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Die Erfindung betrifft eine Schubdüse für ein Turbofan-Triebwerk eines Überschallflugzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es ist aus militärischen Anwendungen bekannt, eine konvergent-divergente Schubdüse eines Turbofan-Triebwerks mit einer verstellbaren Geometrie auszubilden. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, eine Schubdüse als Iris/Petal-Düse mit einer Vielzahl einzelner verstellbarer Lamellen auszubilden. Die Komplexität solcher Schubdüsen ist hoch, da die einzelnen Lamellen für ihre Verstellbarkeit mit Aktuatoren versehen sein müssen. Weitere Nachteile sind ein aufgrund der Aktuatoren erhöhtes Gewicht der Schubdüse, eine hohe Lärmentwicklung und ein intensiver Wartungsbedarf.
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Vom Kampfflugzeug Messerschmidt 262 ist es bekannt, in einer Schubdüse einen Zentralkörper anzuordnen, der zur Einstellung der Düsenaustrittsfläche über eine auf der Maschinenachse angeordnete Düsennadel axial verstellbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für einen Überschallbetrieb geeignete Schubdüse eines Turbofan-Triebwerks bereitzustellen, die in bautechnisch vorteilhafter Weise ausgebildet ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schubdüse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine Schubdüse, die eine Schubdüsenwand, einen Strömungskanal, der durch die Schubdüsenwand radial außen begrenzt ist und einen im Strömungskanal angeordneten Zentralkörper aufweist. Es ist vorgesehen, dass der Zentralkörper über mindestens eine Strebe mit der Schubdüsenwand verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, den im Strömungskanal angeordneten Zentralkörper ausschließlich über eine oder mehrere sich radial erstreckende Streben mit der Schubdüsenwand zu verbinden und dadurch zu erreichen, dass auf den Zentralkörper wirkende Lasten direkt in die Schubdüsenwand eingeleitet werden. Auftretende Kräfte und Drehmomente werden auf dem kürzesten Wege in die Schubdüsenwand abgeleitet. Eine Aufhängung des Zentralkörpers an hinteren Bereichen des Kerntriebwerks und eine damit verbundene Einleitung von auf den Zentralkörper wirkende Lasten in das Kerntriebwerk und/oder Rotor-Lagerstrukturen des Triebwerks werden dagegen vermieden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Streben ein strömungsgünstiges Profil mit einer Vorderkante und einer Hinterkante auf. Das Profil ist aerodynamisch optimiert, um den durch die Streben erzeugten Luftwiderstand zu minimieren. Das Profil ist dabei gemäß einer Ausführungsvariante symmetrisch ausgeführt und nicht dazu ausgebildet, einen Auftrieb zu erzeugen.
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Der Zentralkörper kann grundsätzlich über eine oder mehrere Streben mit der Schubdüsenwand verbunden sein, beispielsweise über zwei, drei, vier oder fünf Streben, die in Umfangsrichtung äquidistant zueinander angeordnet sind. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zentralkörper über genau zwei Streben mit der Schubdüsenwand verbunden ist, wobei die beiden Streben näherungsweise in einer Ebene angeordnet sind, d. h. in Umfangsrichtung um etwa 180° beabstandet sind, wobei auch leicht winklige Anordnungen der beiden Streben zueinander möglich sind, beispielsweise mit einer Beabstandung der Oberseiten in Umfangsrichtung im Bereich zwischen 160° und 200°. Durch die Verwendung von zwei Streben wird eine leichtgewichtige und die Strömung im Strömungskanal nur minimal beeinflussende Aufhängung des Zentralkörpers an der Schubdüsenwand ermöglicht.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schubdüse einen stromaufwärtigen Kopplungsbereich aufweist, der dazu ausgebildet und vorgesehen ist, mit Gehäusekomponenten des Kerntriebwerks verbunden zu werden. Bei dem stromaufwärtigen Kopplungsbereich handelt es sich beispielsweise um einen ringförmigen stromaufwärtigen Flansch der Schubdüse. Bei den Gehäusekomponenten des Kerntriebwerks, mit dem der stromaufwärtige Kopplungsbereich verbunden ist, handelt es sich beispielsweise um Komponenten des Turbinengehäuses. Die mindestens eine Strebe, die Schubdüsenwand und der stromaufwärtige Kopplungsbereich sind dabei derart angeordnet, dass auf den Zentralkörper wirkende Kräfte über die mindestens eine Strebe und die Schubdüsenwand in den stromaufwärtigen Kopplungsbereich geleitet werden. Auf diese Weise wird eine direkte Ableitung der auf den Zentralkörper wirkenden Lasten über die Schubdüsenwand in den genannten Kopplungsbereich und von diesem auf tragende Strukturen des Triebwerks ermöglicht.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die auf den Zentralkörper wirkenden Kräfte über die mindestens eine Strebe und die Schubdüsenwand direkt in den Pylon abgeleitet werden, wozu die Schubdüsenwand z.B. über definierte Befestigungspunkte direkt mit dem Pylon verbunden ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass als Schubdüsenwand allgemein die Wandung der Schubdüse bezeichnet wird. Die Schubdüsenwand kann mehrlagig aufgebaut sein, insbesondere eine Innenwand und eine Außenwand umfassen. Dabei ist die Innenwand dem Gasstrom zugewandt und begrenzt den Strömungspfad durch die Schubdüse. Die Außenwand grenzt an die Umgebung. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Schubdüsenwand sowohl räumlich fixierte Bereiche als auch bewegbare Bereiche umfasst, beispielsweise Komponenten eines Schubumkehrers. Die Schubdüsenwand kann auch als Umfangsgehäuse der Schubdüse bezeichnet werden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schubdüsenwand strukturell verstärkte Seitenstrukturen aufweist, wobei die Streben mit der verstärkten Seitenstruktur verbunden sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Befestigung der Streben an Strukturen der Schubdüsenwand erfolgt, die dazu geeignet sind, auftretende Lasten aufzunehmen und weiterzuleiten. Eine Seitenstruktur im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei auch in einem oberen Bereich oder in einem unteren Bereich der Schubdüse ausgebildet sein.
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Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass in die Schubdüse ein Schubumkehrer integriert ist, der zwei verschwenkbare Schubumkehrertüren umfasst. Die Schubumkehrertüren sind in zwei verstärkten Seitenstrukturen, die an gegenüberliegenden Seiten der Schubdüsenwand ausgebildet sind, drehbar gelagert. Sie bilden dabei verschwenkbare Teile der Schubdüsenwand. Wegen der Lagerung der Schubumkehrertüren sind die Seitenstrukturen strukturell verstärkt und damit gut für eine Verbindung mit den Streben geeignet. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist somit mit dem Vorteil verbunden, dass die auf den Zentralkörper wirkenden Kräfte über die Streben auf dem kürzesten Lastweg, ohne Umleitungen, in eine Seitenstruktur der Schubdüse geleitet werden, die aufgrund der Achsenaufhängung der Schubumkehrertüren ohnehin eine hohe Tragfähigkeit aufweist.
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Der in die Schubdüse integrierte Schubumkehrer ist dabei als innenliegender Schubumkehrer ausgebildet, wobei die Strömung bei einer Schubumkehr seitlich, d.h. nach oben und unten aus der Schubdüse geleitet wird. Nach Ausschwenken der Schubumkehrertüren wird der Gasstrom somit in der Schubdüse nach außen umgelenkt. Bei Ausbildung der Schubdüsenwand mit einer Innenwand und einer Außenwand sind die Schubumkehrertüren durch Bereiche der Innenwand und der Außenwand gebildet.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schubumkehrertüren in der verschwenkten Position derart positioniert sind, dass ihre radial inneren Enden zumindest teilweise stromabwärts der Vorderkanten der Streben angeordnet sind und dabei an den Streben anliegen. Dementsprechend partizipieren die Streben in Verbindung mit den aufgeklappten Schubumkehrertüren an der Verblockung der Schubdüse. Dies führt dazu, dass die Schubumkehrertüren kürzer ausgeführt werden können, ohne die aerodynamische Leistung des Schubumkehrsystems zu reduzieren. Dies führt auch zu einer Gewichtseinsparung.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest die Vorderkanten der Streben axial vor dem Düsenhals der Schubdüse positioniert ist. Weitere Ausgestaltungen sehen vor, dass die Streben insgesamt vor dem Düsenhals der Schubdüse positioniert sind.
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Die erfindungsgemäße Schubdüse kommt grundsätzlich ohne eine verstellbare Geometrie aus, d. h. die Düsenhalsfläche und die Düsenaustrittsfläche sind in ihrer Geometrie in Ausführungsbeispielen der Erfindung nicht veränderbar. Als Düsenhalsfläche (üblicherweise als A8 bezeichnet) wird dabei die engste Querschnittsfläche des Strömungskanals und als Düsenaustrittsfläche (üblicherweise als A9 bezeichnet) die Querschnittsfläche des Strömungskanals am hinteren Ende der Schubdüse bezeichnet. Der Zentralkörper ist dementsprechend in axialer Richtung fixiert. Eine derartige Schubdüse weist durch den Verzicht auf verstellbare Geometrien vergleichsweise wenig Einzelteile auf, besitzt ein vergleichsweise geringes Gewicht und ist einfach zu warten.
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Eine gewisse Adaption der effektiven Düsenaustrittsfläche erfolgt jedoch auch bei einer Schubdüse ohne verstellbare Geometrie automatisch in Abhängigkeit vom jeweiligen Umströmungszustand und der Düsenaustrittsmachzahl, die gemeinschaftlich den effektiv durchströmten Strahlquerschnitt hinter der Düsenaustrittsfläche (üblicherweise als A9' bezeichnet) beeinflussen.
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Alternative Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass der Zentralkörper relativ zur Schubdüsenwand axial verschiebbar ist. Durch eine axiale Verschiebbarkeit des Zentralkörpers wird eine Schubdüse mit einem Strömungskanal bereitgestellt, der eine variable Düsenhalsfläche und eine variable Düsenaustrittsfläche ausbildet, wobei die aktuellen Werte der Düsenhalsfläche und der Düsenaustrittsfläche von der axialen Position des Zentralkörpers abhängen. Die Einstellbarkeit von Düsenhalsfläche und Düsenaustrittsfläche ermöglicht, den Expansionsgrad des Strömungskanals hinter der Düsenhalsfläche, also das Verhältnis der effektiven A9'/A8 (das stets größer oder gleich eins ist) für jeden Betriebszustand in gewünschter Weise bereitzustellen.
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Zur Realisierung einer axialen Verschiebbarkeit des Zentralkörpers relativ zur Schubdüsenwand sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Zentralkörper relativ zu den Streben axial verschiebbar ist. Hierzu sind beispielsweise eine Schienenführung und Aktuatoren vorgesehen, mittels derer der Zentralkörper relativ zu den radial inneren Enden der Streben in axialer Richtung verschiebbar ist. Eine alternative Ausgestaltung sieht zur axialen Verschiebbarkeit des Zentralkörpers vor, dass die Streben relativ zur Schubdüsenwand axial verschiebbar sind. Eine Verschiebbarkeit des Zentralkörpers relativ zu den Streben ist dabei nicht erforderlich. Zur Realisierung einer Verschiebbarkeit der Streben relativ zu der Schubdüsenwand sind wiederum beispielsweise eine Schienenführung und Aktuatoren vorgesehen, mittels derer die radial äußeren Enden der Streben in axialer Richtung relativ zur Schubdüsenwand verschiebbar sind. Als Aktuatoren dienen beispielsweise hydraulische Kolben oder Elektromotoren. Natürlich sind auch andere Vorrichtungen einsetzbar, die eine Verschiebbarkeit des Zentralkörpers relativ zu den Streben oder der Streben relativ zu der Schubdüsenwand ermöglichen. Solche Vorrichtungen können beispielsweise Gleitflächen, Trapezgewinde und/oder Gewindespindeln umfassen.
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Bei beiden vorgenannten Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die Aktuatoren, die eine axiale Verschiebbarkeit des Zentralkörpers bewirken, in der Schubdüsenwand (z.B. an der dem Strömungskanal abgewandten Seite einer inneren Düsenwand) und damit in der „kalten Struktur“ (außerhalb der heißen Gase des Strömungskanals) angeordnet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Verstellkraft bzw. das für eine Verstellung übertragene Drehmoment über ein durch Gelenke verbundenes Gestänge oder dergleichen an die Schnittstelle zwischen Zentralkörper und Streben bzw. an die Schnittstelle zwischen Streben und Schubdüsenwand übertragen wird, wo die übertragene Kraft bzw. das übertragene Drehmoment in eine translatorische Bewegung umgewandelt wird. Sofern der Zentralkörper relativ zu den Streben verschiebbar ist, ist vorgesehen, dass ein solches Gestänge durch in den Streben ausgebildete Hohlräume zur Schnittstelle zwischen dem Zentralkörper und den Streben geführt wird.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das stromaufwärtige Ende des Zentralkörpers stromabwärts der Vorderkante der Streben angeordnet ist, wobei die Streben in ihrem stromaufwärtigen Bereich an ihren radial inneren Enden aneinandergrenzen und eine gemeinsame Vorderkante bilden. Die Streben bilden somit in dieser Ausgestaltung an der Vorderkante und daran angrenzend eine gemeinsame flächige Struktur, aus der dann in axialem Abstand zur Vorderkante der Zentralkörper gewissermaßen dreidimensional herauswächst.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Vorderkanten der Streben gemeinsam eine gebogene Kurve bilden, die an ihren an die Schubdüsenwand angrenzenden, radial äußeren Enden am weitesten stromaufwärts und an der Mittellinie der Schubdüse am stärksten stromabwärts verläuft. Die gebogene Kurve kann beispielsweise halbkreisförmig oder näherungsweise halbkreisförmig verlaufen oder in anderer Weise geschwungen ausgebildet sein.
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Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das stromaufwärtige Ende des Zentralkörpers an der Vorderkante der Streben oder stromaufwärts der Vorderkante der Streben angeordnet ist. Das stromaufwärtige Ende des Zentralkörpers ist bei dieser Ausgestaltung somit vor oder an der Vorderkante der Streben angeordnet bzw. ragt nach vorne heraus. Auch bei dieser Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Schubumkehrertüren in der verschwenkten Position derart positioniert sind, dass ihre radial inneren Enden zumindest teilweise stromabwärts der Vorderkanten der Streben angeordnet sind und dabei an den Streben anliegen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Schubumkehrertüren in dem Bereich, der in der verschwenkten Position an den Zentralkörper angrenzt, einen entsprechenden Hinterkantenausschnitt aufweisen.
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Der Zentralkörper und die Streben, die den Zentralkörper mit der Schubdüsenwand verbinden, können aus einzelnen, miteinander verbundenen Komponenten bestehen oder alternativ einstückig ausgebildet sein.
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Allgemein gilt, dass die Streben massiv oder in Leichtbauweise, insbesondere im Wesentlichen hohl oder mit definierten Hohlräumen ausgebildet sein können.
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Der Zentralkörper kann grundsätzlich auf vielfältige Weise geformt sein. Ausgestaltungen sehen vor, dass der Zentralkörper ein stromaufwärtiges Ende und ein stromabwärtiges Ende aufweist und zwischen diesen mindestens ein Maximum seiner Querschnittsfläche ausbildet. Vom stromaufwärtigen Ende vergrößert sich die Querschnittsfläche in axialer Richtung ausgehend von Null oder einem Anfangswert größer Null bis zu dem mindestens einen Maximum. Zum stromabwärtigen Ende hin reduziert sich die Querschnittsfläche auf Null oder einen Endwert größer als Null. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Zentralkörper am stromaufwärtigen Ende und/oder am stromabwärtigen Ende konisch geformt ist. Der Zentralkörper ist bevorzugt ausschließlich über die Streben im Strömungskanal angeordnet, die sich vom Zentralkörper in radialer Richtung zur Schubdüsenwand erstrecken und dabei durch den Strömungskanal ragen.
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Die Schubdüse ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung als dreidimensionale Schubdüse mit einem rotationssymmetrischen Zentralkörper ausgebildet, der eine Rotationssymmetrie bei Drehung um seine Längsachse ausbildet, wobei die Längsachse des Zentralkörpers zumindest näherungsweise mit der Maschinenachse des Triebwerks, in dem die Schubdüse ausgebildet ist, übereinstimmt. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Schubdüsenwand einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei dies nicht notwendigerweise der Fall ist.
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Alternativ kann die Schubdüse als zweidimensionale Schubdüse ausgebildet sein. Im Falle einer zweidimensionalen Schubdüse ist deren Innenwand im Querschnitt im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet. Der Zentralkörper kann in diesem Fall ebenfalls im Querschnitt im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sein. Die Streben verbinden dabei beispielsweise zwei gegenüberliegende Seitenwände des Zentralkörpers mit der Schubdüsenwand.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schubdüse als konvergente Schubdüse, als konvergent-divergente Schubdüse oder als konvergent-zylindrische Schubdüse ausgebildet ist. Dementsprechend ist die Schubdüsenwand in den beiden letztgenannten Fällen derart ausgestaltet, dass sie einen engsten Querschnitt und einen im Vergleich dazu größeren oder identischen Austrittsquerschnitt aufweist. Die Ausbildung der Schubdüse als konvergent-divergente Schubdüse oder als konvergent-zylindrische Schubdüse ist jedoch nicht zwingend. Beispielsweise kann die Schubdüse alternativ als Schubdüse ausgebildet sein, bei der die Düsenhalsfläche und die Düsenaustrittsfläche der Schubdüsenwand zusammenfallen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schubdüse handelt es sich gemäß einem Ausführungsbeispiel um eine integrale Schubdüse, wobei der Primärstrom durch das Kerntriebwerk und der Sekundärstrom durch den Bypass-Kanal vermischt werden, bevor sie in die integrale Schubdüse geleitet werden. Alternativ kann es sich bei der erfindungsgemäßen Schubdüse um eine separate Schubdüse für den Primärstromkanal handeln.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung bezogen auf ein zylindrisches Koordinatensystem beschrieben ist, das die Koordinaten x, r und φ aufweist. Dabei gibt x die axiale Richtung, r die radiale Richtung und φ den Winkel in Umfangsrichtung an. Die axiale Richtung ist dabei identisch mit der Maschinenachse des Turbofan-Triebwerks und auch identisch mit der Längsachse des Zentralkörpers. Von der x-Achse ausgehend zeigt die radiale Richtung radial nach außen. Begriffe wie „vor“, „hinter“, „vordere“ und „hintere“ beziehen sich immer auf die axiale Richtung bzw. die Strömungsrichtung im Triebwerk. Die Bezeichnung „vor“ bedeutet somit „stromaufwärts“ und die Bezeichnung „hinter“ bedeutet „stromabwärts“. Begriffe wie „äußere“ oder „innere“ beziehen sich immer auf die radiale Richtung.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Turbofan-Triebwerk für ein ziviles oder militärisches Überschallflugzeug mit einer erfindungsgemäßen Schubdüse. Das Turbofan-Triebwerk kann einen Schubumkehrer aufweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Turbofan-Triebwerks, in dem die vorliegende Erfindung realisierbar ist, wobei das Turbofan-Triebwerk zur Verwendung in einem zivilen oder militärischen Überschallflugzeug geeignet ist;
- 2 in einer Schnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schubdüse mit einem Zentralkörper, der über zwei Streben mit der Schubdüsenwand der Schubdüse verbunden ist;
- 3 die Schubdüse der 2 in einer perspektivischen Ansicht schräg von vorne, wobei die Außenwand der Schubdüse nicht dargestellt ist;
- 4 die Schubdüse der 3 in einer seitlichen perspektivischen Ansicht mit geöffneten Schubumkehrertüren;
- 5 die Schubdüse der 4 in einer perspektivischen Ansicht näherungsweise von hinten mit geöffneten Schubumkehrertüren;
- 6 die Schubdüse der 3 in einer perspektivischen Darstellung schräg von hinten, wobei zusätzlich Kraftübertragungspfade dargestellt sind, über die Lasten vom Zentralkörper auf einen ringförmigen Flansch der Schubdüse geleitet werden;
- 7 die Schubdüse der 3 in einer seitlichen Ansicht;
- 8 die Schubdüse der 3 in einer Ansicht von oben;
- 9 in einer Schnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schubdüse mit einem Zentralkörper, der über zwei Streben mit der Schubdüsenwand der Schubdüse verbunden ist, wobei die Streben gegenüber der Schubdüsenwand axial verschiebbar sind; und
- 10 in einer Schnittansicht ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schubdüse mit einem Zentralkörper, der über zwei Streben mit der Schubdüsenwand der Schubdüse verbunden ist, wobei der Zentralkörper gegenüber den Streben axial verschiebbar ist.
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Die 1 zeigt ein Turbofan-Triebwerk, das dafür vorgesehen und geeignet ist, in einem zivilen oder militärischen Überschallflugzeug eingesetzt zu werden und dementsprechend für Betriebszustände im subsonischen Bereich, im transsonischen Bereich und im supersonischen Bereich ausgelegt ist.
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Das Turbofan-Triebwerk 100 umfasst einen Triebwerkseinlauf 101, einen Fan 102, der mehrstufig ausgebildet sein kann, einen Primärstromkanal 103, der durch ein Kerntriebwerk führt, einen Sekundärstromkanal 104, der an dem Kerntriebwerk vorbei führt, einen Mischer 105 und eine konvergent-divergente Schubdüse 2, in die ein Schubumkehrer 8 integriert sein kann ist.
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Das Turbofan-Triebwerk 100 besitzt eine Maschinenachse oder Triebwerksmittellinie 10. Die Maschinenachse 10 definiert eine axiale Richtung des Turbofan-Triebwerks. Eine radiale Richtung des Turbofan-Triebwerks verläuft senkrecht zur axialen Richtung.
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Das Kerntriebwerk weist in an sich bekannter Weise einen Verdichter 106, eine Brennkammer 107 und eine Turbine 108, 109 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Verdichter einen Hochdruckverdichter 106. Ein Niederdruckverdichter ist durch die nabennahen Bereiche des mehrstufigen Fans 102 gebildet. Die hinter der Brennkammer 107 angeordnete Turbine umfasst eine Hochdruckturbine 108 und eine Niederdruckturbine 109. Die Hochdruckturbine 108 treibt eine Hochdruckwelle 110 an, die die Hochdruckturbine 108 mit dem Hochdruckverdichter 106 verbindet. Die Niederdruckturbine 109 treibt eine Niederdruckwelle 111 an, die die Niederdruckturbine 109 mit dem mehrstufigen Fan 102 verbindet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Turbofan-Triebwerk zusätzlich einen Mitteldruckverdichter, eine Mitteldruckturbine und eine Mitteldruckwelle aufweisen. Weiter kann in einer alternativen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Fan 102 über ein Untersetzungsgetriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe mit der Niederdruckwelle 111 gekoppelt ist.
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Das Turbofan-Triebwerk ist in einer Triebwerksgondel 112 angeordnet. Diese ist beispielsweise über einen Pylon mit dem Flugzeugrumpf verbunden.
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Der Triebwerkseinlauf 101 bildet einen Überschall-Lufteinlauf und ist dementsprechend dafür vorgesehen und geeignet, die einströmende Luft auf Geschwindigkeiten unterhalb Ma 1,0 (Ma = Mach-Zahl) zu verzögern. Der Triebwerkseinlauf ist in der 1, jedoch nicht notwendigerweise, unter Ausbildung eines Winkels α angeschrägt, wobei der untere Rand gegenüber dem oberen Rand vorsteht. Dies dient dazu, im Überschallflug auftretende Verdichtungsstöße besser nach oben zu verteilen. Grundsätzlich kann der Triebwerkseinlauf jedoch auch gerade, d.h. mit einem Winkel α von 90°, oder mit einem anderen Winkel ausgebildet sein.
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Der Strömungskanal durch den Fan 102 teilt sich hinter dem Fan 102 in den Primärstromkanal 103 und den Sekundärstromkanal 104 auf. Der Sekundärstromkanal 104 wird auch als Nebenstromkanal oder Bypass-Kanal bezeichnet.
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Hinter dem Kerntriebwerk werden der Primärstrom im Primärstromkanal 103 und der Sekundärstrom im Sekundärstromkanal 104 durch den Mischer 105 vermischt. Weiter ist hinter der Turbine ein Austrittskonus 113 angebracht, um gewünschte Querschnitte des Strömungskanals zu realisieren.
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Der hintere Bereich des Turbofan-Triebwerks wird durch eine integrale Schubdüse 2 gebildet, wobei der Primärstrom und der Sekundärstrom im Mischer 105 gemischt werden, bevor sie in die integrale Schubdüse 2 geleitet werden. Dabei bildet das Triebwerk hinter dem Mischer 105 einen Strömungskanal 25, der sich durch die Schubdüse 2 erstreckt. Alternativ können separate Schubdüsen für den Primärstromkanal 103 und den Sekundärstromkanal 104 bereitgestellt werden.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Ausgestaltung der Schubdüse 2 von Bedeutung, die in der 1 nur schematisch dargestellt ist.
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Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer konvergent-divergenten Schubdüse 2 in einem Längsschnitt, der die Maschinenachse 10 enthält. Die Schubdüse 2 umfasst eine Schubdüsenwand 20, die durch eine Innenwand 21 und eine Außenwand 22 gebildet wird. Dabei bildet die Innenwand 21 innenseitig die radial äußere Berandung des Strömungskanals 25 in der Schubdüse 2. Die Außenwand 22 ist radial außen zur Innenwand 21 ausgebildet und grenzt an die Umgebung an. Die Innenwand 21 und die Außenwand 22 laufen stromabwärts spitz aufeinander zu und bilden an ihrem stromabwärtigen Ende eine Düsenaustrittskante 23.
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Die Schubdüse 2 umfasst des Weiteren einen als Rotationskörper ausgebildeten Zentralkörper 5, der eine Oberfläche 55 ausbildet. Der Zentralkörper 5 weist eine Längsachse auf, die identisch mit der Maschinenachse 10 ist. Der Zentralkörper 5 bildet ein stromaufwärtiges Ende 51, ein stromabwärtiges Ende 52 und zwischen dem stromaufwärtigen Ende 51 und dem stromabwärtigen Ende 52 ein Maximum 53 seiner Querschnittsfläche auf. Dabei ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise vorgesehen, dass der Zentralkörper 5 angrenzend an sein stromaufwärtiges Ende 51 und zu seinem stromabwärtigen Ende 52 hin konisch ausgebildet ist.
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Das stromaufwärtige Ende 51 des Zentralkörpers 5 kann durch einen Punkt (wie dargestellt) oder durch eine Fläche gebildet sein. Ebenso kann das stromabwärtige Ende 52 durch einen Punkt oder eine Fläche (wie dargestellt) gebildet sein.
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Die Schubdüse 2 bildet eine Düsenhalsfläche A8, an der die Querschnittsfläche zwischen dem Zentralkörper 5 und der Innenwand 21 minimal ist. Typischerweise ist die axiale Position der Düsenhalsfläche A8 durch die axiale Position des Maximums 53 des Zentralkörpers 5 definiert. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. An der Düsenaustrittskante 23 bildet die Schubdüse eine Düsenaustrittsfläche A9. Diese ist gleich der Differenz zwischen der Querschnittsfläche, die die Innenwand 21 an der Düsenaustrittskante 23 bildet und der Querschnittsfläche des Zentralkörpers 5 in der betrachteten Ebene. Das Verhältnis A9 zu A8 definiert den Expansionsgrad des Strömungskanals 25 hinter der Düsenhalsfläche A8.
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Die Schubdüse 2 umfasst des Weiteren zwei Streben 31, 32, die den Zentralkörper 5 mit der Schubdüsenwand 20, nämlich der Innenwand 21 verbinden und sich dazu vom Zentralkörper 5 in radialer Richtung durch den Strömungskanal 25 zur Schubdüsenwand 20 erstrecken. Die Streben 31, 32 weisen jeweils ein strömungsgünstiges, symmetrisches Profil mit einer Vorderkante 311, 321 und einer Hinterkante 312, 322, sowie mit einer Oberseite und einer Unterseite (die in der Schnittdarstellung der 2 nicht darstellbar sind) auf. Jede Strebe 31, 32 weist des Weiteren ein radial äußeres Ende 313, 323, an dem es mit der Innenwand 21 verbunden ist, und ein radial inneres Ende 314, 324, an dem es mit dem Zentralkörper 5 verbunden ist, auf. Das radial äußere Ende 313, 323 bildet dabei eine Schnittstelle zur Innenwand 21 und das radial innere Ende 314, 324 eine Schnittstelle zum Zentralkörper 5 aus.
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Dabei verhält es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise so, dass die Streben 31, 32 an ihren radial inneren Enden 314, 324 an ihren Vorderkanten 311, 321 und in einem ein die Vorderkanten 311, 321 angrenzenden, stromaufwärtigen Bereich 33 unmittelbar aneinander angrenzen. Dementsprechend bilden sie eine gemeinsame, durchgehende Vorderkante, die nicht durch den Zentralkörper 5 unterbrochen ist. Die gemeinsame Vorderkante 311, 321 bildet dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel eine gebogene Kurve, die an ihren an die Schubdüsenwand 21 angrenzenden, radial äußeren Enden am weitesten stromaufwärts und an der Mittellinie 10 der Schubdüse 2 am stärksten stromabwärts verläuft, wobei sie die Mittellinie 10 senkrecht schneidet.
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In anderen Ausführungsbeispielen grenzt der Zentralkörper 5 bis an die Vorderkanten 31, 32 oder steht gegenüber diesen axial vor, wie anhand der 10 erläutert werden wird.
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Aufgrund der Ausbildung eines Bereichs 33, in dem die radial inneren Enden 314, 324 der Streben 31, 32 aneinander angrenzen, liegt das stromaufwärtige Ende 51 des Zentralkörpers 5 stromabwärts der Vorderkante 311, 321 der Streben 31, 32. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das stromaufwärtige Ende 51 des Zentralkörpers 5 stromaufwärts der Düsenhalsfläche A8 liegt. Das stromabwärtige Ende 52 des Zentralkörpers 5 liegt stromabwärts der Düsenhalsfläche A8 und auch stromabwärts der Düsenaustrittsfläche A9. Die axiale Position, an der der Zentralkörper 5 das Maximum 53 seiner Querschnittsfläche bildet, liegt stromabwärts der Hinterkanten 312, 323 der Streben 31, 32, wobei dies nicht notwendigerweise der Fall ist.
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Die Streben 31, 32 sind näherungsweise in einer Ebene angeordnet, die die Maschinenachse 10 enthält. Eine Anordnung der Streben „näherungsweise“ in einer Ebene liegt dabei insofern vor, als die Streben entsprechend dem Profil, das sie ausbilden, eine dreidimensionale Ausdehnung besitzen. Des Weiteren kann grundsätzlich auch vorgesehen sein, dass die beiden Streben 31, 32 winklig zueinander angeordnet sind.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Zentralkörper 5 fest gegenüber den Streben 31, 32 und sind die Streben 31, 32 fest gegenüber der Innenwand 21 fixiert, so dass der Zentralkörper 5 im Strömungskanal 25 nicht axial verschiebbar ist. In anderen Ausführungsbeispielen ist eine solche Verschiebbarkeit dagegen gegeben, wie anhand der 9 und 10 erläutert wird.
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Die 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Schubdüse 2, die entsprechend der 2 ausgebildet ist. Dabei ist die Außenwand 22 der 2 nicht und die Innenwand, die den Strömungskanal radial außen begrenzt, nur teilweise dargestellt. Die Innenwand umfasst strukturell verstärkte Seitenstrukturen 21a, die beispielsweise durch Streben 210 verstärkt sind. Die verstärkten Seitenstrukturen 21a umfassen Lagerpunkte 211 (nicht näher dargestellt) für Schubumkehrertüren, die in den 4 und 5 dargestellt sind. Die Seitenstrukturen 21 sind über halbkreisförmige Strukturelemente 71, 72, 73 oben und unten miteinander verbunden. Die Strukturelemente 71, 72, 73 bilden dabei auch eine Struktur zur Befestigung der in der 2 dargestellten Außenwand 22.
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Die Schubdüse 2 umfasst, wie in Bezug auf die 2 beschrieben, einen Zentralkörper 5, der durch zwei strömungsgünstige Streben 31, 32 mit der Innenwand 21 fest verbunden ist.
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Die Schubdüse 2 weist des Weiteren einen stromaufwärtigen Kopplungsbereich für eine Verbindung der Schubdüse 2 mit Gehäusekomponenten des Kerntriebwerks, beispielsweise zur Verbindung mit einem Turbinengehäuse auf. Dieser Kopplungsbereich bildet somit eine Schnittstelle zur Befestigung der Schubdüse 2 und wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen ringförmigen Flansch 6 gebildet. Auf den Zentralkörper 5 wirkende Lasten werden dabei über die Streben 31, 32 und die verstärkten Seitenstrukturen 21a auf den ringförmigen Flansch 6 geleitet, über den sie in mit dem Flansch 6 verbundene Gehäusekomponenten abgeleitet werden können. Auf den Zentralkörper 5 wirkende Lasten werden somit direkt an die Schubdüsenwand und von dieser in Gehäusestrukturen abgeleitet, ohne dass auf den Zentralkörper 5 wirkende Lasten auf Komponenten des Kerntriebwerks übertragen würden, wie es der Fall wäre, wenn der Zentralkörper 5 anders als bei der vorliegenden Erfindung an einer axial angeordneten Düsennadel befestigt ist.
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Alternativ können die auf den Zentralkörper 5 wirkenden Lasten über die Streben und die Schubdüsenwand direkt in den Pylon abgeleitet werden, wozu die Schubdüse über den ringförmigen Flansch 6 oder in anderer Weise (z.B. über definierte Befestigungspunkte) direkt mit dem Pylon verbunden ist.
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Die 4 und 5 zeigen die Schubdüse der 3 in zwei perspektivischen Ansichten mit geöffneten Schubumkehrertüren, wobei anders als bei der 3 auch die Außenwand 22 der Schubdüse 2 dargestellt ist. Die Schubumkehrertüren 81, 82 bilden bewegbare Strukturen der Schubdüse 2. Sie sind wie in Bezug auf die 3 erläutert an den verstärkten Seitenstrukturen 21a gelagert. Sie sind im dargestellten Ausführungsbeispiel in einem oberen und einem unteren Bereich der Schubdüse 2 ausgebildet, während die verstärkten Seitenstrukturen 21a in seitlichen Bereichen ausgebildet sind. Alternativ, wenn ausreichend Platz vorhanden ist, kann vorgesehen sein, dass die Seitenstrukturen 21a in einem oberen und einem unteren Bereich der Schubdüse 2 ausgebildet sind, während die Schubumkehrertüren 81, 82 zur Seite hin aufklappen.
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Die Schubumkehrertüren 81, 82 sind in der verschwenkten Position derart angeordnet, dass ihre radial inneren Enden 810 zumindest teilweise stromabwärts der Vorderkante 311, 312 der Streben 31, 32 angeordnet sind und dabei an den Streben 31, 32 anliegen. Hierdurch wird erreicht, dass die Streben 31, 32 an der Umlenkung des Gases im Strömungskanal partizipieren und die Schubumkehrertüren 81, 82 etwas kürzer ausgebildet sein können.
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Die 6 entspricht der 3, wobei die 6 die Schubdüse der 3 in einer Ansicht schräg von vorne zeigt. Ergänzend zu der Darstellung der 3 sind Kraftübertragungspfade 9 dargestellt, die verdeutlichen, wie auf den Zentralkörper 5 wirkende Lasten über die Streben 31, 32 und die verstärkten Seitenstrukturen 21a auf dem kürzesten Wege auf den als Schnittstelle dienenden Flansch 6 übertragen werden.
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Die 7 und 8 zeigen die Schubdüse 2 der 3 ergänzend in einer Seitenansicht und in einer Ansicht von oben. Dabei ist insbesondere in der 8 das stromaufwärtige Ende 51, das stromabwärtige Ende 52 und das Maximum 53 der Querschnittsfläche des Zentralkörpers 5 dargestellt, die in Bezug auf die 2 erläutert wurden.
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Die 9 zeigt in einer Schnittansicht, die der Ansicht der 2 entspricht, ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Schubdüse 2, das sich vom Ausführungsbeispiel der 2 dadurch unterscheidet, dass die Streben 31, 32 in axialer Richtung gegenüber der Schubdüsenwand 20 verschiebbar sind, wodurch eine axiale Verschiebbarkeit des Zentralkörpers 5 gegenüber der Schubdüsenwand 20 bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine Variation und Einstellung der Düsenhalsfläche A8 und der Düsenaustrittsfläche A9 in Abhängigkeit von der axialen Position des Zentralkörpers 5.
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Zur Realisierung einer Verschiebbarkeit der Streben 31, 32 gegenüber der Schubdüsenwand 20 sind jeweils eine mechanische Schnittstelle 15 und mindestens ein Aktuator 16 vorgesehen. Bei den Aktuatoren 16 handelt es sich beispielsweise um Elektromotoren oder hydraulische Kolben. Die mechanische Schnittstelle 15 wird beispielsweise über eine Schienenführung gebildet. Die Verstellkraft bzw. das für eine Verstellung zu übertragende Drehmoment wird über ein durch Gelenke verbundenes Gestänge 17 oder dergleichen vom Aktuator 16 an die Schnittstelle 15 zwischen den Streben 31, 32 und der Innenwand 21 übertragen wird, wo die übertragene Kraft bzw. das übertragene Drehmoment in eine translatorische Bewegung umgewandelt wird.
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Die 10 zeigt in einer Schnittansicht, die der Ansicht der 2 entspricht, ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer Schubdüse 2. Dieses unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 2 dadurch, dass zum einen der Zentralkörper 5 in axialer Richtung gegenüber den Streben 31, 32 verschiebbar ist und dass zum anderen der Zentralkörper 5 eine größere axiale Länge aufweist, wobei sein stromaufwärtiges Ende 51 axial gegenüber der angrenzenden Vorderkante 311, 321 der Streben 21, 22 hervorsteht.
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Zur Realisierung einer Verschiebbarkeit des Zentralkörpers 5 gegenüber den Streben 31, 32 sind jeweils eine mechanische Schnittstelle 18 und mindestens ein Aktuator 19 vorgesehen. Bei den Aktuatoren 19 handelt es sich wiederum beispielsweise um Elektromotoren oder pneumatische Kolben. Die mechanische Schnittstelle 18 wird beispielsweise über eine Schienenführung gebildet. Die Verstellkraft bzw. das für eine Verstellung zu übertragende Drehmoment wird über ein durch Gelenke verbundenes Gestänge 17 oder dergleichen vom Aktuator 19 an die Schnittstelle 18 zwischen dem Zentralkörper 5 und den Streben 31, 32 übertragen wird, wo die übertragene Kraft bzw. das übertragene Drehmoment in eine translatorische Bewegung umgewandelt wird. Dabei wird das Gestänge 17 durch in den Streben 31, 32 ausgebildete Hohlräume oder Kanäle zur Schnittstelle 18 geführt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 10 ist ein Maximum 53 der Querschnittsfläche des Zentralkörpers 5 nicht nur an einem axialen Punkt, sondern über einen axialen Bereich ausgebildet, in dem der Zentralkörper 5 die gleiche Querschnittsfläche aufweist. In diesem Bereich ist die Schnittstelle 18 ausgebildet.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist die Schubdüse zweidimensional ausgebildet und weist dementsprechend eine den Strömungskanal durch die Schubdüse radial außen begrenzende Innenwand auf, die im Querschnitt rechteckig ist. Der Zentralkörper ist ebenfalls im Querschnitt rechteckig ausgebildet. Die Streben sind in einem solchen Fall beispielsweise jeweils mittig an gegenüberliegenden Seitenwänden des im Querschnitt rechteckigen Zentralkörpers angeordnet und verbinden diesen mit der Schubdüsenwand.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Beispielsweise ist die Anzahl und Form der Streben, die den Zentralkörper mit der Schubdüsenwand verbinden, lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander kombiniert werden können. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
