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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinentriebwerk mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Turbinentriebwerke sind bereits seit langem bekannt und sind auf unterschiedlichste Weise ausgebildet. Turbinen der genannten Art werden beispielsweise bei Flugzeugen eingesetzt. In einer bekannten Ausführungsform weisen derartige Turbinentriebwerke, in Strömungsrichtung eines das Turbinentriebwerk durchströmenden Strömungsmediums gesehen, bei dem es sich beispielsweise um Luft handelt, einen eingangsseitigen Strömungsmediumeinlauf auf, über den das Strömungsmedium in das Turbinentriebwerk eintritt. Der Strömungsmediumeinlauf stellt die Eintrittsseite in ein Turbinentriebwerkgehäuse dar, in dem sich weitere Triebwerkkomponenten, wie beispielsweise ein Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine befinden. An das Turbinentriebwerkgehäuse schließt sich eine Turbinendüse an, die hauptsächlich für den Schub zuständig ist, und aus der das Strömungsmedium anschließend das Turbinentriebwerk wieder verlässt.
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Beispielsweise dann, wenn ein mit einem entsprechenden Turbinentriebwerk ausgestattetes Flugzeug landet, ist eine Schubumkehr erforderlich. Bisherige Triebwerkturbinen verfügen über starre Turbinendüsen, so dass für die Schubumkehr separate Schubumkehrsysteme erforderlich sind. Das ist aus verschiedenen Gründen nachteilig, insbesondere hinsichtlich des Konstruktionsaufwands, des Gewichts und der damit verursachten Kosten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Turbinentriebwerk der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass insbesondere die vorgenannten Nachteile vermieden werden können. Diese Nachteile sind z.B. die nur für eine Flugphase, meist den Reiseflug, ausgelegte starre Düse die während restlichen Flugphasen keine optimale Leistung erzeug oder die feste Richtung der Ausströmung (Schubvektor) aus der starren Düse, die mehr Zeit benötigen und höhere Kosten beim Steigflug und Landeanflug verursachen als dies mit der variablen Düse mit Schubvektorsteuerung der Fall ist. Insbesondere soll ein Turbinentriebwerk der eingangs genannten Art derart weitergebildet werden, dass damit auf konstruktiv einfache Weise verschiedene Funktionen über die Triebwerkdüse realisiert werden können, wobei eine der Funktionen insbesondere auch Möglichkeit einer Schubumkehr darstellt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Turbinentriebwerk mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Zeichnungen.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nunmehr eine variable Turbinendüse bereitgestellt wird, wobei die Variabilität insbesondere hinsichtlich der Position von zumindest einem Bestandteil der Turbinendüse und/oder der Querschnittsfläche der Turbinendüse und/oder der Öffnungsfläche der Turbinendüse erfolgt. Erfindungsgemäß versteht man unter der Querschnittfläche die Austrittsfläche, durch welche die Strömung während der Flugphasen die Düse verlässt. Die Öffnungsfläche ist die Fläche, die während der Landung zur Umlenkung der Strömung benötigt wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Turbinentriebwerk lassen sich mehrere Funktionen realisieren, insbesondere die Bereitstellung einer optimalen Triebwerksleistung während verschiedener Flugphasen, eine Schubumkehrfunktion und eine Vektorsteuerungsfunktion.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Turbinentriebwerk, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Bei dem Turbinentriebwerk handelt es sich insbesondere um ein Turbinen-Strahltriebwerk. Derartige Triebwerke kommen insbesondere bei Flugzeugen zum Einsatz, beispielsweise bei Flugzeugen mit heckmontierten Triebwerken im zivilen Bereich.
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Das Turbinentriebwerk weist in an sich bekannter Weise in Strömungsrichtung eines das Turbinentriebwerk durchströmenden Strömungsmediums gesehen, bei dem es sich bevorzugt um Luft handelt, einen eingangsseitigen Strömungsmediumeinlauf, ein, insbesondere starres, Turbinentriebwerkgehäuse und eine sich an das Turbinentriebwerkgehäuse anschließende Turbinendüse auf.
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Ein solches Turbinentriebwerk ist beispielsweise wie folgt aufgebaut. Das Turbinentriebwerkgehäuse weist, in Strömungsrichtung der Luft gesehen, eintrittsseitig einen Lufteinlauf auf. Hierüber wird Umgebungsluft angesaugt. Der Lufteinlauf stellt den Eintrittsbereich in das Turbinentriebwerkgehäuse dar, welches man auch als Triebwerkgondel bezeichnet. Das Turbinentriebwerkgehäuse ist insbesondere als festes, starres Gehäuse ausgebildet. Darin befinden sich die einzelnen Komponenten des Turbinentriebwerks, Das Gehäuse ist insoweit insbesondere ein äußeres Gehäuse. Bevorzugt folgt im Turbinentriebwerkgehäuse in Strömungsrichtung der Luft anschließend ein Verdichter, wobei je nach Ausgestaltung zwischen Lufteinlauf und Verdichter noch ein so genannter Fan vorgesehen sein kann. In dem Verdichter wird die Luft komprimiert. Die verdichtete Luft tritt anschließend in eine Brennkammer ein, die sich ebenfalls innerhalb des Turbinentriebwerkgehäuses befindet. In der Brennkammer wird der Treibstoff eingespritzt und die Mischung aus Treibstoff und verdichteter Luft wird verbrannt. Dadurch wird insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit des Gases erhöht. Das aus der Brennkammer austretende Gas trifft anschließend auf eine Turbine, die sich ebenfalls im Turbinentriebwerkgehäuse befindet. Hinter der Turbine ist die Turbinendüse angebracht, die auch als Schubdüse bezeichnet wird. Durch die Turbinendüse wird das Gas auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, wodurch der Schub erzeugt wird. Die Turbinendüse ist bevorzugt an dem Turbinentriebwerkgehäuse ausgebildet. Entweder ist die Turbinendüse ein zunächst eigenständiges Bauteil, welches dann ausgangsseitig an dem Turbinentriebwerkgehäuse angeordnet ist oder wird. Oder die Turbinendüse ist ausgangsseitig zumindest teilweise durch den in Strömungsrichtung gesehen endseitigen Teil des Turbinentriebwerkgehäuses ausgebildet. In diesem Fall ist die Turbinendüse zumindest teilweise Bestandteil des Turbinentriebwerkgehäuses. Das Gas verlässt die Turbinendüse und damit das Turbinentriebwerk über eine endseitige Öffnungsfläche der Turbinendüse. Bei dieser Öffnungsfläche handelt es sich um die Austrittsseite des Turbinentriebwerks.
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Erfindungsgemäß ist das Turbinentriebwerk in einer Weise ausgebildet, dass die Turbinendüse als variable Turbinendüse ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Turbinendüse abwandelbar beziehungsweise veränderbar ausgebildet ist, so dass die Ausgestaltung der Turbinendüse nicht nur auf eine Möglichkeit beschränkt ist. Die Turbinendüse ist somit derart bereitgestellt, dass sie in der Lage ist, variiert zu werden. Dies geschieht bevorzugt über eine geeignete Bewegungseinrichtung, die im weiteren Verlauf der Beschreibung im Detail erläutert wird. Wie eine solche Variierbarkeit der Turbinendüse realisiert werden kann, und welche Effekte damit erzielt werden können, wird im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Turbinendüse eine Variierbarkeit hinsichtlich der Position von zumindest einem Bestandteil der Turbinendüse und/oder von der Querschnittsfläche der Turbinendüse und/oder von der Öffnungsfläche der Turbinendüse realisiert.
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Bevorzugt ist die Turbinendüse mehrteilig ausgebildet, wobei wenigstens ein Turbinendüsenteil beweglich gelagert ist.
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Über eine Bewegung des beweglichen Turbinendüsenteils wird die Turbinendüse in der wie oben beschriebenen Weise variiert. Ein solches beweglich gelagertes Turbinendüsenteil kann auch als Drehtür bezeichnet werden. Diese beweglich gelagerten Turbinendüsenteile bilden die beweglichen Komponenten der Turbinendüse. Beweglich gelagert bedeutet in diesem Fall insbesondere, dass die Turbinendüsenteile bewegt werden können. Die Turbinendüsenteile sind nicht starr gelagert sondern können in ihrer Position und/oder Ausrichtung verändert werden. Der Begriff „gelagert“ bedeutet dabei insbesondere, dass die Turbinendüsenteile beweglich an einer anderen Komponente des Turbinentriebwerks angeordnet sind und die gewünschten Freiheitsgrade erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform sieht eine bewegliche Lagerung der Turbinendüsenteile vor, dass diese beweglich an dem Turbinentriebwerkgehäuse oder an einem starren Teil der Turbinendüse angeordnet sind, oder dass diese beweglich innerhalb des Turbinentriebwerkgehäuses angeordnet sind. Während des Betriebs des Turbinentriebwerks kann über eine Bewegung dieser beweglichen Turbinendüsenteile eine gewünschte Turbinentriebwerksfunktion realisiert werden, beispielsweise eine optimale Triebwerksleistung, eine Schubumkehr oder eine Vektorisierung,
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Neben den beweglich gelagerten Teilen weist die Turbinendüse auch starre Teile auf. Diese starren Turbinendüsenteile sind unbeweglich und zwar relativ zu anderen Triebwerksteilen oder zum Flugzeug. Sie können je nach Ausgestaltung nur Bestandteil der Turbinendüse, oder aber gleichzeitig auch Bestandteil des Turbinentriebwerkgehäuses sein. Im letztgenannten Fall beispielsweise kann die Turbinendüse wenigstens einen starren Turbinendüsenteil aufweisen, der durch einen Teil des Turbinentriebwerkgehäuse gebildet ist, sowie durch wenigstens einen beweglichen Turbinendüsenteil, welcher beweglich gelagert ist, das heißt insbesondere beweglich an dem Turbinentriebwerkgehäuse, oder an einem starren Turbinendüsenteil oder an einer anderen Komponente des Turbinentriebwerks innerhalb des Turbinentriebwerkgehäuses angeordnet ist.
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Je nach Ausgestaltung können verschiedene Kombinationen beweglich gelagerter und starrer Turbinendüsenteile realisiert sein. In einer Ausführungsform ist ein Turbinendüsenteil beweglich gelagert, während alle anderen Turbinendüsenteile starr ausgebildet sind. In anderer Ausführungsform können zwei oder mehr Turbinendüsenteile starr ausgebildet und zwei oder mehr Turbinendüsenteile beweglich gelagert sein. In noch einer anderen Ausführungsform ist ein Turbinendüsenteil starr ausgebildet, während alle anderen Turbinendüsenteile beweglich gelagert sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Turbinendüse vier Turbinendüsenteile auf, wobei ein erstes und ein zweites Turbinendüsenteil beweglich gelagert sind, und wobei ein drittes und ein viertes Turbinendüsenteil starr ausgebildet sind. Die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile und die starr ausgebildeten Turbinendüsenteile sind bevorzugt einander gegenüberliegend angeordnet und stellen in einem solchen Fall jeweils gegenüberliegende Seiten der Turbinendüse dar.
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Die Turbinendüse bildet insbesondere einen Körper, bei dem die einzelnen Turbinendüsenteile außenliegend, insbesondere radial außenliegend in Bezug zu einer Längs-Mittenachse des Turbinentriebwerks um die Längs-Mittenachse herum angeordnet sind. Die Turbinendüse weist bevorzugt eine Außenwandung auf, die man auch als Turbinendüsenmantel bezeichnen kann. Wenn die Turbinendüse mehrteilig ausgebildet ist, ist bevorzugt die Außenwandung beziehungsweise der Turbinendüsenmantel mehrteilig ausgebildet. Die einzelnen beweglich gelagerten Turbinendüsenteile sowie die starr ausgebildeten Turbinendüsenteile bilden dann jeweils einen Teil der Außenwandung der Turbinendüse beziehungsweise des Turbinendüsenmantels.
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Aufgrund der beweglich gelagerten Triebwerkdüsenteile können die einzelnen Teile der Turbinendüse in eine Position verbracht werden, dass die einzelnen Teile einen geschlossenen Körper bilden, der die Längs-Mittenachse des Turbinentriebwerks, insbesondere radial außenliegend, allseitig umgibt. In diesem Fall kann die Turbinendüse beispielsweise einen zylindrischen oder einen konischen Verlauf haben. Die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile können aus dieser Position herausbewegt werden, und dadurch beispielsweise die Position ändern. Damit wird dann auch der Querschnitt der Turbinendüse verändert, vorzugsweise aber auch die Öffnungsfläche der Turbinendüse. Wie später noch im Detail erläutert wird, kann die Öffnungsfläche der Turbinendüse so weit verändert werden, dass die Öffnungsfläche geschlossen ist, was insbesondere für die Funktion der Schubumkehr von Vorteil ist. Wenn mehrere Turbinendüsenteile beweglich gelagert sind, kann je nach Bedarf auch nur eines der Teile, zumindest aber nicht alle beweglich gelagerten Teile, bewegt werden, was insbesondere für die Funktion der Vektorisierung von Vorteil ist.
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Zur Bewegung der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile weist das Turbinentriebwerk bevorzugt eine Bewegungseinrichtung auf. Diese Bewegungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie in der Lage ist, zumindest einen Bestandteil der Turbinendüse, der beweglich ist, insbesondere das wenigstens eine beweglich gelagerte Turbinendüsenteil, zu bewegen. Die Funktion der Bewegungseinrichtung besteht deshalb insbesondere darin, dass der bewegliche Teil der Turbinendüse, insbesondere die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile, mittels der Bewegungseinrichtung ihre Lage verändern können. Bevorzugt ist die Bewegungseinrichtung an und/oder in dem Turbinentriebwerkgehäuse angeordnet beziehungsweise platziert.
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Die Bewegungseinrichtung weist eine Reihe verschiedener Komponenten auf, die nachfolgend beschrieben werden. Bei diesen Komponenten handelt es sich um wenigstens eine Aktuatoreinrichtung, wenigstens eine Gelenkeinrichtung sowie wenigstens eine Führungseinrichtung. Nicht alle der genannten Komponenten sind zwangsläufig gleichzeitig erforderlich. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bewegungseinrichtung jedoch alle drei genannten Komponenten auf.
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Bevorzugt weist die Bewegungseinrichtung wenigstens eine Aktuatoreinrichtung auf. Ein Aktuator ist insbesondere ein Bauteil, welches Ausgangssignale, beispielsweise elektrische Signale, in eine mechanische Bewegung oder in eine andere physikalische Größe, umwandelt. Bevorzugt ist die Aktuatoreinrichtung im vorliegenden Fall eine Solche, die die Ausgangssignale in eine mechanische Bewegung umsetzt. Die wenigstens eine Aktuatoreinrichtung ist derart bereitgestellt, dass sie in der Lage ist, den zumindest einen beweglichen Teilbereich der Turbinendüse zu bewegen, bevorzugt in axialer und/oder radialer Richtung in Bezug auf die Längs-Mittenachse des Turbinentriebwerks. Bevorzugt ist die wenigstens eine Aktuatoreinrichtung mit wenigstens einem Turbinendüsenteil verbunden, welches beweglich gelagert ist. Weist die Turbinendüse mehrere Turbinendüsenteile auf, die beweglich gelagert sind, ist bevorzugt vorgesehen, dass jedes Turbinendüsenteil, welches beweglich gelagert ist, mit einer eigenen Aktuatoreinrichtung verbunden ist. Wenn die Aktuatoreinrichtung mit einem beweglich gelagerten Turbinendüsenteil verbunden ist, ist die Aktuatoreinrichtung bevorzugt an einer dem Turbinentriebwerkgehäuse zugewandten Seite des Turbinendüsenteils, welches beweglich gelagert ist, mit dem Turbinendüsenteil verbunden. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Typen von Aktuatoreinrichtungen beschränkt. Beispielsweise kann die Aktuatoreinrichtung als hydraulische oder pneumatische oder elektromechanische Aktuatoreinrichtung ausgebildet sein.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung weist die Bewegungseinrichtung wenigstens eine Gelenkeinrichtung auf. Eine Gelenkeinrichtung stellt insbesondere eine bewegliche Verbindung zwischen zwei Bauteilen dar. Über eine solche Gelenkeinrichtung, vorzugsweise über zwei solcher Gelenkeinrichtungen, ist das wenigstens eine Turbinendüsenteil, welches beweglich gelagert ist, mit dem Turbinentriebwerkgehäuse, oder mit einem Turbinendüsenteil, welches starr ausgebildet ist, verbunden. Wenn die Turbinendüse zwei oder mehr beweglich gelagerte Turbinendüsenteile aufweist, ist jedes der Turbinendüsenteile mit wenigstens einer solchen Gelenkeinrichtung verbunden. Bevorzugt kann jedes einzelne beweglich gelagerte Turbinendüsenteil über zwei derartige Gelenkeinrichtungen verfügen.
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Über die Gelenkeinrichtung ist insbesondere eine schwenkbewegliche Lagerung realisiert. Wenn die Aktuatoreinrichtung den beweglich gelagerten Turbinendüsenteil beispielsweise in axialer Richtung verschiebt, was insbesondere eine Verschiebung in Richtung der Längs-Mittenachse des Turbinentriebwerks darstellt, würde eine solche Verschiebung durch die Aktuatoreinrichtung bedeuten, dass die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile von dem Turbinentriebwerkgehäuse in axialer Richtung wegbewegt werden. Durch die Gelenkeinrichtung wird jedoch erreicht, dass bei Betätigung der Aktuatoreinrichtung eine Kippung des beweglich gelagerten Turbinendüsenteils erzeugt wird. Beispielsweise können auf diese Weise die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile auseinandergefahren werden, was insbesondere bei der Realisierung der Schubumkehr von Bedeutung ist.
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Bevorzugt ist die wenigstens eine Gelenkeinrichtung an einer Seitenfläche des wenigstens einen Turbinendüsenteils, welches beweglich gelagert ist, angeordnet. Bei zwei Gelenkeinrichtungen sind bevorzugt beide Gelenkeinrichtungen an der Seitenfläche angeordnet. Die Seitenfläche des Turbinendüsenteils erstreckt sich zwischen der dem Turbinentriebwerkgehäuse zugewandten Seite beziehungsweise Fläche des Turbinendüsenteils, insbesondere senkrecht oder in einem Winkel abragend dazu, bis zur Austrittseite des Turbinendüsenteils, welche durch die Öffnungsfläche der Turbinendüse gebildet ist. Bei der Seitenfläche handelt es sich insbesondere um eine Mantelfläche, insbesondere um einen Teil der Mantelfläche der Turbinendüse.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Gelenkeinrichtung ein langgestrecktes Gelenkelement auf. Das langgestreckte Gelenkelement zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Länge hat, die um ein Vielfaches größer ist als dessen Dicke beziehungsweise dessen Durchmesser. Das langgestreckte Gelenkelement ist mit seinem ersten Ende an einem Turbinendüsenteil, welches beweglich gelagert ist, angeordnet ist. Insbesondere ist das Gelenkelement an dem Turbinendüsenteil schwenkbeweglich, insbesondere rotierend, gelagert. Die Anordnung des Gelenkelements an dem Turbinendüsenteil erfolgt über ein geeignetes Befestigungselement, beispielsweise einen Stift. Mit seinem zweiten Ende ist das langgestreckte Gelenkelement mit dem Turbinentriebwerkgehäuse, oder mit einem Turbinendüsenteil, welches starr ausgebildet ist, verbunden. Auch hier ist das Gelenkelement schwenkbeweglich, insbesondere rotierend, gelagert. Die Anordnung des Gelenkelements erfolgt ebenfalls über ein geeignetes Befestigungselement, beispielsweise einen Stift.
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Bei dem langgestreckten Gelenkelement handelt es sich bevorzugt um ein in seiner Länge veränderliches Gelenkelement. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Typen solcher Gelenkelemente beschränkt. Beispielsweise kann das langgestreckte Gelenkelement in Form eines Dämpferelements ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Gasfeder. In anderer Ausgestaltung kann das Gelenkelement als ein telekopierbares Gelenkelement ausgebildet sein.
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In weiterer Ausgestaltung weist die Bewegungseinrichtung bevorzugt eine Führungseinrichtung auf. Diese Führungseinrichtung ist derart bereitgestellt, dass sie in der Lage ist, den Bewegungsverlauf desjenigen Turbinendüsenteils, welches beweglich gelagert ist, festzulegen. Die Führungseinrichtung ist bevorzugt derart bereitgestellt, dass sie in der Lage ist, die Bewegungsbahn, insbesondere in Verlauf und/oder Richtung, des beweglich gelagerten Turbinendüsenelements festzulegen.
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Bevorzugt weist die Führungseinrichtung zunächst eine Führungsbahn auf. Über die Führungsbahn wird insbesondere ein Weg vorgegeben, entlang dessen das beweglich gelagerte Turbinendüsenteil bewegt wird. Der Verlauf der Führungsbahn richtet sich dabei insbesondere nach Art, Umfang und Richtung des zu bewegenden Turbinendüsenteils. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Führungsbahn einen gekrümmten Verlauf. Aus den oben genannten Gründen sind selbstverständlich Variationen hinsichtlich der Krümmung, aber auch anders verlaufende Führungsbahnen von der Erfindung ebenfalls mitumfasst. Die Führungsbahn ist insbesondere an oder in dem Turbinentriebwerkgehäuse, oder in einem Turbinendüsenteil, welches starr ausgebildet ist, angeordnet oder ausgebildet. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten von Führungsbahnen beschränkt. Beispielsweise kann die Führungsbahn als Führungsschiene, oder als Führungsnut oder als Führungsöse oder als eine die Führungsfunktion übernehmende Ausnehmung ausgebildet sein.
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Neben der Führungsbahn weist die Führungseinrichtung bevorzugt einen Führungskörper auf. Dieser wirkt mit der Führungsbahn zusammen, was bedeutet, dass der Führungskörper mit der Führungsbahn in Wechselwirkung steht und mit dieser zusammenarbeitet. Bevorzugt ist der Führungskörper derart bereitgestellt, dass er in der Lage ist, entlang der Führungsbahn bewegt zu werden. Bevorzugt ist der Führungskörper an einem Turbinendüsenteil, welches beweglich gelagert ist, angeordnet oder ausgebildet. Die Erfindung ist grundsätzlich nicht auf bestimmte Arten von Führungskörpern beschränkt. Beispielsweise kann der Führungskörper als Führungsbolzen oder als Führungsstift oder als Führungsrolle ausgebildet sein.
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Die Position der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile, aber auch eine Veränderung der Querschnittsfläche der Turbinendüse und/oder eine Veränderung der Öffnungsfläche der Turbinendüse werden durch die Führungseinrichtung ermöglicht, bei der der bewegliche Turbinendüsenteil mit seinem Führungskörper entlang der Führungsbahn verläuft beziehungsweise bewegt wird. Die Steuerung der Bewegung erfolgt dabei insbesondere durch den Verlauf der Führungsbahn.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Führungskörper und die Führungsbahn lösbar miteinander verbunden. Das bedeutet, dass der Führungskörper von der Führungsbahn entfernt werden kann. Dies soll anhand eines Beispiels verdeutlicht werden. Wenn es sich bei der Führungsbahn um eine Führungsöse handelt, bewegt sich der Führungskörper, beispielsweise in Form einer Führungsrolle, innerhalb der Führungsöse entlang der durch den Führungsösenverlauf definierten Führungsbahn. Zu einer lösbaren Verbindung ist in einem solchen Fall bevorzugt vorgesehen, dass zumindest eines der Enden der Führungsöse offen ist, so dass der Führungskörper über das offene Ende aus der Führungsöse herausgeführt und natürlich auch wieder eingeführt werden kann.
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Das Lösen des Führungskörpers von der Führungsbahn ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mit der Turbinendüse eine Schubumkehr realisiert werden soll. Eine Schubumkehr wird beispielsweise beim Landen eines Flugzeugs gebraucht. Die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile werden durch die Aktuatoreinrichtung ausgefahren und zwar insbesondere mit den Seiten, die dem Turbinentriebwerkgehäuse zugewandt sind. Das Ausfahren bedeutet insbesondere, dass die entsprechenden Seiten der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile in Bezug auf die Längs-Mittenachse des Turbinentriebwerks von der Längs-Mittenachse weg nach außen bewegt werden. Durch die Gelenkeinrichtung und/oder die Führungseinrichtung werden die andere Seiten der Turbinendüsenteile, die die Öffnungsfläche der Turbinendüse bilden beziehungsweise begrenzen, zusammengefahren, insbesondere in Richtung der Längs-Mittenachse, so dass sich die Öffnungsfläche schließt. Mittels der Gelenkeinrichtung und/oder der Führungseinrichtung werden die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile jedoch festgehalten, so dass sie sich, aufgrund der Aktuatoreinrichtung nicht in axialer Richtung entlang der Längs-Mittenachse verschieben können. Dadurch wird die Strömung in axialer Richtung blockiert und trifft auf die nach außen gestellten Turbinendüsenteile und wird über diese nach schräg außen gelenkt. Der Führungskörper ist in einem solchen Fall bevorzugt aus der Führungsbahn herausgefahren.
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Eine Vektorisierung kann durch unterschiedliche Positionen der einzelnen Turbinendüsenteile, insbesondere der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile erreicht werden. Beispielsweise wird eine Vektorisierung erreicht, indem nicht alle beweglich gelagerten Turbinendüsenteile, sondern beispielsweise nur ein beweglich gelagertes Turbinendüsenteil verschoben beziehungsweise bewegt wird. Dadurch wird eine Richtungsänderung des Abgasstrahls erreicht.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird bei dem Turbinentriebwerk eine Kombination von mehreren Funktionen durch eine neuartige Kinematik an der Turbinendüse realisiert. Die Kombination der mehreren Funktionen erfolgt dabei in beziehungsweise durch ein und dasselbe Bauteil, nämlich die Turbinendüse.
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Das hat eine Reihe von Vorteilen. Zum einen kann die Zahl der insgesamt erforderlichen Aktuatorsysteme reduziert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird zudem eine Gewichtsreduktion beziehungsweise Gewichtseinsparung erzielt. Die zusätzliche Aufnahme der getrennten Einheiten zur Schubvektorsteuerung und zur Schubumkehr ist nicht erforderlich.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert: Es zeigen:
- 1 eine Turbinendüse mit beweglich gelagerten Turbinendüsenteilen und statischem Turbinentriebwerkgehäuse;
- 2 die Fixierung der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile und den Bewegungsmechanismus;
- 3 die Hinteransicht der in 2 dargestellten Triebwerkdüse;
- 4 die variable Triebwerkdüse mit beweglich gelagerten Turbinendüsenteilen in normaler Position;
- 5 die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile in ausgefahrener Position zur Umkehr des Schubs während des Landevorgangs eines Flugzeugs;
- 6 unterschiedliche Positionen der Düsenhälften, wobei die Oberhälfte zur Schubvektorsteuerung ausgefahren bzw. geöffnet ist;
- 7 die variable Turbinendüse mit geöffneter Turbinendüse, wobei sich die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile öffnen und den Düsenquerschnitt vergrößern; und
- 8 die Position der Lager und Gelenkelemente während der Turbinendüsenöffnung.
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In den 1 bis 8 ist jeweils ausschnittsweise ein Turbinentriebwerk 10 dargestellt, welches in Flugzeugen, insbesondere mit heckmontierten Triebwerken im zivilen Bereich, zum Einsatz kommt.
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Im Folgenden wird zunächst der Aufbau des Turbinentriebwerks 10 beschrieben, der für sämtliche Figuren gleichermaßen Gültigkeit hat.
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Das Turbinentriebwerk 10 weist ein starres Turbinentriebwerkgehäuse 11 auf, an welches sich, entlang der Achse 18 des das Turbinentriebwerk 10 durchströmenden Strömungsmediums gesehen, bei dem es sich um Luft handelt, eine Turbinendüse 12 anschließt. Das Turbinentriebwerkgehäuse 11 und die Turbinendüse 12 sind um eine Längs-Mittenachse 18 des Turbinentriebwerks 10 herum angeordnet beziehungswiese ausgebildet. Die das Turbinentriebwerk 10 durchströmende Luft tritt über eine Öffnungsfläche 13 an der Hinterkante der Turbinendüse 12 aus der Turbinendüse 12 und damit aus dem Turbinentriebwerk 10 aus.
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Die Turbinendüse 12 ist mehrteilig ausgebildet und besteht in den dargestellten Ausführungsbeispielen insgesamt aus vier Turbinendüsenteilen. Zwei der Turbinendüsenteile sind als beweglich gelagerte Turbinendüsenteile 14 ausgebildet, während zwei der Turbinendüsenteile als starre Turbinendüsenteile 15 ausgebildet sind.
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Die Bewegung der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile 14 erfolgt über eine Bewegungseinrichtung 16, welche aus mehreren Komponenten besteht. Zunächst verfügt jedes beweglich gelagerte Turbinendüsenteil 14 über eine Aktuatoreinrichtung 17, die Bestandteil der Bewegungseinrichtung 16 ist, und die an der dem Turbinentriebwerkgehäuse 11 zugewandten Seite 19 des beweglich gelagerten Turbinendüsenteils 14 an diesem angeordnet ist.
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Zudem verfügt jedes beweglich gelagerte Turbinendüsenteil 14 über eine Gelenkeinrichtung 20, die ebenfalls Bestandteil der Bewegungseinrichtung 16 ist. Jedes beweglich gelagerte Turbinendüsenteil 14 verfügt über zwei derartige Gelenkeinrichtungen 20, die jeweils an einer Seitenfläche 26 des beweglich gelagerten Turbinendüsenteils 14 angeordnet beziehungsweise angelenkt sind. Jede Gelenkeinrichtung 20 verfügt über ein langgestrecktes Gelenkelement 21 mit veränderlicher Länge, welches beispielsweise als Dämpferelement ausgebildet ist. Über ein erstes Ende 22 ist das Gelenkelement 21, mittels eines ersten Befestigungselements 24 in Form eines Stiftes, schwenkbeweglich und damit rotierend gelagert an dem beweglich gelagerten Turbinendüsenteil 14 angeordnet. Über das zweite Ende 23 ist das Gelenkelement 21, mittels eines zweiten Befestigungselements 25 in Form eines Stiftes, schwenkbeweglich und damit rotierend gelagert an dem Turbinentriebwerkgehäuse 11 angeordnet beziehungsweise angelenkt.
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Eine dritte Komponente der Bewegungseinrichtung 16 stellt eine Führungseinrichtung 27 dar. Die Führungseinrichtung 27 weist zunächst eine Führungsbahn 28 in Form einer gekrümmt verlaufenden langgestreckten Führungsöse auf, welche in dem Turbinentriebwerkgehäuse 11 ausgebildet ist. Diese Führungsbahn 28 legt die Bahn und damit die Richtung des beweglich gelagerten Turbinendüsenteils 14 fest. In der Führungsbahn 28 verläuft ein Führungskörper 30 in Form einer Führungsrolle, der an dem beweglich gelagerten Turbinendüsenteil 14 angeordnet ist.
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In manchen Fällen, beispielsweise um die Schubumkehrfunktion zu realisieren, ist es wünschenswert bzw. erforderlich, wenn der Führungskörper 30 und die Führungsbahn 28 voneinander getrennt werden. Zu diesem Zweck weist die Führungsbahn 28 ein offenes Ende 29 auf, über welches der Führungskörper 30 aus der Führungsbahn 28 herausgenommen werden, aber auch wieder eingeführt werden kann.
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In Ergänzung zu der allgemeinen Ausgestaltung des Turbinentriebwerks 10 und insbesondere der Turbinendüse 12 wird nachfolgend auf die einzelnen Figuren im Detail eingegangen.
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Die Turbinendüse 12 eines Turbinentriebwerks 10 mit langem Turbinentriebwerkgehäuse 11, welches auch als Gondel bezeichnet wird, ist in 1 dargestellt und besteht aus dem äußeren Turbinentriebwerkgehäuse 11 und beweglich gelagerten Turbinendüsenteilen 14, die auch als Drehtüren bezeichnet werden. Die Turbinendüsenteile 14 bilden die beweglichen Teile einer variablen Turbinendüse 12, die während eines Flugzyklus den Düsenquerschnitt für eine optimale Triebwerksleistung ändert. In dem statischen äußeren Turbinentriebwerkgehäuse 11 sind die Bauteile zur Fixierung der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile 14 platziert.
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Die 2 und 3 zeigen die inneren Bauteile, die zur Fixierung der beweglichen Turbinendüsenteile 14 dienen. Die Turbinendüsenteile 14 sind mit Dämpferelementen, die als die Gelenkelemente 21 fungieren, mit Hilfe von ersten Befestigungselementen 24 rotierend gelagert. Die Gelenkelemente 21 sind selbst mit zweiten Befestigungselementen 25 (siehe 6) mit dem statischen Turbinentriebwerkgehäuse 11 rotierend gelagert. Außerdem sind die drehbar gelagerten Turbinendüsentele 14 mit Hilfe von Führungskörpern 30, etwa in Form von Stiften oder Rollkörpern, in einer gekrümmten Führungsbahn 28 gelagert und legen somit die Bewegungsrichtung der drehbar gelagerten Turbinendüsenteile 14 fest. Beide drehbar gelagerten Turbinendüsentele 14 sind mit je einer Aktuatoreinrichtung 17 verbunden.
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3 zeigt die Hinteransicht mit den beiden beweglich gelagerten Turbinendüsenteilen 14 und je einer Aktuatoreinrichtung 17 pro beweglich gelagertem Turbinendüsenteil 14. An den Seitenflächen 26 der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile 14 sind die gekrümmten Führungsbahnen 28 und alle vier Gelenkelemente 21 fixiert.
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4 zeigt die Seitenansicht mit den Darstellungen der gekrümmten Führungsbahnen 28, die den Verlauf und die Richtung der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile 14 währen des Betriebs der variablen Turbinendüse 12 definieren. Jedes beweglich gelagerte Turbinendüsenteil 14 ist mit Führungskörpern 30, beispielsweise in Form von Rollenlagern, in den Führungsbahnen 28 gelagert. Die Aktuatoreinrichtungen 17 treiben die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile 14 an.
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5 zeigt die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile 14 in ausgefahrener Position zur Umkehr des Schubs während des Landevorgangs. Ein Schubumkehrsystem wird beim Landen des Flugzeugs benötigt. Die beweglich gelagerten Turbinendüsenteile 14 werden durch die Aktuatoreinrichtungen ausgefahren und mit Hilfe von Dämpferelementen, die hier als Gelenkelemente 21 funktionieren, festgehalten. Dadurch wird die Strömung in axiale Richtung blockiert und durch die Öffnung nach schräg außen geleitet. 5 zeigt die ausgefahrene Position der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile 14. Die Führungskörper 30 sind durch das offene Ende 29 in den Führungsbahnen 28 herausgefahren.
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6 stellt das Vektorsteuerungsprinzip dar. Die unterschiedlichen Positionen der beweglich gelagerten Turbinendüsenteile 14 erreicht man, indem nur ein (in 6 das obere) beweglich gelagerter Turbinendüsenteil 14 verschoben wird. Dadurch wird eine Richtungsänderung des Abgasstrahles erreicht. Dadurch können die Steuerflächen des Flugzeuges verkleinert werden.
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7 zeigt eine vergrößerte Düse während des Startvorgangs. Hierdurch kann die Strahlgeschwindigkeit und der Strahllärm verringert werden. Erreicht wird dies durch die Bewegung der Aktuatoreinrichtungen 17 in Flugrichtung. Die variable Turbinendüse 12 kann während des gesamten Flugzyklus zur Einstellung optimaler Leistungsparameter des Turbinentriebwerks 10 verwendet werden. Die Position und Öffnungsfläche 13 der Turbinendüse 12 wird insbesondere durch die Führungseinrichtung 27 ermöglicht, was auch in 8 dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbinentriebwerk
- 11
- Turbinentriebwerkgehäuse
- 12
- Turbinendüse
- 13
- Öffnungsfläche der Turbinendüse
- 14
- Beweglich gelagerter Turbinendüsenteil
- 15
- Starr ausgebildeter Turbinendüsenteil
- 16
- Bewegungseinrichtung
- 17
- Aktuatoreinrichtung
- 18
- Längs-Mittenachse des Turbinentriebwerks
- 19
- Die dem Turbinentriebwerkgehäuse zugewandte Seite des beweglich gelagerten Turbinendüsenteils
- 20
- Gelenkeinrichtung
- 21
- Langgestrecktes Gelenkelement
- 22
- Erstes Ende des Gelenkelements
- 23
- Zweites Ende des Gelenkelements
- 24
- Erstes Befestigungselement (Stift)
- 25
- Zweites Befestigungselement (Stift)
- 26
- Seitenfläche des beweglich gelagerten Turbinendüsenteils
- 27
- Führungseinrichtung
- 28
- Führungsbahn
- 29
- Offenes Ende der Führungsbahn
- 30
- Führungskörper
- 100
- Strömungsrichtung des Strömungsmediums
