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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beeinflussung von Bodenwirbeln im Ansaugbereich einer Fluggasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, mittels derer die Bildung von Bodenwirbeln im Ansaugbereich einer Fluggasturbine verhindert oder eliminiert wird. Die Fluggasturbine weist eine äußere Verkleidung eines Nebenstromkanals auf (nacelle), deren hinterer Bereich verschiebbar ausgebildet ist, um aus dem Nebenstromkanal eine Schubumkehrströmung oder Nebenstromkanalströmung (VAN) auszuleiten.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass sich im Bereich des Strömungseinlasses der Fluggasturbine bei laufender Fluggasturbine im Stand oder während Rollbewegungen des Flugzeugs Grund-Wirbel bilden. Diese Wirbel sind unerwünscht, da sie zum einen Fremdpartikel vom Boden aufsaugen und in die Fluggasturbine einleiten können und da sie zum anderen zu Druckschwankungen und ungleichmäßigen Druckverteilungen im Ansaugbereich führen. Diese Druckschwankungen oder ungleichmäßigen Druckverteilungen belasten den Fan und führen zu unerwünschten Vibrationen des Fans.
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Als nachteilig erweist es sich beim Stand der Technik, dass erhebliche apparative Maßnahmen erforderlich sind, welche zu einer Erhöhung des Gesamtgewichts der Fluggasturbine führen, welche einen erhöhten Fertigungs- und Wartungsaufwand mit sich bringen und welche zusätzliche Energie benötigen, um die dort beschriebenen Luftmengen zusätzlich auszubringen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine zuverlässige Eliminierung oder Beeinflussung von Bodenwirbeln sicherstellt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der hintere Bereich der Verkleidung, welcher in Axialrichtung verschiebbar ist, in eine erste Position bringbar ist, bei welcher sich ein Ringspalt (VAN) öffnet, durch welchen eine vorgegebene Luftmenge ausleitbar ist. Diese erste Position wird bevorzugt dafür verwendet, um den Querschnitt einer Austrittsdüse des Nebenstromkanals zu verändern. Diese Veränderung der Austrittsdüse wird verwendet, um einen maximalen Schub der Fluggasturbine zu erzielen, beispielsweise während des Startvorgangs oder Taxi am Grund. Der hintere Bereich der äußeren Verkleidung des Nebenstromkanals kann in eine zweite, weiter nach hinten verschobene Position gebracht werden, um zur Schubumkehr eine größere Luftmenge aus dem Nebenstromkanal auszuleiten. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verkleidung so ausgebildet ist, dass in der ersten Position eine Luftströmung aus dem Nebenstromkanal durch den unteren Bereich des Ringspalts ausgeleitet wird, welche seitlich und nach vorne, bezogen auf die Anordnung der Fluggasturbine, ausströmt. Diese nach vorne gerichtete Strömung verläuft an der Bodenoberfläche, auf welcher ein Flugzeug steht oder rollt oder verläuft bodennah zu der Bodenoberfläche. In jedem Falle gelangt diese Strömung bis vor den Einströmbereich der Fluggasturbine und beeinflusst oder verhindert dort die Bildung von Bodenwirbeln.
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Erfindungsgemäß wird somit die Bewegungsmöglichkeit des hinteren Bereichs der Verkleidung des Nebenstromkanals genutzt, um die dort vorgesehene Ausleitung eines Teilvolumens der durch den Nebenstromkanal strömenden Luft mitzubenutzen, um Bodenwirbel zu beeinflussen, deren Entstehung zu verhindern oder diese zu eliminieren. Es sind erfindungsgemäß somit keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich, um zusätzliche Luft in den bodennahen Bereich des Anströmbereichs der Fluggasturbine einzubringen, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Abgesehen von den baulichen Maßnahmen ist es auch nicht erforderlich, zusätzliche Energie aufzuwenden, um eine derartige Strömung zu realisieren. Vielmehr wird die in der teilweise geöffneten Position der hinteren Verkleidung austretende Luft dazu genutzt, die Bodenwirbel zu beeinflussen oder aufzulösen, zusätzlich zu der Nebenstromkanalströmung, in der Position einer im Querschnitt geänderten Nebenstromkanaldüse (VAN).
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Erfindungsgemäß ist somit eine besonders einfache Lösung geschaffen worden, welche bei geringem Gesamtgewicht und geringen Kosten sehr effektiv wirksam ist. Dies führt auch dazu, dass Einströmverluste, welche bei dem Bestehen von Bodenwirbeln auftreten, vermieden oder reduziert werden. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Fluggasturbine insbesondere während des Startvorgangs. Weiterhin kann erfindungsgemäß darauf verzichtet werden, den Fan zu verstärken oder andere Maßnahmen zu verhindern, um Strömungsablösungen oder Flattern der Fanschaufeln zu vermeiden. Auch dies führt zu einer Gewichtsreduzierung des gesamten Fluggasturbinentriebwerks.
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Die Bildung von Bodenwirbeln und insbesondere deren Positionierung relativ zur Triebwerksachse hängt auch von der Drehrichtung des Fans ab. Erfindungsgemäß ist es somit in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung möglich, die bodenseitige Ausleitung der Luftströmung asymmetrisch zur Triebwerksachse auszubilden, um eine gegen die Drehrichtung der Bodenwirbel ausgerichtete Luftströmung zu erzeugen. Hierdurch ist es möglich, die Bodenwirbel gezielt mit einer relativ kleinen Luftmenge zuverlässig zu beeinflussen, aufzulösen und/oder deren Bildung zu verhindern.
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Die erfindungsgemäße Lösung führt somit, da die Bodenwirbel verhindert oder aufgelöst werden, zu einem verbesserten Ansaugverhalten des Fans und somit zu einer Leistungssteigerung der Fluggasturbine selbst. Wie beschrieben, ist es möglich, den Fan einfacher und leichter auszubilden. Hierdurch ergeben sich, abgesehen von den Herstellungskosten, auch Gewichtsreduzierungen, welche die Gesamteffizienz der Fluggasturbine positiv beeinflussen.
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Erfindungsgemäß können zur Umleitung der Luftströmung Teile der Kaskaden oder Kaskadenelemente, die bei einer vollständigen Öffnung des hinteren Bereichs der Verkleidung zur Schubumkehr verwendet werden, genutzt werden. Somit sind die erfindungsgemäß erforderlichen baulichen Änderungen der Verkleidung (nacelle) der Fluggasturbine verwendbar, ohne dass zusätzlicher Aufwand benötigt würde.
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Die Verschiebung des hinteren Bereichs der Verkleidung der Fluggasturbine, welche zu einer Veränderung des Düsenquerschnitts der kalten Düse der Fluggasturbine führt, erfolgt üblicherweise zur Erzeugung eines maximalen Schubs während des Startvorgangs. Die Nutzung des damit verbundenen Luftaustritts zur Verhinderung oder Beeinflussung von Bodenwirbeln während des Stands des Flugzeugs oder während Rollbewegungen ist einfach möglich und beeinträchtigt nicht die Effizienz und Funktionsweise der Fluggasturbine während dieser Betriebsbedingungen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 eine stirnseitige vereinfachte Darstellung zweier an einem Flügel montierter erfindungsgemäßer Fluggasturbinen,
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3 eine schematische Teil-Axialschnittansicht zur Darstellung der Luftausleitung,
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4–6 vereinfachte Axialschnittansichten, analog 3, der unterschiedlichen Positionen des hinteren Bereichs der Verkleidung, und
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7 eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Strömungsverhältnisse am Ansaugbereich der erfindungsgemäßen Fluggasturbine.
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Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
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Der Mitteldruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Kerntriebwerksgehäuse 21 in einen ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
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Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenrotorschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenrotorschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
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Die 2 zeigt in vereinfachter Darstellung eine stirnseitige Ansicht eines Flügels 37 eines Flugzeugs, an welchem in bekannter Weise Fluggasturbinen 38 montiert sind. Wie nachfolgend beschrieben werden wird, wird am unteren Bereich der Fluggasturbinen 38 eine Strömung 33 ausgeleitet, welche auf die Oberfläche eines Bodens 39 auftrifft.
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Die 3 verdeutlicht in schematischer Darstellung den hinteren Bereich einer erfindungsgemäßen Fluggasturbine in Axialschnittansicht. Dabei ist der, bezogen auf eine Triebwerksachse 1, untere Bereich der Fluggasturbine dargestellt. Wie auch in 1 dargestellt, weist eine äußere Triebwerksverkleidung, welche einen Nebenstromkanal 30 umschließt, einen in Axialrichtung verschiebbaren hinteren Bereich 25 auf, sowie einen feststehenden vorderen Bereich 29. Die 3 zeigt eine Strömung 40 durch den Nebenstromkanal 30. Bei einer Verschiebung des hinteren Bereichs der Verkleidung 25 öffnet sich ein Ringspalt 34, durch welchen, wie auch in 5 gezeigt, zur Veränderung eines Querschnitts einer Austrittsdüse 31 eine Luftströmung 41 ausleitbar ist. Die 5 zeigt einen oberen Bereich der Verkleidung der Fluggasturbine. Die Luftströmung 41 strömt insbesondere am oberen Bereich aus dem Ringspalt 34 aus und wird parallel zur Außenkontur des hinteren Bereichs 25 der Verkleidung geleitet. Ein Vergleich der 4 und 5 zeigt, dass in der normalen Reisekonfiguration (4) der Fluggasturbine der Ringspalt 34 geschlossen ist während in 5 eine VAN Position vorliegt.
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Die 6 stellt einen vollständig geöffneten Zustand des Ringspalts 34 dar, welcher durch eine vollständige Verschiebung des hinteren Bereichs 25 der Verkleidung erreicht wird. Auf die Darstellung von Kaskadenelementen oder ähnlichem wurde zur Verdeutlichung verzichtet. Um die gesamte Strömung aus dem Nebenstromkanal zur Schubumkehr auszuleiten, sind, wie aus dem Stand der Technik bekannt, Klappen 42 oder ähnliches vorgesehen, um den Nebenstromkanal 30 zu verschließen.
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Die 3 zeigt, wie erwähnt, die erfindungsgemäße Ausgestaltung am unteren Bereich der Verkleidung der Fluggasturbine im teilweise geöffneten Zustand. Hierbei ist ersichtlich, dass die Strömung 33, welche durch den unteren Bereich des Ringspalts 34 austritt, nach vorne, gegen die Strömungsrichtung, umgeleitet wird. Diese Umleitung erfolgt durch Leitelemente 35, die Teil der Wandung der vorderen Verkleidung 29 und/oder der hinteren Verkleidung 25 sein können, es ist jedoch auch möglich, zusätzliche Leitelemente vorzusehen, die Teil der Schubumkehrkaskade sind.
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Die 7 zeigt eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines Ansaugbereichs 36 einer Fluggasturbine. Es ist ersichtlich, dass sich ein Bodenwirbel 43 bilden kann, welcher zu einer ungleichmäßigen Einströmung auf den Fan 12 führt. Die durch den Ringspalt 34 austretende Strömung 33 wirkt der Drehrichtung des Bodenwirbels 43 entgegen und erzeugt somit eine Gegenströmung, welche den Bodenwirbel 43 auflöst bzw. dessen Bildung insgesamt verhindert. Die 2 verdeutlicht in vereinfachter Darstellung den Ausströmbereich der Strömung 33, diese kann jedoch auch nur einseitig oder hauptsächlich einseitig austreten, um auf effiziente Weise die Bildung eines Bodenwirbels 43 zu verhindern oder zu beeinflussen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebwerksachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk/Kerntriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- Fan
- 13
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 14
- Hochdruckkompressor
- 15
- Brennkammer
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Mitteldruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln
- 21
- Kerntriebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenrotorschaufeln
- 25
- hinterer Bereich der Verkleidung
- 26
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Auslasskonus
- 29
- vorderer Bereich der Verkleidung
- 30
- Nebenstromkanal
- 31
- Austrittsdüse
- 32
- Schubumkehrströmung
- 33
- Strömung
- 34
- Ringspalt
- 35
- Leitelement
- 36
- Ansaugbereich
- 37
- Flügel
- 38
- Fluggasturbine
- 39
- Boden
- 40
- Strömung
- 41
- Luftströmung
- 42
- Klappe
- 43
- Bodenwirbel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3599429 A [0004]
- US 2915262 A [0004]
- US 6129309 A [0004]
- US 2004/0079834 A1 [0004]
- US 4070827 A [0004]
- US 3527430 A [0004]
- US 5915651 A [0004]
