DE1481518A1

DE1481518A1 - Antrieb fuer Flugzeuge

Info

Publication number: DE1481518A1
Application number: DE19671481518
Authority: DE
Inventors: Heinrich Hofmann; Stoeckel Dipl-Ing Karl
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1967-01-17
Filing date: 1967-01-17
Publication date: 1969-07-17
Also published as: DE1481518C3; DE1481518B2

Description

Antrieb für Flugzeuge r r w -r Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für Flugzeuge, bestehend.aus einem Gaserzeuger, einer von dessen Treibgasen beaufschlagten Nutzleistungsturbine, die über eine Schaltkupplung vrechselweise eine Luftschraube für den unteren Fluggeschwindigkeitsbereich und ein Schubgebläse für den oberen Fluggeschwindigkeitsbereich antreibt, wobei die Luftschraube und das Schub:"ebläse durch die Schaltkupplung voneinander getrennt auf zwei achsgleichen Wh:Ilen, einer Luftsehraubenwelle und einer Schubgebläsewelle, angeordnet sind.
Die Luftschraube als Antriebselement für Flugzetiweist bei niedrigen Geschwindigkeiten, vor allem beim Start, einen guten Vortriebswirkungsgrad auf, der sich durch KraftstoffersparnIs auszeichnet. Di!.gegen tritt bei zunehmender Fluggeschwindigkeit ein stark abfallender Luftschraubenwirkungsgrad in ErscheiniinE;, so daß für heutige Begriffe Propellerflugzeugen eine verhältnismäßig niedrige Geschwindigkeitsgrenze gesetzt ist, die etwa maximal bei 700 bis 800 km pro Stunde liegt.
Neben der klassischen Form der Propellerturbinentriebwerke sind sog. Zweikreis-Turbinenstrahltriebwerke für Flugzeuge bekannt, die den besseren Vorschubwirkungsgrad der Luftschraube bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten gegenüber reinen Strahlturbinentriebwerken im Gesamtprozeß miteinbeziehen bzw. zur Anwendung bringen, mit dem Ziel, den Startschub des Triebwerks zu erhöhen, was durch eine nachhaltige Vermehrung des Luftdurchsatzes durch das Gesamttriebwerk bei gleichzeitiger Verminderung der mittleren Ausströmgeschwindigkeit bewirkt wird. Zweikreistriebwerke zeichnen sich daher dadurch aus, daß sie sowohl im niedrigen Fluggeschwindigkeitsbereich als auch im oberen Fluggeschwindigkeitsbereich (zwischen 700 und 950 km pro Stunde) mit verhältnismäßig guten Wirkungsgraden arbeiten. . Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades und vor allem zur kurzeitigen Erhöhung der Vortriebsleistung beim Start zur Veric'ir-zizng der Startlänge ist gemäß der deutschen Auslegeschrift 1 124 82.3 eine Antriebsanlage für Flugzeuge bekannt, die im S.reseiitlicheri aus einem Gasturbinenwerk mit einer vom Gaserzeu--;er mechanisch ;etrennten Nutzleistungsturbine, aus einem Luftschraubenantrieb, aus einem zu diesem achsgleich verlaufenden ummantelten Schubgebläse und aus einer zwischen der Luftschraubenantriebswelle und der Schubgebläseantriebswelle liegenden Schaltkupplung besteht. Dabei ist das Gasturbinentriebwerk mit der Nutzleistungsturbine unterhalb des Luftschraubenantriebs, der Schaltkupplung und des Schubgebläses angeordnet, wobei der Antrieb der Schaltkupplung durch die Nutzleistungsturbine über einen besonderen Wellen- und Zahnradtrieb erfolgt, die durch die ihnen zugeteilte Aufgabe der Übertragung eines hohen Drehinomentanteiles der erzeugten Leistung neben einem entsprechenden konstruktiven Aufwand ein hohes Baugewicht, aufweisen sowie Wirkungsgradverluste nach sich ziehen. Ausserdem ist aus Gründen eines guten Wirkungsgrades der Nutzleistungsturbine in jedem Fall ein Luftschraubenuntersetzungsgetriebe erforderlich, damit die Nutzleistungsturbine und das Schubgebläse in einem für sie ;ünstigen höheren Drehzahlbereich laufen können.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Flugzeugantrieb der eingangs genannten Gattung zu scharen, der gegenüber den bekannten Antriebsarten konstruktiv einfacher ist und einen höheren Wirkungsf grad mit sich bringt.
Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, j die Nutzleistungsturbine ausser dem Schubgebläse ebenfalls der Schubgebläsewelle zuzuordnen.
In Ausführung der Erfindung wird weiter vorgeschlagen, auf der Schubgeblä.sewelle ein gemeinsames Laufrad mit einer Turbinenschaufelreihe und einer Schubgebläseschaufelreihe, die beide . radial hintereinander liegen, vorzusehen.
Aus Gründen zur Erlangung eines guten Wirkungsgrades für die Nutzleistungsturbine wechselweise für beide Betriebszustände, sowohl während des Luftschraubenantriebs als auch während des Schubgebläseantriebs, ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, wie an sich bekannt, die Tizrbinensdhaufelreihe radial aussen und die Schubgebläseschaufelreihe radial innen auf dem gemeinsamen Laufrad angeordnet. Eine solche, an sich bekannte Turbinen-Schubgebläse-Konstellation auf einem gemeinsamen Laufrad ergibt laut Turbinenkennfeld für beide Antriebsbereiche, d.h. für die eine langsamere Drehzahl erfordernde Luftschraube und für das mit einer höheren Drehzahl laufende Schubgebläse verhältnismäßig gute Turbinenwirkungsgrade.
Durch die Erfindung wird die Voraussetzung dafür geschaffen, die Nutzleistung des Gaserzeugers nicht durch einen aus festen Gliedern bestehenden zusätzlichen mechanischen Antrieb auf die Schaltkupplung zu übertragen, vielmehr erfolgt im Rahmen der Erfindung die Leistungsübertragung durch eine Strömungskanalvefbindurig zwischen dem Gaserzeuger und der gleich auf der Schubgebläse-wellq installierten Nutzleistungsturbine, so daß im Gegensatz zudem eingangs erwähnten bekannten Antrieb, bei dem vier'Hauptwellen, .nämlich eine Gaserzeugerwelle, eine eigentliche Nutzleistungswelle mit Getriebe, eine Luftschraubenwelle und eine Schubgebläsewelle vorgesehen sind, erfindungsgemäß nur drei Hauptwellen erforderlich sind und als ein Ergebnis der Erfindung die Nutzleistunbswelle mit dem Nutzleistungsgetriebe in Fortfall kommt.
I Dadurch@ergibt sich eine gewichtsmäßig leichtere und konstruktiv einfachere Bauart, die ausserdem eine räumlich kompaktere und damit luftwiderstandsärmere Gesamtkonzeption nach sich zieht. Die erfindungsgemäße Konzeption weist noch den besonderen Vorteil eines praktisch nahtlosen Überganges in der Umschaltphase zwischen dem Luftschrauben- und Schubgebläseantrieb auf, und zwar deswegen, weil in der Endphase des Luftschraubenantriebs durch die bereits hochliegende Drehzahl das Schubgebläse schon mit guter Leistungsaufnahme läuft.
Ausführungen und Anordnungen von Gaserzeugern verschiedenster Bauart gehen aus der nachfolgendem Zeichnungsbeschreibung hervor, in der auch auf die besonderen Vorteile dieser Ausführungen näher eingegangen wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
.Es zeigen Fig. 1 den erfindungsgemäßen Antrieb mit einem oder mehreren Gasturbinentriebwerken als Gaserzeuger, Fig. 2 den vorderen Bereich des erfindungsgemäßen Antriebs mit einem oder mehreren Freikolbengaserzeugern, Fig. 3 eine Stirnansicht nach Fig. 2, Fig. 4 den vorderen Bereich des erfindungsgemäßen Antriebs mit einem stirnseitig angeordneten Gaserzeuger in Form eines Axialverdichters mit nachgeschalteter Brennkammer in perspektivischer Ansicht, teilweise im Schnitt (nach der Linie IV-IV der Fig. 7), Fig. 5 und 6 um 90ozueinander versetzte Draufsichten nach Fig. 4, Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 5 und Fig. 8 ein das Kennfeld der Nutzleistungsturbine bzw. der Nutzleistungsturbinenschaufelreihe betreffendes Diagramm. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht der Antrieb im wesentlichen aus einer Luftschraube 1, einer diese tragendEnLuftschraubenwelle 2, einem gemeinsamen Laufrad 3 mit einer Schubgebläseschaufelreihe 4 und einer Nutzleistungsturbinenschaufelreihe 5, aus einer das gemeinsame Laufrad 3 tragendezSchubgebläsewelle 6, einer zwischen beiden Wellen 2 und 6 angeordneten Schaltkupplung 7, wovon der eine Kupplungsteil 7a der Schubgebläsewelle 6. fest und der andere Kupplungsteil 7b der Luftschraubenwelle 2 axial verschiebbar zugeordnet ist, und schließlich aus einem Gaserzeuger 8, dessen Triebwerksachse senkrecht zu den achsgleich verlaufenden Wellen 2 und 6 gerichtet ist. Der Gaser- zeuger 8 besteht aus einem Radiaiverdichter 9 mit einem in Flugrichtung zeigenden Lufteinlauf 10, aus einer in Umfangsrichtung angeordneten Brennkammer 1l und aus einer den Radialverdachter 9 antreibenden Radialturbine 12. Die diese verlassenden Treibgase 1. strömen in einen im Triebwerksmantel 14 vorgesehenen Ringraum 15 ein, der gleichzeitig als Turbineneinlauf für die Nutzleistungsturbinenschaufelreihe 5 ausgebil-! det ist, vor der eine Leitschaufelreihe 16 vorgesehen ist, Anstelle nur eines ßaserzeugers 8 können auch mehrere Gaserzeuger 8 über den Umfang des Triebwerksmantels 14 verteilt enge-1 ordnet sein, Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Antriebs ist wie folgt: Beim Start und im niedrigeren Fluggeschwindigkeitsbereich ist die Schaltkupplung 7 geschlossen, wodurch die Luftschraube 1 ', angetrieben wird, Dies entspricht etwa dem Betriebsbereioh a im Diagramm Fig. 8, auf dessen Abszisse das Verhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Nutzleistungsturbinenschaufelreihe 5 und der absoluten Gasgesohwindigkeit, und auf dessen Ordinate der Turbinenwirkungegrad aufgetragen ist. Gleich- zeitig wird, je nach Drehzahl des gemeinsamen Laufrades 3 mehr oder weniger Luft durch die Sohubgebläsesohaufelreihe 4 angesaugt und beschleunigt, so daß zum Luftsahraubenvortrieb noch ein gewisser 8,trahlvortrieb dazukommt. Im oberen Flug- geschwindigkeitsbereich wird die Schaltkupplung 'j ausgerückt und dabei die Luftschraubenblätter la auf Segelstellung gefahren, so daß der Luftschraubenantrieb wirkungslos wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die Luftschraubenblätter la züirückzuklappen oder gegebenenfalls einfahrbar zu gestalten. Durch den Wegfall des Luftschraubenwiderstandes ist das gemeinsame Laufrad 3 in der Lage, eine wesentlich höhere Drehzahl zu laufen, die in einem Bereich b (Fig. 8) liegt, der für die Schubgebläseschaufelreihe 4 und für die Nutzleistungsturbinenschaufelreihe 5 einen guten Wirkungsgrad mit sich bringt.
Hinter dem gemeinsamen Laufrad 3 erstreckt sich eine Mischkammer 1'j, in der sich der radial aussenliegende heisse Gasstrahl ,ind der radial innenströmende kalte Luftstrahl vermischen und sich zu einer Schubströmung mit mittlerer Temperatur vereinen. Die Mischkammer 17 kann mit einer Brennstoffeinspritzeinrichtung 7.8 ausgerüstet sein, mit deren Hilfe Brennstoff insbesondere in den Bereich der sauerstoffreichen radial inneren kalten Strömung eingebracht wird, um eine dauernde oder vorzugsweise nur zeitlich begrenzte Schubverstärkung während des "Strahlbetriebes" zu erzielen. In einer Schubdüse 19 wird Vorwärtsschub erzeugt, vor der die Luftschraube 1 läuft, deren aerodynamisch wirkungsfreier Schaft 1b mit einem Kreisring 20 verkleidet ist, durch den die Rückstoßströmung hindurchgeht.

Der Kreisring 20 ist fest mit einem Schubdüsenverdrängerkegel 21 verbunden und bildet funktionell den vorderen Teil der Schubdüse. .

',1ie &.#, den Fig. 2 -ind z.@ er:tnchmen i.st, werden die Treib-

gase 13 für die Nutzleistungsturbinenschaufelreihe 5 durch einen oder mehrere bekannte Freikolbengaserzeuger 22 geliefert, die durch ihre Anordnung in Längsrichtung einen verhältnismäßig kleinen Stirnwiderstand bilden. Die Freikolbengaserzeuger 22 mit Auswärtshubverdichtung bestehen im wesentlichen aus zwei Kolbeneinheiten 23 und 24 mit je einem Brennkraftkolben 23a und 24a sowie mit je einem Verdinhterkolben 23b und 24b, aus einem Brennkammergehäuse 25 mit einem Brennraum 26, einer Brennstoffeinspritzvorriehtung 27 und einem Treibgaskanal 28, aus Verdichtergehäusen 29 und 30 mit Verdiehterräumen 31 und 32, in Flugrichtung zeigenden Luftansaugleitungen 33 und 34, Einlaßventilen 35, Auslaßventilen 306 und Verdichterluftüberströmleitungen 37. Der Treibgaskanal 28 durchdringt die Verdichterluftüberströmleitungen 37, wodurch die Verdirhterluft aufgeheizt und. der Wirkung$grad des Verbrennungsprozesses verb.essert wird:

Wie aus den Fig, 4, 5, 6 und 7 hervorgeht, besteht der Gasen-

zeugen aus einet Axialverdichter 38 und einer Brennkammer 39,

die beide vor dem und achsgleich cit-wo -tzum gemeinsten

Laufrad,4 liegen, das den Axialverdichter 38 mechanisch üben

eine Welle 4Qdeine axiale Verlängerung:der Schubgebläse--

welle 6 darstellt, und gegebenenfalls über ein einfaches thir-

setzungsgetriebe 41 antreibt, so daß der Axialverdichter 38

mit einer fUr ihn günstigen höheren Drehzahl läuft: Zwischen

dem kreisringförmigen Brennkammeraustritt 42 und dem kreiering-

förmigen Turbineneintritt 43 der Nutzleistungsturbinenschaufel-

reihe 5 verlaufen zwei diametral gegenüberliegende Treibgas-

kanäle 44 und 45, zwischen denen zwei diametral gegenüberlieöende

Luftführungskanäle 46 und 47 vorgesehen sind, die mit ihren vorderen offenen Enden in Flugrichtung zeihen und in einen vor der Schubgebläseschaufelreihe 4* liegendes, kreisringförmigen Schubgebläseeintritt 48 münden, der radial innerhalp des Turbineneintritts 43 liegt.

Die Version gemäß den Fig. 4 bis 7 ergibt eine schlanke Gesamtkonzeption mit einem verhältnismäßig einfachen konstruktiven Aufbau, da ausser eingr Wellenverlängerung 110 zum Antrieb des Axialverdichters 38 und gegebenenfalls einem eirächen Üuersetzungsgetriebe 41 in Form eines Innenplanetengetriebes keine zusätzlichen Triebwerksbauteile,bzw. Baugruppen erforderlich sind. Der Gesamtantrieb ist durch eine durchgehend schlanke Form und durch seine raumsparende Bauweise besonders prädestiniert zum Einbau im Flugzeugrumpf oder in den Tragflügeln. EH liegt durchaus im Rahmen der Erfindung dein oder die Gaserzeuger fernab vom eigentlichen Antrieb im oder am Flugzeugrumpf oder in oder an den Tragflügeln anzuordnen, da die vorteilhafte Übertragung der Leistung durch eine Strömungskanalverbindung die Lage der beiden Baugruppen. Gaserzeuger einer-seits und Nutzleistungsturbine sowie Sehubgebläseantrieb und Luftsohraubenantrieb andererseits zueinander weitgehend unabhängig macht.

Claims

Patentansnrüclie Antrieb f'är Flugzeuge, bestehend aus einem Gaserzeuger, einer voii dessen Treibgasen beaufschlaGten Nutzleistungs- turbine, die über eine Schaltkupplung wechselweise eine Luftschraube für (!en -,interen F1Liggeschwindigkeitsbereich sind ein Schubgebläse für den oberen Fluggeschwindigkeits- bereich antreibt, wobei die Luftschraube und das Schubge- bläse durch die Schaltkupplung voneinander getrennt auf zwei achsleicheii Wellen, einer Luftsehraubenwelle und einer Scaubgebläsewelle, angeordnet sind, dadurch g e - k e a n z e i c h ii e t , daß die Nutzleistungsturbine ausser dein Sch@ibf_-ebläse ebenfalls der Schubgebläsewelle zugeordnet ist. :. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h - zi e t , dz,-%f.', auf der Schubgebläsewelle (6) ein gemeinsames Laufrad (3) mit einer Turbinenschaufelreihe (5) und einer Schi.ibgebläseschaiifelreihe (4), die beide radial hinterein- ander liegen, angeordnet ist

Antrieb nach Anspruch 2, dadurch g; e k e ri n z e i c h -n e t , daß auf dem gemeinsamen Laufrad (3) die Turbinenschaufelreihe (5) radial aussen und die Schubgebläseschaufelreihe (4) radial innen liegt. Antrieb nach Anspruch 1 und 3, dadurch g e k e n n -z e i c h ri e t , daß die Zufuhr der vom Gaserzeuger (8 bzw. 22 bzw. 38 und 39) gelieferten Treibgase (13) über einen im Triebwerksmantel (14) vorgesehenen Ringraum (15) erfolgt, der gleichzeitig als Turbineneinlauf ausgebildet ist. Antrieb nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 2 bis 4, wobei ein aus einem Turboverdichter, mindestens einer Brennkammer und einer Gasturbine bestehender Gaserzeuger vorgesehen ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Gaserzeuger (8) mit senkrecht zur Längsachse der Luftschraubenwelle (2) sind der Schubgebläsewelle (6) verlaufender Triebwerkswelle angeordnet ist und aus einem Radialverdichter (9) mit in Flugrichtung zeigendem Lufteinlauf' (10), aus einer in bezug auf die Triebwerkswelle in Umfangsrichtung liegenden Brennkammer (11) und aus einer Radialturbine (12) besteht. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , da3 mehrere, insbesondere über den Umfang des Triebwerksmantel (14) verteilt angeordnete@Gaserzeuger (8) gemäß Anspruch 5 vorgesehen sind. Antrieb nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 2 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Gaserzeuger ein oder mehrere, insbesondere über den Umfang des Triebwerksmantels WE) verteilt angeordnete Freikolbengaserzeuger (22) vorgesehen sind. Antrieb nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h -n e .t , daß der oder die Freikolbengaserzeuger (22) mit ihrer Längsachse parallel zur Schubgebläsewelle (ö) und Luftschraubenwelle (2) angeordnet sind. Antrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e k e n n -z e 1 c h n e t , daß die Freikolbengaserzeuger (22) Auswärtsverdichtung aufweisen und daß deren Luftansaugleitungen (33 und 34) in Flugrichtung zeigen. Antrieb nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Treibgaskanäle (28) der Freikolbengaserzeuger (22) die Verdichterluftkanäle (37) durchsetzen. Antrieb nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 2 und 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Gaserzeuger ein Axialverdichter (38) und mindestens eine Brennkammer (39) vorgesehen sind, die beide vor dem und achsgleich bzw. koaxial zum gemeinsamen Laufrad (3) angeordnet sind, das den Axialverdichter (38) mechanisch über eine nach vorne sich erstreckende Welleriverlän;_;eriiii@ (40) der Schubgebläsewelle (6) und gegeoccie@.l-al1:j '@üer eire Übersetzungsgetriebe (41) antreibt. Antrieb nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c 1i -n e t , daß bei einer radial äusseren Anordnung der Nutzleistungsturbinenschaufelreihe (5) auf dem gemeinsamen Laufrad (3) zwischen dem kreisringförmigen Austritt (42) der Brennkammer (39) des Gaserzeugers (3a,39) und dem kreisringförmigen Turbineneintritt (43) der Nutzleistungsturbinensehaufelreihe (5) ein oder mehrere, insbesondere zwei. diametral gegenüberliegende Treibgaskanäle (44 und 45) vorgesehen sind, zwischen denen ein oder mehrere, insbesondere zwei diametral gegenüberliegende; mit ihren vorderen offenen Enden in Flugrichtung zeigende LuftfUhrungskanäle (4G und 47) verlaufen, die in einen vor der Schubgebläseschaufelreihe (4) liegenden kreisringförmigen Schubgebläseeintritt (48) münden, der radial innerhalb des Turbineneintritts (43) liegt. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß hinter dem Schubgebläse und der Nutzleistungsturbine bzw. der Schubgebläseschaufelreihe (4) und der Nutzleistungsturbinenschaufelreihe (5) des gemeinsamen Laufrades (3) eine Mischkammer (17) vorgesehen ist, in die gegebenenfalls zusätzlich Brennstoff eingespritzt wird, insbesondere in den sauerstoffreichen radial inneren Teil der Strömung. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i e n n e t , daß die Diftschraube (1) in an sich bekannter Weise als Druckschraube hinter dem Schubgebläse und der Nutzleistungsturbine ozw. dem gemeinsamen Laufrad (3) und der Schaltkupplung ('() am hinteren Ende der Luftschrauuenwelle (2) vorgesehen ist. Antrieb nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , da:3 der die Luftschraubenblätter (la) tragende Schaft (1b) - radial betrachtet - im Bereich der Schubdüse (19) bzw. vor dieser als von den Schubgasen durchströmter Kreisring (20) ausgebildet ist. Antrieb nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Kreisring (20) als vorderer Bereich der Schubdüse (19) ausgelegt ist. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspräche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der oder die Gaserzeuger (8 bzw. 22) fernab vom eigentlichen Antrieb (1, 2, 3, 6) im oder am Flugzeu-rumpi' oder in oder an den Tragflügeln angeordnet sind.