DE102010014909A1

DE102010014909A1 - Variabler Mischer für ein Turbofantriebwerk

Info

Publication number: DE102010014909A1
Application number: DE102010014909A
Authority: DE
Inventors: Robert THIES
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Ein variabler Mischer für ein Turbofantriebwerk zum Mischen des Kaltluftstroms mit dem Heißluftstrom in einer durch eine Triebwerksgondel (3) und einen Abgaskonus (6) definierten und durch den Mischer geteilten Mischebene mit einem veränderlichen Größenverhältnis der Kaltstromfläche zur Heißstromfläche umfasst ein den Außenumfang eines Blütenmischers (4) im Bereich seiner stromab liegenden, nach außen gewölbten rinnenförmigen Kanäle (8) umschlingendes flexibles Zugmittel zur temporären, variablen Durchmesserverringerung aufgrund einer elastischen Verformung des Blütenmischers (4) durch an den Enden des Zugmittels in entgegen gesetzter Richtung wirkende Zugkräfte (F). Ein herkömmlicher Blütenmischer kann somit bei geringem Aufwand auch als variabler Mischer genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen variablen Mischer für ein Turbofantriebwerk zum Mischen des Kaltluftstroms mit dem Heißluftstrom in einer durch eine Triebwerksgondel und einen Abgaskonus definierten und durch den Mischer geteilten Mischebene mit einem veränderlichen Größenverhältnis der Kaltstromfläche zur Heißstromfläche.
Die Effizienz von Turbofantriebwerken kann bekanntermaßen dadurch verbessert werden, dass der Heißgasstrom des Kerntriebwerks mit dem kalten Massenfluss des Nebenstroms vermischt wird und erst danach der gemischte Gasstrom durch eine Düse entspannt wird. Ein weiterer Vorteil der Mischung der beiden Gasströme liegt in der damit verbundenen Verringerung des Strahllärms, was insbesondere beim Start eines mit einem derartigen Triebwerk angetriebenen Flugzeugs von Bedeutung ist.
Zur Erzielung eines möglichst großen Mischungseffekts werden üblicherweise sogenannte Blütenmischer eingesetzt, die in einen umlaufenden Blechmantel eingeformte, abwechselnd radial nach innen und nach außen aufgewölbte, sich in Längsrichtung rinnenartig erstreckende Ausbauchungen, das heißt Kanäle, aufweisen. Die regelmäßig in Umfangsrichtung ausgebildeten Kanäle können eine unterschiedliche Form und Länge haben. Durch die jeweilige Form und Länge und Anzahl der rinnenförmigen Kanäle des Blütenmischers kann die Kontaktfläche zwischen dem kalten Nebenluftstrom und dem heißen Kernstrom und die Ausbildung von im Mischungsbereich erzeugten Strömungswirbeln und somit letztlich die Mischungswirkung des Blütenmischers in der in eine Nebenstromfläche (Kaltstromfläche) und eine Kernstromfläche (Heißstromfläche) geteilten Mischebene beeinflusst werden.
Da jedes Hindernis in dem vom Fan erzeugten Luftstrom direkten Einfluss auf die Flattergröße des Fans hat, beeinflusst das Verhältnis zwischen der Kaltstrom- und der Heißstromfläche auch das Flattern des Fans bei bestimmten Flugzuständen. Bei einer größeren Kaltstromfläche wird der Fan geringer belastet, so dass das Flattern verringert wird. Eine dementsprechende Veränderung des Verhältnisses zwischen der Kalt- und der Heißstromfläche, das heißt eine Verringerung der Kaltstromfläche zugunsten einer größeren Heißstromfläche, beeinflusst jedoch die Mischwirkung derart, dass der Schub verringert und der Lärmpegel erhöht wird. Andererseits kann unter bestimmten Flugbedingungen ein gegenteiliges Verhältnis vorteilhaft sein, um ohne in einen kritischen Flatterbereich zu gelangen, die Schubwirkung zu verbessern. Insofern ist das bei den bekannten Blütenmischern vorgesehene feststehende Verhältnis zwischen der Kalt- und der Heißstromfläche nur ein Kompromiss für alle auftretenden Flugzustände.
Aus der US 5771681 ist eine Mischvorrichtung für Gasturbinentriebwerke zum Mischen des kalten Nebenluftstroms mit dem heißen Kernluftstrom bekannt, die eine Veränderung des Verhältnisses zwischen der Größe der Kaltstromfläche und der Heißstromfläche bzw. eine Änderung des Mischungsverhältnisses zwischen dem Nebenluftstrom und dem Kernluftstrom vorsieht. Ein derart ausgebildeter Mischer kann an unterschiedliche Flugzustände angepasst werden. Die Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden, gelenkig befestigten Segmenten, die in eine äußere Position und eine innere Position verstellt werden können, um entsprechend der jeweiligen Position das Mischungsverhältnis zu ändern. Die bekannten einstellbaren Mischvorrichtungen sind jedoch wegen der Vielzahl gelenkig befestigter Bauteile und des hohen Gewichts sowie des Wartungs- und Kostenaufwandes nachteilig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen variablen Mischer für ein Turbofantriebwerk anzugeben, der auf einfache Art eine variable Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen dem Heiß- und dem Kaltluftstrom ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten variablen Mischer gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Nutzung der insbesondere in einem stromab liegenden Bereich vorhandenen elastischen Eigenschaften eines Blütenmischers zur Veränderung der Größe der Kaltstromfläche im Verhältnis zur Heißstromfläche, und zwar durch ein den Außenumfang des Blütenmischers im Bereich seiner nach außen gewölbten rinnenförmigen Kanäle umschlingendes flexibles Zugmittel zur temporären Durchmesserverringerung durch an den Enden des Zugmittels wirkende Zugkräfte. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein herkömmlicher Blütenmischer mit geringem Material- und Kostenaufwand auch als variabler Mischer eingesetzt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zugmittel ein Zugseil, das in am Rücken der nach außen gewölbten rinnenförmigen Kanäle angebrachten Seilführungen geführt ist.
Zum Aufbringen der Zugkräfte ist ein Ende des Zugseils an der Triebwerksgondel fixiert und das andere Ende des Zugseils ist mit einer Zugvorrichtung verbunden.
In Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Zugvorrichtung einen in einem Druckzylinder angeordneten, mit einem Fluid beaufschlagbaren Kolben.
Das Zugseil ist über eine Umlenkrolle zu der an der Triebwerksgondel befestigten Zugvorrichtung geführt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Turbofantriebwerks mit einem im Bereich des Abgaskonus angeordneten Mischer;
2 eine Rückansicht eines Turbofantriebwerks mit variablem Mischer;
3 eine perspektivische Ansicht des als Blütenmischer ausgebildeten variablen Mischers gemäß 2 mit einer Stellvorrichtung; und
4 eine Rückansicht des Turbofantriebwerks mit einem in zwei unterschiedlichen Mischpositionen dargestellten Blütenmischer.
Der vom Fan 1 des in 1 dargestellten Turbofantriebwerks erzeugte Luftstrom wird an einem Strömungsteiler 2 aufgeteilt und gelangt über den Nebenstromkanal als Kaltluftstrom K (durchgezogene Linie) in den zwischen der Innenwand 3a der Triebwerksgondel 3 und dem Blütenmischer 4 liegenden Bereich der Mischebene 5 mit einer Kaltstromfläche A_k sowie über den Triebwerkskern als Heißluftstrom H (punktierte Linie) in den zwischen dem Abgaskonus 6 und dem Blütenmischer 4 liegenden Bereich der Mischebene 5 mit einer Heißstromfläche A_h.
Wie die 2 und 3 zeigen, kann die Größe der Kaltstromfläche A_k und der Heißstromfläche A_h mit einer am Blütenmischer 4 angebrachten Stelleinrichtung 7 in Abhängigkeit voneinander verändert werden, um entsprechend dem jeweiligen Flugzustand eine optimale Vermischung des Kaltluftstroms und des Heißluftstroms einstellen zu können und die Lärmentwicklung und den Schub beeinflussen oder einem Flattern des Fans entgegenwirken zu können.
Der im stromab liegenden Bereich in radialer Richtung elastische Blechmantel des Blütenmischers 4 umfasst, um eine möglicht weitgehende Vermischung zu erzielen, nach außen gewölbte Kanäle 8 und nach innen gewölbte Kanäle 9. Die Stelleinrichtung 7 ist durch ein die Außenseite des Blütenmischers 4 in dessen elastischem Bereich umschlingendes flexibles Zugmittel, hier ein Zugseil 10, gebildet, das in auf dem Rücken der nach außen gewölbten Kanäle 8 angebrachten Seilführungen 11, wie Haken, Ösen oder dergleichen, geführt ist und über eine Umlenkrolle 12 mit einer Zugvorrichtung 13 verbunden ist. Während das eine Ende des Zugseils 10 an einer Befestigungsstelle 14 an der Innenwand 3a der Triebwerksgondel 3 fixiert ist, ist das andere – freie – Ende des Zugseils 10 mit der Zugvorrichtung 13, hier mit dem in einem Druckzylinder 15 angeordneten und mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Kolben 16, verbunden.
Bei einer am freien Ende des Zugseils 10 wirkenden Zugkraft F wird, wie 4 zeigt, der elastische Blechmantel des Blütenmischers 4 aus dem entspannten Normalzustand (strichlierte Linie) in Abhängigkeit vom Weg des Kolbens 14 radial zusammengedrückt (durchgezogene Linie) und dementsprechend die Kaltstromfläche A_k vergrößert und die Heißstromfläche A_h verkleinert. Wenn die Zugkraft aufgehoben wird, das heißt der Kolben 16 im Druckzylinder 15 in seine Ausgangsstellung zurückgeht, erreicht der Blechmantel des Blütenmischers 4 aufgrund seiner Eigenelastizität wieder die strichliert dargestellte Ausgangslage. Auf diese Art kann entsprechend der jeweiligen Flugsituation Einfluss auf das Flattern des Fans, die Geräuschentwicklung und den Schub des Triebwerks genommen werden.
Bezugszeichenliste

1: Fan
2: Strömungsteiler
3: Triebwerksgondel
3a: Innenwand von 3
4: variabler Blütenmischer
5: Mischebene
6: Abgaskonus
7: Stelleinrichtung
8: nach außen gewölbte Kanäle von 4
9: nach innen gewölbte Kanäle von 4
10: Zugseil, flexibles Zugmittel
11: Seilführungen
12: Umlenkrolle
13: Zugvorrichtung
14: Befestigungsstelle von 10
15: Druckzylinder von 13
16: Kolben von 13
K: Kaltluftstrom
H: Heißluftstrom
A_k: Kaltstromfläche
A_h: Heißstromfläche
F: Zugkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5771681 [0005]

Claims

Variabler Mischer für ein Turbofantriebwerk zum Mischen des Kaltluftstroms (K) mit dem Heißluftstrom (H) in einer durch eine Triebwerksgondel (3) und einen Abgaskonus (6) definierten und durch den Mischer geteilten Mischebene (5) mit einem veränderlichen Größenverhältnis der Kaltstromfläche (A_k) zur Heißstromfläche (A_h), gekennzeichnet durch ein den Außenumfang eines als Blütenmischer (4) ausgebildeten Mischers im Bereich seiner nach außen gewölbten rinnenförmigen Kanäle (8) umschlingendes flexibles Zugmittel zur temporären, variablen Durchmesserverringerung aufgrund einer elastischen Verformung des Blütenmischers (4) durch an den Enden des Zugmittels in entgegen gesetzter Richtung wirkende Zugkräfte (F), wobei der Blütenmischer (4) und das Zugmittel nach Aufhebung der Zugkräfte aufgrund seiner elastischen Materialeigenschaften wieder in seine Ausgangslage gelangen.
Variabler Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel ein Zugseil (10) ist, das in am Rücken der nach außen gewölbten rinnenförmigen Kanäle (8) angebrachten Seilführungen (11) geführt ist.
Variabler Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Zugseils (10) an der Triebwerksgondel (3) oder dessen Innenwand (3a) fixiert ist und das andere Ende des Zugseils (10) mit einer Zugvorrichtung (13) verbunden ist.
Variabler Mischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugvorrichtung (13) einen in einem Druckzylinder (15) angeordneten, mit einem Fluid beaufschlagbaren Kolben (16) umfasst.
Variabler Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugseil (10) über eine Umlenkrolle (12) zu der an der Triebwerksgondel (3) befestigten Zugvorrichtung (13) geführt ist.