-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Triebwerksimulators in Flugzeugmodellen.
-
Flugzeugmodelle für Windkanaluntersuchungen werden für einen möglichst realitätsnahen Messaufbau mit so genannten Triebwerkssimulatoren ausgestattet, die die Wirkung der realen Strahltriebwerke und/oder Turboproptriebwerke bei Flugzeugen nachbilden sollen. Die Triebwerkssimulatoren werden auf Grund der erforderlichen hohen Drehzahl in der Regel mit Druckluft angetrieben. Aufwändige Windkanalmodelle zur möglichst genauen Nachbildung der Strömungsverhältnisse an mehrstrahligen Verkehrsflugzeugen weisen demzufolge auch eine Anzahl von Triebwerkssimulatoren auf, die der Anzahl der Strahltriebwerke bzw. der Turboproptriebwerke im zu simulierenden Flugzeugmodell entspricht.
-
Windkanalmodelle werden im Windkanal in der Regel über ein Waagen-Luftbrücken-System aufgehängt, wobei in der Regel nur zwei Hochdruckluftleitungen zur Verfügung stehen, um das Strömungsfeld im Windkanal durch die Aufhängung nicht zu sehr zu beeinflussen. Bei Windkanalmodellen mit mehr als zwei Strahltriebwerken bzw. Turboproptriebwerken zur Simulation eines Flugzeugs ist man, um eine unabhängige Regelbarkeit der Triebswerkssimulatoren zu ermöglichen, daher gezwungen eine präzise Regelung für die Triebwerkssimulatoren unmittelbar in das Flugzeugmodell zu integrieren.
-
Die
DE 196 43 054 C2 beschreibt ein Ventil mit einer Laval-Düse, einer axial beweglich in die Laval-Düse eingreifenden Ventilnadel und einer den Ventilnadelfuß aufnehmenden Einlasskammer, in die eine radial verlaufende Einlassöffnung mündet, wobei die Einlasskammer von der Eintrittsebene der Laval-Düse axial durch einen zwischenliegenden Strömungskanal beabstandet ist, welcher von der Ventilnadel einerseits und von einem die Ventilnadel axial führenden umgebenden Ventilgehäuseabschnitt andererseits begrenzt.
-
Die
US 6,250,602 B1 beschreibt ein Kraftstoffventil zum Abmessen von Flüssigkeit oder gasförmigem Kraftstoff mit einem Servomotor, welcher eine Ventilnadel mittels eines Axialgewindeantriebs betätigt.
-
Die
US 5,368,273 beschreibt ein Messsystem für eine Gasturbine mit einem konischen Nadelventil.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Triebwerksimulators in Flugzeugmodellen zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Das Druckluftventil weist auf:
- a) einen an einer Seitenfläche des Gehäuses angeordneten Lufteintritt und einen im Bereich einer Stirnseite des Gehäuses angeordneten Luftaustritt,
- b) einen dem Luftauslass vorgeschalteten Venturi-Einsatz,
- c) eine an einem ersten Ende der Steuerstange angeordnete Nadel, mittels der ein Ringspalt zwischen der Nadel und dem Venturi-Einsatz durch eine Längsverschiebung der Steuerstange zur Regelung des Luftstroms stufenlos variierbar ist.
-
Hierdurch ist eine kompakte Bauform des Druckluftnadelventils gegeben, die eine Integration des Druckluftnadelventils zumindest in größere Flugzeugmodelle für Windkanaluntersuchungen ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die Ausgestaltung des Druckluftnadelventils eine präzise Regelung der Druckluft zwischen einem Massenstrom von 0 kg/s und 5 kg/s, wobei der Eingangsdruck des Luftstroms im Bereich des Lufteintritts des Druckluftnadelventils bis zu 100 bar beträgt. Mittels des Druckluftnadelventils ist eine präzise Drehzahlregelung der Triebwerkssimulatoren bis auf ±50 U/min möglich. Durch das Eintauchen der Nadel in den Venturi-Einsatz wird die Fläche des Ringspaltes zwischen der Nadel und der Innenfläche des Venturi-Einsatzes variiert und dadurch der Massenstrom der durchtretenden Luft verändert. Infolge der Variation des Massenstroms der durch das Druckluftnadelventil hindurchströmenden Luft kann die Drehzahl der angeschlossenen druckluftbetriebenen Triebwerkssimulatoren präzise gesteuert werden.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Druckluftnadelventils sieht vor, dass zwischen der Nadel und dem ersten Ende der Steuerstange ein Teflonring angeordnet ist.
-
Hierdurch wird es möglich, das Druckluftnadelventil vollständig zu schließen, so dass gegebenenfalls ein Massenstrom bzw. Luftstrom von 0 kg/s einstellbar ist. Der Teflonring weist hierzu in Bezug auf den kleinsten Querschnitt des Venturi-Einsatzes ein geringfügiges Übermaß von mindestens 2/100 mm auf. Der Teflonring gewährleistet einerseits die vollständige Abdichtung des Druckluftnadelventils durch das Hineinfahren der Nadel in den Venturi-Einsatz bei einem voll anstehenden Eingangsdruck von bis zu 100 bar, verhindert zugleich aber auch eine mechanische Beschädigung durch die Verringerung von Reibung zwischen der Nadel und dem Venturi-Einsatz und eine hierdurch gegebenenfalls während der Lebensdauer nachlassende Abdichtungswirkung des Druckluftnadelventils.
-
Im Bereich des Lufteintritts ist ein die Nadel koaxial umgebender Einsatz zur Vergleichmäßigung des Luftstroms angeordnet.
-
Durch den Einsatz bzw. den Vergleichmäßiger werden zunächst etwaig auftretende Druckstöße des Luftstroms vergleichmäßigt bzw. ausgeglichen. Zudem wird eine gleichmäßige, im Idealfall laminare Anströmung bzw. Umströmung der Nadel erreicht, wodurch eine Schwingungsanregung der Nadel durch den unter einem hohen Druck stehenden Luftstrom vermieden wird.
-
Der Einsatz ist als ein dünnwandiger Hohlzylinder ausgebildet ist, in dessen Wandung eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten und durchgehenden Bohrungen eingebracht ist. Die Bohrungen sind zusätzlich jeweils innen- und außenseitig konisch angesenkt, um Wirbel im Luftstrom weiter zu verringern. Darüber hinaus kann durch eine Modifikation der geometrischen Ausbildung des Bohrungsrasters eine Anpassung des Druckluftnadelventils an unterschiedliche Typen von Triebwerkssimulatoren für Windkanalmodelle erfolgen. Zur Anpassung an unterschiedliche Typen von Triebwerkssimulatoren kann zum Beispiel der Bohrungsabstand im Bohrungsraster und/oder der Bohrungsdurchmesser selbst variiert werden. Darüber hinaus kann die Konizität der Senkungen in geeigneter Weise verändert werden. Weiterhin ist es möglich, die Wandstärke des Hohlzylinders zu variieren. Bevorzugt weist der Einsatz eine Wandstärke zwischen 1 mm und 5 mm auf.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Druckluftnadelventils sieht vor, dass der Einsatz von einer Ringkammer koaxial umgeben ist.
-
Durch das Vorsehen einer den Einsatz koaxial umschließenden Ringkammer bildet sich ein Luftpolster, das als zusätzlicher Puffer bzw. Speicher für die Druckluft wirkt und zu einer weiteren Vergleichmäßigung des Luftstroms im Bereich des Lufteintrittes beiträgt.
-
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das erste Ende der Steuerstange eine konische Fläche aufweist.
-
Hierdurch wird eine Beschädigung der Steuerstange bzw. des Einlassabschnitts des Venturi-Einsatzes vermieden, wenn die Nadel vollständig in den Venturi-Einsatz eingefahren wird.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass am anderen Ende der Nadel eine Gewindebohrung eingebracht ist.
-
Die Gewindebohrung dient zur Befestigung eines Betätigungsorgans. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Kopplung des Druckluftnadelventils mit standardisierten Aktuatoren, insbesondere in der Form von Hydraulikzylindern, Druckluftzylindern oder elektrischen Stellgliedern, wie zum Beispiel elektromotorischen Spindelantrieben.
-
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Luftstrom zwischen einem maximalen Massenstrom, insbesondere von 5 kg/s, und einem minimalen Massenstrom von 0 kg/s stufenlos regelbar ist.
-
Hierdurch wird eine präzise Regelung der druckluftbetriebenen Triebwerkssimulatoren in einem weiten Leistungsspektrum möglich, das den realen Flugbedingungen recht nahe kommt. Da der Luftstrom bis auf einen Minimalwert von 0 kg/s bei vollständig geschlossenem Druckluftnadelventil herab regelbar ist, kann zudem ein vollständiger Triebwerksausfall simuliert werden.
-
Eine weitere vorteilhafte Fortbildung sieht vor, dass der Venturi-Einsatz und die Nadel mit einem metallischen Werkstoff gebildet sind, wobei insbesondere der Venturi-Einsatz mit Bronze und die Nadel insbesondere mit Edelstahl gebildet sind.
-
Diese Materialkombination erlaubt eine äußerst maßhaltige Herstellung der Nadel und des Venturi-Einsatzes mit einem vertretbaren Herstellungsaufwand. Des Weiteren lassen sich die Nadelspitze und der Venturi-Einsatz für verschiedene Regelungscharakteristiken (Feinabstimmung der Drehzahlen für Bereitschafts- und maximale Triebwerksdrehzahlen bei der Startsimulation des Flugzeugs) leicht und kostengünstig austauschen.
-
In der Zeichnung zeigt:
-
1 Eine perspektivische Außenansicht des Druckluftnadelventils,
-
2 einen Längsschnitt durch das Druckluftnadelventil.
-
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils die gleiche Bezugsziffer auf.
-
Die 1 zeigt ein Druckluftnadelventil 1 mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Gehäuse 2, einem Lufteintritt 3 sowie einem Luftaustritt 4 und einer Steuerstange 5. Der Lufteintritt 3 ist im Bereich einer Seitenfläche 6 des Gehäuses 2 und der Luftaustritt 4 ist im Bereich einer Stirnseite 7 des Gehäuses 2 angeordnet. Die Steuerstange 5 ist im Bereich einer Rückseite 8 des Gehäuses 2 längsverschiebbar in einer Lagerung 9 aufgenommen. Ein Luftstrom 10 tritt durch den Lufteintritt 3 und tritt aus dem Luftaustritt 4 wieder aus dem Druckluftnadelventil 1 aus. Im Inneren des Gehäuses 2 erfolgt eine Umlenkung des Luftstroms 10 um 90°. Im Bereich des Lufteintritts 3 steht der Luftstrom 10 mit einem Druck von bis zu 100 bar an. Hierbei ist mittels des Druckluftnadelventils 1 ein Luftmassenstrom von bis zu 5 kg/s zwischen Null und diesem Maximalwert zur Ansteuerung von druckluftbetriebenen Triebwerkssimulatoren an Windkanalflugzeugmodellen mit höher Genauigkeit stufenlos regelbar. Die Regulierung erfolgt durch das Einschieben oder Herausziehen der Steuerstange 5, wie durch den Doppelpfeil 11 angedeutet, mittels eines nicht dargestellten Präzisionslinearstellantriebs. Die Drehzahl der Triebwerkssimulatoren lässt sich mittels des Druckluftnadelventils 1 mit einer Genauigkeit von bis zu ±50 U/min einstellen.
-
Die 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Druckluftnadelventils.
-
Der Luftstrom 10 tritt durch den Lufteintritt 3 in der Seitenfläche 6 des Gehäuses 2 in das Druckluftnadelventil 1 ein. Im Bereich der Stirnseite 7 des Gehäuses 2 befindet sich der Luftaustritt 4. Die Steuerstange 5 ist längsverschiebbar in einer in der Rückseite 8 des Gehäuses 2 angeordneten (Linear-)Lagerung 9 aufgenommen. Die Steuerung des Druckluftnadelventils 1 erfolgt durch eine Verschiebung der Steuerstange 5 in Richtung des Doppelpfeils 11 in Längsrichtung.
-
Im Bereich vor dem Luftaustritt 4 ist ein Venturi-Einsatz 12 angeordnet. Der Venturi-Einsatz 12 weist einen sich über seine Längserstreckung hinweg verändernden kreisförmigen Querschnitt auf. In einem Einlassabschnitt 13 verjüngt sich der Querschnitt des Venturi-Einsatzes 12, während sich der Querschnitt in einem Auslassabschnitt 14 stetig vergrößert.
-
An einem ersten Ende 15 der Steuerstange 5 ist weiterhin eine Nadel 16 befestigt. Die Nadel 16 weist in etwa die geometrische Gestalt eines Parabolischen Rotationskörpers auf. Zwischen der Nadel 16 und dem Venturi-Einsatz 12 besteht ein Ringspalt 17. Die Größe des Ringspalts 17 kann durch die Verschiebung der Steuerstange 5 in Richtung des Doppelpfeils 11 stufenlos vergrößert oder verkleinert werden. Hierdurch lässt sich der durch das Druckluftnadelventil 1 hindurch tretende Luftstrom mit sehr hoher Genauigkeit zwischen 0 kg/s und 5 kg/s einstellen. Der Luftstrom 10 tritt hierbei unter einem Druck von bis zu 100 bar am Lufteintritt 3 ein. Die Befestigung der Nadel 16 auf dem ersten Ende 15 der Steuerstange 5 kann beispielsweise durch ein Schraubgewinde erfolgen. Die Verschiebung der Steuerstange 5 parallel zum Doppelpfeil 11 in der Längsrichtung des Druckluftnadelventils 1 erfolgt mittels eines in der 2 nicht dargestellten Präzisionslinearstellorgans. Das Präzisionsstellorgan wird mittels einer in einem zweiten Ende 19 angeordneten Gewindebohrung 18 mit der Steuerstange 5 verbunden.
-
Zwischen der Nadel 16 und dem ersten Ende 15 der Steuerstange 5 ist ein scheibenförmiger Teflonring 20, ein Nylonring, Polyethylenring oder dergleichen angeordnet. Um das Druckluftnadelventil 1 vollständig abzusperren, wird die Nadel 16 soweit in den Venturi-Einsatz 12 verfahren bis der Teflonring 20 einen Mittelabschnitt 21 des Venturi-Einsatzes 12, der die kleinste Querschnittsfläche im Vergleich zum Einlass- und zum Auslassquerschnitt 13, 14 aufweist, erreicht hat. Um eine leichte Presspassung zwischen dem Teflonring 20 und dem Mittelabschnitt 21 zu erreichen und die Abdichtungswirkung zu erhöhen, weist der Teflonring 20 in Bezug auf einen Innendurchmesser des Mittelabschnittes 21 ein leichtes Übermaß von bis zu 0,05 mm auf. Mittels des Teflonrings 20 ist eine vollständige Abdichtung des Druckluftnadelventils 1 möglich, wobei zugleich Verschleißerscheinungen und Reibungsprozesse zwischen der Nadel 16 und dem Venturi-Einsatz 12 verringert werden. Darüber hinaus weist die Steuerstange 5 im Bereich des ersten Endes 15 eine konische Fläche 22 auf, um ein Verklemmen der Steuerstange 5 mit dem Venturi-Einsatz 12 zu verhindern. Die Nadel 16 ist bevorzugt mit Edelstahl gebildet, während der Venturi-Einsatz 12 aus Bronze besteht, um eine hohe Maßhaltigkeit bei vertretbarem Fertigungsaufwand zu erreichen.
-
Weiterhin ist die Nadel 16 koaxial von einem Einsatz 23 umgeben, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als ein dünnwandiger Hohlzylinder 24 ausgebildet ist. In den Einsatz 23 ist eine Vielzahl von – in der Darstellung der 2 nicht mit einer Bezugsziffer versehenen – Bohrungen eingebracht. Die Bohrungen sind matrixförmig bzw. in einem gleichmäßigen Raster angeordnet. Die Bohrungen sind zudem von einer Innenfläche und einer Außenfläche des Einsatzes 23 aus angesenkt, um die Entstehung von Wirbeln im Luftstrom 10 zu vermeiden. Der Einsatz 23 dient zur Vergleichmäßigung des Luftstroms 10 innerhalb des Druckluftnadelventils 1. Darüber hinaus soll der Einsatz 23 eine gleichmäßige, möglichst laminare Anströmung der Nadel 16 von allen Seiten gewährleisten und zugleich Schwingungserscheinungen der Nadel 16 infolge des hohen Eingangsdrucks von bis zu 100 bar bedämpfen.
-
Die Kontur der Nadel 16 und des Venturi-Einsatzes 12 muss individuell für jeden mittels des Druckluftnadelventils 1 zu steuernden Triebwerkssimulator berechnet werden. Entsprechendes gilt für die Ausgestaltung des Einsatzes 23. Zur Anpassung des Einsatzes 23 an unterschiedliche Typen von Triebwerkssimulatoren können beispielsweise die Durchmesser der Bohrungen in dem (Vergleichmäßigungs-)Einsatz 23 und/oder deren Rasterabstände variiert werden. Weiterhin ist es möglich, die Tiefe der Senkungen und/oder die jeweiligen Senkwinkel der Bohrungen zu verändern. Die Wandstärke des dünnwandigen Hohlzylinders 24 bzw. des Einsatzes 23 beträgt zwischen 1 mm und 5 mm.
-
Der Venturi-Einsatz 12 sowie die Nadel 16 können leicht ausgetauscht werden, um mittels standardisierter Venturi-Einsätze und Nadeln eine Anpassung an verschiedene Typen von Triebwerkssimulatoren auf einfache Art und Weise vornehmen zu können. Zu diesem Zweck müssen lediglich der im Bereich der Stirnseite 7 des Gehäuses 2 angeflanschte Lufteinlass 3 gelöst und die an der Rückseite 8 des Gehäuses 2 angeflanschte Lagerung 9 entfernt werden. Die Nadel 16 kann dann von der Steuerstange 5 abgeschraubt und gegen eine Nadel mit abweichender geometrischer Gestalt ausgetauscht werden. Der Venturi-Einsatz 12 kann nach dem Lösen des Luftaustritts 4 ebenfalls leicht aus dem Gehäuse herausgezogen werden und gegen einen anderen mit einer abweichenden Durchlassgeometrie ausgewechselt werden.
-
Der Einsatz 23 ist wiederum von einer Ringkammer 25 umgeben, deren Außenfläche vom Gehäuse 2 gebildet wird und deren Innenraum, abgesehen vom Lufteintritt 3, im Wesentlichen der geometrischen Form eines Hohlzylinders entspricht. Die Ringkammer 25 hat die Aufgabe, einen Luftspeicher bzw. einen Pufferspeicher mit einem relativ kleinen Volumen für den Luftstrom 10 zu bilden und trägt somit zu einer weiteren Vergleichmäßigung des durch das Druckluftnadelventil 1 hindurch tretenden Luftstroms 10 bei.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Druckluftnadelventil
- 2
- Gehäuse
- 3
- Lufteintritt
- 4
- Luftaustritt
- 5
- Steuerstange
- 6
- Seitenfläche (Gehäuse)
- 7
- Stirnseite (Gehäuse)
- 8
- Rückseite (Gehäuse)
- 9
- Lagerung (Steuerstange)
- 10
- Luftstrom
- 11
- Doppelpfeil
- 12
- Venturi-Einsatz
- 13
- Einlassabschnitt (Venturi-Einsatz)
- 14
- Auslassabschnitt (Venturi-Einsatz)
- 15
- erstes Ende (Steuerstange)
- 16
- Nadel
- 17
- Ringspalt
- 18
- Gewindebohrung
- 19
- zweites Ende (Steuerstange)
- 20
- Teflonring
- 21
- Mittelabschnitt (Venturi-Einsatz)
- 22
- konische Fläche (Steuerstange)
- 23
- Einsatz
- 24
- Hohlzylinder
- 25
- Ringkammer
