DE2736120A1 - Axialgeblaese, insbesondere als schuberzeuger fuer flugzeuge, mit ein- und ausrueckbarer kupplung - Google Patents

Description

PATKIITAIfWALT Dipl. ing. B. H OLZER WKLeKB-BTBABaB 14

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TBLBFOir 614476 TKLEZ eSStOt

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273612Ü

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Augsburg, den 9. August 1977

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Axialgebläse, insbesondere als Schuberzeuger für Flugzeuge, mit ein- und ausrückbarer Kupplung

Die Erfindung betrifft ein Axialgebläse, insbesondere als Schuberzeuger für Flugzeuge, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einem solchen Schuberzeuger ist es manchmal notwendig, ein vorher stillstehendes Gebläserad an eine mit voller Drehzahl laufende Welle anzukuppeln. Dies führt zu erheblichen Problemen hinsichtlich der

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Konstruktion der Kupplung. Diese Probleme ergeben sich daraus, daß es entweder notwendig ist, die Kupplung während der Beschleunigung des Gebläserades durch die Welle schleifen zu lassen, wobei in diesem Fall große Wärmemengen aufgenommen werden müssen, oder daß alternativ dazu bei einem plötzlichen Einrücken der Kupplung sehr große Trägheitskräfte in der durch das Gebläserad, die Kupplung und die Antriebswelle gebildeten Anordnung wirksam werden, was bedingt, daß diese Komponenten ungewöhnlich schwer ausgebildet werden müssen, um diesen Trägheitskräften standhalten zu können.

Neuerdings ist ein Vertikalstartfähiges Flugzeug vorgeschlagen worden, das an seinem hinteren Ende zwei Schwenktriebwerke aufweist, die in eine vertikale Stellung schwenkbar sind, um zusammen mit einem im vorderen Teil des Flugzeugs angeordneten Hubgebläse drei nach unten gerichtete Schubstrahlen zu erzeugen. Das vorne angeordnete Hubgebläse, das nur während der Landephase oder der Startphase benützt wird, ist über eine Kupplung mittels einer Welle antreibbar, die ihrerseits von einem Getriebe angetrieben wird, das von den beiden hinteren Triebwerken kommende Querwellen miteinander verbindet. Diese Querwellen ermöglichen den

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Antrieb des Hubgebläses durch eines oder beide der hinteren Triebwerke, wodurch die Betriebssicherheit des Plugzeugs verbessert ist.

Der während des Starts vom Hubgebläse übernommene Anteil des gesamten Vertikalschubs des Flugzeugs beträgt etwa 30 %y woraus hervorgeht, daß den mit der Ankupplung des Hubgebläserades an die Antriebswelle verbundenen Problemen eine erhebliche Bedeutung zukommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Axialgebläse der eingangs dargelegten Art im Sinne einer Verminderung der genannten Schwierigkeiten zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gebläserad als Verstellgebläse ausgebildet, dessen Geometrie durch Änderung der Anstellwinkel der Gebläseschaufeln veränderlich ist. Demgemäß können die Gebläseschaufeln in der Einstellung für geringen Strömungsdurchsatz einen kleinen Anstell-

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winkel besitzen, bei welchem nur eine verhältnismäßig schwache Luftströmung durch das Gebläse erforderlich ist, um das Gebläserad mit beträchtlicher Drehzahl anzutreiben. Dies ermöglicht eine Anpassung der Gebläseraddrehzahl an die Wellendrehzahl und ein Einrücken der Kupplung, ohne daß der Trägheitswiderstand des Gebläserades überwunden zu werden braucht. Nachdem die Triebverbindung zwischen der Welle und dem Gebläserad hergestellt ist, können dann die Gebläseschaufeln auf einen größeren Anstellwinkel eingestellt werden, bei welchem der Strömungsdurchsatz durch das Gebläse beträchtlich erhöht ist.

Gemäß anderen Ausführungsformen kann eine ähnliche Wirkung dadurch erzielt werden, daß die Geometrie des Gebläses beispielsweise mittels einer Verstelldüse oder mit Hilfe einer variablen Leitschaufelanordnung veränderlich ist. In beiden Fällen, nämlich durch Veränderung des Düsenauslaßquerschnitts bzw. durch Veränderung des Anstellwinkels der verstellbaren Leitschaufeln, ist der Strömungsdurchsatz durch das Gebläse zwischen einem schwachen Durchsatz und einem erheblich vergrößerten Durchsatz verstellbar, und die Charakteristik des Gebläses in der Einstellung mit schwachem Strömungsdurchsatz ist so, daß der verhältnismäßig geringe Strömungsdurchsatz trotzdem einer verhältnismäßig hohen Drehzahl des Gebläserades

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entspricht.

Das Gebläse kann gemäß einer Ausführungsform ein Hubgebläse sein, das im wesentlichen vertikal im vorderen Teil eines Flugzeugrumpfes angeordnet ist und an welchem eine Reihe von schwenkbaren Klappen versehen ist, die normalerweise den Gebläseeinlaß verdecken, jedoch in eine Stellung schwenkbar sind, in welcher sie bei Vorwärtsflug des Flugzeugs einen Luftstrom in das Gebläse hineinleiten, um das Gebläserad zu beschleunigen.

Bei einer anderen Ausfuhrungsform sind die Klappen in eine weitere, vertikale Stellung schwenkbar, was die aerodynamischen Bedingungen am Gebläseeinlaß während Vertikalmanövern des Flugzeugs verbessert. Der Gebläseauslaß ist mittels weiterer schwenkbarer Klappen an der Rumpfunterseite verschließbar.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 perspektivisch ein Flugzeug mit

einem Gebläse nach der Erfindung,

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Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1

gezeigten Flugzeugs, und

Fig. 3 einen Axialschnitt durch das in dem

Flugzeug nach den Fig. 1 und 2 eingebaute Hubgebläse.

Fig. 1 zeigt ein Flugzeug 10 mit zwei hinteren Triebwerken 11 und 12, die beiderseits des Rumpfes 13 angeordnet sind, und mit einem Hubtriebwerk 14, das im vorderen Teil des Flugzeugs mit im wesentlichen vertikaler Achse in einem Kanal 15 angeordnet ist.

Die beiden hinteren Triebwerke 11 und 12 sind über Wellen 16 miteinander gekuppelt, wodurch das Gebläse 17 des einen Triebwerks 11 durch das Basistriebwerk Ib des anderen hinteren Triebwerks antreibbar ist, und umgekehrt.

Die beiden hinteren Triebwerke sind um die Achsen dieser Wellen 16 in eine vertikale Stellung schwenkbar, die bei 19 gestrichelt angedeutet ist und in welcher die Schubstrahlen dieser beiden Triebwerke mit dem Gebläsestrahl des vorderen Hubgebläses zwecks Ermöglichung eines Vertikalstarts oder einer Vertikallandung des Flugzeugs zusammenwirken.

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Die Wellenanordnung 16 zwischen den beiden hinteren Triebwerken 11 und 12 verläuft durch ein Getriebe 20, das eine weitere Abtrie'oswelle 22 aufweist, die durch den Rumpf des Plugzeugs hindurchverläuft und zum Antrieb des Hubgebläses Ik über eine schaltbare Kupplung 21 dient. Während der Vorwärtsschuberzeugung ist das Hubgebläse Ik außer Betrieb und, wie aus Fig. 2 mehr im einzelnen hervorgeht, sind der Einlaß 23 und der Auslaß 2k des Hubgebläses mit schwenkbaren Klappen 25 bzw. 26 versehen, die in eine mit dem Rumpf bündige Schließstellung bringbar sind. Dadurch wird verhindert, daß das Hubgebläse während des Vorwärt sfluges einen Widerstand erzeugt.

Das Hubgebläse, das in Fig. 3 in näheren Einzelheiten dargestellt ist, ist ein Gebläse mit variabler Geometrie und weist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel Schaufeln mit verstellbarem Anstellwinkel auf. Die Gebläseradschaufeln 30 werden von einer Laufradscheibe 31 getragen, das über eine in Lagern 33 und 3k gelagerte Welle 32 antreibbar ist. Die Lager sind über Streben 37 am Hubgebläsegehäuse 35 gehaltert. Die Gebläseradschaufeln 30 sind mittels Lagern 39 gehaltert, die in Aussparungen 40 am Umfang der Laufradscheibe 31

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angeordnet sind. Von jeder Schaufel aus verläuft ein Zapfen 40 radial nach innen, an welchem ein Ritzel befestigt ist. Die Ritzel 42 der Gebläseradschaufeln stehen mit zwei Kegelrädern 43 und 44 in Eingriff, die sich beiderseits der Ritzel befinden und in an sich bekannter Weise mit einem als Flügelmotor 45 ausgebildeten Stellantrieb verbunden sind. Durch einen Kanal kann Hydraulikmittel in den Stellantrieb zugeführt werden, um eine gegenläufige Drehung der beiden Kegelräder 43, 44 und somit eine Drehung der Ritzel und der Gebläseradschaufeln um ihre Längsachsen zwecks Verstellung des Anstellwinkels herbeizuführen.

Die Welle 32 ist von der Welle 22 über ein Ritzel antreibbar, das mit einem auf der Welle 32 angeordneten Kegelrad 48 in Eingriff steht. Das Ritzel 47 ist in Lagern 48, 49 gelagert, die in einer der Streben 37 angeordnet sind. Aus Fig. 3 ist weiter ersichtlich, daß die schwenkbaren Klappen 25 über eine gemeinsame Betätigungsstange 51 um quer verlaufende Achsen 50 schwenkbar sind, wodurch diese Klappen aus einer mit dem Rumpf bündigen Stellung 52 in eine relativ zum Rumpf nach vorne geneigte Stellung 53 sowie in eine gestrichelt angedeutete weitere Stellung 54 schwenkbar sind, in welch letzterer sie vertikal nach oben weisen. In

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ähnlicher Weise sind auch die Klappen 26 am Gebläseauslaß um in Flugzeuglängsrichtung verlaufende Achsen schwenkbar, wozu eine in Querrichtung wirkende gemeinsame Betätigungsstange 56 dient.

Ein typischer Flugvorgang des Flugzeugs wird nachstehend beschrieben.

Die hinteren Triebwerke stehen zunächst horizontal und die Klappen 25, 26 werden in ihre voll geöffnete Stellung 5¹I bzw. 57 geschwenkt. Die Gebläseradschaufeln werden auf kleinen Anstellwinkel gestellt, die Kupplung wird eingerückt und die beiden Triebwerke 11 und 12 werden mittels einer normalen Gaspatrone oder anderer Startereinrichtungen gestartet. Sodann läßt man die beiden hinteren Triebwerke 11 und 12 bis auf ihre Leerlaufdrehzahl hochlaufen, wobei das Hubgebläserad um seine eigene Achse mitläuft, ohne jedoch Auftrieb zu erzeugen, da die Gebläseradschaufeln auf kleinen Anstellwinkel eingestellt sind. Sodann werden die hinteren Triebwerke nach unten in ihre Vertikalstellungen 19 geschwenkt und auf maximale Drehzahl beschleunigt. Gleichzeitig steigt die Drehzahl des Hubgebläses an und der Anstellwinkel der Hubgebläseschaufeln wird von der kleinen Einstellung für verringerten Strömungsdurchsatz auf einen größeren Wert für erhöhten

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Strömungsdurchsatz verstellt. Der Luftdurchsatz durch das Hubgebläse wird demzufolge beträchtlich erhöht und bewirkt zusammen mit den Schubstrahlen der beiden hinteren Triebwerke, daß das Plugzeug einen Vertikalstart ausführt.

Der übergang zum Vorwärtsflug erfolgt durch allmähliches Schwenken der hinteren Triebwerke 11 und in ihre horizontale Stellung zurück und durch Verringern des Anstellwinkels der Gebläseradschaufeln auf einen kleineren Wert. Dadurch wird das Gleichgewicht des Flugzeugs beibehalten, während seine Vorwärtsgeschwindigkeit zunimmt.

Während der Zunahme der Vorwärtsgeschwindigkeit werden die Klappen 25 und 26 in ihre Schließstellungen geschwenkt und die Kupplung 21 wird ausgerückt, so daß keine weitere Strömung durch das Hubgebläse stattfindet und das Plugzeug nunmehr im normalen Vorwärtsflug fliegt.

Bei langen, im Reiseflug zurückzulegenden Flugstrecken ist es möglich, das Basistriebwerk eines der beiden hinteren Triebwerke 11 und 12 abzuschalten und dessen Gebläse über die Verbindungswellenanordnung

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durch das andere Triebwerk mit anzutreiben.

Zur Einleitung einer Vertikallandung des Flugzeugs wird zunächst dessen Vorwärtsfluggeschwindigkeit verringert und die Klappen 25 werden in ihre geneigte Stellung 53 geschwenkt, während die Klappen voll geöffnet werden. Gleichzeitig wird der Anstellwinkel der Gebläseradschaufeln auf den kleinen Wert für verringerten Strömungsdurchsatz zurückgestellt, so daß der nunmehr durch die Klappen 25 zugeführte Luftstrom das Gebläserad auf seine normale Betriebsdrehzahl beschleunigt.

Wegen des kleinen Anstellwinkels der Gebläseradschaufeln wird in diesem Zustand nur wenig Auftrieb durch das Hubgebläse erzeugt. Die Kupplung 21 kann nunmehr eingerückt werden, ohne daß die Trägheit des Hubgebläserades überwunden zu werden braucht, so daß das Gebläserad nun wieder mit den Triebwerken 11 und gekuppelt ist. Die Klappen 25 werden nunmehr durch Schwenken in die vertikale Stellung 5^ voll geöffnet und die hinteren Triebwerke werden in die Vertikalstellungen geschwenkt. Gleichzeitig wird der Anstellwinkel der Gebläseradschaufeln auf die große Einstellung für erhöhten Strömungsdurchsatz erhöht, so daß das Gleich-

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gewicht des Flugzeugs erhalten bleibt und eine Vertikallandung ausgeführt werden kann.

Die Kupplung 21 ist also nicht dazu erforderlich, die Trägheit des Hubgebläserades zu überwinden, sondern braucht lediglich das zum Antrieb des Hubgebläserades erforderliche Drehmoment zu übertragen und kann deshalb viel kleiner ausgebildet werden, als es sonst notwendig wäre, wenn über die Kupplung auch das Hubgebläserad beschleunigt werden müßte.

Die Kupplung kann irgendeiner geeigneten bekannten Bauart angehören und beispielsweise eine Reibscheiben-Lamellenkupplung oder alternativ dazu eine Keilkupplung sein. Die Verwendung einer Keilkupplung, die so lange außer Eingriff bleibt, bis die Drehzahl des Hubgebläserades der Drehzahl der Welle 32 entspricht, wonach das Einrücken automatisch erfolgt, würde das Bedienen des Flugzeugs durch den Piloten wesentlich vereinfachen. Die Bedienung des Flugzeugs könnte weiterhin dadurch vereinfacht werden, daß ein zweckmäßiges Steuersystem zur Betätigung der verschiedenen Betätigungsstangen und zur Steuerung des Klappenantriebs bei der Steuerung vertikaler Flugmanöver durch den Piloten Anwendung findet,

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Obwohl beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Kupplung neben dem Hubgebläse gelegen ist, könnte sie alternativ dazu auch innerhalb des Getriebes neben den Querwellen oder an irgendeiner Stelle im Verlauf der Länge der Welle 22 angeordnet sein, je nach der jeweils gewünschten Anlagenanordnung. Selbstverständlich muß berücksichtigt werden, daß die Welle 22 sich bei unterschiedlichen Bewegungen des Flugzeugrumpfes biegen, verlängern oder verkürzen können muß.

Es ist weiterhin klar, daß, während die variable Geometrie des Hubgebläses beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Verwendung eines Verstellgebläses erzielt wird, eine gleichartige Wirkung auch durch Verwendung verstellbarer Leitschaufeln stromauf oder stromab der Gebläseschaufeln erzielt werden kann, wobei die Verstellung der Leitschaufeln auf jeweils zweckmäßige Anstellwinkel in beiden Fällen einen Betrieb des Gebläses mit verringertem Strömungsdurchsatz oder mit erhöhtem Strömungsdurchsatz ermöglicht, je nach dem gewählten Anstellwinkel.

Die Vortriebsanlage des Flugzeugs kann in ver-

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schiedener Weise abgewandelt werden. Beispielsweise können Triebwerksanzapfungen an den Extremitäten des Plugzeugs zur Steuerung um die Quer-, Längs- oder Hochachse während des Manöverierens vorgesehen sein.

Während sich das vorliegende Ausführungsbeispiel auf ein vertikal startfähiges Flugzeug bezieht, kann die Erfindung selbstverständlich auch bei anderen intermittierend antreibbaren Gebläsen bei anderen Plugzeugtriebwerksanlagen oder stattdessen auch bei großen, mit Antriebsmaschinen kuppelbaren Gebläsen in am Boden befindlichen Anlagen oder Industrieanlagen Anwendung finden.

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Claims (6)

PATBNTANW Λ. Ι,Τ DIPL.INO.S. HOLZEB BLeBB - BTBASSB M AUGSBUBO TBLBVOH ·1·«*· TBLRZ SSSSOS paM t Patentansprüche

1. Axialgebläse, insbesondere als Schuberzeuger
für Flugzeuge, mit einem Gebläserad und einer Antriebswelle sowie mit einer dazwischen angeordneten, ein-
und ausrückbaren Kupplung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläsegeometrie zwischen einer Einstellung für
kleinen Strömungsdurchsatz und einer Einstellung für
großen Strömungsdurchsatz veränderbar ist, daß weiter Mittel (25) vorgesehen sind, mittels derer in der Einstellung für kleinen Strömungsdurchsatz ein Luftstrom zur Beschleunigung des Gebläserades vor dem Einrücken der Kupplung (21) in das Gebläse einleitbar ist und
daß Mittel (45) zur Verstellung des Gebläses auf großen Strömungsdurchsatz nach dem Einrücken der Kupplung
vorgesehen sind.

2. Axialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläserad (14) steigungsverstellbare Laufschaufeln (30) trägt und daß die Gebläsegeometrie durch Verstellung der Anstellwinkel der Laufschaufeln zwischen kleiner Steigung für kleinen Strömungsdurchsatz und großer Steigung für großen Strömungsdurchsatz veränderbar ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Axialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Gebläserades ein steigungsverstellbarer Leitschaufelkranz angeordnet ist, der zur Verstellung des Gebläses zwischen der Einstellung für kleinen Strömungsdurchsatz und der Einstellung für großen Strömungsdurchsatz dient.

4. Axialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Gebläserades ein steigungsverstellbarer Leitschaufelkranz angeordnet ist, der zur Verstellung der Gebläsegeometrie zwischen der Einstellung für kleinen Strömungsdurchsatz und der Einstellung für großen Strömungsdurchsatz dient.

5. Axialgebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe in einem Flugzeug installiert ist und daß die genannten Mittel (25) zum Einleiten eines Luftstromes in das Gebläse eine während des Vorwärtsfluges des Flugzeugs wirksame Einlaßleitvorrichtung ist.

6. Axialgebläse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitvorrichtung eine Reihe schwenkbarer Klappen (25) aufweist, die am Flugzeugrumpf angelenkt und zwischen einer mit dem Rumpf bündigen

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Schließstellung und einer Offenstellung schwenkbar sind, in welch letzterer sie Luft in das Gebläse einleiten.

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