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Gasturbinen-Strahltriebwerk mit schwenkbarer Strahldüse Die Erfindung
betrifft ein Gasturbinen-Strahltriebwerk mit wenigstens einer schwenkbaren Strahldüse,
deren Schwenklager außerhalb eines das Düsenrohr wenigstens teilweise umschließenden
Ringkanals angeordnet ist, der im Betrieb des Triebwerks von einem aus der Kompressor-Baugruppe
des Triebwerks entnommenen Kühlgasstrom durchströmt wird, und einem in der Nähe
des Austrittsendes der Düse angeordneten Schaufelgitter.
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Ein derartiges, einem älteren Vorschlag entsprechendes Gasturbinen-Strahltriebwerk
bietet gegenüber vorbekannten Konstruktionen, bei denen der das Düsen-Schwenklager
umgebende Ringkanal von anströmender Umgebungsluft durchströmt wird, den Vorteil,
daß die Kühlung des Düsen-Schwenklagers besser an die Betriebszustände des Triebwerks
angepaßt ist und auch bei zwar laufendem, aber nicht/ oder nur verhältnismäßig langsam
fortbewegtem Triebwerk erhalten bleibt.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, dieses dem älteren Vorschlag
entsprechende Triebwerk weiter zu verbessern und insbesondere die dem Kühl-"0 asstrom
vom Kompressor erteilte Druckenergie besser auszunutzen.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Gasturbinen-Strahltriebwerk
der eingangs angegebenen Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kühlgas
anschließend als Servomedium einer Querschnitt-Steuereinrichtung für die Veränderung
des Einschnürungsquerschnitts der Düse dient, wobei in der Kühlgasleitung Steuerorgane
vorgesehen sind, die durch Einwirkung auf den Druck und/oder die Menge des Kühlgases
den Einschnürungsquerschnitt der Düse steuern.
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Bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinen-Strahltriebwerk wird also sowohl
eine wirksame Kühlung des Schwenklagers der Strahldüse als auch eine einfache und
betriebssichere Querschnitt-Steuerung mit ein und demselben Medium erzielt, wobei
durch die Verwendung als Servomedium der aus dem Kompressor in das Kühlgas übergegangene
Energieanteil besser ausgenutzt wird.
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Pneumatische Steuereinrichtungen für die Veränderung des Einschnürungsquerschnitts
der Düse unter Verwendung eines aus dem Kompressor entnommenen Gasstromes sind zwar
an sich bekannt, doch ist an die erfindungsgemäße doppelte Ausnutzung eines solchen
Gasstromes bisher nicht gedacht worden.
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Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinen-Strahltriebwerk
die Kühlgasleitung an eine dem benötigten Arbeitsdruck des Servomediums entsprechende
Druckzone der Kompressor-Baugruppe angeschlossen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Steuerorgane
Ventile aufweisen, die in einer ersten Stellung eine zur Kühlung des Schwenklagers
ausreichende Kühlgasmenge durchlassen und in einer zweiten Stellung die Kühlgasmenge
und/oder den Kühlgasdruck auf Werte einstellen, die eine Verminderung des Einschnürungsquerschnitts
herbeiführen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann darin bestehen, daß der
Düse Luft aus einer Kammer zugeführt wird, die unmittelbar mit dem Niederdruckteil
des Kompressors verbunden ist und einen zusätzlichen Brenner enthält.
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Eine einfache Möglichkeit der Steuerung des Einschnürungsquerschnitts
ergibt sich bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß
das in der Mündung der Düse angeordnete Schaufelgitter an sich bekannte hohle, geschlitzte
Schaufeln aufweist und daß die Hohlräume der Schaufeln mit dem Ringkanal verbunden
sind, so daß das Kühlgas beim Austritt aus den Schaufeln pneumatische Schirme zur
Veränderung des Düsenquerschnitts um einen durch seine Menge bestimmten Wert bildet.
Dabei können die Schaufeln an sich bekannte temperaturempfindliche Elemente aufweisen,
die die Breite der Schlitze steuern.
Eine andere zweckmäßige Steuerung
des Düsen-Einschnürungsquerschnitts kann bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk dadurch
gekennzeichnet sein, daß das in der Mündung der Düse angeordnete Schaufelgitter
an sich bekannte bewegliche Ablenkschaufeln aufweist, die in Abhängigkeit von Druckänderungen
im Ringkanal zwischen einer Stellung, in der die Schaufeln einen maximalen Einschnürungsquerschnitt
definieren, und einer Stellung, in der sie einen geringeren Einschnürungsquerschnitt
definieren, verschwenkbar sind. Dabei kann die Ausführung vorteilhafterweise so
gestaltet sein, daß die Düse einen kurzen rohrförmigen Teil und einen die Schaufeln
enthaltenden Mündungsteil aufweist, wobei diese beiden Teile teleskopartig ineinanderschiebbar
sind und zwischen ihren sich übereinanderschiebenden Wandteilen eine an den Ringraum
angeschlossene Arbeitskammer bilden, deren Innendruck auf die beiden Teile, die
von der an den Schaufeln vorbeigehenden Gasströmung in ihre zusammengeschobene Lage
vorgespannt sind, eine auseinanderziehende Kraft ausübt, und daß die Schaufeln über
ein Gestänge derart mit dem rohrförmigen Teil gekoppelt sind, daß beim Zusammenschieben
des Mündungsteils und des rohrförmigen Teils der Abstand der Schaufeln und damit
auch der Einschnürungsquerschnitt verringert wird, während die Ausströmrichtung
im wesentlichen unverändert bleibt.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt F i g. 1 eine
Darstellung einer Strahldüse und angrenzender Teile eines erfindungsgemäßen Gasturbinen-Strahltriebwerks
bei Blickrichtung senkrecht zu einer Ebene, die die Drehachsen E des Triebwerks
und N der Düse enthält, wobei Teile der Düse im Schnitt gezeigt sind, um die Anordnung
des Schaufelgitters zu veranschaulichen, F i g. 2 einen Schnitt durch das Schwenklager
und den umgebenden Ringkanal nach der Linie II-II der F i g. 1 in gegenüber der
F i g. 1 vergrößertem Maßstab, F i g. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform
einer Strahldüse und F i g. 4 bis 8 schematische Darstellungen abgeänderter Ausführungsformen.
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Das Triebwerk enthält an seinem vorderen Ende eine Kompressor-Baugruppe
l mit einem Hochdruck-Kompressor 4, eine Brennkammer 5 und eine zum Kompressor koaxiale
Gasturbine 3. Ein Teil der vom Niederdruckteil des Kompressors 1 gelieferten verdichteten
Luft strömt in Ringkammern 6, die symmetrisch auf entgegengesetzten Seiten der durch
die Triebwerksachse E gehenden Vertikalebene angeordnet sind, und gelangt in ein
Paar Auslaßstutzen 7. Die Kammer 6 enthält einen Brenner, mit dem, falls erforderlich,
eine zusätzliche Kraft erzeugt werden kann.
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An jedem Auslaßstutzen ist mittels einer Klemmringverbindung 11 eine
Verlängerung 10 angebracht, die eine gewisse Flexibilität ergibt. Die Verlängerung
10 trägt einen Ring 12 mit einer Querfläche 13. An dieser ist mittels Bolzen 14
ein Stützkörper 9 befestigt, an dem eine nach innen gewandte V-förmige Lagerbahnnut
14 a und ein nach außen vorspringender Flansch 15 ausgebildet sind. Dieser Flansch
15 ist so angeordnet, daß er mittels Bolzen an dem Flugzeug befestigt werden kann.
Die Lagerbahnnut 14 a wirkt mit Kugeln 16 zusammen, die in einer nach außen weisenden
Laufbahnnut 17 laufen, wobei diese Laufbahnnut 17 in einem überwurf 18 ausgebildet
ist, der mittels Bolzen 19 an dem Hauptteil 20
einer schwenkbaren Strahldüse
8 befestigt ist. Die Bahnen und Kugeln bilden zusammen ein Lager für die Drehung
der Strahldüse um die Achse M des Stutzens 7.
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Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, ist der 17berwurf 18 auf seinen beiden
Außenseiten mit Kettenradzähnen 48 versehen, die mit einer Kette 49 zum Drehen der
Düse in Eingriff stehen.
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Der Hauptteil 20 der Strahldüse 8 ist an seinem aufströmseitigen Ende
mit Nuten versehen, um zwei Dichtringe 21 aufzunehmen, welche nach außen an einem
rohrförmigen Teil 22 anliegen, der sich von dem Ring 12 aus stromabwärts erstreckt.
Ein Entweichen von heißer Luft (oder von Verbrennungsgasen bei eingeschalteter Nachverbrennung)
durch die Verbindung zwischen der Verlängerung 10 und dem Düsenhauptteil
wird somit verhindert. Die Teile 7, 10 und 20 sind Bestandteile des Hauptkanals
der Strahldüse. Der Hauptkanal endet in einem abgewinkelten Kanalteil 23, der seinerseits
an einer schiefen Ebene 24 unmittelbar abströmseitig der Winkelbiegung endet. In
der Biegung, also in der Nähe des Austrittsendes der Düse, ist ein Schaufelgitter
aus Ablenkschaufeln 25 angeordnet. Dieses Gitter bildet eine Reihe von Durchtrittsöffnungen
26, deren Gesamtquerschnitt geringer ist als derjenige des Hauptteils 20.
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Jede Schaufel 20 erstreckt sich sehnenartig über den Winkelkanal
23 und ist hohl, wobei die konkave Flankenwand 27 durch eine verstärkende
Membran 29, die mit Löchern 30 versehen ist, mit der konvexen Flankenwand
28 verbunden ist. Die konkave Flankenwand 27 ist mit einem Schlitz 31 versehen,
der sich parallel zur Vorderkante 32 erstreckt und schräg durch die Wand hindurchführt,
und zwar in einer solchen Richtung, daß er zur Aufströmrichtung geneigt ist, so
daß bei einer Zufuhr von Luft zum Inneren der Schaufel bei einem Druck, der in ausreichendem
Maße oberhalb desjenigen der durch die Durchtrittsöffnung 26 in Richtung der Pfeile
33 hindurchgehenden Luft liegt, diese Luft teilweise in Form eines Schirms in Richtung
der Pfeile 34 über die Durchtrittsöffnung entlassen wird und teilweise die Öffnung
blockiert und somit ihre einschnürende Wirkung erhöht. Wenn das Verhältnis des Druckes
in der Schaufel zu dem in der Durchtrittsöffnung unterhalb eines bestimmten Wertes
liegt, welcher durch Versuche bestimmt werden kann, ist die den Schlitz verlassende
Luft nicht in der Lage, die aus dem Austrittsende ausströmende Luft oder das Gas
zu durchdringen und wird in Form eines Films abströmseitig über die konkave Flanke
der Schaufel geführt, ohne die Einschnürung des Austrittsquerschnitts zu erhöhen.
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Die als Servomedium für die Querschnitt-Steuereinrichtung dienende
Luft wird aus einer Stufe des Hochdruckverdichters 4 über ein Regelventil 35 und
eine Leitung 36 abgenommen und den auf entgegengesetzten Seiten des Triebwerks vorgesehenen
Strahldüsen zugeführt. Die Leitung 36 führt zu einer das Düsenrohr umschließenden
Ringkammer 37, die von den Wänden 38 und 39 begrenzt ist. Diese Wände 38 und 39
sind an der Aufströmseite des Ringes 12 befestigt. Die Luft strömt dann durch Öffnungen
40,
die in dem Ring 12 zwischen den Bolzen 14 angeordnet sind, in
den ringförmigen Raum 41 zwischen dem Überwurf 18 auf der Außenseite und
dem Düsenhauptteil 20 sowie der rohrförmigen Verlängerung 22 auf der Innenseite,
wobei ein Entweichen der Luft zwischen dem Überwurf 18 und dem Stützkörper 9 durch
die Dichtringe 42, 43 a verhindert wird, von denen jeweils einer auf jeder Seite
der Lagerbahnnuten 14 a und 17 angeordnet ist. Von dem Raum 41 strömt die Luft durch
einen Ring von Löchern 42 a an dem Ende des Hauptteils 20 in die Kammer 43, die
an der Innenseite durch den Winkelkanal 23 und auf der Außenseite durch ein ringsum
angeordnetes Gehäuse 44 begrenzt ist. Dieses Gehäuse ist mit einem Flansch 45, der
von dem Hauptabschnitt 20 vorsteht, und mit einem anderen Rand 46 abströmseitig
der Stelle, wo die Vorderkanten der Schaufeln 25 an den Winkelkanal 23 anschließen,
an dem Winkelkanal 23 befestigt. Die Löcher 47 im Winkelkanal 23 gestatten der aus
der Kammer 43 kommenden Luft den Durchtritt in die Schaufeln und von dort durch
die Löcher 30 in den verstärkenden Membranen 29 in die hinteren Randteile der Schaufeln.
Von dort wird die Luft durch die Schlitze 31 entlassen. Die Kammern 37 und 43 und
der ringförmige Raum 41 bilden zusammen einen das Düsenrohr umgebenden Ringkanal,
der zu den hohlen Innenräumen der Schaufeln 25 führt; die Löcher 40, 42 a, 47 und
30 bilden weitere Teile des so gebildeten Strömungsweges, der die Schlitze 31 speist,
so daß sich je nach der Menge und/oder dem Druck der in diesem Strömungsweg strömenden
Luft eine entsprechende Verminderung des Einschnürungsquerschnitts der Düse 8 ergibt.
Es ist außerdem zu beachten, daß die aus dem Kompressor 4 durch den Ringraum 41
strömende Luft eine Sperre gegenüber einer Übertragung von Wärme auf die Lagerteile
14 a, 16 und 17 bildet und als Kühlluft dient. Dieser Schutz ist beim Betrieb mit
Nachverbrennung erforderlich, wobei die Kühlluftmenge so eingestellt wird, daß sich
keine zusätzliche Einschnürung des Düsenaustrittsquerschnitts ergibt; die Luftmenge
muß jedoch noch ausreichen, um einen angemessenen Schutz gegen Überhitzung des Strahldüsen-Schwenklagers
zu ergeben. Das Luftsteuerventil35 ist demzufolge so ausgebildet, daß es eine erste
Einstellstufe aufweist, in welcher ein geringer Durchfluß stattfindet, der gerade
ausreicht, um das Schwenklager ausreichend zu kühlen, und eine zweite Einstellstufe,
bei der ein stärkerer Durchstrom von Luft vorgesehen ist, der ausreicht, um die
Einschnürwirkung der Düsendurchtrittsöffnung auf einen Wert zu erhöhen, der für
einen Betrieb ohne Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer 6 passend ist.
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F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Triebwerks mit zwei Luftdüsen
68 und zwei Abgasdüsen 69. In der Seitenansicht ist nur jeweils eine Düse gezeigt.
Die Luft wird von einer Zapfstelle 70 zwischen der ersten und zweiten Stufe des
Kompressors zu den Stutzen 71, 72 der Luft- und Abgasdüsen zum Kühlen der Lager
hingeleitet. Zur Erwärmung der an die Luftdüse herangeführten Luft ist ein Brenner
73 vorgesehen; es ist jedoch keine Nachbrennereinrichtung vorgesehen, um das zu
der Gasdüse strömende Abgas zu erwärmen. Wenn eine erhöhte Einschnürung der Durchtrittsöffnung
erzeugt werden soll, wenn der Brenner 73 nicht arbeitet, wird von einer Zapfstelle
75 zwischen der vierten und fünften Stufe des Kompressors durch ein Regelventil
74 Luft an den Stutzen 71 herangeführt. Ein Rückschlagventil 76 hindert diese Luft
daran, durch die Zapfstelle 70 zurückgeblasen zu werden.
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y F i g. 5 zeigt ein ähnliches Triebwerk, jedoch mit einem Nachbrenner
80, wobei die Hochdruckzapfstelle 75 ebenfalls durch ein Regelventil 81 Luft
an den Stutzen 72 der Abgasdüse heranführt. Es ist ein getrenntes Rückschlagventil
82 vorgesehen, so daß der Brenner 73 und die Nachbrennereinrichtung wahlweise benutzt
werden können.
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Bei einer anderen Ausführungsform können die Schaufeln 25 mit einem
bimetallischen Flankenteil neben dem Schlitz 31 versehen sein, der so angeordnet
ist, daß er die Schlitzöffnung vergrößert, wenn die Temperatur unter einen vorbestimmten
Wert absinkt. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform ist in den F i g. 6 und
7 gezeigt. Bei der dargestellten Schaufel ist ein Flankenteil 90 aus einem bimetallischen
Material hergestellt, so daß er bei Temperaturen, welche beim Betrieb des Brenners
73 vorkommen, die in F i g. 6 gezeigte Stellung einnimmt, wobei der Schlitz im wesentlichen
Geschlossen ist. An dem einen Rand des Schlitzes können kleine Auskerbungen vorgesehen
sein, die ausreichend breit sind, um ein Entweichen der Kühlluft zu gestatten. Wenn
der Brenner 73 ausgeschaltet wird und daher die Temperatur der Luft absinkt, streckt
sich das bimetallische Element gerade, so daß es gemäß der Darstellung in F i g.
7 mit dem Flansch 91 des Streifens in Berührung kommt. Hierbei wird der Schlitz
geöffnet, der dann die gewünschte einschnürende Wirkung in der Durchtrittsöffnung
erzeugt.
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Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt der Düsenteil
einen kurzen rohrförmigen Teil 50, der an dem Hauptteil 20 befestigt ist
und im wesentlichen die Form eines Segments eines von einem Mittelpunkt 51 aus erzeugten
Toroids mit kreisförmigem Querschnitt hat, und einen Mündungsteil 52, der durch
Laschen 53 auf einem Scharnierstift 54 befestigt ist, der senkrecht zur Ebene des
Toroids durch den Mittelpunkt 51 hindurchgeht, wobei der Scharnierstift durch Laschen
55 gehalten wird, die von dem Hauptteil 20 vorstehen. Das Einlaßende des Mündungsteils
52 hat eine entsprechende Wulstform, so daß es sich teleskopartig über den rohrförmigen
Teil 50 bewegen kann; auf der Abströmseite des teleskopartigen Teils einschließlich
der Winkelbiegung ändert sich jedoch der Querschnitt vorzugsweise derart, daß der
Auslaßumfang aus entgegengesetzten Paaren von Bögen mit großem Radius zusammengesetzt
ist, die durch Eckbögen von kleinerem Radius miteinander verbunden sind. Dabei stellt
die Torusebene eine Symmetrieebene der Verkleidung dar, die ein Paar der Bögen mit
größerem Radius auf halber Länge schneidet. In der Biegung des Mündungsteils 52
sind mehrere Ablenkschaufeln 56 vorgesehen, die in der Nähe ihrer vorderen Ränder
in Drehlagern 57 gelagert sind. Diese Schaufeln bilden ein Gitter, das das austretende
Betriebs-Strömungsmittel um den Winkelbogen herum und in die gewünschte Austrittsrichtung
ablenkt. Die Querschnittsänderung des Mündungsteils ermöglicht es den Schaufeln,
in der Länge mehr einander gleich zu sein und wirksamer auf das Strömungsmittel
einzuwirken. Die Schaufeln werden durch ein Gestänge 58 parallel zueinander gehalten.
Das Gestänge 58 ist mit jeder einzelnen Schaufel durch je ein Drehlager 59 und weiter
durch ein Drehlager 61 mit einer Verlängerung 60 der Lasche 55
verbunden.
Durch diese Anordnung bleibt die Richtung der Abströmung aus den Schaufeln die gleiche,
wenn der Mündungsteil 52 von der in voll ausgezogenen Linien gezeigten ausgefahrenen
Stellung in die in gestrichelten Linien gezeigte zurückgezogene Stellung teleskopartig
über den rohrförmigen Teil 50 geschoben wird, jedoch nimmt der Abstand der Schaufeln
ab, wodurch sich die einschnürende Wirkung der Düse erhöht.
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Die aerodynamischen Kräfte, die auf die Schaufeln 56 einwirken, neigen
dazu, den Mündungsteil in die in gestrichelten Linien gezeigte Stellung zurückzubewegen,
in welcher die Einschnürung maximal ist, und es sind Mittel vorgesehen, wodurch
ein aus dem Kompressor 4 entnommener Sekundärfluß von unter hohem Druck stehender
Luft, der bei einer Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer 6 eingeschaltet
wird, die Verkleidung in die in voll ausgezogenen Strichen gezeigte Stellung der
geringsten Einschnürung vorschiebt und gleichzeitig eine Kühlung für das Schwenklager
der Düse bewirkt. Aus diesem Grunde sind der rohrförmige Teil 50 und der Mündungsteil
52 über den größeren Teil ihres Umfangs vorzugsweise doppelwandig ausgeführt,
um eine aus Kolben und Zylinder bestehende Anordnung zu bilden. In F i g. 3 gleiten
die inneren und äußeren Wände 62 und 63 über die inneren und äußeren Wände 64 und
65 des rohrförmigen Teils 50, wobei zur Verminderung des Leckens Labyrinthdichtungen
66 und 67 vorgesehen sind. Die Außenwand 65 kann eine zusätzliche Labyrinthdichtung
68 a und eine Verlängerung 69 a aufweisen, so daß die heraussickernde Luft,
die durch die Dichtungen 67 und 68 a hindurchgeht, zuerst einen größeren Teil des
hohlen Wandraumes der Verkleidung 62 passiert. Wahlweise kann, da die Außenwände
63 und 65 gut gekühlte Teile sind, die Labyrinthdichtung durch eine Gleitdichtung
ersetzt werden, um das Durchsickern zur Außenseite der Düse auf ein sehr geringes
Maß zu verkleinern. Ein Durchsickern nach innen ist weniger zu beanstanden, da ein
Teil der Energie im Antriebsstrahl zurückgewonnen wird.
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Gemäß der Darstellung in F i g. 8 kann die Luft aus dem hohlen Wandraum
des Mündungsteils zur Kühlung durch die Drehlager 57 in die Schaufeln 56 geleitet
und durch die Öffnungen 95 in ihren Abströmkanten entlassen werden. Das Gestänge
58, das als diametral durch die Verkleidung hindurchführende Stange dargestellt
ist, kann auch aus einer Anzahl von Gliedern bestehen, die in dem hohlen Wandraum
des Mündungsteils untergebracht sind.