Turbostrahltriebwerk Die Erfindung betrifft ein Turbostrahltriebwerk und bezweckt Verbesserungen an den<U>sog</U> genannten Bypass- t urbostrahltrie'bwerken.
Beiliegende Zeichnung stellt zwei Ausführungs- beispiele des Erfindungsgegenstandes dar.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das für ein Strahltrieb werk den über der Ordinate in Prozenten aufgetrage nen Vortriebswirkungsgrad in Funktion des über der Abszisse aufgetragenen Verhältnisses der Strahlaus- trittsgeschwindigkeit Vi zur Fluggeschwindigkeit V" darstellt.
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches einen Vergleich der Leistungsfähigkeiten von Bypasstriebwerken mit gewöhnlichen Tu>ibostrahitriebwerken ermöglicht;
über der Ordinate ist für einen: bestimmten Luft- durchsatz in Prozenten das Verhältnis
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bzw. das Verhältnis
EMI0001.0028
aufgetragen und über der Abszisse ist das Verhältnis
EMI0001.0029
aufgetragen. Fig. 3 ist eine Draufsicht des Ausführungsbeispie- les, wobei gewisse Partien weggebrochen und gewisse andere Partien im Längsschnitt dargestellt sind.
Fig. 4 ist ein Aufriss eines Abschnittes dieses Aus führungsbeispieles, wobei dne Gondel im Schnitt ge zeigt ist.
Fg. 5 ist ein Querschnitt nach der Linie 5-5 von Fig. 3.
Die Fig. 6, 7 und 8 sind Querschnitte des bzw. der Bypassströmungskanäle des Ausführungsbeispieles nach den Linien 1-I, II-II bzw. III-III der Fig. 3.
Fig. 9 ist eine Perspektivansicht des mit einem Flugzeugflügel verbundenen Triebwerkes.
Fig. 10 ist eine zugehörige Ansicht von hinten, und die Fig. 11, 12 und 13 sind den Fig. 3, 4 bzw. 5 ähnliche Darstellungen des zweiten Bei einem .gewöhnlichen Turbostrahltriebwerk strömt die Luft nacheinander durch. einen Verdichter, einen Satz von Brennkammern, eine Gasturbine und eine Schubdüse.
Bei einem Bypassstralgtriebwerk wird der eintretende Luftstrom zweigeteilt, und zwar meistens im Verdichter, wobei ein Teil zur Turbine und der nachgeschalteten Schubdüse fliesst, während der übrige Teil diese Turbine und Schubdüse um geht und durch eine separate Schubdüse ausgestossen wird zwecks Erzeugung von zusätzlicher Vorschub kraft.
Bei den üblichen Konstruktionen von Bypass- triebwerken ist der Strömungskanal für denumgelei teten Teil der Luft ringförmig und um den die Brenn- kammern, die Gasturbine und die zugehörige Schub düse umfassendien Triebwerkabschnitt herum an geordnet.
Wie nachher gezeigt wird, hat ein Bypass- triebwerk gegenüber einem gewöhnlichen Turbo- stTahltriebwerk etliche Vorteile, wie vergrösserte Vor triebskraft, erhöhter Vortriebswirkungsgrad und ver minderter spezifischer Brennstoffverbrauch.
Die be kannten Bypasstriebwerke hatten aber den Nachteil einer schlechten Zugänglichkeit zu den vom Bypass- strömungskanal umgebenen Triebwerkpartien und es hatten. sowohl das Triebwerk wie die Gondel über mässig grosse Abmessungen und ein sehr grosses Ge wicht. Diese Nachteile verhinderten es, vom Vorteil des vergrösserten Luftdurchsatzes profitieren zu kön nen, ohne .die Zulad'efähigkeit des Flugzeuges unter eine wirtschaftlich tragbare Grenze zu vermindern.
Bekanntlich ergibt sich die Vortri.ebskraft F" eines Strahltriebwerkes aus der Formel:
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wobei W, der Luftdurchsatz, V; die Strahlaustritts- geschwindigkeit und I@L die Fluggeschwindigkeit be deuten.
Der Vortriebswirkungsgrad NI, in Prozenten er gibt sich aus der Formel
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Diese Beziehung ist in Fig. 1 graphisch dargestellt und man sieht, dass der beste Vortriebswirkungsgrad erreicht wird, wenn V; = V.. Aus der Formel (1) ergibt sich aber, dass dann die Vortriebskraft gleich null wird. Deshalb muss zwischen Wirkungsgrad und Vortmebserzeugung ein Kompromiss gemacht werden..
Dies ist leicht, denn aus Formel (1) ergibt sich, dass durch Ausnützung des beim Bypasstriebwerk im Ver gleich zu einem gewöhnlichen Turbostrahltriebwerk grösseren Luftdurchsatzes die Strahlaustrittsgeschwin- digkeit ohne Einbusse an Vortriebskraft erheblich herabgesetzt werden kann, wobei die Verminderung dieser Geschwindigkeit VJ gemäss Formel (2) eine Erhöhung des Wirkungsgrades N, ergibt.
Die Fig. 2 erlaubt einen Vergleich des spezifi schen Brennstoffverbrauches (kg Brennstoff; kg Vor triebskraft - Stunde) eines Bypasstriebwerkes im Ver gleich zu einem gewöhnlichen Turbostrahltriebwerk in Abhängigkeit des Verhältnisses
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wobei die obere Kurve für Flug auf etwa<B>10000</B> m ü. M. und die untere Kurve für Start oder Flug auf Meereshöhe gilt.
Dieses Diagramm veranschaulicht eindeutig die Zunahme der Vortriebskraft und die Abnahme des spezifischen Brennstoffverbrauches des Bypasstriebwerkes bei Zunahme des eben erwähnten Verhältnisses. Die Erfahrung hat aber gezeigt, dass bei den üblichen Bauarten des Bypasstriebwerkes das zusätzliche Gewicht und die zusätzliche Sperrigkeit, die nötig sind, um den Wert des Verhältnisses
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über etwa 1 :
1 erhöhen. zu können., das Triebwerk unpraktisch machen, und dass der theoretisch durch Vergrösserung dieses Verhältnisses auf 1,5: 1 oder 2: 1 erzielte Zuwachs an Vortriebskraft und Wirt- schaftlichkeit praktisch dahinfällt.
Die vordringliche Aufgabe bestand: darin, eine Bypasstriebwerk-Bauart zu entwickelt, .die es gestattet, die bei Erhöhung des Luftdurchsatzverhältnisses auf 1,5 : 1 oder gar 2 : 1 sich hinsichtlich Vortriebskraft und Brennstoffverbrauch theoretisch ergebenden Vor teile ,realisieren zu können unter Beibehaltung guter Werte des Baugewichtes, der Aussenabmessungen und des Wirkungsgrades sowie auch einer guten Zugäng lichkeit zu den inneren Trieibwerkteilen, was für den Unterhalt und die Vornahme von Reparaturen von grosser Bedeutung ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes ist in dien Fig. 3 bis 5 gezeigt. Zur Triebwerk einheit 10 gehören ein Lufteinlassabschnitt 12, ein mehrstufiger Axiailverdichter 14, ein Abschnitt 16 mit Brennkammern und eine Gasturbine 18. Der Verdichter 14, der Abschnitt 16 und, die Gasturbine 18 sind koaxial und haben, ein Gehäuse 20 mit run dem Querschnitt, dessen Längsachse mit 22 bezeich net ist, wobei der vordere Gehäuseteil den Luftein- lassabschnitt 12 und der hintere Gehäuseteil die vorn den Verbrennungsgasen durchströmte Schubdüse 34 bildet, deren Austrittsöffnung mit 24 bezeichnet ist.
Der Gehäuseabschnitt<I>20a,</I> der im Bereich der vor deren Verdichterstufen 26, 28 liegt, bildet einen Strömungskanal 30 und hat einen grösseren Durch messer als der Gehäuseabschnitt 20b, der sich nach vorn bis in den Gehäuseabschnitt 20a hinein er streckt, so dass ein ringförmiger Durchgang 32 ent steht.
Dort ist am Gehäuse 20 durch Flanschverbin- dungen 42, 44 ein Leitungssystem 40 für Bypassluft angeschlossen, durch das ein Teil der durch den Strö mungskanal 30 eintretenden und in den vorderen Stufen 26, 28 des Verdichters 14 komprimierten Luft nach hinten. geleitet wird, um dann in die Atmo sphäre auszuströmen und dabei zum Vortrieb bei zutragen, während der übrige Teil der Luft in zu sätzlichen Stufen des Verdichters weiter komprimiert wird, um dann in die Brennkammern der Einheit 16 überzutreten;
die entstehenden Verbrennungsgase ge ben in der Gasturbine 18 Energie ab, die zum An trieb des Verdichters verwendet wird, und treten dann durch die Schubdüse 34 aus.
Da der Aufbau der Triebwerkei:nheit 10 bestens bekannt ist, erübrigt sich dessen nähere Beschrei bung.
Das Leitungssystem 40 für Bypassluft besteht zweckmässig aus einer Blechschweisskonstruktion. Sie weist einen ringförmigen Einlassabschnitt 46 auf, des sen Aussenwand mit 41 und Innenwand mit 43 be zeichnet ist; dieser Abschnitt bildet einen Fortsatz des Durchganges 32 und hat in Achsrichtung eine Länge h, die im Vergleich zu derjenigen des Gehäu ses 20 sehr klein ist.
Das Leitungssystem 40 setzt sich nach hinten in zwei seitliche, einander diametral gegenüberliegende Äste 48, 50 fort, die sich zwischen der 2- bis 4-Uhr- bzw. 8- bis 10-Uhr-Lage neben der Triebwerkeinheit 10 befinden.
Diese Äste haben je einen an den Einlassabschnitt anschliessenden Über- gangsabschnitt 49 bzw. 51, dessen in Umfangsrichr- tung gemessene Weite allmählich nach. hinten ab nimmt, und einen Abschnitt von gleichbleibendem Querschnitt, dessen hinteres Ende eine Düse ,mit sektorförmiger Auslassöffnung 52 bzw. 54 bildet.
Diese Öffnungen haben je eine in der Horizontalen liegende kleine Achse 56 (Fig. 10) und eine grosse Achse 58, die für optimale Schallrichturngswirkung am besten ganz vertikal wäre; das Grössenverhältnis der grossen Achse 58 zur kleinen Achse 56 ist für beste Schallunterdrückungswirkung gewählt.
Ein genaueres Bild der Formgebung des Leitungs systems 40 erhält man durch Betrachtung der Fig. 6, 7 und B. Fig. 6 zeigt den ringförmigen; Durchlass- querschnitt a1 in der Schnittebene I-I. Fig. 7 zeigt in der Schnittebene 11-II die bogenförmigen Quer schnitte der beiden Leitungsäste, die oben und unten im Abstand A1 voneinander liegen.
Der Gesamtdurch- lassquerschnitt a2 ist etwas grösser als der Durchlass- quemschnitt a1, mit anderen Worten, es sind die Über gangsabschnitte 49, 51, diffusorartig ausgebildet zwecks Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit, also der Strömungsverluste.
Fig. 8 zeigt in der Schnitt ebene III-III die Durchlassquerschnitte der Leitungs äste, die unten und oben in einem Abstand A2 von einander liegen, der grösser ist als der Abstand A1. Der Gesamtquerschnitt a3 ist praktisch ,gleich gross wie der Gesamtquerschnitt a2.
Aus den Fig. 3, 4 und 5 ist zu ersehen, dass die seitliche Anordnung der Leitungsäste 48 und 50 eine sehr gute Zugänglichkeit zum Gehäuse von oben wie von unten zur Folge hat, welche Zugänglichkeit zur Ermöglichung bzw. Erleichterung von Unterhalts und Reparaturarbeiten am Gehäuse 20 und darin befindlichen Teilen von ausschlaggebender Bedeu tung ist.
Die extrem kleine Länge h des Einlass- abschnittes des Leitungssystems 40 ist von besonde rem Vorteil, weil dadurch die Anbringung von zu Tragmitteln gehörenden Verbindungselementen: 94 am Montageflansch 60 vertikal über und unter der Achse ausserordentlich erleichtert und ausserdem die Unterbringung der Hilfsaggregate 62 unter dem Ge häuse 20 zwischen den Leitungsästen ermöglicht wird..
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen wie die Triebwerk gondel 70 das Triebwerk auf seiner ganzen Länge umgibt. Diese Gondel ist in üblicher Weisse zerleg und wegnehrnbar. Sie hat einen Lufteinlassabschnitt 72, der in den Lufteinlassabschnitt 12 übergeht und mit diesem den Lufteinlasskanal 30 bildet; sie ist hohl, wobei der zwischen ihr und dem Gehäuse 20 gebildete Zwischenraum 74 für den. Durchlass von gestauter Luft zu Kühlungszwecken verwendbar ist.
Luft strömt durch Löcher 61 im Abschnitt 72 ein, umspült den vorderen Gehäuseabschnitt 20a und das Luftleitungssystem 40 und dann den hinteren Ge häuseabschnitt 20b, um dann durch, die zwischen: dem hinteren Rand 77 der Gondel und der Schubdüsen- öffnung 24 vorhandene Öffnung 76 in die Atmo- späre auszutreten.
Die Gondel 70 hat eine glatte Aussenoberfläche zwecks Niederhaltung der Reibver luste im Flug; im Querschnitt hat sie zweckmässig etwa die aus Fig. 5 ersichtliche Querschnittsform.
Die Fig. 9 und 10 zeigen, wie die beschriebene Bauart von Bypasstriebwerken sich sehr gut eignet zum Anbau an der Tragfläche 90 eines modernen Flugzeuges, mittels eines windschnittig ausgebilde ten Tragsteges 92. Durch letzteren hindurch sind die Leitungen, wie Brennstofltzufuhrleitung aus dem Flugzeug zum Triebwerk und Frischluftzufuhrleitung für die Lufterneuerung in den Kabinen des Flugzeu- zeuges, gelegt.
Es ist deshalb von grosser Wichtigkeit, dass von dem Tragsteg 92 zur Triebweckeinheit 10 ein vertikaler Durchgang vorhanden sei, wie er nun tatsächlich geschaffen ist. In diesem Durchgang be finden sich auch die schon erwähnten Verbindungs- eIemente 94.
In der in den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführung hat die von den Verbrennungsgasen durchströmte Schubdüse 96 eine für die Lärm bekämpfung günstige längliche vertikale Querschnitts form anstelle der Ringform der Auslassöffnung 24 in Fig. 3 bis 5.
Die beschriebene Bauart mit hauptsäch lich in Vertikalrichtun<B>g</B> sich erstreckenden Bypassluft- Auslassöffnungen 5,2, 54 ist besonders interessant im Falle eines solchen- Anbaues an einen vertikalen Trag steg 92, nicht nur vom Standpunkt der Erzielung einer möglichst guten Windschlüpfigkeit, sondern bei Ausführung mit der Schubdüse 96 auch vom Standpunkt der Lärmbekämpfung.
Bei Betrachtung der Fig. 9 und 10 sieht man, dass diese vertikale Schubdüse auf dien vertikalen Tragsteg 92 ausgerich tet ist, wobei für die Windschlüpfigkeit recht günstige Übergänge zwischen den Aussenflächen des Trag steges, der Gondel und der Schubdüse erzielt worden sind.
Es liegt auf der Hand, dass bei seitlichem Anbau des Triebwerkes die Leitungsäste 48 und 50 sich über und unter dem Triebwerkteil 10 erstrecken können, um letztren von beiden Seiten: her zugänglich zu machen.
Ausserdem besteht die Möglichkeit, dem Übergangsabschnitt des Leitungssystems 40 die in Fig.3 mit der punktierten Linie 100 angedeutete Form zu geben, so dass der Einlassabschnitt 46 mit einem einzigen Ast 50 verbunden ist.
Schliesslich wäre es möglich, die Gondel 70 so herzustellen, dass sie den Triebwerkteil 10 und das Leitungssystem 40 vollständig umgibt, wobei aber die Bypassluft aus dem System in den Raum zwischen dem Triebwerkteil 10 und der Gondel 70 hinein strömt.
Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 11, 12 und 13 beträgt die Länge l2 des Leitungssystems 40' für Bypassluft nur einen Bruchteil derjenigen des Ge häuses 20 des Triebwerkes; die Äste 48' und 50' sind als konvergente Düsen ausgebildet, deren Aus- strömöffnungen 52' bzw. 54' sektorförmig sind. Letz- tere haben eine horizontale kleine Achse 56' und eine im wesentlichen vertikale grosse Achse 58' und sind für bestmögliche Lärmbekämpfung dimensioniert.
Die Ausbildung der Äste 48' und 50' als konvergente Düsen soll bestmögliche Ausströmbedingungen für die Erzeugung von Vortriebskraft schaffen. Wie aus Fig. 11 hervorgeht, befinden sich die Ausströmöff- nungen 52', 54' in einem gewissen Abstand s von der Gondel 70', womit bezweckt wird, d'ass die Luftstrahlen keinen ungünstigen Einfluss auf die Gondel haben. Dieser Abstand kann je nach Flugzeugtyp variieren.
Wegen ihrer kleinen Länge 12 umgibt das Lei tungssystem 40' das Triebwerkgehäuse 20 auf nur einem sehr kleinen Teil seiner Länge; aus diesem Grunde und auch weil die Länge h des Einlass- abschnittes 46 sehr gering isst und die Äste 48', 50' seitlich angeordnet sind, ist die Zugänglichkeit zum Triebwerkgehäuse 20 von oben und unten ausser ordentlich gut.
Die Gondel 70' ist stromabwärts vom Leitungs system 40' erheblich verschmälert und bildet am übergang 81 Auslassöffnungen 78 und 80, damit die Ausströmöffnungen 52', 54' direkt in die Atmosphäre ausmünden.