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Die Erfindung betrifft Gasturbinentriebwerke und insbesondere
Schubumkehreinrichtungen für diese.
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Konventionelle Gasturbinentriebwerke haben einen Bläserabschnitt und
ein Kerntriebwerk, wobei der Bläserabschnitt einen größeren
Außendurchmesser besitzt als das Kerntriebwerk. Der Bläserabschnitt
und das Kerntriebwerk sind sequentiell um eine Längsachse angeordnet
und sind in einer Gondel eingeschlossen. Ein ringförmiger Weg von
Primärluftströmung geht durch den Bläserabschnitt und das
Kerntriebwerk, um Primärschub zu erzeugen. Ein ringförmiger Weg von
Kanal- oder Bläserströmung, der radial außerhalb des primären
Luftströmungswegs angeordnet ist, geht durch den Bläserabschnitt und
tritt durch die Bläserdüse aus, um Bläserschub zu erzeugen.
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Nach dem Aufsetzen wird eine Schubumkehreinrichtung aktiviert, um
das Flugzeug zu verlangsamen. Die Schubumkehreinrichtung verlangsamt
das Flugzeug, indem es verhindert, daß das Gasturbinentriebwerk
Vorwärts-Bläserschub erzeugt, und indem es Umkehrschub erzeugt, um
dem Vorwärts-Primärschub entgegenzuwirken. Die
Schubumkehreinrichtung ist in dem strömungsabwärtigen Bereich der
Gondel angeordnet und weist eine Verschiebehülse und eine Blockiertüre
auf, die jeweils eine eingefahrene und eine ausgefahrene Position haben.
In der eingefahrenen Position ist die Blockiertüre in einer im
wesentlichen parallelen Relation zu der Längsachse des Triebwerks
angeordnet. Bei Betätigung schwingt die Blockiertüre in die ausgefahrene
Position, um den Bläserströmungsweg zu blockieren und verhindert so,
daß Bläserströmung den Vorwärts-Bläserschub erzeugt. Bei Betätigung
verlagert sich die Verschiebehülse axial strömungsabwärts in die
ausgefahrene Position, um eine Mehrzahl von Kaskadeneinrichtungen zu
exponieren. Jede Kaskadeneinrichtung weist eine Mehrzahl von
Umdrehleitelementen auf, um die Bläserströmung zu führen. Da die
Blockiertüre den Weg der Bläserströmung blockiert, wird im
wesentlichen die gesamte Bläserströmung durch die
Kaskadeneinrichtungen umgelenkt. Die Umdrehleitelemente drehen die
Bläserströmung um, um Umkehrschub zu erzeugen, der dem Vorwärts-
Primärschub entgegenwirkt.
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Die neueren Generationen von Gasturbinentriebwerken haben tendenziell
längere Bläserlaufschaufeln, die ein größeres Volumen an
Bläserströmung erzeugen, was schließlich zu einem größeren Bläserschub
führt. Die Schubumkehreinrichtungen dieser neueren Triebwerke müssen
proportional größer sein, um das größere Volumen an Bläserströmung zu
bewältigen und den breiteren Bläserströmungsweg abzudecken.
Insbesondere muß die Blockiertüre so ausgebildet sein, daß sie länger ist,
um sich über den breiteren Bläserströmungsweg zu erstrecken. Auch
muß die Kaskadeneinrichtung so ausgebildet sein, daß sie länger ist, um
das größere Volumen der abgelenkten Bläserströmung zu bewältigen. Die
längere Kaskadeneinrichtung erzwingt die Verwendung einer längeren
Verschiebehülse, die an einem längeren Bahnensatz sich verlagert und
von einem Satz von längeren Aktuatoren betätigt wird. Die zusätzliche
Länge der Hardware setzt sich in ein schwereres Gasturbinentriebwerk
um. Wie in dem Technikgebiet bekannt, beeinflußt das zusätzliche
Gewicht nachteilig die Gesamtleistung des Flugzeugs. Das zusätzliche
Gewicht induziert zusätzlichen Luftwiderstand, der zu zusätzlichem
Kraftstoffverbrauch für den Betrieb des Triebwerks führt. Deshalb ist es
das Hauptziel bei der Gasturbinentriebwerksherstellung, eine
Gewichtszunahme darin zu vermeiden.
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Konventionelle Anordnungen zum Umkehren des Schubs eines
Turbinentriebwerks sind in den Dokumenten FR-A-2 69S 436 und US-A-
3,568,930 beschrieben. Das Dokument FR-A-2 695 436 beschreibt eine
Schubumkehreinrichtung mit schwenkbaren Türen, die eine perforierte
Verkleidung zur Geräuschunterdrückung und eine Reihe von internen
Kanälen haben, so daß ein Teil der Luft, der von den Türen eingefangen
wird, durch die Kanäle tritt, um ein Verstopfen der Perforationen zu
verhindern. Dieses Dokument befaßt sich jedoch nicht damit, wie das
größere Volumen der Bläserluftströmungscharakteristik moderner
Triebwerke ohne eine unakzeptable Zunahme in der Größe und bei dem
Gewicht der Hardware der Umkehreinrichtung bewältigt werden kann.
Das Dokument US-A-3,568,930 (auf dem der Oberbegriff des Anspruchs
1 basiert) beschreibt eine Anordnung, bei der ein Teil der Bläserluft an
einem Set von Blockiertüren vorbei leckströmt, so daß die
Umkehreinrichtungs-Ausströmfläche minimiert sein kann. Die
beschriebenen Türen sind jedoch durch die zusätzliche Komplexität der
Wirbelerzeuger zerstören, die den Vorwärtsschub belasten, der der Leck-
Bläserluft zuweisbar ist.
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Die Erfindung ist gegenüber der Offenbarung von US-A-3,568,930
dadurch gekennzeichnet, daß die Passagen in der Blockiertüre derart
angeordnet sind, daß sich in der ausgefahrenen Position der Blockiertüre
die Passagen von der Vorderfläche zu der rückwärtigen Fläche der
Blockiertüre in eine Richtung erstrecken, die im wesentlichen axial zu
dem Triebwerk ist.
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Damit beinhaltet bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung eine Schubumkehreinrichtung eines Gasturbinentriebwerks eine
Blockiertüre, die eine Leckströmung von etwas Bläserströmung durch
diese hindurch erlaubt, wenn die Blockiertüre ausgefahren ist, ohne einen
Vorwärtsschub zu erzeugen, wobei sie gleichzeitig die Menge an
Bläserströmung verringert, die durch eine Mehrzahl von
Kaskadeneinrichtungen treten muß. Die Blockiertüre beinhaltet eine
Mehrzahl von Passagen, welche es der Bläserströmung erlauben, durch
diese hindurch axial zu dem Triebwerk zu strömen. Die Passagen sind so
bemessen, daß sie eine gleichförmige Strömung liefern, wenn die
Bläserströmung durch die Blockiertüre tritt, und so nicht wesentlich zu
dem Vorwärtsschub des Triebwerks beiträgt.
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Da ein Teil der Bläserströmung als Leckströmung durch die Blockiertüre
strömt, ist das Volumen der verbleibenden Bläserströmung, das durch die
Mehrzahl von Kaskadeneinrichtungen umgelenkt werden muß, verringert
und kann deshalb von einer kürzeren Kaskadeneinrichtung bewältigt
werden. Eine kürzere Kaskadeneinrichtung führt zu einer kürzeren
zugehörigen Hardware. Die Verringerung bei der Länge der
Kaskadeneinrichtungen und der zugehörigen Hardware führt zu
beträchtlichen Gewichtseinsparungen bei dem Gasturbinentriebwerk ohne
die Triebwerksleistung zu beeinträchtigen.
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Die vorhergehend genannten und weitere Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden im Lichte der folgenden detaillierten Beschreibung von
beispielhaften Ausführungsformen davon deutlicher, wie sie in den
begleitenden Zeichnungen beschrieben sind, für die gilt:
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Fig. 1 ist eine vereinfachte, schematische Darstellung eines
Gasturbinentriebwerks mit einer Schubumkehreinrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung, die in einer
eingefahrenen Position gezeigt ist;
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Fig. 2 ist eine vergrößerte, vereinfachte Darstellung der
Schubumkehreinrichtung von Fig. 1 in einer ausgefahrenen
Position; und
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Fig. 3 ist eine vergrößerte, Teilschnittansicht einer Blockiertüre
der Umkehreinrichtung von Fig. 2 gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10
weist einen Bläserabschnitt 12 und ein Kerntriebwerk 14 auf, die
sequentiell um eine Längsachse 16 herum angeordnet sind. Das
Kerntriebwerk 14 und der Bläserabschnitt 12 sind in einer Gondel 18
eingeschlossen. Ein ringförmiger Weg von Primärluftströmung 20 tritt
durch den Bläserabschnitt 12 und das Kerntriebwerk 14 hindurch und
erzeugt Primärschub 22. Ein ringförmiger Weg von Bläserströmung 24,
der radial außerhalb des Wegs der Primärluftströmung 20 angeordnet ist,
umströmt das Kerntriebwerk 14 und strömt durch den Bläserabschnitt 12
und erzeugt Bläserschub 26.
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Ein Schubumkehrmechanismus 30, der detaillierter in der Fig. 2 gezeigt
ist, ist in dem strömungsabwärtigen Bereich der Gondel 18 angeordnet,
wobei eine Hinterkante 32 des Schubumkehrmechanismus 30 eine
Bläseraustrittsdüse 34 definiert. Der Schubumkehrmechanismus 30 weist
eine Mehrzahl von Blockiertüren 36, eine Mehrzahl von
Kaskadeneinrichtungen 38, eine Mehrzahl von Betätigern 40, eine
Mehrzahl von (nicht gezeigten) Bahnen und eine Verschiebehülse 42 auf.
Die Verschiebehülse 42 weist einen aerodynamisch geformten Körper 46
mit einer Ausnehmung 48 auf, welche die Kaskadeneinrichtungen 38
darin aufnimmt. Die Verschiebehülse 42 hat eine eingefahrene Position
und eine ausgefahrene Position. In der eingefahrenen Position, die in
Fig. 1 gezeigt ist, schließt die Verschiebehülse 42 die
Kaskadeneinrichtungen 38 in der Ausnehmung 48 ein. In die in der Fig.
2 gezeigte ausgefahrene Position bewegt sich die Verschiebehülse 42
axial strömungsabwärts, um die Kaskadeneinrichtungen 38 zu
exponieren. Jede Kaskadeneinrichtung 38 weist eine Mehrzahl von
Umdrehleitelementen 50 auf.
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Jeder Betätiger 40 weist einen Zylinder 52 und eine bewegliche Stange
54 auf. Jeder Zylinder 52 ist an einer Drehmomentbox 56 und an einem
Abstützträger 58 befestigt. Jede Stange 54 ist an der Verschiebehülse 42
befestigt. Hydraulikdruck wird durch ein Leitungssystem 60 den
Betätigern 40 zugeführt.
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Die Blockiertüre 36 hat eine eingefahrene Position und eine ausgefahrene
Position. In der eingefahrenen Position befindet sich die Blockiertüre 36
in einer im wesentlichen parallelen Relation zu der Längsachse 16, wie
in Fig. 1 und mit unterbrochenen Linien in Fig. 2 gezeigt. Die
Blockiertüre 36 schwingt um einen (nicht gezeigten) Schwenkpunkt in die
ausgefahrene Position bei Betätigung, wie in der Fig. 2 gezeigt. Die
Blockiertüre 36 weist eine Flachmateriallage 62 der ersten Seite und eine
Flachmateriallage 64 der zweiten Seite mit einer sandwichartig
dazwischen angeordneten Wabenmaterialstruktur 66 auf, wie man am
besten in der Fig. 3 erkennt. Die Flachmateriallagen 62, 64 der ersten
und der zweiten Seite beinhalten eine erste bzw. eine zweite Mehrzahl
von Öffnungen 68, 70. Die erste Mehrzahl von Öffnungen 68, die
Wabenmaterialstruktur 66 und die zweite Mehrzahl von Öffnungen 70
bilden eine Mehrzahl von Passagen in der Blockiertüre 36 zum
Hindurchtreten der Bläserströmung 24.
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Beim Start, Steigflug, Reiseflug und Sinkflug befinden sich die
Verschiebehülse 42 und die Blockiertüre 36 in ihren eingefahrenen
Positionen. Primärschub 22 wird von der Primärluftströmung 20 erzeugt,
welche das Kerntriebwerk 14 verläßt. Bläserschub 26 wird von der
Bläserströmung 24 erzeugt, welche durch die Bläseraustrittsdüse 34
austritt. Während dieser Betriebszustände stören die Blockiertüre 36 und
die Schubumkehreinrichtung 42 die Bläserströmung 24 nicht, wie in der
Fig. 1 gezeigt ist.
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Nach dem Aufsetzen wird der Schubumkehreinrichtungskörper 46 axial
strömungsabwärts in die ausgefahrene Position bewegt, wenn sich in den
Schubumkehreinrichtungszylindern 52 der hydraulische Druck aufbaut
und die beweglichen Stangen 54 axial strömungsabwärts ausfährt, wie in
der Fig. 2 gezeigt ist. Der Schubumkehreinrichtungskörper 46 bewegt
sich entlang eines Bahnensatzes (nicht gezeigt) strömungsabwärts. Der
Schubumkehreinrichtungskörper 46 legt dann die Kaskadeneinrichtungen
38 frei. Die Blockiertüre 36 schwenkt radial nach innen in die
ausgefahrene Position, um den Strömungsweg der Bläserströmung 24 zu
behindern. Ein Teil der Bläserströmung 24 strömt als Leckströmung
durch die perforierte Blockiertüre 36. Die Bläserströmung 24 gelangt in
die Blockiertüre 36 durch die erste Mehrzahl von Öffnungen 68 und
strömt durch die Wabenmaterialstruktur 66 in eine Axialrichtung des
Triebwerks, um die Blockiertüre 36 durch die zweite Mehrzahl von
Öffnungen 70 zu verlassen. Wenn die Bläserströmung 24 durch die
Perforationen der Blockiertüre 36 tritt, vermischt sich die austretende
Strömung 72 schnell zu einem im wesentlichen gleichförmigen Zustand
und verliert den Gesamtdruck innerhalb einer kurzen Strecke
strömungsabwärts der Blockiertüre 36. Der von dieser geordneten
Leckströmung erzeugte Vorwärtsschub ist wesentlich verringert, infolge
des Gesamtdruckverlustes. Beispielsweise führt eine Blockiertüre mit
30% offener Fläche zu etwa 70% Verlust des Vorwärtsschubs der
Bläserströmung, die durch diese hindurch leckströmt.
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Ein weiterer Teil der Bläserströmung 24, der nicht als Leckströmung
durch die Blockiertüre 36 strömt, strömt durch die Kaskadeneinrichtung
38. Beim Strömen durch die Kaskadeneinrichtung 38 wird die
Luftströmung von den Umdrehleitelementen 50 umgedreht und führt zu
einem Umkehrschub, der mit einem Pfeil 74 bezeichnet ist. Der
Umkehrschub 74 wirkt dem Vorwärts-Primärschub 22 entgegen und
verlangsamt somit das Flugzeug.
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Die Blockiertüre 36 der vorliegenden Erfindung erlaubt es der
Bläserströmung 24 als Leckströmung axial durch die ausgefahrene
Blockiertüre zu strömen, und verbessert die Gesamteffizienz des
Gasturbinentriebwerks, indem es eine beträchtliche Gewichtsverringerung
bei dem Gasturbinentriebwerk erlaubt. Die Gewichtsverringerung ist eine
Folge der kürzeren Kaskadeneinrichtung 38, der kürzeren
Verschiebehülse 42, der kürzeren Betätiger 40 und der kürzeren Bahnen
(nicht gezeigt), die bei dem Gasturbinentriebwerk verwendet werden
können, die eine "Leckströmung"-Blockiertüre 36 der vorliegenden
Erfindung beinhaltet. Da ein Teil der Bläserströmung 24 durch die
Blockiertüre 36 austritt, ohne einen Vorwärtsschub zu erzeugen, muß ein
viel kleiner verbleibender Teil der Bläserströmung von den
Kaskadeneinrichtungen 38 bewältigt werden. Die kleinere Menge an
Luftströmung kann durch eine kürzere Kaskadeneinrichtung bewältigt
werden. Folglich erfordert die kürzere Kaskadeneinrichtung eine kürzere
Bewegungsstrecke der Verlagerungshülse, um die Kaskadeneinrichtung
zu exponieren. Deshalb können die Betätiger und die Bahnen auch kürzer
sein. Die verringerte Länge der gesamten zugehörigen Hardware der
Schubumkehreinrichtung 30 stellt beträchtliche Einsparungen bei dem
Gesamtgewicht des Gasturbinentriebwerks 10 dar.
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Die Gewichtsverringerung des Gasturbinentriebwerks erhält man, ohne
die Leistung des Gasturbinentriebwerks zu belasten. Die Leck-
Luftströmung 74 beeinflußt die Gasturbinentriebwerksleistung nicht
negativ und behindert nicht die Abstopfähigkeiten des
Gasturbinentriebwerks. Zum einen läßt man eine Leckströmung der
Bläserströmung zu, ohne einen wesentlichen Vorwärts-Bläserschub zu
erzeugen. Als zweites ist die Menge an erzeugtem Umkehrschub
ebenfalls verringert, da die Menge der Strömung durch die
Kaskadeneinrichtung verringert ist. Die verringerte Menge an
Umkehrschub ist jedoch immer noch für die neuere Generation von
Triebwerken ausreichend. Die neueren Triebwerke erzeugen
typischerweise proportional eine größere Menge an Bläserströmung als
an Primärströmung und folglich eine größere Menge an Bläserschub als
an Primärschub. Deshalb ist es nicht erforderlich, die gesamte Menge an
Bläserströmung zu nutzen, um Umkehr-Bläserschub zu erzeugen, um
dem Vorwärts-Primärschub entgegenzuwirken. Ein Teil der
Bläserströmung, die einen Umkehrschub erzeugt, ist ausreichend, um
dem Vorwärts-Primärschub entgegenzuwirken.
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Die Größe und das Muster der ersten und zweiten Mehrzahl von
Öffnungen 68, 70 ist nicht von Bedeutung, solange die Leck-
Luftströmung 72 nicht wesentlich zu dem Triebwerks-Vorwärts-Schub
beiträgt. Sehr große Öffnungen können zu Luftwiderstandsverlusten
führen, wenn sich die Blockiertüre 36 in der eingefahrenen Position
befindet. Aber sehr kleine Öffnungen könnten möglicherweise von Sand
und Staubpartikeln verstopft werden, die durch die
Gasturbinentriebwerke aufgenommen werden können. Der Prozentsatz
des offenen Querschnitts der Blockiertüre ist für jede
Triebwerkskonstruktion spezifisch und muß für jede spezielle
Anwendung angepaßt werden. Beispielsweise würden Öffnungen mit
einem Durchmesser von 0,159 cm (0,0625 inch) mit einem Abstand von
0,25 cm (0,10 inch) dazwischen zu einem offenen Querschnitt von etwa
40% in der Blockiertüre 36 führen. Außerdem kann die Struktur der
Blockiertüre anders sein. Solange die Blockiertüre in der ausgefahrenen
Position dadurch axial eine Leckströmung der Bläserströmung erlaubt, ist
die spezielle Struktur der Blockiertüre nicht wesentlich.