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Turbinenstrahltriebwerk Turbinenstrahltriebwerk in Einkreisausbildung,
bei denen zwei in entgegengesetzter Richtung laufende Turbinenräder in
je gleicher Richtung laufende Verdichterräder mittels zweier ineinander gelagerter
Wellen unmittelbar antreiben, sind mehrfach bekanntgeworden.
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Die gegenläufige Ausbildung der Turbinenräder hat den Vorteil, daß
zwischen denselben kein Leitrad erforderlich ist, weshalb für die Turbine eine kompaktere
Bauart erreicht wird und die Strömungsverluste kleiner ausfallen. Die Einkreisausbildung
solcher Triebwerke, wo das ganze Druckmittel durch den ganzen Kompressor, die Brennkammern
und die beiden Turbinenräder strömt, ist ebenfalls bekannt. Ähnlich wie bei den
gegenläufigen Turbinenrädern fällt dabei das sonst zwischen dein ersten und dem
zweiten Verdichterlaufradsatz anzuordnende Leitrad weg, wobei der Vorderteil wiederum
darin besteht, daß das Turbinenstrahltriebwerk in seinem Aufbau erheblich vereinfacht
und eine besonders kurze und kompakte Bauart erzielt wird. Ineinander angeordnete
Wellen sind an und für sic#h bekannt. Die Lagerung der inneren und äußeren Welle
stellt jedoch Probleme an den Konstrukteur, wofür Lösungen vorgeschlagen worden
sind, die unter sich in weiten Grenzen voneinander abweichen.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Wirkungsgrad des Triebwerkes
zu verbessern, insbesondere soll in den Brennkammern mit höheren Gasdrücken und
Temperaturen gearbeitet werden können und trotzdem in der Turbine keine über das
zulässige Maß hinausgehenden Wärmebeanspruchungen auftreten.
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Ausgehend von einer an sich bekannten gruppenweisen Aufteilung der
Gesamtstufenzahl der gegenläufigen Verdichterlaufräder in zwei verschieden große
Druckstufensätze besteht die Lösung der gestellten Aufgabe neuerdings gemäß der
Erfindung darin, daß das Hochdruckturbinenrad ein Verdichterrad mit größerer Druckstufenzahl
und das Niederdruckturbinenrad ein Verdichterrad mit kleinerer Druckstufenzahl antreibt.
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Dell Nachweis, daß die erfindungsgemäße Neuerung bei Verwendung eines
einstufigen Hochdruckturbinenrades tatsächlich die Lösung der gestellten Aufgabe
darstellt, noch vorbehaltend, kann also für das Hochdruckturbinenrad und seine Beschaufelung
entweder Material kleinerer Wärmefestigkeit verwendet werden oder bei Verwendung
von gleich hoch hitzebqständigern Material die Temperatur des Treibmittels in den
Brennkammern höher als bei bisherigen Maschinen gehalten werden, was z. B. eine
stärkere Brennstoffzufuhr oder die Verwendung einer kleineren Treibgasmenge zuläßt.
Durch die erstere Maßnahme wird die Leistung des Turbinenstrahltr' ebwerkes verfTrößert
oder bei gleicher Leistung eine Verkleinerung t' seiner Abmessungen erhalten. Dies
ist aus gewichtsmäßigen und preislichen Gründen und wegen des dann erzielbaren kleineren
Außendurchmessers des Strahltriebwerkes vorteilhaft. Das Triebwerk weist dann einen
erheblich kleineren Luftwiderstand auf, was zur Erhöhung der Geschwindigkeit des
Flugzeuges beiträgt.
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Schon aus der vorgegebenen Reihenfolge - Verdichter, Brennkammern,
Turbine und Schubdüse -
ergibt sich bei der Verwendung ineinander angeordneter
Wellen die Anordnung, daß die Hochdruckräder (Turbine und Verdichter) auf der äußeren
Welle und die Niederdruckräder auf der inneren Welle befestigt sind, wodurch bei
Einkreisausbildung des Triebwerkes eine möglichst einfache und kompakte Bauart erzielt
wird. Diese Anordnung ist aber auch deshalb zu bevorzugen, weil bei einem Turbinenstrahltriebwerk
es vorteilhaft ist, mittels einer kleinen Anzahl von Niederdruckverdichterstufen
einen günstigen Einfluß auf die Druckmittelgeschwindigkeit vor dem Hochdruckverdichtergebläserad
auszuüben.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenstrahltriebwerk in Einkreisausbildung,
bei dem zwei in entgegengesetzter Richtung laufende Turbinenräder mit demselben
in je gleicher Richtung laufende Verdichterräder mittels zweier ineinander
gela 'gerter Wellen unmittelbar antreiben und bei dem die Hochdruckturbine einstufig
ausgeführt ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckverdichter
weniger
Druckstufen aufweist als der Hochdruckverdichter.
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Der obenerwähnte Nachweis ist auf eine einstufi-e Ausführung der Hochdruckturbine
begrenzt. Der Antrieb der größeren Zahl von Hochdruckverdichterradstufen erfordert
mehr 1--,iiergie als der Antrieb der kleineren Zahl von Niederdruckverdichterräderii.
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Nach dein Haupti-nerkirial der Erfindung iiiuP) eiitsprechend einer
größeren Anzahl Druckstufen das Hochdruckturbine nrad relativ viel Energie liefern,
und dies bedeutet, daß der Gasdruck und die Gastemperatur am Verbrennungskammeraustritt
je nach dem Reaktionsgrad der Beschaufelung im eiii.ctuCic#cii Hochdruckturbinenrad
stark gesenkt werden. Die \olitteltemperatur im Hochdruckturbinenrad und ini Leitrad
für dasselbe stellt sich deshalb gegenüber den bekannten Ausführungen erheblich
tiefer. Damit ist der erwähnte Nachweis auf Grund tlierniodynamischer Erkenntnis
erbracht.
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In bezug auf-die Lagerung bei einer Ausführung, bei der die innere
Welle von der *äußeren Welle teilweise getragen wird, ergeben sich außer dein therniot'
dynamischen noch wei ere Vorteile.
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Es kann die innere Welle über zwei zwischen Xiederdruckverdichter
und Niederdruckturbine an-eordneten gegenläufigen Lagerstellen innerhalb der Außenwelle,
sogenannte Nebenlager, von der äußeren Welle getragen werden, die ihrerseits zwischen
Niederdruckverdichter und Niederdruckturbilie zwei mit dein Gehäuse verbundene Festlager
aufweist. Diese Ausführung ist an und für sich bekannt, ein selbständiger Schutz
wird dafür nicht beansprucht; diese Anordnung im Zusammenhang mit dem Hauptmerkmal
der Erfindung gewinnt aber eine besondere Bedeutung, wenn für die innere Welle die
Verwendung eines Festlagers vor dem Niederdruckverdichter in Betracht gezogen wird.
Es entsteht dabei der Vorteil, daß der Abstand zwischen dein Nebenlager und dein
Festlager, weil erfindungsgemäß nur ###-eiiig Niederdruckstufen vorhanden sind,
relativ klein ausfällt. Die Umfassung der verhältnismäßig dünnen inneren Welle durch
die äußere Welle nahe dem Festlager der inneren Welle erzeugt einen ruhigen Lauf
des Rotorsysterns mit einer bedeutend höher liegenden Eigenschwingungszahl.
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Die Fest- und Nebenlager können derart koaxial angeordnet sein, daß
die Lagerzentren annähernd zusammenfallen.
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Die Verbindung des Niederdruckverdichterrades mit der inneren Welle
kann mittels einer über die innere Welle geschobenen, an der Stirnseite derselben
drehfest in axialer Richtung verschraubten Hülse ausgeführt sein, und diese Hülse
kann den gleichen Außendurchmesser wie die dazu koaxiale äußere Welle aufweisen.
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Die Erfindung wird an Hand einer schematischen Darstellung einer Ausführungsform
erläutert.
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Die Zeichnung zeigt einen Axialschnitt eines Strahltriebwerkes mit
Axialverdichter und Axialturbine. Das Triebwerkgehäuse ist mit A angedeutet,
der Lufteintritt mit B, der Brennkammer mit G und der Austrittsöffnung mit
D.
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In der Zeichnung ist 1 das innere Turbinenlaufrad mit seiner
Axialbeschaufelung 2.
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Dieses Rad 1 ist auf dem äußeren Wellenteil 3 mittels
des Keiles 4 aufgekeilt.
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Der Wellenteil 3 ruht in einem Lager 5 mit seinen Lagerschalen
6 und 7. Der Wellenteit 3 ist in einem Wellenteil Z>
8 verschraubt, auf welchem die Axialverdichterräder 9, 9', 92 und
93 befestigt sind. Dieser Wellenteil ist ferner durch die feststehende Leitschaufelscheibe
10 und durch ihre Lagerschale 11
unterstützt.
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Das ans der Lagerschale 11 abspritzende 01 wird durch
die an der Scheibe 10 festgemachten Fangvorrichtungen 12 und 13 aufgefangen
und nach außen geführt.
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Den Axialbeschaufelungen 14, 14', 142, 143 ist je
eine feststehende
Leitbeschaufelung 15, 15', 152, 153
nachgeschaltet.
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Das äußere Turbinenrad 30 trä-t eine ,#xialbeschaufelung
31 und ist auf der Welle 32 mittels des Keiles 33 und der Mutter
34 befestigt.
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Diese Welle 32 ist im Lager 35 de s äußeren Wellenteiles
3 gelagert sowie im Lager 36 des äuMeren Wellenteiles 8, aunäliernd
an der gleichen Stelle, wo sich außerhalb desselben das Lager 11 befindet.
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Der Austritt von Schmieröl aus dein lZatim zwischen den Wellen
3, 8 und 32 wird durch Labvrinthdichtung 37 und 38 verhindert.
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Zu diesen Labyrintlidichtungen wird Sperrluft aus ([ein Verdichter
durch nicht ge7eichnete Bohrungen zugeführt.
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Das Schmieröl der Lager 35 und 36 verläßt die äußere
Welle 8 durch die Bohrung 39 und gelangt ins Sammelgehäuse 40, von
wo es nach Kühlung und Filtrierung zur Wiederverwendung koninit.
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E, in Teil des Axialschubes des Hochdruckverdichters wird von einen-i
Kolben 41 aufgenommen.
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Auch das erste Turbinenrad 1 besitzt einen solchen Ausgleichskolben42
zum ähnlichen Zweck. Die Leitradscheibe 10 kann ein- oder zweiteilig, wie
angledeutet, ausgeführt werden. Am vorderen Ende der inneren Welle 32 sitzt
eine Büchse 50, welche init der Schraube 51 auf der Welle
32 befestigt ist.
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Auf dieser Büchse 50 sind zwei Axiallaufräder 52
und
52' mit ihren Axialbeschaufelungen 53 und 53'
befestigt.
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Zwischen diesen ist ein Leitrad 54 im Triebwerkgehäuse A untergebracht.
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Die Räder 52 und 52' haben gegeuläufige Drehrichtung
zu den Rädern 9, 9', 92 -, 93, welche erfindungsgemäß in größerer
Zahl vorhanden sind.
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Vor dem Rad 52' ist im Triebwerkgehäuse A noch ein Leitrad
55 mit seiner Beschaufelung 56 untergebracht.
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Das Leitrad 55 hat in seiner 2,#Tal)e ein Kugellager
57, welches zur Führung des Wellenteiles 50 und damit der inneren
Welle 32 dient.
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Der innere Lauf ring des Lagers 57 wird durch die Scheibe
58 und die Schraube 51 bei seiner Lagerstelle an Büchse
50 und somit an Welle 32 gepreßt.
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Die Olzufuhr zu den Lagern 57, 35, 36 erfolgt durch die Leitung
59 und das Gehäuse 60.
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Für die La,-er 35 und 36 sind Bohrungen 61 in
der inneren Welle 32 angeordnet.
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Bei einem Triebwerk nach der Zeichnung gelangt die Luft durch die
Triebwerköffnun- B vorer st zum Leitrad 55 und dann sukzessive durch die
übrigen Stufen des Verdichters zum Brennraum C, dann zur gegenläufigen Turbine 2
und nachher bei D zum Düsenaustritt, wo der Schub der austretenden Gase den
das Triebwerk enthaltenden Flugkörper vorwärts treibt.