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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stellmechanismus für Schwenkdüsen mit
variabler Geometrie für
Gasturbinen, die als Antriebssysteme in der Luftfahrt verwendet
werden.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
Manövrierfähigkeit
von Flugzeugen ist ein wichtiges Kriterium. Diese Manövrierfähigkeit,
die bislang durch aerodynamische Kräfte erreicht wird, kann durch
Vektoränderung
des Schubes von seiner herkömmlichen
Axialorientierung weg entscheidend verbessert werden.
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Die
Vektoränderung
des Schubes stammt geschichtlich gesehen aus der Raketentriebwerkstechnik.
Bei dieser Anwendung ist die Schubvektoränderung durch die starre Geometrie
der Düsen
viel einfacher.
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Lavaldüsen mit
variabler Geometrie werden erst in neuerer Zeit in Überschallflugzeugen,
die durch Strahltriebwerke und Mantelstromtriebwerke angetrieben
werden, angewendet.
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Für diesen
Typ Düsen
sind die Systeme, die zur Vektoränderung
des Schubes fähig
sind, noch nicht einsatzfähig,
sondern befinden sich vielmehr noch im Stadium der Forschung und
Entwicklung. Die fortgeschritteneren sind vom zweidimensionalen Typ,
bei dem die Schubvektoränderung
ausschließlich
in einer einzigen Ebene erreicht wird.
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Es
ist von besonderem Interesse, den Schub in Düsen mit axialsymmetrischer
Geometrie auszurichten, weil es eine Vektoränderung des Schubes in jeder
Axialebene und auch in jenen, die von besonderem Interesse sind,
gestattet: nämlich
der Nick- und der Gierebene.
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Es
sind verschiedene Mechanismen zur Vektoränderung des Schubs in diesem
Düsentyp
bekannt, weil dies auf verschiedene Weise geschehen kann, obgleich
es schwierig ist, es auf genügend
einfache Weise zu erreichen.
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Mechanismen
des erwähnten
Typs sind in dem spanischen Patent
ES
9200369 und seinem äquivalenten
amerikanischen Patent
US 5329763 sowie
in dem europäischen
Patent
EP 0557229 und auch
in
US 5613636 beschrieben.
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Das
Patent
EP 0557229 betrifft
eine Schwenkdüse
mit variabler Geometrie für
Gasturbinen, die aus einer konvergenten Sektion bestehen, auf die
in Schubrichtung eine divergente Sektion folgt, die beide aus Haupt-
und Nebenklappen zusammengesetzt sind. Die konvergente Sektion definiert
einen Düsenhals
mit variabler Geometrie, und die divergente Sektion ist von variabler
Geometrie, um den Vektor des Schubs zu ändern. Die Düse enthält Vorrichtungen
zum Verändern
der Halsfläche und
Vorrichtungen zum Ändern
der Schubrichtung, wobei beide Vorrichtungen aus einem einzigartigen Mechanismus
bestehen, der aus drei Ringen, die konzentrisch zueinander und zur
Triebswerksachse angeordnet sind, und einer Anzahl linearer Stellantriebe
besteht. Jeweils zwei nebeneinanderliegende Teile von den drei Ringen
sind in einer Anordnung aus drei Elementen verbunden, wobei die
diametrale Achse senkrecht zwischen ihnen verläuft – wie in einem Kardan- oder
Universalgelenk. Der äußere Ring kann
ein einzelnes Teil sein oder aus zwei Hälften bestehen, die durch ein
zylindrisches Gelenk verbunden sind, wobei seine Achse mit dem Gelenk
zwischen dem äußeren und
dem Zwischenring übereinstimmt.
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Mit
dieser Bauweise ist eine Düse
möglich, die
folgende Funktionen ausführen
kann: a) gleichzeitige axialsymmetrische Änderung der Halsfläche der
konvergenten Sektion und der Austrittsfläche der divergenten Sektion
entsprechend einem festen Verhältnis;
b) gleichzeitige Änderung
der gesamten Geometrie der Austrittsfläche der divergenten Sektion, unabhängig von
der Halsfläche;
und c) eine asymmetrische Orientierung des Schubes.
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Das
spanische Patent Nr.
ES 9401114 betrifft eine
Düse des
beschriebenen Typs, die eine vierte Funktion erfüllen kann, die zu den schon
genannten hinzukommt und die in der unabhängigen Änderung der Austrittsfläche der
divergenten Sektion unabhängig
von der Halsfläche
der konvergenten Sektion besteht. Das wird durch die besondere Anordnung
des äußeren Rings,
der aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Sektoren besteht,
in Verbindung mit einem Stellmechanismus erreicht, der durch die
unabhängige
Rotation eines der Ringsegmente die asymmetrische Korrektur der
Austrittsfläche
der divergenten Sektion während
einer Schubvektoränderung
erlaubt, während
die übrigen
Sektionen des Rings statisch bleiben.
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In
beiden Fällen
ist der äußere Ring
durch einen Stellmechanismus mit der festen Struktur verbunden.
Diese Anordnung ermöglicht
es dem äußeren Ring,
den Tangentialkräften
zu widerstehen, die aus der Vektoränderung des Schubes resultieren, und
sie an die feste Struktur weiterzuleiten.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Definierung einer Anordnung einer
Schwenkdüse
mit variabler Geometrie des genannten Typs mit einer vereinfachten
und reduzierten Anzahl von Elementen zum Übertragen der Tangentialkräfte, die
infolge der Schubvektoränderung
der divergenten Sektion auf den äußeren Ring
wirken, an die Triebswerksstruktur.
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Zu
diesem Zweck fasst die Erfindung ein alternatives Führungssystem
zwischen den Ringen, das den Stellmechanismus der Halsfläche der
konvergenten Sektion bildet, und die Geometrie der divergenten Sektion
zusammen.
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Genauer
gesagt, schlägt
die Erfindung ein Führungssystem
zwischen Ringen einer Schwenkdüse
mit variabler Geometrie eines Gasturbinenantriebs vor, das in der
Lage ist, die aus der Schubvektoränderung resultierenden, auf
den äußeren Ring wirkenden
tangentialen Beanspruchungen aufzunehmen und diese auf den inneren
Ring zu übertragen, ohne
dass ein Führungssystem
zwischen dem äußeren Ring
und der festen Struktur notwendig ist.
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Der
Mechanismus der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens
eine Rollen- oder Gleitbahn umfasst, die in einem der Ringe angeordnet
ist, wobei mindestens ein Rollen- oder Gleitelement am gegenüberliegenden
Ring gelagert ist, wodurch das Rollen- oder Gleitelement an der
mindestens einen Bahn anliegt und auf dieser gleitet, wobei die
Bahn in Umfangsrichtung um die Rotationsachse zwischen den zwei
jeweiligen Ringen herum verläuft.
Diese Elemente sind in der Lage, die relative Rotation zwischen
nebeneinanderliegenden Ringen zu führen, wodurch die Übertragung
von aus der Vektoränderung
des Schubs resultierenden tangentialen Belastungen, die auf den äußeren Ring
wirken, auf den inneren Ring ermöglicht
wird, wodurch keine unmittelbare Verbindung zwischen dem äußeren Ring und
der Düsen struktur
notwendig ist.
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Die
angesprochenen Vorrichtungen, mittels denen die relative Bewegung
zwischen jeweils zwei nebeneinanderliegenden Ringen ausgeführt wird, bestehen
aus mindestens einer Rollen- oder Gleitbahn, die in einem der Ringe
angeordnet ist, und einem Rollen- oder Gleitelement, das in dem
anderen angeordnet ist, wobei das Rollen- oder Gleitelement an der
Bahn anliegt, in der es rollt oder gleitet. Die Bahn verläuft in Umfangsrichtung
um die Rotationsachse zwischen den zwei jeweiligen Ringen herum.
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Vorzugsweise
ist jedes Paar der nebeneinanderliegenden Ringe durch zwei Bahnen
verbunden, und der Kontakt zwischen den Bahnen wird durch eine gleiche
Anzahl verbundener Laufbuchsen- oder Rollenelemente erreicht. Die
beiden Bahnen sind vorzugsweise an diametral entgegengesetzten Positionen
und vorzugsweise auf gegenüberliegenden
Seiten der Ebene, die senkrecht zur Rotationsachse verläuft, angeordnet.
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Bei
jedem Paar nebeneinanderliegender Ringe umfasst die Gleit- oder
Rollenbahn optional in einem der Ringe einen bogenförmigen Schlitz,
der konzentrisch zur Drehachse zwischen dem Ringpaar verläuft und
in dem sich das Gleitelement des zugehörigen Rings befindet.
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Das
vorgeschlagene System vermeidet die Komplexität, die für die Widerstandsfähigkeit
gegen Tangentialkräfte,
die aus Seitenkräften
während
der Schubvektoränderung
resultieren, erforderlich ist, und erlaubt gleichzeitig seitliche
Verschiebungen der gleichen Art wie die, die unter kombinierter
horizontaler und vertikaler Schubvektoränderung vermieden werden müssen. Gleichzeitig
wird eine Verringerung der mechanischen Elemente sowie des Gewichts des
Mechanismus' erreicht.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
wichtigsten Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorzüge werden
durch die folgende Beschreibung in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen
besser verständlich.
Darin ist die Anordnung des Stellmechanismus' entsprechend den Prinzipien der Erfindung
als ein nicht-einschränkendes
Beispiel dargestellt.
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1 ist
ein Schnitt senkrecht zur Triebwerksachse und zeigt einen Stellmechanismus,
wie er in dem Patent
ES 9200369 beschrieben
ist, bei dem die erfindungsgemäßen Führungselemente
zwischen dem Zwischenring und dem äußeren Ring und zwischen dem
Zwischen- und dem inneren Ring integriert wurden.
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2 ist
eine perspektivische Zeichnung, die eine weggeschnittete Teilansicht
des Rings und der Führungselemente
gemäß der Erfindung
zeigt.
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3 ist
eine Alternative des Stellmechanismus', die Rollen, Laufbuchsen und Lager
zwischen beweglichen Elementen enthält.
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4 ist
ein Schnitt parallel zur Triebwerksachse, der den Stellmechanismus
am äußeren Ring zeigt.
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5 ist
eine weggeschnittene, teilweise, perspektivische Zeichnung, die
den Stellmechanismus am äußeren Ring
zeigt.
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6 ist
ein alternatives Führungssystem mit
der umgekehrten relativen Position von Rollelement und Bahn.
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7 zeigt
die Probleme, die mit herkömmlichen
Führungselementen
für den äußeren Ring
verbunden sind, wenn eine Schubvektoränderung in der vertikalen und
der horizontalen Ebene stattfindet.
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8 zeigt,
wie das erfindungsgemäße Führungssystem
die Probleme vermeidet, die mit dem bekannten Mechanismus verbunden
sind.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Die
Zeichnungen zeigen einen Stellmechanismus, der aus drei Ringen besteht,
die mit den Zahlen 1, 2 und 3 bezeichnet
sind, die zueinander und zur Düsenachse 4 konzentrisch
sind. Die Ringe 1 und 2 sind miteinander durch
zwei Gelenke 5 verbunden, die auf einer Linie und einander
diametral gegenüber liegen,
wodurch eine Drehachse 6 gebildet wird. Die Ringe 2 und 3 sind durch
Gelenke 7 verbunden, die auf einer Linie und einander diametral
gegenüber
liegen, wodurch eine Drehachse 8 gebildet wird. Die Achsen 6 und 8 verlaufen
dergestalt senkrecht zueinander, dass die Anordnung der drei Ringe
eine Kardan- oder Universalgelenkanordnung bildet.
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Der äußere Ring 3 hat
eine Bahn 9, die in Umfangsrichtung um die Achse 8 herum
verläuft.
Der Zwischenring 2 enthält
eine Bahn 10, die in Umfangsrichtung um die Achse 6 herum
verläuft,
die senkrecht zur vorherigen verläuft. Das Gleitelement 11, das
mit dem Zwischenring 2 verbunden ist, gleitet für Vektoränderungskomponenten
um die Achse 8 auf der Bahn 9. Für Vektoränderungskomponenten
um die Achse 6 gleitet das Gleitelement 12, das
mit dem inneren Ring verbunden ist, auf der Bahn 10.
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Die
Erfindung löst
das Problem mit dem Kardangelenk zwischen den Ringen, das mit den
herkömmlichen
Führungselementen
des äußeren Rings 3 inkompatibel
ist, durch eine direkte Verbindung mit der festen Struktur der Düse, wie
es in den 7 und 8 abgebildet
ist.
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Die
Figuren zeigen zwei Positionen des äußeren Rings 3 entsprechend
einer Orientierung, bei der die Triebwerksachse parallel und die
Achse 6 senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft. Die
Linie 13 beschreibt die Position des äußeren Rings 3, des Zwischenrings 2 und
der Achse 8, die das zylindrische Gelenk zwischen ihnen
darstellt, wenn die Richtung der Schubvektoränderung einer Rotation um die Achse 6 herum
entspricht. Die Ellipse 14 beschreibt die Position des äußeren Rings 3,
wenn er sich aus der durch die Linie 13 dargestellten Ausgangsposition
heraus um die Achse 8, die das zylindrische Gelenk zwischen
dem äußeren Ring 3 und
dem Zwischenring 2 darstellt, dreht. Die durch die Ellipse 14 dargestellte
Position des äußeren Rings 3 entspricht um
den Umfang herum verlaufenden Zwischenrichtungen der Schubvektoränderung
zwischen den Achsen 6 und 8. Für Richtungen, wie zum Beispiel
die beschriebene, beschreibt ein Punkt des äußeren Rings 3 eine
durch die Linie 15 dargestellte Trajektorie, die, wie zu
erkennen ist, zu einer Verschiebungskomponente 16 des äußeren Rings 3 senkrecht
zu der Ebene, die durch die Triebwerksachse 4 und die Achse 6 definiert
wird, führt.
Das Führungssystem muss
daher die Verschiebung 16 des äußeren Rings 3 ermöglichen
und gleichzeitig richtungsgleichen Kräften, die aus der Schubvektoränderung
resultieren, widerstehen.
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Ein
herkömmliches
System 17, das starr und mit der Triebwerksstruktur verbunden
ist, würde
sich auf der Ebene, die durch die Triebwerksachse 4 und die
Achse 6 definiert ist, bewegen, wie es in 7 dargestellt
ist. Wenn das Führungssystem 17 flexibel und
mit der Bewegung 16 kompatibel wäre, so wäre es nicht in der Lage, den
auf den äußeren Ring
einwirkenden Tangentialkräften
zu widerstehen. 8 zeigt, wie das erfindungsgemäße Führungssystem die
beschriebene Inkompatibilität
durch Ausrichten der Gleitbahn 9 des äußeren Rings 3 in die
Richtung der Verschiebung 15 löst.
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Das
System kann ein Rollenelement, ein Laufbuchsenelement oder ein Rollenelement,
das mit dem Gleitelement 11 oder 12 verbunden
ist, enthalten, um die Reibung und den Verschleiß der Bahn 9 oder 10 zu
minimieren. Die Position des Gleitelements 11 oder 12 und
der Bahn 9 oder 10 kann auch in Bezug auf die
Position der Ringe 2 und 3 oder 1 und 2 umgekehrt
werden, wie in 6 dargestellt.