NO173070B - Tetningsanordning mellom klaffene i en omledningstrykkdyse for et gassturbindrivverk for fly - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et indre te<g>ningselement for en innstillbar dyse i en gassturbin for fly, ifølge kravinn-ledningen.

Aksesymmetriske dyser med variabel flate er vel kjent innen teknikkens stand og benyttes i motorer som eksempelvis General Electric F110 motor. Eksosdysene i slike motorer benytter konvergerende/divergerende klaffer og pakninger for aerodynamisk styring av eksosstrømmen, for å omforme trykk og varmeenergi i luftstrømmen fra forbrenningsutløpet til hastighet og reaksjons-trykk for motoren. Fremgangsmåter og anordninger for å frembringe slike dyser er kjent fra publikasjoner som US 4 176 792, US 4 245 787 og US 4 128 208 med titlene "Variable Area Exhaust Nozzle", Arthur McCardle Jr., "Variable Area Nozzle System", Wilbert B. Freid, "Exhaust Nozzle Flap Seal Arrangement", Edward W. Ryan, et al. En ny funksjon, nemlig reaksjonskraftinnstilling, er lagt til denne type av dyser, som representert ved den oppfinnelse utviklet ved General Electric Company.

For å få en forståelse av hvordan de enkelte klaffer og pakninger samvirker og styres for å danne den samlede dyse og trykkinnstillingsfunksjon, vises til NO-PS 894951. Interklaf f tetning for aksesymmetrisk konvergerende/divergerende dyser har alltid stått som et interessant problem og utfordring for konstruktører av dyser for gassturbinmotorer, som man kan se av de mange konstruksjoner, anordninger og patenter, hvorav noen er nevnt her.

Tetningsanordninger for eksosdyser i ulike utforminger er videre kjent fra US 4 690 330, US 3 095 695 og US 4 311 276. Disse og andre konvensjonelle dyser, også slike med variable hals- og utgangsf late, benytter dyseklaf fer og dyseklaf f pakninger som dreies rundt samme vinkler og endres sin stilling i forhold til motorens senterlinje generelt samtidig, slik at det ikke er noen perifer variasjon i de respektive stillinger eller dreie-vinkler i forhold til motorens eller dysens senterlinje. Den aksesymmetriske innstillbare dyse legger en ny dimensjon til allerede vanskelig problem, nemlig hvordan man tetter mellom to overflater hvis orientering eller stilling blir kontinuerlig endret. Den foreliggende oppfinnelse vender seg til tet- ningsproblemet med en interklaf f pakning som gir tetning mellom to .tilstøtende divergerende klaffer som blir dreiet gjennom forskjellige vinkler fra hverandre og i forhold til motorens senterlinje. Hver klaff kan dreies i en kjegleformet bevegelse i forhold til den konvergerende klaff eller andre dyseelementer som den er festet til. En annen måte å beskrive problemet på er at det er perifere variasjoner i dyseklaffstillingene i forhold til en motor eller dyses senterlinje.

Som med alle systemkonstruksjoner for gassturbiner er detønskelig at de har liten vekt, er lette og forholdsvis rimelige å fremstille, vedlikeholde og reparere, og at de er meget holdbare i miljøer med høye temperaturer og påkjenninger.

Følgelig er det et primært formål med den foreliggende oppfinnelse å frembringe tetning mellom dyseklaffene på en aksesymmetrisk innstillbar eksosdyse for en gassturbinmotor.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe tetning mellom de divergerende klaffer på en aksesymmetrisk innstillbar variabel eksosdyse for en gassturbinmotor.

Enda et formål med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe tetning mellom divergerende klaffer på en aksesymmetrisk variabel eksosdyse for en gassturbinmotor, hvor tilstøt-ende klaffer blir rotert gjennom forskjellige vinkler eller stillinger i forhold til dysens senterlinje under innstil-lingsoperasj oner.

Nok et formål med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe tetning mellom de divergerende klaffer som opprett-holder aksial og perifer tetning gjennom hele området av perifere variasjoner i dyseklaffenes innstilling i forhold til dysens senterlinje.

Et ytterligere formål med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe tetning mellom de divergerende klaffer på en aksesymmetrisk innstillbar variabel eksosdyse som er lett i vekt og lett å fremstille og reparere. Enda et formål med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe pakningssegmenter for en interklaffpakning for bruk i en aksesymmetrisk innstillbar variabel eksosdyse som letter reparasjon og vedlikehold av pakningen og dysen. Disse formål og andre trekk og fordeler vil fremgå med henvisning til den følgende beskrivelse, tatt i sammenheng med tegningene.

Ifølge et aspekt ved oppfinnelsen består en konvergerende pakning av en ryggrad som fortrinnsvis er hul og har et noe elliptisk tverrsnitt, og på dens fremre ende er det en anordning for sirkulerbar forbindelse av ryggraden med en stillestående konvergerende pakningsdel av dysen. Flere pakningssegmenter er aksialt anbrakt langs ryggraden, og omfatter monteringsanordninger for å feste segmentene til ryggraden på en slik måte at tilstøtende segmenter under dyseoperasjoner er i overlappende, tettende kontakt. De langsgående pakningsseksjoner har innadvendte og utadvendte overflater, hvor de innadvendte overflater er konstruert til å vende mot dysens eksosgasstrøm, og en flens festet til pakningsseksjonen omfatter en monteringsanordning som består av et kløverbladhull for å montere paknings-segmentet på en slik måte at segmentet kan vris rundt ryggradens akse.

En mer spesiell utførelse av pakningen omfatter et pakningssegment hvor pakningsseksj onen er buet utover i den retning som den ytre overflate vender. Segmentene er buet eller bøyd utover mot dysens senterlinje, og det er en variasjon i deres kurvatur langs ryggraden, hvor segmentene på akterenden er de mest buede, og de fremre segmentene har minst kurvatur. I det følgende skal det beskrives en foretrukken utførelse av oppfinnelsen. Forskjellige andre modifikasjoner eller alternative konstruksjoner kan imidlertid utføres uten å avvike fra oppfin-nelsens ånd og omfang. Den foretrukne utførelse er illustrert ved tegningene hvor figur 1 viser et perspektivriss av en gassturbin-motors aksesymmetrisk trykkinnstillbar variabel eksosdyseseksjon og en variabel tetningsanordning ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 2 viser et perspektivriss av den divergerende pakning ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 3 viser interklaffpakningen ifølge den foreliggende oppfinnelse sett ovenfra, mot den side av pakningen som vender bort fra dysens eksosstrøm. Figur 4 viser et tverrsnitt av pakningen på figur 2 langs den aksiale senterlinje. Figur 5 viser et tverrsnitt av pakningen på figur 2 sett fra akterenden og forover, som er tatt i en forholdsvis oppstrøms stilling fra pakningen og som viser forholdsvis liten bøying av et pakningssegment. Figur 5 viser et tverrsnitt av pakningen på figur 2, sett aktenfra og forover, tatt ved en forholdsvis nedstrøms stilling fra pakningen, og som viser forholdsvis stor bøyning av et pakningssegment mot akterenden av pakningen. Figur 7 viser pakningen på figur 2 sett fra akterenden og forover. Figur 8 viser et tverrsnitt av pakningen på figur 2, sett fra akterenden og forover, og tatt gjennom en flens på et pakningssegment. Figur 9 viser et eksplosjonsriss av et tverrsnitt av pakningen på figur 4. Figur 10 viser figur 1 sett fra akterenden og forover, og viser eksosdysen med 0 grader avvik eller innstillingsvinkel. Figur 11 viser figur 1 sett fra akterenden og forover, viser eksosdysen som et eksempel på negative grader av avvik eller innstillingsvinkel .

Det henvises først til figur 1. Et aksesymmetrisk innstillbar dyse for en gassturbinmotor, vist generelt ved 10, omfattende et hus 12 og i seriestrømforhold, en konvergerende seksjon 18, en hals 24 og en divergerende seksjon 26 ifølge den foretrukne utførelse av den dyse som er beskrevet i patentsøknad nr 894951 med tittelen "Aksesymmetrisk innstillbar eksosdyse", Thomas P. Hauer et al. Den foreliggende oppfinnelse er vist generelt som en divergerende pakning 30, perifert anbrakt mellom divergerende klaffer 28, som er perifert anbrakt rundt den aksesymmetriske dyses senterlinje 8. Divergerende klaffer 28 blir styrt slik at de definerer eksosbanen for dysen og retningen av eksosstrømmen 40. Ytre klaffer 16 danner en aerodynamisk kledning rundt den konvergerende og den divergerende seksjon av dysen 10. Konvensjonell operasjon av aksesymmetriske dyser omfatter åpning og lukking av dysens utløpsflate A9 eller halsflaten A8 eller begge. I begge tilfeller forblir dysens utforming aksesymmetrisk, og stillingen for hver divergerende klaff 28 i forhold til hver av de øvrige divergerende klaffer forblir generelt den samme. I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er det en divergerende pakning 30 for å tilpasse anordningen for innstilling av motorens trykk ved å dreie de forskjellige divergerende klaffer 28 til forskjellige vinkler fra deres aksesymmetriske stillinger. De divergerende klaffer blir dreid i radial retning R i forhold til den aksesymmetriske dyses senterlinje 8, og i tangential retning T (vist tydeligst på figur 10 og 11). En annen måte å se på innstillingsoperasjonen er, at ved å forme en asymmetrisk divergerende dyseseksjon 26, perifert tilstøtende divergerende klaffer blir dreid eller rotert til stillinger som er forskjel-

lige fra stillingene til de tilstøtende klaffer.

Det henvises nå til figur 2, 3, 4 og 9. En divergerende pakning 30 omfatter en ryggrad 50 og et flertall unike pakningssegmenter 56, aksialt anbrakt på ryggraden. Hvert pakningssegment 56 omfatter en pakningsseksjon 58, utkraget fra en flens 60 som er festet til ryggraden 50 på en slik måte at tilstøtende pakningssegmenter under motordrift i overlappende, tettende kontakt.

Hver pakningsseksjon 58 av hvert pakningssegment 56 er unik langs ryggraden. Forskjellen ligger i kurvaturen eller utbøyningen av pakningsseksjonen. Den største kurvaturen er på akterenden av pakningen, som man kan tydelig se på figur 2. Dette kan videre sees fra den gradvise buing av grensesnittet mellom flensen 60 og pakningsseksjoner 58 på hvert etterfølgende pakningssegment 56 fra den forreste til den bakerste. Planform-arealet som vist på figur 3 forblir fortrinnsvis det samme i hvert av segmentene. Denne forskjell er anordnet for å tilpasse de større gapene mellom tilstøtende divergerende klaffer 28 som finnes på akterenden av dysen, i motsetning til fremre ende av den divergerende seksjon av dysen. Segmentene 56 er fortrinnsvis stanset ut av en metallplate, hvor forskjellige stanser er nødvendige for hvert segment, og gjør det mulig å gi hvert segment et nøyaktig omriss. Det er fortrinnsvis tolv divergerende pakninger 30 i hver dyse, og man kan spare på å ha hvert sett av segmenter langs en gitt pakning, like fra pakning til pakning, perifert rundt dysen. Flens-festeanordningen omfatter et avstandsstykke 64 mellom flensene 60, og skiver 66 mellom flensene og avstandsstykket. Hver ende av ryggraden 50 er utstyrt med en endebolt 70 som sammen med en mutter 62 benyttes til å stramme opp enheten. Det henvises nå et øyeblikk til figur 7, som viser et mer detaljert tverrsnitt av flensen 60 montert på ryggraden 50. Flensen 60 omfatter en gjennomgående kløverbladfor-met åpning 72 for å motta ryggraden 50, som er vist som et hult rør med ellipseformet tverrsnitt.

Figur 5 og 6 viser en pakningsholdeanordning 80 som omfatter en skinnearm 86 og skinne 88 som passer inn i og rider i spor festet til tilstøtende divergerende klaffer som ikke er vist. Et slik spor- og skinnesystem omfatter en pakningsholdesys-tem som benyttes til å innrette pakningene og tilstøtende klaffer på en måte som er kjent i teknikken. Holdeanordningen 80 er montert på ryggraden med en passende anordning, f.eks. festet til et avstandsstykke 64.

I operasjon blir den aksesymmetriske dysekonfigurasjon på figur 10 gjort asymmetrisk som vist på figur 11 ved å dreie divergerende klaffer 28 i de radiale og tangentiale retninger betegnet med hhv. R og T. Eksemplet vist på figur 11 innstiller eksosstrømmen i nedadgående retning for å generere en reaksjonskraft innstilt i stigeplanet. Selv om klaffene er vist dreid generelt ned til klokken 6, kan orienteringen til tippingen endres til klokken 9, og dermed generere en reaksjonskraft som er innstilt i dreieplanet. Endelig kan en annen orientering av tippingen generere en kombinasjon av stige- og dreieplan-innstilt reaksjonskraft, en meget ettersøkt og meget ønskelig evne for gassturbinmotorer.

Under drift vil eksosgassene under høyt trykk skyve alle klaffene og pakningene utover, hvor klaffene blir holdt på plass ved deres aktiveringssystemer, og pakningene blir holdt på plass ved pakningsholdeanordningen 60. De radialt utadgående krefter på grunn av de høye trykk tvinger pakningene, som er i overlappende kontakt med og radialt innover fra de tilstøtende klaffer, til flytende tettekontakt. Den foreliggende oppfinnelse holder de divergerende pakninger og tilhørende pakningssegmenter og pakningsseksjoner korrekt innrettet i forhold til de divergerende klaffer når klaffene dreies på en slik måte at de genererer en asymmetrisk divergerende dyseseksjon for innstilling av reaksjonskraften. Den foreliggende oppfinnelse minimerer også lekkasje under trykkinnstillingsoperasjonen. Den foreliggende oppfinnelse tetter også mellom klaffene under den mer konvensjonelle dreining av de divergerende og konvergerende klaffer for å variere halsflaten og dyse-eksosflaten, for å maksimere tetning med klaffene og minimere lekkasje. Som man kan se på figur 2 til 8, kan hvert pakningssegment 56 vris rundt ryggraden 50 forbedre og orientere seg selv eller å innrette sitt pakningssegment 56 for å maksimere tetning med tilstøtende divergerende pakninger 28. Kraften til å oppnå dette blir levert av høytrykks-gassene i dysen. Kurvaturen eller utbøyningen av pakningssegmentene 56 letter ytterligere tetningsfunksjonen ved alltid å holde pakningsegmentene i strekk, presset mot de divergerende klaffer.

Claims (7)

1. Tetningsanordning mellom klaffene i en omled-ningstrykkdyse for et gassturbindriwerk for fly, med en støtteanordning (50) og flere Indre tetningssegmenter (56) som er festet til støtteanordningen (50), KARAKTERISERT VED at hvert segment har en i gasstrømmens lengderetning forløpende tetningsseksjon (58) med en innad og en utad vendende overflate, hvor den utad vendende overflate er slik utformet at den vender mot dysens eksosgasstrøm og omfatter en flens (60) som er forbundet med tetningsseksjonen (58) og er festet til støtte-anordningen (50) med en monteringsanordning (64, 66, 72).

2. Anordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at segmentet (56) er dreibart om en lengdeakse.

3. Anordning ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at flensen (60) omfatter et ovalt, i midten lett innsnevret hull (72) og at den i dette mottatte støtteanordning (50) har et elliptisk tverrsnitt.

4. Anordning ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at i det minste en del av hver tetningsseksjon (58) er buet utover mot avgasstrømmen.

5. Anordning ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at tetningsseksjonene (58) i retning nedstrøms har økende krum-ningsgrad.

6. Anordning ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at hvert tetningssegment (56) er fremstilt av en eneste plate.

7. Anordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at tet-ningselementene (56) danner en divergerende dysetetning.