DE112009000927T5

DE112009000927T5 - Eisbruchverringerung an Vorderkantenstrukturen

Info

Publication number: DE112009000927T5
Application number: DE112009000927T
Authority: DE
Inventors: Edward Atwood Ohio Rainous; Barry Lynn Ohio Allmon; Jeffre Gerry Ohio Loewe; William Clarke Ohio Brooks; Lee Alan Ohio Blanton; Courtney James Ohio Tudor; Vicky Showalter Ohio Budinger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-07-28
Also published as: CA2964852A1; WO2009142793A2; CA2722099A1; CA2722099C; US20120312924A1; US20090272850A1; GB2471614A; JP2011520058A; WO2009142793A3; US8245981B2; GB2471614B; JP5698656B2; GB201017613D0

Abstract

Vorderkantenstruktur zur Verwendung in einem Luftfahrzeug, die aufweist: (a) einen Körper mit einer Strömungspfadoberfläche, die eine Vorderkante bildet, die dazu eingerichtet ist, während des Betriebs in einen Luftstrom zu weisen; und (b) eine Anzahl von mechanischen Diskontinuitäten, die in der Strömungspfadoberfläche ausgebildet sind, wobei die mechanischen Diskontinuitäten dazu eingerichtet sind, Spannungskonzentrationen in Eis zu fördern, das an der Strömungspfadoberfläche haftet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Strukturen an Luftfahrzeugen und im Einzelnen auf Konstruktionen zur Verbesserung der Eisbrucheigenschaften derartiger Strukturen.
Jedes Flugzeug weist vielfältige „Vorderkantenstrukturen” auf, d. h. exponierte Oberflächen, die in die Flugrichtung weisen. Diese Oberflächen umfassen z. B. Teile des Rumpfes, der Tragflächen, des Leitwerks und der Triebwerke.
Ein gebräuchlicher Typ von Flugzeugtriebwerk ist ein Mantelstromtriebwerk, das einen Strömungsmaschinenkern mit einem Hochdruckverdichter, einer Brennkammer und einer Hochdruckturbine in serieller Strömungsbeziehung enthält. Der Kern ist in einer bekannten Weise zum Erzeugen eines Stroms von Vortrieb erzeugendem Gas betreibbar. Eine von den Abgasen des Kerns angetriebene Niederdruckturbine treibt über eine Welle einen Bläser an, um einen Vortrieb erzeugenden Mantelstrom zu erzeugen. Die Niederdruckturbine treibt auch einen Niederdruckverdichter oder „Booster” an, der den Eingangsstrom in den Hochdruckverdichter auflädt.
Bestimmte Flugzustände ermöglichen eine Eisbildung an den Vorderkantenstrukturen, insbesondere den Bereichen des Bläser- und Niederdruckverdichterströmungspfades des Triebwerks. Diese Bereiche enthalten die Laufschaufeln, den Spinnerkonus und die Vorderkanten von stationären Leitschaufeln und Verkleidungen. Die US-Luftfahrtbehörde FAA (Federal Aviation Administration) verlangt Zertifizierungsversuche bei diesen Flugpunkten, um die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung des Triebwerksschubs zu zeigen, sobald sich Eis von den verschiedenen Komponenten löst und in das Triebwerk eindringt.
Eine bestimmte interessierende Vorderkantenstruktur ist der Bläserabzweiger bzw. -splitter des Triebwerks. Der Abzweiger ist ein umlaufender Ring mit einer tragflächenförmigen Vorderkante, die unmittelbar hinter den Bläserlaufschaufeln angeordnet ist. Seine Funktion besteht im Abtrennen des Luftstroms für die Verbrennung (über den Niederdruckverdichter) von dem Mantelstrom. Es ist wünschenswert, dass der Abzweiger und andere Vorderkantenstrukturen mechanische, chemische und thermische Eigenschaften aufweisen, sodass in einem Vereisungszustand die Eisbildung und das Eisbruchvolumen minimiert werden. Dies minimiert wiederum die Gefahr eines Verdichterausfalls und eines mechanischen Schadens am Verdichter durch eingedrungenes Eis.
Mantelstromtriebwerke nach dem Stand der Technik weisen aus Titan hergestellte Abzweiger auf, das für vorteilhafte Eisbrucheigenschaften bekannt ist. Die Nachteile von Titan sind die Kosten und das Gewicht im Vergleich zu konventionell behandeltem Aluminium. Von konventionell behandeltem Aluminium wird jedoch angenommen, dass es sich in einer Flugzeugvereisungsumgebung ungünstig verhält. Beispiele für konventionell behandeltes Aluminium umfassen chemische Konversionsbeschichtungen und Anodisierung, ohne auf die beschränkt zu sein.
Vorderkantenstrukturen können auch mit bekannten Beschichtungen geschützt sein, die als „eisabweisende” oder „Anti-Eis”-Beschichtungen bezeichnet werden, z. B. Polyurethanfarbe oder andere organische Beschichtungen. Diese Beschichtungen haben die Wirkung einer Verringerung der Adhäsionskräfte zwischen Eisablagerungen und der geschützten Komponente. Während diese Beschichtungen die Eisablöseeigenschaften verbessern können, kann ihre Erosionsbeständigkeit unzureichend sein, um die Vorderkantenstrukturen vor der abreibenden Wirkung von Luftströmen mit mitgerissenen abrasiven Partikeln zu schützen, denen die Strukturen während des Fluges ausgesetzt sind.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesen und anderen Unzulänglichkeiten des Standes der Technik wendet sich die vorliegende Erfindung zu, die Komponenten mit einer eisabweisenden Auflage schafft, die die Haftungskräfte des Eises verringert und/oder verändert, um die Eisablösung zu fördern und das Abbrechen großer Eisstücke zu reduzieren.
Gemäß einem Aspekt schafft die Erfindung eine Vorderkantenstruktur zur Verwendung in einem Luftfahrzeug, die aufweist: (a) einen Körper mit einer Strömungspfadoberfläche, die eine Vorderkante bildet, die dazu eingerichtet ist, während des Betriebs in einen Luftstrom zu weisen; und (b) eine Anzahl von mechanischen Diskontinuitäten bzw. Sprungstellen, die in der Strömungspfadoberfläche ausgebildet sind, wobei die mechanischen Diskontinuitäten zur Förderung von Spannungskonzentrationen in Eis, das an der Strömungspfadoberfläche haftet, eingerichtet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Abzweiger für ein Mantelstromtriebwerk auf:

(a) einen ringförmigen Körper mit einer Strömungspfadoberfläche, die eine Vorderkante bildet, die dazu eingerichtet ist, während des Betriebs in einen Luftstrom zu weisen, und
(b) eine Anzahl von in der Strömungspfadoberfläche ausgebildeten mechanischen Diskontinuitäten, wobei die mechanischen Diskontinuitäten zur Förderung von Spannungskonzentrationen in Eis, das an der Strömungspfadoberfläche haftet, eingerichtet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorderkantenstruktur zur Verwendung in einem Luftfahrzeug einen Körper mit einer Strömungspfadoberfläche, die eine Vorderkante bildet, die dazu eingerichtet ist, während des Betriebs in einen Luftstrom zu weisen, und mit einer gegenüber liegenden inneren Oberfläche auf. Der Körper ist in eine Anzahl von Abschnitten mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften unterteilt, um Spannungskonzentrationen in Eis, das an der Strömungspfadoberfläche haftet, zu fördern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann am besten unter Bezug auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden:
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Flugzeugs, das durch ein Paar von Mantelstromtriebwerken mit einem hohen Nebenstromverhältnis betrieben wird, die vereisungsresistente Komponenten enthalten, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind;
2 ist eine schematische, halb im Schnitt dargestellte Ansicht eines der in 1 gezeigten Triebwerke;
3 ist eine halb im Schnitt dargestellte Ansicht eines in 2 gezeigten Abzweigers;
4 ist eine von vorne mit Blick nach hinten aufgenommene Ansicht des Abzweigers aus 3;
5 ist eine Ansicht, die entlang der Linie 5-5 in 4 aufgenommen ist;
6A ist eine Ansicht, die entlang der Linie 6-6 in 5 aufgenommen ist;
6B ist eine Ansicht von vorne mit Blick nach hinten von einer Abwandlung des Abzweigers aus 6A;
7 ist eine Ansicht, die von vorne mit Blick nach hinten an einem alternativen Abzweiger aufgenommen ist;
8 ist eine entlang der Linie 8-8 in 7 aufgenommene Ansicht;
9A ist eine entlang der Linie 9-9 in 8 aufgenommene Ansicht;
9B ist eine von vorne mit Blick nach hinten aufgenommene Ansicht einer Abwandlung des Abzweigers aus 9A;
10 ist eine von vorne mit Blick nach hinten aufgenommene Ansicht eines anderen alternativen Abzweigers;
11 ist eine entlang der Linie 11-11 in 10 aufgenommene Ansicht;
12A ist eine entlang der Linie 12-12 in 11 aufgenommene Ansicht; und
12B ist eine Ansicht von vorne mit Blick nach hinten von einer Variation des Abzweigers aus 12A.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente in den verschiedenen Ansichten darstellen: 1 zeigt eine bekannte Art eines kommerziellen Flugzeugs 10, das einen im Wesentlichen röhrenförmigen Rumpf 12, Tragflächen 14, die in Gondeln 18 angebrachte Mantelstromtriebwerke 16 tragen, und ein Heckleitwerk mit einer Höhenflosse 20 und einer Seitenflosse 22 aufweist. Jede dieser Komponenten weist eine oder mehrere exponierte Oberflächen mit einem gekrümmten oder tragflächenförmigen Querschnitt auf, der in die Flugrichtung weist (mit anderen Worten eine aerodynamische Vorderkante). Diese Oberflächen werden hierin als „Vorderkantenstrukturen” bezeichnet. Während die vorliegende Erfindung weiterhin im Zusammenhang mit einem Gasturbinentriebwerk beschrieben ist, sollte erkannt werden, dass die hierin enthaltenen Prinzipien auf beliebige Arten von Vorderkantenstrukturen angewandt werden könnten.
Wie in 2 gezeigt weist das Triebwerk 16 eine Längsachse A auf und enthält konventionelle Komponenten, die einen Bläser 24, einen Niederdruckverdichter oder „Booster” 26 und eine Niederdruckturbine (LPT) 28, die im Ganzen als ein „Niederdrucksystem” bezeichnet werden, sowie einen Hochdruckverdichter (HPC) 30, eine Brennkammer 32 und eine Hochdruckturbine (HPT) 34, die im Ganzen als ein „Gasgenerator” oder „Kerntriebwerk” bezeichnet werden, umfassen. Verschiedene Komponenten der Gondel 18 und stationäre Strukturen des Triebwerks 16, die eine Kerngondel 36 enthalten, wirken zur Bildung eines Kernströmungspfades, der mit einem Pfeil F markiert ist, sowie eines Mantelstromkanals, der mit einem Pfeil B markiert ist, zusammen.
Ein stationärer umlaufender Abzweiger 38 (,der auch in 3 zu sehen ist,) ist an dem vorderen Ende der Kerngondel 36 zwischen dem Mantelstromkanal B und dem Kernströmungspfad F angeordnet. Die Strömungspfadoberfläche 40 des Abzweigers 38 enthält einen radial nach außen weisenden Bereich 41 und einen radial nach innen weisenden Bereich 43. Die beiden Bereiche sind durch eine aerodynamische Vorderkante 39 abgegrenzt. Eine Innenoberfläche 45, die dem primären Strömungspfad nicht ausgesetzt ist, ist der Strömungspfadoberfläche 40 gegenüberliegend angeordnet. Der Abzweiger 38 ist ein Beispiel für eine Vorderkantenstruktur, wie sie oben beschrieben ist. Der Abzweiger 38 kann ein einziger zusammenhängender Ring sein, oder er kann aus bogenförmigen Segmenten aufgebaut sein.
Die Strömungspfadoberfläche 40 weist eine oder mehrere Diskontinuitäten zum Zwecke der Verbesserung der Eisablöseeigenschaften auf. Wie in den 3–6A gezeigt weist der Abzweiger 38 eine radiale Reihe von darin ausgebildeten, im Wesentlichen axial ausgerichteten Nuten 42 auf. Als Beispiel kann die Breite W der Nuten von so schmal wie etwa 0,38 mm (0,015 Zoll) bis so breit wie etwa 50% Prozent des Umfangs des Abzweigers 38 sein. Die 6B stellt einen geringfügig unterschiedlichen Abzweiger 38' dar, in dem die Strömungspfadoberfläche 40' Nuten 42' aufweist, die gekrümmt sind. Sie können so gekrümmt sein, dass sie parallel zu dem lokalen Strömungsfeld während des Betriebs sind. Die 7–9A stellen einen alternativen Abzweiger 138 dar, der eine radiale Reihe von allgemein axial ausgerichteten erhabenen Rippen 142 aufweist, die aus seiner Strömungspfadoberfläche 140 hervorstehen. Der Abstand S der Nuten 42 oder der Rippen 142 in der Umfangsrichtung kann so gewählt sein, dass sie ein Abbrechen von Eis in relativ kleine Stücke bewirken. Als Beispiel wird angenommen, dass etwa 24 bis etwa 140 um den Umfang herum verteilte Elemente zu diesem Zweck geeignet sind. Die 9B stellt einen leicht verschiedenen Abzweiger 138' dar, in dem die Strömungspfadoberfläche 140' Rippen 142' aufweist, die gekrümmt sind. Sie können so gekrümmt sein, dass sie parallel zu dem lokalen Strömungsfeld während des Betriebs sind. Verschiedene Muster von Nuten oder Rippen, die in unterschiedlichen Richtungen verlaufen (axial, in Umfangsrichtung und Kombinationen von diesen Richtungen etc.) könnten verwendet werden.
Die 10–12A stellen einen weiteren alternativen Abzweiger 238 dar, dessen Strömungspfadoberfläche 240 alternierende Abschnitte 242A und 242B mit erheblich unterschiedlicher Dicke aufweist, so dass die benachbarten Abschnitte in einer Richtung senkrecht zu der Strömungspfadoberfläche (d. h. in der Radialrichtung in dem dargestellten Beispiel) versetzt sind. Der Versatz zwischen benachbarten Abschnitten 242A und 242B bildet allgemein radial ausgerichtete Flächen 244, die als Diskontinuitäten in der Strömungspfadoberfläche 240 wirken. Die 12B stellt einen leicht verschiedenen Abzweiger 238' dar, in dem die Strömungspfadoberfläche Segmente 242' aufweist, die sich in Umfangsrichtung in der Dicke verjüngen. Den Versatz zwischen benachbarten Abschnitten 242' bilden allgemein radial gekrümmte Flächen 244', die als Diskontinuitäten wirken. Die Flächen 244' können so gekrümmt sein, dass sie parallel zu dem lokalen Strömungsfeld während des Betriebs sind. Wie bei den Nuten oder Rippen können die Abgrenzungen in vielfältigen Mustern ausgeführt sein, die in unterschiedliche Richtungen (axial, in Umfangsrichtung etc.) verlaufen.
Im Betrieb wird das Triebwerk 10 Vereisungsbedingungen ausgesetzt sein, insbesondere dem Vorhandensein von Feuchtigkeit bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt von Wasser. Eis wird naturgemäß dazu neigen, sich an den Vorderkantenstrukturen einschließlich des Abzweigers 38 zu bilden. Wenn sich die Eismasse aufbaut, ragt sie in den Strömungspfad hinein und vergrößert die aerodynamischen (Widerstands-)Kräfte, die auf das Eis wirken und letzten Endes bewirken, dass sich Teile des Eises von dem Abzweiger 38 ablösen. Das Vorhandensein der oben beschriebenen Diskontinuitäten fördert Spannungskonzentrationen und bringt mechanische Spannungen in das Eis ein. Das Ergebnis besteht darin, dass Stücke des Eises abbrechen und sich stromabwärts ablösen, wenn sie noch von einer geringeren Größe sind, als es ansonsten der Fall wäre. Dies verhindert eine übermäßige Abkühlung und Schäden durch Fremdkörper in dem Hochdruckverdichter 30.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorgehensweisen oder als eine Alternative zu diesen können die thermischen Eigenschaften der Vorderkantenstruktur durch Änderungen entweder des Legierungstyps oder der Dicke variiert werden. Änderungen der Oberflächeneigenschaften und der Struktur können auch bei der Wärmeübertragung helfen. Es können auch innere (Nicht-Strömungspfad-)Oberflächen verändert werden, um die gewünschten thermischen Variationen zu erreichen. Zum Beispiel können die oben beschriebenen lokalen Variationen der Dicke durch das Hinzufügen von Dicke zu der inneren Oberfläche erreicht werden, während die Strömungspfadoberfläche unverändert gelassen wird.
Das Vorangegangene hat Strukturen aus der Luft- und Raumfahrt beschrieben, die für verbesserte Eisablöseeigenschaften angepasst worden sind. Während spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, wird von Fachleuten erkannt, dass daran vielfältige Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind die vorangegangene Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und die beste Art, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, nur zu Zwecken der Darstellung angegeben.
Zusammenfassung
Eine Vorderkantenstruktur zur Verwendung in einem Luftfahrzeug enthält einen Körper mit einer Strömungspfadoberfläche, die eine Vorderkante bildet, die dazu eingerichtet ist, während des Betriebs in einen Luftstrom zu weisen, und mit einer gegenüberliegenden inneren Oberfläche. Der Körper ist in eine Anzahl von Abschnitten mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften und/oder mit mechanischen Diskontinuitäten unterteilt, um Spannungskonzentrationen in Eis zu fördern, das an der Strömungspfadoberfläche haftet.

Claims

Vorderkantenstruktur zur Verwendung in einem Luftfahrzeug, die aufweist: (a) einen Körper mit einer Strömungspfadoberfläche, die eine Vorderkante bildet, die dazu eingerichtet ist, während des Betriebs in einen Luftstrom zu weisen; und (b) eine Anzahl von mechanischen Diskontinuitäten, die in der Strömungspfadoberfläche ausgebildet sind, wobei die mechanischen Diskontinuitäten dazu eingerichtet sind, Spannungskonzentrationen in Eis zu fördern, das an der Strömungspfadoberfläche haftet.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 1, bei der die Diskontinuitäten durch eine oder mehrere Nuten gebildet sind.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 2, bei der die Nuten so gekrümmt sind, dass sie während des Betriebs allgemein parallel zu dem erwarteten Strömungsfeld um die Strömungspfadoberfläche herum sind.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 1, bei der die Diskontinuitäten durch eine oder mehrere Rippen gebildet sind, die sich aus der Strömungspfadoberfläche erstrecken.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 4, bei der die Rippen so gekrümmt sind, dass sie während des Betriebs allgemein parallel zu dem erwarteten Strömungsfeld um die Strömungspfadoberfläche herum sind.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 1, bei der die Diskontinuitäten durch benachbarte Abschnitte der Strömungspfadoberfläche gebildet sind, die gegeneinander versetzt sind.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 6, bei der Flächen, die durch benachbarte Abschnitte der Strömungspfadoberfläche gebildet sind, so gekrümmt sind, dass sie während des Betriebs allgemein parallel zu dem erwarteten Strömungsfeld um die Strömungspfadoberfläche herum sind.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 1, bei der der Körper Aluminium aufweist.
Abzweiger für ein Mantelstromtriebwerk, der aufweist: (a) einen ringförmigen Körper mit einer Strömungspfadoberfläche, die eine Vorderkante bildet, die dazu eingerichtet ist, während des Betriebs in einen Luftstrom zu weisen; und (b) eine Anzahl von mechanischen Diskontinuitäten, die in der Strömungspfadoberfläche ausgebildet sind, wobei die Diskontinuitäten dazu eingerichtet sind, Spannungskonzentrationen in Eis zu fördern, das an der Strömungspfadoberfläche haftet.
Abzweiger nach Anspruch 9, bei dem die Diskontinuitäten durch eine oder mehrere Nuten gebildet sind.
Abzweiger nach Anspruch 10, bei dem die Nuten so gekrümmt sind, dass sie während des Betriebs allgemein parallel zu dem erwarteten Strömungsfeld um die Strömungspfadoberfläche herum sind.
Abzweiger nach Anspruch 10, bei dem die Strömungspfadoberfläche eine radiale Reihe von darin ausgebildeten, allgemein axial ausgerichteten Nuten aufweist.
Abzweiger nach Anspruch 9, bei dem die Diskontinuitäten durch eine oder mehrere Rippen gebildet sind, die sich aus der Strömungspfadoberfläche erstrecken.
Abzweiger nach Anspruch 13, bei dem die Rippen so gekrümmt sind, dass sie während des Betriebs allgemein parallel zu dem erwarteten Strömungsfeld um die Strömungspfadoberfläche herum sind.
Abzweiger nach Anspruch 13, bei dem die Strömungspfadoberfläche eine radiale Reihe von aus der Strömungspfadoberfläche hervorstehenden, allgemein axial ausgerichteten Rippen aufweist.
Abzweiger nach Anspruch 9, bei dem die Diskontinuitäten durch benachbarte Abschnitte der Strömungspfadoberfläche gebildet sind, die gegeneinander versetzt sind.
Abzweiger nach Anspruch 15, bei der Flächen, die durch benachbarte Abschnitte der Strömungspfadoberfläche gebildet sind, so gekrümmt sind, dass sie während des Betriebs allgemein parallel zu dem erwarteten Strömungsfeld um die Strömungspfadoberfläche herum sind.
Abzweiger nach Anspruch 9, bei dem der Körper Aluminium aufweist.
Vorderkantenstruktur zur Verwendung in einem Luftfahrzeug, die einen Körper mit einer Strömungspfadoberfläche, die eine Vorderkante bildet, die dazu eingerichtet ist, während des Betriebs in ein Luftstrom zu weisen, und mit einer gegenüberliegenden inneren Oberfläche aufweist, wobei der Körper in eine Anzahl von Abschnitten mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften untereilt ist, um Spannungskonzentrationen in Eis zu fördern, das an der Strömungspfadoberfläche haftet.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 19, bei der benachbarte Abschnitte des Körpers unterschiedliche Dicken aufweisen.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 20, bei der die Strömungspfadoberfläche im Wesentlichen frei von Diskontinuitäten ist.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 19, bei der benachbarte Abschnitte des Körpers aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt sind.
Vorderkantenstruktur nach Anspruch 19, bei der benachbarte Abschnitte des Körpers einen unterschiedlichen Oberflächenaufbau der Strömungspfadoberfläche aufweisen.