DE102013225043B4

DE102013225043B4 - Ringschließsystem für ein Strahltriebwerk

Info

Publication number: DE102013225043B4
Application number: DE102013225043.6A
Authority: DE
Inventors: Werner Hufenbach; Christoph Ebert; Moritz Kuhtz
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2017-07-13
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: DE102013225043A1

Abstract

Ringschließsystem für ein Strahltriebwerk, aufweisend – einen axial führbaren und um seine Rotationssymmetrieachse drehbaren Kreisring, – einen achsgleichen, planparallelen und unbeweglichen Kreisring, – mindestens ein längserstrecktes, endseitig die Kreisringe verbindendes Element, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Kreisringe eine Strömungsleitung umfänglich begrenzen, b) durch Rotation des drehbaren Kreisrings i. der Abstand der Kreisringe veränderbar ist und ii. das längserstreckte Element in eine in der Mantelfläche eines Rotationshyperboloids angeordneten Konfiguration überführbar ist, c) der Rotationshyperboloid eine mit Verringerung des Kreisringabstandes zunehmende Querschnittsverjüngung aufweist und d) die längserstreckten Elemente bei dem geringsten Abstand der Kreisringe an die äußere Mantelfläche einer Kernturbine einer Zweistromstrahlturbine angelegt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ringschließsystem für ein Strahltriebwerk, insbesondere ein Ringschließsystem für ein Zweistromstrahltriebwerk.
Aus dem Stand der Technik ist bereits eine Vielzahl von Schubumkehreinheiten für Strahltriebwerke bekannt.
Schubumkehreinheiten sind in der Regel in Form von Klappen ausgeführt, die zwischen einer Ruheposition und einer Betriebsposition verschwenkbar ausgebildet sind. In der Ruheposition befinden sich die Klappen außerhalb der Strömungswege des Triebwerksstroms, insbesondere von Hauptstrom und Nebenstrom, und werden zur Schubumkehr in diese hinein geschwenkt (Betriebsposition). Dadurch trägt die jeweilige Strömung nicht mehr zum Vortrieb bei und kann durch gezielte Umlenkung entgegen der Flugrichtung zur Bremsunterstützung genutzt werden.
Bei den in Verkehrsflugzeugen üblichen Mantelstromtriebwerken finden in der Regel zwei Arten von Schubumkehreinheiten Anwendung. Bei einem ersten Typ werden Haupt- und/oder Nebenstrom am Triebwerksaustritt von einer Heißstrom- oder Mischstrom-Schubumkehreinheit umgelenkt. Bei einem zweiten Typ wird nur der Nebenstrom deutlich vor dem Triebwerksaustritt von einer Kaltstromschubumkehreinheit, insbesondere einer Schubumkehrklappe, geblockt und, ggf. unter Mithilfe von Leitgitterkaskaden, umgelenkt.
In Triebwerken mit Schubumkehreinheiten des ersten Typs bilden die Klappen der Schubumkehreinheit in der Ruheposition das hintere Ende der Schubdüse. Sie sind mittels von festen Strukturen gehaltenen Drehzapfen in den Gasstrom der Schubdüse schwenkbar. Die Klappen sind der Regel aus mehreren, einzeln verschwenkbaren Elementen aufgebaut, die für sich genommen eine Manipulation des Strahlprofils am Gasaustritt auch in der Ruhestellung der Klappen ermöglichen. Wie in der der EP 0 715 068 B1 und in der EP 0 620 792 B1 beschrieben, wird die Bewegung der Klappen bzw. Klappensegmente dabei i. d. R. durch Koppelstangen vermittelt.
In der EP 0 366 829 A1 sind verschiedene Konstruktionsmöglichkeiten für die Betätigungsmittel von Schubumkehrklappen des ersten Typs beschrieben. Diese umfassen stets auf der Mittelachse des Triebwerks angeordnete Hydraulikzylinder und von diesen bewegte Koppelstangen. Die Stangen wirken direkt auf die Klappen oder auf Exzenterringe mit zur Strömungsrichtung der Triebwerksgase transversalen Rotationsachsen ein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Koppelstangen leeseitig der Klappen angeordnet, um zumindest in deren Betriebsposition nicht direkt den Turbinengasen ausgesetzt zu sein.
Eine Ausführung des zweiten Typs einer Schubumkehreinheit ist in der EP 2 078 152 B1 offenbart. Dabei weist die Triebwerksaußenhülle eine gleitende Abdeckung auf, die in ihrer Ruheposition Öffnungen der Hülle verdeckt. An der im Wesentlichen ringförmigen Abdeckung ist an einer mittleren Gelenkachse mindestens eine Klappe schwenkbar montiert. Durch eine Translation der Abdeckung wird die Öffnung freigelegt und gleichzeitig die Klappe in die Gasströmung gelenkt, wodurch die Strömung durch die Öffnung umgeleitet wird. Das Öffnen und Schließen der Abdeckung erfolgt mittels in Gleitschienen montierten Schubstangen. Diese weisen Anschlagelemente auf, welche die Translationsbewegung der Abdeckung stoppen und ein Umschlagen der Klappen in die Gasströmung verhindern sollen.
Aus der DE 10 2008 022 271 A1 ist eine Düse für einen Strömungsantrieb, insbesondere eine Schubdüse für ein Strahltriebwerk bekannt, welche einen rohrförmigen Grundkörper aufweist, dessen Innenraum unmittelbar auf eine Konvergent-Divergent-Gestalt in der Art einer Laval- oder Venturidüse umgeformt werden kann. Der Grundkörper weist hierzu zwei achsgleiche und planparellel ringförmige Tragrahmen bzw. Halteringe auf, die über eine Wandung verbunden sind, wobei die Wandung vollflächig aus einem flexiblen Material oder aus einer Vielzahl von Einzelelementen gebildet ist. Die Düse soll als Schubdüse für ein Strahltriebwerk eingesetzt werden, um einen optimalen Schub für unterschiedliche Flugbedingungen zu erzeugen, indem die Konvergent-Divergent-Gestalt entsprechend der vorgesehenen Strömungsbedingungen einstellbar ist und somit verschiedene Strömungsverhältnisse erzeugt. Eine Verwendung der Düse zur Schubumkehr sowie die hierfür notwendigen räumlich-körperlichen Merkmale sind in der Schrift nicht offenbart.
In bekannten Schubumkehreinheiten ist nachteilig eine Vielzahl von Hydraulikzylindern und/oder Stellmotoren zur Bewegung der Koppel- oder Schubstangen verbaut. Von jedem dieser Aktuatoren werden dabei i. d. R. nur eine oder zwei Schubumkehrklappen bewegt. Dies ist konstruktiv und energetisch aufwendig sowie wartungsintensiv, insbesondere wenn die Schubstangen den Turbinengasen ausgesetzt sind. Zudem nehmen bekannte Lösungen viel Bauraum in Anspruch, wobei die in der Gasströmung angeordneten Bauteile Strömungsverluste und Lärm erzeugen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine neuartige Schubumkehreinheit für Strahltriebwerke vorzuschlagen, die konstruktiv einfach und wartungsarm ist. Diese soll gegenüber bekannten Lösungen eine reduzierte Anzahl beweglicher Teile und notwendiger Antriebsmittel aufweisen, um Gewicht und Bauraum einzusparen. Zudem soll die Turbinenströmung in der Ruheposition der Klappen weitgehend ungestört sein.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ringschließsystem für ein Strahltriebwerk gemäß Anspruch 1 und dessen Verwendung als Schubumkehreinheit für ein Strahltriebwerk gemäß Anspruch 11. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ringschließsystem für ein Strahltriebwerk, aufweisend zwei planparallele Kreisringe, die durch mindestens ein längserstrecktes, elastisches Element miteinander verbunden sind. Dabei ist ein Kreisring entlang einer Führung axial verschiebbar, also axial führbar, und um seine Rotationssymmetrieachse drehbar ausgestaltet. Der zweite achsgleiche Kreisring ist translatorisch und rotatorisch unbeweglich ausgestaltet. Beide Kreisringe sind mit jeweils einem Ende des mindestens einen längserstreckten Elements verbunden und sind über mindestens ein längserstrecktes Element miteinander verbunden. Das Ringschließsystem weist weiterhin mindestens ein Antriebsmittel zur Rotation des drehbaren Kreisrings auf.
Erfindungsgemäß begrenzen die Kreisringe eine Strömungsleitung umfänglich, sind also im oder innenliegend am Gehäuse eines Strömungsleiters befestigt. Bei dem Strömungsleiter handelt es sich bevorzugt um eine Fluid- oder Gasleitung, besonders bevorzugt um das Außengehäuse eines Zweistromstrahltriebwerks. Besonders bevorzugt sind Kreisringe und Strömungsleiter konzentrisch.
Erfindungsgemäß ist durch die Rotation des drehbaren Kreisrings und vermittelt durch das mindestens eine längserstreckte Element der Abstand der Kreisringe veränderlich. Dabei ist das mindestens eine längserstreckte Element in eine in der Mantelfläche eines Rotationshyperboloides angeordnete Konfiguration überführbar. Dabei handelt es sich um ein bewegliches einschaliges Hyperboloid, das man sich als durch Rotation einer Geraden um eine zu ihr windschiefe Gerade (Rotationssymmetrieachse) entstanden vorstellen kann. Das mindestens eine längserstreckte Element weist immer dann eine solche Konfiguration auf, wenn die beiden, jeweils mit einem Kreisring verbundenen Enden des Elements und die Rotationsymmetrieachse der Ringe nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen. Durch eine solche Anordnung des mindestens einen längserstreckten Elements ist die Betriebsposition des Ringschließsystems charakterisiert. Liegen beide Enden des mindestens einen längserstreckten Elements mit der Rotationssymmetrieachse in einer gemeinsamen Ebene, ist der Abstand der Kreisringe am größten und das Ringschließsystem befindet sich in Ruheposition.
Erfindungsgemäß weist der Rotationshyperboloid, in dessen Mantelfläche das mindestens eine längserstreckte Element orientiert ist, eine Querschnittsverjüngung auf, die mit zunehmender Verringerung des Kreisringabstands zunimmt. Die theoretische maximale Querschnittsverjüngung bei einer gegenseitigen Verdrehung der Kreisringe um 180° wird mit räumlich ausgedehnten, starren Stäben nicht erreicht. Die maximale Querschnittverengung nimmt mit steigender Länge der längserstreckten Elemente zu.
Das erfindungsgemäße Ringschließsystem ermöglicht vorteilhaft die Verengung des Querschnitts der Strömungsleitung und kann daher als regelbares Ventil eingesetzt werden. Dabei ist ein einzelnes Antriebsmittel zur Rotation des drehbaren Kreisrings ausreichend.
Bei Anordnung des Ringschließsystems im Außengehäuse eines Zweistromstrahltriebwerks ist das Ringschließsystem erfindungsgemäß als Schubumkehreinheit einsetzbar. Dazu tangieren mindestens zwei und bevorzugt eine Vielzahl der längserstreckten Elemente beim kleinsten Abstand der Kreisringe die äußere Mantelfläche der Kernturbine einer Zweistromstrahlturbine oder legen sich an diese an. Dies ist neben Zweistrahlstromturbinen auch für andere hohlzylinderförmige Strömungsleiter bevorzugt, wobei sich die längserstreckten Elemente an den inneren Zylinder anlegen. Ein vollständiger Verschluss einer Zweistromstrahlturbine bzw. eines hohlzylinderförmigen Strömungsleiters ist durch die Verwendung einer ausreichenden Anzahl stab- oder profilförmiger längserstreckter Elemente realisierbar. Voraussetzung ist, dass sich die längserstreckten Elemente zumindest beim kleinsten Kreisringabstand zu einer vollständig geschlossenen auch in radialer Richtung orientierten Fläche ergänzen. Dies ermöglicht vorteilhaft den Verzicht auf Schubumkehrklappen und die mit diesen verbundenen Koppel- bzw. Schubstangen. Vorteilhaft ist nur ein Antriebsmittel zur Querschnittsverengung notwendig, wodurch das Gewicht, der Bauraum und der konstruktive Aufwand minimiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ringschließsystems sind mindestens zwei und besonders bevorzugt eine Vielzahl von längserstreckte(n) Elemente(n) bei dem größten Abstand der Kreisringe parallel zueinander und in der Mantelfläche eines Kreiszylinders orientiert. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für zylinderförmige Strömungsleiter vorteilhaft. Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der mindestens zwei und bevorzugt eine Vielzahl von längserstreckte(n) Elemente(n) beim größten Kreisringabstand in der Mantelfläche eines geraden Kreiskegelstumpfs vorliegen. Vorteilhaft ist ein solches Ringschließsystem auch in konische Strömungsleiter integrierbar. Bei einer konischen Ausgestaltung des Ringschließsystems ist bevorzugt der kleinere Kreisring drehbar ausgestaltet und/oder in Bezug auf die Strömungsrichtung im Strömungsleiter leeseitig angeordnet. Beim größten Kreisringabstand sind die längserstreckten Elemente bevorzugt im oder innenliegend am Gehäuse eines Strömungsleiters, besonders bevorzugt im oder innenliegend am Außengehäuse eines Strahltriebwerks angeordnet. Bei der Verwendung als Schubumkehreinheit sind somit in der Ruheposition keine Teile im Strömungspfad der Triebwerksgase, insbesondere im Nebenstrom, angeordnet.
Beim geringsten Abstand der Kreisringe tangieren mindestens zwei und bevorzugt eine Vielzahl längserstreckte Elemente bevorzugt die Rotationssymmetrieachse der Kreisringe. Somit wird der Querschnitt des Strömungsleiters auf null reduziert. Besonders bevorzugt ergeben die längserstreckten Elemente zumindest beim kleinsten Kreisringabstand eine auch in radialer Richtung orientierte, vollständig geschlossene Fläche. Dies ist bevorzugt durch die Verwendung einer Vielzahl stab- oder profilförmiger längserstreckter Elemente realisierbar, wobei die genaue Anzahl von der Größe des Strömungsleiters und der Dimensionierung der längserstreckten Elemente abhängt. Vorteilhaft ermöglicht diese auch in radialer Richtung orientierte, vollständig geschlossene Fläche einen vollständigen Verschluss des Strömungsleiters.
Insbesondere für Zweistromstrahlturbinen bzw. hohlzylinderförmige Strömungsleiter ist die Verwendung elastischer längserstreckter Elemente bevorzugt. Bereits durch ein einzelnes stab- oder profilförmiges und elastisches längserstrecktes Element, das einen ausreichenden Querschnitt aufweist und sich beim kleinsten Kreisringabstand an die innere Mantelfläche anlegt, ist ein vollständiger Verschluss des Strömungsleiters realisierbar. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines profilförmigen Elements oder eines hohlen Elements.
Besonders bevorzugt wird die Art und Anzahl der längserstreckten Elemente so gewählt, dass der Strömungspfad des Mantelstroms bei dem geringsten Abstand der Kreisringe vollständig verschlossen ist. Dies verhindert einen gegen die Flugrichtung erfolgenden Gasaustritt aus der Turbine sowie die Entstehung von Vorschub und ermöglicht somit vorteilhaft eine Schubreduzierung des Triebwerks auf null.
Der drehbare Kreisring ist darüber hinaus vorzugsweise mit einem axial verfahrbaren Außengehäuseteil des Strahltriebwerks verbunden. Dieses Gehäuseteil deckt in der Ruheposition des Ringschließsystems eine im Außengehäuse vorhandene Öffnung ab. Durch die axiale Führung des drehbaren Kreisrings in eine Betriebsposition des Ringschließsystems wird das Außengehäuseteil ebenfalls in axialer Richtung verschoben und legt die Öffnung im Außengehäuse frei. Besonders bevorzugt ist der in Bezug auf die Strömung luvseitig im Strömungsleiter angeordnete Kreisring drehbar ausgestaltet und mit dem Außengehäuseteil verbunden. Vorteilhaft befindet sich die Öffnung im Außengehäuse in Strömungsrichtung vor der Querschnittsverengung des Rotationshyperboloids bzw. des Ringschließsystems. Der Triebwerksstrom wird dann vorteilhaft an der Querschnittsverengung gestoppt und tritt durch die Öffnung im Außengehäuse aus. Besonders bevorzugt weist die von den längserstreckte Elementen gebildete, vollständig geschlossene und auch in radialer Richtung orientierte Fläche ein Profil auf, das den auftreffenden Turbinenstrom in Richtung der Öffnung im Außengehäuse sowie entgegen der Flugrichtung leitet. Ebenfalls bevorzugt bildet das Ringschließsystem selbst das Außengehäuse einer Zweistromstrahlturbine, wobei die beiden Kreisringe über eine, die längserstreckten Elemente umschließende, hochreißfeste, elastische und in ausreichendem Maß gasdichte Plane verbunden sind. Durch Rotation des luvseitig angeordneten drehbaren Kreisrings wird der Abstand der Kreisringe verringert, wobei sich ein zuvor von der Plane als gespannte Außenhaut gebildeter Abschnitt des Außengehäuses öffnet. Die Plane wird bei der Verringerung des Kreisringabstandes gerafft und legt sich aufgrund der gegenseitigen Verdrehung der kreisringe außen an die längserstreckten Elemente an, mit denen sie vorzugsweise verbunden ist.
Die längserstreckten Elemente sind bevorzugt stabförmig oder in Form breiter Profile ausgeführt. Die stabförmigen Profile weisen dabei besonders bevorzugt einen im Vergleich zum Strömungsleiter geringen Durchmesser auf. Bei der Verwendung in einem hohlzylinderförmigen Strömungsleiter weist eine geringe Anzahl stabförmiger Profile in einer alternativ bevorzugten Ausführungsform einen Durchmesser in der Größenordnung der radialen Ausdehnung des Strömungspfades des Mantelstroms auf. Die breiten Profile weisen bevorzugt einen flachen rechteckigen Querschnitt und besonders bevorzugt eine für die Strömungsleitung optimierte Form, bspw. die von Leitschaufeln, auf.
Weiterhin bevorzugt sind die längserstreckten Elemente elastisch ausgebildet. Dies ermöglicht vorteilhaft ein Anlegen der Elemente an das Kerngehäuse eines hohlzylindrischen Strömungsleiters, insbesondere eines Zweistromstrahltriebwerks. Darüber hinaus kann die Elastizität der Elemente ihren Zusammenschluss zu einer geschlossenen auch in radialer Richtung orientierten Fläche begünstigen.
Die längserstreckten Elemente sind darüber hinaus bevorzugt drehbar an den Kreisringen befestigt. Bei stabförmigen Elementen bewirkt dies in erster Linie eine Reduktion des Torsionsträgheitsmoments des Ringschließsystems und somit der zum Verschluss des Strömungsleiters benötigten Antriebskräfte. Bei profilförmigen Elementen begünstigt die, gegebenfalls durch gegenseitige Beeinflussung der längserstreckten Elemente untereinander bewirkte, Drehung der Elemente den Zusammenschluss der Elemente zu einer geschlossenen auch in radialer Richtung orientierten Fläche.
Die längserstreckten Elemente sind bevorzugt aus Metall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoffen gebildet. Beim Einsatz im Mantelstrom von Zweistromstrahltriebwerken sind die Elemente auf Dauer tiefen Temperaturen ausgesetzt und dürfen dabei keine erhöhte Sprödigkeit aufweisen. Die Wahl von Faserverbundwerkstoffen ermöglicht eine höhere Lebensdauer und Betriebssicherheit gegenüber bekannten Schubumkehreinheiten mit im Mantelstrom angeordneten Antriebs- und Betätigungsmitteln. Die hohe Verschleißfestigkeit solcher längserstreckter Elemente ist vorteilhaft kombinierbar mit einer großen Flexibilität bei gleichzeitig geringer Elastizität, was die Einstellung definierter Bewegungs- und Raumlagezustände unter geringer Kraftaufwendung ermöglicht.
Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Ringschließsystems als Schubumkehreinheit in einem Strahltriebwerk.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Ringschließsystems sind die Kreisringe bevorzugt im oder innen am Außengehäuse einer Zweistromstrahlturbine befestigt. Somit umschließen sie den Strömungspfad des Mantelstroms, der nach innen vom Gehäuse der Kernturbine begrenzt ist. In der Ruheposition des Ringschließsystems, also beim größten Kreisringabstand, sind die längserstreckten Elemente bevorzugt im oder innen am Außengehäuse angeordnet. Somit befinden sich keine Teile der Schubumkehreinheit im Strömungspfad des Mantelstroms. Beim kleinsten Abstand der Kreisringe liegen die längserstreckten Elemente bevorzugt am Gehäuse der Kernturbine an und blockieren den Mantelstrom. Somit ist diese Position eine Verschlussstellung des Ringschließelements, bei der durch den Mantelstrom kein Vorschub mehr erzeugt wird.
Besonders bevorzugt lenken die an dem Gehäuse der Gasturbine anliegenden längserstreckten Elemente den Mantelstrom durch eine Öffnung im Außengehäuse um. Dazu fügen sich die Elemente beim kleinsten Kreisringabstand zu einer geschlossenen auch radial orientierten Fläche zusammen. Besonders bevorzugt sind die Elemente so ausgebildet, dass die Fläche eine zur Umleitung des Turbinenstroms in Richtung der Öffnung im Außengehäuse geeignete Form aufweist.
Besonders bevorzugt wird die Öffnung im Außengehäuse des Strahltriebwerks durch die Rotation und axiale Führung des Kreisrings freigelegt. Hierzu ist der Kreisring mit einer, am oder im Außengehäuse befindlichen und verschiebbaren Abdeckung verbunden. Durch die axiale Führung des drehbaren Kreisrings wird gleichzeitig die verschiebbare Abdeckung bewegt. Alternativ bildet das Ringschließsystem zumindest abschnittweise selbst das Außengehäuse eines Zweistromstrahltriebwerks, wobei die beiden Kreisringe über eine, die längserstreckten Elemente umschließende, hochreißfeste, elastische und in ausreichendem Maß gasdichte Plane verbunden sind.
Die vorgeschlagene Schubumkehreinheit weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Systemen auf, die bspw. über im Nebenstromkanal befindliche Koppelstangen angetrieben werden. So sind Strömungsverluste und Lärmentwicklung auf ein Minimum reduziert, da bevorzugt alle Komponenten in der Ruheposition des Ringschließsystems außerhalb des Nebenstroms angeordnet sind. Die geringe Belastung der einzelnen längserstreckten Elemente und deren gegenseitige Verschränkung in der Betriebsposition des Ringschließsystems erlaubt die Verwendung leichtester Werkstoffe, bspw. faserverstärkter Kunststoffe, wodurch maximale Leichtbaugrade erzielbar sind. Zur Verstellung des Ringschließsystems ist zudem mindestens ein Antriebsmittel zur Rotation des beweglichen Kreisrings notwendig.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. Dabei zeigen:
1: ein erfindungsgemäßes Ringschließsystems im offenen Zustand in einer (A) Seitenansicht, (B) Frontansicht und (C) einer perspektivischen Seitenansicht (Kavalierperspektive),
2: ein erfindungsgemäßes Ringschließsystems im 1/3 geschlossenen Zustand in einer (A) Seitenansicht, (B) Frontansicht und (C) einer perspektivischen Seitenansicht (Kavalierperspektive),
3: ein erfindungsgemäßes Ringschließsystems im 2/3 geschlossenen Zustand in einer (A) Seitenansicht, (B) Frontansicht und (C) einer perspektivischen Seitenansicht (Kavalierperspektive),
4: ein erfindungsgemäßes Ringschließsystems im geschlossenen Zustand in einer (A) Seitenansicht, (B) Frontansicht und (C) einer perspektivischen Seitenansicht (Kavalierperspektive).
Das in 1 gezeigte Ringschließsystem weist einen ersten drehbaren und axial führbaren Kreisring 1 und einen zweiten achsgleichen, planparallelen und unbeweglichen Kreisring 2 aus einem Faserverbundkunststoff auf. Beide Kreisringe 1, 2 haben einen Durchmesser von 1800 Millimetern und sind innenliegend an dem, jeweils nur in den Frontansichten (B) gezeigtem Außengehäuse 4 einer Zweistromstrahlturbine mit einem Abstand von 1350 Millimetern zueinander angeordnet. Die Ringe 1, 2 sind über 90 längserstreckte Elemente 3 miteinander verbunden.
Die längserstreckten Elemente 3 sind stabförmig ausgebildet, bestehen aus einem Faserverbundkunststoff und besitzen eine Länge von 1350 Millimetern sowie einen Durchmesser von 16 Millimetern. Die längserstreckten Elemente 3 sind drehbar an den Ringen 1, 2 befestigt, wodurch das Ringschließsystem ein geringes Torsionsträgheitsmoment aufweist.
Konzentrisch zu den Ringen 1, 2 und zum Außengehäuse der Zweistromstrahlturbine 4 ist innenliegend das Gehäuse der Kernturbine 5 angeordnet. Das Außengehäuse 4 weist einen Außenradius R_A von 925 Millimetern und das Gehäuse der Kernturbine 5 einen Innenradius R_I von 600 Millimetern auf. Dem Mantelstrom der Zweistromstrahlturbine steht somit in dem in 1 gezeigten offenen Zustand des Ringschließsystems ein hohlzylinderförmiges Mantelstromgehäuse mit der radialen Ausdehnung R_M = R_A – R_I = 325 Millimetern als Strömungspfad zur Verfügung, vgl. 1(B).
Durch Drehung des drehbaren Kreisrings 1 mittels eines nicht gezeigten Elektromotors als Antriebselement, werden der Abstand der Kreisringe 1, 2 verringert und die längserstreckten Elemente 3 in eine in der Mantelfläche eines Rotationshyperboloids angeordneten Konfiguration überführt. Die 2 bis 4 zeigen das Verhalten des Ringschließsystems bei fortschreitender Verdrehung des drehbaren Kreisrings 1 gegenüber dem unbeweglichen Kreisring 2 um die Rotationssymmetrieachse des Zweistromstrahltriebwerks 4, 5.
In dem in 2 gezeigten Zustand des Ringschließsystems ist der drehbare Ring 1 um einen Winkel von 70° gegenüber dem unbeweglichen Ring 2 verdreht. Der Abstand der Kreisringe 1, 2 hat sich dadurch auf 900 Millimeter verringert, wobei die längserstreckten Elemente 3 in eine in der Mantelfläche eines ersten Rotationshyperboloids angeordneten Konfiguration überführt sind. Dabei schließen die längserstreckten Elemente 3 mit der Rotationssymmetrieachse des Zweistromstrahltriebwerks 4, 5 einen Raumwinkel ein, der einen Meridianwinkelanteil M₁ und einen Breitenwinkelanteil B₁ größer null aufweist, wobei der Breitenwinkel als Zylinderhöhenlinie interpretiert werden kann. Durch die Rotation des drehbaren Kreisrings 1 schließen sich die längserstreckten Elemente 3 zu einer auch in radialer Richtung orientierten, zumindest teilweisen geschlossene Fläche zusammen. Diese Fläche hat am Ort der maximalen Querschnittverengung 6, in radialer Richtung und ausgehend vom Außengehäuse 4 des Zweistromstrahltriebwerks 4, 5 eine Ausdehnung von 0,5·R_M = 162,5 Millimetern. Somit steht dem Mantelstrom im hohlzylinderförmigen Mantelstromgehäuse ein Strömungspfad mit verringerter Querschnittfläche zur Verfügung.
In dem in 3 gezeigten Zustand des Ringschließsystems ist der drehbare Ring 1 um einen Winkel von 90° gegenüber dem unbeweglichen Ring 2 verdreht. Der Abstand der Kreisringe 1, 2 hat sich dadurch weiter auf 500 Millimeter verringert, wobei die längserstreckten Elemente 3 in eine in der Mantelfläche eines zweiten Rotationshyperboloids angeordneten Konfiguration überführt sind. Dabei schließen die längserstreckten Elemente 3 mit der Rotationssymmetrieachse des Zweistromstrahltriebwerks 4, 5 einen Raumwinkel ein, der einen Meridianwinkelanteil M₂ > M₁ und einen Breitenwinkelanteil B₂ > B₁ aufweist. Die aus den längserstreckten Elementen 3 gebildete, auch in radialer Richtung orientierte und zumindest teilweise geschlossene Fläche hat am Ort der maximalen Querschnittverengung 6, in radialer Richtung und ausgehend vom Außengehäuse 4 des Zweistromstrahltriebwerks 4, 5 nun eine Ausdehnung von 0,85·R_M = 277 Millimetern. Somit steht dem Mantelstrom im hohlzylinderförmigen Mantelstromgehäuse ein Strömungspfad mit weiter verringerter Querschnittfläche zur Verfügung.
In dem in 4 gezeigten Zustand des Ringschließsystems ist der drehbare Ring 1 um einen Winkel von 100° gegenüber dem unbeweglichen Ring 2 verdreht. Die Kreisringe 1, 2 haben ihren minimalen Abstand von 60 Millimetern erreicht und die längserstreckten Elemente 3 sind in eine in der Mantelfläche eines dritten Rotationshyperboloids angeordneten Konfiguration überführt. Dabei schließen die längserstreckten Elemente 3 mit der Rotationssymmetrieachse des Zweistromstrahltriebwerks 4, 5 einen Raumwinkel ein, der einen Meridianwinkelanteil M₃ > M₂ und einen Breitenwinkelanteil B₃ > B₂ aufweist. Dabei liegen die längserstreckten Elemente 3 am Ort der maximalen Querschnittverengung 6 tangential an dem Gehäuse der Kernturbine 5 an und bilden ferner eine auch in radialer Richtung orientierte und vollständig geschlossene Fläche. Diese Fläche weist am Ort der maximalen Querschnittverengung 6 eine Ausdehnung in radialer Richtung von R_M auf und verschließt den Strömungspfad des Mantelstroms somit vollständig.
Bezugszeichenliste

1: drehbarer Kreisring
2: fester Kreisring
3: längserstrecktes Element
4: Außengehäuse
5: Gehäuse der Kernturbine
6: Querschnittsverengung

Claims

Ringschließsystem für ein Strahltriebwerk, aufweisend – einen axial führbaren und um seine Rotationssymmetrieachse drehbaren Kreisring, – einen achsgleichen, planparallelen und unbeweglichen Kreisring, – mindestens ein längserstrecktes, endseitig die Kreisringe verbindendes Element, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Kreisringe eine Strömungsleitung umfänglich begrenzen, b) durch Rotation des drehbaren Kreisrings i. der Abstand der Kreisringe veränderbar ist und ii. das längserstreckte Element in eine in der Mantelfläche eines Rotationshyperboloids angeordneten Konfiguration überführbar ist, c) der Rotationshyperboloid eine mit Verringerung des Kreisringabstandes zunehmende Querschnittsverjüngung aufweist und d) die längserstreckten Elemente bei dem geringsten Abstand der Kreisringe an die äußere Mantelfläche einer Kernturbine einer Zweistromstrahlturbine angelegt sind.
Ringschließsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die längserstreckten Elemente bei dem größten Abstand der Kreisringe a) parallel zueinander und in der Mantelfläche eines Kreiszylinders oder b) in der Mantelfläche eines geraden Kreiskegelstumpfs orientiert sind.
Ringschließsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem geringsten Abstand der Kreisringe die längserstreckten Elemente den Strömungskanal des Mantelstroms zwischen Kernturbine und Außengehäuse vollständig verschließen.
Ringschließsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem drehbaren Kreisring ein axial verfahrbares Außengehäuseteil verbunden ist.
Ringschließelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die längserstreckten Elemente stabförmig oder in Form breiter Profile oder ausgebildet sind.
Ringschließsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die längserstreckten Elemente elastisch sind.
Ringschließsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die längserstreckten Elemente drehbar an den Kreisringen befestigt sind.
Ringschließsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die längserstreckten Elemente aus Metall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff gebildet sind.
Verwendung eines Ringschließsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Schubumkehreinheit in einem Strahltriebwerk.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kreisringe im oder innen am Außengehäuse einer Zweistromstrahlturbine befestigt sind, – die längserstreckten Elemente – beim größten Abstand der Kreisringe im oder innen am Außengehäuse angeordnet sind und – beim geringsten Kreisringabstand am Gehäuse der Kernturbine anliegen und den Mantelstrom blockieren.
Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem Gehäuse der Gasturbine anliegenden längserstreckten Elemente den Mantelstrom durch eine Öffnung im Außengehäuse umleiten.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung im Außengehäuse durch die Rotation und axiale Führung des drehbaren Kreisrings und das axiale Verfahren eines mit dem Kreisring verbundenen, axial verfahrbaren Außengehäuseteils freigelegt wird.