DE1626028C3

DE1626028C3 - Mantelstrom-Gasturbinen-Triebwerk

Info

Publication number: DE1626028C3
Application number: DE1626028A
Authority: DE
Inventors: John Alfred Chilman; Stuart Duncan Davies
Original assignee: Smiths Aerospace Gloucester Ltd
Current assignee: Smiths Aerospace Gloucester Ltd
Priority date: 1966-04-12
Filing date: 1967-04-12
Publication date: 1974-04-04
Also published as: US3489338A; DE1626028A1; DE1626028B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinen-Triebwerk mit einem ein Gebläse aufweisenden verbrennungsfreien Mantelstromkanal, von dem ein in den Triebwerksverdichtereinlaß übergehender Kanal abzweigt.

Derartige Gasturbinen-Triebwerke sind bekannt (vgl. z. B. britische Patentschrift 980 306). Im Gegensatz zu den Gasturbinen-Triebwerken, bei denen der Mantelstrom und der Hauptstrom völlig voneinander getrennt sind, handelt es sich hierbei um Gasturbinen-Triebwerke, bei denen das Mantelstrom-Gebläse in einem dem Mantelstrom und Hauptstrom vorgeschalteten gemeinsamen Mantelstromkanal angeordnet ist, so daß das Mantelstrom-Gebläse gewissermaßen die erste Stufe des Triebwerksverdichters bildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinen-Triebwerk dieser Art so auszubilden, daß mit Hilfe des Mantelstrom-Gebläses eine Bremswirkung erzielt werden kann. Dies wird bei einem Gasturbinen-Triebwerk der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Laufschaufeln des Gebläses in an sich bekannter Weise zur Erzeugung einer Bremswirkung schwenkbar ausgebildet sind und daß sich der Schwenkbereich der Schaufeln über die Winkelstellungen χ = 0° bis 90° hinauserstreckt, in welchem außerhalb dieser Winkelstellungen liegenden Teilbereich das Gebläse Luft in entgegengesetzter Richtung fördert und die Abzweigung zum Triebwerksverdichter stromauf des Gebläses stattfindet, wobei χ der an den Schaufelspitzen gemessener Winkel zwischen der Profilsehne und der Triebwerksachse ist.

Es ist zwar bereits ein Mantelstrom-Gasturbinen-Triebwerk bekannt, bei dem mit Hilfe des im Mantelstrom angeordneten Gebläses eine Bremswirkung erzielt wird (schweizerische Patentschrift 244 980, Fig. 2). In diesem Fall handelt es sich jedoch um ein Gasturbinen-Triebwerk, bei dem der Mantelstrom und der Hauptstrom durch einen Ringmantel voneinander getrennt sind. Die Schubumkehr im Mantelstrom hat daher keinen Einfluß auf die Luftversorgung des Triebwerksverdichters.

Bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinen-Triebwerk erfolgt dagegen die Schubumkehr in dem Mantelstromkanal, der gleichzeitig den Triebwerksverdichter mit Luft zu versorgen hat. Da eine Richtungsumkehr der Luftströmung im Triebwerksverdichter selbst naturgemäß nicht möglich ist, muß auf andere Weise für die Luftbeaufschlagung des Triebwerksverdichters gesorgt werden. Dies geschieht bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinen-Triebwerk einfach dadurch, daß ein Teil der in umgekehrter Richtung durch den Mantelstromkanal strömenden Luft an der Verzweigungsstelle zwischen dem Mantelstromkanal und dem Triebwerksverdichtereinlaß umgelenkt und in den Triebwerksverdichtereinlaß angesaugt wird. Hierdurch läßt sich auf einfache Weise eine Schubumkehr zur Erzielung einer aerodynamischen Bremswirkung erreichen.
An Hand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 einen Querschnitt durch den vorderen Teil zweier Gasturbinen-Triebwerke,

F i g. 3 einen Ausschnitt des Gebläses des Gasturbinen-Triebwerkes der F i g. 2,

Fig.4 einen etwas schematischen Längsschnitt durch ein drittes Gasturbinen-Triebwerk,

F i g. 5 einen Teil eines koaxialen Zylinderschnitts durch die Gebläsebeschaufelung der F i g. 4.

Jedes der Gasturbinen-Triebwerke besitzt einen von einem Außenmantel 3 begrenzten Mantelstromkanal mit einem Gebläse 1. Das Gebläse 1 weist verstellbare Laufschaufeln 2 auf und läuft innerhalb des Außenmantels 3 um. Das Gebläse 1 ist am vorderen Ende des Triebwerks, vor dem Triebwerksverdichter 5 angeordnet, und zur Verstellung der Laufschaufeln 2 befindet sich eine Schaufelverstellvorrichtung innerhalb einer Nabe 4.

Bei den Triebwerken der F i g. 1 bis 3 kann es sich um Einwellentriebwerke handeln. In diesen Figuren ist nur das vordere Ende des Triebwerksverdichters 5 angedeutet. Ein Verdichtereinlaß 6 steht mit dem Mantelstromkanal in Verbindung und wird auf diese Weise vom Gebläse mit Luft beaufschlagt.

Das Gebläse 1 besitzt eine große Anzahl von Laufschaufeln 2, z. B. 17 oder noch mehr, und wird von der Triebwerkswelle über ein Untersetzungsgetriebe? angetrieben. Zwischen dem Gebläse 1 und dem Verdichtereinlaß 6 sind nicht verstellbare Leitschaufeln 8 angeordnet.

Es wird nun Bezug genommen auf F ig. 1, die nur eine der Laufschaufeln 2 zeigt. Jede der Laufschaufeln ist mit ihrem Fuß 9 mittels eines Nadellagers 10 in der Nabe 4 gelagert. Die gemeinsame Verstellung der Schaufeln wird durch einen hydraulischen Stellmotor 12 erzielt. Der Stellmotor besitzt einen mit der Nabe 4 verschraubten Zylinder 13 und einen Kolben 14, der im Zylinder 13 und auf einem hohlen Zapfen 15 gleitbar angeordnet ist. Der Zapfen 15 verläuft in der Mitte der Nabe von einem hinteren Gehäuseteil 16, das an der Rückseite der Nabe 4 angeschraubt ist. Das Gehäuseteil 16 ist mit einem Flansch 17 einer rohrförmigen Antriebswelle 18 verschraubt,

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über die das Gebläse 1 vom Untersetzungsgetriebe 7 mit einem hohlen Zapfen 52 verbunden, auf dem der angetrieben wird. Der Zylinder 13 ist von einer Na- Kolben 14 gleitet und der mit dem hinteren Gehäusebenhaube 19 umgeben. teil 53 der Nabe 4 eine Einheit bildet. Wie bei dem

Eine schraubenförmige Nockeneinrichtung, die die vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel stellt ein lineare Bewegung des Kolbens 14 in eine Drehbewe- 5 zentrales Rohr 54, das durch die rohrförmige Welle gung eines großen Zahnrades 20 umwandelt, weist 49 verläuft, eine Druckleitung dar, die von einer einen sich nach hinten erstreckenden rohrförmigen Pumpe mit Öl versorgt wird. Das Rohr 54 führt zu Abschnitt 22 des Kolbens 14 auf. Der Abschnitt 22 einem Druckminderventil 55, das zentral auf die inist mittels einer Keilnutverbindung 23, 24 mit dem nere Wand eines doppelwandigen Nasenabschnittes Zapfen 15 drehfest verbunden. Auf seiner äußeren io 56 der Nasenhaube mündet. Das Servoventil 32 ist Oberfläche ist der Kolbenabschnitt 22 mit einer mit einem normalerweise geöffneten Sicherheitsventil Schneckenverzahnung 25 versehen, die mit in der 57 in Reihe geschaltet.

Nabe 27 des Zahnrades 20 gebildeten Zähnen 26 im Das Triebwerk nach F i g. 4, bei dem die Einzel-

Eingriff steht. teile des Gebläses 1 nicht gezeigt sind, ist ein Trieb-

Das Zahnrad 20 ist in der Nabe 4 auf Wälzlagern 15 werk mit Niederdruck- und Hochdruckteil und freier 28 gelagert und besitzt einen kegelförmigen Ab- Turbine. Sein Gebläse kann einen etwas größeren schnitt mit einem rückwärts gerichteten, verzahnten Durchmesser als bei den beiden anderen Ausfüh-Rand 29, der mit an den Schaufelfüßen 9 befestigten rungsbeispielen aufweisen (z. B. 1800 mm), und es Ritzeln kämmt. Auf diese Weise bewirkt eine Dre- wird von einer freien Turbine 60 am hinteren Ende hung des Zahnrades 20 als Folge einer Axialbewe- 20 des Triebwerks angetrieben. Die Turbine 60 treibt gung des Kolbens 14, daß sich die Schaufeln 2 dre- das Gebläse 1 über eine zentrale Welle 61 an, die hen und ihre Winkelstellungen ändern. durch die Niederdruck- und Hochdruckteile 62 und

Die Betätigung des Stellmotors 12 wird durch ein 63 koaxial zu diesen verläuft. Der Niederdruckteil 62 Servoventil 32 gesteuert, das sich in einem mittleren besteht aus dem mehrstufigen Niederdruckverdichter rohrförmigen Abschnitt 33 des Kolbens 14 befindet. 25 64 und der Niederdruckturbine 65, und der Hoch-Der Abschnitt 33 ist im Zapfen 15 gleitbar angeord- druckteil 63 aus einem mehrstufigen Hochdruckvernet. Das Servoventil 32 ist mit einem von Hand betä- dichter 66 und einer Hochdruckturbine 67. Innerhalb tigbaren Steuergestänge 34, von dem man nur das des Mantelstromkanals und des Einlaufs 69 des Ver-Ende sieht, mittels eines Steuerrohres 35 verbunden, dichters 64 sind Leitschaufeln 68 angeordnet,
das sich koaxial zur Antriebswelle 18 vom Unterset- 30 Bei allen drei Ausführungsbeispielen sind die zungsgetriebe 7 in die Nabe 4 erstreckt. Laufschaufeln 2 stufenlos in einem Bereich verstell-

Wenn das Servoventil 32 über das Steuergestänge bar, der sich über die Winkelstellungen χ = 0° bis 34 verstellt wird, gelangt Flüssigkeit, die von einer 90° hinauserstreckt, χ bedeutet hierbei den — an den Pumpe (nicht gezeigt) durch eine mittlere Zuführlei- Schaufelspitzen gemessenen — Winkel zwischen Protung 36 geliefert wird, in den Zylinder 13, und zwar 35 filsehne und der Triebwerksachse (s. Fig. 5). Bei einer auf der einen oder anderen Seite des Kolbens 14, ent- Winkelstellung mit χ zwischen 0° und 90° oder sprechend der Stellung des Servoventil. Dies hat zwischen 90 und 180° ist die Strömungsrichtung im eine Bewegung des Kolbens 14 und eine entspre- Mantelstromkanal umgekehrt, wodurch eine aerodychende Verstellung der Schaufeln zur Folge, wobei namische Bremswirkung erzielt wird. Im Betrieb die Kolbenbewegung der Ventilbewegung folgt, bis 40 werden die Schaufeln in Abhängigkeit von eingegedie in F i g. 1 gezeigte Gleichgewichtslage wieder er- benen Steuersignalen entsprechend den erforderlireicht ist. In dieser Lage dichtet das Ventil 32 die chen Betriebsbedingungen eingestellt. Der Schaufelbeiden Seiten des Zylinders 13 gegeneinander ab, so winkel wird also derart gewählt, daß der Durchsatzdaß die Kolben 14 in der verstellten Lage hydrau- bedarf des Verdichters und die Strömungserforderlisch verriegelt werden. 45 nisse im Mantelstromkanal erfüllt werden. Bei Triebin dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 und 3 Werksausfall sollten die Schaufeln 2 des Gebläses 1 sind Stellmotor und Servoventil ähnlich wie bei dem möglichst schnell in ihre Fächerstellung bewegt wer-Ausführungsbeispiel nach Anspruch 1 ausgebildet. den.

Die axiale Bewegung des Kolbens 14 wird jedoch Wie aus F i g. 3 hervorgeht, hat das Gebläse der

auf andere Weise in eine Winkelverstell-Bewegung 5° F i g. 2 und 3 zwar eine große Anzahl von Schaufeln, der Laufschaufeln 2 umgewandelt. Ein Ring 40, der aber in ihrer geschlossenen Stellung, überdecken sie in der Nabe koaxial angeordnet ist, ist mit dem KoI- sich nicht. Dasselbe gilt für die Schaufeln des Triebben 14 durch einen Ring von Stangen 41 verbunden werks entsprechend der Fig. 1. Dadurch ist es mög- und besitzt eine umlaufende Nut 42. An jedem Hch, die Schaufeln über die Stellung χ = 90° in eine Schaufelfuß 9 befindet sich ein Kurbelarm 43, dessen 55 Umkehrstellung zu bewegen. In diesem Fall ist die abstehende Kurbel 44 jeweils ein Kugellager 45 Schaufelkante, die bei normaler Strömungsrichtung trägt, dessen äußerer Träger in der Nut 42 sitzt. Bei die Eintrittskante ist, auch bei umgekehrter Ströeiner Axialbewegung des Rings 40 verschwenken alle mungsrichtung die Eintrittskante.
Kurbelarme 43, wobei sie die Schaufeln 2 verstellen. Das Gebläse 1 des Triebwerks der F i g. 4 hat eine

Die Stangen 41 verlaufen durch Führungsringe 46, 60 große Anzahl von verhältnismäßig breiten Schaufeln die eine Drehung des Kolbens 14 und des Rings 40 mit konkav-konvexem Querschnitt, die sich in der relativ zur Nabe 4 verhindern. geschlossenen Stellung an ihren Rändern überdek-

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Nabe 4 mit- ken, so daß es nicht möglich ist, die Winkelsteltels Wälzlager 48 auf einem nach vorne ragenden lung α = 90° zu erreichen. Daher können die Schau- und feststehenden Zapfen 47 gelagert. Eine vom Un- 65 fein nur über ihre Fächerstellung in die Strömungstersetzungsgetriebe 7 angetriebene Welle 49 verläuft umkehrlage gedreht werden. In der Fächerstellung ist koaxial durch die Nabe 4 innerhalb des Zapfens 47. das Schaufelprofil im wesentlichen zu der Achse A-A Die Welle 49 ist durch eine Keilnutverbindung 50 in F i g. 5 ausgerichtet. In dieser Figur sind die Pro-

file dreier Lauf schaufeln 2 in ihrer normalen Lage gezeigt, wobei eines von ihnen mit gestrichelten Linien in seiner Strömungsumkehrlage gezeigt ist. Die Drehrichtung ist in F i g. 5 durch den Pfeil B angedeutet. Wie in der Figur zu sehen ist, werden die Kanten der Schaufeln 2, die bei normalen Strömungsbedingungen die Eintrittskanten sind, bei Strömungsumkehr die Abströmkanten. Auf Grund des bereits erwähnten dünnen konkav-konvexen Querschnitts der Schaufeln ist die bei Strömungsumkehr veränderte Geometrie durchaus tragbar. Überdies wird ja das Gebläse 1 von einer freien Turbine angetrieben, so daß die Änderung der Geometrie kein Pumpen des Triebwerksverdichters zur Folge hat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk mit einem ein Gebläse aufweisenden verbrennungsfreien Mantelstromkanal, von dem ein in den Triebwerksverdichtereinlaß übergehender Kanal abzweigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (2) des Gebläses (1) in an sich bekannter Weise zur Erzeugung einer Bremswirkung schwenkbar ausgebildet sind und daß sich der Schwenkbereich der Schaufeln über die Winkelstellung χ = 0° bis 90° hinauserstreckt, in welchem außerhalb dieser Winkelstellungen liegenden Teilbereich das Gebläse Luft in entgegengesetzter Richtung fördert und die Abzweigung zum Triebwerksverdichter (5) stromauf des Gebläses stattfindet, wobei χ der an den Schaufelspitzen gemessene Winkel zwischen der Profilsehne und der Triebwerksachse (A-A) ist.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schwenkbereich über eine in der Normalebene zur Triebwerksachse (A-A) liegende Winkelstellung (x = 90°) hinauserstreckt.