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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit variablem
Zyklus für Überschallflugzeuge,
die ermöglicht,
einerseits beim Abheben, beim Landen und beim Unterschall-Reiseflug
einen starken Schub sowie ein hohes Nebenstromverhältnis zu
erzielen, um den Lärm
erheblich zu verringern und um den spezifischen Verbrauch während dieser Flugphasen
zu verbessern, und andererseits eine an den Überschall-Reiseflug angepaßte hohe Ausstoßgeschwindigkeit
zu erhalten.
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Sie
betrifft insbesondere eine Antriebsvorrichtung, die zwei unterschiedliche
Ausführungen umfaßt; eine
für das
Abheben, das Landen und den Unterschall-Reiseflug und die andere für den Überschall-Reiseflug.
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Bei
der Entwicklung eines handelsüblichen Überschallflugzeugs
stellt sich vor allem die Aufgabe des geringen Motorgeräuschs des
Flugzeugs bei dessen Abheben, Aufsteigen und Landen. Denn um zertifiziert
zu sein, müssen
nun alle Flugzeuge die Vorschriften hinsichtlich Geräuscharmut
beim Abheben und beim Landen einhalten.
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Darüber hinaus
müssen
die Motoren von Überschallflugzeugen
auch den Anforderungen hinsichtlich des geringen Luftwiderstands
der Gondeln beim Überschallflug,
des geringen spezifischen Verbrauchs beim Überfliegen bewohnter Gebiete
mit Unterschallfluggeschwindigkeit und der Reduzierung der umweltverschmutzenden
Stickstoffoxidemissionen in der Nähe der Ozonschicht in großer Höhe gerecht
werden.
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Um
diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, haben
die Hersteller von Motoren einen Motor mit variablem Zyklus für den Antrieb
von Überschallflugzeugen
vorgeschlagen. Typischerweise umfaßt diese Art von Motor einen
Gaserzeuger und wenigstens ein Gebläse, wobei letzteres ermöglicht,
das Nebenstromverhältnis
des Motors einzustellen und folglich den Lärm zu verringern. Dieser Motor
weist zwei unterschiedliche Ausführungen
auf; eine für
den Unterschall-Reiseflug,
das Abheben und das Landen mit hohem Nebenstromverhältnis und die
andere für
den Überschall-Reiseflug
mit niedrigem Nebenstromverhältnis,
da eine gewisse Inkompatibilität
zwischen diesen beiden Flugphasen hinsichtlich des Betriebs des
Motors besteht.
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Denn
die Anforderung hinsichtlich der Geräuscharmut des Motors beim Abheben
und beim Landen impliziert insbesondere eine geringe Ausstoßgeschwindigkeit
der Gase beim Abheben und bei Unterschallfluggeschwindigkeit, was
mit einem Überschall-Reiseflug, der eine
hohe Ausstoßgeschwindigkeit
der Gase erforderlich macht, im Widerspruch steht.
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Nun
hängt aber
der Geräuschpegel
von der Ausstoßgeschwindigkeit
der Gase ab, und um diesen auf ein akzeptables Niveau zu senken,
muß diese Geschwindigkeit
heute unter 400 Metern pro Sekunde liegen, was einer Schwelle von
103 dB (300 m/s also 90 dB ab 2006 entsprechend den neuen Verordnungen)
entspricht. Eine solche Ausstoßgeschwindigkeit
impliziert folglich einen Motor mit geringem spezifischen Schub,
was einem hohen Nebenstromverhältnis,
d.h. einem hohen Luftwiderstand im Überschall-Reiseflug entspricht.
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Somit
versuchen die seitens der Hersteller vorgeschlagenen Motoren mit
variablem Zyklus, den geringen Geräuschpegel beim Abheben und
beim Landen mit einem geringen spezifischen Verbrauch im Unterschallflug
und einem hohen spezifischen Schub im Überschallflug in großer Höhe zu kombinieren.
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Es
sind mehrere Konzepte von Motoren mit variablem Zyklus bekannt,
jedoch bietet die Änderung
des Nebenstromverhältnisses
dieser Motoren keine gute Optimierung bei der Unterschall- und Überschallausführung.
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Denn
für eine
Ausstoßgeschwindigkeit
der Gase von kleiner oder gleich 400 m/s ist eine Motorgondel mit
großem
Durchmesser erforderlich, und all die heute bekannten Motoren mit
variablem Zyklus, insbesondere diejenigen, welche in den Patenten
FR 2 513 679, FR 2 688 271 und FR 2 685 385 beschrieben sind, erfordern
einen stirnseitigen Querschnitt der Gondel, der größer ist
als derjenige, der für
den Überschall-Reiseflug
optimiert ist, wenn das Gebläse mit
dem Motor verbunden und darin integriert ist.
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Aus
dem amerikanischen Patent
US 5,529,263 ist
beispielsweise die Beschreibung eines Überschallflugzeugs bekannt,
das eine Antriebseinheit für
das Abheben, das Landen und den Unterschall-Reiseflug sowie zwei
an den Überschall-Reiseflug
angepaßte
Triebwerke aufweist. Die Antriebseinheit ist von zusätzlichen,
einklappbaren Turbostrahltriebwerken mit hohem Nebenstromverhältnis gebildet,
was zahlreiche Nachteile, insbesondere hinsichtlich Raumbedarf und
Gewicht für
das Gerät aufweist.
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Es
sind auch das Patent
US 4,222,235 und der
Artikel aus der Zeitschrift „Flight
International" vom
1. Januar 2000 mit dem Titel „Supersonic
Boom" bekannt, die
Motoren mit variablen Zyklus für
Flugzeuge mit senkrechtem Abheben offenbaren.
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Gegenstand
der Erfindung
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es folglich, derartige Nachteile
dadurch zu beheben, daß eine
Antriebsvorrichtung mit variablem Zyklus für Überschallflugzeuge vorgeschlagen
wird, welche die beiden Ausführungen,
Unterschall- und Überschallausführung, insbesondere
dank der Verwendung eines oder mehrerer getrennter Hilfsgebläse(s) mit
großem
Durchmesser klar trennt.
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Zu
diesem Zweck ist eine Antriebsvorrichtung mit variablem Zyklus für Überschallflugzeuge vorgesehen,
umfassend wenigstens zwei Triebwerke, die geeignet sind, einen Schub
für die Überschallfluggeschwindigkeiten
zu erzeugen, sowie wenigstens eine von den genannten Triebwerken
getrennte Hilfsantriebseinheit, die geeignet ist, einen ergänzenden
Schub für
das Abheben, die Landung und die Unterschallfluggeschwindigkeiten
zu erzeugen, wobei die genannte Vorrichtung dadurch gekennzeichnet
ist, daß die
Hilfsantriebseinheit keinen Gaserzeuger aufweist und daß Mittel
zur Übertragung
eines Teils der durch die Triebwerke erzeugten mechanischen Leistung
zu der Hilfsantriebseinheit, damit diese einen ergänzenden
Schub für
das Abheben, die Landung und den Unterschall-Reiseflug erzeugt,
sowie Mittel zum Entkuppeln der Übertragungsmittel
für den Überschall-Reiseflug
vorgesehen sind, wobei die Hilfsantriebseinheit angepaßt ist,
um in einem Rumpf des Flugzeugs derart untergebracht zu werden,
daß der
Luftwiderstand im Überschall-Reiseflug verringert
wird.
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Somit
verwendet die Hilfsantriebseinheit beim Abheben, beim Landen und
während
des Unterschall-Reiseflugs Ressourcen (mechanische Energieerzeugung)
der Triebwerke.
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Die
Hilfsantriebseinheit umfaßt
wenigstens ein Gebläse,
das dimensioniert ist, um den gewünschten Schub mit dem erforderlichen
Nebenstromverhältnis
zu erzeugen. Die mechanische Leistung kann an einer Turbinenwelle,
beispielsweise an der Niederdruckturbinenwelle des Triebwerks oder der
Triebwerke entnommen und kann über
eine mechanische Übertragungsvorrichtung
auf die Welle des Gebläses übertragen
werden. Eine Kupplungsvorrichtung vom Typ Kupplung ist an der mechanischen Übertragungsvorrichtung
zwischengeschaltet, um mechanische Leistung zu der Hilfsantriebseinheit selektiv
abzuzweigen oder nicht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsformen ohne jeglichen
einschränkenden
Charakter, anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen. In den
Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Teilansicht eines Flugzeugs mit einer Antriebsvorrichtung
nach einer ersten Ausführungsform
der Erfindung in der Ausführung
für das
Abheben, das Landen und den Unterschall-Reiseflug sowie für den Überschall-Reiseflug;
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2 eine
schematische Teilansicht eines Flugzeugs mit einer Antriebsvorrichtung
nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung in ihren beiden Verwendungsausführungen.
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Detaillierte
Beschreibung von Ausführungsformen
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Nimmt
man Bezug auf 1, in der ein Längsschnitt
einer Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung schematisch
dargestellt ist, sieht man, daß diese
insbesondere von zwei Triebwerken 1 und 1' gebildet ist.
Diese Triebwerke sind herkömmlicherweise
in (nicht dargestellten) Gondeln angeordnet, die im allgemeinen
mit der Unterseite eines Flugzeugstragflügels verbunden sind.
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In
bekannter Weise können
diese Triebwerke vom Typ Einstrom-Triebwerk mit einfachem, zweifachem
oder dreifachem Körper
oder aber vom Typ Zweistrom-Triebwerk
mit einfachem, zweifachem oder dreifachem Körper sein. In diesem Ausführungsbeispiel
umfassen sie vor allem jeweils einen Lufteinlaß 2, einen Verdichtungsabschnitt 4,
eine Brennkammer 6, eine Hochdruckturbine 8, einen
Abschnitt 10 zum Ausstoßen der Verbrennungsgase sowie
eine Niederdruckturbine 12, die eine Niederdruckwelle 14 drehantreibt.
Die Triebwerke sind ferner optimal für den Überschall-Reiseflug (längste Flugperiode)
dimensioniert. Der Abschnitt zum Ausstoßen der Gase schließt mit einer
Düse 15 mit
variablem Querschnitt ab, um das Entspannungsverhältnis der
Niederdruckturbine zu steuern.
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Des
weiteren umfaßt
die Antriebsvorrichtung – immer
noch nach dieser ersten Ausführungsform der
Erfindung – auch
eine Hilfsantriebseinheit 16, die von den zwei Triebwerken 1 und 1' getrennt ist
und die keinen Gaserzeuger aufweist. Diese besteht vor allem aus
zwei gegenläufigen
Gebläsen 18a und 18b mit
vorteilhafterweise großem
Durchmesser. Diese Hilfsantriebseinheit wird zum Abheben, Landen
und für
den Unterschall-Reiseflug entsprechend einer Ausführung eingesetzt,
die weiter unten im Detail erläutert
wird.
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Selbstverständlich könnte die
Antriebseinheit 16 ein einziges Gebläse, beispielsweise mit großer Profiltiefe
aufweisen, das über
die zwei Triebwerke 1 und 1' gesteuert wird.
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Außerdem sind
Mittel 20, 20' zum Übertragen
eines Teils der durch die Triebwerke 1 und 1' erzeugten mechanischen
Leistung vor allem von einem herkömmlichen System zur mechanischen Übertragung
mit Winkelvorgelegen 22, 22' gebildet, die mit Zahnkränzen 24 und 24' gekoppelt sind,
die an den Niederdruckwellen 14 und 14' der genannten
Triebwerke angeordnet sind. Diese Zahnkränze übertragen die Drehbewegung
der Niederdruckwellen mittels Übertragungswellen 26, 26' und mit Hilfe
von Winkelvorgelegen 28, 28', die mit den Rotationswellen 30, 30' der Gebläse 18a und 18b gekoppelt
sind, auf die Antriebseinheit 16.
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Systeme
zum Kuppeln/Entkuppeln 32 und 32' ermöglichen, einen Teil der durch
die Triebwerke 1 und 1' erzeugten mechanischen Leistung
selektiv zu der Antriebseinheit 16 umzuleiten oder nicht.
Sie sind zwischen den Wellen 14, 14' einerseits und den Wellen 30, 30' andererseits
zwischengeschaltet und sind beispielsweise an den Übertragungswellen 26 und 26' angeordnet.
Diese Systeme werden synchron gesteuert. Sie sind von einem Typ,
der für
eine mechanische Übertragung
mittels Welle bekannt ist und werden daher nicht im Einzelnen beschrieben.
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In 1 ist
zu sehen, daß die
Gebläse 18a und 18b direkt
in den rückwärtigen Teil
des Rumpfes des Flugzeugs integriert sind. Verschließbare (seitliche,
wie dargestellt, und/oder unterseitige) Schlitze 34 sind
ebenfalls an dem Rumpf des Flugzeugs vorgesehen, um die Luftversorgung
der Gebläse 18a und 18b während des
Abhebens, der Landung und des Unterschall-Reiseflugs sicherzustellen,
und Strahlrohre 36 sind ausgeklappt, um den Luftstrom, welcher
den Schub während
dieser Flugphasen erzeugt, abzuführen.
Im Überschall-Reiseflug
sind die Schlitze 34 nach dem Entkuppeln und Anhalten der Gebläse verschlossen,
und die Strahlrohre 36 sind eingeklappt.
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Es
wird nun die Funktionsweise der Antriebsvorrichtung nach dieser
ersten Ausführungsform
der Erfindung, in ihren beiden möglichen
Ausführungen (Phase
des Abhebens, des Landens und des Unterschall-Reiseflugs sowie Phase
des Überschall-Reiseflugs) beschrieben.
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Im
Laufe des Abhebens, des Landens und im Unterschallflug befinden
sich die Systeme zum Kuppeln/Entkuppeln 32, 32' im Kupplungsmodus,
und die Triebwerke 1 und 1' treiben die Gebläse 18a, 18b an. Aufgrund
der Entnahme eines Teils der durch die Niederdruckwellen 14, 14' erzeugten mechanischen Leistung
für den
Drehantrieb der Gebläse 18a und 18b der
Antriebseinheit 16 ist die Ausstoßgeschwindigkeit der Triebwerke 1, 1' erheblich verringert.
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Die
Antriebsvorrichtung arbeitet somit mit hohem Nebenstromverhältnis und
mit geringer Ausstoßgeschwindigkeit,
was an die Phasen des Abhebens, des Landens und des Unterschall-Reiseflugs gut
angepaßt
ist, wobei gleichzeitig den Anforderungen hinsichtlich Lärm und geringem
spezifischen Verbrauch leichter entsprochen wird. Unter Nebenstromverhältnis versteht
man das Verhältnis
zwischen der ausgestoßenen
Luftmasse, die durch die Gebläse
erzeugt wird, und der Masse der ausgestoßenen Abgase, die durch die
Triebwerke 1, 1' erzeugt werden.
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Der Übergang
zwischen der Phase des Unterschall-Reiseflugs und der Phase des Überschall-Reiseflugs
erfolgt nun durch Entkuppeln der mechanischen Übertragungen an den Wellen 26, 26'. Allein die
Triebwerke 1 und 1' gewährleisten
nun den Antrieb des Flugzeugs und ermöglichen diesem, Überschallfluggeschwindigkeiten
zu erreichen. Die Vorrichtung arbeitet somit mit einem sehr geringen Nebenstromverhältnis (das
gar null ist) und einer hohen Ausstoßgeschwindigkeit (was wohl
einem hohen spezifischen Schub entspricht).
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Die
Aufnahme der Gebläse 18a und 18b in dem
Rumpf bewirkt, daß der
Luftwiderstand im Überschall-Reiseflug
vermindert ist.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung (vgl. 2) umfaßt die Antriebsvorrichtung zwei
Triebwerke 1 und 1',
die unabhängig
zwei Hilfsantriebseinheiten 16 und 16' steuern.
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Wie 2 zeigt,
ist zu erkennen, daß die
Gebläse 18a und 18b jeweils
von einem einzigen der Triebwerke 1 und 1' gesteuert werden
und in einem rückwärtigen Teil
des Rumpfes des Flugzeugs untergebracht sind. Aus Gründen des
Platzbedarfs könnten
diese Gebläse
auch entlang der Hauptachse des Flugzeugs zueinander versetzt sein.
Außerdem
sind an dem Rumpf verschließbare
Schlitze 34 ausgebildet, um die Antriebseinheiten 16 und 16' mit Luft zu versorgen,
und ausklappbare Strahlrohre 36 ermöglichen, die Luft abzuführen, um
den Schub während des
Abhebens, der Landung und des Unterschallreiseflugs zu erzeugen.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht,
bei einem Ausfall von einer der Antriebseinheiten die andere Hilfsantriebseinheit
weiterhin zu versorgen.
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Selbstverständlich ist
jede andere Ausführungsform
denkbar, indem ein oder mehrere Triebwerke) mit einer oder mehreren
Antriebseinheit(en) kombiniert wird bzw. werden.
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Die
vorliegende Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben ist, weist
zahlreiche Vorteile und insbesondere folgende auf:
- – die
Antriebsvorrichtung ermöglicht,
beim Abheben und beim Landen eine Ausstoßgeschwindigkeit der Gase zu
erzielen, die unter 400 m/s (ja sogar nahe 300 m/s) liegt, was einem
Geräuschpegel
von unter 103 dB (90 db bei einer Geschwindigkeit von unter 300
m/s) entspricht;
- – das
getrennte Hilfsgebläse
ermöglicht,
den Massenstrom des Triebwerks, das als ein Strahltriebwerk mit
hohem Nebenstromverhältnis
arbeitet, um 150 bis 160% zu erhöhen;
- – der
Schub der Antriebsvorrichtung kann, ohne Zurückgreifen auf eine Nachverbrennung,
um etwa 50 bis 60% größer als
der des Triebwerks alleine sein, und der Schub des Gebläses kann gleich
oder nahe mehr als die Hälfte
des Gesamtschubes sein;
- – die
Entnahme von mechanischer Leistung ermöglicht, die Ausstoßgeschwindigkeit
um etwa 25 bis 30% zu verringern, wodurch die Verwendung von Ejektoren/Mischern
oder von sperrigen Schalldämpfern
vermieden wird;
- – eine
starke Verringerung des spezifischen Verbrauchs im Unterschallflug
kann dank eines hohen Nebenstromverhältnisses erzielt werden, das mit
dem der Unterschallflugzeuge gleichwertig ist;
- – die
Antriebsvorrichtung verwendet ein oder mehrere Triebwerke) mit konventionellem
Aufbau, wodurch die Ausfallrisiken, die häufig mit den neuen Technologien
verbunden sind, begrenzt werden;
- – bei
einem mechanischen Ausfall und anschließendem Entkuppeln einer Hilfsantriebseinheit kann
der Übergang
des im Direktstrahl entkuppelten Triebwerks zu voller Leistung ermöglichen,
einen Schub aufrechtzuerhalten, der ausreicht, um das Abheben fortzusetzen
und um anschließend die
Landung zu gewährleisten,
wobei die Sorge nicht mehr darin besteht, die Geräuschnormen einzuhalten,
sondern dem Flugzeug jedweden Unfall zu ersparen.
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Selbstverständlich bleibt
zu sagen, daß die vorliegende
Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist,
sondern alle Varianten umfaßt.