DE69509019T2

DE69509019T2 - Dichtungselement für die ungesteuerten Klappen einer verstellbaren Convergent-Divergent-Schubdüse für ein Turbostrahltriebwerk

Info

Publication number: DE69509019T2
Application number: DE69509019T
Authority: DE
Inventors: Guy Lapergue; Claude Lejars
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1994-08-18
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2015-08-10
Also published as: DE69509019D1; EP0697514B1; US5676312A; FR2723764B1; FR2723764A1; EP0697514A1

Description

Dichtungselement zwischen den ungesteuerten Klappen einer verstellbaren konvergent-divergenten Schubdüse eines Turboluftstrahltriebwerks

Die Erfindung betrifft eine verstellbare konvergent-divergente Schubdüse, die von einem Fluid durchströmt werden kann und insbesondere für die Ausrüstung eines Reaktionstriebwerks, z. B. eines Turboluftstrahltriebwerks bestimmt ist, das für den Vortrieb eines Fluggeräts, z. B. eines Flugzeugs, eingesetzt wird.
Bei der von der Erfindung betroffenen Düse handelt es sich um den allgemeinen Typ, der mehrere Klappen mit verstellbarer Neigung aufweist, die jeweils eine der Achse der Düse zugewandte Innenseite und eine zum Außenraum der Düse weisende Außenseite haben, wobei diese Klappen auf zwei in Strömungsrichtung des Fluids aufeinanderfolgend angeordnete Kränze verteilt sind, nämlich einen Kranz mit stromaufwärtigen Klappen und einen Kranz mit stromabwärtigen Klappen, wobei jeder Kranz von Klappen seinerseits eine erste Gruppe von äußeren oder gesteuerten Klappen und zweite Gruppe von inneren oder ungesteuerten Klappen aufweist und die gesteuerten Klappen in Umfangsrichtung der Düse mit den Folgeklappen abwechseln und wobei jede gesteuerte Klappe oder Folgeklappe des stromaufwärtigen Kranzes mit ihrem stromabwärtigen Teil mit dem stromaufwärtigen Teil einer gesteuerten Klappe oder einer Folgeklappe des stromabwärtigen Kranzes gelenkig verbunden ist und jede gesteuerte Klappe sich mit ihrer Außenseite im Bereich ihrer beiden seitlichen Ränder auf der Innenseite der beiden benachbarten gesteuerten Klappen abstützt.
Bei einer häufig verwendeten Anordnung werden die äußeren Klappen z. B. mit Hilfe von Hubzylindern gesteuert, während die als Folgeklappen bezeichneten inneren Klappen von dem Gasstrom gegen die gesteuerten Klappen gedrückt werden.
Dieser Düsentyp wird insbesondere hinter Turboluftstrahltriebwerken mit Nachverbrennung montiert, mit denen moderne Militärflugzeuge ausgestattet sind.
Solche Düsen ermöglichen eine konvergent-konvergente Kinematik bei Unterschallgeschwindigkeiten und eine konvergent-divergente Kinematik bei Überschallgeschwindigkeiten. Darüber hinaus hat der Düsenhals an dem Gelenk der Klappen des stromaufwärtigen Kranzes und der Klappen des stromabwärtigen Kranzes einen verstellbaren Querschnitt.
Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Realisierung einer verstellbaren konvergent-divergenten Schubdüse besteht darin, eine befriedigende Dichtigkeit an den Verbindungsstellen der verschiedenen Klappen und insbesondere an dem Gelenk der Klappen der beiden Klappenkränze an der Düsenverengung zu erzielen.
Im Bereich des Gelenks der gesteuerten stromaufwärtigen und stromabwärtigen Düsen wird die Dichtigkeit durch die Klappen selbst erreicht.
FR-A-2 227 433 beschreibt eine Schubdüse der oben erwähnten Art, bei der die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Folgeklappen mittels eines über die gesamte Umfangsbreite dieser Klappen verlaufenden Scharniers angelenkt sind und bei der die gesteuerten Klappen des einen Kranzes in der Nähe ihrer Seitenränder Aufnahmen aufweisen, in denen die Enden der Scharniere der Folgeklappenpaare dicht und gleitend aufgenommen werden. Bei Neigungsänderungen der Klappen entstehen unvermeidlich Lecks zwischen den Seitenrändern der Klappen des stromabwärtigen Kranzes, weil sich die stromabwärtigen Folgeklappen relativ zu den stromaufwärtigen Folgeklappen in axialer Richtung nicht so verschieben können, daß sich ihre Seitenränder dicht über die ganze Länge auf der Innenseite der stromabwärtigen gesteuerten Klappen abstützen können.
Um die Dichtigkeit zwischen den Folgeklappen und den gesteuerten Klappen eines Kranzes zu erreichen, sieht man an der Gelenkstelle der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Folgeklappen ein axiales Spiel vor, das Leckverluste an dieser Gelenkstelle bewirkt, da das Spiel sich in Abhängigkeit von der Verengung der Düse verändert.
FR-A-2 366 454 zeigt eine Schubdüse mit variablem Querschnitt, bei der zwischen einer stromaufwärtigen Klappe und einer stromabwärtigen Klappe, die in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Neigungen relativ zueinander gleiten können, eine Dichtung vorgesehen ist. Es handelt sich hier jedoch um eine Düse mit einem global rechteckigen Querschnitt, die keine Folgeklappen besitzt.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schubdüse der beschriebenen Art vorzuschlagen, bei der die Dichtigkeit in allen Konfigurationen der Düse gewährleistet ist. Erfindungsgemäß ist bei einer verstellbaren konvergent-divergenten Schubdüse der beschriebenen Art an der Gelenkstelle zweier ungesteuerter Klappen eine Platte vorgesehen, die in allen Konfigurationen der Düse die Abdichtung zwischen den Folgeklappen gewährleisten soll und die sich zumindest über die gesamte Breite der Folgeklappen erstreckt, wobei diese Platte mit ihrem stromaufwärtigen Ende an dem stromabwärtigen Ende der stromaufwärtigen Folgeklappe angelenkt ist und auf der Außenseite ihres stromabwärtigen Teils einen ersten Wulst aufweist, der sich auf der Innenseite der stromabwärtigen Folgeklappe abstützt, wobei die Platte auf ihrer Außenseite Mittel aufweist, die mit dem ersten Wulst zusammenwirken, um den stromaufwärtigen Teil der stro mabwärtigen Folgeklappe zu umklammern, dabei jedoch deren Gleiten in axialer Richtung in Abhängigkeit von den Konfigurationen der Düse zu erlauben, wobei die Breite der Platte größer ist als die Breite der Folgeklappen an den seitlichen Rändern der Platte zwei Seitenwände vorgesehen sind, die an die Folgeklappen angrenzen.
Diese Anordnung ermöglicht es, die Verluste zwischen der stromaufwärtigen Folgeklappe und der stromabwärtigen Folgeklappe in Höhe der Düsenverengung abzudichten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die auf die anliegenden Zeichnungen Bezug nimmt.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Position der Klappen in zwei verschiedenen Konfigurationen der Düse,
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Dichtungsvorrichtung an der Gelenkstelle einer stromaufwärtigen Folgedüse und einer stromabwärtigen Folgedüse, wobei dieser Schnitt in einer die Achse der Düse enthaltende Ebene ausgeführt ist,
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der an der Gelenkstelle einer stromaufwärtigen Folgedüse und einer stromabwärtigen Folgedüse vorgesehene Dichtungsvorrichtung, wobei die gesteuerten Klappen zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind,
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Dichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung in einer geschlossenen konvergent-divergenten Konfiguration der Düse,
Fig. 5 zeigt die Dichtungsvorrichtung in einer geschlossen konvergent-konvergenten Konfiguration der Düse.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine verstellbare konvergent-divergente Schubdüse, die für die Montage hinter einem Turboluftstrahltriebwerk bestimmt ist, dessen Achse mit 2 bezeichnet ist. Die Schubdüse 1 besitzt auf der in Strömungsrichtung des Fluids F stromaufwärtigen Seite einen ersten Kranz 3 von Klappen, der, in Umfangsrichtung abwechselnd, stromaufwärtige gesteuerte Klappen 4 und stromaufwärtige Folgeklappen 5 aufweist. Die Klappen 4 und 5 sind mit ihrem stromaufwärtigen Ende 6 an dem Endteil des Triebwerkgehäuses angelenkt. Die Klappen 4 und 5 besitzen Außenseiten 4a bzw. 5a, die zum Außenraum der Düse weisen, sowie Innenseiten 4b bzw. 5b, die der Achse 2 des Turboluftstrahltriebwerks zugewandt sind.
Die gesteuerten Klappen 4 liegen auf der Außenseite des stromaufwärtigen Kranzes 3, und die Folgeklappen 5 liegen auf der Innenseite des stromaufwärtigen Kranzes 3, wobei jede Folgeklappe 5 sich mit ihrer Außenfläche 5a im Bereich ihrer beiden Seitenränder auf der Innenseite 4b der benachbarten gesteuerten Klappen 4 abstützt, so daß die Dichtigkeit zwischen den verschiedenen Klappen 4 und 5 des stromaufwärtigen Kranzes 3 gewährleistet ist.
Die Schubdüse 1 besitzt außerdem stromabwärts des ersten Kranzes 3 einen zweiten Kranz 7 von Klappen, der als stromabwärtiger Kranz bezeichnet wird. Dieser stromabwärtige Kranz 7 besitzt ebenfalls stromabwärtige gesteuerte Klappen 8 und stromabwärtige Folgeklappen 9, die in Umfangsrichtung der Düse 1 abwechselnd angeordnet sind. Jede stromabwärtige gesteuerte Klappe 8 ist mit ihrem stromaufwärtigen Teil 10 mittels eines dichten Gelenks 12 an dem stromabwärtigen Teil 11 einer gesteuerten stromaufwärtigen Klappe 4 angelenkt. Jede stromabwärtige Folgeklappe 9 ist ebenfalls mit ihrem stromaufwärtigen Teil an dem stromabwärtigen Teil einer stromaufwärtigen Folgeklappe 5 angelenkt.
Die stromabwärtigen gesteuerten Klappen 8 liegen auf der Außenseite des stromabwärtigen Kranzes 7, und die stromabwärtigen Folgeklappen 9 liegen auf der Innenseite des stromabwärtigen Kranzes 7. Die stromabwärtigen Folgeklappen 9 stützen sich mit ihrer Außenfläche 9a im Bereich ihrer Seitenränder auf der Innenseite 9b der stromabwärtigen gesteuerten Klappen 8 ab, so daß sie Dichtigkeit zwischen den verschiedenen Klappen 8 und 9 des stromabwärtigen Kranzes 7 gewährleisten.
Die Dichtigkeit an dem Hals (nicht Verengung!) 13 der Düse 1, d. h. an der jeweiligen Gelenkstelle der gesteuerten stromaufwärtigen und stromabwärtigen Klappen 4 bzw. 7 und der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Folgeklappen 5 bzw. 8 wird einerseits durch die Gelenkstelle 12 der gesteuerten Klappen 4 und 8 und andererseits durch eine Dichtungsvorrichtung 14 gewährleistet, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Folgeklappen 5 und 9 vorgesehen ist und weiter unten beschrieben wird. Es besteht nämlich ein konstruktionsbedingtes Spiel J zwischen einer stromaufwärtigen Folgeklappe 5 und einer stromabwärtigen Folgeklappe 9, das eine Funktion der Verengung (hier nicht Hals!) der Düse 1 ist und das notwendig ist, um die Dichtigkeit zwischen den Seitenrändern der gesteuerten Klappen und der Folgeklappen der Grenze 3 und 7 zu gewährleisten. In Fig. 1 sind zwei Konfigurationen der Düse 1 dargestellt: eine erste Konfiguration A, in der der Hals 13 großen Querschnitt hat und das Spiel J relativ klein ist, und eine zweite Konfiguration B, in der der Hals 13 kleinen Querschnitt hat und das Spiel J relativ groß ist.
Die an der Gelenkstelle zwischen den aufeinanderfolgenden Folgeklappen, d. h. der stromaufwärtigen Folgeklappe 5 und der stromabwärtigen Folgeklappe 9, vorgesehene Dichtung 14, die in Fig. 2 bis 4 dargestellt ist, besitzt eine Platte 15, die sich zumindest über die gesamte Breite der Klappen 5 und 9 erstreckt.
Der stromabwärtige Teil 16 der Platte 15 ist, bezogen auf die Achse 2 der Düse 1, nach außen erhöht und besitzt an ihrem stromabwärtigen Rand einen ersten Wulst 17 mit halbkreisförmigem Querschnitt, der sich gleitend auf der Innenseite 9b der stromabwärtigen Folgeklappe 9 abstützt.
Der stromaufwärtige Teil 18 der Platte 15 ist gebogen und, bezogen auf die Achse der Düse 1, nach außen gerichtet. Er endet in einem zweiten Wulst 19 mit halbkreisförmigem Querschnitt, der in einer in den stromabwärtigen Rand der stromaufwärtigen Folgeklappe 2 angebrachten halbzylindrischen Kehle 20 aufgenommen ist, die der Achse 2 der Düse 1 zugewandt ist. Der zweite Wulst 19 und die Kehle 20 haben ein solches Profil, daß die Platte 15 an dem stromaufwärtigen Ende der stromabwärtigen Folgeklappe 9 um eine Schwenkachse 22 frei verschwenkbar ist und dabei die Dichtigkeit in diesem Bereich gewährleistet.
Die Platte 15 weist auf ihrer Außenseite 15a eine Säule 23 auf, die etwa in der Mitte ihrer Breite angeordnet ist. Diese Säule 23 liegt unmittelbar stromabwärts der stromaufwärtigen Folgeklappe 5 und besitzt eine Schulter 24, die sich auf der Außenseite der Folgeklappen 5 und 9 befindet, sowie einen mit einem Gewinde versehenen Endbereich 25. Die stromabwärtige Folgeklappe 9 besitzt in ihrem stromaufwärtigen Endbereich 26 einen Einschnitt 27 für den freien Durchtritt der Säule 23.
Auf der Schulter 24 der Säule 23 ist mit Hilfe einer Mutter ein Verriegelungssteg 29 befestigt, der an seinem stromabwärtigen Ende 30 gegenüber dem ersten Wulst 17 eine Fläche mit halbkreisförmigem Querschnitt aufweist, die zusammen mit dem ersten Wulst 17 den stromaufwärtigen Teil 9c der stromabwärtigen Folgeklappe 9 umklammert. Dieser stromaufwärtige Teil 9c weist vorzugsweise auf seiner Außenseite 9a eine Kehle 32 auf, in der das abgerundete stromabwärtige Ende 30 des Verriegelungsstegs 29 gleitet.
Das stromaufwärtige Ende 33 des Verriegelungsstegs 29 besitzt ebenfalls eine Fläche 34 mit halbkreisförmigem Querschnitt, die dem zweiten Wulst 19 gegenüberliegt und sich auf einer zylindrischen Fläche 35 abstützt, die auf der Außenseite 5a der stromaufwärtigen Folgeklappe 5 vorgesehen und auf der Schwenkachse 22 zentriert ist.
Die Seitenränder der Platte 15 weisen Seitenwandungen 36 auf, die die beiden Klappen 5 und 9 umgreifen und so die transversale Positionierung der Platte 15 ermöglichen. Die Seitenwandungen 36 verschließen das transversale Leck zwischen den gesteuerten Klappen 4, 8 und den Folgeklappen 5, 9 in dieser Zone teilweise.
Im Betrieb werden die stromaufwärtigen und stromabwärtigen gesteuerten Klappen 4 bzw. 8 beispielsweise mit Hilfe von Hubzylindern betätigt, um die Schubdüse 1 in die an die Flugbedingungen angepaßten Konfigurationen zu führen. Die Drücke des Fluids F in der Düse 1 pressen die Folgeklappen 5 und 9 gegen die benachbarten gesteuerten Klappen 4 und 8 und die Platte 15 gegen die stromabwärtigen Folgeklappen 9, wodurch die Dichtigkeit an der Gelenkstelle der Folgeklappen 5 und 9 hergestellt wird. Die Platte 15 schwenkt relativ zu der stromaufwärtigen Folgeklappe 5 um die Schwenkachse 22. Der stromaufwärtige Teil der stromabwärtigen Folge klappe 9 kann zwischen dem ersten Wulst 17 der Platte 15 und dem abgerundeten stromabwärtigen Endbereich 30 des Verriegelungsstegs 29 in allen Konfigurationen der Schubdüse 1 frei gleiten. Fig. 1 zeigt die jeweilige Position der verschiedenen Elemente, wenn das Spiel J zwischen den Folgeklappen 5 und 9 minimal ist. Fig. 4 zeigt die Dichtungsvorrichtung 14 in einer Konfiguration der Düse 1, in der diese ihre konvergent-divergente Schließstellung einnimmt, wobei das Spiel J maximal ist. Fig. 5 zeigt die Dichtungsvorrichtung 14 in einer Konfiguration der Düse, in der diese ihre konvergent-konvergente Schließstellung einnimmt, wobei das Spiel J einen mittleren Wert hat.

Claims

1. Verstellbare konvergent-divergente Schubdüse, die von einem Fluid (F) durchströmt werden kann,

mit mehreren Klappen mit einstellbarer Neigung, die jeweils eine der Achse der Düse (1) zugewandte Innenseite und eine zum Außenraum der Düse (1) weisende Außenseite haben, wobei die Klappen auf zwei in Strömungsrichtung des Fluids aufeinanderfolgend angeordnete Kränze verteilt sind, nämlich einen Kranz (3) mit stromaufwärtigen Klappen und einen Kranz (7) mit stromabwärtigen Klappen, wobei jeder Kranz (3; 7) von Klappen seinerseits eine erste Gruppe von äußeren oder gesteuerten Klappen (4; 8) und zweite Gruppe von inneren oder ungesteuerten Klappen (Folgeklappen) (5; 9) aufweist und die gesteuerten Klappen (4; 8) in Umfangsrichtung der Düse mit den Folgeklappen (5; 9) abwechseln und wobei jede gesteuerte Klappe (4) oder Folgeklappe (5) des stromaufwärtigen Kranzes (3) mit ihrem stromabwärtigen Teil (10) mit dem stromaufwärtigen Teil (11) einer gesteuerten Klappe (8) oder einer Folgeklappe (9) des stromabwärtigen Kranzes (7) gelenkig verbunden ist und jede gesteuerte Klappe (5; 9) sich mit ihrer Außenseite (5a; 9a) im Bereich ihrer beiden seitlichen Ränder auf der Innenseite (5b; 8b) der beiden benachbarten gesteuerten Klappen (4; 8) abstützt,

wobei die Düse dadurch gekennzeichnet ist,

daß an der Gelenkverbindung zweier ungesteuerter Klappen (5; 9) eine Platte (15) vorgesehen ist, die in allen Konfigurationen der Düse die Abdichtung zwischen den Folgeklappen gewährleisten soll und die sich zumindest über die gesamte Breite der Folgeklappen erstreckt, wobei diese Platte (15) mit ihrem stromaufwärtigen Ende (18) an dem stromabwärtigen Ende (21) der stromaufwärtigen Folgeklappe (5) angelenkt ist und auf der Außenseite (15a) ihres stromabwärtigen Teils einen ersten Wulst (17) aufweist, der sich auf der Innenseite (9b) der stromabwärtigen Folgeklappe (9) abstützt, wobei die Platte (15) auf ihrer Außenseite (15a) Mittel aufweist, die mit dem ersten Wulst (17) zusammenwirken, um den stromaufwärtigen Teil (9c) der stromabwärtigen Folgeklappe (9) zu umklammern, dabei jedoch deren Gleiten in axialer Richtung in Abhängigkeit von den Konfigurationen der Düse zu erlauben,

daß die Breite der Platte (15) größer ist als die Breite der Folgeklappen (5; 9)

und daß an den seitlichen Rändern der Platte (15) zwei Seitenwände (36) vorgesehen sind, die an die Folgeklappen (5; 9) angrenzen.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wulst (17) an dem stromabwärtigen Rand der Platte (15) vorgesehen ist.

3. Düse nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die mit dem ersten Wulst (17) zusammenwirken, um den stromaufwärtigen Teil (9c) der stromabwärtigen Folgeklappe (9) zu umklammern, eine auf der Außenseite (15a) der Platte (15) herausstehende Säule (23) und einen an dieser Säule (23) befestigten Verriegelungssteg (29) umfassen, wobei dieser Verriegelungssteg (29) eine dem ersten Wulst (17) zugewandte erste konvexe Fläche (31) aufweist, die sich auf der Außenseite (9a) der stromabwärtigen Folgeklappe (9) abstützt.

4. Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärtige Folgeklappe (9) auf der Außenseite (9a) ihres stromaufwärtigen Teils (9c) eine longitudinale Kehle (32) aufweist, in der die erste Fläche (31) des Verriegelungsstegs (29) gleitet.

5. Düse nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärtige Folgeklappe (9) an ihrem stromaufwärtigen Ende (26) eine Aussparung (27) für den Durchtritt der genannten Säule (23) aufweist.

6. Düse nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verriegelungssteg (29) an seinem stromaufwärtigen Ende (33) eine zweite konvexe Fläche aufweist die sich auf der Außenseite (5a) des stromabwärtigen Teils der stromaufwärtigen Folgeklappe (5) abstützt,

und daß die Gelenkverbindung der Platte (15) an der stromaufwärtigen Folgeklappe (5) von einem zweiten Wulst (19) gebildet wird, der an dem stromaufwärtigen Rand der Platte (15) vorgesehen und in einer Kehle (20) aufgenommen ist, die der Achse der Düse zugewandt und in dem stromabwärtigen Rand (21) der stromaufwärtigen Folgeklappe (5) ausgebildet ist.

7. Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite (5a) des stromabwärtigen Teils der stromaufwärtigen Folgeklappe (5) eine zylindrische Fläche (35) vorgesehen ist, die auf der Schwenkachse (22) der Platte (15) und der Folgeklappe (5) zentriert ist, auf der sich die zweite konvexe Fläche (34) des Verriegelungsstegs (29) abstützt.