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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Triebwerk-Simulationseinrichtung.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Bypass-Triebwerk-Antriebssimulator
(Turbofan Propulsion Simulator TPS).
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Solche
Triebwerk-Simulationseinrichtungen bzw. TPS Einrichtungen werden
im Allgemeinen in Windkanalmodellen verwendet, um die tatsächlichen bzw.
realen Triebwerksperformance-Charakteristiken zu simulieren. Ein
TPS-Einrichtung weist normalerweise eine mit Druckluft angetriebene
Turbine auf, welche innerhalb kurzer Zeit die benötigte
Energie bereitstellt, um das Triebwerk zu fahren. Die aerodynamischen
Charakteristiken des Triebwerks, dazu gehören z. B. das
Triebwerksdruckverhältnis und der Massenstrom, sollen hierbei
im Wesentlichen identisch sein mit einem Original-Triebwerk, das
hierbei simuliert werden soll.
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Dadurch,
dass Druckluft zum Antreiben des Triebwerks bzw. der Turbine eingesetzt
wird, statt einer Verdichter- und Brennkammer vor der Turbine, ist der
Kernstrom nicht korrekt wiedergegeben, hier bezüglich der
Temperatur und des Massenstroms. Um aber eine gute Simulation des
Original-Triebwerks zu erzielen ist es notwendig, dieselbe Düsen-Austritts-Machzahl
im Kernstrahl zu erreichen. Ferner ist es wichtig den Massenstrom
auf ein Minimum zu reduzieren. Es existieren daher verschiedene
TPS-Einrichtungen für eine Vielzahl von Windkanal-Modellen mit
einer bestimmten, Skalierung für verschiedene Modellmaßstäbe.
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Bisher
ist jede TPS-Einrichtung für einen bestimmten Betriebspunkt
bzw. ein bestimmtes Triebwerk in einer bestimmten Größe
entwickelt worden. Die Antriebsturbine ist dabei für einen
Betriebspunkt eines bestimmten Triebwerks entwickelt. Das gesamte
Design einer solchen Einrichtung ist daher sehr kompakt und komplex.
Es ist hierbei außerdem eine sehr aufwendige Ölschmierung,
ein sehr spezielles Dichtungssystem und ein sorgfältig
ausgelegtes Lagersystem notwendig, welche aufgrund der hohen Lasten
und der hohen Drehgeschwindigkeiten von beispielsweise bis zu 80.000
U/min (RPM) für eine solche kleine Einrichtung, wie sie
beispielsweise in nachfolgender 14 gezeigt
ist, zu beachten sind.
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Ferner
wird eine genaue Dynamik-Berechnung und eine Anpassung der natürlichen
Biege-Frequenzen des gesamten Rotorsystems benötigt. Daher
ist das Hauptgehäuse mit der Turbine, die Welle und die
Lagerinstallation ein sehr teures Element. Des Weiteren ist es auch
das Element das am meisten Zeit bei der Konstruktion bzw. Entwicklung,
Fertigung und Montage benötigt. Die Gesamtkosten für die
Entwicklung und Fertigung einer neuen Einrichtung sind sehr wertintensiv,
die eine Zeitspanne von etwa zwei Jahren berücksichtigen.
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Außerdem
besteht gegenwärtig ein Erfordernis, wonach neue Triebwerk-Simulationseinrichtungen
bzw. TPS-Einrichtungen für eine neue Motorengeneration
entwickelt und hergestellt werden müssen, die sehr große
Bypass-Verhältnisse berücksichtigen, welche beispielsweise
einem Verkehrsflugzeug vom Typ: Airbus A350 gerecht werden und außerdem
denkbar bei neuen Kurzstreckenflugzeugen eingesetzt werden. Bekannte
TPS-Einrichtungen verfügen nicht über die erforderlichen
aerodynamischen Charakteristiken einer Gebläseeinrichtung,
um diese neue Triebwerksgeneration zu simulieren, darunter die Charakteristiken
der Triebwerks-Performance und der Triebwerksgröße.
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Weiter
ist in dem Dokument AIAA 94-2554 "Next Generation
Propulsion Simulation Equipment For Use In Wind Tunnels" von
B. C. Kemp von der 18th AIAA Aerospace Ground Testing Conference, June
20–23, 1994 in Colorado Springs ganz allgemein
beschrieben, eine vorhandenen TPS-Einrichtung zu verwenden und diese
mit verschiedenen Gebläseeinrichtungen zu bestücken
um Triebwerksimulationen durchzuführen. Eine vorhandene
TPS-Einrichtung lediglich umzurüsten hat jedoch den Nachteil,
dass Triebwerkssimulationsversuche nur auf Basis der vorgegebenen
Einstellungen und Betriebsparameter der TPS-Einrichtung durchgeführt
werden können. Eine solche vorhandene TPS-Einrichtung ist aber
weder dazu gedacht noch geeignet neue Triebwerksgenerationen zu
simulieren. Insbesondere ist eine Turbineneinheit eines vorhandenen,
alten Triebwerks eines Herstellers normalerweise eine Art ”Black
Box”. Das heißt man kennt im Allgemeinen nicht
die inneren Details, um beispielsweise eine Rotordynamikberechnung
oder dergleichen durchzuführen. Außerdem gibt
es eine große Anzahl von solchen alten Triebwerken die
alle nicht für zukünftige Windkanaltests geeignet
sind, da die Fan Performance nicht mehr zu modernen Triebwerken
passt. Eine Umrüstung alter vorhandener Triebwerke mit
einer neuen Gebläseeinrichtung die heutige Triebwerke repräsentiert,
würde Neuentwicklungen vermeiden. Da es viele alte Triebwerke
unterschiedlicher Größe gibt kann man mit relativ
geringen Mitteln eine ganze neue Triebwerks-„Familie” schaffen
die sich modular ergänzen und das gesamte Größen-
und Performancespektrum abdecken.
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Die
vorliegende Erfindung besitzt daher die Aufgabe, eine verbesserte
Triebwerk-Simulationseinrichtung und ein verbessertes Verfahren
zur Triebwerkssimulation bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 11 angegebenen
Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen
sind zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Maßnahmen
angegeben.
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Gemäß der
Erfindung wird eine Triebwerk-Simulationseinrichtung, insbesondere
für ein Triebwerk eines Flugzeugs oder Raumfahrzeugs, bereitgestellt,
wobei die Triebwerk-Simulationseinrichtung als ein Modul eine Turbineneinrichtung
zum Antreiben eines Triebwerks der Triebwerk-Simulationseinrichtung
aufweist, wobei die Turbineneinrichtung mit wenigstens zwei oder
mehreren Gebläseeinrichtungen koppelbar bzw. verbindbar
ist, wobei die Gebläseeinrichtungen dabei eine ähnliche
Masse und/oder einen ähnlichen Schwerpunkt oder dieselbe bzw.
im Wesentlichen dieselbe Masse und/oder den selben bzw. im Wesentlichen
den selben Schwerpunkt aufweisen.
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Indem
die Gebläseeinrichtungen der Triebwerk-Simulationseinrichtung
eine ähnliche oder nahezu dieselbe Masse oder im Wesentlichen
dieselbe Masse aufweisen, kann ein im Wesentlichen gleiches dynamisches
Verhalten des gesamten Rotorsystems der Triebwerk-Simulationseinrichtung
erzielt werden. Dies hat weiter den Vorteil, dass die Genauigkeit
der Messergebnisse erheblich verbessert und außerdem mögliche
Schäden an der Triebwerk-Simulationseinrichtung in Folge
von unerwünschten Resonanzen bzw. Vibrationen verhindert
werden können. Entsprechendes gilt auch, wenn die Gebläseeinrichtungen einen ähnliche
oder nahezu denselben Schwerpunkt oder im Wesentlichen denselben
Schwerpunkt aufweisen.
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Der
modulare Aufbau der Triebwerk-Simulationseinrichtung besitzt weiter
den Vorteil, dass die Triebwerk-Simulationseinrichtung entsprechend
verschiedener zu simulierender Originaltriebwerke leicht modifiziert
bzw. umgerüstet werden kann, ohne dass für jedes
zu simulierende Originaltriebwerk eine eigene Triebwerk-Simulations-Einrichtung
entwickelt und gefertigt wird. Dadurch können erhebliche
Einsparungen bezüglich Zeit und Kosten erzielt werden.
Dabei hat die modular aufgebaute Triebwerk-Simulationseinrichtung
den Vorteil, dass sie mit verschiedenen Gebläseeinrichtungen
verschiedener Triebwerke verbunden werden kann, wobei die Gebläseeinrichtungen
sich hierbei beispielsweise bezüglich ihrer Skalierung
bzw. Abmessung und/oder ihrem Leistungsverhalten bzw. Performance
voneinander unterscheiden können. Dies hat den Vorteil,
dass mit dieser modular aufgebaute Triebwerk-Simulationseinrichtung
beispielsweise Gebläseeinrichtungen mit einem unterschiedlichen
Durchmesser betrieben werden können.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen.
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In
dieser modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform
berücksichtigt die Turbineneinrichtung eine ausgelegte
Lagergehäuse-Einrichtung, welche als Teil des Moduls der
Triebwerk-Simulationseinrichtung den Vorteil umsetzt, dass diese
Lagergehäuse-Einrichtung nicht für jedes zu simulierende
Triebwerk zusammen mit der Turbineneinrichtung neu entwickelt werden
muss. Deshalb kann die Lagergehäuse-Einrichtung mit ihrer
komplexen Lagerung und Schmierung für verschiedene Triebwerksimulationen
eingesetzt werden. Dies führt zu einer deutlichen Kosten-
und Zeitersparnis, da besonders die Entwicklung und Fertigung der
Turbineneinrichtung und der Lagergehäuse-Einrichtung aufwendig und
teuer sind.
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In
einer anderen modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform
weisen wenigstens zwei Gebläseeinrichtungen, die mit der
Turbineneinrichtung verbindbar bzw. koppelbar sind, beispielsweise jeweils
eine unterschiedliche Abmessung und/oder ein unterschiedliches Leistungsverhalten
auf. Diese Ausführungsform einer Triebwerk-Simulationseinrichtung
ermöglicht den Vorteil, dass deren modulare Bauweise die
Simulation von unterschiedlichen Triebwerken erlaubt und nicht beschränkt;
und zwar in Bezug auf unterschiedliche Abmessungen oder unterschiedliches
Leitungsverhalten der zu simulierenden Triebwerke.
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Gemäß einer
weiteren modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform
weisen wenigstens zwei Gebläseeinrichtungen, die mit der
Turbineneinrichtung verbindbar bzw. koppelbar sind, jeweils einen
unterschiedlichen oder identischen Durchmesser auf, die wenigstens
eine unterschiedliche oder im Wesentlichen gleiche Performance bzw. Leistungsverhalten
umsetzen. Dies hat den Vorteil, dass neben einer bisherigen Gebläseeinrichtung
mit einem Durchmesser von z. B. 5 Zoll auch Gebläseeinrichtungen
mit einem größeren oder kleineren Durchmesser
mit einer gleichermaßen verwendeten Turbineneinrichtung
getestet werden können, wie im nachfolgenden z. B. noch
näher mit Bezug auf die 5 bis 10 beschrieben
wird.
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In
einer anderen modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist die jeweilige Gebläseeinrichtung einen vorbestimmten
Gebläsebereich auf. Hierbei kann der Turbinen-Austritt
beispielsweise so angepasst sein, dass z. B. eine vorbestimmte Mach-Zahl
einstellbar ist. Dies hat den Vorteil, dass, wenn beispielsweise
der Turbinenmassenstrom erhöht wird und sich dadurch wiederum
die Mach-Zahl erhöht, die Mach-Zahl durch diese Maßnahme
geeignet gesenkt werden kann.
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In
einer weiteren modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform
werden wenigstens ein oder mehrere Turbinen-Kennfelder bereitgestellt,
wobei auf der Basis des entsprechenden Turbinenkennfeldes beispielsweise
ein Turbinenmassenstrom und/oder ein Einlassdruck für ein
zu simulierendes Triebwerk geeignet einstellbar ist. Dies hat den
Vorteil, dass wenn beispielsweise bei einer existierenden Triebwerk-Simulationseinrichtung
eine neue Gebläseeinrichtung vorgesehen wird, die eine
erhöhte Leistung bei einer niedrigeren Drehzahl aufweist,
diese Änderung des Leistungsverhaltens durch ein entsprechendes
Turbinenkennfeld in den meisten Fällen abgedeckt werden
kann. So kann beispielsweise über ein entsprechendes Turbinenkennfeld
in diesem Fall der Turbinenmassenstrom und der Eingangsdruck geeignet
erhöht werden.
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Gemäß einer
weiteren modularen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die jeweilige Gebläseeinrichtung derart ausgebildet,
so dass Vibrationen bzw. resonante Vibrationen zumindest reduziert
oder im Wesentlichen verhindert werden. Dadurch können
Schäden an der Triebwerk-Simulationseinrichtung verhindert
und deren Lebensdauer erhöht werden.
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Gemäß der
Erfindung wird des Weiteren ein Verfahren zur Simulation eines Triebwerks,
für ein Luftfahrzeugs oder eine Raumfahrzeug, bereitgestellt,
wobei wenigstens eine oder mehrere erfindungsgemäße,
modulare Triebwerk-Simulationseinrichtungen eingesetzt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Auslegung
der Turbineneinrichtung und/oder der Rotordynamik abhängig
von den Gebläseeinrichtungen mit denen die Triebwerk-Simulationseinrichtung
bestückbar ist gewählt bzw. auf die Gebläseeinrichtung
abgestimmt. Dadurch können beispielsweise das Leistungsverhalten
der Triebwerkssimulationseinrichtung und das motordynamische Verhalten
abgeschätzt bzw. voraus kalkuliert werden.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Triebwerks-Simulationseinrichtung derart ausgebildet, dass
sie ein vorbestimmtes Leistungsverhalten und/oder ein maschinendynamisches
Verhalten aufweist. Dadurch dass das Leistungsverhalten bzw. das
maschinendynamische Verhalten der Triebwerks-Simulationseinrichtung
bekannt ist, kann die Triebwerks-Simulationseinrichtung entsprechend
je nach zu testendem Triebwerk problemlos umgerüstet werden,
ohne dass die Umrüstung zu einem unerwarteten maschinendynamisches
Verhalten führt oder die Leistung zum Prüfen des
zu testenden Triebwerks sich als nicht ausreichend herausstellt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
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In
den Figuren zeigt:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer Triebwerk-Simulationseinrichtung
bzw. TPS-Einrichtung mit eingezeichneten Strömungsverläufen;
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2 eine
Schnittansicht der Triebwerk-Simulationseinrichtung gemäß 1,
ohne die Strömungsverläufe;
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3 die
Triebwerk-Simulationseinrichtung in einem zusammengebauten Zustand,
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4 Einzelteile
der Triebwerk-Simulationseinrichtung gemäß 3,
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5 eine
Schnittansicht von vier unterschiedlichen Gebläseeinrichtungen
und zweier, unterschiedlicher Module, bestehend jeweils aus einer Turbineneinrichtung
und deren Lagergehäuseeinrichtung, wobei die Module mit
den Gebläseeinrichtungen zu vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen kombiniert
werden;
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6 ein
Diagramm in welchem der Gebläsemassenstrom in Bezug auf
die Drehzahl dargestellt ist für die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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7 ein
Diagramm in welchem der Gebläsemassenstrom in Bezug auf
das Gebläsedruckverhältnis dargestellt ist für
die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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8 ein
Diagramm, in welchem die Drehzahl in Bezug auf die Leistung dargestellt
ist für die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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9 ein
Diagramm, in welchem der Turbinenmassenstrom in Bezug auf den Turbinenantriebsdruck
dargestellt ist für die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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10 ein
Diagramm, in welchem die Drehzahl in Bezug auf die Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl
dargestellt ist für die vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen;
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11 eine
Ansicht einer erfindungsgemäßen, modularen Triebwerk-Simulationseinrichtung bei
einem Performance Test;
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12 ein
Diagramm, in welchem der korrigierte Gebläsemassenstrom
in Bezug auf ein Gebläse-Druckverhältnis (FPR)
angegeben ist für verschiedene Triebwerk-Simulationseinrichtungen,
sowie eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
Triebwerk-Simulationseinrichtung;
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13 ein
Diagramm, in welchem der spezielle Gebläsemassenstrom in
Bezug auf das Gebläsedruckverhältnis angegeben
ist für mehrere Triebwerksgenerationen;
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14 eine
3D Ansicht einer Triebwerk-Simulationseinrichtung; und
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15 eine
Ansicht eines Windkanals mit einer darin angeordneten Flugzeughälfte
eines Airbus vom Typ A380 mit installierter Triebwerk-Simulationseinrichtungen
zum Test beispielsweise des Triebwerk-Strahleinflusses auf die Flugzeugkräfte
der Flugzeughälfte.
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In
den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Strahltriebwerke
sind heutzutage meistens Turbinen-Luftstrahltriebwerke. Ein solches
Turbinen-Luftstrahltriebwerk saugt die Umgebungsluft ein und komprimiert
sie in einem Verdichter, was zu einer entsprechenden Druckerhöhung
führt. In einer darauf folgenden Brennkammer wird Treibstoff
eingespritzt und diese Mischung dann verbrannt. Durch die Verbrennung
wird die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht.
In einer nachfolgenden Turbine wird die einem Gas zugeführte
Strömungsenergie dann in eine Drehbewegung mechanisch umgesetzt, wobei
das Gas teilweise weiter expandiert. Das Gas expandiert dabei in
eine hinter der Turbine liegende Schubdüse, wobei die Strömungsgeschwindigkeit weiter
gesteigert wird. In der Schubdüse wird dabei die eigentliche
Vortriebskraft bzw. der Schub durch das ausströmende Gas
erzeugt.
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In 1 ist
nun eine Schnittdarstellung eines Beispiels einer Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 bzw.
einer TPS (Turbofan Propulsion Simulator) Einrichtung gezeigt. Die
Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 weist dabei beispielsweise
eine Triebwerksgondeleinrichtung 12 auf, die an einem Pylon 14 bzw. einem
stielförmigen Träger unter einem Tragflügel 16 befestigt
ist. In der Triebwerksgondeleinrichtung 12 ist u. a. eine
Gebläseeinrichtung 18 bzw. eine Fan-Einrichtung
und eine Turbineneinrichtung 20 mit einer Lagergehäuse-Einrichtung 22 und
einer Welle 24 angeordnet.
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Die
Gebläseeinrichtung 18 wird hierbei über Druckluft
angetrieben, die der Turbineneinrichtung 20 über
einen entsprechenden Druckluftkanal 26 zugeführt
wird, um die Gebläseeinrichtung 18 bzw. das Triebwerk 11 anzutreiben.
Diese Druckluft bildet einen Kern-Luftmassenstrom 28. Des
Weiteren saugt die von der Turbineneinrichtung 20 angetriebene
Gebläseeinrichtung 18 Luft an. Der Luftmassenstrom, der
von der Gebläseeinrichtung 18 angesaugt und verdichtet
wird, bildet nach Austritt aus der Fandüse den Fanstrahl-Luftmassenstrom 30.
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In 2 ist
eine Schnittansicht der Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 gemäß 1 ohne die
Luftmassenströme dargestellt. Wie in 1 ist der
Pylon 14 an dem Tragflügel 16 gezeigt,
an welchem die Triebwerksgondeleinrichtung 12 befestigt ist.
Des Weiteren ist die Zuleitung 26 für die Druckluft für
die Turbineneinrichtung 20 gezeigt. Außerdem ist in
einem Teilschnitt die Gebläseeinrichtung 18 und die
Turbineneinrichtung 20 dargestellt.
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Des
Weiteren ist in 3 die Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 in
einem zusammengebauten Zustand gezeigt und in 4 Einzelteile
der Gebläseeinrichtung 18. Die Gebläseeinrichtung 18 weist hierbei
einen Lufteinlass 32 mit einem Rotor 34 auf, der
auf einer Welle 36 angeordnet ist.
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Da
die Neuentwicklung für solche Triebwerk-Simulationseinrichtungen
sehr aufwendig und teuer ist, wird nun gemäß der
Erfindung eine modulare Triebwerk-Simulationseinrichtungen bzw. TPS-Einrichtungen
entwickelt und genutzt und diese je nachdem was simuliert werden
soll, geeignet ausgerüstet bzw. modifiziert. Auf diese
Weise kann auf eine jeweils vollständige Neuentwicklung
einer Triebwerk-Simulationseinrichtung für jeden Triebwerkstyp verzichtet
werden und dadurch erheblich Zeit und Kosten eingespart werden.
Eine solche Neuentwicklung hat außerdem den Vorteil, dass
die Turbinenauslegung und/oder die Rotordynamik auf den Fan bzw.
die Gebläseeinrichtung oder die Fans bzw. die Gebläseeinrichtungen
gezielt abgestimmt werden kann. Dadurch kann das Leistungsverhalten
und das maschinendynamische Verhalten bestimmt bzw. abgeschätzt
werden. Mit vorhandenen Einheiten ist dies so nicht möglich,
da man normalerweise nicht diese Details kennt. Wie zuvor beschrieben,
ist z. B. eine Turbineneinheit eines vorhandenen, alten Triebwerks
eines Herstellers im Allgemeinen eine Art ”Black Box”.
Das bedeutet man kennt nicht die inneren Details, um beispielsweise
eine Rotordynamikberechnung oder dergleichen durchzuführen.
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Grundsätzlich
ist es gemäß der Erfindung aber möglich
eine vorhandene Triebwerk-Simulationseinrichtung entsprechend zu
modifizieren, wobei diese mit verschiedenen Gebläseeinrichtungen
bestückt wird, je nachdem welche Art der Gebläseeinrichtung
im Rahmen eines Triebwerk-Simulationsversuchs simuliert werden soll.
Dabei wird jedoch die jeweilige Gebläseeinrichtung, im
Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Stand der Technik, so ausgewählt
bzw. vorgesehen, dass sie keine bzw. im Wesentlichen keine unerwünschten
Resonanzen an der Triebwerk-Simulationseinrichtung auslöst.
Dazu werden Gebläseeinrichtungen vorgesehen, die eine Masse
und/oder einen Schwerpunkt haben, der keine bzw. im Wesentlichen
keine oder nur geringfügige Resonanzen erzeugt, welche
nicht zu einer Beschädigung der Triebwerk-Simulationseinrichtung
führen oder zu einer Wesentlichen Verfälschung
von Messergebnissen. Des Weiteren weisen bei verschiedenen Gebläseeinrichtungen,
die mit der Triebwerk-Simulationseinrichtung bestückt werden,
diese Gebläseeinrichtungen vorzugsweise die gleiche oder
im Wesentlichen die gleiche Masse und/oder den gleichen oder im
Wesentlichen den gleichen Schwerpunkt auf. Zumindest sollten diese
Gebläseeinrichtungen aber eine ähnliche Masse
und/oder einen ähnlichen Schwerpunkt aufweisen.
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Hierbei
wird nun beispielsweise eine modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung
bzw. modulare TPS-Einrichtung geschaffen. Die modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung
bzw. TPS-Einrichtung weist dabei beispielsweise eine Turbineneinrichtung und
eine Lagergehäuse-Einrichtung auf, welche in der Lage sind
verschiedene Triebwerke anzutreiben z. B. mit verschiedenen Durchmessern
und/oder mit verschiedenen Performan ce-Charakteristiken, wie nachfolgend
mit Bezug auf die 5 bis 10 beispielhaft
näher erläutert werden soll.
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5 zeigt
eine Darstellung eines solchen erfindungsgemäßen
Moduls 38 einer Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 bzw.
einer TPS-Einrichtung. Des Weiteren zeigen die 6 bis 10 die
Konsequenzen für die Performance-Werte.
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In 5 sind
beispielsweise vier verschiedene Gebläseeinrichtungen 1, 2, 3, 4 dargestellt.
Dabei ist einmal eine existierende Ausgangsgebläseeinrichtung 1 gezeigt
und drei neuartige Varianten 2, 3 und 4 von Gebläseeinrichtungen 18.
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Zwei
der neuartigen Varianten 2, 3 der Gebläseeinrichtung 18 unterscheiden
sich dabei von der Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bezüglich
ihres Durchmessers. Dieser ist bei der ersten Variante 2 mit 6,4
Zoll größer und bei der zweiten Variante 3 mit 5,6
Zoll kleiner als der Durchmesser von 6 Zoll der Ausgangsgebläseeinrichtung 1.
Des Weiteren weist die dritte, neuartige Variante 4 der Gebläseeinrichtung
zwar denselben Durchmesser von 6 Zoll auf wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 dafür
aber eine andere, neue Charakteristik bzw. Performance.
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Zur
Simulation der entsprechenden Triebwerke mit diesen Gebläseeinrichtungen 1 bis 4 können
nun zwei Arten von Turbineneinrichtungen 20 mit Lagergehäuse-Einrichtung 22 als
Modul 38 bzw. 40 eingesetzt werden. Die erste
Turbineneinrichtung 20 mit Lagergehäuse-Einrichtung 22 kann
hierbei als erstes Modul 38 für die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 und
die ersten beiden Varianten 2 und 4 der Gebläseeinrichtungen 18 eingesetzt
werden, die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen im Vergleich zu
der Ausgangsgebläseeinrichtung 1.
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Die
zweite Turbineneinrichtung 20 mit Lagergehäuseeinrichtung 22 bildet
dagegen das zweite Modul 40 und wird für die dritte,
neuartige Variante 4 der Gebläseeinrichtung 18 eingesetzt,
die zwar ebenfalls einen Durchmesser von 6 Zoll auf weist, wie die
Ausgangsgebläseeinrichtung 1, aber eine andere bzw.
neue Charakteristik bzw. Performance aufweist. Insgesamt werden
also vier Triebwerk-Simulationseinrichtungen 10 bereitgestellt
die vier verschiedene Triebwerke simulieren, wobei die Triebwerk-Simulationseinrichtungen 10 jeweils
ein geeignetes Modul 38, 40 einer Turbineneinrichtung 20 mit
Lagergehäuse-Einrichtung 22 aufweisen.
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In
dem Diagramm, wie es in 6 gezeigt ist, ist die Drehzahl
des Triebwerks in Bezug auf den Gebläsemassenstrom dargestellt.
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Dabei
ist einmal der Verlauf für die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw.
deren Triebwerk-Simulationseinrichtung dargestellt, die über
das erste Modul der Turbineneinrichtung mit Lagergehäuse-Einrichtung
betrieben wird, und einmal jeweils ein Betriebspunkt der drei neuartigen
Varianten der Gebläseeinrichtung 2–4 bzw.
deren Triebwerk-Simulationseinrichtungen 2–4.
Dies gilt für alle Diagramme in den 6 bis 10.
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Aus
dem Diagramm in 6 kann dabei entnommen werden,
dass beispielsweise mit der ersten Variante der Gebläseeinrichtung 2 bzw.
deren Triebwerk-Simulationseinrichtungen ein höherer Gebläsemassenstrom
bei einer niedrigeren Drehzahl erreicht werden kann als bei der
Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung. Des
Weiteren kann mit der zweiten Variante 3 eine höhere Drehzahl
bei einem geringeren Gebläsemassenstrom erzielt werden
als bei der Ausgangsgebläseeinrichtung 1.
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In 7 ist
ein Diagramm gezeigt, in dem der Gebläsemassenstrom in
Bezug auf das Gebläsedruckverhältnis eingezeichnet
ist.
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Dabei
weisen die erste und dritte Variante der Gebläseeinrichtung 2, 4 bzw.
deren Triebwerk-Simulations einrichtungen, einen höheren
Gebläsemassenstrom bei dem gleichen Gebläsedruckverhältnis auf,
wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1. Des Weiteren
weist die zweite Variante der Gebläseeinrichtung 3 einen
geringeren Gebläsemassenstrom bei dem gleichen Gebläsedruckverhältnis
auf, wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1.
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Weiter
ist in 8 die Drehzahl in Bezug auf die Leistung des Triebwerks
dargestellt.
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Dabei
weist die erste Variante der Gebläseeinrichtung 2 eine
deutlich höhere Leistung, bei kleinerer Drehzahl wie die
Ausgangsgebläseeinrichtung 1, auf bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung. Die
dritte Variante der Gebläseeinrichtung 4 bzw.
deren Triebwerk-Simulationseinrichtung weist ebenfalls eine höhere
Leistung, bei gleicher Drehzahl wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 auf
bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung. Die zweite Variante
3 weist wiederum bei einer geringeren Leistung eine höhere
Drehzahl als die. Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw.
deren Triebwerk-Simulationseinrichtung auf.
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In 9 ist
ein Diagramm gezeigt, in welchem der Turbinenmassenstrom in Bezug
auf den Turbinenantriebsdruck gezeigt ist.
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Dabei
ist der Turbinenantriebsdruck bei der ersten und dritten Variante
2, 4 der Gebläseeinrichtung bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung höher
als bei der Ausgangsgebläseeinrichtung 1, bei einem
gleichen Turbinenmassenstrom. Die zweite Variante 3 der Gebläseeinrichtung
bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung weist wiederum bei dem selben
Turbinenmassenstrom einen kleineren Turbinenantriebsdruck als die
Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung auf.
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Des
Weiteren ist in 10 ein Diagramm dargestellt,
in wel chem die Drehzahl in Bezug auf die Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl
dargestellt ist.
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Dabei
weisen die erste und dritte Variante 2, 4 der Gebläseeinrichtung
bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung eine höhere
Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl auf, bei gleicher Drehzahl,
wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren Triebwerk-Simulationseinrichtung.
Die zweite Variante 2 der Gebläseeinrichtung bzw. deren
Triebwerk-Simulationseinrichtung weist wiederum eine höhere
Drehzahl auf, bei gleicher Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl,
wie die Ausgangsgebläseeinrichtung 1 bzw. deren
Triebwerk-Simulationseinrichtung.
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Zusammenfassend
kann man bezüglich der 5 bis 10 sagen,
dass mit Hilfe der beiden Module, die jeweils beispielsweise eine
Turbineneinrichtung mit einer Lagergehäuse-Einrichtung
aufweisen, unterschiedliche Triebwerke simuliert werden können
und dabei auf die Entwicklung jeweils einer eigenen Turbineneinrichtung
mit Lagergehäuse-Einrichtung für die jeweilige
Variante von Gebläseeinrichtung im Rahmen einer Triebwerk-Simulationseinrichtung
verzichtet werden kann.
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Soll
nun bei einer vorgegebenen Turbinenperformance für eine
modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung bzw. TPS-Einrichtung eine
neue Gebläseeinrichtung vorgesehen werden, welche z. B. eine
erhöhte Leistung bei einer geringeren Drehzahl benötigt,
wie beispielsweise die erste und dritte Variante 2, 4 der Gebläseeinrichtung
in 8. So kann in diesem Fall das existierende Turbinenperformance-Kennfeld
in den meisten Fällen ausreichend diese Änderungen
abdecken, indem beispielsweise der Turbinenmassenstrom um ein vorbestimmtes Maß erhöht
wird und der Einlassdruck.
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Der
erhöhte Turbinenstrom führt wiederum z. B. zu
einer Erhöhung der Turbinendüsenausgangs-Mach-Zahl.
In diesem Fall kann durch eine Vergrößerung der
Turbinendüsenausgangsfläche, die Mach-Zahl wiederum
gesenkt werden.
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Theoretisch
führt nun eine Änderung der Kerngebläse-Mach-Zahl
zu einer Veränderung der Turbineperformance. Man weiß aber
von dem ersten Demonstrationstest, wie er in den nachfolgenden 11 und 12 gezeigt
ist, dass der Einfluss für das spezielle Turbinendesign
einer Triebwerk-Simulationseinrichtung bzw. TPS-Einrichtung sehr
gering ist, da die Mach-Zahl in der letzten Turbinenstufe sehr hoch
ist. Eine Änderung des Gebläsebereichs hat daher
im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Performance bzw. das Leistungsverhalten.
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In
einem weiteren Fall ändert ein anderer Triebwerksrotor
oder Gebläserotor der auf einer existierenden Turbomaschine
installiert wird die natürliche Frequenz des Rotorsystems,
was resonante Vibrationen innerhalb des Betriebsbereichs erzeugen kann.
Dies muss sorgfältig untersucht werden, was sehr komplex
ist und was für Triebwerk-Simulationseinrichtungen mit
nicht bekannten Teilen im Inneren nicht ohne weiteres möglich
ist. Die Lösung ist hierbei nun gemäß der
Erfindung, das Design eines neuen Triebwerks bzw. einer Gebläseeinrichtung darauf
zu fokussieren, dass es im Wesentlichen dieselbe Masse und/oder
im Wesentlichen den selben Schwerpunkt aufweist oder der Unterschied
in der Masse und/oder dem Schwerpunkt ausreichend klein ist, so
dass resonante Vibrationen verhindert oder auf ein geeignetes Maß reduzierbar
sind, so dass es nicht zu ungenauen Messergebnissen oder sogar Schäden
an der Triebwerk-Simulationseinrichtung kommt. Das Verwenden von
Gebläseeinrichtung mit einem im Wesentlichen gleichen oder
nachezu gleichen Schwerpunkt bzw. Masse hat den Vorteil, dass dies
zu dem im Wesentlichen gleichen dynamischen Verhalten des gesamten
Rotorsystems führt.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass modular aufgebaute Triebwerk-Simulationseinrichtungen
verwendet werden können oder existierende Triebwerk-Simulationseinrichtungen
modifiziert werden können und daher weniger Triebwerk- Simulationseinrichtungen
eingesetzt werden müssen, um flexibler für die
Definition von Modellskalen zu sein und um schneller in der Vorbereitung
von motorisierten WT-Tests zu sein.
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Die
Zeit und die Kosten der Entwicklung einer modularen Triebwerk-Simulationseinrichtung sind
deutlich geringer als die Entwicklung von Triebwerk-Simulationseinrichtungen
für jeweils einen bestimmten Triebwerkstyp. Die Modifikation
mit einem neuen Triebwerk bei einer existierenden Triebwerk-Simulationseinrichtung
liegen z. B. bei ungefähr 1/3 einer vollständigen
Neuentwicklung. Der benötigte Zeitplan hierfür
liegt bei ungefähr 12 Monaten statt der bisherigen 24 Monate
für eine vollständige Neuentwicklung. Die erfindungsgemäße,
modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung ermöglicht somit
eine ganz erhebliche Kosten- und Zeitersparnis.
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Für
den ersten Leistungstest eines Airbus vom Typ A350 mit einem Model
503 4 wurde eine solche neue, modulare Triebwerk-Simulationseinrichtung
bzw. TPS-Einrichtung realisiert, wie nachfolgend anhand der 11 und 12 erläutert
wird.
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In 11 ist
dabei eine erfindungsgemäße Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 dargestellt.
Dabei wurde eine alte, existierende Triebwerk-Simulationseinrichtung,
d. h. hier beispielsweise eine TDI 1500, modifiziert. Das Triebwerk
der ursprünglichen Triebwerk-Simulationseinrichtung mit
einem Durchmesser von 5,0 Zoll war zu klein. Des Weiteren war das
Triebwerksdruckverhältnis bzw. das Gebläsedruckverhältnis
FPR zu hoch und der Massenstrom zu gering. Es wurde daher ein neues
Triebwerk-Design installiert. Das neue Triebwerk hat eine neue Gebläseeinrichtung
mit einem Durchmesser von 5,25 Zoll, ein niedrigeres Triebwerksdruckverhältnis
bzw. Gebläsedruckverhältnis FPR und einen reduzierten Massenstrom.
Das neue Triebwerk benötigt des Weiteren mehr Leistung
und eine niedrigere Drehzahl. Die neue Gebläseeinrichtung
hat dabei im Wesentlichen dieselbe Masse und denselben Schwerpunkt wie
die ursprüngliche Gebläseeinrichtung, um unerwünschte
resonante Vibrationen zu verhindern und im Wesentlichen dasselbe
dynamische Verhalten des gesamten Rotorsystems sicherzustellen.
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11 zeigt
den Performance-Test mit dieser neuen, erfindungsgemäßen
Triebwerk-Simulationseinrichtung 10, die auf einer modifizierten,
existierenden Triebwerk-Simulationseinrichtung, hier TDI 1500, basiert.
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12 zeigt
des Weiteren die neue Triebwerkscharakteristik verglichen mit der
ursprünglichen, vorhandenen Triebwerkscharakteristik. Die Turbinendüsen
Mach-Zahl kann dabei beispielsweise auf einem niedrigen oder niedrigeren
Level eingestellt werden, durch eine Erhöhung der Gebläsefläche
ohne jedoch eine Änderung der Turbineperformance. Die Gebläsefläche
bei der erfindungsgemäßen Triebwerk-Simulationseinrichtung
beträgt hierbei einmal 68 cm2,
71,5 cm2, 74,9 cm2 und
64,8 cm2. Diese Werte sind jedoch lediglich
beispielhaft und die Erfindung ist nicht auf diese Werte beschränkt.
So kann die Gebläsefläche auch kleiner als 64,8
cm2 und größer als 74,9
cm2 gewählt werden, je nach Funktion und
Einsatzzweck.
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Das
dynamische Verhalten der erfindungsgemäßen Triebwerk-Simulationseinrichtung
ist hierbei sehr gut. Wie aus 12 entnommen
werden kann, kann mit der erfindungsgemäßen Triebwerk-Simulationseinrichtung
mit einem Durchmesser von 5,25 Zoll ein höherer Gebläsemassenstrom
erzielt werden bei einem gleichen Triebwerksdruckverhältnis
bzw. Gebläsedruckverhältnis FPR im Vergleich zu einer
existierenden Triebwerk-Simulationseinrichtung mit einem Durchmesser
von 5,0 Zoll.
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Die
erfindungsgemäße Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 ist
dabei in dem Diagramm in 12 zusätzlich
als Schnittansicht dargestellt. Dabei wird eine Turbineneinrichtung 20 mit
einer Lagergehäuse-Einrichtung 22 der existierenden
Triebwerk-Simulationseinrichtung TDI 1500 verwendet. Es wird aber
die Gebläseeinrichtung der TDI 1500 mit einem Durchmesser
von 5,0 Zoll durch ein Modul einer Gebläseeinrichtung 18 mit
einem größeren Durchmesser von 5,25 Zoll ersetzt
bzw. modifiziert.
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In 13 ist
nun ein Diagramm bzw. ein Gebläse-Performance-Kennfeld
aufgezeigt, in welchem bisherige Triebwerke mit neuen Triebwerken
und zu erwartenden, zukünftigen Triebwerken dargestellt sind.
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Die
Hauptparameter bei der Simulation sind das Gebläsedruckverhältnis
und der Gebläsemassenstrom. In dem Kennfeld für
die Gebläse-Performance in 13 ist
daher der Gebläsemassenstrom in Bezug auf den Gebläsedruck
angegeben. Das Kennfeld wurde bei einer Mach-Zahl von 0, bei Standard-Tages
Bedingungen und auf Meereshöhe erstellt. Das Bypass-Verhältnis
BRP, d. h. der Massenstrom durch die Gebläseeinrichtung
zu dem Massenstrom durch die Turbineneinrichtung beträgt
bei konventionellen Triebwerken, z. B. CFM 56 usw., bisher BPR < 7. Bei den Triebwerken
der neuen Generation, wie z. B. GENX, RR Trent 1000 usw., beträgt
das Bypass-Verhältnis BRP > 9 und bei den zu erwartenden zukünftigen
Triebwerken BPR < 14.
Wie aus 13 entnommen werden kann geht
die Triebwerksentwicklung beispielsweise dahin, dass ein größerer
Gebläsemassenstrom bei einem kleineren Gebläsedruckverhältnis
bei einem Triebwerk erreicht werden kann.
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In 14 ist
eine Ansicht einer Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 dargestellt,
ohne deren Befestigung an einem Pylon und ohne die Triebwerksgondel-Einrichtung.
Die Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 weist beispielsweise
eine Gebläseeinrichtung 18 und eine nach geordnete
Turbineneinrichtung 20 auf, mit einer Zuführung 26 für
das Antriebsmedium für die Turbineneinrichtung 20,
hier z. B. Druckluft. Gemäß der Erfindung kann
beispielsweise die Turbineneinrichtung 20 als Modul 38 bzw. 40 vorgesehen
werden, wobei sie mit verschiedenen Gebläseeinrichtungen 18 kombinierbar
ist, wobei die Gebläseeinrichtungen 18 beispielsweise
unterschiedliche Durchmesser, unterschiedliche Gebläseflächen
und/oder einen unterschiedlichen Aufbau usw. aufweisen können,
um verschiedene Triebwerke zu simulieren. Die Gebläseeinrichtungen
weisen jedoch eine Masse und einen Schwerpunkt auf, welcher unerwünschte
resonante Vibrationen verhindert oder zumindest reduziert. Die Masse
und/oder der Schwerpunkt der Gebläseeinrichtungen ist dabei gleich
bzw. im Wesentlichen gleich oder die Differenz ist ausreichend klein,
so dass resonante Vibrationen zumindest reduziert oder im Wesentlichen
verhindert werden können bzw. das dynamische Verhalten
des Rotorsystems der Triebwerk-Simulationseinrichtung möglichst ähnlich
ist.
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Weiter
ist in 15 ein Beispiel für
einen Windkanal 42 zum Testen eines Flugzeugmodells 44, hier
eines Airbus vom Typ A380, gezeigt. Dabei sind entsprechende Triebwerk-Simulationseinrichtungen 10 in
dem Tragflügel 16 des Flugzeugmodells 44 installiert,
um die beiden Triebwerke 11 auf einer Seite des Airbus
vom Typ A380 zu simulieren. Die Triebwerk-Simulationseinrichtung 10 weist
hierbei eine normalerweise mit Druckluft angetriebene Turbineneinrichtung
auf, welche innerhalb kurzer Zeit die benötigte Energie
bereitstellt, um das Triebwerk zu fahren.
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Das
modulare System der Triebwerk-Simulationseinrichtung hat den Vorteil,
dass es an neue Designs anpassbar ist und Teile alter Triebwerk-Simulationseinrichtungen
in Zukunft weiter genutzt werden können.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt,
sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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- 10
- Triebwerk-Simulationseinrichtung
- 11
- Triebwerk
- 12
- Triebwerksgondeleinrichtung
- 14
- Pylon
- 16
- Tragflügel
- 18
- Gebläseeinrichtung
- 20
- Turbineneinrichtung
- 22
- Lagergehäuseeinrichtung
- 24
- Welle
- 26
- Druckluftkanal
- 28
- Kern-Luftmassenstrom
- 30
- Gebläse-Luftmassenstrom
- 32
- Lufteinlass
- 34
- Rotor
- 36
- Welle
- 38
- erstes
Modul
- 40
- zweites
Modul
- 42
- Windkanal
- 44
- Flugzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - AIAA 94-2554 ”Next
Generation Propulsion Simulation Equipment For Use In Wind Tunnels” von
B. C. Kemp von der 18th AIAA Aerospace Ground Testing Conference,
June 20–23, 1994 in Colorado Springs [0007]