Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Testvorrichtung für den Fan eines Flugzeugtriebwerks zur Ermittlung des akustischen und aerodynamischen Verhaltens und der Leistungsdaten, die ein an einer Prüfstandswand stirnseitig angebrachtes Außengehäuse zur Aufnahme des Fans und einer mit diesem verbundenen Antriebswelle sowie von Messeinrichtungen um- fasst .

Ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung und Herstellung von Flugzeugtriebwerken ist die Reduzierung der Lärmemis- sion. Der Fan (Triebwerksgebläse), der den wesentlichen

Teil des Triebwerksschubes erzeugt, gilt gleichzeitig als eine der Hauptlärmquellen eines Triebwerks, so dass sich die auf die Verringerung der Lärmemission gerichteten Untersuchungen auf den Fan und dessen Betriebsverhalten und akustische Wirkungen konzentrieren. Der durch den Fan bewirkte Lärm wird einerseits über den Lufteinlass am Fangehäuse und andererseits über den Luftauslass des Bypass- kanals (Mantelstromkanal) nach außen abgestrahlt, wobei eine wesentliche Ursache für die stromab des Fans erzeug- te Lärmemission durch das Zusammenwirken mit den im Strömungskanal hinter dem Fan angeordneten Einbauten, insbesondere den Leitschaufeln, bedingt ist.

Untersuchungen zur Feststellung der von einem Fan ausge- henden Lärmemission werden üblicherweise mit einer Testvorrichtung durchgeführt, die ein an der Wand eines Prüf- standes fest installiertes, an den jeweiligen Fan ange- passten Außengehäuse aufweist. Die mit einem Antrieb verbundene Antriebswelle des Fans ist in mehreren Lagern am Außengehäuse abgestützt. Eine derartige Prüfanordnung ist insofern nachteilig, als akustische Untersuchungen auf- grund des als tragende Struktur ausgebildeten Außengehäuses in der Regel nur stromauf des Fans durchgeführt werden können. Selbst um die Auswirkung unterschiedlicher Triebwerksgebläse-Konfigurationen in dem stromauf des Fans liegenden Teil des Strömungskanals untersuchen zu können und daraus bestimmte Maßnahmen zur Lärmreduzierung bei der Entwicklung von Triebwerken herleiten zu können, sind jedoch umfangreiche Umbaumaßnahmen und in vielen Fällen, zum Beispiel bei den Fans unterschiedlicher Triebwerke, sogar vollständige Neukonstruktionen der Versuchsanordnung erforderlich, die mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden sind. Der in Strömungsrichtung hinter dem Fan liegende und als Tragstruktur fungierende Strömungskanal im Außengehäuse ist nicht entspre- chend den tatsächlichen Gegebenheiten in einem Triebwerk ausgebildet und deshalb für akustische Untersuchungen ungeeignet. Andererseits bietet aber die bei einem üblichen Fantriebwerk tatsächlich vorgesehene Ausbildung des stromab des Fans liegenden Strömungskanals bzw. der in diesem angeordneten Einbauten, wie zum Beispiel Leitschaufeln und akustische sowie aerodynamische Auskleidungen, wichtige Ansatzpunkte für die Untersuchung und die Reduzierung der Lärmemission, die bisher unberücksichtigt geblieben sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Testvorrichtung für den Fan von Flugzeugtriebwerken anzugeben, die für unterschiedliche Fankonfigurationen realitätsnah und mit geringem baulichen Aufwand die Untersuchung der akustischen und aerodynamischen Wirkungen unterschiedlich ausgebildeter Fans in Verbindung mit im Strömungskanal angeordneten Einbauten erlaubt und die Entwicklung von Triebwerken mit verminderter Lärmemission ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den

Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Testvor- richtung gelöst. Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Ausbildung der Testvorrichtung aus einer stationären inneren, von der Prüfstandswand auskragenden Grundstruktur, in der die Antriebswelle für den zu prüfenden Fan gelagert ist, sowie aus mobilen und austauschbaren, mit angeschlossenen optischen Mitteln zueinander ausrichtbaren Außengehäuse- modulen, austauschbaren Einbauten zur Luftleitung und Lärmreduzierung sowie an eine modular ausgebildete TeIe- metrieeinheit angeschlossenen austauschbaren Messeinrichtungen zur Ermittlung von Leistungsdaten und der durch den Fan und die Einbauten bedingten aerodynamischen und akustischen Verhältnisse. Mit einer auf dieser Basis ausgebildeten Testvorrichtung kann mit vergleichsweise geringem baulichen Aufwand eine Vielzahl von durch die Gestaltung des Fans und der im Strömungskanal hinter dem Fan liegenden Einbauten beeinflussten Daten erfasst werden, aus denen Rückschlüsse für die Verringerung der Lärmemission, eine optimale aerodynamische Gestaltung des Fans und der Einbauten und eine Leistungssteigerung gezogen werden können.

Die statische Grundstruktur zur Abstützung der Antriebswelle für den jeweils untersuchten Fan umfasst ein an der Prüfstandswand befestigtes, aus drei konzentrisch angeordneten Tragringen bestehendes Traggehäuse mit an den beiden inneren Tragringen auskragend gehaltenem äußeren und inneren Tragrohr, deren freie Enden durch Tragschaufeln miteinander verbunden sind und durch eine Stützstruktur verlängert sind. An dieser Stützstruktur sowie am inneren Tragrohr liegenden Lagerstützringen ist die Antriebswelle für den Fan über Lager abgestützt. Der mobile, austauschbare Teil der Testvorrichtung um- fasst mehrere abdichtend und lösbar miteinander verbundene Außengehäusemodule, bestehend aus einem den Fan umgebenden Fangehäusemodul, mindestens einem mit Messelemen- ten versehenen Messgehäusemodul sowie Strömungskanalmodulen, die zwischen den Messgehäusemodulen bzw. einem Messgehäusemodul und dem fest mit der Prüfstandswand verbundenen äußeren Tragring des Traggehäuses angeordnet sind.

Die austauschbaren Messelemente sind an einer in den

Messgehäusemodulen angeordneten schwenkbaren Trommel angebrachte, vorzugsweise an einem Messrechen gehaltene Sensoren zur Erfassung der Lärmemission und anderer strömungstechnisch relevanter Daten. An dem an den Fangehäu- semodul anschließenden Außengehäusemodul sind zur Aufteilung und Weiterleitung des vom Fan erzeugten Luftstroms Leitschaufeln für den Bypassluftstrom sowie zwei konzentrisch angeordnete Rohrelemente mit Leitschaufeln zur Ausbildung des Kernstromkanals austauschbar angebracht. Die Leitschaufeln sind somit nichttragende Strukturen, die unabhängig von der Rotorlagerung nur am Außengehäuse befestigt sind.

In dem stromab des Fans liegenden Teil des Fangehäusemo- duls sowie in dem anschließenden Bypassstromkanal kann - abgesehen von dem mit Mikrofonen bestückten Teil des zweiten Messgehäusemoduls - eine akustische oder aerodynamische Auskleidung austauschbar angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Auskleidung in Form von halbschalenför- migen Linern ausgebildet, die so aneinandergefügt sind, dass eine störungsfreie Luftströmung gewährleistet ist. Derartige Auskleidungen können auch stromauf des Fans an der Innenumfangsflache des Fangehäusemoduls vorgesehen sein. Um eine exakte konzentrische Anordnung und Ausrichtung der mobilen Außengehäusemodule zu gewährleisten, sind das Fangehäusemodul und die zwischen diesem und dem Traggehäuse angeordneten Messgehäusemodule auf in Schienen ver- schiebbar angeordneten Stützsäulen in X-, Y- und Z-

Richtung einstellbar befestigt, wobei die genaue koaxiale Ausrichtung der einstellbaren Außengehäusemodule mittels am Fangehäusemodul befestigten Präzisionsfernrohren sowie an den vorderen und hinteren Flanschen der Messgehäusemo- dule und am stationären Traggehäuse angebrachten optischen Linsen erfolgt. Die optischen Linsen und Präzisionsfernrohre sind vorzugsweise paarweise einem bestimmten Winkel zueinander versetzt angebracht.

Zum Ausgleich von temperaturbedingten axialen und radialen Dehnungen sind die an einen Messgehäusemodul anschließenden Strömungskanalmodule in einem Schiebesitz mit sich aufgrund einer Federvorspannung ausdehnenden Dichtungselementen gelagert .

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, deren einzige Figur eine schematische, teilweise im Schnitt wiedergegebene Darstellung einer modular ausgebildeten Testvorrichtung für Triebwerksgebläse zeigt, näher erläutert.

Die Testvorrichtung besteht zum einen aus einer an der senkrechten Wand des Prüfstandes gehaltenen Grundstruktur, die für die akustischen und aerodynamischen Messun- gen und die Leistungserfassung im stromab des Fans liegenden Strömungskanal von geringer Bedeutung ist und für die Prüfung des Fans unter verschiedenen Testbedingungen und auch für verschiedene Fankonfigurationen im Wesentlichen unverändert bleibt. Diese statische Grundstruktur umfasst ein Traggehäuse 1, das aus drei konzentrisch angeordneten, über Rippen 2 verbundenen Tragringen 3 bis 5 besteht und über den äußeren Tragring 3 fest mit der senkrechten PrüfStandswand 6 verbunden ist. An dem mittleren Tragring 4 ist ein äußeres Tragrohr 7 und an dem inneren Tragring 5 ist ein inneres Tragrohr 8 befestigt. Das äußere und das innere Tragrohr 7, 8 sind an der freien Stirnseite über eine Vielzahl von Tragschaufeln 9 sowie einen an das innere Tragrohr 8 anschließenden Stütz - ring 10 miteinander verbunden. Am Innenumfang des inneren Tragrohrs 8 ist im vorderen und hinteren Bereich jeweils ein Lagerstützring 11 angebracht. In der zuvor beschriebenen Tragstruktur ist konzentrisch eine in Lagern 12 abgestützte Antriebswelle 13 angeordnet, die lösbar mit der Fanscheibe 14 und am hinteren Ende mit einem Antrieb (nicht dargestellt) verbunden ist.

Die Fanscheibe 14 bildet zusammen mit den an dieser befestigten Fanschaufeln 15 und dem Einlaufkonus 16 den Fan 17, der Teil der mobilen bzw. austauschbaren Struktur der Testvorrichtung ist und dessen akustisches und aerodyna- misches Verhalten in Verbindung mit den stromab des Fans anschließenden Strömungskanälen, insbesondere dem Bypass- stromkanal 45 (Mantelstromkanal) und den diesem zugeordneten Einbauten, geprüft werden soll.

Der austauschbare Teil der Testvorrichtung wird entsprechend dem jeweils zu prüfenden Fan und den jeweils geforderten unterschiedliche Prüfbedingungen projektiert, so dass aufgrund der unveränderlichen Grundstruktur mit vergleichweise geringem Aufwand unterschiedliche Fankonfigu- rationen unter bestimmten Bedingungen geprüft werden können. Dieser individuell projektierte Teil der Testvorrichtung besteht aus einer Mehrzahl mobiler, über Dichtungselemente 27, 50 abdichtend miteinander verbundener Außengehäusemodule, die - in Strömungsrichtung axial an- einander gereiht - ein im Bereich des Fans 17 angeordnetes Fangehäusemodul 18, ein im Leitschaufelbereich des an den Fan anschließenden Strömungskanals angeordnetes erstes Messgehäusemodul 19, erste bis dritte aufeinander folgende, sich konisch erweiternde Strömungskanalmodule 20, 21 und 22, ein zweites Messgehäusemodul 23 und ein viertes, sich konisch erweiterndes Strömungskanalmodul 24 aufweist. Das Fangehäusemodul 18 sowie das erste Messgehäusemodul 19 und das zweite Messgehäusemodul 23 sind - in X-, Y- und Z-Richtung einstellbar - an Stützsäulen 25 gehalten, die in integral mit dem Traggehäuse 1 verbunde- nen Führungsschienen 26 in axialer Richtung verschiebbar gehalten sind. Die ersten bis dritten Strömungskanalmodule 20 bis 22 sind untereinander und mit dem ersten Messgehäusemodul 19 verschraubt. Das vierte Strömungskanalmodul 24 ist mit dem fest an der Wand 6 des Prüfstandes in- stallierten, eine stationäre Außengehäusesektion bildenden Traggehäuse 1 verschraubt und gegenüber diesem durch ein Dichtungselement 27 (O-Ring) abgedichtet. Die dritten und vierten Strömungskanalmodule 22 und 24 sind zum - aufgrund von Temperaturschwankungen erforderlichen - Deh- nungsausgleich über einen Schiebesitz und ein spezielles Dichtelement 50 schwimmend am zweiten Messgehäusemodul 23 gelagert. Das Dichtungselement 50 ist ein im Querschnitt C-förmiger Dichtring 50a mit in diesem angeordneter, sich aufgrund einer Federvorspannung ausdehnender Spiralfeder 50b, so dass der Dichtring 50a der temperaturbedingten radialen Dehnung des Außengehäuses folgen kann.

Das erste Messgehäusemodul 19 und das zweite Messgehäusemodul 23 weisen jeweils vordere und hintere Flansche 28 bis 31 auf, an deren oberem Außenrand jeweils ein Paar im Winkel von 120° zueinander versetzt angeordneter, jeweils ein Fadenkreuz aufweisender optischer Linsen 32 positioniert ist. Zwei weitere optische Linsen 32 sind in gleicher Position an dem stationären Traggehäuse 1 ange- bracht, denen am Fangehäusemodul 18 an Flanschen 51 befestigte Präzisionsfernrohre 33 gegenüberstehen. (Die um 120° versetzte Anordnung der Präzisionsfernrohre und optischen Linsen ist in der Zeichnung nicht dargestellt.) Mit Hilfe der Präzisionsfernrohre 33 und der am Traggehäuse 1 vorgesehenen optischen Linsen 32 wird zunächst das an den Stützsäulen in X-, Y- und Z-Richtung einstellbare Fangehäusemoduls 18 konzentrisch zur Mittelachse 34 bzw. Antriebswelle 13 ausgerichtet. Anschließend werden auch die anderen - auf den Stützsäulen 25 gehaltenen und einstellbaren Außengehäusemodule, an denen die optische Linsen 32 angebracht sind, entlang der optischen Achsen 35 koaxial ausgerichtet, so dass der austauschbare Teil der Testvorrichtung mit hoher Genauigkeit konzentrisch zu deren stationärer Grundstruktur ausgerichtet ist.

Das erste Messgehäusemodul 19 und das zweite Messgehäusemodul 23 weisen jeweils eine schwenkbare Trommel 36, 37 auf, an der ein mit Mikrofonen zur Messung der Schall - emission bestückter Messrechen 38, 39 zur Messung der Schallemission austauschbar angebracht ist. An der schwenkbaren Trommel 37 des Messgehäusemoduls 23 sind weitere Mikrofone 40 befestigt.

An dem ersten Messgehäusemodul 19 sind Bypassstrom- Leitschaufein 41 gehalten, die über erste und zweite Kernstrom-Leitschaufeln 42 mit einem äußeren und einem inneren Rohrelement 43, 44 verbunden sind, so dass der stromab des Fans 17 liegende Strömungskanal in einen - vom Außengehäuse sowie dem äußeren Rohrelement 43 und dem äußeren Tragrohr 7 begrenzten - Bypassstromkanal 45 und einen von den äußeren und inneren Rohrelementen 43, 44 bzw. den Tragrohren 7, 8 gebildeten Kernstromkanal 46 aufgeteilt wird. Die äußeren und inneren Rohrelemente 43, 44 sind mit axialem und radialem Spalt über Dichtringe 47 an der mit den Tragschaufeln 9 verbundenen Stützstruktur 10 abdichtend und lösbar gehalten und bilden - zusammen mit den Bypassstrom- und Kernstrom-Leitschaufeln 41, 42 - ein mobiles, austauschbares und für den jeweiligen Anwendungsfall projektiertes Bauteil der Testvorrichtung. Das heißt, die Bypassstrom- und die Kernstrom-Leitschaufeln 41, 42 sind unabhängig von der statischen Grundstruktur und der Antriebwelle 13 nur am Außengehäuse gehalten und können frei gestaltet und ausgetauscht werden.

Ein variables und für unterschiedliche Einsatzfälle austauschbares Bauteil ist weiterhin die im Bypassstromkanal 45 angeordnete akustische Auskleidung (akustische Li- ner)48. Anstelle oder in Kombination mit der akustischen Auskleidung kann für aerodynamische Untersuchungen auch eine aerodynamische Auskleidung (aerodynamische Liner) vorgesehen sein. Auch diese Bauteile können aufgrund des modular ausgebildeten Außengehäuses mit vergleichsweise geringem Aufwand ausgetauscht werden. Die akustische Auskleidung 48 besteht aus halbschalenförmigen Linersegmen- ten, wobei die jeweils in Umfangsrichtung und in Strömungsrichtung aufeinander folgenden, bündig zueinander angeordneten Linersegmente durch eine Buchse-Stift- Kombination (nicht dargestellt) miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ist ein schneller und unkomplizierter Wechsel der akustischen Auskleidung 48 möglich und die an der Oberfläche der akustischen Auskleidung vorhan- denen Störungen beschränken sich auf die zwischen den Li- nersegmenten axial verlaufenden und umlaufenden Stoßstellennähte. Die Linersegmente sind in der vorliegenden Ausführungsform am Außenumfang des Bypassstromkanals 45 verklebt und an dessen Innenumfang über Adapterelemente 49 abgestützt. Auch an der Innenumfangsflache des Fangehäusemoduls 18 stromauf und stromab des Fans 17 ist eine aus austauschbaren Linersegmenten gebildete akustische Auskleidung 48 vorgesehen.

Die Übertragung der im Bypassstromkanal 45 erfassten Messwerte erfolgt mit einer ebenfalls als modulares (steckbares) System ausgebildeten Telemetrieeinheit (nicht dargestellt) .

Mit der zuvor beschriebenen, modular aus einer stationä- ren Grundstruktur zur Abstützung der den Fan 17 antreibenden Antriebswelle 13 sowie aus mobilen Außengehäusemo- dulen mit austauschbaren Einbauten ausgebildeten Testvorrichtung sind mit vergleichsweise geringem baulichen Aufwand oder baulichen Änderungen umfassende Untersuchungen in Bezug auf die Leistung und die Schallemission in Abhängigkeit von dem Fan und der Ausbildung des stromab des Fans vorhandenen Strömungskanals möglich. Das Auswechseln der Einbauten und die erneute Montage der Außengehäusemo- dule, die an Stützsäulen in X-, Y- und Z-Richtung ein- stellbar und mit einem optischen System präzise zueinander ausgerichtet werden können, ist mit einem gegenüber einer Neukonstruktion vergleichsweise geringen Zeitaufwand verbunden. Auch der Austausch der Außengehäusemodule gegen neu gefertigte Außengehäusemodule ist mit einem deutlich geringeren Aufwand verbunden als der vollständige Neubau der Testvorrichtung.

Bezugszeichenliste

1 Traggehäuse 2 Rippen von 1

3 Tragring v. 1

4 Tragring v. 1

5 Tragring v. 1

6 Prüfstandswand 7 äußeres Tragrohr

8 inneres Tragrohr

9 Tragschaufeln

10 Stützstruktur

11 Lagerstützring 12 Lager

13 Antriebswelle

14 Fanscheibe

15 Fanschaufeln

16 Einlaufkonus 17 Fan

18 Fangehäusemodul

19 erstes Messgehäusemodul

20 erstes Strömungskanalmodul 21 zweites Strömungskanalmodul 22 drittes Strömungskanalmodul

23 zweites Messgehäusemodul

24 viertes Strömungskanalmodul

25 Stützsäulen

26 Führungsschienen 27 Dichtungselement

28 vorderer Flansch v. 19

29 hinterer Flansch v. 19

30 vorderer Flansch v. 23

31 hinterer Flansch v. 23 32 optische Linsen

33 Präzisionsfernrohr 34 Mittelachse

35 optische Achse

36 schwenkbare Trommel

37 schwenkbare Trommel

38 Messrechen

39 Messrechen

40 Mikrofone

41 Bypassstrom-Leitschaufei

42 Kernstrom-Leitschaufei

43 äußeres Rohrelement

44 Inneres Rohrelement

45 Bypassstromkanal

46 Kernstromkanal

47 Dichtring

48 akustische Auskleidung

49 Adapterelemente

50 spez . Dichtelement

50a C-förmiger Dichtring

50b Spiralfeder

51 Flansche v. 18