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Zweistrom-Turbinenluftstrahltriebwerk
Die Erfindung betrifft ein Zweistrom-Turbinenluftstrahltriebwerk für Flugzeuge.
Der freie Gesamtschub eines Turbinenluftstrahltriebwerkes im Fluge hängt von dem sekundli- chen Luftdurchsatz und von der Strahl- sowie Fluggeschwindigkeit ab. Durch eine Vergrösserung des Luftdurchsatzes unter Beibehaltung der Strahl- und Fluggeschwindigkeit erhöht sich der Schub proportional.
Diese Vergrösserung des sekundlichen Luftdurchsatzes bedingt jedoch eine unerwünschte bauliche Vergrösserung des Gesamttriebwerkes. Der Schub bzw. der Wirkungsgrad des Vortriebes kann jedoch ohne diese Nachteile erhöht werden, wenn die Strahlgeschwindigkeit verringert und der sekundliche Luftdurchsatz vergrössert wird. Erreicht wird dies durch Entnahme von Energie des Abgasstrahles innerhalb des Triebwerkes. Die entnommene Energie wird zur Vergrösserung des Luftdurchsatzes benutzt. Diese Vorteile weist ein bekanntes Zweistrom-Turbinenluftstrahltriebwerk auf, bei dem Zusatzluft hinter der Hauptturbine durch einen von einer der Hauptturbine nachgeschalteten, mechanisch unabhängigen Zusatzturbine angetriebenen Zusatzverdichter aus der Atmosphäre entnommen und dem Abgasstrahl beigemischt wird.
Der Zusatzverdichter ist in einem um die Zusatzturbine befindlichen Kanal angeordnet und besteht aus einer Stufe, Auf den Schaufelspitzen, der Zusatzturbine ist ein Deckband befestigt, auf dem die Schaufeln des Zusatzverdichters angeordnet sind. Die Zumischung der Luft zu dem Abgas erfolgt innerhalb der Schubdüse oder am Schubdüsenende. Der Zusatzverdichter ist meistens als Überschallverdichter ausgebildet. Ferner ist ein Zweistrom-Turbinenluftstrahltriebwerk bekannt, bei dem hinter der Hauptturbine eine zweistufige gegeläufige Turbine mit auf den Turbinenschaufeln befestigten Verdichterschaufeln angeordnet ist.
Die Übereinanderanordnung von Turbine und Verdichter hat verschiedene Nachteile. Der zusätzliche Luftdurchsatz kann nicht beliebig gewählt werden. Er ist beschränkt durch die von der hochbeanspruchten Turbinenscheibe her festgelegten maximalen Werte für den Aussendurchmesser und Drehzahl des ZusatzVerdichters. Infolge der Drehzahlbeschränkung kann die Turbine nur ein relativ geringes Wärmegefälle verarbeiten. Bei der unabhängigen Turbine treten gewisse Diehzahlschwankungen auf. Die Höhe der Drehzahl muss daher wegen den auf den Turbinenschaufeln angeordneten Verdichterschaufeln derart begrenzt ausgelegt werden, dass eine Drehzahlerhöhung die zulässige Fliehkraftbeanspruchung der Turbmenscheibe und der Verdichterschaufeln nicht übersteigt.
Weiterhin tritt durch die Übereinanderanordnung der Turbi- nen-und Verdichterschaufeln ein Wärmeübergang zwischen beiden auf, wodurch sich der Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtert. Eine weitere Verringerung des Verdichterwirkungsgrades tritt durch Abdichtungsschwierigkeiten zwischen dem Abgas- und Zusatzluftkanal an der durch die übereinander ange- ordne. en Turbinen- und Verdiehterschaufeln unterbrochenen Stelle auf. Das auf den Turbinenschaufelspitzen angeordnete Deckband weist zwar an den der Zwischenwand zugekehrten Seiten Labyrinthe auf, eine völlige Abdichtung ist jedoch in der Praxis nicht erreichbar, so dass Abgas mit höherem Druck in die Unterdruckseite des Verdichters eindringen kann.
Ferner ist die Lagerung der unabhängigen Turbine mit auf den Turbinenschaufeln angeordneten Verdichterschaufeln kompliziert, weil dieLagerabstUtzungen durch den heissenAbgaskanal hmdurchgeführt werden müssen. Wird der Zusatzverdichter zur Erreichung eines grösseren Luftdurchsatzes als Überschallver- dichterausgebildet, so isteine langwierige Anlegung und Einzpiprprobung erfordprlnh. Weiterhin müssen die Schaufeln mit dünnen Profilen aus schwerbearbeitbaremwarmfestem Stahl ausgeführtsein und derWir-
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kungsgrad ist bei Teillastbetrieb relativ gering.
Durch die übereinander angeordneten Turbinen-und Verdichterschaufeln muss das Radialspiel der Verdichterschaufeln zu dem Verdichtergehäuse infolge der erhöhten Fliehkraftwirkung gross gehalten sein, so dass der Wirkungsgrad ungünstig beeinflusst wird.
Bei einem'weiterhin bekanntenZweistiom-TurbinenluftStrahltiiebwerk liegt der Zusatz verdichter mit Abstand in Strömungsrichtung hinter der Zusatzturbine. jeder Schaufelkranz des Zusatzverdichters ist durch ein rohrförmiges Verbindungsstück mit dem Deckband der Zusatzturbine verbunden. Hiebei treten die gleichen Nachteile auf, wie sie vorstehend zu dem Triebwerk mit Übereinander angeordneten Zusatzturbinen- und Zusatzverdichterschaufeln beschrieben wurden.
Ausserdem ist dieses Zweistrom-Turbinenluftstrahl- triebwerk nur für geringe Drehzahlen geeignet, weil die mit den Schaufeln des Zusatzverdichters versehenen rohrförmigen Verbindungsstücke eine Belastung bei Schall-oder Überschallgeschwindigkeit infolge der Fliehkraftwirkung durch die einem grösseren mittleren Schaufeldurchmesser als die Zusatzturbine aufweisenden Schaufelkränze des Zusatzverdichters nicht gewachsen sind ; es sei denn, die rohrförmigen Verbindungsstücke werden im Wandquerschnitt entsprechend stark bemessen. Hiebei ergibt sich aber eine unerwünsche Gewichtserhöhung.
Mit der Verringerung der Strahlgeschwindigkeit bei bekannten Zweistrom-Tw : binenluftstrahltriebwer- ken tritt ausser der Schuberhöhung gleichzeitig eine Verminderung des Strahllärmes auf. Diese Verringerung ist jedoch nicht so gross, dass beim Einsatz von Flugzeugen mit Zweistrom-Turbinenluftstrahltriebwerken in dichtbesiedelten Wohngebieten auf Einrichtungen zur Lärmdämpfung verzichtet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Zweistrom-Turbinenluftstrahltriebwerkes, bei dem die beschriebenen Nachteile beseitigt und insbesondere Durchsatz-und Druckverhältnis zwischen Ab- gas-und Zusatzluft, Drehzahl und Stufenzahl des Zusatzverdichters in einem weiten Bereich ohne konstruktive und festigkeitsbedingte Einschränkungen optimal wählbar sind sosie besondere Einrichtungen zur Lärmdämpftmg entfallen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Zweistrom-Turbinenluftstrahltriebwerk, bei dem die Zusatzluft hinter der Hauptturbine durch einen von einer der Hauptturbine nachgeschalteten mechanisch unabhängigen Zusatzturbine angetriebenen Zusatzverdichter aus der Atmosphäre entnommen und dem Abgasstrahl beigemischt wird, wobei der Zusatzverdichter mit Abstand in Strömungsrichtung hinter der Zusatzturbine liegt, der Zusatzverdichter mit ungefähr gleichem mittlerem 3chaufeldmchmesser wie die Zusatzturbine auf deren Welle angeordnet ist und unmittelbar hinter der Zusatzturbine sich ein ringförmiger Sammelraum befindet, mit dem bis auf das Gehäuse des Zusatz verdichters reichende schräg nach aussen verlaufende Rohre verbunden sind, zwischen denen von einem auf dem Gehäuse der Zusatzturbine angeordneten,
stirnseitig offenen Luftauffangring ausgehende, schräg nach innen verlaufende Rohre angeordnet sind, die in einen vor dem Zusatzverdichter angeordneten ringförmigen Sammelraum münden.
Durch die Anordnung des Zusatzverdichters auf der Welle der Zusatzturbine muss nicht mehr auf die zulässige Belastung der Turbinenscheibe infolge grosser Fliehkraftwirkung Rücksicht genommen werden. Die Turbine kann daher mit höherer Drehzahl laufen, so dass dem Abgas mehr Energie entnommen und gleichzeitig der zusätzliche Luftdurchsatz und mithin der sekundliche Gesamtdurchsatz des Triebwerkes erhöht werden kann. Die Radialspiele der Zusatzturbine und des Zusatzverdichters können in normalen Grenzen liegen.
Gleichzeitig tritt durch die Aufteilung der eigentlichen Schubdüse in einzelne Rohre und durch die zusätzliche Kaltluftzuführung von innen zu dem Abgasstrahl eine derart grosse Lärmverringerung ein, dass zusätzliche Einrichtungen zur Lärmdämpfung. auch bei der Anwendung an Flugzeugen, die dichtbesiedelte Wohnungsgebiete an-oder überfliegen, nicht erforderlich sind, da zwischen den einzelnen Ahgasrohren Uwgebungsluft hindurchtreten und sich mit dem heissen Abgas schnell vermischen kann und ausserdem der gesamte Abgasstrahl durch die Zumischung der Kaltluft von innen aufgeweitet wird, wobei er sich mit dieser Luft ebenfalls schnell vermischt und sich die Strahlgeschwindigkeit entsprechend verringer.
Der Zusatzverdichter kann als an sich bekannter Unterschallverdichter ausgebildet sein und mehrere Stufen aufweisen. Dadurch ist eine weitestgehende Anpassung des Verdichters an die gegebenen Verhältnisse möglich, und die Schaufeln können aus leichtbaarbeitbaremLeichtmetall hergestellt werden. Die Zusatzturbine und der Zusatzverdichter können auch in bekannter Weise auf einer gemeinsamen Welle fliegend gelagert sein. Hiedurch entfallen besondere Lagerabstützungen, die durch den heissen Abgaskanal geführt werden müssen.
Als Lagerträger kann zwischen der Zusatzturbine und dem Zusatzverdichter konzentrisch zu'ieren ge- meinsamer Welle ein von der Mitte mit stetig abnehmendem Durchmesser ausgebildeter, an seines Enden mit je einem Lager versehener, rohrförmiger Körper angeordnet sein, so dass die Lager nur an ihrei der
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Zusatzturbine bzw. dem Zusatzverdichter zugewandten Seite durch Labyrinthe od. ähnl. abgedichtet sein müssen und gegen Wärmestrahlung geschützt sind.
Ein direkter Wärmeübergang zum Lagerträger wird vermieden, wenn der rohrförmige Körper an seinem grössten Durchmesser mit den Zusatzluft führenden Rohren und sein verdichterseitiges Ende mit dem vor dem Zusatz verdichter angeordneten ringförmigen Sammelraum kraftschlüssig verbunden ist, so dass Anforderungen an die Wärmfestigkeit des Lagerträger entfallen. Die Neigung des rohrförmigen Körpers ergibt sich aus mehreren Faktoren. So ist der Durchmesser an den beiden Enden vom Lager her festgelegt. Der grösste Durchmesser des rohrförmigen Körpers ist von den Zusatzluft führenden Rohren abhängig. Bei einem grossen Zusatzluftdurchsatz müssen auch die Rohre eine grössere Querschnittsfläche aufweisen und haben somit einen entsprechenden Abstand von der Mittelachse des Triebwerkes.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Zusatzturbine und der Zusatzverdichter mit den sich kreuzenden Rohren als Anbauaggregat ausgebildet werden kann und somit vorhandene Tui :- binenluftstrahltriebwerke bestimmter Grösse nachträglich als Zweistrom-Turbinenluftstrahltriebwerke umgebaut werden können. In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt, u. zw. zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt eines Zweisirom-Turbinenluftsirahltriebwerkes schematisch, Fig. 2 einen Teilschnitt und Fig. 3 eine perspektivische Darstellung.
Das Zweistrom-Turbinenluftstrahliriebwerk besteht im wesentlichen aus einem Hauptverdichter 1, einer Brennkammer 2, einer Hauptturbine 3 sowie einer von der Hauptturbine 3 mechanisch unabhängigen Zusatzturbine 4 und einem mit Abstand in Strömungsrichtung hinter der Zusatzturbine 4 auf deren Welle 5 angeordneten Zusatzverdichter 6. Der Zusatzverdichter 6 besteht aus zwei Stufen 6'und 6"und ist als Unterschallverdichter ausgebildet. Unmittelbar hinter der Zusatzturbine 4 befindet sich ein ringförmiger Sammelraum 7, mit dem bis auf das Gehäuse 8 des Zusatzverdichters 6 reichende, schräg nach aussen verlaufende Rohre 9 verbunden sind.
Auf dem Gehäuse 10 der Zusatzturbine 4 ist ein stirnseitig offener Luftauffangring 11 angeordnet, mit dem schräg nach innen verlaufende, zwischen den Rohren 9 liegende Rohre 12 verbunden sind, die in einem vor dem Zusatzverdichter 6 angeordneten ringförmigen, verdichterseitig offenen Sammelraum 13 münden. Die Zusatzturbine 4 und der Zusatzverdichter 6 sind auf der Welle 5 fliegend gelagert. Zwischen der Zusatzturbine 4 und dem Zusatzverdichter 6 ist konzentrisch zu der Welle 5 ein von der Mitte mit stetig abnehmendem Durchmesser ausgebildeter, rohrförmiger Körper 15 angeordnet, der an seinen Enden je ein Lager 16, 17 aufweist. Der rohrförmige Körper 15 ist an seinem grössten Durchmesser mit einem Steg 18 versehen und mit einem an den Zusatzluft führenden Rohren 12 angeordneten Flansch 19 verbunden.
Das dem Zusatzverdichter 6 zugewandte Ende 20 des rohrförmigen Körper 15 ist an dem ringförmigen Sammelraum 13 befestigt. Durch diese beiden Befestigungsstellen ist der rohrförmige Körper 15 mit den kalten Teilen des Triebwerkes kraftschlüssig verbunden.
Die Arbeitsweise ist folgende :
Luftwird von dem Hauptverdichter 1 der Atmosphäre entnommen und mit höherem Druck der Brennkammer 2 zugeleitet. Der Brennkammer 2 wird durch Einspritzdüsen kontinuierlich Brennstoff zugeführt.
Nach der Zündung des Brennstoff-Luftgemisches strömt heisses Verbrennungsgas durch die mit dem Hauptverdichter 1 in Verbindung stehende Hauptturbine 3. Danach durchströmt das Verbrennungsgas die Zusatzturbine 4, die den auf ihrer Welle 5 angeordneten Zusatzverdichter 6 antreibt. Das Verbrennungsgas wird durch die Rohre 9 in die Atmosphäre geleitet. Durch den Zusatzverdichter 6 wird Luft durch die Rohre 12 der Atmosphäre entnommen und ihr am Triebwerksende mit höherer Geschwindigkeit wieder zugeführt.
Dem Verbrennungsgas wird durch die Zusatzturbine 4 Energie entnommen, so dass dessenCGeschwin- digkeit geringer ist. Durch die vom Zusatzverdichter 6 der Atmosphäre entnommenen und ihr danach mit höherer Geschwindigkeit wieder zugeführten Luft wird der Durchsatz des Triebwerkes erhöht. Die Verringerung der Geschwindigkeit des Verbrennungsgases und die Erhöhung des Luftdurchsatzes des Triebwerkes ergibt einen höheren Schub.
Gleichzeitig tritt durch die Verringerung der Geschwindigkeit des Verbrennungsgases und durch die Aufteilung der eigentlichen Schubdüse in einzelne Rohre 9 sowie durch die zusätzliche Kaltluftzuführung von innen zu dem Abgasstrahl eine derartig grosse Lärmverminderung ein, dass zusätzliche Einrichtungen zur Lärmdämpfung nicht erforderlich sind.
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