DE2109563C3

DE2109563C3 - Antrieb für ein Flugzeug-Fahrwerkrad

Info

Publication number: DE2109563C3
Application number: DE712109563A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl.-Ing. 4000 Duesseldorf Walsen
Original assignee: Individual
Current assignee: Walsen Juergen Dipl-Ing 7860 Schopfheim De
Priority date: 1971-03-01
Filing date: 1971-03-01
Publication date: 1979-03-01
Also published as: DE2109563B2; DE2109563A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für ein Flugzeug-Fahrwerkrad mit einem feststehenden Tragzapfen und einer auf diesem drehbar gelagerten Nabe, die mit Hilfe einer im wesentlichen senkrecht zur ''"ragzapfenachse verlaufenden Radscheibe mit einer Felge verbunden ist. sowie mit einer an dem drehenden Radteil angeordneten, radial durchströmten Turbine mit einem Druckumsetzungsgehäuse, das mit einem senkrecht zur Flugrichtung offenen Lufteintrittsstutzen in Verbindung steht.

Im Flugzeugbau ist man allgemein bestrebt, den Reifenverschleiß der Flugzeug-Fahrwerkradreifen beim Landen des Flugzeuges zu verringern.

Bei den verhältnismäßig hohen Landegeschwindigkeiten und Flugzeuggewichten werden die Fahrwerkradreifen beim Abbremsen der Maschine auf der Landepiste infolge der beim Bremsen am gebremsten Rad auftretenden hohen Tangentialkräfte stark beansprucht Um die optimalen Haftreibungsverhältnisse zwischen Rad und Boden zu erfüllen, sind bei modernen Verkehrsflugzeugen die sogenannten »Anti-Skid« bzw. Antiblockiereinrichtungen an den gebremsten Hauptfahrwerksrädern vorgesehen, um ein Blockieren bzw. Rutschen des Rades während des Bremsvorganges zu vermeiden. Durch diese Maßnahmen wird der stark erhöhte Reifenverschleiß infolge teilweiser Bremsblokkierung vermieden und für eine optimale Abbremsung der Maschine bei rollenden Fahrwerkrädern gesorgt

Somit werden die Reifen, nachdem die Räder bereits auf eine der Translationsgeschwindigkeit des Flugzeuges äquivalente Drehzahl infolge Gleitreibung beim Aufsetzvorgang beschleunigt wurden, weitgehend geschont

Bisher wurde jedoch das Problem der Verschleißbeanspruchung der Reifen beim Beschleunigen des Rades im Zeitpunkt des Aufsetzens des Flugzeuges auf der Landepiste sowie der zusätzlichen dynamischen Beanspruchungen des Fahrwerks nicht befriedigend gelöst

Überschlägliche Berechnungen der erforderlichen Reibleistung zum Beschleunigen eines nicht vorrotierenden Flugzeugrades zeigen bei einer Aufsetzgeschwindigkeit von etwa 180 km/h je nach den technischen Gegebenheiten des Flugzeuges Größenordnungen von 200 bis 400 KW pro Fahrwerkrad.

Die Größenordnung der Reibleistung beim Hochbeschleunigen (»Spin up«) der Fahrwerkräder bewegt sich damit je nach Art der Zusatzbremseinrichtungen des Flugzeuges (Schubumkehr als Bremshilfe) bei etwa 40 bis 70% der beim blockierfreien Bremsen durch die Fahrwerkräder aufzubringenden Bremsleistung.

Nimmt man an, daß der beim Beschleunigen des Rades mittels Gleitreibung (100% Schlupf auf 0% Schlupf) und der beim blockierfreien Bremsen auftretende Reifenverschleiß den ermittelten jeweiligen Leistungen proportional ist, so kann durch eine Radvorrotation der Verschleiß unter Zugrundelegung der oben erwähnten Daten bezogen auf den Gesamtverschleiß bei nicht vorrotierenden Rädern um etwa 30 bis 40% vermindert werden. Dies wiederum würde eine Lebensdauererhöhung der Reifen von etwa 40 bis 65% bedeuten. Die Schaden, die durch die dynamische Belastung während des »Spin up« an anderen Fahrwerkteilen auftreten können, sind hierbei unberücksichtigt geblieben.

Es wurden bereits Einrichtungen vorgeschlagen, mit deren Hilfe die Fahrwerkräder auf eine der Aufsetzgeschwindigkeit angemessene Drehzahl beschleunigt werden sollen.

So sind in die Radachsen der Fahrwerkräder eingebaute Elektromotoren bekannt, die beim Landen eingeschaltet werden und dem Rad das erforderliche Antriebsmoment erteilen sollen, sie sind aber wegen ihres großen Gewichts nicht tragbar (DE-AS 12 73 334, DE-AS 12 73 335).

Es sind ferner an der Radfelge befestigte, in Gegenwindrichtung aufklappbare Schaufeln sowie Reifen mit turbinenartigem Seitenprofil bekannt, die die Fahrwerkräder in Rotation setzen sollen (DE-OS 17 56 749). Die Schaufeln werden jedoch nur teilweise beaufschlagt und können das erforderliche Antriebsmoment nicht liefern. Außerdem wäre die Herstellung der Reifen mit turbinenartigem Seitenprofil zu aufwendig, insbesondere mit Rücksicht darauf, daß die Lebensdauer

der Reifen relativ gering ist Derzeitig werden die Reifen nach etwa 40 bis 50 Landungen bereits gewechselt

Nach einem weiteren Vorschlag (DE OS 17 56 798) ist ein an dem drehenden Rad teil des Fahrwerkrades angeordnetes radial bzw. zentripetal mit vom Triebwerkskompressor abgezweigtem Druckluftstrom teilbeaufschlagbares Turbinenrad bekannt Dazu muß das Flugzeug mit einer zusätzlichen, ziemlich komplizierten Rohrleitung vom Triebwerkskompressor zum Fahrwerk ausgestattet werden, die noch biegsame Teile enthalten muß. Die Düse befindet sich neben dem Rad, außerdem erhöht sich die axiale Erstreckung des Rades durch die an der Peripherie der Felge angebrachten Turbinenschaufeln, was zu Platzschwierigkeiten im Fahrwerkschacht führen kann.

Aus der US-PS 24 66 568 ist eine zwecks Vorrotation des Fahrwerkrades zusätzlich am Rad angebrachte teilbeaufschlagte Diagonalturbine bekannt, bei der die Luft auf dem einen etwa halbkreisförmigen Sektor radial von außen nach innen, auf dem restlichen Sektor radial von innen nach außen die Laufbeschaufelung durchströmt Bei dieser Bauart wird durch eine konstruktiv aufwendige Bauweise des Leitapparates die Strömung in der gewünschten Bahn geführt Dies ist insbesondere aus der Anordnung der Leitschaufeln radial innerhalb der Turbinenlaufbeschaufelung ersichtlich, deren strömungstechnisch optimale Auslegung äußerst schwierig ist Ferner bedingt die Vielzahl der Luftführungskanäle einen verhältnismäßig großen konstruktiven Bauaufwand im Vergleich zu einem schaufellosen Eintrittsstutzen. Der Austrittsleitapparat bedingt aufgrund seiner konstruktiven Form zusätzliche Strömungsverluste.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb für ein Flugzeug-Fahrwerkrad zu schaffen, bei dem die beim Landeanflug entstehende Geschwindigkeitsenergie der Stauluft in die Antriebsenergie umgewandelt wird, wobei das Antriebsglied mit dem Antriebsmittel vollbeaufschlagt wird. Hierbei soll der Antrieb möglichst gewichtssparend ausgeführt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst daß die Turbine eine vollbeaufschlagte Stauzentripetalturbine ist, daß die Laufradbeschaufelung an dem radscheibenartigen, den Felgensteg bildenden sowie an dem nabenartigen Teil des Felgenkörpers unmittelbar angeschlossen ist und daß das spiralförmige Turbinengehäuse mit schaufellosem Ringraum am freien Ende des Radtragzapfens aufgesteckt ist

Die Antriebseinrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Zentripetalturbine, deren Arbeitsmedium von außen nach innen strömt und dabei gleichzeitig von der radialen in die axiale Richtung umgelenkt wird, wobei die Strömung entsprechend den vorgegebenen Schaufelwinkel des Turbinenrades geführt wird.

Das hier zur Verfügung stehende Arbeitsmedium ist die Luft, die entsprechend der Landeanfluggeschwindigkeit des Flugzeuges in den Eintrittsstutzen einströmt und über das anschließende Spiralgehäuse mit schaufellosem Ringraum in das Laufrad eintritt, wo sie ihre Geschwindigkeitsenergie entsprechend der ihr durch die Form der Schaufeln vorgeschriebenen Weise abgibt und damit das zur Radbeschleunigung erforderliche Antriebsmoment liefert.

Da das in der Turbine wegen der näherungsweise gleichen statischen Drücke vor und hinter der Turbine ausnutzbare Druckverhältnis nahezu 1 beträgt und nur die Geschwindigkeitsenergie im Laufrad abgebaut werden kann, muß bei der thermodynamischen Auslegung der Turbine die Austrittsenergie durch geeignete Wahl der Schaufelwinkel möglichst klein gehalten werden.

Die Abmessungen der Turbine müssen einerseits der Größe der Radmasse, die in der zur Verfügung stehenden Zeit des Landeanflugs beschleunigt werden muß, andererseits dem im freien Felgsnteil vorhandenen Raum angepaßt werden. Die durchströmten Teile

to der Turbine müssen so ausgelegt werden, daß die der entsprechenden durchschnittlichen Aufsetzgeschwindigkeit des jeweiligen Flugzeuges näherungsweise äquivalente Drehzahl des Fahrwerkrades in der üblichen Zeit des Landeanflugs erreicht wird, so daß sich der Restlandeschiupf etwa im Bereich von ± 10% bewegt

Die Zeit die zum Beschleunigen des Rades während des Landeanfluges zur Verfügung steht beläuft sich im allgemeinen auf 3 bis 5 Minuten. Dabei wird das Fahrwerk der großen Düsenverkehrsmaschinen bei etwa 300 bis 350 km/h ausgefahren, so daß die dann zur Verfügung stehende Geschwindigkeitsenergie der Stauluft bis zum Aufsetzen des Flugzeuges auf der Landepiste ausgenutzt werden kann.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Turbinenschaufeln an der Radscheibe im wesentlichen

radial, an der Nabe im wesentlichen axial angeordnet sind.

Zur besseren Bremswärmeabfuhr sind in der Rad-

scheibe Bohrungen vorgesehen.

Aus Gewichtsgründen wird das Turbinengehäuse aus einem Werkstoff mit möglichst kleinem spezifischen Gewicht hergestellt der aber dennoch die für diesen Zweck ausreichenden Festigkeitseigenschaften hat Vorteilhafterweise werden dazu Leichtmetalle, z. B. Dural oder glasfaserverstärkte Kunststoffe verwendet

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Turbinengehäuse mit Hilfe von Scheiben und einer Wellenmutter an dem feststehenden Tragzapfen axial einstellbar.

Die Lage des Eintrittsstutzens und die Gestaltung seiner Eintrittsfläche wird von den Gegebenheiten im Fahrwerkschacht bestimmt Im allgemeinen wird man aber bestrebt sein, möglichst nicht allzu breit über die vorgegebene seitliche Begrenzung des Rades hinauszukommen, um den Platzbedarf im Fahrwerkschacht gering zu halten.

Bei einem Fahrwerk mit zwei oder mehreren hintereinander angebrachten Rädern sind die Mündun-

so gen der an die hintereinander angeordneten Turbinengehäuse angeschlossenen Lufteintrittsstutzen — auf eine zur Lufteintrittsfläche parallele Ebene projiziert — in ihrer Höhen- und/oder Seitenstellung bezüglich der Raddrehachse gegeneinander versetzt, um jedes Antriebselement möglichst ungehindert anzuströmen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Antrieb im Axialschnitt und F i g. 2 eine Stirnansicht der Vorrichtung in Richtung

des Pfeiles Cnach F i g. 1.

Auf dem feststehenden Radtragzapfen 14 ist die mittels zweier einstellbarer Kegelrollenlager 8 und 9 dichbar gelagerte Radfelge zu sehen, die aus einem Felgenkörper 3 sowie dem daran befestigten Felgenteil 2 besteht Mit dem Felgenkörper 3 formschlüssig verbunden sind die Turbinenschaufeln 6, über die das Antriebsmoment auf den Felgenkörper 3 und damit auf das gesamte Fahrwerkrad übertragen wird. Durch die

im Felgenkörper 3 angebrachten Bohrungen 7 kann die in dem dem Turbi.ienaggregat gegenüberliegenden Felgenteil beim Abbremsen des Flugzeuges entstehende Wärme abgeführt werden. Der Felgenkörper 3 bildet einen nabenartigen 21 und einen radscheibenartigen 22 Teil.

Die sich im Felgenkörper 3 befindenden Kegelrollenlager 8, 9 werden einmal durch einen Dichtungsring sowie auf der Turbinenseite mittels eines mit einem Dichtungsring 13 versehenen Lagerdeckels 10 abgedichtet Die Wellenmutter 12 und die dazugehörige Druckscheibe 11 dienen zur Einstellung der Radlager.

Rechts neben dem Lagerdeckel IO befindet sich das mit dem feststehenden Radtragzapfen 14 durch eine Paßfeder 23 formschlüssig verbundene gesamte Turbinengehäuse 4, dessen Spiralgehäuse in den Eintrittssttitzen 18 übergangslos einmündet Dabei dienen Scheiben 15 der genauen axialen Einstellung des feststehenden Gehäuses 4 gegenüber den rotierenden Turbinen- bzw. Felgenteilen. Die Abdichtung des Turbinengehäuses 4 gegenüber dem Außenraum erfolgt mittels eines in Ringraumhöhe angebrachten auswechselbaren Dichtungsringes 5. Das Turbinengehäuse 4 ist durch eine Mutter 16 arretiert, die durch eine Abschlußkappe 17 geschützt ist

Die Verbindungsstege 19 zwischen Gehäuse-Naben·

teil und Gehänse-Außenleil sind entsprechend profilier!

und damit verwindungssteif ?i"sgebildet. Diesem Zweck dienen ebenfalls die radialen Stege 20 zwischen

Spiralgehäuse und dem inneren Turbinengehäuseteil.

Wie F i g. 1 zeigt, ist in dem dargestellten Beispie! die Turbine in der rechten Hälfte eier Fahrwci !«radfelge angeordnet, wobei zweckmäßigerweise die dem Fahrwerkshein abgewandte Seite dafür vorzusehen ist. Die ίο andere Seite kann dann die Bremseinrichtunger aufnehmen.

Die Mündung des Lufteintrittsstutzens 18 liegt ir einer im wesentlichen vertikalen, parallel zur Fahr werksradachse verlaufenden Ebene. Die Eintriusöff nung zeigt dabei in Flugrichtung.

Der konstruktive Aufwand des Antriebs hält sich ir Greßzei:. Auch die bereits fertigen Fahrwerke könner

nach Oberprüfung der räumlichen Gegebenheiten dei

Felge bzw. des Fahrwerkschachtes mit den beschriebe

nen Antrieben ausgerüstet werden.

In Verbindung mit anderen verschleißmindernder Einrichtungen wird durch den Antrieb der Verschlei£ der Fahrwerkradreifen weiterhin verringert und damii die Lebensdauer der Reifen wesentlich erhöht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antrieb für ein Flugzeug-Fahrwerkrad mit einem feststehenden Tragzapfen und einer auf diesem drehbar gelagerten Nabe, die mit Hilfe einer im wesentlichen senkrecht zur Tragzapfenachse verlaufenden Radscheibe mit einer Felge verbunden ist, sowie mit einer an dem drehenden Radteil angeordneten, radial durchströmten Turbine mit einem Druckumsetzungsgehäuse, das mit einem senkrecht zur Flugrichtung offenen Lufteintrittsstutzen in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine eine vollbeaufschlagte Stauzentripetalturbine ist, daß die Laufradbeschaufeiung (6) an dem radscheibenartigen (22), den Felgensteg bildenden sowie an dem nabenartigen Teil (21) des Felgenkörpers (3) unmittelbar angeschlossen ist und daß das spiralförmige Turbinengehäuse (4) mit schaufellosem Ringraum am freien Ende des Radtragzapfens (14) aufgesteckt ist

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (6) an dem radscheibenartigen Teil (22) im wesentlichen radial, an dem nabenartigen Teil (21) im wesentlichen axial angeordnet sind.

3. Antrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Bremswärmeabfuhr in dem radscheibenartigen Teil (22) des Felgenkörpers (3) Bohrungen (7) vorgesehen sind.

4. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (4) aus Kunststoff, gegebenenfalls aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff besteht

5. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (4) mit Hilfe von Scheiben (15) und einer Mutter (16) an dem feststehenden Radtragzapfen (14) axial einstellbar ist

6. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Fahrwerk mit zwei oder mehreren hintereinander angebrachten Rädern die Mündungen der an die hintereinander angeordneten Turbinengehäuse (4) angeschlossenen Lufteintrittsstutzen (18) — auf eine zur Lufteintrittsfläche parallele Ebene projiziert — in ihrer Höhen- und/oder Seitenstellung bezüglich der Raddrehachse gegeneinander versetzt sind.