DE4121995C2

DE4121995C2 -

Info

Publication number: DE4121995C2
Application number: DE19914121995
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 2742 Gnarrenburg De Kastens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1991-07-03
Publication date: 1992-11-26
Also published as: DE4121995A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Tangentialgebläse für Turbotriebwerke, umfassend einen Trommelläufer, einen Gaserzeuger, eine Leistungsturbine sowie ein Gebläsege häuse mit Lufteintritts- und Luftaustrittsteilen.The invention relates to a tangential fan for Turbo engines comprising a drum rotor, a Gas generator, a power turbine and a blower fan housing with air inlet and outlet parts.

Es sind bereits Konzepte bekannt, bei denen das Tangen tialgebläse als Schubmassenerzeuger bei Flugzeugantrieben Verwendung findet, da sich diese Gebläseart aufgrund ihrer Kennlinie dazu bevorzugt eignet. Der querdurchströmte Läufer hat seinen Lufteintritt bzw. den entsprechenden Luftaustritt senkrecht zur Drehachse des Gebläses. Dies führt zu speziellen Ausführungsformen eines Triebwerks. Entweder zu axial-spiraligen Luftfüh rungen hinter Gebläseaustritt oder zu einer ringförmigen Anordnung mehrerer Gebläse, die dann von einem Außenraum her ansaugen und in einen entsprechend gestalteten Innen raum blasen. Diese Anordnung ist ausschließlich für große Luftdurchsätze geeignet. Das Tangentialgebläse der jetzt üblichen Bauweise wurde erstmals in der DE-PS 8 07 978 beschrieben. Concepts are already known in which the tanging tial blower as a thrust mass generator for aircraft engines Is used because this type of fan due to its Characteristic is preferably suitable for this. The cross-flow rotor has its air inlet or the corresponding air outlet perpendicular to the axis of rotation of the blower. This leads to special embodiments of an engine. Either to axially spiral air flow stanchions behind the fan outlet or into a ring Arrangement of several blowers, then from an outside space suck in and into a suitably designed interior blow space. This arrangement is only for large ones Air flow rates suitable. The tangential fan of the now common design was first described in DE-PS 8 07 978.

Die Luft tritt dabei durch einen Zuströmkanal von außen in den beschaufelten trommelartigen Gebläseläufer ein, wird durch diesen erforderlichenfalls mittels Leitschau feln hindurchgelenkt, durchströmt daraufhin die Läufer beschaufelung ein zweites Mal, um dann anschließend in den Austrittskanal beschleunigt einzutreten.The air passes through an inflow channel from the outside into the bladed drum-like fan runner, through this, if necessary, by means of a guide show steered through, then flows through the runners blading a second time, then in to enter the exit channel accelerated.

Bei einer weiteren Ausführungsart befindet sich in dem Gebläseläufer ein fester Leitapparat, der nicht mitrotiert, jedoch in die jeweils günstigste Abblaserichtung gedreht werden kann. Das typische Merkmal mit einander gegenüber liegenden seitlichen Zu- und Abströmkanälen bleibt dabei erhalten.In another embodiment is in the Fan runner a fixed guide device that does not rotate, however rotated in the most favorable blow-off direction can be. The typical characteristic with each other lateral inflow and outflow channels remain receive.

Ein Beispiel für die axial-spiralige Luftführung nach Verlassen des Gebläses zeigt die DE 36 14 311 A1, bei der das Arbeitsmedium zur Luftversorgung für den HD-Verdichter Verwendung findet. Durch axiales Verschieben des Gebläse läufers kann auch eine vertikale Schubkomponente erzeugt werden.An example of the axial spiral air flow according to Leaving the blower is shown in DE 36 14 311 A1 the working medium for air supply for the HD compressor Is used. By moving the fan axially a vertical thrust component can also be created will.

Der Vorteil dieser Anordnung ist unter anderem darin zu sehen, daß eine große Luftmasse vor dem Verdichter zur Verfügung steht, so daß zwei Brennkammerkreise versorgt werden können und daß auf einen in Flugrichtung weisenden Lufteintritt verzichtet wird.The advantage of this arrangement is among other things in it see that a large air mass in front of the compressor Is available so that two combustion chamber circuits are supplied can be and that pointing in the direction of flight Air intake is dispensed with.

Die Ausführung einer ringförmigen Anordnung mehrerer Ge bläse beschreibt die DE 40 12 103 C1, bei der 12 Ge bläse um den innenliegenden Schubkanal herum gleichmäßig verteilt sind. Diese saugen die Luft aus einem sie umge benden Strömungskanal an, um sie dann beschleunigt in den koaxial dazu befindlichen zentralen Schubkanal beschleu nigt einzuleiten.The execution of an annular arrangement of several Ge bläse describes DE 40 12 103 C1, in which 12 Ge blow evenly around the inner drawer are distributed. These suck the air out of you flow channel to accelerate it into the the coaxial central thrust channel nig to initiate.

Mit dieser Konstruktion sind besonders vorteilhaft große Luftdurchsätze realisierbar, die sowohl für den Vorwärts schub als auch für den Brems- und Vertikalschub Verwendung finden und bevorzugt bei großen Abflugmassen zum Einsatz kommen sollen.With this construction, large ones are particularly advantageous Air flow rates realizable, both for the forward thrust as well as for braking and vertical thrust use are used and preferred for large take-off masses should come.

Für Triebwerke mit kleinen bis mittleren Schubkräften müssen die dann veränderten Einbauverhältnisse in Rech nung gesetzt werden, wobei in diesen Fällen die oben be schriebene Konstruktion, die sich der herkömmlichen Bau weise des Tangentialgebläses bedient, nur unbefriedigend verwendbar ist.For engines with small to medium thrust the then changed installation conditions in arithmetic be set, in which case the above be written construction, which is the conventional construction operated the tangential blower, only unsatisfactory is usable.

Daher ist es das Ziel dieser Erfindung, ein Tangentialge bläse zu schaffen, das diesem Triebwerksbereich entspricht, indem sich koaxial zum Trommelläufer eine konstante Kreis ringströmung einstellt.Therefore, the object of this invention is to create a tangential ge to create a blower that corresponds to this engine area, by forming a constant circle coaxial with the drum rotor ring flow.

Dieses Ziel wird durch die im Patentanspruch 1 dargeleg ten Merkmale erreicht.This aim is set out in claim 1 characteristics achieved.

Im Gegensatz zu der in der DE-PS 8 07 978 beschriebenen Aus führung, wird der feststehende nicht mitrotierende Leit apparat durch einen Rotor ersetzt, der statt der Leit schaufeln mit Laufschaufeln ausgestattet ist und gegenüber dem ihn umgebenden Trommelläufer eine entgegengesetzte Drehrichtung besitzt, wodurch auf die Arbeitsluft zusätz liche Energie übertragen wird. Dies führt zu größerer Schubkraft und Verkleinerung des Triebwerks, wobei die lärmarme Arbeitsweise erhalten bleibt, weil keine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeiten erfolgt.In contrast to the Aus described in DE-PS 8 07 978 leadership, becomes the fixed non-rotating leader apparatus replaced by a rotor instead of the guide shovels are equipped with moving blades and opposite an opposite to the drum rotor surrounding him Direction of rotation has, whereby additional to the working air energy is transmitted. This leads to bigger ones Thrust and downsizing of the engine, the low-noise mode of operation is retained because there is no increase the peripheral speeds.

Da beide Laufschaufelreihen sich in Strömungsrichtung er weitern, wird die Antriebsarbeit unter Berücksichtigung des Verhältnisses von Eintritts- zu Austrittsbogen nahe zu ausschließlich in kinetische Energie umgewandelt. Der wesentliche Vorteil dieser Konstruktion besteht in der Möglichkeit, das Tangentialgebläse als axial arbei tende Strömungsmaschine an einen üblichen und bereits erprobten Gaserzeuger mit zwei gegenläufigen Leistungs turbinen anzuschließen.Since both rotor blades line up in the direction of flow further, the drive work is taken into account close to the ratio of entry to exit arches to be converted into kinetic energy only. The main advantage of this construction is the possibility of working the tangential fan as an axial one ting flow machine to a usual and already tried and tested gas generator with two opposing outputs to connect turbines.

Dies wird dadurch bewirkt, daß der Innenrotor aus fünf Normalschnitten besteht, die konstruktiv den gleichen Aufbau haben, jedoch jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind und stufenlos ineinander übergehen. Damit wird erreicht, daß sowohl die eintretende als auch die austretende Arbeitsluft sich in demselben koaxialen Strömungsrohr befinden. Beide beschreiben dabei einen in Schubstrahlrichtung sich bewegenden schraubenförmigen Strömungsweg ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, da Lufteintritt und Austritt bei jeder beliebigen Drehzahl immer um 180° voneinander getrennt sind, denn sowohl Ein trittsbogen als auch Austrittsbogen des Innenrotors stehen sich drehzahlunabhängig konstant um 180° gegenüber, wäh rend die betreffenden Schaufelabschnitte des Trommelläu fers kontinuierlich in Drehzahlabhängigkeit auf einem Bogen von 360° umlaufen.This is caused by the fact that the inner rotor consists of five There are normal cuts that are structurally the same Have structure, but offset by 90 ° to each other are arranged and merge smoothly. This ensures that both the entering and the emerging working air is in the same coaxial Flow pipe. Both describe one in Thrust jet moving helical Flow path without influencing each other because Air inlet and outlet at any speed are always separated by 180 °, because both on standing bend and exit bend of the inner rotor regardless of speed, constant by 180 °, while rend the relevant blade sections of the drum head he continuously in speed dependence on one 360 ° arc.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß die die Impulsringdüse verlassende scharfstrahlige Abgasmasse, die als Impuls leitstrahl fungiert, aufgrund ihrer erhöhten Temperatur eine verhältnismäßig dicke Grenzschicht an der Innenwand des Strömungsmantels aufbaut, so daß die das Tangential gebläse verlassende Schubmasse nahezu reibungsfrei an der inneren Grenzschichtzone abfließen kann.It is also advantageous that the pulse ring nozzle leaving sharp jet exhaust gas mass that acts as an impulse guide beam acts due to its elevated temperature a relatively thick boundary layer on the inner wall of the flow jacket, so that the tangential shear mass leaving the fan almost frictionless on the inner boundary layer zone can drain.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeich nungen dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.The invention is based on the in the drawing Solutions shown embodiment even closer explained.

Dabei zeigt in schematischer Darstellung:A schematic representation shows:

Fig. 1 den axialen Längsschnitt eines Turbo triebwerks mit eingebautem Tangential gebläse. Fig. 1 shows the axial longitudinal section of a turbo engine with built-in tangential blower.

Fig. 2 eine Darstellung der Normalschnitte I bis V gemäß Fig. 1, in Richtung M-N gesehen. Fig. 2 is a view of the normal sections I to V of FIG. 1, seen in the direction MN.

Fig. 3 den Schnitt A-B durch die Beschau felung des Tangentialgebläses gemäß Fig. 1, senkrecht zur Triebwerksachse. Fig. 3 shows the section AB through the observation of the tangential fan according to FIG. 1, perpendicular to the engine axis.

Fig. 4 den Längsschnitt C-D gemäß Fig. 1 durch eine Laufschaufel des Trommel läufers. Fig. 4 shows the longitudinal section CD of FIG. 1 through a rotor rotor blade.

Fig. 5 einen Grenzschicht-Ausschnitt P des Strömungsmantels gemäß Fig. 1. Fig. 5 is a boundary layer of the flow-neck P sheath of FIG. 1.

Fig. 1 zeigt die axial aufgeschnittene Gesamtansicht eines Turbotriebwerks 2, bei dem ein Tangentialgebläse 1 an den Gaserzeuger 16 angeschlossen ist, indem die erste Stufe seiner Leistungsturbine 17 mit dem Innenrotor 4 über die Innenwelle 20 verbunden ist, die an der vorderen Stirnplatte 25 angeflanscht ist. Des weiteren ist die zweite Leistungsstufe 18 durch die Außenwelle 19 mit der frontseitigen Laufscheibe 21 des Trommelläufers 3 dreh fest verbunden. Die hintere Stirnplatte 26 sowie die heck seitige Laufscheibe 22 sind unabhängig voneinander in dem Stützring 23 gelagert, der mit der Austrittsglocke 28 fest verbunden ist. Die aus der Blickrichtung M-N gesehenen Normalschnitte I bis V des Laufschaufelsegments 5 werden in Fig. 2 noch näher erläutert. Sie bilden den Steigungs winkel α, unter dem auch die Laufschaufeln 24 des Trom melläufers 3 verlaufen. Fig. 1 shows the axially cutaway overall view of a turbo engine 2 , in which a tangential blower 1 is connected to the gas generator 16 by the first stage of its power turbine 17 being connected to the inner rotor 4 via the inner shaft 20, which is flanged to the front face plate 25 . Furthermore, the second power stage 18 is rotatably connected by the outer shaft 19 to the front disk 21 of the drum rotor 3 . The rear end plate 26 and the rear-side running disk 22 are mounted independently of one another in the support ring 23 , which is firmly connected to the outlet bell 28 . The normal sections I to V of the moving blade segment 5 seen from the viewing direction MN are explained in more detail in FIG. 2. They form the slope angle α, under which the blades 24 of the drum rotor 3 run.

Die Eintrittsmasse m_e tritt als Arbeitsluft mit den Strö mungsrichtungen L_E aus dem Strömungskanal 8 in das Tangen tialgebläse 1 ein und aus diesem als Arbeitsluft L_A wieder heraus. Diese wird sodann durch die Impulsströmung m_i mit ihren Leitstrahleigenschaften in die Schubstrahlrichtung umgelenkt, um als Schubmasse m_s wirksam zu werden. Die äußere Begrenzung des Strömungskanals 8 ist der Strö mungsmantel 15, der außen die Halterung 29 für die zellen seitige Befestigung des Triebwerks 2 trägt und frontseitig an der Innenseite mit einer Impulsringdüse 12 ausgestattet ist, in die eine erforderliche Anzahl Hohlrippen 10 ein münden, die ihrerseits an den Gassammelraum 9 angeschlos sen sind, aus dem die Abgasmasse m_a in die Impulsringdüse 12 gelangt.The inlet mass m _e occurs as working air with the flow directions L _E from the flow channel 8 into the Tangential fan 1 and out of this as working air L _A again. This is then deflected in the thrust jet direction by the pulse flow m _i with its guide beam properties in order to become effective as the thrust mass m _s . The outer boundary of the flow channel 8 is the flow jacket 15 , which carries the holder 29 for the cell-side attachment of the engine 2 on the outside and is equipped on the front side on the inside with an impulse ring nozzle 12 into which a required number of hollow ribs 10 open, which in turn are connected to the gas collection chamber 9 , from which the exhaust gas mass m _a enters the pulse ring nozzle 12 .

Ferner werden die Hohlrippen 10 durch ringförmige Eintrittsleitschaufeln 13 miteinander verbunden, um die Zuführung der eintretenden Arbeitsluft L_E zum Tangential gebläse 1 weitgehend verlustlos zu ermöglichen. Austrittsseitig ist der Strömungsmantel 15 mittels der Austrittsleitschaufel 11 über die Austrittsglocke 28 mit dem Tangentialgebläse 1 fest verbunden.Further, the hollow ribs 10 are interconnected by annular inlet guide vanes 13, to permit substantially lossless to the feeding of the incoming working air L _E to the tangential fan. 1 On the outlet side, the flow jacket 15 is fixedly connected to the tangential blower 1 by means of the outlet guide vane 11 via the outlet bell 28 .

Fig. 2 zeigt in Blickrichtung M-N gemäß Fig. 1 die Normalschnitte I bis V, deren interner konstruktiver Auf bau identisch ist, die jedoch in der Schnittfolge um je 90° versetzt angeordnet wurden, wobei die einzelnen Bau elemente fließend und ohne Übergang miteinander verbunden und verglichen sind. Fig. 2 shows in the direction of view MN of FIG. 1, the normal sections I to V, whose internal constructive construction is identical, but which have been arranged offset by 90 ° in the sequence of cuts, the individual construction elements being connected to one another fluently and without transition and are compared.

Der äußere Trommelläufer 3 mit den Laufschaufeln 24, die gemäß Fig. 1 die frontseitige Laufscheibe 21 mit der heckseitigen 22 verbinden, bewegt sich mit der Drehzahl n₁ um den entgegengesetzt mit der Drehzahl n₂ laufenden Innenrotor 4, der aus einem zentralen Kernrohr 14 besteht, das gemäß Fig. 1 die vordere Stirnplatte 25 mit der hin teren 26 verbindet, ebenso wie der direkt um das Kern rohr 14 herum entwickelte erste Verdrängerkörper 6. Daran in Drehrichtung anschließend ist das Laufschaufelsegment 5 mit dem folgenden zweiten Verdrängerkörper 7 angebracht. In der Detailzeichnung des Normalschnitts II ist die ein tretende Arbeitsluft L_E, die Innenströmung S_i sowie die austretende Arbeitsluft L_A durch Pfeile bezeichnet. Diese Konstellation stellt sich während des Betriebes drehzahl abhängig an jeder Stelle des Umfangs ein, da gemäß Detail V die feste Einstellung des Eintrittsbogens B_E zum Aus trittsbogen B_A jeden Bereich der Laufschaufeln 24 am Um fang des Trommelläufers 3 beaufschlagen kann, so daß die Arbeitsluftkomponenten L_E und L_A sich in Abhängigkeit von der Schnittfolge und der Drehzahl koaxial zum Trommel läufer 3 bewegen und dadurch die austretende Arbeitsluft L_A schraubenförmige Stromfäden bildet, die sich durch die koaxial gerichtete Impulsströmung m_i zu einem zylindri schen und laminaren Strömungsfeld S_F entwickeln, das au ßen von der Kontur des Strömungsmantels 15 begrenzt und mittels der Austrittsleitschaufeln 11 drehungsfrei ge macht wird, um dann als Schubmasse m_s das Turbotriebwerk 2 zu verlassen.The outer drum rotor 3 with the blades 24 , which, according to FIG. 1, connect the front disk 21 to the rear 22 , moves at the speed n 1 by the inner rotor 4 running at the opposite speed, which consists of a central core tube 14 , which according to FIG. 1, the front end plate 25 connects with the direct down 26, as is the directly around the core tube 14 around first displacer 6 developed. The rotor blade segment 5 with the following second displacement body 7 is attached to it in the direction of rotation. In the detailed drawing of the normal section II, the entering working air L _E , the internal flow S _i and the exiting working air L _{A are} indicated by arrows. This constellation arises during operation depending on the speed at any point on the circumference, since according to detail V the fixed setting of the entry arch B _E to the exit arch B _A can apply to any area of the blades 24 at the start of the drum rotor 3 , so that the working air components L _E and L _A move depending on the cutting sequence and the speed coaxially to the drum rotor 3 and thereby the emerging working air L _{A forms} helical current filaments, which develop through the coaxially directed impulse flow m _i into a cylindrical and laminar flow field S _F , which is limited to the outside by the contour of the flow jacket 15 and is made free of rotation by means of the outlet guide vanes 11 , in order then to leave the turbo engine 2 as thrust mass m _s .

Fig. 3 zeigt senkrecht zur Triebwerkslängsachse den Teilschnitt A-B gemäß Fig. 1 durch die Laufschaufeln 24 des Trommelläufers 3 sowie durch das Laufschaufel segment 5 des Innenrotors 4. Daraus sind die sich ver jüngenden Schaufelsehnen h ersichtlich, die sich zur Re duzierung der Biegekräfte von den Normalschnitten I bzw. V aus gegen den Mittenschnitt III erstrecken. Fig. 3 shows perpendicular to the engine longitudinal axis, the partial section AB of FIG. 1 through the blades 24 of the drum rotor 3 and through the blade segment 5 of the inner rotor 4th From this, the tapering blade chords h can be seen, which extend to reduce the bending forces from the normal cuts I and V against the central cut III.

Fig. 4 zeigt parallel zur Triebwerkslängsachse den Teilschnitt C-D gemäß Fig. 1 durch eine Laufschaufel 24 des Trommelläufers 3, wobei dieser Schnitt bezüglich der Ausführung identisch ist mit einem durch das Laufschaufel segment 5 gelegten; und zwar sowohl hinsichtlich des Nor malschnitts I als auch desjenigen von V, beide sich ver jüngend gegen III zu verlaufend. Der an den Laufscheiben 21 und 22, ebenso wie an den Stirnplatten 25 und 26 mit den Radien R verstärkte Schaufelfuß in Verbindung mit der anschließend abnehmenden Schaufeldicke d soll die Biegespannungen vermindern und die Schwingungsfestigkeit erhöhen. Fig. 4 shows parallel to the longitudinal axis of the engine, the partial section CD of Figure 1 by a blade 24 of the drum rotor 3 , this section is identical in terms of design with a segment 5 placed by the blade; both with regard to the normal section I and that of V, both tapering towards III. The blade root reinforced on the running disks 21 and 22 , as well as on the end plates 25 and 26 with the radii R, in connection with the subsequently decreasing blade thickness d is intended to reduce the bending stresses and to increase the vibration resistance.

Fig. 5 zeigt gemäß Fig. 1 den Ausschnitt P des Strö mungsmantels 15, an dessen Innenwand die Abgasmasse m_a als Impulsströmung m_i eine Grenzschicht 27 aufbaut, deren innere Zone einen reibungsfreien Zustand im Strömungs kanal 8 hinsichtlich der ein- und austretenden Arbeits luft L_E und L_A zuläßt. Der von der Innenwand zur Strö mungsmitte hin größer werdende Geschwindigkeitsvektor c, von der Wandreibung zur ungestörten Strömung hin, ist durch Pfeile versinnbildlicht dargestellt. Fig. 5 1 is shown in FIG. The section P of Strö mung jacket 15, on its inner wall, the exhaust gas mass m _a as a pulse flow m builds _i a boundary layer 27, the inner zone has a friction-free state in the flow channel 8 for the inflowing and outflowing working air L _E and L _A permits. The increasing speed vector c from the inner wall to the center of the flow, from the wall friction to the undisturbed flow, is symbolized by arrows.

Der von der Schubmasse m_s zu überwindende Strömungs widerstand wird durch diese Maßnahme vermindert.The flow resistance to be overcome by the thrust mass m _s is reduced by this measure.

Claims

1. Tangential blower for turbo engines, comprising a drum rotor, a gas generator, a power turbine and a blower housing with air inlet and air outlet parts, characterized in that a tangential blower ( 1 ) is connected to the gas generator ( 16 ) of the turbo engine ( 2 ), that his bladed drum rotor ( 3 ) with his barrel ( 24 ) is flanged by means of an outer shaft ( 19 ) to the second stage ( 18 ) of the power turbine with the direction of rotation of the speed assigned to this stage (n 1), that an inner tube continues to rotate in the opposite direction ( 4 ) via an inner shaft ( 20 ) is coupled to the first power stage ( 17 ) and the inner rotor ( 4 ) is further provided with a rotor blade segment ( 5 ) which is limited by first ( 6 ) and second displacement bodies ( 7 ) that further, the drum rotor (3) spaced a to him coaxially arranged flow channel (8) is surrounded and since Further, the inner rotor (4) consists of several, continuously composites together NEN normal sections (I, II, III, IV, V), which each weils offset by 90 ° are attached to each other and thereby the angle of inclination (α) form, under the well the blades ( 24 ) of the drum rotor ( 3 ) run.

2. Tangential fan according to claim 1, characterized in that both the blades ( 24 ) of the drum rotor ( 3 ) and those of the blade segment ( 5 ) of the inner rotor ( 4 ) in their thickness (d) and in height (h) taper from the normal cuts (I) or (V) to the center cut (III).

3. Tangential fan according to claim 1, characterized in that the displacer ( 6 and 7 ) and the blade segment ( 5 ) around the core tube ( 14 ) are built up, this the front ( 25 ) and rear end plate ( 26 ) of the inner rotor ( 4 ) rotatably and vibration-resistant.