DE3015154C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Steuern der Gebläsebypaß-Strömung in einem Turbofan-Gasturbinentrieb­ werk gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine der­ artige Einrichtung ist aus der US-PS 30 72 008 bekannt.

Seit den fünfziger Jahren haben die Hersteller von Strahltrieb­ werken intensive Bemühungen hinsichtlich der Entwicklung von Triebwerken mit variablem Zyklus angestellt. Einer der Gründe für diese Bemühungen und ein Schlüsselmerkmal, das zu dem hohen Leistungsvermögen von einem Turbostrahltriebwerk mit variablem Zyklus beiträgt, ist seine Fähigkeit, die Einlaßluftströmung beizubehalten, wenn der Schub gesenkt wird. Dieses Merkmal führt zu wichtigen Leistungsvorteilen bei geringeren als dem maximalen Schub, wie beispielsweise während des Unterschall- Reisefluges. Der Effekt der Beibehaltung der Einlaßluftströmung, wenn der Schub vermindert wird, besteht darin, sich auf die Leistungsfähigkeit auswirkende Nachteile, wie beispielsweise den Einlaß-Strömungswiderstand und dem Strömungswiderstand am Rumpfende, zu verkleinern, die beide einen wesentlichen Einfluß haben.

Gewisse Triebwerke mit variablem Zyklus, wie sie beispielsweise in der US-PS 40 68 471 beschrieben sind, erzielen eine relativ konstante Luftströmung bei einer Schubänderung, indem die Ge­ bläsebypaß-Strömung mit einem Ventilsystem verändert wird, das als eine Bypaß-Injektor mit variablem Querschnitt (VABI) be­ zeichnet wird. Wenn der Triebwerksschub verkleinert wird, ver­ größert das VABI-Ventilsystem die Bypaß-Strömung, um die kleiner werdende Kerntriebwerksströmung auszugleichen, was zu einer relativ konstanten Triebwerks-Gesamtströmung führt.

Das einen variablen Zyklus aufweisende Triebwerk erzielt zwar Leistungssteigerungen, indem eine konstante Einlaßströmung trotz eines sich ändernden Schubes aufrechterhalten wird, es müssen aber besondere Betrachtungen angestellt werden, wenn ein Schubverstärker nach Art eines Nachbrenners verwendet wird. Wenn eine Schubverstärkung in einem üblichen Gebläsetriebwerk verwendet wird, können höhere Stubwerte erzielt werden, indem die Bypaß-Strömung und die Kernströmung stromaufwärts von dem Nachbrenner zusammengefaßt und gemischt werden. Bei einem Triebwerk mit einer variablen Bypaßkanalströmung wird eine einen variablen Querschnitt aufweisende Düsen- und Misch­ vorrichtung (hinteres VABI) an dem Nachbrenner stromaufwärts von der Triebwerksschubdüse verwendet. Diese hintere Einspritz- und Mischvorrichtung ist erforderlich, damit Drucke und Ge­ schwindigkeiten angepaßt und richtige Strömungsbedingungen her­ beigeführt werden, wenn die sich ändernde Bypaß-Strömung mit der Kernströmung vereinigt wird zur Erhitzung in dem Nachbrenner bevor sie durch die Schubdüse beschleunigt wird.

Bei dem Betrieb eines variablen Triebwerkes mit seiner Bypaß­ kanalsteuerung treten Bedingungen an dem hinteren Ventil oder der hinteren Einspritz- und Mischvorrichtung auf, bei denen eine relativ große Druckdifferenz über dem Ventil besteht. Da die beste Abschirmung oder Auskleidung, die zum Einschließen der heißen Nachbrennergase verwendet wird, durch Luft aus dem Bypaßkanal gekühlt wird, würde die Auskleidung dieser hohen Druckdifferenz ausgesetzt. Dies ist ein unbefriedigender Zu­ stand, da der hohe Luftdruck an der Außenseite der Auskleidung eine übermäßige Beanspruchung hervorrufen würde. Die Auskleidung müßte strukturell verstärkt werden mit einer damit verbundenen Gewichtszunahme. Weiterhin würde die Druckdifferenz eine über­ mäßige Kühlluftströmung durch die Auskleidung bewirken, was zu einem wesentlichen Leistungsverlust führt.

Ein weiteres Problem bei Triebwerken mit Schubverstärkung tritt während des Taxibetriebs des Flugzeuges auf, wenn das Triebwerk im Leerlauf ist. Der Leerlaufbetrieb von derartigen Triebwerken ist im allgemeinen höher als erwünscht für eine leichte Handhabung des Flugzeuges während des Taxibetriebs. Bei einem einen variablen Zyklus aufweisenden Triebwerk mit einer hinteren Düse mit vari­ ablem Querschnitt wird die Einführung der Gebläseluft­ strömung durch die Schubdüse stark vermindert während des Taxibetriebs, indem die VABI-Ventile geschlossen werden, wodurch der Triebwerksschub bis zu einem bestimmten Grad vermindert wird. Jedoch wird ein großer Teil der Gebläseluftströmung durch den Hitzeschild oder die Auskleidung zurück- und evtl. aus der Schubdüse des Triebswerkes herausgeleitet. Somit wird dennoch ein unerwünschter Vorwärtsschub durch das Triebwerk mit avariablem Zyklus erzeugt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß überhöhte Druckdiffe­ renzen über dem Hitzeschild oder der Auskleidung einer Schub­ düse stromabwärts vom Nachbrenner verhindert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß eine Strömungssteuerung am Einlaß zu dem Abgaskanal-Kühlringraum erhalten wird. Diese Strömungssteuerung wird dazu verwendet, die Bypaß-Gebläseluftströmung in den Kühlringraum während entsprechender Triebwerkszyklen zu be­ grenzen. Durch die koordinierte Betätigung des Schiebers und der Führungsschächte kann die Bypaß-Strömung gesperrt und somit der Schub gesenkt werden. Dies verkleinert insbe­ sondere den Schub beim Roll- bzw. Taxibetrieb, wodurch die erforderliche Bremswirkung beim Taxibetrieb kleiner ist.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichdnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht von einem Flugzeug­ triebwerk mit einer Einrichtung gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht von der Einrichtung in einer "offenen Position".

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht der Einrichtung in einer "geschlossenen" Position.

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht der Einrichtung in Ver­ bindung mit einem Betätigungssystem für eine Bypaß­ düse mit variablem Querschnitt (VABI).

Fig. 5 zeigt eine Ansicht von einem Betätigungssystem für eine Bypaßdüse mit variablem Querschnitt (VABI) für eine Verwendung in Verbindung mit der Einrichtung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Triebwerk 10 mit variablem Zyklus gezeigt, das einen Gebläseabschnitt 11, einen Verdichter 13, eine Brennerkammer 14 und eine Turbine 15 umfaßt.

Dieses Triebwerk verwendet mehrere Kanäle, um die relative Luft­ menge, die durch den Bypaßkanal 12 anstatt durch die Brennkammer 14 und die Turbine 15 geleitet wird, unter verschiedenen Be­ triebsbedingungen zu verändern, um die Triebwerksleistung zu verbessern. Die Fähigkeit des Triebwerkes, diese Luftströmung zu verändern gestattet, daß das Triebwerk 10 mit einem hohen Bypaßverhältnis bei Unterschall-Drehzahlen und umgekehrt mit einem niedrigen Bypaßverhältnis bei Überschall-Drehzahlen betrieben werden kann. Eine Änderung des Triebwerksbetriebes in dieser Weise verbessert stark den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes.

Um die Luftmenge, die durch den Bypaßkanal 12 geleitet wird, zu verändern, sind zwei einen variablen Querschnitt aufweisende Bypaß-Injektoren (VABIs) 16 und 18 vorgesehen: ein erster Injektor 16 am vorderen Ende des Bypaßkanales 12 und ein weiterer Injektor 18 am hinteren Ende oder am Ausgang des Bypaßkanales.

Diese zwei Injektoren 16 und 18 arbeiten zusammen, um die richtige Luftmenge durch den Kanal 12 zu leiten und zusätz­ lich diese Bypaß-Strömung mit der Kernströmung am stromab­ wärtigen Ende des Kanales 12 an einer Stelle stromaufwärts von dem Nachbrenner 19 zu integrieren, wie es in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt ist.

Der hintere Bypaß-Injektor 18 ist ein mehrere Führungsschächte 22 und einen variablen Querschnitt aufweisender Mischer, um die Bypaß-Luftströmung direkt mit der Kernströmung stromaufwärts von einer üblichen Schubdüse 20 zu mischen. In Fig. 1 ist einer der vielen Führungsschächte 22 des Bypaß-Injektors 18 und seine Bewegung dargestellt, um das Mischvermögen der Strö­ mungen zu zeigen. Wenn sich der Schacht 22 in der ausgezogen dargestellten oder "offenen" Position gemäß Fig. 1 befindet, welches die gleiche Stellung des Schachtes ist, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird eine Bypaß-Luftströmung radial nach innen in die Kernströmung aus der Turbine 12 geleitet. Wenn der Schacht 22 radial nach außen in die gestrichelt dargestellte oder "geschlossene" Stellung 24 gemäß Fig. 1 geschwenkt wird, welches die gleiche Position des Schachtes ist, die in Fig. 3 gezeigt ist, verschließt er nahezu vollständig den hinteren Bypaß-Injektor 18 und die Bypaß-Luftströmung wird praktisch nicht mehr mit der Kernströmung gemischt. Das einen variablen Zyklus aufweisende Triebwerk mit den vorderen und hinteren Bypaß-Injektoren 16, 18 bietet zwar wesentliche Lei­ stungsvorteile, jedoch treten auch Nachteile auf. Insbesondere führen wechselnde Zyklen des Triebswerks­ betriebes einschließlich des Öffnens und Schließens des hinte­ ren Bypaß-Injektors zu einer großen Druckänderung zwischen der Bypaß-Strömung und der Kernströmung. Dieser große Druckunter­ schied ist hauptsächlich eine Funktion der Austrittsfläche der Bypaß-Strömung. Wenn die Schächte 22 offen sind, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, wird ein großer Teil der Bypaß-Strömung mit der Kernströmung gemischt, und es besteht ein kleiner Druck­ unterschied zwischen diesen zwei Strömungen stromabwärts von des hinteren Bypaß-Injektors 18. Wenn die Schächte 22 geschlossen sind, tritt eine sehr kleine Mischung auf, und die Druckdiffe­ renz steigt besonders stark an. In den Fig. 2 und 3 ist die Wirkung auf die Luftströmung der Schächte durch die relative Größe der Teile angedeutet, und der Grund für die Druckdiffe­ renzen wird auf einfache Weise deutlich. Wenn die Schächte 22 offen sind, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Bypaß- Strömung in die Kernströmung gerichtet, wie es durch den Pfeil 26 gezeigt ist, und der Druck in der Schubdüse 21 radial innen von einem Schubkanal-Kühlringraum 27, der durch koaxiale Ober­ flächen einer inneren Auskleidungswand 28 und einer äußeren Wand 31 gebildet ist, ist relativ hoch. Wenn die Schächte 22 geschlossen sind, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist die By­ paß-Strömung nicht radial nach innen gerichtet und infolge­ dessen fällt der Druck in dem Schubkanal 21 ab und es tritt eine große Druckdifferenz über der Auskleidungswand 28 auf.

Diese große Druckdifferenz über der Auskleidungswand 28 kann zu zwei extremen Situationen führen:

• a) ein Mangel an Kühlluft an der Auskleidungswand 28 und der Düse 20 bei geöff­ neten Schächten, oder
• b) eine übermäßige Kühlströmung im Ring­ raum 27 und eine überhöhte Druckbelastung auf die Auskleidungs­ wand 28 bei geschlossenen Schächten.

Um diese Druckänderung aufzunehmen und trotzdem die Probleme der Überhitzung und Überlastung der Auskleidungswand 28 zu ver­ meiden und Kühlmittelströmung aus Gründen der Leistungsfähig­ keit zu sparen, ist eine Einrichtung zum Steuern der Bypaß-Strömung vorgesehen. Ein Ausfüh­ rungsbeispiel ist in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt. Der Einlaßquerschnitt des Ringraumes 27 wird durch einen Ringspalt zwischen einem ringförmigen, bewegbaren Schieber 30 und einer Dichtlippe 32 am vorderen Ende der Auskleidungswand 28 gebildet. Wenn die Schächte 22 offen sind, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, und ein relativ hoher Druck in dem Schubkanal 21 radial innen von der Auskleidungswand 28 besteht, ist die Einlaßfläche in den Schubkanal-Kühlringraum 27 groß aufgrund der Verschiebung des Schiebers 30 in Richtung auf den Kanal 27 und von der Dichtlippe 32 weg. Dies führt zu einem hohen Druck in dem Ringraum 27, um den hohen Druck in dem Schubkanal zu kompensieren und um ferner für eine angemessene Kühlströmung zu sorgen. Wenn umgekehrt die Schächte 22 geschlossen sind, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, und der Druck an der Innenseite des Schubkanales 21 relativ niedrig ist, wird der Einlaßquerschnitt verringert, wodurch eine übermäßige Kühlströmung verhindert und der Belastungsdruck auf die Auskleidungswand begrenzt wird. Somit ist also eine Ventileinrichtung ausgebildet zum Steuern und Koordinieren der Drücke zwischen dem Kühlmittelkanal 27 und dem Schubkanal 21.

Ein wünschenswertes Merkmal dieser Ventil- bzw. Steuereinrichtung besteht darin, daß, wenn sie in ein Triebwerk der in Fig. 1 gezeigten Art eingebaut ist, die Ventilfunktion durch eine Betätigungsanordnung 40 für den hinteren Bypaß-Injektor 18 erhalten wird, ohne daß zusätzliche Teile dafür erforderlich sind. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, erfolgt die Ventilwirkung zwischen dem Schieber 30 und der Dichtlippe 32. Der Schieber 30 hat eine Doppelfunktion, indem er nämlich für eine Ventilwirkung sorgt und gleichzeitig die Schächte 22 des hinteren Bypaß-Injektors 18 schwenkt. Somit wird eine effektive Ventilwirkung an dem Auskleidungseinlaß 29 dadurch herbeigeführt, daß die koaxialen inneren und äußeren Oberflächen, der Schieber 30 und die Dichtlippe 32 für einen minimalen Druckverlust in der Steuereinrichtung richtig geformt werden. Der besonders geformte Schieber 30 ist ein Band mit einer der Wand 31 benachbarten äußeren Oberfläche und einer derart geformten inneren Oberfläche, daß eine Erhebung oder eine kolbenförmige Vorderkante gebildet ist. Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen, wie sich der Schieber 30 relativ zur Dichtlippe 32 der Auskleidung 28 bewegt, wenn die Mischerschächte 22 zwischen ihren Öffnungs- und Schließstellungen bewegt werden.

Zusätzlich werden diese Funktionen mit dem Nachbrennerbetrieb koordiniert, indem die Schächte 22 geöffnet sind, um die By­ paß-Strömung mit der Kernströmung stromaufwärts von dem Flam­ menhalter 19 zu mischen. Wenn der Nachbrenner betätigt wird, wird eine größere Kühlluftströmung zur Kühlung der Verkleidung 28 geliefert, während diese den hohen Temperaturen ausgesetzt ist, die aus der Verbrennung in dem Abgaskanal 21 resultieren.

Zur Erläuterung der Relation zwischen den Komponenten der Be­ tätigungsanordnung 40 und der Bewegung des Einlaßströmungs­ ventiles folgt nun eine kurze Beschreibung dieser Betätigungs­ anordnung. Die Hauptkomponenten von einem Abschnitt der Betä­ tigungsanordnung 40 sind in Fig. 5 gezeigt und umfassen ein hydraulisches Stellglied 42, eine Kurbelwelle 40, einen äußeren Synchronisierungsring 46 und den Schieber 30. Bei dem Ausführungsbeispiel der Betätigungsanordnung 40, das bei dem hinteren Bypaß-Injektor verwendet wird, wird der Schieber 30 nach vorne und hinten durch das Verschwenken von Verbindungsarmen 48 verschoben, die jeweils von jeder der drei sich teilweise drehenden Kurbelwellen 44 ausgehen. Die Kurbelwellen sind auf einem Nachbrennergehäuse 50 angebracht, das in Fig. 4 gezeigt ist, und übertragen eine Betätigungskraft der Stell­ glieder 42 durch die Gehäusewand hindurch zum Schieber 30 und der Steuereinrichtung. Diese Betätigungskraft wird durch drei oder mehr Stellglieder 42 geliefert. Die Bewegung dieser Stellglieder wird durch die Umfangsbewegung des Synchronisierungsringes oder des Jochs 46 synchronisiert, das in der gezeigten Weise alle Kurbelwellen 44 miteinander verbindet.

Die Verbindungselemente zwischen der Betätigungsanordnung 40 und den Führungsschächten 22 und deren Relation zu der Steuereinrichtung sind in Fig. 4 gezeigt. Innerhalb des Nachbrennergehäuses 50 ist der Schieber 30 mit oberen Verlängerungen 51 von jedem von etwa zwanzig Schächte 22 verbunden, die symmetrisch um das hintere Ende des Bypaßkanales 12 herum verteilt sind. Die Schächte 22 sind um Drehzapfen 52 schwenkbar angebracht, so daß eine Verschiebung des Schiebers 30 zusammen mit der oberen Verlängerung 51 bewirkt, daß die Schächte radial nach innen in die Kernströmungsbahn und aus dieser heraus schwenken. Diese Verbindungselemente ermöglichen, daß die Funktion des hinteren Bypaß-Injektors mit der Ventilfunktion der Steuereinrichtung in der vorstehend erörterten Weise koordi­ niert wird.

Eine besondere Funktion der Steuereinrichtung in Verbindung mit dem hinteren Bypaß-Injektor ist das Vermögen, den Schub des Trieb­ werkes während des Taxibetriebs des Flugzeuges wesentlich zu senken. Dies wird dadurch erreicht, daß der hintere Bypaß-Injektor geschlossen wird, wodurch gleichzeitig die Steuereinrichtung ge­ schlossen wird, um die Querschnittsfläche des Auskleidungsein­ lasses 29 zu verkleinern. Wenn sowohl die Schächte 22 als auch die Steuereinrichtung "geschlossen" sind, ist die durch den Bypaß­ kanal 12 strömende Gebläseluft am Ausgang des Kanales 12 effek­ tiv abgesperrt, wodurch der Hauptanteil des durch die Bypaß- Strömung hervorgerufenen Vorwärtsschubes eliminiert ist. Diese Schubsenkung während des Taxibetriebs verkleinert die erforderliche Bremswirkung und erleichtert die Handhabung des Flugzeuges bei Taxigeschwindigkeiten.

Claims (3)

1. Einrichtung zum Steuern der Gebläsebypaß-Strömung in einem Turbofan-Gasturbinentriebwerk, bei dem die Bypaß-Strömung durch einen Bypaß- Injektor mit variablem Querschnitt in einen Abgaskanal- Kühlringraum einleitbar ist, der stromabwärts von dem Bypaß-Kanal und in direkter Strömungsverbindung mit diesem steht, und innere und äußere, koaxial angeordnete Ober­ flächen, die einen ringförmigen Einlaß zum Abgaskanal- Kühlringraum bilden, wobei eine Dichtlippe auf einer der koaxialen Ober­ flächen sich in den ringförmigen Einlaß hinein erstreckt, und einen ringförmigen Schieber aufweist, der in dem Bereich der Dichtlippe in den ringförmigen Einlaß hinein und aus diesem heraus bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (30) durch Verbindungsarme (48) mit schwenkbaren Führungsschächten (22) verbunden ist, und bei dessen Verschiebung zur Begrenzung der Bypaß- Strömung in dem Abgaskanal gleichzeitig die Führungs­ schächte (22) zur Begrenzung der Bypaß-Strömung in den Abgaskanal (21) radial nach außen geschwenkt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippe (32) an der inneren koaxialen Oberfläche (28) angebracht ist und der ringförmige Schieber (30) ein Band mit einer Erhebung aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band mit seiner äußeren Oberfläche nahe an der äußeren koaxialen Ober­ fläche (31) angeordnet ist, und die Innenseite des Bandes mit einer kolbenförmigen Vorderkante versehen ist.