DE102010014910A1 - Mixing device for turbofan engine for mixing cold air stream with hot-air stream, has engine pod and exhaust cone that defines cold air stream with hot-air stream - Google Patents

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    • F02K1/80—Couplings or connections

Abstract

The mixing device has an engine pod (8) and an exhaust cone (3) that defines a cold air stream with a hot-air stream. A drive unit is provided for connecting a position element at a pulling rod. The position element is integrated in the exhaust cone by a rotating disk in a circular manner.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für ein Turbofantriebwerk zum Mischen des Kaltluftstroms mit dem Heißluftstrom in einer durch eine Triebwerksgondel und einen Abgaskonus definierten und durch die Mischvorrichtung geteilten Mischebene mit einem variablen Verhältnis der Kaltstromfläche zur Heißstromfläche.The invention relates to a mixing device for a turbofan engine for mixing the cold air flow with the hot air flow in a mixing plane defined by an engine nacelle and an exhaust cone and divided by the mixing device with a variable ratio of the cold flow surface to the hot flow surface.

Die Effizienz von Turbofantriebwerken kann bekanntermaßen dadurch verbessert werden, dass der Heißgasstrom des Kerntriebwerks mit dem kalten Massenfluss des Nebenstroms vermischt wird und erst danach der gemischte Gasstrom durch eine Düse entspannt wird. Ein weiterer Vorteil der Mischung der beiden Gasströme liegt in der damit verbundenen Verringerung des Strahllärms, was insbesondere beim Start eines mit einem derartigen Triebwerk angetriebenen Flugzeugs von Bedeutung ist.The efficiency of turbofan engines can be known to be improved by mixing the hot gas stream of the core engine with the cold mass flow of the secondary stream and only then relieving the mixed gas stream through a nozzle. Another advantage of the mixture of the two gas streams is the associated reduction in jet noise, which is particularly important when starting an aircraft powered by such an engine.

Zur Erzielung eines möglichst großen Mischungseffekts werden üblicherweise sogenannte Blütenmischer eingesetzt, die in einen umlaufenden Blechmantel eingeformte, abwechselnd radial nach innen und nach außen aufgewölbte, sich in Längsrichtung rinnenartig erstreckende Ausbauchungen, das heißt Kanäle, aufweisen. Die regelmäßig in Umfangsrichtung ausgebildeten Kanäle können eine unterschiedliche Form und Länge haben. Durch die jeweilige Form und Länge und Anzahl der rinnenförmigen Kanäle des Blütenmischers kann die Kontaktfläche zwischen dem kalten Nebenluftstrom und dem heißen Kernstrom und die Ausbildung von im Mischungsbereich erzeugten Strömungswirbeln und somit letztlich die Mischungswirkung des Blütenmischers in der in eine Nebenstromfläche (Kaltstromfläche) und eine Kernstromfläche (Heißstromfläche) geteilten Mischebene beeinflusst werden.To achieve the greatest possible mixing effect, so-called flower mixers are usually used, which are formed in a circumferential metal jacket, alternately radially inwardly and outwardly bulging, in the longitudinal direction trough-like bulges, that is, channels have. The regularly formed in the circumferential direction channels can have a different shape and length. Due to the particular shape and length and number of channel-shaped channels of the flower mixer, the contact surface between the cold secondary air stream and the hot core stream and the formation of flow vortex generated in the mixing area and thus ultimately the mixing effect of the flower mixer in the in a side flow area (cold flow area) and a core flow area (Hot flow surface) divided mixing level can be influenced.

Da jedes Hindernis in dem vom Fan erzeugten Luftstrom direkten Einfluss auf die Flattergröße des Fans hat, beeinflusst das Verhältnis zwischen der Kaltstrom- und der Heißstromfläche auch das Flattern des Fans bei bestimmten Flugzuständen. Bei einer größeren Kaltstromfläche wird der Fan geringer belastet, so dass das Flattern verringert wird. Eine dementsprechende Veränderung des Verhältnisses zwischen der Kalt- und der Heißstromfläche, das heißt eine Verringerung der Kaltstromfläche zugunsten einer größeren Heißstromfläche, beeinflusst jedoch die Mischwirkung derart, dass der Schub verringert und der Lärmpegel erhöht wird. Andererseits kann unter bestimmten Flugbedingungen ein gegenteiliges Verhältnis vorteilhaft sein, um ohne in einen kritischen Flatterbereich zu gelangen, die Schubwirkung zu verbessern. Insofern ist das bei den bekannten Blütenmischern vorgesehene Verhältnis zwischen der Kalt- und der Heißstromfläche nur ein Kompromiss für alle auftretenden Flugzustände.Since any obstruction in the air flow generated by the fan has a direct impact on the fan bounce, the ratio between the cold flow and hot flow surfaces also affects the fan's flutter in certain flight conditions. With a larger cold flow area, the fan is loaded less, so that the flutter is reduced. A corresponding change in the ratio between the cold and the hot flow area, that is, a reduction of the cold flow area in favor of a larger hot flow area, but affects the mixing effect such that the thrust is reduced and the noise level is increased. On the other hand, under certain flight conditions an opposite ratio may be advantageous to get into a critical flapping area to improve the thrust. In this respect, provided in the known flower mixers ratio between the cold and the hot flow surface is only a compromise for all occurring flight conditions.

Aus der US 5771681 ist eine Mischvorrichtung für Gasturbinentriebwerke zum Mischen des kalten Nebenluftstroms mit dem heißen Kernluftstrom bekannt, die eine Veränderung des Verhältnisses zwischen der Größe der Kaltstromfläche und der Heißstromfläche bzw. eine Änderung des Mischungsverhältnisses zwischen dem Nebenluftstrom und dem Kernluftstrom vorsieht. Die Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden, gelenkig befestigten Segmenten, die in eine äußere Position und eine innere Position verstellt werden können, um entsprechend der jeweiligen Position das Mischungsverhältnis zu ändern. Die bekannten einstellbaren Mischvorrichtungen sind wegen der Vielzahl gelenkig befestigter Bauteile und des hohen Gewichts sowie des Wartungs- und Kostenaufwandes nachteilig.From the US 5771681 For example, a gas turbine engine mixing apparatus for mixing the cold bleed air stream with the hot core air stream is known, which provides a change in the ratio between the size of the cold flow area and the hot flow area or a change in the mixing ratio between the bleed air stream and the core air stream. The device comprises a plurality of circumferentially successive hingedly mounted segments which can be adjusted to an outer position and an inner position to change the mixing ratio according to the respective position. The known adjustable mixing devices are disadvantageous because of the large number of articulated components and the high weight and the maintenance and cost.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung für ein Turbofantriebwerk anzugeben, die auf einfache Art eine variable Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen dem Heiß- und dem Kaltluftstrom ermöglicht.The invention has for its object to provide a mixing device for a turbofan engine, which allows a simple way a variable adjustment of the mixing ratio between the hot and the cold air flow.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Mischvorrichtung gelöst.According to the invention the object is achieved with a trained according to the features of claim 1 mixing device.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass zur Änderung der Kaltstrom- und der Heißstromfläche auf die elastischen rinnenförmigen Kanäle eines Blütenmischers eine radial gerichtete Kraftwirkung ausgeübt wird. Ein konzentrisch zum Blütenmischer gelagertes, in einem Drehwinkel α drehbares und mit einem Antriebsmittel verbundenes Stellelement ist gelenkig mit Stellstangen verbunden, deren anderes Ende jeweils an den am Blütenmischer ausgebildeten rinnenförmigen Kanälen angelenkt ist. Durch die Drehbewegung des Stellelements in einem bestimmten Drehwinkel und die dabei auf die rinnenförmigen Kanäle ausgeübte Zug- oder Druckwirkung wird die Größe der Kalt- und Heißstromflächen und somit das Mischungsverhältnis geändert. Die so ausgebildete verstellbare Mischvorrichtung zeichnet sich durch einen geringen baulichen Aufwand und einen geringen Kostenaufwand aus.The basic idea of the invention is that a radially directed force effect is exerted on the elastic trough-shaped channels of a flower mixer in order to change the cold-flow and hot-flow surfaces. A concentric to the flower mixer mounted, rotatable in a rotation angle α and connected to a drive means actuator is pivotally connected to adjusting rods, the other end is articulated in each case on the formed on the flower mixer channel-shaped channels. By the rotational movement of the actuating element in a certain angle of rotation and thereby exerted on the channel-shaped channels tensile or compressive action, the size of the cold and hot flow surfaces and thus the mixing ratio is changed. The thus formed adjustable mixing device is characterized by a low structural complexity and a low cost.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist das mit der Antriebsvorrichtung verbundene Stellelement eine in den Abgaskonus integrierte kreisförmige Drehscheibe, an deren Außenrand in regelmäßigem Abstand die Stellstangen angelenkt sind.In a further embodiment of the invention, the adjusting element connected to the drive device is an integrated into the exhaust cone circular hub, at the outer edge at regular intervals, the adjusting rods are articulated.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Drehscheibe und das mit dieser verbundene Antriebsmittel innerhalb des Abgaskonus angeordnet und die Stellstangen sind durch im Abgaskonus vorgesehene Öffnungen hindurch geführt.In an embodiment of the invention, the hub and the drive means connected thereto are arranged within the exhaust cone and the Adjusting rods are guided through openings provided in the exhaust cone.

In weiterer Ausbildung der Erfindung umfasst das Antriebsmittel einen Druckzylinder mit einem beidseitig mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Kolben sowie eine mit diesem verbundene Steuerstange mit an deren freiem Ende angebrachtem Steuerstift, der in einen Steuerschlitz eines mit der Drehscheibe verbundenen Steuerrohres eingreift.In a further embodiment of the invention, the drive means comprises a pressure cylinder with a piston acted upon on both sides by a pressure medium and a control rod connected thereto with a control pin attached to its free end, which engages in a control slot of a control tube connected to the turntable.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Turbofantriebwerks mit einer im Bereich des Abgaskonus angeordneten Mischvorrichtung; 1 a schematic representation of a turbofan engine with a arranged in the region of the exhaust cone mixing device;

2 eine perspektivische Ansicht der ohne Abgaskonus dargestellten, als Blütenmischer ausgebildeten verstellbaren Mischvorrichtung; 2 a perspective view of the illustrated without flue cone, designed as a flower mixer adjustable mixing device;

3 eine perspektivische Ansicht einer mit dem Blütenmischer verbundenen Stellvorrichtung zur Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen Heiß- und Kaltluftstrom; und 3 a perspective view of an associated with the flower mixer adjusting device for adjusting the mixing ratio between hot and cold air flow; and

4 eine vergrößerte Darstellung einer einzelnen, mit der Stellvorrichtung verbundenen Rinne des Blütenmischers in verschiedenen Stellpositionen. 4 an enlarged view of a single, connected to the actuator gutter of the flower mixer in different positions.

Der vom Fan 1 des in 1 dargestellten Turbofantriebwerks erzeugte Luftstrom wird an einem Strömungsteiler 2 aufgeteilt. Die beiden Luftströme, das heißt der durch den Pfeil K (durchgezogene Linie) gekennzeichnete Kaltluftstrom K und der durch den Pfeil H (punktierte Linie) gekennzeichnete Heißluftstrom H werden durch einen den Abgaskonus 3 umgebenden Blütenmischer 4 miteinander vermischt. Die durch die strichlierte Linie beschriebene Mischebene 5 wird in eine Kaltstromfläche 6, die zwischen dem Blütenmischer 4 und der Innenwand der Triebwerksgondel 8 liegt, und in eine Heißstromfläche 7, die sich zwischen dem Blütenmischer 4 und dem Abgaskonus 3 befindet, gebildet.The one from the fan 1 of in 1 shown turbofan engine generated air flow is at a flow divider 2 divided up. The two air streams, that is to say the cold air flow K marked by the arrow K (solid line) and the hot air flow H marked by the arrow H (dotted line) are separated by the exhaust gas cone 3 surrounding flower mixer 4 mixed together. The mixing plane described by the dashed line 5 gets into a cold flow area 6 between the flower mixer 4 and the inner wall of the engine nacelle 8th lies, and in a hot flow area 7 that is between the flower mixer 4 and the exhaust cone 3 is formed.

Die Größe der Kaltstromfläche 6 und der Heißstromfläche 7 kann in Abhängigkeit voneinander eingestellt werden, um das Mischungsverhältnis zwischen dem Kaltluftstrom und dem Heißluftstrom an bestimmte Flugzustände anpassen zu können. Zu diesem Zweck ist, wie die 2 bis 4 zeigen, an den vorderen Enden der rinnenförmigen Kanäle 9 des Blütenmischers 4 jeweils eine Stellstange 10 gelenkig befestigt, deren gegenüberliegendes Ende an einer in den Abgaskonus 3 integrierten Drehscheibe 11 angelenkt ist. Die Drehscheibe 11 kann mithilfe eines Antriebsmittels 21 um einen bestimmten Drehwinkel α verdreht werden, so dass die rinnenförmigen Kanäle 9 des Blütenmischers 4 zum Abgaskonus 3 hin gezogen werden oder – bei entgegen gesetzter Drehrichtung – von diesem weg gedrückt werden und dabei die Heißstromfläche 7 verkleinert bzw. vergrößert wird und die Kaltstromfläche dementsprechend vergrößert bzw. verkleinert wird, um so das Mischungsverhältnis zwischen dem Kaltluftstrom K und dem Heißluftstrom H zu verändern. 4 zeigt einen einzelnen rinnenförmigen Kanal 9 des Blütenmischers 4 in einer der jeweiligen Drehwinkelposition der Drehscheibe 11 entsprechenden unteren, mittleren und oberen Lage.The size of the cold flow area 6 and the hot flow surface 7 can be set in dependence on each other in order to adapt the mixing ratio between the cold air flow and the hot air flow to certain flight conditions can. For this purpose, like the 2 to 4 show, at the front ends of the channel-shaped channels 9 of the flower mixer 4 one control rod each 10 hinged, whose opposite end to a in the exhaust cone 3 integrated turntable 11 is articulated. The turntable 11 can by using a drive means 21 be rotated by a certain angle of rotation α, so that the channel-shaped channels 9 of the flower mixer 4 to the exhaust cone 3 pulled out or - in the opposite direction of rotation - are pushed away from this and thereby the hot flow surface 7 is reduced or increased and the cold flow area is increased or decreased accordingly, so as to change the mixing ratio between the cold air flow K and the hot air flow H. 4 shows a single channel-shaped channel 9 of the flower mixer 4 in one of the respective rotational angular position of the turntable 11 corresponding lower, middle and upper position.

3 zeigt einen beispielhaften, mit den rinnenförmigen Kanälen 9 in Wirkverbindung stehenden und mit einem Antriebsmittel 21 verbundenen Stellmechanismus. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist nur eine an einem rinnenförmigen Kanal 9 und an der Drehscheibe 11 angelenkte und durch eine Öffnung 12 im Abgaskonus 3 geführte Stellstange 10 dargestellt. Das Antriebsmittel 21 umfasst eine Druckstange 14, die über einen in einem Druckzylinder 15 mit einem Druckmedium beaufschlagten Kolben 16 hin und her bewegbar ist. Ein am freien Ende der Druckstange 14 angebrachter Steuerstift 13 greift in einen in der Wand eines mit der Drehscheibe 11 fest verbundenen Steuerrohres 17 ausgebildeten Steuerschlitz 18 ein. Bei einer axialen Bewegung der Druckstange 14 führt das über den Steuerschlitz 18 und den Steuerstift 13 mit der Druckstange 14 in Wirkverbindung stehende Steuerrohr 17 – und damit auch die Drehscheibe 11 – eine Drehbewegung in einem Drehwinkel α aus. Entsprechend der Bewegungsrichtung der Druckstange 14 werden die rinnenförmigen Kanäle 9 radial nach innen oder außen verstellt, um dadurch ein bestimmtes, an den jeweiligen Flugzustand angepasstes Mischungsverhältnis zwischen Kaltluftstrom und Heißluftstrom bzw. bzw. die Größe der Kaltstromfläche einzustellen. Ein mit der Druckstange 14 in Wirkverbindung stehendes Führungselement 19 verhindert eine Drehbewegung der Druckstange 14 und durch ein am Steuerrohr 17 angreifendes Haltemittel 20 wird eine axiale Bewegung des Steuerrohres 17 vermieden. 3 shows an exemplary, with the channel-shaped channels 9 operatively connected and with a drive means 21 connected adjusting mechanism. For better clarity, only one is on a channel-shaped channel 9 and at the turntable 11 hinged and through an opening 12 in the exhaust cone 3 guided control rod 10 shown. The drive means 21 includes a push rod 14 that's about one in a printing cylinder 15 acted upon by a pressure medium piston 16 is movable back and forth. One at the free end of the push rod 14 attached control pin 13 engages in one in the wall of one with the turntable 11 firmly connected head tube 17 trained control slot 18 one. With an axial movement of the push rod 14 leads this over the control slot 18 and the tax pin 13 with the push rod 14 operatively connected control tube 17 - and with it the turntable 11 - A rotational movement in a rotation angle α. According to the direction of movement of the push rod 14 become the channel-shaped channels 9 adjusted radially inwardly or outwardly, thereby adjusting a specific, adapted to the respective flight condition mixing ratio between cold air flow and hot air flow or or the size of the cold flow area. One with the push rod 14 operatively connected guide element 19 prevents a rotational movement of the push rod 14 and by one on the head tube 17 attacking holding means 20 becomes an axial movement of the head tube 17 avoided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Fanfan
22
Strömungsteilerflow divider
33
Abgaskonusexhaust cone
44
BlütenmischerBloom mixer
55
MischebeneLayers,
66
KaltstromflächeCold flow area
77
HeißstromflächeHot flow area
88th
TriebwerksgondelEngine nacelle
99
rinnenförmige Kanäle von 4 channel-shaped channels of 4
1010
Stellstangecontrol rod
1111
Drehscheibeturntable
1212
Öffnung in 3 Opening in 3
1313
Steuerstiftcontrol pin
14 14
Druckstangepushrod
1515
Druckzylinderpressure cylinder
1616
Kolbenpiston
1717
Steuerohrhead tube
1818
Steuerschlitzcontrol slot
1919
Führungselementguide element
2020
Haltemittelholding means
2121
Antriebsmitteldrive means
KK
KaltluftstromCold air flow
HH
Heißluftstrom Drehwinkel von 11 Hot air flow rotation angle of 11

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5771681 [0005] US 5771681 [0005]

Claims (5)

Mischvorrichtung für ein Turbofantriebwerk zum Mischen des Kaltluftstroms mit dem Heißluftstrom in einer durch eine Triebwerksgondel (8) und einen Abgaskonus (3) definierten und durch die Mischvorrichtung geteilten Mischebene mit einem variablen Verhältnis der Kaltstromfläche zur Heißstromfläche, gekennzeichnet durch ein konzentrisch zu der als Blütenmischer (4) mit elastischen Materialeigenschaften ausgebildeten Mischvorrichtung gelagertes, in einem Drehwinkel α drehbares, mit einem Antriebsmittel (21) verbundenes Stellelement mit an diesem angelenkten Stellstangen (10), die gelenkig jeweils mit am Blütenmischer (4) ausgebildeten rinnenförmigen, in radialer Richtung elastisch verformbaren Kanälen (9) verbunden sind und diese radial in eine die Kalt- oder Heißstromflächen vergrößernde oder verkleinernde Position verstellen.Mixing device for a turbofan engine for mixing the cold air flow with the stream of hot air in an engine nacelle ( 8th ) and an exhaust cone ( 3 ) defined and divided by the mixing device with a variable ratio of the cold flow surface to the hot flow surface, characterized by a concentric to the as a flower mixer ( 4 ) formed with elastic material properties of the mixing device, rotatable in a rotational angle α, with a drive means ( 21 ) connected actuator with hinged on this adjusting rods ( 10 ), the articulated each with the flower mixer ( 4 ) formed channel-shaped, elastically deformable in the radial direction channels ( 9 ) are connected and adjust them radially in a cold or hot flow surfaces enlarging or reducing position. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement eine in den Abgaskonus (3) integrierte kreisförmige Drehscheibe (11) ist, an deren Außenrand in regelmäßigem Abstand die Stellstangen (10) angelenkt sind.Mixing device according to claim 1, characterized in that the actuating element into the exhaust cone ( 3 ) integrated circular turntable ( 11 ) is at the outer edge at a regular distance the adjusting rods ( 10 ) are articulated. Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehscheibe (11) und das mit dieser verbundene Antriebsmittel (21) innerhalb des Abgaskonus (3) angeordnet sind und die Stellstangen (10) durch in diesem vorgesehene Öffnungen (12) hindurch geführt sind.Mixing device according to claim 1 or 2, characterized in that the turntable ( 11 ) and the drive means ( 21 ) within the exhaust cone ( 3 ) and the adjusting rods ( 10 ) through openings provided therein ( 12 ) are passed through. Mischvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel (21) einen Druckzylinder (15) mit einem beidseitig mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Kolben (16) umfasst, der über eine Druckstange (14) mit an deren freiem Ende angebrachtem Steuerstift (13), der in einen Steuerschlitz (18) eines mit der Drehscheibe verbundenen Steuerrohres (17) eingreift, mit der Drehscheibe (11) in Wirkverbindung steht.Mixing device according to claim 3, characterized in that the drive means ( 21 ) an impression cylinder ( 15 ) with a piston acted upon on both sides by a pressure medium ( 16 ), which via a push rod ( 14 ) with attached at its free end control pin ( 13 ), which is in a control slot ( 18 ) of a control tube connected to the turntable ( 17 ), with the turntable ( 11 ) is in operative connection. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blütenmischer und das Stellelement selbsttätig in ihre Ausgangslage verstellbar sind, sobald von dem Antriebsmittel keine Stellkraft ausgeübt wird.Mixing device according to claim 1, characterized in that the flower mixer and the adjusting element are automatically adjustable to their initial position as soon as no force is exerted by the drive means.
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