DE102010014910A1

DE102010014910A1 - Mischvorrichtung für ein Turbofantriebwerk

Info

Publication number: DE102010014910A1
Application number: DE102010014910A
Authority: DE
Inventors: Robert THIES
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Bei einem Turbofantriebwerk wird zur Änderung der Kaltstrom- und der Heißstromfläche und somit des Mischungsverhältnisses zwischen Kaltluft- und Heißluftstrom auf die elastisch beweglichen rinnenförmigen Kanäle (9) eines Blütenmischers (4) eine radial gerichtete Kraftwirkung ausgeübt. Ein konzentrisch zum Blütenmischer gelagertes, in einem Drehwinkel α drehbares und mit einem Antriebsmittel (21) verbundenes Stellelement (11) ist gelenkig mit Stellstangen (10) verbunden, deren anderes Ende jeweils an den am Blütenmischer ausgebildeten rinnenförmigen Kanälen angelenkt ist. Durch die Drehbewegung des Stellelements in einem bestimmten Drehwinkel und die dabei auf die rinnenförmigen Kanäle ausgeübte Zug- oder Druckwirkung wird die Größe der Kalt- und Heißstromflächen und somit das Mischungsverhältnis geändert. Die so ausgebildete verstellbare Mischvorrichtung zeichnet sich durch einen geringen baulichen Aufwand und einen geringen Kostenaufwand aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für ein Turbofantriebwerk zum Mischen des Kaltluftstroms mit dem Heißluftstrom in einer durch eine Triebwerksgondel und einen Abgaskonus definierten und durch die Mischvorrichtung geteilten Mischebene mit einem variablen Verhältnis der Kaltstromfläche zur Heißstromfläche.
Die Effizienz von Turbofantriebwerken kann bekanntermaßen dadurch verbessert werden, dass der Heißgasstrom des Kerntriebwerks mit dem kalten Massenfluss des Nebenstroms vermischt wird und erst danach der gemischte Gasstrom durch eine Düse entspannt wird. Ein weiterer Vorteil der Mischung der beiden Gasströme liegt in der damit verbundenen Verringerung des Strahllärms, was insbesondere beim Start eines mit einem derartigen Triebwerk angetriebenen Flugzeugs von Bedeutung ist.
Zur Erzielung eines möglichst großen Mischungseffekts werden üblicherweise sogenannte Blütenmischer eingesetzt, die in einen umlaufenden Blechmantel eingeformte, abwechselnd radial nach innen und nach außen aufgewölbte, sich in Längsrichtung rinnenartig erstreckende Ausbauchungen, das heißt Kanäle, aufweisen. Die regelmäßig in Umfangsrichtung ausgebildeten Kanäle können eine unterschiedliche Form und Länge haben. Durch die jeweilige Form und Länge und Anzahl der rinnenförmigen Kanäle des Blütenmischers kann die Kontaktfläche zwischen dem kalten Nebenluftstrom und dem heißen Kernstrom und die Ausbildung von im Mischungsbereich erzeugten Strömungswirbeln und somit letztlich die Mischungswirkung des Blütenmischers in der in eine Nebenstromfläche (Kaltstromfläche) und eine Kernstromfläche (Heißstromfläche) geteilten Mischebene beeinflusst werden.
Da jedes Hindernis in dem vom Fan erzeugten Luftstrom direkten Einfluss auf die Flattergröße des Fans hat, beeinflusst das Verhältnis zwischen der Kaltstrom- und der Heißstromfläche auch das Flattern des Fans bei bestimmten Flugzuständen. Bei einer größeren Kaltstromfläche wird der Fan geringer belastet, so dass das Flattern verringert wird. Eine dementsprechende Veränderung des Verhältnisses zwischen der Kalt- und der Heißstromfläche, das heißt eine Verringerung der Kaltstromfläche zugunsten einer größeren Heißstromfläche, beeinflusst jedoch die Mischwirkung derart, dass der Schub verringert und der Lärmpegel erhöht wird. Andererseits kann unter bestimmten Flugbedingungen ein gegenteiliges Verhältnis vorteilhaft sein, um ohne in einen kritischen Flatterbereich zu gelangen, die Schubwirkung zu verbessern. Insofern ist das bei den bekannten Blütenmischern vorgesehene Verhältnis zwischen der Kalt- und der Heißstromfläche nur ein Kompromiss für alle auftretenden Flugzustände.
Aus der US 5771681 ist eine Mischvorrichtung für Gasturbinentriebwerke zum Mischen des kalten Nebenluftstroms mit dem heißen Kernluftstrom bekannt, die eine Veränderung des Verhältnisses zwischen der Größe der Kaltstromfläche und der Heißstromfläche bzw. eine Änderung des Mischungsverhältnisses zwischen dem Nebenluftstrom und dem Kernluftstrom vorsieht. Die Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden, gelenkig befestigten Segmenten, die in eine äußere Position und eine innere Position verstellt werden können, um entsprechend der jeweiligen Position das Mischungsverhältnis zu ändern. Die bekannten einstellbaren Mischvorrichtungen sind wegen der Vielzahl gelenkig befestigter Bauteile und des hohen Gewichts sowie des Wartungs- und Kostenaufwandes nachteilig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung für ein Turbofantriebwerk anzugeben, die auf einfache Art eine variable Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen dem Heiß- und dem Kaltluftstrom ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Mischvorrichtung gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass zur Änderung der Kaltstrom- und der Heißstromfläche auf die elastischen rinnenförmigen Kanäle eines Blütenmischers eine radial gerichtete Kraftwirkung ausgeübt wird. Ein konzentrisch zum Blütenmischer gelagertes, in einem Drehwinkel α drehbares und mit einem Antriebsmittel verbundenes Stellelement ist gelenkig mit Stellstangen verbunden, deren anderes Ende jeweils an den am Blütenmischer ausgebildeten rinnenförmigen Kanälen angelenkt ist. Durch die Drehbewegung des Stellelements in einem bestimmten Drehwinkel und die dabei auf die rinnenförmigen Kanäle ausgeübte Zug- oder Druckwirkung wird die Größe der Kalt- und Heißstromflächen und somit das Mischungsverhältnis geändert. Die so ausgebildete verstellbare Mischvorrichtung zeichnet sich durch einen geringen baulichen Aufwand und einen geringen Kostenaufwand aus.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist das mit der Antriebsvorrichtung verbundene Stellelement eine in den Abgaskonus integrierte kreisförmige Drehscheibe, an deren Außenrand in regelmäßigem Abstand die Stellstangen angelenkt sind.
In Ausgestaltung der Erfindung sind die Drehscheibe und das mit dieser verbundene Antriebsmittel innerhalb des Abgaskonus angeordnet und die Stellstangen sind durch im Abgaskonus vorgesehene Öffnungen hindurch geführt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung umfasst das Antriebsmittel einen Druckzylinder mit einem beidseitig mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Kolben sowie eine mit diesem verbundene Steuerstange mit an deren freiem Ende angebrachtem Steuerstift, der in einen Steuerschlitz eines mit der Drehscheibe verbundenen Steuerrohres eingreift.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Turbofantriebwerks mit einer im Bereich des Abgaskonus angeordneten Mischvorrichtung;
2 eine perspektivische Ansicht der ohne Abgaskonus dargestellten, als Blütenmischer ausgebildeten verstellbaren Mischvorrichtung;
3 eine perspektivische Ansicht einer mit dem Blütenmischer verbundenen Stellvorrichtung zur Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen Heiß- und Kaltluftstrom; und
4 eine vergrößerte Darstellung einer einzelnen, mit der Stellvorrichtung verbundenen Rinne des Blütenmischers in verschiedenen Stellpositionen.
Der vom Fan 1 des in 1 dargestellten Turbofantriebwerks erzeugte Luftstrom wird an einem Strömungsteiler 2 aufgeteilt. Die beiden Luftströme, das heißt der durch den Pfeil K (durchgezogene Linie) gekennzeichnete Kaltluftstrom K und der durch den Pfeil H (punktierte Linie) gekennzeichnete Heißluftstrom H werden durch einen den Abgaskonus 3 umgebenden Blütenmischer 4 miteinander vermischt. Die durch die strichlierte Linie beschriebene Mischebene 5 wird in eine Kaltstromfläche 6, die zwischen dem Blütenmischer 4 und der Innenwand der Triebwerksgondel 8 liegt, und in eine Heißstromfläche 7, die sich zwischen dem Blütenmischer 4 und dem Abgaskonus 3 befindet, gebildet.
Die Größe der Kaltstromfläche 6 und der Heißstromfläche 7 kann in Abhängigkeit voneinander eingestellt werden, um das Mischungsverhältnis zwischen dem Kaltluftstrom und dem Heißluftstrom an bestimmte Flugzustände anpassen zu können. Zu diesem Zweck ist, wie die 2 bis 4 zeigen, an den vorderen Enden der rinnenförmigen Kanäle 9 des Blütenmischers 4 jeweils eine Stellstange 10 gelenkig befestigt, deren gegenüberliegendes Ende an einer in den Abgaskonus 3 integrierten Drehscheibe 11 angelenkt ist. Die Drehscheibe 11 kann mithilfe eines Antriebsmittels 21 um einen bestimmten Drehwinkel α verdreht werden, so dass die rinnenförmigen Kanäle 9 des Blütenmischers 4 zum Abgaskonus 3 hin gezogen werden oder – bei entgegen gesetzter Drehrichtung – von diesem weg gedrückt werden und dabei die Heißstromfläche 7 verkleinert bzw. vergrößert wird und die Kaltstromfläche dementsprechend vergrößert bzw. verkleinert wird, um so das Mischungsverhältnis zwischen dem Kaltluftstrom K und dem Heißluftstrom H zu verändern. 4 zeigt einen einzelnen rinnenförmigen Kanal 9 des Blütenmischers 4 in einer der jeweiligen Drehwinkelposition der Drehscheibe 11 entsprechenden unteren, mittleren und oberen Lage.
3 zeigt einen beispielhaften, mit den rinnenförmigen Kanälen 9 in Wirkverbindung stehenden und mit einem Antriebsmittel 21 verbundenen Stellmechanismus. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist nur eine an einem rinnenförmigen Kanal 9 und an der Drehscheibe 11 angelenkte und durch eine Öffnung 12 im Abgaskonus 3 geführte Stellstange 10 dargestellt. Das Antriebsmittel 21 umfasst eine Druckstange 14, die über einen in einem Druckzylinder 15 mit einem Druckmedium beaufschlagten Kolben 16 hin und her bewegbar ist. Ein am freien Ende der Druckstange 14 angebrachter Steuerstift 13 greift in einen in der Wand eines mit der Drehscheibe 11 fest verbundenen Steuerrohres 17 ausgebildeten Steuerschlitz 18 ein. Bei einer axialen Bewegung der Druckstange 14 führt das über den Steuerschlitz 18 und den Steuerstift 13 mit der Druckstange 14 in Wirkverbindung stehende Steuerrohr 17 – und damit auch die Drehscheibe 11 – eine Drehbewegung in einem Drehwinkel α aus. Entsprechend der Bewegungsrichtung der Druckstange 14 werden die rinnenförmigen Kanäle 9 radial nach innen oder außen verstellt, um dadurch ein bestimmtes, an den jeweiligen Flugzustand angepasstes Mischungsverhältnis zwischen Kaltluftstrom und Heißluftstrom bzw. bzw. die Größe der Kaltstromfläche einzustellen. Ein mit der Druckstange 14 in Wirkverbindung stehendes Führungselement 19 verhindert eine Drehbewegung der Druckstange 14 und durch ein am Steuerrohr 17 angreifendes Haltemittel 20 wird eine axiale Bewegung des Steuerrohres 17 vermieden.
Bezugszeichenliste

1: Fan
2: Strömungsteiler
3: Abgaskonus
4: Blütenmischer
5: Mischebene
6: Kaltstromfläche
7: Heißstromfläche
8: Triebwerksgondel
9: rinnenförmige Kanäle von 4
10: Stellstange
11: Drehscheibe
12: Öffnung in 3
13: Steuerstift
14: Druckstange
15: Druckzylinder
16: Kolben
17: Steuerohr
18: Steuerschlitz
19: Führungselement
20: Haltemittel
21: Antriebsmittel
K: Kaltluftstrom
H: Heißluftstrom Drehwinkel von 11

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5771681 [0005]

Claims

Mischvorrichtung für ein Turbofantriebwerk zum Mischen des Kaltluftstroms mit dem Heißluftstrom in einer durch eine Triebwerksgondel (8) und einen Abgaskonus (3) definierten und durch die Mischvorrichtung geteilten Mischebene mit einem variablen Verhältnis der Kaltstromfläche zur Heißstromfläche, gekennzeichnet durch ein konzentrisch zu der als Blütenmischer (4) mit elastischen Materialeigenschaften ausgebildeten Mischvorrichtung gelagertes, in einem Drehwinkel α drehbares, mit einem Antriebsmittel (21) verbundenes Stellelement mit an diesem angelenkten Stellstangen (10), die gelenkig jeweils mit am Blütenmischer (4) ausgebildeten rinnenförmigen, in radialer Richtung elastisch verformbaren Kanälen (9) verbunden sind und diese radial in eine die Kalt- oder Heißstromflächen vergrößernde oder verkleinernde Position verstellen.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement eine in den Abgaskonus (3) integrierte kreisförmige Drehscheibe (11) ist, an deren Außenrand in regelmäßigem Abstand die Stellstangen (10) angelenkt sind.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehscheibe (11) und das mit dieser verbundene Antriebsmittel (21) innerhalb des Abgaskonus (3) angeordnet sind und die Stellstangen (10) durch in diesem vorgesehene Öffnungen (12) hindurch geführt sind.
Mischvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel (21) einen Druckzylinder (15) mit einem beidseitig mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Kolben (16) umfasst, der über eine Druckstange (14) mit an deren freiem Ende angebrachtem Steuerstift (13), der in einen Steuerschlitz (18) eines mit der Drehscheibe verbundenen Steuerrohres (17) eingreift, mit der Drehscheibe (11) in Wirkverbindung steht.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blütenmischer und das Stellelement selbsttätig in ihre Ausgangslage verstellbar sind, sobald von dem Antriebsmittel keine Stellkraft ausgeübt wird.