-
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.