Strahltriebwerk, insbesondere für Flugzeuge. Vorliegende Erfindung betrifft ein Strahl triebwerk, insbesondere für Flugzeuge, mit einer Turbine, einer vom Turbinenauspuff durchströmten Vortriebsdüse und mit Dreh zahlreguliermitteln.
Gemäss der Erfindung kennzeichnet sich dieses Strahltriebwerk dadurch, dass die Dü- sen-Ausströmfläche zwecks Änderung des Strahlschubs mittels eines beweglichen Dü senbestandteils regulierbar ist, wobei dieser letztere und die genannten Drehzahlregulier- mittel von einem gemeinsamen Steuerorgan derart steuerbar sind, dass während der an fänglichen Bewegung dieses Steuerorganes die Düsen-Ausströmfläche auf einer vorbestimm ten Grösse gehalten und die Drehzahl der Tur bine allmählich bis zu einem Höchstwert er höht wird,
wogegen während der weiteren Be wegung des Steuerorganes diese Ausström- fläche zwecks Verstärkung des Strahlvor- schubs verkleinert und die Drehzahl der Tur bine auf ihrem Höchstwert gehalten wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Strahltriebwerkes mit Turbine und Vortrieb strahldüse.
Fig. 2 eine schematische Abwicklung zum Darstellen der Beziehung zwischen den durch den Steuerhebel betätigten Nockenflächen und den mit. letzteren zusammenarbeitenden Mitnehmerorganen, Fig. 3 ein Diagramm zwecks Gegenüber- stellens des Betriebes des Strahltriebwerkes nach Fig. 1 und eines der bisher gebräuch lichen Strahltriebwerke.
Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt des in Fig. 1 mit 24 bezeichneten Zentrifugalreglers.
Das Gasturbinen-Strahltriebwerk 10 weist zwischen der vordern Lufteintrittsöffnung 16 und der Strahldüse 18 einen Axialverdichter 12, eine Verbrennungseinrichtung 14 und eine Turbine 15 auf.
Das von der Turbine 15 abgegebene Be triebsfluidum strömt durch die Düse 18, um einen Vortriebstrahl zu erzeugen, und dieses Betriebsfluidum wird von der mit Brennstoff beschickten und durch den von der Turbine 15 angetriebenen Verdichter 12 mit Luft belie ferten Verbrennungseinrichtung 14 an die Turbine abgegeben. Der an der Ausstossdüse 18 auftretende Rückstoss bzw. Schub wird in einem Teil des Betriebsbereiches durch axiales Verstellen des beweglichen Düsenorganes 20 verändert.
Im vorliegenden Fall ist letzteres durch den axial verschiebbaren Schwanz kegel 20 dargestellt, der zwecks Änderns der Ausströmfläche A mittels des Hebels 21 hin- und herbewegt werden kann.
Zwecks besseren Verständnisses der ver einigten Steuerung von :Maschinendrehzahl und Ausströmfläche der Vortriebstrahldüse sei auf Fig. 3 hingewiesen, worin die gestri chelten Kurven b und c sich auf eine übliche Turbo-Strahlvortriebsanlage, wie sie heute verwendet wird, beziehen, während die aus gezogenen Kurven d und g sich auf eine erfin dungsgemässe Anordnung beziehen. Die bei den Kurven<I>b</I> und<I>d</I> geben die Turbinendreh zahl in Funktion des Schubes an, während die Kurven c und g die Turbinentemperatur in Funktion des Schubes veranschaulichen.
Ge wöhnlich ist zum Einstellen der Brennstoff zufuhr und damit des Schubes ein Steuer hebel vorgesehen, wobei die Anordnung durch Wahl geeigneter Nocken derart sein kann, dass der Einstellweg des Steuerhebels dein Schub proportional ist. Demgemäss wird bei der herkömmlichen Turbo-Strahlvortriebs- anlage durch die Betätigung des Steuerhebels zwecks Vergrösserns des Schubes die Brenn stoffzufuhr und damit die Drehzahl erhöht, wie durch die gestrichelte Linie b in Fig. 3 an gezeigt, während gleichzeitig die Temperatur erhöht wird, wie durch die gestrichelte Linie c angegeben.
Beim dargestellten Strahltriebwerk wird im obern Betriebsbereich die Düsen-Aus- strömfläche verändert, während die Turbine ungefähr bei voller Drehzahl umläuft, so dass der Schub lediglich durch Verkleinern der Düsen-Ausströmfläche von etwa der Hälfte des vollen Schubes auf vollen Schub erhöht werden kann, so dass man es hier mit einem Isodromregler zu tun hat, der automatisch in Funktion tritt, um eine weitere Brennstoff zufuhr zu verursachen, ohne weitere Verände rung der Turbinendrehzahl.
Die Turbinen drehzahl und die Düsen-Austrittsfläche sind so miteinander verkettet, dass im untern Be triebsbereich, wo die Ausströmfläche etwas grösser als diejenige für vollen Schub bei vol ler Turbinendrehzahl ist, bei Verstellung des Steuerhebels im Sinne einer Schuberhöhung die Turbinendrehzahl erhöht wird, wie durch die ausgezogene Linie d in Fig. 3 angegeben, wobei die volle Drehzahl bei e erreicht wird. Wenn dann der Steuerhebel im gleichen Sinn weiterbewegt wird, wird die Düsen-Ausstr öm- fläche verringert, wobei der Schub bei kon stanter Drehzahl vergrössert wird, wie durch die ausgezogene Linie zwischen e und f an- gegeben.
Die Linie g zeigt. dass mit Hilfe einer solchen Anordnung die Turbinen-Einström- temperatur über dem ganzen Schubbereich niedriger ist, wodurch die Lebensdauer des Triebwerkes verlängert wird. insbesondere, wenn Reise- oder Normalgeschwindigkeiten eingehalten werden.
Die Turbinendrehzahl wird mit Hilfe eines eine Drehzahlverstellvorrichtimg aufweisen den Zentrzfugalreglers 224 reguliert. Letzterer wird von der Turbine aus über eine Welle ?5 angetrieben. Der Regler steuert den Brenn stoffeinlauf in die zur Verbrennungseinrich tung 14 führende Leitung '6.
Der Regler, der für den vorliegenden Zweck in Frage kommt, kann hydraulischer Art sein und sollte bezüglich seiner Funktion isodrom sein in dem Sinne, dass die eingestellte Turbinendrehzahl ohne Rücksicht auf die Brennstoffzufuhrverhältnisse der Turbine konstant bleibt. Ein solcher Regler ist. in Fig. 4 dargestellt. Dieser Regler ?4 hat einen Hebel 24a, der, wenn er nach rechts bewegt wird, das Zahnrad 24b betätigt, um den Teil ?4c mit der Zahnstange nach oben zu ver schieben und damit die Kraft der Feder 24g zu ändern.
Die Reglerwelle ist mit dem Tur binenantrieb gekuppelt und bildet. einen inte grierenden Bestandteil der Reglerpumpe <I>24d.</I> Diese Antriebswelle bildet auch eine Dreh hülse, die den Steuerschieber ?4e umgibt. und. treibt eine Muffe an, die die beiden Flieh gewichte 24/ trägt. Der Fliehkraft der rotie renden Zentrifugalgewichte wirkt die Feder 24g entgegen, deren Spannung durch Verstel lung des Steuerhebels 24a eingestellt werden kann.
Solange der Steuerschieber 24e Lagen einnimmt, in denen er verhältnismässig kleine Brennstoffmengen durchtreten lässt, d. h. im Bereich d der Fig. 3, herrscht im Beharrungs zustand jeweils Gleichgewicht zwischen der Fliehkraft der Zentrifugalgewichte und der eingestellten Federbelastung. Im Bereiche-1, wo die Einstellung der Feder unverändert bleibt, wird die Auspuffdüse iiil schliessenden Sinne bewegt. Das bewirkt infolge Aufstaus des Arbeitsmittels vor der Düse einen Abfall des Druckgefälles der Turbine und damit in folge Leistungsverlustes eine Drehzahlab nahme.
Dadurch fällt auch die Fliehkraft der Zentrifugalgewichte, und durch die überwie gende Kraft der Feder wird der Steuerschie ber 24e gehoben, der Brennstoffzutritt ver stärkt und damit die Drehzahl der Maschine erhöht. Doch wird nach Erreichen des Gleich gewichtszustandes der Steuerschieber 24e weiter offen sein als vorher. Deswegen ist dann die Feder 24g gegen vorher etwas entspannt und besitzt weniger Druckkraft, um der Flieh kraft der Zentrifugalgewichte entgegenzuwir ken. Das bedeutet, da.ss die Feder bei gerin gerer Drehzahl als ursprünglich ins Gleich gewicht kommt. Und das ist die Charakte ristik der üblichen Drehzahlregler.
Um der Neigung, auf geringere Drehzahl einzustellen, wenn die Brennstoffmengen gross sind, ent gegenzuwirken, sind eine Hilfsfeder 24h und ein Kolben 24j eingebaut. Wenn der Brenn stoffdurchfluss durch die Leitung 26 zunimmt, nimmt auch der Druck zu, der notwendig ist, um diesen Durchfluss durch die Brennstoff düse in die Verbrennungskammer zu drücken. Ein kleiner Teil des Brennstoffes gelangt über zwei hintereinanderliegende verengte Öffnun gen und eine Längsbohrung im Steuerschieber zur Eingangsseite der Pumpe.
Der Druck zwi schen diesen beiden verengten Öffnungen, der dem Brennstoffaustrittsdruck in der Leitung 26 proportional ist, wird vom Baum 24i zur Unterseite des Kolbens 24j geführt. Das be wirkt, dass eine Kraft auf die Feder 24h aus geübt wird, die die von der Feder 24g aus geübte Kraft unterstützt und die Abnahme der Kraft der Feder 24g beim Durchtritt gro sser Brennstoffmengen infolge der grösseren Ausdehnung der Feder bei weiter geöffnetem Steuerschieber 24e kompensiert.
In dem Zu leitungskanal vom Raum 24i zum Raum unter dem Kolben 24j ist eine Drossel 24k vor gesehen, um die Impulsübertragung zu ver zögern und damit ein Pendeln des Reglers zu vermeiden.
Um übermässige Drücke zu verhindern, ist ein Sicherheitsventil 24o vorgesehen. Die- ses Ventil ist so eingestellt. dass der Rück druck auf dem Entlastungsventil 241) redu ziert wird, wenn der Leitungsdruck des Re glers einen vorbestiinniten Wert erreicht.
Der Hebel 24ca wird durch die in Fig. 1 ge zeigte Stange 34 betätigt. die durch eine Feder 241. gegen einen Nocken 36 gedrückt wird. Der Hebel 21 ist: über das Hebelsystem 27, 28 an eine Steuerstange<B>35</B> angeschlossen, die von einer Feder 2117 gegen den Nocken<B>3</B> / ge- presst wird. Die -Nocken 3 7 und 36 sind derart mit dem Steuerhebel 38 verbunden, dass die Nocken den Regler 24 und den Konus 20, wie es nachfolgend beschrieben wird, beeinflussen.
Gemäss den Fig. 1 und 4 wird. bei einer Be wegung des Steuerhebels 38 im Gegenulir- zeigersinn (Fig. l.), die Stange 34 durch den Nocken 36 verschoben und damit der Hebel 24a von seiner äussersten linken Stellung, in Fig. 1 und 4, in seine äusserste rechte Stellung v erschwenkt. Während dieser Bewegung läuft die Nockenfläche h-i über das linksseitige Ende der Stange 34, und zwar vom Ende Ir, mit kleinstem Radius zum Ende i mit gröss tem Radius.
Dadurch wird die Stossstange 34 über ihren gesamten Bewegungsbereich nach rechts verschoben, wobei der Hebel 24a nach rechts mitgenommen wird. wodurch der Teil 24c nach oben verschoben und der Schieber 24e entsprechend betätigt wird, um den Brenn- stoffZufluss zur Turbine zu vergrössern.
Wenn die Stange 34 anderseits das Ende i- des Nok- kens 36 von maximalem Radius berührt, ver anlasst eine Verdrehung des Nockens hn Uhr zeigersinn infolge der Feder 2141 eine Bewe gung der Stossstange sowie des Hebels 24a nach links, wodurch durch Vermittlung der Teile 24b und 24e -und der Feder 24g der Steuerschieber 24e nach unten bewegt wird, um den Brennstoffzufluss zur Turbine zu ver ringern.
Wenn sich die Nocken 26 und 37 in der in Fig. 1 dargestellten Lage befinden und aus dieser im Gegenuhrzeigersinn verdreht wer den, wird die Stange 34, während sie über die lNTockenfläche A-i läuft, über ihren vollen Bewegungsbereich verschoben. wobei das Ende der Stange 35 entlang der Nockenfläche k-1 von konstantem Radius gleitet, so dass keine Verschiebung der Stange 35 eintritt.
Demzufolge bewirkt eine Änderung der regler- gesteuerten Brennstoffzufuhr im ganzen Be reich, wo die Nockenfläche k-1 über das Ende der Stange 35 läuft, keine Veränderung des Querschnittes der Auslassdüse A durch die Stossstange 35.
Wenn jedoch das Ende l des Teils l--in der Nockenfläche die Stossstange 35 berührt, bewirkt eine weitere Bewegung des Hebels 38 im Gegenuhrzeigersinn eine Ver schiebung der Stange 35 nach rechts, da der Radius der Nockenscheibe 37 in dem Bereich von l-na zunimmt. Dadurch wird die Aus lassdüse so verstellt, dass sich deren Quer schnitt von einem Maximum auf ein Minimum verringert.
Wenn anderseits das Ende m der Nockenfläche l-na das Ende der Stange 35 berührt, veranlasst eine Verschwenkung des Hebels 38 im Uhrzeigersinn eine Bewegung der Stange 35 nach links, was dank der Feder 2431 gewährleistet ist.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ist in den Fig. 2 und 3 schematisch dargestellt. Wenn der Querschnitt der Austrittsdüse wäh rend dem Darüberlaufen über die Fläche k-1 konstant. gehalten wird und die Fläche h-i über das entsprechende Ende der Stange 34 gleitet, nimmt die Brennstoffzufuhr zu, wo durch die Maschinendrehzahl und der Schub ebenfalls zunehmen. Bei Erreichung der maxi malen Turbinendrehzahl, wie es in Fig. 3 bei e dargestellt ist, wird durch Verkleinerung des Querschnittes der Austrittsdüse eine weitere Vergrösserung des Schubes erreicht.
Zu die sem Zweck bewegt man den Teil 1.-m der Nockenfläche im Gegenuhrzeigersinn an der Stange 35 entlang, so dass diese über ihren vollen Bereich nach rechts verschoben wird und damit den Querschnitt der Austrittsdüse von dessen Maximum auf den Minimalwert verringert. Dies ist in Fig. 3 durch die Linie e- f dargestellt.
Die aufeinanderfolgenden Operationen zum Erhöhen der Turbinendrehzahl und Ver kleinern der Düsen-Ausströmfläche können, wie gezeigt, durch Bewegen desselben Steuer hebels in nur einer Richtung bewerkstelligt werden. Ein sicherer und zuverlässigerer Be trieb ergibt sich daraus, dass der Schub von 50 auf 100 Prozent durch einfaches Verstellen der Düsen-Ausströmfläche erhöht wird, wobei die Turbinendrehzahl konstant gehalten wird. Daher kann der Schub zum Landen verklei nert werden, ohne die Turbinendrehzahl zu verkleinern. Anderseits kann der Schub durch Verkleinern der Düsen-Ausströmfläche er höht werden, ohne die Turbine auf höhere Tourenzahl zu bringen, wodurch das Flug zeug schnell beschleunigt werden kann.
Der Pilot eines Flugzeuges, das zur Landung an setzt, wird gewöhnlich durch Winken mittels einer Flagge aufgefordert, in der Luft zu blei ben, bis z. B. die Landungsbahn frei ist. In einem solchen Fall muss er sein Flugzeug schnell von der Lande- auf die Steiggeschwin digkeit beschleunigen können.
Wenn der Schwanzkegel auf Normal- oder Reisestellung und die Turbine auf volle Tou renzahl eingestellt ist, ist die Turbinen-Ein- trittstemperatur beträchtlich niedriger als im Fall eines Turbo-Triebwerkes mit einer Düse von fixer Ausströmfläche, wie der Vergleich der Linien g und c zeigt. Dadurch wird der Brennstoffverbrauch und auch die Turbinen Austrittstemperatur bei Reisegeschwindig keit herabgesetzt und somit die Lebensdauer des Triebwerkes verlängert.