DE69728504T2

DE69728504T2 - Variable Schubdüse für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE69728504T2
Application number: DE69728504T
Authority: DE
Inventors: Constantino V. Loffredo; Charles J. Szyszko
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2017-12-13
Also published as: EP0848152B1; EP0848152A2; US5833140A; EP0848152A3; JPH10176604A; DE69728504D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausströmdüse mit variabler Geometrie für eine Gasturbinenmaschinengondel und insbesondere eine Düse, welche große Querschnittsänderungen erreicht, ohne negativ die aerodynamischen Eigenschaften der Gondel oder die Brennstoffeffizienz der Maschine zu beeinträchtigen.
Kommerzielle Gasturbinen-Flugzeugtriebwerke sind optimiert, um während Reisebetriebs bei großer Höhe einen Effizienzspitzenwert zu zeigen, bei dem der Hauptteil des Einsatzes der Maschine erfolgt, und so so wenig störendes Geräusch wie möglich zu emittieren. Eine derartige Optimierung verlässt sich zum Teil auf die Verwendung eines Bläsers mit Laufschaufeln großer Erstreckung und breiter Profilsehne, die eine große Menge an Umgebungsluft in die Maschine einsaugen. Ein Großteil dieser Luft strömt durch einen Bläserkanal und wird anschließend durch eine Bläserausströmdüse abgegeben, deren Abgabequerschnitt so bemessen ist, dass er die bestmögliche Leistung und Effizienz erzielt. Wenn jedoch die Maschine bei niedriger Höhe betrieben wird und bei den Hochleistungseinstellungen, die typischerweise für den Start des Flugzeugs benötigt werden, kann die Menge an Luft, die in die Maschine eingesaugt wird, die Strömungskapazität der Bläserausströmdüse überschreiten. Folglich kann die Düse einen Rückstau auf den Bläser ausüben und einen Bläserstall induzieren, eine schädigende aerodynamische Instabilität, die eine beträchtliche Beschädigung an der Maschine verursachen kann und die vorübergehend, jedoch signifikant, die Leistungsabgabe der Maschine verringert.
Ein Weg, um Bläserstall zu vermeiden, ist die Verwendung von Blattverstellungs-Bläserlaufschaufeln, von denen jede um eine sich radial erstreckende Blattverstellungsachse drehbar ist. Die Laufschaufeln werden gemeinsam um ihre Blattverstellungsachsen gedreht, so dass die Menge an Luft, die in die Maschine gesogen wird, innerhalb der Strömungskapazität der Bläserausströmdüse bleibt. Jedoch sind Blattverstellungs-Bläserlaufschaufeln nicht auf breite Akzeptanz zur Verwendung in kommerziellen Gasturbinen gestoßen, in folge von gespürtem Gewicht, Volumen, Kosten und Komplexität des zugehörigen Betätigungssystems.
Ein anderer Weg zum Vermeiden von Bläserstall ist die Verwendung einer Ausströmdüse, deren Abgabequerschnitt einstellbar ist, um die Strömungskapazität der Düse an die Menge an Luft anzupassen, die durch den Bläser gesogen wird. Koventionelle Düsen mit variabler Geometrie verwenden bewegliche Komponenten, beispielsweise schwenkbare Schalen oder schwenkbar angeschlossene Klappen, die selektiv positionierbar sind, um die Geometrie der Düse zu modifizieren und so deren Abgabequerschnitt zu modulieren. Dichtungen zwischen den Düsenbauteilen helfen, den Maschinenbrennstoffverbrauch zu minimieren, indem sie gegen eine Luftleckage schützen. Obwohl viele Arten von Ausströmdüsen mit variabler Geometrie vorgeschlagen wurden, sind sie primär auf Maschinen mit kleinem Durchmesser anwendbar, wo die erforderliche Variation des Düsenabgabequerschnitts mit nur moderaten Anpassungen der beweglichen Komponenten erzielbar ist. Bei den größeren Durchmessern, die für moderne Turbobläsermaschinen typisch sind, sind größere Anpassungen erforderlich, um eine proportional äquivalente Querschnittsvariation zu bewirken, und diese größeren Anpassungen können negativ das äußere Profil der Gondel und somit deren aerodynamische Eigenschaften beeinflussen. Das Betätigungssystems zu erzielen dieser größeren Anpassungen ist möglicherweise auch korrespondierend schwerer und voluminöser, ein entscheidender Nachteil bei Flugzeuginstallationen, bei denen überschüssiges Gewicht unakzeptabel ist und Platz ein primäres Kriterium ist. Außerdem ist es wünschenswert, dass die Düsendichtungen einfach, haltbar und hocheffizient sind, Attribute, die bei vielen konventionellen Düsen mit variabler Geometrie nicht ersichtlich sind. Kurz gesagt, versagen Ausströmdüsen mit variabler Geometrie des Stands der Technik darin, die widersprechenden Anforderungen von großer Querschnittsvariabilität, konsistent guter aerodynamischer Leistung und effektiver Dichtung zwischen den Bauteilen in einer mechanisch einfachen Baugruppe kombinieren.
Es ist aus GB 640 428 bekannt, einen variablen Auslass für eine Strahldüse bereitzustellen, wobei der Auslassquerschnitt durch Schwenken von Düsen bereichen verändert wird. Ein Federdichtungsstreifen wird von den äußeren Verkleidungsbereichen getragen, um mit der Außenwand der Düsenbereiche zusammenzuwirken, um eine Dichtung zu bilden.
Es ist auch aus GB 588 501 bekannt, schwenkbare Klauen zum Anpassen der Querschnittsfläche einer Strahltriebseinheit bereitzustellen. Eine Dichtung wird zwischen den Klauen und dem umfangsmäßigen Rahmenelement des Strahlrohrs erzeugt, indem ein teil-sphärisches Element an der äußeren Oberfläche der Klauen vorgesehen ist.
Es ist weiter aus US 5 221 048 bekannt, eine kontinuierliche einstückige Dichtung vorzusehen, um eine Dichtung zwischen schwenkenden Halbstrahlen einer Ausströmdüse mit variablem Querschnitt für ein Strahltriebwerk und einem festen Wandelement zu erzeugen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Ausströmdüse für eine Turbinenmaschine bereitgestellt, aufweisend:
eine Verkleidung, die um eine sich in Längsrichtung erstreckende Mittelachse angeordnet ist und zwei Halb-Verkleidungen aufweist, wobei jede Halbverkleidung eine innere Oberfläche aufweist, wobei ein Teil dieser Oberfläche eine gekrümmte Oberfläche ist, die durch das Rotieren einer ersten Erzeuger-Kurve um eine Erzeugungsachse definiert ist, die rechtwinklig zur Mittelachse ist und in Längsrichtung vor der Verkleidungshinterkante angeordnet ist; und
ein Paar von Schalen, die jeweils zu einer der Halbverkleidungen korrespondieren, wobei jede Schale eine äußere Oberfläche hat und jede Schale um eine Schwenkachse, die im wesentlichen mit der korrespondierenden Erzeugungsachse zusammenfällt, zwischen einer ausgefahrenen Position und einer eingefahrenen Position schwenkbar ist, wobei jede äußere Schalenoberfläche einen Bereich hat, der eine gekrümmte Oberfläche ist, die durch das Rotieren einer zweiten Erzeugerkurve um die Erzeugungsachse dividiert ist, wobei die zweite Erzeugerkurve geometrisch ähnlich der ersten Erzeugerkurve ist und radial von der ersten Erzeugerkurve eine vorbestimmte Distanz Δr versetzt ist, so dass der gekrümmte Bereich der äußeren Schalenoberfläche radial nach innen von der korrespondierenden inneren Oberfläche der Halbverkleidung versetzt ist und so einen gleichförmigen Spalt zwischen jeder äußeren Schalenoberfläche und der korrespondierenden inneren Oberfläche der Halbverkleidung definiert.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung weist jede Schale eine Längsverlängerung auf, so dass große Änderungen in dem Düsenabgabequerschnitt erzielt werden können, ohne negativ die äußeren aerodynamischen Eigenschaften der Gondel zu beeinflussen.
In einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich eine Dichtung über den Raum zwischen jeder Schale und der korrespondierenden inneren Oberfläche der Halbverkleidung, um eine Luftleckage durch den Raum zu verhindern und den Brennstoffverbrauch der Maschine zu minimieren.
Ein Hauptvorteil der Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen ist, dass die schwenkbaren Schalen große Variationen in dem Düsenabgabequerschnitt ermöglichen und dabei eine geometrisch gleichförmige Umgebung für die Dichtung liefern, so dass die Effizienz und die Haltbarkeit der Dichtung maximiert sind.
Die Fähigkeit zum Erzielen großer Querschnittsvariationen kann signifikant durch die Verlängerungen erleichtert werden, die verhindern, dass Widerstand eine Luftströmungsablösung von dem Äußeren der Gondel induziert, selbst wenn die Schalen über eine große winkelmäßige Verlagerung verschwenkt sind.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbobläsermaschinengondel mit einer Ausströmdüse mit variabler Geometrie der vorliegenden Erfin dung und zeigt die Düse in ihrer Position mit maximalem Abgabequerschnitt.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbobläsermaschinengondel mit einer Ausströmdüse mit variabler Geometrie der vorliegenden Erfindung und zeigt die Düse in ihrer Position mit mimialem Abgabequerschnitt.
3 ist eine Ansicht eines Teils der Gondel von 2, die die rechte Seite einer Ausströmdüse zeigt, die eine Halbverkleidung und eine schwenkbare Schale aufweist, die über Bereiche ihrer Längen gekrümmte, geometrisch ähnliche innere bzw. äußere Oberflächen haben.
4 ist eine Ansicht ähnlich zur 3, welche den Vorderkantenbereich der schwenkbaren Schale und den Hinterkantenbereich der Halbverkleidung detaillierter zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Drehzapfen- und Lagerungsanordnung zum Befestigen einer schwenkbaren Schale an einer Gondelgabelung zeigt und schematisch eine Dichtung zwischen der Schale und der zugehörigen Halbverkleidung zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung, die Mittel zum Definieren der geometrisch ähnlichen Oberflächen der Halbverkleidungen und der Düsenschalen zeigt.
7 ist eine Ansicht, welche die äußeren Profile von alternativen Ausführungsformen der Ausströmdüse in deren Positionen mit minimalem und maximalem Querschnitt zeigt.
Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen. Eine Turbobläsergasturbinenmaschine 10 weist eine Reihe von Bläserlaufschaufeln 12, die drehbar um eine sich in Längsrichtung erstreckende Mittelachse 14 angeordnet sind, auf.
Die Maschine ist in einer aerodynamisch stromlinienförmigen Gondel 16 untergebracht. Die Gondel weist einen Einlass 18, eine vordere und eine hintere Bläserverkleidung 22, 24, eine Bläserausströmdüse, die generell mit 26 angezeigt ist, eine Kernverkleidung 28 und eine Kernausströmdüse 32 auf. Die Bläserverkleidungen und die Bläserausströmdüse kooperieren mit einem Zentralkörper so, dass die Kernverkleidung radial einen Arbeitsmediumsströmungsweg, beispielsweise den ringförmigen Bläserkanal 34 begrenzt. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird, weist die Bläserausströmdüse eine linke und eine rechte Schale 36, 38 auf, von denen jede um entsprechende Schwenkachsen 42, 44 zwischen einer eingefahrenen Position (1) und einer ausgefahrenen Position (2) schwenkbar ist. Ein Betätigungssystem, wie durch einen Betätiger 46 für die linke Schale 36 (2) angezeigt, ist vorgesehen, um die Schalen um die Schwenkachsen zu schwenken und so den ringförmigen Abgabequerschnitt A_D zu variieren, der durch die Kernverkleidung und die Hinterkanten 50, 52 der Schalen definiert ist.
Ein Pylon 54 erstreckt sich radial von der Maschine nach außen und verbindet die Maschine mit einer Flugzeugtragfläche (nicht gezeigt) und weist eine Gabelung 56 auf, die sich radial über den Bläserkanal 34 erstreckt und die hintere Bläserverkleidung 24 in eine linke und eine rechte Halbverkleidung 58, 60 teilt, die zu der linken und rechten Schale 36, 38 korrespondieren. Abdeckungen 64 erstrecken sich in Längsrichtung entlang der umfangsmäßigen Ränder der Halbverkleidungen. Ausnehmungen 68 in jeder Abdeckung nehmen die umfangsmäßigen Ränder 72 (3, 5) einer jeden Schale auf, so dass die Ränder von den Abdeckungen unabhängig von den winkelmäßigen Ausrichtungen der Schalen umhüllt sind.
Es wird nun auf die 3 und 4 Bezug genommen. Jede Halbverkleidung, beispielsweise die rechte Halbverkleidung 60, hat eine äußere Oberfläche 78 und eine innere Oberfläche 82, die an einer Halbverkleidungshinterkante 84 ineinander übergehen. Ein Teil einer jeden inneren Oberfläche der Halbverkleidung, unmittelbar vor der Verkleidungshinterkante ist eine erste gekrümmte Oberfläche 86. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird, ist die erste gekrümmte Oberfläche relativ zu einer erzeugenden Achse 88 definiert, die mit der Schwenkachse 44 der Halbverkleidung zusammenfällt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jede Düsenschale eine Paneel 92 und eine körperlich integrale aber funktional getrennte Verlängerung 110 auf, die sich von dem Paneel nach hinten erstreckt. Das Paneel hat eine Vorderkante 94, eine innere Oberfläche 98 und eine äußere Oberfläche 100, die eine zweite gekrümmte Oberfläche relativ zu der erzeugenden Achse 88 ist. Die zweite gekrümmte Oberfläche ist geometrisch ähnlich zu der ersten gekrümmten Oberfläche der korrespondieren Halbverkleidung und ist radial nach innen davon unter Belassung eines radial gleichförmigen Spalts 108 dazwischen beabstandet. Die Verlängerung 110 hat eine Hinterkante 114, eine innere Oberfläche 116 und eine äußere Oberfläche 118, die typischerweise eine Teilrotationsoberfläche, beispielsweise eine teil-kegelstumpfförmige Oberfläche ist, deren Symmetrieachse die Achse 14 ist. Die Grenze 120 zwischen dem Paneel 92 und der Verlängerung 110 ist so positioniert, dass sie nicht weiter vorne ist als die Verkleidungshinterkante, wenn die Schale in ihre eingefahrene Position geschwenkt ist. Durch das Befolgen dieser Einschränkung ist eine mechanische Störung zwischen der inneren Oberfläche der Halbverkleidung und der äußeren Schalenoberfläche (insbesondere der äußeren Oberfläche der Verlängerung) ausgeschlossen. Idealerweise fällt die Grenze 120 in Längsrichtung mit der Hinterkante 84 der Halbverkleidung zusammen, wenn die Schale in ihrer eingefahrenen Position ist.
Die Schwenkachse 42, 44 eines jeden Paneels ist rechtwinklig zu der Mittelachse und lateral von dieser versetzt und sie befindet sich vor der korrespondieren Hinterkante der Halbverkleidung. In der Praxis ist jede Schwenkachse als ein geeigneter Schwenkmechanismus, beispielsweise der in der 5 gezeigten Drehzapfen-124- und -Lagerungs-126-Anordnung realisiert, so dass die winkelmäßige Orientierung eines jeden Paneels zwischen einer eingefahrenen Position (1) und einer ausgefahrenen Position (2) anpassbar ist, um den Abgabequerschnitt A_D der Bläserdüse zu regulieren.
Es wird auf die 4 und 5 Bezug genommen. Die Vorderkante 94 einer jeden schwenkbaren Schale weist eine Lippe 106 auf, die radial nach außen in Richtung zu der entsprechenden Halbverkleidung ausgestellt ist, so dass der Übergang zwischen der inneren Oberfläche 82 der Halbverkleidung und der inneren Oberfläche 98 des Paneels aerodynamisch stromlinienförmig gemacht ist. Eine Luftdichtung 128 weist sich in Längsrichtung erstreckende Schenkel 128a, 128b, die jeweils in dem Inneren bzw. dem Äußeren der Schale verankert sind, und einen sich umfangsmäßig erstreckenden Schenkel 128c auf. Der umfangsmäßige Schenkel 128c erstreckt sich zwischen jeder Schale und der inneren Oberfläche der Verkleidung, um die Leckage von Arbeitsmediumsgasen in den Spalt 108 zu behindern und so friktionale Strömungsverluste auszuschließen, zu denen es in Folge von Luft kommen würde, die in Längsrichtung durch den Spalt strömt. Längsschenkel 128a, 128b dichten die Räume zwischen den Schalenoberflächen und dem inneren Umfang der Ausnehmung 68 ab, so dass sämtliche Luft, die wie durch den Pfeil 127 angezeigt, um die umfangsmäßigen Extrembereiche des Schenkels 128c in der Nähe des Schwenkmechanismus leckströmt, in der Ausnehmungen gefangen ist. Alternativ kann die Dichtungsanordnung vereinfacht sein, indem man ausschließlich Längsdichtungsschenkel ohne den Umfangsschenkel 128c verwendet. In diesem Fall werden die vorangehend beschriebenen friktionalen Strömungsverluste vorhanden sein, jedoch werden der an der Paneelvorderkante 94 bzw. der Halbverkleidungs-Hinterkante 84 induzierte Überlaufwiderstand (spillage drag) und Basiswiderstand (base drag) minimiert. Das Weglassen des umfangsmäßigen Schenkels 128c kann auch zu einer Verringerung der Größe der Betätiger 46 beitragen, indem die mechanische Reibung zwischen dem Dichtungsschenkel und der inneren Oberfläche 86 der Halbverkleidung eliminiert wird.
Das Mittel, mit dem die Oberflächen 86, 100 definiert werden, ist schematisch in der 6 gezeigt. Unter Verwendung der rechten Halbverkleidung als Beispiel ist die Hinterkante der Halbverkleidung eine Erzeugende zum Definieren der inneren Oberfläche der Halbverkleidung in der Nähe der Hinterkante und ist idealerweise ein Kreisbogen 136, der an der Zentralachse 14 zentriert ist. Da die Erzeugungsachse 88 mit der Schwenkachse zusammenfällt, ist die Erzeugungsachse rechtwinklig zur Mittelachse, ist lateral von dieser eine Strecke Δx versetzt und ist vor der Hinterkante eine Strecke Δy positioniert. Die innere Oberfläche 86 der Halbverkleidung ist die von dem um die Erzeugungsachse 88 rotierenden Bogen definierte Oberfläche, so dass der Bogen die gekrümmte Oberfläche 86 überstreicht. Beispielsweise überstreichen die Punkte a, b, c und d den Bogen A, B, C bzw. D an der Oberfläche. Die korrespondierende äußere Oberfläche einer jeden Düsenpaneele ist ähnlich definiert, mit der Ausnahme, dass die Erzeugerkurve radial von der Hinterkante der Halbverkleidung um eine vorbestimmte Distanz Δr versetzt ist (4, 6). Obwohl eine nicht kreisförmige Erzeugerkurve zum Definieren der Oberflächen verwendet werden kann, ist ein Kreisbogen bevorzugt, da die sich ergebende Halbverkleidung und Düsenschale in der Lage sein werden, ohne eine signifikante strukturelle Verstärkung hohen Ring-Belastungen (hub stresses) zu widerstehen.
Während des Betriebs der Maschine antworten die Betätiger 46 auf Befehle eines Steuersystems (nicht gezeigt), um die Schalen um ihre jeweilige Schwenkachse zu schwenken. Typischerweise werden die Schalen symmetrisch geschwenkt, so dass die Maschine eine im wesentlichen in Längsrichtung gerichtete Antriebskraft für alle Winkelorientierungen der Schalen ausübt. Die Schalen werden in ihre ausgefahrene Position (2 und 3) während Reisebetriebs auf großer Höhe geschwenkt. Wenn die Schalen in dieser ausgefahrenen Position sind, beschreiben die Schalenhinterkanten (die in der Ausführungsform der 3 und 4 die Hinterkanten 114 der Verlängerung sind) typischerweise Kreisbögen, wenn sie parallel zur Mittelachse betrachtet werden, und der Düsenabgabequerschnitt A_D ist minimiert, um eine optimale Maschineneffizienz während der langen Zeitdauern, die bei Reisezuständen verbracht werden, sicher zu stellen. Während der relativ kurzen Intervalle von Hochleistungsbetrieb bei niedriger Höhe werden die Schalen in ihre eingefahrene Position (1) geschwenkt, um den Düsenabgabequerschnitt zu maximieren. Der vergrößerte Abgabequerschnitt, der mindestens 20% größer als der minimale Abgabequerschnitt ist, stellt eine ausreichende Düsenströmungskapazität sicher, um einen Bläserstall auszuschließen, und verringert die Abgabegeschwindigkeit der Arbeitsmediumsgase, um Geräusch zu minimieren. Betrieb bei irgendeiner winkelmäßigen Orientierung zwischen diesen Extremen kann wünschenswert sein, um Maschinenleistung bei anderen Bedingungen als Reisen oder Start zu Optimieren, und eine Düse, deren Schafen in Zwischenpositionen ausfahrbar ist, ist in dem Umfang der Erfindung.
Einen Vorteil der vorangehend beschriebenen Ausströmdüse mit einem Paneel 92 und einer Verlängerung 110 erkennt man durch Bezugnahme auf die 7. Eine Düsenschale 38a, die ein gekrümmtes Paneel 92a und eine Verlängerung 110a aufweist, ist in zwei Orientierungen gezeigt – eine erste Orientierung, deren Abgabequerschnitt A_D1, einem Radius r₁ entspricht, und eine zweite Orientierung, deren Abgabequerschnitt A_D2 einem Radius r₂ entspricht. In der Darstellung überlagert sind korrespondierende Orientierungen einer Düsenschale 38b, die lediglich ein Paneel 92b aufweist. Wie aus der Darstellung klar ist, konvergiert die Düse ohne die Verlängerung steil in Richtung zur Zentralachse 14, um eine Querschnittsverringerung von A_D1 auf A_D2 zu erzielen. Die Abruptheit dieses Übergangs kann zu einer Luftströmungsablösung von der äußeren Oberfläche der Schale mit einem sich ergebenden dramatischen Anstieg des aerodynamischen Widerstands der Gondel führen. Im Gegensatz dazu konvergiert die Düsenschale 38a mit der Verlängerung 110a in Richtung zur Achse viel allmählicher, um die gleiche Querschnittsänderung zu erzielen, und es ist deshalb signifikant weniger wahrscheinlich, eine Luftströmungsablösung zu induzieren.
Wenn die Kernverkleidung in Richtung zur Mittelachse konvergiert, wie das üblich ist, ist der Vorteil der Verlängerung verstärkt. In der Anwesenheit einer konvergierenden Kernverkleidung ist die Abgabequerschnittsverringerung, die der Schwenkbewegung der Schale 38a oder 38b zuweisbar ist, zum Teil durch die einhergehende Verlagerung nach hinten Δd_a oder Δd_b der Schalenhinterkante (114a oder 96b) ausgeglichen, die gemeinsam mit dem sich verringernden Durchmesser der Kernverkleidung 28 wirkt. Somit erfordert das Beibehalten einer gewünschten Querschnittsverringerung bei Vorhandensein einer konvergierenden Kernverkleidung eine größere Schwenkbewegung der Schale als das beim Vorhandensein einer Kernverkleidung mit konstantem Durchmesser der Fall wäre. Diese größere Schwenkbewegung verstärkt das Konvergieren der äußeren Oberfläche der Schale in Richtung zur Mittelachse und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Verlängerung erforderlich wird, um eine Luftströmungsablösung zu verhindern.
Ein weiterer Vorteil einer Düse mit einer Verlängerung ist, dass die Änderung der winkelmäßigen Orientierung, σ_a, die erforderlich ist, um eine gewünschte Querschnittsverringerung zu erzielen ist, geringer ist als die korrespondierende Winkeländerung σ_b, die erforderlich ist, um die gleiche Querschnittsverringerung ohne eine Verlängerung zu erzielen. Das minimiert ferner jeglichen negativen Effekt auf die äußere Kontur der Gondel und minimiert die Größe und das Gewicht des Betätigungssystems 46.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen ist in der 4 ersichtlich. Wenn die Schale 38 geschwenkt wird, stellen die ähnlichen Rotationsflächen 86, 100 sicher, dass die Größe des Spalts 108 gleichförmig bleibt, so dass die Dichtung 128 nicht wiederholt zusammengedrückt und relaxiert wird, wie das der Fall wäre, wenn der Spalt variabel wäre. Im Ergebnis werden die Betätigungskräfte wiederholbar und vorhersagbar sein. Außerdem wird die Dichtung sehr haltbar sein und kann von einfacher, unaufwändiger Konstruktion sein.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Schalen, die sowohl ein Paneel, beispielsweise das Paneel 92, und eine Verlängerung, beispielsweise Verlängerung 110, haben, umfasst die Erfindung auch eine Düse, deren Schale ein Paneel 92 aber nicht die Verlängerung 110 aufweist. In dieser Ausführungsform verjüngt sich das Paneel zu einer Hinterkante, beispielsweise der Kante 96b (7) und die Kante 96b ist die Hinterkante der Schale. Wie aus der vorangegangenen Diskussion klar ist, ist eine derartige Konfiguration für eine Luftströmungsablösung anfälliger, kann jedoch dennoch attraktiv sein, wenn lediglich mäßige Querschnittsvariationen erforderlich sind. Außerdem umfasst die Erfindung eine Anordnung, bei der der Zentralkörper fehlt, obwohl eine Kernverkleidung 28 oder ein ähnlicher Zentralkörper typisch für moderne Turbobläsermaschinen ist. Schließlich können die Düsenschalen auch nicht symmetrisch schwenkbar sein, wenn das gewünscht ist, um die Antriebskraft der Maschine in einer Richtung zu orientieren, die zur Mittelachse nicht parallel ist, obwohl die Düsenschalen als symmetrisch schwenkbar beschrieben wurden.
Aus dem Vorangehenden wird man erkennen, dass die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform eine Ausströmdüse mit variabler Geometrie bereitstellt, die für große Querschnittsvariationen mit minimalem Effekt auf das äußere Profil und die aerodynamischen Eigenschaften der Düsen fähig ist, und die für maximale Einfachheit, Effektivität und Haltbarkeit ihrer Zwischenbauteildichtungen konfiguriert ist.

Claims

Ausströmdüse (26) für eine Turbinenmaschine, aufweisend: eine Verkleidung (24), die um eine sich in Längsrichtung erstreckende Mittelachse (14) angeordnet ist und zwei Halb-Verkleidungen (58, 60) aufweist, wobei jede Halb-Verkleidung eine innere Oberfläche (82) aufweist, wobei ein Bereich dieser Oberfläche eine gekrümmte Oberfläche (86) ist, die durch das Rotieren einer ersten Erzeugerkurve um eine Erzeugungsachse (88), die zu der Mittelachse (14) rechtwinklig ist und in Längsrichtung vor der Verkleidungshinterkante (84) positioniert ist, definiert ist; und ein Paar von Schalen (36, 38), wobei jede zu einer der Halb-Verkleidungen korrespondiert, wobei jede Schale eine äußere Oberfläche (100) hat und jede Schale um eine Schwenkachse (42, 44), die im wesentlichen zu der korrespondierenden generierenden Achse (88) zwischen einer ausgefahrenen Position und einer eingefahrenen Position schwenkbar ist, wobei jede äußere Schalenoberfläche (100) einen Bereich hat, der einen gekrümmte Oberfläche ist, die durch das Rotieren einer zweiten Erzeugerkurve um die Erzeugungsachse definiert ist, wobei die zweite Erzeugerkurve geometrisch ähnlich zu der ersten Erzeugerkurve ist und von der ersten Erzeugerkurve um eine vorbestimmte Strecke Δr radial versetzt ist, so dass der gekrümmte Bereich der äußeren Schalenoberfläche radial nach innen von der korrespondierenden inneren Oberfläche (82) der Halb-Verkleidung beabstandet ist und so einen gleichförmigen Spalt zwischen jeder äußeren Schalenoberfläche (100) und der korrespondierenden inneren Oberfläche (82) der Halb-Verkleidung definiert.
Ausströmdüse nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Verlängerung (110), die sich von der gekrümmten Oberfläche nach hinten erstreckt, wobei die Verlängerung eine Teilrotationsfläche ist.
Ausströmdüse nach Anspruch 2, wobei die äußere Oberfläche (118) der Verlängerung (110) kegelstumpfförmig ist.
Ausströmdüse nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Grenze (120) zwischen der gekrümmten Oberfläche der Schale und der Verlängerung (110) nicht weiter vorne als die Verkleidungshinterkante (84) definiert ist, wenn die Schalen in der eingefahrenen Position sind.
Ausströmdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Zentralkörper (28), der mit der Verkleidung (24) und den Schalen (36, 38) kooperiert, um radial einen Arbeitsmediumsströmungsweg (34) zu begrenzen.
Ausströmdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erzeugungsachse (88) von der Mittelachse (14) lateral versetzt ist.
Ausströmdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hinterkanten der Schale (114, 96) und eine Kernverkleidung (28) einen Düsenabgabequerschnitt (A_D) definieren und der Abgabequerschnitt bei den Schalen in der eingefahrenen Position (A_D1) mindestens 20% größer als der Abgabequerschnitt bei den Schalen der ausgefahrenen Position (A_D2) ist.
Ausströmdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schalen (36, 38) um ihre jeweilige Schwenkachse (82, 84) symmetrisch schwenkbar sind, so dass die Maschine eine im wesentlichen in Längsrichtung gerichtete Antriebskraft für alle Winkelorientierungen der Schalen ausübt.
Ausströmdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorderkante (94) einer jeden Schale (36, 38) so ausgestellt ist, dass der Übergang zwischen der inneren Oberfläche (82) der Halbverkleidung und der inneren Schalenoberfläche (98) aerodynamisch stromlinienförmig ausgebildet ist.
Ausströmdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Schale (36, 38) umfangsmäßige Ränder (72) aufweist, von denen jeder von einer Ausnehmung (68) in einer Abdeckung (64) aufgenommen ist, wobei jede Ausnehmung einen inneren Umfang aufweist, wobei die Ausströmdüse eine Dichtung (128) aufweist, die mindestens einen in Längsrichtung verlaufenden Schenkel (128a, 128b) zum Abdichten eines Raums zwischen dem umfangsmäßigen Rand der Schale und dem inneren Umfang der Ausnehmung aufweist.
Turbinenmaschine aufweisend eine Ausströmdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche.