WO1992010660A1 - Schubumkehrvorrichtung für ein propfantriebwerk - Google Patents

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WO1992010660A1
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jacket
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ring
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Alois Rohra
Peter Tracksdorf
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MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MüNCHEN GMBH
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    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02K1/54—Nozzles having means for reversing jet thrust
    • F02K1/64—Reversing fan flow
    • F02K1/70—Reversing fan flow using thrust reverser flaps or doors mounted on the fan housing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02K1/64—Reversing fan flow
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02K1/54—Nozzles having means for reversing jet thrust
    • F02K1/64—Reversing fan flow
    • F02K1/68—Reversers mounted on the engine housing downstream of the fan exhaust section

Definitions

  • the invention relates to a propane or propeller engine with a jacket surrounding the propane or propeller rotors, the flow direction within the jacket being anal reversible for thrust reversal.
  • UHB "ultra-high bypass”
  • the engine in this category has two jacketed, counter-rotating propane rotors.
  • the blades of the propane rotors are designed to be radially adjustable. Pumping of the compressor is also avoided by an appropriate rotor blade adjustment.
  • DE-OS 2445 548 discloses driving the blades of a blower or prop fan in the reverse position; the air is drawn in to generate a reverse thrust around the rear edge of the jacket and is blown forward within the jacket channel in the direction of flight.
  • the quality of the trailing edge flow around the jacket is of crucial importance for the braking effect when the thrust is reversed.
  • the flow around leads to a flow separation when the flow direction is reversed and thus to considerable pressure losses. The available maximum reverse thrust is unacceptably reduced.
  • flaps hinged at the outlet of the casing are swung out in such a way that they form a bell-shaped inlet opening.
  • the enlarged inlet cross-section is said to bring about an improved flow through the fan and thus a greater reverse thrust.
  • a flow separation in the flow around the sharp trailing edge of the flap with the associated impairment of the thrust reversing effect cannot be prevented or restricted.
  • the turbulent flow against the rotor blades caused by the flow separation can lead to a dangerous vibration excitation of the same.
  • the object of the invention is to design a generic engine in such a way that the aerodynamic losses in the flow around the rear end of the jacket in reverse thrust operation are reduced and the braking effect is accordingly increased.
  • this object is achieved in that, in the case of an engine of the generic type, a separately movable nozzle ring is attached to the end of the fixed casing, which can be displaced axially to such an extent that its rear edge becomes blunt with the end of the fixed casing, favoring the flow Concludes.
  • variable jacket design according to the invention and realizable with simple mechanical means has the advantage that the favorable aerodynamic flow around the blunted rear If the end of the jacket improves the quality of the flow in the jacket channel and thus the risk of vibration excitation of the rotor blades is reduced. In addition, an adequate air supply to the core engine is guaranteed at the same time.
  • the jacket channel which is formed between the core housing on the one hand and the inside of the jacket with the nozzle ring on the other, runs in the direction of flow when the thrust is reversed, i.e. forward, divergent.
  • the inlet cross section increases and thus reduces flow losses which depend on the expansion ratio of the jacket channel and the flow rate at the inlet.
  • the thrust reverser functions effectively while simultaneously actuating the blade adjustment with the displacement of the nozzle ring.
  • the displaceable nozzle ring for the thrust reversing position is moved axially into the jacket.
  • This version is characterized by its simple and lightweight design. Because the nozzle ring is formed from one component, the maintenance effort remains low. A high level of reliability is thus guaranteed.
  • pivotable flaps are arranged in sections on the circumference of the casing, which in the extended state not only favor the flow around the rear casing end, but also increase the end face of the engine and thus the braking effect.
  • the reason for the favorable flow is the detachment vortex which forms at the rear edge of the flap and which rounds off the rear end of the jacket. The flow thus takes place over a larger radius, the risk of detachment being reduced.
  • the flaps are coupled to the nozzle ring in such a way that their movement takes place simultaneously. Here- ensures an optimal flow quality.
  • the outer contour of the retracted flaps is flush with the outer contour of the jacket.
  • the nozzle ring consists of several ring pieces. It is thus possible to move the ring pieces axially forwards and radially outward with respect to the stationary shell with the aid of pivoting levers, so that the rear edges of the ring pieces.
  • Ring pieces with the trailing edge of the fixed jacket forms a blunt end which favors the flow.
  • the higher air resistance of the casing when the ring pieces are extended proves to be advantageous without the maximum diameter, which would reduce the ground clearance for wing-mounted engines, becoming significantly larger.
  • a further thrust reversing and braking effect is achieved with another embodiment in which the ring pieces are displaced axially forward and radially outward with respect to the fixed jacket with the aid of pivoting levers, such that the inside of the ring pieces form flow channels with the outside of the jacket , which guides the air flow around the rear end of the jacket in an aerodynamically favorable manner.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a graft drive unit with a one-piece nozzle ring in flight condition
  • FIG. 3 shows an overall view of the plug propeller in the flight state according to FIG. 1, 4 shows the plug drive mechanism according to FIG. 3 with reverse thrust operation,
  • FIG. 8 shows a longitudinal section through a graft drive unit with a nozzle ring, consisting of ring pieces, in flight condition
  • a plug drive mechanism for driving an aircraft is shown in axial section.
  • the graft drive essentially consists of the two propane rotors 1 located within the casing 2 with their rotor blades 3, an internal gas turbine (not shown in more detail) and a nozzle ring 4 that closes the casing 2.
  • the casing duct M as shown in Fig. 1, flows from front to back.
  • the nozzle ring 4 is in the extended position.
  • the rotor blades 3 are shown simultaneously with the nozzle ring 4 as in FIG Thrust reverser position driven.
  • the air flow S flows around the rear edges of the jacket 2 before flowing through the jacket channel M to the front.
  • the flight or thrust reversing position of the nozzle ring 4 can be seen in an oblique view.
  • flaps 5 are actuated simultaneously with nozzle ring 4 in order to improve the flow around in reverse thrust operation.
  • the flaps 5 pivot about their pivot axes 9 outwards.
  • the actuation takes place via a link located in the flap 5 in which a roller 9a mounted on the ring piece 6 rolls and moves it.
  • 5 and 6 show the flight operating position and the thrust reversing position in longitudinal section.
  • a perspective view of the plug propeller in the thrust reverser configuration is shown in FIG. 7.
  • FIGS. 8 and 9 Another advantageous embodiment can be seen in the longitudinal sections of FIGS. 8 and 9.
  • the ring pieces 6, which form the nozzle ring according to FIG. 8 when in flight, are swiveled to reverse thrust with the aid of the swivel levers 11 on the outside of the rear casing 2.
  • the ring pieces 6 lie concentrically around the jacket 2 in their end position.
  • the air flow S then flows around the outside of the ring pieces 6 and the fixed end of the casing 2 according to FIG. 9.

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Abstract

Ein Propfan- oder Propellertriebwerk mit Mantel (2) für ein Flugzeug, weist für die Schubumkehr verstellbare Rotorschaufeln (3) zur Umkehrung der Strömungsrichtung innerhalb des Mantels und einen variablen Düsenring (4) am rückwärtigen Mantelende auf, welcher bei umgekehrter Strömungsrichtung die Umströmung des Mantelendes begünstigt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Rotorschaufeln bei Schubumkehrbetrieb weniger turbulent angeströmt werden und somit einen höheren Umkehrschub erzeugen.

Description

Schubumkehrvorrichtung für ein Propfantriebwerk
Die Erfindung betrifft ein Propfan- oder Propellertriebwerk mit ei¬ nem die Propfan- oder Propellerrotoren umgebenden Mantel, wobei zur Schubumkehr die Strömungsrichtung innerhalb des Mantel anals umkehrbar ist.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf sogenannte "UHB-Flugtriebwerke" (UHB = "Ultra-High-Bypass"), also Triebwerke mit sehr hohem Nebenstromverhältnis (mindestens 10:1). Ein typisches
Triebwerk dieser Kategorie weist zwei ummantelte gegenläufige Prop- fanrotoren auf. Zur Einhaltung eines optimalen Betriebspunktes wäh¬ rend der unterschiedlichen Flugphasen sind die Schaufeln der Prop- fanrotoren radial verstellbar ausgeführt. Weiterhin wird durch eine entsprechende Rotorschaufelverstellung ein Pumpen des Verdichters vermieden.
Um die Landerollstrecke eines Flugzeuges möglichst kurz zu halten, verfügen heutige Flugtriebwerke über eine Schubumkehrvorrichtung. Hierzu offenbart die DE-OS 2445 548 die Schaufeln eines Gebläses bzw. eines Propfans in Umkehrstellung zu fahren; dabei wird die Luft zur Erzeugung eines Umkehrschubes um die Hinterkante des Mantels her¬ um angesaugt und innerhalb des Mantelkanals nach vorn in Flugrichtung ausgeblasen. Von entscheidender Bedeutung für die Bremswi rkung bei Schubumkehr i st die Qualität der Hinterkantenumströmung des Mantels. Bei der, üblicherweise zur besseren Abströmung im Normalflugbetrieb, scharf ausgestalteten Hinterkante des Mantels führt die Umströmung bei Um¬ kehrung der Strömungsrichtung zur Strömungsablösung und somit zu erheblichen Druckverlusten. Der zur Verfügung stehende maximale Umkehrschub vermindert sich dadurch unakzeptabel.
Bei dem in der vorgenannten Druckschrift bekannt gewordenen Trieb¬ werk, werden bei Schubumkehrbetrieb am Auslaß des Mantels angelenkte Klappen derart ausgeschwenkt, daß sie eine glockenförmige Einlaßöff¬ nung formen. Der dadurch vergrößerte Einlaßquerschnitt soll eine ver¬ besserte Strömung durch das Gebläse und somit einen größeren Umkehr¬ schub bewirken. Eine Strömungsablösung bei der Umströmung der schar- fen Klappenhinterkante mit der damit verbundenen Beeinträchtigung der Schubumkehrwirkung kann aber nicht verhindert oder eingeschränkt werden. Die durch die Strömungsablösung verursachte turbulente An- strömung der Roto.rschaufeln kann zu einer gefährlichen Schwingungs¬ anregung derselben führen.
Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein gat¬ tungsgemäßes Triebwerk derart auszubilden, daß die aerodynamischen Verluste bei der Umströmung des rückwärtigen Mantelendes im Schub¬ umkehrbetrieb verringert werden und dadurch die Bremswirkung ent- sprechend verstärkt wird.
* Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem gat¬ tungsgemäßen Triebwerk am Ende des feststehenden Mantels ein separat beweglicher Düsenring angebracht ist, welcher axial soweit verschieb- bar ist, daß seine Hinterkante mit dem Ende des feststehenden Mantels einen stumpfen, die Umströmung begünstigenden Abschluß bildet.
Die erfindungsgemäße und mit einfachen mechanischen Mitteln reali¬ sierbare variable Mantelgestaltung hat den Vorteil, daß durch die günstige aerodynamische Umströmung des abgestumpften rück- wärtigen Mantelendes die Qualität der Strömung im Mantelkanal ver¬ bessert und somit die Gefahr einer Schwingungsanregung der Rotor- schaufeln verringert wird. Zudem wird gleichzeitig eine ausreichende Luftversorgung des Kerntriebwerks gewährleistet.
In bevorzugter Ausbildung verläuft der Mantelkanal, welcher zwischen dem Kerngehäuse einerseits und der Innenseite des Mantels mit Düsen¬ ring andererseits gebildet wird, in Durchströmungsrichtung bei Schub¬ umkehr, d.h. vorwärts, divergent. Durch das Einfahren des Düsenrings vergrößert sich der Eintrittsquerschnitt und verringert somit Ström¬ ungsverluste, die vom Erweiterungsverhältnis des Mantelkanals und der Strömungsmachzahl am Eintritt abhängen.
In weiterer Ausgestaltung ist eine wirkungsvolle Funktion des Schub- umkehrers bei gleichzeitiger Betätigung der Schaufelverstellung mit der Verschiebung des Düsenrings gegeben.
In vorteilhafter Weiterbildung wird der verschiebliche Düsenring für die Schubumkehrposition axial in den Mantel hineingefahren. Diese Ausführung zeichnet sich durch seine einfache und leichte Bauweise aus. Dadurch, daß der Düsenring aus einem Bauteil gebildet wird, bleibt der Wartungsaufwand gering. Eine hohe Zuverlässigkeit ist so¬ mit gewährleistet.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, schwenkbare Klappen abschnittsweise am Umfang des Mantels anzuordnen, die im aus¬ gefahrenen Zustand nicht nur die Umströmung des rückwärtigen Mantel - endes begünstigen, sondern die Stirnfläche des Triebwerks und somit die Bremswirkung vergrößert. Ursache für die günstige Umströmung ist der sich an der rückwärtigen Kante der Klappe ausbildende Ab¬ lösewirbel, welcher für das rückwärtige Mantelende abrundend wirkt. Die Umströmung erfolgt somit in einem größeren Radius, wobei die Ge¬ fahr einer Ablösung vermindert wird.
In weiterer zweckmäßiger Ausbildung sind die Klappen mit dem Düsen¬ ring derart gekoppelt, daß ihre Bewegung gleichzeitig erfolgt. Hier- durch wird eine optimale Umströ ungsqualität gewährleistet.
Um den Widerstand im Normalflug nicht negativ zu beeinflussen, schließt die Außenkontur der eingefahrenen Klappen eben mit der Außenkontur des Mantels ab.
In alternativer Ausführung besteht der Düsenring aus mehreren Ring¬ stücken. Somit ist es möglich, die Ringstücke bezüglich des fest¬ stehenden Mantels mit Hilfe von Schwenkhebeln axial vorwärts und ra- dial soweit nach außen zu verschieben, daß die Hinterkanten der
Ringstücke mit der Hinterkante des feststehenden Mantels einem stump¬ fen, die Umströmung begünstigenden Abschluß bildet. Als vorteilhaft erweist sich hierbei der höhere Luftwiderstand des Mantels bei ausge¬ fahrenen Ringstücken, ohne daß dabei der maximale Durchmesser, wel- eher die Bodenfreiheit bei flügelmontierten Triebwerken verringern würde, wesentlich größer wird.
Eine weitere Schubumkehr- und Bremswirkung wird mit einer anderen Ausführung erzielt, bei welcher die Ringstücke bezüglich des fest- stehenden Mantels mit Hilfe von Schwenkhebeln axial vorwärts und ra¬ dial nach außen verschoben werden, daß die Innenseite der Ringstücke mit der Außenseite des Mantels Strömungskanäle bilden, welche die Luftströmung in aerodynamisch günstiger Weise um das rückwärtige Ende des Mantels führt.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Propfantriebwerk mit ein- teiligem Düsenring im Flugzustand,
Fig. 2 das Propfantriebwerk gemäß Fig. 1 bei Schubumkehrbetrieb,
Fig. 3 eine Gesamtansicht des Propfantriebwerks im Flugzustand gemäß Fig. 1, Fig. 4 das Propfantriebwerk gemäß Fig. 3 bei Schubumkehrbetrieb,
Fig. 5 ein Längsschnitt durch den hinteren Bereich des Mantels mit Düsenring und Klappen im Flugzustand,
Fig. 6 die Manteldüse gemäß Fig. 5 mit in Schubumkehrposition be¬ findlichen Düsenring und Klappen,
Fig. 7 Gesamtansicht des Mantels gemäß Fig. 6,
Fig. 8 einen Längsschnitt durch ein Propfantriebwerk mit Düsen¬ ring, aus Ringstücken bestehend, im Flugzustand,
Fig. 9 das Propfantriebwerk gemäß Fig. 8 mit in Schubumkehrposition befindlichen Ringstücken,
Fig. 10 das Propfantriebwerk gemäß Fig. 8 in alternativer Ausfüh¬ rung,
Fig. 11. das Propfantriebwerk gemäß Fig. 9 mit zur Luftführung aus¬ geschwenkten Ringstücken.
In Fig. 1 ist ein Propfantriebwerk zum Antrieb eines Flugzeuges im Axialschnitt dargestellt. Das Propfantriebwerk besteht im wesent- liehen aus den beiden innerhalb des 'Mantels 2 befindlichen Propfan- rotoren 1 mit ihren Rotorschaufeln 3, einer nicht näher dargestellten innenliegenden Gasturbine und einem, den Mantel 2 abschließenden- Düsenring 4. Im Reiseflug beispielsweise, wird der Mantelkanal M, wie in Fig. 1 gezeigt, von vorne nach hinten durchströmt. Der Düsen- ring 4 befindet sich hierbei in ausgefahrener Position.
Zur Schubumkehr-, um das Flugzeug abzubremsen, werden die Rotorschau¬ feln 3 gleichzeitig mit dem Düsenring 4 wie in Fig. 2 dargestellt in Schubumkehrposition gefahren. Dabei umströmt der Luftstrom S die Hin¬ terkanten des Mantels 2, bevor er den Mantelkanal M nach vorne durch¬ strömt.
Den Fig. 3 und 4 kann die Flug- bzw. Schubumkehrposition des Düsen¬ rings 4 in Schrägansicht entnommen werden.
In alternativer Ausführung wird zur Verbesserung der Umströmung im Schubumkehrbetrieb gleichzeitig mit dem Düsenring 4 die Klappen 5 betätigt. Dabei schwenken die Klappen 5 um ihre Schwenkachsen 9 nach außen. Die Betätigung erfolgt über eine in der Klappe 5 befindliche Kulisse in der eine am Ringstück 6 gelagerte Rolle 9a abrollt und diese bewegt. Die Fig. 5 und 6 zeigen die Flugbetriebsstellung bzw. die Schubumkehrposition im Längsschnitt. Eine perspektivische Ansicht des Propfantriebwerks in der Schubumkehrkonfiguration ist in Fig. 7 dargestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist in den Längsschnitten der Fig. 8 und 9 erkennbar. Die Ringstücke 6, welche im Flugzustand den Düsenring gemäß Fig. 8 bilden, werden zur Schubumkehr mit Hilfe der Schwenkhebel 11 an die Außenseite des hinteren Mantels 2 ge¬ schwenkt. Dabei liegen die Ringstücke 6 in ihrer Endlage konzentrisch um den Mantel 2 an. Die Luftströmung S umströmt dann die Außenseite der Ringstücke 6 und das feststehende Ende des Mantels 2 gemäß Fig. 9.
In Abwandlung der in den Fig. 8 und 9 ersichtlichen Ringstückposi¬ tionen, werden die Ringstücke 6 zur Schubumkehr in eine in Fig. 11 dargestellte Position gefahren, die einen, die Luftströmung S führen- den, Strömungskanal zwischen dem Ende des Mantels 2 und der Innen¬ seite der Ringstücke 6 bildet.
Fig. 10 zeigt hierzu wiederum die Position der Ringstücke 6 während des Fluges.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Propfan- oder Propellertriebwerk mit einem die Propfan- oder Propellerrotoren (1) umgebenden Mantel (2), wobei zur Schubumkehr die Strömungsrichtung innerhalb des Mantelkanals M umkehrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das rückwärtige Ende des Mantels
(2) als separat beweglicher Düsenring (4) ausgebildet ist, welcher axial soweit verschiebbar ist, daß seine Hinterkante mit dem Ende des feststehenden Mantels (2) einen stumpfen, die Umströmung be¬ günstigenden Abschluß bildet.
2. Propfan- oder Propellertriebwerk nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Mantelkanal M, welcher zwischen dem Kernge¬ häuse (7) einerseits und der Innenseite des Mantels 2 mit Düsen¬ ring (4) andererseits gebildet wird, in Flugrichtung N divergent verläuft.
3. Propfan- oder Propellertriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) an seinem dem Düsenring (4) zugewandten Ende eine zum Düsenring (4) offene ringförmige Tasche (8) aufweist, in welche der Düsenring (4) axial einfahrbar ist.
Propfan- oder Propellertriebwerk nach Anspruch 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß nach außen schwenkbare Klappen (5) abschnitts¬ weise am Umfang des Mantels (2) verteilt angeordnet sind, wobei deren Schwenkachsen (9) zur Triebwerkslängsac.hse (10) querstehend, im Abstand zum rückwärtigen Ende des feststehenden Mantels (2) un-J einen polygonalen Zug am Umfang des Mantels (2) bilden, lieger..
5. Propfan- oder Propellertriebwerk nach Anspruch 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Düsenring (4) mit der Betätigung der Klappen (5) derart gekoppelt ist, daß sich der Düsenring (4) im Schub- umkehrbetrieb in eingefahrener und die Klappen (5) in ausge¬ fahrener Stellung befinden.
6. Propfan- oder Propellertriebwerk nach Anspruch 4 oder 5, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Außenkonturen der Klappen (5) im eingefahrenen Zustand der Außenkontur des Mantels (2) folgen.
7. Propfan- oder Propellertriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (3) verstellbar ausgeführt sind und die Betätigung zur Verstellung der Rotorschau- fein (3) in Schubu kehrstellung mit der Betätigung zur Verschie¬ bung des Düsenrings (4) gekoppelt ist.
8. Propfan- oder Propellertriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenzeichnet, daß der Düsenring (4) aus mehreren Ringstücken (6) besteht.
9. Propfan- oder Propellertriebwerk nach Anspruch 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Ringstücke (6) bezüglich des feststehenden Mantels (2) mit Hilfe von Schwenkhebeln (11) zusätzlich zur Axial - bewegung radial verschiebbar sind.
10. Propfan- oder Propellertriebwerk nach Anspruch 8 oder 9, da-, durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Ringstücke (6) mit Hilfe ihrer Schwenkhebel (11) axial vorwärts und radial nach außen sowie unter Drehung um ihre körperfeste und senkrecht zur trans¬ latorischen Bewegungsebene stehende Achse (12) in eine solche Stellung bewegbar sind, daß sie in ihrer ausgefahrenen Endstellung eine vom rückwärtigen Ende des feststehenden Mantels (2) abgesetz¬ te, gegenüber der äußeren Luftströmung (A) angestellte Lage ein- nehmen, wobei die Hinterkante des jeweiligen Ringstücks (6) auf das Kerngehäuse weist.
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