DE102019130861B4 - JET ENGINE WITH IMPULSE TURBINE - Google Patents

JET ENGINE WITH IMPULSE TURBINE Download PDF

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    • F02C6/20Adaptations of gas-turbine plants for driving vehicles

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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 also be transported over great 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 present, most aircraft are dependent on large airports and the handling of goods requires a lot of lead time and lead time. Helicopters and 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 counteracts the force of gravity directly, 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 various 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 cross-regional travel, motorway, rail and ferry connections in Europe and North America are facing increasing competition from commercial aircraft. 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 for expanding 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 the need for stopovers and reloading operations. 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 actuated, the train only comes to a stop outside of the area that the driver can see. Aircraft 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 aircraft or ships in order to avoid collisions. These processes are supported by radar systems and satellite navigation or, in rail traffic, "control" is carried out 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 commercial aircraft, where this option is also used under certain circumstances, it only plays a very minor role at the present time 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 known as 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 temporary air traffic with military aircraft. The ability to take off and land on unpaved runways also extends the range of applications for transport aircraft. Another field of application is served by amphibious aircraft. Nowadays they are used in fire fighting and occasionally also in commercial traffic in the Pacific or 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. In the largest and heaviest helicopter ever built, the Soviet Mi-12, two main rotors were necessary 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 aircraft 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 consider both aircraft types in terms of their economy and product improvement.

Die Druckschrift US 2018/0051627 A1 offenbart ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug. Diesbezüglich weist das Flugzeug ein ersten Triebwerksteil mit einem Verdichter und einer Brennkammer auf, in welcher Luft mit Kraftstoff gemischt und gezündet wird, um einen energiereichen Gasstrom zu erzeugen. Dieser Gasstrom expandiert in einem dem ersten Triebwerksteil umfassten Turbinenabschnitt und wird anschließend zu einer weiteren freiliegenden Turbine über einen Kanal geleitet. Die freiliegende Turbine ist so konfiguriert, dass sie vom Gasstrom des ersten Triebwerksteils angetrieben wird und den Vorschub für das Flugzeug erzeugt.The pamphlet US 2018/0051627 A1 discloses a gas turbine engine for an aircraft. In this regard, the aircraft has a first engine part with a compressor and a combustion chamber in which air is mixed with fuel and ignited in order to generate an energy-rich gas flow. This gas flow expands in a turbine section comprised of the first engine part and is then passed to a further exposed turbine via a duct. The exposed turbine is configured to be driven by the gas flow from the first engine part and to generate the thrust for the aircraft.

Aus EP 2 966 266 A1 und WO 2015/134081 A2 sind jeweils zweiteilige Triebwerkssysteme bekannt. Ein erstes Strahlentriebwerk ist dabei mit einer nachgeschalteten freiliegenden Turbine über einen Kanal in Verbindung, sodass der Massenstrom aus dem Strahlentriebwerk die Turbine antreibt.Out EP 2 966 266 A1 and WO 2015/134081 A2 two-part engine systems are known. A first jet engine is connected to a downstream, exposed turbine via a duct, so that the mass flow from the jet engine drives the turbine.

Das Dokument US 10 287 991 B2 offenbart ein Gasturbinentriebwerk, welches einen entlang einer ersten Rotationsachse rotierenden Gasgenerator mit mindestens einem Verdichterrotor, einem Gasgeneratorturbinenrotor und einem Verbrennungsabschnitt aufweist. Eine Fan-Antriebsturbine dreht sich entlang einer zweiten Rotationsachse, wobei diese stromabwärts des Gasgenerator-Turbinenrotors positioniert ist. Die Fan-Antriebsturbine treibt ein Paar von Wellenelementen an.The document US 10 287 991 B2 discloses a gas turbine engine having a gas generator rotating along a first axis of rotation with at least one compressor rotor, a gas generator turbine rotor and a combustion section. A fan drive turbine rotates along a second axis of rotation, positioned downstream of the gas generator turbine rotor. The fan drive turbine drives a pair of shaft members.

Die Offenbarung US 10 710 738 B2 beschreibt ein Hilfstriebwerk mit einem Zwischenkühler für ein Flugzeug. Der Turbinenabschnitt des Hilfstriebwerks umfasst dabei in einer Bevorzugten Variante eine Impulsturbine.The revelation US 10 710 738 B2 describes an auxiliary power unit with an intercooler for an aircraft. In a preferred variant, the turbine section of the auxiliary power unit comprises a pulse turbine.

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 which has good to improved performance. At the same time, the design of the engine should be particularly flexible, 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,
wobei das erste Strahltriebwerk einen Massenstrom eines Fluides erzeugt, welcher mit einer Strömungsrichtung innerhalb einer Rotationsebene der Impulsturbine auf deren Schaufeln gerichtet ist, wobei die Welle der Impulsturbine mit der Antriebseinheit verbunden vorliegt für einen Antrieb der Antriebseinheit durch die Impulsturbine.In one aspect, the invention relates to an engine for an aircraft or rail vehicle, comprising:
  • - at least one 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,
wherein the first jet engine generates a mass flow of a fluid which is directed with a flow direction within a plane of rotation of the impulse turbine on the blades thereof, the shaft of the impulse turbine being connected to the drive unit for driving the drive unit by the impulse turbine.

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 enclosed. The fan preferably generates the so-called sheath flow. Thus, preferably an air flow is 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 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 designates 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 one for overpressure turbines exemplary degree of reaction of 0.5 provided that the mass flow rate and the 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 a plurality of 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 impulse 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. The flow is preferably directed towards the blades in at least one point or region of the impulse turbine 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 refers in particular to 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 hits preferably tangentially. 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 transfers 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 has two shafts on each of which a gear is seated, the gears preferably driving each other 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.Thus, 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 the inlet area and / or the 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 Plane of rotation 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 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. 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 arched 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 towards its blades with a flow direction within the plane of rotation of the impulse turbine.

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.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, there is preferably no core flow generated in this one - 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 the impulse turbine can in particular be arranged individually with respect to one another, in that the mass flow is deflected as far as possible without loss. If this text speaks of a jet engine without an addition, the first jet engine is preferably meant. The (first) jet engine can preferably be arranged in this way be that it is arranged aerodynamically and / or fluid-dynamically particularly favorable. 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 port for air of the first jet engine is arranged on a hub of the engine fan. The first jet engine can thus 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 offers, when optimally designed, a high potential for savings in the fuel consumption of various aircraft. On the one hand, this leads to a greater 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 vast desert areas, the time factor in saving human lives plays a special role. Rescue ships (are only) need a lot of time to reach the area of operation, fixed-wing aircraft reach the area of operation 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 Such areas of application can reach 5000 - 6000 km in a few hours and rescue people faster than airplanes 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 deposits, as well as the steadily increasing pollution of the environment by high exhaust gas emissions require efficient, short to medium term implementable measures to reduce fuel consumption while maintaining the same current transport and traffic volume. 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). A pulse turbine, also called 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 term "IRS engine" refers to a class of different engines that are divided into subclasses with regard 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.In principle, a pulse turbine works 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, a higher flow velocity of the mass flow can be generated 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.
This is explained as follows:
  • 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 rotation-generating 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 19391 U m i n .

Figure DE102019130861B4_0001
(Quelle: https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/EASA%20E110%20TCDS%201ssue%207%20LEAP-1A-1C.pdf; 23.10.2018, 21:45 Uhr) Die maximale Drehzahl ergibt sich aus dem höchstmöglichen Drehmoment, der direkt in der Impulsturbine wirken kann. Dieser resultiert aus den Fliehkräften, die vom verwendeten Werkstoff und dessen Gewicht und Dichte abhängig sind, und der Drehzahl. Die verwendeten Werkstoffe sind für die jeweilige Impulsturbine nicht variabel, wohl aber die Drehzahl. Auf Grund der Impulsturbine in ihrer Eigenschaft als Luftfahrt-Antriebs-Komponente wird davon ausgegangen, dass die verwendeten Materialen Drehzahlen in Höhe von 19391 U m i n
Figure DE102019130861B4_0002
zulassen. Die maximale min Drehzahl besitzt maßgeblichen Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit in der Impulsturbine. Beide Faktoren stehen in wechselwirkungsvollem Zusammenhang und zugleich wird für beide Faktoren ein höchstmöglicher Wert angestrebt. 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 3000,0 m s
Figure DE102019130861B4_0003
realisieren. Der austretende Massenstrom erzeugt jedoch lediglich einen Impuls im Triebwerk und dient nicht dazu, einen weiteren Körper durch Auftreffen zu beschleunigen. Die höchstmögliche Strömungsgeschwindigkeit vs wird durch das verwendete Material in der Impulsturbine bedingt. Ist die Geschwindigkeit zu hoch, ist davon auszugehen, dass die Impulsturbine beschädigt wird. Von entscheidender Bedeutung ist daher die Festigkeit des verwendeten Materials in der Impulsturbine.A determining factor in an IRS engine is the speed of the impulse turbine. In order to be able to estimate a maximum value here, it makes sense to orientate yourself on the aviation engines currently in use. In a modern CFM LEAP engine, the maximum speed is included in the high-pressure compressor 19391 U m i n .
Figure DE102019130861B4_0001
(Source: https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/EASA%20E110%20TCDS%201ssue%207%20LEAP-1A-1C.pdf; 23.10.2018, 9:45 p.m.) The maximum speed results from the highest possible torque that can act directly in the impulse turbine. This results from the centrifugal forces, which depend on the material used and its weight and density, and the speed. The materials used are not variable for the respective impulse turbine, but the speed is. Due to the impulse turbine in its capacity as an aviation drive component, it is assumed that the materials used have speeds of 19391 U m i n
Figure DE102019130861B4_0002
allow. The maximum rpm has a significant influence on the flow speed in the impulse turbine. Both factors are interrelated and at the same time the highest possible value is sought for both factors. Similar to the estimation of the maximum possible speed, the maximum value of the flow velocity can be estimated. From the consideration that the generated thrust represents the product of the mass flow ṁ T and the flow velocity v s , it can be deduced that the required mass flow decreases with increasing flow velocity v s and thus the fuel consumption is also reduced. The following considerations play a role: On the one hand, the strength of the material used is included, and on the other hand, the flow velocity in other systems. With rocket engines, such as those used in space travel, exit speeds of up to 3000.0 m s
Figure DE102019130861B4_0003
realize. However, the emerging mass flow only generates an impulse in the engine and does not serve to accelerate another body by hitting it. The highest possible flow velocity v s is determined by the material used in the impulse turbine. If the speed is too high, it can be assumed that the impulse turbine will be damaged. The strength of the material used in the impulse turbine is therefore of crucial importance.

Beim Einsatz einer Titanlegierung werden üblicherweise Festigkeitswerte zwischen 300,0 N m m 2  und  1000,0 N m m 2 .

Figure DE102019130861B4_0004
Die Auftrittsfläche des Massenstroms entspricht der Fläche einer Turbinenschaufel in der Impulsturbine. Bei einem Durchmesser von angenommenen 2cm ergibt sich, unter der Annahme, dass nur die äußere Hälfte der Fläche einer Schaufel angeströmt wird, eine effektive Fläche von 0,000157m2 oder 157mm2.When using a titanium alloy, strength values are usually between 300.0 N m m 2 and 1000.0 N m m 2 .
Figure DE102019130861B4_0004
The area where the mass flow occurs corresponds to the area of a turbine blade in the impulse turbine. Assuming that only the outer half of the surface of a blade is exposed to the flow, an effective area of 0.000157m 2 or 157mm 2 results from an assumed diameter of 2cm.

Unter Einbeziehung der Festigkeit einer solche Turbinenschaufel ergibt sich somit: 300,0 N m m 2 157 m m 2 = 47123 N

Figure DE102019130861B4_0005
als höchstmögliche Krafteinwirkung. Entscheidend ist die tatsächliche Krafteinwirkung im laufenden Betrieb.Taking into account the strength of such a turbine blade, the result is: 300.0 N m m 2 157 m m 2 = 47123 N
Figure DE102019130861B4_0005
as the highest possible force. The decisive factor is the actual force applied during operation.

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 6200 U m i n

Figure DE102019130861B4_0006
und ein Kolbenhub von 81 mm angeben. Dies ergibt eine „Strömungsgeschwindigkeiten“ von 8,37 m s .
Figure DE102019130861B4_0007
Für einen Gasdrucklader, wie beispielsweise in einem G36-Gewehr Verwendung findet, treten Projektil-Beschleunigungen auf bis zu 920,0 m s .
Figure DE102019130861B4_0008
In einer Glattrohrkanone von Rheinmetall, ebenfalls eine Waffe mit Gasdrucklader, werden bisweilen Geschwindigkeiten von 1640,0 m s
Figure DE102019130861B4_0009
erreicht. (Quelle: http://www.whq-forum.de/cms/27.0.html; Unterpunkt: „Turm/Waffenanlage“; 20.10.2018, 17.00 Uhr) Aus diesen Überlegungen lässt sich schlussfolgern, dass in der Impulsturbine Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 1640,0 m s
Figure DE102019130861B4_0010
und Drehzahlen von bis zu 19920,0 U m i n
Figure DE102019130861B4_0011
realisierbar erscheinen.Another example of a high flow velocity is the gas pressure charger in a firearm or the accelerated piston in a car engine. In this case, expanding gases are actually used to accelerate other bodies - on the one hand the projectile, on the other hand the piston in the cylinder. For a motor vehicle cylinder, for example, a BMW M40 can have a speed of 6200 U m i n
Figure DE102019130861B4_0006
and specify a piston stroke of 81 mm. This results in a "flow velocity" of 8.37 m s .
Figure DE102019130861B4_0007
For a gas pressure loader, such as is used in a G36 rifle, projectile accelerations occur up to 920.0 m s .
Figure DE102019130861B4_0008
In a smooth barrel cannon from Rheinmetall, also a weapon with a gas pressure loader, speeds of 1640.0 m s
Figure DE102019130861B4_0009
reached. (Source: http://www.whq-forum.de/cms/27.0.html; sub-item: "Tower / weapon system"; October 20, 2018, 5:00 p.m.) From these considerations it can be concluded that in the impulse turbine flow velocities of up to to 1640.0 m s
Figure DE102019130861B4_0010
and speeds of up to 19920.0 U m i n
Figure DE102019130861B4_0011
appear feasible.

Des Weiteren ist der Radius der Impulsturbine von entscheidender Bedeutung. Die Drehzahl der Turbine wird mit maximal 19220 U m i n = 332,0 1 s

Figure DE102019130861B4_0012
angenommen, während die Strömungsgeschwindigkeit maximal 1625 m s
Figure DE102019130861B4_0013
betragen soll. Daher lässt sich Folgendes annehmen: Sobald der Radius der Impulsturbine einen bestimmten Wert überschreitet, kann nicht mehr mit der höchstmöglichen Drehzahl operiert werden, ohne dass die höchstmögliche Geschwindigkeit überschritten wird. Sobald dieser bestimmte Radius der Impulsturbine unterschritten wird, kann nicht mehr mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit operiert werden, ohne dass die höchstmögliche Drehzahl überschritten wird. Dieser Radius beträgt: r = ν I 2 π n = 1625   m s 2 π 332   s = 0,779 m
Figure DE102019130861B4_0014
Furthermore, the radius of the impulse turbine is of crucial importance. The speed of the turbine is at maximum 19220 U m i n = 332.0 1 s
Figure DE102019130861B4_0012
assumed while the flow velocity is maximum 1625 m s
Figure DE102019130861B4_0013
should be. The following can therefore be assumed: As soon as the radius of the impulse turbine exceeds a certain value, it is no longer possible to operate at the highest possible speed without exceeding the highest possible speed. As soon as the impulse turbine falls below this specific radius, it is no longer possible to operate at the highest possible speed without exceeding the highest possible speed. This radius is: r = ν I. 2 π n = 1625 m s 2 π 332 s = 0.779 m
Figure DE102019130861B4_0014

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 n I = 320 1 s

Figure DE102019130861B4_0015
als höchstmöglicher Wert betrachtet. Zur Berechnung der Leistungsfähigkeit eines solchen Antriebssystems wird zunächst von der geforderten Leistung ausgegangen, die von der Impulsturbine erbracht werden muss. Die erforderliche Leistung wird dabei in Watt angegeben.Taking into account the assumption that the absolutely highest possible speed will most likely not be used during operation and that a downward regulation will take place slightly below this value, the following n I. = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0015
considered the highest possible value. To calculate the performance of such a drive system, the required output that has to be provided by the impulse turbine is first assumed. The required power is given in watts.

Es gilt: P [ P S ] = P 736 [ W ] = P 736 [ k g m 2 s 3 ]

Figure DE102019130861B4_0016
P = 2 π n M η T u r b i n e     M = P 2 n     π     η T u r b i n e
Figure DE102019130861B4_0017
The following applies: P. [ P. S. ] = P. 736 [ W. ] = P. 736 [ k G m 2 s 3 ]
Figure DE102019130861B4_0016
P. = 2 π n M. η T u r b i n e M. = P. 2 n π η T u r b i n e
Figure DE102019130861B4_0017

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. P = 2     π     n     M     η T u r b i n e η G e t r i e b e     M = P 2 n     π     η T u r b i n e η G e t r i e b e

Figure DE102019130861B4_0018
It may be necessary to reduce the high speed of the impulse turbine to the maximum speed of the drive unit, namely the main rotor, propeller, etc. To ensure this, a spur gear must be used between the impulse turbine and the drive shaft. The efficiency of a multi-stage spur gear is usually around 90%. Combined with an impulse turbine, a final efficiency of 70-80% for the entire engine design can be assumed as an initial consideration. In this case, the efficiency of the gear must be included in the calculation of the Torque M flow into it. Torque M and speed n are further provided with the index I if they describe the speed or the torque of the impulse turbine. P. = 2 π n M. η T u r b i n e η G e t r i e b e M. = P. 2 n π η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0018

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: η G e t r i e b e = ( η w e l l e η Z a h n r a d 2 η L a g e r 2 ) G e s a m t z a h l   d e r  G e t r i e b e s t u f e n

Figure DE102019130861B4_0019
The efficiency is considered to be the overall efficiency of the gearbox, which results from the efficiency of the gears, the bearings and that of the shaft, multiplied by the number of gear stages: η G e t r i e b e = ( η w e l l e η Z a H n r a d 2 η L. a G e r 2 ) G e s a m t z a H l d e r G e t r i e b e s t u f e n
Figure DE102019130861B4_0019

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, usually 2-speed or 3-speed engines -Step gears are used.

So ergibt sich für ein 2-Stufen-Getriebe: η G e t r i e b e = ( 0,9825 0,9825 2 0,9825 2 ) 2 = 0,83815

Figure DE102019130861B4_0020
This results in a 2-stage gearbox: η G e t r i e b e = ( 0.9825 0.9825 2 0.9825 2 ) 2 = 0.83815
Figure DE102019130861B4_0020

Für ein 3-Stufen-Getriebe ergibt sich: η G e t r i e b e = ( 0,9825 0,9825 2 0,9825 2 ) 3 = 0,76734

Figure DE102019130861B4_0021
For a 3-stage gear this results: η G e t r i e b e = ( 0.9825 0.9825 2 0.9825 2 ) 3 = 0.76734
Figure DE102019130861B4_0021

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: i g e s = i k   m i t   ( k = G e s t r i e b e s t u f e n a n z a h l )

Figure DE102019130861B4_0022
The gear ratio indicates how much the speed increases in each stage. The usual values are in the range from 3 to 5. The overall ratio is calculated as follows: i G e s = i k m i t ( k = G e s t r i e b e s t u f e n a n z a H l )
Figure DE102019130861B4_0022

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 about the fuel consumption of an engine can be made.

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) m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 454,772 k g h 8,165 k g h = 454,772 k g h 8,165 3600 k g h = 0,0155 k g k g L u f t

Figure DE102019130861B4_0023
A TV2-117 engine, for example, has an air throughput ṁ air = 8.165 kg / s and a fuel consumption ṁ kerosene = 454.772 kg / h at full power. (Source: http://www.jet-engine.net/miltsspec.html; 10/9/2018, 9:50 a.m.) m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 454.772 k G H 8.165 k G H = 454.772 k G H 8.165 3600 k G H = 0.0155 k G k G L. u f t
Figure DE102019130861B4_0023

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) m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 980,850 k g h 20,865249 k g h = 980,850 k g h 20,865249 3600 k g h = 0,013058 k g k g L u f t

Figure DE102019130861B4_0024
At full power, an Ivchenko AI-20D engine consumes ṁ kerosene = 980.850 kg / h with an air throughput of ṁ air = 20.865249 kg / s. (Source: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; October 23, 2018, 7:00 p.m.) m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 980.850 k G H 20.865249 k G H = 980.850 k G H 20.865249 3600 k G H = 0.013058 k G k G L. u f t
Figure DE102019130861B4_0024

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) m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 5773,0 k g h 290,0 k g h = 5773,0 k g h 290,0 3600 k g h = 0,00553 k g k g L u f t

Figure DE102019130861B4_0025
At full power, a Soloviev D-30KP engine has an air throughput ṁ air = 290.0 kg / s and fuel consumption ṁ kerosene = 5773.0 kg / h. (Source: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; October 23, 2018, 7:00 p.m.) m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 5773.0 k G H 290.0 k G H = 5773.0 k G H 290.0 3600 k G H = 0.00553 k G k G L. u f t
Figure DE102019130861B4_0025

Das Verhältnis m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t

Figure DE102019130861B4_0026
ist bei jedem Triebwerk unterschiedlich und kann auch über dem an dieser Stelle als höchsten Wert angegebenen m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 0,01550
Figure DE102019130861B4_0027
liegen. Er lässt sich als Durchschnittwert nur schwer ermitteln. Es ist zur Beschreibung der Funktionsweise eines IRS-Triebwerks jedoch von keinem besonderen Belang, welche Form des Treibstoffs verwendet wird. Um im Weiteren die Rechnungen zu vereinfachen wird hier ein Wert m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 0,02
Figure DE102019130861B4_0028
gewählt.The relationship m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t
Figure DE102019130861B4_0026
is different for each engine and can also be higher than the highest value specified here m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 0.01550
Figure DE102019130861B4_0027
lie. It is difficult to determine as an average value. However, it is of no particular importance which form of fuel is used in describing the operation of an IRS engine. In order to further simplify the calculations, a value is added here m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 0.02
Figure DE102019130861B4_0028
elected.

Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Werte m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t

Figure DE102019130861B4_0029
nur für die Verwendung von Kerosin gültig sind. Würde an dieser Stelle ein anderer Treibstoff mit anderer Dichte, z.B. Bio-Kraftstoff oder Wasserstoff, verwendet, so würden sich die Werte für das Verhältnis m ˙ T r e i b s t o f f m ˙ L u f t
Figure DE102019130861B4_0030
ändern.It should be noted that these values m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t
Figure DE102019130861B4_0029
are only valid for the use of kerosene. If another fuel with a different density, e.g. bio-fuel or hydrogen, were used at this point, the values for the ratio would change m ˙ T r e i b s t O f f m ˙ L. u f t
Figure DE102019130861B4_0030
to change.

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 ρ K e r o s i n = 0,8 k g m 3

Figure DE102019130861B4_0031
und der Heizwert mit H K e r o s i n =   43,5 M j k g
Figure DE102019130861B4_0032
angegeben. E k i n = 1 2 m v r 2     v r = 2 E k i n m = 2 435000000  kg m 2 1   k g s 2
Figure DE102019130861B4_0033
v r = 9237,379 m s
Figure DE102019130861B4_0034
For any indication of these values, the fuel used must be considered in terms of its density and its calorific value. The calorific value of a fuel can be represented as a speed v T as an auxiliary variable. That means: If all of the energy stored in 1.0 kg of fuel were completely converted into kinetic energy, then this variable can be represented as speed v T. In the case of kerosene, the density increases with ρ K e r O s i n = 0.8 k G m 3
Figure DE102019130861B4_0031
and the calorific value with H K e r O s i n = 43.5 M. j k G
Figure DE102019130861B4_0032
specified. E. k i n = 1 2 m v r 2 v r = 2 E. k i n m = 2 435000000 kg m 2 1 k G s 2
Figure DE102019130861B4_0033
v r = 9237,379 m s
Figure DE102019130861B4_0034

Bei Wasserstoff hingegen beträgt die Dichte ρ H 2 = 0,09 k g m 2

Figure DE102019130861B4_0035
und der Heizwert H H 2 =   119,972 M j m 3 .
Figure DE102019130861B4_0036
E k i n = 1 2 m v r 2     v r = 2 E k i n m = 2 119972000  kg m 2 1   k g s 2
Figure DE102019130861B4_0037
v r = 15490,125 m s
Figure DE102019130861B4_0038
In the case of hydrogen, on the other hand, the density is ρ H 2 = 0.09 k G m 2
Figure DE102019130861B4_0035
and the calorific value H H 2 = 119.972 M. j m 3 .
Figure DE102019130861B4_0036
E. k i n = 1 2 m v r 2 v r = 2 E. k i n m = 2 119972000 kg m 2 1 k G s 2
Figure DE102019130861B4_0037
v r = 15490.125 m s
Figure DE102019130861B4_0038

Um zu ermitteln, wie sich der Faktor m ˙ T r e i b s t o f f m ˙ L u f t

Figure DE102019130861B4_0039
verändern würde, müssen die beiden Geschwindigkeiten vT in ein Verhältnis gesetzt werden. m ˙ T r e i b s t o f f m ˙ L u f t = m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t v r ,   K e r o s i n   v r ,   W a s s e r s t o f f = 0,02 9237,379 15490,125 = 0,012 k g k g L u f t
Figure DE102019130861B4_0040
To determine how the factor is m ˙ T r e i b s t O f f m ˙ L. u f t
Figure DE102019130861B4_0039
would change, the two speeds v T must be put in relation to each other. m ˙ T r e i b s t O f f m ˙ L. u f t = m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t v r , K e r O s i n v r , W. a s s e r s t O f f = 0.02 9237,379 15490.125 = 0.012 k G k G L. u f t
Figure DE102019130861B4_0040

In vergleichbarer Weise würde sich der Faktor m ˙ T r e i b s t o f f m ˙ L u f t

Figure DE102019130861B4_0041
verändern, wenn anstelle von Wasserstoff ein Kraftstoff mit anderer Dichte oder anderem Heizwert als Kerosin verwendet würde. m ˙ T r e i b s t o f f m ˙ L u f t = m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t v r ,   K e r o s i n v r ,   K r a f t s t o f f
Figure DE102019130861B4_0042
Similarly, the factor would be m ˙ T r e i b s t O f f m ˙ L. u f t
Figure DE102019130861B4_0041
change if a fuel with a different density or calorific value than kerosene were used instead of hydrogen. m ˙ T r e i b s t O f f m ˙ L. u f t = m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t v r , K e r O s i n v r , K r a f t s t O f f
Figure DE102019130861B4_0042

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 ist die schematische Anordnung von Impulsturbine, Strahltriebwerk und Hauptrotor dargestellt. In der oberen Bildhälfte sind die beiden Strahltriebwerke zu erkennen, die den Massenstrom, ein Treibstoff-Luft-Gemisch zu der Impulsturbine leiten, dargestellt als „Schaufelrad“ in der Mitte des Bildes. Die Pfeile markieren hierbei die Strömungsrichtung des Stroms. Die Impulsturbine wird durch den Massenstrom in Rotation versetzt, welcher schließlich durch eine Abgasöffnung abgeleitet wird. Der Hauptrotor des Hubschraubers wird durch die Rotorblätter angedeutet, die sternförmig von der Mitte der Impulsturbine ausgehen. Er befindet sich oberhalb der Impulsturbine und sowohl die Nabe der Impulsturbine als auch die des Hauptrotors befinden sich in einer Achse. Hauptrotor und die Nabe der Impulsturbine befinden sich jedoch nicht auf einer Welle. Ihnen ist ein Stirnradgetriebe zwischengeschaltet, welches die Drehzahl der Impulsturbine in die des Hauptrotors übersetzt.In the schematic arrangement of the impulse turbine, jet engine and main rotor is shown. In the upper half of the picture, the two jet engines can be seen, which direct the mass flow, a fuel-air mixture, to the impulse turbine, shown as a "paddle wheel" in the middle of the picture. The arrows mark the direction of flow of the current. The impulse turbine is set in rotation by the mass flow, which is finally diverted through an exhaust gas opening. The main rotor of the helicopter is indicated by the rotor blades, which extend in a star shape from the center of the impulse turbine. It is located above the impulse turbine and both the hub of the impulse turbine and that of the main rotor are in one axis. However, the main rotor and the hub of the impulse turbine are not on one shaft. A spur gear is connected between them, which translates the speed of the impulse turbine into that of the main rotor.

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 the 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.The engine power and the main rotor speed of the corresponding helicopter type are decisive for the calculation of an IHT engine.

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: H a u p t r o t o r L e i s t u n g   P ;   D r e h z a h l   n S t i r n r a d g e t r i e b e L e i s t u n g   P ;   D r e h z a h l   n I I m p u l s t u r b i n e K r a f t   F ;   S t r ö m u n g s g e s c h w i n d i g k e i t   v s S t r a h l t u r b i n e M a s s e n s t r o m   m ˙ T T r e i b s t o f f v e r b r a u c h

Figure DE102019130861B4_0043
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: H a u p t r O t O r L. e i s t u n G P. ; D. r e H z a H l n S. t i r n r a d G e t r i e b e L. e i s t u n G P. ; D. r e H z a H l n I. I. m p u l s t u r b i n e K r a f t F. ; S. t r ö m u n G s G e s c H w i n d i G k e i t v s S. t r a H l t u r b i n e M. a s s e n s t r O m m ˙ T T r e i b s t O f f v e r b r a u c H
Figure DE102019130861B4_0043

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/miltsspec.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/miltsspec.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. 1670   P S = 1229120   W = 1229120   k g m 2 s 3

Figure DE102019130861B4_0044
In order to estimate the expected fuel consumption, a pulse turbine with an output of 1670 hp is used. Assuming that two TV2-117A engines only generate 50% of 1670 HP as drive power (degree of reaction = 0.5; see p. 15), only one impulse turbine with an output of 1670 HP is required. 1670 P. S. = 1229120 W. = 1229120 k G m 2 s 3
Figure DE102019130861B4_0044

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 n l = 320 1 s

Figure DE102019130861B4_0045
angenommen. Mit Hilfe eines 3-Stufen-Getriebes wird diese dann auf die höchstmögliche des Hauptrotors reduziert. Für einen Hubschrauber vom Typ Mi-8 beträgt sie n = 185 1 m i n .
Figure DE102019130861B4_0046
To determine the required force F, the required torque M I , which is made up of the given power of 1670 hp and the speed of the turbine, is first used. The speed of the turbine is set to the maximum possible value of n l = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0045
accepted. With the help of a 3-stage gearbox, this is then reduced to the highest possible for the main rotor. For a Mi-8 helicopter it is n = 185 1 m i n .
Figure DE102019130861B4_0046

Um den zu erwartenden Treibstoffverbrauch abzuschätzen, wird mit einer Impulsturbine gerechnet, die 1670 PS leistet. P = 2 π n I M I η T u r b i n e η G e t r i e b e         M I = P 2 n I π T u r b i n e η G e t r i e b e                M I = 1229120   k g m 2 2 π n I 0,90 0,76734   s 3 = 283259,2298   N m n I 1   s

Figure DE102019130861B4_0047
In order to estimate the expected fuel consumption, a pulse turbine with an output of 1670 hp is used. P. = 2 π n I. M. I. η T u r b i n e η G e t r i e b e M. I. = P. 2 n I. π T u r b i n e η G e t r i e b e M. I. = 1229120 k G m 2 2 π n I. 0.90 0.76734 s 3 = 283259.2298 N m n I. 1 s
Figure DE102019130861B4_0047

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 impulse turbine is limited in its diameter 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. F n I = M I r n I = 283259,2298   N m n I 0,657   m s = 431140,38022   N n I 1   s

Figure DE102019130861B4_0048
At the beginning it was shown that in the case of impulse turbines with radii smaller than r = 0.779m, the highest possible speed of the impulse turbine can be used to calculate the fuel - this is also the case in this case. F. n I. = M. I. r n I. = 283259.2298 N m n I. 0.657 m s = 431140,38022 N n I. 1 s
Figure DE102019130861B4_0048

Um einer Impulsturbine mit der Drehzahl n = 320 1 s ,

Figure DE102019130861B4_0049
dem Radius r = 0,657m und einem Wirkungsgrad von 90% und einem angeschlossenen 3-Stufen-Getriebe eine Leistung von 1670 PS zu verleihen, wird also eine Kraft von 1347,314 N benötigt.To a pulse turbine with the speed n = 320 1 s ,
Figure DE102019130861B4_0049
To give the radius r = 0.657m and an efficiency of 90% and a connected 3-stage gearbox an output of 1670 HP, a force of 1347.314 N is required.

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: v S = F S c h u b , D 20 P m ˙ K e r o s i n , D 20 P + m ˙ L u f t , D 20 P = 52974 N 52974 N 0,000017555 k g N s + 112,9554 k g s

Figure DE102019130861B4_0050
v S = 465,1519 m s
Figure DE102019130861B4_0051
This force results from the flow velocity v s of the fuel-air mixture flow ṁ T. This is to be equated with the exit speed of the mass flow from the jet engines. If a conventional jet engine such as a D-20P engine is used, which at full power has an air throughput of ṁ air = 112.9445 kg / s and a fuel consumption of 3350.0 kg / h and generates a force of 52974 N in the process (Source: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; October 24, 2018, 1:32 p.m.), this speed v s is approximately: v S. = F. S. c H u b , D. - 20th P. m ˙ K e r O s i n , D. - 20th P. + m ˙ L. u f t , D. - 20th P. = 52974 N 52974 N 0.000017555 k G N s + 112.9554 k G s
Figure DE102019130861B4_0050
v S. = 465.1519 m s
Figure DE102019130861B4_0051

Aus der Strömungsgeschwindigkeit vs, zugleich die Umfangsgeschwindigkeit der Impulsturbine, lässt sich die Drehzahl der Impulsturbine berechnen: n I = v S ( 2 π r ) = 465,1519 m s ( 2 π 0,657 m ) = 112,6807 1 s

Figure DE102019130861B4_0052
The speed of the impulse turbine can be calculated from the flow velocity v s , which is also the circumferential speed of the impulse turbine: n I. = v S. ( 2 π r ) = 465.1519 m s ( 2 π 0.657 m ) = 112.6807 1 s
Figure DE102019130861B4_0052

Die benötigte Kraft F beträgt sodann: F = 431140,38022   N 112,6807 1 s 1   s = 3826,2132   N

Figure DE102019130861B4_0053
The required force F is then: F. = 431140,38022 N 112.6807 1 s 1 s = 3826.2132 N
Figure DE102019130861B4_0053

Es zeigt sich: 52974 N 3826,2132   N

Figure DE102019130861B4_0054
It appears: 52974 N 3826.2132 N
Figure DE102019130861B4_0054

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 with 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. m ˙ T = F v S = m ˙ K e r o s i n + m ˙ L u f t = m ˙ L u f t ( m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t + 1 )

Figure DE102019130861B4_0055
The mass flow of the fuel mixture ṁ T can now be calculated from the force F determined in this way and the flow velocity v S. m ˙ T = F. v S. = m ˙ K e r O s i n + m ˙ L. u f t = m ˙ L. u f t ( m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t + 1 )
Figure DE102019130861B4_0055

Der Massenstrom ṁT setzt sich aus der Masse der Luft und der des beigemischten Kraftstoffs, wobei das Verhältnis beider Stoffe m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t

Figure DE102019130861B4_0056
beträgt.The mass flow ṁ T is made up of the mass of the air and that of the added fuel, with the ratio of both substances m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t
Figure DE102019130861B4_0056
amounts to.

Aus diesem Resultat lässt sich schließlich der Treibstoffverbrauch ṁKerosin ermitteln. m ˙ K e r o s i n = m ˙ T m ˙ L u f t = m ˙ T m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = F v S m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t

Figure DE102019130861B4_0057
The fuel consumption ṁ kerosene can then be determined from this result. m ˙ K e r O s i n = m ˙ T - m ˙ L. u f t = m ˙ T m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = F. v S. m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t
Figure DE102019130861B4_0057

Die Gleichung F v S = m ˙ K e r o s i n + m ˙ L u f t = m ˙ L u f t ( m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t + 1 )

Figure DE102019130861B4_0058
impliziert, dass zum Erzielen eines möglichst geringen Treibstoffverbrauches ṁTreibstoff eine möglichst geringe Kraft F und/oder eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit vS anzustreben ist.the equation F. v S. = m ˙ K e r O s i n + m ˙ L. u f t = m ˙ L. u f t ( m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t + 1 )
Figure DE102019130861B4_0058
implies that in order to achieve the lowest possible fuel consumption ṁ fuel, the lowest possible force F and / or the highest possible flow velocity v S should be aimed for.

Die Kraft F ist durch die vorangegangenen Berechnungen bereits vorgegeben. Der Treibstoffverbrauch in Relation zur zeitgleich strömenden Luftmasse ṁLuft ist durch den Term m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t

Figure DE102019130861B4_0059
ebenfalls definiert.The force F is already given by the previous calculations. The fuel consumption in relation to the air mass flowing at the same time durch air is given by the term m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t
Figure DE102019130861B4_0059
also defined.

Unter Einbeziehung der Strömungsgeschwindigkeit vs, der benötigten Kraft F sowie des m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t

Figure DE102019130861B4_0060
lässt sich nun der Treibstoffverbrauch abschätzen, den ein Mi-8 ṁLuft mit einem IHT-Triebwerk voraussichtlich erreichen wird: m ˙ K e r . = F v S m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 3826,2132 N 465,1519 m s 0,02 = 0,165 k g s = 592,2525 k g h 740,316 l h
Figure DE102019130861B4_0061
Taking into account the flow velocity v s , the required force F and the m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t
Figure DE102019130861B4_0060
you can now estimate the fuel consumption that a Mi-8 ṁ Luft with an IHT engine is likely to achieve: m ˙ K e r . = F. v S. m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 3826.2132 N 465.1519 m s 0.02 = 0.165 k G s = 592.2525 k G H 740,316 l H
Figure DE102019130861B4_0061

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. 808,64 l h .

Figure DE102019130861B4_0062
Wird andererseits ein ineffizienteres Triebwerkspaar verwendet, was eine geringere Strömungsgeschwindigkeit erzeugt ( z .B  420,0 m s ) ,
Figure DE102019130861B4_0063
so erhöht sich der Treibstoffverbrauch unter Beibehaltung aller anderen Parameter in diesem Fall auf ca. 908,046 l h .
Figure DE102019130861B4_0064
Auch dieser Wert ist allerdings vergleichsweise niedrig verglichen mit dem gegenwertigen Verbrauch von ca. 1100 l h .
Figure DE102019130861B4_0065
It should be noted that all values used are based on rough estimates and are heavily dependent on the components actually used. This can increase fuel consumption in real terms. If a further gear stage is added to the spur gear in the calculation described above, the fuel consumption increases to approx. 808.64 l H .
Figure DE102019130861B4_0062
On the other hand, it becomes a more inefficient one Engine pair used, which creates a lower flow velocity ( z .B 420.0 m s ) ,
Figure DE102019130861B4_0063
in this way, the fuel consumption increases to approx. 908,046 l H .
Figure DE102019130861B4_0064
However, this value is also comparatively low compared to the current consumption of approx. 1100 l H .
Figure DE102019130861B4_0065

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 supposed 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 into the central housing to the impulse turbine via feed lines.

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 housing. 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 ultimately results 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.
For the flow velocity v S , the flow velocity of the fuel flow, only estimates are also possible:
  • A conventional type of jet engine is difficult to use in a CH-53G helicopter and special fuel injectors are used instead.

Daher wird in diesem Fall eine höhere Strömungsgeschwindigkeit angenommen als bei einem Strahltriebwerk, bei dem sich die Werte der Geschwindigkeit vS üblicherweise zwischen 300,0 m s  und  500,0 m s

Figure DE102019130861B4_0066
bewegen. Als wahrscheinlich höchstmögliche Strömungsgeschwindigkeit wurde eingangs 1625,0 m s
Figure DE102019130861B4_0067
definiert und als höchstmögliche Drehzahl n I = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0068
festgelegt. Da beide Werte von dem des Radius' abhängen und dieser geringer als 0,779m (s. S. 17) ist, wird für die weitere Berechnung die höchstmögliche Drehzahl n I = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0069
als Basiswert verwendet. Die Hauptrotor-Drehzahl beträgt wie auch bei der Mi 8   n = 185 1 m i n = 3,083 1 s .
Figure DE102019130861B4_0070
Therefore, in this case, 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 300.0 m s and 500.0 m s
Figure DE102019130861B4_0066
move. At the beginning, the probably highest possible flow velocity was stated 1625.0 m s
Figure DE102019130861B4_0067
defined and as the highest possible speed n I. = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0068
set. Since both values depend on that of the radius and this is less than 0.779m (see p. 17), the highest possible speed is used for the further calculation n I. = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0069
used as base value. The main rotor speed is the same as with the Wed - 8th n = 185 1 m i n = 3.083 1 s .
Figure DE102019130861B4_0070

Auf Grund des hohen Übersetzungsverhältnisses von 320,0 1 s

Figure DE102019130861B4_0071
auf 3,083 1 s
Figure DE102019130861B4_0072
kann hier von einer Verwendung eines 3-Stufen-Getriebes ausgegangen werden. Der Wirkungsgrad dieses Getriebes wird bei ηGetriebe = 0,76734 angesetzt. P = 3975   P S = 2925600   W = 2925600 k g m 2 s 3
Figure DE102019130861B4_0073
M I = 2925600   k g m 2 2 π 320 1 s 0,90 0,76734   s 3 = 2106,9526   N m
Figure DE102019130861B4_0074
Due to the high gear ratio of 320.0 1 s
Figure DE102019130861B4_0071
on 3.083 1 s
Figure DE102019130861B4_0072
a 3-stage gearbox can be assumed here. The efficiency of this gear is set at η gear = 0.76734. P. = 3975 P. S. = 2925600 W. = 2925600 k G m 2 s 3
Figure DE102019130861B4_0073
M. I. = 2925600 k G m 2 2 π 320 1 s 0.90 0.76734 s 3 = 2106.9526 N m
Figure DE102019130861B4_0074

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: i g e s = i k   m i t   k = G e t r i e b e s t u f e n a n z a h l

Figure DE102019130861B4_0075
The gear ratio indicates how much the speed increases in each stage. The usual values are in the range from 3 to 5. The overall ratio is calculated as follows: i G e s = i k m i t k = G e t r i e b e s t u f e n a n z a H l
Figure DE102019130861B4_0075

Es gilt in diesem Fall: i g e s = i 3 = i 1 i 2 i 3

Figure DE102019130861B4_0076
The following applies in this case: i G e s = i 3 = i 1 i 2 i 3
Figure DE102019130861B4_0076

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: v s = 2 π n I r = 2 π 320,0 1 s 0,625   m = 1256,637 m s

Figure DE102019130861B4_0077
The following applies to the flow velocity v S in the impulse turbine: v s = 2 π n I. r = 2 π 320.0 1 s 0.625 m = 1256.637 m s
Figure DE102019130861B4_0077

Die benötigte Kraft ergibt sich wie folgt: F = M I r = 2106,9526   N m 0,625   m = 3371,14016   N

Figure DE102019130861B4_0078
The force required is as follows: F. = M. I. r = 2106.9526 N m 0.625 m = 3371.14016 N
Figure DE102019130861B4_0078

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 1256,637 m s

Figure DE102019130861B4_0079
im laufenden Betrieb. Ein Einsatz einer solchen Impulsturbine kann daher als praktikabel angesehen werden.The maximum permissible force acting on a turbine blade is 47123 N (see p. 17) and is thus far above the actual force acting at a flow velocity v S of 1256.637 m s
Figure DE102019130861B4_0079
in operation. The use of such a pulse turbine can therefore be regarded as practicable.

Für den Treibstoffverbrauch folgt dann: m ˙ K e r o s i n = F v S m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 3371,14016   N 1256,637 m s 0,02 = 0,0537 k g s = 193,153 k g h 241,5 l h

Figure DE102019130861B4_0080
For the fuel consumption then follows: m ˙ K e r O s i n = F. v S. m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 3371.14016 N 1256.637 m s 0.02 = 0.0537 k G s = 193.153 k G H 241.5 l H
Figure DE102019130861B4_0080

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 m s

Figure DE102019130861B4_0081
führen zu einem Verbrauch von ca. 645,0 l h .
Figure DE102019130861B4_0082
Dieser Wert ist ebenfalls unterhalb des ursprünglichen von 1000,0 l h
Figure DE102019130861B4_0083
zu verzeichnen.Comparative considerations with, for example, a lower flow velocity of only 470,000 m s
Figure DE102019130861B4_0081
lead to a consumption of approx. 645.0 l H .
Figure DE102019130861B4_0082
This value is also below the original of 1000.0 l H
Figure DE102019130861B4_0083
to be recorded.

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 will most likely increase in the future, especially in long-haul transport across the region and in 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 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 ist ein TPI-Triebwerk aus der Frontalperspektive dargestellt. Im Zentrum befindet sich die Impulsturbine, die von einem Treibstoff-Massenstrom angetrieben wird, der über eine Zuleitung am oberen Rand eingeleitet wird. Dort befindet sich die Einspritzdüse, die das Treibstoff-Luft-Gemisch in die Turbine einspeist. Die Luftmasse wird über ein spezielles Staustrahltriebwerk bzw. eine spezielle Turbine angesaugt.In the a TPI engine is shown from the frontal perspective. In the center is the impulse turbine, which is driven by a fuel mass flow that is introduced via a feed line at the upper edge. This is where the injection nozzle is located, which feeds the fuel-air mixture into the turbine. The air mass is sucked in via a special ramjet engine or a special turbine.

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 into the impulse turbine in an arc, deflected by 90 °. 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 an 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. This would result in a ratio of approx. 10/1 to partially 40/1 Propulsion losses 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. This is one of the most powerful turboprop engines today 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, a ramjet engine is connected, 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. 8000   P S = 5888000   W = 5888000 k g m 2 s 3

Figure DE102019130861B4_0084
The diameter of an EPI TP400 is around 0.92 m. For a possible radius r of the impulse turbine, with a deduction of a few centimeters, this results in about r = 0.452 m. The power of a TP400 is estimated at 8000 HP in cruise flight, comparable to a Soviet NK-12MV engine. At an altitude of 36,100 feet, this makes 8000PS and, overall, is slightly above that of the TP400 in terms of performance. 8000 P. S. = 5888000 W. = 5888000 k G m 2 s 3
Figure DE102019130861B4_0084

Im Reiseflug verbraucht ein A400M mit Standard-TP400-Triebwerken etwa 4366 l h .

Figure DE102019130861B4_0085
(Quelle: https://defence.pk/pdf/threads/airbus-a400-m-detailed-analysis-including-pilot-reports.273682/; 20.10.2018, 15.45 Uhr) Für jedes Triebwerk bedeutet dies einen Verbrauch von 1091,5 l h .
Figure DE102019130861B4_0086
When cruising, an A400M with standard TP400 engines consumes about 4366 l H .
Figure DE102019130861B4_0085
(Source: https://defence.pk/pdf/threads/airbus-a400-m-detailed-analysis-including-pilot-reports.273682/; October 20, 2018, 3:45 p.m.) This means a consumption of 1091.5 l H .
Figure DE102019130861B4_0086

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: v s = 2 π n I r = 2 π 320,0 1 s 0,452   m = 908,799 m s

Figure DE102019130861B4_0087
With the help of the given data, the fuel consumption can now be estimated if a TPI engine is used at this point. First, the required torque is calculated for this. The highest possible speed is used for the flow velocity in the impulse turbine: v s = 2 π n I. r = 2 π 320.0 1 s 0.452 m = 908.799 m s
Figure DE102019130861B4_0087

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 864,0 U m i n .

Figure DE102019130861B4_0088
(Quelle: https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/TCDS E033 Issue%2006 1.0 0.pdf; 20.10.2018; 18.00 Uhr) Für das Übersetzungsverhältnis bedeutet dies bei einer Übersetzung von 4,71405 in jeder Stufe: i g e s = i 2 = i 1 i 2 = 4,71405 4,71405 22, 2 ¯
Figure DE102019130861B4_0089
n I = n P r o p e l l e r i g e s = 864,0 1 60 s 22, 2 ¯ = 320,0 1 s
Figure DE102019130861B4_0090
In contrast to an IHT engine, a gearbox with only 2 stages can be used in a TPI engine, as the necessary ratio of impulse turbine speed to propeller speed is not as high as in an IHT engine. With a TP400 the maximum speed of the propeller is included 864.0 U m i n .
Figure DE102019130861B4_0088
(Source: https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/TCDS E033 Issue% 2006 1.0 0.pdf; 10/20/2018; 6:00 p.m.) For the translation ratio, this means with a translation of 4 , 71405 in each level: i G e s = i 2 = i 1 i 2 = 4.71405 4.71405 22 2 ¯
Figure DE102019130861B4_0089
n I. = n P. r O p e l l e r i G e s = 864.0 1 60 s 22 2 ¯ = 320.0 1 s
Figure DE102019130861B4_0090

Ein 2-Stufen-Getriebe ist daher ausreichend, um die Drehzahl der Impulsturbine in die des Propellers zu übersetzen. Für den Wirkungsgrad des Getriebes gilt: η G e t r i e b e = ( η w e l l e η Z a h n r a d 2 η L a g e r 2 ) G e s a m t z a h l   d e r   G e t r i e b e s t u f e n

Figure DE102019130861B4_0091
η G e t r i e b e = ( 0,9825 0,9825 2 0,9825 2 ) 2 = 0,83815
Figure DE102019130861B4_0092
A 2-stage gearbox is therefore sufficient to convert the speed of the impulse turbine into that of the propeller. The following applies to the efficiency of the gear unit: η G e t r i e b e = ( η w e l l e η Z a H n r a d 2 η L. a G e r 2 ) G e s a m t z a H l d e r G e t r i e b e s t u f e n
Figure DE102019130861B4_0091
η G e t r i e b e = ( 0.9825 0.9825 2 0.9825 2 ) 2 = 0.83815
Figure DE102019130861B4_0092

Für das Drehmoment folgt schließlich: M I = P 2 n I π η T u r b i n e η G e t r i e b e = 5888000   k g m 2 s 2 π 320,0   s 3 0,90 0,83815

Figure DE102019130861B4_0093
M I = 3882,1624   N m
Figure DE102019130861B4_0094
For the torque it finally follows: M. I. = P. 2 n I. π η T u r b i n e η G e t r i e b e = 5888000 k G m 2 s 2 π 320.0 s 3 0.90 0.83815
Figure DE102019130861B4_0093
M. I. = 3882.1624 N m
Figure DE102019130861B4_0094

Die benötigte Kraft ergibt sich wie folgt: F = M I r = 3882,1624   N m 0,452   m = 8588,855   N

Figure DE102019130861B4_0095
The force required is as follows: F. = M. I. r = 3882.1624 N m 0.452 m = 8588.855 N
Figure DE102019130861B4_0095

Für den Treibstoffverbrauch folgt dann: m ˙ K e r o s i n = F v s m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 8588,855   N 908,799 m s 0,02 = 0,189 k g s = 680,456 k g h 850,57 l h

Figure DE102019130861B4_0096
For the fuel consumption then follows: m ˙ K e r O s i n = F. v s m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 8588.855 N 908.799 m s 0.02 = 0.189 k G s = 680.456 k G H 850.57 l H
Figure DE102019130861B4_0096

Die Einsparungen sind nicht mit denen von IHT-Triebwerken zu vergleichen, jedoch bemerkenswert hoch. Bei dem gezeigten Beispiel stellen die 850,57 l h

Figure DE102019130861B4_0097
eine Reduktion um 22% des ursprünglichen Wertes dar. Dies ist zum Teil auch der Tatsache geschuldet, dass es sich bei dem TP400 um ein sehr leistungsstarkes Triebwerk handelt - ein Triebwerk mit niedrigem Leistungsgewicht. „Leistungsgewicht“ beschreibt den Quotienten aus Masse und Leistung eines Antriebs, Fortbewegungsmittels, Kraftwerks oder auch bei Mensch oder Tier. Im Falle eines TP400 Triebwerks bedeutet das, dass eine verhältnismäßig hohe Leistung einem „kleinen“ Triebwerk abgefordert wird. „Kleines“ Triebwerk bedeutet, wie gezeigt, kleiner Radius in der Impulsturbine und daher auch eine geringe Strömungsgeschwindigkeit.The savings cannot be compared to those of IHT engines, but they are remarkably high. In the example shown, the 850.57 l H
Figure DE102019130861B4_0097
a reduction of 22% of the original value. This is partly due to the fact that the TP400 is a very powerful engine - an engine with a low power-to-weight ratio. "Power-to-weight ratio" describes the quotient of the mass and power of a drive, means of transport, power plant or even for humans or animals. In the case of a TP400 engine, this means that a relatively high output is required from a "small" engine. “Small” engine means, as shown, a small radius in the impulse turbine and therefore also a low flow velocity.

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 653,625 l h

Figure DE102019130861B4_0098
(Quelle: http://www.motorsich.com/eng/products/aircraft/tr/ai-20/; 20.10.2018, 20.20 Uhr) Die Breite des Triebwerksgehäuses beträgt nach Herstellerangaben 0,842m. Das bedeutet für die Impulsturbine einen Radius r = 0,400m. Zur Berechnung des Treibstoffverbrauchs in dieser Version des TPI-Triebwerks wird wieder eine Drehzahl in der Impulsturbine n I = 19200 U m i n = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0099
min s sowie ein Getriebewirkungsgrad von ηGetreibe= 0,83815 angenommen. Für das Drehmoment folgt schließlich: M I = P 2 n I π η T u r b i n e η G e t r i e b e = 1832640   k g m 2 s 2 π 320,0   s 3 0,90 0,83815
Figure DE102019130861B4_0100
M I = 1208,32304 N m
Figure DE102019130861B4_0101
Such an engine makes about 2490PS (= 1832640W) when cruising and consumes it 653.625 l H
Figure DE102019130861B4_0098
(Source: http://www.motorsich.com/eng/products/aircraft/tr/ai-20/; October 20, 2018, 8:20 p.m.) According to the manufacturer, the width of the engine housing is 0.842 m. For the impulse turbine this means a radius r = 0.400m. To calculate the fuel consumption in this version of the TPI engine, a speed is again used in the impulse turbine n I. = 19200 U m i n = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0099
min s and a gear efficiency of η gear units = 0.83815 assumed. For the torque it finally follows: M. I. = P. 2 n I. π η T u r b i n e η G e t r i e b e = 1832640 k G m 2 s 2 π 320.0 s 3 0.90 0.83815
Figure DE102019130861B4_0100
M. I. = 1208,32304 N m
Figure DE102019130861B4_0101

Die benötigte Kraft ergibt sich wie folgt: F = M I r = 1208,32304   N m 0,400   m 3020,8076   N

Figure DE102019130861B4_0102
The force required is as follows: F. = M. I. r = 1208,32304 N m 0.400 m 3020,8076 N
Figure DE102019130861B4_0102

Die Strömungsgeschwindigkeit vs: v s = 2 π n I r = 2 π 320,0 1 s 0,400 m = 804,247719 m s

Figure DE102019130861B4_0103
The flow velocity v s : v s = 2 π n I. r = 2 π 320.0 1 s 0.400 m = 804,247719 m s
Figure DE102019130861B4_0103

Unter Einbeziehung des Faktors m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 0,02

Figure DE102019130861B4_0104
gilt dann für den Treibstoffverbrauch: m ˙ K e r . = F v s m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 3020,8076 N 804,247719 m s 0,02 = 0,075121 k g s = 270,44 k g h 338,046 l h
Figure DE102019130861B4_0105
Taking into account the factor m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 0.02
Figure DE102019130861B4_0104
then applies to fuel consumption: m ˙ K e r . = F. v s m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 3020,8076 N 804,247719 m s 0.02 = 0.075121 k G s = 270.44 k G H 338,046 l H
Figure DE102019130861B4_0105

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 established as 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, 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 the 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. Nowadays, high bypass ratios are often sought in the design of 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, consequently, the fuel consumption is also 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 occurs only through 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 flow direction of the air masses in the engine and thus also perpendicular to the propulsion direction 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 ist die Skizze eines STI-Triebwerks aus der Frontalperspektive dargestellt. Im Zentrum des Bildes ist die Impulsturbine dargestellt, die vom oben zugeführten Massenstrom in Rotation versetzt wird. Über eine Welle und ein gegebenenfalls zwischengeschaltetes Getriebe wird die Niederdruckturbine angetrieben - ihre Schaufeln sind in Form einer Risszeichnung als Kranz um die Impulsturbine dargestellt. Der Bereich hinter der Niederdruckturbine stellt die Mantelkammer des Triebwerks dar. In ihr wird die durchgeführte Luftmasse beschleunigt und als Vortrieb erzeugende Kraft auf der rückwärtigen Seite des Triebwerks ausgestoßen. Der Treibstoff-Luft-Gemisch-Massenstrom, der die Impulsturbine im Triebwerkskern antreibt, ist dabei hermetisch von der Luftmasse, die durch die Triebwerksmantelkammer geleitet wird, abgeschirmt. Es ist möglich, dass die Abluft des „Kernstroms“ als zusätzlicher Massenstrom aus dem Triebwerk ausgestoßen wird und für zusätzliche Schubkraft sorgt. Für die Berechnung der Triebwerksleistung wird dies jedoch nicht berücksichtigt, da die finale Konstruktion eines solchen STI-Triebwerks nicht gänzlich geklärt ist. Unter der Annahme, dass der „Kernstrom“ als Schubkraft nicht zur Verfügung steht, ist die Funktionsweise des STI-Triebwerks vergleichbar mit der eines TPI-Triebwerks: Die Schubkraft des gesamten Triebwerks erfolgt dann ausschließlich aus der Luftmasse, die durch die Mantelkammer des Triebwerks geführt wird. Zur Berechnung der Leistungsfähigkeit eines solchen STI-Triebwerks sind die Strömungsgeschwindigkeit des Mantelstroms und die erzeugte Schubkraft des Triebwerks von Bedeutung. Anders als bei Hubschrauber- und Turboprop-Triebwerken werden Strahltriebwerke in der Regel über ihre Schubkraft definiert.In the sketch of an STI engine is shown from the frontal perspective. In the center of the picture the impulse turbine is shown, which is set in rotation by the mass flow supplied above. over the low-pressure turbine is driven by a shaft and, if necessary, an interposed gearbox - its blades are shown in the form of a drawing as a wreath around the impulse turbine. The area behind the low-pressure turbine represents the jacket chamber of the engine. In it, the air mass passed through is accelerated and expelled as propulsion-generating force on the rear side of the engine. The fuel-air mixture mass flow that drives the impulse turbine in the engine core is hermetically shielded from the air mass that is passed through the engine casing chamber. It is possible that the exhaust air of the "core flow" is expelled from the engine as an additional mass flow and provides additional thrust. However, this is not taken into account when calculating the engine performance, as the final design of such an STI engine has not been fully clarified. Assuming that the “core flow” is not available as thrust, the functionality of the STI engine is comparable to that of a TPI engine: The thrust of the entire engine then comes exclusively from the air mass that is passed through the jacket chamber of the engine becomes. To calculate the performance of such an STI engine, the flow velocity of the bypass flow and the thrust generated by the engine are important. Unlike helicopter and turboprop engines, jet engines are usually defined by their thrust.

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 3000,0 m s

Figure DE102019130861B4_0106
erhöhen. Um eine bessere Vergleichbarkeit mit herkömmlichen kommerziell eingesetzten Triebwerken zu erzielen, genügt es an diesem Punkt, die Austrittsgeschwindigkeit des Luftstroms aus dem Triebwerk auf einen vergleichbaren Wert zu „erhöhen“.In general, it can be stated that a high flow velocity in the engine casing leads to a low air mass requirement to generate a certain thrust. Thanks to the conical shape of the engine, the flow speed can be increased almost continuously to a certain value. Theoretically, this value could be based on that of conventional rocket engines of about 3000.0 m s
Figure DE102019130861B4_0106
increase. In order to achieve a better comparison with conventional commercially used engines, it is sufficient at this point to "increase" the exit speed of the air flow from the engine to a comparable value.

Ein Beispiel mit verhältnismäßig hoher Durchflussgeschwindigkeit der Luftmasse ist ein sowjetisches D-20P-Triebwerk (s. S. 20 ff). Seine Durchflussgeschwindigkeit, zugleich seine Austrittsgeschwindigkeit, beträgt v A = 465,1519 m s .

Figure DE102019130861B4_0107
An example with a relatively high flow rate of the air mass is a Soviet D-20P engine (see p. 20 ff). Its flow rate, at the same time its exit velocity, is v A. = 465.1519 m s .
Figure DE102019130861B4_0107

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: v A = F S c h u b , V 2533 m ˙ K e r o s i n , V 2533 + m ˙ L u f t , V 2533 = 139721,87222 N 139721,87222 N * 0,0000102 k g N s + 385,0999 k g s

Figure DE102019130861B4_0108
v A = 361,482 m s
Figure DE102019130861B4_0109
Another example is an IAE V2533-A5 engine that is now used on an Airbus A321. (Source: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html: October 24, 2018, 8:30 p.m.) Its exit speed is: v A. = F. S. c H u b , V 2533 m ˙ K e r O s i n , V 2533 + m ˙ L. u f t , V 2533 = 139721.87222 N 139721.87222 N * 0.0000102 k G N s + 385.0999 k G s
Figure DE102019130861B4_0108
v A. = 361,482 m s
Figure DE102019130861B4_0109

Auf selbigem Wege lassen sich für andere Triebwerke ebenso die Durchflussgeschwindigkeiten berechnen. (z.B. Solovyev D-30-1 → v A = 525,077 m s )

Figure DE102019130861B4_0110
In the same way, the flow velocities can also be calculated for other engines. (e.g. Solovyev D-30-1 → v A. = 525,077 m s )
Figure DE102019130861B4_0110

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 v A = 462,5 m s

Figure DE102019130861B4_0111
verwendet. Die Austrittsgeschwindigkeit multipliziert mit der Schubkraft ergibt die Leistung des Triebwerks. Dieses Produkt lässt sich in die Formel zur Leistungsberechnung einsetzen (s. S. 17): P [ P S ] = P 736 [ W ] = P 736 [ k g m 2 s 3 ] = F S c h u b v D u r c h f l u s s [ k g m 2 s 3 ]
Figure DE102019130861B4_0112
In view of the fact that there is a different optimal ratio of these two radii for each engine, which also has an influence on the flow rate, a speed is used here as an example v A. = 462.5 m s
Figure DE102019130861B4_0111
used. The exit speed multiplied by the thrust gives the power of the engine. This product can be used in the formula for power calculation (see p. 17): P. [ P. S. ] = P. 736 [ W. ] = P. 736 [ k G m 2 s 3 ] = F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s [ k G m 2 s 3 ]
Figure DE102019130861B4_0112

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 v D u r c h f l u s s v A

Figure DE102019130861B4_0113
angepasst werden.The following should be noted for the velocity v flow : It differs from engine to engine and depends on the thrust and the air throughput of the respective engine. The force F actually required, which must be generated by the impulse turbine, must therefore with the factor v D. u r c H f l u s s v A.
Figure DE102019130861B4_0113
be adjusted.

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 Strömungsgeschwindigkeit v S = 1625 m s

Figure DE102019130861B4_0114
als Basiswert verwendet. Ist der Radius geringer als 0,779m, so wird zur Berechnung die Drehzahl n I = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0115
als Basiswert verwendet.The length of the radius of the impulse turbine determines which formula is most appropriate to use to calculate fuel consumption (see p. 17). If it is greater than 0.779m, the flow velocity is used for the calculation v S. = 1625 m s
Figure DE102019130861B4_0114
used as base value. If the radius is less than 0.779m, the speed is used for the calculation n I. = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0115
used as base value.

Zunächst erfolgt die Berechnung unter Zuhilfenahme der Strömungsgeschwindigkeit vs: P [ P S ] = P 736 [ W ] = P 736 [ k g m 2 s 3 ] = F S c h u b v D u r c h f l u s s [ k g m 2 s 3 ]

Figure DE102019130861B4_0116
F S c h u b v A v D u r c h f l u s s v A = 2 π n I M I η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0117
M I = F S c h u b v A v D u r c h f l u s s 2 n I π v A η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0118
S t r m u n g s g e s h w i n d i g k e i t : v S = 2 π n I r
Figure DE102019130861B4_0119
M I = F S c h u b v A v D u r c h f l u s s v S r v A η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0120
F = M I r = F S c h u b v A v D u r c h f l u s s r v S r v A η T u r b i n e η G e t r i e b e = F S c h u b v A v D u r c h f l u s s v S v A η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0121
First, the calculation takes place with the aid of the flow velocity v s : P. [ P. S. ] = P. 736 [ W. ] = P. 736 [ k G m 2 s 3 ] = F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s [ k G m 2 s 3 ]
Figure DE102019130861B4_0116
F. S. c H u b v A. v D. u r c H f l u s s v A. = 2 π n I. M. I. η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0117
M. I. = F. S. c H u b v A. v D. u r c H f l u s s 2 n I. π v A. η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0118
S. t r m u n G s G e s H w i n d i G k e i t : v S. = 2 π n I. r
Figure DE102019130861B4_0119
M. I. = F. S. c H u b v A. v D. u r c H f l u s s v S. r v A. η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0120
F. = M. I. r = F. S. c H u b v A. v D. u r c H f l u s s r v S. r v A. η T u r b i n e η G e t r i e b e = F. S. c H u b v A. v D. u r c H f l u s s v S. v A. η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0121

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 3894 1 m i n = 64,9 1 s

Figure DE102019130861B4_0122
(Quelle: https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/EASA%20E110%20TCDS%20Issue%207%20LEAP-1A-1C.pdf; 25.10.2018, 10:25 Uhr). Damit ergibt sich für den Wirkungsgrad des Getriebes: ηGetriebe = (0,9825 * 0,98252 * 0,98252)1 = 0,9155. Für die Kraft F bedeutet dies: F = F S c h u b 420,0 m s v D r u c h f l u s s 1625,0 m s 420,0 m s 0,90 * 0,9155 = 0,00008233 s m F S c h u b v D u r c h f l u s s
Figure DE102019130861B4_0123
A special feature of STI engines is the gearbox to be used to reduce the impulse turbine speed to the speed of the low-pressure turbine. Since the speed of the low-pressure turbine is relatively high compared to that of a main rotor of a helicopter or a propeller of a turboprop aircraft, it can be assumed that a 1-stage gearbox is sufficient at this point. For example, the speed of the low pressure turbine in the CFM is LEAP-1A 3894 1 m i n = 64.9 1 s
Figure DE102019130861B4_0122
(Source: https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/EASA%20E110%20TCDS%20Issue%207%20LEAP-1A-1C.pdf; 25.10.2018, 10:25 am) . This results in the efficiency of the gearbox: η gearbox = (0.9825 * 0.9825 2 * 0.9825 2 ) 1 = 0.9155. For the force F this means: F. = F. S. c H u b 420.0 m s v D. r u c H f l u s s 1625.0 m s 420.0 m s 0.90 * 0.9155 = 0.00008233 s m F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s
Figure DE102019130861B4_0123

Für den Treibstoffverbrauch lässt sich feststellen: m ˙ K e r o s i n = F v S m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 0,00008233 s m F S c h u b v D u r c h f l u s s 1625,0 m s 0,02

Figure DE102019130861B4_0124
m ˙ K e r o s i n = F S c h u b v D u r c h f l u s s 0,0000000010133 k g N s
Figure DE102019130861B4_0125
The following can be determined for fuel consumption: m ˙ K e r O s i n = F. v S. m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 0.00008233 s m F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s 1625.0 m s 0.02
Figure DE102019130861B4_0124
m ˙ K e r O s i n = F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s 0.0000000010133 k G N s
Figure DE102019130861B4_0125

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 depending on 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 n I = 320 1 s

Figure DE102019130861B4_0126
als fix angenommen wird. P [ P S ] = P 736 [ W ] = P 736 [ k g m 2 s 3 ] = F S c h u b v D u r c h f l u s s 736 [ k g m 2 s 3 ]
Figure DE102019130861B4_0127
F S c h u b v A * v D u r c h f l u s s v A = 2 π n I M I η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0128
M I = F S c h u b v D u r c h f l u s s 2 n I π η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0129
F = M I r = F S c h u b v D u r c h f l u s s r 2 n I π η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0130
F = F S c h u b v D u r c h f l u s s 2 π r 320 1 s * 0,90 * 0,9155
Figure DE102019130861B4_0131
F = F S c h u b v D r u c h f l u s s 2 π r * 320 1 s 0,90 0,9155 = F S c h u b v D u r c h f l u s s r 0,00060363 1 s
Figure DE102019130861B4_0132
Since with jet engines it can be assumed that the radius of the impulse turbine is in most cases less than 0.779m due to the small dimensions of the engines, a fuel consumption calculation now follows, with the speed n I. = 320 1 s
Figure DE102019130861B4_0126
is assumed to be fixed. P. [ P. S. ] = P. 736 [ W. ] = P. 736 [ k G m 2 s 3 ] = F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s 736 [ k G m 2 s 3 ]
Figure DE102019130861B4_0127
F. S. c H u b v A. * v D. u r c H f l u s s v A. = 2 π n I. M. I. η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0128
M. I. = F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s 2 n I. π η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0129
F. = M. I. r = F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s r 2 n I. π η T u r b i n e η G e t r i e b e
Figure DE102019130861B4_0130
F. = F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s 2 π r 320 1 s * 0.90 * 0.9155
Figure DE102019130861B4_0131
F. = F. S. c H u b v D. r u c H f l u s s 2 π r * 320 1 s 0.90 0.9155 = F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s r 0.00060363 1 s
Figure DE102019130861B4_0132

Für den Treibstoffverbrauch lässt sich sodann ermitteln: m ˙ K e r o s i n = F v S m ˙ K e r o s i n m ˙ L u f t = 0,00060363 F S c h u b v D u r c h f l u s s 2 π 320 1 s r 2 0,02

Figure DE102019130861B4_0133
m ˙ K e r o s i n = F S c h u b v D u r c h f l u s s r 2 0,00000000600442 k g * m 2 N * s
Figure DE102019130861B4_0134
The following can then be determined for the fuel consumption: m ˙ K e r O s i n = F. v S. m ˙ K e r O s i n m ˙ L. u f t = 0.00060363 F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s 2 π 320 1 s r 2 0.02
Figure DE102019130861B4_0133
m ˙ K e r O s i n = F. S. c H u b v D. u r c H f l u s s r 2 0.00000000600442 k G * m 2 N * s
Figure DE102019130861B4_0134

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 v D u r c h f l u s s = 288,0 m s 26000 N

Figure DE102019130861B4_0135
Schubkraft leistet und in der Impulsturbine einen Radius von r = 0,30m aufweist, etwa 2248,0 l h
Figure DE102019130861B4_0136
Kerosin verbrauchen. Ein solches Triebwerk entspricht in etwa dem Leistungsspektrum eines konventionellen A320-Triebwerks, liegt im Verbrauch jedoch deutlich darüber.According to this general formula, an STI engine that operates at a flow rate of v D. u r c H f l u s s = 288.0 m s 26000 N
Figure DE102019130861B4_0135
Makes thrust and in the impulse turbine has a radius of r = 0.30m, about 2248.0 l H
Figure DE102019130861B4_0136
Consume kerosene. Such an engine roughly corresponds to the performance spectrum of a conventional A320 engine, but its consumption is significantly higher.

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 v D u r c h f l u s s = 288,0 m s

Figure DE102019130861B4_0137
einen Radius r = 0,48m besitzen, so würde es nur noch 878,0 l h
Figure DE102019130861B4_0138
verbrauchen. Komplizierter wird dann jedoch die Gestaltung des Triebwerks, da sich mit zunehmendem Radius der Impulsturbine der Rauminhalt der Mantelkammer des Triebwerks verringert, solange die äußeren Abmessungen des Triebwerks sich nicht verändern. Abhängig vom jeweiligen Triebwerk ist die Länge des Radius' so auf ein bestimmtes Maß begrenzt.From this calculation it can be seen that an STI engine only leads to savings in fuel consumption with a radius length greater than r = 0.45m. Would an STI engine with 26000N thrust and v D. u r c H f l u s s = 288.0 m s
Figure DE102019130861B4_0137
have a radius r = 0.48m, it would only 878.0 l H
Figure DE102019130861B4_0138
consume. The design of the engine then becomes more complicated, however, since the volume of the jacket chamber of the engine decreases as the radius of the impulse turbine increases, as long as the external dimensions of the engine do not change. Depending on the particular engine, the length of the radius is limited to a certain amount.

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-engine.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 3684 l h

Figure DE102019130861B4_0139
(Quelle: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; 25.10.2018, 23:20 Uhr) Nach Anwendung obiger Formel ergibt sich: m ˙ K e r o s i n = F S c h u b , A 330 v D u r c h f l u s s r 2 * 0,00000000600442 k g * m 2 N * s
Figure DE102019130861B4_0140
For wide-body aircraft such. B. an A330, however, can achieve relatively good savings. A Pratt & Wittney PW4168 engine, for example, has a fan diameter of approx. 2.5 m. (Source: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; 10/25/2018, 11:20 p.m.) It is therefore possible that the impulse turbine in the engine core accounts for 1.5 m of this. This would ultimately result in a radius r = 0.70 m if the casing of the impulse turbine is taken into account. A Rolls-Royce A330 engine, a so-called Trent 772-60, produces around 51172N when cruising. Its consumption is then included 3684 l H
Figure DE102019130861B4_0139
(Source: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; 25.10.2018, 11:20 p.m.) Applying the above formula results in: m ˙ K e r O s i n = F. S. c H u b , A. 330 v D. u r c H f l u s s r 2 * 0.00000000600442 k G * m 2 N * s
Figure DE102019130861B4_0140

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 897,191379 k g s .

Figure DE102019130861B4_0141
(Quelle: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; 25.10.2018, 23:38 Uhr) Daraus lässt sich die Durchflussgeschwindigkeit im Original-Triebwerk bestimmen: v T r e n t   772 60 = 316376,596 N 897,191379 k g s = 352,625 m s
Figure DE102019130861B4_0142
The flow velocity v flow can be derived from existing knowledge: A Trent 772-60B generates a maximum thrust of 316376,596N and an air flow rate of 897.191379 k G s .
Figure DE102019130861B4_0141
(Source: http://www.jet-engine.net/civtfspec.html; October 25, 2018, 11:38 pm) From this, the flow rate in the original engine can be determined: v T r e n t 772 - 60 = 316376,596 N 897.191379 k G s = 352.625 m s
Figure DE102019130861B4_0142

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: A T r e n t   772 60 = ( 2,47396 m 2 ) 2 π = 4,8070125 m 2

Figure DE102019130861B4_0143
A S T I = ( 2,53492 m 2 ) 2 π ( 1,5 m 2 ) 2 π = 3,27968 m 2
Figure DE102019130861B4_0144
In order to determine how much the flow rate would increase in this case in the STI engine, it is necessary to put the intersected areas of the turbine inlets in relation to one another. In the case of the Trent 772-60, this represents the entire area of the low-pressure turbine, while in the case of the STI engine, only the area that leads the air flow into the engine casing chamber may be calculated. For this purpose, the area of the turbine inlet minus the frontal area of the engine core is calculated for the STI engine. The engine core is set with a diameter of 1.5 m. It follows: A. T r e n t 772 - 60 = ( 2.47396 m 2 ) 2 π = 4.8070125 m 2
Figure DE102019130861B4_0143
A. S. T I. = ( 2.53492 m 2 ) 2 π - ( 1.5 m 2 ) 2 π = 3.27968 m 2
Figure DE102019130861B4_0144

So gilt schließlich für die Geschwindigkeit: v S = v T r e n t   772 60 A T r e n t   772 60 A S T I = 516,85 m s

Figure DE102019130861B4_0145
The following applies to speed: v S. = v T r e n t 772 - 60 A. T r e n t 772 - 60 A. S. T I. = 516.85 m s
Figure DE102019130861B4_0145

Daraus wird nun der Treibstoffverbrauch für das STI-Triebwerk ermittelt: m ˙ K e r o s i n = 51172 N * 516,85 m s ( 0,70 m ) 2 0,00000000600442 k g * m 2 N * s = 0,3241 k g s

Figure DE102019130861B4_0146
From this, the fuel consumption for the STI engine is determined: m ˙ K e r O s i n = 51172 N * 516.85 m s ( 0.70 m ) 2 0.00000000600442 k G * m 2 N * s = 0.3241 k G s
Figure DE102019130861B4_0146

Dies entspricht einem Verbrauch von: m ˙ K e r o s i n = 0,3241 k g s = 0,3241 3600 k g h = 1166,76 k g h 1458,45 l h

Figure DE102019130861B4_0147
This corresponds to a consumption of: m ˙ K e r O s i n = 0.3241 k G s = 0.3241 3600 k G H = 1166.76 k G H 1458.45 l H
Figure DE102019130861B4_0147

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 a Boeing 757, STI engines are poorly suited as replacements.

FigurenlisteFigure list

  • zeigt schematisch ein Triebwerk mit einem Rotor als Antriebseinheit. shows schematically an engine with a rotor as a drive unit.
  • zeigt schematisch ein Triebwerk mit einem Propeller als Antriebseinheit. shows schematically an engine with a propeller as a drive unit.
  • zeigt schematisch ein Triebwerk mit einem zweiten Strahltriebwerk als Antriebseinheit. shows schematically an engine with a second jet engine as a drive unit.

Detaillierte Beschreibung der Abbildungen:Detailed description of the images:

zeigt schematisch ein Triebwerk mit einem Rotor (Rotorblätter 13) als Antriebseinheit, insbesondere für einen Hubschrauber. Die Abbildung stellt eine Draufsicht dar, in der Elemente, welche in verschiedenen Ebenen dargestellt werden, gemeinsam zu sehen sind. Dabei werden zwei erste Strahltriebwerke 3 eingesetzt, deren Massenstrom 5 über einen Eingangsbereich für den Massenstrom des ersten Strahltriebwerks 9 auf die Schaufeln der Impulsturbine 1 gelenkt werden und diese in Rotation versetzen. Diese Rotation wird auf die Welle bzw. Rotationsache 7 übertragen und von dort weiter auf den Rotor, dessen Rotorblätter 13 vorzugsweise auf der gleichen Welle sitzen 7. shows schematically an engine with a rotor (rotor blades 13th ) as a drive unit, especially for a helicopter. The figure shows a top view in which elements that are shown in different levels can be seen together. There are two first jet engines 3 used, their mass flow 5 via an entrance area for the mass flow of the first jet engine 9 on the blades of the impulse turbine 1 be steered and put them in rotation. This rotation is due to the shaft or a matter of rotation 7th and from there on to the rotor, its rotor blades 13th preferably sit on the same shaft 7.

Der Massenstrom des Fluides wird über die Abgasöffnung 11 ausgeleitet. Die Impulsturbine 1 liegt dabei in der Rotationsebene der Impulsturbine 2 vor.The mass flow of the fluid is via the exhaust port 11 diverted. The impulse turbine 1 lies in the plane of rotation of the impulse turbine 2 in front.

Ein grundsätzlich ähnlicher Aufbau wird in dargestellt, wobei hier anstelle des Rotors die Propellerblätter 15 des Propellers angetrieben werden, welche bevorzugt auf mit den Schaufeln der Impulsturbine auf der gleichen Welle 7 sitzen.A fundamentally similar structure is used in shown, with the propeller blades here instead of the rotor 15th of the propeller are driven, which preferentially on with the blades of the impulse turbine on the same shaft 7th to sit.

zeigt einen Aufbau mit einem zweiten Strahltriebwerk als Antriebseinheit, bei dem der Massenstrom 5 des ersten Strahltriebwerks über einen Eingangsbereich für den Massenstrom 9 zugeführt und auf die Impulsturbine 1 geleitet wird. Eine Rotation der Impulsturbine 1 wird über die Welle 7 auf den Fan des zweiten Strahltriebwerks 17 übertragen wird. shows a structure with a second jet engine as a drive unit, in which the mass flow 5 of the first jet engine via an entrance area for the mass flow 9 fed and on the impulse turbine 1 is directed. A rotation of the impulse turbine 1 is about the wave 7th on the fan of the second jet engine 17th is transmitted.

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

Claims (14)

Triebwerk für ein Luft- oder Schienenfahrzeug, umfassend: - mindestens ein erstes Strahltriebwerk (3) - mindestens eine Impulsturbine (1) umfassend mehrere auf einer Welle (7) gelagerten Schaufeln, - mindestens eine Antriebseinheit zur Erzeugung eines Vortriebs des Luft- oder Schienenfahrzeugs dadurch gekennzeichnet, dass das erste Strahltriebwerk (3) einen Massenstrom (5) eines Fluides erzeugt, welcher mit einer Strömungsrichtung innerhalb einer Rotationsebene der Impulsturbine (1) auf deren Schaufeln gerichtet ist, wobei die Welle (7) der Impulsturbine (1) mit der Antriebseinheit verbunden vorliegt für einen Antrieb der Antriebseinheit durch die Impulsturbine (1).Engine for an aircraft or rail vehicle, comprising: - at least one first jet engine (3) - at least one impulse turbine (1) comprising several blades mounted on a shaft (7), - at least one drive unit for generating propulsion of the aircraft or rail vehicle thereby characterized in that the first jet engine (3) generates a mass flow (5) of a fluid which is directed with a flow direction within a plane of rotation of the impulse turbine (1) on its blades, the shaft (7) of the impulse turbine (1) with the drive unit connected for a drive of the drive unit by the impulse turbine (1). Triebwerk nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln der Impulsturbine (1) konfiguriert sind für eine Übertragung eines Massenstromimpulses des Fluides, welcher eine Richtung im Wesentlichen innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine (2) aufweist.Engine according to the preceding claim, characterized in that the blades of the impulse turbine (1) 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 (2). Triebwerk nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln eine im Wesentlichen senkrechte Fläche zur Rotationsebene der Impulsturbine (2) aufweisen.Engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the blades have an essentially perpendicular surface to the plane of rotation of the impulse turbine (2). Triebwerk nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse des ersten Strahltriebwerks (3) in einer Ebene parallel zur Rotationsebene der Impulsturbine (2) oder innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine (2) angeordnet vorliegt.Engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that a longitudinal axis of the first jet engine (3) is arranged in a plane parallel to the plane of rotation of the impulse turbine (2) or within the plane of rotation of the impulse turbine (2). Triebwerk nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (7) der Impulsturbine (1) direkt mit einer Welle der Antriebseinheit verbunden vorliegt.Engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the shaft (7) of the impulse turbine (1) is connected directly to a shaft of the drive unit. Triebwerk nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (7) der Impulsturbine (1) über ein Getriebe, insbesondere ein Stirnradgetriebe und/oder Mehr-Stufen-Getriebe, mit einer Welle der Antriebseinheit verbunden vorliegt.Engine after one or more of the previous ones Claims 1 - 4th , characterized in that the shaft (7) of the impulse turbine (1) is connected to a shaft of the drive unit via a gear, in particular a spur gear and / or multi-stage gear. Triebwerk nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsturbine (1) in einer Turbinenkammer angeordnet vorliegt, welche mindestens einen Eingangsbereich für den Massenstrom des ersten Strahltriebwerks (9) und mindestens eine Abgasöffnung (11) aufweist und welche vorzugsweise für eine effiziente Führung des Massenstroms (5) auf die Schaufeln der Impulsturbine (1) konfiguriert ist.Engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the impulse turbine (1) is arranged in a turbine chamber which has at least one inlet area for the mass flow of the first jet engine (9) and at least one exhaust gas opening (11) and which preferably for a efficient guidance of the mass flow (5) on the blades of the impulse turbine (1) is configured. Triebwerk nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, insbesondere für einen Hubschrauber, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsturbine (1) einen Rotor und/oder einen Propeller als Antriebseinheit antreibt, wobei die Rotationsebene der Impulsturbine (2) parallel angeordnet ist zu einer Rotationsebene des Rotors und/oder des Propellers und wobei Impulsturbine (1) und Rotor und/oder Propeller eine gemeinsame Rotationsachse (7) aufweisen.Engine according to one or more of the preceding claims, in particular for a helicopter, characterized in that the impulse turbine (1) drives a rotor and / or a propeller as a drive unit, the plane of rotation of the impulse turbine (2) being arranged parallel to a plane of rotation of the rotor and / or of the propeller and wherein the impulse turbine (1) and rotor and / or propeller have a common axis of rotation (7). Triebwerk nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse des ersten Strahltriebwerks (3) in einer Ebene parallel zur Rotationsebene der Impulsturbine (2) oder innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine (2) angeordnet vorliegt.Engine according to the preceding claim, characterized in that a longitudinal axis of the first jet engine (3) is arranged in a plane parallel to the plane of rotation of the impulse turbine (2) or within the plane of rotation of the impulse turbine (2). Triebwerk nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1-3, insbesondere umfassend ein Turboprop-Triebwerk, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsturbine (1) einen Propeller als Antriebseinheit antreibt, wobei die Rotationsebene der Impulsturbine (2) parallel angeordnet ist zu einer Rotationsebene des Propellers, wobei Impulsturbine (1) und Propeller eine gemeinsame Rotationsachse (7) aufweisen, wobei eine Längsachse des ersten Strahltriebwerk (3) vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Rotationsebene der Impulsturbine (2) in Flugrichtung angeordnet vorliegt und die Turbinenkammer konfiguriert ist für eine Umlenkung des Massenstroms (5), so dass dieser mit einer Strömungsrichtung innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine (1) auf deren Schaufeln gerichtet ist.Engine after one or more of the previous ones Claims 1 - 3 , in particular comprising a turboprop engine, characterized in that the impulse turbine (1) drives a propeller as a drive unit, the plane of rotation of the impulse turbine (2) being arranged parallel to a plane of rotation of the propeller, the impulse turbine (1) and propeller having a common axis of rotation (7), wherein a longitudinal axis of the first jet engine (3) is preferably arranged in a plane perpendicular to the plane of rotation of the impulse turbine (2) in the direction of flight and the turbine chamber is configured for a deflection of the mass flow (5) so that it coincides with a flow direction is directed within the plane of rotation of the impulse turbine (1) on the blades. Triebwerk nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1-3 umfassend einen ummantelten Triebwerksfan dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsturbine (1) den Triebwerksfan (17) als Antriebseinheit antreibt, wobei die Rotationsebene der Impulsturbine (2) parallel angeordnet ist zu einer Rotationsebene des Triebwerkfans (17), wobei Impulsturbine (1) und Triebwerkfan (17) eine gemeinsame Rotationsachse (7) aufweisen, wobei eine Längsachse des ersten Strahltriebwerk (3) vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Rotationsebene der Impulsturbine (2) in Flugrichtung angeordnet vorliegt und die Turbinenkammer konfiguriert ist für eine Umlenkung des Massenstroms (5), so dass dieser mit einer Strömungsrichtung innerhalb der Rotationsebene der Impulsturbine (2) auf deren Schaufeln gerichtet ist.Engine after one or more of the previous ones Claims 1 - 3 comprising a jacketed engine fan, characterized in that the impulse turbine (1) drives the engine fan (17) as a drive unit, the plane of rotation of the impulse turbine (2) being arranged parallel to a plane of rotation of the engine fan (17), the impulse turbine (1) and engine fan ( 17) have a common axis of rotation (7), a longitudinal axis of the first jet engine (3) preferably being arranged in a plane perpendicular to the plane of rotation of the impulse turbine (2) in the direction of flight and the turbine chamber being configured for a deflection of the mass flow (5), see above that this is directed with a flow direction within the plane of rotation of the impulse turbine (2) on its blades. Triebwerk nach einem der vorherigen Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenkammer eine bogenförmige Umlenkung des Massenstroms umfasst.Engine after one of the previous ones Claims 10 or 11 , characterized in that the turbine chamber comprises an arcuate deflection of the mass flow. Triebwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenkammer innerhalb der Ummantelung des Triebwerkfans angeordnet vorliegt und konfiguriert ist für eine hermetische Trennung des Massenstroms (5) von einem Fluidstrom innerhalb des Triebwerkfans.Engine after Claim 11 , characterized in that the turbine chamber is arranged within the casing of the engine fan and is configured for a hermetic separation of the mass flow (5) from a fluid flow within the engine fan. Triebwerk nach einem der vorherigen Ansprüche 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansaugstutzen für Luft des ersten Strahltriebwerks (3) auf einer Nabe des Triebwerkfans angeordnet vorliegt.Engine after one of the previous ones Claims 11 or 13th , characterized in that there is an intake port for air of the first jet engine (3) arranged on a hub of the engine fan.
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