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Erfindungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Primärdüse mit Leisten
für ein
Turbostrahltriebwerk mit zwei Luftströmen für ein Luftfahrzeug. Die erfindungsgemäße Düse, ein
Typ mit Doppelhaut, enthält
ein System an umsteuerbaren Leisten, das dazu bestimmt ist, die Lärmentwicklung
beim Abheben des Luftfahrzeugs zu verringern.
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Die
Erfindung findet Anwendung im Bereich der Luftfahrt und ist im Speziellen
für die
Verringerung der äußeren Lärmbelästigung
durch die Turbostrahltriebwerke eines Luftfahrzeugs in der Startphase
bestimmt.
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Aktueller Stand der Technik
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Im
Bereich der Luftfahrt ist es ein durchaus bekanntes Phänomen, dass
der Lärm
eines Luftfahrzeugs, wie jener eines Flugzeugs, für die Anrainer
eines Flughafens, das heißt
für Personen,
die in Unterkünften
in unmittelbarer Nähe
eines Flughafens wohnen, besonders unangenehm und schwer zu ertragen
ist. Dieser Lärm
ist besonders in der Startphase von Flugzeugen besonders intensiv.
Seit vielen Jahren suchen die Flugzeughersteller bereits nach Lösungen zur
bestmöglichen
Eindämmung
dieser Lärmbildung,
speziell während
des Starts.
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Im
Allgemeinen entsteht der Lärm
beim Betrieb eines Turbostrahltriebwerks von Flugzeugen, besonders
bei hoher Drehzahl, durch die Ausstoßgeschwindigkeit der verbrannten
Gase im Bereich des Auslasses. Hinsichtlich der Einbauweise ist
zu sagen, dass das Turbostrahltriebwerk mit zwei Luftströmen in eine
Triebwerks gondel eingebaut ist, die im hinteren Abschnitt mit einem
primären
und sekundären
Auslasssystem ausgestattet ist. Der Primärkanal, der dem primären Auslasssystem
entspricht, enthält eine
Primärdüse, deren
Ziel es ist, eine Warmluftströmung
mit einer konstanten Geschwindigkeitsenergie ins Freie zu leiten.
Der Sekundärkanal
wird durch das Volumen zwischen dem äußeren Abschnitt der Primärdüse und dem
inneren Abschnitt der Schubumkehr definiert. Die Luftauslasssysteme
haben im Allgemeinen die Aufgabe, die Druckenergie der Gase in Geschwindigkeitsenergie
und somit in Schub umzuwandeln. Die Luftgeschwindigkeit am Auslass
der Primärdüse erzeugt
jedoch einen Jetlärm,
der umso stärker
ist, je höher
das Triebwerk dreht. Da ein Flugzeug beim Start den maximalen Schub
erzeugt, ist verständlich,
dass der Jetlärm,
der durch die Triebwerke entsteht, beim Start am stärksten ist.
Sobald das Flugzeug die Reiseflughöhe erreicht hat, geht die Lärmbildung
der Triebwerke zurück,
da sich das Flugzeug von den Wohngebieten entfernt, und vor allem
aufgrund der beträchtlichen
Flughöhe
dieser Flugzeuge.
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Zur
Verringerung des Jetlärms,
der durch die Turbostrahltriebwerke mit zwei Luftströmen eines Flugzeugs
in der Startphase erzeugt wird, werden derzeit Primärdüsen mit
festen Leisten an den Flugzeugen montiert. Eine Düse mit Leisten
ist eine Düse, deren äußeres Ende,
also das Ende, das den Strömungsrand
der Düse
bildet, keine glatte Form aufweist, sondern „zickzackfömig" gestaltet ist. Diese Zickzackform kann
aus einer Reihe von aufeinander folgenden V bestehen. Die Patente
US 2001/0035004 und
US 6360528 dokumentieren
einen früheren
Stand der Technik. Eine Düse
mit Leisten kann eine Düse
mit Doppelhaut sein, also mit einer Innenhaut, die von einem warmen
Luftstrom (Hauptströmung)
durchströmt
wird, und einer Außenhaut,
die in Kontakt mit dem Kaltluftstrom (Zusatzströmung) steht. Eine solche Düse mit Leisten
führt dazu,
die Haupt- und Zusatzströmungen
besser aufeinander abzustimmen und die Lärmbelästigungen zu verringern, die
durch die hohe Geschwindigkeit der Luft in der Hauptströmung entstehen.
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Eine
Düse mit
Leisten wirkt sich jedoch negativ auf die Triebwerksleistung aus.
Denn die akustische Optimierung schadet der reinen Leistungsentwicklung
der Düse.
Bei gleichem Schub verbraucht ein Turbostrahltriebwerk, das mit
Düsen mit
Leisten arbeitet, etwas mehr an Treibstoff, als ein Turbostrahltriebwerk
mit glatten Düsen.
Es entstehen nämlich
Turbulenzen, die zu Schubverlusten führen, was wiederum zu einem
höheren
Treibstoffverbrauch führt.
An kleineren Flugzeugen, mit kürzeren
Reisestrecken, wirkt sich diese Erhöhung des Treibstoffverbrauchs
kaum aus (in etwa 0,1%), da die Reisephase kurz ist. Dagegen erhöht sich
bei größeren Flugzeugen,
die auf der Langstrecke unterwegs sind, der Treibstoffverbrauch,
der grundsätzlich
bereits über
jenem von Kleinflugzeugen liegt, doch in bedeutendem Maße. Es ist
durchaus verständlich,
dass je langer der Flug dauert, sich der erhöhte Treibstoffverbrauch bemerkbar
macht, und er auch entsprechende wirtschaftliche Auswirkungen zeigt.
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Darüber hinaus
erhöhen
die Düsen
mit Leisten bei geringer Geschwindigkeit den Schub des Flugzeugs,
während
der Schub bei hoher Geschwindigkeit, und bei einer gegebenen Triebwerksdrehzahl,
negativ beeinflusst wird. Um also die Leistungen des Flugzeuges
nicht zu verändern,
besteht die Möglichkeit,
eine Schubanpassung einzusetzen, die über die Flugzeuggeschwindigkeit
geregelt wird. Die Definition einer solchen Anpassung ist jedoch schwierig
und kann darüber
hinaus kostspielig sein. Des Weiteren wäre ein Überwachungssystem einzusetzen,
um sicher zu gehen, dass die Düse
richtig konfiguriert ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist es nämlich,
die Nachteile der zuvor dargestellten Techniken zu beseitigen, indem
man die Tatsache berücksichtigt,
dass die Auswirkung der Leisten auf die Leistung des Turbostrahltriebwerks
während
des gesamten Fluges zum Tragen kommt, während der akustische Aspekt der
Leisten sich in Bodennähe
auswirkt. Daher bietet die Erfindung eine doppelhäutige Düse an, bei
der eine der Haute mit Leisten ausgestattet ist, die durch die Überdeckung
der anderen Haut umsteuerbar sind. Dabei ist die Außenhaut
entlang der Innenhaut beweglich, wodurch der Düse sowohl eine Konfiguration
mit Leisten, als auch eine mit glatter Haut geboten wird. Die Erfindung
bietet somit die Vorteile einer Düse mit Leisten, wenn sich das
Flugzeug in niedriger Flughöhe
mit hoher Triebwerksdrehzahl bewegt, und die Vorteile einer Düse mit glatter
Haut, und somit ohne Leisten, für
die übrigen
Flugphasen. Auf diese Art und Weise wird der Außenlärm während der Startphase des Flugzeugs
verringert, ohne jedoch Auswirkungen auf die Leistungen des Flugzeugs während des
restlichen Flugs zu haben.
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Genauer
gesagt betrifft die Erfindung eine Primärdüse für ein Turbostrahltriebwerk
für Luftfahrzeuge
mit zwei getrennten Luftströmen,
und mit:
- – einer
Innenhaut, innerhalb derer eine Hauptströmung geführt wird, und die an einem äußeren Ende
Leisten enthält,
- – eine
Außenhaut,
die zumindest teilweise die Innenhaut ummantelt, die in Kontakt
mit der Zusatzströmung
steht, Diese Düse
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut entlang der Innenhaut
beweglich ist.
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In
einem bevorzugten Ausführungsmodus der
Erfindung enthält
die Düse
eine Gleitvorrichtung zwischen der Innenhaut und der Außenhaut.
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Die
Erfindung kann weiters eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften
aufweisen:
- – die Gleitvorrichtung wird
zumindest von einem Zylinder angetrieben,
- – die
Gleitvorrichtung enthält
Führungsschienen,
- – die
Gleitvorrichtung enthält
Führungskugelrollen,
- – der
Zylinder ist luftgesteuert,
- – die
Leisten der Innenhaut weisen eine „Zickzackform" auf,
- – die
Zickzackform besteht aus einer Reihe von aufeinander folgenden Ausschnitten
in Trapezform oder in U-Form.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug bestehend aus einem Turbostrahltriebwerk
mit zwei getrennten Luftströmen,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass das besagte Turbostrahltriebwerk über eine
Düse verfügt, wie
sie zuvor beschrieben wurde.
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Eine kurze Bildbeschreibung
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Die 1 stellt
einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Düse dar,
in ihrer Konfiguration mit Leisten.
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Die 2 stellt
einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Düse dar,
in ihrer Konfiguration mit glatter Haut.
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Die 3 stellt
verschiedene Motive für Leisten
dar, wie sie an der erfindungsgemäßen Düse einsetzbar sind.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsmodi
der Erfindung
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Ein
Beispiel für
eine Düse
mit Leisten gemäß der Erfindung
wird in der 1 dargestellt. Diese Düse 1 enthält eine
Innenhaut 2 und eine Außenhaut 3. Die Innenhaut 2 steht
in Kontakt mit der Warmluftströmung
aus dem Turbostrahltriebwerk, die Hauptströmung HS genannt wird. Die Außenhaut 3,
die die Innenhaut 2 zumindest teilweise ummantelt, steht
in Kontakt mit der Strömung
der kalten Umgebungsluft, die Zusatzströmung ZS genannt wird. Die Innenhaut 2 und
die Außenhaut 3 sind
zueinander konzentrisch. Diese Düse
mit Doppelhaut ist aus zwei verschiedenen Materialien gefertigt.
Die Innenhaut ist aus einem mechanisch widerstandsfähigen Material
gefertigt, das auch hohen Temperaturen standhält, wie beispielsweise aus
Inconel. Diese hitzebeständigen
Materialien haben zumeist den Nachteil, schwer zu sein. Die Außenhaut 3,
die sich auf der kalten Seite der Düse befindet, wird aus einem
mechanisch widerstandsfähigen
Material gefertigt, um den Kräften standhalten
zu können,
die von der Düse
aufgenommen werden. Das Material für die Außenhaut ist zumeist so leicht
wie nur möglich,
um die Gewichtsberechnung der Einheit optimieren zu können. Dies kann
beispielsweise Titan sein. Einer der Vorteile einer Düse mit Doppelhaut
besteht in der Möglichkeit, die
Aerodynamik der kalten und warmen Ströme zu optimieren.
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Wie
in der 1 dargestellt, enthält die Düse 1 der Erfindung
Leisten 4. Diese Leisten sind am äußeren Ende der Innenhaut 2,
also am Düsenrand,
angebracht, der sich am hinteren Ende des Turbostrahltriebwerks
befindet. Die Leisten der Innenhaut weisen eine, je nach Zyklus
des Turbostrahltriebwerks und der angestrebten Lärmverringerung, optimierte
Form auf. Anders ausgedrückt
enthält
der äußere Rand
der Innenhaut 2 beispielsweise Leisten 4 mit einer
zickzackförmigen
Oberfläche.
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Gemäß der Erfindung
können
diese Zickzackformen aus einer Aufeinanderfolge von Trapezen, beispielsweise
in V-Form bestehen, wie sie in der 1 dargestellt
sind. Diese Zickzackformen können
jedoch auch andere Formen aufweisen, als jene der 1.
Beispiele für
die verschiedenen Leistenformen sind in der 3 dargestellt.
Das Beispiel A der 3 zeigt Zickzackformen aus mehreren
V, wie zuvor erklärt.
Das Beispiel B der 3 zeigt Zickzackformen aus verschieden
großen
V in Form von Sägezähnen. Das
Beispiel C der 3 zeigt Zickzackformen aus mehreren
U. Das Beispiel D der 3 zeigt Zickzackformen in Form
von Blütenblättern. Auch
andere Leistenformen können
in der erfindungsgemäßen Düse verwendet
werden, wobei die ausgewählte
Form der Leisten vom Triebwerkstyp und den Ergebnissen der Studien
und Windkanaltests abhängt.
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Die
Anzahl der Leisten in der Erfindung kann ebenfalls in Abhängigkeit
vom Zyklus des Turbostrahltriebwerks und der angestrebten Lärmminderung
optimiert werden.
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Im
Beispiel der 1 wird die Außenhaut 3 so
um die Innenhaut 2 angebracht, dass sie entlang der besagten
Innenhaut 2 beweglich ist. Diese Mobilität wird durch
eine Gleitvorrichtung 5 erreicht. Gemäß einem Ausführungsmodus
der Erfindung enthält diese
Gleitvorrichtung 5 Führungssysteme 6, 7 und zumindest
einen Betätigungszylinder 8.
Die Führungssysteme
enthalten Führungsschienen 6.
Diese Führungsschienen
können
einfach gestaltet sein, was soviel bedeutet wie, dass sie ineinander
gleiten. Eine der Schienen 6b ist an der Außenwand
der Innenhaut 2 befestigt, und die andere Schiene 6a ist
an der Innenwand der Außenhaut 3 befestigt.
Im Beispiel der 1 enthalten die Führungssysteme auch
Führungskugelrollen 7,
die zwischen den Schienen 6a und 6b montiert sind.
In der Erfindung kann die Größe der Kugelrollen
den Abstand zwischen der Innenhaut und der Außenhaut bestimmen, und somit
einen Optimierungsparameter darstellen.
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Es
ist festzuhalten, dass die Leisten beim Flug entweder durch Vibrationen
des Turbostrahltriebwerks, oder durch so genannte Flattereffekte
beansprucht werden. Diese Beanspruchungen führen zu Materialermüdung, da
dadurch beträchtliche
Kräfte
in den Hohlräumen
der Leisten entstehen. Die Außenhaut 3,
die sich über
die Leisten 4 schiebt, verhindert diese Parasitenbewegungen.
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In
der 1 ist nur eine Einheit an Schienen und Kugelrollen
dargestellt, wobei es jedoch selbstverständlich ist, dass über den
gesamten Umfang der Düse
mehrere dieser Einheiten verteilt werden können.
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Die
Gleitbewegung der Außenhaut 3 wird durch
zumindest einen Zylinder 8 ausgelöst, der vor der Düse angebracht
ist. Dieser Zylinder wird einerseits auf der Außenhaut 3, und andererseits
auf der Abdeckung C des Turbostrahltriebwerks befestigt. Dieser
Zylinder kann je nach bekannten Steuerungstechniken, entweder elektrisch
oder hydraulisch angesteuert werden. In einem bevorzugten Ausführungsmodus
wird er durch eine Luftströmung
angesteuert, wobei die Luft von einem Hochdruckkompressor des Triebwerks
abgezweigt werden kann.
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Im
Beispiel der 1 ist nur ein einziger Zylinder 8 dargestellt.
Es ist jedoch selbstverständlich, dass
mehrere Zylinder dieses Typs am Umfang der Düse verteilt werden können, beispielsweise
zwei Zylinder symmetrisch zueinander.
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In
der 1 wird die Düse
der Erfindung in ihrer Konfiguration mit Leisten gezeigt. Anders
ausgedrückt
bedeutet dies, dass die Düse
in der Startposition des Flugzeugs dargestellt ist. In dieser Position ist
die Außenhaut
nach vorne, in Richtung Triebwerkseingang, geschoben. Die Leisten
sind gegenüber
der Außenhaut
vorspringend. Somit können
sie ihre Rolle als Geräuschminderer
voll ausspielen.
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Die
Gleitvorrichtung 5 der Erfindung ermöglicht weiters die Verschiebung
der Außenhaut 3 parallel
zur Innenhaut 2 in Richtung Triebwerksausgang, das heißt in Richtung
der Rückseite
des Flugzeugs, so dass die Leisten 4 abgedeckt werden können. Das hintere
Ende der Außenhaut 3 (das
heißt
das Ende, das zur Rückseite
des Flugzeugs zeigt) befindet sich auf gleicher Höhe mit dem
rückwärtigen Teil
der Leisten 4, die auf der Innenhaut montiert sind. Die
Düse befindet
sich somit in der Konfiguration mit glatter Haut. Diese Konfiguration
ist in der 2 dargestellt.
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In
dieser Konfiguration steht die Luftströmung, die aus der Primärdüse austritt,
nur in äußerst geringem
Maße unter
dem Einfluss der Leisten in der Hauptströmung. Weiters unterliegt die
Zusatzströmung
in dieser Konfiguration keinem negativen aerodynamischen Effekt.
Es ist somit interessant, dass die Zusatzströmung einer Konfiguration mit
glatter Haut unterliegt.
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Die
Konfiguration, die in der 2 dargestellt
wird, ist somit jene, die vom Flugzeug nach dem Abheben, und somit
für alle
weiteren Phasen des Fluges eingenommen wird.
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Gemäß der vorliegenden
Beschreibung ist demnach zu verstehen, dass der Gleitvorgang der Außenhaut
im Verhältnis
zur Innenhaut während
eines Fluges zweimal ausgeführt
wird:
- – der
erste Gleitvorgang wird vor dem Abheben des Flugzeugs durchgeführt, und
- – der
zweite Gleitvorgang findet während
des Fluges statt, wenn die Lärmbelästigung
nicht mehr von Bedeutung ist.
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Der
erste Gleitvorgang (Konfiguration mit Leisten) findet somit vor
dem Start statt, beim Auslösen
des Startschubes des Turbostrahltriebwerks. Diese Funktion kann
je nach Position des Gashebels und im Verhältnis zur Triebwerksdrehzahl
angesteuert werden.
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Der
zweite Gleitvorgang bringt die Düse
zurück
zur Konfiguration mit glatter Haut. Diese Konfiguration wird angestrebt,
wenn sich das Flugzeug weit genug von lärmgeplagten Zonen befindet,
was einer bestimmten Flughöhe
entspricht. Das Kriterium für
den Übergang
zur Konfiguration mit glatter Haut kann die vom Flugzeug erreichte
Flughöhe
sein. Es kann aber auch der vom Flugzeug erreichte Schub sein. Dieser
Schub kann je nach Position des Gashebels oder in Abhängigkeit
vom Parameter N1 erfasst werden, der einer der Parameter ist, der
den Schub FN des Flugzeugs ergibt. Die Ansteuerung für den Übergang
in diese Konfiguration kann in Abhängigkeit von einem einzigen
Kriterium oder mehrerer dieser Kriterien (Hebelposition, Niveau
von N1, Flughöhe)
definiert werden. Weitere Parameter können verwendet werden, um speziell
auch den Fall einer Panne berücksichtigen
zu können.
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In
einer Variante der Erfindung kann eine Sicherheitsposition (Konfiguration
mit glatter Haut) ohne Einfluss auf die Leistungen des Flugzeuges
definiert werden. Weiters kann ein System zur Überwachung der Düsenposition
(beispielsweise durch Positionsschalter) ganz einfach integriert
werden.
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Die
erfindungsgemäße Düse bietet über die bereits
genannten Vorteile hinaus auch jenen Vorteil, an bereits bestehende
Triebwerke angepasst werden zu können,
und somit auch an Triebwerke, die bereits mit Düsen mit festen Leisten ausgestattet
sind. Die Form der Leisten kann somit in Abhängigkeit vom Triebwerk ausgewählt werden.