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Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerk Die Erfindung betrifft ein Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerk,
bestehend aus einem Niederdruckverdichter, einem Hochdruckverdichter mit nachgeschalteter
Verbrennungsanlage sowie dieser Verbrennungsanlage nachgeschalteten, die Verdichter
treibenden Turbinen und einem Verbreunungsgasaustrittskanal hinter den Turbinen
sowie einem hinter dem Yiederdruckverdichter abzweigenden, den Hauptstrom vorzugsweise
ringförmig umgebenden Nebenstromkanal mit einer entweder nach der Atmosphäre oder
in den Verbrennungsgasaustrittskanal mündenden Düse. Derartige Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerke
sind an sich bekannt. Es ist auch bekannt, bei ihnen am Ende des Nebenstromluftkanals
Klappen anzubringen; weiter sind auch Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerke bekannt,
bei denen das Durchlaßvermögen des Hochdruckverdichters veränderlich ist.
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Erfindungsgemäß ist bei Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerken der
vorstehend angegebenen Bauart mit am Ende des Nebenstromluftkanals angebrachten
Klappen das Durchlaßvermögen des Hochdruckverdichters veränderlich und ist weiter
eine Kupplung zwischen der Klappenbetätigung und der Hochdrucki e rdichtereinstellung
vorgesehen, welche bei einer @, erringerung des Durchsatzes im Nebenstromluftkana1
eine Vergrößerung des Durchlaßvermögens des Hochdruckverdichters bewirkt. Die Vereinigung
der an sich bekannten Merkmale, nämlich Klappen am Ende des Nebenstromluftkanals
und Veränderlichkeit des Durchlaßvermögens des Hochdruckverdichters in \- erbindung
mit dem erfindungsgemäß weiter vorgeschlagenen Merkmal der Kupplung zwischen der
Klappenbetätigung und der Hochdruckverdichtereinstellung, ist dann von größter Bedeutung,
wenn die Aufgabe gestellt wird, den Schub des. Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerks
kurzzeitig zu erhöhen; die Anbringung der Klappe am Ende des Nebenstromluftkanals
hat dann den Vorteil, daß die Schubverluste gering gehalten werden, und die Einstellbarkeit
des Hochdruckverdichters ermöglicht es, diesen an die durch die Klappenverstellung
veränderten Verhältnisse anzupassen.
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DieVeränderung des Durchlaßvermögens des Hochdruckverdichters ist
bei einer Ausführungsform dadurch ermöglicht, daß der Hochdruckverdichter verstellbare
in einer oder mehreren Reihen angeordnete Leitschaufeln aufweist, wie an sich bekannt
ist.
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Alternativ hierzu kann das Durchlaßvermögen des Hochdruckverdichters
dadurch veränderlich sein., daß ein Höchstdrehzahlregler dieses Hochdruckverdichters
auf einen Drehzahlhöchstwert einstellbar ist, der über dem Dauerdrehzahlhöchstwert
liegt.
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Die Klappen des Nebenstromluftkanals können in an sich bekannter Weise
an einer ringförmigen Austi ittsdüse angebracht sein, welche in die Atmosphäre führt,
sie können aber auch in Öffnungen lieben, welche von dem Nebenstromluftkanal in
an sich bekannter Weise in den Verbrennungsgasaustrittskanal führen.
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Die Verstellung der Klappen am Ausgang des Nebenstromluftkanals erfolgt
in an sich bekannter Weise zweckmäßig durch eine erste hydraulische Einrichtung;
diese erste hydraulische Einrichtung ist vorzugsweise mit einem ausrückbaren Anschlag
ausgeriistet, welcher in Wirkstellung verhindert, daß der Kolben der Einrichtung
die Klappen des Nebenstromluftkanals im Sinne einer Verengung des Austrittsquerschnitts
dieses Nebenstromluftkanals verstellt; zusätzlich ist dann ein Organ vorgesehen,
welches die Ausrückung der Anschläge gestattet.
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Für die Verstellung der Leitschaufeln des Hochdruckverdichters - für
den Fall, daß die Veränderung des Durchlaßvermögens des Hochdruckverdichters mittels
verstellbarer Leitschaufeln erfolgt - ist zweckmäßig ebenfalls eine an sich bekannte
hydraulische Einrichtung vorgesehen.
Der Kolben einer jeden hydraulischen
Einrichtung ist nach einer bevorzugten Ausführungsform ein Differentialkolben, welcher
gegen eine Feder arbeitet, mit seiner kleineren Fläche dem vollen Druck eines Druckmittelvorrats
unterliegt und mit seiner größeren Fläche über eine Drosselstelle dem Druck des
Druckmittelvorrats ausgesetzt ist; der auf der Seite der kleineren Kolbenfläche
gelegene Zylinderraum weist dabei eine mit einem Ventil versehene Öffnung auf, wobei
dieses Ventil einerseits den von der Kolbenstellung abhängigen Druck einer Ventilbelastungsfeder
und außerdem einem Signaldruck unterliegt, welcher von dem Höchstdrehzahlregler
geliefert wird.
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Auch die zweite hydraulische Einrichtung für die netätigung der Leitschaufeln
des Hochdruckverdichters weist zweckmäßig einen ausrückbaren Anschlag auf, welcher
verhindert, daß durch den Kolben der Einrichtung die Schaufeln aus ihrer Dauerbetriebsstellung
im negativen Sinn verdreht werden. Für die . .usriickung des Anschlags ist wiederum
ein besonderes Organ vorgesehen.
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Die Ansprechdrehzahl des Höchstdrehzahlreglers ist zweckmäßig verstellbar.
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Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es stellt dar
Fig.1 einen Schnitt durch ein Zweikreisgasturbir_enstrahltriebwerk mit Nebenstromkanal
sowie die verschiedenen Steuerungseinrichtungen, Fig.2 die Veränderung der Winkeleinstellung
der Leitschaufeln in Abhängigkeit von der Veränderung der Austrittsfläche des Nebenstromkanals,
Fig.2a eine Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Leitschaufeln des Hochdruckverdichters
und der eingeregelten Drehzahl des Hochdruckverdichters, Fig.2b eine Leitschaufel
in ihrer Dauerbetriebs-Stellung, Fig.3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerks, Fig.4 einen Axialschnitt durch ein Strahlrohr,
bei welchem die Nebenstromluft in den Abgasaustrittskanal eingeführt wird, Fig.
5 eine Ansicht in Richtung des Pfeils 5 der F ig. 4, Fig. 6 einen Schnitt nach Linie
6-6 der Fig. 4, Fig.7 den Verlauf des Mengenanteils des Nebenstroms.
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In Fig.1 ist ein Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerk für Flugzeuge
dargestellt.
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Das Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerk besteht aus einem Niederdruckverdichter
10 mit einem Läufer 10a, einem Hochdruckverdichter 11 mit einem Läufer 11d,
einer Brennkammer 12, einer mehrstufigen Turbine 13; der Hochdruckläufer 13 a der
mehrstufigen Turbine 13 treibt den Läufer 11a des Hochdruckverdichters über eine
Hohlwelle 14, und ein Niederdruckturbinenläufer 13 b treibt über eine -Welle 15,
welche koaxial innerhalb der Welle 14 verläuft und die Läufer 13a und
11 a -durchsetzt, den Läufer 10a des Niederdruckverdichters. Ferner umfaßt
das Gasturbinenstrahltriebwerk einen Abgasaustrittskanal16, durch welchen die Abgase
nach einer Schubdüse 17 und durch diese ins Freie strömen. Der Nebenstromkanal 18a
ist durch eine Wand 18 definiert, welche einen Teil der in dem Niederdruckverdichter
10 komprimierten Luft aufnimmt und nach einer ringförmigen .Austrittsdüse 18 b leitet,
welche die Düse 17 umgibt.
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Nach einer weiteren, in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Ausführungsform
läuft der Nebenstromkanal in Düsen 41 aus, welche die Nebenstromluft nach dem Abgasaristrittskana116
treten lassen, so daß sie sich mit den von der Turbine 13 kommenden Abgasen mischt.
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Erfindungsgemäß ist der Hochdruckverdichter 11 mit verstellbaren Leitschaufeln
11 b ausgerüstet. Man erkennt drei Reihen von Leitschaufeln 11 b, welche in ihrer
Winkelstellung relativ zur Längsachse des Strahltrieb-,verks verstellbar sind; mittels
einer hydraulischen Einrichtung 25 können sie alle gleichzeitig verstellt werden.
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Die Verstellbarkeit der Leitschaufeln 11 b gewährt eine Anzahl von
Vorteilen.
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Ein Vorteil liegt .darin, daß der Gesamtdruck der Luft in dem Nebenstromkana118a
dem Gesamtdruck der heißen Gase in dem Abgasaustrittskana116 angepaßt werden kann.
Dieser Vorteil ist besonders bedeutungsvoll bei Maschinen, bei denen die Nebenstromluft
in den Abgasaustrittskanal eingeleitet wird und sich mit den Abgasen mischt. In
diesem Fall verwendet man gern einen Niederdruckverdichter 10 mit geringem
Verdichtungsverhältnis, d. h. mit einem Verdichtungsverhältnis von 2,5 : 1 oder
noch weniger und einen Hochdruckverdichter 11 mit einem hohen Verdichtungsverhältnis,
z. B. einem Verdichtungsverhältnis von 5 : 1 oder mehr; das Verhältnis des Drucks
innerhalb des Abgasaustrittskanals zum Atmosphärendruck ist nämlich gewöhnlich gering,
verglichen mit dem gesamten Verdichtungsverhältnis der Maschine.
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Die Fig.7 zeigt, wie sich das Nebenstromverhältnis und damit der Durchsatz
durch den Hochdruckverdichter und der Druck in dem Nebenstromkanal ändern, wenn
die Verdichtungsverhältnisse der Verdichter 10 und 11 veränderlich sind. Wenn eine
Anpassung gefordert wird, besitzt der Niederdruckverdichter 10 vorzugsweise ein
Verdichtungsverhältnis von 2,2 : 1 und der Hochdruckverdichter 11 ein Verdichtungsverhältnis
von 6 : 1; die Leitschaufeln 11 b werden in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße
der Maschine, etwa der eingeregelten Drehzahl eines der beiden Verdichter, gesteuert,
derart, daß, ausgehend von einem Dauerbetriebswert bei zunehmender Regeldrehzahl,
eine negative Winkeleinstellung eintritt. In vielen Gasturbinenstrahltriebwerken
mit Nebenstromkanal bleibt das Verhältnis der Drehzahl beider Verdichter im Arbeitsbereich
annähernd konstant, und auch die Beziehung zwischen den Temperaturen am Eingang
der Verdichter 10 und 11 bleibt annähernd konstant, so daß die Leitschaufeln 11b
zweckmäßig in Abhängigkeit von der eingeregelten Drehzahl des Niederdruckverdichters
10 gesteuert werden können.
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Durch Anbringung von verstellbaren Leitschaufeln 11b und eines Querschnitts
veränderlichen Austritts des Nebenstromkanals ist es ferner möglich, einen über
den normalen Höchstwert hinausgehenden zusätzlichen Schub zu erhalten, z. B. bei
einem Start unter tropischen Bedingungen.
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Aus diesem Grunde hat man den Ausgang der Düse 18b so ausgebildet,
daß er nach und nach in seinem Querschnitt verringert werden kann und daß gleichzeitig
der Durchsatz durch den Hochdruckverdichter 11 erhöht werden kann; die Änderungen
beider Größen zählen von den bei normalem Höchstwert des Schubs geltenden. Werten
ab.
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In der Ausführungsform der Fig. 1 ist die Düse 18 b mit einer Reihe
von Klappen 20 versehen, welche eine Querschnittsveränderung gestatten. Diese Klappen
sind normalerweise unwirksam, können aber aus ihrer unwirksamen Stellung, die in
der Fig.1 gestrichelt dargestellt ist, nach und nach in die ausgezeichnete Stellung
gebracht werden; in dieser letzteren Stellung
ist der Austrittsquerschnitt
der Düse 18 b auf annähernd ein Drittel des Normalwerts reduziert. Durch progressives
Schließen der Klappen 20 wird derjenige Anteil der Luft, welcher in dem Nebenstromkanal
18a fließt, nach und nach reduziert, und es fließt ein entsprechend größerer Anteil
durch den Hochdruckverdichter 11.
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Um eine Anpassung an den vergrößerten Durchsatz durch den Verdichter
11 herbeizuführen, werden die Leitschaufeln 11 b verstellt, und zwar derart, daß
sie eine negative Stellung (s. Fig.2b) gegenüber ihrer Dauerbetriebsstellung einnehmen.
Diese Verstellung der Leitschaufeln erfolgt Hand in Hand mit der Schließung der
Klappen 20. Die Verstellung ist in den Fig. 2 bis 2b dargestellt. Fig. 2b zeigt
eine Leitschaufel 11 b in ihrer Nullstellung, d. h. in derjenigen Stellung, in der
sie sich bei Dauerbetrieb normalerweise befindet; wenn die Klappen 20 geschlossen
werden, so nimmt die Schaufel 11 b nach und nach eine stark negative Stellung ein,
d. h., ihre Neigung zur Achsrichtung 21 wird verringert. In der Fig. 2, in welcher
die Leitschaufeleinstellung gegen den Düsenquerschnitt der Düse 18 b aufgetragen
ist, ist der Zusammenhang durch die Linie22 dargestellt.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Wirbelablösung des Hochdruckverdichters
11 beim Anlassen und Warmlaufenlassen vermieden werden kann; man gibt nämlich den
Schaufeln 11b in diesem Betriebsstadium eine abnehmend positive Einstellung (s.
Linie 23 der Fig. 2), wenn die Drehzahl des Verdichters 11 sich nach und nach demjenigen
Wert nähert, bei dein eine Wirbelablösung nicht mehr eintritt. Sobald dieser Wert
erreicht wird, erreichen die Schaufeln 11 b ihre Nullstellung. Die Klappen 20 bleiben
während dieses Vorgangs unverändert.
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In Fig. 2 a ist die eingeregelte Drehzahl des Hochdruckverdichters
gegen den Einstellwinkel der Hochdruckverdichterleitschaufeln aufgetragen; die Linien
22a und 23a entsprechen dabei den Linien 22 und 23 der Fig. 2.
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Die Klappen 20 (Fig. 1) werden durch hydraulische Rinrichtungen 24
betätigt, während die Leitschaufeln 11b durch hydraulische Einrichtungen 25 betätigt
werden. Die hydraulischen Einrichtungen24 und 25 @c#erden dann gleichzeitig in Betrieb
gesetzt, wenn ein über den normalen Höchst-,vert hinausgehender zusätzlicher Schub
herbeigeführt werden soll.
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Die beiden hydraulischen Einrichtungen 24 und 25 können z. B. von
der in der britischen Patentschrift 704 936 beschriebenen Bauart sein; es sind bei
dieser Bauart ausrückbare Anschläge vorgesehen, welche verhindern, daß die Klappen
20 die Austrittsdüse 18 b des Nebenstromkanals verschließen, .es sei denn, da,ß
ein zusätzlicher Schub erzeugt werden soll, und welche ferner verhindern, da.ß die
Leitschaufeln 11 b eine negative Stellung einnehmen, wenn nicht ein zusätzlicher
Schub gefordert wird.
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Die hydraulischen Einrichtungen umfassen im wesentlichen einen Differentialkolben,
welcher in einem Zylinder gegen .eine Feder arbeitet; die kleinere Fläche dieses
Kolbens ist dabei direkt dem Druck eines Druckmittelvorrats ausgesetzt, während
die größere Fläche des Kolbens diesem Druck über eine Drosselstelle ausgesetzt ist
und der auf der Seite der größeren Kolbenfläche gelegene Zylinderraum außerdem eine
Öffnung mit einem Ventil aufweist. Dieses Ventil ist durch eine Feder belastet,
und zwar mit einer von der Stellung des Kolbens abhängigen Kraft, und unterliegt
außerdem einem der Federkraft entgegenwirkenden hydraulischen Signaldruck. Wenn
der hydraulische Signaldruck zunimmt, so verschiebt sich der Kolben derart, daß
die auf das Ventil wirkende Federkraft ansteigt. Es stellt sich also für jeden Wert
des hydraulischen Signaldrucks eine bestimmte Gleichgewichtsstellung des Kolbens
und der von ihm eingestellten Teile ein. Auch sind ausdrückbare Anschläge in den
hydraulischen Einrichtungen vorgesehen, welche trotz des Vorhandenseins eines hydraulischen
Signaldrucks verhindern, daß die hydraulischen Einrichtungen24 die Klappen im Sinne
einer Schlieriung der Düse 18b bewegen, und daß die hydraulischen Einrichtungen
25 den Leitschaufeln 11b eine negative Einstellung mitteilen, solange diese Anschläge
nicht durch Betätigung des Hebels 33 ausgerückt werden, d. h., solange nicht ein
zusätzlicher Schub gewählt wird. Der Hebel 33 ist mit einer Drosselklappe 29 verbunden
und wird dann betätigt, wenn die Drosselklappe in die der Wahl eines zusätzlichen
Schubs entsprechende Stellung gebracht wird.
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Die Druckflüssigkeit für die Kolben 24, 25 wird von einer Pumpe26
geliefert, welche den Einspritzdüsen 27 über eine Leitung 28 und die Drosselklappe
29 Brennstoff zuführt. Nach den hydraulischen Einrichtungen 24 und 25 gelangt der
als Druckmittel dienende Brennstoff über Leitungen 30. Die Rückkehr der Druckflüssigkeit
erfolgt nach der Saugseite der Pumpe 26 über Leitungen 31.
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Wenn die Pumpe 26 .einen hydraulischen Höchstdrehzahlregler umfaßt,
so gewinnt man den hydraulischen Signaldruck aus dem Druck in diesem Regler Über
Leitungen 32. Dieser Druck hängt von der Drehzahl der Pumpe ab und, da die Pumpe
26 von dem Läufer 11a des Hochdruckverdichters oder von der Welle 14 oder von dem
Läufer 13a der Hochdruckturbine angetrieben wird, letzten Endes von der Drehzahl
des Hochdruckverdichters 11.
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Beim Starten, Warmlaufen und unter normalen Betriebsbedingungen sind
die Anschläge in den hydraulischen Einrichtungen 24 wirksam, d. h., sie verhindern,
daß die Klappen, 20 bewegt werden, obwohl die Ventile der hydraulischen Einrichtungen
einem hydraulischen Signaldruck unterliegen, welcher die Einrichtungen 24 in dem
Sinne zu betätigen versucht, daß die Klappen 20 geschlossen werden. Wenn die Drosselklappe29
im Sinne einer Erhöhung der Leistungsabgabe des Triebwerks verstellt wird, können
die hydraulischen Einrichtungen 25 zunächst die Leitschaufeln 11 b aus ihrer positiven
Starteinstellung herausdrehen, bis sie bei einer bestimmten Drehzahl des Hochdruckverdichters
in die Nullstellung kommen, und die Kolben der hydraulischen Einrichtungen 25 an
ihren Anschlägen anstoßen. Wenn eine höhere Leistung des Triebwerks an der Drosselklappe
29 eingestellt wird, so verhindern die Anschläge eine entsprechende Weiterbewegung
der hydraulischen Einrichtungen, obwohl die Ventile der hydraulischen Einrichtungen
25 einem hydraulischen Signaldruck ausgesetzt sind, der an sich eine weitere Verstellung
der Leitschaufeln 11 b nach negativen Werten hin herbeiführen möchte.
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Wenn ein zusätzlicher Schub benötigt wird, so wird der Hebel
33 betätigt und werden die Anschläge der hydraulischen Einrichtungen 24,
25 dadurch ausgerückt. Da die Drosselklappe29 nunmehr auf größte Leistungsabgabe
des Triebwerks eingestellt ist und die Ventile der hydraulischen Einrichtungen 24,
25 einem entsprechenden hydraulischen Signaldruck unterworfen sind, führen die hydraulischen
Einrichtungen 24, 25 gleichzeitig eine Verstellung der Klappen 20 im Sinne einer
Schließung der Austrittsdüse 18 b
und eine Verstellung der Leitschaufeln
11 b nach negativen Einstellungswerten hin durch.
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Ein anderes System, welches die Einstellung eines zusätzlichen, über
den normalen Höchstwert des Schuhs hinausgehenden Schubs gestattet, ist in Fig.
3 dargestellt. In dieser Figur sind gleiche Teile mit demselben Bezugsziffern bezeichnet
wie in Fig. 1. Anstatt den erhöhten Durchsatz durch den Hochdruckverdichter 11 durch
Verstellung der Leitschaufeln 11 a zu erreichen, wird bei diesem System die. Drehzahl
des Verdichters, erhöht, und zwar dadurch, daß die Ansprechdrehzahl, bei der der
Höchstdrehzahlregler in Aktion tritt, erhöht wird, und daß außerdem die Brennstoffzufuhr
nach der Brennkammer 12 verstärkt wird. Dieses System bringt man jedoch nur dann
zur Anwendung, wenn die erhöhten Beanspruchungen infolge der erhöhten Drehzahl keine
Gefahr für das Triebwerk darstellen.
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Wenn bei dieser Ausführungsform der Hebel 33 im Sinne der Einstellung
eines zusätzlichen Schuhs betätigt wird, werden die Anschläge in den. hydraulischen
Einrichtungen24 ausgerückt. Gleichzeitig wird der Höchstdrehzahlregler über einen
Lenker 34 verstellt, und ferner wird die; Drosselklappe29 im Sinne einer Erhöhung
der Brennstoffzufuhr in ihrer Stellung verändert. Wenn der Verdichter 11 nun eine
erhöhte Drehzahl annimmt, so werden die Klappen 20 nach und nach geschlossen und
der Luftdurchsatz durch den Nebenstromkanal reduziert.
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Während in der Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 der iNebenstromkana118a
direkt in die Atmosphäre mündet, kann er auch, wie in den Fig. 4 bis 6 dargestellt,
in den Abgasaustrittskana116 eingeführt werden. In diesem Fall bedient man sich
des nachstehend beschriebenen Systems, um den Anteil der in dem Nebenstromkanal
strömenden Luft verändern zu können, wenn ein zusätzlicher Schub erforderlich ist.
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Der Ausfluß des Ne:benstromkanals. 18a ist von einer Reihe flacher
Düsen 40 gebildet, deren Begrenzungswände an ihren Abschlußkanten wellenförmig gerieft
sind. Derartige Düsen sind jedoch Gegenstand eines anderen Vorschlages. In jeder
Düse ist eine Klappe42 untergebracht, welche zwischen einer unwirksamen Stellung
(s. gestrichelte Linien der Fig. 4 und 6) und einer wirksamen Stellung (s. ausgezogene
Linien der Fig. 4 und 6) verstellbar sind. In der letzteren Stellung ist der Fluß
durch die Düsen stark behindert. In Fig. 4 deutet der Pfeil 44 die Nebenstromluft
an, während der Pfeil 43 den Strom der Turbinenabgase darstellt. Die Klappen 42
können durch hydraulische Einrichtungen betätigt werden und zu diesem Zweck miteinander
gekuppelt sein.
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Die Klappen 20 bzw. 42 setzen den Querschnitt des Nebenstromkanals
auf etwa ein Drittel des Normalwerts herab.