DE3826306A1

DE3826306A1 - Flugzeugpylon

Info

Publication number: DE3826306A1
Application number: DE3826306A
Authority: DE
Inventors: Bruce Joseph Gordon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-08-05
Filing date: 1988-08-03
Publication date: 1989-02-16
Also published as: US4966338A; CA1316163C; SE504023C2; GB8818581D0; JPH01101296A; GB2208502B; FR2619076A1; IT8821640A0; SE8802793D0; IT1226367B; FR2619076B1; SE8802793L; GB2208502A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine üblicherweise als Pylon be zeichnete Struktur, die ein Flugzeugtriebwerk an einem Flug zeugrumpf befestigt, und insbesondere auf die aerodynamischen Aspekte und Lärmerzeugungsaspekte einer derartigen Struktur.

Fig. 1 zeigt einen Flugzeugrumpf 3, der durch am Heck ange brachte, gegenläufig rotierende Schubprop-Fans 6 A und 6 F ange trieben wird. Die Prop-Fans werden durch ein nicht gezeigtes Triebwerk angetrieben, das in einer Gondel 9 enthalten ist. Zwischen der Gondel 9 und dem Flugzeugrumpf befindet sich ein Pylon 12, der in Fig. 2 deutlicher gezeigt ist. Der Pylon ist eine aerodynamische Verkleidung, die die Struktur umgibt, die das Triebwerk und andere Einrichtungen haltert, wie beispiels weise Brennstoffleitungen und elektrische Leitungen, die mit dem Triebwerk verbunden sind.

Der Pylon 12 wirft während des Fluges eine Wirbelschleppe 15, unabhängig davon, wie gut der Pylon gestaltet ist. Ein Grund besteht darin, daß, wie in Fig. 4 gezeigt ist, die Dicke 16 der Grenzschicht 16 A progressiv zunimmt in stromabwärtiger Richtung 17, wodurch an der Hinterkante 17 B ein Geschwindig keitsprofil 17 A besteht. (Das Geschwindigkeitsprofil 17 A stellt die Änderung der Geschwindigkeit von Luftmolekülen als eine Funktion des Abstandes von dem Pylon dar. Beispielsweise stellt der Geschwindigkeitsvektor 17 C die Luftgeschwindigkeit im Ab stand 17 D von der Pylonmittellinie 17 E dar.) Das Geschwindigkeitsprofil 17 A an der Pylonhinterkante erzeugt einen "Geschwindigkeitsdefekt" Vd in der Wirbelschleppe, der die Differenz der Geschwindigkeit zwischen der Freiströmungs geschwindigkeit V ₀ (außerhalb der Wirbelschleppe) und der loka len Geschwindigkeit V _I in diesem Beispiel ist.

Der Geschwindigkeitsdefektbereich hat einen begleitenden "Masse strömungsdefekt" und infolgedessen hat Luft, die durch die Strö mung 17 H angegeben ist, die Tendenz, in den Geschwindigkeits defektbereich 17 F mitgerissen zu werden, wodurch Turbulenz ent steht.

Ein zweiter Grund ist, daß der Anstell-bzw. Angriffswinkel des Rumpfes 3 sich während des Fluges ändert, während der Pylon so ausgelegt ist, daß er eine minimale Schleppe an einem einzelnen, optimalen An griffswinkel erzeugt. Infolgedessen erzeugt der Pylon eine größere Wirbelschleppe bei Winkeln, die von dem optimalen Winkel unterschiedlich sind.

Die Wirbelschleppe hat zwei unerwünschte Nebenwirkungen. Der eine ist, daß, wenn die Prop-Fan-Schaufeln durch die Wirbel schleppe 15 hindurchtreten, sie die Schleppe zerhacken und da durch Lärm erzeugen. Ein überhöhtes Beispiel, das in Fig. 3 ge zeigt ist, erläutert diesen Punkt. Wenn ein Schiffspropeller 18 in Betrieb ist, während er teilweise in Wasser 21 eingetaucht ist, macht jede Schaufel ein Geräusch bzw. Lärm, wenn sie in das Wasser eintritt. Das Wasser kann als ein Analogon zu der Wirbelschleppe 15 in Fig. 2 betrachtet werden; es wird Lärm er zeugt, wenn jede Propellerschaufel durch die Wirbelschleppe 15 hindurchtritt.

Wenn jeder Prop-Fan acht Schaufeln aufweist und mit 20 Umdrehun gen pro Sekunde umläuft, dann treten 160 Zerhackungen pro Sekunde auf. Diese Situation bildet eine Geräuschquelle, die sich bei 160 Hz zusammen mit Übertönen ausbreitet.

Ein zweiter Nebeneffekt resultiert aus der Tatsache, daß der durch eine Propellerschaufel erzeugte Hub eine Funktion des Angriffswinkels der Schaufel in bezug auf die einströmende Luft ist. Wenn eine Schaufel in die Wirbelschleppe 15 eintritt, än dert sich der Angriffswinkel, wie es in Fig. 5 gezeigt ist.

Der Angriffswinkel A 1, der durch die Schaufel 6 A auftritt, ist die "Vektorsumme 1" von zwei Vektoren: (1) dem Freiströmungs vektor V , der aus der Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeuges resultiert, und (2) der "Vektor-Rotation", die die Rotationsge schwindigkeit der Schaufel 6 A darstellt.

Wenn die Schaufel 6 A in die Wirbelschleppe eintritt, wird der Freiströmungsvektor V ₀ verkleinert, wie es durch den Vektor V ₁ (ebenfalls in Fig. 2A gezeigt) dargestellt ist. Infolgedessen ändert sich die "Vektorsumme 1" zur "Vektorsumme 2". Diese "Vektorsumme 2" bewirkt, daß ein größerer Angriffswinkel A 2 auftritt.

Infolgedessen wird die Prop-Fan-Schaufel 6 A stärker belastet, und die Hublast in Richtung des Pfeiles 26 gemäß Fig. 2 (Schub richtung) wird größer, wodurch die Schaufel in dieser Richtung gebogen wird. Wenn beispielsweise der in Fig. 2 gezeigte Trieb werkstyp in der Schubklasse von 1100 kp (25000 Pounds) ist und insgesamt sechzehn Prop-Fan-Schaufeln verwendet werden, beträgt die Gesamtbelastung pro Schaufel etwa 690 kp (1560 Pounds) (11000 dividiert durch 16). Selbst eine kleine prozentuale Schubvergrößerung während des Durchtrittes durch die Wirbel schleppe 15, beispielsweise eine Steigerung von 10%, kann signi fikante Beanspruchungen auf die Schaufeln ausüben und über einen Zeitraum die Schaufeln möglicherweise schädigen. Ein Beispiel soll dies erläutern.

Es sei angenommen, daß der Schaufelradius 31 in Fig. 2 1,50 m beträgt. Somit hat der von jeder Schaufelspitze 33 umschriebene Kreis einen Umfang von etwa 9,50 (31 Fuß) (1,50 m×2π ist ungefähr gleich 9,5 m). Es sei, wie oben, eine Drehzahl für je den Prop-Fan von zwanzig Umdrehungen pro Sekunde angenommen. Deshalb bewegt sich in diesem Beispiel der Spitzenbereich 33 von jeder Schaufel entlang dem Umfang mit einer Geschwindigkeit von etwa 190 m/s (620 Fuß/s)×(9,5 m pro Umdrehung multipliziert mit 20 Umdrehungen pro Sekunde).

Wenn die Höhe, Abmessung 38, der Wirbelschleppe mit 30 cm (1 Fuß) angenommen wird und wenn ferner angenommen wird, daß die Wirbel schleppe eine 10%ige Hubvergrößerung während einer Schaufelbe wegung durch die Schleppe liefert, dann erfährt jede Schaufel einen Impuls von 10% der Schublast oder etwa 68 kp (150 Pounds), die während eines Intervalls von 1/620 Sekunden auftritt, d.h. ein Intervall von etwa 1,6 Millisekunden. Ferner bewegt sich bei 20 Umdrehungen pro Sekunde jede Schaufel jede 1/20 Sekunde oder alle 50 Millisekunden einmal durch die Wirbelschleppe. Mit anderen Worten wird eine zyklische Belastung von 68 kp (150 Pounds) für 1,6 Millisekunden alle 50 Millisekunden auf jede Schaufel ausgeübt. Es ist klar, daß eine derartige zyklische Be lastung vermieden werden sollte.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Flugzeugantriebssystem zu schaffen, durch das durch den Pylon hervorgerufener Lärm und zyklische Belastungen wesentlich ver mindert werden.

Gemäß der Erfindung wird die Wirbelschleppe, die durch einen am Pylon gehalterten Schubpropeller erzeugt wird, verkleinert, wodurch sowohl Schleppenzerhackungslärm und periodische Propel lerschaufelbiegungen verkleinert werden, die während jedes Durchtritts durch die Wirbelschleppe auftreten. Eine Lösung zum Vermindern der Wirbelschleppe besteht darin, eine Klappe an dem Pylon anzubringen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Flugzeug, das durch am Heck angebrach te, gegenläufig rotierende Prop-Fans oder Propel ler angetrieben wird.

Fig. 2 zeigt genauer den in Fig. 1 eingekreisten Bereich 2, der die Wirbelschleppe 15 enthält, die durch den Pylon 12 geworfen wird.

Fig. 3 stellt einen Schiffspropeller dar, der teilweise in Wasser eintaucht.

Fig. 4 stellt die viskose Grenzschichtströmung auf der Oberfläche des Pylons 12, der im Schnitt gezeigt ist, und die dadurch erzeugte Wirbelschleppe dar.

Fig. 5 zeigt die Änderung, die in dem Angriffswinkel auf tritt, wenn eine Propellerschaufel 6 A in die Wir belschleppe 15 gemäß Fig. 2 eintritt.

Fig. 6 bis 9 stellen drei Ausführungsbeispiele der Erfin dung dar.

Es sind verschiedene Ausführungsbeispiele in den Fig. 6 bis 9 gezeigt. In Fig. 6 trägt der Pylon 12 eine verstellbare Klappe 40, die um einen Punkt 42 drehbar ist. Flügelklappen und ihre Betätigungsmittel sind bekannt.

Fig. 7 zeigt einen Pylon 12 und zusätzlich eine ausfahrbare Schaufel 52, die in einer passenden Vertiefung 54 untergebracht ist, wenn sie nicht in Benutzung ist. Wenn eine Wirbelschleppen steuerung gewünscht wird, wird die Schaufel 52 in die gezeigte, in ausgezogenen Linien dargestellte Stellung gebracht, um die Strömung der Strömungslinien 82 zu beeinflussen. Die Schaufel 52 kann um den Punkt 80 schwenken.

Gemäß Fig. 8 ist eine Schaufel 52 durch einen Mast oder Turm 55 gehaltert. Die Schaufel 52 ist um einen Drehpunkt 80 drehbar. Die Schaufel 52 unterstützt die Rückführung der Strömungslinie 82, die sich anderenfalls am Punkt 44 ablösen und eine Wirbel schleppe bilden würde, zu der Pylonoberfläche, um die glatte Strömungslinie angrenzend an der Hinterkante 41 zu unterstützen.

Fig. 9 stellt (schematisch) einen Mast oder Turm 59 dar, der das nicht gezeigte Triebwerk haltert, das in der Gondel 9 ent halten ist. Der Pylon 12 hat die Form einer Verkleidung, die den Strömungswiderstand des Mastes 59 und anderer Komponenten verkleinert, die zwischen der Gondel 9 und dem Rumpf 3 verlau fen. Der Pylon 12 ist um den Mast drehbar, wie es durch einen Pfeil 85 gezeigt ist. Die Drehung stellt den Anstell-bzw. Angriffswinkel ein, den der Pylon 12 sieht. Somit ist der Angriffswinkel des Pylons 12 unabhängig einstellbar im Vergleich zu demjenigen des Rumpfes 3 in Fig. 1. Die Größe der durch den Pylon erzeugten Wirbel schleppe ist eine Funktion des Angriffswinkels.

Nachfolgend werden mehrere wichtige Aspekte der Erfindung ange geben:

1. Selbst wenn die Wirbelschleppe 15 aus einer Grenzschichtbil dung resultiert, wie es in Verbindung mit Fig. 4 erörtert wur de, ist die Wirbelschleppe in gewisser Hinsicht auch eine Folge des Hubes, der durch den Pylon erzeugt wird. Das heißt, selbst wenn der Pylon 12 in seinem Querschnitt perfekt symmetrisch wäre, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, so erzeugt trotzdem bei einem gegebenen Angriffswinkel, der durch den Winkel AI ange deutet ist, der Pylon 12 einen gewissen Hub. Die Existenz von Hub wird im allgemeinen begleitet von (1) Wirbelbildung, (2) Turbulenz, (3) wenigstens einerleichten Störung oder irgendeiner Kombination der vorgenannten Effekte, die in dem stromabwärtigen Strömungsfeld angeordnet ist. Somit kann man bis zu dem Grad, in dem man Hub steuern kann, eine Wirbelbildung steuern. Des halb kann die veränderliche Stellung der Klappen in den Fig. 6 bis 8 als Steuerung der Wirbelschleppe betrachtet werden durch Steuerung des Hubs, der durch den Pylon 12 geliefert wird.
2. Der Angriffswinkel des Pylons 12 wird sich im allgemeinen bei unterschiedlichen Flugbedingungen ändern. Wenn beispiels weise der Pylon 12 einen gegebenen Winkel während des Fluges erfährt, dann nimmt dieser Winkel zu, wenn der Angriffswinkel des Flugzeuges während eines Landeanflugs größer wird. Deshalb kann eine Wirbelschleppe größerer Intensität während eines Landemanövers erzeugt werden. Infolgedessen sollte die Intensi tät von Schleppenverkleinerungsmaßnahmen zu dieser Zeit ver größert werden. Beispielsweise sollte der Klappenwinkel F in Fig. 6 unter diesen Umständen verkleinert werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden diese Schleppenverklei nerungsmaßnahmen direkt gesteuert durch den Piloten unter Ver wendung von Servomechanismen, die bekannt sind und in Fig. 6 durch den mit "Klappensteuerung" bezeichneten Block dargestellt sind. Jedoch ist auch eine automatische Steuerung auf der Basis direkter oder indirekter Schleppenmessung möglich. Ferner ist auch eine Steuerung von Schleppenverminderungsmaßnahmen auf der Basis eines Programms möglich.

Ein Programm bzw. ein Plan bezieht sich auf eine zweistufige Lösung. Zunächst läßt man das Flugzeug unter verschiedenen Flug bedingungen arbeiten und mißt die Schleppengröße. Dann werden, später, wenn ähnliche Flugbedingungen auftreten, die große Schleppengrößen bewirkt haben, die Schleppenverminderungsmaß nahmen vorgenommen. Das bedeutet, daß eine Schleppenverminde rung vorgenommen wird bei den gegenwärtig gemessenen Flugbedin gungen (die eine Schleppengröße beinhalten können), die zuvor gezeigt haben, daß sie Wirbelschleppen bewirken.

Somit wurde eine Erfindung beschrieben, die die Wirbelschleppe, die üblicherweise durch ein Pylon erzeugt wird, der einen Schub propeller trägt, verkleinert, um sowohl (1) das Schleppenzer hackungsgeräusch zu vermindern, das durch den Propeller erzeugt wird, und (2) die periodische Schaufelbiegung zu verkleinern, die die Propellerschaufeln durch die Wirbelschleppe erfahren. Weiterhin wird der Grad der Wirbelschleppenverminderung verän dert entsprechend dem Erfordernis der Änderung der Flugcharak teristiken. Beispielsweise ist es möglich, daß eine größere Wirbelschleppenverminderung erforderlich ist während eines großen Angriffswinkels beim Landeanflug.

Claims

1. Pylon, an dem ein Schubpropeller angebracht ist, gekennzeichnet durch eine bewegbare Steuerfläche (40) zum Verändern von Wirbelschleppen, die durch den Pylon (12) erzeugt sind.

2. Pylon, an dem ein Schubpropeller angebracht ist, gekennzeichnet durch einen Mast (55) und eine von dem Mast getragene, bewegbare Schaufel (52) zum Verändern von Wirbelschleppen, die durch den Pylon (12) erzeugt sind.

3. Pylon, an dem ein Schubpropeller angebracht ist, gekennzeichnet durch eine Schaufel (52), die in dem Pylon (12) untergebracht ist und die in die Luftströmung, die an dem Pylon vorbeistreicht, ausfahrbar ist zum Verändern der Wirbelschleppe des Pylons.

4. Flugzeugantriebssystem, das wenigstens einen Schub propeller stromabwärts von einem Pylon aufweist, der bei Betrieb des Propellers Turbulenz erzeugt, gekennzeichnet durch:

a) eine Klappe zum Verändern der Turbulenz, die durch den Pylon erzeugt ist, und
b) Steuermittel zum Steuern der Veränderung nach (a) bei verschiedenen Flugbedingungen, die unter schiedliche Anstellwinkel des Flugzeugs beinhal ten.

5. Flugzeugantriebssystem, gekennzeichnet durch :

a) einen Rumpf,
b) eine Gondel, die ein Triebwerk enthält und nahe dem Heck des Rumpfes angeordnet ist,
c) einen Schubpropeller, der hinter der Gondel ange ordnet ist,
d) eine Triebwerksbefestigung, die das Triebwerk hal tert und sich zwischen dem Rumpf und dem Triebwerk erstreckt, und
e) eine Verkleidung um die Triebwerkshalterung mit einem wählbaren Angriffs- bzw. Anstellwinkel in bezug auf die freie Strömung, der unabhängig von dem Angriffs- bzw. Anstellwinkel des Rumpfes ist.