DE102008027275A1 - Air-breathing nacelle for aircraft engine, has circular front contour and sucking unit that is provided for sucking air into nacelle, where sucking unit comprises turbocharger with fan and turbine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Flugtriebwerke und betrifft insbesondere eine luftatmende Gondel mit integriertem Turbolader und/oder Kerntriebwerk. Sie betrifft insbesondere eine Gondel für ein Flugtriebwerk mit im Wesentlichen ringförmiger Frontkontur, wobei in der Frontkontur zumindest eine Öffnung als Einlauf vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gondel Mittel zum Ansaugen der Luft in die Gondel vorgesehen sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Gondel zumindest einen Gaserzeuger.The present invention relates to aircraft engines and more particularly relates to an air-breathing gondola with integrated turbocharger and / or core engine. It relates in particular to a nacelle for an aircraft engine with a substantially annular front contour, wherein at least one opening is provided as an inlet in the front contour, characterized in that means are provided in the nacelle for sucking the air into the nacelle. According to a preferred embodiment, the nacelle according to the invention comprises at least one gas generator.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Flugtriebwerke und betrifft insbesondere eine luftatmende Gondel mit integriertem Turbolader und/oder KerntriebwerkThe The present invention relates to aircraft engines and relates in particular an air-breathing gondola with integrated turbocharger and / or core engine
Eine Flugtriebwerksgondel oder -verkleidung ist üblicherweise ein sich umfangmäßig erstreckendes Gehäuse, das einen zentrierten kreisförmigen Lufteinlass und Auslass hat. Bei einem Triebwerk mit Bläser-Vorrichtung umfasst diese Gondel die Bläser-Vorrichtung. Dabei ist der äußere Durchmesser der Gondel um bis zu 25% grösser als der Durchmesser der eigentlichen Bläser-Vorrichtung. Diese Vergrößerung hat seinen Ursprung in der äußeren Kontur der Gondel. Diese Kontur beeinflusst stark den aerodynamischen Widerstand und die Luftströmungseigenschaften. Sie kommt vor allem dann zum Tragen, wenn große Nebenstromverhältnisse von z. B. 10:1 und grösser erzielt werden sollen. Bei dem in der Fachwelt üblichen Propulsionswirkungsgrad fließt lediglich die Luftgeschwindigkeit am Lufteinlass und Luftauslass ein, die mit einer größeren Gondel einhergehende Erhöhung des aerodynamischen Widerstandes findet hingegen keine Berücksichtigung. Demgegenüber wirkt sich diese Erhöhung deutlich auf den Treibstoffverbrauch aus, so dass für ein Nebenstromverhältnis, das über 10:1 liegt, trotz verbessertem Propulsionswirkungsgrad keine Verbesserung des Treibstoffverbrauchs erreicht wird, teilweise sogar eine Verschlechterung. Aus Gründen der geforderten Reduzierung der Lärmemmision sind aber hohe Nebenstromverhältnisse notwendig.A Aeroengine nacelle or fairing is common a circumferentially extending housing, the one centered circular air inlet and outlet Has. In an engine with fan device comprises this gondola the fan device. Here is the outer one Diameter of the nacelle up to 25% larger than the diameter the actual fan device. This enlargement has its origin in the outer contour of the Gondola. This contour strongly influences aerodynamic drag and the airflow characteristics. It comes first of all then to bear, if large bypass conditions from Z. B. 10: 1 and greater should be achieved. In which the propulsion efficiency common in the art flows only the air velocity at the air inlet and outlet a, which is accompanied by a larger gondola Increase in aerodynamic drag, however, takes place no consideration. In contrast, it affects this increase significantly on fuel consumption, so for a bypass ratio that over 10: 1, no improvement despite improved propulsion efficiency fuel consumption, sometimes even deterioration. For the sake of the required reduction of noise emission But high bypass conditions are necessary.
Insbesondere während des Hochgeschwindigkeits- oder Reiseflugbetriebs des Flugzeuges ist daher eine Gondel mit geringerem aerodynamischem Widerstand erwünscht, um den höheren Propulsionswirkungsgrad für eine Verringerung des Treibstoffverbrauchs nutzen zu können. Abgesehen von dem an der Kontur der Gondel anfallenden Widerstand sind die Gondelverluste direkt proportional zur reibenden Außenfläche. Um den Widerstand zu verringern muss die reibende Oberfläche der Gondel verkleinert werden, was am wirkungsvollsten mit einem kleineren Außendurchmesser der Gondel realisiert werden kann. Ein Lufteinlass ins Gondelinnere, der einen Teil des Durchsatzes des Triebwerks ansaugt, ermöglicht einen reduzierten Durchmesser, um den aerodynamischen Widerstand zu reduzieren. Im Rahmen dieser Beschreibung wird als Gondelinneres derjenige Teil bezeichnet, der durch das Profil der Kontur vorgezeichnet ist. Demgegenüber wird der Bereich, den die Gondel rotationssymmetrisch umschließt, als Triebwerkinneres bezeichnet.Especially during high speed or cruise operation The aircraft is therefore a nacelle with lower aerodynamic Resistance desirable to the higher propulsion efficiency for a reduction in fuel consumption can. Apart from the accumulating on the contour of the gondola Resistance are the gondola losses directly proportional to the grinding Outer surface. To reduce the resistance the rubbing surface of the gondola be scaled down, what's most effective with a smaller outside diameter the gondola can be realized. An air inlet into the gondola interior, the a part of the throughput of the engine sucks, allows a reduced diameter to the aerodynamic drag to reduce. In the context of this description is called Gondelinneres the part designated by the profile of the contour is. In contrast, the area which encloses the nacelle rotationally symmetric, referred to as the engine interior.
Beim Starten, bei dem ein Anstellwinkel von bis zu 25° durchaus vorkommt, oder beim Landen und beim Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit des Flugzeugs ist eine Gondel mit einer dicken, stumpfen Kontur der Vorderkante notwendig, um eine Ablösung der Strömung bei Schräganströmung zu vermeiden, was zu einem größeren Gondeldurchmesser führt. Bei einer Gondel mit Lufteinlass an der Vorderkante, kann auf die dicke, stumpfe Kontur an der Vorderkante verzichtet werden, weil die anströmende Luft in die Gondel eintritt und nicht zu einer großen Überhöhung der Strömungsgeschwindigkeit mit anschließender starker Verzögerung gezwungen wird.At the Start, in which a pitch of up to 25 ° certainly occurs or when landing and operating at low speed The aircraft is a gondola with a thick, blunt contour the leading edge necessary to a separation of the flow to avoid oblique flow, resulting in a larger nacelle diameter leads. at a gondola with air intake at the front edge, can be on the thick, blunt contour at the front edge are dispensed with, because the incoming air entering the gondola and not to a large elevation the flow rate with subsequent strong delay is forced.
Eine
bekannte Möglichkeit für die Wahl der Gondeleinlasskontur
besteht darin, eine Einrichtung zum Ändern oder Verstellen
der Konfiguration des Einlasses vorzusehen. Beispielsweise können
in der Kontur selbst variabel verschließbare Einlässe
vorgesehen werden. Dies wird beispielweise in
Ein weiteres Problem der aus dem Stand der Technik bekannten Flugzeugtriebwerke, liegt in der Unverträglichkeit von dicker Niederdruckwelle und kleinem Volumenstrom des Kerntriebwerks für dessen aerodynamischen und konstruktiven Entwurf. In der Regel muss man ein sehr hohes Nabenverhältnis, erschwerte Spalthaltung im Verdichter und unnötig hohes Gewicht akzeptieren, um zum gewünschten Nebenstromverhältnis zu gelangen.One another problem of the aircraft engines known from the prior art, lies in the incompatibility of thick low pressure wave and small volume flow of the core engine for its aerodynamic and constructive design. Usually you have to a very high hub ratio, making it difficult to split in the compressor and accept unnecessarily heavy weight to to get to the desired bypass ratio.
Ein weiteres Problem der aus dem Stand der Technik bekannten Flugzeugtriebwerke liegt in der Tatsache, dass mit zunehmender technischer Belastung der Verdichterschaufeln immer häufiger sogenannte Blisks zum Einsatz kommen. Blisks sind Schaufeln, bei denen die Schaufelblätter fix mit einer rotierenden Scheibe (Disk) verbunden sind. Laufen alle Wellen des Triebwerkes ineinander, so macht eine Beschädigung der Blisk eine vollständige Zerlegung des Triebwerkes notwendig.One Another problem of known from the prior art aircraft engines lies in the fact that with increasing technical load the compressor blades more and more often so-called blisks be used. Blisks are blades that hold the blades fixed with a rotating disc (disk) are connected. Run all Waves of the engine into each other, so does a damage the blisk requires a complete disassembly of the engine.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Flugzeugtriebwerk anzugeben, das die oben genannten Probleme des Stands der Technik zumindest teilweise überwindet.Of the The present invention is therefore based on the object, an aircraft engine indicate that the above-mentioned problems of the prior art at least partially overcomes.
Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Gondel anzugeben, die, bei gegebenem Nebenstromverhältnis einen im Vergleich zu Gondeln des Stand der Technik deutlich verkleinerten Durchmesser hat.Especially The present invention therefore has the object, a Specify nacelle, which, with a given by-pass ratio one significantly reduced compared to gondolas of the prior art Diameter has.
Außerdem sollte gemäß einer bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung die Problematik des hohen Nabenverhältnisses, der Spalthaltung im Verdichter und des übermäßigen Gewichtes überwunden sein.In addition, according to a preferred variant of the present invention, the problem of the high hub ratio, the gap attitude in Overcome compressor and excessive weight.
Außerdem sollte gemäß einer besonders bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung eine einfache Auswechslung von Blisks möglich sein, ohne das ganze Triebwerk zerlegen zu müssen.Furthermore should, according to a particularly preferred variant the present invention, a simple replacement of Blisks be possible without having to disassemble the whole engine.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Triebwerk mit einer Gondel der Gattung gemäß Oberbegriff des Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gondel zumindest ein Turbolader integriert ist.According to the invention this task by an engine with a nacelle of the genus according to the preamble of claim 1, characterized in that in the nacelle at least a turbocharger is integrated.
Weitere bevorzugte Aspekte der Vorliegenden Erfindung werden durch die Unteransprüche beschrieben.Further Preferred aspects of the present invention are defined by the subclaims described.
Als Gondel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Gehäuse eines Triebwerkes bezeichnet, welches zumindest einen Bläser und dessen Turbine umschließt. Eine erfindungsgemäße Gondel wird im Rahmen dieser Beschreibung als atmende Gondel bezeichnet. Gondeln, die an der Frontkontur einen Einlauf für Luft haben, sind aus dem Stand der Technik, wie oben beschrieben, bekannt. Eine erfindungsgemäß atmende Gondel hat einen solchen Einlauf an der Frontkontur, wobei noch zusätzlich, in dem Gehäuse integriert, zumindest ein Turbolader vorgesehen ist. Mit Hilfe dieses Turboladers wird Luft aktiv in das Gehäuse hinein gezogen und verdichtet, so dass diese Luft, stromabwärts, nach dem Turbolader dem Nebenstrom beigemischt werden kann und zwar nach dem Bläser. Erfindungsgemäß werden mindestens 10%, vorzugsweise jedoch 20%, oder mehr, des Luftdurchsatzes durch die Gondel bewerkstelligt. Der Turbolader kann beispielsweise mittels des Arbeitsgases angetrieben werden, das als Teilmenge aus der zentral angeordneten Niederdruckturbine abgezapft wird, die den Bläser antreibt.When Gondola is in the context of the present invention, the housing an engine, which at least one fan and whose turbine encloses. A gondola according to the invention is referred to in this description as a breathing gondola. Gondolas, which at the front contour an inlet for air are known from the prior art as described above. An inventive breathing gondola has a such enema on the front contour, wherein in addition, integrated in the housing, at least one turbocharger provided is. With the help of this turbocharger, air becomes active in the housing pulled in and compressed so that this air, downstream, after the turbocharger can be admixed with the secondary flow and after the fan. According to the invention, at least 10%, but preferably 20% or more, of the air flow rate through the gondola accomplished. The turbocharger can, for example by means of powered by the working gas, as a subset of the central arranged low-pressure turbine is tapped, which the fan drives.
Es
soll darauf hingewiesen werden, dass die oben erwähnte
US-Patentschrift
Auch
bei der oben erwähnten deutsche Offenlegungsschrift
Eine zusätzliche Möglichkeit besteht darin, in der atmenden Gondel ein Kerntriebwerk mit zumindest einem Niederdruckverdichter, einem Hochdruckverdichter, einer Brennzelle, einer Hochdruckturbine und zumindest einer Niederdruckturbine vorzusehen. Die dabei entstehenden Luftströme können dann so umgeleitet werden, dass die Turbine des zentral angeordneten Bläsers angetrieben wird. Auf diese Weise werden einerseits die mit ineinander verlaufenden Achsen verbundenen Probleme vermieden. Da die Achsen nicht mehr ineinander verschachtelt sind, wird andererseits das Auswechseln schadhafter Blisks stark vereinfacht.A additional possibility is in the breathing gondola a core engine with at least one low-pressure compressor, a high pressure compressor, a fuel cell, a high pressure turbine and at least provide a low-pressure turbine. The resulting Air flows can then be diverted so that driven the turbine of the centrally located fan becomes. In this way, on the one hand, the one with one another Axis-related problems avoided. Because the axes are not anymore On the other hand, the replacement is damaged Blisks greatly simplified.
Bei diesem Gondel integrierten Gaserzeuger wird ein Druckverhältnis von 40:1–50:1 benötigt, was nur in zwei Stufen oder mehr darstellbar ist – also ein Niederdrucksystem (ND-System) und ein Hochdrucksystem (HD-System) benötigt. Im ND-System wird man ein Druckverhältnis von ca. 8:1–9:1 aufbauen müssen und im HD-System ein Druckverhältnis von 6:1, was aber wegen der höheren Eintrittstemperatur ungefähr die gleiche Turbinenleistung benötigt.at This gondola integrated gas generator becomes a pressure ratio from 40: 1-50: 1 needed, which is only in two stages or more can be represented - so a low pressure system (ND system) and a high-pressure system (HD system) is required. In the ND system, a pressure ratio of about 8: 1-9: 1 build up and in the HD system a pressure ratio of 6: 1, but because of the higher inlet temperature about the same turbine power needed.
Es soll an dieser Stelle nochmals betont werden, dass die atmende Gondel notwendige Voraussetzung für die Verwendung eines in die Gondel integrierten Gaserzeuger ist. Die erfindungsgemässe atmende Gondel kann aber auch bei einem ganz normalen Triebwerk mit zentral um die Niederdruckwelle angeordneten Kerntriebwerk (Gaserzeuger) Anwendung finden.It should be reiterated at this point that the breathing gondola necessary condition for the use of one in the Gondola integrated gas generator is. The inventive breathing gondola can also be used in a normal engine with centrally located around the low pressure shaft core engine (gas generator) Find application.
Die Erfindung wird nun mit Hilfe der Figuren beispielhaft anhand von verschiedenen Ausführungsformen im Detail beschrieben.The Invention will now be described by way of example with reference to FIGS various embodiments described in detail.
Um
die Erfindung anschaulich erläutern zu können,
ist es vorteilhaft zunächst grob den Aufbau eines Triebwerkes
gemäß dem Stand der Technik anhand
Die
feststehenden Teile
Der
Querschnitt der Gondel
Beim
Betrieb des Triebwerkes rotiert die Bläservorrichtung
Von den Verdichtern wird
die Luft zunächst bei im Wesentlichen konstanter Entropie
verdichtet. Hierdurch erhöht sich die Temperatur bzw. die
Entalpie. Im T-S Diagramm der
From the compressors, the air is first compressed at substantially constant entropy. This increases the temperature or the enthalpy. In the TS diagram of the
Die
durch die Niederdruckturbine
Demgegenüber
zeigt
Die
Turbine des Turboladers
Von
besonderem Interesse ist hierbei, dass zusätzlich in der
Gondel die Wellen des Niederdrucksystems und des Hochdrucksystems
mit der Brennzelle getrennt und parallel gelegt werden können. Das
Niederdrucksystem kann aus mehreren parallelen Turboladern bestehen.
Durch den Einlauf
der Gondel wird Luft angesaugt, die dann in die fünf im
Schema gezeigten Niederdruckverdichter
Air is sucked through the gondola inlet, which then enters the five low-pressure compressors shown in the diagram
Gemäß der
im Schema der
Die Erfindung wurde beispielhaft anhand einiger Ausführungsformen und der dazugehörenden Bilder erläutert. Diese Beispiele sind jedoch nicht einschränkend gemeint. Der Fachmann wird anhand der vorliegenden Beschreibung unmittelbar andere Ausführungsformen realisieren können, die jedoch auch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.The Invention has been exemplified by some embodiments and the accompanying pictures explained. These However, examples are not meant to be limiting. Of the The person skilled in the art will become immediately different from the present description However, embodiments can realize that also fall within the scope of the present invention.
Offenbart wurde eine luftatmende Gondel, d. h. ein Triebwerksgehäuse mit Einlass und integriertem Turbolader und Auslass, der in den Nebenstrom des Triebwerks fördert. Der Außendurchmesser der erfindungsgemäss luftatmenden Gondel kann in demselben Verhältnis kleiner gewählt werden wie der Außendurchmesser des Bläser-Rotors, der ja dann nur noch 80–90% des Durchsatzes schlucken können muss. Darüber hinaus ist die Kontraktion der Gondel im hinteren Teil kleiner und damit auch die Verzögerung, was die Verluste reduziert.Disclosed became an air-breathing gondola, d. H. an engine case with inlet and integrated turbocharger and outlet, which in the Side flow of the engine promotes. The outer diameter the air-breathing gondola according to the invention can in the same Ratio smaller than the outside diameter the fan rotor, which then only 80-90% of the throughput must be able to swallow. About that In addition, the contraction of the nacelle in the rear part is smaller and hence the delay, which reduces the losses.
Um einen hohen Prozentsatz des Geamttriebwerkdurchsatzes durch die Gondel zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, die Anordnung von Turboladern über den vollen Gondelumfang vorzusehen, da wegen des relativ kleinen Durchmessers der Lader viele parallele Einheiten untergebracht werden müssen. Andererseits bietet auch die Beschränkung der Einlauföffnung auf die oberen 2/3 oder die obere Hälfte Vorteile.Around a high percentage of the total engine throughput through the Gondola reach, it may be advantageous to the arrangement of Turbochargers over the full gondola circumference provide because because the relatively small diameter of the loader many parallel units must be accommodated. On the other hand, the offers Limitation of the inlet opening to the upper one 2/3 or the top half benefits.
Darüber hinaus wurde eine erfindungsgemäße Gondel offenbart mit integriertem Kerntriebwerk bzw. Gaserzeuger. Dadurch wird das Problem der Unverträglichkeit von dicker Niederdruckwelle und kleinem Volumenstrom des Kerntriebwerks für dessen aerodynamischen und konstruktiven Entwurf (sehr hohes Nabenverhältnis, ungünstiger Spalthaltung im Verdichter und unnötig hohes Gewicht) vermieden. Außerdem können nun Blisks verwendet werden, ohne dass bei einem Schaufelschaden im Kerntriebwerk eine vollständige Triebwerkszerlegung erforderlich wäre.About that In addition, a nacelle according to the invention has been disclosed with integrated core engine or gas generator. This will do that Problem of incompatibility of thick low pressure wave and small volume flow of the core engine for its aerodynamic and constructive design (very high hub ratio, unfavorable gap position in the compressor and unnecessary high weight) avoided. Besides, you can now Blisks are used without causing blade damage in the core engine a complete engine decomposition would be required.
Das gondelintegrierte Kerntriebwerk kann nur in Verbindung mit der luftatmenden Gondel realisiert werden. Über die Verringerung der Außenfläche der Gondel über den Außenradius hinaus, kommt beim gondelintegrierten Kerntriebwerk noch die Flächenreduktion über die verkürzte Triebwerkslänge hinzu, wenn das Kerntriebwerk aus der Hauptmaschine heraus genommen wird.The Gondelintegrierte core engine can only be used in conjunction with the air-breathing Gondola be realized. About reducing the outer surface of the Gondola beyond the outer radius, comes at gondelin integrated core engine still the area reduction over add the shortened engine length if that Core engine is taken out of the main engine.
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- - DE 4104201 A1 [0005, 0016] - DE 4104201 A1 [0005, 0016]
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