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Mantelstromgasturbinentriebwerk Die Erfindung bezieht sich auf ein
Mantelstromgasturbinentriebwerk mit einer Schubdüse veränderbarer Querschnittsfläche,
bei welchem aus dem vom Niederdruckkompressor gespeisten Mantelstromkanal über eine
mit einer Ventilanordnung ausgestattete Anzapfleitung Luft nach einer ein Hubgebläse
treibenden Luftturbine abzweigbar ist.
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Da bei derartigen Triebwerken die Hubgebläse den erforderlichen Schub
zum Zweck des Starts oder auch bei der Landung sehr schnell zur Verfügung stellen
müssen, ist es erforderlich, die Luftzufuhr zu der das Hubgebläse treibenden Luftturbine
schnell zu vergrößern. Dieser Forderung werden die bei derartigen Mantelstromtriebwerken
vorgesehenen, bekannten Ventilanordnungen nicht gerecht, durch welche die durch
die Nebenschlußleitung strömende Luft entweder in die Anzapfleitung oder nach dem
Auslaß des Nebenschlußkanals geleitet werden kann. Durch Absperrung des Mantelstromkanals
kann zwar die gesamte Mantelströmung in die Anzapfleitungen übergeführt werden,
jedoch reicht dies allein nicht oder nur ungenügend für die angestrebte schnelle
Hubstrahlerzeugung aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Luftzufuhr nach den
Hubgebläsen im Bedarfsfall schnell und in genügender Menge zu bewirken. Die Erfindung
geht aus von der Erkenntnis, daß die angestrebte Wirkung nur zustande kommen kann,
wenn im Bedarfsfall der den Mantelstromkanal speisende Kompressor, im allgemeinen
der Niederdruckkompressor, schnell auf eine höhere Drehzahl gebracht wird. Ein Hochlauf
des Niederdruckkompressors durch vermehrte Brennstoffzufuhr erfolgt aber relativ
träge, und daher schlägt die Erfindung zur Lösung der gestellten Aufgabe vor, daß
die Schubdüsenverstellung zur Veränderung der Querschnittsfläche des Hauptstromkanals
mit der Verstellung des Ventils in der Weise gekuppelt ist, daß die Querschnittsfläche
der Schubdüse vergrößert wird, wenn durch üffnung des Ventils Luft nach der Luftturbine
abgezweigt wird, so daß die Niederdruckturbine zugleich mit dem Niederdruckkompressor
hochläuft und eine erhöhte Mantelströmung bewirkt. Hierdurch steht die gewünschte
größere Luftmenge im Mantclstromkanal nach der Ventilbetätigung fast augenblicklich
zur Verfügung, wie dies zum Zweck eines schnellen Starts angestrebt wird.
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Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird zur Absperrung
des Mantelstromkanals die Schubdüse selbst herangezogen, die zum Zweck der Veränderung
des Querschnitts aus einzelnen gegeneinander gleitbaren Klappen besteht. Hierbei
können die Klappen bei der Vergrößerung der Düsenquerschnittsfläche den Manteistromkanal
immer weiter schließen, bis in der Stellung größter Querschnittsfläche der Düse
der Mantelstromkanal völlig abgeschlossen ist. Das die Anzapfleitungen beeinflussende
Ventil kann hierbei ein Schiebeventil sein, das über ein Gestänge mit dem Düsenverstellmechanisinus
verbunden ist.
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Statt dessen können gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung
die Ventile auch als aufblasbare Taschen ausgebildet sein, die im aufgcblaseneu
Zustand die betreffende Leitung absperren und in entleertem Zustand der Wandung
der Leitung anliegen, ohne eine wesentliche Behinderung der hindurchströmenden Luft
zu bewirken.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist hierbei die Anordnung
derart getroffen, daß zwei Gruppen von Taschen wechselweise mit einer Druckluftquelle
oder einen; Auslaß nach der Atmosphäre über ein Dreiwegeventil verbindbar sind und
daß das Dreiwegeventil eines der Ventile mit der Druckluftquelle und das andere
mit dem Auslaß in
seinen beiden Extremstellungen verbindet, wobei
in seiner Mittelstellung die beiden die Ventile bildenden Taschen miteinander verbunden
sind.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der
Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 eine Grundrißansicht eines
Flugzeuges, das zwei erfindungsgemäß ausgebildete Gasturbinenstrahltriebwerke enthält,
F i g. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerkes
gemäß der Erfindung, F i g. 3 eine andere Ausführungsform der Erfindung in teilweise
geschnittener Teilansicht in größerem Maßstab, F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie
4-4 gemäß F i g. 3.
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Das in F i g. 1 dargestellte Flugzeug 10 weist zwei Triebwerke 11
auf, die beidseitig des Rumpfes 12 angeordnet sind. Die Flügel 13 des Flugzeuges
stehen über die Triebwerksgondeln 11 vor. In den Flügeln sind durch Turbinen getriebene
Hubgebläse 14 angeordnet, wobei die Turbinen durch Luft angetrieben werden, die
von den Triebwerken 11 über Leitungen 15 herangeführt wird. Die über diese Leitungen
herangeführte Luft trifft auf die Luftturbine 16 auf und treibt die Gebläse 14 an.
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Wie aus F i g. 2 ersichtlich, sind die Triebwerke 11 Mantelstromtriebwerke,
und diejenige Luft, die normalerweise durch den Mantelstrom 17 strömen würde, wird
mittels einer Ringleitung 40 in die Leitung 15 abgeführt, um die Luftturbine 16
anzutreiben. Das Mantelstromtriebwerk 11 weist einen Niederdruckkompressor
18 und einen Hochdruckkompressor 19 auf, der einen Teil der von dem Niederdruckkompressor
18 gelieferten Luft weiter verdichtet, ; während die übrige Luft durch den Mantelstromkanal17
strömt. Stromunterseitig des Hochdruckkompressors 19 ist eine Verbrennungseinrichtung
20 angeordnet, in der durch eine nicht dargestellte Vorrichtung Brennstoff injiziert
und verbrannt wird. Die Verbrennungsgase strömen dann durch die Hochdruckturbine
21, die den Hochdruckkompressor 19 über die Welle 22 antreibt, und dann strömen
die Gase durch die Niederdruckturbine 23, die ihrerseits über die Welle 24 den Niederdruckkompressor
treibt. Die Abgase treten dann durch eine Schubdüse 25 mit veränderbarem Querschnitt
aus, und sie vermischen sich unter normalen Betriebsverhältnissen mit den Mantelstromgasen,
die durch den Mantelstromkanal 17 geströmt sind.
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Wenn das Flugzeug 10 vertikal starten soll oder einen Kurzstart durchführen
soll, werden die Gebläse 14 benutzt, um einen unmittelbaren vertikalen Auftrieb
zu erzeugen. Hierbei muß die Mantelstromluft über die Ringleitung 40 und die Leitung
15 abgeführt werden, und um dies bewerkstelligen zu können, sind Ventileinrichtungen
vorgesehen, die den Mantelstromkana117 stromunterseitig des Eintritts der Ringleitung
40 absperren. Zusätzlich ist es für den Reiseflug erforderlich, zu verhindern, daß
Luft aus dem Mantelstromkanal durch die Leitung 15 strömt und dabei die Schubleistung
des Triebwerkes in Vorwärtsrichtung beeinträchtigt.
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Es ist oft vorteilhaft, wenn die Mantelstromluft, die über die Leitungen
15 nach den Turbinen 16 strömt, auf höheren Druck gebracht werden kann, als sie
normalerweise unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen des Triebwerkes hat. Um dies
zu erreichen, ist die veränderbare Schubdüse 25 derart angeordnet, daß sie in ihrer
Stellung mit großer Querschnittsfläche befindlich ist, wenn Luft über die Leitung
15 zugeführt wird. Dies bewirkt, daß der Druck stromunterseitig der Turbine 23 abfällt,
wodurch bewirkt wird, daß die Turbine 23 mit Überdrehzahl läuft und den Niederdruckkompressor
18 mit einer höheren Drehzahl als normal antreibt, wodurch ein höherer Druck in
der Mantelstromluft erzeugt wird als unter normalen Betriebsverhältnissen. Um eine
Teilung der Mantelstromluft zu erreichen, ist eine Ventilanordnung vorgesehen, von
der ein Ausführungsbeispiel in F i g. 2 und ein weiteres in F i g. 3 dargestellt
ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 wird ein Ventil
26 bekannter Bauart benutzt, das einen Ventilkörper 27 in Gestalt eines Schiebers
aufweist, der dazu benutzt wird, die Ringleitung 40 abzuschließen, die mit der Leitung
15 in Verbindung steht. Der Ventilkörper 27 wird durch eine Reihe von hydraulischen
oder pneumatischen Kolbenantrieben 28 derart betätigt, daß in der einen Stellung
(diese ist in der Zeichnung dargestellt) die Luft die Leitung 15 nicht erreichen
kann und in einer zweiten Stellung, in der der Ventilkörper gemäß F i g. 2 nach
rechts verschoben ist? ein freier Gasdurchtritt nach der Leitung 15 möglich wird.
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Ein zweites Ventil ist erforderlich, um den Mantelstromkanal abzuschließen,
wenn das Ventil 26 geöffnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g.
2 wird die veränderbare Schubdüse 25 benutzt, um den Kanal 17 abzusperren,
und sie dient so einem doppelten Zweck. Ein Gestänge 29 verbindet den Kolbenantrieb
28 mit den Klappen der veränderbaren Schubdüse 25 derart, daß bei Schließstellung
des Ventils 26 die veränderbare Schubdüse 25 in ihrer Stellung mit kleinstem Querschnitt
befindlich ist und der Mantelstromkanal 17 frei ist. Diese Betriebsbedingung ist
in F i g. 2 voll ausgezeichnet dargestellt. Wenn das Ventil 26 durch den Kolbenantrieb
28 geöffnet wird, bewegt sich das Gestänge 29 in die in F i g. 2 strichliert dargestellte
Stellung, so daß sich die Lamellen 30 im Sinn einer Vergrößerung der Querschnittsfläche
der Schubdüse 25 bewegen und gleichzeitig den Mantelstromkanal 17 absperren. Demgemäß
werden die Verstellelemente der veränderbaren Schubdüse 25 sowohl als Ventil in
dem Mantelstromkanal 17 als auch dazu benutzt, den Niederdruckkompressor 18 auf
eine llberdrehzahl zu bringen.
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In F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform der Ventilanordnung und
der veränderbaren Schubdüse 25 dargestellt. Hierbei werden aufblasbare Taschen 31
benutzt, um die Leitung 15 abzusperren, und weitere aufblasbare Taschen 32 dienen
dazu, den Mantelstromkanal 17 abzuschließen.
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Wie am besten aus F i g. 4 ersichtlich, liegen die Taschen 32, wenn
sie zusammengefaltet sind, dicht der Wand des Mantelstromkanals an und rufen keine
wesentliche Störung der Luftströmung hervor. Wenn die Taschen aufgeblasen werden,
dehnen sie sich in die in F i g. 4 strichliert angedeutete Stellung aus. Auf diese
Weise wird jede Tasche teilringförmig und sperrt einen bestimmten Winkelbereich
des ring förmigen Mantelstromkanals 17 ab. Es ist klar, daß bei Anordnung einer
ausreichenden Anzahl von Taschen 32 eine vollständige Absperrung des Mantelstromkanals
17 bewirkt werden kann.
Die Taschen 31 sind ähnlich gestaltet, wie
die Taschen 32. In F i g. 3 ist nur eine Tasche 31 dargestellt, und zwar in einer
Stellung, in der sie die Leitung 15 völlig absperrt. Es ist jedoch möglich, einen
Zentralkörper in der Leitung 15 derart anzuordnen, daß die Leitung 15 im Querschnitt
ringförmig wird, und es können dann eine Reihe von Taschen ähnlich den Taschen 32
benutzt werden, um diesen Ringkanal abzusperren.
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Die Taschen 31 und 32 werden mit komprimierter Luft gefüllt, die einer
Druckluftflasche 33 entnommen wird. Die komprimierte Luft tritt über ein Ventil
34 in die Taschen ein. Das Ventil 34 hat drei Wirkstellungen, die durch verschiedene
Winkelstellungen des Drehschiebers 35 gegenüber einer Reihe von Auslaß- und Einlaßöffnungen
im Ventilkörper erlangt werden.
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In der in F i g. 3 dargestellten Stellung wird komprimierte Luft aus
der Flasche 33 den Taschen 32 zugeführt, während die Taschen 31 nach der Atmosphäre
über eine der Entlüftungsleitungen 36 entlüftet werden. Wenn der Drehschieber 35
um 45° im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, werden die Taschen 32 und 31 miteinander
verbunden, wodurch bewirkt wird, daß die Taschen 31 teilweise aufgeblasen und die
Taschen 32 teilweise entlüftet werden. Durch Drehung des Drehschiebers 35 um weitere
45° im Gegenuhrzeigersinn wird bewirkt, daß die Taschen 31 mit der Flasche
33 verbunden und demgemäß voll aufgeblasen werden, während die Taschen 32 mit den
Entlüftungsleitungen 36 verbunden und daher entlüftet werden.
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Dadurch, daß der Drehschieber 35 nur über den erwähnten Bereich verstellt
werden kann, wird eine beträchtliche Einsparung komprimierter Luft erhalten, da
die Taschen nur teilweise aufgeblasen werden, wenn sie mit den Entlüftungsleitungen
36 verbunden sind und deshalb nur ein Teil der Luftkapazität in Taschen in die Atmosphäre
abgeleitet wird.
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Es ist außerdem notwendig, eine Betätigungseinrichtung für die veränderbare
Schubdüse 25 zu schaffen. Gemäß F i g. 3 wird die Betätigung der Klappen 30 der
Schubdüse durch einen Kolbenantrieb 37 bewirkt, der über ein Gestänge 38 arbeitet.
Komprimierte Luft aus der Flasche 33 kann nach dem Kolbenantrieb 37 über ein Ventil
39 gelangen. Der Kolbenantrieb 37 kann ebenfalls über das Ventil 39 und eine Entlüftungsleitung
40 an die Atmosphäre angeschlossen sein. Das Ventil 39 ist betriebsmäßig mit dem
Ventil 34 verbunden (in F i g. 3 strichpunktiert dargestellt), so daß, wenn sich
das Ventil 34 in der in der Zeichnung dargestellten Stellung befindet, das Ventil
39 komprimierte Luft nach dem Kolbenantrieb 37 durchtreten läßt, wodurch
wiederum die Schubdüse 30 geöffnet wird. Wenn das Ventil 34 umgeschaltet wird, so
daß die Taschen 31 aufgeblasen und die Taschen 32 entlüftet werden, läßt das Ventil
39 Luft von dem Kolbenantrieb 37 durch die Entlüftungsleitung 40 ausströmen
und bewirkt dadurch, daß der Kolbenantrieb 37 die Schubdüse 25 in ihre Stellung
mit kleiner Querschnittsfläche überführt. Der Betätigungsmechanismus für die Taschen
31 und 32 und die Schubdüse 25 hat die gleiche Wirkung wie jene gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 2.
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Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Mantelstromtriebwerk
beschrieben, welches eine Hilfsluftturbine treibt, die ihrerseits ein Hubgebläse
antreibt, die Erfindung ist selbstverständlich jedoch auch anwendbar für Mantelstromtriebwerke,
bei denen andere Einrichtungen durch die Mantelstromluft angetrieben werden, z.
B. Klappenanblaseinrichtungen, Hubschrauberrotoren usw.
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Vorstehend wurden hauptsächlich pneumatische Betätigungseinrichtungen
beschrieben. Es ist natürlich möglich, diese pneumatischen Einrichtungen durch hydraulische
Einrichtungen oder in einigen Fällen durch elektromagnetisch betätigte Einrichtungen
zu ersetzen.