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Die
Erfindung betrifft ein verbessertes Turbinentriebwerk zur Verwendung
in Luftstrahltriebwerken.
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Bei
Luftstrahltriebwerken wird die zugeführte Luft zunächst auf
eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit
abgebremst und auf einen höheren statischen
Druck verdichtet, dann mit Treibstoff vermischt und schließlich bei
stationären
Druckbedingungen unter gerichteter thermischer Expansion des Volumens
verbrannt. Die gesamte Masse der Luft, die pro Zeiteinheit am Triebwerksausgang
ausströmt, ist
bis auf die vernachlässigbare
Masse des verbrannten Treibstoffs gleich der Masse der Luft, die
in derselben Zeiteinheit am Triebwerkseingang einströmt. Der
gesamte Impuls, der pro Zeiteinheit am Triebwerksausgang ausströmt, ist
dagegen als Folge der thermischen Expansion erheblich größer als
der gesamte Impuls, der pro Zeiteinheit am Triebwerkseingang einströmt.
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Bei
Turbinentriebwerken ist neben einer Brennkammer in Strömungsrichtung
ein Verdichter vor- und eine Turbine nachgeschaltet. Die Turbine entnimmt
dem heißen
Gasstrahl Leistung und treibt damit den Verdichter an.
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1 zeigt
den beispielhaften Aufbau eines Turbinentriebwerkes 1 mit
in Strömungsrichtung nacheinander
angeordneten Baugruppen für
einen Triebwerkseinlauf 2, einen Verdichter 3,
eine Brennkammer 4, eine Turbine 5, eine Düse 6 und
eine Antriebswelle 7.
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Der
Triebwerkseinlauf 2 hat die Aufgabe, mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten einströmende Luft
auf für
den Eingang des Verdichters geeignete Werte für Druck und Geschwindigkeit
zu bringen. Am Ausgang des Verdichters 3 hat die Strömung ihren höchsten statischen
Druck.
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In
der Brennkammer 4 wird dem Luftstrom Treibstoff zugesetzt
und das Treibstoff-Luft-Gemisch bei stationären Druckbedingungen unter
gerichteter thermischer Expansion des Volumens verbrannt.
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Die
auf die Brennkammer 4 folgende Turbine 5 entzieht
dem thermisch expandierenden Gasstrom aus der Brennkammer 4 die
zum Betrieb des Verdichters 3 notwendige Leistung, wobei
ein Teil des statischen Druckes abgebaut wird.
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In
der Düse 6 wird
der am Ausgang der Turbine 5 noch vorhandene statische
Druck abgebaut. Die Düse 6 weist
daher eine Geometrie auf, welche für die Umwandlung des statischen
Druckes in eine gerichtete Strömung
größtmöglicher
Geschwindigkeit ausgelegt ist.
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Um
eine Erhöhung
der Schubkraft zu erreichen, kann zusätzlicher Treibstoff in der
Düse 6 verbrannt
werden. Diese Nachverbrennung kann bei einer höheren Temperatur erfolgen als
die Verbrennung in der Brennkammer 4, wo die thermische
Belastbarkeit der in Strömungsrichtung
nachfolgend angeordneten Turbine 5 berücksichtigt werden muss.
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Sowohl
die Turbine 5 als auch der Verdichter 3 enthalten
Laufräder
mit rotationssymmetrisch angeordneten Laufschaufeln, welche im stationären Betriebszustand
mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren. Daher weist die zeitlich
gemittelte räumliche
Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit
in einem Turbinentriebwerk eine Zylindersymmetrie auf und die Strömung kann
an jedem Ort in eine axiale, eine radiale und eine azimutale Komponente
zerlegt werden.
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Nach
dem Stand der Technik gefertigte Turbinen und Verdichter weisen
eine Reihe von Nachteilen auf:
Zunächst ist der Wirkungsgrad der
einzelnen Laufräder
herkömmlicher
Turbinen unzureichend. Daher ist für den Bau einer Turbine mit
akzeptabler Leistungsentnahme eine hohe Anzahl von Laufrädern erforderlich.
Herkömmliche
Turbinen haben somit eine große Baulänge und
ein hohes Gewicht.
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Zudem
ist die Kompressionsleistung der einzelnen Laufräder herkömmlicher Verdichter unzureichend.
Daher ist für
den Bau eines Verdichters mit akzeptablem Verdichtungsverhältnis eine
hohe Anzahl von Laufrädern
erforderlich. Herkömmliche
Verdichter haben somit eine große
Baulänge
und ein hohes Gewicht.
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Aus
DE-A1-35 07 035 ist ein Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter,
einem Brenner und einer nachgeschalteten Turbine bekannt. Zusätzlich ist
ein Zusatzverdichter vorgesehen, der dem ersten Verdichter vorgeschaltet
ist. Die Turbine umfasst zwei gegenläufig drehende Rotoren, die über konzentrische
Antriebswellen entsprechende Rotoren des Zusatzverdichters antreiben.
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DE 1 814 367 beschreibt
eine Gasturbine mit zwei Verdichterstufen und einer Turbine. Die
zwei Verdichterstufen bestehen aus jeweils zwei Rotoren mit gegenläufigem Drehsinn.
Diese werden von den insgesamt drei ebenfalls in entgegengesetzter
Richtung drehenden Laufrädern
der Turbinenstufe per konzentrische Wellen angetrieben.
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Dementsprechend
ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Turbinentriebwerk mit hoher
Effizienz bei niedrigem Gewicht und geringer Baulänge anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Wirkungsgrad einer Anordnung aus zwei aufeinanderfolgenden Turbinenstufen
mit gegenläufigem
Drehsinn gemäß der Erfindung
ist deutlich höher als
der Wirkungsgrad einer herkömmlichen
Turbine mit einer entsprechenden Zahl von Laufrädern. Durch den hohen Wirkungsgrad
eines solchen Stufenpaars erreicht eine erfindungsgemäß ausgeführte mehrstufige
Turbine eine geforderte Leistungsentnahme mit weniger Laufrädern als
eine herkömmliche
Turbine. Daher haben gemäß der Erfindung
ausgeführte
mehrstufige Turbinen eine geringe Baulänge und ein niedriges Gewicht.
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Die
Kompressionsleistung einer Anordnung aus zwei aufeinanderfolgenden
Verdichterstufen mit gegenläufigem
Drehsinn gemäß der Erfindung
ist ebenfalls deutlich höher
als die Kompressionsleistung herkömmlicher Verdichterstufen,
und zwar um etwa das 1,4-fache. Von der Gesamtleistung der Turbine
werden etwa 60 % zum Verdichter übertragen. Durch
die hohe Kompressionsleistung eines solchen Stufenpaars erreicht
ein erfindungsgemäß ausgeführter mehrstufiger
Verdichter ein gefordertes Verdichtungsverhältnis mit weniger Laufrädern als
ein herkömmlicher
Verdichter. Daher haben gemäß der Erfindung
ausgeführte
mehrstufige Verdichter eine geringe Baulänge und ein niedriges Gewicht.
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Jede
Turbinenstufe weist eine Mehrzahl von Laufrädern auf, die durch Hintereinanderanordnung gegenläufiger Turbinenstufen
erreichte Steigerung des Wirkungsgrades führt zu einer Verringerung der Anzahl
der für
eine vorgegebene Leistungsentnahme notwendigen Turbinenstufen und
damit zu einer verkürzten
Baulänge
und verringertem Gewicht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist zwischen den Turbinenstufen mit jeweils gegenläufigem Drehsinn
ein Leitblech angeordnet. Dieses Leitblech richtet den Luftstrom
zwischen den Turbinenstufen wieder axial aus. Während die Turbinenschaufeln
passiv gedreht werden und zu diesem Zweck jeweils axial angeströmt werden
müssen,
werden die Verdichterschaufeln aktiv gedreht, und zwar über eine
Verbindung mit der Turbine. Um in dem Verdichter die Kompression
zu erhöhen,
sind in diesem keine entsprechenden Leitbleche angeordnet. Auf diese
Weise kann durch die Umlenkung der Strömung zwischen den Verdichterstufen
die Kompression erhöht
werden.
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Es
ist der besondere Aspekt der Erfindung, dass durch die Anordnung
eines Leitblechs zwischen zwei Turbinenstufen die Luftströmung axial
ausgerichtet wird, so dass sich die benachbarten Turbinenstufen
mit gegenläufigem
Drehsinn drehen. Auf diese Weise kann ein herkömmliches, aufwändiges Getriebe
vermieden werden, um einen gegenläufigen Drehsinn der Verdichterstufen
zu erreichen. Die Erfindung ermöglicht
somit einen besonders einfachen Triebwerksaufbau für ein Triebwerk
mit hohem Wirkungsgrad.
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In
einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Gesamtzahl
der Turbinenstufen, die einen bestimmten Drehsinn haben, gleich
der Gesamtzahl der Turbinenstufen, die den entgegengesetzten Drehsinn
haben. Das erlaubt Triebwerks-Auslegungen, bei denen der axiale
Drehimpuls der Strömung über die
Gesamtzahl der Turbinenstufen hinweg auf Null abgeglichen wird.
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Vorzugsweise
ist die Gesamtzahl der Verdichterstufen, die einen bestimmten Drehsinn
haben, gleich der Gesamtzahl der Verdichterstufen, die den entgegengesetzten
Drehsinn haben. Das erlaubt Triebwerksauslegungen, bei denen der
axiale Drehimpuls der Strömung über die
Gesamtzahl der Verdichterstufen hinweg auf Null abgeglichen ist.
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In
einer beispielhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt der Antrieb
der Verdichterstufen durch die ihnen zugeordneten Turbinenstufen über ineinander
angeordnete, konzentrisch gelagerte Wellen. Dadurch müssen keine
Getriebe eingesetzt werden, die innerhalb des Triebwerks Platzprobleme
schaffen, eine Kühlung
erfordern und die Zuverlässigkeit
des gesamten Triebwerks vermindern. Der Querschnitt des Triebwerks,
der der durchströmenden
Luft zur Verfügung
steht, kann deshalb erfindungsgemäß maximal groß gehalten
werden. Ein Antrieb über
konzentrisch gelagerte Wellen ist im Vergleich zu einem Antrieb
unter Verwendung von Getrieben auch besser kühlbar und weist daher einen
geringeren Materialverschleiß auf.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung haben die konzentrisch
gelagerten Wellen abwechselnd gegenläufigen Drehsinn. Dadurch können abwechselnd
gegenläufige
Turbinenstufen mit abwechselnd gegenläufigen Verdichterstufen verbunden
werden, was eine konstruktiv einfache Kombination einer Turbine
mit hoher Leistungsentnahme und eines Verdichters mit hohem Verdichtungsverhältnis erlaubt.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verbindet
von je zwei konzentrischen Wellen die weiter innen liegende Welle die
weiter stromabwärts
gelegene Turbinenstufe mit der weiter stromaufwärts gelegenen Verdichterstufe. Das
erlaubt eine besonders einfache Lagerung einer längeren Welle innerhalb einer
kürzeren
und ermöglicht
so eine Mehrfachwelle mit besonders geringem Trägheitsmoment.
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In
einer beispielhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Reaktionsvolumen
der Brennkammer, also das Volumen, in welchem eine Verbrennungsreaktion
stattfindet, veränderbar.
Das erlaubt eine Anpassung des Verbrennungsvorgangs an die Belastung
des Triebwerkes und damit die Wahl eines Betriebszustandes mit optimaler
Schubkraft bezogen auf den Treibstoffverbrauch.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Brennkammer
wenigstens zwei separat zu betreibende Teilbrennkammern. Das erlaubt
eine Anpassung des Reaktionsvolumens durch einfaches Abschalten
der Treibstoffzufuhr zu einer der Teilbrennkammern.
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In
einer Variante der Erfindung sind die Teilbrennkammern durch axial
und radial verlaufende Trennwände
getrennt. Diese Variante ist besonders einfach zu fertigen, da die
Trennwände
zwischen den Teilbrennkammern direkt an der Außenhülle des Triebwerks befestigt
werden können.
Insbesondere lassen sich mit zwei Teilbrennkammern zwei Betriebszustände einstellen.
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In
einer weiteren Variante der Erfindung sind die Teilbrennkammern
durch axial und azimutal verlaufende Trennwände getrennt. Diese Variante
führt zu
ringförmigen
Teilbrennkammern mit unterschiedlichem mittlerem Radius. Dadurch
sind die Kammern nicht gleichberechtigt und es lassen sich mit nur
zwei Teilbrennkammern sogar drei Betriebszustände einstellen, je nachdem,
ob die äußere Teilbrennkammer, die
innere Teilbrennkammer oder die Kombination aus beiden betrieben
wird.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindungen werden nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
ein herkömmliches
Turbinentriebwerk,
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2 zeigt
die schematische Darstellung eines Turbinentriebwerks,
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3 zeigt
eine weitere schematische Darstellung eines Turbinentriebwerks gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei der jeweils ein Leitblech im Anschluss an eine gleichsinnig
drehende Gruppe von Laufrädern
angeordnet ist,
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4 zeigt
zwei konzentrisch ineinander gelagerte Wellen gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
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5 zeigt
den Querschnitt einer Brennkammer gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der vorliegenden Erfindung und
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6 zeigt
den Querschnitt einer Brennkammer gemäß einer besonders bevorzugten
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turbinentriebwerks.
Bei dem Turbinentriebwerk 1 sind in Strömungsrichtung nacheinander
Baugruppen für
einen Triebwerkseinlauf 2, einen Verdichter 3,
eine Brennkammer 4, eine Turbine 5 und eine Düse 6 angeordnet.
Die grundsätzliche
Funktionsweise des Triebwerks nach 2 entspricht
derjenigen des Triebwerks nach 1. Erfindungsgemäß weist
das Triebwerk der 2 jedoch eine Turbine 5 mit
zumindest zwei Turbinenstufen 52 und 53 mit gegenläufigem Drehsinn,
sowie einen Verdichter 3 mit zumindest zwei Verdichterstufen mit
gegenläufigem
Drehsinn auf. Der Drehsinn jeder Turbinen- oder Verdichterstufe ist durch einen
entsprechenden Pfeil symbolisiert. Die mechanische Verbindung zwischen
den Verdichterstufen 32 und 33 und den entsprechenden
Turbinenstufen 52 und 53 ist in 2 nicht
gezeigt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält die
Turbine mindestens zwei Turbinenstufen und der Verdichter eine entsprechende
Anzahl von Verdichterstufen. Dabei ist jede Verdichterstufe über eine
ihr zugeordnete Turbinenstufe angetrieben. Jede Turbinenstufe und
jede Verdichterstufe enthält
jeweils ein Laufrad oder eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden
Laufrädern,
welche sich mit gleichem Drehsinn und gleicher Winkelgeschwindigkeit
drehen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist – wie in 3 dargestellt – zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Turbinenstufen in dem Luftstrom ein Leitblech 110, 120 angeordnet.
Das Leitblech bewirkt eine axiale Ausrichtung des Luftstroms. Da
die aus der Turbine austretende Luft aufgrund des Leitblechs 120 keine
tangentiale Komponente mehr aufweist, kann die Schubleistung des
Triebwerks erhöht
werden.
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Die
Leitbleche 110, 120 sind vorzugsweise radial innerhalb
des Triebwerks angeordnet. Ein Leitblech kann aus einer Mehrzahl
einzelner Komponenten bestehen, die beispielsweise im rechten Winkel zueinander
in dem Luftkanal des Triebwerks angeordnet sind. Die Verwendung
eines Leitblechs aus einer Mehrzahl von Komponenten, erlaubt die
Baulänge
des Leitblechs zu gegenüber
einer einzelnen Komponente zu vergrößern.
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Eine
solche Anordnung führt
zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrades im Vergleich
zur Ausführung
ohne Leitbleche und erlaubt daher eine weitere Verkürzung der
Baulänge
des Triebwerks durch eine entsprechende Verringerung der Anzahl
der Turbinen- und Verdichterstufen.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Leistungsübertragung
von einer mehrstufigen Turbine 5 auf einen mehrstufigen
Verdichter 3 über
eine Antriebswelle 7 mit einer der Anzahl der Turbinen-
und Verdichterstufen entsprechenden Anzahl von konzentrisch ineinander
gelagerten Wellen. Diese Wellen sind in der 4 jeweils
mit den Bezugszeichen 71 und 72 bezeichnet. Dabei
verbindet jeweils eine weiter innen liegende Welle eine weiter stromabwärts gelegene Turbinenstufe
mit einer weiter stromaufwärts
gelegenen Verdichterstufe.
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In 4 ist
eine Antriebswelle 7 zur Leistungsübertragung von zwei Turbinenstufen
auf zwei Verdichterstufen beispielhaft dargestellt. Dabei ist die innere
Welle 72 konzentrisch in der äußeren Welle 71 gelagert,
welche eine längs
der Welle 72 verlaufende Durchbohrung mit einer Lagerung
aufweist. Die äußere Welle 71 ist
ihrerseits in einer beliebigen Anzahl von Trägern, insbesondere einem Trägerrohr 70,
gelagert, welche längs
der Antriebswelle 7 angeordnet sind und längs der
Antriebswelle 7 verlaufende Durchbohrungen mit Lagerungen
aufweisen. Jeder Träger
bzw. das Trägerrohr 70 ist
beispielsweise über radiale
Verstrebungen starr mit der Außenhülle des Triebwerks
verbunden. Jede Lagerung enthält
eine beliebige Anzahl von längs
der zu lagernden Welle konzentrisch angeordneten Lagern. Jedes Lager
ist insbesondere ein Gleit-, Wälz-
oder Rollenlager. Allgemein ist jede beliebige Anzahl von konzentrisch
ineinander gelagerten Wellen in einer weiteren Welle konzentrisch
lagerbar, wenn diese weitere Welle eine längs der äußersten zu lagernden Welle
verlaufende Durchbohrung mit einer Lagerung aufweist.
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Da
ein erfindungsgemäß ausgeführter Verdichter 3 die
Brennkammer 4 mit einem axial ausgerichteten Luftstrom
versorgt, kann die Brennkammer in einfacher Weise so gestaltet werden,
dass das Reaktionsvolumen des Verbrennungsvorgangs veränderbar
ist. Zu diesem Zweck ist die Brennkammer 4 in separate
Teilbrennkammern unterteilt. Jede der Teilbrennkammern ist einzeln
betreibbar, so dass sie je nach der benötigten Schubkraft zuschaltbar
und abschaltbar ist. Auf diese Weise lässt sich die Effizienz, insbesondere
der Treibstoffverbrauch, an die jeweilige Flugsituation optimal
anpassen.
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Vorzugsweise
kann die Brennkammer 4 durch axial und radial oder axial
und azimutal verlaufende Trennwände
in mehrere Teilbrennkammern eingeteilt werden. Durch separates Zuschalten
oder Abschalten der Treibstoffzufuhr für die Teilbrennkammern ergeben
sich somit verschiedene Betriebszustände mit unterschiedlichem Treibstoffverbrauch.
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Der
Querschnitt einer Brennkammer 4 mit zwei Teilbrennkammern 41 und 42 welche
durch radial und axial verlaufende Trennwände 40 getrennt sind,
ist in 5 beispielhaft dargestellt. Die beiden Teilbrennkammern 41 und 42 sind
symmetrisch ausgeführt.
Durch separates Zuschalten oder Abschalten der Treibstoffzufuhr
für die
beiden Teilbrennkammern 41 und 42 ergeben sich
zwei Betriebszustände mit
unterschiedlichem Treibstoffverbrauch. Im ersten Zustand wird nur
eine der beiden Teilbrennkammern (entweder 41 oder 42)
mit Brennstoff versorgt, im zweiten Zustand werden beide Teilbrennkammern 41 und 42 mit
Brennstoff versorgt.
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Der
Querschnitt einer Brennkammer 4 mit zwei Teilbrennkammern 41 und 42 welche
durch azimutal und axial verlaufende Trennwände 40 getrennt sind,
ist in 6 beispielhaft dargestellt. Die radial weiter
innen liegenden Zonen der
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Laufräder der
Turbine 5 werden durch den heißen Gasstrahl aus Teilbrennkammer 41 beströmt. Die
radial weiter außen
liegenden Zonen der Laufräder
der Turbine 5 werden durch den heißen Gasstrahl aus Teilbrennkammer 42 beströmt. Durch
separates Zuschalten und Abschalten der Treibstoffzufuhr für die Teilbrennkammern 41 und 42 ergeben
sich somit drei Betriebszustände
mit unterschiedlichem Treibstoffverbrauch. Im ersten Zustand wird
nur die weiter innen liegende Teilbrennkammer 41 mit Brennstoff versorgt,
im zweiten Zustand wird nur die weiter außen liegende Teilbrennkammer 42 mit
Brennstoff versorgt, im dritten Zustand werden beide Teilbrennkammern 41 und 42 mit
Brennstoff versorgt.
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Dadurch
dass das Reaktionsvolumen der Brennkammer 4, also das Volumen,
in welchem eine Verbrennungsreaktion stattfindet, veränderbar
ist, lässt
sich das Triebwerk im Langstreckenflug äußerst energiesparend betreiben.
Aufgrund der axialen Ausrichtung der Strömung ist ferner der Wärmetransport innerhalb
der Brennkammer optimal und die Temperatur so niedrig wie möglich. Der
Verbrennungsvorgang in einer erfindungsgemäßen Brennkammer führt daher
zu weniger Materialverschleiß und
einer höheren
Lebensdauer.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung ein Turbinentriebwerk bei dem eine Turbine
Turbinenstufen mit gegenläufigem
Drehsinn aufweist, die jeweils entsprechend gegenläufig drehende
Stufen eines Axialverdichters antreiben. Dabei sind im Gegensatz zum
Verdichter zwischen sich gegenläufig
drehenden Stufen der Turbine Leitbleche angeordnet, die eine axiale
Ausrichtung des Luftstroms bewirken. Auf diese Weise lässt sich
die Leistung der Turbine und des Verdichters erhöhen, so dass Triebwerke mit
kürzerer
Baulänge
und geringerem Gewicht bei gleicher Leistung herstellbar sind. Durch
ein weiteres Leitblech am Ende der Turbinenstufe wird die Bildung von
Wirbelschleppen hinter dem Triebwerk, insbesondere beim Start eines
Flugzeugs, verhindert.