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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Triebwerke mit orientierbaren
Düsen.
Insbesondere bezieht sie sich auf die Verankerung eines Stellglieds
an der Wand des Divergenzbereichs der Düse, um ein Verstellen derselben
in eine gewünschte Richtung
zu ermöglichen.
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Hintergrund
der Erfindung
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In
einem Triebwerk mit orientierbarer Düse wird das Verstellen der
Düse durch
Stellglieder gesteuert, z. B. Zylinder, die mit einem ihrer Enden
mit der Düse über eine
schwenkbare Verbindung mit der Wand des Divergenzbereichs der Düse verbunden sind.
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Im
Allgemeinen wird die Verankerung eines Stellglieds auf der Düse mittels
eines Stellrings, welcher den Divergenzbereich umgibt, verwirklicht,
um die wünschenswerte
Steifigkeit zu verleihen und eine Wärmeisolierung zwischen der
Wand des Divergenzbereichs und dem auf dem Stellring befestigten
Verankerungsbeschlag zu bieten, wie beispielsweise in Dokument US-A-4
477 025.
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Diese
Lösung
ist teuer, insbesondere wenn aus Gründen der Massebegrenzung und
Verstärkung der
Wärmeisolierung
der Stellring aus einem warmfesten Verbundmaterial ist, z. B. aus
Kohlenstoff/Kohlenstoff (C/C)-Verbundmaterial. Ferner ist es notwendig,
zu verhindern, dass sich der Stellring in axialer Translation oder
in Rotation bewegt. Die Verhinderung in Translationsrichtung kann erreicht
werden durch eine auf den Divergenzbereich-Teil geschraubte Mutter,
wodurch ein weiteres großes
Teil hinzu gefügt
wird.
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Gegenstand
und Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung hat das Ziel, eine Verankerungsvorrichtung bereitzustellen,
welche auf die Verwendung von teuren Teilen mit großen Ausmaßen und
nicht-vernachlässigbarer
Masse verzichtet.
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Ein
weiteres Ziel ist es, eine Verankerungsvorrichtung bereitzustellen,
welche während
der gesamten Mission eines Triebwerks garantiert, dass der Verankerungspunkt
des Stellglieds in der geeigneten geometrischen Position gehalten
wird, um eine vollständige
Präzision
des Verstellens (der Steuerung) der Düse zu erhalten und die Steuerung
des Triebwerks zu ermöglichen
trotz unterschiedlicher Ausdehnungen aufgrund von Temperaturveränderungen.
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Die
Erfindung hat ferner das Ziel, eine Verankerungsvorrichtung bereitzustellen,
welche eine gute Wärmeisolierung
zwischen der Düse
und dem Verankerungspunkt des Stellglieds ermöglicht.
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Diese
Ziele können
erreicht werden mittels einer Verankerungsvorrichtung für ein Stellglied
eines Divergenzbereichs einer orientierbaren Düse, wobei die Verankerungsvorrichtung
mindestens einen Beschlag aufweist, um eine Verbindung mit einem
Stellglied zu ermöglichen,
und eine Befestigungsvorrichtung zum Befestigen des Beschlags auf dem
Divergenzbereich, wobei die Befestigungseinrichtung der Vorrichtung
mindestens einen Einsatz aufweist, der dazu bestimmt ist, in der
Wand eines Divergenzbereichs angeordnet und fixiert zu werden, und
wobei die Verankerungsvorrichtung eine Fixierungseinrichtung des
Beschlags auf dem oder den Einsatz bzw. Einsätzen aufweist, wobei die Fixierungseinrichtung
mindestens ein elastisch verformbares Element aufweist, das dazu
bestimmt ist, etwaige temperaturbedingte Dimensionsänderungen
auszugleichen, um einen Anpressdruck des Beschlags gegen den Divergenzbereich
aufrecht zu erhalten.
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Vorzugsweise
ist das bzw. jedes Insert aus einem wärmeisolierenden Material gemacht,
z. B. ein thermostrukturales Verbundmaterial.
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Gemäß einem
Aspekts der Verankerungsvorrichtung weist die Befestigungseinrichtung
ein Stützelement
auf, welches mit dem oder den Einsätzen verbunden ist, derart,
dass das elastisch verformbare Element, welches zwischen dem Stützelement
und dem Beschlag angeordnet ist, komprimiert wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Distanzstück zwischen dem Beschlag und
der Außenfläche des
Divergenzbereichs angeordnet. Dieses Distanzstück ist vorzugsweise aus einem
wärmeisolierenden
Material.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der erfindungsgemäßen Verankerungsvorrichtung
werden deutlich anhand der Lektüre
der folgenden detaillierten Beschreibung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Meridian-Schnittansicht,
einer Triebwerkdüse,
wobei nur eine Hälfte
dargestellt ist, welche mit der erfindungsgemäßen Verankerungsvorrichtung
ausgestattet ist;
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2 ist eine vergrößerte Ansicht
der Verankerungsvorrichtung im Schnitt entlang der Ebene II-II von 1; und
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3 und 4 sind Schnittansichten entlang der Ebenen
III-III und IV-IV von 2.
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Detaillierte Beschreibung
einer Ausführungsform
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1 zeigt eine Düse 10,
welche einen Divergenzbereich 12 aufweist, der beispielsweise durch
Verschrauben mit einem einen Hals bildenden Teil 14 verbunden
ist. In bekannter Weise ist der Hals der Düse mit der Endstruktur einer
Düse (nicht
dargestellt) durch einen flexiblen Anschlag verbunden, welcher ein
Schwenken der Düse
um einen auf der Achse A der Düse
befindlichen Drehpunkt C ermöglicht. Der
Divergenzbereich 12 ist im Allgemeinen aus Verbundmaterial.
Insbesondere kann der Divergenzbereich 12 aus thermostrukturalem
Verbundmaterial gemacht sein, z. B. einem Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial
(Kohlenstoff-Faserverstärkung mit
Kohlenstoffmatrix verdichtet) oder einem Verbundmaterial mit Keramikmatrix
(wärmebeständige Faserverstärkung, z.
B. aus Kohlenstofffasern oder Keramikfasern, mit einer Keramikmatrix
verdichtet).
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Mehrere
Verankerungsvorrichtungen für Stellglieder
sind auf dem Divergenzbereich angebracht. Auf 1 ist eine einzelne Verankerungsvorrichtung 20 gezeigt.
Zum Verstellen der Düse
in jede gewünschte
Richtung sind mindestens zwei Verankerungsvorrichtungen an Winkelpositionen
rund um die Achse A vorgesehen, wobei sie voneinander mit einem
Winkel beabstandet sind, der sich von 180° unterscheidet, z. B. 90°.
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Die
Verankerungsvorrichtungen 20 sind an einer Stelle des Divergenzbereichs
angeordnet, an welcher dieser die größte Wanddicke aufweist, wobei diese
größte Wanddicke
aus einer progressiven Verstärkung
der Wanddicke resultiert.
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Jede
Verankerungsvorrichtung 20 weist einen metallischen Beschlag
zum Steuern 22 auf, welcher eine Achse 16 hält, welche
eine schwenkbare Verbindung mit einem Ende 18a eines Stellglieds 18 ermöglicht.
Im dargestellten Beispiel ist das Stellglied ein Zylinder, dessen
anderes Ende 18b schwenkbar an einer Halterung (nicht dargestellt)
befestigt ist, die mit dem Hauptteil des Triebwerks fest verbunden
ist.
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Die 2 bis 4 zeigen detaillierter eine heute bevorzugte
Ausführungsform
einer Verankerungsvorrichtung 20.
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Der
Beschlag 22 weist eine im wesentlichen rechteckige Basis 22a auf.
Die Achse 16 wird durch zwei Platten 22b gehalten,
welche vom zentralen Bereich der Basis 22a weg ragen. Eine
kreisförmige Ausnehmung 22c ist
um die Platten 22b in der oberen Fläche der Basis 22a gebildet.
Ein elastisch verformbares Element 24, durch einen Metallring
gebildet, ist in der Ausnehmung 22c angeordnet. Der Ring 24 hat
kegelstumpfförmige
Flächen,
welche einen Winkel von ungleich 0 mit der Normalen der Achse A der
Ausnehmung 22c bildet.
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Die
Größe und Gestalt
des Rings 24 sind so gewählt, dass eine der oberen Kanten
des Rings 24 sich über
die Fläche
der Basis 22a hinaus erstrecken, z. B. die äußere Kante 24a des
Rings, wenn der Ring in einem freien Zustand ist.
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Der
Ring 24 wird im Inneren der Ausnehmung 22c mittels
eines Stützelements 26,
in Form einer Deckplatte, die gegen die obere Fläche der Basis 22a gedrückt wird,
komprimiert, wobei der Ring elastisch verformt wird.
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Ein
Distanzstück 28 ist
zwischen dem Beschlag 22 und dem Divergenzbereich 12 angeordnet.
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Die
Deckplatte 26 wird gegen den Beschlag 22 gedrückt, und
der Beschlag 22 wird zusammen mit dem Distanzstück 28 mittels
Bolzen 30 und Muttern 31 gegen den Divergenzbereich 12 gedrückt. Die Bolzen 30 haben
einen Kopf 30a, welcher in einem gefrästen oder abgesenkten Bereich
ruht, welcher in einem Einsatz 32 gebildet ist, welcher
in die Wand des Divergenzbereichs 12 eingesetzt und verriegelt ist,
und einen Schaft 30b, welcher durch das Distanzstück 28,
die Basis 22a und die Abdeckplatte 26 hindurch
reicht. Die Muttern 31 sind an die Enden der Schäfte 30b geschraubt
und ruhen auf der Basis 22a über Metallunterlegscheiben 34.
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Jeder
Einsatz 32 ist ein Teil mit zylindrischer Form, welches
in einer Ausnehmung (einem Sackloch) mit einer Öffnung 36 fixiert
ist, das in der Dicke des Divergenzbereichs 12, ausgehend
von seiner äußeren Oberfläche, gebildet
ist. Jeder Einsatz wird beispielsweise in seine Ausnehmung 36 eingeschraubt
und geklebt. Eine am Boden jeden Einsatzes 32 platzierte
Kappe 38 bedeckt den Kopf 30a des Bolzens.
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Die
Einsätze 32 ragen
etwas von der äußeren Oberfläche des
Divergenzbereichs 12 weg, und das Distanzstück 28 drückt gegen
die äußere Fläche der
Einsätze,
wobei ein Abstand J relativ zur Oberfläche des Divergenzbereichs entsteht.
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Stifte 40,
z. B. zwei Stifte, welche in Sacklöchern ausgerichtet angeordnet
sind, welche in den Flächen
in Berührung
mit dem Distanzstück 28 und der
Basis 22a angeordnet sind. Weitere Stifte 42,
beispielsweise ebenfalls zwei Stifte, sind in Sacklöchern ausgerichtet
angeordnet, welche in den aneinander anliegenden Flächen des
Distanzstücks 28 und
des Divergenzbereichs 12 gebildet sind.
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Beim
Betrieb verursachen die durch die Düse ausgestoßenen Gase ein beträchtliches
Aufheizen der Wand des Divergenzbereichs 12. Diese Wand
ist aus einem Verbundmaterial mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten
gemacht, der sich von jenem des Metallmaterials unterscheidet, welches
den Beschlag bildet. Es ist daher erforderlich, die Elemente der
Verankerungsvorrichtung, insbesondere den Beschlag 22,
gegen übermäßiges Erwärmen zu schützen und
die unterschiedliche Expansion auszugleichen. Es ist ebenfalls wichtig,
trotz einer solchen unterschiedlichen Ausdehnung den Beschlag 22 gegen
den Divergenzbereich gedrückt
zu halten, um ein Verschieben der Position des Verankerungspunkts des
Stellglieds zu verhindern, um dadurch jegliche Ungenauigkeit bei
der Steuerung der Düse
zu verhindern, d. h. jegliches Abweichen von der gewünschten Steuerrichtung.
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Daher
ist die Funktion des Distanzstücks 28, den
Beschlag 22 thermisch von dem Divergenzbereich 12 zu
isolieren. Das Distanzstück 28 ist
vorzugsweise aus thermostrukturalem Verbundmaterial gemacht, z.
B. Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial
(C/C) oder Keramikmatrix-Verbundmaterial (CMC). Die Wärmeisolierungsfunktion
des Distanzstücks 28 kann
verstärkt
werden durch Einarbeiten von Ausnehmungen 28a und 28b in
seinen Oberflächen,
welche der Wand des Divergenzbereichs 12 und der Basis 22a gegenüber liegen.
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Die
Bolzen 30 und Muttern 31 sind aus einem Metall
oder einer Metalllegierung, welches) vorzugsweise wärmebeständig ist
und einen kleinen Wärmeexpansionskoeffizienten
hat. Es ist dennoch wünschenswert,
sie thermisch vom Divergenzbereich 12 zu isolieren. Diese
Isolierung wird durch die Einsätze 32 bereitgestellt,
welche vorzugsweise aus C/C- oder CMC-Verbundmaterialien gemacht
sind, wie auch die Kappen 38, welche die Köpfe 30a schützen.
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Der
Beschlag 22, die Abdeckplatte 26 und der Ring 24 sind
aus einem Metall oder einer Metalllegierung gemacht, welche (s)
hohen Temperaturen standhält,
z. B. eine Legierung des Typs "Inconel®", wie z. B. die unter
der Bezeichnung "Haynes
Legierung Nr. 718®" durch die amerikanische Firma Haynes
International Inc., Kokomo, Indiana verkaufte Legierung. Die Unterlegscheiben 34 können auch
aus der gleichen Legierung sein. Andere wärmebeständige Metalle oder Metalllegierungen
können
auch vorgesehen sein.
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Auch
falls die Metallelemente sich ausdehnen, ermöglicht die verwendete Anordnung,
den Beschlag 22 in dem Divergenzbereich 12 gedrückt zu halten
aufgrund der auf den Ring 24 ausgeübten elastischen Vorbelastung.
Der Ring ermöglicht
somit eine Steuerung der Kraft, welche gegen den Divergenzbereich
drückt.
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Die
Stifte 40, 42 können aus einem Material gemacht
sein, dass identisch oder ähnlich
zu dem Material der Bolzen 30 und Muttern 31 ist.
Falls eine Steuerungsskraft auf die Düse durch das mit dem Beschlag
verbundenen Stellglied ausgeübt
wird, übertragen
die Stifte 40, 42 die erzeugte Gleitkraft. Sie verhindern
somit ein Rutschen oder Drehen des Beschlags 22 oder des
Distanzstücks 28.
Dadurch dass die Stifte 40, 42 die Scherkräfte aufnehmen,
stellen sie sicher, dass die Kräfte,
denen die Bolzen 30 ausgesetzt sind, im wesentlichen Zugkräfte sind.
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Das
Drücken
des Distanzstücks 28 gegen den
Einsatz 32 anstatt direkt gegen die Wand des Divergenzbereichs
ermöglicht
es, Scherkräfte
auf die Gewindegänge
der Einsätze
zu begrenzen.
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Die
größere Dicke
des Divergenzbereichs 12 an dem Bereich, wo die Verankerungsvorrichtungen 20 angebracht
sind, dient dazu, die Steifigkeit an den Ansatzpunkten der Stellglieder
zu verstärken
und somit Verformungen zu vermeiden, welche die Eigenschaften der
Düse und
die Präzision
ihrer Steuerung (ihres Verstellens) beeinträchtigen könnten.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen können auf
verschiedene Weisen variiert werden. So kann der Ring 24 durch
eine Mehrzahl von elastisch verformbaren Elementen ersetzt werden,
z. B. Unterlegscheiben, welche in den Ausnehmungen angeordnet sind,
die in der Basis an der Stelle gebildet sind, wo die Bolzen 30 hindurch
reichen. Ebenso könnten die
Kopfenden der Bolzen in einem einzelnen Einsatz verankert werden,
welcher in der Wand des Divergenzbereichs befestigt ist und gegen
welchen das Distanzstück 28 drücken kann.