DE602005001369T2

DE602005001369T2 - Konvergente Schubdüse eines Strahltriebwerks

Info

Publication number: DE602005001369T2
Application number: DE602005001369T
Authority: DE
Inventors: Stephane Blanchard; Thibault Arnold
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: DE602005001369D1; JP4608380B2; EP1621751A1; EP1621751B1; US7475547B2; US20060213199A1; JP2006037956A; FR2873757A1; FR2873757B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine konvergente Schubdüse für Turbotriebwerke, die am Auslass eines Nachverbrennungskanals von einem Kranz angelenkter Klappen gebildet sind, welche aus gesteuerten Klappen bestehen, die mit Folgeklappen abwechselnd angeordnet sind.
Diese Klappen können eine Position einnehmen, in der sie sich im Wesentlichen in der Verlängerung der Wand des Nachverbrennungskanals befinden, sowie eine Position, in der sie zur Achse des Nachverbrennungskanals geneigt sind, um den Schub zu verstärken.
Diese Klappen, die in der bekannten Technik aus Metall bestehen, sind in Kontakt mit den aus der Nachverbrennungskammer austretenden Gasen mit hohen Temperaturen und haben daher eine relativ kurze Lebensdauer, die verlängert werden könnte, indem die Klappen aus einem Werkstoff hergestellt würden, der den hohen Temperaturen besser standhält, wie beispielsweise ein Verbundstoff mit Keramikmatrix, was es auch ermöglichen würde, das Gewicht dieser Klappen zu reduzieren, ohne die Kosten wesentlich zu steigern.
In der Schrift EP-A-0 364 360 ist ein Herstellungsverfahren für Klappen von Turbotriebwerks-Schubdüsen aus Verbundstoff mit Keramikmatrix beschrieben.
Beim Einbau von Primärstromklappen aus Verbundstoff mit Keramikmatrix in eine konvergente Schubdüse der obengenannten Art stellt sich jedoch das Problem der Dichtigkeit zwischen den Klappen im Bereich einer Außendichtung, die am Auslass des Nachverbrennungskanals angebracht ist: die Klappen aus Verbundstoff mit Keramikmatrix haben eine Dicke, die ein Vielfaches der Dicke der Metallklappen beträgt, und sie können auf Grund ihres Aufbaus in Lagen in den Anschlussbereichen zwischen aneinandergrenzenden Klappen nur einen geringen Krümmungsradius aufweisen. Das bedeutet relativ große Leckabschnitte für die Nachverbrennungsgase in diesen Anschlussbereichen, wodurch der im Nachverbrennungsbetrieb erzeugte Schub verringert wird.
Ferner wäre es keine zufriedenstellende Lösung, Klappen aus Verbundstoff mit Keramikmatrix an ihren mit der oben genannten Außendichtung zusammenwirkenden Enden mit Metallteilen zu versehen, da dies unterschiedliche Wärmedehnungen dieser Metallteile und des Verbundstoffs bedeutete.
Diese Erfindung hat insbesondere zum Zweck, eine einfache, wirtschaftliche und wirksame Lösung für dieses Problem zu schaffen.
Erfindungsgegenstand ist daher eine konvergente Schubdüse für Turbotriebwerke mit Primärstromklappen aus Verbundstoff mit Keramikmatrix ohne große Leckquerschnitte an den Anschlussbereichen zwischen den Klappen an der Außendichtung, die am Auslass des Nachverbrennungskanals angebracht ist.
Zu diesem Zweck wird mit der Erfindung eine konvergente Schubdüse für Turbotriebwerke gemäß Anspruch 1 mit einem Kranz angelenkter Klappen vorgeschlagen, die aus gesteuerten Klappen und Folgeklappen bestehen, die abwechselnd angeordnet sind und an ihrem vorderen Ende mit einer Außendichtung zusammenwirken, die am Auslass eines Nachverbrennungskanals angebracht ist, wobei die Schubdüse dadurch gekennzeichnet ist, dass die Klappen aus Verbundstoff mit Keramikmatrix bestehen und in einem Stück mit Anlagemitteln, um mit ihrem vorderen Ende auf der oben genannten Außendichtung aufzuliegen, sowie mit Anlagemitteln, um auf den Längsrändern der angrenzenden Klappen aufzuliegen, ausgeführt sind, wodurch eine Längsdichtigkeit zwischen den Klappen hergestellt wird.
Ferner sind die Klappen an ihrem vorderen Ende auch in einem Stück mit Mitteln zur Drehgelenkverbindung mit den vorderen Enden der angrenzenden Klappen ausgebildet. Dadurch können die Leckabschnitte im Bereich der Anschlüsse zwischen aneinandergrenzenden Klappen verringert werden und damit die Lecks der Nachverbrennungsgase in diesen Anschlussbereichen verhindert oder verringert werden.
Jede der gesteuerten Klappen und der Folgeklappen ist auf diese Weise in einem Stück mit ihren Anlagemitteln an der Dichtung, ihren Längsdichtungsmitteln und ihren Drehgelenkverbindungsmitteln ausgebildet. Damit ergibt sich eine geringe Menge von Teilen für die Herstellung der erfindungsgemäßen konvergenten Schubdüse. Die Klappen sind vollständig aus Verbundstoff mit Keramikmatrix gefertigt, wodurch das Gewicht der Düse reduziert wird.
Die oben genannten Mittel zur Drehgelenkverbindung sind vorzugsweise Kniegelenkverbindungsmittel.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das vordere Ende jeder Klappe einen zylindrisch umlaufenden Teil auf, der quer zur Düsenachse und tangential zu der Außendichtung ausgerichtet ist und der sich mit einer konvexen, zylindrischen Oberfläche in Anlage an der Außendichtung befindet. Die seitlichen Enden des zylindrisch umlaufenden Teils sind als Kugelabschnitte geformt und bilden Mittel zur Drehgelenkverbindung an den angrenzenden Klappen. Die Kugelabschnitte, die am vorderen Ende der gesteuerten Klappen gebildet sind, bilden beispielsweise Kugelschalen, und die Kugelabschnitte am vorderen Ende der Folgeklappen sind Aufnahmen, die die Kugelabschnitte der gesteuerten Klappen aufnehmen.
Die Längsdichtigkeit zwischen den Klappen wird durch Anliegen der gesteuerten Klappen an den Längsrändern der Folgeklappen hergestellt, wobei diese Längsränder einen konvex gebogenen Querschnitt aufweisen.
So wird die Längsdichtigkeit zwischen den angelenkten Klappen auf einfache Weise durch die Klappen selbst gewährleistet. Durch die konvex gebogene Form der Längsränder der Folgeklappen kann der Verschleiß der Klappen durch Reiben aneinander eingeschränkt werden, wobei das Reiben auf den oberen Lagen der Folgeklappe stattfindet.
In manchen Fällen ist die Außendichtung aus Verbundstoff mit Keramikmatrix hergestellt, um Verschleiß-Probleme beim Neigen der Klappen zur Achse der Schubdüse hin zu vermeiden, wenn die vorderen zylindrischen Teile dieser Klappen an der Dichtung reiben.
Um den Verschleiß durch Reiben der Klappen noch weiter zu reduzieren, können diese insbesondere an ihrem vorderen Ende und entlang ihrer Längskanten zumindest teilweise mit einer Abriebschutzbeschichtung versehen sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die nur als nicht einschränkendes Beispiel gilt und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
1 in einer schematischen Teilansicht im Axialschnitt eine konvergente Schubdüse für Turbotriebwerke zeigt,
2 eine Teilansicht in vergrößertem Maßstab im Schnitt gemäß der Linie II-II von 1 zeigt,
3 in einer schematischen Perspektivansicht eine gesteuerte Klappe und eine Folgeklappe gemäß dieser Erfindung zeigt,
4 in einer schematischen Perspektivansicht und Unteransicht eine gesteuerte Klappe zeigt,
5 in einer schematischen Perspektivansicht und Draufsicht eine Folgeklappe zeigt,
6 in einer schematischen Teilansicht im Querschnitt zwei erfindungsgemäße Klappen an ihrem vorderen Ende zeigt,
7 in einer schematischen Perspektivansicht eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Folgeklappe zeigt,
8 in einer schematischen Teilansicht im Querschnitt Klappen an ihrem vorderen Ende gemäß der Ausführungsvariante der Erfindung von 7 zeigt.
Es wird zunächst Bezug auf 1 genommen, in der eine gesteuerte Klappe einer konvergenten Schubdüse am Auslass eines Nachverbrennungskanals eines Turbotriebwerks in einer Seitenansicht schematisch dargestellt ist.
Diese gesteuerte Klappe 2 sitzt an einem mit Betätigungsmitteln verbundenen Halterungsteil 4, um um eine Achse 6 zu schwenken, die sich an ihrem vorderen Ende am Auslass des Nachverbrennungskanals 8 befindet.
Das vordere Ende 10 der gesteuerten Klappe 2 befindet sich in Anlage an einer Außendichtung 12, die eine Lippendichtung ist, so dass die aus dem Nachverbrennungskanal 8 austretenden Primärgase im Inneren der von den Klappen gebildeten Schubdüse strömen.
In bekannter Weise umfassen die Klappen der konvergenten Schubdüse, die am Auslass des Nachverbrennungskanals 8 angebracht sind, gesteuerte Klappe 2, die mit Folgeklappen abwechselnd angeordnet sind, welche nicht direkt mit Betätigungsmitteln verbunden sind, sondern der Bewegung der gesteuerten Klappen 2 folgen.
Wenn die Klappen aus Metall bestehen, können die Verbindungen zwischen aneinandergrenzenden Klappen im Bereich ihrer vorderen Enden 10, die sich in Anlage an der Außendichtung 12 befinden, relativ dicht sein, wobei die Seitenkanten der gesteuerten Klappen und der Folgeklappen mit geringen Krümmungsradien aneinander angepasst geformt sein können, wobei sehr kleine Leckabschnitte zwischen ihnen entstehen, so dass eine einwandfreie Führung der Nachverbrennungsgase im Inneren der von diesen Klappen gebildeten Schubdüse gewährleistet ist.
Es wurde bereits vorgeschlagen, diese Klappen aus einem Werkstoff herzustellen, der den hohen Temperaturen der Nachverbrennungsgase besser standhält als Stahl, insbesondere aus einem Verbundstoff mit Keramikmatrix, wobei diese Klappen leichter sind als Metallklappen, jedoch auf Grund ihres Aufbaus durch Übereinanderlegen von Faserlagen eine größere Dicke haben.
Wie in 2 dargestellt, hat dieser Aufbau auch zur Folge, dass die Leckabschnitte 18 zwischen den vorderen Enden der gesteuerten Klappen 14 und der Folgeklappen 16 im Bereich der Außendichtung 12 relativ groß sind, und zwar im Wesentlichen auf Grund des relativ großen Krümmungsradius', den die Seitenkanten dieser Klappen aus Verbundstoff mit Keramikmatrix in ihrem gegenseitigen Überlappungsbereich haben müssen.
Typischerweise liegt dieser Krümmungsradius in der Größenordnung von 10 mm, wenn die Dicke der Klappe aus Verbundstoff mit Keramikmatrix in der Größenordnung von 5 mm liegt, während er bei einer Metallklappe weniger als 1 mm beträgt.
Mit dieser Erfindung kann insbesondere dieses Problem gelöst werden, indem die großen Leckabschnitte 18 in den vorderen Überlappungsbereichen der gesteuerten Klappen 14 und der Folgeklappen 16 aus Verbundstoff mit Keramikmatrix einer konvergenten Schubdüse am Auslass eines Nachverbrennungskanals eines Turbotriebwerks vermieden werden.
Dazu werden die gesteuerten Klappen 14 und Folgeklappen 16, wie in den 3 bis 6 schematisch dargestellt, jeweils aus einem einzigen Werkstück aus Verbundstoff mit Keramikmatrix gefertigt und haben ein vorderes Ende 20 bzw. 22, das im Wesentlichen viertelzylinderförmig abgerundet ist, mit einer Querachse 24, die dazu bestimmt ist, mit der Schwenkachse 6 der Klappe zusammenzufallen, wenn diese am Auslass des Nachverbrennungskanals 8 angebracht ist, wie in 1 dargestellt.
Die seitlichen Enden dieses zylinderförmigen abgerundeten Teils 20, 22 sind von Kugelabschnitten 26 bzw. 28 gebildet, die auf der Achse 24 des zylinderförmigen abgerundeten Teils 20, 22 zentriert sind.
Die konkaven Abschnitte der zylinderförmigen Teile 20, 22 und der Kugelabschnitte 26, 28 sind, bezogen auf die Achse der Turbine, nach außen gerichtet, wenn die Klappen eingebaut sind, so dass die abgerundeten Oberflächen der vorderen Enden der Klappen, die sich in Anlage an der Außendichtung 12 befinden, konvex sind und die Kugelabschnitte 26 der vorderen Enden der gesteuerten Klappen 14 Kugelschalen bilden, die in kugelförmig-käfigartigen Abschnitten Aufnahme finden, die von den Kugelabschnitten 28 der vorderen Enden 22 der Folgeklappen 16 gebildet werden.
Durch dieses Merkmal werden die Leckabschnitte in den Überlappungsbereichen der gesteuerten Klappen 14 und der Folgeklappen 16 im Bereich der Außendichtung 12 am Auslass des Nachverbrennungskanals im Wesentlichen vermieden, wie in 6 schematisch dargestellt.
Die Längsdichtigkeit zwischen den gesteuerten Klappen 14 und den Folgeklappen 16 wird durch Anliegen der Längsränder 30 der Folgeklappen 16 an den Innenseiten der gesteuerten Klappen 14 hergestellt. Um die Dichtigkeit noch zu verbessern, können die Längsränder 30 der Folgeklappen 16 bearbeitet werden. Dadurch können die gewünschten Formen mit hoher Präzision hergestellt werden, doch hat das den Nachteil, dass die Keramikfasern abgeschnitten werden, so dass deren Enden dann an den bearbeiteten Seiten der Klappen sichtbar werden und in der Lage sind, die Abschnitte der anderen Klappen, an denen sie sich in Anlage befinden, relativ schnell zu verschleißen.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, werden die Klappen nicht bearbeitet, und die Längsränder 30 der Folgeklappen 16 werden durch Biegen so geformt, dass sie eine konvexe abgerundete Form annehmen, wie in den 7 und 8 dargestellt.
Die konvexen abgerundeten Oberflächen 30 der Folgeklappen 16, die sich an den Innenseiten der gesteuerten Klappen 14 in Anlage befinden, weisen keine Keramikfaserenden auf, die in der Lage wären, die Innenseiten der gesteuerten Klappen 14 anzugreifen.
Vorteilhafterweise werden die zylindrisch abgerundeten Teile 22 der Folgeklappen 16 und ihre Enden 28 in Form von Kugelaufnahmen ebenfalls durch Formen ohne Bearbeitung hergestellt, desgleichen die zylindrischen Teile 20 der gesteuerten Klappen 14 und ihre in Form von Kugelabschnitten ausgeführten Enden 26.
Diese Klappen können in ihren in Berührung miteinander befindlichen Teilen eine Abriebschutzbeschichtung aufweisen, insbesondere wenn diese Teile durch Bearbeitung hergestellt sind.
Ferner kann vorgesehen werden, dass die Außendichtung 12, die am Auslass des Nachverbrennungskanals 8 angebracht ist, aus Verbundstoff mit Keramikmatrix hergestellt ist, um den Verschleiß in den Reibbereichen an den vorderen Enden der gesteuerten Klappen und der Folgeklappen zu reduzieren.

Claims

Konvergente Schubdüse für Turbotriebwerke, mit einem Kranz angelenkter Klappen, die aus gesteuerten Klappen (14) und Folgeklappen (16) bestehen, die abwechselnd angeordnet sind und an ihrem vorderen Ende mit einer Außendichtung (12) zusammenwirken, die am Auslass eines Nachverbrennungskanals (8) angebracht ist, wobei die Klappen aus Verbundstoff mit Keramikmatrix bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerten Klappen (14) und die Folgeklappen (16) in einem Stück mit Anlagemitteln (20, 22), um mit ihrem vorderen Ende auf der oben genannten Außendichtung (12) aufzuliegen, und mit Anlagemitteln (30), um auf den Längsrändern der angrenzenden Klappen aufzuliegen, ausgeführt sind, wodurch eine Längsdichtigkeit zwischen den Klappen hergestellt wird.
Konvergente Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappen (14, 16) ferner an ihrem vorderen Ende in einem Stück mit Mitteln (26, 28) zur Drehgelenkverbindung mit den vorderen Enden der angrenzenden Klappen ausgebildet sind.
Konvergente Schubdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel (26, 28) zur Drehgelenkverbindung aus Kniegelenkverbindungsmitteln bestehen.
Konvergente Schubdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Ende jeder Klappe (14, 16) einen zylindrisch umlaufenden Teil (20, 22) aufweist, der quer zur Düsenachse und tangential zu der Außendichtung (12) ausgerichtet ist und der mit einer konvexen, zylindrischen Oberfläche in Anlage an der Außendichtung (12) ist.
Konvergente Schubdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrisch umlaufende Teil (20, 22) gegenüber der Düsenachse nach außen gerichtet ist.
Konvergente Schubdüse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Enden des zylindrisch umlaufenden Teils (20, 22) als Kugelabschnitte (26, 28) geformt sind und Mittel zur Drehgelenkverbindung mit den angrenzenden Klappen bilden.
Konvergente Schubdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelabschnitte (26, 28) Aushöhlungen aufweisen, die gegenüber der Düsenachse nach außen gerichtet sind.
Konvergente Schubdüse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelabschnitte (26), die am vorderen Ende der gesteuerten Klappen (14) gebildet sind, Kugelschalen bilden, die in Aufnahmen sitzen, die von den Kugelabschnitten (28) der vorderen Enden der Folgeklappen (16) gebildet werden.
Konvergente Schubdüse nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mittelpunkte der Kugelabschnitte (26, 28) auf den Achsen (24) der zylindrisch umlaufenden Teile (20, 22) der vorderen Enden der Klappen befinden.
Konvergente Schubdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsdichtigkeit zwischen den Klappen durch Anliegen der gesteuerten Klappen (14) an den Längsrändern (30) der Folgeklappen (16) hergestellt wird, wobei diese Längsränder einen konvex gebogenen Querschnitt aufweisen.
Konvergente Schubdüse nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrisch umlaufenden Teile (20, 22) der vorderen Enden der Klappen (14, 16) durch Gießen oder Formen ohne Bearbeitung hergestellt sind.
Konvergente Schubdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelabschnitte (28) der vorderen Enden der Folgeklappen (16) und ihre Längsränder (30) mit konvexem Querschnitt durch Bearbeitung hergestellt sind.
Konvergente Schubdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelabschnitte (28) der vorderen Enden der Folgeklappen (16) und ihre Längsränder (30) mit konvexem Querschnitt durch Biegen und Formen ohne Bearbeitung hergestellt sind.
Konvergente Schubdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außendichtung (12) aus Verbundstoff mit Keramikmatrix hergestellt ist.
Konvergente Schubdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappen (14, 16) an ihren vorderen Enden und entlang ihrer Längskanten zumindest teilweise mit einer Abriebschutzbeschichtung versehen sind.