DE2925114A1

DE2925114A1 - Verstellduese fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2925114A1
Application number: DE19792925114
Authority: DE
Inventors: John Matthew Hall
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-06-24
Filing date: 1979-06-22
Publication date: 1981-01-29
Also published as: IT1120435B; IT7949477A0; FR2453983A1; US4311276A; JPS5537591A

Description

nra. K. HOL.ZEB

PHILIPFINB-WBtSBB- BTHASSR 14

8800 AUGSBURG

TET/EFOH Β1β47β TBt-EX 633302 paiol t

R.1033

29251U

Augsburg, den 21. Juni 1979

Rolls-Royce Limited, 55 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Verstelldüse für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Strahlrohr- und Austrittsdüsenanordnung mit veränderlichem Austrittsdüsenquerschnitt für Gasturbinentriebwerke nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches .

Eine derartige Anordnung ist in der GB-P3 1 2?8 801 beschrieben. Bei dieser bekannten Anordnung sind die Düsenklappen eines den jeweiligen Austrittsquerschnitt der Schubdüse bestimmenden Düsenklappenkranzes mit ihren stromauf

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gerichteten Enden an einem Strahlrohr angelenkt. Zwischen den Düsenklappen und einer diese umgebenden, axial verschiebbaren äußeren Verkleidung ist ein Leitkurven- und Rollenmechanismus angeordnet, der bei axialer Verschiebung der äußeren Verkleidung relativ zur Schubdüse eine Verschwenkung der üüsenklappen im Sinne einer Änderung des Austrittsquerychnitts der Schubdüse bewirkt.

Die Leitkurven sind jeweils an der Außenseite des betreffenden Düsenklappenblattes angeordnet und die äußere Verkleidung umgreift diese radial äußeren Anordnungen an den DUsenklappen. Auch der Düsenklappen-Verstellmechanismus, der die Verschiebung dieser äußeren Verkleidung bewirkt, ist radial außerhalb des Strahlrohres angeordnet und durch eine gesonderte äußere Verkleidung abgedeckt.

Der Umstand, daß die axial verschiebbare äußere Verkleidung sich radial außerhalb des Strahlrohres um dieses herum erstreckt, bedingt, daß der Durchmesser des stromauf gelegenen Endes dieser Verkleidung größer als der größte Durchmesser des von dieser Verkleidung umgebenen Strahlrohres sein muß, und dieser Durchmesser ist tatsächlich häufig wesentlich größer als der größte Strahlrohrdurchmesser. Dadurch wird selbstverständlich auch der Durchmesser des ge-

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samten Triebwerks wesentlich vergrößert.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Strahlrohr- und Austrittsdüsenanordnung mit veränderlichem Austrittsdüsenquerschnitt der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart derart zu verbessern, daß zwecks Verbesserung der Luftwiderstanciseigensc haften des Triebwerks auf eine radial außerhalb der Düsenklappen gelegene, axial verschiebbare äußere Verkleidung verzichtet werden kann und auch der Düsenklappen-Verstellmechanismus radial innerhalb der im übrigen stets vorgesehenen Strahlrohrverkleidung bzw. innerhalb der das Triebwerk tragenden Plugzeugkonstruktion angeordnet werden kann, falls das Triebwerk vollständig von der Plugzeugkonstruktion umfaßt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches unter Schutz gestellte Merkmalskombination gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird gegenüber Anordnungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches der technische Portschritt erzielt, daß

a) sowohl auf eine axial verschiebbare, radial äußere Verkleidung der Düsenklappen als auch auf eine weitere

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Verkleidung noch größeren Durchmessers zur Abdeckung des Betätigungsmechanismus für die Düsenklappen verzichtet werden kann,

b) die Betätxgungsglieder für die Düsenklappen in einer kühleren Umgebung untergebracht werden können, da man sie dann durch die den Nachbrennermantel kühlende Kühlluft mitkühlen kann, und

c) bei der Anordnung von zwei Triebwerken die beiden Triebwerke näher aneinander angeordnet werden können, wodurch sich der Basiswiderstand des Triebwerkspaares insgesamt verringert.

Die einzelnen Düsenklappen können jeweils entweder mittels eines zwischen ihren beiden Enden an ihnen befestigten Gelenkes am stromabseitigen Ende des Strahlrohres angelenkt sein oder auch axial verschiebbar und mit Bezug auf das stromabseitige Ende des Strahlrohres schwenkbar angeordnet sein. Nach einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung können die Düsenklappen jeweils auf einer geneigten Führung geführt sein, längs welcher sie in den Gasstrom hinein bzw. aus diesem herausgeschoben werden können, der am Ende des Strahlrohres austritt.

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Der Verstellmechanismus gehört vorzugsweise einer Bauart an, bei welcher eine Anzahl von Druckmittel-Zylinder-Kolbenanordnungen die Verschiebung eines Verstellringes bewirkt, der seinerseits wiederum wirkungsmäßig mit den einzelnen Düsenklappen verbunden ist.

Das Strahlrohr und der Düsenklappen-Verstellmechanismus werden, wenn sie an das betreffende Triebwerk angebaut sind, zweckmäßig durch eine äußere aerodynamisch gestaltete Verkleidung abgedeckt, welche den Luftwiderstand verringert und in Stromabrichtung bis zum Ende des Strahlrohres so verläuft, daß sie die Düsenklappen in deren dem größten Düsenaustrittsquerschnitt entsprechenden Stellung entweder ganz oder zumindestens größtenteils abdeckt. Diese Verkleidung kann, anstatt am Triebwerk selbst angeordnet zu sein, auch ganz oder teilweise dem Flugzeugrumpf oder der Flügelkonstruktion des betreffenden Flugzeugs angehören, in welche das Triebwerk einbezogen ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Düsenklappen an dem stromabseitigen Ende des Strahlrohres angelenkt und die stromauf der Anlenkstellen gelegenen Teile der Düsenklappen weisen an ihren radial inneren Flächen Leitkurven auf, längs welchen am Verstellring gelagerte Rollen geführt sind, welche bei axialer

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Verschiebung des Verstellringes die Düsenklappen verstellen. Falls gewünscht, kann die Anordnung der Verstellrollen und der Leitkurven umgekehrt sein, d.h. die Leitkurven können am Verstellring und die Rollen an den jeweiligen Düsenklappen angeordnet sein.

Für den Fall, daß die stromauf weisenden Dusenklappenteile in verschwenktem Zustand der Düsenklappen eine Stellung einnehmen würden, in welcher sie an der äußeren Verkleidung, des Strahlrohres anstoßen würden, kann diese äußere Verkleidung jeweils an den betreffenden Stellen mit radial nach außen ragenden, aerodynamisch entsprechend gestalteten Ausbuchtungen versehen sein, in welche diese Dusenklappenteile beim Verschwenken eintreten können. Dadurch wird ebenfalls der Luftwiderstand des Triebwerks verringert.

Die Erfindung wird nunmehr nachstehend in ihren Einzelheiten unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben, in welchen

Fig. 1 einen schematischen Axialhalbschnitt

durch eine erfindungsgemäß gestaltete Strahlrohr- und Austrittsdüsenanordnung zeigt, aus welchem auch die Anordnung des Verstellringes und der

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Anlenkstellen der Düsenklappen ersieht, lieh ist,

Fig. 2 ein schematiseher Axialhalbschnitt

ähnlich Fig. 1 ist, aus welchem die Anordnung der Druckmittel-Zylinder-Kolbenanordnungen zur Verschiebung des Verstellringes ersichtlich ist,

Fig. 3 eine schematische Rückansicht der

in Fig. 1 gezeigten Anordnung, in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1 gesehen, zeigt, gemäß welcher sich die Düsenklappen in einer dem kleinsten Düsenaustrittsquerschnitt entsprechenden Stellung befinden, und

Fig. 4 eine Rückansicht ähnlich Fig. 3 zeigt,

welche jedoch die Düsenklappen in einer Stellung darstellt, welche dem größten Düsenaustrittsquerschnitt entspricht.

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Die in den Zeichnungen dargestellte, allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Verstelldüse ist an einem Strahlrohr 12 eines Gasturbinen-Strahltriebwerks angeordnet. Dieses Strahltriebwerk selbst ist von üblicher Bauart und deshalb in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Das Strahlrohr 12 ist von einer äußeren Verkleidung Ik umgeben, welche auch das Strahltriebwerk umgibt und aus den Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß das Strahlrohr stromauf der Austrittsdüse stark auf einen kleineren Durchmesser verengt ist. Durch diese Strahlrohrverengung wird Raum innerhalb der Verkleidung 14 geschaffen, in welchem der Düsenverstellmechanismus untergebracht ist. Die Strahldüse und deren Verstellmechanismus befinden sich also entweder ganz oder nahezu ganz innerhalb der Verkleidung, deren größter Durchmesser gleich dem größten Durchmesser des Strahlrohres selbst ist. Die größte Tiefe des durch diese Verengung des Strahlrohres auf einen kleineren Durchmesser erzielten Freiraumes ist gleich dem größten Durchmesser der Strahldüsenverengung, d.h. dem Durchmesser dieser Verengung, welchen diese hat, wenn sich die Verstelldüse in der Stellung ihres größten Austrittsquerschnittes befindet. Das Strahlrohr darf jedoch nicht auf einen Durchmesser verengt sein, der kleiner als dieser größte Durchmesser der Strahldüsenverengung ist. Das stromab weisende Ende der äußeren Ver-

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ORIGINAL INSPECTED

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kleidung verläuft unter einem üblichen Heckwinkel c< zur Triebwerksachse, wodurch der Luftwiderstand des Triebwerks weiter verringert wird.

Die Strahldüse weist einen Düsenklappenkranz auf, der von einer Anzahl einzelner Düsenklappen 16 gebildet wird, die jeweils am stromab gelegenen Ende des Strahlrohres 12 so angelenkt sind, daß ihre stromab weisenden Enden einen den Strahldüsenauslaß bildenden Düsenklappen-Blattkranz bilden, während ihre stromauf weisenden Enden über das Strahlrohr hinausragen·

Die einzelnen Düsenklappen 16 haben jeweils die Form eines querschnittsmäßig einem umgekehrten T ähnelnden Körpers, der bei 22 am Strahlrohr 12 angelenkt ist. Ln dem stromab der Anlenkstelle 22 gelegenen Bereich der Düsenklappe ist der den Querbalken des T bildende Teil der Düsenklappe zu einem in der Ansicht rechteckigen Düsenklappenblatt l8 erweitert. Die Bezeichnungen "stromauf" und "stromab" beziehen sich auf die Strömungsrichtung des die Verstelldüse durchströmenden Gasgemisches.

An den radial inneren Flächen der stromauf weisenden, den T-Querbalken bildenden Dusenklappenteile 20 sind Leitkurven 24 gebildet, an welchen Rollen 20 eines Verstell-

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ringes 30 anliegen. Der Verstellring 30 ist axial stromauf bzw. stromab mit Bezug auf das Strahlrohr verschiebbar, wobei diese Verschiebung des Verstellringes 30 mittels in Fig. 2 dargestellter Druckmittel-Zylinder-Kolbenanordnungen erfolgt. Dem Verstellring 30 sind jeweils je Düsenklappe 16 zwei Rollen 26 zugeteilt, die auf den Leitkurven 24 dieser Düsenklappen laufen und beispielsweise bei einer Verschiebung des Verstellringes 30 aus der in Pig. I dargestellten Stellung in Stromabrichtung eine Verschwenkung der einzelnen Düsenklappen 16 aus der dem größten Düsenaustrittsquerschnitt entsprechenden, in Fig. 1 in vollen Linien dargestellten Stellung in die dem kleinsten Düsenaustrittsquerschnitt entsprechende, in gestrichelten Linien angedeutete Stellung bewirken. Die Anlage der Leitkurven 24 der Düsenklappen an den ihnen zugeordneten Rollen des Verstellringes 30 wird durch den Gasdruck sichergestellt, der beim Betrieb der Schubdüse stets versucht, die einzelnen Düsenklappen in ihre dem größten Düsenaustrittsquerschnitt entsprechende Stellung zu drängen.

Damit die Verkleidung 14 einen günstigen Heckwinkel bekommt, ist sie mit ihrem stromabseitigen Ende unter einem Winkel 2 . <*. von beispielsweise 15 ° kegelig ausgebildet. Um zu vermeiden, daß eine Verschwenkung der Düsenklappen l4 durch das stromauf gelegene Ende der Schubdüsenverkleidung behindert wird, sind in dieser radial äußere

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Ausbuchtungen 34 vorgesehen, welche die stromauf weisenden Enden 20 der Düsenklappen 16 in deren dem kleinsten Düsenaustrittsquerschnitt entsprechender Stellung aufnehmen. Jeweils zwischen diesen Ausbuchtungen hat die Verkleidung 14 jedoch, wie insbesondere aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, ihre zuvor beschriebene kegelige Form.

Die einzelnen Düsenplattenblätter können die Fortsetzung eines Nachbrennerfutters 39 bilden, welches im Strahlrohr 12 vorgesehen ist. In der in Fig. 1 in gestrichelten Linien gezeigten, dem kleinsten Düsenaustrittsquerschnitt entsprechenden Stellung bilden die Düsenklappenblätter 18 eine konvergente Düse für den Strahldüsenbetrieb des Triebwerks ohneNachverbrennung, in welchem Falle sich die Strahldüsenverengung am Düsenauslaß befindet. In der in Fig. 1 in voll ausgezogenen Linien dargestellten, dem größten Düsenaustrittsquerschnitt entsprechenden Stellung ist die Schubdüse nur geringfügig konvergent, wobei nunmehr die am Düsenaustrittsende gelegene Düseriverengung einen größeren Durchmesser hat. In Abwandlung dessen kann jeweils abhängig von den bei Nachbrennerbetrieb auftretenden Strömungsbedingungen an der Stelle des größten Düsenaustrittsquerschnitts eine konvergent-divergente Düse gebildet werden, indem das Nachbrennerfutter geringfügig konvergent ausgebildet wird und die Düsenklappenblätter so im Sinne

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einer Divergenz abgebogen sind, daß die Engstelle der so gebildeten konvergent-divergenten Schubdüse an der Stelle der Düsenklappen-Anlenkstellen liegt.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß sowohl die Druckmittel-Zylinder-Kolbenanordnun^en 32 als auch der Verstellring 30 von dem zwischen dem Strahlrohr 12 und der umgebenden Verkleidung 14 gebildeten Raum aufgenommen werden. Die einzelnen Druckmittel-Zylinder-Kolbenanordnungen sind an einem Versteifungsring 35 der Verkleidung mittels Schraubbolzenlenkern angelenkt, die ihrerseits in Muttern 36 verschraubbar sind, welch letztere bei 38 am Verstellring 30 angelenkt sind.

Aus den Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß jeweils zwischen den Dusenklappenblättern 18 Zwischenblätter 40 angeordnet sind, die mittels abgewinkelter Enden von Versteifungsrippen 42 zwischen zusammen jeweils entsprechende Führungsnuten bildende Versteifungsrippen 44 der Düsenklappenblätter l8 eingreifen. Die Passung ist in diesen Führungen so weit, daß die jeweils aneinander angrenzenden Düsenblätter leicht die bei Verstellung der Schubdüse erforderlichen gegenseitigen Relativbewegungen ausführen können.

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Die Düsenklappenblatter können, anstatt in der soeben beschriebenen Weise zwischen ihren Enden fest angeordnete Anlenkpunkte aufzuweisen, auch so ausgebildet sein, daß sie sich verschieben und beispielsweise gleichzeitig um das stromab gelegene Ende des Strahlrohres schwingen können. In diesem Fall greifen dann die Lenker der Druckmittel-Zylinder-Kolbenanordnungen an den stromauf weisenden Enden der Düsenklappenblatter an.

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Claims

Patentansprüche

(l.) Strahlrohr- und Austrittsdüsenanordnung mit veränderlichem Austrittsdüsenquerschnitt, für Gasturbinentriebwerke, mit einer Anzahl von am stromabseitigen Ende des Strahlrohres angeordneten, verstellbaren Düsenklappen, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohr (12) in einem stromauf der Austrittsdüse (10) gelegenen Bereich so verengt ist, daß sein stromab dieser Verengung gelegener Teil auf etwa gleichen, jedoch nicht kleineren Durchmesser als denjenigen des größten einstellbaren Querschnitts der Austrittsdüse vermindert ist, daß ferner die Düsenklappen (16) jeweils einen über das stromabseitige Ende des Strahlrohres in Stromaufrichtung hinausragenden Klappenteil (20) aufweisen und daß ein um die Strahlrohrverengung herum angeordneter Düsenklappen-Verstellmechanismus (26...3^) jeweils an diesem stromauf gerichteten Düsenklappenteil angreift.

2, Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenklappen (l6) jeweils an einer zwischen ihren beiden Enden gelegenen Stelle (22) am stromabseitigen Ende des Strahlrohrs (12) angelenkt sind und daß der Düsenklappen-Verstellmechanismus (26...32) einen das Strahlrohr umgreifenden, verschiebbaren Verstellring (30) aufweist, der

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über entsprechende Kraftübertragungsglieder (26) auf die einzelnen Düsenklappen einwirkt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da/i die Kraftübertragungsglieder jeweils in einer am Verstellring (30) gelagerten, mit einer an der radial inneren Fläche (24) des stromauf gerichteten Teils (20) der betreffenden Düsenklappe (16) zusammenwirkenden Rolle (26) bestehen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine das Strahlrohr (12), den Düsenklappen-Verstellmechanismus (26...36) und die Düsenklappen (16) zumindestens in deren dem größten einstellbaren Düsenaustrittsquerschnitt entsprechenden Stellung überdeckende, radial äußere Verkleidung (I²O.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Verkleidung (14) mit radial nach außen ragenden Ausbuchtungen (34) versehen ist, welche die stromauf gerichteten Teile (20) der Düsenklappen (l6) in ihrer dem kleinsten einstellbaren Austrittsdüsenquerschnitt entsprechenden Stellung aufnehmen.

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