung 82 auf den vorderen Rand 138 auf trifft, um eine zusätzliche oder zweite Öffnungskraft oder ein zusätzliches oder zweites Drehmoment auf die Klappe 88 einwirken zu lassen und weiter zu gewährleisten, daß die Klappe 88 vollständig offen ist und die Strömung nicht be hindert. Dieses zweite Öffnungsdrehmoment ist eine direkte Funktion der Strömungsgeschwindigkeit der Mantelstromluft strömung 82 und hat einen Maximalwert bei maximaler Druck differenz P₁-P₂, wenn es erwünscht ist, daß die Klappen 88 vollständig offen sind, und nimmt im Wert ab, wenn die Mantelstromluftströmung 88 abnimmt, was ebenfalls erwünscht ist, um das Schließen der Klappen 88 zu gestatten. Die Größe der vorderen Stufe, die durch den Abstand d festge legt wird, ist vorzugsweise klein, so daß sie keine unzulässigen Werte des Luftwiderstands an dem stromaufwär tigen Ende 96 erzeugt, der die Vorteile des Erzielens einer vollständig offenen Klappe 88 zunichte machen würde. Bei beträchtlichen Geschwindigkeiten der Mantelstromluftströ mung werden die Klappen 88 eine stabile Stellung einnehmen, wodurch jede Tendenz, daß die Klappen 88 flattern, mini miert wird.

In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Positioniereinrichtung 100 einen geraden Stift 142 aufweist, der insgesamt rechtwinke lig außerhalb der äußeren Oberfläche 92 der Klappe 88 ange ordnet ist. Der Stift 142 weist ein erstes Ende 144 auf, das an der Klappe an dem Scharnier 106 fest angebracht ist, einen Zwischenteil 146 und ein zweites Ende 148, das entge gengesetzt zu dem ersten Ende 144 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform hat die Feder die Form einer herkömmlichen linearen Feder 150, die ein erstes Ende 152 hat, das an dem Stiftzwischenteil 146 verschiebbar befestigt ist, z. B. durch eine Schleife, die sich um den Zwischenteil 146 er streckt, und ein zweites Ende 154, das mit dem Rahmen 56 geeignet verbunden ist. Der Stift 142 und die Feder 150 sind so bemessen und ausgebildet, daß das erste Ende 152 der Feder längs des Stiftzwischenteils 146 an dem ersten Ende 144 positionierbar ist, wenn die Klappe 88 in der of fenen Stellung ist, welche in Fig. 8 gezeigt ist, und an dem zweiten Ende 148 positionierbar ist, wenn die Klappe 88 in der geschlossenen Stellung ist, die in Fig. 9 darge stellt ist. Auf diese Weise nimmt das Schließdrehmoment, das durch die Feder 150 an der Klappe 88 hervorgerufen wird, ab, wenn der Klappenstellungswinkel h von der geschlossenen bis zu der offenen Stellung zunimmt, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, in welcher das Schließdrehmoment T_c durch die negativ geneigte Gerade 156 über dem Klappenwin kel h dargestellt ist. Das Schließdrehmoment T_c nimmt von T₂ bis T₁ insgesamt linear ab, wenn die Klappe 88 aus der geschlossenen in die offene Stellung gebracht wird.

Claims

1. Bypass-Ventilvorrichtung zum Steuern der Fluidströmung in einem Gasturbinentriebwerk, enthaltend einen ringförmigen Rahmen mit einem äußeren Gehäuse und einem inneren Gehäuse, das im Abstand von dem äußeren Gehäuse angeordnet ist und mit diesem einen Strömungskanal bildet, wobei das äußere Gehäuse eine ringförmige Öffnung aufweist, in der in Umfangsrichtung nebeneinander mehrere Bypass-Ventilklappen angeordnet sind, die jeweils eine innere Oberfläche, die dem Strömungskanal zugewandt ist, eine äußere Oberfläche, ein erstes Ende, das an dem Rahmen drehbar angelenkt ist, und ein zweites Ende aufweisen, wobei die Klappen in eine offene Stellung parallel zu dem äußeren Gehäuse und in eine geschlossene Stellung bringbar sind, die relativ zu dem äußeren Gehäuse geneigt ist, wobei die gegen die innere Oberfläche strömende Fluidströmung eine Öffnungskraft auf die Klappe ausübt, gekennzeichnet durch eine Positioniereinrichtung (100) zum selbsttätigen Positionieren der Klappen (88) in ihren offenen und geschlossenen Stellungen, wobei die Positioniereinrichtung (100) eine Feder (102; 150) aufweist, deren Momentarm (L₂) sich in Abhängigkeit von der Klappenstellung ändert, so daß das Schließmoment für die geschlossene Klappe (88) größer ist als das Schließmoment für die offene Klappe (88).

2. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren und dem inneren Gehäuse (58, 60) ein Strömungsteiler (68) angeordnet ist, der einen zweiten Kanal (72) und einen dritten Kanal (76) bildet, der von dem zweiten Kanal (72) durch den Strömungsteiler (68) getrennt ist, wobei der zweite und der dritte Kanal (72, 76) in Strömungsverbindung mit dem ersten Kanal (62) sind und die ringförmige Öffnung (86) des äußeren Gehäuses (58) dem Strömungsteiler (68) zugewandt ist.

3. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (102) eine Torsionsfeder ist, welche ein an dem Rahmen (56) befestig tes festes Ende (118), mehrere Windungen (116), welche an dem stromaufwärtigen Ende (96) der Klappe (88) angeordnet sind, und ein langgestrecktes, konkaves, freies Ende (120) hat; daß die Positioniereinrichtung (100) weiter eine Steuerflä che (122) an der äußeren Oberfläche (92) der Klappe (88) aufweist, die einen konvexen vorderen Steuerteil (124), der an dem stromaufwärtigen Ende (96) der Klappe (88) angeordnet ist, und einen insgesamt ebenen hinteren Steuerteil (126) hat, der sich von dem vorderen Steuerteil (124) zu dem stromab wärtigen Ende (98) der Klappe (88) erstreckt; und daß das freie Ende (120) der Feder ein hinteres Ende (128), welches den hinteren Steuerteil (126) zumindest dann berührt, wenn die Klappe (88) in der geschlossenen Stellung ist, um einen größeren Wert des Schließdrehmoments zu erzeu gen, und einen Zwischenteil (130) hat, der zwischen den Windun gen (116) und dem hinteren Ende (128) der Feder angeordnet ist und den vorderen Steuerteil (124) zumindest dann be rührt, wenn die Klappe (88) in der offenen Stellung ist, um einen kleineren Wert des Schließdrehmoments zu erzeugen.

4. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Ende (128) der Feder die hintere Steuerfläche (126) ab der geschlossenen Stellung der Klappe (88) bis zu einer Zwischenstellung der Klappe (88) berührt und das Schließdrehmoment im Wert ab der ge schlossenen Stellung bis zu der Zwischenstellung der Klappe (88) zunimmt und daß der Federzwischenteil (130) den vorderen Steuerteil (124) ab der Zwischenstellung der Klappe (88) bis zu der offenen Stellung der Klappe (88) berührt und das Schließ drehmoment ab der Zwischenstellung bis zu der offenen Stel lung der Klappe (88) im Wert abnimmt.

5. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende der Klappe (88) eine langgestreckte, elastische Dichtung (136) aufweist, welche den Strömungsteiler (68) berührt, wenn die Klappe (88) in der geschlossenen Stellung ist, um diese abzudichten und Schwingungen der Klappe (88) zu dämpfen.

6. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende (98) der Klappe (88) sich so weit wie das äußere Gehäuse (58) erstreckt, wenn die Klappe (88) in der offenen Stellung ist, um einen glatten Strömungswegübergang an dem stromabwärtigen Ende (98) der Klappe (88) zu erzeugen.

7. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gehäuse (58) eine innere Strömungswegoberfläche aufweist und daß die Klappe (88) einen vorderen Rand (138) in rechtwinkeligem Abstand davon hat, wenn die Klappe (88) in der offenen Stellung ist, so daß die Fluidströmung auf den vorderen Rand (138) auftrifft, um eine zweite Öffnungskraft auf die Klappe (88) zu erzeugen.

8. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (88) ein Scharnier (106) aufweist, welches das stromaufwärtige Ende (96) mit dem Rahmen (56) drehbar verbindet, wobei das Scharnier (106) stromabwärts eines vorderen Randes (138) der Klappe (88) angeordnet ist.

9. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (88) ein Scharnier (106) aufweist, welches das stromaufwärtige Ende (96) drehbar mit dem Rahmen (56) verbindet, und daß die Po sitioniereinrichtung (100) weiter einen Stift (142) auf weist, der rechtwinkelig außerhalb der äußeren Oberfläche der Klappe (88) angeordnet und ein erstes Ende (144), das an der Klappe (88) an dem Scharnier (106) fest angebracht ist, einen Zwischenteil (146) und ein zweites Ende (148) hat, und daß die Feder (150) eine lineare Feder ist, die ein erstes Ende (152), das an dem Stiftzwi schenteil (146) verschiebbar befestigt ist, und ein zweites Ende (154) hat, das mit dem Rahmen (56) verbunden ist, wobei das erste Federende (152) längs des Stiftzwischenteils (146) an dem ersten Ende (144) positionierbar ist, wenn die Klappe (88) in der offenen Stellung ist, und an dem zweiten Ende (148), wenn die Klappe (88) in der geschlossenen Stel lung ist.