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Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk Die Erfindung bezieht sich auf
ein Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk mit unabhängig voneinander drehbar gelagerten
Laufrädern, die radial innen transsonisch oder supersonisch ausgelegte Luftverdichterschaufeln,
radial außen Gasturbinenschaufeln und dazwischen die Luftverdichterströmung gegen
die zu ihr entgegengesetzt gerichtete Gasturbinenströmung abdeckende koaxiale Ringe
tragen, ferner mit am Ende des Verdichterkanales angeordneter Brennkammer, die in
den Turbinenkanal mündet, hinter dem die Treibgase noch einmal um 180° in den Schubkanal
des ersten Triebwerkskreises umgelenkt werden, so daß die in den Verdichter eintretende
Luft und die das Triebwerk verlassenden Schubgase die gleiche Strömungsrichtung
aufweisen, wobei ein zusätzliches Laufrad vorgesehen ist, das radial innen Turbinenschaufeln
und radial außen Gebläseschaufeln trägt, die im Strömungskanal des zweiten Schubkreises
des Triebwerkes laufen.
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Bei Gasturbinentriebwerken der vorerwähnten Art ist es bekannt, die
den Turbinenkanal für die Verdichterantriebsturbinen verlassenden Treibgase durch
die feststehenden Eintrittsleitschaufeln des zweiten Schubkreises radialnachaußenzu
führenund dannum 180° umzulenken, so daß der Schubkanal des ersten Kreises radial
außen liegt, während sich derSchubkanal des zweitenTriebwerkskreises,also desGebläseschubkreises,
radial innerhalb des Schubkanales des ersten Triebwerkskreises befindet. Die Schubgebläseschaufeln
sitzen dabei in mehreren Reihen auf einem Läufer, der radial innen Turbineninnenschaufelreihen
trägt, die ebenfalls in dem an die Brennkammer anschließenden Turbinenkanal laufen.
Der Schubgebläseläufer erstreckt sich daher im bekannten Fall über eine große axiale
Länge des Triebwerkes und nur sein radial innerer Teil, über dessen gasdynamische
Funktion nichts ausgesagt ist, liegt unmittelbar vor der Brennkammer.
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Die bekannte Triebwerksausführung ist durch ihre verhältnismäßig große
axiale Länge, insbesondere bedingt durch die Ausbildung des Schubgebläseläufers,
für verschiedene Verwendungszwecke nicht brauchbar. Außerdem bringt der Umstand,
daß auch die Turbinenschaufeln (Antriebsschaufeln) des Schubgebläserades im Turbinenkanal
des Gaserzeugers laufen, Schwierigkeiten in der Bewältigung der hierbei auftretenden
gasdynamischen Probleme mit sich, die zu Wirkungsgradverschlechterungen führen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Ausführung besteht darin, daß sich der Gebläseluftstrom
des zweiten Kreises und der heiße Brenngasstrom des ersten Kreises bzw. deren Kanäle
gegenseitig durchdringen, d. h. das Leiten des heißen Brenngasstromes durch die
Tragarme bzw. Stützrippen ist strömungstechnisch außerordentlich verlustreich und
bringt zudem in der Praxis fast unlösbare Schwierigkeiten im Hinblick auf die erforderlichen
lichten Querschnitte der Tragarme bzw. Stützrippen mit sich. Schließlich ist es
für Turbomaschinen im allgemeinen und für einen schnelläufigen Verdichter mit hohen
Anströmmachzahlen, die mit Rücksicht auf das Triebwerksgewicht bei Hubtriebwerken
angewandt werden müssen, im besonderen sehr ungünstig, wenn unmittelbar vor dem
Eintritt in das Laufrad dicke Rippen angebracht sind wie bei der bekannten Ausführung.
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Bei einem anderen bekannten Zweikreistriebwerk werden die drehzahlmäßig
voneinander unabhängigen Laufräder radial innerhalb ihrer Schubgebläsebeschaufelung
in drei konzentrischen Turbinenbeschaufelungen vom heißen Gasstrom des ersten Triebwerkskreises
bzw. Schubkreises beaufschlagt. So angeordnete Turbinenschaufeln haben aber den
Nachteil, daß die radial innen liegenden Stufen nur wenig wÄRrksam sind, weil bei
gleicher Drehzahl das verarbeitbare Gefälle dem Quadrat des Durchmessers proportional
ist.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile werden gemäß der Erfindung bei einem
Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk der eingangs angeführten Gattung folgende,
zum Teil für sich bekannte Maßnahmen vorgeschlagen: ~ a) Der Schubgebläsekanal bzw.
der zweite Schubkreis bildet den radial äußeren Strömungskanal des Triebwerkes,
b) das Schubgebläserad erstreckt sich durchgehend geradlinig in radialer Richtung
über alle vier Strömungskanäle beider Triebwerkskreise, c) die Turbinenschaufeln
nies Schubgebläserades laufen im Schubkanal des ersten Triebwerkskreises, d) das
Schubgebläserad ist - in Richtung der Verdichterströmung gesehen - vor der Brennkammer
angeordnet
und seine im Verdichterluftkanal und im Turbinenkanal befindlichen Speichen sind
so gestaltet, daß sie zumindest bei Vollast des Triebwerkes aerodynamisch wirkungsfrei
sind, wobei die zwischen den Speichen des Schubgebläserades liegenden Luftdurchtrittskanäle
einen Teil des gesamten Brennkammereintrittsdiffusors bilden.
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Ferner wird in Verbindung mit der vorstehenden, die eigentliche Erfindung
bildenden Merkmalskombination vorgeschlagen, in dem vor den Schubgebläseschaufeln
liegenden Raum verstellbare Vorleitschaufeln zur Steuerung der einströmenden Luft
für den Gebläseschubkreis und im Raum hinter den Schubgebläseschaufeln verstellbare
Nachleitschaufeln zum Steuern der beiden Schubströme vorzusehen, wobei die beiden
Leitgitterschaufelreihen nicht über die Gesamtbaulänge des Triebwerkes hinausragen.
Ein selbständiger Schutz wird für diese Merkmale (Patentanspruch 2) nicht begehrt.
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Durch die Erfindung, insbesondere durch die besondere Ausbildung und
Anordnung des Schubgebläserades, wird gegenüber den bekannten Zweikreistriebwerken
eine in axialer Richtung äußerst gedrängte, den zur Verfügung stehenden Raum optimal
ausnutzende Bauart von relativ geringem Gewicht erreicht. Dadurch ist das vorgeschlagene
Triebwerk vor allem als Hubtriebwerk für Flugzeuge geeignet. Die Herausnahme des
Antriebes bzw. der Turbinenschaufeln des Schubgebläserades aus dem Bereich des Gaserzeugers,
d. h. aus dem Turbinenkanal des ersten Triebwerkskreises, ermöglicht bei Gegenstromtriebwerken
der in Rede stehenden Art eine bessere Abstimmung der gasdynamischen Vorgänge aufeinander,
wodurch der Gesamtwirkungsgrad verbessert wird. Außerdem ist eine Turbinenschaufelreihe
am Schubgebläselaufrad herstellungsmäßig einfacher und billiger.
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Das etwa in der Mitte des Triebwerkes befindliche Schubgebläserad
mit seiner radial außen laufenden Gebläseschaufelreihe schafft günstige Verhältnisse
für eine innerhalb der Gesamtbaulänge des Triebwerks liegende Anordnung verstellbarer
Vor- und Nachleitgitter zur Ausrichtung der auf beiden Schubkreisen austretenden
Ströme. Die vorgeschlagene Bauweise erlaubt extrem große Bypassverhältnisse, weil
das Verhältnis zwischen dem inneren Durchmesser der Turbine des Gebläseschubrades
und dem Außendurchmesser des Gebläseschubkanales relativ groß ist; dadurch wird
die aerodynamische Belastung der Turbine klein gehalten.
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Die Anordnung des Gebläseschubrades vor der Brennkammer ergibt einen
sehr langgestreckten Eintrittsdiffusor zur Brennkammer, ohne daß dadurch die Gesamtbaulänge
des Triebwerkes vergrößert wird. Ein langer Brennkammereintrittsdiffusor, wobei
die zwischen den Speichen des Schubgebläselaufrades befindlichen aerodynamisch wirkungsfreien
Kanäle zur Bildung des vorderen Teiles des Brennkammereintrittsdiffusors mit herangezogen
werden können, ist besonders wichtig bei supersonischer Auslegung des Verdichters,
aus dem der Luftstrom mit sonst für die Brennkammer zu hohen Geschwindigkeiten austreten
würde. Außerdem führt die vorgeschlagene Anordnung des Schubgebläselaufrades zu
einer Verlängerung der Brennkammerauslaufstrecke vor dem Turbineneintritt, wodurch
eine bessere Temperaturverteilung begünstigt wird, was wiederum eine Erhöhung der
mittleren Turbineneintrittstemperatur zuläßt. Anders ausgedrückt heißt das, daß
die unbedingt erforderlichen großen Längen für den Brennkammereintrittsdiffusor
und den Brennkammeraustritt bzw. Turbineneintritt durch die vorgeschlagene Anordnung
des Gebläseschubrades mit ausgenutzt werden, so daß seine axiale Länge nicht in
die Gesamtlänge des Triebwerkes eingeht.
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Bekanntlich neigt eine höchstbelastete, gedrängte Brennkammer zu ungünstiger
Temperaturverteilung am Austritt. Durch eine Ausgleichsstrecke, wie sie sich aus
der nochmaligen Durchströmung des Schubgebläselaufrades von selbst ergibt, wird
die Beschaufelung der Hochdruckturbine thermisch beträchtlich entlastet.
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Schließlich sind erfindungsgemäß die beidenSchubkanäle des ersten
und zweiten Triebwerkskreises baulich voneinander getrennt, d. h. sie durchdringen
sich gegenseitig nicht, wie bei der bekannten Ausführung.
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In der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,
ist ein Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk im Längsschnitt gezeigt.
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Auf einer im Maschinengehäuse feststehenden Achse 11 sind einzelne
Laufräder a, b unabhängig voneinander drehbar gelagert, die radial innen
Luftverdichterschaufeln 12, radial außen Turbinenschaufeln 13 und dazwischen die
Luftverdichterströmung 14 gegen die zu ihr entgegengesetzt gerichtete Gasturbinenströmung
15 abdeckende koaxiale Ringe 16 tragen. Am Ende des Luftverdichterkanales 17 liegt
die Brennkammer 18, innerhalb der bzw. nach der die heißen Treibgase um 180° umgelenkt
werden und in den Verdichterturbinenkana119 einströmen, wo sie die Gasturbinenströmung
15 bilden, welche die beiden Laufräder a und b antreibt. Nach dem
Verdichterturbinenkana119 werden die Treibgase noch einmal um 180' umgelenkt und
gelangen dann in den Schubkanal 21, aus dem sie unter Schuberzeugung (erster Schubkreis)
ins Freie austreten.
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Örtlich vor der Brennkammer 18 ist ein weiteres Laufrad, das
Schubgebläselaufrad c angeordnet, das radial außen Gebläseschaufeln 27 trägt,
die im Schubgebläsekana122 (zweiter Schubkreis) laufen. Angetrieben wird das Laufrad
c durch im Schubkanal 21 vorgesehene Turbinenschaufeln 23, die von den hier
strömenden Treibgasen beaufschlagt werden. Die zwischen den Speichen 24 des
Laufrades c befindlichen Kanäle, die diffusorartig gestaltet sind, bilden den vorderen
Teil des Brennkammereintritts 24' (Brennkammereintrittsdiffusor); die zwischen den
Laufradspeichen 25 befindlichen Kanäle bilden einen verlängerten Brennkammerauslauf
bzw. Turbineneintritt.
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Das Laufrad a weist vorn eine erste Verdichterstufe a' mit Verdichterschaufeln
12' auf, so daß der Raum vor den Schaufeln 12 der Stufe a, der durch den
vorgezogenen Krümmer 33 eingeschlossen wird, ausgenutzt wird, insofern, als mehr
Verdichterstufen 12, 12' als Turbinenstufen 13 untergebracht werden können, so daß
die Druckhöhe pro Verdichterstufe niedriger gehalten werden kann.
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Um die Speichen 25 wirksam zu kühlen, sind sie hohl ausgebildet und
werden vom Verdichterluftkanal 17 her mit Kühlluft 26 beschickt.
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In dem vor den Schubgebläseschaufeln 27 liegenden Raum sind
verstellbare Vorleitschaufeln 28 zur Steuerung der in den Schubkanal 22 einströmenden
Luft 29 und im Raum nach den Schaufeln 27 verstellbare Nachleitschaufeln 30 zum
Steuern der beiden
Schubströme 31 und 32 vorgesehen. Die beiden
Schaufelreihen 28 und 30 ragen nicht über die Gesamtlänge des Triebwerkes hinaus.
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Im freien Raum, der von -der Brennkammer 18 umschlossen wird, sind
Hilfsaggregate 34 angeordnet.