DE1301650B

DE1301650B - Mantelstromgasturbinenstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE1301650B
Application number: DER42512A
Authority: DE
Inventors: Hewson Colin Taylor
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1965-01-30
Filing date: 1966-01-28
Publication date: 1969-08-21
Also published as: NL6601131A; US3368352A; GB1069033A; SE314560B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Mantelstromgasturbinen- F i g. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines

Strahltriebwerk, das in Strömungsrichtung hinterein- erfindungsgemäß ausgebildeten Mantelstromgasturander einen Niederdruckkompressor, einen Hoch- binenstrahltriebwerks,

druckkompressor, eine Verbrennungseinrichtung, eine Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform des

den Hochdruckkompressor über eine Hohlwelle 5 Triebwerks nach F i g. 1,

treibende Hochdruckturbine, eine mindestens eine F i g. 3 eine Schnittansicht eines Mantelstromgas-

Stufe des Niederdruckkompressors über eine konzen- turbinenstrahltriebwerks mit zwei Mantelstromtrisch innerhalb der Hohlwelle angeordnete Welle kanälen,

treibende Niederdruckturbine aufweist, welch letztere F i g. 4 ein der F i g. 3 entsprechendes Triebwerk

Turbine von der durch eine Zusatzverbrennungsein- io mit einem Frontgebläse.

richtung aufheizbaren Mantelströmung beaufschlagt Das in F i g. 1 dargestellte Triebwerk weist einen

wird, die hinter dem Niederdruckkompressor abzweigt. Niederdruckkompressor 1, einen Hochdruckkompres-Bei einem bekannten Mantelstromgasturbinen- sor 2, eine Verbrennungseinrichtung 3, eine Hochstrahltriebwerk dieser Bauart wird ein TdI der druckturbine 4 und eine Niederdruckturbine 5 auf. Mantelströmung über Leitbleche zwischen Hoch- 15 Die Hochdruckturbine 4 treibt den Hochdruckkomdruckturbine und Niederdruckturbine in den Haupt- pressor 2 über eine Welle 6 an, und die Niederdruckstromkanal eingeleitet, während der Hauptteil der turbine 5 treibt den Niederdruckkompressor 1 über Mantelströmung im Nebenschluß zur Niederdruck- eine Welle 7 an.

turbine vorbeigeleitet wird und als ringförmiger Strom Eine Zwischendruckturbine 4 α läßt den Druck der

die aus der Hauptstromdüse austretenden Gase um- ao die Hochdruckturbine 4 verlassenden Gase abfallen, schließt. um eine bessere Anpassung an den Gasdruck im

Bei dieser bekannten Anordnung sind demgemäß Nebenstromkanal 9 zu erreichen, zwei getrennte konzentrische Ausströmleitungen für Ein Teil der vom Niederdruckkompressor 1 ver-

die Mantelströmung und den Hauptstrom erf order- dichteten Luft tritt über Strömungsleitflächen 8 in den lieh, wobei es außerdem noch erforderlich ist, die 35 Mantelstromkanal 9 ein und verläßt diesen über wirksame Querschnittsfläche der beiden konzen- Düsenleitschaufeln 10 und Schaufeln 11 der Niedertrischen Düsen zu verändern, um eine Anpassung an druckturbine 5. Die Düsenleitschaufeln 10 sind radial die unterschiedlichen Betriebsbedingungen mit und außerhalb der Düsenleitschaufeln 13 des Hauptstromohne Mantelstromverbrennung zu erreichen. kanals angeordnet. Die Düsenleitschaufeln 10 sind

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine 30 mit ihrem Vorderrand 10 a am Triebwerksgehäuse baulich einfache Triebwerksanordnung zu schaffen, befestigt und mit einem zur Änderung der Leitradwobei das Triebwerk sowohl im Reiseflug als auch fläche über eine Betätigungseinrichtung 14 einstellunter Bedingungen, die einen hohen Schub erfordern, baren Hinterrandabschnitt 10 b versehen. Zur Begrenmit hohem Wirkungsgrad arbeitet. zung von Haupt- bzw. Mantelstromkanal werden im

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem 35 Bereich der Düsenleitschaufeln 13 bzw. 10 in Um-Mantelstromgasturbinenstrahltriebwerk der eingangs fangsrichtung verlaufende Trennplatten 15 und im genannten Bauart dadurch gelöst, daß die Mantel- Bereich der Niederdruckturbine Trennplatten 12 vorströmung in ihrer Gesamtheit die Niederdruckturbine gesehen.

beaufschlagt. Über ein Steuerventil 17« und eine Brennstoff-

Da die Gesamtheit der Mantelströmung die Nieder- 40 leitung 17 wird Brennstoff am stromoberseitigen druckturbine durchläuft, wird der Schubstrahlrohr- Ende des Mantelstromkanals 9 in diesen eingespritzt druck erhöht, und es ergibt sich ein gegenüber der und durch eine Zündeinrichtung 16 gezündet. Strombekannten Anordnung günstigeres Wirkungsgrad- unterseitig hiervon liegen Flammenstabilisatoren 18. verhalten der einzelnen Triebwerksbaugruppen, wobei Die aus dem Hauptstromkanal bzw. dem Manteleine Verstellung der Querschnittsfläche der Schubdüse 45 stromkanal austretenden Gase gelangen über einGasnicht oder nur um ein geringes Maß erforderlich ist. strahlrohr 19 nach der Schubdüse. Im Strahlrohr ist Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfin- ein Nachbrenner mit einer Brennstoffzuführungseindung ist dabei die Anordnung derart getroffen, daß richtung 21 und Flammenstabilisatoren 22 vorgedie Mantelströmung sich mit der Hauptströmung erst sehen.

nach Durchlaufen der Niederdruckturbine mischt, 50 Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 findet während gemäß einer zweiten Ausführungsform der in einem Raum 25 eine Vermischung von Mantel-Erfindung der Niederdruckturbine eine Mischkammer strömung und Hauptströmung statt, und die Gesamtvorgeschaltet ist, in der die Mantelströmung mit der heit dieses Mischstromes tritt durch die Niederdruck-Hauptströmung vermischt wird. turbine 5 hindurch.

Das erfindungsgemäße Triebwerk kann auch als 55 Die Zwischendruckturbine Aa gewährleistet dabei, Dreikreistriebwerk ausgelegt werden, wobei ein wei- daß die Gesamtdrücke der beiden Gasströme im terer, den ersten Mantelstromkanal umschließender wesentlichen gleich werden, bevor in dem Raum 25 zweiter Mantelstromkanal vorgesehen ist. Dabei kann die Vermischung stattfindet. Bei diesem Ausführungsdie Ausbildung derart getroffen werden, daß die von beispiel können die Statorschaufeln 24 des Niederder Niederdruckturbine angetriebene Niederdruck- 60 druckkompressors 1 über Einstelleinrichtungen 23 kompressorstufe an ihrem Außenumfanggebläse verstellt werden.

Schaufeln trägt und die übrigen Stufen des Nieder- Bei dem Triebwerk nach F i g. 1 und 2 wird wäh-

druckkompressors über eine weitere konzentrische rend des Reisefluges (niedriger Schub) Brennstoff nur Welle von einer Mitteldruckturbine angetrieben in der Verbrennungseinrichtung 3 des Hochdruckwerden. 65 systems verbrannt, und das Triebwerk arbeitet als Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der normales Mantelstromtriebwerk. Beim Start oder Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; in unter anderen Betriebsbedingungen, die einen hohen dieser zeigt Schub erfordern, wird zusätzlich Brennstoff im

Mantelstromkanal 9 verbrannt, wodurch das Mantelstromverhältnis des Triebwerks verkleinert wird. Die Niederdruckturbine 5 kann nunmehr entweder eine höhere Leistung bei gleichem Druckverhältnis erzeugen, oder die gleiche Leistung wird unter geringerem Turbinendruckverhältnis erlangt.

Der Ausdruck, der die Gasströmung durch die Düsenleitschaufeln charakterisiert, ist

M]ff

Dabei ist

M die Massenströmung durch die Düsenleitschaufeln,

T die Temperatur stromoberseitig der Düsenleitschaufel,

P der Druck stromoberseitig der Düsenleitschaufel und

A die Fläche des Gaskanals, definiert durch die

Düsenleitschaufeln.
Der Ausdruck

M][f AP

wird konstant, wenn die Düsenleitschaufeln kritisch durchströmt werden.

Durch Verbrennung von Brennstoff in dem Mantelstromkanal wird die Temperatur stromoberseitig der Düsenleitschaufeln erhöht, und deshalb muß der

Wert von

absinken, um den Wert von

M)Fr
—j-

konstant zu halten.

Der Ausdruck —~^ kann durch folgende Maß-

nahmen verkleinert werden:

(a) durch Verminderung der Massenströmung M,

(b) durch Erhöhung des Mantelstromdrucks P,

(c) durch Vergrößerung der Niederdruckdüsenleitschaufelfläche A,

(d) durch eine Kombination von (a), (b) oder (c).
(a) kann dadurch erreicht werden, daß ein Teil der

Massenströmung nach außen abgelassen wird. Da die Betriebsbedingung mit erhöhtem Schub häufig zum Start des Flugzeuges benutzt wird, kann die abgezapfte Luft aus dem Mantelstromkanal zweckmäßigerweise zum Anblasen von Klappen oder für andere Starthilfsmittel Anwendung finden, um den Auftrieb des Flugzeuges zu vergrößern.

(a) kann auch dadurch verwirklicht werden, daß ein Niederdruckkompressor benutzt wird, der mit verminderter Strömung bei dem gleichen Druckverhältnis arbeiten kann.

(b) kann dadurch verwirklicht werden, daß ein Niederdruckkompressor benutzt wird, der in der Lage ist, mit einem erhöhten Druckverhältnis bei gleicher Massenströmung zu arbeiten. Diese beiden Möglichkeiten bei einem Niederdruckkompressor können dadurch verwirklicht werden, daß der Niederdruckkompressor mit variablen Statorschaufeln ausgestattet wird.

(c) kann dadurch verwirklicht werden, daß mechanisch die Fläche der Düsenleitschaufelverengung geändert wird.

Die bei Steigerung des Verbrennungsgrades im Mantelstromkanal vergrößerte Leistung der Niederdruckturbine kann auf zweierlei Weise benutzt werden:

(1) Es kann der Niederdruckkompressor auf eine höhere Drehzahl gebracht werden, so daß er eine größere Strömung mit größerem Druckverhältnis liefert;

(2) der Strahlrohrdruck kann bei gleicher Massenströmung angehoben werden.

Dies führt zu zwei unterschiedlichen Triebwerksanwendungen.

Von (1) leitet sich ein Triebwerk ab, bei welchem das Niederdrucksystem, d. h. der Niederdruckkompressor und die Niederdruckturbine, so auf eine höhere Drehzahl beschleunigt werden können, daß das Triebwerk von einem Mantelstromtriebwerk mit geringem Schub in ein Strahltriebwerk mit einem

ao kleinen Mantelstromverhältnis verwandelt werden kann, das bei höherer Massenströmung und höherem Gesamtdruckverhältnis arbeitet. Diese Bauaft eines Triebwerks ist durch F i g. 1 gekennzeichnet.

Ein solches Triebwerk kann bei einem Jagdflugzeug Anwendung finden, das einen Schub erfordert, um eine Machzahl von z. B. 2,5 in der Stratosphäre zu erreichen und dabei eine hohe Beschleunigung im Überschallbereich zusammen mit einem geringen Schub und minimalem Brennstoffverbrauch bei niedriger Reisegeschwindigkeit. Wenn der Nachbrenner 21 arbeitet, muß die Schubdüse des Triebwerks verändert werden, jedoch ist die hierfür erforderliche Veränderung geringer als zur Erlangung des gleichen Schubes bei einem Mantelstromtriebwerk mit gleichem Mantelstromverhältnis und Nachverbrennung. Das Triebwerk kann außerdem bei einem Vertikalstartflugzeug oder einem Kurzstartflugzeug Anwendung finden, bei welchem Luft von dem Mantelstrom nach Lagesteuerdüsen oder auf Klappen geleitet werden kann, um einen zusätzlichen Auftrieb zu erzeugen. Die bei Aufheizung im Mantelstromkanal vom Niederdruckkompressor bei einer Betriebsweise mit hohem Schub abgezapfte Luft würde dann unter einem höheren Druck stehen als bei einem gewöhnliehen Mantelstromtriebwerk.

Ein solches Triebwerk könnte außerdem vorteilhaft bei einem zivilen Überschallflugzeug Anwendung finden.
In diesem Fall könnte das Triebwerk bei einer

so Überschallreisegeschwindigkeit arbeiten, wenn die Verbrennung in dem Kanal auf eine Temperatur von z. B. 1100° K gebracht wird und demgemäß im Hauptstrom auf eine Betriebsbedingung, die jener eines reinen Strahltriebwerks entspricht.

Bei Überschallgeschwindigkeit kann die Verbrennungstemperatur in dem Kanal gesteigert werden, entweder um den Niederdruckkompressor weiter hochlaufen zu lassen oder um den Strahlrohrdruck bei geringem Nachbrennertemperaturanstieg zu erhöhen, um den zusätzlichen Schub zu erzeugen. In jedem Fall kann der zusätzliche Schub, der erforderlich ist, erlangt werden, ohne die Querschnittsfläche der Schubdüse zu ändern. Beim Reiseflug kann die Verbrennungstemperatur im Kanal vermindert werden bzw. die Verbrennung im Kanal kann insgesamt aufhören, so daß das Triebwerk nunmehr wie ein Mantelstromtriebwerk mit niedrigem Schub und gutem Brennstoffverbrauch arbeitet.

Claims

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Aus (2) ergibt sich ein Triebwerk, bei welchem der wird. Diesem Niederdruckkompressor ist eine wei-Niederdruckkompressor daran gehindert ist, mit tere Niederdruckstufe 120 vorgeschaltet, die über die seiner Drehzahl hochzulaufen, indem das Nieder- Welle 110 von der Niederdruckturbine 106 angedruckturbinendruckverhältnis durch Verbrennung trieben wird und an ihrem Außenumfang Gebläsevon Brennstoff im Strahlrohr vermindert wird, so daß 5 schaufeln 121 trägt, die innerhalb eines kurzen Gewiederum das Mantelstromtriebwerk in ein haupt- bläsekanals 122 umlaufen. Durch Einstellmittel 123 sächlich als reines Strahltriebwerk wirksames Trieb- können die Statorschaufeln 124 des Niederdruckwerk mit im wesentlichen gleicher Massenströmung kompressors 109 eingestellt werden, und Schubdüse mit fester Querschnittsfläche verwan- Wenn die Triebwerke nach F i g. 3 und 4 ohne delt wird. Das in F i g. 1 dargestellte Triebwerk wäre io Mantelstromverbrennung arbeiten, dann besteht ein für eine solche Anwendung gut geeignet. hohes wirksames Mantelstromverhältnis und ein ge-Die Anordnung einer Düse mit fester Querschnitts- ringes Druckverhältnis über dem Niederdruckkomfläche, die der Betriebsbedingung sowohl mit hoch- pressor. Wenn jedoch eine Verbrennung im Mantelstem Schub bei Nachtverbrennung als auch bei Reise- Stromkanal 105 gleichzeitig mit einer Verbrennung in flug angepaßt ist, wenn das Triebwerk als reines xs der Hauptverbrennungseinrichtung 102 stattfindet, Mantelstromtriebwerk arbeitet, ist sehr wichtig, weil dann wird das wirksame Mantelstromverhältnis verdurch Vermeidung der Änderung der Querschnitts- mindert, und der Triebwerksschub steigt an. fläche der Düse eine beträchtliche Gewichtsersparnis Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 kann oder eine beträchtliche Luftwiderstandsverringerung der Winkel der Düsenleitschaufeln so verändert wererlangt werden kann. μ den, daß die in der Turbine 106 verrichtete Arbeit Die Fig. 3 und 4 der Zeichnung veranschaulichen sich nicht ändert und demgemäß der Druck in dem erfindimgsgemäß ausgelegte Triebwerke mit hohem Strahlrohr 115 ansteigt. Durch Anwendung eines Mantelstromverhältnis, z. B. einem Mantelstromver- Nachbrenners 116 im Strahlrohr kann die Verändehältnis im Bereich von 2 bis 10. Hierbei wird der rung der Querschnittsfläche der Schubdüse gering Verlust an Wirkungsgrad, der bei einem Zweikreis- as gehalten werden, und unter Umständen kann auf triebwerk infolge der Komprimierung der Luft für eine Veränderung der Querschnittsfläche überhaupt den Mantelstromkanal und bei der nachfolgenden verzichtet werden. Außerdem kann dadurch, daß eine Ausdehnung der Luft in der Niederdruckturbine bei Stufe der Niederdruckturbine 106 antriebsmäßig mit Nichtverbrennung im Mantelstromkanal auftritt, dem Niederdruckkompressor 109 verbunden ist, durch die Dreikreisanordnung ausgeglichen, weil hier- 30 dieser Kompressor so angeordnet werden, daß er bei nur ein Teil der Mantelstromluft diesem den Wir- hochläuft, während eine Verbrennung im Mantelkungsgrad beeinträchtigenden Vorgang unterworfen Stromkanal 105 sattfindet, um so den Druck in diesem wird. Kanal 105 zu erhöhen.

Das Triebwerk nach F i g. 3 weist einen Hoch- Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 kann druckkompressor 100, eine Hochdruckturbine 101 35 der Winkel der Statorschaufeln der Anfangsstufen und eine Verbrennungseinrichtung 102 auf. Hoch- des Niederdruckkompressors so geändert werden, druckkompressor 100 und Hochdruckturbine 101 daß die Massenströmung und das Druckverhältnis in sind über eine Hochdruckwelle 103 verbunden. Der diesem Teil des Kompressors erhöht werden, und der Niederdruckkompressor 109 fördert zum Teil in den Gesamtschub kann mit kleinster Änderung der Quer-Hochdruckkompressor 100 und zum Teil in einen 40 schnittsfläche der Schubdüse erhalten werden. Mantelstromkanal 105, an dessen stromunterseitigem Wegen der geringfügigen Verluste an Wirkungs-Ende ein Mischraum 120 anschließt, in den der eine grad bei diesem Dreikreistriebwerk im Vergleich mit Zwischendruckturbine 107 verlassende Hauptstrom einem Zweikreistriebwerk können diese Triebwerke eintritt. Nach Vermischung treten die Gase in eine insbesondere dort Anwendung finden, wo ein nied-Niederdruckturbine 106 ein. Der Niederdruckkom- 45 riger Brennstoffverbrauch bei niedrigem Schub die pressor 109 wird von der Zwischendruckturbine 107 Hauptforderung ist. Ein auf diese Weise arbeitendes über eine Welle 108 angetrieben, auf der auch eine Triebwerk kann deshalb z. B. für ein Langstrecken-Stufe der Niederdruckturbine 106 sitzt. Die letzte flugzeug Anwendung finden. Stufe der Niederdruckturbine 106 treibt über eine Das große wirksame Mantelstromverhältnis wäh-WellellO den Vorverdichter 117 an, der zum Teil 50 rend des Reisefluges ergibt dabei einen günstigen in den Niederdruckkompressor 109 und zum Teil in Brennstoffverbrauch bei niedrigem Schub, der für einen den ersten Mantelstromkanal 105 umgebenden Unterschallgeschwindigkeit ausreicht, wobei jedoch Mantelstromkanal 111 fördert. erforderlichenfalls durch eine Verbrennung im Im Mantelstromkanal 105 befindet sich eine Ver- Mantelstromkanal der Schub und die Geschwindigbrennungseinrichtung 112 mit Brennstoffsteuerein- 55 keit wesentlich erhöht werden können, wodurch sorichtung 113. Stromoberseitig der Niederdruckturbine gar der Ausfall eines Triebwerks ausgeglichen werden sind Düsenleitschaufeln 114 a, 114 b angeordnet, kann,
und stromunterseitig der Niederdruckturbine 106 ist

innerhalb des Strahlrohres 115 ein Nachbrenner 116 Patentansprüche: vorgesehen. 60

Das in Fig.4 dargestellte Triebwerk entspricht 1. Mantelstromgasturbinenstrahltriebwerk, das

im wesentlichen dem Triebwerk nach F i g. 3 mit dem in Strömungsrichtung hintereinander einen Nie-

Unterschied, daß hierbei die Endstufen 104 des derdruckkompressor, einen Hochdruckkompres-

Niederdruckkompressors 109 den Hochdruckkom- sor, eine Verbrennungseinrichtung, eine den

pressor 100 beliefern und der Mantelstromkanal 105 65 Hochdruckkompressor über eine Hohlwelle trei-

unmittelbar stromauf von diesen Endstufen abzweigt bende Hochdruckturbine, eine mindestens eine

und vom Niederdruckkompressor 109 gespeist wird, Stufe des Niederdruckkompressors über eine kon-

der von der Zwischendruckturbine 107 angetrieben zentrisch innerhalb der Hohlwelle angeordnete

Welle treibende Niederdruckturbine aufweist, welch letztere Turbine von der durch eine Zusatzverbrennungseinrichtung aufheizbaren Mantelströmung beaufschlagt wird, die hinter dem Niederdruckkompressor abzweigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelströmung in ihrer Gesamtheit die Niederdruckturbine (5, 11) beaufschlagt.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Niederdruckturbine angetriebene Niederdruckkompressorstufe an ihrem Außenumfang Gebläseschaufeln (121) trägt und daß die übrigen Stufen des Niederdruckverdichters (109) über eine weitere konzentrische Welle von einer Mitteldruckturbine (4 a) angetrieben werden (F i g. 4).
3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch ge-

kennzeichnet, daß zwischen Hochdruckturbine

(4) bzw. Mitteldruckturbine (4 a) und Mantelstromkanal (9) einerseits und Niederdruckturbine

(5) andererseits ein Mischraum (25) vorgesehen ist, aus dem die Gesamtheit der Mischgase in die Niederdruckturbine (5) eintreten (F i g. 2).
4. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläseschaufeln (121) in einem kurzen Gebläsemantel (122) umlaufen.
5. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mantelstromgasturbinenstrahltriebwerk ein Vorverdichter (117) vorgeschaltet ist, der außer dem Mantelstromtriebwerk noch einen dieses umgebenden weiteren Mantelstromkanal (111) beliefert und der von der letzten Stufe der Niederdruckturbine (106) angetrieben ist (Fig. 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909534/199