DE19743591C2 - Vorrichtung zur Stabilisierung der Triebwerks-Einlaufströmung bei Triebwerks-Standläufen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Triebwerks-Einlaufströmung bei Triebwerks-Standläufen, bei denen der Bodeneinfluß sowie eine übermäßige Seitenwind­ einwirkung zu unzulässigen Strömungszuständen führen, wobei die Entstehung eines Spiralwirbels zwischen Boden und Trieb­ werkseinlauf durch ein vor dem Triebwerkseinlauf angeordne­ tes, sich über den Triebwerkseinlauf hinaus erstreckendes luftdurchlässiges Element verhindert wird, und wobei ein Zu­ strömen von Luft durch das luftdurchlässige Element in den Kern des Spiralwirbels und eine ausreichende Nachströmung für die Dauer eines Standlaufes sichergestellt ist.

Im Flugbetrieb können Triebwerkseinläufe mit guter Näherung in strömungstechnischer Hinsicht als Punktsenken, die Luft absaugen, beschrieben werden. Bei entsprechend geformter Einlaufkontur läßt sich im Eintrittsquerschnitt eine über die gesamte Fläche nahezu konstante Geschwindigkeit erzie­ len. Eine konstante Axialgeschwindigkeit über den gesamten Querschnitt ist erforderlich, um alle Schaufeln der Verdich­ terstufen optimal anzuströmen und insbesondere Strömungsab­ lösungen zu vermeiden. Wird durch äußere Einflüsse das Ge­ schwindigkeitsprofil im Triebwerkseinlauf gestört, so werden im Bereich, in dem das Geschwindigkeitsprofil verformt ist, die Schaufeln der ersten Verdichterstufe nicht mehr optimal angeströmt. Ändert sich die Anströmgeschwindigkeit der Schaufeln in diesem Bereich über ein zulässiges Maß hinaus, so ergeben sich hier partiell Strömungsablösungen, die zum vollständigen Verblocken einzelner Schaufelkanäle und mög­ licherweise auch zu Schwingungen der Schaufeln führen kön­ nen.

Andere Einflüsse, die zu diesen unzulässigen Strömungszu­ ständen führen können, sind der Bodeneinfluß im Standfall, eine übermäßige Seitenwindeinwirkung und bei Standläufen in Standlaufeinrichtungen Schwankungen des Strömungsfeldes in der Standlaufeinrichtung, die durch instationäre Ablösungen der Windströmung an den Berandungen der Standlaufeinrichtung auftreten.

Anhand der Fig. 1 wird der Bodeneinfluß im Standfall erläu­ tert. Er ist erkennbar durch den Wirbel 2, der sich am Boden 3 in geringer Entfernung vom Triebwerkseinlauf 1 bildet und im unteren Bereich in den Triebwerkseinlauf 1 eintritt. Ur­ sache für die Entstehung solcher Spiralwirbel ist die Über­ lagerung einer rotationssymmetrischen Senkenströmung mit ei­ ner rotatorischen Strömung, welche die Senkenströmung stört. Bei der Strömung im Triebwerkseinlauf wird die Symmetrie der Senkenströmung durch den Boden 3 gestört. Erhalten die Luft­ teilchen im Bodenbereich nur einen geringen Drehimpuls, so verstärkt sich dieser, je weiter sich das Teilchen dem Triebwerkseinlauf genähert hat. Die Winkelgeschwindigkeit der Luftteilchen im Bereich des Spiralwirbels wird dabei sehr groß und stabilisiert das Wirbelsystem.

Wird dem Senken-/Spiralwirbelsystem zusätzlich eine hochtur­ bulente Windströmung überlagert, so können sich im Spiral­ wirbelbereich große Strömungsinstabilitäten ausbilden. Es kommt dann - unregelmäßig - alternierend zum Zusammenbruch und Wiederentstehen des Wirbels 2. Während sich bei gleich­ mäßiger, turbulenzarmer Seitenwindbeaufschlagung der Spiral­ wirbel 2 entweder ausbilden oder nicht ausbilden kann, so führt die Turbulenz der atmosphärischen Windströmung zum momentanen Zusammenbrechen des Wirbel 2 und einer erneuten Bildung des Wirbels 2. Das Zusammenwirken des Bodeneinflus­ ses mit der turbulenten atmosphärischen Windströmung, ist also Ursache für die beobachtete Instabilität der Einlauf­ strömung bei Triebwerksstandläufen. Je nach baulicher Aus­ führung der Standlaufeinrichtung kann die instationäre Ablö­ sung der Windströmung an den Berandungen der Standlaufein­ richtung diese Instabilität vergrößern.

Die geschilderten Instabilitäten der Triebwerkseinlaufströ­ mung in Standlaufeinrichtungen insbesondere bei Windeinwir­ kung sind bekannt und haben bereits in verschiedenen Stand­ laufeinrichtungen zu kritischen Betriebssituationen der Triebwerke bis zum sogenannten Triebwerksstall geführt. Nach dem Auftreten eines Triebwerksstalls ist es erforderlich, das Triebwerk zu demontieren und eine eingehende, sehr kos­ tenaufwendige Inspektion durchzuführen. Zur Vermeidung der­ artiger Instabilitäten wird häufig versucht, die Windströ­ mung in der Eintrittsöffnung zur Standlaufeinrichtung zu glätten und zu vergleichmäßigen. Eine bekannte Maßnahme, welche die Vergleichmäßigung der Strömung im Eintrittsbe­ reich in eine Standlaufeinrichtung zum Ziel hat, ist z. B. die Errichtung von Umlenkschaufeln im Eintrittsbereich der Standlaufeinrichtung. Es ist jedoch ferner bekannt, daß hierdurch bisher keine befriedigende Lösung des Problems ge­ funden wurde.

In der EP 0 649 788 A1 ist eine Vorrichtung zur Abschwächung von Ansaugwirbeln an Strahl-Triebwerken mit Turbo-Verdichtern von Flugzeugen, insbesondere bei Testläufen, beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einem in der Nähe des Bodens unter­ halb und unmittelbar vor dem Triebwerks-Einlauf angeordneten Gitterrost, der kurze, angenähert vertikal verlaufende Strö­ mungskanäle aufweist. Hierbei kann der Gitterrost eine halb­ kreisförmige Gestalt mit einem Radius aufweisen, der dem doppelten Durchmesser des Triebwerk-Einlaufs entspricht. Der Gitterrost erstreckt sich somit in einer Ebene unterhalb des Triebwerks-Einlaufes, wobei in der Windrichtung einer Böe auftretende Änderungen nachteiligerweise zu unstabilen Ver­ hältnissen vor dem Triebwerk führen.

Aus der US-PS 5,377,534 ist eine weitere Vorrichtung zur Stabilisierung der Triebwerks-Einlaufströmung bekannt, wobei für jedes Flugzeugtriebwerk ein Schalldämpfer vorgesehen ist. Die Schalldämpfer, die jeweils hinter einem Triebwerk angeordnet werden, weisen zylindrische rohrförmige Körper sowie akustisch isolierte und luftdurchlässige Gehäuse auf. Die Gehäuse umhüllen zumindest das Frontteil und die Flügel des Flugzeuges, was insgesamt zu einer sehr aufwendigen Vor­ richtung führt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, durch welche die genannten Instabilitäten der Triebwerkseinlaufströmumg bei Standläufen vermieden werden, insbesondere auch bei Änderungen in der Windrichtung einer Böe.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das luftdurchlässige Element halbzylindrisch, das Triebwerk teilweise umfassend ausgebildet ist, daß das luftdurchläs­ sige Element und der Boden eine Luftkammer bilden, und daß der Luftkammer von einem Ventilator Luft zugeführt wird, die durch das luftdurchlässige Element in den Kern des Spi­ ralwirbels einströmt.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 beschrieben.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Entstehung der Spiralwirbel mit Sicherheit verhindert wird. Im Gegensatz dazu, daß die eingangs erwähnte Vergrößerung des Drehimpulses der Luftteilchen im Strömungsfeld des Spi­ ralwirbels nach der bekannten Bernoulli-Gleichung zu einer erheblichen Druckabsenkung führt und daß ein Nachströmung der Luft in den Wirbelkern aufgrund des in Fig. 1 darge­ stellten luftundurchlässigen Bodens 3 verhindert wird, be­ ruht das erfindungsgemäße Verfahren gerade darauf, daß Luft dem entstehenden Wirbelkern zuströmen kann. Hierdurch wird vorteilhafterweise der Druck im Wirbelkern erhöht, somit der Drehimpuls der Luftteilchen reduziert und die Wirbelstärke vermindert. Bei Sicherstellung einer ausreichenden Nachström­ wirkung wird die Entstehung eines ausgeprägten Spiralwirbels vollständig verhindert. Vorteilhafterweise ist eine voll­ ständige Umhüllung der Triebwerke nicht erforderlich, viel­ mehr reicht eine teilweise Abschirmung der Triebwerke durch das luftdurchlässige Element aus.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfin­ dung dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1: den bereits beschriebenen Bodeneinfluß bei einer Standlaufeinrichtung,

Fig. 2: eine mit einem luftdurchlässigen flächenförmigen Element ausgerüstete Standlaufeinrichtung in Vor­ der- und Seitenansicht,

Fig. 3: eine Standlaufeinrichtung mit einer Luftkammer in Vorderansicht, und

Fig. 4: eine Standlaufeinrichtung mit einer unterhalb des Bodens angeordneten Luftkammer in Seitenansicht.

In Fig. 2 ist vor dem Triebwerkseinlauf 1 sowie zwischen dem Boden 3 und dem Triebwerk 5 ein luftdurchlässiges Element 6 derart angeordnet, daß ein Zuströmen von Luft durch das luft­ durchlässige Element 6 in den Kern 4 des Spiralwirbels 2 und eine ausreichende Nachströmung für die Dauer eines Standlau­ fes sichergestellt ist. Das luftdurchlässige Element 6, wel­ ches beispielsweise auch flächenförmig sein kann, ist in Fig. 2 halbzylindrisch ausgebildet, derart, daß es das Trieb­ werk 5 teilweise umfaßt und sich über den Triebwerkseinlauf 1 hinaus erstreckt. Es ist mittels Stützelementen 8 in einem Abstand 1 von dem Boden 3 an demselben befestigt. Bildet sich nun ein Spiralwirbel vor dem Triebwerkseinlauf 1 an dem luftdurchlässigen Element 6, so kann infolge der Durchlässig­ keit seiner Wandfläche Luft in den Wirbelkern 4 nachströmen. Hierdurch wird der Druck im Wirbelkern erhöht, der Drehim­ puls der Luftteilchen reduziert und die Wirbelstärke vermin­ dert.

Bei der aus Fig. 3 ersichtlichen Vorrichtung ist das luft­ durchlässige halbzylindrische Element 6 mittels Kammerwan­ dungen 8 an dem Boden 3 befestigt. Das Element 6 und der Bo­ den 3 bilden eine Luftkammer 9, der von einem Ventilator 10 Luft zugeführt wird. Die Luft 13 durchströmt das oberseiti­ ge luftdurchlässige Element 6. Hierdurch wird einem an der durchlässigen Fläche 6a sich bildenden Spiralwirbel im Kern verstärkt Luft zugeführt. Die Reduzierung der Wirbelstärke wird somit durch Ausblasen von Luft durch die durchlässige Fläche 6 verstärkt.

Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung weist ein luftdurch­ lässiges flächenförmiges Element 6 auf, welches in den Boden 3 eingelassen ist und als obere Abdeckung einer unterhalb des Bodens 3 angeordneten Beruhigungskammer 12 dient. Die luftdurchlässige Fläche 6a befindet sich vor dem Einlauf 1 eines Triebwerkes 5. Ein unterhalb des Bodens 3 angeordneter Ventilator 11 bläst Luft aus der Beruhigungskammer 12 durch das luftdurchlässige Element 6 in den Kern eines sich an der durchlässigen Fläche 6a bildenden Spiralwirbels, wobei das Nachströmen von Luft in den entstehenden Wirbelkern sicher­ gestellt ist.

Vorteilhafterweise liegt die Durchlässigkeit der luftdurch­ lässigen Fläche 6a des Elementes 6 im Bereich von 20% bis 50%.

Bezugszeichenliste

1

Triebwerkseinlauf

2

Spiralwirbel

3

Boden für Standlauf

4

Kern des Spiralwirbels

5

Triebwerk

6

luftdurchlässiges Element

6

aluftdurchlässige Fläche des Elementes

6

7

Stützelement

8

Kammerwand

9

Luftkammer

10

Ventilator

11

Ventilator

12

Beruhigungskammer

13

ausströmende Luft

1

Abstand zwischen Boden

3

und luftdurchlässigem Element

6

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung der Triebwerks-Einlauf­ strömung bei Triebwerks-Standläufen, bei denen der Boden­ einfluß sowie eine übermäßige Seitenwindeinwirkung zu un­ zulässigen Strömungszuständen führen, wobei die Entste­ hung eines Spiralwirbels zwischen Boden und Triebwerks­ einlauf durch ein vor dem Triebwerkseinlauf angeordne­ tes, sich über den Triebwerkseinlauf hinaus erstrecken­ des luftdurchlässiges Element verhindert wird, und wobei ein Zuströmen von Luft durch das luftdurchlässige Element in den Kern des Spiralwirbels und eine ausreichende Nach­ strömung für die Dauer eines Standlaufes sichergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das luftdurchlässige Element (6) halbzylindrisch, das Triebwerk (5) teilweise umfassend ausgebildet ist, daß das luftdurchlässige Ele­ ment (6) und der Boden (3) eine Luftkammer (9) bilden, und daß der Luftkammer (9) von einem Ventilator (10) Luft zugeführt wird, die durch das luftdurchlässige Element (6) in den Kern (4) des Spiralwirbels (2) einströmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das luftdurchlässige Element (6) in den Boden (3) einge­ lassen ist und als obere Abdeckung einer unterhalb des Bodens (3) angeordneten Beruhigungskammer (12) dient, und daß ein unterhalb des Bodens (3) angeordneter Ventilator (11) Luft aus der Beruhigungskammer (12) durch das luft­ durchlässige Element (6) in den Kern (4) des Spiralwir­ bels (2) einbläst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Durchlässigkeit der luftdurchlässigen Fläche im Bereich von 20% bis 50% liegt.