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Diese
Erfindung betrifft ein Flugzeug mit Triebwerken, die an ihm durch
Triebwerkbefestigungselemente befestigt sind.
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Ein
Flugzeugtriebwerk kann an einem Flugzeug an verschiedenen Stellen,
wie zum Beispiel an den Flügeln,
am Rumpf oder am Heck befestigt werden. Das Triebwerk wird typischerweise
sowohl an seinem vorderen als auch hinteren Enden über entsprechende
vordere und hintere Befestigungselemente befestigt, um verschiedene
Belastungen an das Flugzeug zu übertragen.
Die Belastungen umfassen typischerweise vertikale Belastungen, wie zum
Beispiel das Gewicht des Triebwerkes selbst, axiale Belastungen
aufgrund des durch das Triebwerk erzeugten Schubs, seitliche Belastungen,
wie zum Beispiel diejenigen aufgrund von Windböen und Rollbelastungen oder
Momenten aufgrund des Rotationsbetriebs des Triebwerks. Die Befestigungselemente
müssen
ferner sowohl axiale als auch radiale thermische Ausdehnung und
Zusammenziehung des Triebwerks in Bezug auf die tragende Struktur
aufnehmen.
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Triebwerkbefestigungen
weisen typischerweise einen Befestigungsrahmen auf, der fest an
der Flugzeugstruktur, wie zum Beispiel einem Pylon befestigt ist,
und eine Anzahl von Verbindungselementen, die das Triebwerk mit
dem Befestigungsrahmen verbinden. In einigen Anwendungen müssen die
Verbindungselemente relativ lange und schlanke Komponenten sein.
Das Dokument EP-A-0 869 062 offenbart ein derartiges Triebwerkbefestigungssystem.
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Lange
und schlanke Befestigungssystemkomponenten können Resonanzfrequenzen niedriger
Ordnung aufweisen, die mit Triebwerkerregungsfrequenzen übereinstimmen
oder sehr nahe daran liegen, wie zum Beispiel denjenigen, welche
durch die 1/U Betriebsdrehzahlen des Triebwerks bewirkt werden.
Diese Moden können
durch eine inhärente Schwingung
angeregt werden, welche durch die Rotationsunwucht in den Niederdruck- oder Hochdruckrotoren
der Triebwerke bewirkt werden. Da Befestigungssysteme tendenziell
leicht gedämpft
sind, ist eine Schwingungsantwort mit hoher Amplitude wahrscheinlich.
Eine Schwingungsantwort mit hoher Amplitude kann zu einer hochzyklischen
Ermüdung
in der Befestigungskomponente, einen Verbindungsstellenverschleiß und/oder
wiederholter Schlagbeschädigung
führen.
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Triebwerkshersteller
greifen typischerweise auf angeregte Unwuchttests zurück, um Resonanzfrequenzprobleme
zu detektieren. Leider können
Ereignisse mit hoher Triebwerksunwucht, wie zum Beispiel Rotorschaufelverlust
in der Praxis aufgrund der Schwierigkeit der Erzeugung eines Betriebs
mit hoher Unwucht für
eine ausreichende Zeit zum Sammeln von Frequenzdaten nicht durchgeführt werden. Dieses
macht die Anwendungsuntersuchung eines Befestigungssystems mit hoher
Toleranz gegenüber hoher
Triebwerksunwucht zu einer herausfordernden Aufgabe.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,782,430 offenbart eine Aufhängungsvorrichtung zum Verbinden
der Basis eines Getriebegehäuses
mit dem Rumpf, welche mehrere Gelenkstangen aufweist.
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Derzeit
werden Befestigungssysteme mit Komponentenresonanzfrequenzen ausgelegt,
die sich nicht in der Nähe
von Triebwerkerregungsfrequenzen befinden. Dieses wird typischerweise
erreicht, in dem das Längen/Durchmesser-Verhältnis der
Verbindungskomponente verringert wird, um die Verbindungselement-Biegungsresonanzfrequenzen ausreichend
weit über
die Triebwerkerregungsfrequenzen anzuheben, um die Schwingungsantwort
zu minimieren. Jedoch führt
die Erzielung kleinerer Längen/Durchmesser-Verhältnisse
im Allgemeinen zu Befestigungsverbindungen mit größerem Volumen, da
die Länge
der Verbindungselemente oft durch andere Konstruktionsanforderungen
festgelegt ist. Verbindungselemente mit größerem Volumen erhöhen das
Gesamtgewicht des Befestigungssystems und beeinflussen nachteilig
Packungsprobleme in einem System, in welchem jedem Teil üblicherweise
nur ein beschränkter
Platzanteil zugeteilt ist. Ein weiterer möglicher Lösungsweg besteht darin, das
resonante Verbindungselement hinzunehmen und die Verbindungselemente
für eine
hohe Zyklusermüdungsbeständigkeit
auszulegen. Dieser Lösungsansatz
kann für
Neukonstruktionen sehr schwierig sein, da die Verbindungselementantwort
auf Triebwerkserregung selten bekannt ist, wenn die Verbindungselemente ausgelegt
werden.
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Demzufolge
wäre es
erwünscht, über eine Verbindungselementkomponente
für Triebwerkbefestigungssysteme
zu verfügen,
die mit Resonanzfrequenzen ausgelegt ist, die sich nicht in der
Nähe der Triebwerkerregungsfrequenzen
befinden, und welche das Gewicht und die Packungsprobleme der derzeitigen
Verbindungselemente minimieren.
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Das
vorstehend beschriebene Problem wird durch die vorliegende Erfindung
erfüllt,
welche ein Flugzeug mit dessen Triebwerkbefestigungssystem schafft.
Ein Verbindungselement des Befestigungssystems weist einen Spannenabschnitt
mit einem ersten Verbinder auf, der an dessen einem Ende ausgebildet
ist und einem zweiten Verbinder, der an dessen anderem Ende ausgebildet
ist. Eine auf dem Spannenabschnitt angeordnete Punktmasse ist dafür vorgesehen,
die Resonanzfrequenz des Triebwerkbefestigungssystems von den Triebwerkerregungsfrequenzen
weg zu platzieren.
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Die
vorgeschlagene Lösung
wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches 1 bereitgestellt.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Seitenansicht eines Triebwerks ist, das mittels eines Befestigungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung an einem Flugzeug befestigt ist.
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2 eine
isometrische Ansicht eines Verbindungselementes aus dem Befestigungssystem von 1 ist.
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3 eine
Längsquerschnittansicht
des Verbindungselementes von 2 ist.
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4 eine
isometrische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Befestigungssystem-Verbindungselementes
ist.
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Punktmassensegmentes aus dem Verbindungselement
von 4 ist.
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Gemäß den Zeichnungen,
in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente durchgängig durch
die verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist 1 ein exemplarisches
Turbo-Bläser-Gasturbinentriebwerk 10 mit
einer Längs-
oder Axialmittellinienachse 12, das unterhalb eines Flugzeugflügels 14 montiert
ist. Der Flugzeugflügel 14 enthält einen
Pylon 16 und das Triebwerk 10 ist an dem Pylon 16 über ein
Befestigungssystem befestigt, welches ein vorderes Befestigungselement 18 und
ein hinteres Befestigungselement 20, das axial stromabwärts von
dem vorderen Befestigungselement 18 angeordnet ist, aufweist.
Obwohl das Triebwerk 10 als in einer oben befestigten Einbauvorrichtung
befestigt dargestellt ist, dient dieses nur für Zwecke der Veranschaulichung.
Es dürfte
sich aus der nachfolgenden Beschreibung verstehen, dass die vorliegende
Erfindung auch andere Arten von Triebwerkseinbauvorrichtungen einschließlich seitlich
befestigter und am Boden befestigter Einbauvorrichtungen umfasst. Demzufolge
ist die vorliegende Erfindung nicht auf Flugzeuge mit am Flügel befestigten
Triebwerken beschränkt,
sondern kann auch mit am Rumpf oder am Heck befestigten Triebwerken
verwendet werden. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf
Flugzeuge mit Turbobläser-Triebwerken
beschränkt,
sondern kann mit anderen Arten von Triebwerken, wie zum Beispiel
Turbinenwellen- und Turboprop-Triebwerken eingesetzt werden.
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Die
vordere Befestigung 18 beinhaltet einen Befestigungsrahmen 22,
der fest mit dem Pylon 16 über herkömmliche Mittel, wie zum Beispiel
Schrauben verbunden ist. Der vor dere Befestigungsrahmen 22 ist
mit dem Triebwerk 10 über
ein oder mehrere Verbindungselemente 24 verbunden, wobei
jedes Verbindungselement 24 an einem Ende mit dem vorderen
Befestigungsrahmen 22 und an dem anderen Ende mit dem Bläsergehäuse 26 des
Triebwerks verbunden ist. Die hintere Befestigung 20 enthält einen Befestigungsrahmen 28,
der ebenfalls fest mit dem Pylon 16 über herkömmliche Mittel, wie zum Beispiel Schrauben,
verbunden ist. Ein oder mehrere Verbindungselemente 30 werden
verwendet, um das Triebwerk 10 mit dem hinteren Befestigungsrahmen 28 zu verbinden.
Insbesondere ist jedes Verbindungselement 30 an einem Ende
mit dem hinteren Befestigungsrahmen 28 verbunden und ist
an dem anderen Ende mit dem Triebwerkskerngehäuse 22 oder irgendeiner
anderen feststehenden Triebwerksstruktur verbunden. Die vertikalen,
seitlichen und Roll-Belastungen des Triebwerks werden somit über die
vorderen und hinteren Befestigungsverbindungselemente 24 und 30 aufgenommen.
Die hintere Befestigung 20 enthält ferner wenigstens ein Schubverbindungselement 34,
um den von dem Triebwerk 10 erzeugten Schub aufzunehmen.
Das Schubverbindungselement 34 ist an dem einen Ende mit
dem hinteren Befestigungsrahmen 28 verbunden, und ist an
dem anderen Ende mit der feststehenden Triebwerksstruktur, wie zum
Beispiel dem vorderen Rahmen des Triebwerks 36 verbunden.
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In
den 2 und 3 ist das Schubverbindungselement 34 detaillierter
dargestellt. Obwohl das Konzept der vorliegenden Erfindung hierin
unter Bezugnahme auf das Schubverbindungselement beschrieben wird,
dürfte
es sich verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht beschränkt ist.
Tatsächlich
kann die vorliegende Erfindung auf eine Anzahl von FlugzeugTriebwerkbefestigungssystemen
angewendet werden.
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Das
Schubverbindungselement 34 enthält einen länglichen Spannenabschnitt 38,
wobei jedes Ende des Spannenabschnittes 38 einen darauf
ausgebildeten Verbinder 40 aufweist. Gemäß Darstellung
in 2 ist jeder Verbinder 40 in der Form
eines Gabelkopfs mit einem Paar sich axial erstreckender paralleler
Arme 42 vor, wobei jeder Arm 42 ein Loch 44 darin
ausgebildet hat. Die Verbinder 40 können somit mit einer weiteren
Befestigungsstruktur über (nicht
dargestellte) Schrauben oder Stifte verbunden werden, welche durch
beide Löcher 44 und
eine in der anderen Befestigungsstruktur ausgebildete Öffnung verlaufen.
Obwohl die Verbinder 40 als Gabelkopf dargestellt sind,
sollte angemerkt werden, dass sie jede andere Art von Verbindungsstruktur
sein könnten,
die in der Lage ist, die Enden des Schubverbindungselementes 34 mit
der geeigneten Struktur des Befestigungssystems zu verbinden.
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Der
Spannenabschnitt 38 weist einen vergrößerten Abschnitt oder Punktmasse 46 auf,
die in einem Stück
darauf ausgebildet ist, um die Resonanzfrequenz des Schubverbindungselementes 34 von
den Triebwerkerregungsfrequenzen ausreichend weg zu legen, um so
besser dessen Schwingungsantwort zu minimieren. Dieses wird hierin
als "Frequenzplatzierung" des Schubverbindungselementes 34 bezeichnet.
Das Vorhandensein der Punktmasse 46 verändert die Steifigkeit des Verbindungselementes
und das Massenverhältnis
und verändert
dadurch die Resonanzfrequenz des Schubverbindungselementes 34 gegenüber der,
welche bei einem Spannenabschnitt mit einem gleichmäßigen Querschnitt vorhanden
wäre. Dieses
minimiert oder eliminiert somit die Erregung durch das Triebwerk 10.
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Insbesondere
wird das Gewicht und die Positionierung der Punktmasse 46 so
gewählt,
dass die Resonanzfrequenz des Verbindungselementes auf einen Wert
reduziert wird, der zwischen der Maximaldrehzahl des Triebwerkbläserrotors
und der Minimaldrehzahl des Triebwerkskernrotors liegt.
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Das
Gewicht und die Positionierung der Punktmasse 46 wird durch
eine Analyse des Gesamtsystems bestimmt und hängt von der speziellen Anwendung
auf der Basis einer Anzahl von Faktoren, wie zum Beispiel der Länge des
Schubverbindungselementes 34, ab. Die Punktmasse 46 wird
generell auf den Spannenabschnitt 38 irgendwo zwischen den
zwei Verbindern 40 angeordnet. Bevorzugt, jedoch nicht
notwendigerweise wird die Punktmasse 46 auf einem Schwingungsmodus-Gegenknoten des Schubverbindungselementes 34 angeordnet,
da die Punktmasse 46 im Allgemeinen an einer derartigen Stelle
effektiver ist. Das Gewicht und die Positionierung der Punktmasse 46 werden
so gewählt,
dass die gewünschte
Frequenzverschiebung erzielt wird, während siegleichzeitig den kleinstmöglichen
Einfluss auf das Gewicht und die Festigkeit des Schubverbindungselementes 34 hat.
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Wie
es am Besten in 3 zu sehen, ist das Schubverbindungselement 34 hohl,
obwohl die vorliegende Erfindung auch auf Vollverbindungselemente
anwendbar ist. Ein hohles Verbindungselement reduziert das Gesamtgewicht
des Befestigungssystems und Hohlprofile sind im Allgemeinen beständiger gegen
Verbiegung. In dem Hohlverbindungselement ist die Punktmasse 46 mit
einem Ablaufloch 48 versehen, dass sich axial dadurch hindurch
erstreckt, um die zwei Hohlabschnitte des Schubverbindungselementes 34 fluidmäßig zu verbinden.
Das verhindert das Einschließen
von Fluiden innerhalb des Schubverbindungselementes 34.
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In 4 ist
nun eine zweite Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Hier umfasst ein Schubverbindungselement 134 einen
länglichen Spannenabschnitt 138,
wobei jedes Ende des Spannenabschnittes 138 einen darauf
ausgebildeten Verbinder 140 aufweist. Wie in der ersten
Ausführungsform
liegt jeder Verbinder 140 in der Form eines Gabelkopfs
mit einem Paar von sich axial erstreckenden parallelen Armen 142 vor,
wobei jeder Arm 142 ein darin ausgebildetes Loch 144 hat.
Die Verbinder 140 können
somit mit einer anderen Befestigungsstruktur über (nicht dargestellte) Schrauben
oder Stifte verbunden werden, welche durch beide Löcher 144 und eine
in der anderen Befestigungsstruktur ausgeführte Öffnung verlaufen. Obwohl die
Verbinder 140 als Gabelkopf dargestellt sind, sollte angemerkt
werden, dass sie jede andere Art von Verbindungsstruktur sein könnten, die
in der Lage ist, die Enden des Schubverbindungselementes 134 mit
der geeigneten Struktur des Befestigungssystems zu verbinden.
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Eine
Punktmasse 146 in der Form eines getrennten Gewichtes ist
an dem Spannenabschnitt 138 angebracht, um die Resonanzfrequenz
des Schubverbindungselementes 134 von den Triebwerkerregungsfrequenzen
weg zu platzieren. Die Punktmasse 146 weist zwei Hälften oder
Segmente 50 auf, wovon eine in 5 dargestellt
ist. Für
runde Verbindungselemente hat jedes Segment 50 einen im
Allgemeinen U-förmigen
Körper 52,
der eine konkave Oberfläche 54 definiert.
Ein Befestigungsflansch 56 erstreckt sich senkrecht von
jedem Ende des Segmentkörpers 52 nach
außen.
Zwei Löcher 58 sind
in jedem Befestigungsflansch 56 ausgebildet, um entsprechende
Befestigungselemente 60 (4) aufzunehmen.
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Die
Punktmasse 146 wird somit an dem Schubverbindungselement 134 befestigt,
indem die zwei Segmente 50 auf diametral gegenüberliegenden
Seiten des Spannenabschnittes 138 angebracht werden, wobei
die entsprechenden Befestigungsflansche axial ausgerichtet sind.
Die konkaven Oberflächen 54 sind
so bemessen, dass sie über
den Spannenabschnitt 138 so sitzen, dass sie einen Spalt
zwischen jedem Paar der Befestigungsflansche 56 lassen.
Die zwei Segmente 50 werden dann aneinander unter Verwendung
der Befestigungselemente 60 befestigt. Das Anziehen der
Befestigungselemente 60, welche beliebige herkömmliche
Befestigungselemente, wie zum Beispiel Muttern und Schrauben sein können, schließt die Spalte,
so dass ein Presssitz erzeugt wird, der die Punktmasse 146 sicher
in ihrer Position auf dem Schubverbindungselement 134 festklemmt.
Es sollte angemerkt werden, dass weitere Befestigungsarten der Punktmasse 146 an
dem Schubverbindungselement 134 möglich sind.
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Die
Segmente 50 können
aus jedem Material mit ausreichender Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit
hergestellt werden. Typischerweise ist dieses ein Material, das
eine Dichte aufweist, die gleich oder größer als die des Materials ist,
aus dem das Schubverbindungselement 134 besteht. Das Segmentmaterial
sollte auch einer galvanischen Verbindung mit dem Verbindungselementmaterial
widerstehen.
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Die
getrennte Punktmasse funktioniert im Wesentlichen in derselben Weise
wie die integrierte Punktmasse der ersten Ausführungsform. Das heißt, das
Vorhandensein der Punktmasse 146 verschiebt die Resonanzfrequenz
des Schubverbindungselementes 134 ausreichend von Triebwerkerregungsfrequenzen
weg, um somit besser dessen Schwingungsantwort zu minimieren. Wie
in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird das Gewicht
und die Positionierung der Punktmasse 146 so gewählt, dass
die Resonanzfrequenz des Verbindungselementes auf einen Wert reduziert
wird, welcher zwischen der Maximaldrehzahl des Triebwerkbläserrotors
und der minimalen Drehzahl des Kerntriebwerkrotors liegt, und dass
dieses in einer gewichtseffizienten Weise geschieht.
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Vorstehend
wurde eine Verbindungselementkomponente für Triebwerkbefestigungssysteme mit
Resonanzfrequenzen beschrieben, die sich nicht in der Nähe von Triebwerkerregungsfrequenzen
befinden. In der Praxis ermöglicht
die Verwendung einer Punktmasse zur Frequenzplatzierung in Triebwerkbefestigungssystemen
eine größere Flexibilität in der Gesamtsystemkonstruktion.
Relativ lange und schlanke Verbindungselementkomponenten können mit
Punktmassen nach Bedarf verwendet werden, um effektiv Komponentenresonanzfrequenzen
von den Triebwerkerregungsfrequenzen in einer gewichtseffizienten
Weise weg zu platzieren. Bestehende Verbindungselementkomponenten
mit schlecht festgelegten Resonanzfrequenzen können mit befestigten Punktmassen
nachgerüstet
werden, um die Antwortfrequenzen zu korrigieren.
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Eine
weitere erwünschte
Eigenschaft der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Resonanzfrequenzen
mit einer angebrachten Punktmasse "abgestimmt" werden können. Dieses ist nützlich,
da analytische Frequenzvorhersagen gegenüber Grenzbedingungen empfindlich
sind, welche oft schwierig vorherzusagen sind. Somit kann eine vorläufige Analyse
angewendet werden, um Frequenzen auf der Basis eines Anfangsgewichtes
und einer Position der Punktmasse abzuschätzen. Diesem kann eine Prüfung der
vorläufigen
Analyse folgen, und dann das Gewicht und/oder die Lage des angebrachten
Pumpgewichtes verändert
werden, um die Resonanzfrequenzen "fein abzustimmen".
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Die
Kombination des Punktmassengewichtes und der Positionierung ermöglicht dem
Konstrukteur die Flexibilität
unerwünschte
Resonanzmodi mit kleiner Auswirkung auf andere akzeptabel platzierte Modi
neu zu positionieren. Dieses wird erreicht, indem die Punktmasse
an oder zwischen Schwingungsmodus-Gegenknoten positioniert wird.
Dieser Lösungsweg
ist erwünscht,
da die Neupositionierung eines Modus einer Resonanzfrequenz ohne Änderung
oft erforderlich ist, um alle Modi von den Triebwerkerregungsfrequenzen
entfernt zu halten.