DE4210804A1 - Einrichtung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen winkelversetzt und fest oder relativ zueinander beweglich angeordneten Wandelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Schubdüsen für Flugtriebwerke kann eine variable Düsengeometrie zwischen auf einer Seite fest angeordneten Wandelementen und diesen auf der anderen Seite gegenüberliegenden, verstellbaren Primär- und Sekundärklappen erreicht werden. Dabei ist es sowohl für verstellbare Primär- und Sekundärklappen als auch für fest angeordnete bzw. einge­ stellte Wandelemente erforderlich, einen sich jeweils längs der äußeren Ränder der Klappen bzw. Wandelemente erstreckenden Spalt gegenüber Wandabschnitten eines Düsengehäuses abzudichten. Oft muß eine Heißgasströmung der Schubdüse gegenüber einer vom Düsengehäuse eingeschlossenen Umgebung (Druck-Kammern) oder gegenüber der Atmosphäre abgedichtet werden.

Die Belassung eines Spalts auch zwischen den fest angeordneten Wand­ elementen und daran angrenzenden Wandungen des Düsengehäuses ist er­ forderlich, um eine freie Dehnbarkeit der im Betrieb unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzten Wandelemente relativ zu den Gehäusewandungen zu ermöglichen. Die beweglichen bzw. verstellbaren Klappen verlangen eine abzudichtende Spaltüberbrückung, wobei gegenseitige thermisch bedingte Dehnungsdifferenzen und noch thermisch bedingte, Wandver­ formungen oder Verwerfungen zu berücksichtigen sind.

Bei einer schon vorgeschlagenen Dichtungseinrichtung nach der eingangs genannten Art erfolgt die Primärdichtung in der Art einer Berührungs­ dichtung ausschließlich über das vom Differenzdruck zwischen den bei­ den Räumen betätigte Dichtelement. Aufgrund möglicher thermisch be­ dingter Verformungen des Dichtungsträgers, und damit der Mut wie auch des Dichtelements, besteht die Gefahr, daß der hauptsächlich für die Primärdichtung erforderliche Differenzdruckaufbau zumindest in Teilbe­ reichen, längs des Dichtspaltes, nicht mehr gewährleistet ist. Im Extremfall wird die Dichtung durch örtliche Verklemmung des Dicht­ elements unbrauchbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach der eingangs genannten Art (Oberbegriff des Patentanspruchs 1) anzugeben, die auch bei extrem unterschiedlichen Temperaturbeanspruchungen der Wandelemente und Dichtungsbauteile eine über die gesamte Spaltlänge zuverlässige Abdichtung gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Die Erfindung schafft eine vorteilhafte Kombination aus kolbenartigen Verstellgliedern, z. B. als Bolzen ausgeführt, und leistenartigem, gegebenenfalls in Segmente zergliedertem Dichtelement. In dem Druck­ raum, in den die Verstellglieder auf einer Seite hineinragen, herrscht ein beispielsweise durch zugeführte Druckluft erzeugter Steu­ erdruck, über den das Dichtelement mit der notwendigen Anpreßkraft gegen die betreffende Gegenfläche eines Wandelements gedrückt wird. Die Primärdichtung erfolgt dabei mit einem Steuerdruck, der unabhängig von dem sich längs des Spaltverlaufs ändernden Differenzdruck die An­ preßkraft für die Primärdichtung erzeugt. Lokale thermisch bedingte Verformungen von Mut oder Dichtelement, die gemäß dem Stand der Tech­ nik entscheidende Fehlerquellen bei ausschließlicher Differenzdruck­ betätigung sind, haben auf die Kolbenbetätigung gemäß der Erfindung praktisch keinen nachteilhaften Einfluß. Die Verstellglieder sind zwischen Druckraum und Mut zum Spalt hin optimal abgedichtet geführt, um an allen Stellen eine gleichförmige Anpreßkraft mit extrem ver­ lustarmer Aufbereitung des Steuerdrucks zu erzielen. Die Abdichtung der Verstellglieder kann durch Kolbenringe oder O-Ring-Dichtungen er­ folgen. Je nach Werkstoffwahl können die Verstellglieder grundsätzlich mit verhältnismäßig großem Spiel sowie, örtlich abgedichtet, zwischen Druckraum und Mut verschiebbar geführt sein, ohne eine Kolbenver­ klemmung befürchten zu müssen. Ein extrem geringes Bewegungsspiel ohne Verklemmungsgefahr, ergibt sich insbesondere dann, wenn die Ver­ stellglieder aus einem keramischen, temperaturbeständigen und mit ex­ trem geringer Wärmedehnung ausgestatteten Werkstoff gestaltet sind.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung bildet das Dichtelement unab­ hängig von der Kolbenverstellung eine aus dem Differenzdruck zwischen beiden Räumen betätigte Sekundärdichtung aus; dabei kann das Einbau­ spiel des Dichtelements - in Querrichtung zur Längenerstreckung der Mut - so gestaltet werden, daß einerseits keine Verklemmungsgefahr besteht und andererseits die gewünschte sekundäre Leckflußdrosselung gewährleistet wird. Bei entsprechender keramischer Beschaffenheit des Dichtelements besteht eine geringe Bauteilverzugs- und Verklemmungsge­ fahr. Die Segmentierung des Dichtelements ermöglicht eine optimale Abdichtung in Anpassung an Wandverformungen (Düsenklappe/Gehäusewand).

Bezüglich vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung nach Patentan­ spruch 1 wird auf die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 10 verwiesen.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch perspektivische Darstellung einer insbe­ sondere für ein Hyperschalltriebwerk vorgesehenen, variablen konvergent/divergenten Schubdüse unter Verdeutlichung abzu­ dichtender Spaltverläufe (Dichtlinien),

Fig. 2 die Einrichtung zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem klappenartig verstellbaren Wandelement und einem winkelver­ setzt daran angrenzenden Wandelement eines Düsengehauses, quer geschnitten dargestellt,

Fig. 3 einen stirnseitig gesehenen Abschnitt des klappenartigen Wandelements nach Fig. 2 mit segmentiertem Dichtelement unter Verdeutlichung einer Überlappungsstelle,

Fig. 4 von oben gesehen, in zueinander versetzten Ebenen geschnitten verkörperte Abschnitte von Wandelementen als Primär- und Se­ kundärklappen mit Einrichtung zur Abdichtung eines rechtwin­ keligen Spalts, der sich einerseits an einer Gelenkstelle, quer zwischen Primär- und Sekundärklappe und andererseits, längs zwischen Primärklappe und einem Wandelement des Ge­ häuses erstreckt,

Fig. 5 eine gegenüber Fig. 3 örtlich vergrößert wiedergegebene Abschnittsüberlappung segmentierter Dichtelemente, um den rechtwinkeligen Verlauf des Spalts zwischen benachbarten Bau­ teilecken zu überbrücken,

Fig. 6 eine anderweitige eckenseitige Abschnittsüberlappung des Dichtspalts mit bauteilseitig unverdeckter Stirnansicht eines stationären Wandelements, das unter einem rechten Winkel auf ein weiteres stationäres Wandelement eines Gehäuses ausläuft und

Fig. 7 aus einem achsparallelen Vertikalschnitt einer Schubdüse schematisch resultierende Abschnitte der entlang gemeinsamer Gelenkstelle relativ verschwenkbar miteinander gekoppelten Wandelemente als Primär- und Sekundärklappe mit dazwischen relativ bewegungskompensatorischer Dichteinrichtung, in Blickrichtung X der Fig. 4 gesehen.

Fig. 1 veranschaulicht einen beispielhaft für die Durchführung der Erfindung geeigneten Anwendungsfall bei einer variablen konvergenten/divergenten Schubdüse für ein Hyperschalltriebwerk. Dabei ist die Schubdüse in axialer Richtung gemäß Pfeil H von Heißgas durchströmt. Zwischen seitlichen Wänden 1, 2 eines Düsengehäuses sind untere Wandelemente 3, 4 unter einem festen Anstellwinkel entlang ei­ ner Knickstelle K zueinander fest angeordnet. Den unteren Wandelemen­ ten 3, 4 gegenüberliegende äußere Wandelemente 5, 6 stellen verstell­ bare Primär- und Sekundärklappen dar, mit denen gegenüber den ortsfe­ sten unteren Wandelementen 3, 4 die Düsenkonvergenz, -divergenz sowie der engste Querschnitt etwa im Bereich zwischen den Knickstellen K, K′ verändert werden kann. Entlang der Dichtlinien D3, D4 (unten) bzw. D5, D6 (oben) soll eine Abdichtung der betreffenden Abstandsspalte in nachfolgend näher erläuterter Weise erfolgen.

Fig. 2 erläutert die Einrichtung zur Abdichtung des Spaltes 7, längs der Dichtlinie D5 (Fig. 1), zwischen einem oberen verstellbaren Wand­ element 5 (Primärklappe) und einer seitlich etwa unter einem rechten Winkel daran angrenzenden Wand 2 des Düsengehäuses; dabei sollen die Räume R1, R2 in abdichtender Weise voneinander getrennt werden; beim Raum R1 handelt es sich um einen Teil des Hauptkanals der Schubdüse, der Raum R2 ist zum Teil zwischen dem Wandelement 5 und einem Teil des Düsengehäuses eingeschlossen und mittels Druckluft als Sperr- und ge­ gebenenfalls Kühlluft beaufschlagt, wobei der Raum R2 von in Längs­ richtung aufeinanderfolgenden Kammern aufgeteilt sein kann. Im vor­ liegenden Fall sollte der Druck P2 im Raum R2 P1 (Heißgas) im Raum R1 sein. Dabei weist das verstellbare Wandelement 5 eine zum Spalt 7 hin offene Mut 8 auf, in der das Dichtelement g beweglich geführt ist; quer zur Längenerstreckung der Nut 8 sind in gleichmäßigen Abständen aufeinanderfolgende kolbenartige Verstellglieder 10 vorgesehen, die hier zum Teil in die Nut 8 und zum Teil in einem Druckraum 11 hinein­ ragen; in diesem herrscht ein über zugeführte Druckluft - z. B. Ver­ dichterluft, Flugtriebwerk - auf die einen Kolbenenenden aufgebrachter Steuerdruck, der die Verstellglieder 10, und damit auch das Dicht­ element 9 mit einer vorgegebenen Anpreßkraft über den Spalt 7 hinweg gegen die Wand 2 des Düsengehäuses drückt. Auf diese Weise bildet das eine örtlich abgerundete Ende des Dichtelements 9 gegenüber der Ge­ genfläche der Wand 2 eine den Spalt 7 überbrückende Berührungsdichtung (Primärdichtung) aus, dabei wird die Berührungsstelle über den Spalt 7 hinweg von einem Leckfluß L als zusätzlicher und gegebenenfalls küh­ lender Sperrluft versorgt, über die insbesondere am Spalt 7 vor­ liegende statische Druckdifferenz zwischen den beiden Räumen R1, R2. Aufgrund genannter statischer Druckdifferenz sitzt ferner das Dicht­ element 9 auf einer Seite der die Mut 8 zum Teil flankierenden Wand 10 abdichtend auf (Sekundärdichtung), wobei auf der gegenüberliegenden Seite in der Mut 8 eine sekundäre Leckfluß-Passage verbleibt. Auf der von der Berührungsdichtung abgewandten Seite können sich die Ver­ stellglieder 10 hier an Federn 12 im Druckraum 11 abstützen, so daß auch in der Außerbetriebsstellung das Dichtelement 9 mit seiner ge­ rundeten Berührungsfläche verhältnismäßig sanft gegen die Wand 2 ge­ drückt ist; man verhindert so, daß das Dichtelement 9 bei Inbetrieb­ setzung einer schlagartigen Anfahrbewegung gegen die Wand 2 unter­ worfen wird, die zu frühzeitigen Abnutzungserscheinungen führt.

Entgegen der Darstellung kann das Dichtelement 9 auch mit einer asym­ metrisch gerundeten Endfläche E (gestrichelt dargestellt) die Berüh­ rungsdichtung in Anpassung an variable Differenzdrücke ausbilden; auf diese Weise kann die Dichtkontaktfläche, und damit der Reibungs­ widerstand, insbesondere bei relativer gegenseitiger Bewegungsab­ dichtung, reduziert werden.

Gemäß Stirnansicht nach Fig. 3 kann das leistenartige Dichtelement 9 in einzelne Segmente 9′, 9′′ zergliedert und in die Nut 8 eingebaut sein; mit anderen Worten ist so jedes Dichtelement 9 relativ zueinan­ der beweglich zergliedert, wobei zwischen gegenseitigen Endabschnitten S1, S2 Überlappungen ausgebildet sind. Es sollte vorzugsweise jeweils ein einstückiges Dichtelement 9 bzw. jeweils ein Segment 9′ bzw. 9′′ an zwei kolbenartigen Verstellgliedern 10 abgestützt sein. Mit der Seg­ mentierung können herstellungs- oder betriebsbedingte Oberflächenver­ formungen, z. B. Verwerfungen oder Wellungen der Wand 2 als Gegen­ dichtfläche, bei klappenartigen Verstellbewegungen gut abdichtend überbrückt werden.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen gleiche oder ähnliche Bauteile bzw. Funktionen verkörpert Fig. 4 einen recht­ winkeligen abzudichtenden Verlauf des Spaltes 7′, 7 zwischen entlang der variablen Knickstelle K′ (Fig. 1) relativ zueinander beweglich gekoppelten oberen Wandelementen 5, 6 als Primär- und Sekundärklappen auf der einen Seite sowie z. B. zwischen einer Seite des Wandelements 5 und der daran angrenzenden Wand 2 des Düsengehäuses. Dabei ist der Eckenverlauf des Spalts 7′, 7 durch eine sich unter einem rechten Win­ kel überlappende Anordnung der Endabschnitte S1, S2 (siehe auch Fig. 5 vergrößert dargestellt) der relativ unter einem rechten Winkel zuein­ ander geneigten Dichtelemente 9 überbrückt; in Anpassung an den Ver­ lauf des Spalts 7′, 7 ergibt sich ein darauf abgestimmter rechtwinke­ liger Verlauf der örtlich nicht unterbrochenen Nut 8 und des Druck­ raums 11; man erkennt aus Fig. 4, daß die die Dichtspalte 7′, 7 außen umgrenzenden Abschnitte A, B des Wandelements 6 und der Wand 2 des Düsengehäuses mit Röhrchen 12 ausgestattet sind, denen ein Kühlmittel zur Bauteilkühlung im Betrieb zugeführt wird. Die in Fig. 4 pro Spalt 7 bzw. 7′ in gleichmäßigen Abständen aufeinanderfolgenden Ver­ stellglieder 10 sind hier von Bolzen ausgebildet.

Fig. 6 veranschaulicht eine beispielhafte Alternative zur abdichtenden Spaltüberbrückung zwischen einem stationären unteren Wandelement 3, als unter einem Winkel zu 4 fest angeordnete Primärklappe, und einer fest angeordneten Wand 2 des Düsengehäuses. Hier wäre von einem wei­ teren abzudichtenden Spalt auszugehen, der sich entlang des offen dar­ gestellten Stirnendes des Wandelements 3 erstreckt und unter einem rechten Winkel auf den Spalt 7 (Bauteilecke) ausläuft; dabei könnte der nicht gezeigte stirnseitige Spaltverlauf außen von einem düsen­ seitigen Einlaufstück gebildet sein, das die Heißgasströmung unter­ brechungslos vom Düseneintritt aus auf das Wandelement 3 hinführt. Die sich überlappenden Abschnitte S1, S2 sind in Fig. 6 sinngemäß nach Fig. 4 und 5 abgewinkelt zueinander und übereinander angeordnet.

Zu Kühl- und Sperrluft-Versorgungszwecken der Primärdichtung kann genannte Bauteilüberlappung des Dichtelements 9 nach Fig. 3 bis 6 ge­ zielt genutzt bzw. unter örtlich gezielter Spaltbemessung an dem oder den Dichtelementen 9 oder -segmenten 9′, 9′′ verwendet werden. Zuvor Gesagtes geht damit einher, daß jeweils eine Druckdifferenz ausgenutzt wird und zwar zwischen den Räumen R2, R1, d. h. P2 (Druckluft bzw. Sperr- und Kühlluft) ist <P1 (Heißgas bzw. explosives Gasgemisch).

Fig. 7 veranschaulicht die für eine variable Düsengeometrie gemäß Fig. 1 und 4 hinsichtlich der oberen Knickstelle K′ unter einem va­ riablen gegenseitigen Anstellwinkel entlang einer Gelenkverbindung G schwenkbar miteinander gekoppelten Primär- und Sekundärklappen 5, 6 unter Zuordnung der Heißgasdurchströmrichtung H durch den Düsenhaupt­ kanal. Bei Düsenverstellung wandert die quer zur Düsenachse ver­ laufende Drehachse Da an der Gelenkverbindung G axial/radial; es er­ gibt sich nach Fig. 7 ein zusätzlich etwa drehkonzentrischer Verlauf des schon zu Fig. 4 erwähnten einen Spalts 7′, der sinngemäß in Fig. 2 erwähnter Weise zwischen R1 und R2 abgedichtet wird. Das Dichtelement 9 in Fig. 7 weist eine auf den gekrümmten Gegenflächenverlauf des Abschnitts A mit den Röhrchen 12 schräg gekrümmten Endverlauf auf.

Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung können die Dichtelemente 9 und/oder die kolbenartigen Verstellglieder 10 aus einem ingenieur-keramischen Werkstoff gefertigt sein, z. B. aus Siliziumkarbid oder Siliziumni­ trid. Ein derartiger Werkstoff ist bei vergleichsweise geringem Wärme­ ausdehnungskoeffizienten hochtemperaturbeständig.

Die Erfindung ist z. B. auch bei rechteckigen oder quadratischen Triebwerkseinläufen mit variabler Geometrie einsetzbar, insbesondere in Anwendung bei kombinierten Turbo-Staustahltriebwerken; dabei sind insbesondere bei Staustrahlbetrieb extrem unterschiedliche Temperatur­ beanspruchungen und -dehnungen zwischen kooperierenden Wandbauteilen unter Gewährleistung gegenseitiger relativer Abdichtung zu beherr­ schen.

Ferner ist eine Anwendung der Erfindung bei sogenannten "Wandel-Turbo-Triebwerken" mit variabler Leistungscharakteristik mög­ lich, wobei variable Massenstromaufteilungen auf verschiedene Trieb­ werkskreise in der Kombination verstellbarer bzw. verschiebbarer und stationärer Wandelemente vorgesehen sind.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Abdichtung eines Spaltes (7) zwischen zueinander winkelversetzt und fest oder relativ zueinander beweglich ange­ ordneten Wandelementen (5, 2), die fluidisch unterschiedlich druckbeaufschlagte Räume (R1, R2) voneinander trennen, worin das eine Wandelement (5) eine gegenüber dem Spalt (7) offene Nut (8) aufweist, in der mindestens ein beweglich angeordnetes Dichtele­ ment (9) eine den Spalt (7) überbrückende Primärdichtung als Be­ rührungsdichtung ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Dicht­ element (9) mittels kolbenartiger Verstellglieder (10) druckbe­ lastet ist, die quer zur Längenerstreckung des Spaltes (7) zwi­ schen einem Druckraum (11) und der Nut (8) des einen Wandelements (5) verstellbar und abgedichtet geführt sind, wobei die Pri­ märdichtung von einem Leckfluß (L) aus der zwischen beiden Räumen (R2, R1) herrschenden Druckdifferenz gespeist ist, über die das Dichtelement (9) auf der dem Raum (R1) niedrigeren Druckes (P1) zugekehrten Seite unter Ausbildung einer Sekundärdichtung an einer Nutwand (10) aufsitzt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (9) mit einer symmetrisch oder asymmetrisch ge­ rundeten Endfläche (E) die betreffende Gegenfläche des anderen Wandelements (2) tangiert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenartigen Verstellglieder (10) im Druckraum (11) gegenüber der Vorspannkraft von Federn (12) abgestützt sind, über die gleichzeitig das Dichtelement (9) mit entsprechender Federbe­ lastung die Gegenfläche des anderen Wandelements (2) tangiert.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (9) in der Nut (8) in Form sich jeweils endseitig einander überlappender und relativ zueinander beweglicher Segmente (9′, 9′′) ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen sich überlappenden Abschnitten (S1, S2) der Segmente (9′, 9′′) vor­ gegebene Leckspalte an der Primärdichtung ausgebildet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5 unter Berücksichtigung eines zwischen gegenseitigen Ecken der Wandelemente insbesondere recht­ winkeligen Spaltverlaufs, dadurch gekennzeichnet, daß der relativ zueinander abgewinkelte Spalt (7′, 7) an Ecken der Wandelemente (5, 6) von einer darauf abgestimmt abgewinkelten Überlappung zwei­ er Abschnitte (S1, S2) der jeweils in Richtung auf die einander benachbarten Ecken auslaufenden Dichtelemente (9) abgedichtet ist.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß jedem Dichtelement (9) oder - Segment (9, 9′′) mindestens zwei in Längsrichtung des Spalts (7, 7′) oder Druckraums (11) mit Abstand aufeinanderfolgende kolbenartige Ver­ stellglieder (10) zugeordnet sind.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die kolbenartigen Verstellglieder (10) zylindrische Bolzen sind.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die kolbenartigen Verstellglieder (10) und/oder jedes Dichtelement (9) aus einem hochtemperaturbe­ ständigen keramischen Werkstoff, z. B. Siliziumkarbid oder Sili­ ziumnitrid, mit niedriger Wärmedehnung gefertigt sind.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß jedes Dichtelement aus einem sich abla­ tiv kühlenden, elastischen Werkstoff besteht, der im wesentlichen über die gesamte Nuttiefe in eine Metallfassung eingebettet ist, die in der Mut beweglich geführt ist.