DE1016504B - Gasturbinentriebwerk fuer Luftfahrzeuge, beispielsweise einen duesenbetriebenen Hubschrauber - Google Patents

Gasturbinentriebwerk fuer Luftfahrzeuge, beispielsweise einen duesenbetriebenen Hubschrauber

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DE1016504B
DE1016504B DEN8878A DEN0008878A DE1016504B DE 1016504 B DE1016504 B DE 1016504B DE N8878 A DEN8878 A DE N8878A DE N0008878 A DEN0008878 A DE N0008878A DE 1016504 B DE1016504 B DE 1016504B
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Alfred John Penn
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Napier Turbochargers Ltd
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D Napier and Son Ltd
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    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02C7/12Cooling of plants
    • F02C7/16Cooling of plants characterised by cooling medium
    • F02C7/18Cooling of plants characterised by cooling medium the medium being gaseous, e.g. air
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    • B64C27/00Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
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    • B64C27/18Drive of rotors by means, e.g. propellers, mounted on rotor blades the means being jet-reaction apparatus
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    • F02C6/04Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/06Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output providing compressed gas
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Description

  • Gasturbinentriebwerk für Luftfahrzeuge, beispielsweise einen düsenbetriebenen Hubschrauber Die Erfindung betrifft Gasturbinentriebwerke für Luftfahrzeuge, insbesondere düsenbetriebene Hubschrauber.
  • Sie befaßt sich. mit der Aufgabe, bei Gasturbinentriebwerken für Luftfahrzeuge die Nachteile und Schwierigkeiten zu beseitigen, die sich bei der Verwendung von Gas ergeben, das die üblichen Auspufftemperaturen einer Gasturbine aufweist. Ein Triebwerk nach der Erfindung eignet sich besser zur Lieferung einer verhältnismäßig großen Menge kühleren Gases als zur Lieferung einer kleineren Menge heißen Gases, und die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei Gasturbinentriebwerken für düsenbetriebene Hubschrauber od. dgl. verwendbar.
  • Die Erfindung geht aus von Gasturbinentriebwerken für Luftfahrzeuge, z. B. für einen düsenbetriebenen Hubschrauber, mit einem ersten Axialverdichter, der einer oder mehreren mit Brennstoff gespeisten Verbrennungskammern Luft zuführt, und mit einer durch die Verbrennungsgase betriebenen Axialturbine, die gleichachsig mit dem ersten Luftverdichter angeordnet ist und ihn antreibt, sowie mit einem zweiten, gleichfalls von der Turbine angetriebenen Axialverdichter, der auf der vom ersten Verdichter abgewandten Seite der Turbine gleichachsig mit dieser angeordnet ist und in Richtung zur Turbine hin, entgegengesetzt zur Durchflußrichtung der Turbine und des ersten Verdichters, von der Luft durchströmt wird.
  • Bei industriellen Gasturbinenanlagen ist es bereits bekannt, auf der Welle eines Turboverdichters einen zweiten von der Turbine angetriebenen Verdichter vorzusehen, wobei der Auslaß des zweiten Verdichters mittelbar oder unmittelbar an die Turbine oder an den ersten Verdichter angeschlossen ist. Bei Turbinenstrahltriebwerken für Luftfahrzeuge ist es ferner bekannt, einen Teil der von einem ersten Verdichter gelieferten Luft an einer Brennkammer und einer Turbine vorbeizuführen und mit den Abgasen der letzteren in einem Ausstoßrohr zu mischen, das in die Atmosphäre mündet. Bei diesen bekannten Anlagen treten aber gewisse Schwierigkeiten nicht auf, die bei Gasturbinentriebwerken für düsenbetriebene Hubschrauber od. dgl. berücksichtigt werden müssen. Bei den bekannten Anlagen liegt keine Notwendigkeit vor, den Auslaßdruck des zweiten Verdichters auf den Druck der Turbinenabgase abzustimmen, und es ist auch nicht erforderlich, die Welle zwischen Turbine und zweitem Verdichter zu kühlen.
  • Nach der Erfindung werden diese Schwierigkeiten behoben, und das Triebwerk für die obengenannten Zwecke zeichnet sich durch eine gedrängte, Raum und Gewicht sparende Bauart aus. Die Nachteile der extrem hohen Temperaturen der die Turbine verlassenden Abgase werden überwunden, und trotz der gedrängten Bauart wird die Welle zwischen der Turbine und dem zweiten Verdichter gegen Überhitzung geschützt. Schließlich weist auch das das Gasturbinentriebwerk verlassende Gasgemisch eine verhältnismäßig niedrige Temperatur auf.
  • Nach der Erfindung werden diese Vorteile durch einen wenigstens teilweise zwischen der Turbine und dem zweiten Luftverdichter vorgesehenen Kanal erzielt, dem die Abgase der Turbine und die vom zweiten Verdichter gelieferte Druckluft zugeführt werden, um ihn als das benötigte Kraftgas durch eine einfache Ausströmleitung zu verlassen.
  • Dabei ist es von Vorteil, wenn wenigstens ein Teil der vom zweiten Verdichter geförderten Luft einem Kühlmantel zugeführt wird, der den zwischen Turbine und zweitem Verdichter angeordneten Kanal wenigstens teilweise umgibt.
  • Zweckmäßig wird wenigstens ein Teil der verhältnismäßig kühlen, vom zweiten. Verdichter gelieferten Luft einem Kühlmantel zugeführt, der einen Heißgaskanal innerhalb der Ausströmleitung umgibt; von dort entweicht die verhältnismäßig kühle Luft in Form einer den ziemlich heißen Kern der Turbinenabgase umgebenden Hülle.
  • Weiterhin kennzeichnet sich eine zweckmäßige Ausbildungsform der Erfindung darin, daß der zweite Verdichter von einer an die Turbine angekuppelten und durch den Kanal hindurchgeführten Welle angetrieben wird und daß der Kanal einen inneren, die heißen Abgase führenden Mantel enthält, der die Welle in gehörigem Abstand umgibt, wobei ein außen angeordneter Kühlmantel den inneren Heißgasmantel umgibt, und von aus dem zweiten Verdichter gelieferter Luft durchströmt wird.
  • Das Kraftgas: aus dem Kanal kann einem Zweiweg-Drehschieber zugeführt werden., wie er bereits anderweitig vorgeschlagen wurde. Der Drehschieber führt in der einen Stellung das Kraftgas einem Auslaß und in der anderen Stellung einem Energieverbraucher zu.
  • Die Erfindung kann auf verschiedene Weise in die Praxis umgesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt Fig. 1 die teilweise weggebrochene Seitenansicht eines Triebwerkes nach der Erfindung, das Gas einem nicht drosselnden Zweiweg-Drehschieber zuführt, Fig. 2 einen Schnitt durch einen zwischen der Turbine und dem zweiten Verdichter angeordneten Kanal, Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht des Kanals gemäß Fig. 2, wobei ein Teil der äußeren Wandung weggebrochen ist, Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung des Kanals, bei der die äußeren und mittleren Wandungen zum Teil weggebrochen sind, Fig. 5 den. Kanal im Grundriß und Fig. 6 eine Seitenansicht des Kanals, gesehen in Richtung der Pfeile VI-VI gemäß Fig. 1.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk ist speziell für die Anwendung bei einem Hubschrauber konstruiert, wobei Gas den Düsen zugeführt wird, die an den Flügelspitzen der Hubschraube angeordnet sind. Hierbei entweicht das Gas in Form eines Strahls und treibt die Hubschraube an. Offensichtlich ist es für derartige Zwecke von Vorteil, wenn wenigsten die äußeren Randschichten des zugeführten Gases keine zu hohen Temperaturen aufweisen, da sich sonst Schwierigkeiten ergeben, beispielsweise auf Grund der Wärmeausdehnung der Teile, ferner bei der Schmierung von gegeneinander bewegten Teilen und überhaupt bei der Konstruktion aller Teile, insbesondere hinsichtlich der Materialauswahl, die dem heißen Gas ausgesetzt sind. Das dargestellte Triebwerk besteht, ganz allgemein gesehen, aus einem ersten Axialverdichter 1 mit einem ringförmigen Lufteinlaß 2, ferner aus einem Kranz von axial angeordneten Verbrennungskammern 3, in denen Brennstoff in an sich bekannter Weise der Verbrennung zugeführt wird, und aus einer zweistufigen Turbine 4, die von den die Verbrennungskammern verlassenden Gasen angetrieben wird. Ein zweiter Axialverdichter 5, der ein etwas kleineres Kompressionsverhältnis besitzt als der erste Verdichter, ist mit letzterem und der Turbine gleichachsig angeordnet, aber räumlich etwas von diesem entfernt. Er besitzt einen Lufteinlaß 6 und fördert in einer Richtung, die der Auslaßrichtung der Turbine 4 entgegengesetzt ist. Der zweite Verdichter 5 wird von der Turbine 4 mittels einer Welle 7 angetrieben (s.Fig.2), die durch den zwischen der Turbine und dem zweiten Verdichter angeordneten Kanal hindurchgeführt ist. Der erste Verdichter wird in üblicher Weise mittels einer Welle ebenfalls von der Turbine angetrieben, die sich von der Turbine aus in die entgegengesetzte Richtung erstreckt. Tatsächlich sind also die beiden Verdichter und die Turbine durch ein und dieselbe Welle miteinander verbunden. Ein Anlaßmotor 9 von beliebiger bekannter Bauart ist auf der gleichen Welle, und zwar auf der Lufteinlaßseite des ersten Verdichters befestigt.
  • Die Turbine und die Verdichter können irgendeine bekannte Bauart aufweisen; da diese Bauelemente keinen Bestandteil der Erfindung bilden, werden sie nicht näher beschrieben.
  • Die Welle 7 wird zwischen der Turbine 4 und dem zweiten Verdichter 5 von Lagern 10 und 11 getragen, die mittels Speichen oder Streben am Gehäuse befestigt sind. Beide Lager 10 und 11 und ebenfalls die Welle 7 sind von einer im wesentlichen zylindrischen gasdichten Hülse 12 umgeben, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Lager können auch mit Labyrinthdichtungen für gasdichten Abschluß versehen sein, wie dies schematisch bei 13 angedeutet ist.
  • Der Kanal 8 stellt die Aufnahmekammer zwischen der Turbine und dem zweiten Verdichter dar und ist dazu bestimmt, die Abgase der Turbine und außerdem die komprimierte Luft aus dem Verdichter aufzunehmen, um sie sodann durch den in Fig. 1 mit 14 bezeichneten Kanal an einen keine drosselnde Wirkung ausübenden Zweiweg-Drehschieber abzugeben: In seiner einen Stellung- führt dieser die Gase in einen Rohrstutzen 16, an den die Hubschraube des Luftfahrzeuges angeschlossen ist, in der anderen Stellung dagegen in einen Stutzen 17, der zu einem Auspuffrohr oder zu einer Strahldüse führt: Der Kanal 8 ist in den Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 in seinen Einzelheiten dargestellt und besteht aus einer inneren zylindrischen Wand 18, die die zylindrische Hülse 12 mit der darin befindlichen Welle 7 in einem gewissen Abstand umgibt, ferner aus einer Zwischenwand 19, die ebenfalls im wesentlichen zylindrisch gestaltet und in angemessenem Abstand um die Wand 18 herum angeordnet ist. Diese Zwischenwand ist mit einem sich nach oben erstreckenden Ansatz 20 im wesentlichen rechteckigen Querschnitts versehen, der an seinem oberen Ende offen ist. Schließlich ist noch eine Außenwand 21 vorgesehen, die ebenfalls zylindrisch gestaltet ist und die Zwischenwand 19 in entsprechendem Abstand umgibt und einen ähnlich ausgebildeten rechteckigen Ansatz 22 besitzt, der den Ansatz 20 umgibt und oben offen ist. Die Außenwand 21 ist in der Nähe des Turbinenauslasses mit der Zwischenwand 19 verbunden; sie schließt sich neben dem zweiten Verdichter 5 an das Gehäuse 23 an, das die Außenwandung des ringförmigen Auslaßkanals dieses Verdichters darstellt. Zwei Führungen 24 sind fest in dem zylindrischen Raum zwischen der Außenwand 21 und der Zwischenwand 19 vorgesehen, und zwar eine auf jeder Seite dieses Raumes. Diese Führungen sind unten an der Seite des zweiten Verdichters 5 miteinander etwa V-förmig verbunden, so daß eine Art Pflugschar entsteht.
  • Die beiden Führungen 24 sind unter einem Winkel von durchschnittlich etwa 45° aufwärts geneigt; sie sind ferner mit der Zwischenwand fest verbunden; liegen aber nur lose auf der Außenwand auf, um bei thermischer Ausdehnung eine Verschiebung der einzelnen Teile gegeneinander zu ermöglichen. Die vom zweiten Verdichter geförderte komprimierte Luft teilt sich demnach in zwei Ströme und, wird durch die Führungen 24 nach oben abgelenkt, wenn sie den Kühlmantel durchströmt, den der Zwischenraum zwischen der Außenwand 21 und der Zwischenwand 19 darstellt. Die beiden Ströme vereinigen sich wieder und bilden schließlich eine mantelförmige Strömung in dem von den rechteckigen Ansätzen 20 und 22 gebildeten Zwischenraum. Ein Teil der vom zweiten Verdichter 5 geförderten Luft wird abgezapft und strömt durch den ringförmigen Kanal zwischen der zylindrischen Hülse 12 und der Innenwand 18 (s. Fig. 2), um schließlich durch Entlüftungsrohre 11 a zu entweichen. Diese Luft dient dazu, die Welle 7 und die Lager 10 und 11 auf einer erträglichen Temperatur zu halten.
  • Die innere zylindrische Wand 18 ist beim Auslaß des zweiten Verdichters 5 mit der Zwischenwand 19 verbunden. Die Zwischenwand ist an ihrem anderen Ende bei der Turbine 4 an einer Hülse 26 befestigt, die die Innenwand des ringförmigen Turbinenauslasses darstellt. Die Zwischenwand 19 ist am turbinenseitigen Ende am Gehäuse befestigt, das hier die Außenwand des ringförmigen Turbinenauslasses bildet. Die beiden Wände 18 und. 19 umschließen einen ringförmigen zylindrischen Raum, der in einen aufwärts gerichteten rechteckigen Ansatz 20 ausläuft. Zwei feste Führungs -bleche 27 befinden sich in dem Raum zwischen der Innenwand 18 und der Zwischenwand 19, und zwar eines an jeder Seite der Welle 7. Diese Bleche sind unten in. der Nähe der Turbinenauslaßöffnung miteinander verbunden und bilden eine Führung 28, welche die Turbinenabgase in zwei Ströme aufteilt. Diese strömen auf beiden Seiten an der zylindrischen Wandung 18 entlang und werden durch die Bleche 27 nach oben abgelenkt. Die beiden Bleche sind unter einem Winkel von durchschnittlich etwa. 45° nach oben geneigt und beispielsweise durch Schweißen. an der Zwischenwand 19 und der Innenwand 18 befestigt.
  • Noch ein weiteres gekrümmtes Führungsblech 29 ist zwischen den Wänden 18 und 19 vorgesehen und unterstützt die Umlenkung der Turbinenabgase nach oben. Dieses Blech 29 besitzt zwei gekrümmte Lappen 30, 31, die sich im wesentlichen horizontal: zur ringförmigen Auslaßöffnung der Turbine hin erstrecken. Sie sind in einer Höhe von ungefähr zwei Drittel des Turbinendurchmessers über deren untersten Punkt angeordnet und gehen in einen etwa senkrechten Teil 32 über, der sich quer durch den Ansatz 20 erstreckt. Schließlich sind noch zwei weitere Führungswände 33, 34 an den Seiten der Innenwand 18 befestigt, die sich im Innern des Ansatzes 20 befinden und nach oben zusammenlaufen, um in eine einfache senkrechte Wand 35 einzumünden. Derart unterstützen sie die Wiedervereinigung der beiden Abgasströme nach deren Aufwärtsumlenkung durch die festen Bleche 27. Diese Führungswände dienen hauptsächlich zum Erzielen eines stromlinienförmigen Gasflusses und können gekrümmt oder auch als einfache Platten ausgebildet sein, wie in Fig. 6 bei 33a, 34a angedeutet.
  • Die Oberkante des rechteckigen Ansatzes 22 ist mit einem Flansch 36 versehen, mit dem er am Gehäuse eines Zweiweg-Drehschiebers 15 befestigt ist. Dieser enthält ein drehbares Glied., das den durch den Ansatz 14 zugeführten Gasstrom entweder in den Auslaßstutzen 17 oder in den Stutzen 16 leitet, durch den es zur Hubschraube gelangt. Der Drehschieber 15 ist zweckmäßig so konstruiert, daß er beim Umschalten von der einen in die andere Stellung praktisch keinerlei Drosselwirkung ausübt.
  • Aus den Zeichnungen geht hervor, daß der die heißen Turbinenabgase von dem kühlen Luftstrom des zweiten Verdichters 5 trennende rechteckige Ansatz 20 sich aufwärts über den Flansch 36 hinaus bis zu einem Punkt erstreckt, der sich in unmittelbarer Nähe des drehbaren Schieberteils 37 befindet. Hierdurch wird erreicht, daß der den Kern aus relativ heißen Auspuffgasen umgebende Mantel aus verhältnismäßig kühler Luft auch während. des Durchtritts durch den Drehschieber aufrechterhalten wird, so daß die Gefahren und Schwierigkeiten vermieden werden, die bei Überheizung des Schiebers auftreten können.
  • Außerdem kann der Gasmantel aus kühler Luft auch in dem oder in den Stutzen auf der Auslaßseite des Schiebers 15 aufrechterhalten werden, um auch dort eine Überheizung zu vermeiden.
  • Das Kompressionsverhältnis des zweiten Verdichters 5 muß passend zu dem des ersten Verdichters 1 und zu den Eigenschaften der Turbine 4 gewählt werden, damit wenigstens einigermaßen passende Drücke am Auslaß des Stutzens 14 über den gesamten Bereich erzielt werden, in dem das Triebwerk arbeiten soll.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Gasturbinentriebwerk für Luftfahrzeuge, beispielsweise einen düsenbetriebenen Hubschrauber, mit einem ersten Axialverdichter, der einer oder mehreren mit Brennstoff gespeisten Verbrennungskammern Luft zuführt, und mit einer durch die Verbrennungsgase betriebenen Axialturbine, die gleichachsig mit dem ersten Luftverdichter angeordnet ist und ihn antreibt, sowie mit einem zweiten, gleichfalls von der Turbine angetriebenen Axialverdichter, der auf der vom ersten Verdichter abgewandten Seite der Turbine gleichachsig mit dieser angeordnet ist und in Richtung zur Turbine hin, entgegengesetzt zur Durchflußrichtung der Turbine und des ersten Verdichters, von der Luft durchströmt wird, gekennzeichnet durch einen wenigstens teilweise zwischen der Turbine und dem zweiten Luftverdichter vorgesehenen Kanal, dem die Abgase der Turbine und die vom zweiten Verdichter gelieferte Druckluft zugeführt werden, -um ihn. als das benötigte Kraftgas durch eine einfache Ausströmleitung zu verlassen.
  2. 2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der vom zweiten Verdichter geförderten Luft einem Kühlmantel zugeführt wird, der den zwischen Turbine und zweitem Verdichter angeordneten Kanal wenigstens teilweise umgibt.
  3. 3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der vom zweiten Verdichter geförderten Luft einem einen Heißgaskanal in der Ausströmleitung umgebenden Kühlmantel zugeleitet wird, den die verhältnismäßig kühle Luft in Form einer den ziemlich heißen Kern der Turbinenabgase umgebenden Hülle verläßt.
  4. 4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verdichtei von einer an die, Turbine angekuppelten und. durch den Kanal hindurchgeführten Welle angetrieben wird und daß der Kanal einen inneren, die heißen Abgase führenden Mantel enthält, der die Welle in gehörigem -Abstand umgibt, wobei ein außen angeordneter Kühlmantel den inneren Heißgasmantel umgibt und von aus dem zweiten Verdichten gelieferter Luft durchströmt wird.
  5. 5. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal mit gekrümmten Leitflächen ausgestattet ist, die die Turbinenabgase und die vom zweiten Verdichter geförderte Luft in die Ausströmleitung führen.
  6. 6. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmleitung an einen Zweiweg-Drehschieber angeschlossen ist, der in der einen Stellung das Kraftgas einem Auslaß und in der anderen Stellung einem Energieverbraucher zuführt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 857 711, 854 605; schweizerische Patentschriften Nr. 277 880, 249 720; Glasers Annalen, Bd. 76, 1952, S. 38; Brennstoff Wärme Kraft (BWK), Bd. 4; 1952, S. 320, 321; Interavia, Bd. 7, 1952, S. 315,316; Luchtvaarttechniek, Bd. 65, 1953, S. 8; The Aeroplane, Bd. 83, 1952, S. 609, 610; The Motor Ship, Bd. 32, 1951, S. 364:
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