DE2815573A1

DE2815573A1 - Abgasduese mit veraenderlichem durchtrittsquerschnitt fuer gasturbinen und hebelgetriebeanordnung fuer eine solche abgasduese

Info

Publication number: DE2815573A1
Application number: DE19782815573
Authority: DE
Inventors: Jun Arthur Mccardle
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-07-11
Filing date: 1978-04-11
Publication date: 1979-01-25
Also published as: FR2397534A1; IL54223A; US4176792A; SE438354B; DE2815573C2; AU535208B2; GB1602773A; JPS6131295B2; FR2397534B1; JPS5419004A; AU3392078A; SE7804010L

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady, New York 12305 (USA)

Abgasdüse mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt für Gasturbinen und Hebelgetriebeanordnung für eine solche Abgasdüse

Die Erfindung betrifft eine Abgasdüse mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt für Gasturbingen, mit wenigstens einer an einem Abgaskanal angelenkten konvergierenden Klappe und wenigstens einer mit dieser gelenkig verbundenen divergierenden Klappe, wobei die Klappen durch Stellglieder verstellbar sind. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine viergliedrige Hebelgetriebeanordnung für die an einen Abgaskanal anzuschließende Abgasdüse mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt für Gasturbinen.

Bei Vielzweckflug"zeugen ändern sich die Betriebsbedingungen der Abgasdüse während des Betriebes beträchtlich. Um eine hohe Leistung über den gesamten Betriebsbereich des Flugzeuges aufrechtzuerhalten, kann der jeweils erforderliche Aufbau der Abgasdüse sehr kompliziert werden, wodurch ein höheres Gewicht,erhöhte Kosten und verringerte Betriebssicherheit bedingt sind*- -__

Bei den meisten Mehrzweckflugzeugen werden Triebwerke mit konvergierend/divergierend ausgebildeten Abgasdüsen verwendet, um den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden. Typischerweise ist bei diesen Düsen die Durchtrittsfläche,sowohl an der Düsendrosselstelle (an dem strömungsabwärts gelegenen Ende der konvergierenden Düse) als auch an der Düsenaustrittsstelle (an dem strömungsabwärts gelegenen Ende der divergierenden Düsenklappen) veränderlich. Bei der Betätigung der Abgasdüse soll sich unter idealen Verhältnissen ein Flächenver-

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hältnis zwischen der Drosselstelle und der Austrittsstelle ergeben, welches einem für die jeweilige Auslegung des Triebwerkes gegebenen, optimierten Diagramm folgt. Dieses Verhältnis soll sowohl unter langsamen UnLerschall-Flugbedingungen als auch unter schnellen Überschall-Flugbedingungen eine einwandfreie Steuerung des Abgasstromes gewährleisten, wobei ein geringer Strömungswiderstand des Rumpfes vorhanden sein soll.

Es ist bekannt, die Abgasdüse derart auszubilden, daß das Schema der erwähnten Flächenverhältnisse fest ist (d.h, daß die konvergierenden und divergierenden Abschnitte einstückig ausgebildet sind). In der Praxis hat es sich aber gezeigt,.. daß bei dieser Lösung die Möglichkeit zur Optimierung dieses Flächenverhältnis-Diagrammes für die Anlaufbedingungen des Triebwerkes beschränkt ist und daß außerdem nur eine geringe _ Anpassungsmöglichkeit an Veränderungen sowohl der Betriebsbedingungen als auch der Arbeitsweise des Triebwerkes, wie sie häufig im Verlauf und nach der Entwicklung eines Systems auftreten, gegeben ist.

Bei einer anderen bekannten Konstruktion werden jeweils die divergierende und die konvergierende Klappe der Düse getrennt für sich bewegt, etwa durch eigene Nocken, die auf die inneren und äußeren Klappen einwirken. Wenngleich eine solche Abgasdüse über eine erhebliche Flexibilität hinsichtlich der Optimierung des Flächenverhältnis-Diagrammes verfügt und sich an Veränderungen der Betriebsbedingungen und der Arbeitsweise des Triebwerkes anpassen kann, so muß dies doch durch einen zunehmend komplizierten Aufbau und erhöhtes Gewicht, sowie Kosten erkauft werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Abgasdüse veränderlichen Durchtrittsquerschnitts zur Verwendung bei Mehrzweckflugzeugen zu schaffen, die es gestattet, über den gesamten Betriebsbereich des Triebwerks ein günstiges Düsendrosselstelle/Austritt sstelle-Flächenverhältnis-Diagramm

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einzustellen und diese Flächenverhältnisse erforderlichenfalls an die unterschiedlichen Triebwerks-Arbeitsbedingungen anzupassen, wobei sich sowohl unter Unterr.ehall- als auch unter Uberschall-Flugbedingungen ein niedriger Rumpfströmungswiderstand ergibt und außerdem gewährleistet ist, daß die Abgasdüse sich durch einfache Betätigung, geringes Gewicht und wirtschaftliche Herstellung auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Abgasdüse gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß an dem Abgaskanal ein erstes Verbindungsglied nach außen ragend starr befestigt ist und an diesem ein zweites Verbindungsglied an seinem einen Ende gelenkig angeschlossen ist, dessen anderes Ende gelenkig mit der divergierenden Klappe verbunden ist und daß die konvergierende Klappe mit einer ihr eine Verschwenkbewegung bezüglich ihrer "GelenksteÜe an dem Abgaskanal erteilenden Stellvorrichtung gekuppelt ist.

Bei dieser Abgasdüse ist das Flächenverhältnis Drosselstelle/ Austrittsstelle für die jeweilige Auslegung des zugehörigen Triebwerks im wesentlichen optimiert, wobei die Möglichkeit besteht, das Flächenverhältnis-Diagramm derart zu verändern, daß es jeweils an auftretende Änderungen der Betriebsbedingungen und der Arbeitsweise des Triebwerks angepaßt ist.

Zu diesem Zwecke kann ein viergliedriges Hebelgetriebe Verwendung finden, das gemäß der Erfindung aufweist: wenigstens eine konvergierende Klappe, die an ihrem strömungsaufwärts gelegenen Ende gelenkig mit dem Abgaskanal verbunden ist, wenigstens eine divergierende Klappe, die an das strömungsabwärts gelegene Ende der konvergierenden Klappe angelenkt ist, ein feststehendes Verbindungsglied, das radial nach außen ragend starr an dem Abgaskanal befestigt ist und wenigstens ein Druckglied, das an seinem einen Ende gelenkig mit dem feststehenden Verbindungsglied verbunden und an seinem anderen Ende an die divergierende Klappe angelenkt ist.

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Die Betätigung der ganzen Anordnung geschieht dadurch, daß lediglich die konvergierende Klappe verschwenkt wird, wobei dann die divergierende Klappe und das Druckglied sich entsprechend mitschwenken. Die Verschwenkung der konvergierenden Klappe um ihre an dem Abgaskanal gelegene Gelenkstelle kann vorteilhafterweise mittels eines Rollen-Kurvenflächen-Mechanismus geschehen.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist die außen liegende Klappe der Düse mit dem viergliedrigen Hebelgetriebe derart gekuppelt, daß ihre Stellung bei der Bewegung der konvergierenden Klappe ebenfalls verändert wird. Ein Ende der konvergierenden Klappe ist dabei an das feststehende Verbindungsglied angelenkt, während das andere Ende der Klappe mit dem strömungsabwärts gelegenen Ende der divergierenden Klappe mittels einer eine Schwenkbewegung und eine Translationsbewegung ermöglichenden Verbindungseinrichtung verbunden ist. Die gemeinsam mit der Stellungsänderung der inneren Klappe stattfindende Änderung der Stellung der äußeren Klappe ergibt damit einen geringen Strömungswiderstand des Rumpfes oder Gehäuses.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Abgasdüse gemäß der Erfindung im axialen Schnitt, in einer Seitenansicht, unter Veranschaulichung lediglich einer Düsenwandung, in der geschlossenen Stellung,

Fig. 2 die Betätigungseinrichtung und zugeordnete Dichtungseinrichtungen für die Abgasdüse nach Fig. 1, im axialen Schnitt, in einer Seitenansicht,

Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 2, in der voll geöffneten Stellung in einer entsprechenden Darstellung,

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Fig. 4 die Anordnung nach Fig. 1, geschnitten längs der Linie 4-4 in einer Seitenansicht und im Ausschnitt und

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Reihe möglicher Düsenflächen-Verhältnis-Kennlinien der Abgasdüse nach Fig. 1.

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In den Fig. 1 und 2 ist die Erfindung bei 10 in der Anwendung auf eine sonst im wesentlichen gebräuchliche Abgasdüse dargestellt, welche an eine Triebwerksabgaslextung 11 angeschlossen ist und innen liegende Klappen 12 mit einer innen liegenden Dichtung 13 sowie äußere Klappen 14 mit zugeordneter außen liegender Dichtung 16 aufweist. Die gegenseitige Zuordnung und das Zusammenwirken der einzelnen Klappen und Dichtungen im Sinne der Erzielung der gewünschten Düsenfunktion sind nicht Gegenstand der Erfindung. Die ganze Abgasdüsenanordnung weist eine Anzahl im Abstand ringsum verteilt angeordneter Düsenklappen auf, die an dem strömungsabwärts liegenden Ende der Abgasleitung derart angelenkt sind, daß eine symmetrischer innere Düsenfläche begrenzt wird, die sowohl bei der Drosselstelle 17 als auch an der Austrittsstelle 18 veränderbar ist, während durch die äußere Klappe 14 eine symmetrische äußere Düsenfläche definiert ist. Die Düsenflächen werden durch Betätigungsglieder 21 verändert, welche derart ausgelegt sind, daß sie die einzelnen Düsenklappen zwischen der ganz geschlossenen Stellung nach Fig. und der ganz geöffneten Stellung nach Fig. 3 wahlweise verstellen können. Ein Eintritt von Abgasen zwischen die Klappen 12, 14 wird dadurch verhindert, daß konvergierenden Klappen konvergierende Dichtungen 22 sowie divergierenden Klappen divergierende Dichtungen 24 und den äußeren Klappen 14 die äußeren Dichtungen 16 zugeordnet sind.

Die die heißen Abgase von dem Gebläse und der Turbine führende Abgasleitung 11 weist eine Abgasleitungsauskleidung 27 auf, die dazu dient, die Abgasleitungswände in an sich bekannter Weise zu kühlen. Von der Abgasleitung 11 ragt nach hinten und außen ein starres Verbindungs- oder Ringteil 28 vor, welches mit der Abgasleitung 11 durch Anschweißen oder dgl. verbunden ist. An dem Ringteil 28 sind an im Umfang verteilten Stellen eine Anzahl äußerer und innerer Gelenklager 29 bzw. 31 befestigt. Jedes Paar äußerer und innerer Gelenklager ist dazu ein gerichtet, eine einzige Klappe an der Abgasdüse mechanisch zu

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befestigen. An dem äußeren Gelenklager 29 ist das vordere Ende der äußeren Klappe 14 mittels eines geeigneten Gliedes, etwa eines Bolzens oder dgl., drehbar befestigt. An dem inneren Gelenklager 31 ist das vordere Ende der konvergierenden Klappe 23 angelenkt. Andere,in der Düsenklappe selbst liegende Verbindungen umfassen die Drosselstellenverbindung 3 2 zwischen dem strömungsabwärts gelegenen Ende der konvergierenden Klappen 23 und dem strömungsaufwärts gelegenen Ende der divergierenden Klappen 26, sowie eine Austritts-Verbindung 33 zwischen dem strömungsabwärts gelegenen Ende der divergierenden Klappen 26 und dem strömungsabwärts gelegenen Ende der äußeren Klappen 14. Die Austritts-Verbindung 33 weist einen Längsschlitz 34 auf, der sowohl eine relative Translationsbewegung als auch eine relative Drehbewegung zwischen den mit einander verbundenen Teilen gestattet. Eine andere Verbindung in der Klappenanordnung besteht aus einem Druckglied 36, welches an einem Ende an dem äußeren Gelenklager 2 9 und an dem anderen Ende an ein Druckgelenklager 37 angelenkt ist, welches an einer Zwischenstelle auf dem äußeren Aufbau 38 der divergierenden Klappe 26 angeordnet ist. Das Druckglied 36 dient dazu, die Bewegung der divergierenden Klappe 26 und der äußeren Klappe 14 wunschgemäß verändern zu können, wie dies im einzelnen noch beschrieben werden wird.

Wie aus den Fig. 1 und 3 zu entnehmen, ist der äußere Aufbau 39 der konvergierenden Klappe 23 verstärkt und derart gekrümmt ausgebildet, daß er eine konvexe Steuerfläche bildet. Durch entsprechende Bewegung eines eine Kraft ausübenden Elementes über diese Steuerfläche werden die Klappen wunschgemäß derart bewegt, daß sie die Abgasfläche der Düse in einer noch zu erläuternden Weise verändern. Die Fig» 1 und 2 zeigen, daß das Betätigungselement 21 einen Hydraulikkolben 4 2 aufweist, an dessen Ende ein Halter 43 sitzt, der zur Befestigung an einem Betätigungsring 44 in an sich bekannter Weise eingerichtet ist. Die Betätigungselemente 21 sind jeweils durch zwei Verbindungsstangen 45 gehaltert, welche ihrerseits an dem Ringteil 28

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befestigt sind. Eine Vor- und Rückbewegung des hydraulischen Kolbens 42 bewirkt eine Bewegung des Betätigungsringes in der gleichen Richtung. Bei der Verstellung des Betätigungsringes bewirken diesem zugeordnete Rollen 46 eine radiale Bewegung der Steuerfläche 41 und deren zugeordneter konvergierender Klappe, womit die divergierende Klappe 26/die äußere Klappe 14 und das Druckglied 36 ebenso entsprechend verschwenkt werden.

In Fig. 4 ist der Steuermechanismus in größerem Detail dargestellt. Die Figur zeigt den an dem Hydraulikkolben 42 vorragend angeordneten Halter 43 und zwei im Abstand angeordnete Rollen 46,die mittels einer Anzahl Rollenlager 48 auf einer gemeinsamen Achse 47 gelagert sind. Die Rollen 46 rollen sich auf der Steuerfläche 41 des Außenauf baiies 39 der konvergierenden Klappe 23 ab. Der Außenaufbau 39 weist zwei im Abstand angeordnete Streben 4 9 auf, die einen axialen Kanal 51 begrenzen. Um ein Abheben der Rollen 46 von der Steuerfläche 41 zu verhüten, sind zwei von zugeordneten Trägern 54, 56 nach unten ragende Kegelrollen 52, 53 vorgesehen, deren Kegelflächen mit der Unterseite der Steuerfläche 41 in der dargestellten Weise zusammenwirken. Auf diese Weise wird verhindert, daß sich der Rollenme'chanismus von der Steuerfläche nach oben abhebt.

Im Betrieb nehmen der Betätigungsring 44 und die Rollen 46 die in Fig. 1 dargestellte Stellung ein, wenn der.Hydraulikkolben 42 in der zurückgezogenen oder vorderen Stellung steht. In dieser Stellung befinden sich die Abgasdüsenklappen in der ganz geschlossenen Stellung, während die Düsendrosselflache (A8) und die Austrittsfläche (A9), die den Stellen 17 bzw. 18 zugeordnet sind, auf einem Minimumswert oder nahe diesem stehen. Wie zu ersehen, ist die Austrittsflache A9 geringfügig kleiner als die Drosselfläche A8, so daß sich eine konvergierende Düsengestalt ergibt. Selbstverständlich kann für spezielle Anforderungen durch den Triebwerksbetrieb diese Gestalt unterschiedlich gemacht werden, d.h. in der ganz geschlossenen Stellung kann eine Anordnung in Gestalt einer konvergierenden

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oder divergierenden Düse vorgesehen sein.

Wenn der Hydraulikkolben 42 nach hinton geschoben wird, wird der Betätigungsring 44 nach hinten bewegt, womit sich die
Rollen 4 6 nach hinten über die Steuerfläche 41 abrollen. Damit kann die konvergierende Klappe 23 um das Gelenklager 31
in eine weiter geöffnete Stellung sich verdrehen. Gleichzeitig bewegt sich die Drosselstellen-Verbindung 32 nach außen, während die Druck-Gelenkstelle 37 um das äußere Gelenklager verdreht wird. Die Stellung der Auslaß-Verbindung 33 und damit die Stellung der divergierenden Klappe 26 sowie jene der äußeren Klappe 14 hängen von den Kenngrößen des Verbindungsmechanismus ab und sind insbesondere durch das Druckglied 36 bestimmt, d.h. abhängig von der Länge des Druckgliedes 36 und der Lage der Druck-Gelenkstelle 37 auf dem Außenaufbau 38
der divergierenden Klappe 26 können die divergierende Klappe und die äußere Klappe 24 entsprechend der jeweils gewünschten Weise in der Einwärts- oder Auswärtsrichtung bewegt werden.
Veränderungen der Länge des Druckgliedes 36 oder der Stelle, an der dieses an den Außenaufbau 38 der divergierenden Klappe 26 angeschlossen ist, verändern dieses Bewegungsschema entsprechend. Durch richtige Wahl dieser Parameter kann das jeweils gewünschte Bewegungsschema für einen speziellen Triebwerkszyklus eingestellt werden. Spätere! Änderungen des Triebwerkszyklus kann dadurch Rechnung getragen werden, daß diese Parameter weitere entsprechende Änderungen erfahren. Wie aus Fig. 5 zu entnehmen, kann die ganze Anordnung auch derart abgewandelt werden, daß sich jede der dort repräsentativ dargestellten Bewegungsschema-Kennlinien einstellen läßt. Wenngleich die grundsätzliche Gestalt der jeweiligen Kennlinie festliegt, so können doch wesentliche Veränderungen in dem Flächenverhältnis-Diagramm verhältnismäßig einfach dadurch erreicht werden, daß die Länge und/oder Lage der Druckgliedes verändert
wird.

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Im Vorstehenden wurde die Erfindung lediglich anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben; sie kann aber im Rahmen der Erfindung auch in anderer Gestalt verwirklxcht werden.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Rüger

7300 Esslingen (Neckar), Webergasse 3, Postfach 348 7. April 1978 Telefon

PA 123 rüku ^stu"^{9art (0711)} ™

Telex 07 256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslinnenneckar

Patentansprüche

n) Abgasdüse mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt für Gasturbinen, mit wenigstens einer an einem Abgaskanal angelenkten konvergierenden Klappe und wenigstens einer mit dieser gelenkig verbundenen divergierenden Klappe, wobei die Klappen durch Stellglieder verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Abgaskanal (11) ein erstes Verbindungsglied (28) nach außen ragend starr befestigt ist und an diesem ein zweites Verbindungsglied (36) an seinem einen Ende gelenkig angeschlossen ist, dessen anderes Ende gelenkig mit der divergierenden Klappe (26) verbunden ist und daß die konvergierende Klappe (23) mit einer ihr eine Verschwenkbewegung bezüglich ihrer Gelenkstelle (31) an dem Abgaskanal (11) erteilenden Stellvorrichtung (41, 46, 42, 21) gekuppelt ist..
2. Abgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine außen liegende Klappe (14) aufweist, die an ihrem strömungsaufwärts gelegenen Ende gelenkig mit dem ersten Verbindungsglied (28) und an ihrem strömungsabwärts gelegenen Ende ebenfalls gelenkig mit der divergierenden Klappe (26) verbunden ist.
3. Abgasdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die außen liegende Klappe (14) an dem strömungsabwärts liegenden Ende der divergierenden Klappe (26) angelenkt ist.
4. Abgasdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle zwischen der außen liegenden Klappe (14) und der divergierenden Klappe (26) eine Be-

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wegungsumsetzungseinrichtung (33, 34) angeordnet ist.
5. Abgasdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Verbindungsglied

(36) an einer zwischen den beiden P'.nden der divergierenden Klappe (26) liegenden Zwischenstelle angelenkt ist.
6. Abgasdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zweiten Verbindungsgliedes (36) veränderbar ist.
7. Viergliedrige Hebeljetriebeanordnung für die an einen Abgaskanal anzuschließende Abgasdüse mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt für Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

a) wenigstens eine konvergierende Klappe (23), die an ihrem strömungsaufwärts gelegenen Ende gelenkig mit dem Abgaskanal (11) verbunden ist,

b) wenigstens eine divergierende Klappe (26), die an das strömungsabwärts gelegene Ende der konvergierenden Klappe (23) angelenkt ist,

c) ein feststehendes Verbindungsglied (28), das radial nach außen ragend starr an dem Abgaskanal (11) befestigt ist und

d) wenigstens ein Druckglied (36) , das an seinem einen Ende gelenkig mit dem feststehenden Verbindungsglied (28) verbunden und an seinem anderen Ende an die divergierende Klappe (26) angelenkt ist.
8. Hebelgetriebeanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierende Klappe (23) auf ihrer radial außen liegenden Seite eine gekrümmte Steuerfläche

(41) aufweist.

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9. Hebelgetriebeanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Steuerfläche (41) nach außen konvex ist.
10. Hebelgetriebeanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende Verbindungsglied (28) von den Abgaskanal (11) aus nach hinten ragend angeordnet ist.
11. Hebelgetriebeanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckglied (36) an der divergierenden Klappe (26) an einer zwischen deren strömungsaufwärts und strömungsabwärts gelegenen Enden befindlichen Stelle angelenkt ist.
12. Hebelgetriebeanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckglied (3 6) in seiner Länge veränderbar ist.
13. Hebelgetriebeanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine außen liegende Klappe (14) aufweist, die an ihrem einen Ende an dem feststehenden Verbindungsglied (28) angelenkt und an ihrem anderen Ende mit der divergierenden Klappe (26) gelenkig verbunden ist.
14. Hebelgetriebeanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle zwischen der äußeren Klappe (14) und der divergierenden Klappe (26) eine Einrichtung (33, 34) vorgesehen ist, durch die eine relative Translationsbewegung zwischen den beiden Klappen (14, 26) ermöglicht ist.

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