DE69426601T2

DE69426601T2 - Axial öffnendes zylindrisches abblasventil

Info

Publication number: DE69426601T2
Application number: DE69426601T
Authority: DE
Inventors: Vittorio Bruno; Alan Kostka
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2014-10-14
Also published as: RU2126492C1; DE69426601D1; WO1995010709A1; EP0723630B1; US5380151A; EP0723630A1; JP3682976B2; JPH09503568A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet von Gasturbinen-Motoren, und sie betrifft insbesondere Entlüftungsventile für Gasturbinen-Motoren.

Hintergrund der Erfindung

In Gasturbinen-Motoren (siehe Fig. 1) zum Antreiben von Luftfahrzeugen wird Luft durch Mehrstufen-Kompressoren geleitet, wenn sie durch den Motor zu einem Brenner axial oder radial strömt. Wenn die Luft jede aufeinanderfolgende Kompressorstufe durchsetzt, wird der Druck der Luft erhöht. Unter bestimmten Bedingungen, wie etwa dann, wenn der Motor abgedrosselt wird oder während des Startvorgangs, ist die Luftmenge, die im Brenner benötigt wird, geringer als diejenige, die durch den Kompressor strömt. Unter dieser Bedingung kann ein Motoreinschaltstoß oder ein -durchschlagen auftreten, was den Betrieb des Motors und des zugeordneten Luftfahrzeugs gefährlich macht.
Um diesen Bedingungen entgegenzuwirken, weisen diese Gasturbinen-Motoren in dem Motorengehäuse vor dem Brenner eingebaute Entlüftungsventile auf, die, wenn ein Motordurchschlagen stattfindet, öffnen, um Luftströmung zum Brenner zu reduzieren. Diese Entlüftungsventile weisen zahlreiche Formen auf, ausgehend von einfachen Öffnungen im Kompressorgehäuse, die übe ein bewegliches Ventilelement ausmünden, bis zu Vorrichtungen, die benachbarte Segmente des Motorgehäuses trennen, wodurch dazwischen eine Öffnung erzeugt wird.
Die FR-A-2 209 044 und die EP-A-0 298 015 beschreiben Entlüftungsventile mit einfachen Öffnungen in einem Segment des Kompressorgehäuses, die über ein bewegliches Ventilelement ausmünden. Die Fluidentlüftung wird erreicht, ohne Kompressorgehäusesegmente von einander weg und aufeinander zu zu bewegen, wobei jedoch ein Ventilelement entlang einem Gehäusesegment außer Dichtungseingriff mit diesem bewegt wird.
Ein weiteres Entlüftungsventil gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines beweglichen Segments ist in Fig. 2, 3 und 4 gezeigt. Dieses Entlüftungsventil wird betätigt durch Anlegen einer tangentialen Kraft, die von unter Druck gesetztem Motorkraftstoff abgeleitet wird, und zwar über eine Stange 6 zu einem Verbindungselement 8, welches mit einem beweglichen Element 10 des Motorgehäuses 11 verbunden ist. Die Kraft bewegt das bewegliche Segment 10 in einer Spiralrichtung derart, dass das bewegliche Segment sich tangential um die Luftströmung dreht und das Segment 10 in Richtung auf den Motoreinlaß 13 vortreibt. Wenn das bewegliche Segment 10 sich vom stationären Segment 12 wegbewegt, wird zwischen dem beweglichen Segment 10 und dem stationären Element 12 eine Öffnung 14 erzeugt, wodurch unter Druck stehende Luft freikommt, wodurch der Luftdruck in diesem Abschnitt der Kompressorstufe und folglich der Druck der den Brenner erreichenden Luft verringert wird. Die Relativstellung der beiden Segmente entlang der Achse wird aufrechterhalten durch das Gelenk bzw. Verbindungselement 8 sowie durch zwei weitere Gelenke bzw. Verbindungselemente 16, die um das Äußere des stationären Segments 12 beabstandet sind. Diese Verbindungselemente umfassen ein flaches Metallverbindungselement 18 mit zwei Enden, von denen ein erstes Ende 20 an der Außenseite des stationären Segments 12 über einen Stift 22 und einen Halter 24 befestigt ist, während das zweite Ende 26 mit der Außenseite des beweglichen Segments 10 über einen zweiten Stift 28 verbunden ist, der an einer zweiten Halterung 30 auf der Außenseite des beweglichen Segments 10 angebracht ist. Die Verbindungselemente 16 verbinden das stationäre Segment 12 mit dem beweglichen Segment 10 unter Beibehaltung der Relativstellung der beiden Segmente entlang der Achse während der Betätigung des Entlüftungsventils. Dies ist wesentlich, da die Freiräume innerhalb des Motors beschränkt sind und eine Beschädigung auftreten könnte, wenn die Segmente aus ihren Relativstellungen heraus bewegt werden würden. Um zur Aufrechterhaltung der Stellung der beiden Segmente während der Betätigung beizutragen, werden außerdem Halterungsstoßdämpfer 32 verwendet. Diese umfassen einen L-förmigen Überhang oder Arm 34, der an die beweglichen Segmente 10 derart befestigt ist, dass das distale Ende 36 des Überhangs unter der Lippe 38 des stationären Segments 12 zu liegen kommt und sich in Kontakt mit einer Zunge 40 befindet, die auf der Außenseite des stationären Segments 12 unmittelbar unter der Lippe 38 des stationären Segments zu liegen kommt. Das Ende des Überhangs 36 weist eine Abdeckung 46 aus reibungsverringerndem Material auf, um die Reibung zwischen der Zunge und dem Überhang zu verringern, wenn das bewegliche Segment sich während des Öffnungs- und Schließvorgangs dreht. Um sicherzustellen, dass die Dichtung tatsächlich abgedichtet ist bzw. abdichtet, sind in beiden Passflächen 42 und 44 Stege und Nuten 48 gebildet, die, wenn das Ventil geschlossen ist, die Dichtung zwischen den beiden Oberflächen verbessern.
Während einer potentiellen Einschaltstoßbedingung oder einer anderen Bedingung, wenn das Entlüftungsventil offen stehen muss, muss das Ventil rasch und verzögerungsfrei ansprechen.
Obwohl die Konstruktion gemäß dem Stand der Technik angemessen ist, besteht angesichts der aus dem Kraftstoffdruck zur Verfügung stehenden Kraft zur Betätigung des Ventils und der heißen schmutzigen Umgebung, in welcher diese Ventile arbeiten, ein Bedarf an Verbesserungen zur Verringerung der Kraft, die erforderlich ist, um die Ventile zu betätigen, und um Störungen zu vermeiden aufgrund der Verschmutzung, die zu einer Verlangsamung des Ansprechverhaltens der Ventile führt. Außerdem erlauben die mechanischen Verbindungselemente, die zum Steuern der Bewegung des beweglichen Segments verwendet werden, mehr als das optimale Ausmaß an lateraler bzw. seitlicher Bewegung. Die Zungen und Überhänge, die an den Entlüftungsventilsegmenten befestigt sind, führen zu einem erhöhten Gewicht und erfordern zusätzliche Bearbeitungsvorgänge bei der Herstellung des Ventils, was zu zusätzlichen Herstellungskosten beiträgt. Auf diesem Gebiet der Technik besteht deshalb ein Bedarf an einem verbesserten System zum Öffnen und Schließen des Entlüftungsventils der genannten Art zur Verringerung der Kraft, die erforderlich ist, um das Ventil zu öffnen, und um die Relativbewegung des beweglichen Segments zu verbessern, und das bei der Herstellung kostengünstiger ist.
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die für den Einbau in einen Gasturbinen-Motor ausgeführt ist, um druckbeaufschlagtes Gas aus diesem Motor zu entlüften, der eine oder mehrere Kompressorstufen innerhalb eines Gehäuses besitzt, das einen Axialgasströmungsweg für durch die Kompressorstufen druckbeaufschlagtes Gas definiert, wobei die Vorrichtung ein erstes Gehäusesegment angrenzend an ein zweites Gehäusesegment umfasst, wobei beide Gehäusesegmente ringförmig ausgebildet und bei Verwendung koaxial zur Mittenachse des Motors und mindestens einer der Kompressorstufen nachgeschaltet angeordnet sind, wobei das erste Gehäusesegment entlang der Mittenachse des Motors zwischen einer ersten Position, in der ein abdichtender Eingriff mit dem zweiten Gehäusesegment entlang seiner angrenzenden Oberfläche erfolgt, und einer zweiten, vom zweiten Gehäusesegment entfernten Position beweglich ist, so dass in dem Gehäuse zwischen angrenzenden Oberflächen der Gehäusesegmente eine Öffnung entsteht, die ein Entlüften von druckbeaufschlagtem Gas ermöglicht, wobei mindestens ein Arm und eine oder mehrere Rollen am ersten Gehäusesegment befestigt sind; ein entsprechender Weg im zweiten Gehäusesegment für die oder jede Rolle vorgesehen ist, über den sich jede entsprechende Rolle bewegt, um das erste Gehäusesegment in seiner Bewegung zwischen der ersten Position und der zweiten Position festzulegen; und eine mechanische Verbindung zur Kraftausübung auf den Arm vorgesehen ist, um zu bewirken, dass sich das erste Gehäusesegment, während es durch die Rolle(n) in dem Weg/den Wegen aufgefunden wird, zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegt, um die Öffnung im Gehäuse zu schaffen, so dass das Entlüften des druckbeaufschlagten Gases erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Gehäusesegment und dem zweiten Gehäusesegment bei Verwendung um Wände des Primärgaswegs des Motors handelt.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft eine verbesserte Einrichtung zum Betätigen des Entlüftungsventils gemäß dem Stand der Technik mit zwei Segmenten, von denen eines beweglich und eines stationär ist. Durch Einsatz der Erfindung ist es deshalb möglich, das Ventil mit geringerer Kraft, als dies bislang erforderlich war, zu öffnen. Dies wird erzielt durch Anlegen einer Kraft an das bewegliche Segment des Ventils, wobei die Kraft das bewegliche Segment um die Achse des Motors zwangsweise koaxial in Drehung versetzt. Wenn das bewegliche Segment beginnt, sich zu drehen, werden Rollen, die an dem beweglichen Segment unter einem vorbestimmten Winkel befestigt sind, und die in gewinkelten Wegen reiten, die auf der Außenseite des stationären Segments gebildet sind, zwangsweise entlang dem Weg bewegt, wodurch dem beweglichen Segment eine axiale Bewegung auferlegt wird. Dies veranlasst das bewegliche Segment dazu, sich in einer spiralförmigen Bewegung weg von dem stationären Segment zu bewegen, wodurch zwischen dem stationären Segment und dem beweglichen Segment eine Öffnung erzeugt wird, durch welche komprimierte Luft hindurchtreten kann.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Turbinenmotors unter Verwendung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Entlüftungsventils gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Verbindungselements bzw. -gelenks des Entlüftungsventils gemäß dem Stand der Technik in offener Stellung.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Verbindungselements bzw. -gelenks des Entlüftungsventils gemäß dem Stand der Technik in geschlossener Stellung.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Entlüftungsventils in der geschlossenen Stellung.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Entlüftungsventils in geöffneter Stellung.
Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Entlüftungsventils in geschlossener Stellung.
Fig. 8 zeigt eine Ansicht in Richtung des Pfeils 8 in Fig. 7.
Fig. 9 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Entlüftungsventils in der geöffneten Stellung.
Fig. 10 zeigt eine Ansicht in der Richtung des Pfeils 10 in Fig. 9.
Fig. 11 zeigt einen Querschnitt einer Rolle.
Die vorliegende Erfindung lässt sich am besten unter Bezug auf Fig. 5 bis 11 verstehen. Fig. 5 und 6 zeigen perspektivische Ansichten der vorliegenden Erfindung mit einem beweglichen Segment 10 und einem stationären Segment 12, jeweils entsprechend dem Stand der Technik, wobei das bewegliche Segment vor dem stationären Segment zu liegen kommt. Wenn, wie in Fig. 5 gezeigt, das Entlüftungsventil sich in der geschlossenen Position befindet, wird die gesamte komprimierte Luft aus den Kompressoren vor dem Entlüftungsventil durch das Entlüftungsventil entlang der Mittenachse des Motors zu dem (nicht gezeigten) Brennerabschnitt hinter dem Entlüftungsventil geleitet. Wenn das Entlüftungsventil geöffnet ist, wird, wie in Fig. 6 gezeigt, ein Teil der komprimierten Luft, die axial durch den Motor strömt, durch die Öffnung 14 im Nebenschluß geführt, die in dem Entlüftungsventil gebildet ist.
Das Ventil wird durch Anlegen einer Kraft, bevorzugt einer Kraft tangential zur Mittenachse, an das bewegliche Element 10 betätigt, die ausreicht, um das bewegliche Element 10 zwangsweise um die Mittenachse zu drehen. In der Praxis wird die Kraft bevorzugt aus dem Kraftstoffdruck erzeugt und an das bewegliche Segment über eine Stange 6 angelegt, die mit einem Flansch 50 verbunden ist, und zwar über einen Stift 52 und eine Rollenverbindung 54, die mit dem beweglichen Segment 10 fest verbunden ist. Wenn das bewegliche Segment 10 sich zu drehen beginnt, reitet eine Reihe von Lagern 56, die an dem beweglichen Segment 10 befestigt ist, in einem Weg 58, entlang der Oberfläche des stationären Segments 12. Der Weg 58 ist unter einem Winkel derart vorgesehen, dass, wenn die Rollen 56 entlang dem Weg 58 reiten, das bewegliche Segment 10 veranlasst wird, sich axial sowie tangential zu bewegen, wodurch die beiden Segmente veranlasst werden, die Öffnung 14 zwischen ihnen zu teilen und zu erzeugen, wie in Fig. 9 gezeigt.
Wie aus Fig. 7 bis 11 hervorgeht, sind die Rollen 56 an Armen 60 mittels Stiften 62 angebracht. Der Innenlaufring der Rolle 56 befindet sich im Presssitz auf dem Stift 62, während der Außenlaufring 66 der Rolle 56 in dem Weg 58 reitet und sich über die Lager 64 bewegt. Diese Wege können zahlreiche Formen annehmen. Der eine hier gezeigte ist in die Oberfläche des Gehäuses eingearbeitet, während die anderen auf der Oberfläche des Gehäuses gebildet werden können. Die bevorzugten Rollen sind herkömmliche gedichtete Lager, welche die Wahrscheinlichkeit verringern, dass Verschmutzung in den Rollenaufbau eindringt und Probleme erzeugt.
Die vorliegend dargestellte Ventilkonstruktion weist drei Rollen und drei Wege auf, die gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Abhängig von den Konstruktionskriterien können mehrere derartige Lager verwendet werden. Die Lager verringern nicht nur die Kraft, die erforderlich ist, das Ventil zu betätigen, im Vergleich zu derjenigen bei der Konstruktion des Standes der Technik; vielmehr behalten sie die Relativposition der zwei Gehäusesegmente derart bei, dass sie in axialer Ausrichtung während des Öffnungs- und Schließvorgangs bleiben. Die Position der Wege und des Winkels, unter welchem sie angeordnet sind, hängt von der Distanz des zu öffnenden Ventils und der Länge des Hubs ab, der erforderlich ist, das Lager entlang dem Weg zu bewegen. Üblicherweise liegt der Winkel des Wegs zwischen etwa 25 bis etwa 80º zur Mittenachse des Motors, wobei etwa 45º bevorzugt sind.
Ein Test zwischen dem Entlüftungsventil gemäß dem Stand der Technik und demjenigen gemäß der vorliegenden Erfindung wurde vorbereitet, um die Energiemenge zu ermitteln, die erforderlich ist, das jeweilige Ventil zu betätigen. Der Test umfasste das Anordnen von sowohl dem Ventil gemäß dem Stand der Technik wie dem Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung auf einem Tisch, wobei das stationäre Element horizontal zur Oberfläche des Tisches verläuft. Ein 40-Pfund-Gewicht wurde auf dem beweglichen Segment 10 angeordnet. Daraufhin wurde das Ventil betätigt durch Anlegen einer Kraft, die ausreicht, das Ventil zu öffnen, und durch Messen der Krafthöhe, die in jedem Fall erforderlich ist. Die Ergebnisse waren derart, dass das Ventil gemäß dem Stand der Technik eine Kraft von 90 Pfund zur Betätigung erforderte, während die vorliegende Erfindung lediglich 40 Pfund erforderte. Dies entspricht einer Verringerung größer als 50% derjenigen Kraft, die erforderlich ist, das Ventil zu öffnen. Dies führt zu einem schnelleren, besser ansprechenden Ventil. Zusätzlich zum Ersetzen der Gelenke gemäß dem Stand der Technik durch die Lager gemäß der vorliegenden Konstruktion besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit einer Störung aufgrund von Umweltverschmutzung. Durch Bewegen der Lager in den Wegen werden die Relativpositionen der Segmente derart beibehalten, dass die Stoßdämpfer 32 gemäß dem Stand der Technik nicht länger erforderlich sind, wodurch die Herstellungskosten für das Ventil verringert sind.

Claims

1. Vorrichtung, die für den Einbau in einen Gasturbinen-Motor ausgeführt ist, um druckbeaufschlagtes Gas aus diesem Motor zu entlüften, der eine oder mehrere Kompressorstufen innerhalb eines Gehäuses besitzt, das einen Axialgasströmungsweg für durch die Kompressorstufen druckbeaufschlagtes Gas definiert, wobei die Vorrichtung ein erstes Gehäusesegment (10) angrenzend an ein zweites Gehäusesegment (12) umfaßt, wobei beide Gehäusesegmente (10, 12) ringförmig ausgebildet und bei Verwendung koaxial zur Mittelachse des Motors und mindestens einer der Kompressorstufen nachgeschaltet angeordnet sind, wobei das erste Gehäusesegment (10) an der Mittelachse des Motors entlang zwischen einer ersten Position, in der ein abdichtender Eingriff mit dem zweiten Gehäusesegment (12) an seiner angrenzenden Oberfläche entlang erfolgt, und einer zweiten, vom zweiten Gehäusesegment (12) entfernten Position bewegbar ist, so daß in dem Gehäuse zwischen angrenzenden Oberflächen der Gehäusesegmente (10, 12) eine Öffnung (14) entsteht, die ein Entlüften von druckbeaufschlagtem Gas ermöglicht, wobei:

mindestens ein Arm (50) und eine oder mehrere Rollen (56) am ersten Gehäusesegment (10) befestigt sind;

ein entsprechender Weg (58) im zweiten Gehäusesegment (12) für die oder jede Rolle (56) vorgesehen ist, über den sich jede entsprechende Rolle (56) bewegt, um das erste Gehäusesegment (10) in seiner Bewegung zwischen der ersten Position und der zweiten Position festzulegen; und

eine mechanische Verbindung (6, 52) zur Kraftausübung auf den Arm (50) vorgesehen ist, um zu bewirken, daß sich das erste Gehäusesegment (10), während es durch die Rolle(n) (56) in dem Weg/den Wegen (58) aufgefunden wird, zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegt, um die Öffnung (14) im Gehäuse zu schaffen, so daß das Entlüften des druckbeaufschlagten Gases erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem ersten Gehäusesegment und dem zweiten Gehäusesegment (10, 12) bei Verwendung um Wände des Primärgaswegs des Motors handelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Weg oder die Wege (58) zwischen etwa 25 Grad bis etwa 80 Grad tangential zum Axialströmungsweg ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch die in einer tangentialen Richtung ausgeübte Kraft.