DE4100404C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Bypass-Ventilvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 bzw. 4. Ein derartiges Verfahren und
eine derartige Bypass-Ventilvorrichtung sind aus der DE 36 06 286 A1
bekannt.
Ein bekanntes Gasturbinentriebwerk mit variablem Zyklus
enthält ein Kerntriebwerk, das einen Fan antreibt, und
einen das Kerntriebwerk umgebenden Mantelstromkanal, der
mit dem Fan in Strömungsverbindung ist. Ein herkömmliches
Bypass- oder Mantelstromventil ist an einem
stromaufwärtigen Einlaßende des Mantelstromkanals
angeordnet und in eine geschlossene Stellung bringbar, in
welcher es die Strömung aus dem Fan in den Mantelstromkanal
unter gewissen Bedingungen in dem zulässigen
Flugleistungsbereich eines durch das Triebwerk
angetriebenen Flugzeuges im wesentlichen blockiert und das
Einleiten der Strömung aus dem Fan in das Kerntriebwerk
gestattet. Das Mantelstromventil ist außerdem in eine
offene Stellung bringbar, in welcher es eine im
wesentlichen unbehinderte Strömung aus dem Fan in den
Mantelstromkanal gestattet, um einen Teil der Fanluft um
das Kerntriebwerk herumzuleiten und das Hindurchleiten des
übrigen Teils der Fanluft durch das Kerntriebwerk während
des Betriebs des Flugzeuges bei anderen Bedingungen in dem
zulässigen Flugleistungsbereich zu gestatten.
Herkömmliche Mantelstromventilvorrichtungen sind relativ
kompliziert und werden gemäß vorbestimmten Plänen
entsprechend dem Betrieb in dem zulässigen
Flugleistungsbereich des Flugzeuges gesteuert. Eine
exemplarische herkömmliche Mantelstromventilvorrichtung
weist ein ringförmiges Verschlußstück auf, das verschiebbar
ist, um einen ringförmigen Einlaß des Mantelstromkanals zu
öffnen und zu schließen. Herkömmliche Gestänge und
Servoventile werden benutzt, um das Verschlußstück zu
verschieben, und sind betriebsmäßig mit dem Steuersystem
des Triebwerks verbunden, damit aufgrund der vorbestimmten
Pläne, die in dem Steuersystem enthalten sind, das
Mantelstromventil unter verschiedenen Bedingungen in dem
zulässigen Flugleistungsbereich geöffnet und geschlossen
werden kann.
In der offenen Stellung muß das Mantelstromventil eine im
wesentlichen unbehinderte Strömung in den Mantelstromkanal
ermöglichen, um Druckverluste zu reduzieren oder zu
minimieren, welche die Leistungsfähigkeit des Triebwerks
verringern und die Kühlleistung der in den Mantelstromkanal
geleiteten Mantelstromluft reduzieren würden. Die
Mantelstromluft wird üblicherweise benutzt, um den
spezifischen Brennstoffverbrauch im Reiseflug zu verbessern
und stromabwärtige Teile in dem Triebwerk, wie z. B. einen
herkömmlichen Schubverstärker und eine verstellbare
Schubdüse, zu kühlen, und jegliche Druckverluste aufgrund
des Mantelstromkanals müßten kompensiert werden,
üblicherweise durch Erhöhen des Druckes in dem
Mantelstromkanal, was die Triebwerksleistungsfähigkeit
verringern würde.
Das Mantelstromventil in Form eines
Betriebsartwählventils in einem herkömmlichen
Doppelmantelstromtriebwerk wird üblicherweise entweder in
eine vollständig offene oder in eine vollständig
geschlossene Stellung gebracht, obgleich Zwischenstellungen
bei gewissen anderen Ausführungsformen erwünscht sein
können. Es ist außerdem im allgemeinen in dem Fanrahmen
angeordnet, wo relativ wenig Raum für die verschiedenen
Gestänge und Stellantriebe verfügbar ist, die zum
Positionieren des Ventils benutzt werden, weshalb der
Rahmen größer gemacht wird, um diese Elemente aufnehmen zu
können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine
Bypass-Ventilvorrichtung zu schaffen, die mit Elementen
arbeiten, welche keine direkte mechanische Betätigung durch
die Hauptsteuerung des Gasturbinentriebwerks erfordern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der
Patentansprüche 1 bzw. 4 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
entsprechenden Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß passive Ventilklappen verwendet
werden, die selbsttätig verstellt werden. Dadurch sind keine
Gestänge und Antriebe für die Ventilklappen erforderlich
und es wird ein einfacher, kompakter und leichter Aufbau
erhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit variablem
Zyklus und Schubverstärkung arbeitenden und mit einer
Bypass- bzw. Mantelstromventilvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung versehenen Turbofan-
Gasturbinentriebwerks zum Antreiben eines Flugzeuges,
Fig. 2 eine perspektivische schematische Darstellung eines
Teils der Mantelstromventilvorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Teils der Mantelstromventilvorrichtung
nach der Linie 3-3 in Fig. 2,
Fig. 4 in Blickrichtung stromaufwärts eine
Querschnittansicht eines
Teils der Mantelstromklappen nach der
Linie 4-4 in Fig. 3,
Fig. 5 eine vergrößerte perspekti
vische Draufsicht auf eine der in den
Fig. 3 und 4 dargestellten
Mantelstromklappen,
Fig. 6 eine schematische Darstellung
einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung, die eine Mantelstromklappe
aufweist, welche mit einer linearen
Feder zum Erzeugen eines
Schließdrehmoments verbunden ist, und
Fig. 7 eine schematische Darstellung
von noch einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung, welche
ein Abblasventil zwischen zwei
Strömungskanälen zeigt.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines exemplari
schen, mit variablem Zyklus und Schubverstärkung arbeiten
den Doppelmantelstrom-Turbofan-Gasturbinentriebwerks 10 zum
Antreiben eines Flugzeuges in einem zulässigen Fluglei
stungsbereich, der Unterschall- und Überschallgeschwindig
keiten in verschiedenen Flughöhen umfaßt. Das Triebwerk 10
hat einen ringförmigen Einlaß 12 zum Aufnehmen von Umge
bungsluft 14, an den sich der Reihe nach ein herkömmlicher
vorderer Fan 16, ein hinterer Fan 18 oder Niederdruckver
dichter, ein Hochdruckverdichter 20, eine Brennkammer 22,
eine Hochdruckturbine 24 und eine Niederdruckturbine 26 an
schließen. Die Hochdruckturbine 24 treibt sowohl den hinte
ren Fan 18 als auch den Hochdruckverdichter 20 über eine
herkömmliche erste Welle 28 an. Die Niederdruckturbine 26
treibt den vorderen Fan 16 über eine herkömmliche zweite
Welle 30 an.
Das Triebwerk 10 hat außerdem ein äußeres Gehäuse 32, wel
ches Abstand von einem inneren Gehäuse 34 hat, so daß zwi
schen denselben ein herkömmlicher Mantelstromkanal 36 ge
bildet ist. Von dem äußeren Gehäuse 32 und der Niederdruck
turbine 26 aus erstreckt sich stromabwärts ein herkömmli
cher Nachbrenner oder Schubverstärker 38, welcher ein her
kömmliches Flammrohr 40 aufweist, das von einem herkömmli
chen ringförmigen Nachbrennerkanal 42 umgeben ist.
Der Nachbrennerkanal 42 steht in Strömungsverbindung mit
dem Mantelstromkanal 36, und ein herkömmlicher hinterer
verstellbarer Mantelstrominjektor 44 ist zwischen ihnen an
geordnet, um einen Teil der Mantelstromluft 46, welche
durch den Mantelstromkanal 36 geleitet wird, mit Verbren
nungsgasen 48 aus der Niederdruckturbine 26 zu vermischen
und das Mantelstromverhältnis zu verändern. Die Mischung
aus Luft 46 und Gasen 48 wird in das Flammrohr 40 des Nach
brenners 38 geleitet und über eine herkömmliche Verstell
schubdüse 50 abgegeben, welche an dem stromabwärtigen Ende
des Nachbrenners 38 angeordnet ist.
In dieser exemplarischen Ausführungsform ist das Triebwerk
10 ein Doppelmantelstromtriebwerk, das einen wahlweise vor
handenen, herkömmlichen Mantelstrominjektor 52 aufweist,
der in einer komplementären ringförmigen Öffnung in dem in
neren Gehäuse 34 zwischen dem hinteren Fan 18 und dem Hoch
druckverdichter 20 in einem Zwischenteil des Mantelstromka
nals 36 angeordnet ist, um einen Teil der Luft 14, die in
dem hinteren Fan 18 verdichtet wird, während eines gewissen
Betriebes des Triebwerks 10 in den Mantelstromkanal 36 zu
leiten. Der Injektor 52 kann üblicherweise offen oder ge
schlossen sein, je nach Bedarf, oder aber, in einer anderen
Ausführungsform, kann der Injektor 52 weggelassen werden,
was eine kontinuierliche Strömung des Teils der Luft 14 aus
dem Bereich zwischen dem Fan 18 und dem Hochdruckverdichter
20 in den Mantelstromkanal 36 gestattet.
Das Triebwerk 10 ist mit Ausnahme einer Bypass- bzw.
Mantelstromventilvorrichtung 54 gemäß einer bevorzugten,
exemplarischen Ausführungsform der Erfindung, die zwischen
dem vorderen Fan 16 und dem hinteren Fan 18 angeordnet ist,
herkömmlich. In den Fig. 2 und 3 ist die Mantelstrom
ventilvorrichtung 54 ausführlicher gezeigt. Die
Mantelstromventilvorrichtung 54 weist einen ringförmigen
Fanrahmen 56 auf, der ein äußeres Gehäuse 58 und ein
inneres Gehäuse 60 hat, das mit Abstand radial einwärts von
dem äußeren Gehäuse 58 angeordnet ist, so daß zwischen
ihnen ein erster Kanal 62 zum Hindurchleiten der Luft 14
gebildet ist. Der vordere Fan 16 weist eine Vielzahl von
herkömmlichen Fanlaufschaufeln 64 auf, die auf herkömmliche
Weise mit der zweiten Welle 30 verbunden sind, und eine
Vielzahl von herkömmlichen Fanauslaßleitschaufeln 66, die
in dem ersten Kanal 62 zum Hindurchleiten der Luft 14
angeordnet sind. Ein herkömmlicher ringförmiger Strö
mungsteiler 68 ist auf herkömmliche Weise zwischen dem äu
ßeren Gehäuse 58 und dem inneren Gehäuse 60 durch eine
Vielzahl von in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten
Streben 70 befestigt, welche sich zwischen dem äußeren Ge
häuse 58 und dem Strömungsteiler 68 erstrecken, wobei das
Gehäuse und der Strömungsteiler einen zweiten Strömungska
nal 72 oder Einlaß in den Mantelstromkanal 36 bilden. Der
Strömungsteiler 68 ist auf herkömmliche Weise mit dem inne
ren Gehäuse 60 durch eine Vielzahl von in gegenseitigem Um
fangsabstand angeordneten, herkömmlichen Einlaßleitschau
feln 74 verbunden, wodurch zwischen ihnen ein dritter Strö
mungskanal 76 oder ein Einlaß in das Grundtriebwerk gebil
det ist. Der hintere Fan 18 des Grundtriebwerks hat die
Einlaßleitschaufeln 74 und eine Vielzahl von herkömmlichen,
in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Laufschaufeln
78, die auf herkömmliche Weise mit der ersten Welle 28 be
triebsmäßig verbunden sind. Der Strömungsteiler 68 weist
einen vorderen Rand 80 auf, welcher die Luft 14 in eine
Mantelstromluftströmung 82, die in den zweiten Kanal 72 ge
leitet wird, und in eine Kern- oder Grundtriebwerksluft
strömung 84, welche in den dritten Kanal 76 geleitet wird,
aufteilt.
Die Mantelstromventilvorrichtung 54 weist weiter eine ring
förmige Öffnung 86 in dem äußeren Gehäuse 58 auf, welche
dem Strömungsteiler 68 zugewandt ist. In der ringförmigen
Öffnung 86 sind mehrere Mantelstromventilklappen 88 in Um
fangsrichtung nebeneinander angeordnet. In einer exemplari
schen Ausführungsform sind zwölf Klappen 88 über der Um
fangsausdehnung von 360° der Öffnung 86 angeordnet.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 3-5 weisen die Klappen 88
jeweils eine innere Oberfläche 90 auf, die dem
Strömungsteiler 68 und der Mantelstromluftströmung 82 zuge
wandt ist und einen Teil der Begrenzung des zweiten Kanals
72 bildet. Die Klappen 88 weisen außerdem eine äußere Ober
fläche 92 auf, die in zu der inneren Oberfläche 90 entge
gengesetzter Richtung gewandt ist. Die Klappen 88 sind re
lativ dünn, um das Gewicht zu reduzieren, und weisen eine
Vielzahl von herkömmlichen Versteifungsrippen 94 auf der
äußeren Oberfläche 92 auf. Die Klappen 88 sind jeweils an
dem äußeren Gehäuse 58 an einem stromaufwärtigen Ende 96
der Klappe 88 drehbar angelenkt, wie es im folgenden aus
führlicher beschrieben ist. Die Klappe 88 weist außerdem
ein stromabwärtiges Ende 98 auf.
Die Klappen 88 sind jeweils in eine offene Stellung bring
bar, die beispielsweise in Fig. 2 und gestrichelt in Fig. 3
dargestellt ist, wobei die Klappe 88 insgesamt parallel zu
dem äußeren Gehäuse 58 in der ringförmigen Öffnung 86 ange
ordnet ist, um eine im wesentlichen unbehinderte Strömung
der Mantelstromluftströmung 82 aus dem ersten Kanal 62 in
den zweiten Kanal 72 zu gestatten. Die Klappen 88 sind
außerdem in eine geschlossene Stellung bringbar, die mit
ausgezogenen Linien in Fig. 3 dargestellt ist und in der
sie relativ zu dem äußeren Gehäuse 58 geneigt sind, um den
Eintritt der Mantelstromluftströmung 82 aus dem ersten
Kanal 62 in den zweiten Kanal 72 im wesentlichen zu
blockieren und dadurch die gesamte Luft 14 als
Grundtriebwerksluftströmung 84 in den dritten Kanal 76 des
Hochdruckverdichters 20 zu leiten. Während des Betriebes
des Triebwerks 10 trifft die Mantelstromluftströmung 82 auf
die innere Oberfläche 90 der Klappe 88 auf und erzeugt eine
resultierende Druckkraft Fp, welche auf die Klappe 88
einwirkt und eine aerodynamische Fluidöffnungskraft zum
Öffnen der Klappe 88 darstellt, wie unten beschrieben.
Die Mantelstromventilvorrichtung 54 weist weiter eine Posi
tioniereinrichtung 100 auf, welche die Klappen 88 aufgrund
von Differenzdruck an den Klappen 88 in dem zweiten Kanal
72 automatisch in die offene und die geschlossene Stellung
bringt. Der Differenzdruck an den Klappen 88 kann als die
Differenz zwischen einem Druck P1 der Luft 14 in dem ersten
Kanal 62 stromaufwärts der Klappen 88 minus einem Druck P2
in dem Mantelstromkanal 36, welcher in einer Position in
dem zweiten Kanal 72 unmittelbar stromabwärts der Klappen
88 auftreten kann, definiert werden. Während des Betriebes
des Triebwerks 10 hat der Differenzdruck P1-P2, welcher
als statischer Druck dargestellt werden kann, Werte, die
von positiven Werten bis zu negativen Werten reichen, wobei
die positiven Werte positive Werte der Druckkraft Fp erzeu
gen, welche ein Drehmoment zum Drehen der Klappen im Gegen
uhrzeigersinn und dadurch zum Öffnen der Klappen 88 hervor
ruft, und wobei der negative Differenzdruck P1-P2 nega
tive Werte der Drucköffnungskraft Fp hervorruft, welche die
Klappen im Uhrzeigersinn in deren geschlossene Stellung
drehen.
In einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Ver
fahren zum Steuern der Mantelstromluftströmung 82 in dem
zweiten Kanal 72 das automatische Positionieren der Ventil
klappen 88 aufgrund des Differenzdruckes P1-P2 an den
Ventilklappen 88. Der Differenzdruck P1-P2 an den Klap
pen 88 wird mittels der Positioniereinrichtung 100 erzielt
durch Erzeugen eines Differenzdruckes zwischen dem vorderen
Fan 16 und dem Mantelstromkanal 36. Erreicht werden kann
das durch Öffnen und Schließen des hinteren verstellbaren
Mantelstrominjektors 44, um wahlweise Teile der Mantel
stromluftströmung 46 aus dem Mantelstromkanal 36 in das
Flammrohr 40 zu leiten.
Das Triebwerk 10 weist außerdem gemäß der Darstellung in
Fig. 1 eine herkömmliche Triebwerkssteuerung 104 auf, die
mit dem hinteren verstellbaren Mantelstrominjektor 44 be
triebsmäßig verbunden ist, wie es an sich bekannt ist. In
einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung
öffnet die Triebwerkssteuerung 104 den hinteren verstellba
ren Mantelstrominjektor 44, um die Mantelstromluftströmung
46 in das Schubverstärkerflammrohr 40 zu leiten und einen
positiven Differenzdruck P1-P2 zum Öffnen der Klappen 88
für einen Doppelmantelstrombetrieb des Triebwerks 10 mit
dem zweiten Kanal 72 und dem Mantelstrominjektor 52 zu er
zeugen.
Die Triebwerkssteuerung 104 bewirkt außerdem das Schließen
des hinteren verstellbaren Mantelstrominjektors 44, so daß
die Mantelstromluftströmung 46 aus dem Mantelstromkanal 36
in den Schubverstärkermantelstromkanal 42 geht und wenig
oder keine Mantelstromluftströmung 46 in das Flammrohr 40
geleitet wird. Wenn der hintere verstellbare Mantelstromin
jektor 44 geschlossen ist, wird ein negativer Differenz
druck P1-P2 an den Klappen 88 erzeugt, welcher die Klap
pen 88 schließt, um einen Einzelmantelstrombetrieb des
Triebwerks 10 zu erzielen, bei welchem die Mantelstromluft
strömung lediglich aus dem hinteren Fan 18 durch den Man
telstrominjektor 52 in den Mantelstromkanal 36 geleitet
wird.
Ein Bauteiltest der Klappen 88 hat gezeigt, daß die Klappen
88 zwischen der offenen und der geschlossenen Position au
tomatisch richtig positioniert werden können, indem ledig
lich die aerodynamischen Druckkräfte auf die Klappen 88
aufgrund des Differenzdruckes P1-P2 einwirken. Demgemäß
sind herkömmliche Stellantriebe nicht notwendig, um die
Klappen 88 zu positionieren, denen daher einfach gestattet
wird, sich lediglich aufgrund des Differenzdruckes P1-P2
frei in verschiedene Winkelpositionen zu bewegen.
Der Differenzdruck P1-P2 wird gemäß einer weiteren Aus
führungsform der Erfindung wirksam ausgenutzt, indem die
Positioniereinrichtung 100 in einer besonderen Ausführungs
form zusätzlich eine herkömmliche Torsionsfeder 102 zuge
ordnet zu jeder Klappe 88 aufweist, welche die betreffende
Klappe 88 mit dem Rahmen 56 verbindet, um ein Federschließ
drehmoment Tc gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 5 zu
erzeugen, das auf die Klappe 88 in einer Richtung einwirkt,
die zu der Öffnungsdruckkraft Fp entgegengesetzt ist. Die
Torsionsfeder 102 besteht vorzugsweise aus im Handel er
hältlichem Material, das sich für die Verwendung bei
erhöhten Temperaturen bis zu etwa 380°C eignet.
Das Schließdrehmoment Tc hat einen minimalen ersten Wert
T1, welcher erzielt wird, indem die Feder 102 herkömmlich
so positioniert wird, daß sie den ersten Wert T1 in der ge
schlossenen Stellung der Klappen 88 erzeugt, und welcher
wenigstens groß genug ist, um die Klappe 88 gegen die
Schwerkraft zu schließen, welche auf die Klappe 88 ein
wirkt, wenn die Druckkraft Fp Null ist, was zum Beispiel
der Fall sein kann, wenn das Triebwerk 10 nicht in Betrieb
ist. Es ist zu beachten, daß die Klappen 88 in Umfangsrich
tung um die Öffnung 86 angeordnet sind und daß ohne die
Verwendung der Feder 102 wenigstens einige der Klappen 88
aufgrund der Schwerkraft einfach in der offenen Stellung
bleiben würden, d. h. diejenigen Türen, die in der Öffnung
86 unten angeordnet sind und bezüglich den in Fig. 3 ge
zeigten mit ihrer Oberseite unten angeordnet sind. Demgemäß
ist die Feder 102 auf herkömmliche Weise so bemessen und
positioniert, daß sie wenigstens die auf die Klappe 88 ein
wirkende Schwerkraft überwindet, um die Klappe 88 am Anfang
in die geschlossene Stellung zu bringen. Wenn die Klappe 88
geöffnet wird, wird die Feder 102 entsprechend gespannt,
wodurch das Schließdrehmoment Tc bis zu einem zweiten Wert
T2 in der offenen Stellung der Klappe erhöht wird, der grö
ßer als der erste Wert T1 des Schließdrehmoments ist.
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, welche
die Federn 102 nicht aufweist, hat jedoch der Bauteiltest
gezeigt, daß, obgleich die unteren, mit ihrer Oberseite un
ten angeordneten Klappen 88 bei dem Hochlauf des Triebwerks
am Anfang offen sind, die aerodynamischen Druckkräfte Fp
trotzdem bewirken, daß die Klappen 88 nach Bedarf automa
tisch geschlossen werden und daß dann die Klappen 88 nach
Bedarf geöffnet werden.
Bei der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform ist zu
beachten, daß die herkömmliche Torsionsfeder 102 so bemes
sen und relativ zu der Klappe 88 so positioniert ist, daß
sie ein Schließdrehmoment Tc erzeugt, welches zunimmt, wenn
die Klappe aus der geschlossenen Stellung in die offene
Stellung bewegt wird. Federn liefern üblicherweise eine zu
nehmend größere Rückstellkraft, wenn sie zusammengedrückt
oder ausgedehnt werden, was eine ständig zunehmende Kraft
Fp zum Öffnen der Klappe 88 verlangt. Deshalb wird die
tatsächliche Winkelstellung der Klappe 88 durch die Größe
der resultierenden Druckkraft Fp, welche durch den Diffe
renzdruck P1-P2 erzeugt wird, automatisch gesteuert.
In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen
die Klappen 88 gemäß der Darstellung in Fig. 4 jeweils zwei
in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Scharnierge
lenke oder Einfachscharniere 106 auf, mittels welchen das
stromaufwärtige Ende 96 der Klappe 88 an dem äußeren Ge
häuse 58 drehbar angelenkt ist. Jedes Scharnier 106 weist
einen langgestreckten Halter 108 auf, der sich von dem äu
ßeren Gehäuse 58 aus erstreckt und eine Öffnung 110
Ende hat. Ein komplementäres Paar Öffnungen
112 ist in einem entsprechenden Paar der Rippen 94 angeord
net, die den Halter 108 zwischen sich aufnehmen, und ein
herkömmlicher Scharnierstift 114 ist in den Öffnungen 110
und 112 geeignet positioniert, damit die Klappen 88 relativ
zu dem äußeren Gehäuse 58 geschwenkt werden können. Eine
herkömmliche Büchse (nicht dargestellt) kann zwischen dem
Scharnierstift 114 und den Öffnungen 110 und 112 vorgesehen
sein, um die Reibung zwischen ihnen zu reduzieren.
In der bevorzugten Ausführungsform, die in den Fig. 4 und 5
dargestellt ist, hat der Scharnierstift 114 eines der
Scharniere 106 eine ausreichende Länge, um mehrere herkömm
liche Windungen 116 der koaxial zu ihm angeordneten Torsi
onsfeder 102 aufnehmen zu können. Beispielsweise können we
nigstens vier Windungen 116 benutzt werden. Die Feder 102
weist weiter ein erstes festes Ende 118 auf einer Seite der
Windungen 116 auf, das mit dem äußeren Gehäuse 58 fest ver
bunden ist. Beispielsweise kann das erste Ende 118 einfach
auf einem Anschlagteil 58a des äußeren Gehäuses 58 auflie
gen, um die Feder 102 am Aufwickeln zu hindern und die Tor
sionskräfte in der Feder 102 aufrechtzuerhalten. Die Feder
102 weist außerdem ein zweites festes Ende 120 auf der ent
gegengesetzten Seite der Windungen 116 auf, das mit der
Klappe 88 fest verbunden ist. Beispielsweise kann das
zweite Ende 120 einfach zwischen zwei gegenseitigen Abstand
aufweisenden Ansätzen 122 aufgenommen sein, die von einer
der Rippen 94 vorstehen, um die Feder 102 am Aufwickeln zu
hindern und die Torsionskräfte in der Feder 102 aufrechtzu
erhalten. Sowohl das erste Ende 118 als auch das zweite
Ende 120 können sich relativ zu dem Anschlag 58a und den
Ansätzen 122 verschieben, wobei sie trotzdem Torsionsreak
tionsflächen bilden, damit die Torsionsfeder 102 auf her
kömmliche Weise wirkt.
Eine herkömmliche Büchse 124 ist zwischen den Windungen 116
und dem Scharnierstift 114 angeordnet, um Verschleiß des
Scharnierstifts 114 aufgrund von Abrieb durch die Windungen
116 zu verhindern. Die Büchse kann aus dem im Handel er
hältlichen Werkstoff bestehen.
Die Feder 102 ist so bemessen und gestaltet, daß ein posi
tiver Differenzdruck von P1-P2 an der Klappe 88 in dem
zweiten Kanal 72 das Öffnen der Klappe 88 gegen das
Schließdrehmoment Tc bewirkt und daß ein negativer Diffe
renzdruck von P1-P2 an der Klappe 88 in dem zweiten Kanal
72 das Schließen der Klappe 88 bewirkt. In einer bevorzug
ten Ausführungsform sollte der positive Differenzdruck, der
erforderlich ist, um die Klappe 88 zu öffnen, so niedrig
wie möglich sein, um Druckverluste zu reduzieren.
Beispielsweise braucht der positive Differenzdruck nicht
größer als etwa 3,45 kPa zu sein, um zu gewähr
leisten, daß die Klappe 88 bei Beaufschlagung mit einem po
sitiven Differenzdruck P1-P2 relativ schnell öffnet. Der
Differenzdruck P1-P2 hat einen Bereich von Werten während
des Betriebes des Triebwerks 10, und die Positionierein
richtung 100 bewirkt das Öffnen der Klappen bei
Zwischenöffnungsstellungen, wenn der Differenzdruck in dem
Bereich zunimmt, um die Klappen 88 über einem Bereich von
Zwischenöffnungsstellungen automatisch zu positionieren.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 5 weisen die Klap
pen 88 an ihrem stromabwärtigen Ende 98 jeweils eine lang
gestreckte, elastische Dichtung 126 auf, die an dem
stromabwärtigen Ende 98 geeignet befestigt ist, beispiels
weise durch Befestigung in einem Schlitz darin. Die Dich
tung kommt mit dem Strömungsteiler 68 in Berührung, wenn
die Klappe 88 in die geschlossene Stellung gebracht wird,
um eine gute Abdichtung der Klappe 88 an dem Strömungstei
ler 68 zu gewährleisten. Die Dichtung 126 sorgt außerdem
für eine Schwingungsdämpfung der Klappe 88 aufgrund von
Schwingungen derselben, welche durch den Aufprall der Man
telstromluftströmung 82 auf die Klappen 88 verursacht wird.
In der bevorzugten Ausführungsform besteht die Dichtung aus
dem im Handel erhältlichen Material, das
bei Temperaturen
bis zu etwa 400°C einsetzbar ist. Bei anderen Ausführungs
formen der Erfindung kann die Dichtung 126 weggelassen wer
den, wenn eine Leckage an dem stromabwärtigen Ende 98 zu
lässig ist.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 2, 3 und 5 hat das
stromabwärtige Ende 98 der Klappe im wesentlichen die glei
che Erstreckung wie das äußere Gehäuse 58, wenn die Klappe
in der offenen Stellung ist, um einen im wesentlichen glat
ten Strömungswegübergang an dem stromabwärtigen Ende 98 der
Klappe und dem äußeren Gehäuse 58 zu schaffen, das einen
Teil des zweiten Kanals 72 bildet. In Zwischenöffnungsstel
lungen ist jedoch das stromabwärtige Ende 98 der Klappe in
entsprechenden Gleichgewichtsstellungen in dem zweiten Ka
nal 72 angeordnet, in welchem die resultierende Fluiddruck
kraft Fp ein entsprechendes Fluiddrehmoment erzeugt, wel
ches dem durch die Feder 102 erzeugten Schließdrehmoment Tc
die Waage hält.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung
gezeigt, bei der die Positioniereinrichtung 100 einen gera
den Stift 128 aufweist, der insgesamt rechtwinkelig außer
halb der äußeren Oberfläche 92 der Klappe 88 angeordnet
ist. Der Stift 128 hat ein erstes Ende 130, das an der
Klappe an dem Scharnier 106 fest angebracht ist, und ein
zweites Ende 132, das entgegengesetzt zu dem ersten Ende 130
angeordnet ist. In dieser Ausführungsform hat die Feder die
Form einer herkömmlichen linearen Feder 134, die ein erstes
Ende 136 hat, das an dem zweiten Ende 132 des Stifts befe
stigt ist, und ein zweites Ende 138, das mit dem Rahmen 56
geeignet verbunden ist. Der Stift 128 und die Feder 134
sind so bemessen und gestaltet, daß die Feder 134 das ver
langte Schließdrehmoment Tc erzeugt.
Fig. 7 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfin
dung, bei der die Mantelstromklappen 88 die Form von Ab
blaseklappen 140 haben. In dieser Ausführungsform der Erfin
dung sind die Klappen 140 am Anfang in einer geschlossenen
Stellung angeordnet, in der sie die gleiche Erstreckung wie
ein Zwischengehäuse 142 haben. Mit Abstand außerhalb von
dem Zwischengehäuse 142 befinden sich ein äußeres Gehäuse
144 und ein inneres Gehäuse 146, welche mit dem Zwischenge
häuse 142 einen ersten Kanal 148 bzw. einen zweiten Kanal
150 bilden. Genau wie bei der Ausführungsform der Erfindung
nach Fig. 5 ist die Klappe 140 an ihrem stromaufwärtigen
Ende 152 an dem Zwischengehäuse 142 drehbar angelenkt und
weist eine herkömmliche Torsionsfeder 154 auf, die so be
messen und positioniert ist, daß sie am Anfang die Klappe
140 in der geschlossenen Stellung positioniert, in der die
Klappe insgesamt die gleiche Erstreckung wie das Zwischen
gehäuse 142 hat. Die Klappe 140 kann beispielsweise auch
einen Schlitz 156 an ihrem stromabwärtigen Ende haben, der
am Anfang durch die Torsionsfeder 154 gegen einen komple
mentären Ansatz 158 des Zwischengehäuses 142 gedrückt wird.
Wenn ein Differenzdruck P1-P2 an der Klappe 140 vorhanden
ist, wobei z. B. der Druck P1 in dem Kanal 150 größer als
der Druck P2 in dem Kanal 148 ist, wirkt eine resultierende
Druckkraft Fp auf die Klappe 140 ein. Die Torsionsfeder 154
ist so bemessen und gestaltet, daß sie der Klappe 140 ge
stattet, sich durch Drehung um ihr stromaufwärtiges Ende
152 in den Kanal 148 hinein zu öffnen, um einen Teil der
Luftströmung 160 aus dem Kanal 150 in den Kanal 148 abzu
zapfen. Dieser Aufbau kann benutzt werden, um eine Luft
strömung aus einem den Kanal 150 bildenden herkömmlichen
Verdichter abzuzapfen, wenn der Differenzdruck P1-P2
einen vorbestimmten Wert erreicht. Bei Werten unterhalb des
vorbestimmten Wertes schließt das Schließdrehmoment Tc,
welches durch die Feder 154 auf die Klappe 140 ausgeübt
wird, die Klappe 140 an dem Ansatz 158.
Claims (10)
1. Verfahren zum Steuern der Luftströmung in einem
Strömungsweg von einem Turbofan-Triebwerk mit einem ein
Kerntriebwerk umgebenden Mantelstromkanal, einem Fan, der
mit dem Mantelstromkanal in Strömungsverbindung steht, und
einer angelenkten Ventilklappe, die zwischen Öffnungs- und
Schließstellungen in dem Strömungsweg verstellbar ist,
wobei ein Schubverstärker ein Flammrohr hat, welches mit
dem Mantelstromkanal und dem Kerntriebwerk in
Strömungsverbindung steht, und ein hinterer, verstellbarer
Mantelstrominjektor zwischen dem Kerntriebwerk und dem
Flammrohr des Schubverstärkers angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch Öffnen und Schließen des hinteren
Mantelstrominjektors Druckdifferenzen zwischen dem Fan und
dem Mantelstromkanal erzeugt werden, um Teile der
Luftströmung wahlweise aus dem Mantelstromkanal in das
Flammrohr zu leiten und die Ventilklappe selbsttätig durch
eine Druckdifferenz an der Ventilklappe zu verstellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Triebwerk ein
Doppelmantelstrom-Turbofan-Triebwerk mit einem Front-Fan
und einem Hochdruck-Verdichter ist, das mehrere auf dem
Umfang im Abstand angeordnete, schwenkbare Ventilklappen
aufweist, welche als ein erstes Bypass- bzw.
Mantelstromventil zwischen dem Hochdruck-Verdichter und dem
Fan angeordnet sind, und wobei das Triebwerk weiter einen
zweiten Mantelstromkanal, der durch eine ringförmige
Öffnung gebildet ist, und einen Mantelstrominjektor
aufweist, welcher darin stromabwärts des ersten
Mantelstromventils in einem Zwischenteil des
Mantelstromkanals angeordnet ist, um einen Teil der
Hochdruck-Verdichter-Luftströmung in den Mantelstromkanal
abzuzapfen,
dadurch gekennzeichnet, daß der hintere, verstellbare
Mantelstrominjektor geöffnet wird, um die
Mantelstromluftströmung in das Schubverstärker-Flammrohr zu
leiten und eine positive Druckdifferenz zum Öffnen der
schwenkbaren Ventilklappen für einen
Doppelmantelstrombetrieb des Triebwerks zu erzeugen.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der hintere, verstellbare
Mantelstrominjektor geschlossen wird zum Erzeugen einer
negativen Druckdifferenz, um die schwenkbaren Ventilklappen
für einen Einzelmantelstrombetrieb des Triebwerks zu
schließen.
4. Bypass-Ventilvorrichtung zum Steuern der Luftströmung
in einem Strömungsweg von einem Turbofan-Triebwerk,
enthaltend:
einen ringförmigen Rahmen (56) mit einem äußeren Gehäuse (58), einem inneren Gehäuse (60) im Abstand von dem äußeren Gehäuse (58), um einen ersten Kanal (62) zum Leiten der Luftströmung zu bilden, wobei das äußere Gehäuse (58) eine ringförmige Öffnung (86) aufweist;
einen Strömungsteiler (68), der zwischen dem äußeren und dem inneren Gehäuse (58, 60) angeordnet ist, um einen zweiten Kanal (72) und einen dritten Kanal (76), der von dem zweiten Kanal (72) durch den Strömungsteiler (68) getrennt ist, zu bilden, wobei der zweite und der dritte Kanal (72, 76) in Strömungsverbindung mit dem ersten Kanal (62) sind und wobei die ringförmige Öffnung (26) des äußeren Gehäuses (58) dem Strömungsteiler (68) zugewandt ist;
mehrere auf dem Umfang nebeneinander angeordnete Bypass- bzw. Mantelstromventilklappen (88), die in der ringförmigen Öffnung (86) angeordnet sind, wobei die Ventilklappen (88) jeweils eine innere Oberfläche (90), die durch den Kanal (62) leitbaren Fluid zugewandt ist, eine äußere Oberfläche (92), ein stromaufwärtiges Ende (96), das an dem Rahmen (56) drehbar angelenkt ist, und ein stromabwärtiges Ende (98) aufweisen, wobei die Klappen (8) in eine erste oder Öffnungsstellung, welcher sie zu dem äußeren Gehäuse insgesamt parallel sind, und in eine zweite oder Schließstellung bringbar sind, in der sie relativ zu dem äußeren Gehäuse (58) geneigt sind, wobei die Luftströmung, die gegen die innere Oberfläche (90) der Klappe leitbar ist, eine Fluidkraft an der Klappe (88) erzeugt;
gekennzeichnet durch:
eine Positioniereinrichtung (100) zum Positionieren der Klappen (88), wobei die Positioniereinrichtung (100) einen positiven Differenzdruck an der Klappe (88) in dem zweiten Kanal (72) und einen negativen Differenzdruck in der Klappe (88) in dem zweiten Kanal (72) hervorruft, und
daß die inneren Oberflächen (90) der Ventilklappen (88) so angeordnet sind, daß sie der in dem zweiten Kanal (72) leitbaren Luft zugewandt sind, wobei das erste Ende (96) ein stromaufwärtiges Ende ist, das an dem Rahmen (56) drehbar angelenkt ist, wobei das zweite Ende (98) ein stromabwärtiges Ende ist, wobei die erste Position eine offene Position ist, die eine im wesentlichen unbehinderte Luftströmung aus dem ersten Kanal (62) in den zweiten Kanal (72) gestattet, und wobei die zweite Position eine geschlossene Position ist, welche die Fluidströmung aus dem ersten Kanal (62) in den zweiten Kanal (72) blockiert.
einen ringförmigen Rahmen (56) mit einem äußeren Gehäuse (58), einem inneren Gehäuse (60) im Abstand von dem äußeren Gehäuse (58), um einen ersten Kanal (62) zum Leiten der Luftströmung zu bilden, wobei das äußere Gehäuse (58) eine ringförmige Öffnung (86) aufweist;
einen Strömungsteiler (68), der zwischen dem äußeren und dem inneren Gehäuse (58, 60) angeordnet ist, um einen zweiten Kanal (72) und einen dritten Kanal (76), der von dem zweiten Kanal (72) durch den Strömungsteiler (68) getrennt ist, zu bilden, wobei der zweite und der dritte Kanal (72, 76) in Strömungsverbindung mit dem ersten Kanal (62) sind und wobei die ringförmige Öffnung (26) des äußeren Gehäuses (58) dem Strömungsteiler (68) zugewandt ist;
mehrere auf dem Umfang nebeneinander angeordnete Bypass- bzw. Mantelstromventilklappen (88), die in der ringförmigen Öffnung (86) angeordnet sind, wobei die Ventilklappen (88) jeweils eine innere Oberfläche (90), die durch den Kanal (62) leitbaren Fluid zugewandt ist, eine äußere Oberfläche (92), ein stromaufwärtiges Ende (96), das an dem Rahmen (56) drehbar angelenkt ist, und ein stromabwärtiges Ende (98) aufweisen, wobei die Klappen (8) in eine erste oder Öffnungsstellung, welcher sie zu dem äußeren Gehäuse insgesamt parallel sind, und in eine zweite oder Schließstellung bringbar sind, in der sie relativ zu dem äußeren Gehäuse (58) geneigt sind, wobei die Luftströmung, die gegen die innere Oberfläche (90) der Klappe leitbar ist, eine Fluidkraft an der Klappe (88) erzeugt;
gekennzeichnet durch:
eine Positioniereinrichtung (100) zum Positionieren der Klappen (88), wobei die Positioniereinrichtung (100) einen positiven Differenzdruck an der Klappe (88) in dem zweiten Kanal (72) und einen negativen Differenzdruck in der Klappe (88) in dem zweiten Kanal (72) hervorruft, und
daß die inneren Oberflächen (90) der Ventilklappen (88) so angeordnet sind, daß sie der in dem zweiten Kanal (72) leitbaren Luft zugewandt sind, wobei das erste Ende (96) ein stromaufwärtiges Ende ist, das an dem Rahmen (56) drehbar angelenkt ist, wobei das zweite Ende (98) ein stromabwärtiges Ende ist, wobei die erste Position eine offene Position ist, die eine im wesentlichen unbehinderte Luftströmung aus dem ersten Kanal (62) in den zweiten Kanal (72) gestattet, und wobei die zweite Position eine geschlossene Position ist, welche die Fluidströmung aus dem ersten Kanal (62) in den zweiten Kanal (72) blockiert.
5. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch
gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung
(100) jeder Klappe (88) eine zugeordnete Feder (102)
aufweist, welche die Klappe (88) mit dem Rahmen (56)
verbindet, um ein Schließdrehmoment an der Klappe (88) zu
erzeugen, das in einer Richtung wirkt, die zu der
Öffnungskraft entgegengesetzt ist.
6. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die positive Druckdifferenz
nicht größer als etwa 3,45 kPa ist.
7. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz einen
Bereich während des Betriebes des Gasturbinentriebwerks (10)
hat und daß die Positioniereinrichtung (100) bewirkt, daß
die Klappen (88) in Zwischenpositionen geöffnet werden,
wenn der Differenzdruck in dem Bereich zunimmt.
8. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Feder (102) eine Torsionsfeder ist,
die ein erstes Ende (118), das an dem Rahmen (56) befestigt
ist, mehrere Windungen (106), die an dem stromaufwärtigen
Ende der Klappe angeordnet sind, und ein zweites Ende (120)
aufweist, das an der Klappe (88) befestigt ist.
9. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende (98) der
Klappe (88) eine langgestreckte, elastische Dichtung (126)
aufweist, welche den Strömungsteiler (68) berührt, wenn die
Klappe (88) in der Schließstellung ist.
10. Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende (98)
der Klappe die gleiche Erstreckung wie das äußere Gehäuse
(58) hat, wenn die Klappe (88) in der Öffnungsstellung ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: VOIGT, R., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 6232 BAD SODEN |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |