DE3940424C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abdichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Abdichtungsanordnung ist aus der US-PS 41 28 208 bekannt.

Axialsymmetrische Schubdüsen mit veränderbarem Querschnitt sind auf dem Fachgebiet bekannt und werden in Triebwerken wie dem Triebwerk F110 von General Electric benutzt. Die Schubdüsen von solchen Triebwerken haben konver­ gente/divergente Klappen und Dichtungen zum aerodynamischen Stevern des Abgasstroms, um den Druck und die Wärmeenergie des Verbrennungsaustrittsluftstroms in Geschwindigkeit und Vorwärtsschub für das Triebwerk umzuwandeln. Bei einer der­ artigen Düse gemäß der eingangs genannten US-PS 41 28 208 sind zwar die Düsenklappen zwischen minimalen und maximalen Öffnungsstellungen verstellbar, aber es ist keine Schubrichtungssteuerung vorgesehen.

Für das Verständnis, wie die einzelnen Klappen und Dichtun­ gen miteinander in Verbindung stehen und arbeiten, um die Gesamtschubdüse und die Schubstahlumlenkungsfunktion zu er­ füllen, wird auf die gleichzeitig eingereichte deutsche Patentanmeldung DE 39 40 473 A1 verwiesen deren Gegenstand eine axialsymmetrische Strahlumlenkungsschubdüse ist. Die Klappenzwischenabdichtung für axialsymmetrische konvergente/divergente Schubdüsen hat immer ein interessan­ tes Problem und eine Herausforderung für Gasturbinentrieb­ werksschubdüsenkonstrukteure dargestellt, was die vielen Konstruktionen, Anordnungen und Patente auf diesem Gebiet beweisen.

Herkömmliche Schubdüsen einschließlich solchen mit vari­ ablen Düsenhals- und Austrittsquerschnitten haben Düsen­ klappen und Klappen zwischen Dichtungen, welche um diesel­ ben Winkel schwenken oder ihre Lage in Bezug auf eine Triebwerksmittellinie insgesamt gleichzeitig ändern, so daß es keine umfangsmäßige Veränderung in ihren Lagen oder ihrem Schwenkwinkel in Bezug auf eine Triebwerks- oder Schubdüsenmittellinie gibt. Die axialsymmetrische Strahlumlenkungs-Schubdüse hat einem bereits schwierigen Problem eine neue Dimension hinzugefügt, nämlich das Problem, wie zwischen zwei Flächen abgedichtet werden kann, deren Orientierung oder Lage ständig verändert wird.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Abdichtungsanord­ nung zwischen den Klappen einer axialsymmetrischen Strahlumlenkungs-Schubdüse eines Gasturbinentriebwerks zu schaffen, bei der benachbarte Klappen um unterschiedliche Winkel oder Lagen in Bezug auf die Düsenmittellinie während der Strahlumlenkungsvorgänge gedreht werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß jede Klappe in einer konischen Bewegung relativ zu der konvergenten Klappe oder zu einem anderen Schubdüsenelement, an dem sie befestigt ist, geschwenkt werden kann. Dadurch wird eine umfangsmäßige Veränderung in den Düsenklappenlagen in Bezug auf eine Triebwerks- oder Düsenmittellinie erreicht.

Außerdem hat die Abdichtungsanordnung gemäß der Erfindung ein geringes Gewicht, sie kann leicht und relativ billig hergestellt, gewartet und repariert werden und ist in einer Umgebung mit hoher Temperatur und Beanspruchung äußerst dauerhaft.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeich­ nung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer axialsym­ metrischen Strahlumlenkungs-Schubdüse eines Gasturbinentriebwerks mit einer Abdichtungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Abdich­ tungsanordnung,

Fig. 3 in Draufsicht bei Blick auf die Seite der Abdichtungsanordnung, die von der Schubdüsenströmung wegge­ richtet ist,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht der Abdichtungsan­ ordnung, in Fig. 2 längs ihrer axialen Mittellinie,

Fig. 5 einen Querschnitt der Dichtung in Fig. 2 in Blickrichtung von hinten nach vorn an einer relativ strom­ aufwärtigen Stelle der Abdichtungsanordnung, welcher die relativ geringe Krümmung eines Dichtsegments zeigt,

Fig. 6 einen Querschnitt der Abdichtungsanordnung in Fig. 2 in Blickrichtung von hinten nach vorn an einer relativ stromabwärtigen Stelle der Abdichtungsanordnung, welcher die relativ starke Krümmung eines Dichtsegments am hinteren Ende der Abdichtungsanordnung zeigt,

Fig. 7 in Vorwärtsblickrichtung eine Ansicht des hinteren Endes der Abdichtungsanordnung in Fig. 2,

Fig. 8 einen Querschnitt der Abdichtungsanordnung in Fig. 2 in Blickrichtung von hinten nach vorn durch einen Flansch eines Dichtsegments,

Fig. 9 eine vergrößerte Einzelheit der Quer­ schnittansicht der Abdichtungsanordnung in Fig. 4,

Fig. 10 in Blickrichtung von hinten nach vorn eine Ansicht von Fig. 1, welche die Schubdüse bei einem Ablenk­ oder Strahlumlenkungswinkel von 0 Grad zeigt, und

Fig. 11 in Blickrichtung von hinten nach vorn eine Ansicht von Fig. 1, welche die Schubdüse bei einem exempla­ rischen negativen Ablenk- oder Strahlumlenkungs-winkel zeigt.

In Fig. 1 ist die axialsymmetrische Strahlumlenkungs- Schubdüse 10 eines Gasturbinentriebwerks gezeigt, die ein Gehäuse 12 und in Reihenströmungsbeziehung einen konvergenten Abschnitt 18, einen Düsenhals 24 und einen divergenten Abschnitt 26 aufweist. Eine Abdichtunganordnung 30 gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, im folgenden kurz Dichtung genannt, ist in Umfangsrichtung zwischen divergenten Klappen 2S angeordnet, die in Umfangsrichtung um die Mittellinie 8 der axialsymmetrischen Schubdüse angeordnet sind. Die divergenten Klappen 28 werden so gesteuert, daß sie den Abgasweg der Schubdüse und die Richtung der Abgasströmung 40 festlegen. Äußere Klappen 16 bilden eine aerodynamische Verkleidung um die konvergenten und die divergenten Abschnitte der Schubdüse 10. Der herkömmliche Betrieb von axialsymmetrischen Schubdüsen beinhaltete das Öffnen und Schließen des Austrittsquerschnittes A9 der Schubdüse oder des Düsenhalsquerschnitts A8 oder von beiden. In jedem Fall blieb die Schubdüsenkonfiguration axialsymmetrisch, und die Lage jeder divergenten Klappe 28 in Bezug auf jede andere divergente Düsenklappe blieb insgesamt dieselbe. Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Dichtung 30 so vorgesehen, um Einrichtungen aufzunehmen, die vorgesehen sind zur Schubstrahlumlenkung des Triebwerks durch Verschwenken der verschiedenen divergenten Klappen 28 um verschiedene Winkel gegenüber ihren axialsymmetrischen Positionen. Die divergenten Klappen 28 werden in der radialen Richtung R gegen die Mittellinie 8 der axialsymmetrischen Schubdüse und in der tangentialen Richtung (in den Fig. 10 und 11 deutlicher gezeigt) ge­ schwenkt. Eine weitere Möglichkeit der Betrachtung des Strahlumlenkungsbetriebes besteht darin, daß durch Bilden eines asymmetrischen, divergenten Schubdüsenabschnitts 26 umfangsmäßig benachbarte divergente Klappen in Lagen ge­ schwenkt oder gedreht werden, welche sich von den Lagen der benachbarten Klappen unterscheiden.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2, 3, 4 und 9 weist die Dichtung 30 einen Träger 50 als Rückgrat und eine Anzahl von besonderen Dichtsegmenten 56 auf, die an dem Träger axial angeordnet sind. Jedes Dichtsegment 56 weist einen Dichtabschnitt 58 auf, der freitragend an einem Flansch 60 befestigt ist, an welchem der Träger 50 so be­ festigt ist, daß während des Triebwerksbetriebes benach­ barte Dichtsegmente in überlappender Dichtberührung sind.

Jeder Dichtabschnitt 58 jedes Dichtsegments 56 ist längs des Trägers einmal vorhanden. Der Unterschied liegt in der Krümmung oder Auswärtswölbung des Dichtabschnitts. Das größte Ausmaß an Krümmung ist an dem stromabwärtigen Ende der Dichtung, was in Fig. 2 ohne weiteres zu erkennen ist. Das ist weiter aus der allmählichen Krümmung der Grenzfläche zwischen dem Flansch 60 und dem Dichtabschnitt 58 jedes der aufeinanderfolgenden Dichtsegmente 56 vom am weitesten stromaufwärts ge­ legenen Dichtsegment bis zum am weitesten stromabwärts gelegenen zu erkennen. Die Grund­ rißfläche bleibt gemäß der Darstellung in Fig. 3 bei jedem der Segmente vorzugsweise dieselbe. Diese Differenz ist vorgesehen, um die breiteren Lücken zwischen benachbarten divergenten Klappen 28 zu kompensieren, welche am stromabwärtigen Ende der Düse vorhanden sind, im Gegensatz zu dem stromaufwärtigen Ende des divergenten Abschnitts der Düse. Vorzugsweise wird das Segment 56 aus Blech gestanzt, wobei ein anderer Werkzeugsatz für jedes Segment erforderlich ist, der ein bogenförmiges Profilieren jedes Segments gestattet. Vorzugsweise gibt es zwölf divergente Dichtungen 30 in jeder Schubdüse, und Einsparungen werden dadurch erzielt, daß jeder Satz von Segmenten längs einer bestimmten Dichtung von Dichtung zu Dichtung umfangsmäßig um die Schubdüse derselbe ist. Die Flanschbe­ festigungseinrichtung weist ein Distanzstück 64 zwischen Flanschen 60 und Unterlegscheiben 66 zwischen dem Flansch und dem Distanzstück auf. Jedes Ende des Trägers 50 ist mit einer Schraubendkappe 70 versehen, auf die eine Mutter 62 aufgeschraubt wird und zum Spannen der Vorrichtung dient. Fig. 7, auf die für einen Augenblick Bezug genommen wird, zeigt einen ausführlicheren Querschnitt des Flansches 60, der an dem Träger 50 befestigt ist. Der Flansch 60 weist ein ovales, in der Mitte leicht eingeschnürtes (kleeblattförmiges) Loch 72 zur Aufnahme des Trägers 50 auf, der als ein Rohr mit elliptischem Querschnitt dargestellt ist.

Fig. 5 und 6 zeigen Dichtungshalteeinrichtungen 80, welche einen Schienenarm 86 und eine Schiene 88 aufweisen, die in Bahnen passen und laufen, welche an benachbarten divergenten Klappen befestigt sind, die nicht gezeigt sind.

Ein solches Bahn- und Schienensystem weist ein Dichtungs­ haltesystem auf, das benutzt wird, um die Dichtungen und die benachbarten Klappen auf im Stand der Technik bekannte und gezeigte Weise auszurichten. Die Halteeinrichtungen 80 sind an dem Träger 50 durch eine geeignete Einrichtung be­ festigt, beispielsweise durch Befestigung an einem Distanz­ stück 64.

Im Betrieb wird die axialsymmetrische Schubdüsen­ konfiguration nach Fig. 10 asymmetrisch gemacht, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, indem die divergenten Klappen 28 in radialer und tangentialer Richtung geschwenkt werden, wie es durch Pfeile R bzw. T gezeigt ist. In dem Beispiel, das in Fig. 11 gezeigt ist, wird der Abgasstrahl in stromab­ wärtiger Richtung umgelenkt, um einen Schub zu erzeugen, der in der Nickebene umgelenkt wird. Die Klappen sind zwar bei 6-Uhr-Stellung insgesamt abwärts geschwenkt gezeigt, die Ori­ entierung der Neigung kann jedoch auf 9 Uhr geändert wer­ den, wodurch ein Schub erzeugt wird, der in der Gierebene umgelenkt wird. Schließlich würde eine weitere Orientierung der Neigung eine Kombination der Nick- und der Gierum­ lenkung des Schubes ergeben, was eine viel verlangte und äußerst erwünschte Eigenschaft bei Gasturbinentriebwerken darstellt.

Während des Betriebes drücken die Hochdruckabgase sämtliche Klappen und Dichtungen radial nach außen, wobei die Klappen durch ihre Betätigungssysteme in ihrer Lage gehalten werden und wobei die Dichtungen durch die Dichtungshalteeinrichtungen 80 in ihrer Lage gehalten werden. Die radial nach außen ge­ richteten Kräfte aufgrund des hohen Druckes zwingen die Dichtungen, welche in überlappender Berührung mit und ra­ dial einwärts von den benachbarten Klappen sind, in fluid­ dichte Berührung. Die divergenten Dich­ tungen und die zugeordneten Dichtsegmente und Dichtab­ schnitte werden in bezug auf die divergenten Klappen richtig aus­ gerichtet gehalten, wenn die Klappen so geschwenkt werden, daß ein asymmetrischer divergenter Schubdüsenquerschnitt zur Strahlumlenkung erzeugt wird. Dadurch wird die Leckage während des Strahlumlenkbetriebes minimiert.

Außerdem wird die Schubdüse zwischen den Klappen während des herkömmlicheren Verschwenkens der divergenten und kon­ vergenten Klappen zum Verändern des Düsenhalsquerschnitts und der Schubdüsenquerschnittsfläche abgedichtet, so daß die Abdichtung an den Klappen maximiert und die Leckage minimiert wird. Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 bis 8 kann jedes Dichtsegment 56 sich um den Träger 50 verdrehen, um so sich selbst besser auszurichten oder sein Dicht­ segment 56 auszurichten, um die Abdichtung an benachbarten divergenten Klappen 28 zu maximieren. Die Kraft, um das zu erreichen, wird durch die Hochdruckabgase in der Schubdüse geliefert. Die Krümmung oder Auswärtswölbung des Dicht­ segments 56 verstärkt die Dichtfunktion weiter, weil das Dichtsegment immer unter Spannung gegen die divergenten Klappen gepreßt gehalten wird.

Claims (7)

1. Abdichtungsanordnung zwischen den Klappen einer Strahlumlenkungs-Schubdüse eines Flugzeug- Gasturbinentriebwerks, mit
einem Träger (50) und
mehreren Dichtsegmenten (56), die an dem Träger (50) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Dichtsegment (56) einen sich in Längsrichtung erstreckenden Dichtabschnitt (58), der eine nach innen und eine nach außen weisende Oberfläche hat, wobei die nach außen weisende Oberfläche so ausgebildet ist, daß sie der Düsenabgasströmung zugewandt ist, und
einen Flansch (60) aufweist, der mit dem Dichtabschnitt (5S) verbunden und durch eine Befestigungseinrichtung (64, 66, 72) an dem Träger (50) befestigt ist.

2. Abdichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtsegment (56) um eine Längsachse drehbar ist.

3. Abdichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (60) ein ovales, in der Mitte leicht geschnürtes Loch (72) aufweist und der darin aufgenommene Träger (50) einen elliptischen Querschnitt hat.

4. Abdichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil jedes Dichtabschnitts (58) nach außen in Richtung der Abgasströmung gekrümmt ist.

5. Abdichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtabschnitte (58) in Richtung ihrer stromabwärtigen Enden einen zunehmenden Grad an Krümmung haben.

6. Abdichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Dichtsegment (56) aus einem einzelnen Stück Blech hergestellt ist.

7. Abdichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtsegmente (56) eine divergente Düsendichtung bilden.