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Die Erfindung betrifft eine Triebwerk-Simulationseinrichtung. Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Bypass-Triebwerk-Antriebssimulator (Turbofan Propulsion Simulator TPS).
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Solche Triebwerk-Simulationseinrichtungen bzw. TPS Einrichtungen werden im Allgemeinen in Windkanalmodellen verwendet, um die tatsächlichen bzw. realen Triebwerksperformance-Charakteristiken zu simulieren. Ein TPS-Einrichtung weist normalerweise eine mit Druckluft angetriebene Turbine auf, welche innerhalb kurzer Zeit die benötigte Energie bereitstellt, um das Triebwerk zu fahren. Die aerodynamischen Charakteristiken des Triebwerks, dazu gehören z. B. das Triebwerksdruckverhältnis und der Massenstrom, sollen hierbei im Wesentlichen identisch sein mit einem Original-Triebwerk, das hierbei simuliert werden soll.
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Dadurch, dass Druckluft zum Antreiben des Triebwerks bzw. der Turbine eingesetzt wird, statt einer Verdichter- und Brennkammer vor der Turbine, ist der Kernstrom nicht korrekt wiedergegeben, hier bezüglich der Temperatur und des Massenstroms. Um aber eine gute Simulation des Original-Triebwerks zu erzielen ist es notwendig, dieselbe Düsen-Austritts-Machzahl im Kernstrahl zu erreichen. Ferner ist es wichtig den Massenstrom auf ein Minimum zu reduzieren. Es existieren daher verschiedene TPS-Einrichtungen für eine Vielzahl von Windkanal-Modellen mit einer bestimmten, Skalierung für verschiedene Modellmaßstäbe.
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Bisher ist jede TPS-Einrichtung für einen bestimmten Betriebspunkt bzw. ein bestimmtes Triebwerk in einer bestimmten Größe entwickelt worden. Die Antriebsturbine ist dabei für einen Betriebspunkt eines bestimmten Triebwerks entwickelt. Das gesamte Design einer solchen Einrichtung ist daher sehr kompakt und komplex. Es ist hierbei außerdem eine sehr aufwendige Ölschmierung, ein sehr spezielles Dichtungssystem und ein sorgfältig ausgelegtes Lagersystem notwendig, welche aufgrund der hohen Lasten und der hohen Drehgeschwindigkeiten von beispielsweise bis zu 80.000 U/min (RPM) für eine solche kleine Einrichtung, wie sie beispielsweise in nachfolgender 14 gezeigt ist, zu beachten sind.
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Ferner wird eine genaue Dynamik-Berechnung und eine Anpassung der natürlichen Biege-Frequenzen des gesamten Rotorsystems benötigt. Daher ist das Hauptgehäuse mit der Turbine, die Welle und die Lagerinstallation ein sehr teures Element. Des Weiteren ist es auch das Element das am meisten Zeit bei der Konstruktion bzw. Entwicklung, Fertigung und Montage benötigt. Die Gesamtkosten für die Entwicklung und Fertigung einer neuen Einrichtung sind sehr wertintensiv, die eine Zeitspanne von etwa zwei Jahren berücksichtigen.
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Außerdem besteht gegenwärtig ein Erfordernis, wonach neue Triebwerk-Simulationseinrichtungen bzw. TPS-Einrichtungen für eine neue Motorengeneration entwickelt und hergestellt werden müssen, die sehr große Bypass-Verhältnisse berücksichtigen, welche beispielsweise einem Verkehrsflugzeug vom Typ: Airbus A350 gerecht werden und außerdem denkbar bei neuen Kurzstreckenflugzeugen eingesetzt werden. Bekannte TPS-Einrichtungen verfügen nicht über die erforderlichen aerodynamischen Charakteristiken einer Gebläseeinrichtung, um diese neue Triebwerksgeneration zu simulieren, darunter die Charakteristiken der Triebwerks-Performance und der Triebwerksgröße.
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Weiter ist in dem Dokument AIAA 94-2554 ”Next Generation Propulsion Simulation Equipment For Use In Wind Tunnels” von B.C. Kemp von der 18th AIAA Aerospace Ground Testing Conference, June 20–23, 1994 in Colorado Springs ganz allgemein beschrieben, eine vorhandenen TPS-Einrichtung zu verwenden und diese mit verschiedenen Gebläseeinrichtungen zu bestücken um Triebwerksimulationen durchzuführen. Eine vorhandene TPS-Einrichtung lediglich umzurüsten hat jedoch den Nachteil, dass Triebwerkssimulationsversuche nur auf Basis der vorgegebenen Einstellungen und Betriebsparameter der TPS-Einrichtung durchgeführt werden können. Eine solche vorhandene TPS-Einrichtung ist aber weder dazu gedacht noch geeignet neue Triebwerksgenerationen zu simulieren. Insbesondere ist eine Turbineneinheit eines vorhandenen, alten Triebwerks eines Herstellers normalerweise eine Art ”Black Box”. Das heißt man kennt im Allgemeinen nicht die inneren Details, um beispielsweise eine Rotordynamikberechnung oder dergleichen durchzuführen. Außerdem gibt es eine große Anzahl von solchen alten Triebwerken die alle nicht für zukünftige Windkanaltests geeignet sind, da die Fan Performance nicht mehr zu modernen Triebwerken passt. Eine Umrüstung alter vorhandener Triebwerke mit einer neuen Gebläseeinrichtung die heutige Triebwerke repräsentiert, würde Neuentwicklungen vermeiden. Da es viele alte Triebwerke unterschiedlicher Größe gibt kann man mit relativ geringen Mitteln eine ganze neue Triebwerks-„Familie” schaffen die sich modular ergänzen und das gesamte Größen- und Performancespektrum abdecken.
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Des Weiteren aus in der
DE 28 39 599 A1 ein Verfahren zum Simulieren eines Gasturbinentriebwerks und ein Triebwerksimulators für Mehrzweckflugzeuge bekannt.
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Die Erfindung besitzt daher die Aufgabe, eine verbesserte Triebwerk-Simulationseinrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Triebwerkssimulation bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 10 angegebenen Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Maßnahmen angegeben.
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Gemäß der Erfindung wird eine Triebwerk-Simulationseinrichtung für ein Triebwerk eines Flugzeugs oder Raumfahrzeugs, bereitgestellt, wobei die Triebwerk-Simulationseinrichtung modular aufgebaut ist, wobei die Triebwerk-Simulationseinrichtung ein Modul aufweist, welches eine Turbineneinrichtung zum Antreiben eines Triebwerks der Triebwerk-Simulationseinrichtung aufweist, wobei die Turbineneinrichtung mit wenigstens zwei Gebläseeinrichtungen koppelbar bzw. verbindbar ist, welche jeweils eine unterschiedliche Abmessung und/oder ein unterschiedliches Leistungsverhalten aufweisen, wobei die wenigstens zwei Gebläseeinrichtungen zum Verbinden der Triebwerk-Simulationseinrichtung dieselbe bzw. im Wesentlichen dieselbe Masse und den selben bzw. im Wesentlichen den selben Schwerpunkt aufweisen.
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Indem die Gebläseeinrichtungen der Triebwerk-Simulationseinrichtung nahezu dieselbe Masse oder im Wesentlichen dieselbe Masse aufweisen, kann ein im Wesentlichen gleiches dynamisches Verhalten des gesamten Rotorsystems der Triebwerk-Simulationseinrichtung erzielt werden. Dies hat weiter den Vorteil, dass die Genauigkeit der Messergebnisse erheblich verbessert und außerdem mögliche Schäden an der Triebwerk-Simulationseinrichtung in Folge von unerwünschten Resonanzen bzw. Vibrationen verhindert werden können. Entsprechendes gilt auch, wenn die Gebläseeinrichtungen nahezu denselben Schwerpunkt oder im Wesentlichen denselben Schwerpunkt aufweisen.
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Der modulare Aufbau der Triebwerk-Simulationseinrichtung besitzt weiter den Vorteil, dass die Triebwerk-Simulationseinrichtung entsprechend verschiedener zu simulierender Originaltriebwerke leicht modifiziert bzw. umgerüstet werden kann, ohne dass für jedes zu simulierende Originaltriebwerk eine eigene Triebwerk-Simulations-Einrichtung entwickelt und gefertigt wird. Dadurch können erhebliche Einsparungen bezüglich Zeit und Kosten erzielt werden. Dabei hat die modular aufgebaute Triebwerk-Simulationseinrichtung den Vorteil, dass sie mit verschiedenen Gebläseeinrichtungen verschiedener Triebwerke verbunden werden kann, wobei die Gebläseeinrichtungen sich hierbei beispielsweise bezüglich ihrer Skalierung bzw. Abmessung und/oder ihrem Leistungsverhalten bzw. Performance voneinander unterscheiden können. Dies hat den Vorteil, dass mit dieser modular aufgebaute Triebwerk-Simulationseinrichtung beispielsweise Gebläseeinrichtungen mit einem unterschiedlichen Durchmesser betrieben werden können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In dieser modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform berücksichtigt die Turbineneinrichtung eine ausgelegte Lagergehäuse-Einrichtung, welche als Teil des Moduls der Triebwerk-Simulationseinrichtung den Vorteil umsetzt, dass diese Lagergehäuse-Einrichtung nicht für jedes zu simulierende Triebwerk zusammen mit der Turbineneinrichtung neu entwickelt werden muss. Deshalb kann die Lagergehäuse-Einrichtung mit ihrer komplexen Lagerung und Schmierung für verschiedene Triebwerksimulationen eingesetzt werden. Dies führt zu einer deutlichen Kosten- und Zeitersparnis, da besonders die Entwicklung und Fertigung der Turbineneinrichtung und der Lagergehäuse-Einrichtung aufwendig und teuer sind.
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Die wenigstens zwei Gebläseeinrichtungen, die mit der Turbineneinrichtung verbindbar bzw. koppelbar sind, weisen jeweils eine unterschiedliche Abmessung und/oder ein unterschiedliches Leistungsverhalten auf. Die Triebwerk-Simulationseinrichtung ermöglicht den Vorteil, dass deren modulare Bauweise die Simulation von unterschiedlichen Triebwerken erlaubt und nicht beschränkt; und zwar in Bezug auf unterschiedliche Abmessungen oder unterschiedliches Leitungsverhalten der zu simulierenden Triebwerke.
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Gemäß einer modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die wenigstens zwei Gebläseeinrichtungen, die mit der Turbineneinrichtung verbindbar bzw. koppelbar sind, jeweils einen unterschiedlichen Durchmesser auf, die wenigstens eine unterschiedliche oder im Wesentlichen gleiche Performance bzw. Leistungsverhalten umsetzen. Dies hat den Vorteil, dass neben einer bisherigen Gebläseeinrichtung mit einem Durchmesser von z. B. 5 Zoll auch Gebläseeinrichtungen mit einem größeren oder kleineren Durchmesser mit einer gleichermaßen verwendeten Turbineneinrichtung getestet werden können, wie im nachfolgenden z. B. noch näher mit Bezug auf die 5 bis 10 beschrieben wird.
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In einer anderen modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die Gebläseeinrichtungen einen vorbestimmten Gebläsebereich auf. Hierbei kann der Turbinen-Austritt beispielsweise so angepasst sein, dass z. B. eine vorbestimmte Mach-Zahl einstellbar ist. Dies hat den Vorteil, dass, wenn beispielsweise der Turbinenmassenstrom erhöht wird und sich dadurch wiederum die Mach-Zahl erhöht, die Mach-Zahl durch diese Maßnahme geeignet gesenkt werden kann.
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In einer weiteren modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform werden wenigstens ein oder mehrere Turbinen-Kennfelder bereitgestellt, wobei auf der Basis des entsprechenden Turbinenkennfeldes beispielsweise ein Turbinenmassenstrom und/oder ein Einlassdruck für ein zu simulierendes Triebwerk geeignet einstellbar ist. Dies hat den Vorteil, dass wenn beispielsweise bei einer existierenden Triebwerk-Simulationseinrichtung eine neue Gebläseeinrichtung vorgesehen wird, die eine erhöhte Leistung bei einer niedrigeren Drehzahl aufweist, diese Änderung des Leistungsverhaltens durch ein entsprechendes Turbinenkennfeld in den meisten Fällen abgedeckt werden kann. So kann beispielsweise über ein entsprechendes Turbinenkennfeld in diesem Fall der Turbinenmassenstrom und der Eingangsdruck geeignet erhöht werden.
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Gemäß einer weiteren modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Gebläseeinrichtungen derart ausgebildet, so dass Vibrationen bzw. resonante Vibrationen reduziert oder im Wesentlichen verhindert werden. Dadurch können Schäden an der Triebwerk-Simulationseinrichtung verhindert und deren Lebensdauer erhöht werden.
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Gemäß der Erfindung wird des Weiteren ein Verfahren zur Simulation eines Triebwerks, für ein Flugzeug oder ein Raumfahrzeug, bereitgestellt, wobei wenigstens eine oder mehrere erfindungsgemäße, modulare Triebwerk-Simulationseinrichtungen eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Auslegung der Turbineneinrichtung und/oder der Rotordynamik abhängig von den Gebläseeinrichtungen gewählt bzw. auf die Gebläseeinrichtung abgestimmt. Dadurch können beispielsweise das Leistungsverhalten der Triebwerkssimulationseinrichtung und das motordynamische Verhalten abgeschätzt bzw. voraus kalkuliert werden.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Triebwerks-Simulationseinrichtung derart ausgebildet, dass sie ein vorbestimmtes Leistungsverhalten und/oder ein maschinendynamisches Verhalten aufweist. Dadurch dass das Leistungsverhalten bzw. das maschinendynamische Verhalten der Triebwerks-Simulationseinrichtung bekannt ist, kann die Triebwerks-Simulationseinrichtung entsprechend je nach zu testendem Triebwerk problemlos umgerüstet werden, ohne dass die Umrüstung zu einem unerwarteten maschinendynamischen Verhalten führt oder die Leistung zum Prüfen des zu testenden Triebwerks sich als nicht ausreichend herausstellt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Triebwerk-Simulationseinrichtung bzw. TPS-Einrichtung mit eingezeichneten Strömungsverläufen;
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2 eine Schnittansicht der Triebwerk-Simulationseinrichtung gemäß 1, ohne die Strömungsverläufe;
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3 die Triebwerk-Simulationseinrichtung in einem zusammengebauten Zustand,
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4 Einzelteile der Triebwerk-Simulationseinrichtung gemäß 3,
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5 eine Schnittansicht von vier unterschiedlichen Gebläseeinrichtungen und zweier, unterschiedlicher Module, bestehend jeweils aus einer Turbineneinrichtung und deren Lagergehäuseeinrichtung, wobei die Module mit den Gebläseeinrichtungen zu vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen kombiniert werden;
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6 ein Diagramm in welchem der Gebläsemassenstrom in Bezug auf die Drehzahl dargestellt ist für die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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7 ein Diagramm in welchem der Gebläsemassenstrom in Bezug auf das Gebläsedruckverhältnis dargestellt ist für die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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8 ein Diagramm, in welchem die Drehzahl in Bezug auf die Leistung dargestellt ist für die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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9 ein Diagramm, in welchem der Turbinenmassenstrom in Bezug auf den Turbinenantriebsdruck dargestellt ist für die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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10 ein Diagramm, in welchem die Drehzahl in Bezug auf die Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl dargestellt ist für die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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11 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen, modularen Triebwerk-Simulationseinrichtung bei einem Performance Test;
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12 ein Diagramm, in welchem der korrigierte Gebläsemassenstrom in Bezug auf ein Gebläse-Druckverhältnis (FPR) angegeben ist für verschiedene Triebwerk-Simulationseinrichtungen, sowie eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Triebwerk-Simulationseinrichtung;
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13 ein Diagramm, in welchem der spezielle Gebläsemassenstrom in Bezug auf das Gebläsedruckverhältnis angegeben ist für mehrere Triebwerksgenerationen;
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14 eine 3D Ansicht einer Triebwerk-Simulationseinrichtung; und
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15 eine Ansicht eines Windkanals mit einer darin angeordneten Flugzeughälfte eines Airbus vom Typ A380 mit installierter Triebwerk-Simulationseinrichtungen zum Test beispielsweise des Triebwerk-Strahleinflusses auf die Flugzeugkräfte der Flugzeughälfte.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Strahltriebwerke sind heutzutage meistens Turbinen-Luftstrahltriebwerke. Ein solches Turbinen-Luftstrahltriebwerk saugt die Umgebungsluft ein und komprimiert sie in einem Verdichter, was zu einer entsprechenden Druckerhöhung führt. In einer darauf folgenden Brennkammer wird Treibstoff eingespritzt und diese Mischung dann verbrannt. Durch die Verbrennung wird die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. In einer nachfolgenden Turbine wird die einem Gas zugeführte Strömungsenergie dann in eine Drehbewegung mechanisch umgesetzt, wobei das Gas teilweise weiter expandiert. Das Gas expandiert dabei in eine hinter der Turbine liegende Schubdüse, wobei die Strömungsgeschwindigkeit weiter gesteigert wird. In der Schubdüse wird dabei die eigentliche Vortriebskraft bzw. der Schub durch das ausströmende Gas erzeugt.
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In 1 ist nun eine Schnittdarstellung eines Beispiels einer Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 bzw. einer TPS (Turbofan Propulsion Simulator) Einrichtung gezeigt. Die Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 weist dabei beispielsweise eine Triebwerksgondeleinrichtung 12 auf, die an einem Pylon 14 bzw. einem stielförmigen Träger unter einem Tragflügel 16 befestigt ist. In der Triebwerksgondeleinrichtung 12 ist u. a. eine Gebläseeinrichtung 18 bzw. eine Fan-Einrichtung und eine Turbineneinrichtung 20 mit einer Lagergehäuse-Einrichtung 22 und einer Welle 24 angeordnet.
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Die Gebläseeinrichtung 18 wird hierbei über Druckluft angetrieben, die der Turbineneinrichtung 20 über einen entsprechenden Druckluftkanal 26 zugeführt wird, um die Gebläseeinrichtung 18 bzw. das Triebwerk 11 anzutreiben. Diese Druckluft bildet einen Kern-Luftmassenstrom 28. Des Weiteren saugt die von der Turbineneinrichtung 20 angetriebene Gebläseeinrichtung 18 Luft an. Der Luftmassenstrom, der von der Gebläseeinrichtung 18 angesaugt und verdichtet wird, bildet nach Austritt aus der Fandüse den Fanstrahl-Luftmassenstrom 30.
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In 2 ist eine Schnittansicht der Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 gemäß 1 ohne die Luftmassenströme dargestellt. Wie in 1 ist der Pylon 14 an dem Tragflügel 16 gezeigt, an welchem die Triebwerksgondeleinrichtung 12 befestigt ist. Des Weiteren ist die Zuleitung 26 für die Druckluft für die Turbineneinrichtung 20 gezeigt. Außerdem ist in einem Teilschnitt die Gebläseeinrichtung 18 und die Turbineneinrichtung 20 dargestellt.
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Des Weiteren ist in 3 die Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 in einem zusammengebauten Zustand gezeigt und in 4 Einzelteile der Gebläseeinrichtung 18. Die Gebläseeinrichtung 18 weist hierbei einen Lufteinlass 32 mit einem Rotor 34 auf, der auf einer Welle 36 angeordnet ist.
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Da die Neuentwicklung für solche Triebwerk-Simulationseinrichtungen sehr aufwendig und teuer ist, wird nun gemäß der Erfindung eine modulare Triebwerk-Simulationseinrichtungen bzw. TPS-Einrichtungen entwickelt und genutzt und diese je nachdem was simuliert werden soll, geeignet ausgerüstet bzw. modifiziert. Auf diese Weise kann auf eine jeweils vollständige Neuentwicklung einer Triebwerk-Simulationseinrichtung für jeden Triebwerkstyp verzichtet werden und dadurch erheblich Zeit und Kosten eingespart werden. Eine solche Neuentwicklung hat außerdem den Vorteil, dass die Turbinenauslegung und/oder die Rotordynamik auf den Fan bzw. die Gebläseeinrichtung oder die Fans bzw. die Gebläseeinrichtungen gezielt abgestimmt werden kann. Dadurch kann das Leistungsverhalten und das maschinendynamische Verhalten bestimmt bzw. abgeschätzt werden. Mit vorhandenen Einheiten ist dies so nicht möglich, da man normalerweise nicht diese Details kennt. Wie zuvor beschrieben, ist z. B. eine Turbineneinheit eines vorhandenen, alten Triebwerks eines Herstellers im Allgemeinen eine Art ”Black Box”. Das bedeutet man kennt nicht die inneren Details, um beispielsweise eine Rotordynamikberechnung oder dergleichen durchzuführen.
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Grundsätzlich ist es gemäß der Erfindung aber möglich eine vorhandene Triebwerk-Simulationseinrichtung entsprechend zu modifizieren, wobei diese mit verschiedenen Gebläseeinrichtungen bestückt wird, je nachdem welche Art der Gebläseeinrichtung im Rahmen eines Triebwerk-Simulationsversuchs simuliert werden soll. Dabei wird jedoch die jeweilige Gebläseeinrichtung, im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Stand der Technik, so ausgewählt bzw. vorgesehen, dass sie keine bzw. im Wesentlichen keine unerwünschten Resonanzen an der Triebwerk-Simulationseinrichtung auslöst. Dazu werden Gebläseeinrichtungen vorgesehen, die eine Masse und/oder einen Schwerpunkt haben, der keine bzw. im Wesentlichen keine oder nur geringfügige Resonanzen erzeugt, welche nicht zu einer Beschädigung der Triebwerk-Simulationseinrichtung führen oder zu einer Wesentlichen Verfälschung von Messergebnissen. Des Weiteren weisen bei verschiedenen Gebläseeinrichtungen, die mit der Triebwerk-Simulationseinrichtung bestückt werden, diese Gebläseeinrichtungen vorzugsweise die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Masse und/oder den gleichen oder im Wesentlichen den gleichen Schwerpunkt auf. Zumindest sollten diese Gebläseeinrichtungen aber eine ähnliche Masse und/oder einen ähnlichen Schwerpunkt aufweisen.
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Hierbei wird nun beispielsweise eine modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung bzw. modulare TPS-Einrichtung geschaffen. Die modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung bzw. TPS-Einrichtung weist dabei beispielsweise eine Turbineneinrichtung und eine Lagergehäuse-Einrichtung auf, welche in der Lage sind verschiedene Triebwerke anzutreiben z. B. mit verschiedenen Durchmessern und/oder mit verschiedenen Performance-Charakteristiken, wie nachfolgend mit Bezug auf die 5 bis 10 beispielhaft näher erläutert werden soll.
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5 zeigt eine Darstellung eines solchen erfindungsgemäßen Moduls 38 einer Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 bzw. einer TPS-Einrichtung. Des Weiteren zeigen die 6 bis 10 die Konsequenzen für die Performance-Werte.
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In 5 sind beispielsweise vier verschiedene Gebläseeinrichtungen 1, 2, 3, 4 dargestellt. Dabei ist einmal eine existierende Ausgangsgebläseeinrichtung 1 gezeigt und drei neuartige Varianten 2, 3 und 4 von Gebläseeinrichtungen 18.
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Zwei der neuartigen Varianten 2, 3 der Gebläseeinrichtung 18 unterscheiden sich dabei von der Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bezüglich ihres Durchmessers. Dieser ist bei der ersten Variante 2 mit 6,4 Zoll größer und bei der zweiten Variante 3 mit 5,6 Zoll kleiner als der Durchmesser von 6 Zoll der Ausgangsgebläseeinrichtung 1. Des Weiteren weist die dritte, neuartige Variante 4 der Gebläseeinrichtung zwar denselben Durchmesser von 6 Zoll auf wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 dafür aber eine andere, neue Charakteristik bzw. Performance.
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Zur Simulation der entsprechenden Triebwerke mit diesen Gebläseeinrichtungen 1 bis 4 können nun zwei Arten von Turbineneinrichtungen 20 mit Lagergehäuse-Einrichtung 22 als Modul 38 bzw. 40 eingesetzt werden. Die erste Turbineneinrichtung 20 mit Lagergehäuse-Einrichtung 22 kann hierbei als erstes Modul 38 für die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 und die ersten beiden Varianten 2 und 4 der Gebläseeinrichtungen 18 eingesetzt werden, die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen im Vergleich zu der Ausgangsgebläseeinrichtung 1.
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Die zweite Turbineneinrichtung 20 mit Lagergehäuseeinrichtung 22 bildet dagegen das zweite Modul 40 und wird für die dritte, neuartige Variante 4 der Gebläseeinrichtung 18 eingesetzt, die zwar ebenfalls einen Durchmesser von 6 Zoll aufweist, wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1, aber eine andere bzw. neue Charakteristik bzw. Performance aufweist. Insgesamt werden also vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen 10 bereitgestellt die vier verschiedene Triebwerke simulieren, wobei die Triebwerk-Simulationseinrichtungen 10 jeweils ein geeignetes Modul 38, 40 einer Turbineneinrichtung 20 mit Lagergehäuse-Einrichtung 22 aufweisen.
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In dem Diagramm, wie es in 6 gezeigt ist, ist die Drehzahl des Triebwerks in Bezug auf den Gebläsemassenstrom dargestellt.
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Dabei ist einmal der Verlauf für die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung dargestellt, die über das erste Modul der Turbineneinrichtung mit Lagergehäuse-Einrichtung betrieben wird, und einmal jeweils ein Betriebspunkt der drei neuartigen Varianten der Gebläseeinrichtung 2–4 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtungen 2–4. Dies gilt für alle Diagramme in den 6 bis 10.
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Aus dem Diagramm in 6 kann dabei entnommen werden, dass beispielsweise mit der ersten Variante der Gebläseeinrichtung 2 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtungen ein höherer Gebläsemassenstrom bei einer niedrigeren Drehzahl erreicht werden kann als bei der Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung. Des Weiteren kann mit der zweiten Variante 3 eine höhere Drehzahl bei einem geringeren Gebläsemassenstrom erzielt werden als bei der Ausgangsgebläseeinrichtung 1.
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In 7 ist ein Diagramm gezeigt, in dem der Gebläsemassenstrom in Bezug auf das Gebläsedruckverhältnis eingezeichnet ist.
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Dabei weisen die erste und dritte Variante der Gebläseeinrichtung 2, 4 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtungen, einen höheren Gebläsemassenstrom bei dem gleichen Gebläsedruckverhältnis auf, wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1. Des Weiteren weist die zweite Variante der Gebläseeinrichtung 3 einen geringeren Gebläsemassenstrom bei dem gleichen Gebläsedruckverhältnis auf, wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1.
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Weiter ist in 8 die Drehzahl in Bezug auf die Leistung des Triebwerks dargestellt.
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Dabei weist die erste Variante der Gebläseeinrichtung 2 eine deutlich höhere Leistung, bei kleinerer Drehzahl wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1, auf bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung. Die dritte Variante der Gebläseeinrichtung 4 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung weist ebenfalls eine höhere Leistung, bei gleicher Drehzahl wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 auf bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung. Die zweite Variante 3 weist wiederum bei einer geringeren Leistung eine höhere Drehzahl als die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung auf.
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In 9 ist ein Diagramm gezeigt, in welchem der Turbinenmassenstrom in Bezug auf den Turbinenantriebsdruck gezeigt ist.
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Dabei ist der Turbinenantriebsdruck bei der ersten und dritten Variante 2, 4 der Gebläseeinrichtung bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung höher als bei der Ausgangsgebläseeinrichtung 1, bei einem gleichen Turbinenmassenstrom. Die zweite Variante 3 der Gebläseeinrichtung bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung weist wiederum bei dem selben Turbinenmassenstrom einen kleineren Turbinenantriebsdruck als die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung auf.
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Des Weiteren ist in 10 ein Diagramm dargestellt, in welchem die Drehzahl in Bezug auf die Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl dargestellt ist.
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Dabei weisen die erste und dritte Variante 2, 4 der Gebläseeinrichtung bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung eine höhere Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl auf, bei gleicher Drehzahl, wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung. Die zweite Variante 2 der Gebläseeinrichtung bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung weist wiederum eine höhere Drehzahl auf, bei gleicher Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl, wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung.
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Zusammenfassend kann man bezüglich der 5 bis 10 sagen, dass mit Hilfe der beiden Module, die jeweils beispielsweise eine Turbineneinrichtung mit einer Lagergehäuse-Einrichtung aufweisen, unterschiedliche Triebwerke simuliert werden können und dabei auf die Entwicklung jeweils einer eigenen Turbineneinrichtung mit Lagergehäuse-Einrichtung für die jeweilige Variante von Gebläseeinrichtung im Rahmen einer Triebwerk-Simulationseinrichtung verzichtet werden kann.
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Soll nun bei einer vorgegebenen Turbinenperformance für eine modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung bzw. TPS-Einrichtung eine neue Gebläseeinrichtung vorgesehen werden, welche z. B. eine erhöhte Leistung bei einer geringeren Drehzahl benötigt, wie beispielsweise die erste und dritte Variante 2, 4 der Gebläseeinrichtung in 8. So kann in diesem Fall das existierende Turbinenperformance-Kennfeld in den meisten Fällen ausreichend diese Änderungen abdecken, indem beispielsweise der Turbinenmassenstrom um ein vorbestimmtes Maß erhöht wird und der Einlassdruck.
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Der erhöhte Turbinenstrom führt wiederum z. B. zu einer Erhöhung der Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl. In diesem Fall kann durch eine Vergrößerung der Turbinendüsenausgangsfläche, die Mach-Zahl wiederum gesenkt werden.
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Theoretisch führt nun eine Änderung der Kerngebläse-Mach-Zahl zu einer Veränderung der Turbineperformance. Man weiß aber von dem ersten Demonstrationstest, wie er in den nachfolgenden 11 und 12 gezeigt ist, dass der Einfluss für das spezielle Turbinendesign einer Triebwerk-Simulationseinrichtung bzw. TPS-Einrichtung sehr gering ist, da die Mach-Zahl in der letzten Turbinenstufe sehr hoch ist. Eine Änderung des Gebläsebereichs hat daher im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Performance bzw. das Leistungsverhalten.
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In einem weiteren Fall ändert ein anderer Triebwerksrotor oder Gebläserotor der auf einer existierenden Turbomaschine installiert wird die natürliche Frequenz des Rotorsystems, was resonante Vibrationen innerhalb des Betriebsbereichs erzeugen kann. Dies muss sorgfältig untersucht werden, was sehr komplex ist und was für Triebwerk-Simulationseinrichtungen mit nicht bekannten Teilen im Inneren nicht ohne weiteres möglich ist. Die Lösung ist hierbei nun gemäß der Erfindung, das Design eines neuen Triebwerks bzw. einer Gebläseeinrichtung darauf zu fokussieren, dass es im Wesentlichen dieselbe Masse und/oder im Wesentlichen den selben Schwerpunkt aufweist oder der Unterschied in der Masse und/oder dem Schwerpunkt ausreichend klein ist, so dass resonante Vibrationen verhindert oder auf ein geeignetes Maß reduzierbar sind, so dass es nicht zu ungenauen Messergebnissen oder sogar Schäden an der Triebwerk-Simulationseinrichtung kommt. Das Verwenden von Gebläseeinrichtung mit einem im Wesentlichen gleichen oder nachezu gleichen Schwerpunkt bzw. Masse hat den Vorteil, dass dies zu dem im Wesentlichen gleichen dynamischen Verhalten des gesamten Rotorsystems führt.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass modular aufgebaute Triebwerk-Simulationseinrichtungen verwendet werden können oder existierende Triebwerk-Simulationseinrichtungen modifiziert werden können und daher weniger Triebwerk-Simulationseinrichtungen eingesetzt werden müssen, um flexibler für die Definition von Modellskalen zu sein und um schneller in der Vorbereitung von motorisierten WT-Tests zu sein.
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Die Zeit und die Kosten der Entwicklung einer modularen Triebwerk-Simulationseinrichtung sind deutlich geringer als die Entwicklung von Triebwerk-Simulationseinrichtungen für jeweils einen bestimmten Triebwerkstyp. Die Modifikation mit einem neuen Triebwerk bei einer existierenden Triebwerk-Simulationseinrichtung liegen z. B. bei ungefähr 1/3 einer vollständigen Neuentwicklung. Der benötigte Zeitplan hierfür liegt bei ungefähr 12 Monaten statt der bisherigen 24 Monate für eine vollständige Neuentwicklung. Die erfindungsgemäße, modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung ermöglicht somit eine ganz erhebliche Kosten- und Zeitersparnis.
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Für den ersten Leistungstest eines Airbus vom Typ A350 mit einem Model 503_4 wurde eine solche neue, modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung bzw. TPS-Einrichtung realisiert, wie nachfolgend anhand der 11 und 12 erläutert wird.
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In 11 ist dabei eine erfindungsgemäße Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 dargestellt. Dabei wurde eine alte, existierende Triebwerk-Simulationseinrichtung, d. h. hier beispielsweise eine TDI 1500, modifiziert. Das Triebwerk der ursprünglichen Triebwerk-Simulationseinrichtung mit einem Durchmesser von 5,0 Zoll war zu klein. Des Weiteren war das Triebwerksdruckverhältnis bzw. das Gebläsedruckverhältnis FPR zu hoch und der Massenstrom zu gering. Es wurde daher ein neues Triebwerk-Design installiert. Das neue Triebwerk hat eine neue Gebläseeinrichtung mit einem Durchmesser von 5,25 Zoll, ein niedrigeres Triebwerksdruckverhältnis bzw. Gebläsedruckverhältnis FPR und einen reduzierten Massenstrom. Das neue Triebwerk benötigt des Weiteren mehr Leistung und eine niedrigere Drehzahl. Die neue Gebläseeinrichtung hat dabei im Wesentlichen dieselbe Masse und denselben Schwerpunkt wie die ursprüngliche Gebläseeinrichtung, um unerwünschte resonante Vibrationen zu verhindern und im Wesentlichen dasselbe dynamische Verhalten des gesamten Rotorsystems sicherzustellen.
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11 zeigt den Performance-Test mit dieser neuen, erfindungsgemäßen Triebwerk-Simulationseinrichtung 10, die auf einer modifizierten, existierenden Triebwerk-Simulationseinrichtung, hier TDI 1500, basiert.
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12 zeigt des Weiteren die neue Triebwerkscharakteristik verglichen mit der ursprünglichen, vorhandenen Triebwerkscharakteristik. Die Turbinendüsen Mach-Zahl kann dabei beispielsweise auf einem niedrigen oder niedrigeren Level eingestellt werden, durch eine Erhöhung der Gebläsefläche ohne jedoch eine Änderung der Turbineperformance. Die Gebläsefläche bei der erfindungsgemäßen Triebwerk-Simulationseinrichtung beträgt hierbei einmal 68 cm2, 71,5 cm2, 74,9 cm2 und 64,8 cm2. Diese Werte sind jedoch lediglich beispielhaft und die Erfindung ist nicht auf diese Werte beschränkt. So kann die Gebläsefläche auch kleiner als 64,8 cm2 und größer als 74,9 cm2 gewählt werden, je nach Funktion und Einsatzzweck.
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Das dynamische Verhalten der erfindungsgemäßen Triebwerk-Simulationseinrichtung ist hierbei sehr gut. Wie aus 12 entnommen werden kann, kann mit der erfindungsgemäßen Triebwerk-Simulationseinrichtung mit einem Durchmesser von 5,25 Zoll ein höherer Gebläsemassenstrom erzielt werden bei einem gleichen Triebwerksdruckverhältnis bzw. Gebläsedruckverhältnis FPR im Vergleich zu einer existierenden Triebwerk-Simulationseinrichtung mit einem Durchmesser von 5,0 Zoll.
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Die erfindungsgemäße Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 ist dabei in dem Diagramm in 12 zusätzlich als Schnittansicht dargestellt. Dabei wird eine Turbineneinrichtung 20 mit einer Lagergehäuse-Einrichtung 22 der existierenden Triebwerk-Simulationseinrichtung TDI 1500 verwendet. Es wird aber die Gebläseeinrichtung der TDI 1500 mit einem Durchmesser von 5,0 Zoll durch ein Modul einer Gebläseeinrichtung 18 mit einem größeren Durchmesser von 5,25 Zoll ersetzt bzw. modifiziert.
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In 13 ist nun ein Diagramm bzw. ein Gebläse-Performance-Kennfeld aufgezeigt, in welchem bisherige Triebwerke mit neuen Triebwerken und zu erwartenden, zukünftigen Triebwerken dargestellt sind.
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Die Hauptparameter bei der Simulation sind das Gebläsedruckverhältnis und der Gebläsemassenstrom. In dem Kennfeld für die Gebläse-Performance in 13 ist daher der Gebläsemassenstrom in Bezug auf den Gebläsedruck angegeben. Das Kennfeld wurde bei einer Mach-Zahl von 0, bei Standard-Tages Bedingungen und auf Meereshöhe erstellt. Das Bypass-Verhältnis BRP, d. h. der Massenstrom durch die Gebläseeinrichtung zu dem Massenstrom durch die Turbineneinrichtung beträgt bei konventionellen Triebwerken, z. B. CFM 56 usw., bisher BPR < 7. Bei den Triebwerken der neuen Generation, wie z. B. GENX, RR Trent 1000 usw., beträgt das Bypass-Verhältnis BRP > 9 und bei den zu erwartenden zukünftigen Triebwerken BPR < 14. Wie aus 13 entnommen werden kann geht die Triebwerksentwicklung beispielsweise dahin, dass ein größerer Gebläsemassenstrom bei einem kleineren Gebläsedruckverhältnis bei einem Triebwerk erreicht werden kann.
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In 14 ist eine Ansicht einer Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 dargestellt, ohne deren Befestigung an einem Pylon und ohne die Triebwerksgondel-Einrichtung. Die Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 weist beispielsweise eine Gebläseeinrichtung 18 und eine nach geordnete Turbineneinrichtung 20 auf, mit einer Zuführung 26 für das Antriebsmedium für die Turbineneinrichtung 20, hier z. B. Druckluft. Gemäß der Erfindung kann beispielsweise die Turbineneinrichtung 20 als Modul 38 bzw. 40 vorgesehen werden, wobei sie mit verschiedenen Gebläseeinrichtungen 18 kombinierbar ist, wobei die Gebläseeinrichtungen 18 beispielsweise unterschiedliche Durchmesser, unterschiedliche Gebläseflächen und/oder einen unterschiedlichen Aufbau usw. aufweisen können, um verschiedene Triebwerke zu simulieren. Die Gebläseeinrichtungen weisen jedoch eine Masse und einen Schwerpunkt auf, welcher unerwünschte resonante Vibrationen verhindert oder zumindest reduziert. Die Masse und/oder der Schwerpunkt der Gebläseeinrichtungen ist dabei gleich bzw. im Wesentlichen gleich oder die Differenz ist ausreichend klein, so dass resonante Vibrationen zumindest reduziert oder im Wesentlichen verhindert werden können bzw. das dynamische Verhalten des Rotorsystems der Triebwerk-Simulationseinrichtung möglichst ähnlich ist.
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Weiter ist in 15 ein Beispiel für einen Windkanal 42 zum Testen eines Flugzeugmodells 44, hier eines Airbus vom Typ A380, gezeigt. Dabei sind entsprechende Triebwerk-Simulationseinrichtungen 10 in dem Tragflügel 16 des Flugzeugmodells 44 installiert, um die beiden Triebwerke 11 auf einer Seite des Airbus vom Typ A380 zu simulieren. Die Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 weist hierbei eine normalerweise mit Druckluft angetriebene Turbineneinrichtung auf, welche innerhalb kurzer Zeit die benötigte Energie bereitstellt, um das Triebwerk zu fahren.
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Das modulare System der Triebwerk-Simulationseinrichtung hat den Vorteil, dass es an neue Designs anpassbar ist und Teile alter Triebwerk-Simulationseinrichtungen in Zukunft weiter genutzt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Triebwerk-Simulationseinrichtung
- 11
- Triebwerk
- 12
- Triebwerksgondeleinrichtung
- 14
- Pylon
- 16
- Tragflügel
- 18
- Gebläseeinrichtung
- 20
- Turbineneinrichtung
- 22
- Lagergehäuseeinrichtung
- 24
- Welle
- 26
- Druckluftkanal
- 28
- Kern-Luftmassenstrom
- 30
- Gebläse-Luftmassenstrom
- 32
- Lufteinlass
- 34
- Rotor
- 36
- Welle
- 38
- erstes Modul
- 40
- zweites Modul
- 42
- Windkanal
- 44
- Flugzeug
