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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Schubumkehr für Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerke,
und sie bezieht sich spezieller auf eine Verbesserung von Strömungsumlenkgittern,
die auch als Strömungsablenkgitter
bezeichnet werden, die in solchen Vorrichtungen verwendet werden.
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Stand der Technik
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Klassischerweise
ist ein Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk mit einem Leitungskanal
hinter dem Gebläse
ausgerüstet,
dessen Zweck es ist, die als kalt bezeichnete sekundäre Strömung zu
kanalisieren. Dieser Leitungskanal ist aus einer Innenwand, die
die eigentliche Struktur des Motors hinter dem Gebläse umgibt,
und aus einer Außenwand
gebildet, deren stromaufwärtiger
Teil das Motorgehäuse stetig
fortsetzt, das dieses Gebläse
umgibt. Diese Außenwand
kann zugleich die sekundäre
Strömung und
die primäre
Strömung
in ihrem stromabwärtigen Teil
kanalisieren, und dies im Fall einer Triebwerksgondel mit beispielsweise
gemischter Strömung
oder konfluierender Strömung
hinter dem Ausstoß der
als warm bezeichneten primären
Strömung.
Dem gegenüber
kanalisiert die Außenwand
im Fall von Triebwerksgondeln mit sogenannter getrennter Strömung nur
die sekundäre
Strömung.
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Eine
Wand kann außerdem
der Außenseite des
Motors eine Stromlinienform geben, d.h. der Außenseite des Gehäuses, das
das Gebläse
umgibt, und der Außenseite
der Außenwand
der vorstehend genannten Leitung, wobei dies zu dem Zweck erfolgt, den
Schweif an der Antriebsanordnung zu minimieren, insbesondere im
Fall von Antriebsanordnungen, die an der Außenseite eines Luftfahrzeugs
angebracht sind, wie solchen, die beispielsweise auf oder unter
den Flügeln
oder am Heck des Flugzeugrumpfs befestigt sind.
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Das
Dokument
WO 94/24430 beschreibt eine
Gittervorrichtung zur Bildung einer Umkehrströmung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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1 bis 3 veranschaulichen
ein bekanntes Ausführungsbeispiel
eines Schubumkehrers mit Ablenkgittern, der bei einem Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk
eingesetzt wird.
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Ein
solcher Luftstrahltriebwerk-Schubumkehrer 10 weist eine
bewegliche Abdeckung 12 auf, die vorteilhafterweise aus
zwei zylindrischen Halbteilen aufgebaut ist und beim Betrieb des
Turboluftstrahltriebwerks mit direktem Schub ganz oder teilweise
das stromabwärtige
Ende der Außenwand
des ringförmigen
Kanals 14 zur Zirkulation des Stroms der sekundären Strömung bildet,
und die geeignet ist, mittels eines (nicht dargestellten) Steuersystems
axial in stromabwärtiger
Richtung verschoben zu werden, das beispielsweise an dem stromaufwärtigen Teil
des Umkehrers befestigte Steuerzylinder aufweist. Eine Verschiebung
der Abdeckung nach stromabwärts
bewirkt die Verschwenkung einer Mehrzahl an Klappen 16 mittels
Verbindungsgestängen 18,
die mit einem Schwenkpunkt der Innenwand 20 des Ringkanals 14 verbunden
sind, wobei diese Klappen den Kanal verschließen und die Strömung ablenken,
um eine Umkehrströmung
zu bilden, deren Führung
mittels einer Gittervorrichtung 22 erhalten wird, die auf
dem Außenumfang
des Kanals angeordnet ist und deren nebeneinander angebrachten Gitter nach
der Verschiebung der Abdeckung nach stromabwärts nicht bedeckt sind. Diese
Gitter weisen in einer oder zwei Richtungen gemäß der für die Umkehrströmung gewünschten
Richtung mehr oder weniger gekrümmte
Schaufeln auf. Bei der Schubumkehr ist es nämlich notwendig, die Richtung
der Strömung, die
durch bestimmte Gitter der Vorrichtung hindurchgeht, auf bestimmte
Weise zu orientieren, damit die Luft nicht auf unerwünschte Bereiche
des Flugzeuges auftrifft und der direkte Kontakt mit dem Boden vermieden
wird, um die Möglichkeit
einer Aufnahme dieser Luft durch den Motor, der diese Strömung erzeugt,
oder eines nahen Motors durch Rückprall
zu minimieren oder sogar auszuschließen. Diese besondere Orientierung
der Schaufeln vermeidet außerdem
die Beaufschlagung der Strukturen des Flugzeugs mit jeglichen im
Bereich des Rollfelds vorhandenen Hindernissen durch dasselbe Rückprallphänomen.
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In
der dargestellten Gittervorrichtung ist jedes Gitter in einem parallel-epipedischen
Rahmen montiert, um einerseits die Installation und den Austausch
an der Struktur der Triebwerksgondel zu erleichtern, insbesondere
bei Wartungsarbeiten, wo die Stillstandszeit eine sehr große Bedeutung
hat und demgemäß so gering
wie möglich
sein muss, und andererseits eine bessere Aerodynamisierung der Umkehrströmung zu
gewährleisten,
da die Breite des Luftdurchgangs über die Dicke des Gitters am
Eingang und am Ausgang näherungsweise
die gleiche sein muss. Zu diesem Zweck ist die aerodynamische Ausgestaltung
der Querschaufeln 24A (wobei die Längsschaufeln 24B gerade
sind) der Gitter so gewählt,
dass die Schubströmung,
die durch sie hindurchgeht, in eine Umkehrströmung umgewandelt wird, die
vorteilhafterweise zur Vorderseite der Triebwerksgondel gerichtet
ist.
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Die
Befestigung jedes Gitters an der Struktur der Triebwerksgondel wird
klassischerweise durch Schrauben 23 gewährleistet, die einerseits durch
einen vorderen Querrand 22A hindurchgehen und in einem
vorderen Strukturteil 26 des Umkehrers festgelegt sind,
und andererseits durch einen hinteren Querrand 22B hindurchgehen
und in einem hinteren Strukturteil 28 des Umkehrers festgelegt
sind. Demgegenüber
sind die benachbarten oder dazwischenliegenden Gitter nicht über ihre
parallelen Längsränder 22C untereinander
verbunden, wobei sich ein seitlicher Spalt 30 demgemäß zwischen
jedem Gitter der Gittervorrichtung des Schubumkehrers einstellt.
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Unter
Berücksichtigung
der Herstellungs- und Installationstoleranzen kann sich dieser Spalt
als hinreichend groß erweisen,
um einen Luftverlust 32 in einer vertikalen, sogar zur
Rückseite
der Triebwerksgondel gerichteten Richtung zu erzeugen, der bei der
Schubumkehr besonders groß ist
und die Wirksamkeit der zwei Umkehrströmungen 34 reduzieren
kann, die direkt beidseits dieses Verlusts 32 aus den Gittern
austreten, was somit einen Schub zur Rückseite der Triebwerksgondel derart
erzeugt, dass das aerodynamische Abbremsverhalten des Flugzeugs
deutlich reduziert ist.
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Dieses
Verlustproblem verstärkt
sich mit einer Ausgestaltung der Gitter mit seitlichem Austritt wie
in 4 dargestellt und bei der, gemäß der gewünschten Strömungsumkehrrichtung, die Längsschaufeln 24B dieser
Gitter in gleicher Richtung mehr oder weniger gekrümmt sind.
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In
dieser Ausgestaltung ist der Spalt 31 größer als
der entsprechende Spalt bei einem Gitter auf parallel-epipedischer
Basis (Beispiel in 3), und die negative Wirkung
der Verlustströmung 32 auf
die Umkehrströmung,
die unmittelbar mit ihr in Berührung
steht, ist dadurch verstärkt.
Um diese negative Wirkung zu kompensieren, wird klassischerweise eine
winklige Anordnung der Querschaufeln 24A vorgesehen, wodurch
die Notwendigkeit folgt, die Längsschaufeln 24B zur
viel geschlosseneren Vorderseite der Triebwerksgondel zu verlängern, was eine
Erhöhung
der Länge
der Gitter erfordert, um den gleichen Luftdurchgangsquerschnitt
zu erhalten, was eine Erhöhung
der Masse zahlreicher Bauteile, insbesondere der Steuerzylinder
bedingt, was seinerseits die Zuverlässigkeit dieser Organe berührt.
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Ziel und Aufgabe der Erfindung
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Die
Erfindung hat eine Gittervorrichtung zur Ablenkung zur Aufgabe,
die diese Nachteile behebt. Ein Ziel der Erfindung ist es außerdem,
einen Schubumkehrer vorzuschlagen, der eine leichte Installation
und einen leichten Austausch oder eine leichte Wartung jedes Bauteils
der Triebwerksgondel, insbesondere der Gitter ermöglicht.
In Abhängigkeit
der Position der Triebwerksgondel an den Flügeln des Flugzeugs, beispielsweise
bei einem viermotorigen Flugzeug, kann nämlich die Ausgestaltung der
Strömungsumkehrung
von einer Triebwerksgondel zur anderen unterschiedlich sein. Dies
erfordert es, einen Satz von Gittern mit verschieden ausgestalteten Schaufeln
bereitzustellen, die jedoch untereinander anpassbar und austauschbar
sind.
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Diese
Ziele werden durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht, d.h.
durch eine Gittervorrichtung zur Bildung einer Umkehrströmung aus
einer Schubströmung
eines Turboluftstahltriebwerks, mit einer Mehrzahl an Strömungsumlenkgittern,
die nebeneinander an dem äußeren Umfang
eines ringförmigen
Kanals zur Zirkulation der Schubströmung angeordnet sind, wobei
jedes Gitter aus einer Mehrzahl an inneren Querschaufeln und inneren
Längsschaufeln
gebildet ist, die zueinander gekreuzt sind, wobei zwei benachbarte
Gitter durch einen seitlichen Spalt getrennt sind, der eine Verlustströmung erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Zurückleiten der Verlustströmung in
eine Richtung aufweist, die die Wirksamkeit der Umkehrströmung vergrößert.
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Die
Verluste sind somit begrenzt und es wird eine Zurückleitung
der aus den Gittern austretenden Strömung in die gewünschte Richtung
erhalten.
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Vorteilhafterweise
weisen die Mittel zum Zurückleiten
der Verlustströmung
aerodynamische Ansatzstücke
auf, die an zumindest einer oder an beiden äußeren Längsrändern jedes Gitters angebracht sind,
wobei der äußere Längsrand
des Gitters vorzugsweise durch eine Längsschaufel gebildet ist.
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Vorzugsweise
weisen die aerodynamischen Ansatzstücke eine Mehrzahl an Querschaufelenden auf,
und jedes Schaufelende der Mehrzahl an Querschaufelenden eines bestimmten
Gitters weist eine Krümmung
auf, die identisch oder unterschiedlich zu derjenigen der inneren
Querschaufeln des Gitters ist. Jedes Schaufelende der Mehrzahl an
Querschaufelenden eines bestimmten Gitters kann in stetiger Fortsetzung
der inneren Querschaufeln des Gitters angeordnet sein und die Mehrzahl
an Querschaufelenden kann im Vergleich zu den inneren Querschaufeln
eines selben Gitters in unterschiedlicher Anzahl angeordnet sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung sind die Anzahl und die Krümmung der
Mehrzahl an Querschaufelenden unabhängig von der Anzahl und der
Krümmung
der inneren Querschaufeln für
alle Gitter der Vorrichtung identisch. Somit ist es möglich, die
aerodynamischen Ansatzstücke
an das Äußere der
geschwungenen Längsschaufeln
in der ursprünglichen
parallel-epipedischen Einhüllenden
anzupassen und die Installation einer beliebigen Konfiguration an
Gittern untereinander zu ermöglichen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser anhand der Lektüre der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verstanden,
in denen:
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1 eine
schematische Halbansicht eines Schubumkehrers mit Ablenkgittern
gemäß dem Stand
der Technik im Längsschnitt
zeigt, der in Schließstellung
dargestellt ist,
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2 eine
schematische Halbansicht des Schubumkehrers in 1 in
einem Schnitt in der Ebene der Gitter zeigt,
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3 eine
Vergrößerung der 2 zeigt,
die die gemeinsame Anordnung der Ablenkgitter veranschaulicht,
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4 eine
Anordnung ähnlich
zu derjenigen in 3 zeigt, die bei einer Variante
des Standes der Technik angewandt wird,
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5A eine
schematische Halbansicht eines Schubumkehrers mit Ablenkgittern
gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Längsschnitt
zeigt, der in einer halboffenen Stellung gezeigt ist,
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5B eine
teilweise Draufsicht auf den Schubumkehrer in 5A darstellt,
die begrenzt auf seine Gittervorrichtung ist,
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5C eine
Anordnung ähnlich
zu derjenigen in 3 zeigt, die bei dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in 5A und 5B angewandt
wird,
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6 eine
Anordnung ähnlich
zu derjenigen in 3 zeigt, die bei einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung angewandt wird,
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7 eine
Vergrößerung eines
Endteils eines Ablenkgitters zeigt, das in 6 gezeigt
ist,
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8 eine
perspektivische seitliche Anordnung zweier gemeinsamer Gitter gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt,
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9 eine
perspektivische seitliche Anordnung zweier gemeinsamer Gitter gemäß einer
Variante des zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung zeigt, und
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10 eine
Anordnung ähnlich
zu derjenigen in 3 zeigt, die bei einem dritten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung angewandt wird.
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Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das bei einem Schubumkehrer mit einer Austrittsströmung nach
vorn (d.h. in einer Richtung, die der Schubrichtung des Flugzeugs
entgegengesetzt ist) ist in 5A bis 5C dargestellt. 5A ist eine
schematische Halbansicht eines Schubumkehrers mit Ablenkgittern
im Längsschnitt,
deren Abdeckung in einer halboffenen Stellung dargestellt ist. 5B ist
eine Teildraufsicht auf die Triebwerksgondel, wobei die offene Abdeckung
die Gitter des Schubumkehrers freilegt, und 5C zeigt
die Schnittstelle zwischen zwei benachbarten oder gemeinsamen Gittern 22 im
Detail.
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Erfindungsgemäß weist
die Gittervorrichtung (auch als Kaskade bezeichnet) Mittel zum Zurückleiten
der parasitären
Strömung,
die durch die Verlustluft 32 erzeugt wird und die anfänglich bestenfalls neutral
ist oder im schlimmeren Fall Schuberzeuger ist, nach vorn auf, um
so die Wirksamkeit der Umkehrströmung
zu erhöhen.
Dazu wurden aerodynamische Ansatzstücke in Form von Querschaufelenden 36 angefügt, die
an einem äußeren Längsrand 22C jedes
Gitters 22 derart angebracht sind, dass sie den Raum ausfüllen, der
aus der kreisförmigen
Anordnung der Gittervorrichtung resultiert. Jedes Gitter ist klassischerweise
durch eine Mehrzahl an inneren Querschaufeln 24A und inneren
Längsschaufeln 24B,
die miteinander gekreuzt sind, gebildet. Außerdem sind diese zusätzlichen
Ansatzstücke
vorteilhafterweise in der Verlängerung
der Querschaufeln 24A angeordnet und weisen jeweils eine
Krümmung
auf, die mit derjenigen der Querschaufeln identisch ist. Somit wird
der Verlust durch die Schaufelenden sofort aufgegriffen, was ihm
dann ebenso wie die Querschaufeln eine Richtung zur Vorderseite
der Triebwerksgondel verleiht. Diese Ausgestaltung ist jedoch nicht
zwingend, und die Schaufelenden 36 können unterschiedlich angeordnet
sein, d.h. sie müssen nicht
mit den Querschaufeln ausgerichtet sein. Die Anzahl an Schaufelenden
kann auch von der Gesamtanzahl an Querschaufeln unterschiedlich
sein. Die Krümmung
dieser Schaufelenden kann von derjenigen der Querschaufeln unterschiedlich
sein. Schließlich
kann jedes Schaufelende eine Ausgestaltung aufweisen, die sich von
ihrem Nachbar ebenso wie jeder Abstand unterscheidet. Außerdem verleiht diese
Anfügung
von Schaufelenden den Gittern einen trapezförmigen Querschnitt im Vergleich
zu ihrem ursprünglichen
rechteckigen Querschnitt, was somit die gesamte Oberfläche des
Luftdurchgangs durch die Gitter hindurch erhöht.
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6 ist
eine Ansicht, die einen Schnitt in der Achse der Triebwerksgondel
durch eine Ebene, die durch die Gitter hindurchgeht, einer Schubumkehrvorrichtung
mit seitlichem Austritt zeigt (d.h. in einer Richtung senkrecht
zur Schubrichtung des Flugzeugs).
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In
dieser Ausgestaltung weist die Gittervorrichtung Mittel zum Zurückleiten
der durch den Luftverlust 32 erzeugten parasitären Strömung in
die Richtung der Umkehrströmung
auf. Diese Mittel weisen Querschaufelenden 36, 38 auf,
die an den beiden äußeren Längsrändern 22C jedes
Gitters 22 derart befestigt sind, dass sie den durch den
ursprünglichen
längs verlaufenden
Spalt 31 erzeugten Raum ausfüllen, der aus den Krümmungen
der Querschaufeln 24B resultiert. Der Längsabschnitt der Schaufelenden 36, 38 ist
nicht mehr zu einer Achse 40 parallel, die durch den Mittelpunkt 42 der
Triebwerksgondel und dem Mittelpunkt des Gitters 22 hindurchgeht, sondern
ist nun zu einer Achse 44 parallel, die durch den Mittelpunkt 42 der
Triebwerksgondel und die Mitte des längs verlaufenden Restspalts 46 hindurchgeht.
Das Gitter 22 besitzt somit eher eine „trapezförmige" Ausgestaltung und nicht mehr eine parallel-epipedische
Form, was wie vorstehend erwähnt die
Strömungsführungsoberfläche geringfügig erhöht.
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Zwei
Vorteile gehen außerdem
aus dieser Ausgestaltung hervor. Der erste besteht in einem Restverlust 48,
der sich auf Abmessungen bezieht, die mit einer Ausgestaltung der
Gitter mit Austritt nach vorne vergleichbar ist. Der zweite besteht
in einem sofortigen Aufgreifen dieses Restverlustes durch die Schaufelenden,
die ihm dadurch eine zur Umkehrströmung parallele Richtung verleihen,
der zur Vorderseite der Triebwerksgondel gerichtet ist und nicht
mehr neutral ist oder einen Schuberzeuger darstellt. Die Umkehrströmungen 34,
die aus den dem Verlust 48 unmittelbar benachbarten Schaufeln austreten,
sind ihrerseits weniger stark verwirbelt. Daraus ergibt sich eine
bessere Wirksamkeit der Umkehranordnung, was im Vergleich zum Konzept
ohne Umänderung
der Verluste eine Verringerung der Länge der Gitter bei gleicher
Wirksamkeit ermöglicht.
Die Masse zahlreicher Bauteile, wie Betätigungszylinder zum Betätigen der
beweglichen Abdeckung ist reduziert und die Zuverlässigkeit
des Systems und der betrachteten Bauteile erhöht.
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Darüber hinaus
profitiert die Längsschaufel 24B in
Berührung
mit dem Schaufelende 38 von der trapezförmigen Erweitung der Ausgestaltung
des Gitters 22, wie in der Vergrößerung der 7 zu
sehen ist, und erhöht
somit die gesamte Oberfläche
des Luftdurchgangs durch dieses Gitter hindurch. Die ursprüngliche
Verlustzone ist somit durch geeignete Ansatzstücke ausgefüllt, was die Richtung der Umkehrströmung, die
durch diese Verlustspalte hindurchgeht, verbessert.
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8 zeigt
perspektivisch die Anordnung zweier benachbarter Gitter, wie sie
in 6 und 7 gezeigt sind. In dieser Ausgestaltung
sind die Querschaufelenden 36, 38 in stetiger
Fortsetzung der Querschaufeln 24A, die auch als innere
Querschaufeln bezeichnet werden, dargestellt. Diese Anordnung der
Schaufelenden ist jedoch nicht zwingend, insbesondere aufgrund der
Tatsache, dass jede Schaufelcharakteristik von einem Gitter zum
anderen unterschiedlich sein kann. So können die Schaufelenden 36 wie
in der vorangegangenen Ausführungsform
nicht mit den Schaufelenden 38 in Linie ausgerichtet sein.
Ebenso ist zu erkennen, dass die Charakteristiken der Schaufelenden 36, 38 speziell und
von den Querschaufeln 24A eines selben Gitters insbesondere
in der Form, Anzahl und Anordnung unterschiedlich sein, wobei diese
Parameter von dem Fachmann in Abhängigkeit der gewünschten Wirkung
gewählt
werden.
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9 zeigt
eine Lösung
dieses Problems durch eine einheitliche Charakteristik für die Querschaufelenden 36, 38.
Durch diese bemerkenswerte Ausgestaltung sind die Schaufelenden 36,
die bei einer beliebigen Gitterausgestaltung angewandt werden, stets
in Übereinstimmung
mit den Schaufelenden 38 einer beliebigen anderen Gitterausgestaltung, was
somit ein optimales aerodynamisches Leistungsverhalten bezüglich des
Verlustes gewährleistet.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 10 dargestellt. Man kann sich
nämlich vorstellen,
dass für
eine Gitterausgestaltung, die für jeden
Umkehrer identisch ist, die am besten angepasste Lösung darin
besteht, eine einheitliche Anordnung von Schaufelenden 50 bereitzustellen,
die auf einer Seite oder auf der anderen Seite des Gitters 22 angebracht
und derart dimensioniert ist, dass sie bis auf Montagespiel und
Toleranzen der vollständigen Breite
zwischen zwei Längsschaufeln 24B zweier
benachbarter Gitter entspricht. Das Gesamtleistungsverhalten ist
dadurch bei spürbarer
Verbesserung hinsichtlich eines Massenvorteils und Zuverlässigkeitsvorteils
verstärkt.
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Außerdem kann
diese Anordnung auf bereits in Betrieb befindliche Ausgestaltungen
leicht angewendet werden, ohne die Struktur umgebender Bauteile
zu an dern. Der Nutzen wird dann eine spürbare Verbesserung des Umkehrverhaltens
sogar für
eine gleiche angestrebte Wirksamkeit der Umkehrung des Umkehrers
vor dem An-Ort-und-Stelle-Bringen
des Satzes und die Möglichkeit
sein, die Drehzahl des Motors auf einem geringeren als üblicherweise
benutzten Niveau zu nutzen, was somit seine Lebensdauer erhöht.