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Die Erfindung betrifft Gasturbinenmotoren und
insbesondere eine Montageanordnung für ein divergentes Hauptflächensegment
einer Düse
variabler Geometrie.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gasturbinenmotoren für Luftfahrzeuge
erreichen einen Schub durch Abgabe von heißem Gas durch eine Abgasdüse.
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Es ist eine verstellbare konvergente/divergente
Düse notwendig,
um eine gute Effizienz für Mehrzweckanwendungen
zu erreichen. Die maximale Effizienz wird mit einer unabhängigen Steuerung des
Abgasdüsenhalses
und der Austrittsflächen
erreicht. Dadurch wird die maximale Expansion der Gase und somit
jederzeit ein maximaler Schub erreicht.
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Eines der Ziele der Konstrukteure
ist die Erhöhung
der Luftfahrzeugmanövrierbarkeit,
insbesondere unter jenen Flugbedingungen, unter welchen die aerodynamischen
Steuerflächen
beginnen, ihre Effizienz zu verlieren. Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen,
besteht darin, den Gasstrom von der Axialrichtung zu lenken, so
dass eine Schubkomponente erreicht wird, die nach oben, nach unten
oder zur Seite gerichtet ist. Gegenwärtig gibt es mehrere Lösungen mit
zweidimensionalen konvergenten/divergenten Düsen, wie jene, die in U.S.
Pat. Nr. 4,763,840 offenbart ist. Diese Düsen können jedoch das Gas nur in
eine Richtung (im Allgemeinen die Steigungsrichtung) richten, und
sind schwerer als axisymmetrische konvergente/divergente Düsen.
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Es gibt verschiedene Systeme von 3-D-schubvektorierenden
konvergenten/divergenten Düsen.
Alle diese Systeme können
in drei Hauptgruppen klassifiziert werden:
- – Jene,
welche die gesamte Abgasdüse
stromaufwärts
des konvergenten Abschnitts ausrichten. Aufgrund der Tatsache, dass
die Änderung
der Geometrie stromaufwärts
des Halses erfolgt, werden in der Turbine Störungen herbeigeführt. Ferner
ist eine äußerst komplizierte
Dichtungsvorrichtung erforderlich.
- – Jene,
welche den Strom am Austritt selbst der Abgasdüse ausrichten, eher stromabwärts davon. Bei
diesem System kommt es zu einer Verringerung der Effizienz und das
Gewicht wird erhöht,
da dieses System eine zusätzlich
Vorrichtung benötigt.
- – Jene,
die das divergente Segment der Abgasdüse ausrichten. Bei diesem System
werden die Störungen
stromaufwärts
der Turbine minimiert. Die Gewichtszunahme ist aufgrund der Tatsache, dass
die Düse
selbst den Strom ausrichtet, ohne Hilfe anderer zusätzlicher
Vorrichtungen, geringer als im vorangehenden Fall.
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In dieser dritten Gruppe enthält die häufigste Ausführungsform,
wie in US Pat. Nr. 5,082,182 dargestellt, einen konvergenten Abschnitt,
der aus mehreren Hauptflächensegmenten
und mehreren Nebenflächensegmenten
besteht, um eine adäquate
Dichtung bereitzustellen. Der Halsbereich wird von dem allgemein
bekannten Nocken-Rollen-Mechanismus gesteuert. Die Steuerung des
Halsbereichs erfordert eine Reihe linearer Stellglieder.
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Stromabwärts dieses konvergenten Abschnittes
befindet sich ein divergenter Abschnitt, der aus derselben Zahl
mehrerer divergenter Hauptflächensegmente
und mehreren Nebenflächensegmente
besteht, um eine adäquate
Dichtung bereitzustellen. Die divergenten Hauptflächensegmente
sind mit konvergenten Hauptflächensegmenten
durch Universalverbindungsglieder verbunden. Das Verbindungsglied
ermöglicht
die seitliche und radiale Bewegung der divergenten Hauptflächensegmente,
wodurch eine Ausrichtung des Gasstromes möglich ist.
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Die divergenten Hauptflächensegmente
sind durch Laststreben mit einem Außenring verbunden. Die Verbindung
der Strebe mit dem divergenten Hauptflächensegment wird über ein
kugelförmiges Verbindungsglied
erreicht, während
die Verbindung mit dem Außenring
durch ein zylindrisches Verbindungsglied gebildet wird.
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Sowohl die Austrittsfläche als
auch die Strömungsausrichtung
wird durch den Außenring
gesteuert. Dieser Außenring
benötigt
wenigstens drei lineare Stellglieder.
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Bei dieser Ausführungsform sind zwei unabhängige Stellgliedsysteme
notwendig, innere und äußere.
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Eine andere Düse variabler Geometrie ist
in EP 0557229B1 offenbart. Diese ist durch die Tatsache gekennzeichnet,
dass sie die Halsfläche,
die Austrittsfläche
und die Strömungsausrichtung
mit nur einem Satz linearer Stellglieder steuert. Dies bedeutet
eine Verringerung in den Kosten und eine einfachere Konstruktion
des Stellgliedsystems.
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Dieses einzige System besteht aus
drei Ringen, die konzentrisch zueinander und zu der Achse der Turbine
sind und mehrere lineare Stellglieder aufweisen, die durch ihre
stromaufwärts
liegenden Enden mit der Struktur der Turbine verbunden sind.
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Die oben genannten Ringe sind miteinander und
mit der Struktur der Turbine durch Verbindungselemente und Führungsvorrichtungen
verbunden, welche die gemeinsame axiale Verschiebung der drei Ringe
in gleicher Größe in Bezug
auf die Struktur der Turbine, wie auch eine relative Drehbewegung
des Zwischen- und
Außenringes
zueinander und in Bezug auf den Innenring ermöglichen, so dass der Außenring
in jede Richtung geneigt werden kann, wobei der Drehungsmittelpunkt
in der Achse der Turbine liegt.
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Die konvergenten Hauptflächensegmente sind
an einem Punkt in ihrem stromaufwärts liegenden Segment mit dem
Innenring durch zylindrische Verbindungsglieder verbunden, tangential
zu einem theoretischen Umfang, der konzentrisch zu der Längsachse
des Motors liegt und in einer theoretischen Ebene senkrecht zu einer
solchen Längsachse
angeordnet ist.
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Die Hauptflächensegmente des divergenten Abschnittes
sind quer in wenigstens zwei Segmente unterteilt, die durch ein
zylindrisches Verbindungsglied senkrecht zu jenem einer Verbindung
zwischen den Hauptflächensegmenten
der konvergenten und divergenten Abschnitte miteinander verbunden
sind. Die divergenten Hauptflächensegmente
sind an einem Punkt in ihrem stromaufwärts liegenden Segment mit den
konvergenten Hauptflächensegmenten durch
zylindrische Verbindungsglieder verbunden, parallel zu den Verbindungsgliedern
zwischen dem Innenring und den konvergenten Hauptflächensegmenten.
Das stromabwärts
liegende Segment ist mit dem Außenring
durch eine Laststrebe verbunden, die mit diesem Segment durch ein
kugelförmiges
Verbindungsglied und mit dem Außenring
durch ein zylindrisches Verbindungsglied verbunden, ist, tangential zu
einem theoretischen Umfang, der konzentrisch zu der Längsachse
des Motors liegt und in einer theoretischen Ebene senkrecht zu einer
solchen Längsachse
angeordnet ist. Die Erfindung betrifft eine solche Laststrebe.
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Der Außenring ist mit den stromabwärts liegenden
Enden der linearen Stellglieder durch kugelförmige Verbindungsglieder verbunden.
Der Außenring
ist in zwei Halbringe unterteilt, die durch ein zylindrisches Verbindungsglied,
senkrecht zu der theoretischen Achse des Motors, miteinander verbunden sind.
Das Verbindungsglied ermöglicht
eine relative Drehbewegung der Außenhalbringe zueinander, wodurch
die Auslasssteuerung erreicht wird, oder ermöglicht eine Neigung des Außenringes
als Einheitsring in eine beliebige Richtung, wobei sich der Drehungsmittelpunkt
in der Achse der Turbine befindet, wodurch die Strömung in
eine beliebige Richtung ausgerichtet wird.
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In Patent EP 0557229B1 sind die Hauptflächensegmente
derart verteilt, dass die Hälfte
von ihnen mit einem der beiden Außenhalbringe über eine Laststrebe
verbunden ist, und die andere Hälfte
von ihnen mit dem anderen Außenhalbring
verbunden ist.
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Die vorangehende Verteilung der Segmente begrenzt
die Steuerung der Austrittsfläche
aufgrund von gegenseitigen Beeinflussungen der Segmente und Dichtungsproblemen.
Wenn zwei der Haupttlächensegmente
in der Verbindung zwischen den beiden Außenhalbringen angeordnet sind,
ist die Begrenzung der Austrittsflächensteuerung geringer.
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Diese neue Verteilung der Segmente
erfordert eine andere Laststrebe. Die neue Laststrebe muss den divergenten
Hauptflächensegmenten
ermöglichen,
dass sie gleichzeitig mit den zwei Außenhalbringen verbunden sind.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung einer Laststrebenanordnung, die gleichzeitig
eine Verbindung eines divergenten Hauptflächensegments mit beiden Außenhalbringen ermöglicht.
Die Erfindung liegt in einer Anordnung gemäß Anspruch 1. Eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung ist in den abhängigen
Ansprüchen 2
und 3 definiert.
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Wenn sich die zwei Außenhalbringe
aus einem einzigen Außenring
bewegen, muss die Laststrebe auf dieselbe Weise arbeiten, wie eine
Laststrebe, die ein divergentes Hauptflächensegment mit einem einzigen
Außenring
verbindet.
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Wenn eine relative Drehbewegung zwischen den
zwei Außenhalbringen
stattfindet, muss die theoretische Symmetrieebene der Laststrebe
dieselbe sein, wie die Halbierungsebene, die durch die zwei Außenhalbringe
gebildet wird, wobei die Verbindung mit dem divergenten Hauptflächensegment
in dieser Ebene bleibt.
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Daher umfasst die Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung zwei Riegel, die an einem stromabwärts liegenden
Punkt durch ein zylindrisches Verbindungsglied miteinander verbunden
sind. Jeder Riegel ist an einem stromaufwärts liegenden Punkt durch ein
kugelförmiges
oder Universalverbindungsglied mit einem Außenhalbring verbunden.
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Die Position der zwei Riegel in Bezug
zueinander ist durch die Verbindungsglieder und die Position der
Außenhalbringe
unveränderlich,
die eine Einheit bilden. Diese Einheit hat einen einzigen Freiheitsgrad,
ebenso wie die herkömmlichen
Laststreben. Dieser Freiheitsgrad ist die Drehung um die Achse,
die durch die theoretische Linie durch die zwei kugelförmigen oder
Universal-Verbindungsglieder
gebildet wird.
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Zur Verbindung der zwei Riegel mit
dem divergenten Hauptflächensegment
ist ein Übergangsteil
notwendig. Dieses Teil ist mit jedem Riegel durch ein zylindrisches
Verbindungsglied verbunden. Dieses Verbindungsglied ist im Wesentlichen
parallel zu dem Verbindungsglied zwischen den oben genannten Riegeln.
Die drei zylindrischen Verbindungsglieder müssen im Wesentlichen in derselben
Ebene liegen. Auf diese Weise kommt es, wenn eine relative Bewegung
zwischen den zwei Außenhalbringen stattfindet,
zu einer relativen Bewegung zwischen den zwei Riegeln, und dann ändert sich
der Abstand zwischen den zwei zylindrischen Verbindungsgliedern
des Übergangsteils
geringfügig.
Aufgrund der Ausrichtung der drei zylindrischen Verbindungsglieder
ist die oben genannte Änderung
eine Funktion von (1-cos) des Dreh winkels, wobei dieser Winkel sehr
klein ist. Der Spielraum des zylindrischen Verbindungsgliedes ermöglicht diese
geringfügige Änderung
des Abstandes.
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Die Laststrebe, die Gegenstand der
Erfindung ist, umfasst die zwei Riegel und das Übergangsteil. Das Verbindungsglied
zwischen der Laststrebe und dem divergenten Hauptflächensegment kann
dasselbe sein, wie für
eine herkömmliche
Laststrebe.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Perspektive einer Abgasdüse, die
mit der Erfindung in Zusammenhang steht.
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2 ist
eine Perspektive eines Details der Düse, wenn eine Laststrebe gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorhanden ist.
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3 ist
eine auseinander gezogene Perspektive, welche die Laststrebe gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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4 ist
eine Ansicht, welche die Dichtungsprobleme in einer Düse gemäß Patent
EP 0557229B1 zeigt.
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5 ist
eine Ansicht, die zeigt, dass es keine Dichtungsprobleme in einer
Düse gemäß Patent EP
0557229B1 gibt, wenn die Laststrebe der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird.
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6 ist
eine Ansicht, die eine Düse
gemäß Patent
EP 0557229B1 unter Verwendung der Laststrebe der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt, welche die Strömung ausrichtet.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
in einer schematischen perspektivischen Ansicht, teilweise im Querschnitt,
eine Abgasdüse,
die eine Laststrebe 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat, wobei der Pfeil 33 die Strömungsrichtung
anzeigt. Wie bei herkömmlichen
Abgasdüsen
enthält
die in 1 dargestellte
Düse ein
Gehäuse 2,
einen konvergenten Abschnitt 3 und einen divergenten Abschnitt 4.
Der konvergente Abschnitt 3 besteht aus mehreren konvergenten
Hauptflächensegmenten 5 und
konvergenten Nebenflächensegmenten 34.
Ebenso besteht der konvergente Abschnitt 4 aus mehreren
divergenten Hauptflächensegmenten 6 und
divergenten Nebenflächensegmenten 31.
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Die Änderung in der Halsfläche, die
durch die stromabwärts
liegende Endkontur der konvergenten Flächensegmente definiert ist,
die Austrittsfläche,
die durch die stromabwärts
liegende Endkontur der divergenten Flächensegmente definiert ist,
und die Vektorierung des Schubes werden von einem System gesteuert,
das aus drei Ringen 7, 8, 9 besteht, die
konzentrisch zueinander und zu der Achse der Turbine liegen. Der
Außenring 9 ist
in zwei Außenhalbringe
unterteilt. Nur einer der zwei Außenhalbringe ist in 1 dargestellt. Die Position
der Ringe 7, 8, 9 wird von mehreren linearen
Stellgliedern 10 gesteuert, die an ihren stromaufwärts liegenden
Enden mit dem Gehäuse 2 verbunden
sind. Wenn die Schubvektorierung nicht erforderlich ist, kann der Zwischenring 8 entfernt
werden.
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Die Ringe 7, 8, 9 sind
auch miteinander durch Vorrichtungen verbunden, die eine axiale
Verschiebung des Satzes von drei Ringen in gleicher Größe in Bezug
auf das Gehäuse 2 der
Turbine ermöglichen,
wie auch eine derartige relative Drehbewegung des Zwischenringes 8 und
des Außenhalbringes 9 zueinander
und in Bezug auf den Innenring 7, dass die Außenhalbringe 9 in
eine beliebige Richtung geneigt werden können, sowie eine relative Drehbewegung
der Außenhalbringe 9 zueinander.
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2 stellt
eine Perspektive eines Details der Düse dar, wenn die Laststrebe 1 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorhanden ist. Die Laststrebe umfasst zwei Riegel 11, 12. Jeder
Riegel ist an seinem stromaufwärts
liegenden Ende durch ein kugelförmiges
oder Universal-Verbindungsglied 13, 14 mit einem
Außenhalbring
verbunden und sie sind an den entsprechenden stromabwärts liegenden
Enden durch ein zylindrisches Verbindungsglied 15 miteinander
verbunden, wobei dieses zylindrische Verbindungsglied 15 senkrecht
zu einer theoretischen Ebene 32 liegt, die beide Riegel 11, 12 enthält. Die
erwähnte
Ebene wird durch die Mittelpunkte der kugelförmigen Verbindungsglieder 13, 14 und
des kugelförmigen
Verbindungsgliedes 15 gebildet. Somit ist die relative
Position der beiden Riegel 11, 12 durch die Verbindungsglieder 13, 14, 15 und
die Position der Außenhalbringe 9, die
eine Einheit bilden, festgelegt. Diese Einheit hat einen einzigen
Freiheitsgrad, ebenso wie eine herkömmliche Laststrebe 19.
Dieser Freiheitsgrad ist die Drehung um die Achse, die durch die
theoretische Linie durch die zwei kugelförmigen oder Universal-Verbindungsglieder 13, 14 gebildet
wird.
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Das Übergangsteil 16 ist
durch ein zylindrisches Verbindungsglied 17, 18 mit
jedem Riegel 11, 12 verbunden. Diese Verbindungsglieder 17, 18 sind im
Wesentlichen parallel zu dem Verbindungsglied 15. Die drei
zylindrischen Verbindungsglieder 15, 17, 18 müssen im
Wesentlichen in einer Ebene liegen. Das Verbindungsglied zwischen
dem Übergangsteil 16 und
dem divergenten Hauptflächensegment
kann dasselbe sein wie für
eine herkömmliche
Laststrebe 19.
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Die konvergenten Hauptflächensegmente 5 sind
an einem stromaufwärts
liegenden Punkt mit dem Innenring 7 durch zylindrische
Verbindungsglieder 20 verbunden, tangential zu einem theoretischen Umfang,
der zu der Längsachse
des Motors konzentrisch ist und in einer theoretischen Ebene senkrecht zu
der Längsachse
liegt.
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Die divergenten Hauptflächensegmente 6 sind
quer in wenigstens zwei Segmente unterteilt. Das stromaufwärts liegende
Segment 21 ist mit dem konvergenten Hauptflächensegment
durch ein zylindrisches Verbindungsglied 23 verbunden,
tangential zu einem theoretischen Umfang, der zu der Längsachse
des Motors konzentrisch ist und in einer theoretischen Ebene senkrecht
zu der Längsachse
liegt. Das stromabwärts
liegende Segment 22 ist mit dem stromaufwärts liegenden
Segment 21 durch ein zylindrisches Verbindungsglied 24,
senkrecht zu der Basis des Hauptflächensegmentes, verbunden.
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Das divergente Hauptflächensegment 6 ist mit
der Laststrebe 1 oder 19 durch zwei Zwischenriegel 25, 26 verbunden.
Diese Zwischenriegel 25, 26 sind mit dem divergenten
Hauptflächensegment 6 durch
kugelförmige
Verbindungsglieder 27, 28 verbunden. Der Zwischenriegel
der stromabwärts
liegt, 26, ist mit der Laststrebe 1 oder 19 durch
ein kugelförmiges
Verbindungsglied 29 verbunden und der Zwischenriegel, der
stromaufwärts
liegt, 25, ist mit der Laststrebe 1 oder 19 durch
ein zylindrisches Verbindungsglied 30 verbunden.
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3 ist
eine auseinander gezogene Perspektive, welche die Laststrebe gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Die Laststrebe umfasst zwei Riegel 11, 12 und
ein Übergangsteil 16.
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Der Riegel 11 weist an einem
Ende einen Ansatz 35 auf, der zur Aufnahme eines kugelförmigen Verbindungsgliedes 13 konstruiert
ist. Dieses Verbindungsglied verbindet den Riegel 11 mit
einem Außenhalbring 9a.
Das andere Ende weist zwei Ansätze 36, 37 auf.
Einer der Ansätze 37 ist
mit dem Ansatz 38 des anderen Riegels 12 durch
ein zylindrisches Verbindungsglied 15 verbunden. Auf dieselbe
Weise weist der andere Riegel an einem Ende einen Ansatz 40 auf,
der zur Aufnahme eines kugelförmigen
Verbindungsglieds 14 konstruiert ist. Dieses Verbindungsglied
verbinden den Riegel 12 mit dem anderen Außenhalbring 9b.
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Der andere Ansatz 36 des
Riegels 11 ist mit dem Ansatz 41 des Übergangsteils 16 durch
ein zylindrisches Verbindungsglied 17 verbunden. Auf dieselbe
Weise ist der andere Ansatz 39 des Riegels 12 mit
dem Ansatz 42 des Übergangsteils 16 durch
ein zylindrisches Verbindungsglied 18 verbunden.
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Die Konstruktion der Riegel 11, 12 könnte derart
sein, dass beide Riegel gleich sind. Dadurch ist es möglich, die
Konstruktions-, Herstellungs- und Wartungskosten zu senken.
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4 zeigt
eine relative Drehung zwischen den zwei Außenhalbringen 9a, 9b gemäß Patent
EP 0557229B1. Das divergente Hauptflächensegment 6a dreht
im Uhrzeigersinn und das divergente Hauptflächensegment 6b dreht
gegen den Uhrzeigersinn. Diese Drehung erzeugt einen großen Spalt
zwischen den divergenten Hauptflächensegmenten 6a, 6b, den
das divergente Nebenflächensegment 31 bedecken
muss. Bei einem kleinen Drehungswinkel ist der Spalt zu groß und es
entsteht ein Dichtungsproblem.
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5 zeigt
dieselbe Drehung zwischen den zwei Außenhalbringen 9a, 9b wie 4 gemäß Patent EP 0557229B1, wobei
aber die Laststrebe 1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird. Auf dieselbe Weise wie zuvor dreht
das divergente Hauptflächensegment 6a im Uhrzeigersinn
und das divergente Hauptflächensegment 6b dreht
gegen den Uhrzeigersinn, wobei aber nun ein weiteres divergentes
Hauptflächensegment 6c vorhanden
ist, das an derselben Position bleibt. Somit wird der Spalt zwischen
den divergenten Hauptflächensegmenten 6a, 6b zwischen
zwei divergenten Nebenflächensegmenten 31a, 31b verteilt, ohne
Dichtungsprobleme. Es ist eine größere relative Drehung zwischen
den zwei Außenhalbringen 9a, 9b notwendig,
um Dichtungsprobleme zu verursachen. Der Variationsbereich der Düsenaustrittsfläche ist aufgrund
einer größeren zulässigen relativen
Drehung zwischen den zwei Außenhalbringen 9a, 9b größer.
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Wenn eine relative Bewegung zwischen
den zwei Außenhalbringen 9a, 9b stattfindet,
kommt es zu einer relativen Bewegung zwischen den zwei Riegeln 11, 12 und
dann ändert
sich der Abstand zwischen den zwei zylindrischen Verbindungsgliedern 17, 18 des Übergangsteils 16 geringfügig. Der
Spielraum des zylindrischen Verbindungsglieds ermöglicht diese
geringfügige Änderung
des Abstandes.
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6 zeigt
die gemeinsame Drehung der zwei Außenhalbringe 9a, 9b relativ
zu dem Innenring 7. In einem solchen Fall gibt es keine
relative Bewegung zwischen den zwei Außenhalbringen 9a, 9b und
somit zwischen den zwei Laststrebenriegeln 11, 12.
Dann arbeitet die Laststrebe 1 wie eine herkömmliche
Laststrebe 19.