Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Typ von
Gasturbinentriebwerk, das als ein
Flugzeug-Bypass-Turbofantriebwerk bekannt ist, und insbesondere auf ein Verfahren
zum Betreiben des Triebwerkes für einen Aus-Zustand des
Triebwerks und zur Lärmverminderung des Triebwerks.
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Ein Gasturbinentriebwerk enthält ein Kerntriebwerk mit
einem Hochdruck-Verdichter, um die in das Kerntriebwerk
eintretende Luftströmung zu verdichten, eine Brennkammer, in
der ein Gemisch von Brennstoff und der verdichteten Luft
verbrannt wird, um eine antreibende Gasströmung zu
erzeugen, und eine Hochdruck-Turbine, die durch die antreibende
Gasströmung in Rotation versetzt wird und die mit einer
einen größeren Durchmesser aufweisenden Welle verbunden ist,
um den Hochdruck-Verdichter anzutreiben. Ein typisches
Flugzeug-Bypass-Turbofantriebwerk fügt eine Niederdruck-
Turbine (die hinter bzw. stromabwärts von der Hochdruck-
Turbine angeordnet ist) hinzu, die durch eine einen
kleineren Durchmesser aufweisende koaxiale Welle verbunden ist,
um einen Front-Fan (der vor bzw. stromaufwärts von dem
Hochdruck-Verdichter angeordnet ist) anzutreiben, der von
einer Fan-Gondel umgeben ist und der auch einen
Niederdruck-Verdichter (der zwischen dem Front-Fan und dem
Hochdruck-Verdichter angeordnet ist) antreiben kann. Der
Niederdruck-Verdichter wird manchmal ein Zusatz- bzw. Booster-
Verdichter oder einfach ein Booster genannt. Ein erster
Strömungsteiler, der zwischen dem Fan und dem ersten
(gewöhnlich dem Niederdruck-)Verdichter angeordnet ist,
trennt Luft, die aus dem Fan austritt, in eine
Kerntriebwerks-Luftströmung und eine umgebende Bypass-Luftströmung.
Die Bypass-Luftströmung aus dem Fan verläßt die Fandüse
(auch die Fan-Bypass-Düse oder die Fan-Abgasdüse genannt),
um den größten Teil des Triebwerkschubes (für den Fall
eines Triebwerks mit hohem Bypass-Verhältnis) für das
Flugzeug zu liefern. Ein Teil des Triebwerkschubes kommt aus
der Kerntriebwerks-Luftströmung, nachdem sie durch die
Nieder- und Hochdruck-Verdichter zur Brennkammer geströmt ist,
und expandiert durch die Hoch- und Niederdruck-Turbinen und
beschleunigt aus der Kerndüse heraus (auch die
Kernabgasdüse genannt). Eine Kern-Gondel umgibt die Nieder- und
Hochdruck-Verdichter und Turbinen und die dazwischen
angeordnete Brennkammer.
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Bekannte Flugzeug-Bypass-Turbofantriebwerkskonstruktionen
enthalten solche mit einer Reihe anstellungsvariabler (z. B.
schwenkende) Fanauslaß-Führungsschaufeln, die radial
zwischen den Fan- und Kerngondeln und longitudinal hinter bzw.
stromabwärts von dem Strömungsteiler angeordnet sind, wobei
berichtet worden ist, daß der Schaufelaufprallwinkel
gesteuert wird, um Verluste zu senken, den Fan-Bypass-
Wirkungsgrad zu verbessern und die Fan-Bypass-
Strömungsabrißgrenze zu vergrößern. Ein System zum Steuern
anstellungsvariabler Auslaßführungsschaufeln ist in unserem
früheren Patent GB-A-2038421 beschrieben. Was notwendig
ist, ist ein Verfahren, um ein derartiges Triebwerk
effizienter zu betreiben.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben
eines Flugzeug-Bypass-Turbofantriebwerks mit verstellbaren
Fanauslaß-Führungsschaufeln für einen Aus-Zustand des
Triebwerks und für eine Lärmverminderung des Triebwerks zu
schaffen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines
Flugzeug-Bypass-Turbofan-Triebwerks geschaffen, wobei das
Triebwerk enthält: eine im allgemeinen longitudinal
verlaufende Achse, die sich von vorne nach hinten erstreckt; eine
longitudinal hinterste Reihe von im allgemeinen sich radial
nach außen erstreckende Fanrotor- bzw. Laufschaufeln; eine
Kernverkleidung, die longitudinal hinter den Laufschaufeln
angeordnet ist und ein longitudinal vorderes Ende aufweist,
das einen Strömungsteiler bildet; eine Fanverkleidung, die
die Laufschaufeln und wenigstens einen Teil der
Kernverkleidung in Umfangsrichtung umgibt; und eine Reihe von
Fanauslaß-Leit- bzw. Führungsschaufeln mit verstellbarem
Steigungswinkel, die in radialer Richtung zwischen den Fan-
und Kernverkleidungen und longitudinal hinter bzw.
stromabwärts von dem Strömungsteiler angeordnet sind, und wobei
das Verfahren die Schritte enthält:
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(a) wiederholtes Messen der Fanrotor-Drehzahl;
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(b) Eistellen des Steigungswinkels der Leitschaufeln auf
einen vorgewählten Wert als eine Funktion der gegenwärtigen
Messung der Fanrotor-Drehzahl, um den Triebwerksschall
während eines Schallsenkungsmodus des Triebwerkes im
allgemeinen zu minimieren,
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(c) Einstellen des Steigungswinkels der Leitschaufeln auf
einen im voraus festgelegten Wert als eine Funktion der
gegenwärtigen Messung der Fanrotor-Drehzahl während eines
Modus des Triebwerksbetriebes, der sich von dem
Schallsenkungsmodus unterscheidet, wobei der im voraus gewählte Wert
sich von dem im voraus festgelegten Wert für eine
identische Messung der Fanrotor-Drehzahl unterscheidet, und
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(d) Abtasten eines Ausschaltzustandes für das Triebwerk und
Einstellen des Steigungswinkels der Leitschaufeln auf einen
vorbestimmten Wert als eine Funktion der gegenwärtigen
Messung der Fanrotor-Drehzahl, um die Luftströmung durch die
Leitschaufeln während eines Ausschaltzustandes des
Triebwerkes im allgemeinen zu maximieren.
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Mehrere Nützlichkeiten und Vorteile werden von dem
Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks gemäß der Erfindung
insbesondere bei einem mehrere Triebwerke aufweisenden
Flugzeug erhalten. Die Maximierung der Luftströmung durch die
Leitschaufeln während eines Ausschaltzustandes des
Triebwerkes verringert den inneren Strömungswiderstand des
Triebwerkes und den Gondel(Spül)-Strömungswiderstand und
verhindert eine Strömungsablösung an einer oberen externen
Einlaßlippe während eines Abhebens mit großem
Angriffwinkel, wobei eine derartige unerwünschte Ablösung den
Einlaßströmungswiderstand vergrößert und den Flügelauftrieb
verkleinert. Da ein gegenwärtiges Triebwerksdesign eine
größere und schwerere Fanverkleidung aufweist, die für den
Strömungswiderstand und die Ablösung von einem Ausschaltzustand
des Triebwerks ausgelegt ist, und da ein gegenwärtiges
Flugzeugdesign ein größeres und schwereres Heck aufweist,
das zum Steuern der Gierung ausgelegt ist, die durch einen
vergrößerten Strömungswiderstand für einen Ausschaltzustand
des Triebwerks hervorgerufen wird, können signifikante
Erhöhungen im spezifischen Brennstoffverbrauch mit dem
Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt werden, das
kleinere Triebwerksverkleidungen und Flugzeughecks
gestattet, wodurch die arbeitenden Triebwerke ein mehrere
Triebwerke aufweisendes Flugzeug während eines
Ausschaltzustandes eines Triebwerkes sicher fliegen können. Das Einstellen
der Schaufelsteigung, um auf der Fanrotor-Drehzahl
basierenden Triebwerksschall zu minimieren, hilft dabei, daß das
Flugzeug Lärmvorschriften erfüllt, wie beispielsweise
während eines Sinkfluges des Flugzeuges. Das Einstellen der
Schaufelsteigung, um den Strömungswiderstand zu verkleinern
und den Schub zu vergrößern, der auf der Fanrotor-Drehzahl
basiert, wird helfen, daß die Leistungsfähigkeit des
Triebwerks vergrößert wird, wenn Triebwerksschall kein Problem
ist, wie beispielsweise während eines Reisefluges in großer
Flughöhe.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beigefügten Zeichnungen stellen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, wobei:
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Fig. 1 eine schematische Seitenschnittansicht von einem
Flugzeug-Bypass-Turbofantriebwerk ist und
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Fig. 2 eine schematische Draufsicht entlang den Linien 2-2
in Fig. 1 ist und einen verstellbaren Steigungswinkel
aufweisenden Fanauslaß-Leitschaufeln zeigt, die auf einen
bestimmten Steigungswert eingestellt sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig.
1 bezug genommen, in der allgemein eine Flugzeug-Bypass-
Turbofantriebwerk 10 dargestellt ist, das eine im
allgemeine longitudinal verlaufende Achse oder Mittellinie 12
aufweist, die sich nach vorne nach hinten erstreckt. Es sei
darauf hingewiesen, daß Pfeile ohne Bezugszeichen (und
Pfeile mit Bezugszahlen, wenn sie so beschrieben sind) die
Richtung der Luftströmung (oder Gasströmung) durch das
Triebwerk 10 angeben. Das Bypass-Turbofantriebwerk 10
enthält ein Kerntriebwerk (auch Gasgenerator genannt) 14, das
einen Hochdruck-Verdichter 16, eine Brennkammer 18 und eine
Hochdruck-Turbine 20 aufweist, die alle in einer seriellen,
axialen Strömungsrelation angeordnet sind. Eine einen
größeren Durchmesser aufweisende, ringförmige Antriebswelle
22, die koaxial um die Mittellinie 12 des Triebwerks 10
angeordnet ist, verbindet den Hochdruck-Verdichter 16 und die
Hochdruck-Turbine 20 fest miteinander.
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Das Kerntriebwerk 14 hat die Funktion, Verbrennungsgase zu
erzeugen. Verdichtete Luft aus dem Hochdruck-Verdichter 16
wird in der Brennkammer 18 mit Brennstoff gemischt und
gezündet, wodurch Verbrennungsgase erzeugt werden. Eine
gewisse Arbeit wird diesen Gasen durch die Hochdruck-Turbine
20 entzogen, die den Hochdruck-Verdichter 16 antreibt. Die
restlichen Verbrennungsgase werden von dem Kerntriebwerk 14
in eine Niederdruck- oder Arbeitsturbine 24 abgegeben. Die
Niederdruck-Turbine 24 ist mit einer einen kleineren
Durch
messer aufweisenden ringförmigen Antriebswelle 26 fest
verbunden, die koaxial um die Mittellinie 12 des Triebwerks 10
in der einen größeren Durchmesser aufweisenden ringförmigen
Antriebswelle 22 angeordnet ist. Die einen kleineren
Durchmesser aufweisende, ringförmige Antriebswelle 26 versetzt
einen damit verbundenen Niederdruck-Verdichter (der auch
als ein Booster oder Booster-Verdichter bezeichnet wird) 28
und einen Fan bzw. Bläser in Rotation, der eine
longitudinal hinterste Reihe von sich allgemein radial nach außen
erstreckenden Fanrotor- bzw. Laufschaufeln 30 aufweist.
Vorzugsweise sind die Laufschaufeln 30 eine feste Steigung
aufweisende Schaufeln 30. Obwohl in Fig. 1 nur eine Reihe
von Fanrotorschaufeln 30 gezeigt ist, kann ein bestimmtes
Triebwerkdesign zusätzliche Reihen von Fanrotorschaufeln
mit zugeordneten, dazwischen angeordneten Reihen von
Fanstatorschaufeln (die auch Fanleitschaufeln genannt werden)
aufweisen.
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Das Kerntriebwerk 14, die Niederdruck-Turbine 24 und der
1 Niederdruck-Verdichter 28 sind von einem Gehäuse oder einer
Kernverkleidung 32 umgeben, die die Antriebswellen 22 und
26 durch Lager (nicht gezeigt) trägt. Die Kernverkleidung
32 ist longitudinal hinter den bzw. stromabwärts von den
Laufschaufeln 30 angeordnet und hat ein longitudinal
vorderes Ende, das einen Strömungsteiler 34 bildet, und ein
longitudinal hinteres bzw. stromabwärtiges Ende, das eine
Kerndüse 36 bildet.
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Eine Fanverkleidung 38 umgibt in Umfangsrichtung die
Laufschaufeln 30 und wenigstens einen Teil von der
Kernverkleidung 32. Die Fanverkleidung 38 ist um die Kernverkleidung
32 herum durch mehrere Stützteile 40 getragen, wie
beispielsweise Fanrahmenstreben 40 oder feststehende (d. h.
nicht-rotierende) strukturelle Fanauslaß- Leit- bzw.
Führungsschaufeln, von denen in Fig. 1 nur zwei gezeigt sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß Lauf- und Leitschaufeln
ge
wölbte, stromlinienförmige Formen haben, während Streben
diese nicht haben. Die Fanverkleidung 38 hat ein
longitudinal hinteres Ende, das eine Fandüse 42, eine innere
Außenfläche 44, die allgemein radial nach innen gerichtet ist,
und eine äußere Außenfläche 46, die allgemein radial nach
außen gerichtet ist. Es sei darauf hingewiesen, daß bei
einigen Konstruktionen die Fandüse 42 eliminiert sein kann,
wobei die Bypassluft so geleitet wird, daß sie mit der
Kern-Abgasströmung in einem "Mischströmungs"-Typ der
Abgasdüse gemischt wird.
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Eine Reihe von Fanauslaß- bzw. Leitschaufeln 52 mit
verstellbarem Steigungswinkel ist radial zwischen den Fan- und
Kernverkleidungen 38 und 32 und longitudinal hinter bzw.
stromabwärts von dem Strömungsteiler 34 angeordnet.
Vorzugsweise ist die Reihe der Leitschaufeln 52 die am
nähesten gelegene Reihe von stromlinienförmigen Abschnitten zu
den Laufschaufeln 30 longitudinal hinter und radial außen
von dem Strömungsteiler 34. Vorzugsweise sind die
Leitschaufeln 52 schwenkbare Schaufeln, obwohl die
Schaufelsteigung auch dadurch verändert werden könnte, daß nur die
Schaufelvorderkante oder Schaufelhinterkante schwenkbar ist
oder der effektive Aufprallwinkel der Schaufeln auf andere
Weise verändert wird, wie es für den Fachmann bekannt ist.
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Es sind Mittel vorgesehen, um die Schaufelsteigung zu
verändern, beispielsweise indem die schwenkbaren Schaufeln 52
geschwenkt werden. Vorzugsweise enthalten diese
Schaufelschwenk- oder Schaufeldrehmittel einen Hebelarm 54, der mit
den schwenkbaren Schaufeln 52 verbunden ist. In einem
Ausführungsbeispiel wird der Hebelarm 54 durch einen
Gleichlaufring 56 betätigt. Andere derartige
Schaufelschwenkmittel enthalten verschiedene mechanische oder
elektromechanische Vorrichtungen, wie sie für den Fachmann bekannt sind.
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Während des Reisefluges würden die Leitschaufeln 52 so
geschwenkt werden, daß der Verwirbelungswinkel der
Bypassluft, die von den Laufschaufeln 30 abgegeben wird (d. h. der
Schaufelverwirbelungswinkel), verkleinert wird. Der
Schaufelverwirbelungswinkel hängt von der Drehzahl der
Laufschaufeln 30 ab, die sich während des Fluges ändert. Der
Verbirbelungswinkel ist der Winkel der Bypassluft (d. h. die
radial zwischen dem Kern- und Fanverkleidungen 32 und 38
strömende Luft) relativ zu der Längsachse 12 des
Triebwerks. Der Strömungswiderstand des Triebwerks wird
verkleinert und Triebwerksschub wird vergrößert, wenn der
Verwirbelungswinkel an der Fandüse 42 null ist. Fig. 2 zeigt
longitudinal gerichtete Umgebungsluft 66, die in den
Bereich der Laufschaufeln 30 eintritt und diese mit einer
Luftströmungsrichtung 68 verläßt, die einem großen
Schaufelverwirbelungswinkel entspricht, wobei diese Luft dann in
den Bereich der Leitschaufeln 52 eintritt, die die
Luftströmung so drehen, daß die Luft die Leitschaufeln 52 mit
einer Luftströmungsrichtung 70 verläßt, die einem kleinen
(im wesentlichen null) Schaufelverwirbelungswinkel
entspricht. Diese Leitschaufeln 52 würden beispielsweise
während des Reisefluges geschwenkt bzw. gedreht, um sich auf
einen sich verändernden Leitschaufel-Verwirbelungswinkel
(der eine Funktion der Fanrotor-Drehzahl ist) einzustellen,
um den Verwirbelungswinkel der Bypassluft an der Fandüse 42
zu verkleinern und somit den Strömungswiderstand zu
verkleinern und den Schub zu vergrößern, um den Wirkungsgrad
des Triebwerks zu verbessern.
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Ein Ausschaltzustand des Triebwerks kann durch einen Sensor
detektiert werden, wie beispielsweise einen Nullbrennstoff-
Strömungssensor 72, der beispielsweise nahe der Brennkammer
18 angeordnet ist. Andere derartige Sensoren enthalten
einen Temperatursensor an der Brennkammer oder Hochdruck-
Turbine, wobei eine niedrige Temperatur einen
Ausschaltzustand des Triebwerks anzeigt. Die Fanrotor-Drehzahl kann
durch eine elektromagnetische oder optische
Aufnahmevorrichtung 74 gemessen werden, die nahe den Schaufelspitzen
des Boosters oder des Niederdruck-Verdichters 28 angeordnet
ist. Eine derartige Vorrichtung 74 könnte auch nahe den
Spitzen von den Fanschaufeln 30 oder nahe der Fanwelle 26
angeordnet sein. Derartige Temperatur- oder
Brennstoffströmungssensoren und Rotordrehzahl-Meßvorrichtungen werden
gegenwärtig in üblichen Strahltriebwerken verwendet. Eine
elektronische Triebwerkssteuerung 76 kann verwendet werden,
um Eingangsgrößen von dem Triebwerk-Aus(z. B.
Brennstoffströmung)-Sensor 72 und von der Fandrehzahl-
Meßvorrichtung 74 zu empfangen und Ausgangsgrößen zu den
Stellgliedern von dem Gleichlaufring 56 zu richten, um den
Steigungswinkel der verstellbaren Leitschaufeln 52 zu
verändern.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der
Erfindung enthält ein Abtasten des Ausschaltzustandes (über
den Sensor 72) für das Triebwerk 10, ein wiederholtes
Messen der Fanrotor-Drehzahl (über den Sensor 74) während des
Ausschaltzustandes des Triebwerkes und ein Einstellen des
Steigungswinkels der Leitschaufeln 52 auf einen
vorbestimmten Wert als eine Funktion der gegenwärtigen Fanrotor-
Drehzahlmessungen, um die Luftströmung durch die
Leitschaufeln während des Ausschaltzustandes des Triebwerks im
allgemeinen zu maximieren. Der Wert des Steigungswinkels der
Leitschaufeln 52, der die hindurchtretende Luftströmung
maximiert, ist eine Funktion der Fanrotor-Drehzahl und kann
durch analytische Berechnungen oder durch empirische
Messungen ermittelt werden. Analytische Berechnungen könnten
Computer verwenden, und empirische Messungen könnten
Bodentests oder Flugtests verwenden. Derartige analytische
Berechnungen und empirische Messungen sind alle im
Griffbereich des Fachmanns.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der
Erfindung enthält ein wiederholtes Messen der Fanrotor-
Drehzahl, ein Einstellen des Steigungswinkels der
Leitschaufeln auf einen vorgewählten Wert als eine Funktion der
gegenwärtigen Fanrotor-Drehzahlmessung, um den
Triebwerksschall während eines Schallsenkungsmodus des
Triebwerkbetriebes im allgemeinen zu minimieren, und ein Einstellen
des Steigungswinkels der Leitschaufeln auf einen im voraus
festgelegten Wert als eine Funktion der gegenwärtigen
Fanrotor-Drehzahlmessung während eines Modus des
Triebwerksbetriebes (beispielsweise Reiseflug), der sich von dem
Schallsenkungsmodus unterscheidet, wobei der im voraus
gewählte Wert sich von dem im voraus festgelegten Wert für
eine identische Fanrotor-Drehzahlmessung unterscheidet (wie
von dem Fachmann ermittelt werden kann). Der Wert der
Steigung der Leitschaufeln 52, der den Triebwerksschall für den
Schallsenkungsmodus des Triebwerksbetriebes minimiert, ist
eine Funktion der Fanrotor-Drehzahl und kann durch
analytische Berechnungen oder durch empirische Messungen in einer
ähnlichen Art und Weise vorgewählt werden, wie es für das
erste Ausführungsbeispiel in dem vorhergehenden Absatz
erläutert wurde. In ähnlicher Weise ist der Wert der Steigung
der Leitschaufeln 52, der beispielsweise den
Strömungswiderstand minimiert und den Schub maximiert für eine
optimale Leistungsfähigkeit des Triebwerks während eines
Reiseflugsmodus des Triebwerkbetriebes, eine Funktion der
Fanrotor-Drehzahl und kann durch analytische Berechnungen oder
durch empirische Messungen in einer ähnlichen Art und Weise
im voraus festgelegt werden, wie es in dem obigen Absatz
erläutert wurde.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die
Fanverkleidung 38 einen Durchführungskanal mit einem Ende, das
auf der im allgemeinen radial nach innen gerichteten,
inneren Außenfläche der Verkleidung angeordnet ist, wobei
dieses Ende longitudinal hinter bzw. stromabwärts von den
Laufschaufeln 30 angeordnet ist. Die Leitschaufeln 52 sind
schwenkbar und longitudinal hinter bzw. stromabwärts von
dem Kanalende angeordnet. Es sind Mittel zum Schwenken der
Leitschaufeln vorgesehen, so daß für eine Abbremsung am
Boden die Leitschaufeln die Luftströmung im allgemeinen
blockieren. Es sind auch Mittel vorgesehen zum Öffnen des
Kanals für eine Bodenabbremsung und zum Schließen des Kanals.
Vorzugsweise ist der Kanal ein Schubumkehrerkanal. In einem
Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betreiben des
Triebwerkes würde für eine Bodenabbremsung der Kanal
geöffnet und die Leitschaufeln geschwenkt, um die
hindurchtretende Strömung zu blockieren. Der Begriff "Abbremsung"
bedeutet eine negative Beschleunigung, wie beispielsweise,
aber nicht darauf beschränkt, die Verlangsamung eines sich
vorwärts bewegenden Flugzeugs auf der Start- bzw. Landebahn
oder das Rückwärtsfahren eines Flugzeuges von dem
Flughafen-Abfluggate weg.
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Die vorstehende Beschreibung der Erfindung wurde zu
Darstellungszwecken gemacht. Es ist nicht beabsichtigt, daß
sie erschöpfend ist oder die Erfindung auf die präzise
offenbarte Form beschränkt. Beispielsweise kann die Steigung
der Leitschaufeln 52 durch eine Teleskop- oder
Schiebebewegung der Schaufelvorderkante oder Schaufelhinterkante
verändert werden oder indem die Größe oder Konfiguration der
Schaufel auf andere Weise verändert wird. Offensichtlich
sind viele Modifikationen und Abänderungen im Lichte der
oben gegebenen Lehren möglich, die alle im Schutzbereich
der beigefügten Ansprüche liegen.