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Ein- oder mehrstufige Brennkraftturbine mit mehrstufigem Verdichter
Bei Triebwerken, die aus einem Luftverdichter und einer mit der Verd'ichterluft
und zugeführtem Kraftstoff hetrieben°n Brennkraftturbine bestehen, ist die Notwendigkeit
gegeben, das Triebwerk mit Hilfe eines besonderen Anfahrmotors auf eine Mindestdrehzahl
anzufahren, bei der unter Berücksichtigung der Verluste die Drucksteigerung im Verdichter
ausreicht, um einen eigenständigen Betrieb des Triebwerkes zu erreichen. Es ist
bekannt, für solche Triebwerke Axialverdichter zu verwenden, deren Strömungsgeschwindigkeiten
im Unterschallbereich liegen. Infolge der begrenzten Verdichtungshöhe je Stufe .eines
solchen Untersdha.llverdi.chters ist die Anordnung einer ausreichenden Stufenanzahl
erforderlich, um diie für den Turbinenprozeß notwendige Verdichtungshöhe zu erreichen.
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Es sind bereits Axialverdichter vorgeschlagen word2in, deren Strömu.n.gs@gesdhwind
igkeiten im Übersdhalll)ereich liegen. Bei solchen Verdichtern ist die je Verdichterstuf°
mögliche Drucksteigerung höher als bei Un:tersohallverdichtern, so daß d'i-e für
den Turbinenprozeß erforderliche Drucksteigerung mit ein,-r verhältnismäßig .geringen
Stufenanzahl möglich ist. Sol&i@en Überschallverdichtern haftet jedoch -der
Nadh:teil an, daß deren erhöhte Drucksteigerung erst im Bereich 'höherer Drehzahlen
gegeben ist, wohingegen bei niedrigen Drehzaihlen deren Drucksteigerung schlechter
ist als bei Untersohallverdichtern. Werden solche Ülrersdhallv-erdichter als Luftförderer
für Brennkraftturbinen verwendet, so macht sich, vergl-ichen mit der Anordnung von
Unterschallverdichtern, die Anwendung entsprechend stärkerer Anfa'hrmotoren erforderlich,
um die für einen eigenständigen Betri-el>.d:es Triebwerkes erforderliche Anfah,rdirehzahl
zu erreichen. Stärkere Anfa@hrmotore sind jedoch unerwünscht und wirken sich als
Gewichtserhöhung besonders nachteilig hei Triebwerken aus, die für eine Anordnung
in Flugzeugen bestimmt sind.
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Es sind auch Triebwerke bekannt, bei denen ein Teil der Verdidhterstufen
mit Überschallgeschwindigkeit und: ein Teil mit Unters.chaldgeschwindigkeit beaufsdhlagt
wird. Dabei ist die Eingangsstufe als Überschallstufe und die Ausgangsstufe als
Unterschallstufe ausgebildet.
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Durch die Erfindung wird die Möglichkeit erschlossen, bei Brennkraftturbinen
von den Vorteilen der Überschallverdichter Gebrauch zu machen, ohne diese Vorteile
durch die Anordnung leistungsstarker Anfahrmotore erkaufen zu müssen. Dies wird
gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Eingangsstufe oder -stufen mit Unterschallgeschwindigkeit
und die Ausgangsstufe oder -stufen mit Überschallgeschwindigkeit durchströmt werden.
Infolge dieser Anordnung wird in dem für den Anfahrvorgang besonders wichtigen Bereich
niedriger Drehzahlen eine gegenüber der alleinigen Anordnung eines Überschallverdichters
oder einfies Übersdhallverd.ichters als Eingangs- und eines Unterschallverdichters
als Ausgangsstufe erhöhte Drucksteigerung erreicht, so daB Anfahrmotore geringerer
Leistung genügen. Darüber hinaus ergibt sich der Effekt, daß der Verdiichter durch
die Anordnung einer odier mehrerer Untersc'hallstufen beim Anfahrvorgang in seinen
Überschallstufen zu erhodliter Schluckfähigkeit angefacht wird, da diese im Bereich
kleiner Drehzahlen und mithin kleiner Machzahlen durch die Unterschallstufe oder
-stufen eine größere, stärker verdichtete Luftmenge zugefördert erhalten und diese
mit verbesserter Weiterverdichtung der Brennkrafttur.bine zufördern können. Ein
weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß die stoßweise Förderung
der im Unterschallgebiet arbeitenden, jedoch für Strömungsgesdhwindi@gkeiten im
Überschallbereich ausgelegten Ühersdhallverdichterstufen durch die Unterschaldstufe
infolge ihrer kontinuierlichen Arbeitsweise bei niedrigen Drehzahlen beseitigt ist.
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Die Beeinflussung der Arbeitsweise der Übersrhallverdic'hterstufen
durch die Unterschallverdichterstufen kann weiterhin dazu benutzt werden, die Fördermenge
der Überschallstufen weitgehend verlustarm oder gar verlustfrei zu regeln. Im Gegensatz
zu den bisherigen Regelmöglichkeiten mittels Irisblenden oder vorgeschalteten, die
Ansaugtempexatur verändernden Wärmetauschern kann beim Erfindungsgegenstand. diie
Regelung der Fördermenge der Überschallstufe oder -stufen dadurch erfolgen, daß
das Drehzahlverhältnis der Unter- zur Überschallstufe oder -stufen vorzugsweise
stufenlos veränderlich ist.
Besonders vorteilhaft-wirkt sich eine
solche Abstimmung der Betriebswerte der Unter- und Überschallstufe oder -stufen
bei Triebwerken aus, die unter Bedingungen, arbeiten, bei denen die Temperatur der
Ansaugfuft des Triebwerkes in größeren Grenzen s@i@dh ändert; beispielsweise von
Flugzeugtriebwerken. Würden solche Triebwerke nur mit einem Überschallverdie4_er
ausgerüstet, so würden in größeren Flughöhen im Überschallverdichter infolge der
mit der Flughöhe ..'@bne@hmenden Lufttemperatur und hierdurch sich vergfflernden
Machzahl die Stoßverluste im Überschal.lv@ dichter zunehmen, was bei der Auslegung
des Überschallverdichters für die Erzielung einer ausreich:ezrden Fördermenge und
Verd,ichtungshö'he in größeren Flughöhen durch entsprechende Bemessung zu berücksichtigen
wäre. Wird jedoch der Verdichter des Triebwerkes entsprechend der Erfindung mit
einer' Unter- und Überschallstufe oder -stufen gestaltet und der Betriebspunkt der
Unterschallstufe für die bei maximaler Lufttemperatur, also bei Betrieb am Bodengegebene
Arbeitsdrehzahl in den Annäherungsbereich am die MachzahQ 1 gelegt, so nimmt mit
abnehmender Lufttemperatur und entsprechend zunehmender Flugihöhe die Machzahl zu
und damit der Wirkungsgrad der Unterschallstufe ab. Da mit abnehmendem Wirkungsgrad
aber die von der Untersdhallstufe oder -stufen der Überschallstufe oder -stufen
zugeförderte Luft zugleich eine Temperaturerhöhung erfährt, ergeben sich für die
Überschallstufe oder -stufen infolge der Zunahme der Schallgeschwindigkeit bei Temp:eraturerhdllungen
verkleinerte _- Machzalhlwerte und damit verringerte Stoßverluste. Mithin kann durch
die Anordnung der Eingangsstufe bzw. -stufen mit Un:tersdhall beider Auslegung des
Verdichters von geringen Stoßverlusten, in dessen Überschallteil ausgegangen werden,
und es wird 'hinsichtlich der erreichbaren Fördermengen und Verdichtungshöhen eine
verbesserte Ausnutzung der besonders für Flugzeugtriebwerke wichtigen Baugröße des
Verdichters erreicht.
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Die bauliche Einzelausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann in
verschiedener Weise ausgeführt sein. Sihnd die Unterschall- und: Überschallstufe
oder -stufen für zueinander unveränderliche Betriebswerte ausgelegt, so sind ihre
Lauf schaufeln auf gemeinsamer Welle mit untersehiedlidhen Umlaufdurchmessern angeordnet,
oder es sind zur Erzielung eines günstigeren Nabenver'h.ältnissses für die Unterschallstufe
oder -stufen deren Laufschaufeln auf gleichem Außendurchmesser mit denjenigen der
Überschallstufe oder -stufen, jedoch auf getrennter Welle angeordnet, die mit der
Welle der Überschallstufe oder -stufen, vorzugsweise durch ein Planetengetriebe
untersetzt, getrieblich verbunden ist.
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Sollen die Betriebswerte der Unter- und Überschallstufe oder -stufen
zueinander veränderlich sein, so sind deren Laufräder bei Anordnung ihrer Laufschaufeln
auf gleichen oder unterschiedlichen Umlaufdurchmessern vorteilhaft über eine stufenlos
regelbare Flüssigkeitskupplung mit veränderbarem Übersetzungsverhältnis miteinander
getrieblich verbunden.
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Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
schematisch dargestellt, und- zwar zeigt Abb.1 eine schematische Darstellung des
Triebwerkes, Abb. 2 und 3 in schematischer Darstellung den Verdichter des Triebwerkes
mit in ihren Betriebswerten unveränderlicher Zuordnung der Unter- und Überschallstufen,
Abb.4 in schematischer Darstellung einen Verdichter mit in ihren Betriebswerten
zueinander veränderlichen Unter- und Überschallstufen.
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Das Triebwerk besteht aus dem Verdichter 1, dessen Verdichtungsluft
einer Brennkammer 2 zuströmt und nach Mischung und.. Verbrennung mit einem durch
die Leitung 3 zugeführten beliebigen Kraftstoff zur Arbeitsverrichtung der Brennkraftturbine
4 zugeleitet wird. Zum Anfahren des Triebwerkes dient der Anfahrnrotor 5, mit dessen
Hilfe das Triebwerk auf eine Drehzahl angefahren wird, bei der die mit dem Verdichter
1 erreichte Druckhöhe und Fördermenge Üs-' reicht, um unter Berücksichtigung des
zugeführten: Kraftstoffes eine den Leistungsbedarf des Verdichters 1 für einen eigenständigen
Betrieb des Triebwerkes deckende Arbeitsverrichtung in der Btennkraftturbine 4 zuzulassen.
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Bei allen Ausführungsbeispielen weist der Vordichter 1 die Stufen
1' und 1" auf, von deren de Stufe 1' als Unterschallstufe ausgeführt ist, d. ü.
bei dien vorkommenden Drehzahlen .des Triebwerkes mit Strömungsgesdhwi:ndigkeiten
arbeitet, .denen Madhzahlwerte unter 1 entsprechen. Dagegen. ist die Stufe 1" des
Verdichters 1 derart ausgeführt, daB deren Strömungsgeschwindigkeiten bei den Arbeiidrchzahlen
der Turbine Machzahlwerten von über, 1. entsprechen. Die von der Unte:rsehallstu.fe
1' gleförderte und verdichtete Luft wird der übersch'ä1lstufe 1" zugeleitet.
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Die Verd'idhterstufen 1' und 1" können entweder mit zueinander festliegenden
oder auch mit zueinander änderbaren Betriebswerten arbeiten (Abb. 2 und` bzw. 4).
Im ersteren Falle sind ihre Iaufschauf:eln,ä``' entweder auf einer .gemeinsamen
Welle 7 angeordnet; wobei der Außendurchmesser der Laufschaufeln 6 der Unterschallstufe
1' kleiner ist als derjenige der Übersdhallstufe 1" (Abb. 2), oder es sind getrennte,
durch" ein Planeten-Untersetzungsgetriebe miteinander ge-, trieblich verbundene
Wellen 7 und 8 angeordnet (Abb. 3), welche die Laufschaufeln 6 der Unter- und Überschallstufe
1' bzw. 1" auf gleichen oder größeren Außendurchmessern tragen, so .d:aß das Naüenver'hältn.is
der im Vergleich zur Überschallstufe '1`' mit geringerer Drehzahl umlaufenden Unterse1haf1-`
stufe 1' ein anderes ist als beim Ausführungsbeispiel nach Abb. 2. Im Falle des
Betriebes mit zueinan&t änderbaren Betriebswerten der Unter- und Übersch'allstufe
1' und 1" sind deren Laufschaufeln 6 n g.c Abb. 4 auf getrennten Wollen 7 und 8'
angeord'n`t, die über eine stufenlos regelbare Strömungskupplung 9 mit änderbarem
Untersetzungsverihä-ltnis getrieblich, miteinander derart verbunden sind, daß die
Drehzahllen der Unterschallstufe 1' auf kleinere Werte eine geregelt werden kann
als die beim Arbeitsbetrieb gegehene Drehzahl der Überschallstufe 1".
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Die beim Ausführungsbeispiel nach Abb.2 gegebenen Au-ßendu.rchm;esser
oder die beim Ausführungsbeispiel nach Abb.3 gegebenen Drehzahlen der Un.terschallstufe
1' sind zweckmäßig so gewätits daß bei der Arbeitsdrehzahl und bei maximaler, Wichte
der Ansaugluft des Triebwerkes die Strömungsgeschwind@.igkeit in der Unterschallstufe
1' einen Machzahlwert von 0,8 bis 0,9 ergibt.
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Bei allen Ausführungsbeispielen wird durch die Zu#-ordnung einer Unterschallstufe
1' zur übers.dhall'-' stufe 1" im Vergleich zur alleinigen Anordnung einzr oder
mehrerer Überschallstufen erreicht, daß das Triebwerk bereits bei verringerten Drehzahlen
zu einem eigenständigen Betrieb befähigt ist, da sich zusätzlich zu der verbesserten
Wirkungsweise .&r
Unterschallstufe im Bereich der kleinen Anfahrdrehzahlen
auch für die Übersehallstu.fe durch die geschillderte Verbundwirkung eine Leistungserhöhung
ergibt. Ferner werden durch die Verbundwirkung regeltechnische Vorteile erzielt
und die Leistung der Überschallstufe gesteigert, wenn das Triebwerk mit einer Ansaugluft
arbeitet, deren Wichte in größerem Bereiche schwankt.
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Die Erfindung ist n,idht auf die dargestellte Einstufigkeit des Unter-
und Überschallteiles des Verdichters 1 beschränkt, vielmehr kann die Stufenanzähl
im Unter- und/oder Überschallteil in Anpassung an die Arbeitszwecke des Triebwerkes
auch größer sein.