DE1048744B - Zweikreis Strahltrieb werk fur Flugzeugt - Google Patents

Description

DEUTSCHES

kl. 46 g 2/03

INTERNAT. KL. F 02 k

PATENTAMT

M 32041Ia/46g

ANMELDETAG: 13. OKTOBER 1956

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 15. J A N U A R 19 5 9

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweikreis-Strahltriebwerk für Flugzeuge mit für beide Kreise gemeinsamen, axialen Vorverdichtern und einem inneren Kreis, bestehend aus Radialverdichtern zur mehrstufigen Weiterverdichtung eines Teiles des Ge-Samtluftdurchsatzes, Brennkammer und Gasturbine zum Antrieb der Radialverdichter, ferner mit einem Mischraum vor der Schubdüse für die Luft des äußeren Kreises und die Abgase des inneren Kreises.

Für den axialen Vorverdichter ist eine niedrigere, für die Radialverdichter des inneren Kreises dagegen eine höhere Umlaufzahl zur Erzielung einer entsprechend hohen Verdichtungsstufe vorteilhaft. Im Gegensatz zu bekannten Strahltriebwerken dient eine gemeinsame Verbrennungsturbine für den Antrieb beider Verdichterarten trotz der Verschiedenheit ihrer Umfangszahlen, ohne daß Rädergetriebe zur Erzeugung der verschiedenen Umlaufzahlen erforderlich sind.

Erreicht wird dieses nach der Erfindung dadurch, daß die Radialverdichterlaufräder von einer damit gleichsinnig, langsamer umlaufenden Hülle umgeben sind, an der mitumlaufende Scheibendiffusorwände angebracht sind, wobei am äußeren Umfang zwischen den Scheibendiffusorwänden jeweils Radialturbinenbeschaufelungen vorgesehen sind, welche von der ohne vorherige Richtungsänderung eintretenden Luft aus den Scheibendiffusoren radial auswärts durchströmt werden, um den Antrieb für die umlaufende Hülle und die mit dieser fest verbundenen Laufschaufelkränze des axialen Vorverdichters zu erzeugen.

Es sind nun allerdings Radialverdichter bekannt, deren von außen angetriebene Lauf räder jeweils von einer im gleichen Drehsinn, aber langsamer umlaufende Hülle umschlossen sind, an der mitumlaufende Scheibendiffusoren angebracht sind, die vom strömenden Mittel angetrieben werden. Dieses geschieht durch Radialturbinenbeschaufelungen mit in Meridianebenen verlaufenden Schaufeln, deren Kanäle von außen nach innen durchströmt werden auf dem Wege des strömenden Mittels von einer zur nächsten Verdichterstufe. Bei dieser bekannten Ausführung muß das strömende Mittel, um vom Scheibendiffusor zu den als Turbine wirkenden Kanälen zu gelangen, um 180° umgelenkt werden. Dieses ist mit Verlusten verbunden und verbürgt, wenn es ohne Führungsschaufeln erfolgt, keinen stoßfreien Eintritt in die als Turbine wirksamen Kanäle. Werden aber Führungsschaufeln auf diesem Umlenkungswege vorgesehen, so tritt das strömende Mittel auf seinem zunächst nach außen gerichteten Wege in Kanäle ein, die als A^erdichter wirken und damit bremsend auf die umlaufende · Hülle wirken. Wenn auch der Eintritt des strömenden Mittels in diese Kanäle aus dem Zweikreis-Strahltriebwerk für Flugzeuge

Anmelder:

Dr.-Ing. Paul H. Müller, Hannover, Eichstr. 33

Dr.-Ing. Paul H. Müller, Hannover, ist als Erfinder genannt worden

Scheibendiffusor ohne Richtungsänderung erfolgen kann, so sind doch Verluste damit verbunden, daß bis zum äußersten Teil der 180°-Umbiegung eine A^erdichterwirkung eintritt, die gleich darauf in der zweiten Hälfte dieser Umbiegung wieder aufgehoben wird.

Von diesen Nachteilen ist die Erfindung frei. Bei ihr liegt die Radialturbinenbeschaufelung am äußeren Umfang zwischen den Scheibendiffusorwänden, in welche die Luft aus dem Scheibendiffusor auswärtsströmend eintritt. Diese Beschaufelung besitzt, wie es bei von innen beaufschlagten Radialturbinen sein muß, gegenüber der Drehrichtung rückwärts gekrümmte Schaufelkanäle. Beim Austritt aus diesen umlaufenden Schaufelkanälen gelangt die Luft mit geringer Geschwindigkeit in ruhende Ringkanäle, um weitergeführt zu werden.

Die Verdichterstufe mit die Laufräder umgebender, umlaufender Hülle, die einen Scheibendiffusor mit einem Turbinenschaufelkranz am äußeren Umfang bildet, hat den doppelten Vorteil, die Restgeschwindigkeiten der Verdichterluft günstig zu verwerten und gleichzeitig als Drehmomentwandler zu wirken, so daß es keines anderen Übersetzungsgetriebes zwischen der mit hoher Umlaufzahl angetriebenen Primärwelle und dem mit niedriger Umlaufzahl laufenden Sekundärläufer bedarf.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Schema einer Anlage, bei der die Erfindung mit Vorteil verwirklicht wird. Die Verdichterstufe K₁ verdichtet die angesaugte Luft beispielsweise auf die dreifache Ansaugespannung. Ein Teil, beispielsweise drei Viertel der so geförderten Luft, strömt zu dem der Ausblasdüse A vorgeschalteten Mischraum M, wobei sie auf diesem Wege zweckmäßig den Wärmetauscher W durchströmt. Ein kleinerer Teil, beispielsweise ein Viertel der von der ersten Verdichterstufe K₁ geförderten Luft, wird von der Verdichtungsstufe K₂ weiter auf

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beispielsweise den doppelten Druck gebracht, wo- umzusetzen. Dieses geschieht in dem mit Turbinen-

durch die Luft diese Verdichtungsstufe mit beispiels- schaufeln besetzten äußeren Kranze des umlaufenden

weise sechsfacher Ansaugespannung verläßt. Sie über- Scheibendiffusors.'_: Aus diesem Turbinenschaufelkranz

trägt, wie es an sich bekannt ist, einen Teil ihrer tritt die Luft mit niedriger radialer oder nahezu radi-

Verdichtungswärme im Wärmetauscher W auf die 5 aler Geschwindigkeit aus.

Luftmenge der ersten Verdichtungsstufe, die an der Die in den Luftturbinen der zweiten und dritten Verdichtung im Verdichter K₂ nicht teilnahm. In der Verdichterstufe erzeugte Leistung wird mit Vorteil so Verdichterstufe K₃ wird die Spannung der Luft der gewählt, daß sie rieben der Deckung der Reibung, die Verdichterstufe K₂ beispielsweise verdoppelt. Dadurch erste Verdichterstufe zu betreiben vermag. Dabei strömt die Luft mit etwa zwölffacher Ansaugespan- io kann diese erste Verdichterstufe als Axialverdichter nung zur Brennkammer, wo ihre Temperatur durch ausgeführt werden, was sich empfiehlt, weil die Lufteingespritzten Brennstoff auf beispielsweise 1100° K volumina dort am größten sind und nach den obigen erhöht wird, um dann in der Turbine T auf etwa das Angaben z. B. ein viermal so großes Luftgewicht zu Dreifache der Ansaugespamiung entspannt zu werden. verdichten ist wie in jeder der nachfolgenden-Stufen. Diese noch heiße Turbinenabluft trifft in der Misch- 15 Wegen des großen Luftvolumens der ersten V.erkammer M mit dem etwa dreimal so großen Luft- dichterstufe im Verhältnis zu den beiden anderen ermengenteil der ersten Verdichtungsstufe, der nicht gibt sich für sie eine niedrigere Umlaufzahl, selbst durch die Turbine ging, zusammen. Dadurch sinkt wenn man hohe Umfangsgeschwindigkeiten zuläßt, die Temperatur der Mischluft so weit ab, daß ihre Da nun der Sekundärläufer mit erheblich niedrigerer Temperatur bei der Entspannung auf Außenluft- 20 Umlaufzahlläuft als der durch die Turbine getriebene spannung auf etwa 100° C und darunter je nach der Primärläufer mit den Verdichterlufträdern der zwei-Temperatur der Ansaugeluft und der Wirkungsgrade ten und dritten Verdichterstufe, so wirken diese Verder Verdichterstufen und der Turbine sinkt. dichterstufen außerdem als Drehmomentwandler.

Das höhere Gewicht einer solchen Triebwerks- Die Fig. 2 der Zeichnung stellt eine solche beispielsanlage nach der Erfindung gegenüber einer solchen, 25 weise Ausführung dar. Bei α tritt die von der ersten die nur aus einer Verdichterstufe und einer Turbine Verdichterstufe K₁ angesogene oder durch den Fahrtbesteht, deren Abluft durch Strahlwirkung das Flug- wind hineingedrückte Luft ein. Sie wird durch die zeug treibt, ist belanglos gegenüber der Gewichts- mehrkränzige Axialverdichterstufe K_x auf die dreiersparnis durch den geringeren Treibstoffbedarf, so fache Ansaugespannung verdichtet. Ein Viertel des daß der Aktionsradius des Flugzeuges erheblich ge- 30 verdichteten Luftgewichtes strömt durch einen Kranz steigert wird. von Leitungen b zum Laufrade c der zweiten Verdich-Um aber außerdem die Maschinenanlage möglichst terstufe K₂, die als Fliehkraftverdrehter ausgebildet klein und leicht zu gestalten, empfiehlt sich für die ist. Das Laufrad c sitzt auf der schnell laufenden zweite und dritte Verdichtungsstufe die Wahl eines Primärwelle. Es kann mit geraden, rückwärts gerich-Fliehkraftverdichters mit gleichachsigen Läufern ver- 35 teten, mit radial endigenden oder auch mit vorwärts schiedener Winkelgeschwindigkeit, von denen ein von gekrümmten Schaufeln versehen sein. Die Seitenaußen angetriebener Primärläufer von einem zweiten, wände überragen den Außendurchmesser der Verlangsamer laufenden Sekundärläufer umschlossen schaufelung zweckmäßig ein wenig, damit ein gewird, der einen Scheibendiffusor für die aus dem schlossener Luftstrom aus dem Laufrade c in den bei ersten Läufer austretende Strömung bildet und erfin- 40 e und f drehbar gelagerten Scheibendiffusor d überdungsgemäß am äußeren Umfange einen Kranz von tritt. Dieser umlaufende Scheibendiffusor d hat außen Turbinenschaufeln einer von innen beaufschlagten den Turbinenschaufelkranz g mit gekrümmten Schau-Radialturbine für die aus den Scheibendiffusoren aus- fein, an welche die verdichtete Luft den Rest ihrer tretende Luft besitzt, um den zweiten, langsamer Strömungsenergie abgibt, ehe sie in den ruhenden laufenden Läufer anzutreiben und ihm eine Leistung 45 Ringraum h und von diesem in den Kranz von Leitunzuführen, die ausreicht, um mit ihm die erste Stufe gen i übertritt, durch die sie zum Wärmetauscher W der Verdichtung zu betreiben. und von ihm durch einen Kranz von Leitungen k zum Bei einem solchen Verdichter kann die aus den Fliehkraftlaufrad m der dritten Verdichterstufe K₃ Laufrädern: des Primärläufers austretende Luft ohne gelangt. Dieses ist ebenso wie das Laufrad c auf der Nachteil eine höhere Geschwindigkeit besitzen als die 50 schnell laufenden von der Turbine angetriebenen kritische, denn entscheidend ist die niedrigere Relativ- Primärwelle w befestigt. Entsprechend wie bei der, geschwindigkeit der aus dem Primärläufer austreten- Verdichterstufe K₂ legt die Luft den Weg vom Laufden Luft gegenüber den im gleichen Sinne, wenn auch rad m durch den umlaufenden Scheibendiffusor n, die langsamer, umlaufenden Wänden des Scheibendiffu- Luftturbinenverschaufelung 0 zum Ringraum p zusOrs des Sekundärläufers. Wegen der; hohen Tangen- 55 rück, aus dem sie durch die Leitungen q zum Brenntialkomponente der aus dem Primärläufer austreten- raum r gelangt, der mit Einspritzvorrichtungen für den Luft, die durch radial endigende oder sogar in flüssigen Brennstoff versehen ist. Zweckmäßig mit Drehrichtung vorwärts gekrümmte Schaufeln noch ge- einer Umlenkung, um die Verbrennungsgase gut steigert werden kann, werden nach dem Drallgesetz durchzuwirbelii, gelangen sie zum Düsenkranz s der schon auf kurzem Strömungs\vege große Strömungs- 60 Verbrennungsturbine T, deren Laufrad t die Primärenergien in Druck umgesetzt. Der Wirkungsgrad, mit welle w treibt.

dein diese Umsetzung in Scheibendiffusoren mit um- Die etwa auf das Dreifache der Ansaugespannung

laufenden Wänden erfolgt, ist außerordentlich hoch. entspannten Turbinentreibgase gelangen in den

Er liegt über 90%, nimmt aber wie bei allen Diffuso- Mischraum M, wo sie mit dem Hauptteil der in der

fen mit dem von der Strömung zurückgelegten Wege 65 Verdichterstufe K₁ verdichteten Luft zusammen-

ab. Das Verhältnis des von der Strömung zurückge- treffen, die im Wärmetauscher W durch die Druckluft

legten Weges: zur Druckzunahme wird immer größer. -der Verdichterstufe K₂ vor ihrem Eintritt in die

Aus diesem Grunde ist es. vorteilhaft, die Restenergien Verdichterstufe K₃ erwärmt wurde. Dieser Wärme-

der Strömung nicht mehr in einem Diffusor in Druck, tauscher kann beliebig gestaltet werden. Zweckmäßig⁷

sondern in einer Luftturbine in kinetische Energie 70 wird er als Gegenstromwärmetauschef ausgeführt,

beispielsweise so, daß Taschen für die von der Verdichterstufe K₂ kommende Luft den Ringraum durchdringen, der von dem Hauptteil der Luft durchströmt wird, welche die erste Verdichterstufe K₁ verläßt. Diese im Wärmetauscher W vorgewärmte Luft trifft im Mischer M mit den viel heißeren Abgasen der Turbine zusammen. Beide haben mindestens annähernd die gleiche Spannung, die beispielsweise dreimal so hoch ist wie die Ansaugespannung. Der Mischer M kann in verschiedener Weise, beispielsweise so ausgeführt sein, daß sich an den mit Verbrennungsabgasen erfüllten Ringraum u ein Stern von flachen Taschen ν anschließen, die in den Ringkanal x, welcher von der Druckluft der ersten Verdichterstufe K durchströmt wird, hineinragen und mit Schlitzen oder Löchern versehen ist, durch welche die heißen Abgase in die Druckluft übertreten können, um dann mit ihr gemeinsam in der Ausblasdüse 3» auf Außenluftspannung entspannt das Flugzeug zu treiben.

Wenn die Antriebskraft vorübergehend gesteigert werden soll, kann in den Mischraum M Brennstoff eingespritzt werden, der dort verbrennt. Dadurch werden das Volumen und die Ausblasgeschwindigkeit der Treibgase gesteigert. Wenn auch der spezifische Brennstoffverbrauch hierdurch gesteigert wird, so ist eine Vergrößerung der Antriebskraft z. B. beim Start unter Umständen erwünscht, um bei schwer belade-IKm Flugzeug mit der vorhandenen Startbahnlänge auszukommen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Zweikreis-Strahltriebwerk mit für beide Kreise gemeinsamem axialem Vorverdichter und einem inneren Kreis, bestehend aus Radialverdichtern zur mehrstufigen Weiterverdichtung eines Teiles des Gesamtluftdurchsatzes, Brennkammer und Gasturbine zum Antrieb der Radialverdichter, ferner mit einem Mischraum vor der Schubdüse für die Luft des äußeren Kreises und die Abgase des inneren Kreises, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialverdichterlaufräder von einer damit gleichsinnig, langsamer umlaufenden Hülle umgeben sind, an der mitumlaufende Scheibendiffusorwände angebracht sind, wobei am äußeren Umfang zwischen den Scheibendiffusorwänden jeweils Radialturbinenbeschaufelungen vorgesehen sind, welche von der ohne vorherige Richtungsänderung eintretenden Luft aus den Scheibendiffusoren radial auswärts durchströmt werden, um den Antrieb für die umlaufende Hülle und die mit dieser fest verbundenen Laufschaufelkränze des axialen Vorverdichters zu erzeugen.

2. Zweikreis-Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Radialverdichtern für die zweite und dritte Verdichtungsstufe in an sich bekannter Weise ein Wärmetauscher eingeschaltet ist, der die Verdichtungswärme der zweiten Verdichtungsstufe auf den äußeren Kreis überträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 818 277, 767 704,
258;

schweizerische Patentschriften Nr. 271 479,
957,226 525;

französische Patentschriften Nr. 1 052 152,
052 061;

USA.-Patentschrift Nr. 2 504 181;

»Umschau«, 56. Jahrgang, Heft 14 vom 15. 7. 1956, S. 422;

»Technisches Zentralblatt«, Abt. Masch.-Wesen,
4. Jahrgang, Heft 9 (September 1955), S. 1272.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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