DE102009029540B4

DE102009029540B4 - Vorrichtung zum Schützen von Turbotriebwerken gegen Einschlag von Fremdkörpern

Info

Publication number: DE102009029540B4
Application number: DE102009029540.2A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: DE102009029540A1

Abstract

Vorrichtung zum Schützen von Turbotriebwerken gegen Einschlag von Fremdkörpern, die am Lufteinlass (3) eines Turbotriebwerkes (2) vorgesehen ist und aerodynamisch ausgebildete Schutzelemente (8.1-8.n) aufweist, zwischen denen Luft in das Turbotriebwerk (2) strömen kann, wobei die Schutzelemente als ringförmige Lamellen (8.1-8.n) ausgebildet sind, die stufenförmig gegeneinander versetzt an kegelförmig angeordneten Trägern (5, 6) angebracht sind und ein Fremdkörper abweisendes Schutzgitter (4) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Lamellen (8.1-8.n) jeweils einen Querschnitt in Form einer Flugzeug-Tragfläche aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass ein Luftstrom durch die tragflächenartig geformten Lamellen (8.1 - 8.n) umgelenkt und einwärts in das Schutzgitter (4) geleitet und dadurch verdichtet werden kann und somit das Schutzgitter (4) nach Art einer Luftströmungs-Linse ausgebildet ist, wobei die Lamellen (8.1-8.n) mit einem Anstellwinkel gegen den zum Turbotriebwerk (2) führenden Luftstrom angestellt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schützen von Turbotriebwerken, insbesondere an Flugzeugen vorgesehenen Turbotriebwerken, gegen Einschlag von Fremdkörpern, z. B. Vogelschlag, die am Lufteinlass eines Turbotriebwerkes vorgesehen ist und aerodynamisch ausgebildete Schutzelemente aufweist, zwischen denen Luft zum Einlass des Turbotriebwerkes strömen kann.
Bei einer bekannten Schutzvorrichtung gegen Vogelschlag oder andere Fremdkörper sind aerodynamisch ausgebildete Schutzelemente in einem an dem Turbotriebwerk vorgesehenen röhrenförmigen Lufteinlass wendelförmig angeordnet ( EP 0 235 844 B1 ).
US 5 411 224 A offenbart eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Schützen von Turbotriebwerken gegen Einschlag von Fremdkörpern, z. B. Vogelschlag, die am Lufteinlass eines Turbotriebwerkes vorgesehen ist und aerodynamisch ausgebildete Schutzelemente (8) aufweist, zwischen denen Luft in das Turbotriebwerk strömen kann, wobei die Schutzelemente als ringförmige Lamellen ausgebildet sind, die stufenförmig gegeneinander versetzt an kegelförmig angeordneten Trägern angebracht sind und ein Fremdkörper abweisendes Schutzgitter bilden.
Das Ziel bekannter Triebwerks-Schutzgitter besteht darin, einen wirksamen Schutz speziell gegen große Vögel (Gänse etc.), aber auch einen wirksamen Schutz gegen Vogelschwärme, Insbesondere auch von Kleinvögeln, zu erlangen, wobei jedoch der Widerstand gegen zuströmende Luft nicht erhöht und der Luftstrom in das Triebwerk nicht verringert werden soll. Auch besteht das Problem, dass bel Kollision mit Fremdkörpern das Schutzgitter brechen kann und Bruchstücke des Schutzgitters In das Triebwerk gelangen können.
Die jährlich entstehenden Vogeischlagschäden (bird strike damages) der zivilen Luftfahrt betragen weltweit mehr als USS 500 Mio. Die zivile Luftfahrt allein In den USA zählt jährlich etwa 3.700 Vogelschlagfälle. Einige dieser Vorfälle können, wenn auch selten, Flugzeugkatastrophen
verursachen (Spiegel Online, 16. Januar 2009 „Tödliche Gefahr am Himmel“).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Schutz von Turbotriebwerken gegen Fremdkörpereinschlag zu bieten und außerdem eine erhöhte Luftzufuhr zu dem betreffenden Turbotriebwerk zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Kernidee der vorliegenden Erfindung liegt darin, Form und Positionierung bzw. Stellung von radial gegeneinander versetzt angeordneten Bestandteilen des Schutzgitters wie auch von Stutzelementen desselben zu ändern, um die o.g. Aufgabe und das Ziel der Erfindung zu realisieren. Diese Bestandteile sind hierbei in Form von Lamellen ausgebildet, deren Querschnitt bzw. Profil dem einer Flugzeug-Tragfläche entspricht. Die ringförmig ausgebildeten Lamellen sind vorzugsweise auch mit einem Anstellwinkel von 4° gegen den Luftzustrom geneigt, d. h. mit einem Anstellwinkel, der auch bei Tragflächen von Flugzeugen vorgesehen Ist. Dadurch wirkt der Abwindeffekt (Coanda-Effekt, s. u.a. D. Andersen, S, Eberhard: „How Airplanes Fly“: A Physlcal Description of Lift; Sport Aviation, 1999) radial, um in Verbindung mit einem etwas größeren Durchmesser des erfindungsgemäßen Schutzgitters gegenüber dem Durchmesser des Triebwerkes einen verstärkten Lufteinlass in das Triebwerk zu ermöglichen. Somit wird eine bessere Ausnutzung des Treibstoffes und damit ein besserer Schub erzielt, welcher den zusätzlichen Energieaufwand für das Gewicht des Schutzgitters und seinen Luftwiderstand kompensiert.
Kurz gesagt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Schutzgitter um eine Art Luftströmungs-Linse.
Als Material für das erfindungsgemäße Schutzgitter ist ein stabiler, aber leichter Verbundstoff, beispielsweise kugelsicheres Polycarbonat, das ein Eigengewicht von 1,2 g/ cm³ aufweist, besonders geeignet. Dieses Material hält mit einer Dicke von etwa 2,5 cm Projektilgeschwindigkeiten von 900 m/s stand, d. h. ein Fremdkörper von ca. 10 kg Gewicht und 10 cm Durchmesser kann bei 1.000 km/h Auftreffgeschwlndlgkeit das Schutzgitter nicht zerstören.
Jede der Lamellen ist, um Gewicht zu sparen, vorzugsweise hohl ausgebildet, wobei die Materialstärke der Lamellen in Flugrichtung des mit dem erfindungsgemäßen Schutzgitter ausgerüsteten Flugzeuges mindestens 5 cm betragen sollte.
Das erfindungsgemäße Schutzgitter ist Insgesamt, wie auch in seinen einzelnen radial angeordneten Elementen, aerodynamisch geformt. Hierdurch ist ein minimaler Luftwiderstand bel gleichzeitig optimaler Luftströmungsllnsen-Wirkung gewährleistet sowie eine hohe Wahrscheinlichkeit für ein tangentiales Abprallen von Fremdkörpern.
Die Länge des erfindungsgemäßen Schutzgitters beträgt wenigstens 150 % des Einlassdurchmessers des zu schützenden Turbotriebwerkes. Diese Länge beträgt beispielsweise 3,75 m bei einem Durchmesser des Turbotriebwerkeinlasses von 2,5 m. Ab dieser Mindestlänge ist eine aerodynamisch sinnvolle Form, beispielsweise eines Projektilkopfes, möglich.
Zum Schutz besonders gegen große Vögel oder sonstige Fremdkörper von mehr als 15 cm Durchmesser ist ein radialer gegenseitiger Abstand der Lamellen von 10 cm vorteilhaft. Vögel mit kleinerem Durchmesser wiegen meist unter 2 kg, ein Gewicht, das ein Turbotriebwerk aushält.
Für ein Schutzgitter von mindestens 3,75 m Länge werden 20 kreisringförmige Lamellen koaxial hintereinander und stufenweise versetzt vorgesehen, deren einzelne Querschnitte (Profil) jeweils dem einer Tragfläche eines Flugzeuges entsprechen. Beispielsweise beträgt die Dicke bei 20 cm Länge 2 cm, wobei die dickste Wandstärke hinter der Vorderkante jeder Lamelle 5 cm betragen sollte. Diese Verhältnisse entsprechen gängigen Tragflächen von Flugzeugen.
Da die Lamellen mit einer Einwärtsneigung von 4° in den Luftzustrom angestellt sind, wird die Einlenkung des Luftstromes zusätzlich erhöht. Hinzu kommt, dass das Innere jeder einzelnen ringförmigen Lamelle hohl ist, um zusätzliches Gewicht zu sparen. Ein derart ausgebildetes Schutzgitter aus Polycarbonat kann für einen üblichen Turboantriebsmotor mit etwa 5 bis 10 t Gewicht abgeschätzt und kalkuliert werden.
Zum Schutz auch gegen kleinere Fremdkörper, speziell Vogelschwärme, kann der radiale Abstand der einzelnen Lamellen entsprechend kleiner gewählt werden, beispielsweise auf 2,5 cm. Die Länge und maximale Dicke bzw. Breite jeder einzelnen Lamelle beträgt dann mindestens 10 bzw. 1 cm. Die Anzahl der einzelnen Lamellen sollte In diesem Fall 40 Stück betragen. Das oben genannte Gewicht des erfindungsgemäßen Schutzgitters bleibt auch in diesem Falle unverändert.
Das Problem, dass nach einer Kollision mit Vögeln oder anderen Fremdkörpern das Schutzgitter bricht und Bruchstücke anfallen, ist durch die Verwendung eines schussfesten und splitterfreien Materials ausgeräumt. Einer Materialermüdung kann außerdem durch Tests und rechtzeitiges Auswechseln des Schutzgitters vorgebeugt werden.
Wegen hoher Temperaturschwankungen während des Fluges eines derartige Turbotriebwerke aufweisenden Flugzeuges von bis zu 100° C kann eine wärmedämmende Beschlchtung des Schutzgitters vorgesehen sein, welche einer Materialermüdung entgegenwirkt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutz-Vorrichtung in Verbindung mit einem Turbotriebwerk zum Antreiben von Flugzeugen schematisch dargestellt, und zwar zeigt

1 eine Seitenansicht eines Turbotriebwerkes für ein Flugzeug, an dessen Einlassende ein erfindungsgemäßes Schutzgitter angebracht ist, und
2 einen Längsschnitt einer Einzelheit A aus 1, in gegenüber 1 vergrößertem Maßstab.

Das in der Zeichnung und Insbesondere 1 dargestellte Antriebselement 1 eines Flugzeuges weist ein Turbotriebwerk 2 auf, an dessen Lufteinlassende 3 ein erfindungsgemäßes Schutzgitter 4 angebracht ist.
Das Schutzgitter 4 hat eine Tragkonstruktion aus einem auf dem Turbotriebwerk 2 sitzenden Ring 5 mit daran angebrachten bzw. damit einstückig verbundenen Streben 6, welche zu einer Spitze 7 zusammenlaufen, so dass das Schutzgitter 4 aerodynamisch und insgesamt kegelförmig ausgebildet ist.
Auf den Streben 6 sind abgestuft ringförmige Lamellen 8.1, 8.2, 8.3 bis 8,n angeordnet, welche in 2 im Längsschnitt dargestellt sind. Diese einzelnen Lamellen 8 sind, wie 2 zeigt, koaxial gegeneinander versetzt von der Spitze 7 bis zum Ring 5 vorgesehen. Sie sind in einem Winkel α von 4° zur Strömungsrichtung der zuströmenden Luft angestellt. Die Strömungsrichtung der Luft ist durch Pfeile 9 angedeutet.
Die einzelnen Lamellen 8 haben im Längsschnitt ein Profil, das dem der Tragflächen von Flugzeugen entspricht. Im Inneren jeder Lamelle 8 ist ein Hohlraum 10 vorgesehen, um Gewicht einzusparen.
2 zeigt, dass die einzelnen Lamellen 8.1, 8.2 und 8.3 derart koaxial zueinander versetzt sind, dass die Vorderkante 11 in der in 2 gewählten Projektion mit der Hinterkante 12 der vorhergehenden Lamelle zusammenfällt, so dass bei Betrachtung des erfindungsgemäßen Schutzgitters 4 radial von außen keine Lücke zwischen aufeinanderfolgenden Lamellen sichtbar ist. Vielmehr bilden die jeweils um ihre Breite gegeneinander versetzt angeordneten Lamellen 8 nach außen einen ununterbrochenen kegelförmigen Mantel.
Der durch die Pfeile 9 angedeutete Luftstrom wird durch die tragflächenartig geformten Lamellen 8.1 bis 8.n umgelenkt und einwärts In das Schutzgitter geleitet und dadurch verdichtet. Der größte Außendurchmesser des Schutzgitters 4 ist größer als die Einlassöffnung am Lufteinlassende 3 des Turbotriebwerkes 2. Somit werden Verluste der zuströmenden Luft wenigstens kompensiert, wenn nicht überhaupt eine größere Luftmenge zum Turbotriebwerk gelangt.
Das Schutzgitter 4 wirkt wie eine Luftströmungs-Linse. Die Tatsache, dass strömende Gase die Tendenz haben, an Oberflächen, welche sie überströmen, zu haften, ist auf den sogenannten Coanda-Effekt zurückzuführen. Der Coanda-Effekt beruht im Wesentlichen auf der Van-der-Waalschen-Anziehung zwischen Molekülen, Ist eine hinreichend glatte Oberfläche konvex in einen Luftstrahl hineingebogen, so wird diese Oberfläche vom Luftstrahl umströmt und der Luftstrahl deutlich abgelenkt bzw. die gebogene Oberfläche in den Luftstrahl hineingezogen. Die gebogene Oberfläche, d. h. die Oberhälfte einer Tragfläche eines Flugzeuges, zwingt die Luft aufgrund der Wechselwirkungskräfte zwischen den Molekülen der Tragfläche und jenen der Luft wie auch zwischen den Molekülen der Luft selbst eine Strömungsrichtung auf, die im Wesentlichen der Biegung der Oberfläche folgt, Bel einer Tragfläche, die Im Querschnitt an der Oberseite eine stärkere Biegung aufweist als an der Unterseite, entsteht also ein hinter der Tragfläche abwärts gerichteter Luftstrom. Die strömende Luft wird von der Tragfläche nach unten geschleudert. Dadurch entsteht eine auf die Tragfläche aufwärts gerichtete Kraft, nämlich der Auftrieb. Zusätzlicher Auftrieb wird durch den Anstellwinkel der Tragfläche erzeugt, d. h. durch den Winkel, mit welchem die Tragfläche nach aufwärts zum Luftstrom geneigt ist. Im vorllegenden Fall beträgt dieser Anstellwinkel etwa 4°.
Bezogen auf das erfindungsgemäße Schutzgitter 4, dessen Lamellen 8 gleichen Querschnitt und Anstellwinkel wie eine Flugzeugtragfläche haben, bedeutet das, dass die an jeder Lamelle vorbeiströmende Luft diese im Sinne eines „Auftriebs“ von der Längsachse des Schutzgitters 4 radial nach außen ziehen will. Da die Lamellen aber gegenüber dem Turbotriebwerk 2 fixiert sind, muss die Luft nach innen strömen, was Insbesondere im Bereich der äußersten Lamellen, die über den Durchmesser des Turbotriebwerkes bzw. dessen Einlassöffnung überstehen, zu einer Verdichtung und Erhöhung der in das Turbotriebwerk strömenden Luftmasse führt.
Die Zeichnung zeigt, dass der Luftstrom vor den einzelnen Lamellen horizontal bzw. gradlinig in Richtung zum Turbotriebwerk verläuft und hinter jeder Lamelle schräg abwärts, wie durch die Pfeile 9 angedeutet ist.
Durch den Versatz der einzelnen koaxial zueinander angeordneten Lamellen 8 jeweils um deren Dicke ergibt sich insgesamt eine stromlinienförmige Gestalt des Schutzgitters 4. Das garantiert einerseits einen geringen Luftwiderstand und andererseits eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass auftreffende Fremdkörper in einem stumpfen Winkel abprallen. Hätte das Schutzgitter die Form einer planen Scheibe, d. h. also ohne Versatz der Lamellen, ergäbe sich zwar auch ein einwärts gelenkter Luftstrom, aber jeder auftreffende Fremdkörper würde frontal einschlagen und dadurch größeren Schaden verursachen. Je mehr die Scheibe zu einem immer längeren Kegel mit schließlich idealer stromlinienartiger Form wird, je mehr also die einzelnen Lamellen gegeneinander versetzt sind, desto geringer ist der Luftwiderstand und desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass Fremdkörper im stumpfen Winkel abprallen.
Ein größerer Versatz der Lamellen um mehr als deren Breite ist nicht zu empfehlen, da sonst die einwärts gelenkte Luft nach der Verwirbelung Gelegenheit hätte, durch die Zwischenräume zwischen den Lamellen wieder zu entweichen. Deshalb ist die ideale Form des Schutzgitters stromlinienförmig, d. h. mit maximal um deren Dicke gegeneinander versetzten Lamellen, so dass sich radial von außen betrachtet ein ununterbrochener Mantel bzw. eine ununterbrochene Oberfläche des Schutzgitters ergibt.
An Flugzeugen angebrachte Turbotriebwerke sind üblicherweise um 4° gegenüber dem Luftzustrom aufwärts geneigt, damit der Luftstrom um das Triebwerk und sein Gasausstoß eine Aufwärtskomponente bilden. Das Schutzgitter ist hingegen mit 0° gegen den Luftstrom geneigt, wodurch das Schutzgitter gegenüber dem Turbotriebwerk geneigt ist. Hätte das Schutzgitter ebenfalls eine Aufwärtsneigung, so würde sich sein cw-Wert und damit sein Luftwiderstand unnötig erhöhen. Ferner würden die Halterungen des Schutzgitters am Einlassende des Turbotriebwerkes durch den nicht idealen Luftstrom ungleichmäßig belastet werden.
Das in der Zeichnung dargestellte Schutzgitter 4 ist vorzugsweise zum Nachrüsten gängiger Flugzeug-Turbotriebwerke 2 geeignet. Es kann aber auch von Anfang an vorgesehen sein.

Claims

Vorrichtung zum Schützen von Turbotriebwerken gegen Einschlag von Fremdkörpern, die am Lufteinlass (3) eines Turbotriebwerkes (2) vorgesehen ist und aerodynamisch ausgebildete Schutzelemente (8.1-8.n) aufweist, zwischen denen Luft in das Turbotriebwerk (2) strömen kann, wobei die Schutzelemente als ringförmige Lamellen (8.1-8.n) ausgebildet sind, die stufenförmig gegeneinander versetzt an kegelförmig angeordneten Trägern (5, 6) angebracht sind und ein Fremdkörper abweisendes Schutzgitter (4) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Lamellen (8.1-8.n) jeweils einen Querschnitt in Form einer Flugzeug-Tragfläche aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass ein Luftstrom durch die tragflächenartig geformten Lamellen (8.1 - 8.n) umgelenkt und einwärts in das Schutzgitter (4) geleitet und dadurch verdichtet werden kann und somit das Schutzgitter (4) nach Art einer Luftströmungs-Linse ausgebildet ist, wobei die Lamellen (8.1-8.n) mit einem Anstellwinkel gegen den zum Turbotriebwerk (2) führenden Luftstrom angestellt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (8.1-8.n) mit einem Anstellwinkel (α) von 4° gegen den zum Turbotriebwerk (2) führenden Luftstrom angestellt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Lamellen (8.1-8.n) des Schutzgitters (4) aus einem stabilen, leichten und schlagfesten Verbundstoff wie kugelsicheres Polycarbonat bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (8.1-8.n) als Hohlkörper ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lamellen (8.1-8.n) in ihrem Durchmesser eine abgestufte Größe aufweisen und in axialer Richtung des Schutzgitters (4) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lamellen (8.1-8.n) jeweils etwa um Ihre Dicke gegeneinander versetzt angeordnet sind und somit einen optisch unterbrechungslosen äußeren Mantel des Schutzgitters (4) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgitter (4) in seinem am Turbotriebwerk (2) angebrachten hinteren Bereich einen größeren Außendurchmesser als der Einlass (3) des Turbotriebwerkes aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Lamellen (8.1-8.n) - in Vorderansicht des Schutzgitters (4) gesehen - einen gegenseitigen radialen Abstand von 2,5 cm bis 10 cm aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Schutzgitter (4) von wenigstens 3,75 m Länge die maximale Dicke der ringförmigen Lamellen (8.1-8.n) 20 cm sowie die Wandstärke der hohlen Lamellen hinter deren Vorderkante (11) wenigstens 5 cm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgitter (4) mit einer wärmedämmenden Beschichtung versehen ist.