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Zweistromgasturbinenstrahltriebwerk mit einer Nachbrenner-Brennstoffeinspritzvorrichtung
im Schubrohr Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweistromgasturbinenstrahltriebwerk
mit einer Nachbrenner-Brennstoffeinspritzvorrichtung im Schubrohr und mit einer
Einrichtung, durch welche Nebenstromluft aus dem Nebenstromkanal mit den durch das
Schubrohr strömenden Strahlgasen vermischbar sind, wobei die Mischeinrichtung wenigstens
zwei im radialen Abstand zueinander angeordnete Leitungen aufweist, die mit dem
Nebenstromkanal und dem Inneren des Schubrohres in Verbindung stehen. Die Abzapfung
von Luft aus dem Kompressor hat einen Leistungsabfall des Triebwerkes zur Folge,
und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Leistungsabfall zu kompensieren.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Brennstoffeinspritzeinrichtung
den Brennstoff derart ausspritzt, daß er in die Nähe des Auslasses einer Leitung,
nicht aber in der Nähe des Auslasses der anderen Leitung gelangt und daß die Mischeinrichtung
mit einer Ventileinrichtung ausgestattet ist, die derart einstellbar ist, daß die
erste Leitung gegenüber der Nebenstromluft abgeschlossen ist, während die andere
Leitung offenbleibt und eine Nebenstromluft-Strömung in das Innere des Schubrohres
zuläßt.
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Durch die Absperrung der ersten Leitung wird der Vorteil erzielt,
daß eine Stabilisierungszone stromunterseitig des Nachbrenners geschaffen wird,
die innerhalb des Schubrohres liegt. Dadurch, daß der Nachbrenner und die blockierte
Leitung gleichzeitig benutzt werden, kann eine beträchtliche Schubleistung erzielt
werden, und hierdurch kann der Abfall der Leistung kompensiert werden, der durch
die Abzapfung von Luft vom Kompressor und gegebenenfalls durch eine Ablenkung der
austretenden Strahlgase über Schubumlenkeinrichtungen bedingt ist.
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Zweckmäßigerweise wird bei einem Triebwerk mit getrenntem Niederdruck-
und Hochdruckkompressor die Nebenschlußluft aus dem Hochdruckkompressor abgezweigt.
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Die :Mischeinrichtung besteht zweckmäßigerweise aus wenigstens zwei
konzentrisch angeordneten Ringkanalsystemen, wobei die ersten Leitungen durch die
Ventileinrichtung absperrbar sind, während die anderen Leitungen offen sind.
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Die Leitungen erstrecken sich dabei vorzugsweise in ringförmig konzentrischer
Anordnung um die Triebwerksachse herum, und zwar liegen hierbei zweckmäßigerweise
die ersten Leitungen und die anderen Leitungen auf konzentrisch angeordneten Kreisen
unterschiedlichen Durchmessers. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung veranschaulicht, das nachstehend beschrieben wird. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zweistromgasturbinenstrahltriebwerks,
F i g. 2 in größerem Maßstab das Schubrohr des Gasturbinenstrahltriebwerks gemäß
F i g.1 im Längsschnitt, Fi g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß F i g. 2.
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Das Zweistromgasturbinenstrahltriebwerk nach F i g. 1 besitzt ein
Gehäuse 5, das die Kompressoren und Turbinen umschließt, sowie ein daran anschließendes
Schubrohr 11, das in einer Abgasdüse 13
endet. Der Lufteinlaß des Gehäuses
5 ist mit dem Bezugszeichen 5 a bezeichnet. Der ringförmige Nebenschlußkanal
6 (F i g. 2) führt an der Verbrennungseinrichtung und den Turbinenstufen vorbei.
Ein Rohr 7 dient zur Entnahme von Luft aus dem Hochdruckkompressor, und zwar z.
B. aus der siebenten Stufe dieses Kompressors. Über dieses Rohr kann z. B. Luft
den Steuerdüsen des Flugzeuges zugeführt werden.
Das Schubrohr 11
schließt mit einem Diffusorabschnitt 10 an das Triebwerksgehäuse 5 an, und am Ende
dieses Abschnittes sind seitlich zwei Abzweigleitungen 12 angeordnet, von denen
in F i g. 2 nur eine dargestellt ist. Ablenkventile 14, bestehend aus zwei kugelabschnittförmigen
Platten 16, sind vorgesehen, um die Schubgase wahlweise über die Abzweigleitungen
12 oder die Abgasdüse 13 austreten zu lassen. Die Platten 16 sind um eine Achse
17 schwenkbar und können von einer ersten Stellung, in der die Abzweigleitungen
12 abgesperrt sind und die Abgase durch die Düse 13 austreten können, in eine zweite,
in F i g. 2 strichliert dargestellte Stellung übergeführt werden, in der die Abgasdüse
13 abgesperrt ist und die Luft in die Abzweigleitungen 12 abgelenkt wird. In F i
g. 2 ist nur die eine Ventileinrichtung 14 dargestellt, eine zweite Ventileinrichtung
gleicher Ausbildung ist in symmetrischer Anordnung für die andere Abzweigleitung
vorgesehen.
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Jede Abzweigleitung 12 weist einen drehbaren Rahmen 18 auf, über den
sich eine Vielzahl paralleler Leitschaufeln erstreckt. Die Rahmen können so eingestellt
werden, daß die Schaufeln die hindurchströmenden Gase wahlweise nach vorn, nach
unten oder nach rückwärts ablenken.
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Die durch den Nebenschlußkanal 6 strömende Luft tritt in den Diffusorabschnitt
10 über eine Mischanlage ein, die zehn im Winkel zueinander versetzte Leitungen
20 aufweist. Sämtliche Leitungen 20 erstrecken sich schräg nach innen in den Diffusorabschnitt
10, und sie besitzen eingedrückte zusammengefaltete Abschnitte 21, 22, welche jede
Leitung 20 in drei radial im Abstand zueinander liegende getrennte Leitungen
23,24 und 25 teilen, deren Auslässe die aus F i g. 3 ersichtliche Gestalt haben
und in axialer Richtung gegen das stromunterseitige Ende des Schubrohres 11 gerichtet
sind.
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Wie aus F i g. 3 ersichtlich, liegen die Leitungen 23,24 und
25 auf konzentrischen Kreisen, wobei die Auslässe der mittleren Leitungen
24 so dimensioniert und angeordnet sind, daß sie sich über einen erheblichen Teil
des Umfanges, z. B. über 75 % desjenigen Kreises erstrecken, auf dem sie angeordnet
sind. Am Auslaß jeder Leitung 24 ist ein Klappenventil 26
schwenkbar
um eine radiale Achse 27 angeordnet, mittels welchem die Leitung 24 geöffnet bzw.
geschlossen werden kann.
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Zum Einspritzen von Nachbrennerbrennstoff in die durch das Strahlrohr
strömenden Gase stromoberseitig der Mündung der Leitung 20 ist eine Brennstoffeinspritzeinrichtung
28 vorgesehen, die sich quer durch den Diffusorabschnitt 10 erstreckt und
außerhalb des Schubrohres mit einer Brennstoffzuführungsringleitung 29 verbunden
ist. Die die Brennstoffeinspritzeinrichtung bildenden Rohre 28 besitzen Düsenöffnungen
30, durch welche der Brennstoff austritt. Je ein Rohr 28 ist für jedes gegenüberliegende
Paar von Leitungen 20 vorgesehen, und die Brennstoffdüsen 30 lassen den Brennstoff
so austreten, daß dieser unmittelbar in der Nähe des Auslasses der Leitungen 24,
nicht aber in der Nähe des Auslasses der anderen Leitungen 23 und 25 ausströmt.
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Wenn im Betrieb über das Rohr 7 Druckluft vom Hochdruckkompressor
abgezapft wird, fällt der Gesamtschub des Triebwerks ab. Wenn die beiden Ventilplatten
16 die Abgasdüse 13 sperren, strömen die Strahlgase durch die Zweigleitungen 12
und durch die ringförmigen Rahmen 18, so daß der Schub des Motors weiter abfällt.
Die Luft wird normalerweise durch die Leitung 7 abgelassen, und die Ventilplatten
16 werden normalerweise so betrieben, daß sie beim Start und bei der Landung die
Abgasdüse absperren, wobei die erwähnten Schubverluste auf die im folgenden beschriebene
Art und Weise überkompensiert werden, um so den Normalschub des Triebwerks zu erhöhen.
Einmal werden zu diesem Zweck die Leitungen 24 durch die Klappenventile 26 abgeschlossen,
so daß sich der Massenfluß von Luft durch den Hochdruckkompressor vergrößert. Gemäß
einem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung so getroffen, daß die Gesamtfläche der
Auslässe der Leitungen 24
18 % der Gesamtfläche der Auslässe der Leitungen
23, 24, 25 ausmacht.
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Eine Vergrößerung der Gesamtfläche der Auslässe der Leitungen 24 über
diesen Wert ist praktisch nicht durchführbar, da dies die Pumpgrenze der Kompressoren
auf einen unzulässig kleinen Wert herabsetzen würde.
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Zweitens wird der Nachbrennerbrennstoff durch die Rohre 28 in das
Schubrohr 10 eingespritzt und verbrennt innerhalb der Turbinenabgase. Der Brennstoff
verteilt sich dabei nur auf die unmittelbare Umgebung der Auslässe der Leitungen
24, die durch die Klappenventile abgesperrt sind, so daß keine Nebenschlußluft durchtreten
kann. Diese, wie aus F i g. 3 ersichtlich, flach ausgebildeten Leitungen dienen
hierbei als Verbrennungsstabilisatoren und schaffen unmittelbar stromunterseitig
tote Zonen. Die Verbrennung des Nachbrennerbrennstoffs beginnt an den Auslässen
der Leitungen 24 in einem im wesentlichen ringförmigen Verbrennungsbereich um die
Achse des Strahlrohres, und infolge der radialen Trennung der Auslässe der Leitungen
23, 25 von den Auslässen der Leitungen 24 mischt sich das brennbare Gemisch, bestehend
aus Nachbrennerbrennstoff und Turbinenabgasen, nicht mit der verhältnismäßig kühlen
Nebenschlußluft, bis die gesamte erwünschte Nachverbrennung in den heißen Turbinenabgasen
stattgefunden hat. Ein vorzeitiges Mischen mit der Nebenschlußluft würde nämlich
zu einer Verminderung der Nachbrennerleistung führen.
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Beim Reiseflug wird normalerweise keine Luft über die Leitung 7 abgezapft,
und der Nachbrenner ist außer Betrieb. Die Klappenventile 24 befinden sich in Öffnungsstellung,
und die Ventilplatten 16 schließen die Zweigleitungen 12 ab und geben die Abgasdüse
13 frei.
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An Stelle der Brennstoffzuführungsrohre 28, die sich radial bezüglich
des Schubrohres erstrecken, könnten auch Brennstoffdüsen in Ringleitungen vorgesehen
werden, die konzentrisch im Schubrohr angeordnet sind.