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Gasturbinenstrahltriebwerk. Die Erfindung schafft ein Gasturbinenstrahltriebwerk,
umfassend in Strömungsrichtung einen Axialverdichter, eine Verbrennungsanlage, eine
Turbine und eine Abgasleitung, wobei der Verdichter mindestens eine Reihe von durch
die Turbine angetriebenen Rotorschaufeln und mindestens äine Reihe von rotierbaren
Statorschaufeln enthält, welche neben der oder einer Reihe von Rotorschaufeln vorgesehen
sind, wobei die Anordnung derart ist, dass die rotierbaren Statorschaufeln beim
Betrieb mit einer Spitzengeschwindigkeit rotiert werden können, welche kleiner ist,
als die der Rotorschaufeln, dieser jedoch zugeordnet ist, und umfassend eine Gebläseleitung,
deren stromaufwärtiges Ende Stauluft empfängt und ein Gebläse mit mindestens einer
Reihe von in der Gebläseleitung angeordneten Gebläserotorschaufeln und angetrieben
durch die Reihe oder Reihen von rotierbaren Statorschaufeln,
wobei
das Druckverhältnis über dem Gebläse im wesentlichen dasselbe ist, wie das über
dem Verdichter.
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Erwünschtenfalls können in der Gebläseleitung stromaufwärts des Gebläses
Strömungsregelmittel vorgesehen sein, um die Menge der durch das Gebläse durchströmenden
Luft zu regeln. Es ist zu ersehen, dass, selbst wenn die Hotorschaufeln des Verdichters
mit sehr hoher Drehzahl angetrieben werden, die relative Spitzengeschwindigkeit
jeder Reihe von Verdichterrotoschaufeln gegenüber der Spitzengeschwindigkeit der
benachbarten, rotierbaren Statorschaufeln leicht so eingestellt werden kann, dass
die relative Luftgeschwindigkeit im Unterschallgebiet liegt. Auf diese Art und Weise
lassen sich die Schwierigkeiten vermeiden, welche auftreten, wenn die Rotorschaufeln
des Verdichters mit sehr hohen Spitzengeschwindigkeiten umlaufen, die_sich der Schallgrenze
nähern. Vorzugsweise kommuniziert das stromabwärtige Ende der Gebläseleitung mit
einer Umgehungsleitung, die sich in der axialen Richtung des Triebwerks erstreckt
und die Verbrennungseinrichtung und die Turbine umgeht.
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In einigen erfindungsgemässen Ausführungsformen kommuniziert die Umgehungsleitung
mit dem stromabwärtigen Ende des Verdichters, um einen Teil der von diesem verdichteten
Luft aufzunehmen.
Die Anordnung kann derart sein, dass die Umgehungsleitung
nicht mit der Abgasleitung kommuniziert, oder die Umgehungsleitung kann mit der
Abgasleitung in Verbindung stehen. Im letzteren Falle kann die Umgehungsleitung
eine Ventilanordnung enthalten, die mit den Strömungsregelmitteln so verbunden ist,
dass die Bewegung des einen zwecks Vergrössern des Durchflusses mit einer Bewegung
des anderen zwecks Verringern des Durchflusses verbunden ist.
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Die Strömungsregelmittel lassen sich in eine Stellung bewegen, in
welcher sie den Durchfluss durch das Gebläse verhindern.
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Vorzugsweise umfassen die Strömungsregelmittel eine Reihe von schv-enkbar
angeordneten Einlassleitschaufeln, die verschwenkt werden können um. den Durchfluss
durch das Gebläse zu variieren: Wenn das Triebwerk für den Einsatz in sehr schnell
fliegenden Flugzeugen, und insbesondere in Ueberschallflugzeugen bestimmt ist, kann
eine Bremse vorgesehen sein, die beim Einsatz die Rotation der rotierbaren Statorschaufeln
und der Gebläserotorschaufeln verhindert.
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Es kann eine Vielzahl von Verdichtern vorgesehen sein, die entweder
von derselben oder von verschiedenen Turbinen angetrieben werden, wobei das Druckverhältnis
über dem Gebläse im wesentlichen dem über dem Niederdruckverdichter entspricht.
Die
erfindungsgemässe Ausführungsform umfasst einen Niederdruck-, einen. Zwischendruck-
und einen Hochdruckverdichter, wobei der Zwischendruckverdichter mindestens eine
Reihe von rotierbaren Statorschaufeln hat und'die Gebläserotorschau£eln von den
rotierbaren Statorschaufeln des Niederdruckverdichters und des Zwischendruckverdichters
angetriober wgrden9 Weitere Kennzüge iuid Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden
beispielsweisen Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnaxngen hervor.
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Figuren 1 bis 6 zeigen abgebrochene Querschnitte einer Anzahl verschiedener
erfindungsgemässer Gasturbinenstrahltriebwerke.
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Die Teile in den Piguren 2 bis 6, die im Aufbau und in ihrer Wirkung
den Teilen der Übrigen Figuren entsprechen, sind mit denselben Kennzeichen mit den.
Zusätzen a, b, c usw. gekennzeichhet.
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Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 1ß, welches als Vortriebwerk
eines Flugzeugs benützt werden kann.
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Das Triebwerk umfasst in Strömungsrichtung einen vierstufigen Niederdruckverdichter
11, einen fünfstufigen Hochdruckverdichter 12, eine Verbrennungsanlage 13, eine
einstufige Hochdrucktvrbine 14, eine einstufige Niederdruckturbine 15 und eine Abgasleitung
16, Frwünschtenfalls können die Turbinen 14,15 natürlich :auch mehr als eine Stufe
haben.
Das stromabwärtige Ende des Niederdruckverdichters 11 kommuniziert
mit einer ringförmigen Nebenschlussleitung 1'7, die einen Teil der vom Niederdruckverdichter
11 verdichteten ILUft$Rüfnimmt. Diese Nebenschlussleitung 1'7 erstreckt sich in
der axialen Richtung des Triebwerks 10 und umgeht die Verbrennungsanlage lßr und
die Turbinen 14, 15 und kommuniziert am stromabwärtigen Ende mit der Abgasleitung
16 über eine Vielzahl von winkelmässig versetzten Mischhutzen 20.
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Die Hochdruckturbine 14 treibt den Hochdruckverdichter 12 über eine
Welle 21. Der Niederdruckverdichter 11 hat vier Reihen 22 von Rotorschaufeln, die
von der Niederdruckturbine 15 über eine Welle 23 angetrieben werden, welche konzentrisch
in der Welle 21 angeordnet ist.
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Der Niederdruckverdichter 11 hat auch vier Reihen 24 von rotierbaren
Statorschaufeln, die auf einem rotierbaren, ringförmigen Gehäuse 25 sitzen, wobei
jede Reihe 24 von rotierbaren Statorschaufeln unmittelbar stromaufwärts der entsprechenden
Reihe 22 von Rotorschaufeln angeordnet ist. Die Konstruktion ist hierbei derart,
dass die durch den Niederdruckverdichter 11 strömende Luft die Reihen 24 von rotierbaren
Statorschaufeln mit einer Spitzengeschwindigkeit rotiert, welche geringer ist, als
die der Reihen 22 der Rotorschaufeln, dieser jedoch zugeordnet ist.
Das
Triebwerk 10 umfasst eine Gebläseleitung 26, deren stromaufwärtiges Ende 27 Stauluft
empfängt. Das stromabwärtige Ende der Gebläseleitung 26 kommuniziert mit der Nebenschlussleitung
17.
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.Ein Gebläse 30 hat fünf Reihen von Gebläserotoschaufeln, die in dem
ringförmigen Gehäuse 25 angeordnet sind und von den Reihen 24 der rotierbaren Statorschaufeln
angetrieben werden. Das Druckverhältnis über dem Gebläse 30 ist dasselbe wie über
dem Niederdruckverdichter 11.
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In der Gebläseleitung 26 kann. stromaufwärts des Gebläses 30 eine
Reihe von schwenkbar angeordneten Eiu.lassleitschaufeln 32 montiert sein, die verschwenkt
werden können, um den Durchfluss durch das Gebläse 30 zu variieren. Diese Einlassleitschaufeln
32 können auch so bewegt werden, dass sie den Durchfluss durch das Gebläse 30 sperren.
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Das bisher beschriebene Triebwerk würde unter den meisten Bedingungen
vollkommen zufriedenstellend arbeiten; trenn jedoch aus irgendwelchen Ursachen ein.
weiter.Aenderungsbereich im Nebenschlussverhältnis: erwünscht ist, lässt sich dies
durch den Einsgtz eines Ventils in der Nebenschlussleitung bewerkstelligen.
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Ein Ventilmechanismus 33 kann beispielsweise in der Nebenschlussleitung
17 eingebaut sein. Die Bewegung der Einlassleitschaufeln 32 und des Ventilmechanismus
33 erfolgt
durch Wellen 34, 35, die beide von einer Welle 36 so
angetrieben werden, dass die Oeffnungsbewegung der Einlassleitschaufeln 32 mit einer
Schliessbewegung des Ventilmechanismus zusammenfällt und umgekehrt.
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Wenn das Triebwerk 10 angelassen werden soll, kann es notwendig sein,
die Einlassleitschaufeln 32 in eine Stellung zu bewegen, in welcher aie den Durchfluss
durch das Gebläse 30 drosseln. Hierdurch vergrössert sich die Drehzahl des Gebläses
30 mit dem Ergebnis, dass die Relativdrehzahl der Reihen 22 der Verdichterrotorschauieln
gegenüber der der Reihen 24 der rotierbaren Statorschaufeln herabgesetzt wird. Der
Niederdruckverdichter 11 leistet daher weniger Arbeit und der Gesamteffekt ist der,
dass der Niederdruckverdichter 11 beim Anlassen des Triebwerks verlangsamt wird.
Dieses Verfahren des Anlassens gewährlr,;stet daher, dass der vom Hochdruckverdichter
12 geforderte Durchfluss für den Niederdruckverdichter nicht-zu klein ist, sodass
dieser Niederdruckverdichter 11 nicht hochläuft.
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Nach dem Anlassen des Triebwerks werden die Einlassleitschaufeln 32
in eine Stellung gebracht, in welcher der Durchfluss von Luft durch das Gebläse
30 vergrössert wird. Es ist zu ersehen, dass die Einlassleitschaufeln 32 so bewegt
werden können, dass das Nebenschlussverhältnis des Triebwerks geändert werden kann.
| Fig. 2 zeigt ein Strahltriebwerk 10a, das im wesentlichen |
| dem. Triebwerk 10 in fig. 1 entspricht imd d eher nicht wei- |
| ter im Einzelnen beschrieben. rt"erden muss. Die Ne'oenschluss- |
| leitun:g 17a des Triebwerks 10.a erstreckt sich jedoch zum |
| stromabwärti gen Ende der .A,bgasleitung 16a. und kommuniziert |
| nicht mit d!eEer4 Das T'riebiverk 10a benUiti gt daher keinen |
| Ventilmechanismus 33 in der liebenschlussleltSg und die |
| Einlassleitschaufeln ?2a sind aus diesem Grunde nicht mit |
| einem solchän @fier,ti @me@:han@ag@ verbunden® |
| E ig. 3 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10c, das dem |
| Strahltriebwerk 10 in Pige 1 entspricht, jedoch nur eine |
| einzige -delle 23c hat, die vor einer Hochdruckturbine 14c |
| und einer N2ederdruckturbine 1c angetrieben wird und ihrer- |
| seits die Reihe 22c der Rotorschaufeln des Niederdruck- |
| verdichters llc und der. Hochdruckverdichter 12c antreibt. |
| .ä?.:@ ° t> 'der!"aob. Zig. ' vderL":e" variable |
| Einlast e"ä tschaufel. benÖ`'=-iigc--ag um Iä.s- &nlsger.L
@u 'läi.ch- |
| tGrua, obwohl die@s3@d:@-g.' ? ' d`? 3se TE?.able-q
E I Inlas ä- |
| leitschaufelm von den besonderen Keda@en des T2iebirerks |
| abhLngt. |
| f ig . 4 zeigt wiederum ein Gas turbi nenstre#hltriebv: erk
19d, |
| dös dem Triebwerk 10a in figƒ 2 entspricht, jedoch
ein. |
| Einwellentri ebwerk ist, dessen einzige Welle 23d-von einer |
| Rochdruckturbi ne 14d und einer Niederd.ruchturbine 15d an- |
| getrieben wird und ihrerseits die Reihe 2:21 der Rotorschau- |
| fe3.n des Niederdruckverdichters 11d und den Hochdruckver- |
| dichter 12d antreibt. |
Fig._5
zeigt ein Einwellen-Ueberschallflugzeug 10e mit
einer einzigen Welle 23e, die einen einzigen Verdichter 11e antreibt und von einer
einzigen Turbine 15e a-_2getrieben wird.
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In der Anordnung nach Fig. 5 strömt die gesamte vom Verdichter lle
verdichtete Luft durch die Verbrennungsanlage 13e; da das stromabwärtige Ende des
Verdichters 22e nicht mit der Nebenschlussleitung 17e kommuniziert. Ausserdem hat
die Abgasleitung 16e eine variable Düse 40 zum Einstellen der Wirkfläche des stromabwärtigen
Endes der Abgasleitung 16e.
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Die Anordnung nach Fig. 5 enthält ausserdem auch eine Bremse 37e,
die mit dem rotierbaren ringförmigen Gehäuse 25e in Eingriff gebracht werden kann,
sodass sie die Rotation der Reihen 24e der rotierbaren Statorschaufeln und der Reihen
31e der Gebläserotorschaufeln verhindert.
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Um das Anlassen des Triebwerks 10e zu erleichtern, kann die Bremse
37 angezogen werden und die Einlassleitschaufeln 32e werden geschlossen, um das
Anlassen zu erleichtern. Nach dem Anlassen wird die Bremse 37 gelöst und die Einlassleitschaufelu
32e werden in die offene Stellung gebracht.
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Beim Start können die Einlassleitschaufeln 32e in eine. Stellung bewegt
werden, in welcher ein hohes Nebenschlussverhdltnis erhalten wird. Dann können die
Einlassleitschaufeln ,. f @«@;@stellt werden, dass das Nebenschlussverh:"l1;nis
| auf einen relativ geringeren Wert herabgesetzt wird und |
| Idas Flugzeug w i rd i r- diesem Zustande betrieben, bis es |
| Ueberschallgeschwindi gkeit erreicht. Senn eine hohe Ge® |
| schwndlgleit erreicht ist, wird die Bremse 37 wieder ange- |
| @®@enG |
| So lange das Flugzeug mit hoher oder Ueberschallgeschwin- |
| digkeit fliegt, kann das Triebwerk 10e als Triebwerk ohne |
| Nebenschluss benützt werden. Bei Mach 3 oder Mach 4 ist |
| ein solches "normales"Strahltriebi;serk wahrscheinlich die |
| beste Anordnung, da die Einlasstemperatur hoch genug ist, |
| um die volle Drehzahl des Verdichters 11e benützen zu kön- |
| nen. Beim. Starten und Landen ist dieses Triebwerk jedoch |
| zu laut und kann möglicherweise auch nur einen ungenügen- |
| den Schub liefern® |
| Die Bremse 37 wird natürlich beim Landen gelöst und das |
| Triebwerk wird als Nebenschluss triebwerk benützt, das bei |
| Unterschallflug beim. Landen und Leerlauf einen wirtschaft- |
| liche2en Brennstoffverbrauch hat und einen niedrigeren |
| Geräuschpegel aufweist. |
| Fig. 6 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10f, das im |
| allgemeinen dem Gasturbinenstrahltriebwerk 10a in Fig. 2 |
| ähnlich ist. Das Triebwerk 10f hat jedoch einen Zwischen- |
| druckverdichter 41 mit vier Reihen 42 von Rotorschaufeln, |
| die von einer Welle 23f angetrieben werden, die ihrerseits |
| von der Hochdruckturbine 15f und von einer Zvrischendruck- |
| turbine 43 angetrieben wird. |
Der Zwischendruckverdichter 41 hat-auch drei Reihen 44 von rotierbaren
Statorschaufeln, wobei jede solche Reihe beim Betrieb durch die hindurchströmende
Luft mit einer Spitzengeschwindif.,#keit rotiert wird, die kleiner ist als die der
Reihen 42 der Rotorschaufeln, dieser aber zugeordnet ist.
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Die Reihen 44 der rotierbaren Statorschaufeln sitzen auf einem rotierbaren
ringförmigen Gehäuse 45, welches durch einen Ring von winkelmässig versetzten Streben
46 mit dem rotierbaren Ringgehäuse 25f verbunden ist. Die Gebläserotorschaufeln
31f des Triebwerks 10f werden daher von den rotierbaren Statorschaufeln des Niederdruckverdichters
11f und vom Zwischendruckverdichter 41 angetrieben.