DE3015154C2 - - Google Patents
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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.
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