DE102006019299B3

DE102006019299B3 - Ummanteltes Turbofan-Flugzeugtriebwerk

Info

Publication number: DE102006019299B3
Application number: DE200610019299
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Plohr; Tom Dipl.-Ing. Otten
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-04-27

Abstract

Das Flugzeugtriebwerk weist ein Kerntriebwerk (10) auf, durch die ein Hauptstromweg (13) verläuft. Zwischen dem Mantel (11) des Kerntriebwerkes (10) und einem Außengehäuse (20) verläuft ein Nebenstromweg (21) durch eine Schubdüse (23). Eine Verstellvorrichtung (30) bewirkt eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Schubdüse (23) sowie eine Änderung der Düsenkontur. Dadurch kann eine Verminderung des Strahllärms, insbesondere in der Startphase des Flugzeugs, erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein ummanteltes Turbofan-Flugzeugtriebwerk mit einem durch ein Kerntriebwerk führenden Hauptstromweg und einem um das Kerntriebwerk herum führenden Nebenstromweg, welcher nach außen durch ein Außengehäuse begrenzt wird, welches eine konvergierende Ausschubdüse bildet.
Der Lärm während eines Flugzeugstarts wird zu großen Teilen durch den Strahllärm verursacht. Diese Schallleistung ist abhängig von der Austrittsgeschwindigkeit. Eine Vergrößerung des Düsendurchmessers bewirkt eine Senkung des Düsendruckverhältnisses (Fandruckverhältnis), woraus direkt eine Senkung der Austrittsgeschwindigkeit folgt. Außerdem steigt der Massenstrom an, so dass der Schub in etwa erhalten bleibt. Im Gegensatz zum Start würde im Reiseflug aber eine größere Düse eine Verschlechterung des Triebwerksverhaltens zur Folge haben.
GB 1 545 901 A beschreibt ein Turbofan-Flugzeugtriebwerk mit einer Verstellvorrichtung zur Verstellung des Nebenstromweges. Die Verstellvorrichtung dient dazu, die Ausströmöffnung der Nebenstromdüse zu verändern. Sie weist Flügel auf, die die Düsenöffnung bilden und deren Anstellwinkel zwischen einer optimalen Take-off-Position und einer optimalen Reiseposition verändert wird.
DE 89 15 860 U1 beschreibt ein Strahltriebwerk mit einer verstellbaren Primärdüse für den Hauptstrom einer Gasturbine. Die Primärdüse kann im Querschnitt blütenförmig oder sternförmig ausgebildet und im Querschnitt veränderbar sein. Sie kann aus faltbaren Elementen bestehen. Die Primärdüse kann ferner kreisrund konvergent ausgeführt sein.
In GB 874,496 A ist ein Triebwerk mit einer faltbaren Antriebsstrahldüse beschrieben, die eine Anzahl von faltbaren bzw. schwenkbaren Elementen aufweist, die unterschiedliche Düsenkonfigurationen ohne wesentliche Änderung der wirksamen Düsenaustrittsfläche ermöglichen. Dadurch soll eine Lärmverminderung erreicht werden.
GB 906,792 A beschreibt eine komplexe Verstellvorrichtung für eine Strahltriebwerksdüse mit seitlich auffaltbaren Segmenten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ummanteltes Turbofan-Flugzeugtriebwerk zu schaffen, das im Stande ist, in der Startphase den Lärm zu reduzieren, ohne dass beim Reiseflug eine Beeinträchtigung der Triebwerksleistung erfolgt, wobei eine Verstellvorrichtung von vereinfachtem Aufbau aufweist.
Das Flugzeugtriebwerk der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach weist die Nebenstromdüse und/oder die Primärdüse eine Verstellvorrichtung zur Veränderung ihrer wirksamen Austrittsfläche auf. Die Verstellvorrichtung besteht aus relativ zueinander verdrehbaren Ringen, die konturierte Hinterkanten aufweisen und eine Schließstellung einnehmen können, in der der Durchmesser der Austrittsdüse klein ist, und eine Öffnungsstellung, in der dieser Durchmesser groß ist. Durch die Verstellvorrichtung kann der Durchmesser der Austrittsdüse verändert werden, und zwar auch während des Fluges. Dadurch ist es z. B. möglich, beim Start bzw. Take-Off eine große Nebenstrom-Düsenfläche einzustellen, während des Reisefluges aber eine kleinere Düsenfläche. Eine Vergrößerung der Nebenstrom-Düsenfläche bewirkt eine Senkung des Düsendruckverhältnisses (Fandruckverhältnis) woraus direkt eine Senkung der Austrittsgeschwindigkeit folgt. Außerdem steigt der Massenstrom an, so dass der Schub im wesentlichen erhalten bleibt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verstellvorrichtung bei vergrößerter Fläche der Düse eine gezackte Austrittsöffnung bildet. Während des Starts kann durch die gezackten oder kronenförmigen Düsen (Chevrons etc.) der Strahl schneller mit der Umgebungsluft vermischt werden. Dies sorgt für einen raschen Abbau der Geschwindigkeiten und damit für Lärmvorteile. Im Reiseflug hingegen ist ein ungezackter Düsenrand vorteilhafter, da hier der Strömungswiderstand geringer ist.
Die Ringe der Verstellvorrichtung können unterschiedliche Konturen bilden, wie beispielsweise eine Dreiecks- oder Sägezahnkontur oder auch eine Rechteckwellenkontur.
Schließlich kann die Verstellung der Düsenöffnung automatisch erfolgen, indem eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die Verstellvorrichtung während des Starts in der Öffnungsstellung hält und während des Reisefluges in der Schließstellung.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ummantelten Turbofan-Flugzeugtriebwerks, teilweise geschnitten,
2 die Zuordnung der beiden die Verstellvorrichtung bildenden Ringe in der Schließstellung,
3 die Ringe in einem halboffenen Zustand,
4 die Ringe in der Öffnungsstellung der Austrittsdüse,
5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks und
6, 7 und 8 die entsprechenden Positionen der Verstellvorrichtung bei dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die 1 und 5 zeigen jeweils ein Turbofan-Flugzeugtriebwerk mit einem Kerntriebwerk 10, in Form einer Gasturbine, welche einen ringförmigen Mantel 11 und einen darin drehbaren Rotor 12 aufweist. Zwischen Mantel 11 und Rotor 12 verläuft der generell ringförmige Hauptstromweg 13. Im Verlaufe des Hauptstromweges 13 sind Verdichter LPC, HPC angeordnet, wobei sich der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung verringert. Dann folgt eine Brennkammer 14 und schließlich ein Turbinenteil HPT, welcher den/die Verdichter des Kerntriebwerks antreibt, und ein Turbinenteil LPT, der einen optionalen Niederdruckverdichter LPC sowie den Bläser 15 über eine separate Welle (nicht dargestellt) antreibt.
Der vordere Bereich des Kerntriebwerks 10 ist von einem ringförmigen Außengehäuse 20 umgeben, dessen Innenseite 25 mit der Außenfläche 22 des Mantels 11 einen ringförmigen Nebenstromweg 21 bildet. In Folge der Konturierung der Flächen 22 und 25 ergibt sich eine in Richtung des Nebenstromweges 21 konvergierende, d. h. zunehmend enger werdende, Nebenstromdüse 23, an der der Nebenstromweg 21 das Triebwerk verlässt. Die Primärdüse 24, an der der Hauptstromweg 13 austritt, befindet sich am hinteren Ende des Mantels 11.
Erfindungsgemäß ist an dem rückwärtigen Ende des Außengehäuses 20 eine Verstellvorrichtung 30 vorgesehen, mit der die wirksame Länge des Außengehäuses verändert werden kann und somit auch der wirksame Querschnitt der Nebenstromdüse 23. Die Verstellvorrichtung 30 enthält zwei Ringe 31, 32, die sich an das rückwärtige Ende des Außengehäuses 20 anschließen. Ein Ring 32 ist fest mit dem Außengehäuse 20 verbunden, während der andere Ring 31 drehbar ist. Beide Ringe 31, 32 sind konturiert, bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch rechteckige Zacken 33 des Ringes 31 und rechteckige Zacken 34 des Ringes 32, die nach hinten abstehen. Die Zacken 33 und 34 können gemäß 2 jeweils so auf Lücke angeordnet werden, dass sie eine ununterbrochene Düsenkontur bilden, oder gemäß 4 deckungsgleich, so dass sie eine zackenförmige Düsenöffnung 35 bilden. Außerdem sind verschiedene Zwischenstellungen möglich, wie 3 zeigt. Diese werden durch graduelles Verdrehen des beweglichen Ringes 31 relativ zu dem feststehenden Ring 32 erhalten.
Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Verstellvorrichtung drei Ringe 31, 32 und 36 auf, die jeweils eine Kontur aus dreieckförmigen Zacken haben. Die Ringe 31 und 36 sind relativ zu dem feststehenden Ring 32 drehbar, so dass die in 6 dargestellte Schließstellung eingenommen werden kann, in der die Öffnungskante der Schubdüse 23 einen zackenförmigen Verlauf hat, der durch die rückwärtigen Ränder aller drei Ringe gebildet wird. In der Öffnungsstellung gemäß 8 befinden sich alle drei Ringe in gegenseitiger Deckung, so dass eine relativ weit nach vorne reichende Zackenkontur entsteht. Die Zwischenstellung gemäß 7 bildet ebenfalls eine Zackenkontur, bei der die Hinterkante der Austrittsdüse graduell nach vorne verlagert ist.
Durch die kronenförmige bzw. zackenförmige Hinterkante der Austrittsdüse wird der Strahl des Nebenstromweges schneller mit der Umgebungsluft vermischt. Dies sorgt für einen raschen Abbau der Geschwindigkeiten und damit für Lärmvorteile.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Verstellvorrichtung 30 von einfachem Aufbau ist und auf einfache Weise verstellt werden kann, und die gleichzeitige Änderung der Düsenaustrittskontur und der Düsenaustrittsfläche durch einen besonders einfachen Mechanismus ermöglicht.

Claims

Ummanteltes Turbofan-Flugzeugtriebwerk mit einem Kerntriebwerk (10), welches einen Mantel (11) mit einer Austrittsdüse (24) und einen Rotor (12) aufweist, wobei zwischen Mantel und Rotor ein ringförmiger Nebenstromweg (21) vorgesehen ist, und einem den Mantel (11) umgebenden Außengehäuse (20), wobei zwischen Mantel (11) und Außengehäuse (20) ein ringförmiger Hauptstromweg (13) vorgesehen ist und das Außengehäuse (20) mit dem Mantel (11) eine konvergierende Schubdüse (23) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenstromdüse (23) und/oder die Primärdüse (24) eine Verstellvorrichtung (30) aus relativ zueinander verdrehbaren Ringen (31, 32) aufweist, die konturierte Hinterkanten aufweisen und eine Schließstellung einnehmen können, in der die wirksame Austrittsfläche der Düse klein ist und eine Öffnungsstellung, in der diese Fläche groß ist.
Flugzeugtriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (30) bei vergrößerter Austrittsfläche der Nebenstromdüse (23) bzw. der Primärdüse eine gezackte Austrittsöffnung mit längslaufenden Einschnitten bildet.
Flugzeugtriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Ringe (31, 32) eine Wellenkontur mit rechteckigen oder gerundeten Wellen aufweist.
Flugzeugtriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Ringe (31, 32, 36) eine Dreiecks- oder Sägezahnkontur aufweist.
Flugzeugtriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die Verstellvorrichtung (30) während des Starts in der Öffnungsstellung hält.
Flugzeugtriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die Verstellvorrichtung (30) während des Reisefluges in der Schließstellung hält.