DE102015100602A1

DE102015100602A1 - Variable Kerntriebwerksverkleidung für Turbofan-Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis

Info

Publication number: DE102015100602A1
Application number: DE102015100602.2A
Authority: DE
Inventors: Chetan Kumar Sain; Marcel Mischke; Klaus Höschler
Original assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2016-07-21
Also published as: WO2016113104A1

Abstract

Beschrieben wird eine Kerntriebwerksverkleidung für Turbofan-Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis, umfassend eine Vielzahl von beweglichen Segmenten 11, 12, welche das Kerntriebwerk 7 im Auslassbereich des Nebenstromkanals umhüllen, wobei die zur Fanleitschaufel 3 weisenden Segmente 11 und die zum Auslassbereich des Nebenstromkanals weisenden Segmente 12 eine Vielzahl von Überlappungsbereichen 21, 22 ausbilden, wobei die Überlappungsbereiche sowohl in Umfangsrichtung der Kerntriebwerksverkleidung als auch in axialer Richtung hierzu ausgebildet sind. Diese Erfindung nutzt den leeren Bauraum 17 zwischen der inneren Düsenkontur des Nebenstromkanals und dem Kerntriebwerk 7, der bei Turbofan-Flugtriebwerken mit großem Nebenstromverhältnis vorhanden ist. Die Erfindung stellt somit eine Vorrichtung bereit, welche die Veränderung der inneren Kontur des Nebenstromkanals durch sich überlappende Sektorprofile der Düse bewirkt.

Description

Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 604999 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der [Europäischen Union] [Europäischen Atomgemeinschaft] ([FP7/2007-2013] [FP7/2007-2011]) gefördert.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine variable Kerntriebwerksverkleidung für Turbofan-Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis.
Die ständige Erhöhung des Nebenstromverhältnisses bei zivilen Turbofan-Triebwerken kann eine variable Nebenstromdüse erforderlich machen, um den größer werdenden Fan auf einer sicheren Arbeitslinie betreiben zu können.
Ein großes oder hohes Nebenstromverhältnis liegt vor, wenn ein vielfaches des Luftmassenstroms, der durch das Kerntriebwerk befördert wird, durch den Nebenstromkanal fließt. Ein hohes Nebenstromverhältnis liegt insbesondere vor, wenn der Luftmassenstrom, der durch den Nebenstromkanal fließt etwa 15 bis 20 mal größer ist als der Kerntriebwerksstrom. So wird beispielsweise die nächste Generation von Triebwerken (Zivilluftfahrt) ein Nebenstromverhältnis von bis zu 20 aufweisen.
Große Turbofan-Triebwerke haben einen sehr großen Fandurchmesser, der zu einer hohen Umfangsgeschwindigkeit an den Fanschaufelspitzen führt. Damit die Schaufelspitzen nicht im Überschallbereich laufen und damit zu große Verluste generiert werden, muss der Fan mit niedriger Drehzahl betrieben werden. Dadurch wird jedoch ein geringerer Druck im Nebenstromkanal erzeugt.
Beim Starten des Flugzeugs läuft das Triebwerk und somit auch der Fan auf maximaler Drehzahl, um den geforderten Startschub zu erzeugen. Aufgrund des starken Druckanstiegs im Nebenstromkanal kann es passieren, dass der geforderte Pumpgrenzabstand der Fanarbeitslinie unterschritten wird.
Das Problem wurde bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. In der US 2008/0112802 A1 wird eine Leitblechanordnung, welche um das Kerntriebwerk herum angeordnet ist, vorgeschlagen. Weiterhin beschreibt die WO 2008/045067 A1 eine translatorisch bewegbare Innenhaube mit aerodynamischen Klappenabschnitten.
Ein weiterer Versuch zur Lösung des Problems besteht in einer axial verschiebbaren Sektion der äußeren, hinteren Gondel des Turbofan-Triebwerks Pratt & Whitney PW1000G. Jedoch wurde diese Lösung noch nicht für die Serienproduktion übernommen. Dafür muss das Triebwerk eine lange Gondel besitzen, welche wiederum ein hohes Gewicht und mögliche Interferenzen mit Flügel und Flugzeugrumpf bzw. Flugzeugzelle mit sich bringt. Aufgrund des hohen Gewichtes und der größeren Widerstandsfläche sind mehr und/oder stärkere Aktuatoren nötig, um die Verschiebung zu ermöglichen. Des Weiteren ist die Änderung der Austrittsfläche bei dieser Lösung begrenzt, da sie stark von der starren inneren Kontur des Nebenstromkanals abhängt.
Zur Zeit existiert keine Anwendung variabler Düsen für zivile Turbofan-Triebwerke, welche sich auf die Änderung der inneren Düsenkontur bezieht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine einfache und robuste Vorrichtung zu schaffen, um die Kontur des Nebenstromkanals zu variieren.
Die Aufgabe wird durch eine Kerntriebwerksverkleidung gelöst, welche die Merkmale des Hauptanspruchs aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Veränderung des Düsenquerschnitts bei Turbofan-Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis gelöst, welches die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kerntriebwerksverkleidung für Turbofan-Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis, umfassend eine Vielzahl von beweglichen Segmenten 11, 12, welche das Kerntriebwerk 7 im Auslassbereich des Nebenstromkanals umhüllen, wobei die zur Fanleitschaufel 3 weisenden Segmente 11 und die zum Auslassbereich des Nebenstromkanals weisenden Segmente 12 eine Vielzahl von Überlappungsbereichen 21, 22 ausbilden, wobei die Überlappungsbereiche sowohl in Umfangsrichtung der Kerntriebwerksverkleidung als auch in axialer Richtung hierzu ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, dass die einzelnen beweglichen Segmente 11, 12 jeweils derart beweglich zueinander ausgestaltet sind, dass der Umfang der Kernverkleidung variierbar ist.
Besonders bevorzugt ist es ferner, dass die einzelnen beweglichen Segmente 11, 12 an der den Überlappungsbereichen 21, 22 abgewandten Seiten der Segmente 11, 12 derart mittels Drehachsen 9, 10 angelenkt sind, dass die Segmente 11, 12 vom Kerntriebwerk 7 weg oder zu diesem hin bewegbar sind.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist auch, dass die einzelnen beweglichen Segmente 11, 12 an der dem Kerntriebwerk 7 zugewandten Fläche Elemente zum Bewegen der Segmente angeordnet sind, wobei diese Elemente Bestandteile eines Aktuatorsystems zum Bewegen der Segmente 11, 12 sind.
Dabei ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass Elemente zum Bewegen der Segmente 11, 12 als Koppelstangen 13 ausgebildet sind, welche mittels Drehverbindungen 19, 20 an den Segmenten 11, 12 angelenkt sind.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass das Aktuatorsystem aus Koppelstangen 13, Antriebsmodulen 14, Laufschienen 15 und Haltevorrichtungen 16 gebildet ist.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass das Aktuatorsystem weiterhin mindestens eine MSR-Einheit (50) aufweist.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner, dass mehrere Aktuatorsysteme vorgesehen sind, welche jeweils einzelne oder mehrere oder eine Mehrzahl von Segmenten 11, 12 betätigen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Veränderung des Düsenquerschnitts des Nebenstromkanals bei Turbofan-Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis, wobei man zunächst den Betriebszustand des Triebwerks erfasst und wahlweise den Düsenquerschnitt des Nebenstromkanals anpasst, in dem man den Umfang der Kernverkleidung, welche das Kerntriebwerk 7 im Auslassbereich des Nebenstromkanals umhüllt und welches aus einer Vielzahl von beweglichen Segmenten 11, 12 gebildet ist, durch Anheben oder Absenken verändert, und zwar in Erwiderung des erfassten Betriebszustands des Triebwerks.
Die Erfindung stellt somit eine Vorrichtung bereit, welche die Veränderung der inneren Kontur des Nebenstromkanals durch sich überlappende Sektorprofile der Düse bewirkt. Dabei bewegen sich diese Profile radial nach innen oder außen. Durch die radiale Bewegung ändert sich der innere Umfang des Nebenstromkanals, wodurch der effektive Austrittsquerschnitt der Nebenstromdüse sich vergrößert bzw. verkleinert. Die Profile gleiten dabei aufeinander ab, um eine möglichst spaltfreie Kontur in axialer Hauptströmungsrichtung zu ermöglichen. Der Antrieb erfolgt über ein Aktuatorsystem, das die einzelnen Segmente des variablen Nebenstromkanals radial nach unten zieht bzw. nach oben drückt, um so die innere Düsenstruktur zu variieren.
Sinn der Erfindung ist das Variieren der Düsenaustrittsfläche des Nebenstromkanals eines Turbofan-Triebwerks mit sehr hohem Nebenstromverhältnis. Die Problemlösung über eine variable innere Düsenstruktur entkoppelt das System vollständig von der Gondel des Turbofan-Triebwerks. Somit kann die Gondel optimal gestaltet werden, um das Gewicht zu reduzieren und Interferenzen mit Flügel und Zelle zu minimieren. Zudem kann über das Variieren der inneren Kontur des Nebenstromkanals eine sehr hohe Flächenänderung erzielt werden. Die innere Fläche wird aus Sektorprofilen aufgebaut, um eine glatte und aerodynamisch günstige Struktur des Nebenstromkanals zu erreichen. Hierbei werden die glatten und aerodynamisch günstigen Konturen des Nebenstromkanals beibehalten. Zudem werden Strömungsverluste durch das Überlagern von zwei angrenzenden Sektorprofilen in Strömungsrichtung minimiert.
Mit Hilfe der variablen Düsenquerschnittsfläche kann der Druck im Nebenstromkanal optimal für jeden Betriebspunkt angepasst werden, um einen ausreichenden Pumpgrenzabstand für den Fan garantieren zu können.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung näher, ohne den Umfang der Erfindung zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung wird mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 anhand eines Längsschnitt durch eine Gondel das Wirkprinzip der vorliegenden Erfindung mit der variablen inneren Düsenstruktur des Nebenstromkanals von Turbofan-Flugtriebwerken;
2 eine Aufsicht von der Gondel aus auf die variablen Segmente und deren Überlappungsbereiche;
3 eine Aufsicht gemäß 2 mit einer Ausführungsform eines Aktuatorsystems für die Bewegung der variablen Segmente;
3a eine vergrößerte Ansicht eines in der 3 markierten Teilbereichs;
4a die Bewegungsposition der variablen Segmente im auseinandergezogenen Zustand;
4b die Bewegungsposition der variablen Segmente im zusammengezogenen Zustand;
5a eine vergrößerte Ansicht eines Teilbereichs der 4a mit den variablen Segmenten im auseinandergezogenen Zustand; und
5b eine vergrößerte Ansicht eines Teilbereichs der 4b mit den variablen Segmenten im zusammengezogenen Zustand.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt bei Turbofan-Triebwerken mit sehr hohem Nebenstromverhältnis zum sicheren und effizienten Betreiben des Fans. Die Betriebspunkte des Fans lassen sich auf seiner Arbeitslinie unter verschiedenen Lastbereichen des Triebwerks anpassen. Der Druck der durch den Fan 2 beförderten Luftmassenstrom 5 im Nebenstromkanal erzeugt wird, wird durch Anpassen des Düsenquerschnitts 8 (Austrittsfläche) reguliert (1). Außerdem sind in der 1 die äußere Gondel 1, die Fanleitschaufel 3 hinter dem Fan, der Einlass 4 für den Kernstrom, der Kernmassenstrom 6 und der Düsenquerschnitt 18 des Austritts des Kernstromkanals dargestellt. Ferner ist das Aktuatorsystem, welches aus Koppelstangen 13, Antriebsmodulen 14, Laufschienen 15 und Haltevorrichtungen 16 gebildet ist, dargestellt. Dieses Aktuatorsystem bewegt die einzelnen variablen Segmente 11, 12, um die gewünschte Kontur einzustellen. Die Funktion des Aktuatorsystems wird durch eine MSR-Einheit 50 bewirkt. Die Mess-, Steuer- und Regeleinheit 50 umfasst eine entsprechende Sensorik sowie Regelungs- und Aktuatorsteuerungen. Die MSR-Regeleinheit 50 wird in bekannter Weise in die Gesamttriebwerkssteuerung integriert. Die Anzahl der verwendeten Aktuatorsysteme wird durch die Anzahl der variablem Segmente bestimmt. So kann es vorgesehen sein, jeweils ein Paar von Segmenten 11, 12 durch ein Aktuatorsystem zu steuern. Es können aber auch einzelne Segmente oder eine Mehrzahl oder Vielzahl von einzelnen Segmenten oder Paaren von Segmenten durch ein gemeinsames Aktuatorsystem gesteuert werden. Die Anzahl der Segmente und deren geometrische Ausgestaltung richtet sich naturgemäß nach der Größe des zu umhüllenden Kerntriebwerks. Entsprechende technische Ausgestaltungen sind dem Fachmann geläufig.
Der Grundprinzip dieser Erfindung liegt in der Änderung der Düsenquerschnittsfläche durch das Bewegen der inneren Düsenstruktur 11, 12 des Nebenstromkanals, indem sie durch die Rotation um die jeweils eigenen Drehachsen 9, 10 zusammengefaltet (Öffnen der Düse) und auseinandergefahren (Schließen der Düse) werden. Die innere Oberfläche des Nebenstromkanals wird durch die vorderen Düsensegmente 11 und hinteren Düsensegmente 12 ersetzt. Die Bewegung der Segmente 11, 12 ergibt einen Überlappungsbereich in Umfangsrichtung 22 und in axialer Richtung 21 (2). Diese Bewegung wird, zum Beispiel, durch folgenden Antriebsvarianten realisiert.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht eine axiale Bewegung auf Laufschienen 15 vor. Die variablen Segmente 11, 12 der inneren Düsenstruktur sind durch Koppelstangen 13 mit Antriebsmodulen 14 verbunden. Die Koppelstangen 13 sind an den jeweiligen Drehverbindungen 19, 20 mit den Düsenstrukturen fixiert (3). Die Antriebsmodule 14 laufen axial auf Laufschienen 15, die auf einer Haltevorrichtung 16 montiert sind. Die Haltevorrichtung 16 ist beispielsweise mit dem Kerntriebwerk fest montiert. Bewegen sich die Antriebsmodule 14 zueinander, werden die Düsensegmente 11, 12 mit Hilfe der Koppelstangen 13 zusammengezogen und damit der Düsenquerschnitt des Nebenstromkanals 8 vergrößert. In ähnlicher Weise wird der Düsenquerschnitt des Nebenstromkanal 8 verkleinert wenn die Antriebsmodule 14 auseinandergezogen werden.
Diese Erfindung nutzt den leeren Bauraum 17 zwischen der inneren Düsenkontur des Nebenstromkanals und dem Kerntriebwerk 7, der bei Turbofan-Flugtriebwerken mit großem Nebenstromverhältnis vorhanden ist.
Die Konturen der Segmente 11, 12 sind derart konstruiert, dass sie auf den Nachbarsegmenten gleiten und so einander überlappen 21 (2). Der Überlappungsbereich 22 liegt in Strömungsrichtung und somit werden keine großen Verluste durch Stufen oder Lücken erzeugt. Gleiches gilt auch für die Überlappung 21 der vorderen 11 – und hinteren Segmente 12 in Umfangsrichtung. Die hinteren Segmente 12 werden unterhalb der vorderen Segmente 11 gefahren, sodass eine glatte Strömungskontur im Nebenstromkanal entsteht. 4a und 4b zeigen die Bewegungspositionen der Düsensegmente 11, 12. Die 5a und 5b stellen die Überlappungsbereiche 22 der Düsensegmente in Umfangsrichtung dar. Außerdem ist die Bewegung der Segmente während der Überlappung in radiale Richtung durch den Bereich 23 dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Gondel
2: Fan
3: Fanleitschaufel
4: Kernstromeinlass
5: Nebenstrom im Nebenstromkanal
6: Kernmassenstrom
7: Kerntriebwerk
8: Düsenquerschnitt Nebenstromkanal
9: Drehachse
10: Drehachse
11: vordere Düsensegmente
12: hintere Düsensegmente
13: Koppelstange
14: Antriebsmodul
15: Laufschienen
16: Haltevorrichtung
17: leerer Bauraum
18: Düsenquerschnitt Kernstromkanal
19: Drehverbindung
20: Drehverbindung
21: Überlappungsbereich in axialer Richtung
22: Überlappungsbereich in Umfangsrichtung
23: Überlappungsbereich in radialer Richtung
50: MSR-Einheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0112802 A1 [0007]
WO 2008/045067 A1 [0007]

Claims

Kerntriebwerksverkleidung für Turbofan-Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis, umfassend eine Vielzahl von beweglichen Segmenten (11, 12), welche das Kerntriebwerk (7) im Auslassbereich des Nebenstromkanals umhüllen, wobei die zur Fanleitschaufel (3) weisenden Segmente (11) und die zum Auslassbereich des Nebenstromkanals weisenden Segmente (12) eine Vielzahl von Überlappungsbereichen (21, 22) ausbilden, wobei die Überlappungsbereiche sowohl in Umfangsrichtung der Kerntriebwerksverkleidung als auch in axialer Richtung hierzu ausgebildet sind.
Kerntriebwerksverkleidung, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen beweglichen Segmente (11, 12) jeweils derart beweglich zueinander ausgestaltet sind, dass der Umfang der Kernverkleidung variierbar ist.
Kerntriebwerksverkleidung, gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen beweglichen Segmente (11, 12) an der den Überlappungsbereichen (21, 22) abgewandten Seiten der Segmente (11, 12) derart mittels Drehachsen (9, 10) angelenkt sind, dass die Segmente (11, 12) vom Kerntriebwerk (7) weg oder zu diesem hin bewegbar sind.
Kerntriebwerksverkleidung, gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen beweglichen Segmente (11, 12) an der dem Kerntriebwerk (7) zugewandten Fläche Elemente zum Bewegen der Segmente angeordnet sind, wobei diese Elemente Bestandteile eines Aktuatorsystems zum Bewegen der Segmente (11, 12) sind.
Kerntriebwerksverkleidung, gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente zum Bewegen der Segmente (11, 12) als Koppelstangen (13) ausgebildet sind, welche mittels Drehverbindungen (19, 20) an den Segmenten (11, 12) angelenkt sind.
Kerntriebwerksverkleidung, gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorsystem aus Koppelstangen (13), Antriebsmodulen (14), Laufschienen (15) und Haltevorrichtungen (16) gebildet ist.
Kerntriebwerksverkleidung, gemäß mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorsystem weiterhin mindestens eine MSR-Einheit (50) aufweist.
Kerntriebwerksverkleidung, gemäß mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktuatorsysteme vorgesehen sind, welche jeweils einzelne oder mehrere oder eine Mehrzahl von Segmenten (11, 12) betätigen.
Verfahren zur Veränderung des Düsenquerschnitts des Nebenstromkanals (8) bei Turbofan-Triebwerken mit hohem Nebenstromverhältnis, wobei man zunächst den Betriebszustand des Triebwerks erfasst und wahlweise den Düsenquerschnitt des Nebenstromkanals (8) anpasst, in dem man den Umfang der Kernverkleidung, welche das Kerntriebwerk (7) im Auslassbereich des Nebenstromkanals (5) umhüllt und welches aus einer Vielzahl von beweglichen Segmenten (11, 12) gebildet ist, durch Anheben oder Absenken verändert, und zwar in Erwiderung des erfassten Betriebszustands des Triebwerks.