DE102022113843A1

DE102022113843A1 - Triebwerksanordnung für ein Luftfahrzeug sowie Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022113843A1
Application number: DE102022113843.7A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-06-01
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2023-12-07
Also published as: WO2023232206A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Triebwerksanordnung für ein Luftfahrzeug mit einem ersten Triebwerk, zumindest einem zweiten Triebwerk und einer Bezugsachse, wobei das erste Triebwerk einen ersten Grundkörper mit einer ersten Längsachse sowie einen um die erste Längsachse rotierenden ersten Antriebskörper aufweist, das zweite Triebwerk eine zweite Längsachse sowie einen um die zweite Längsachse rotierenden zweiten Antriebskörper aufweist, das erste Triebwerk und das zweite Triebwerk mit der jeweiligen Längsachse im Wesentlichen parallel zur Bezugsachse in ballistisch wirksamer Nähe zueinander angeordnet sind und der erste Antriebskörper und/oder der zweite Antriebskörper in einem mechanischen Schadensfall ballistisch gegenüber dem jeweils anderen Triebwerk und/oder gegenüber dem jeweiligen anderen Antriebskörper gefährdend wirkende jeweilige Antriebskörperteile im Wesentlichen radial zur jeweiligen Längsachse in eine jeweilige ballistische Gefahrenzone aussendet oder aussenden, wobei der erste Antriebskörper und der zweite Antriebskörper entlang der Bezugsachse derart versetzt gegeneinander angeordnet sind, dass die jeweilige ballistische Gefahrenzone vom jeweiligen, durch die gefährdend wirkenden Antriebskörperteile des jeweils anderen Antriebskörper gefährdeten, Antriebskörper entlang der Bezugsachse beabstandet angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug mit einer solchen Triebwerksanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Triebwerksanordnung für ein Luftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug gemäß Anspruch 10.
Bisherige Triebwerksanordnungen für Luftfahrzeuge, insbesondere sofern zwei Triebwerke in direkter Nähe miteinander angeordnet sind, sind häufig symmetrisch aufgebaut und benötigen daher leistungsfähige ballistische Schutzeinrichtungen, um ein Triebwerk vor von einem anderen Triebwerk ausgesandten Splitterteilen, beispielsweise bei einem Triebwerksschaden des zweitgenannten, zu schützen.
Ebenso sind Triebwerksanordnungen an beispielsweise Flugzeugen bekannt, bei denen Triebwerke weit genug voneinander entfernt sind, um eine gegenseitige Gefährdung auszuschließen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Triebwerksanordnung für ein Luftfahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 ausgeführt.
Kerngedanke der Erfindung ist dabei, dass ein erster Antriebskörper und ein zweiter Antriebskörper entlang der Bezugsachse derart versetzt gegeneinander angeordnet sind, dass die jeweilige ballistische Gefahrenzone vom jeweiligen, durch die gefährdend wirkenden Antriebskörperteile des jeweiligen anderen Antriebskörper gefährdeten Antriebskörper entlang der Bezugsachse beabstandet angeordnet ist und damit mechanisch, allein durch die geometrische Anordnung der jeweiligen Triebwerke zueinander entlang der Bezugsachse, eine Gefährdung kritischer Bauteile des jeweiligen anderen Triebwerks durch beispielsweise abreißende Triebwerksschaufeln in einem Strahltriebwerk, ausgeschlossen sind.
Eine „Bezugsachse“ ist dabei beispielsweise eine Achse, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des jeweiligen Triebwerks oder geometrisch gemittelt zwischen mehreren Triebwerken derart verläuft, dass ein geometrischer Bezug für radial austretende Antriebskörperteile der jeweiligen Triebwerke geschaffen ist. Die Bezugsachse kann dabei je nach Triebwerksart auch parallel zu einer Achse sein, entlang der ein Schub der jeweiligen Triebwerke wirkt. Dabei ist diese Längsachse insbesondere diejenige Achse, um die Bestandteile des Triebwerkes, also beispielsweise der jeweilige Antriebskörper, rotieren und zu welcher gegebenenfalls Antriebskörperteile in orthogonaler Richtung austreten können. Als Beispiel sei genannt, dass im Falle eines Strahltriebwerkes die Bezugsachse im Wesentlichen parallel zur Drehachse von Turbinenteilen angeordnet wäre, im Falle eines Kolbentriebwerks im Wesentlichen parallel zu einer Kurbelwelle.
So kann beispielsweise ein jeweiliges Verdichterrad eines ersten Triebwerks so angeordnet werden, dass ein jeweiliges Verdichterrad eines zweiten Triebwerks in einem Schadensfall mit radial austretenden Verdichterrad-Teilen nicht getroffen werden kann. Gleiches gilt für entsprechende Turbinenräder oder weitere Bestandteile des Antriebskörpers in einem Triebwerk. Dabei können beispielsweise entsprechende Bauteile des Triebwerks, insbesondere des Antriebskörpers, mehr als 10 %, 15 %, 25 %, insbesondere mehr als 35 % einer Gesamtlänge des jeweiligen Triebwerks entlang der Bezugsachse gegeneinander verschoben sein.
Ein ballistisches Schutzelement im jeweiligen Grundkörper des jeweiligen Triebwerks und/oder zwischen den jeweiligen Grundkörpern der jeweiligen Triebwerke dient dazu, dennoch austretende Bestandteile entsprechend entlang der Bezugsachse nebeneinander angeordneter Bauteile zurückzuhalten. Dabei ist das jeweilige ballistische Schutzelement insbesondere dazu eingerichtet, die ballistisch gegenüber dem jeweils anderen Triebwerk und/oder gegenüber dem jeweiligen anderen Antriebskörper gefährdend wirkenden jeweiligen Antriebskörperteile unterhalb einer Gefährdungsgeschwindigkeit zu verlangsamen und/oder zurückzuhalten. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass durch eine entsprechende Verschiebung der jeweiligen Triebwerke entlang der Bezugsachse gegeneinander erreicht wird, dass beispielsweise nur Bauteile mit niedrigerer Energie, wie beispielsweise einer Turbinenstufe mit kleineren Turbinenschaufeln und geringerem Bewegungsradius, aus dem Grundkörper des Triebwerks austreten können und daher das ballistische Schutzelement deutlich weniger leistungsstark ausgewählt werden muss, als dies bei konventionellen Triebwerksanordnungen der Fall wäre. Eine Gefährdungsgeschwindigkeit beschreibt dabei die Geschwindigkeit, die ausreichend wäre, um entsprechende Bauteile, beispielsweise Schrapnell, schadhaft gegenüber Bauteilen eines jeweils anderen Triebwerks wirken zu lassen.
Der ballistische Schutz ist dabei in einer Ausführungsform ein Kunstfasergewebe, insbesondere ein Aramidgewebe und/oder ein Polyamidgewebe, ein insbesondere gehärteter Stahl, ein Titan und/oder eine Keramik oder weist diese jeweiligen Bestandteile auf. Dabei sind die jeweiligen Bestandteile insbesondere als Komposit-Schutz ausgebildet, bei dem beispielsweise eine harte Komponente, wie Keramik oder gehärteter Stahl entsprechende Schrapnellteile brechen kann, die dann beispielsweise von einem Aramidgewebe aufgefangen werden. In diesem Zusammenhang wird auch von einem „Spall-Liner“ gesprochen.
In einer Ausführungsform können dabei ein erstes Triebwerk und das zumindest zweite Triebwerk in einem Rumpf, insbesondere einem Heckbereich des Rumpfes des Luftfahrzeugs, angeordnet sein.
Sind dabei das erste Triebwerk und das zweite Triebwerk in einer Symmetrieebene des Luftfahrzeugs entlang der Flugrichtung angeordnet, so können beispielsweise auch Triebwerke unterschiedlicher Leistungsstärke eingesetzt werden, die dann trotz der engen räumlichen Nähe, beispielsweise im Heckbereich eines Rumpfes eines Luftfahrzeuges, mit deutlich geringeren ballistischen Schutzmitteln ausgeführt sein können, und trotzdem ein hohes Sicherheitsniveau für das Luftfahrzeug erhalten.
Dabei kann beispielsweise ein primär schadensrelevantes Bauteil, wie beispielsweise ein erstes Verdichterrad, welches bei beispielsweise einem Vogelschlag mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Schrapnellbildung neigt, entlang der Bezugsachse sogar außerhalb des jeweils anderen Triebwerks angeordnet werden, sodass beispielsweise der Gefährdungsbereich durch Schrapnellteile außerhalb der Kontur des jeweils anderen Triebwerks liegt. Dies kann beispielsweise für das leistungsstärkere von zwei Triebwerken so gewählt werden, dass das höchste Ausfallrisiko, nämlich des Verdichterrades des leistungsstärksten Triebwerks, nicht zu fatalen Folgen für das jeweils leistungsschwächere Triebwerk führt.
Ein Triebwerk kann dabei ein Turbinen-Strahltriebwerk, insbesondere ein Einstrom-Strahltriebwerk, ein Mantelstromtriebwerk oder ein Turbo-Prop-Triebwerk sein.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Luftfahrzeug gemäß Anspruch 10, welches von der Triebwerksanordnung gemäß der vorigen Ausführungsformen, insbesondere gemäß Anspruch 1 bis 9, profitiert.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Geschäftsreiseflugzeuges in einer Seitenansicht, sowie
2 eine Detailansicht einer Triebwerksanordnung des Geschäftsflugzeuges der 1.

Ein Geschäftsflugzeug 101, weist eine Rumpfstruktur 103 auf. Die Rumpfstruktur 103 dient als Teil des Tragwerkes des Geschäftsflugzeuges 101 und weist Scheiben 105 auf, die als Cockpitscheibe dienen. Das Geschäftsflugzeug 101 ist in einer üblichen Konfiguration mit einem Seitenleitwerk 111, einem Höhenleitwerk 113 und einer Tragfläche 115 als Tiefdecker mit konventionellem Leitwerk dargestellt. Das Seitenleitwerk 111 und das Höhenleitwerk 113 sind am Heck 107 angeordnet.
Die Tragfläche 115 weist Auftriebshilfen 117, also beispielsweise Landeklappen, zur Erhöhung des Auftriebs in bestimmten Flugsituationen wie dem Start und der Landung auf. Weiterhin weist das Geschäftsflugzeug 101 ein Hauptfahrwerk 121 und ein Bugfahrwerk 123 auf, welche jeweils einziehbar sind.
Im Heck 107 sind zwei Triebwerke, nämlich ein Triebwerk 151 mit einem Lufteinlass 153 und einer Düse 155 sowie ein Triebwerk 161 mit einem Lufteinlass 163 und einer Düse 165 angeordnet. Die Triebwerke 151 und 161 sind Mantelstromtriebwerke, die nach dem Prinzip einer Gasturbine mit zusätzlichem Mantelstrom-Fan arbeiten (nicht detailliert dargestellt. Dazu saugen die Triebwerke durch die entsprechenden Lufteinlässe 153 und 163 Luft ein, erhöhen die in der Luft enthaltene Energie durch eine Verbrennung in einer jeweiligen Brennkammer (nicht dargestellt) und stoßen entsprechende heiße und beschleunigte Abgase zusammen mit den beschleunigten Luftmassen des jeweiligen Mantelstrom-Fans durch die jeweilige Düse 155 und 165 aus, sodass Schub für das Geschäftsflugzeug 101 entsteht und dieses beschleunigen kann. Das Geschäftsflugzeug 101 wiegt in vollbeladener Startkonfiguration etwa 5.000 kg, was einer Gewichtskraft von etwa 49000N entspricht. Das Triebwerk 151 weist einen Maximalschub von etwa 1.5000N auf, wohingegen das Triebwerk 161 einen Maximalschub von 2.5000 N aufweist.
Somit ist das Triebwerk 151 mit seinem Maximalschub darauf ausgelegt, das Geschäftsflugzeug 101 insbesondere im Reiseflug sicher und effizient betreiben zu können, wohingegen das Triebwerk 161 mit seinem deutlich höheren Schub dazu verwendet wird, beispielsweise in Hot-And-High-Bedingungen und/oder bei besonders kurzen angestrebten Start- und Landestrecke eine ausreichende Leistungsfähigkeit des Geschäftsflugzeugs 101 bereitzustellen. Der Maximalschub des Triebwerks 151 ist dabei so gewählt, dass die für das Gesamtgewicht des Luftfahrzeuges notwendige Leistung für einen nicht mehr möglichen Startabbruch nach einer sogenannten Entscheidungsfähigkeit zulassungsgemäß vorhanden ist, um einen sicheren Steigflug des Geschäftsflugzeuges 101 sicherzustellen. Ebenso kann lediglich die Leistungsfähigkeit des Triebwerks 151 genutzt werden, wenn beispielsweise ausreichend Startbahn für einen langen Startablauf zur Verfügung steht. Das dann im Leerlauf befindliche Triebwerk 161 kann dann ohne Einfluss auf wartungsrelevante Betriebsstunden im Leerlauf verbleiben, zudem können entsprechende Kraftstoffmengen gespart werden.
Eine Triebwerksanordnung 201 einer Welle 156 des Triebwerks 151 und einer Welle 166 des Triebwerks 161 entlang der Längsachse 191 (vgl. dazu auch 2) ist so gewählt, dass im Falle eines Versagens eines Verdichterrades 162 des leistungsstärkeren Triebwerks 161 entstehende Schrapnellteile 167 in einem Gefahrenbereich 169 austreten können, wobei der Gefahrenbereich 169 vollständig außerhalb der Kontur des Triebwerks 151 liegt. Die Schrapnellteile 167 können damit das Triebwerk 151 nicht treffen. Zwischen den Triebwerken 151 und 161 ist ein ballistischer Schutz 181 angeordnet, welcher in mehreren Schichten, nämlich einer Titanschicht 183, einem Aramidgewebe 185 und einer weiteren Titanschicht 187 ausgebildet ist, wobei die jeweiligen Titanschichten 183 und 187 den Triebwerken jeweils zugewandt sind und das Aramidgewebe 185 zwischen diesen angeordnet ist. Für den Fall eines Versagens eines im Verhältnis kleineren Verdichterrades 152 des Triebwerks 151 oder des Versagens von jeweiligen Turbinenstufen 154 und 164, welche jeweils Schrapnellteile geringerer Energie aussenden, kann der ballistische Schutz 181 deutlich kleiner ausgelegt werden, als wenn beispielsweise bei einer parallelen Anordnung beider Triebwerke ein Austrittsweg von Schrapnellteilen 167 und damit der Gefahrenbereich 169 mit dem Triebwerk 151 in Überdeckung wären.
Die Anordnung des Schutzes 181 dient dabei derart, dass die jeweilige Titanschicht 183 oder 187 die vom jeweiligen Triebwerk 151 oder 161 entsandten Schrapnellteile brechen und diese dann im Aramidgewebe 185 aufgefangen werden, womit eine Komposit-Panzerung im Schutz 181 realisiert ist.
Bezugszeichenliste

101: Geschäftsflugzeug
103: Rumpfstruktur
105: Scheibe
107: Heck
111: Seitenleitwerk
113: Höhenleitwerk
115: Tragfläche
117: Auftriebshilfen
121: Hauptfahrwerk
123: Bugfahrwerk
151: Triebwerk
152: Verdichterrad
153: Lufteinlass
154: Turbinenstufe
155: Düse
156: Welle
161: Triebwerk
162: Verdichterrad
163: Lufteinlass
164: Turbinenstufe
165: Düse
166: Welle
167: Schrapnellteile
169: Gefahrenbereich
181: Schutz
183: Titanschicht
185: Aramidgewebe
187: Titanschicht
201: Triebwerksanordnung

Claims

Triebwerksanordnung (201) für ein Luftfahrzeug (101) mit einem ersten Triebwerk (161), zumindest einem zweiten Triebwerk (151) und einer Bezugsachse (191), wobei das erste Triebwerk (161) einen ersten Grundkörper (161) mit einer ersten Längsachse (166) sowie einen um die erste Längsachse (166) rotierenden ersten Antriebskörper (162, 164, 166) aufweist, das zweite Triebwerk (151) eine zweite Längsachse (156) sowie einen um die zweite Längsachse (156) rotierenden zweiten Antriebskörper (152, 154, 156) aufweist, das erste Triebwerk (161) und das zweite Triebwerk (151) mit der jeweiligen Längsachse (156, 166) im Wesentlichen parallel zur Bezugsachse (191) in ballistisch wirksamer Nähe zueinander angeordnet sind und der erste Antriebskörper (162, 164, 166) und/oder der zweite Antriebskörper (152, 154, 156) in einem mechanischen Schadensfall ballistisch gegenüber dem jeweils anderen Triebwerk und/oder gegenüber dem jeweiligen anderen Antriebskörper gefährdend wirkende jeweilige Antriebskörperteile (167) im Wesentlichen radial zur jeweiligen Längsachse in eine jeweilige ballistische Gefahrenzone (169) aussendet oder aussenden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antriebskörper (162, 164, 166) und der zweite Antriebskörper (152, 154, 156) entlang der Bezugsachse (191) derart versetzt gegeneinander angeordnet sind, dass die jeweilige ballistische Gefahrenzone (169) vom jeweiligen, durch die gefährdend wirkenden Antriebskörperteile (167) des jeweils anderen Antriebskörpers gefährdeten, Antriebskörper entlang der Bezugsachse beabstandet angeordnet ist.
Triebwerksanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antriebskörper (162, 164, 166) ein erstes Verdichterrad (162) und ein erstes Turbinenrad (164) und/oder der zweite Antriebskörper (152, 154, 166) ein zweites Verdichterrad (152) und ein zweites Turbinenrad (154) aufweist, wobei das erste Verdichterrad (162) und das zweite Verdichterrad (152) und/oder das erste Turbinenrad (164) und das zweite Turbinenrad (154) entlang der Bezugsachse (191) derart versetzt gegeneinander angeordnet sind, dass die jeweilige ballistische Gefahrenzone (169) vom jeweiligen, durch die gefährdend wirkenden Antriebskörperteile (167) des jeweils anderen Verdichterrades und/oder des jeweils anderen Turbinenrades gefährdeten, Verdichterrad und/oder Turbinenrad entlang der Bezugsachse (191) beabstandet angeordnet ist.
Triebwerksanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antriebskörper (162, 164, 166) und der zweite Antriebskörper (152, 154, 156), das erste Verdichterrad (162) und das zweite Verdichterrad (152) und/oder das erste Turbinenrad (164) und das zweite Turbinenrad (154) entlang der Bezugsachse (191) derart versetzt gegeneinander angeordnet sind, dass die jeweilige ballistische Gefahrenzone (169) vom jeweiligen, durch die gefährdend wirkenden Antriebskörperteile (167) des jeweils anderen Antriebskörpers, des jeweils anderen Verdichterrades und/oder des jeweils anderen Turbinenrades gefährdeten, Antriebskörper, Verdichterrad und/oder Turbinenrad um mehr als 10%, 15%, 25%, insbesondere mehr als 35% einer ersten Gesamtlänge des ersten Triebwerkes (161) und/oder einer zweiten Gesamtlänge des zweiten Triebwerkes (151) entlang der Bezugsachse beabstandet angeordnet ist.
Triebwerksanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ballistisches Schutzelement (181) am ersten Grundkörper (161), am zweiten Grundkörper (151) und/oder zwischen dem ersten Grundkörper (161) und dem zweiten Grundkörper (151) angeordnet ist, wobei das ballistische Schutzelement (181) dazu eingerichtet ist, die ballistisch gegenüber dem jeweils anderen Triebwerk und/oder gegenüber dem jeweiligen anderen Antriebskörper gefährdend wirkenden jeweiligen Antriebskörperteile unterhalb einer Gefährdungsgeschwindigkeit zu verlangsamen und/oder zurückzuhalten.
Triebwerksanordnung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ballistische Schutz (181) ein Kunstfasergewebe, insbesondere ein Aramidgewebe (185) und/oder ein Polyamidgewebe, einen insbesondere gehärteten Stahl, ein Titan (183, 187) und/oder eine Keramik aufweist, wobei das Kunstfasergewebe, der Stahl, das Titan und/oder die Keramik als ballistisch wirksamer Komposit-Schutz (181) ausgebildet ist.
Triebwerksanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Triebwerk (161) und das zumindest zweite Triebwerk (151) in einem Rumpf (103) des Luftfahrzeuges (101), insbesondere in einem Heckbereich (107) des Rumpfes (103) des Luftfahrzeuges (101) angeordnet sind.
Triebwerksanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Triebwerk (161) und das zumindest zweite Triebwerk (151) in einem Rumpf (103) des Luftfahrzeuges (101) übereinander angeordnet sind, wobei das erste Triebwerk (161) und das zumindest zweite Triebwerk (151) im Wesentlichen in einer aerodynamischen Symmetrieebene entlang einer Flugrichtung (191) des Luftfahrzeuges (101) angeordnet sind.
Triebwerksanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Triebwerk (161) und das zweite Triebwerke (151) voneinander unterschiedliche Maximalleistungen aufweisen, wobei insbesondere ein erster Maximalschub des ersten Triebwerkes (161) maximal 90%, 85%, 70%, 65%, 55%, 50% insbesondere maximal 45% eines zweiten Maximalschubs des zweiten Triebwerks (151) beträgt.
Triebwerksanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Triebwerk (161) und/oder das zumindest zweite Triebwerk (151) ein Turbinen-Strahltriebwerk, insbesondere ein Einstrom-Strahltriebwerk, ein Mantelstromtriebwerk oder ein Turbo-Prop-Triebwerk, ist.
Luftfahrzeug (101) mit einer Triebwerksanordnung (201) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.