DE102019130861A1 - JET ENGINE WITH IMPULSE TURBINE - Google Patents
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Abstract
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Triebwerk für ein Luft- oder Schienenfahrzeug mit einem Strahltriebwerk, welches eine Impulsturbine antreibt. Die Impulsturbine wiederum treibt direkt eine Antriebseinheit zur Erzeugung eines Vortriebs des Luft- oder Schienenfahrzeugs an.In one aspect, the invention relates to an engine for an aircraft or rail vehicle with a jet engine which drives a pulse turbine. The impulse turbine in turn directly drives a drive unit to generate propulsion for the aircraft or rail vehicle.
Description
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Triebwerk für ein Luft- oder Schienenfahrzeug mit einem Strahltriebwerk, welches eine Impulsturbine antreibt. Die Impulsturbine wiederum treibt direkt eine Antriebseinheit zur Erzeugung eines Vortriebs des Luft- oder Schienenfahrzeugs an.In one aspect, the invention relates to an engine for an aircraft or rail vehicle with a jet engine which drives a pulse turbine. The impulse turbine in turn directly drives a drive unit to generate propulsion for the aircraft or rail vehicle.
Hintergrund und Stand der TechnikBackground and prior art
Die Luftfahrt stellt die fortschrittlichste Entwicklung des Verkehrswesens dar. Ihre wachsende Bedeutung im globalen Warenstrom spiegelt sich in den rasanten Neuentwicklungen von Fluggeräten sowie raschen Ausbau oder Neubau von Flugplätzen wieder. Im Zuge der Luftfahrt konnten und können auch Güter über große Entfernungen transportiert werden, die anderenfalls nicht transportiert werden können (z.B. lebende Organe oder verderbliche Nahrung). Auch die Rettung von Menschen aus Gefahrensituationen hat sehr von der Luftfahrt profitiert.Aviation represents the most progressive development in transport. Its growing importance in the global flow of goods is reflected in the rapid development of new aircraft and the rapid expansion or construction of new airports. In the course of aviation, goods could and can be transported over long distances that otherwise could not be transported (e.g. living organs or perishable food). Rescuing people from dangerous situations has also benefited greatly from aviation.
Gegenwärtig sind die meisten Fluggeräte von großflächigen Flughäfen abhängig und der Warenumschlag erfordert sehr viel Vor- und Nachlaufzeit. Hubschrauber oder Senkrechtstarter sind flexibler einsetzbar als Flächenflugzeuge, sie verbrauchen aber sehr viel mehr Treibstoff bezogen auf Nutzlast oder Passagiere. Ihre Reichweite ist daher stark begrenzt und ihr Einsatzspektrum beschränkt sich auf Spezialeinsätze und wenige Ausnahmen im kommerziellen Bereich.At the moment, most aircraft are dependent on large airports and the handling of goods requires a lot of lead time and lead time. Helicopters or VTOL aircraft can be used more flexibly than fixed-wing aircraft, but they consume much more fuel in relation to payload or passengers. Their range is therefore very limited and their range of uses is limited to special operations and a few exceptions in the commercial sector.
Physikalisch betrachtet weist ein senkrecht startendes Fluggerät mit dynamischem Auftrieb stets einen höheren Energieverbrauch auf als ein Flächenflugzeug mit vergleichbarem Gewicht und Leistungsparametern, das auf einer Startbahn beschleunigt. Während ein beschleunigendes Flugzeug auf der Startbahn seine Antriebsenergie fast ausschließlich in Vortriebsenergie umwandelt und die Auftriebskräfte durch die Beschleunigung ohne zusätzlichen Energiebedarf erzeugt werden, muss bei einem Senkrechtstarter oder Hubschrauber die Antriebskraft direkt in Auftriebskraft umgewandelt werden. Diese wirkt der Erdanziehungskraft direkt entgegen, was zu einem sehr viel höheren energetischen Aufwand führt.From a physical point of view, a vertical take-off aircraft with dynamic lift always consumes more energy than a fixed-wing aircraft with comparable weight and performance parameters that accelerates on a runway. While an accelerating aircraft on the runway converts its propulsion energy almost exclusively into propulsion energy and the lift forces are generated by the acceleration without additional energy requirement, in a vertical take-off or helicopter the propulsion force has to be converted directly into lift force. This directly counteracts the force of gravity, which leads to a much higher energy expenditure.
Im 21. Jahrhundert sind sehr viele Flugplätze und Flughäfen in einem Zustand ausgebaut, der den Einsatz verschiedener Flugzeugtypen von Standardrumpf- bis zu Großraumflugzeugen und verschiedener Frachtmaschinentypen ermöglicht. Ein weitverzweigtes Netz aus Eisenbahn- und Straßentrassen ermöglicht außerdem die Erschließung kleinerer Ortschaften und Verteilerzentren durch den Luftverkehr. Auf Grund der steigenden Weltbevölkerung und der damit einhergehend stetig zunehmenden Warenströme ist es anzunehmen, dass der Luftverkehr, v.a. der Verkehr mit Flächenflugzeugen, in naher Zukunft zunehmen wird. Zugleich wird jedoch davon ausgegangen, dass innerhalb der kommenden 3 Jahrzehnte der Bedarf an Erdöl nicht mehr in ausreichendem Maße gedeckt werden wird.In the 21st century, a great many airfields and airports are developed in such a way that different types of aircraft can be used, from standard fuselage to wide-body aircraft and various types of cargo aircraft. An extensive network of rail and road routes also enables smaller towns and distribution centers to be opened up by air traffic. Due to the increasing world population and the accompanying steadily increasing flow of goods, it can be assumed that air traffic, especially traffic with fixed-wing aircraft, will increase in the near future. At the same time, however, it is assumed that the demand for crude oil will no longer be adequately met within the next three decades.
Neben der Erforschung neuer Energiequellen für Luftfahrtantriebe ist daher auch die Effizienzsteigerung eben jener Luftfahrtantriebe an sich eine Herausforderung.In addition to researching new energy sources for aerospace engines, increasing the efficiency of these aerospace engines is a challenge in itself.
Starrflügelflugzeuge kombinieren eine hohe Reichweite bei gleichzeitig hoher Nutzlast und mittelmäßigem Treibstoffverbrauch. Sie stellen gegenwärtig die ökonomischste Variante des kommerziellen Luftverkehrs dar und durch die hohe Geschwindigkeit bieten sie die Möglichkeit, verderbliche oder empfindliche Fracht über weite Strecken zu transportieren. So sind beispielsweise Transplantationen lebender Organe oder der Import von Blumen oder Lebensmitteln über große Entfernungen möglich. Zu dem profitiert die gesamte Tourismusbranche von der zivilen Luftfahrt und bei überregionalen Reisen erfahren in Europa und Nordamerika Autobahn, Eisenbahn- und Fährverbindungen durch Verkehrsflugzeuge eine zunehmend starke Konkurrenz. Zugleich sind für die Aufrechterhaltung des laufenden und stetig wachsenden Luftverkehrs weiträumige Flughafenanlagen und eine umfangreich angelegte Flughafeninfrastruktur notwendig. Flughäfen üben außerdem einen starken Einfluss auf die angrenzende Umwelt und in der Nähe befindliche Ortschaften aus. Für Landebahnen müssen kilometerlange Schneisen planiert werden, der Untergrund befestigt werden und vor und hinter der Landebahn darf der Luftraum bis zu einer bestimmten Flughöhe nicht gestört werden. Da nicht immer die räumlichen Möglichkeiten zum Ausbau eines Flughafens gegeben sind, sind Direktverbindung mit Großraummaschinen nicht immer möglich. Das wiederum bedeutet zusätzliche Umschlagzeit für bestimmte Güter oder für Passagiere aufgrund notwendiger Zwischenlandungen und Umladungsvorgänge. Flugzeuge sind, verglichen mit Hubschraubern oder Luftschiffen, auf eine Außensteuerung angewiesen. Sie findet heutzutage im Schienen-, See- und Luftverkehr Anwendung und bedeutet, dass die Fahrzeugführer der jeweiligen Wasser-, Schienen- oder Luftfahrzeuge auf die Anweisungen von Leitstellen, die sich außerhalb des eigenen Fahrzeugs befinden, angewiesen sind, um einen sicheren Verkehrsbetrieb zu gewährleisten. Eisenbahnzüge besitzen bei hohen Geschwindigkeiten einen langen Bremsweg, so dass der Zug bei Betätigung der Bremsen erst außerhalb des vom Fahrzeugführer einsehbaren Bereichs zum Halt kommt. Flugzeuge und Hochseeschiffe weisen eine hohe Trägheit bei Steuereingaben auf und von daher besteht bei ihnen die Notwendigkeit, die Position anderer Flugzeuge oder Schiffe mitzuteilen, um Kollisionen zu vermeiden. Diese Vorgänge werden von Radaranlagen und Satellitennavigation unterstützt beziehungsweise im Bahnverkehr erfolgt die „Steuerung“ durch Signalanlagen. Im Gegensatz dazu spricht man im Kfz-, Bus- und LKW-Verkehr von einer Innensteuerung. Die Kontrolle des Fahrzeugs obliegt der vollen Souveränität des Fahrers. Es wird von außen mittels Verkehrslenkungsanlagen und Verkehrsregeln Einfluss auf den Verkehr genommen, die Wahl der Route und der Geschwindigkeit wird vom Fahrer vorgenommen. Im Luftverkehr wird zwischen IFR-Flug (Instrumental flight rules) und VFR-Flug (Visual flight rules) unterschieden, was in etwa der Unterscheidung von Innen- und Außensteuerung gleichkommt. Im Bereich der Privat- und Hobbyfliegerei sowie bei Hubschraubern besteht aufgrund der hohen Wendigkeit und der verglichen mit strahlgetriebenen Verkehrsflugzeugen geringeren Geschwindigkeit die Möglichkeit, VFR-Flugregeln im alltäglichen Flugbetrieb anzuwenden. Bei Verkehrsflugzeugen, wo diese Möglichkeit unter bestimmten Umständen auch angewendet wird, spielt diese zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf Grund der hohen Verkehrsdichte nur eine sehr geringe Rolle.Fixed-wing aircraft combine a long range with a high payload and moderate fuel consumption. They currently represent the most economical variant of commercial air transport and, thanks to their high speed, they offer the possibility of transporting perishable or sensitive freight over long distances. For example, transplants of living organs or the import of flowers or food over great distances are possible. In addition, the entire tourism industry benefits from civil aviation, and when it comes to national travel in Europe and North America, freeway, rail and ferry connections from commercial aircraft are facing increasingly fierce competition. At the same time, extensive airport facilities and an extensive airport infrastructure are necessary to maintain ongoing and steadily growing air traffic. Airports also exert a strong influence on the surrounding environment and localities. For runways, miles of aisles must be leveled, the subsurface must be paved and the airspace in front of and behind the runway must not be disturbed up to a certain flight altitude. Since there are not always the spatial possibilities to expand an airport, direct connections with large-capacity machines are not always possible. This in turn means additional handling time for certain goods or for passengers due to necessary stopovers and reloading processes. Compared to helicopters or airships, aircraft are dependent on external controls. It is used nowadays in rail, sea and air transport and means that the drivers of the respective watercraft, rail or aircraft are dependent on the instructions from control centers located outside their own vehicle in order to ensure safe transport operations . Railway trains own at A long braking distance at high speeds, so that when the brakes are applied, the train only comes to a stop outside of the area that the driver can see. Airplanes and ocean-going vessels have a high degree of inertia in inputting controls and therefore there is a need for them to communicate the position of other airplanes or ships in order to avoid collisions. These processes are supported by radar systems and satellite navigation or, in rail traffic, they are “controlled” by signal systems. In contrast to this, one speaks of internal control in motor vehicle, bus and truck traffic. The control of the vehicle is the responsibility of the driver. The traffic is influenced from outside by means of traffic control systems and traffic rules, the route and speed are selected by the driver. In air traffic, a distinction is made between IFR (instrumental flight rules) and VFR (visual flight rules) flights, which is roughly equivalent to the distinction between internal and external control. In the field of private and hobby aviation as well as with helicopters, there is the possibility of applying VFR flight rules in everyday flight operations due to the high maneuverability and the lower speed compared to jet-powered commercial aircraft. In the case of commercial aircraft, where this option is also used under certain circumstances, it currently only plays a very minor role due to the high traffic density.
Mit der Entwicklung von Schwerlasthubschraubern wie der Mil Mi-26 können die Transportkapazitäten kleiner und mittlerer Frachtflugzeuge wie der C-160D abgedeckt werden, wobei die Notwendigkeit von speziell angelegten Flugplätzen entfällt beziehungsweise kann mit einem Hubschrauber auch der Flugbetrieb zwischen verschiedenen Flugplätzen gewährleistet werden, die für ein Flächenflugzeug vergleichbarer Leistung nicht geeignet wären.With the development of heavy-duty helicopters such as the Mil Mi-26, the transport capacities of small and medium-sized cargo aircraft such as the C-160D can be covered, whereby the need for specially created airfields is no longer necessary or flight operations between different airfields can be ensured with a helicopter a fixed-wing aircraft of comparable performance would not be suitable.
Um der Problematik schlecht ausgebauter Flugplätze oder unbefestigter Pisten zu begegnen, wurden verschiedene Flugzeuge erprobt, die nur kurze Start- und Landewege benötigen und auch geringe Mindestgeschwindigkeiten aufweisen. Man bezeichnet diese Fähigkeit als STOL-Fähigkeit („Short Take Off and Landing“ - Fähigkeit). Prominente Beispiele sind militärische Transportflugzeuge wie die Transall C-160D oder die amerikanische C-130 Hercules. Die Entwicklung von Flugzeugmustern, die außerhalb von Flugplätzen eingesetzt werden können, begann historisch vor der Serienreife der ersten Hubschrauber. Daher ist es nachvollziehbar, dass ihr Einsatzfeld zum Teil das moderner Hubschrauber abdeckt. Da die fortschreitende Entwicklung von Hubschraubern eine zunehmend wichtige Alternative zu Transportflugzeugen bedeutet, zeigt sich in modernen Entwicklungen wie der A400M von Airbus oder der chinesischen Shaanxi Y-9 der Versuch, die höhere Geschwindigkeit, die höhere Flughöhe und den geringeren Treibstoffverbrauch von Starrflügelflugzeugen mit der Flexibilität von Hubschraubern zu kombinieren. Kleine Transportflugzeuge wie die polnische An-28 benötigen eine Startstrecke von ca. 270 m. Eine C-160D benötigt eine durchschnittliche Startrollstrecke von 660m und kann zudem auf unbefestigten Pisten operieren. 250 - 700 m beschreiben eine verhältnismäßig kurze Startbahnlänge (ein Großraumflugzeug wie ein A330 benötigt etwa 2000 m Startbahnlänge) und sie lässt sich auf weiträumig lichten Überlandstraßenabschnitten realisieren. Zu Zeiten des kalten Krieges wurden verschiedene Autobahnabschnitte in der BRD für den provisorischen Luftverkehr mit Militärflugzeugen ertüchtigt. Die Fähigkeit, auf unbefestigten Pisten zu starten und zu landen, erweitert das Einsatzspektrum von Transportflugzeugen im Übrigen. Ein weiteres Einsatzfeld wird mit Amphibien-Flugzeugen bedient. Sie werden heutzutage in der Brandbekämpfung und vereinzelt auch im kommerziellen Verkehr im Pazifik oder in der Karibik eingesetzt. Sie sind neben vereinzelten Hubschraubermodellen, die ebenfalls in Gewässern landen können, in der Lage, zwei Inseln zu verbinden, wenn eine Landung an Land nicht möglich ist. Der russische Hersteller Beriev bewirbt beispielsweise sein Modell Be-200ChS mit genau diesem Einsatzzweck.In order to counter the problem of poorly developed airfields or unpaved runways, various aircraft were tested that only require short take-off and landing routes and also have low minimum speeds. This ability is called the STOL ability ("Short Take Off and Landing" ability). Prominent examples are military transport aircraft such as the Transall C-160D or the American C-130 Hercules. The development of aircraft types that can be used outside of airfields began historically before the first helicopters were ready for series production. It is therefore understandable that their field of application partly covers that of modern helicopters. Since the advancing development of helicopters means an increasingly important alternative to transport aircraft, modern developments such as the A400M from Airbus or the Chinese Shaanxi Y-9 show the attempt to increase the speed, the higher flight altitude and the lower fuel consumption of fixed-wing aircraft with the flexibility of helicopters to combine. Small transport aircraft such as the Polish An-28 require a take-off distance of around 270 m. A C-160D requires an average take-off distance of 660 m and can also operate on unpaved runways. 250 - 700 m describe a relatively short runway length (a large aircraft such as an A330 requires about 2000 m runway length) and it can be implemented on large, clear cross-country roads. During the Cold War, various motorway sections in the FRG were upgraded for provisional air traffic with military aircraft. The ability to take off and land on unpaved runways also expands the range of applications for transport aircraft. Another field of application is served with amphibious aircraft. Nowadays they are used in fire fighting and occasionally also in commercial traffic in the Pacific or in the Caribbean. In addition to individual helicopter models that can also land in water, they are able to connect two islands if landing on land is not possible. The Russian manufacturer Beriev, for example, advertises its Be-200ChS model for precisely this purpose.
Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass Starrflügelflugzeuge sich theoretischen Überlegungen zufolge besser zum Transport sehr großer Nutzlasten konstruieren lassen. Flugzeuge wie ein A380-800 von Airbus oder ukrainische Antonov An-124 können bis zu 80 Tonnen Nutzlast oder mehr transportieren. Hubschrauber zu konstruieren, die mehr als 40 Tonnen Nutzlast transportieren können, gestaltet sich sehr schwierig bis unmöglich. Während die Tragflächen von Flugzeugen eine hohe Auftriebsfläche und große Spannweite betragen können, ist dies bei Rotorblättern von Hubschraubern kaum möglich. Beim größten und schwersten jemals gebauten Hubschrauber, dem sowjetischen Mi-12, waren zwei Hauptrotoren notwendig, um die nötigen Auftriebskräfte zu erzeugen. Dabei betrug er bei laufenden Rotoren eine Spannweite von 67 m und eine Nutzlast von 40 Tonnen. Frachtflugzeuge mit vergleichbarer Spannweite verfügen hingegen meistens über eine Nutzlast von bis zu 70 Tonnen.Another aspect is that, according to theoretical considerations, fixed-wing aircraft can be better designed to transport very large payloads. Aircraft like an A380-800 from Airbus or the Ukrainian Antonov An-124 can carry up to 80 tons of payload or more. Constructing helicopters that can transport more than 40 tons of payload is very difficult if not impossible. While the wings of aircraft can have a high lift surface and large wingspan, this is hardly possible with rotor blades of helicopters. The largest and heaviest helicopter ever built, the Soviet Mi-12, required two main rotors to generate the necessary lift forces. With the rotors running, it had a span of 67 m and a payload of 40 tons. In contrast, cargo planes with a comparable span usually have a payload of up to 70 tons.
Hubschrauber können im Shuttle-Betrieb zwischen großen Logistikzentren theoretisch gegenwärtig schon den massiv geförderten LKW-Verkehr entlasten. Ihre Reichweite und Ladekapazität sind mit durchschnittlichen Sattelschleppern vergleichbar. In Form der Frachtdrohne wird diese Idee in geringem Umfang bereits ausgetestet. Einzig der hohe Treibstoffverbrauch von Hubschraubern ist hinderlich bei der Umsetzung dieses Konzepts. Hubschrauber in diesem Anwendungsbeispiel gedanklich durch kleine Transportflugzeuge zu ersetzen schließt die Anbindung an einen nahen Flugplatz oder die Einrichtung einer kurzen Start- und Landepiste ein.In theory, helicopters can currently already relieve the heavily subsidized truck traffic in shuttle operation between large logistics centers. Their range and loading capacity are comparable to the average semi-trailer truck. This idea is already being tested to a small extent in the form of the cargo drone. Only the high fuel consumption of helicopters is a hindrance to implementation this concept. Replacing helicopters in this application example with small transport aircraft includes the connection to a nearby airfield or the establishment of a short runway.
Ein sehr guter Vergleich zwischen dem Konzept des Hubschraubers und dem des Flächenflugzeugs bieten die beiden Luftfahrzeugmuster PZL An-28 und Mil Mi-171. Diese beiden LFZ weisen nahezu gleiche Reichweite, Nutzlast, Reisegeschwindigkeit, maximale Flughöhe, Spannweite und Frachtraumabmessungen auf. Sie unterscheiden sich lediglich im Treibstoffverbrauch, der bei der Mi-171 ungleich höher ist, dem Gesamtgewicht, dem Leergewicht und der benötigten Startbahnlänge, die bei der Mi-171 praktisch nicht vorhanden ist. Anhand dieser Merkmale lässt sich schlussfolgern, dass unter ökonomischen Gesichtspunkten der Vorteil klar bei dem Flugzeugkonzept liegt, während unter logistischen Gesichtspunkten der Hubschrauber klar im Vorteil ist.The two aircraft types PZL An-28 and Mil Mi-171 offer a very good comparison between the concept of the helicopter and that of the fixed-wing aircraft. These two aircraft have almost the same range, payload, cruising speed, maximum altitude, wingspan and cargo hold dimensions. They only differ in fuel consumption, which is much higher with the Mi-171, the total weight, the empty weight and the required runway length, which is practically non-existent with the Mi-171. On the basis of these features it can be concluded that from an economic point of view the advantage lies clearly with the aircraft concept, while from a logistical point of view the helicopter has a clear advantage.
Unter Berücksichtigung der sich fortentwickelnden Luftverkehrsinfrastruktur, der stetig zunehmenden globalen Warenströme und immer wiederkehrenden gesellschaftlicher Wandel ist es daher wichtig, die Möglichkeiten der Flexibilität des Luftverkehrs auszuloten. Unter Berücksichtigung verschiedener Gesichtspunkte hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Flugleistung und Kostenökonomie wird die Entwicklung der verschiedenen Flugzeugmuster von Hubschraubern und Starrflügelflugzeugen auf eine zunehmende Angleichung beider Flugzeugvarianten zueinander hinauslaufen. Das bedeutet, dass Hubschrauber in Zukunft voraussichtlich ähnliche Flugleistungen und eine ähnliche Wirtschaftlichkeit wie Starrflügelflugzeuge aufweisen werden, während sich Starrflügelflugzeuge sich im Hinblick auf Flexibilität und Kurzstart-Fähigkeit mehr und mehr dem Hubschrauber-Konzept anpassen werden. Physikalische Gegebenheiten verhindern jedoch eine vollständige Anpassung, so dass auch zukünftig noch beide Flugzeugmuster zum Einsatz kommen werden. Daher ist es wichtig, beide Flugzeugmuster hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit und Produktverbesserung zu betrachten.Taking into account the evolving air traffic infrastructure, the steadily increasing global flow of goods and recurring social change, it is therefore important to sound out the flexibility of air traffic. Taking into account various aspects with regard to economy, flight performance and cost economy, the development of the various aircraft types of helicopters and fixed-wing aircraft will result in an increasing convergence of both aircraft variants with one another. This means that in the future helicopters will probably have similar flight performance and a similar economic efficiency as fixed-wing aircraft, while fixed-wing aircraft will adapt more and more to the helicopter concept in terms of flexibility and short take-off capability. However, physical conditions prevent a complete adaptation, so that both aircraft types will still be used in the future. It is therefore important to look at both types of aircraft in terms of their economy and product improvement.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Triebwerk für Luft- und Schienenfahrzeuge ohne die Nachteile des Standes der Technik bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Triebwerk bereitzustellen, welches besonders effizient und ressourcenschonend funktioniert und dabei eine gute bis verbesserte Leistung aufweist. Gleichzeitig soll das Triebwerk besonders flexibel in der Ausgestaltung sein, wobei einzelne Komponenten unterschiedlich zueinander angeordnet werden können, ohne dass bei der Kraft- bzw. Leistungsübertragung zwischendurch große Verluste auftreten.It is an object of the invention to provide an engine for aircraft and rail vehicles without the disadvantages of the prior art. In particular, it is an object of the invention to provide an engine which functions particularly efficiently and conserves resources and at the same time has good to improved performance. At the same time, the engine should be particularly flexible in its design, with individual components being able to be arranged differently from one another without major losses occurring in between during the power or power transmission.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Triebwerk für ein Luft- oder Schienenfahrzeug, umfassend:
- - mindestens ein erstes Strahltriebwerk
- - mindestens eine Impulsturbine umfassend mehrere auf einer Welle gelagerten Schaufeln,
- - mindestens eine Antriebseinheit zur Erzeugung eines Vortriebs des Luft- oder Schienenfahrzeugs,
- - At least a first jet engine
- - At least one impulse turbine comprising several blades mounted on a shaft,
- - at least one drive unit for generating propulsion of the aircraft or rail vehicle,
Ein Strahltriebwerk umfasst bevorzugt eine Gasturbine. Insbesondere wird durch ein Strahltriebwerk aufgrund eines erzeugten Luft- und/oder Abgasstroms eine Rückstoßwirkung erzeugt. Bevorzugt umfasst das Strahltriebwerk einen Verdichter, eine Brennkammer und/oder eine Turbine und vorzugsweise eine Schubdüse. Im Verdichter wird vorzugsweise angesaugte Luft verdichtet, in der Brennkammer wird bevorzugt der Treibstoff eingespritzt und entzündet, wodurch das Gemisch vorzugsweise beschleunigt wird. Die vorzugsweise nachgeschaltete Turbine wird bevorzugt durch das beschleunigte Gemisch angetrieben und treibt ihrerseits den Verdichter und den vorzugsweise umfassten Fan an. Der Fan erzeugt bevorzugt den sogenannten Mantelstrom. So wird vorzugsweise ein Luftstrom bezeichnet, der zwischen der eigentlichen Gasturbine und der äußeren Triebwerksverkleidung nach hinten geführt und ausgeblasen wird. Vorzugsweise expandiert das Gas in der am hinteren Ende des Strahltriebwerks angeordneten Schubdüse, wobei die Strömungsgeschwindigkeit bevorzugt gesteigert wird.A jet engine preferably comprises a gas turbine. In particular, a jet engine generates a recoil effect on the basis of a generated air and / or exhaust gas flow. The jet engine preferably comprises a compressor, a combustion chamber and / or a turbine and preferably a thrust nozzle. Air that is sucked in is preferably compressed in the compressor, the fuel is preferably injected and ignited in the combustion chamber, whereby the mixture is preferably accelerated. The turbine, which is preferably connected downstream, is preferably driven by the accelerated mixture and in turn drives the compressor and the fan, which is preferably comprised. The fan preferably generates the so-called sheath flow. Thus, an air flow is preferably referred to, which is guided to the rear between the actual gas turbine and the outer engine cowling and blown out. The gas preferably expands in the thrust nozzle arranged at the rear end of the jet engine, the flow velocity preferably being increased.
Eine Impulsturbine ist bevorzugt eine Turbine, bei der das Arbeitsmedium vor und nach dem Laufrad den gleichen statischen Druck hat. Bevorzugt wird dabei verwendbare Arbeit im Wesentlichen ausschließlich aus der Umwandlung der Bewegungsenergie des Arbeitsmediums erzeugt. Diese ergibt sich insbesondere aus dem dynamischen Druck des Arbeitsmediums gemäß der Bernoulli'schen Energiegleichung. Eine Überdruckturbine weist vorzugsweise einen Reaktionsgrad von im Wesentlichen maximal 0,5 und insbesondere von im Wesentlichen Null auf. Der Reaktionsgrad bezeichnet vorzugsweise eine dimensionslose Kennzahl, die einen Wert zwischen Null und Eins annehmen kann und das Verhältnis der am Rotor umgesetzten Enthalpie zur gesamten in der Turbine umgesetzten Enthalpie beschreibt. „Rotor“ beschreibt bevorzugt die Summe aller Laufräder einer Turbine, welche mit einer Welle der Turbine verbunden sind. Das Laufrad bezeichnet bevorzugt einen rotierenden Teil der Turbine, das dem strömenden Arbeitsmedium Arbeit entzieht und vorzugsweise mehrere Schaufeln umfasst. „Leitwerk“ bezeichnet vorzugsweise von der Turbine bevorzugt, jedoch nicht unbedingt umfasste, feststehende, schaufelartige Elemente, die dem strömenden Medium vorzugsweise einen Drall versetzen. Ein Leitwerk und dazugehöriges Laufrad bilden zusammen vorzugsweise eine „Stufe“. Es kann bevorzugt sein, dass die Turbine mindestens ein Leitwerk umfasst. Es kann ebenso bevorzugt sein, dass die Turbine kein Leitwerk umfasst. Es kann bevorzugt sein, dass die Turbine mindestens ein Laufrad umfasst. Bei einer mehrstufigen Turbine sind vorzugsweise mehrere Laufräder (und ggf. Leitwerke abwechselnd) hintereinandergeschaltet. Bevorzugt ist die Turbine einstufig. Die Turbine kann jedoch auch mehrere Stufen umfassen.A pulse turbine is preferably a turbine in which the working medium has the same static pressure before and after the impeller. In this case, usable work is preferably generated essentially exclusively from the conversion of the kinetic energy of the working medium. This results in particular from the dynamic pressure of the working medium according to Bernoulli's energy equation. A positive pressure turbine preferably has a degree of reaction of essentially a maximum of 0.5 and in particular essentially zero. The degree of reaction preferably designates a dimensionless characteristic number which can assume a value between zero and one and describes the ratio of the enthalpy converted at the rotor to the total enthalpy converted in the turbine. “Rotor” preferably describes the sum of all impellers of a turbine, which are connected to a shaft of the turbine. The impeller preferably denotes a rotating part of the turbine which extracts work from the flowing working medium and preferably comprises a plurality of blades. “Tail unit” designates, preferably, but not necessarily encompassed by the turbine, stationary, vane-like elements which preferably cause the flowing medium to swirl. A tail unit and the associated impeller together preferably form a “stage”. It can be preferred that the turbine comprises at least one tail unit. It can also be preferred that the turbine does not include a tail unit. It can be preferred that the turbine comprises at least one impeller. In the case of a multi-stage turbine, several running wheels (and possibly tail units alternately) are preferably connected in series. The turbine is preferably single-stage. However, the turbine can also comprise several stages.
Bei einer Impulsturbine ist der Reaktionsgrad bevorzugt im Wesentlichen 0, dies bedeutet insbesondere, dass im Laufrad keine Umwandlung von Enthalpie erfolgt. Nur in einem eventuell umfassten Leitwerk kann vorzugsweise im Wesentlichen der gesamte statische Druck in kinetische Energie umgewandelt werden. Bei einer Impulsturbine wird vorzugsweise im Wesentlichen das gesamte Enthalpiegefälle in dem ggf. (falls vorhanden) mindestens einem Leitwerk in Strömungsenergie umgesetzt, der statische Druck im Laufrad bleibt vorzugsweise im Wesentlichen konstant. In the case of a pulse turbine, the degree of reaction is preferably essentially 0, which means in particular that no conversion of enthalpy takes place in the impeller. Only in a possibly enclosed tail unit can essentially the entire static pressure be converted into kinetic energy. In the case of a pulse turbine, essentially the entire enthalpy gradient is converted into flow energy in the possibly (if present) at least one tail unit, the static pressure in the impeller preferably remains essentially constant.
Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 20%, bevorzugt weniger als ± 10%, besonders bevorzugt weniger als ± 5% und insbesondere weniger als ± 1%. „Ähnlich“ beschreibt bevorzugt Größen, die ungefähr gleich sind. Teilweise bzw. „in etwa“ beschreibt bevorzugt zu mindestens 5 %, besonders bevorzugt zu mindestens 10 %, und insbesondere zu mindestens 20 %, in einigen Fällen zu mindestens 40 %.Terms such as essentially, approximately, etc. preferably describe a tolerance range of less than ± 20%, preferably less than ± 10%, particularly preferably less than ± 5% and in particular less than ± 1%. “Similar” preferably describes sizes that are approximately the same. Partly or “approximately” describes preferably at least 5%, particularly preferably at least 10%, and in particular at least 20%, in some cases at least 40%.
Beispiele für Gleichdruckturbinen sind Pelton-Turbine, Curtis-Turbine, Laval-Turbine und/oder Durchströmturbine.Examples of impulse turbines are Pelton turbines, Curtis turbines, Laval turbines and / or through-flow turbines.
Bei gleicher Leistungsabgabe dreht sich eine Gleichdruckturbine bevorzugt 0,707-mal (1/√2) langsamer als eine sogenannte Überdruckturbine mit einem Reaktionsgrad von 0,5 unter der Voraussetzung, dass Massenstrom und Turbinendurchmesser gleich sind. Bei gleicher Drehzahl gibt eine Gleichdruckstufe vorteilhafterweise zweimal so viel Leistung ab wie eine Überdruckturbine mit einem für Überdruckturbinen beispielhaften Reaktionsgrad von 0,5 unter der Voraussetzung, dass Massenstrom und Turbinendurchmesser gleich sind.With the same power output, a constant pressure turbine rotates preferably 0.707 times (1 / √2) slower than a so-called overpressure turbine with a degree of reaction of 0.5, provided that the mass flow and turbine diameter are the same. At the same speed, a constant pressure stage advantageously emits twice as much power as an overpressure turbine with a degree of reaction of 0.5, which is exemplary for overpressure turbines, provided that the mass flow and turbine diameter are the same.
Eine Impulsturbine umfasst vorzugsweise mehrere auf einer Welle gelagerte Schaufeln. Eine Schaufel ist bevorzugt ein einzelner Bestandteil eines Laufrads der Turbine, welches bevorzugt konfiguriert ist für eine Erzeugung einer Rotation der mit der Schaufel bevorzugt verbundenen Welle aus der Bewegungsenergie des Arbeitsmediums. Dafür ist die Schaufel insbesondere entsprechend geformt, um die Bewegungsenergie und/oder den übertragenen Impuls des bewegten Arbeitsmediums aufzunehmen.An impulse turbine preferably comprises several blades mounted on a shaft. A blade is preferably an individual component of an impeller of the turbine, which is preferably configured to generate a rotation of the shaft, which is preferably connected to the blade, from the kinetic energy of the working medium. For this purpose, the blade is shaped in particular to absorb the kinetic energy and / or the transmitted momentum of the moving working medium.
Eine Antriebseinheit zur Erzeugung eines Vortriebs des Luft- oder Schienenfahrzeugs kann z. B. ein Radantrieb bei einem Schienenfahrzeug sein oder ein Propeller bzw. Strahltriebwerk bei einem Flugzeug oder ein Rotor bei einem Hubschrauber.A drive unit for generating propulsion of the aircraft or rail vehicle can, for. B. be a wheel drive in a rail vehicle or a propeller or jet engine in an aircraft or a rotor in a helicopter.
Insbesondere erzeugt das erste Strahltriebwerk einen Massenstrom eines Fluides, z. B. einen Luft-/Abgasstrom. Dabei ist das Strahltriebwerk und/oder eine den Massenstrom transportierende Düse vorzugsweise tangential zum Umfang des Laufrades und/oder zu einer Kreisbahn eines rotierenden Punktes des Laufrads angeordnet. Dieser ist bevorzugt mit einer Strömungsrichtung innerhalb einer Rotationsebene der Impulsturbine auf deren Schaufeln gerichtet. Die Strömungsrichtung ist insbesondere die Wesentliche und/oder gemittelte Strömungsrichtung des Massenstroms, welche im Wesentlichen gerichtet ist und ohne Umlenkelemente eine im Wesentlichen geradlinige Ausrichtung aufweist. Die Rotationsebene ist insbesondere die Ebene, in der die Schaufeln der Impulsturbine rotieren. Die Welle, an der die Schaufeln bevorzugt befestigt sind und mit der sie rotieren, ist bevorzugt eine Normale zu dieser Rotationsebene. Vorzugsweise ist die Strömung in mindestens einem Punkt oder Bereich der Impulsturbine in einer Weise auf die Schaufeln gerichtet, sodass diese mit möglichst hoher Effizienz angetrieben werden.In particular, the first jet engine generates a mass flow of a fluid, e.g. B. an air / exhaust gas flow. The jet engine and / or a nozzle transporting the mass flow is preferably arranged tangentially to the circumference of the impeller and / or to a circular path of a rotating point of the impeller. This is preferably directed with a flow direction within a plane of rotation of the impulse turbine on its blades. The flow direction is in particular the essential and / or averaged flow direction of the mass flow, which is essentially directed and has an essentially straight alignment without deflection elements. The plane of rotation is in particular the plane in which the blades of the impulse turbine rotate. The shaft to which the blades are preferably attached and with which they rotate is preferably a normal to this plane of rotation. Preferably the flow is in at least one point or area of the impulse turbine directed at the blades in such a way that they are driven with the highest possible efficiency.
Insbesondere ist die Welle der Impulsturbine, die mit der Antriebseinheit verbunden vorliegt, für einen Antrieb der Antriebseinheit durch die Impulsturbine. Diese Verbindung kann sowohl eine direkte Übertragung der Antriebskraft umfassen, z. B. über eine gemeinsame Welle von Impulsturbine und Antriebseinheit, als auch indirekt über ein zwischengeschaltetes Getriebe. Einen Antrieb der Antriebseinheit durch die Impulsturbine bezeichnet insbesondere eine mechanische Kraftübertragung von der Impulsturbine auf die Antriebseinheit über Kraftübertragende Elemente, z. B. Wellen und/oder Getriebe.In particular, the shaft of the impulse turbine, which is connected to the drive unit, is used to drive the drive unit by the impulse turbine. This connection can include both a direct transmission of the driving force, e.g. B. via a common shaft of impulse turbine and drive unit, as well as indirectly via an interposed gear. A drive of the drive unit by the impulse turbine denotes in particular a mechanical power transmission from the impulse turbine to the drive unit via force-transmitting elements, e.g. B. shafts and / or gears.
Hierdurch kann ein Antrieb bereitgestellt werden, welcher eine für die Fachwelt überraschend hohe Effizienz aufweist. Des Weiteren bietet der Antrieb die Möglichkeit, die von einem Strahltriebwerk erzeugte Leistung sehr flexibel und vorteilhafterweise ohne die Zwischenschaltung eines Getriebes auf die Antriebseinheit zu geben. Dabei können bevorzugt auch Umlenkelemente des Massenstroms zum Einsatz kommen, so dass Strahltriebwerk, Impulsturbine und/oder Antriebseinheit nicht in einer bestimmten Weise zueinander angeordnet werden müssen.In this way, a drive can be provided which has a surprisingly high efficiency for those skilled in the art. Furthermore, the drive offers the possibility of providing the power generated by a jet engine very flexibly and advantageously without the interposition of a gearbox to the drive unit. In this case, deflection elements of the mass flow can preferably also be used, so that the jet engine, impulse turbine and / or drive unit do not have to be arranged in relation to one another in a certain way.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Schaufeln der Impulsturbine konfiguriert für eine Übertragung eines Massenstromimpulses des Fluides, welcher eine Richtung im Wesentlichen innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine aufweist. Dabei weisen die Schaufeln insbesondere eine fluiddynamisch günstige Formgebung auf, um eine möglichst hohe Impulsübertragung zu gewährleisten und das Triebwerk effizient zu gestalten.In a preferred embodiment of the invention, the blades of the impulse turbine are configured for a transmission of a mass flow impulse of the fluid, which has a direction essentially within the plane of rotation of the impulse turbine. In particular, the blades have a shape that is favorable in terms of fluid dynamics, in order to ensure the highest possible impulse transmission and to make the engine efficient.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Schaufeln eine im Wesentlichen senkrechte Fläche zur Rotationsebene der Impulsturbine auf. Dies hat sich als eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Impulsturbine herausgestellt.In a further preferred embodiment of the invention, the blades have an essentially perpendicular surface to the plane of rotation of the impulse turbine. This has turned out to be a particularly preferred embodiment of the impulse turbine.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Impulsturbine eine Turbine nach Art der Pelton-Turbine. In der Pelton-Turbine strömt das Fluid bevorzugt in einem Massenstrom (bevorzugt ein Strahl) mit hoher Geschwindigkeit aus mindestens einer im Wesentlichen tangential zum Umfang des Laufrades angeordneten Düse auf deren Schaufeln. Bevorzugt ist jede Schaufel durch eine scharfe Kante in zwei annähernd halbkugelförmige Halbschaufeln geteilt. In der Mitte der Kante trifft der Massenstrom des Fluides bevorzugt tangential auf. Die Halbschaufeln haben insbesondere die Funktion, das Fluid im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung umzulenken, damit die kinetische Energie nach dem Prinzip von Actio und Reactio an das Laufrad abgegeben wird.In a further preferred embodiment of the invention, the impulse turbine comprises a turbine of the Pelton type. In the Pelton turbine, the fluid preferably flows in a mass flow (preferably a jet) at high speed from at least one nozzle arranged essentially tangentially to the circumference of the impeller on its blades. Each blade is preferably divided into two approximately hemispherical half-blades by a sharp edge. In the middle of the edge, the mass flow of the fluid is preferably tangential. The half-blades in particular have the function of deflecting the fluid essentially in the opposite direction so that the kinetic energy is transferred to the impeller according to the principle of action and reaction.
Die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln soll dabei vorzugsweise im Wesentlichen (die Hälfte)der Geschwindigkeit des Fluidstroms entsprechen. Bevorzugt gibt der Fluidstrom nahezu seine komplette Energie an die Schaufeln ab. Dies ist besonders effizient.The peripheral speed of the blades should preferably correspond essentially (half) to the speed of the fluid flow. The fluid flow preferably gives almost all of its energy to the blades. This is particularly efficient.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das erste Strahltriebwerk in einer Ebene parallel zur Rotationsebene der Impulsturbine oder innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine angeordnet vor. Dann kann der Massenstrom insbesondere im Wesentlichen ohne Verluste durch ansonsten benötigte Umlenkelement auf die Schaufeln gerichtet werden.In a further preferred embodiment of the invention, the first jet engine is arranged in a plane parallel to the plane of rotation of the impulse turbine or within the plane of rotation of the impulse turbine. The mass flow can then be directed onto the blades, in particular, essentially without losses due to deflection elements that are otherwise required.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Welle der Impulsturbine direkt mit einer Welle der Antriebseinheit verbunden vor. So kann ein im Wesentlichen verlustfreier Antrieb realisiert werden.In a further preferred embodiment of the invention, the shaft of the impulse turbine is connected directly to a shaft of the drive unit. In this way, an essentially loss-free drive can be implemented.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Welle der Impulsturbine über ein Getriebe, insbesondere ein Stirnradgetriebe und/oder Mehr-Stufen-Getriebe, mit einer Welle der Antriebseinheit verbunden vor.In a further preferred embodiment of the invention, the shaft of the impulse turbine is connected to a shaft of the drive unit via a gear, in particular a spur gear and / or multi-stage gear.
Ein Stirnradgetriebe ist insbesondere durch mehrere Stirnräder auf parallelen Achsen charakterisiert, wobei die Achsen Antriebswellen sein können. In einer einfachen Bauweise weist ein einstufiges Stirnradgetriebe zwei Wellen auf, auf denen je ein Zahnrad sitzt, wobei die Zahnräder bevorzugt einander antreiben und die Übersetzung bestimmen.A spur gear is characterized in particular by a plurality of spur gears on parallel axes, with the axes being able to be drive shafts. In a simple design, a single-stage spur gear transmission has two shafts, on each of which a gear wheel sits, the gear wheels preferably driving one another and determining the translation.
Bei einem Mehr-Stufen-Getriebe ist das Übersetzungsverhältnis vorzugsweise in Stufen veränderlich.In the case of a multi-stage transmission, the transmission ratio is preferably variable in stages.
So kann bevorzugt unabhängig von der Drehzahl der Impulsturbine die Antriebseinheit betrieben werden. Des Weiteren kann die Rotation der Welle der Impulsturbine besonders einfach umgelenkt und auch über Winkel übertragen werden.In this way, the drive unit can preferably be operated independently of the speed of the impulse turbine. Furthermore, the rotation of the shaft of the impulse turbine can be deflected particularly easily and also transmitted via angles.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Impulsturbine in einer Turbinenkammer angeordnet vor, welche mindestens einen Eingangsbereich für den Massenstrom des ersten Strahltriebwerks und mindestens eine Abgasöffnung aufweist und welche vorzugsweise für eine effiziente Führung des Massenstroms auf die Schaufeln der Impulsturbine konfiguriert ist. Die Turbinenkammer und/oder Eingangsbereich und/oder Abgasöffnung sind vorzugweise nach strömungsmechanischen Gesichtspunkten gestaltet und erlauben eine entsprechende Führung des Massenstroms. Insbesondere die Turbinenkammer bewirkt, dass der Massenstrom entlang und/oder auf die Schaufeln der Turbinen gelenkt wird und nicht an der Impulsturbine vorbeiströmt.In a further preferred embodiment of the invention, the impulse turbine is arranged in a turbine chamber which has at least one inlet area for the mass flow of the first jet engine and at least one exhaust gas opening and which is preferably configured for efficient guidance of the mass flow onto the blades of the impulse turbine. The turbine chamber and / or inlet area and / or exhaust gas opening are preferably designed according to fluid-mechanical aspects and allow the mass flow to be guided accordingly. In particular, the turbine chamber has the effect that the mass flow is directed along and / or onto the blades of the turbine and does not flow past the impulse turbine.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung treibt die Impulsturbine einen Rotor und/oder einen Propeller als Antriebseinheit an, wobei die Rotationsebene der Impulsturbine parallel angeordnet ist zu einer Rotationsebene des Rotors und/oder des Propellers und wobei Impulsturbine und Rotor und/oder Propeller eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen. Dabei kann zwischen Impulsturbine und Rotor/Propeller die Kraft vorzugsweise direkt über eine gemeinsame Welle und/oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe übertragen werden. So können ein Propeller und insbesondere ein Rotor eines Hubschraubers besonders einfach und effizient angetrieben werden.In a further preferred embodiment of the invention, the impulse turbine drives a rotor and / or a propeller as a drive unit, the plane of rotation of the impulse turbine being arranged parallel to a plane of rotation of the rotor and / or the propeller and the impulse turbine and rotor and / or propeller having a common Have axis of rotation. The power can be transmitted between the impulse turbine and the rotor / propeller, preferably directly via a common shaft and / or via an interposed gear. In this way, a propeller and in particular a rotor of a helicopter can be driven particularly easily and efficiently.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das erste Strahltriebwerk in einer Ebene parallel zur Rotationsebene der Impulsturbine oder innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine angeordnet vor. Das Strahltriebwerk ist insbesondere von seiner gesamten Formgebung in etwa zylinderförmig und/oder im Wesentlichen rotationssymmetrisch, wobei hier insbesondere gemeint ist, dass die Längsachse des Strahltriebwerks, die Zylinderachse und/oder die Rotationsachse in einer Ebene parallel zur Rotationsebene der Impulsturbine und/oder innerhalb der Rotationsebene angeordnet ist. Dabei ist das Strahltriebwerk und/oder eine den Massenstrom transportierende Düse vorzugsweise tangential zum Umfang des Laufrades und/oder zu einer Kreisbahn eines rotierenden Punktes des Laufrads angeordnet.In a further preferred embodiment of the invention, the first jet engine is arranged in a plane parallel to the plane of rotation of the impulse turbine or within the plane of rotation of the impulse turbine. The overall shape of the jet engine is approximately cylindrical and / or essentially rotationally symmetrical, with what is meant here in particular that the longitudinal axis of the jet engine, the cylinder axis and / or the axis of rotation are in a plane parallel to the plane of rotation of the impulse turbine and / or within the Rotation plane is arranged. The jet engine and / or a nozzle transporting the mass flow is preferably arranged tangentially to the circumference of the impeller and / or to a circular path of a rotating point of the impeller.
Durch diesen Aufbau kann der Massenstrom des Strahltriebwerks besonders einfach und effizient auf die Schaufeln der Impulsturbine gerichtet werden.With this structure, the mass flow of the jet engine can be directed particularly easily and efficiently onto the blades of the impulse turbine.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung treibt die Impulsturbine einen Propeller als Antriebseinheit, wobei die Rotationsebene der Impulsturbine parallel angeordnet ist zu einer Rotationsebene des Propellers, wobei Impulsturbine und Propeller eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen, wobei das erste Strahltriebwerk vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Rotationsebene der Impulsturbine in Flugrichtung angeordnet vorliegt und die Turbinenkammer konfiguriert ist für eine Umlenkung des Massenstroms, so dass dieser mit einer Strömungsrichtung innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine auf deren Schaufeln gerichtet ist. Dabei kann zwischen Impulsturbine und Propeller die Kraft vorzugsweise direkt über eine gemeinsame Welle und/oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe übertragen werden. Insbesondere sind die Rotationsachsen von Propeller und Impulsturbine sowie die Längsachse des Strahltriebwerks im Wesentlichen parallel zueinander und zur Längsachse des Flugzeugs angeordnet, wodurch das Strahltriebwerk aerodynamisch und fluidmechanisch günstig (der Einlass des Triebwerks ist bevorzugt in Flugrichtung angeordnet) im Flugzeugrumpf angeordnet werden kann. Dabei ist jedoch bevorzugt der Massenstrom am Auslass des Strahltriebwerks ebenfalls in Längsrichtung gerichtet, weshalb die Turbinenkammer ein Umlenkung des Massenstroms ermöglichen sollte, um diesen mit einer Strömungsrichtung innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine auf deren Schaufeln zu richten. Eine solche Umlenkung findet bevorzugt mithilfe von Umlenkelementen, insbesondere durch bogenförmige Röhren für die Lenkung des Massenstroms statt.In a further preferred embodiment of the invention, the impulse turbine drives a propeller as a drive unit, the plane of rotation of the impulse turbine being arranged parallel to a plane of rotation of the propeller, the impulse turbine and propeller having a common axis of rotation, the first jet engine preferably in a plane perpendicular to the plane of rotation of the Impulse turbine is arranged in the direction of flight and the turbine chamber is configured for a deflection of the mass flow so that it is directed with a flow direction within the plane of rotation of the impulse turbine on its blades. The power can be transmitted between the impulse turbine and the propeller, preferably directly via a common shaft and / or via an interposed gear. In particular, the axes of rotation of the propeller and impulse turbine and the longitudinal axis of the jet engine are arranged essentially parallel to one another and to the longitudinal axis of the aircraft, so that the jet engine can be arranged in the aircraft fuselage in an aerodynamically and fluid-mechanically favorable manner (the inlet of the engine is preferably arranged in the direction of flight). In this case, however, the mass flow at the outlet of the jet engine is also preferably directed in the longitudinal direction, which is why the turbine chamber should enable the mass flow to be deflected in order to direct it with a flow direction within the plane of rotation of the impulse turbine on its blades. Such a deflection takes place preferably with the help of deflection elements, in particular by means of arcuate tubes for directing the mass flow.
Dies ist aufgrund der räumlichen Verhältnisse bzw. Begebenheiten bei der Unterbringung des Triebwerks eine besonders bevorzugte Ausführungsform für ein Triebwerk eines Flugzeuges. Dort ist im Gegensatz zu einem Triebwerk eines Hubschraubers häufig aus aerodynamischen Gründen keine Anordnung gewünscht, bei der die Längsachse des Strahltriebwerks nicht im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Flugzeuges angeordnet ist.This is a particularly preferred embodiment for an aircraft engine due to the spatial conditions or circumstances in which the engine is accommodated. In contrast to an engine of a helicopter, an arrangement is often not desired for aerodynamic reasons in which the longitudinal axis of the jet engine is not arranged essentially parallel to the longitudinal axis of the aircraft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Triebwerk einen ummantelten Triebwerksfan, wobei die Impulsturbine den Triebwerksfan als Antriebseinheit antreibt, wobei die Rotationsebene der Impulsturbine parallel angeordnet ist zu einer Rotationsebene des Triebwerkfans, wobei Impulsturbine und Triebwerkfan eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen, wobei das erste Strahltriebwerk und/oder eine den Massenstrom transportierende Düse vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Rotationsebene der Impulsturbine in Flugrichtung angeordnet vorliegt und die Turbinenkammer konfiguriert ist für eine Umlenkung des Massenstroms, so dass dieser mit einer Strömungsrichtung innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine auf deren Schaufeln gerichtet ist.In a further preferred embodiment of the invention, the engine comprises a jacketed engine fan, the impulse turbine driving the engine fan as a drive unit, the plane of rotation of the impulse turbine being arranged parallel to a plane of rotation of the engine fan, the impulse turbine and engine fan having a common axis of rotation, the first jet engine and / or a nozzle transporting the mass flow is preferably arranged in a plane perpendicular to the plane of rotation of the impulse turbine in the direction of flight and the turbine chamber is configured to deflect the mass flow so that it is directed with a flow direction within the plane of rotation of the impulse turbine on its blades.
Dabei kann zwischen Impulsturbine und Fan die Kraft vorzugsweise direkt über eine gemeinsame Welle und/oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe übertragen werden. Ebenso wie im vorgenannten Beispiel ist dabei die möglichst aerodynamische und fluiddynamisch günstige Anordnung aller Triebwerkskomponenten im Vordergrund. Die Anordnung und/oder Umlenkung ist dabei vorzugsweise analog zur vorgenannten Ausführungsform. Der Triebwerksfan ist dabei vorzugsweise mit seiner Längsachse in Längsrichtung des Flugzeugs angeordnet.In this case, the power can be transmitted between the impulse turbine and the fan, preferably directly via a common shaft and / or via an interposed gear. As in the example mentioned above, the most aerodynamic and fluid dynamically favorable arrangement of all engine components is in the foreground. The arrangement and / or deflection is preferably analogous to the aforementioned embodiment. The engine fan is preferably arranged with its longitudinal axis in the longitudinal direction of the aircraft.
In dem Triebwerksgehäuse/der Ummantelung eingefasst bzw. an einer geeigneten Stelle des Luftfahrzeugs befindet sich bevorzugt eine erste Schubdüse/ein erstes Strahltriebwerk, dass aus einströmender Luft und zugeführtem Treibstoff ein Gemisch erzeugt, dieses stark beschleunigt, welches dann die Impulsturbine antreibt, die dann über ein Getriebe den Fan antreibt, der dann für die eigentliche Vortriebskraft der gesamten Triebwerkskonstruktion sorgt.In the engine housing / the casing or at a suitable point of the aircraft there is preferably a first thrust nozzle / a first jet engine that generates a mixture from inflowing air and supplied fuel, accelerates it strongly, which then drives the impulse turbine, which then via a gear drives the fan, which then provides the actual propulsive power for the entire engine construction.
Anders als bei herkömmlichen Strahltriebwerken wird bei diesem bevorzugt kein Kernstrom erzeugt - anstelle der Brennkammer in konventionellen Strahltriebwerken befinde sich hier vorzugsweise die Impulsturbine (zwar lässt sich vorzugsweise der Abgasstrom aus der Impulsturbine auch aus dem Triebwerk rückwertig aus dem Triebwerk ausstoßen, da die grundsätzliche Funktionsweise dieses Triebwerks keinen Kernstrom vorsieht, wurde der Abgasstrom aus der Impulsturbine bevorzugt nicht als Kernstrom berücksichtigt).In contrast to conventional jet engines, this preferably does not generate a core flow - instead of the combustion chamber in conventional jet engines, the impulse turbine is preferably located here (although the exhaust gas flow from the impulse turbine can preferably also be ejected from the engine in the reverse direction from the engine, since this is the basic mode of operation Engine does not provide a core flow, the exhaust gas flow from the impulse turbine was preferably not considered as a core flow).
Wenn sich das zur Erzeugung des Treibstoffgemischs vorgesehene (erste) Hilfsstrahltriebwerk im Inneren des Triebwerks befindet, so tritt die einströmende Luftmasse zunächst durch den Fan in das Triebwerk ein. Von dieser eintretenden Luftmasse wird ein Teil in das integrierte erste Strahltriebwerk bzw. die Schubdüse geleitet und wird vorzugsweise zur Erzeugung des Gemischs verwendet, während der weit größere Teil der Luftmasse bevorzugt durch den Fan verdichtet und beschleunigt geleitet wird und schließlich zur Erzeugung der Vortriebskraft rückstoßartig ausgeschleudert wird.If the (first) auxiliary jet engine provided for generating the fuel mixture is located inside the engine, the inflowing air mass first enters the engine through the fan. Part of this incoming air mass is fed into the integrated first jet engine or the thrust nozzle and is preferably used to generate the mixture, while the far greater part of the air mass is preferably compressed and accelerated by the fan and finally ejected like a recoil to generate the propulsive force becomes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Turbinenkammer und/oder Triebwerkskammer eine bogenförmige Umlenkung des Massenstroms. Hiermit können erstes Strahltriebwerk und Impulsturbine insbesondere individuell zueinander angeordnet werden, indem der Massenstrom weitestgehend verlustfrei umgelenkt wird. Ist in diesem Text von einem Strahltriebwerk ohne Zusatz die Rede, ist bevorzugt das erste Strahltriebwerk gemeint. Das (erste) Strahltriebwerk kann vorzugsweise so angeordnet werden, dass es aerodynamisch und/oder fluiddynamisch besonders günstig angeordnet ist. Die Umlenkung wird vorzugsweise auch als Umlenkelement bezeichnet.In a further preferred embodiment of the invention, the turbine chamber and / or engine chamber comprises an arcuate deflection of the mass flow. In this way, the first jet engine and impulse turbine can in particular be arranged individually with respect to one another, in that the mass flow is deflected largely without loss. If a jet engine is mentioned in this text without an addition, the first jet engine is preferably meant. The (first) jet engine can preferably be arranged in such a way that it is arranged particularly favorably in terms of aerodynamics and / or fluid dynamics. The deflection is preferably also referred to as a deflection element.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Turbinenkammer innerhalb der Ummantelung des Triebwerkfans angeordnet vor und ist konfiguriert für eine hermetische Trennung des Massenstroms von einem Fluidstrom innerhalb des Triebwerkfans. Somit kann vorzugsweise ein großer Teil des Triebwerks platzsparend und effizient innerhalb der Ummantelung des Triebwerkfans angeordnet werden, wobei die Fluidströme des ersten Strahltriebwerks und Triebwerkfans voneinander getrennt werden können. Dabei kann das erste Strahltriebwerk vorzugsweise innerhalb oder außerhalb der Turbinenkammer angeordnet werden und der Massenstrom des ersten Strahltriebwerks durch Umlenkelemente der Turbinenkammer zugeführt werden.In a further preferred embodiment, the turbine chamber is arranged within the casing of the engine fan and is configured for a hermetic separation of the mass flow from a fluid flow within the engine fan. A large part of the engine can thus preferably be arranged in a space-saving and efficient manner within the casing of the engine fan, wherein the fluid flows of the first jet engine and engine fan can be separated from one another. The first jet engine can preferably be arranged inside or outside the turbine chamber and the mass flow of the first jet engine can be fed to the turbine chamber through deflection elements.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt ein Ansaugstutzen für Luft des ersten Strahltriebwerks auf einer Nabe des Triebwerkfans angeordnet vor. So kann das erste Strahltriebwerk besonders gut in das Flugzeug und/oder die Ummantelung des Triebwerkfans integriert werden und benötigt keine zusätzlichen Ansaugstutzen anderer Stelle.In a further preferred embodiment of the invention, an intake connection for air of the first jet engine is arranged on a hub of the engine fan. Thus, the first jet engine can be integrated particularly well into the aircraft and / or the casing of the engine fan and does not require any additional intake ports elsewhere.
Die Konstruktion von IRS-Triebwerken bietet bei optimaler Gestaltung ein hohes Einsparpotential im Treibstoffverbrauch verschiedener Luftfahrzeuge. Dies führt einerseits zu einer höheren Reichweite der Luftfahrzeuge, andererseits zu einer höheren Nutzlast bei gleicher Reichweite, da bei gleichbleibender Flugleistung weniger Treibstoff betankt werden muss.The construction of IRS engines, if optimally designed, offers a high potential for savings in the fuel consumption of various aircraft. On the one hand, this leads to a higher range of the aircraft and, on the other hand, to a higher payload with the same range, since less fuel has to be refueled with the same flight performance.
Für Hubschrauber ergeben sich daher neue, zunehmend wichtiger werdende Einsatzmöglichkeiten. Bei Havarien auf Meeren und Ozeanen, fernab von der nächstgelegenen Küste, oder in weiten Wüstengebieten spielt der Zeitfaktor zu Rettung von Menschenleben eine besondere Rolle. Rettungsschiffe (sind nur)benötigen viel Zeit bis zum Erreichen des Einsatzgebietes, Starrflügelflugzeuge erreichen den Einsatzgebiet sehr schnell, können jedoch in den meisten Fällen nicht landen und die Rettung von Menschen aus Seenotlagen stellt sich daher als große logistische Herausforderung dar. Hubschrauber mit einer Reichweite von 5000 - 6000 km können derartige Einsatzgebiete in wenigen Stunden erreichen und Menschen schneller bergen als Flugzeuge oder Schiffe.For helicopters, there are therefore new, increasingly important possible uses. In the event of accidents on seas and oceans, far away from the nearest coast, or in large desert areas, the time factor in saving human lives plays a special role. Rescue ships (are only) need It takes a long time to reach the operational area, fixed-wing aircraft reach the operational area very quickly, but in most cases cannot land and rescuing people from distress at sea is therefore a major logistical challenge. Helicopters with a range of 5000 - 6000 km can do this Reach operational areas in a few hours and rescue people faster than planes or ships.
Ein anderes Einsatzszenario stellt zum Beispiel die Versorgung von Menschen in entlegenen Gebieten oder Katastrophengebieten dar: In verwüsteten Erdbebengebieten ist die Versorgung der oft von der Außenwelt abgeschnittenen Bevölkerung häufig auf die Räumung von Straßen oder der Instandsetzung des örtlichen Flughafens angewiesen. Die Versorgung via Hubschrauber gestaltet sich heutzutage ebenfalls kompliziert, da diese in ihrer Reichweite und Nutzlast begrenzt sind. Würden Hubschrauber mit einem IHT-Triebwerk ausgestattet, wäre es ihnen möglich, größere Nutzlasten über eine größere Reichweite tiefer hinein in das Katastrophengebiet zu tragen.Another application scenario is, for example, the supply of people in remote areas or disaster areas: In devastated earthquake areas, the supply of the population, which is often cut off from the outside world, is often dependent on clearing roads or repairing the local airport. The supply by helicopter is also complicated nowadays, as these are limited in their range and payload. If helicopters were equipped with an IHT engine, it would be possible for them to carry larger payloads over a greater range deeper into the disaster area.
Turboprop-Maschinen bilden als Bindeglied zwischen Hubschraubern und Strahlflugzeugen heutzutage das bevorzugte Transportmittel im kommerziellen Mittelstreckenbereich ab. Aufgrund ihres höheren Einsparpotentials als bei Standardrumpf-Strahlflugzeugen können sie unter Einsatz eines TPI-Triebwerks eine gute Alternative zu selbigen bieten. Im Mittelstreckenbereich (ist zu)fällt die erhöhte Flugzeit auf Grund der geringeren Reisegeschwindigkeit nicht sehr stark ins Gewicht.As a link between helicopters and jet aircraft, turboprop machines are now the preferred means of transport in the commercial medium-haul sector. Due to their higher savings potential than with standard fuselage jet aircraft, they can offer a good alternative to the same when using a TPI engine. In the medium-haul range (is closed), the increased flight time is not very important due to the lower cruising speed.
Im kommerziellen Langstreckenbereich dominieren gegenwärtig und sehr wahrscheinlich auch in Zukunft die strahlgetriebenen Großraumflugzeuge. Im Langstreckenbereich und darüber hinaus im Ultralangstreckenbereich spielt der Kompromiss aus Nutzlast und benötigtem Treibstoff eine besondere Rolle. Auf vielen Flugstrecken wie beispielsweise der Rotation Tahiti-Paris werden daher Zwischenlandungen eingelegt, um den benötigten Treibstoff zu reduzieren. Am Beispiel eines A330 lässt sich zeigen, dass sich unter Verwendung eines STI-Triebwerks der Treibstoffverbrauch von Langstreckenflugzeugen um bis zu 60% senken lässt (s. S. 37). Dies erlaubt für die meisten Langstreckenflugzeuge eine volle Ausnutzung ihrer Nutzlastkapazität ohne Einbußen ihrer Reichweite oder Reisegeschwindigkeit. Je nach Flugzeug reduziert sich damit auch das tatsächliche Abfluggewicht und erlaubt daher eine zusätzliche Reduktion des Treibstoffverbrauchs oder den Einsatz auf Flughäfen mit kürzerer Start- und Landepiste.In the commercial long-haul sector, jet-powered wide-body aircraft dominate at present and very likely also in the future. In the long-haul range and also in the ultra-long-haul range, the compromise between payload and required fuel plays a special role. For this reason, stopovers are made on many flight routes, such as the Tahiti-Paris rotation, in order to reduce the fuel required. Using the example of an A330, it can be shown that the use of an STI engine can reduce the fuel consumption of long-haul aircraft by up to 60% (see p. 37). This allows most long-haul aircraft to fully utilize their payload capacity without sacrificing their range or cruising speed. Depending on the aircraft, this also reduces the actual take-off weight and therefore allows an additional reduction in fuel consumption or use at airports with shorter take-off and landing runways.
Für die Zukunft des Luftverkehrs wird die Betrachtung dieser Problematik von zunehmender Bedeutung sein. Die zunehmende Rohstoffverknappung, insbesondere der sinkenden Rohölvorkommen, sowie die stetig steigende Belastung der Umwelt durch hohe Abgasemissionen fordern effiziente, kurz- bis mittelfristig umsetzbare Maßnahmen zu Verringerung des Treibstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Beibehaltung des gegenwärtigen Transport- und Verkehrspensums. IRS-Triebwerke stellen eine Grundlage zur Entwicklung neuer effizienter Luftfahrtantriebe dar.Consideration of this problem will be of increasing importance for the future of air traffic. The increasing scarcity of raw materials, in particular the falling crude oil reserves, as well as the steadily increasing pollution of the environment by high exhaust emissions require efficient, short to medium term implementable measures to reduce fuel consumption while at the same time maintaining the current volume of transport and traffic. IRS engines provide a basis for the development of new, efficient aircraft engines.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und BeispieleDetailed description of the invention and examples
„IRS"-Triebwerk ist die Bezeichnung für ein Triebwerk, bei der das Herzstück eine Kombination aus einem speziellen Strahltriebwerk oder einer Düse sowie einer Impulsturbine darstellt (IRS = Impulsturbinen-Rotations-Strahltriebwerk). Eine Impulsturbine, auch Gleichdruckturbine genannt, ist eine Turbine, bei der das Fluid vor dem Eintritt in die Turbine und nach dem Austritt aus der Turbine den gleichen statischen Druck aufweist. Die Bezeichnung „IRS-Triebwerk“ bezeichnet eine Klasse von verschiedenen Triebwerken, die hinsichtlich ihres Einsatzzwecks in Unterklassen eingeteilt sind. Die Unterklassen unterscheiden sich in Hubschraubertriebwerke (IHT-Triebwerke), Propeller- und Strahltriebwerke (TPI- und STI-Triebwerke)."IRS" engine is the name for an engine in which the core is a combination of a special jet engine or a nozzle and an impulse turbine (IRS = impulse turbine rotary jet engine). An impulse turbine, also known as a constant pressure turbine, is a turbine, in which the fluid has the same static pressure before entering the turbine and after exiting the turbine. The designation "IRS engine" denotes a class of different engines, which are divided into subclasses according to their intended use. The subclasses differ in helicopter engines (IHT engines), propeller and jet engines (TPI and STI engines).
Ein IRS-Triebwerk besteht aus zwei verschiedenen Triebwerk-Systemen - aus einer vorgelagerten Düse oder einem speziellen Strahltriebwerk, das einen Massenstrom erzeugt, und einer anschließenden Impulsturbine, die durch den von der Düse erzeugten Massenstrom in Rotation versetzt wird und anschließend die eigentliche Antriebseinheit bedient (z.B. den Hauptrotor eines Hubschraubers, die Propeller eines Turboprop-Flugzeug, die Triebwerksschaufeln eines Strahlflugzeugs oder auch die Räder einer Lokomotive).An IRS engine consists of two different engine systems - an upstream nozzle or a special jet engine that generates a mass flow, and a subsequent impulse turbine that is set in rotation by the mass flow generated by the nozzle and then operates the actual drive unit ( e.g. the main rotor of a helicopter, the propellers of a turboprop aircraft, the engine blades of a jet aircraft or the wheels of a locomotive).
Eine Impulsturbine funktioniert im Prinzip wie ein Schaufelrad in einer Wassermühle. Der Massenstrom trifft auf die Schaufeln der Turbine und versetzt sie so in Rotation. Strömungsrichtung dieses Massenstroms und Rotationsebene liegen dabei plan in einer Ebene. Anders als bei einer Freilaufturbine in einem herkömmlichen Luftfahrttriebwerk, trifft der Massenstrom dabei am Rand der Turbine auf die Schaufeln. So weist sie einen größeren Rotations-Wirkungsdurchmesser als eine Freilaufturbine in einem herkömmlichen Luftfahrttriebwerk auf und vermag daher ein größeres Drehmoment zu übertragen. Zudem lässt sich mit Hilfe kleinerer Strahltriebwerke oder Düsen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Massenstroms als in einem herkömmlichen Triebwerk erzeugen. Bei konventionellen Triebwerken wird ein Massenstrom in der Turbine erzeugt, der zum Antrieb einer Freilaufturbine dient, die über ein anschließendes Getriebe die Antriebseinheit des Luftfahrzeugs antreibt. Über ein Kegelradgetriebe wird so beispielsweise der Hauptrotor eines Hubschraubers, über ein Stirnradgetriebe so der Propeller eines Flugzeugs oder die Triebwerksschaufeln eines Strahlflugzeugs angetrieben. Der Massenstrom wird dabei radial zur Welle durch die Turbine geleitet. An dieser Stelle zeigt sich ein entscheidender Nachteil von Überdruckturbinen gegenüber Impulsturbinen: Impulsturbinen weisen im Vergleich zu Überdruckturbinen mit gleichen Abmessungen bei gleicher Drehzahl eine höhere Leistungsabgabe auf.A pulse turbine works in principle like a paddle wheel in a water mill. The mass flow hits the blades of the turbine and sets them in rotation. The direction of flow of this mass flow and the plane of rotation are flat in one plane. In contrast to a free-wheeling turbine in a conventional aircraft engine, the mass flow hits the blades at the edge of the turbine. It has a larger effective rotation diameter than a free-wheeling turbine in a conventional aircraft engine and is therefore able to transmit a greater torque. In addition, with the help of smaller Jet engines or nozzles generate a higher flow velocity of the mass flow than in a conventional engine. In conventional engines, a mass flow is generated in the turbine, which is used to drive a free-wheeling turbine, which drives the propulsion unit of the aircraft via an adjoining gearbox. For example, the main rotor of a helicopter is driven via a bevel gear, the propeller of an aircraft or the engine blades of a jet aircraft are driven via a spur gear. The mass flow is directed through the turbine radially to the shaft. At this point there is a decisive disadvantage of positive pressure turbines compared to pulse turbines: compared to positive pressure turbines with the same dimensions, pulse turbines have a higher power output at the same speed.
Dies erklärt sich wie folgt:
- Wird der Massenstrom radial durch die Turbine geleitet, so trifft dieser senkrecht auf die Rotationsfläche der Turbine auf. Bei konventionellem Luftfahrttriebwerken wird, abgesehen von einer kleinen Fläche um die Nabe, die gesamte Rotationsfläche der Turbine durchströmt, was bedeutet, dass der Massenstrom bei jeder einzelnen Triebwerksschaufel eine linienförmige Belastung über ihre gesamte Länge aufträgt.
- Die Linienlast auf jeder einzelnen Triebwerksschaufel lässt sich durch eine punktförmige resultierende Kraft ersetzen, die auf halber Länge bzw. im Bereich von 50% bis 70% des Radius an jeder Triebwerksschaufel angreift. So lässt sich der Massenstrom als Summe von Punktlasten, die zu gleichen Teilen an jeder Triebwerksschaufel im Bereich von 50% bis 70% ihres Radius wirken, beschreiben. Eine genaue Berechnung des Angriffspunktes der resultierenden Kraft ist möglich, er variiert jedoch zwischen verschiedenen Triebwerkskonstruktion, und eine exakte Beschreibung der Lage des Punktes auf der Triebwerksschaufel ist an dieser Stelle nicht von Bedeutung. Entscheidend für die weitere Betrachtung ist die Tatsache, dass der Angriffspunkt der resultierenden Kraft sich nicht am äußeren Rand der Triebwerksschaufel befindet und somit nicht ihr voller Radius ausgenutzt werden kann. Daraus ergibt sich, dass die Resultierende Kraft des Massenstroms an einem geringeren tatsächlich wirksamen Radius angreift und daher auch ein geringeres Drehmoment in der Nabe erzeugt, als wenn die Resultierende Kraft am Rand der Rotationsfläche angreifen würde. Ein weiterer Aspekt, der bei radialer Massenstromeinleitung zu geringerer Leistungsabgabe der Turbine führt, besteht darin, dass die Rotationsfläche senkrecht zur Strömungsrichtung steht. Die Flächen der Triebwerksschaufeln sind dabei angestellt zur Strömungsrichtung, so dass bei Auftreffen des Massenstroms Axiale Kräfte entstehen, die die Turbine in Rotation versetzen.
- Dieses Phänomen wird als Reaktionsgrad beschrieben. Da die Wirkungsrichtungen von radialen und axialen Kräften senkrecht zu einander stehen, wird bei Turbinen dieser Bauart meist
ein Reaktionsgrad von 0,5 realisiert.
- If the mass flow is passed radially through the turbine, it hits the rotating surface of the turbine perpendicularly. In conventional aircraft engines, apart from a small area around the hub, the entire rotating surface of the turbine flows through, which means that the mass flow applies a linear load to each individual engine blade over its entire length.
- The line load on each individual engine blade can be replaced by a point-like resultant force that acts on each engine blade at half the length or in the range of 50% to 70% of the radius. The mass flow can be described as the sum of point loads that act equally on each engine blade in the range of 50% to 70% of its radius. An exact calculation of the point of application of the resulting force is possible, but it varies between different engine designs, and an exact description of the position of the point on the engine blade is not important at this point. The decisive factor for further consideration is the fact that the point of application of the resulting force is not located on the outer edge of the engine blade and therefore its full radius cannot be used. This means that the resultant force of the mass flow acts on a smaller actually effective radius and therefore also generates a lower torque in the hub than if the resultant force were to act on the edge of the surface of rotation. Another aspect that leads to a lower power output of the turbine when the mass flow is introduced radially is that the surface of rotation is perpendicular to the direction of flow. The surfaces of the engine blades are positioned in relation to the direction of flow, so that when the mass flow hits, axial forces arise that set the turbine in rotation.
- This phenomenon is described as the degree of reaction. Since the directions of action of radial and axial forces are perpendicular to each other, turbines of this type usually achieve a degree of reaction of 0.5.
Bei Impulsturbinen treten diese Phänomene in dieser Form nicht auf. So erfolgt die Einleitung des Massenstroms senkrecht zur Rotationsachse, d.h. die Strömungsrichtung liegt plan in der Rotationsebene. Dadurch entfaltet die rotationserzeugende Kraftkomponente des Massenstroms eine bedeutend höhere Wirkung als bei einer Überdruckturbine mit einem Reaktionsgrad von 0,5. Zudem greift der Massenstrom am Rand der Rotationsfläche an. Das dadurch erzeugte Drehmoment in der Nabe wird dabei über die gesamte Länge des Radius erzeugt und erreicht somit einen bis zu doppelt so hohen Wert als wenn der Massenstrom nur an der Hälfte des Radius angreifen würde. So erklärt sich, dass Gleichdruckturbinen bei gleicher Drehzahl eine bis zu doppelt so hohe Leistungsabgabe aufweisen wie Überdruckturbinen mit gleicher Abmessung. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass verglichen mit einer Überdruckturbine weniger Kraft zum Antrieb einer Gleichdruckturbine benötigt wird. Eine Impulsturbine, wie sie in einem IRS-Triebwerk verwendet wird, besitzt eine ähnliche Form wie eine Pelton-Turbine. Eine Pelton-Turbine ist eine moderne Wasserrad-Konstruktion. Vergleichbar mit einem bekannten Wassermühlrad, bei welchem das eingeleitete Wasser nicht zusätzlich beschleunigt wird, wird eine Pelton-Turbine durch einen Wasserstrom, der sich in der Rotationsebene bewegt, angetrieben. Das Prinzip lässt sich auf das IRS-Triebwerk übertragen. Für die Impulsturbine wird ein Wirkungsgrad ηTurbine von 90%, vergleichbar mit einer Pelton-Turbine, angenommen.These phenomena do not occur in this form in impulse turbines. The introduction of the mass flow takes place perpendicular to the axis of rotation, ie the direction of flow lies flat in the plane of rotation. As a result, the rotational force component of the mass flow develops a significantly greater effect than in the case of an overpressure turbine with a degree of reaction of 0.5. In addition, the mass flow attacks the edge of the surface of rotation. The torque thus generated in the hub is generated over the entire length of the radius and thus reaches a value that is up to twice as high as if the mass flow would only act on half the radius. This explains why constant pressure turbines at the same speed have a power output that is up to twice as high as overpressure turbines with the same dimensions. Conversely, this means that compared to an overpressure turbine, less power is required to drive a constant pressure turbine. A pulse turbine, as used in an IRS engine, has a similar shape to a Pelton turbine. A Pelton turbine is a modern water wheel design. Comparable to a known water mill wheel, in which the introduced water is not additionally accelerated, a Pelton turbine is driven by a water flow that moves in the plane of rotation. The principle can be transferred to the IRS engine. An efficiency η turbine of 90%, comparable to a Pelton turbine, is assumed for the impulse turbine.
Ein bestimmender Faktor ist bei einem IRS-Triebwerk die Drehzahl der Impulsturbine. Um hier einen Maximalwert abschätzen zu können, ist es sinnvoll, sich an aktuellen im Einsatz befindlichen Luftfahrt-Triebwerken zu orientieren. In einem modernen CFM LEAP-Triebwerk liegt die maximale Drehzahl im Hochdruck-Verdichter bei
Ähnlich wie bei der Abschätzung der maximal möglichen Drehzahl lässt sich der maximale Wert der Strömungsgeschwindigkeit abschätzen. Aus der Überlegung, dass die erzeugte Schubkraft das Produkt aus Massenstrom ṁT und der Strömungsgeschwindigkeit vs darstellt, lässt sich ableiten, dass mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit vs der benötigte Massenstrom abnimmt und sich damit auch der Treibstoffverbrauch reduziert. Dabei spielen folgende Überlegungen eine Rolle: Zum Einen wird die Festigkeit des verwendeten Werkstoffs einbezogen, zum Anderen die Strömungsgeschwindigkeit in anderen Systemen. Bei Raketentriebwerken, wie sie in der Raumfahrt verwendet werden, lassen sich Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu
Beim Einsatz einer Titanlegierung werden üblicherweise Festigkeitswerte zwischen
Unter Einbeziehung der Festigkeit einer solche Turbinenschaufel ergibt sich somit:
Ein weiteres Beispiel für eine hohe Strömungsgeschwindigkeit stellt der Gasdrucklader in einer Schusswaffe oder auch der beschleunigte Kolben in einem Kfz-Motor dar. Dabei werden tatsächlich sich ausdehnende Gase dazu verwendet, weitere Körper zu beschleunigen - einerseits das Projektil, andererseits den Kolben im Zylinder. Bei einem Kfz-Zylinder lässt sich beispielsweise für einen BMW M40 eine Drehzahl von
Des Weiteren ist der Radius der Impulsturbine von entscheidender Bedeutung. Die Drehzahl der Turbine wird mit maximal
Unter Berücksichtigung der Annahme, dass im laufenden Betrieb höchstwahrscheinlich nicht die absolut höchstmögliche Drehzahl ausgenutzt wird und eine Abregelung etwas unterhalb dieses Wertes erfolgt, wird im Weiteren
Es gilt:
Unter Umständen ist es notwendig, die hohe Drehzahl der Impulsturbine auf die maximale Drehzahl der Antriebseinheit, namentlich des Hauptrotors, Propellers etc., zu reduzieren. Um dies zu gewährleisten, ist die Verwendung eines Stirnradgetriebes zwischen Impulsturbine und Antriebswelle erforderlich. Der Wirkungsgrad eines mehrstufigen Stirnradgetriebes liegt in aller Regel bei ca. 90%. Kombiniert mit einer Impulsturbine kann in einer ersten Überlegung von einem finalen Wirkungsgrad von 70-80% für die gesamte Triebwerkskonstruktion ausgegangen werden. In diesem Falle muss der Wirkungsgrad des Getriebes mit in die Berechnung des Drehmomentes M einfließen. Drehmoment M und Drehzahl n werden im Weitern mit dem Index I versehen, wenn sie die Drehzahl oder das Drehmoment der Impulsturbine beschreiben.
Als Wirkungsgrad wird Gesamtwirkungsgrad des Getriebes betrachtet, der sich aus den Wirkungsgraden der Zahnräder, der Lagerung sowie dem der Welle ergibt, potenziert mit der Anzahl der Getriebestufen:
Die einzelnen Wirkungsgrade werden hier jeweils mit η = 0,9825 angenommen. Moderne Getriebe können in jeder ihrer Komponenten Werte bis zu η = 0,99 erreichen. (Quelle: https://www.johannes-strommer.com/rechner/zugkraft-und-leistung-geschwindigkeit/wirkungsgrad/; 23.10.2018, 18:10 Uhr) In einem IRS-Triebwerk werden üblicherweise 2-Stufen- oder 3-Stufen-Getriebe verwendet werden.The individual efficiencies are assumed here with η = 0.9825. Modern transmissions can achieve values of up to η = 0.99 in each of their components. (Source: https://www.johannes-strommer.com/rechner/zugkraft-und-leistungs- punishment / efficiency / efficiency /; October 23, 2018, 6:10 p.m.) In an IRS engine, 2-speed or 3-speed engines are usually -Step gears are used.
So ergibt sich für ein 2-Stufen-Getriebe:
Für ein 3-Stufen-Getriebe ergibt sich:
Das Übersetzungsverhältnis gibt an, wie sehr sich die Drehzahl in jeder Stufe erhöht. Übliche Werte liegen hierbei im Bereich von 3 bis 5. Die Gesamtübersetzung errechnet sich wie folgt:
Der genaue Wert der einzelnen Übersetzungen ist von Triebwerk zu Triebwerk verschieden.The exact value of the individual gear ratios differs from engine to engine.
Wenn die Zusammensetzung des Treibstoff-Luft-Gemischs bekannt ist, lässt sich daraus eine ungefähre Aussage zum Treibstoffverrauch eines Triebwerks treffen.If the composition of the fuel-air mixture is known, an approximate statement can be made about the fuel consumption of an engine.
Ein Luftfahrt-Triebwerk weist beim Verhältnis von durchströmender Luftmasse zu verbrauchtem Treibstoffgewicht meist einen Wert zwischen 50:1 und 200:1 auf.An aviation engine usually has a ratio of air mass flowing through to fuel weight consumed between 50: 1 and 200: 1.
Ein TV2-117-Triebwerk beispielsweise hat bei voller Leistung einen Luftdurchsatz ṁLuft = 8,165 kg/s und einen Treibstoffverbrauch ṁKerosin = 454,772 kg / h. (Quelle: http://www.jet-engine.net/miltsspec.html; 09.10.2018, 09:50 Uhr)
Ein Ivchenko AI-20D-Triebwerk verbraucht bei voller Leistung ṁKerosin = 980,850 kg/h bei einen Luftdurchsatz von ṁLuft= 20,865249 kg/s. (Quelle: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; 23.10.2018, 19:00 Uhr)
Ein Soloviev D-30KP-Triebwerk weist bei voller Leistung einen Luftdurchsatz ṁLuft = 290,0 kg/s und einen Treibstoffverbrauch ṁKerosin = 5773,0 kg/h auf. (Quelle: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; 23.10.2018, 19:00 Uhr)
Das Verhältnis
Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Werte
Für eine etwaige Angabe dieser Werte, muss der verwendete Kraftstoff hinsichtlich seiner Dichte und seines Heizwertes betrachtet werden. Als Hilfsgröße lässt sich der Heizwert eines Kraftstoffes als Geschwindigkeit vT darstellen. Das heißt: Würde sich die gesamte in 1,0kg Kraftstoff gespeicherte Energie vollständig in kinetische Energie umgewandelt, so lässt sich diese Größe als Geschwindigkeit vT darstellen. Bei Kerosin wird die Dichte mit
Bei Wasserstoff hingegen beträgt die Dichte
Um zu ermitteln, wie sich der Faktor
In vergleichbarer Weise würde sich der Faktor
Diese Formeln beschreiben die Tatsache, dass der gewählte Kraftstoff einen beträchtlichen Einfluss auf den Verbrauch eines Triebwerks hat. In den folgenden Kapiteln werden die einzelnen Unterklassen der IRS-Triebwerksreihe näher beschrieben.These formulas describe the fact that the selected fuel has a considerable influence on the consumption of an engine. The individual subclasses of the IRS engine series are described in more detail in the following chapters.
Hubschrauber können der Problematik schwach ausgebauter Infrastruktur besser begegnen als Flächenflugzeuge. Durch technische Weiterentwicklung können Hubschrauber besonders im Regionalverkehr und im Mittelstreckenbereich eine Alternative zu Flächenflugzeugen darstellen. Mit der Einführung eines IRS-Triebwerks ist es möglich, ihrem hohen Treibstoffverbrauch entgegenzuwirken.Helicopters can better deal with the problem of poorly developed infrastructure than fixed-wing aircraft. Thanks to further technical development, helicopters can represent an alternative to fixed-wing aircraft, especially in regional and medium-haul transport. With the introduction of an IRS engine it is possible to counteract their high fuel consumption.
Ein IRS-Triebwerk, das als Hubschraubertriebwerk gestaltet ist, wird als „Impulsturbinen-Hubschraubertriebwerk“, kurz „IHT-Triebwerk“ bezeichnet. Ihm liegt die Idee zu Grunde, eine Impulsturbine im Gehäuse des Motors so zu positionieren, dass diese über eine Welle und gegebenenfalls über ein zusätzliches Stirnradgetriebe den Hauptrotor antreibt. Ein Stirnradgetriebe unterscheidet sich von einem Kegelradgetriebe dadurch, dass nahezu ausschließlich radiale Kräfte auftreten. Beim Wirkungsgrad eines IRS-Triebwerks, so auch eines IHT-Triebwerks, kann in einer ersten Überlegung von einem Wert von 70-80% für die gesamte Triebwerkskonstruktion ausgegangen werden.An IRS engine that is designed as a helicopter engine is referred to as an “impulse turbine helicopter engine”, or “IHT engine” for short. It is based on the idea of positioning a pulse turbine in the housing of the motor in such a way that it drives the main rotor via a shaft and, if necessary, via an additional spur gear. A spur gear unit differs from a bevel gear unit in that radial forces occur almost exclusively. When considering the efficiency of an IRS engine, including an IHT engine, a value of 70-80% can be assumed for the entire engine design.
In
Die Strahltriebwerke des Hubschraubers und der Hauptrotor sind im Gegensatz zu konventionellen Antriebsaggregaten von Hubschraubern nicht mechanisch verbunden, die Rotation des Hauptrotors erfolgt ausschließlich aus der Rotation der Impulsturbine. Die übrigen Steuerkomponenten des Rotors wie beispielsweise die Blattverstellung oder das Kippen des Rotors werden hierbei nicht bedient. Die Steuerung des Heckrotors erfolgt ebenfalls separat von dieser Anordnung.In contrast to conventional helicopter drive units, the jet engines of the helicopter and the main rotor are not mechanically connected, the rotation of the main rotor takes place exclusively from the rotation of the impulse turbine. The other control components of the rotor, such as the blade adjustment or the tilting of the rotor, are not operated here. The tail rotor is also controlled separately from this arrangement.
Die Drehzahl des Hauptrotors erfolgt aus der Regelung der Strömungsgeschwindigkeit des Massenstroms und mit Hilfe der Übersetzung durch das Stirnradgetriebe. Die Leistung der Impulsturbine ist abhängig von ihrer Drehzahl, ihres Radius' und der durchströmenden Masse des Treibstoffs oder Treibstoff-Luft-Gemischs.The speed of the main rotor results from the regulation of the flow velocity of the mass flow and with the help of the translation through the spur gear. The performance of the impulse turbine depends on its speed, its radius and the mass of fuel or fuel-air mixture flowing through it.
Um die Leistungsfähigkeit einer solchen Konstruktion abzuschätzen, wird exemplarisch an einem Hubschraubermuster rechnerisch nachgeprüft, wie sich die Leistungsparameter zum gegenwärtig geläufigen Aufbau von Hubschrauber-Triebwerken verändern.In order to estimate the performance of such a design, a helicopter model is used to check how the performance parameters change in relation to the current design of helicopter engines.
Entscheidend für die Berechnung eines IHT-Triebwerks sind die Triebwerksleistung sowie die Hauptrotordrehzahl des entsprechenden Hubschraubermusters.
Diese beiden Werte lassen sich dann zur Berechnung als Ausgangsparameter verwenden.Diese Ausgangsparameter zu Rate ziehend lässt sich der gesamte Rechenweg bis zurück zu den Strahlturbinen, die den Treibstoffmassenstrom erzeugen, beschreiten:
These two values can then be used as output parameters for the calculation. Taking these output parameters into account, the entire calculation path back to the jet turbines, which generate the fuel mass flow, can be followed:
Als Beispiel sei ein russischer Hubschrauber vom Typ „Mil Mi-8“ gewählt.A Russian helicopter of the type "Mil Mi-8" is chosen as an example.
Eine Mi-8 wird in den meisten Fällen von zwei TV2-117A-Triebwerken angetrieben, die jeweils etwa 1670 PS liefern. Bei voller Leistung verbrauchen sie zusammen etwa 1140 Liter/Stunde. (Quelle: http://www.jet-engine.net/miitsspec.html: 02.10.2018, 20:26 Uhr)In most cases, a Mi-8 is powered by two TV2-117A engines, each delivering around 1670 hp. At full capacity, they consume a total of around 1140 liters / hour. (Source: http://www.jet-engine.net/miitsspec.html: October 2nd, 2018, 8:26 pm)
Bei diesem Hubschraubermuster sind die Triebwerke über der Cockpit-Kanzel angebracht. Diese Anordnung eignet sich besonders gut für die Verwendung eines IHT-Triebwerks. Die Impulsturbine befinde sich in diesem Fall schräg hinter der sich seitlich am Hubschraubergehäuse befindlichen, rot-abgedeckten Abgasöffnung - im Turbinengehäuse direkt unter dem Hauptrotor.In this type of helicopter, the engines are mounted above the cockpit canopy. This arrangement is particularly well suited for the use of an IHT engine. In this case, the impulse turbine is located diagonally behind the red-covered exhaust opening on the side of the helicopter housing - in the turbine housing directly under the main rotor.
Um den zu erwartenden Treibstoffverbrauch abzuschätzen, wird mit einer Impulsturbine gerechnet, die 1670 PS leistet. Unter der Annahme, dass zwei TV2-117A-Triebwerke jeweils nur 50% von 1670 PS als Antriebsleistung erbringen (Reaktionsgrad = 0,5; s. S. 15), wird nur eine Impulsturbine mit einer Leistung von 1670 PS benötigt.
Zur Ermittlung der benötigten Kraft F wird zunächst das benötigte Drehmoment MI, das sich aus der gegebenen Leistung von 1670 PS und der Drehzahl der Turbine zusammensetzt. Die Drehzahl der Turbine wird mit dem maximal möglichen Wert von
Um den zu erwartenden Treibstoffverbrauch abzuschätzen, wird mit einer Impulsturbine gerechnet, die 1670 PS leistet.
Die Kraft F ist der Quotient aus dem Drehmoment MI und dem Radius der Impulsturbine r. Für den Radius kann hier ein Wert aus verschiedenen Faktoren gewonnen werden. Die Impulsturbine ist in ihrem Durchmesser lediglich durch die Abmessungen des umgebenden Gehäuses begrenzt und gleichzeitig wird ein größtmöglicher Radius bevorzugt. Das bedeutet, dass die Impulsturbine im optimalen Fall nur wenige Zentimeter oder Millimeter in ihrem Durchmesser misst als die innere Ausdehnung des Gehäuses. Für eine Mi-8 kann in diesem Fall die Abmessung der Triebwerke als Referenzgröße dienen: Beide Triebwerke sind nebeneinander angeordnet und haben jeweils einen Durchmesser von 55 Zentimetern. In späteren Modellen weisen die Triebwerke, Triebwerke vom Typ TV3-117, einen Durchmesser von 66 cm auf. Daher kann angenommen werden, dass das Triebwerksgehäuse in seiner Breite ca. 132 cm misst. Wenn beim Durchmesser der Impulsturbine von einer Abweichung um 6mm ausgegangen wird, so kann man einen Radius r von 65,7cm angeben.The force F is the quotient of the torque M I and the radius of the impulse turbine r. For the radius, a value can be obtained from various factors. The diameter of the impulse turbine is limited only by the dimensions of the surrounding housing, and at the same time the largest possible radius is preferred. This means that in the optimal case the impulse turbine measures only a few centimeters or millimeters in diameter than the internal dimension of the housing. In this case, the dimensions of the engines can serve as a reference value for a Mi-8: Both engines are arranged next to one another and each have a diameter of 55 centimeters. In later models, the engines, type TV3-117, have a diameter of 66 cm. It can therefore be assumed that the engine casing measures approx. 132 cm in width. If a deviation of 6mm is assumed for the diameter of the impulse turbine, a radius r of 65.7cm can be specified.
Eingangs wurde gezeigt, dass bei Impulsturbinen mit Radien kleiner als r = 0,779m die höchstmögliche Drehzahl der Impulsturbine zur Berechnung des Treibstoffs zu Rate gezogen werden kann - so auch in diesem Fall.
Um einer Impulsturbine mit der Drehzahl
Diese Kraft ergibt sich aus der Strömungsgeschwindigkeit vs des Treibstoff-Luft-Gemischstroms ṁT. Diese ist gleichzusetzen mit der Austrittsgeschwindigkeit des Massenstroms aus den Strahltriebwerken. Wenn ein konventionelles Strahltriebwerk wie z.B. ein D-20P-Triebwerk verwendet wird, welches bei voller Leistung einen Luftdurchsatz von ṁLuft= 112,9445 kg/s und einen Treibstoffverbrauch von 3350,0 kg/h aufweist und dabei eine Kraft von 52974 N erzeugt (Quelle: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; 24.10.2018, 13:32 Uhr), so beträgt diese Geschwindigkeit vs annähernd:
Aus der Strömungsgeschwindigkeit vs, zugleich die Umfangsgeschwindigkeit der Impulsturbine, lässt sich die Drehzahl der Impulsturbine berechnen:
Die benötigte Kraft F beträgt sodann:
Es zeigt sich:
Ein Strahltriebwerk wie vom Typ eines D-20P-Triebwerks liefert genügend Kraft, um eine Impulsturbine von zuvor beschriebener Konstruktion anzutreiben. Als Strahltriebwerk zum Antrieb dieser Impulsturbine lässt sich daher ein Triebwerk verwenden, welches den Leistungsparameter nach einem D-20P-Triebwerk entspricht, jedoch konstruktiv so angepasst ist, dass die Austritts-/Strömungsgeschwindigkeit vs beibehalten wird, während die erzeugte Kraft F lediglich 3826,2132 N erzeugt. Dies lässt beispielsweise realisieren, in dem D-20P-Triebwerk in exakter Kopie unter Beibehaltung aller Größen- und Längenverhältnisse, jedoch in geringerer Dimension ausgeführt wird. Durch die Verringerung der Abmessungen der Brennkammer und des Lufteinlasses ist der maximale Rauminhalt des Triebwerks geringer und es wird weniger Schubkraft erzeugt als im Original-Triebwerk. Da jedoch alle Abstandsverhältnisse innerhalb des Triebwerks beibehalten werden, verändern sich die Leistungsparameter nicht und die Strömungsgeschwindigkeit vs bleibt unverändert.A jet engine such as a D-20P engine provides sufficient power to drive an impulse turbine of the construction previously described. As a jet engine for driving this impulse turbine, an engine can therefore be used which corresponds to the performance parameters of a D-20P engine, but is structurally adapted in such a way that the exit / flow velocity v s is maintained, while the force F generated is only 3826, 2132 N generated. This can be realized, for example, in the D-20P engine in an exact copy while maintaining all size and length ratios, but in a smaller dimension. By reducing the dimensions of the combustion chamber and the air inlet, the maximum volume of the engine is smaller and less thrust is generated than in the original engine. However, since all distance relationships within the engine are retained, the performance parameters do not change and the flow velocity v s remains unchanged.
Aus der so ermittelten Kraft F und der Strömungsgeschwindigkeit vs lässt sich nun der Massenstrom des Treibstoffgemischs ṁT errechnen.
Der Massenstrom ṁT setzt sich aus der Masse der Luft und der des beigemischten Kraftstoffs, wobei das Verhältnis beider Stoffe
Aus diesem Resultat lässt sich schließlich der Treibstoffverbrauch ṁKerosin ermitteln.
Die Gleichung
Die Kraft F ist durch die vorangegangenen Berechnungen bereits vorgegeben. Der Treibstoffverbrauch in Relation zur zeitgleich strömenden Luftmasse ṁLuftist durch den Term
Unter Einbeziehung der Strömungsgeschwindigkeit vs, der benötigten Kraft F sowie des Faktors
Als Erkenntnis lässt sich schließen: Mit Hilfe einer Impulsturbinen-Konstruktion lässt sich bei einem konventionellem Hubschrauber-Modell wie einer Mi-8 der Treibstoffverbrauch auf ca. 70% des ursprünglichen Wertes reduzieren.The conclusion can be drawn: With the help of a pulse turbine construction, the fuel consumption of a conventional helicopter model such as the Mi-8 can be reduced to approx. 70% of the original value.
Es gilt anzumerken, dass alle verwendeten Werte auf groben Schätzungen beruhen und stark von real verwendeten Bauteilen abhängig sind. So kann sich der Treibstoffverbrauch real noch erhöhen. Wird in der oben beschriebenen Rechnung eine weitere Getriebestufe im Stirnradgetriebe eingefügt, so erhöht sich bei gleichem Wirkungsgrad der Treibstoffverbrauch auf ca.
Die verschiedenen IRS-Triebwerkskonstruktionen, namentlich die IHT-Triebwerke, TPI- sowie die übrigen IRS-Triebwerkskonstruktionen, zielen auf eine optimale Effizienzsteigerung des gesamten Antriebs ab, daher ist von der Verwendung von Maschinenelementen mit hohen Wirkungsgraden auszugehen.The various IRS engine designs, namely the IHT engines, TPI and the other IRS engine designs, aim to achieve an optimal increase in the efficiency of the entire drive, so the use of machine elements with high levels of efficiency can be assumed.
Ein IHT-Triebwerk lässt sich theoretisch auch in einem Hubschrauber verbauen, bei welchem die Anordnung der Triebwerke nicht so optimal gestaltet ist wie bei einer Mi-8. Als Beispiel hierfür lässt sich ein CH-53G-Hubschrauber anführen, wie er gegenwärtig bei der Deutschen Bundeswehr im Einsatz ist.An IHT engine can theoretically also be installed in a helicopter, in which the arrangement of the engines is not as optimal as in a Mi-8. An example of this is a CH-53G helicopter that is currently in service with the German Federal Armed Forces.
Bei diesem Muster zu klar zu sehen, dass die Triebwerke seitlich an der Rumpfzelle angebracht sind und keine gerade Verlängerung zum Gehäuse, das die Impulsturbine enthalten soll, darstellen. In diesem Fall ist die Verwendung von konventionellen Strahltriebwerken verhältnismäßig unzweckmäßig. Es ist möglich, kleine spezielle Einspritzdüsen zu verwenden, die den Treibstoff einleiten sowie Luft über Ansaugstutzen in die Triebwerke zu leiten. Daraus ergebe sich dann ein Treibstoff-Luft-Gemisch, welches schließlich über Zuleitungen in das zentrale Gehäuse zur Impulsturbine geführt wird.With this pattern it is too clear to see that the engines are attached to the side of the fuselage and are not a straight extension to the casing that is to contain the impulse turbine. In this case, the use of conventional jet engines is relatively inexpedient. It is possible to use small special injection nozzles that inject the fuel as well as direct air into the engines via intake manifolds. This then results in a fuel-air mixture, which is finally fed via feed lines into the central housing to the impulse turbine.
Bei der CH-53G, wie sie bei der Bundeswehr in Diensten steht, handelt es sich um eine Lizenzproduktion des amerikanischen Sikorsky S-65. Die Triebwerke werden von MTU hergestellt und als T64-MTU-7 bezeichnet. Sie leisten bei Startleistung jeweils 3975 PS und verbrauchen ca. 1000 Liter pro Stunde.The CH-53G, as it is in service with the German Armed Forces, is a license production of the American Sikorsky S-65. The engines are manufactured by MTU and designated as T64-MTU-7. With take-off power, they each produce 3975 hp and consume approx. 1000 liters per hour.
Um in diesem Hubschrauber-Muster ein IHT-Triebwerk zu implementieren, sind Überlegungen zur Strömungsgeschwindigkeit des Massenstroms und der erzielten Leistung von vorrangiger Bedeutung.In order to implement an IHT engine in this helicopter model, considerations regarding the flow velocity of the mass flow and the power achieved are of primary importance.
Die Triebwerksparameter wie Radius r der Impulsturbine, ihre Drehzahl, ergeben sich aus den konstruktiven Gegebenheiten.The engine parameters such as the radius r of the impulse turbine and its speed result from the structural conditions.
Der Radius r lässt sich anhand der Abmessungen des Triebwerksgehäuses abschätzen. Die gesamte Breite der Rumpfzelle ohne Triebwerke beträgt ca. 2,80 m, daher lässt sich für die Breite des Turbinengehäuses ein Breite von 1,50 m annehmen. Für den Durchmesser der Impulsturbine erfolgt daher eine Annahme von 1,25 m und für ihren Radius r ergibt sich schließlich ein Wert von 0,625 m.The radius r can be estimated from the dimensions of the engine casing. The entire width of the fuselage cell without engines is approx. 2.80 m, therefore a width of 1.50 m can be assumed for the width of the turbine housing. An assumption of 1.25 m is therefore made for the diameter of the impulse turbine and a value of 0.625 m is ultimately obtained for its radius r.
Für die Strömungsgeschwindigkeit vs, der Durchflussgeschwindigkeit des Treibstoffstroms sind ebenfalls nur Schätzungen möglich:
- Ein Strahltriebwerk konventionellen Typs lässt sich in einem CH-53G-Hubschrauber schlecht verwenden, anstelle dessen werden spezielle Einspritzdüsen verwendet.
- Daher wird in diesem Fall eine höhere Strömungsgeschwindigkeit angenommen als bei einem Strahltriebwerk, bei dem sich die Werte der Geschwindigkeit vs üblicherweise zwischen
- A conventional type of jet engine is difficult to use in a CH-53G helicopter and special fuel injectors are used instead.
- In this case, therefore, a higher flow velocity is assumed than in the case of a jet engine, in which the values of the velocity v s are usually between
Auf Grund des hohen Übersetzungsverhältnisses von
Das Übersetzungsverhältnis gibt an, wie sehr sich die Drehzahl in jeder Stufe erhöht. Übliche Werte liegen hierbei im Bereich von 3 bis 5. Die Gesamtübersetzung errechnet sich wie folgt:
Es gilt in diesem Fall:
Wenn für jede Stufe beispielsweise ein Wert von ik ≈ 4,7 eingesetzt wird, so ergibt sich eine Gesamtübersetzung von iges = 103,823. Für die Drehzahl der Impulsturbine bedeutet das: nI = iges * n = 103,823 * 3,083 ≈ 320,0. Das bedeutet, ein 3-Stufen-Getriebe ist für die Realisierung dieses IHT-Triebwerks ausreichend.For example, if a value of i k ≈ 4.7 is used for each stage, so an overall translation results from i ges = 103.823. For the speed of the impulse turbine this means: n I = i total * n = 103.823 * 3.083 ≈ 320.0. This means that a 3-stage gearbox is sufficient for realizing this IHT engine.
Für die Strömungsgeschwindigkeit vs in der Impulsturbine gilt:
Die benötigte Kraft ergibt sich wie folgt:
Die maximal zulässige Krafteinwirkung auf eine Turbinenschaufel beträgt 47123 N (s. S. 17) und liegt damit weit über der tatsächlichen Krafteinwirkung bei einer Strömungsgeschwindigkeit vs von
Für den Treibstoffverbrauch folgt dann:
Der Treibstoffverbrauch lässt sich erkennbar auf unter 50% unter gegebenen Umständen senken.The fuel consumption can be reduced noticeably to below 50% under given circumstances.
Vergleichsüberlegungen mit beispielsweise einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit von nur 470,000
Da Starrflügelflugzeuge ökonomischer arbeiten als vergleichbare Hubschrauber, wird ihre Bedeutung besonders im überregionalen Langstreckenverkehr und bei lang andauernden Spezialeinsätzen in Zukunft sehr wahrscheinlich zunehmen. Statistisch gesehen ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt die Gruppe der Strahltriebwerke am effizientesten im Hochgeschwindigkeitsbetrieb, während von Kolbenmotoren angetriebene Flugzeuge wie eine Cessna C172 für den untersten Geschwindigkeitsbereich am besten geeignet sind. Der Geschwindigkeitsbereich von Turboprop-Maschinen wie der A400M bewegt sich relativ mittig zwischen dem von Strahltriebwerken und dem von Kolbenmotoren. Bei Turboprop-Triebwerken spricht man sehr selten von einem Nebenstrom-Verhältnis, da der Propeller keine Ummantelung aufweist und der durch die Propeller strömende Luftmassenstrom daher auch nicht durch das Triebwerk geleitet wird. Das „Nebenstrom-Verhältnis“ bei Turboprop-Triebwerken beschreibt in diesem Zusammenhang das Verhältnis der von dem Propeller-Luftmassenstrom und der vom Kernstrom erbrachten Schubleistung. Typischerweise liegt dieses Verhältnis bei ca. 10/1 bis teilweise 40/1. Diese Tatsache weist auf den verhältnismäßig geringen Treibstoffverbrauch von Turboprop-Triebwerken hin. Zugleich sind die meisten derzeitig im Einsatz befindlichen Turboprop-Triebwerke allerdings nur für geringere Flughöhen geeignet als Strahltriebwerke. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass sie zur Erbringung ihrer vollen Schubleistung einen höheren Luftdurchsatz aufweisen und daher auf einen höheren Luftdruck angewiesen sind. Darüber hinaus erreichen sie in den meisten Fällen nicht die gleiche Schubleistung wie Strahltriebwerke vergleichbarer Größe, was demzufolge die Flugleistung der meisten Turboprop-Maschinen einschränkt.Since fixed-wing aircraft work more economically than comparable helicopters, their importance is very likely to increase in the future, especially in long-haul transport and long-term special missions. Statistically, at the present time the group of jet engines is most efficient in high-speed operation, while aircraft powered by piston engines such as a Cessna C172 are best suited for the lowest speed range. The speed range of turboprop machines like the A400M is relatively midway between that of jet engines and that of piston engines. In the case of turboprop engines, a bypass ratio is very seldom used, since the propeller has no casing and the air mass flow flowing through the propeller is therefore not directed through the engine. In this context, the “bypass ratio” in turboprop engines describes the ratio of the propeller air mass flow and the thrust provided by the core flow. This ratio is typically around 10/1 to sometimes 40/1. This fact points to the relatively low fuel consumption of turboprop engines. At the same time, most of the turboprop engines currently in use are only suitable for lower altitudes than jet engines. This is due to the fact that they have a higher air throughput in order to achieve their full thrust and are therefore dependent on a higher air pressure. Furthermore, in most cases they do not achieve the same thrust performance as jet engines of comparable size, which consequently limits the flight performance of most turboprop aircraft.
Die effizientesten Turboprop-Triebwerke der Geschichte sind das sowjetische MK-12MV, das bei der ukrainischen Antonov An-22 bis heute im Einsatz ist, sowie das EPI TP400, das den A400M antreibt. Beide Triebwerke ermöglichen Flugleistungen, die mit strahlgetriebenen Mittelstreckenflugzeugen vergleichbar sind. Auf Rekordflügen wurden mit anderen Turboprop-Flugzeugen auch Flughöhen von 13000m erreicht, was die maximale Flughöhe vieler strahlgetriebener Mittelstrecken-Flugzeuge mit vergleichbarem Gewicht und vergleichbarer Reichweite überragt. Turboprop-Triebwerke lassen sich damit sehr gut für eine Konstruktion, die sowohl im oberen als auch im unteren Geschwindigkeitsbereich operieren kann, in Betracht ziehen.The most efficient turboprop engines in history are the Soviet MK-12MV, which is still in service with the Ukrainian Antonov An-22, and the EPI TP400, which powers the A400M. Both engines enable flight performances that are comparable to jet-powered medium-haul aircraft. On record flights, other turboprop aircraft also reached altitudes of 13,000m, which is higher than the maximum altitude of many jet-powered medium-haul aircraft with a comparable weight and range. Turboprop engines can therefore be considered very well for a design that can operate in both the upper and lower speed ranges.
Um diese Triebwerke weiter zu optimieren, lässt sich hier ebenfalls die Idee einer Impulsturbine anwenden. Eine solche Konstruktion wird „Turboprop-Impulsturbinen-Triebwerk“, kurz „TPI-Triebwerk“, bezeichnet.In order to further optimize these engines, the idea of a pulse turbine can also be used here. Such a construction is called a “turboprop impulse turbine engine”, or “TPI engine” for short.
Die Funktionsweise eines solchen TPI-Triebwerks knüpft hierbei an die Beschreibung des IHT-Triebwerks an: Eine Impulsturbine wird hierbei im Inneren des Turbinengehäuses in vertikaler Ausrichtung angebracht, von einem Massenstrom angetrieben und betätigt über ein Mehr-Stufen-Getriebe schließlich den Propeller.The mode of operation of such a TPI engine is linked to the description of the IHT engine: a pulse turbine is installed in the interior of the turbine housing in a vertical orientation, driven by a mass flow and finally actuates the propeller via a multi-stage gearbox.
In der
Eine Besonderheit bei einem TPI-Triebwerk ergibt sich aus der Tatsache, dass der Luftstrom und die Rotationsachse der Impulsturbine in einer Ausrichtung liegen. Die Rotationsebene der Impulsturbine steht daher senkrecht zur Flugrichtung des LFZ. Für die angesaugte Luftmasse bedeutet das, dass diese bzw. das Treibstoff-Luft-Gemisch bogenförmig, um 90° umgelenkt, in die Impulsturbine geleitet wird. Dadurch können im Massenstrom Reibungsverluste auftreten, die bei einem gradlinigen Verlauf wie in einem IHT-Triebwerk entfallen. Bei entsprechender Materialauswahl und weit ausladender bogenförmiger Kanalführung sind diese Verluste jedoch sehr begrenzt.A special feature of a TPI engine results from the fact that the air flow and the axis of rotation of the impulse turbine are aligned. The plane of rotation of the impulse turbine is therefore perpendicular to the flight direction of the aircraft. For the sucked-in air mass, this means that it or the fuel-air mixture is guided in an arc-shaped manner, deflected by 90 °, into the impulse turbine. As a result, friction losses can occur in the mass flow, which do not occur with a straight course as in an IHT engine. With the appropriate choice of material and wide arcuate ducting, however, these losses are very limited.
Im Vergleich zu gegenwärtig eingesetzten Turboprop-Triebwerken wird bei einem TPI-Triebwerk kein Kernstrom erzeugt. Die Vortriebsleistung erfolgt, wie bei einem Flugzeug mit Kolbenmotor, ausschließlich aus der Leistung des Propellers. Daher fällt bei einem TPI-Triebwerk die Komponente der Vortriebskraft weg, die sich aus dem Kernstrom ergibt. Bei einem Verhältnis von ca. 10/1 bis teilweise 40/1 ergäbe dies Vortriebseinbußen von 2,5 - 10%. Dies lässt sich aber durch eine höhere Leistung eines TPI-Triebwerks sowie einer höheren Drehzahl des Propellers bzw. längeren Propellerblättern ausgleichen.Compared to currently used turboprop engines, no core flow is generated in a TPI engine. As in an airplane with a piston engine, the propulsive power comes exclusively from the power of the propeller. In a TPI engine, therefore, the propulsion force component that results from the core flow is omitted. With a ratio of approx. 10/1 to partially 40/1, this would result in losses in propulsion of 2.5 - 10%. However, this can be compensated for by a higher performance of a TPI engine and a higher speed of the propeller or longer propeller blades.
Die hohen Drehzahlen ergeben sich aus der Tatsache, dass bei TPI-Turbinen die Radien meist geringer sind als bei IHT-Triebwerken, während die geforderte Leistung meist darüber liegt.The high speeds result from the fact that the radii of TPI turbines are usually smaller than those of IHT engines, while the required power is usually higher.
Als Beispiel für eine mögliche Anwendung soll hier ein TP400 dienen. Dieses zählt heutzutage zu den leistungsstärksten Turboprop-Triebwerken und wird am Airbus A400M eingesetzt, ein militärisches Transportflugzeug.A TP400 should serve as an example of a possible application. Today, this is one of the most powerful turboprop engines and is used on the Airbus A400M, a military transport aircraft.
Bei diesem Triebwerk ist an der unteren Seite der Lufteinlass zu erkennen. Im Beispiel mit einem TPI-Triebwerk schließt sich ein Staustrahltriebwerk an, welches die Luftmasse, die schließlich mit dem Treibstoff gemischt wird, in die Impulsturbine leitet.The air inlet of this engine can be seen on the lower side. In the example with a TPI engine, this is followed by a ramjet engine, which directs the air mass, which is finally mixed with the fuel, into the impulse turbine.
Bei einem EPI TP400 beträgt der Durchmesser etwa 0,92m. Für einen möglichen Radius r der Impulsturbine ergibt sich dann mit Abzug von wenigen Zentimetern etwa r = 0,452 m. Die Leistung eines TP400 wird auf 8000PS im Reiseflug geschätzt, vergleichbar mit einem sowjetischen NK-12MV-Triebwerk. Dieses leistet in 36100 Fuß Höhe 8000PS und bewegt sich insgesamt im Leistungsspektrum leicht über dem des TP400.
Im Reiseflug verbraucht ein A400M mit Standard-TP400-Triebwerken etwa
Mit Hilfe der gegebenen Daten lässt sich nun der Treibstoffverbrauch abschätzen, wenn ein TPI-Triebwerk an dieser Stelle zum Einsatz kommt. Zunächst wird dafür das benötigte Drehmoment berechnet. Für die Strömungsgeschwindigkeit in der Impulsturbine wird hier die höchstangenommene mögliche Drehzahl eingesetzt:
Anders als in einem IHT-Triebwerk lässt sich in einem TPI-Triebwerk ein Getriebe mit nur 2 Stufen einsetzten, da die notwendige Übersetzung von Impulsturbinendrehzahl zur Propellerdrehzahl nicht so hoch ist wie in einem IHT-Triebwerk. Bei einem TP400 liegt die maximale Drehzahl des Propellers bei
Ein 2-Stufen-Getriebe ist daher ausreichend, um die Drehzahl der Impulsturbine in die des Propellers zu übersetzen. Für den Wirkungsgrad des Getriebes gilt:
Für das Drehmoment folgt schließlich:
Die benötigte Kraft ergibt sich wie folgt:
Für den Treibstoffverbrauch folgt dann:
Die Einsparungen sind nicht mit denen von IHT-Triebwerken zu vergleichen, jedoch bemerkenswert hoch. Bei dem gezeigten Beispiel stellen die
Bei einem anderen Beispiel wie einem ukrainischen AI-20-Triebwerk wird weniger Leistung in einem größeren Triebwerk erzeugt.Another example, such as a Ukrainian AI-20 engine, produces less power in a larger engine.
Bei einem AI-20 handelt es sich um ein ukrainisches, ehemals sowjetisches, Triebwerk, das in den 1950er Jahren entwickelt wurde. Es wird heutzutage noch an Flugzeugen wie der Antonov An-12 eingesetzt.An AI-20 is a Ukrainian, formerly Soviet, engine that was developed in the 1950s. It is still used today on aircraft such as the Antonov An-12.
An der unteren Seite der Triebwerke sind die Luftansaugstutzen zu erkennen, die den Luftstrom ins Innere der Turbinen leiten. Im Falle eines TPI-Triebwerks befände sich an dieser Stelle die Impulsturbine.On the lower side of the engines, the air intake ports can be seen, which direct the air flow into the interior of the turbines. In the case of a TPI engine, the impulse turbine would be located at this point.
Ein solches Triebwerk leistet im Reiseflug etwa 2490PS(= 1832640W) und verbraucht dabei
Die benötigte Kraft ergibt sich wie folgt:
Die Strömungsgeschwindigkeit vs:
Unter Einbeziehung des Faktors
Dieser Wert steht zum ursprünglichen Wert in einem Verhältnis von knapp 1: 2. Mit einem TPI-Triebwerk würde eine An-12 lediglich noch 52% der Treibstoffmenge verbrauchen, um ihr derzeitiges Leistungsspektrum abdecken zu können.This value has a ratio of almost 1: 2 to the original value. With a TPI engine, an An-12 would only use 52% of the fuel to cover its current performance range.
Strahltriebwerke sind seit dem letzten Viertel des 20. Jahrhunderts als meistgenutztes Antriebssystem in der Luftfahrt etabliert. Sowohl im zivilen wie auch im militärischen Sektor haben sie die Turboprop-Antriebe weitgehend abgelöst. Sie zeichnen sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit im oberen Geschwindigkeitsbereich ab Mach 0,6 aus und vermögen in aller Regel auch in höheren Luftschichten eingesetzt zu werden als Turboprop-Triebwerke. Ihre Rolle in der Luftfahrt wird daher zukünftig wohl von zentraler Bedeutung sein. Strahltriebwerke, die im Unterschallbereich arbeiten, sind bis auf wenige Ausnahmen so konstruiert, dass ein Teil der angesaugten Luftmasse am Triebwerkskern vorbeigleitet wird. Diese Triebwerke werden als Zweistrom- oder Mantelstrom-Triebwerke bezeichnet. Folgerichtig spricht man bei der vorbeigeleiteten Luftmasse von „Mantelstrom“ oder auch „Nebenstrom“. Die Luftmasse, die durch den Triebwerkskern geleitet wird, wird als „Kernstrom“ bezeichnet. Die Luftmasse in Kern- und Nebenstrom wird durch eine Verdichterstufe beschleunigt und erzeugt beim Austritt eine rückwärts gerichtete Kraft, die nach dem Rückstoßprinzip für Vortrieb am Luftfahrzeug sorgt. Im Kernstrom wird die Luftmasse zusammen mit entzündetem Treibstoff erhitzt und beschleunigt, im Mantelstrom wird lediglich die Luftmasse verdichtet und beschleunigt. Die Turbine im Triebwerkskern treibt zu dem die Turbinenschaufeln im Niederdruckbereich an - jene, die sich in der Vorderseite des Triebwerks befinden. Heutzutage werden bei der Gestaltung von Strahltriebwerken häufig hohe Nebenstromverhältnisse angestrebt. Vergleichbar mit Turboprop-Triebwerken, wo das „Verhältnis“ größer als 10/1 ist, bedeutet das bei hohen Nebenstromverhältnissen, dass ein hoher Anteil des erzeugten Schubs aus verdichteter, beschleunigter Luft entsteht. Je höher dieser Anteil ist, desto geringer ist der Anteil des Treibstoffdurchsetzten Kernstroms und damit einhergehend ist auch der Treibstoffverbrauch gering - geringer als bei einem Einstrom-Triebwerk, wo die gesamte Luftmasse als Kernstrom durch das Triebwerk geleitet wird und die gesamte Schubkraft aus einem Treibstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird. Moderne Triebwerke wie das Rolls-Royce Trent XWB erreichen Nebenstromverhältnisse bis zu 9,6/1.Jet engines have been the most widely used propulsion system in aviation since the last quarter of the 20th century. They have largely replaced turboprop engines in both the civil and military sectors. They are characterized by a high level of economic efficiency in the upper speed range from Mach 0.6 and can usually also be used in higher air layers than turboprop engines. Your role in aviation will therefore be of central importance in the future. With a few exceptions, jet engines that operate in the subsonic range are designed in such a way that part of the air mass sucked in is bypassed by the engine core. These thrusters are known as dual-flow or bypass thrusters. Logically speaking, the bypassed air mass is referred to as “sheath flow” or “bypass flow”. The air mass that is directed through the engine core is called the “core flow”. The air mass in the core and secondary flow is accelerated by a compression stage and, when it exits, generates a backward force that drives the aircraft according to the recoil principle. In the core flow, the air mass is heated and accelerated together with ignited fuel, in the sheath flow, only the air mass is compressed and accelerated. The turbine in the engine core also drives the turbine blades in the low-pressure range - those that are in the front of the engine. Today, high bypass ratios are often sought when designing jet engines. Comparable to turbo-prop engines, where the "ratio" is greater than 10/1, with high bypass flow ratios this means that a high proportion of the thrust generated comes from compressed, accelerated air. The higher this proportion, the lower the proportion of the fuel-permeated core flow and the associated fuel consumption is low - lower than with a single-flow engine, where the entire air mass is passed through the engine as a core flow and the entire thrust comes from one fuel. Air mixture is generated. Modern engines like the Rolls-Royce Trent XWB achieve bypass ratios of up to 9.6 / 1.
IRS-Triebwerke, die als Strahltriebwerke ausgeführt sind, werden als „Strahlturbinen-Impuls-Triebwerke“ - kurz „STI-Triebwerke“ - bezeichnet. Sie weisen die Besonderheit auf, dass sie keinen Kernstrom besitzen. Die Schubkraft des Triebwerks erfolgt lediglich durch die Beschleunigung im „Mantelstrom“. Im Triebwerkskern befindet sich die Impulsturbine, die den Fan antreibt. Die Rotationsebene steht dabei senkrecht zur Strömungsrichtung der Luftmassen im Triebwerk und somit auch senkrecht zur Vortriebsrichtung des Luftfahrzeugs. Daher werden, wie auch im TPI-Triebwerk, Massenstrom in der Impulsturbine und Luftmassenstrom im Triebwerksmantel hermetisch voneinander abgeschirmt. Zur Erzeugung des Massenstroms in der Impulsturbine dient ein Staustrahltriebwerk, durch das Luft angesaugt beschleunigt und schließlich mit Treibstoff gemischt in die Turbine geführt wird. Der Ansaugstutzen für diesen Luftstrom möge in der Nabe des Triebwerks sich befinden bzw. an einer anderen günstigen Stelle am LFZ.IRS engines that are designed as jet engines are referred to as "jet turbine impulse engines" - "STI engines" for short. They have the peculiarity that they do not have a core stream. The thrust of the engine is only generated by the acceleration in the "bypass flow". The impulse turbine that drives the fan is located in the engine core. The plane of rotation is perpendicular to the direction of flow of the air masses in the engine and thus also perpendicular to the direction of propulsion of the aircraft. Therefore, as in the TPI engine, the mass flow in the impulse turbine and the air mass flow in the engine casing are hermetically shielded from one another. A ramjet engine is used to generate the mass flow in the impulse turbine, through which air is sucked in, accelerated and then fed into the turbine mixed with fuel. The intake manifold for this air flow may be in the hub of the engine or at another convenient location on the aircraft.
In
Zur Gestaltung eines STI-Triebwerks muss beachtet werden, dass das Verhältnis des Radius' der Impulsturbine zu dem der Niederdruckturbine entscheidend für die Triebwerksleistung und den Treibstoffverbrauch ist. Je größer die Niederdruckturbine ist, desto mehr Luftmasse lässt sich bei gleichbleibender Durchflussgeschwindigkeit durch das Triebwerk bewegen und erzeugt umso mehr Schubkraft. Andererseits bedeutet dies, sofern sich nicht der Radius der gesamten Triebwerkskonstruktion erhöht, dass der sich der Radius der Impulsturbine im Triebwerkskern verringert. Ein geringerer Impulsturbinenradius führt jedoch bei gleichbleibender Leistung zu einem erhöhten Energiebedarf und damit zu einem erhöhten Treibstoffbedarf. Das Verhältnis der beiden Radien zueinander muss daher für jedes Triebwerk separat bestimmt werden. Es ist abhängig von den Triebwerksabmessungen und der gewünschten Schubkraft.When designing an STI engine, it must be noted that the ratio of the radius of the impulse turbine to that of the low-pressure turbine is decisive for engine performance and fuel consumption. The larger the low-pressure turbine, the more air mass can be moved through the engine while maintaining the same flow rate, and the more thrust it generates. On the other hand, if the radius of the entire engine construction does not increase, this means that the radius of the impulse turbine in the engine core is reduced. However, a smaller impulse turbine radius leads to an increased energy requirement and thus to an increased fuel requirement while maintaining the same output. The ratio of the two radii to each other must therefore be determined separately for each engine. It depends on the engine dimensions and the desired thrust.
Allgemein lässt sich feststellen, dass eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Triebwerksmantel zu einem geringen Bedarf an Luftmasse zur Erzeugung einer bestimmten Schubkraft führt. Durch eine konische Triebwerksform lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit nahezu stufenlos auf einen bestimmten Wert erhöhen. Theoretisch ließe sich dieser Wert auf den von konventionellen Raketentriebwerken von etwa
Ein Beispiel mit verhältnismäßig hoher Durchflussgeschwindigkeit der Luftmasse ist ein sowjetisches D-20P-Triebwerk (s. S. 20 ff). Seine Durchflussgeschwindigkeit,
zugleich seine Austrittsgeschwindigkeit, beträgt
at the same time its exit speed is
Ein anderes Beispiel ist ein IAE V2533-A5-Triebwerk, das heutzutage an einem Airbus A321 eingesetzt wird. (Quelle: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html: 24.10.2018, 20:30 Uhr) Seine Austrittsgeschwindigkeit beträgt:
Auf selbigem Wege lassen sich für andere Triebwerke ebenso die Durchflussgeschwindigkeiten berechnen. (z.B. Solovyev D-30-1 →vA =
In Anbetracht der Tatsache, dass sich für jedes Triebwerk ein anderes optimales Verhältnis dieser beiden Radien ergibt, was auch Einfluss auf die Durchflussgeschwindigkeit hat, wird an dieser Stelle exemplarisch eine Geschwindigkeit
Für die Geschwindigkeit vDurchfluss ist anzumerken: Sie unterscheidet sich von Triebwerk zu Triebwerk und ist abhängig von der Schubkraft und dem Luftdurchsatz des jeweiligen Triebwerks. Die tatsächlich benötigte Kraft F, die von der Impulsturbine erzeugt werden muss, muss daher mit dem Faktor
Die Länge des Radius' der Impulsturbine entscheidet darüber, welche Formel zur Berechnung des Treibstoffverbrauchs am zweckmäßigsten anzuwenden ist (s. S. 17). Ist er größer als 0,779m, so wird zur Berechnung die Strömungsgeschwindig
keit
speed
Zunächst erfolgt die Berechnung unter Zuhilfenahme der Strömungsgeschwindigkeit vS:
Eine Besonderheit stellt bei STI-Triebwerken das zu verwendende Getriebe zur Reduktion der Impulsturbinendrehzahl auf die Drehzahl der Niederdruckturbine dar. Da die Drehzahl der Niederdruckturbine verglichen mit der eines Hauptrotors eines Hubschraubers oder eines Propellers eines Turboprop-Flugzeugs verhältnismäßig hoch ist, kann angenommen werden, dass an dieser Stelle ein 1-Stufen-Getriebe ausreicht. Beispielsweise ist die Drehzahl der Niederdruckturbine im CFM LEAP-1A-Triebwerk
Für den Treibstoffverbrauch lässt sich feststellen:
Unter der Annahme der Strömungsgeschwindigkeit vS als fixe Größe lässt sich so der Treibstoffverbrauch in Abhängigkeit zur geforderten Schubkraft feststellen.Assuming the flow velocity v S as a fixed variable, the fuel consumption can be determined as a function of the required thrust.
Da bei Strahltriebwerken davon auszugehen ist, dass der Radius der Impulsturbine aufgrund der geringen Abmessungen der Triebwerke in den meisten Fällen geringer als 0,779m ist, folgt nun eine Treibstoffverbrauchsberechnung, bei der die Drehzahl
Für den Treibstoffverbrauch lässt sich sodann ermitteln:
Unter der Annahme der Drehzahl nI als fixe Größe lässt sich so der Treibstoffverbrauch in Abhängigkeit zur geforderten Schubkraft in Relation zum Radius r der Impulsturbine feststellen.Assuming the speed n I as a fixed variable, the fuel consumption can be determined as a function of the required thrust in relation to the radius r of the impulse turbine.
Nach dieser allgemeinen Berechnungsformel würde ein STI-Triebwerk, das bei einer Durchflussgeschwindigkeit von
Aus dieser Rechnung ist ersichtlich, dass ein STI-Triebwerk nur mit einer Radiuslänge größer als r = 0,45m zu Einsparungen im Kraftstoffverbrauch führen. Würde ein STI-Triebwerk mit 26000N Schubkraft und
Bei Großraumflugzeugen wie z. B. einem A330 lassen sich hingegen relativ gute Einsparungen erzielen. Ein Pratt & Wittney PW4168-Triebwerk beispielsweise besitzt einen Fan-Durchmesser von ca. 2,5m. (Quelle: http://www.jet-enqine.net/civtfspec.html; 25.10.2018, 23:20 Uhr) Es ist daher möglich, dass davon 1,5m als Durchmesser auf die Impulsturbine im Triebwerkskern entfallen. Dies ergäbe schließlich einen Radius r = 0,70m, wenn die Ummantelung der Impulsturbine berücksichtigt wird. Ein A330-Triebwerk von Rolls-Royce, ein sogenanntes Trent 772-60, leistet im Reiseflug etwa 51172N. Sein Verbrauch liegt dann bei
Die Durchflussgeschwindigkeit vDurchfluss lässt sich aus bestehenden Kenntnissen ableiten: Ein Trent 772-60B erzeugt eine maximale Schubkraft von 316376,596N und die einen Luftdurchsatz von
Um zu ermitteln, wie weit sich die Durchflussgeschwindigkeit in diesem Fall im STI-Triebwerk erhöhen würde, gilt es die durchsetzten Flächen der Turbineneinlässe zu einander in ein Verhältnis zu setzen. Beim Trent 772-60 stellt dies die gesamte Fläche der Niederdruckturbine dar, während beim STI-Triebwerk nur jene Fläche berechnet werden darf, die den Luftstrom in die Triebwerksmantelkammer führt. Zu diesem Zwecke wird beim STI-Triebwerk die Fläche des Turbineneinlasses abzüglich der Stirnfläche des Triebwerkskerns berechnet. Der Triebwerkskern wird dabei mit einem Durchmesser von 1,5m angesetzt. Es folgt:
So gilt schließlich für die Geschwindigkeit:
Daraus wird nun der Treibstoffverbrauch für das STI-Triebwerk ermittelt:
Dies entspricht einem Verbrauch von:
Im Vergleich zum herkömmlichen Trent 772-60 liegt der Verbrauch eines STI-Triebwerks mit gleichem Leistungsspektrum bei ca. 40%. Bei Flugzeugen vergleichbarer Größe und vergleichbarer Triebwerke wie der Boeing 787, der Boeing 777 oder der A350 ist von ähnlichen Einsparungspotentialen auszugehen. Für Triebwerke mit verhältnismäßig geringen Abmessungen, wie sie z. B. an einer A340 oder einer Boeing 757 eingesetzt werden, sind STI-Triebwerke als Ersatz hingegen schlecht geeignet.Compared to the conventional Trent 772-60, the consumption of an STI engine with the same power spectrum is approx. 40%. Similar savings potential can be assumed for aircraft of comparable size and comparable engines such as the Boeing 787, Boeing 777 or A350. For engines with relatively small dimensions, as z. For example, if they are used on an A340 or Boeing 757, STI engines are poorly suited as replacements.
FigurenlisteFigure list
Detaillierte Beschreibung der Abbildungen:Detailed description of the images:
Der Massenstrom des Fluides wird über die Abgasöffnung
Ein grundsätzlich ähnlicher Aufbau wird in
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- ImpulsturbineImpulse turbine
- 22
- Rotationsebene der ImpulsturbinePlane of rotation of the impulse turbine
- 33
- Erstes StrahltriebwerkFirst jet engine
- 55
- MassenstromMass flow
- 77th
- Welle/RotationsachseShaft / axis of rotation
- 99
- Eingangsbereich für den Massenstrom des ersten StrahltriebwerksEntrance area for the mass flow of the first jet engine
- 1111
- AbgasöffnungExhaust opening
- 1313th
- RotorblattRotor blade
- 1515th
- PropellerblattPropeller blade
- 1717th
- Fan des zweiten StrahltriebwerksFan of the second jet engine
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WAFFENHQ: Leopard 2 - Kampfpanzer. 07.09.2007. URL: http://www.whq-forum.de/cms/27.0.html [abgerufen am 2019-12-18] * |
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