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Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk Die Erfindung bezieht sich auf
ein Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk zum Antrieb von Senkrechtstart- und Kurzstartflugzeugen,
dessen erster Kreis aus einem oder mehreren Luftverdichtern, einer oder mehreren
Brennkammern, einer oder mehreren Verdichterantriebsturbinen und einer durch Klappen
oder dergleichen Organe gesteuerten Kanalverzweigung besteht, die sich in einem
in Triebwerkslängsachse verlaufenden Horizontalschubkanal und einem senkrecht oder
annähernd senkrecht zur Triebwerkslängsachse abgekrümmten Hubkanal fortsetzt, in
dem die . Turbinenschaufeln von Hubgebläserädern laufen, die Außenluft für den zweiten
Kreis ansaugen und ebenfalls in den vorgenannten Hubkanal fördern.
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Es sind Zweikreis-Strahltriebwerke für Senkrechtstartflugzeuge bekannt,
deren Gaserzeuger mit dem Horizontalschubkanal z. B. unter dem Tragflügel angeordnet
sind, während im Rumpf oder vorzugsweise im Tragflügel ein Hubgebläselaufrad liegend
eingebaut ist, das radial außen Turbinenschaufeln und radial innen Gebläseschaufeln
aufweist. Die Turbinenschaufeln des Hubgebläselaufrades werden über einen vom Horizontalschubkanal
abgezweigten Kanal und einen um das Gebläserad verlaufenden Ringkanal mit Treibgasen
des Gaserzeugers des ersten Triebwerkskreises versorgt. Die Kanalverzweigung wird
dabei durch eine Klappe gesteuert, die es ermöglicht, daß die Treibgase entweder
nur durch den Horizontalschubkanal strömen oder nur zum Turbinenschaufelkranz des
Hubgebläselaufrades geleitet werden oder - bei Zwischenstellungen der Umsteuerklappe
- daß die Treibgase sowohl in den Horizontalschubkanal als auch zum Hubgebläselaufrad
strömen, so daß für den übergangsflug Hub- und Schubkomponenten erzeugt werden.
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Die Nachteile dieser bekannten Triebwerksanlage bestehen vor allen
Dingen darin, daß der Tragflügel durch den Einbau des großflächigen Hubgebläselaufrades
konstruktiv gestört wird, was insbesondere bei den relativ dünnen Flügeln moderner
Hochgeschwindigkeitsflugzeuge zu Komplikationen führt. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, daß die außenliegende Turbine nur teilbeaufschlagt werden kann, was den Turbinenwirkungsgrad
verschlechtert. Außerdem beeinflußt die Notwendigkeit einer kurzen und möglichst
geraden Verbindung zwischen der Hub- und Schubanlage des Triebwerks die Gesamtkonzeption
eines Flugzeuges unter Umständen ungünstig.
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Ferner sind für den Einbau in Senkrechtstartflugzeugen Gasturbinentriebwerke
mit einem Zweikreisfrontverdichter bekannt, wovon der eine Verdichterkreis verdichtete
Luft in den Gaserzeuger fördert, während die im zweiten Verdichterkreis verdichtete
Luft in einen Schubkanal mit zwei seitlich vorne am Triebwerk angeordneten, schräg
nach unten gerichteten, schwenkbaren Schubdüsen für den Senkrecht-und Obergangsflug
sowie für den Horizontalflug einströmt. Auch die die Verdichterantriebsturbinen
verlassenden heißen Treibgase werden in einen Schubkanal mit zwei seitlich hinten
am Triebwerk vorgesehenen, schwenkbar gelagerten Schubdüsen für den Horizontal-
und Vertikalflug geleitet.
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Ein Nachteil dieser Triebwerksanlage besteht darin, daß sein vorderer
Durchmesser infolge des Zweikreisfrontverdichters und der schwenkbaren Schubdüsen
sehr groß wird. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß selbst bei
überschallflugzeugen für den Start ein wesentlich höherer Schub benötigt wird als
für den Horizontalflug, so daß das Triebwerk im letzteren Flugzustand gedrosselt
werden muß. Es ist daher nicht möglich, bei dieser Triebwerksart eine für den Start
und Flug gleichermaßen optimale Anlage zu schaffen. Außerdem sind bei dieser Triebwerksart
nur vergleichsweise kleine Bypaßverhältnisse baulich möglich. Für den Start soll
jedoch das Bypaßverhältnis mit Rücksicht auf den Verbrauch und die Strahlgeschwindigkeit
(Bodenerosion, Lärm) möglichst hoch sein, während im Flug relativ niedrige Bypaßverhältnisse
günstig sind. Obwohl die Verbräuche von Zweikreistriebwerken bekannter Bauart an
sich günstiger sind als die von Einkreistriebwerken, geht dieser Vorteil bei der
Verwendung als Hub-Schub-Triebwerk im Horizontalflug weitgehend verloren, da das
Zweikreistriebwerk für den Vertikalflug bemessen ist und daher während des Horizontalfluges
stark gedrosselt werden muß. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß einerseits der
große erforderliche Lufteinlauf und die auch während des Horizontalfluges in Betrieb
befindlichen
Schwenkdüsen eine aerodynamisch keineswegs optimale
Rumpfform des Flugzeuges mit sich bringen.
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Außerdem sind für Hochgeschwindigkeitsflugzeuge mit Senkrechtflugeigenschaften
Triebwerksanlagen bekannt, die aus einem im Flugzeugheck angeordneten Gasturbinenstrahltriebwerk
mit wahlweiser Umlenkung der heißen Treibgase nach unten für den Senkrechtflug bestehen,
wobei im Umlenkkanal ein zusätzliches Gasturbinenlaufrad vorgesehen ist, das über
einen Winkeltrieb und einer zum Flugzeugbug führenden Welle ein dort befindliches
Gebläserad antreibt, das über am Umfang des Flugzeugrumpfes angebrachte Einströmöffnungen
Luft ansaugt und in einen nach unten abgekrümmten Hubkanal fördert.
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Diese Triebwerksanlage hat den Nachteil, daß sie konstruktiv aufwendig
sowie örtlich geteilt ist und daß durch sie die Flugzeugzelle im Bug und Heck durch
Triebwerksgruppen und -teile räumlich belegt wird. Außerdem stört auch die über
die ganze Rumpflänge verlaufende Antriebswelle.
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Schließlich sind für Senkrechtstartflugzeuge Triebwerksanlagen mit
einem üblichen Gasturbinenstrahltriebwerk bekannt, bei dem ein eigener Frontverdichter
vorgesehen ist, der verdichtete Luft in einen besonderen Hubkanal fördert, in dem
wiederum eine eigene Brennkammer eingebaut ist, wobei die heißen Brenngase ein parallel
zur Haupttriebwerkslängsachse laufendes sogenanntes Turbofanlaufrad mit radial innenliegendem
Turbinenschaufelkranz und einem radial außenliegenden Gebläseschaufelkranz (zweiter
Hubkreis) beaufschlagen. Auch diese Triebwerksbauart ist konstruktiv aufwendig und
ist für eine Triebwerksanordnung in Gondelbauweise durch seine große Stirnfläche
ungeeignet. Außerdem ist die Anordnung von in verschiedenen Ebenen laufenden Rotoren
schwingungstechnisch schwerer zu beherrschen.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die im Zusammenhang mit
den bekannten Triebwerksausführungen genannten Nachteile zu beseitigen. Im Gegensatz
zu den bekannten Triebwerksanlagen zeichnet sich das erfindungsgemäße Zweikreisstrahltriebwerk
dadurch aus, daß der, in Richtung der Hubströmung gesehen, vor den Krümmern liegende
Abschnitt des Hubkanalsystems aus einem um den zentrisch verlaufenden Horizontalschubkanal
koaxial angeordneten, an die nach der Verdichterantriebsturbine gelegene Kanalverzweigung
des ersten Triebwerkskreises angeschlossenen Turbinenkanalteil und aus einem den
letzteren ummantelnden Luftkanalteil mit einem am Triebwerksumfang liegenden Lufteinlauf
besteht und daß das oder die in an sich bekannter Weise senkrecht zur Triebwerkslängsachse
laufenden Hubgebläseräder radial außen den Luftgebläseschaufelkranz, radial in der
Mitte den Turbinenschaufelkranz und radial innen einen strömungsdynamisch unwirksamen,
im Horizontalschubkanal laufenden Speichenkranz tragen.
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Ein weiterer Vorschlag der Erfindung besteht darin, daß das Hubkanalsystem
aus zwei nach dem Lufteinlauf sich gabelnden Kanalzweigen besteht, und zwar aus
einem vorderen, erst nach vorn gerichteten und dann nach unten abgekrümmten Kanalzweig,
durch den nur Luft des zweiten Triebwerkskreises gefördert wird, und aus einem hinteren,
erst nach hinten gerichteten und dann nach unten abgekrümmten Kanalzweig, der mit
Treibgasen des ersten Triebwerkskreises und mit Luft des zweiten Triebwerkskreises
beschickt wird, welche die heißen Treibgase ummantelt.
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Ferner wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, zwei Hubgebläseräder
vorzusehen, wovon das eine Rad im vorderen Kanalzweig und das andere Rad im hinteren
Kanalzweig angeordnet ist.
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Um Kreiselmomente der Hubgebläseräder aufzuheben, ist es vorteilhaft,
im Rahmen der Erfindung die beiden Räder in an sich bekannter Weise mit entgegengesetzter
Drehrichtung laufen zu lassen.
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Der Lufteintritt in den zweiten Triebwerkskreis erfolgt erfindungsgemäß
auf dem ganzen oder annähernd auf dem gesamten Umfang des Triebwerks und wird durch
verstellbare Organe, wie Klappen od. dgl., gesteuert.
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Durch die Erfindung sind folgende Vorteile gegeben: Das gesamte Triebwerk
eignet sich gleichgünstig für den Einbau in den Flugzeugrumpf oder in Gondeln. Es
ist daher z. B. eine günstige Anordnung einer Nachverbrennungseinrichtung im Strömungskanal
vor der Horizontalschubdüse im Rumpfheck möglich. Die schwenkbaren Schubdüsen der
erfindungsgemäßen Hubanlage sind im Gegensatz zu der bekannten Zweikreistriebwerksanlage
mit einem Zweikreisfrontverdichter, bei dem die schwenkbaren Hub-Schub-Düsen dauernd
beaufschlagt sind und dadurch von der Flugzeugrumpfwand verhältnismäßig weit abstehen
müssen, nur im Senkrechtflug und im Übergangsflug in Betrieb, so daß sie günstiger
in die Rumpfwandung eingebaut werden können. Die radial außenliegenden Hubgebläseschaufeln
und die radial innen vorgesehenen Turbinenschaufeln erlauben ein beliebig hohes
Bypaßverhältnis (Gebläsedurchsatz zu Triebwerksdurchsatz), was ein in relativ weiten
Grenzen wählbares Verhältnis zwischen Horizontalschub und Vertikalschub ergibt,
so daß eine günstige Anpassung für Flugzeuge mit verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen
möglich ist.
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Bei Anordnung von zwei Laufrädern, je eines für einen vorderen Hubkanalzweig
und je eines für einen hinteren Hubkanalzweig, sind die Turbinen strömungsdynamisch
hintereinandergeschaltet. Hierdurch wird das Turbinengefälle aufgeteilt, was sich
auf die aerodynamische Belastung der Turbinen günstig auswirkt. Aus diesem Grunde
lassen sich relativ hohe Bypaßverhältnisse bei einstufiger Ausführung der Turbinen
noch bei gutem Wirkungsgrad verwirklichen. Erst bei extrem hohen Bypaßverhältnissen
empfiehlt es sich, die Gebläseräder mit zwei Turbinenstufen auszustatten. Dies erfordert
jedoch keinen zusätzlichen Raum, da dabei der Abstand zwischen beiden Gebläserädern,
der mit Rücksicht auf die Einströmung der Luft des zweiten Kreises vorhanden sein
muß, nicht vergrößert zu werden braucht.
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Aus all diesen Umständen, insbesondere mit Rücksicht auf das hohe
Bypaßverhältnis ergibt sich ein spezifisch geringer Brennstoffverbrauch bei Start
und Landung; extrem niedrige Strahlgeschwindigkeiten bei Start und Landung zur Vermeidung
von Bodenerosion und Lärm; ein niedriges Druckverhältnis der Hubgebläse und damit
große Elastizität im Betriebsverhalten. Außerdem kann jeder der beiden Lufteinläufe
für den horizontalen Schubteil und den Hubteil der Gesamtanlage entsprechend seiner
Aufgabe optimal gestaltet werden, wobei sich der relativ kleine Lufteinlauf für
den horizontalen Schubteil gut in die Rumpfkonstruktion des Flugzeuges einfügen
läßt und
der relativ große Lufteinlauf der Hubanlage auf dem gesamten
Rumpfumfang keinen zusätzlichen Rumpfquerschnitt erfordert. Während des Horizontalfluges
wird der Lufteinlauf der Hubeinlage. geschlossen, so daß er keinen negativen Einfluß
auf die Aerodynamik des Flugzeuges ausüben kann. Berechnungen haben ergeben, daß
bei zwei Hubgebläselaufrädern der erforderliche Rumpf- oder Gondelquerschnitt selbst
bei einem extrem hohen Bypaßverhältnis wesentlich geringer als bei vergleichbaren,
bekannten Hub-Schub-Triebwerken ist. Selbst bei einem einzigen Gebläserad ist der
erforderliche Rumpf- oder Gondelquerschnitt erst bei hohen Bypaßverhältnissen größer
als derjenige, welcher für bekannte Hub-Schub-Triebwerke notwendig ist, die dieses
extrem hohe Bypaßverhältnis nicht erreichen.
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Schließlich bildet im hinteren Hubkanalzweig der äußere kalte Luftstrahl
des zweiten Triebwerkskreises einen wärmedämmenden Mantel um den inneren, heißen
Treibgasstrahl des ersten Triebwerkskreises.
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Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung
hervor.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 ein Zweikreistriebwerk im Längsschnitt mit zwei Schubgebläselaufrädern,
F i g. 2 a einen Schnitt nach der Linie II-II der F i g. 1, wobei die Lufteinströmklappen
des Gebläseschubkreises geschlossen sind, F i g. 2b ebenfalls einen Schnitt nach
der Linie II-II der F i g. 1., wobei die Lufteinströmklappen des Gebläseschubkreises
geöffnet sind, F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der F i g. 1 und F
i g. 4 ein Zweikreistriebwerk im Längsschnitt mit einem Schubgebläselaufrad.
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Der erste Kreis des Triebwerkes besteht in der Hauptsache aus einem
Luftverdichter 11, mehreren Brennkammern 12, einer Verdichterantriebsturbine 13
und aus einer Kanalverzweigung 14, an der sich einerseits ein Horizontalschubkana115
mit einer in ihrem Querschnitt verstellbaren Horizontalschubdüse 16 anschließt.
Das gesamte Hubkanalsystem gemäß der F i g. 1 besteht aus einem vorderen Hubkanalzweig
K1 und einem hinteren Hubkanalzweig K2. Das Hubkanalsystem gemäß der F i g. 4 weist
nur einen hinteren Kanalzweig K2 auf. An die Kanalverzweigung 14, die gesteuert
wird durch eine Klappe 21, schließt sich andererseits ein Turbinenkanalteil K."'
an, der von einem Luftkanalteil K1" und K2" ummantelt wird, die beide in nach unten
abgebogenen Krümmern K1"' und K2... münden, an deren Enden schwenkbare Schubdüsen
18 und 19 vorgesehen sind. Die Kanalteile K2', K1" und K2" verlaufen also koaxial
um den vorderen Abschnitt des Horizontalschubkanals 15. Im hinteren Teil des Horizontalschubkanales
15 kann eine Nachverbrennungseinrichtung 20 eingebaut sein.
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Im Maschinengehäuse des Triebwerkes sind zwei Hubgebläselaufräder
a und b (F i g. 1) bzw. ein einziges Hufgebläselaufrad c (F i g. 4
) frei drehbar gelagert. Die Laufräder a und b bzw. c tragen Turbinenschaufeln
22 die im Treibgaskanalteil K2 laufen, und Luftgebläseschaufeln 23, die im Luftkanalteil
K1" bzw. K2" rotieren. Außerdem weisen sie aerodynamisch unwirksam ausgebildete
Speichen 24
auf, die im Schubkanal 15 laufen.
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Der Lufteinlauf 25 des zweiten Triebwerkskreises (Hubgebläsekreis)
wird gesteuert durch schwenkbare Klappen 26 und ein- und ausschiebbare Luftfanghutzen
27 im unteren Sektor des Triebwerksumfanges. In der F i g. 4 ist an Stelle von Lufteinströmklappen
26 bzw. Lufteinströmhutzen 27 ein Rohrschieber 30 vorgesehen. In an sich bekannter
Weise verbessern aufblasbare Wülste 29 im Schwebe- und übergangsflug die aerodynamischen
Verhältnisse am Triebwerk bzw. Flugzeug.
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Es besteht durchaus die Möglichkeit, im Hubkanal Brennstoffeinspritzvorrichtungen
28 zur Schubverstärkung anzuordnen.
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Das dargestellte Triebwerk arbeitet wie folgt: Im Schwebe- und Übergangsflug
stehen die Umsteuerklappen 21 in der gestrichelten Stellung, d. h., der Horizontalflugkanal
15 ist gesperrt. Die die Verdichterantriebsturbine 13 verlassenden Treibgase T strömen
in das Hubkanalsystem ein, dabei beaufschlagen sie die im Kanalteil K2 laufenden
Turbinenschaufeln 22 der Laufräder a und b bzw. c und durchströmen dann den
Krümmer K2", worauf sie das Triebwerk durch die schwenkbaren Schubdüsen 19 wieder
verlassen. Die Lufteinströmklappen 26 und -hutzen 27 bzw. der Schieber 30 sind im
vorbeschriebenen Flugzustand in Offenstellung, so daß Außenluft A einströmen kann,
die von den Gebläseschaufeln 23 des Laufrades b bzw. c angesaugt, verdichtet und
in den Krümmer K2"' gefördert wird. Der die beiden Schubdüsen 19 verlassende Treibgasstrahl
setzt sich daher zusammen aus einer inneren heißen Stromröhre aus Turbinengasen
T und einem äußeren Mantelstrom aus verdichteter, wesentlich kälteren Luft A. Durch
den Hubkanalzweig K1 (F i g. 1) wird durch das Gebläserad a nur Luft
A gefördert, welche durch die beiden vorderen Schubdüsen 18 ausströmt. Die
Schubdüsen 18 und 19 sind in an sich bekannter Weise so ausgebildet und einstellbar,
daß die Treibgase A bzw. A und T senkrecht bis horizontal gerichtet
ausströmen können.
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Im Horizontalflug nimmt die Umsteuerklappe 21 die ausgezeichnete Stellung
ein; die Lufteinströmorgane 26 und 27 bzw. 30 schließen dabei den Rumpf um die Gondel
und damit den Gebläseschubkreis nach außen .hin ab. Die Treibgase T durchströmen
nunmehr ausschließlich den Honrizontalschubkanal 15, ohne die Schubgebläselaufräder
a und b bzw. c anzutreiben, da deren Speichen 24 aerodynamisch unwirksam sind.
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Für die Merkmale der Unteransprüche 4, 6 und 8 wird nur in Verbindung
mit dem Hauptanspruch Schutz begehrt.