DE2631486C2 - Mantelstromtriebwerk mit einem zwei Schalen aufweisenden Schubumkehrer - Google Patents

Description

a) das Triebwerk für ein Mantelstrom/Kernstrom-Druckverhältnis von größer als Eins ausgelegt ist, und

b) die Schubumkehrerschalen aus einem Leichtwerkstoff mit unterhalb der Kernstromtemperaiur liegender zulässiger Maximalarbeitstemperatur gebaut sind.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Druckverhältnis mindestens 1,2 beträgt.

3. Triehwci k nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubumkehrerschalen (16, 17) aus einer Leichtmetallegierung hergestellt sind.

4. Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubumkehrerschalen (!6, 17) aus einer Aluminiumlegierung bestehen.

5. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Schubumkehrerschalen (16, 17) aus einem kohlefaservers'ärkten Kompositwerkstoff hergestellt sind.

6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schubumkehrerschalen (16, 17) jeweils mit einem Schild versehen sind, der bei in die Schubumkehrstellung ausgefahrenen Schubumkehrerschalen ein mit Abstand vordcrhalb derselben gelegenes Strömungshindernis (51) bildet, auf welches der heiße Kernstrom auftrifft.

7. Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubumkehrer (15) in der Schubuinkehrstellung eine durch jeweils eine Ausnehmung an der Hinterkante der Schubumkehrerschalen gebildete mittige Öffnung (56) aufweist.

Die Erfindung betrifft ein Mantelstromtriebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Triebwerk dieser Gattung ist aus der DE-AS 34 594 bekannt.

Da der Schubumkehrer sowohl den heißen Abgaskernstrom als auch den verhältnismäßig kalten Mantelstrom umlenkt, hat man es bisher stets als notwendig angesehen, die Schubumkehrerschalen aus Werkstoffen herzustellen, die den hohen Temperaturen des heißen Kernstroms standhallen können. Derartige hochtemperaturfeste Werkstoffe sind jedoch stets verhältnismäßig schwer und teuer.

Im Hinblick auf die im Flugzeugbau ganz allgemein maßgebliche Forderung nach möglichst geringem Gewicht wäre es wünschenswert, möglichst weitgehend leichte Werkstoffe einzusetzen. Im Falle der Schubumkehrerschalen, die zur Schubumkehr hinter die Düsenaustrittsöffnung in den Schubstrahl hineingeschwenkt werden, steht der Verwendung von Leichtwerkstoffen aber deren bekanntlich nur geringe Temperaturfestigkeit entgegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Triebwerk der eingangs genannten Gattung eine Möglichkeit der Gewichtsverringerung im Bere-ch des Schubumkehrers zu finden.

lu Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Konstruktiven Maßnahmen gelöst.

Wesentliche Voraussetzungen für den im Merkmal b) des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 angegebe-

H nen Einsatz von Leichtwerkstoffen mit unterhalb der Kernstromtemperatur liegender zulässiger Maximalarbeitstemperatur für die Schubumkehrerschalen sind einerseits, daß es sich bei dem aus der Düse austretenden Schubstrahl um einen im wesentlichen unvermischten Schubstrahl handelt, wie im Gattungsbegriff angegeben, und daß andererseits das Druckverhältnis von Mantelstrom zu Kernstrom nach dem Merkmal a) des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 größer als Eins ist.

Sind diese beiden Voraussetzungen erfüllt, stellt sich nämlich überraschenderweise die Wirkung einer vollständigen Abschirmung der Schubumkehrerschalen gegen den heißen Kernstrom durch eine die Schubumkehrerschalen vollständig bedeckende kalte Mantelstromschicht ein. Diese abschirmende Schicht auf den Innenflächen der Schubumkehrerschalen entsteht dadurch, daß Teile des kalten Mantelstroms von den beiden Längsrändern der im Querschnitt etwa halbkreisförmigen Schubumkehrerschalen in diese einströmen und durch die Wölbung der Schubumkehrerschalen-Innenflächen zueinander hin umgelenkt werden, bis • sie schließlich im Bereich der Tricbwerksniitienebene aufeinander treffen. Da der kalte Mantelstrom gemäß Merkmal a) einen höheren Druck als der heiße Kernstrom hat, verdräng! der kalte Mantelstrom den einen niedrigeren Druck aufweisenden Kernstrom von den Schubumkehrerschalen-Innenflächen weg und bildet dadurch auf diesen die kühlende und abschirmende Strömungsschicht.

Infolgedessen können die Schubumkehrerschalen gemäß Merkmal b) aus einem Leichtwerkstoff, nämlich beispielsweise aus Leichtmetallegierungen oder faserverstärkten Kunstharzwerkstoffen, gebaut werden, ohne daß die Gefahr einer Überhitzung dieser Werkstoffe im Betrieb des Schubumkehrers besteht. Dadurch läßt sich eine erhebliche Gewichtsverminderung erreichen.

Die Auslegung des Triebwerks für das angegebene Mantelstrom/Kernstrom-Druckverhältnis liegt im Bereich des allgemeinen fachlichen Könnens des Triebwerkskonstrukteurs und bedarf daher keiner näheren Erläuterung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 in schematischem Längsschnitt ein Mantelstromtriebwerk nach der Erfindung mit in der Schubumkehrstellung befindlichem Schubumkehrer,

Fig. 2 eine Ansicht des Triebwerks in Richtung des Pfeiles Il in Fig. 1,
F i g. 3 eine Rückansicht des Triebwerks in Richtung

des Pfeiles III in Fig. 1,

F i g. 4 eine schematische Darstellung des Strömungsbildes des umgelenkten Triebwerkstrahls im Axialschnitt in der Ebene IV-IVin Fig. 3,

F i g. 5 das Strömungsbild im Querschnitt in der Ebene V-V in F i g. 4,

Fi g. 6 das Strömungsbild des Triebwerkssirah'es im Axialschnitt in der Ebene VI-VI in F i g. 3,

F i g. 7 in schematischem Längsschnitt einen abgewandelten Schubumkehrer, in

F i g. 8 den Schubumkehrer nach F i g. 7 in der Ansicht aus der Ebene VlII-VIIl in F i g. 7,

Fig.9 eine weitere Abwandlung des in den Fig. 7 und 8 dargestellten Schubumkehrers,

Fig. 10 eine Weiterbildung des in Fig.9 gezeigten r· Schubumkehrers und

Fig. 11 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Druckverhältnis zwischen Mantelstrom und Kernstrom und der Schubumkehrerschalentemperatur zeigt. -< >

Fig. 1 zeigt ein Mantelstromtriebwerk II mit einem Außengehäuse 10. Ein Gebläse 2 fördert verhältnismäßig kühle Nebenstromluft in einen zwischen dem Außengehäuse 10 und dem Gehäuse 4 eines das Gebläse antreibenden Basistriebwerks 3 gebildeten ringförmi- 2> gen Mantelstromkanal 12. Am hinteren Ende des Basistriebwerks 3 ist ein Abgaskanal 13 angeordnet, der in einer Abgasdüse mit einer Austrittsebene 43 endigt, die gerade stromauf des Austrittsendes 14 des Außengehäuses 10 gelegen ist. i»

Stromab des Austrittsendes 14 des Außengehäuses 10 ist ein in seiner Schubumkehrslellung befindlicher Schubumkehrer 15 sichtbar, der in üblicher Weise zwei Schubumkehrerschalen 16 und 17 aufweist, die aus einer gestrichelt dargestellten unwirksamen Stellung 18 bzw. 19, in welcher sie sich in das hintere t'nde des Außengehäuses 10 einfügen, in die Schubumkchrstellung schwenkbar sind. Jede der beiden Schubumkehrerschalen wird in bekannter Weise durch zwei Lenkerpaare 21 und 22 entegen dem Druck des aus dem Triebwerk austretenden Gasstrahls gehalten. An beiden Seilen jeder Schubumkehrerschale ist jeweils ein Lenker der beiden Lenkerpaare angeordnet.

Die Lenker 21 weisen eine unveränderliche Länge auf und sind an ihren siromaufwäriigcn Enden an festen 4^r> Drehzapfen 23 angelenkt, die an einer am Außcngehiiuse befestigten feststehenden Konstruktion 24 angeord net sind. Die siromabvvärtigen Enden dieser Lenker 21 sind jeweils an den Stellen 25 an den Schubumkehrer schalen angelenkt. Die längeren Lenker 22 sind jeweils bei 26 am radial äußeren Ende der betreffenden Schubumkehrerschale und bei einem zwischen den beiden Lenkerenden gelegenen Punkt 27 an der feststehenden Konstruktion 24 angelenkt. Die Schubumkehrerschalen sind in bekannter Weise mittels zweier Hydraulikzylinder 28 ausfahrbar. Am Ende der Kolbenstange 31 jedes Hydraulikzylinders 28 sind Zwischenlenker 29 angelenkt, die durch Gelenkzapfen 32 mit einem jeweils zugeordneten Lenker 21 verbunden sind.

Weitere Einzelheiten der Form der Schubumkehrerschalen sind aus den Fig. 2 und 3 entnehmbar, aus welchen ersichtlich ist, daß jede Schubumkehrerschale 7~λμ\

dem aus dem Triebwerk austretenden Gasstrom eine konkave Fläche 33 entgegensetzt, und daß diese t>> Tfan

konkave Fläche derart zu diesem Gasstrom orientiert ist, daß sie durch Änderung der Richtung dieses Tcore

Gasstroms von axial rückwärts nach radial auswärts und vorwärts einen Unikehrschub erzeugt. Die allgemeine Radialrichtung der aus dem Schubumkehrer austretenden Strömung lieg! in einer so gewählten Axialebene, daß die umgelenkten heißen Gase nicht auf irgendwelehe Konstruktionsteile des Triebwerks oder des Flugzeugs auitreffen.

Nunmehr wird auf die Fig.4. 5 und 6 Bezug genommen, die Darstellungen der durch den Schubumkehrer erzeugten Strömungsbilder zeigen.

Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die radial und vorwärts umgelenkte Strömung der heißen Basisiriebwerksabgase 35 von verhältnismäßig kalter Mantelstromluft umschlossen ist, und insbesondere, daß die Innenflächen der Schubumkehrerschalen 16 und 17 von einer Schicht 36 aus kalter Mantelstromluft bedeckt sind, die, wie aus F i g. 6 hervorgeht, aus den seitlich entlang des Betätigungsgestänges für den Schubumkehrer strömenden Teilen des Mantelstromes stammt. Diese Mantelstrom-Teilströme 37 und 38 strömen also zunächst entlang des Betätigungsgestänges nach hinten, bis sie auf die Randbereiche 39 der Schubumkehrerschalen auftreffen, wodurch sie umgelenkt werden und radial einwärts strömen, bis sie in der Mitte der Schubumkehrerschalen bei 40 aufeinandertreffen. Dadurch werden sie beiderseits um 90^c umgelenkt und strömen nun radial auswärts weiter, wie die Pfeile in F i g. 4 zeigen.

F i g. 5 zeigt, daß die beiden radial auswärts und nach vorne umgelenkten Teilstrahlen jeweils einen Kernstrom 35 aus heißem Gas aufweisen, der vollständig von einer Mantelströmung 42 aus verhältnismäßig kühlem Gas umschlossen ist Dieser überraschende Effekt setzt voraus, wie eingangs schon erläutert, daß der Gesamidruck im Mantelstrom, gemessen in der Austriusebcne 43 des Abgasstromes aus dem Basisiriebwerk, größer als der Gesamtdruck im Kernstrom, d. h. im Abgasstrom des Basistriebwerks ist. Unter dieser Voraussetzung ist die Auskleidung der beiden Schubumkehrerschalen mit einer Schicht aus kühler Manlelstromluft so zuverlässig, daß die Schubumkehrerschalen aus leichten Aluminiumlegierungen oder verstärktem Kunststoff oder anderen Leichtbauwerkstoffen herstellbar sind, die den verhältnismäßig hohen Temperaturen der Basisiriebwerksabgase nicht standhalten können.

Die besten Ergebnisse erhält man. wenn die Austrittsebenen 43 und 14 des Abgasstroms und des Mantelstroms koplanar sind oder eine dieser Austrittsebenen nur geringfügig stromauf von der anderen Austrittsebene liegt.

Das Druckverhällnis zwischen den beiden .Strömen stellt also ein sehr wichtiges Kriterium dar, und F i g. 11 zeigt eine graphische Darstellung der Änderung der maximalen Oberflächenlemperatur der Schubumkehrerschalen in Abhängigkeit vom Druckverhältnis zwischen den beiden Strömen, wobei die Drücke als Relativdrücke gegenüber dem Umgebungsdruck gemessen sind. Während die linke Ordinatenskala dimensionslos ist, zeigt die rechte Ordinntenskala die tatsächliche Oberflächentemperatur der Schubumkehrerschalen. Von den in Fig. 11 gebrauchten Bezeichnungen bedeuten:

die maximale Oberflächentetnperatur

der Schubumkehrerschalen

die Temperatur des Mantelstroms

in seiner Düsenaustrittsebene.

die Temperatur des heißen

Abgasstroms,

PiAtv der absolute Druck im Mantelstrom.

P_x der Umgebungsdruck, und

PcoKi der absolute Druck im Kernstrom.

Die zur Ermittlung der Kurve verwendeten Düsenan- i Ordnung hatte koplanare Düscnaustrittsebencn, und das Bypass-Verhältnis betrug etwa 5 : 1.

Die Graphik zeigt deutlich, daß die Oberflächentemperatur der Schubumkehrerschalen unter der Voraussetzung, daß das Verhältnis der Gesamtdrücke (jeweils als Relativdrücke gemessen) der beiden Ströme zueinander größer als 1,2 ist, auf einem niedrigen Wert gehalten werden kann. Der jeweils tatsächliche Wert ist selbstverständlich abhängig von der maximalen Triebwerkslemperatur, vom Bypass-Verhältnis und von anderen Variablen. Bei den getesteten Triebwerken konnte stets eine Schalenoberflächentemperatur von 170°C oder darunter bei einem Druckverhältnis von 1,2 oder darüber erzielt werden. Dies bedeutet, daß eine Aluminiumlegierung mit einer zulässigen Betriebstemperatur von 170⁰C zur Herstellung des Schubumkehreres verwendet werden kann, obwohl die Basistriebwerksabgase eine Temperatur von 500° C halten.

Noch bemerkenswerter ist, daß die Versuche gezeigt haben, daß bei Verwendung eines Druckverhältnisses 2*> von 1,4 eine Schalenoberflächentemperatur von nur 120°C erzielt werden kann, so daß auch kohlefaserverstärkte Kunstharzkompositwerkstoffe, deren zulässige Arbeitstemperaturgrenze um 150⁰C liegt, zur Gruppe der für die Herstellung des Schubumkehrers geeigneten Werkstoffe hinzutritt.

Die genaue Form der Schubumkehrerschalen spielt keine wesentliche Rolle, weshalb der Triebwerkskonstrukteur in dieser Hinsicht einen beträchtlichen Gestaltungsspiclraum hat.

In den Fig. 7 und 8 ist eine Abwandlung des Schubumkehrers dargestellt, gemäß welcher stromauf der Schubumkehrerschalen ein Strömungshindcrnis 51 angeordnet ist, welches die heiße Strömung umlenkt und kühlende Manlclsiromlul'l hinler sich zu den Schubumkehrerschiilen in der bereits beschriebenen Weise strömen läßt.

Das Strömungshindcrnis 51 kann als kreisrunde, zweiteilige Scheibe ausgebildet sein, deren beide Hälften mittels Streben 52 und 53 bzw. 54 und 55 an den beiden Schubumkehrerschalen befestigt sind.

Dieses Strömungshindernis kann während des Ausfahrens der Schubumkehrerschalen zur Verhinderung einer kurzzeitigen Überhitzung dieser Schalen vorteilhaft sein, bevor sich der Kühlluftstrom aufgebaut hat. Jedoch ist die für das Ausfahren benötigte Zeitspanne verhältnismäßig klein und liegt im Bereich von 1 s bis 2 s, so daß keine Überhitzungsschäden zu befürchten sind.

F i g. 9 zeigt eine noch weitere Abwandlung des in den Fig. 7 und 8 dargestellten Schubumkehrers, wobei unmittelbar hinter dem Strömungshindernis 51 eine Öffnung 56 in den Schubumkehrerschalen gebildet ist. Diese Öffnung 56 verstärkt die Kühlluftslrömung hinter dem Strömungshindernis, hat jedoch gleichzeitig eine gewisse Leckströmung der Mantelstromluft zur Folge.

Fig. 10 zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 9 gezeigten Anordnung, gemäß welcher im Strömungshindernis 51 ebenfalls eine Öffnung 57 gebildet ist, so daß ein Teil des heißen Kernstrom; durch diese Öffnung hindurchtreten kann und die Kühllufiströmung über den Schubumkehrerschalen durch Strahldüsenwirkung noch weiter fördert.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Mantelstromtriebwerk mit im wesentlichen unvermischtem Schubstrahl, der sich aus einem durch die Turbinenabgase gebildeten heißen Kernstrom und einem Mantelstrom aus kalter Luft zusammensetzt, mit einem zwei Schalen aufweisenden Schubumkehrer, dessen Schalen aus einer unwirksamen Stellung, in welcher sie sich in die Strahlrohrwand einfügen, in eine Schubumkehrstellung hinterhalb der Schubdüse schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet,daß