DE1626129C3 - Nebenstrom-Gasturbinenstrahltriebwerk - Google Patents

Description

phase werden sie zur Verringerung der Drehzahl des Niederdruckverdichters nach und nach verstellt. Gleichzeitig werden die verstellbaren Leitschaufeln des Niederdruckverdichters, durch die der Massenstrom durch den Niederdruckverdichter beeinflußbar ist, so eingestellt, daß sich der optimale Wirkungsgrad bei der verringerten Drehzahl des Überschallreiseflugs einstellt. Im Unterschallreiseflug wird vom Triebwerk ein verhältnismäßig geringer Schub gefordert; für einen niedrigen Treibstoffverbrauch und damit einen verbesserten Wirkungsgrad ist ein verhältnismäßig hohes Nebenstromverhältnis erforderlich. Im Unterschallreiseflug läuft deshalb der Niederdruckverdichter entsprechend dem Überschallreiseflug mit verhältnismäßig geringer Drehzahl. Der Niederdruckverdichter läßt unter diesen Umständen einen verhältnismäßig hohen Massenstrom durch, was zu einem höheren Nebenstromverhältnis führt Die Leitschaufeln der Niederdruckturbine werden hierzu so eingestellt, daß sich die verringerte Drehzahl des Niederdruckverdichters ergibt. Darüber hinaus werden aber auch der Querschnitt der Schubdüse und die Leitschaufeln des Niederdruckverdichters so eingestellt, daß sich ein optimaler Wirkungsgrad ergibt.

Der Niederdruckverdichter ist so konstruiert, daß er bei niederen Drehzahlen, d. h. bei Drehzahlen im unteren Teilbereich seines Arbeitsdrehzahlbereichs, einen höheren Massendurchsatz gestattet als ein herkömmlicher Axialstromverdichter. Zu diesem Zweck nimmt der Ringquerschnitt des Verdichters zum Hochdruckende hin weniger stark ab als der Ringquerschnitt herkömmlicher Verdichter. Der Ringquerschnitt ist also größer als der im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Verdichters im oberen Teilbereich des Arbeitsdrehzahlbereichs optimale Querschnitt. Dieser Gang des Ringquerschnitts des Niederdruckverdichters bewirkt, daß der Verdichter theoretisch mit höchstem Wirkungsgrad bei annähernd gleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit vom Einlaßende bis zum Auslaßende dann arbeitet, wenn die Drehzahl annähernd in der Mitte des Arbeitsdrehzahlbereichs liegt.

Nachfolgend sei ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, die in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Gasturbinenstrahltriebwerk teilweise im Schnitt zeigt.

Das Gasturbinenstrahltriebwerk der Figur ist mit 10 bezeichnet; es ist für ein Flugzeug bestimmt. Das Gasturbinenstrahltriebwerk 10 umfaßt in der Reihenfolge der Durchströmung aufgezählt einen axial durchströmten Niederdruckverdichter 11, einen axial durchströmten Zwischendruckverdichter 12, einen axial durchströmten Hochdruckverdichter 13, eine oder mehrere Brennkammern 14, eine Hochdruckturbine 15, eine Zwischendruckturbine 16 und eine Niederdruckturbine 17. Die Niederdruck-, Zwischendruck- und Hochdruckturbinen 17 bzw. 16 bzw. 15 sind antriebsmäßig mit den Niederdruck-, Zwischendruck- und Hochdruckverdichtern 11 bzw. 12 bzw. 13 durch unabhängig voneinander drehende Wellen 18 bzw. 19 bzw. 21 verbunden. Die Wellen 18,19,21 sind koaxial ineinander angeordnet, wobei die Welle 18 die innerste und die Welle 21 die äußerste sind; die Wellen sind in Lagern gelagert, die schematisch angedeutet sind und die ihrerseits von einem äußeren Gehäuse des Gasturbinenstrahltriebwerks 10 direkt oder indirekt getragen sind.

Die heißen, aus den Brennkammern 14 kommenden Gase durchströmen nacheinander die drei Turbinen 15, 16,17 und gelangen dann in ein Strahlrohr 22.

Stromabwärts von dem Niederdruckverdichter 11 bildet das äußere Gehäuse des Gasturbinenstrahltriebwerks 10 eine ringförmige Nebenstromleitung 24, die an ihrem stromaufwärtigen Ende mit dem Auslaßende des Niederdruckverdichters 11 in Verbindung steht. Die Nebenstromleitung 24 schließt den Zwischendruckverdichter 12, den Hochdruckverdichter 13, die Brennkammer 14 und die Hochdruck-, Zwischendruck- und Niederdruckturbinen 15 bis 17 kurz und steht an ihrem ίο stromabwärtigen Ende mit dem Strahlrohr 22 über ein Mischgerät 25 in Verbindung. Mit Hilfe des Mischgeräts

25 werden die aus der Turbine kommenden heißen Gase mit den relativ kühlen Gasen der Nebenstromleitung 24 vermischt. Das Mischgerät umfaßt im hier gezeichneten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von in Winkelrichtung beabstandeten, gegebenenfalls in ihrer Geometrie veränderbarer Mischeinbauten, die sich in radialer Richtung nach innen erstrecken.
Unmittelbar stromabwärts des Mischgerätes 25 ist das Strahlrohr 22 mit einem Nachbrenner ausgerüstet, der bei 26 schematisch angedeutet ist. Der Nachbrenner

26 kann aerodynamische Verbrennungsstabilisatoren aufweisen und besitzt eine kurze axiale Gesamtlänge.

Das Strahlrohr 22 nimmt stromabwärts des Nachbrenners 26 eine Nachverbrennungszone auf, die nicht eingezeichnet ist, da die volle Länge des Strahlrohrs 22 nicht zu erkennen ist; es kann gegebenenfalls im Bereich der Nachverbrennungszone in bekannter Weise gelenkig ausgeführt sein.

Das Strahlrohr 22 mündet in eine Schubdüse 27 mit veränderlicher Querschnittsfläche ein, die aus einer Vielzahl von winkelmäßig beabstandeten Gelenkteilen aufgebaut sein kann. Die Gelenkteile sind in diesem Fall mit Kraftgeräten verbunden, die eine Querschnittsver-

j5 änderung der Schubdüse 27 von dem gezeichneten Maximalquerschnitt bis zu einem nicht gezeichneten Minimalquerschnitt gestatten.

Der Niederdruckverdichter 11 umfaßt vier Laufschaufelkränze 32, 33, 34, 35; seine Leitschaufelkränze 37, 38, 40 sind zwischen den aufeinanderfolgenden Laufschaufelkränzen 33, 34 bzw. 34, 35 und stromabwärts des Laufschaufelkranzes 35 angeordnet. Eine Reihe von Speichen 36 trägt ein Lager, in dem der Läufer des Niederdruckverdichters 11 gelagert ist.

Um den Anströmwinkel der Leitschaufelkränze 37,38 und 40 des Niederdruckverdichters 11 variieren zu können, ist eine Regelvorrichtung 41 beliebiger Art vorgesehen. Jede der Leitschaufeln ist um ihre Längsachse drehbar in einer zugehörigen Lagerstelle am äußeren Gehäuse des Niederdruckverdichters 11 gelagert und läßt sich mit Hilfe von Kraftgeräten verändern, die an Kurbeln 37', 38', 40' der Leitschaufeln außerhalb des Niederdruckverdichtergehäuses angreifen.

Die Niederdruckturbine 17 umfaßt zwei miteinander fest verbundene Laufschaufelkränze 42, 43, wobei jedem der Laufschaufelkränze 42, 43 ein Leitschaufelkranz 44, 45 vorausgeht. Die stromaufwärtigen Düsenleitschaufeln 44 bilden eine Düsenleitschaufelstufe für die Niederdruckturbine 17. jede der Düsenleitschaufeln 44 setzt sich zusammen aus einem unverstellbaren stromaufwärtigen Teil 46 und einem beweglichen stromabwärtigen Teil 47. Die stromabwärtigen Teile 47 sina mittels äußerer Kraftgeräte, die nicht eingezeichnet sind, um Achsen schwenkbar, die parallel zu der Abströmkante der Düsenleitschaufeln 44 und in Abstand von diesen angeordnet sind, so daß der effektive Anströmwinke! der Düsenleitschaufeln 44 und

der effektive Düsenquerschnitt der der Niederdruckturbine 17 zugeordneten Anströmdüse veränderbar sind.

Der Zwischendruckverdichter 12 und der Hochdruckverdichter 13 haben, ebenso wie die mit ihnen verbundene Zwischendruckturbine 16 bzw. Hochdruckturbine 15 im gezeichneten Ausführungsbeispiel, Beschaufelungen mit unveränderlichem Anströmwinkel und sind so aufgebaut, daß sie mit ihm wesentlichen konstanter »korrigierter Drehzahl« laufen. Die »korrigierte Drehzahl« der Verdichter sei als

fr

definiert, worin η die Verdichterzahl und T die Einlaßtemperatur ist.

In der gezeichneten Ausführungsform ist der Hochdruckturbine 15 ein Kranz von unverstellbaren Einlaßdüsenleitschaufeln 48 zugeordnet, die hauptsächlich innerhalb der Brennkammern 14 untergebracht sind. Jede der Einlaßdüsenleitschaufeln 48 ist innerlich hohl und besitzt eine oder mehrere Wandöffnungen, durch die Verdünnungsluft in die heißen Gase der Brennkammern 14 vor deren Eintritt in die Hochdruckturbine 15 eingelassen werden kann.

Im Betrieb ist der Massedurchsatz durch den Niederdruckverdichter 11 in erster Linie bestimmt durch die Drehzahl dieses Verdichters und, da dieser Verdichter antriebsmäßig mit der Niederdruckturbine 17 verbunden ist, durch die Drehzahl dieser Turbine. Der Durchsatz durch den Niederdruckverdichter 11 ist weiter bestimmt durch den Querschnitt der Schubdüse 27 und durch die Einstellung der mit dem Anströmwinkel verstellbaren Leitschaufelkränze 37,38 und 40.

Die Drehzahl der Niederdruckturbine 17 ist im wesentlichen bestimmt durch die Einstellung der verstellbaren Düsenleitschaufeln 44 und durch die Querschnittseinstellung der Schubdüse 27. Infolgedessen kann man durch Veränderungen des effektiven Durchströmquerschnitts zwischen den Düsenleitschaufeln 44 und durch Querschnittsveränderung der Schubdüse 27 die Drehzahl der Niederdruckturbine 17 und damit die Drehzahl des Niederdruckverdichters 11 regeln.

Der Niederdruckverdichter 11 ist so konstruiert, daß er einen höheren Massendurchsatz bei niederen Drehzahlen gestattet als ein herkömmlicher Axialstromverdichter. Zu diesem Zweck nimmt sein Ringquerschnitt zum Hochdruckende hin weniger stark ab als der Ringquerschnitt bei herkömmlichen Verdichtern. Dieser Gang des Ringquerschnitts hat zur Folge, daß der Niederdruckverdichter 11 theoretisch mit höchstem Wirkungsgrad bei annähernd gleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit vom Einlaßende bis zum Auslaßende dann arbeitet, wenn die Drehzahl annähernd in der Mitte des Arbeitsdrehzahlbereiches (des nutzbaren Drehzahlbereiches) liegt.

Die verstellbaren Leitschaufelkränze 37, 38, 40 erlauben es, den Massendurchsatz durch den Niederdruckverdichter 11 gegenüber demjenigen Wert zu erhöhen, den dieser sonst bei den unteren Drehzahlen mit reduziertem Druckanstieg im Niederdruckverdichter 11 haben würde. Der vergrößerte Ringquerschnitt hat einen geringeren Wirkungsgradverlust bei den höheren Drehzahlen zur Folge; auch hier ist zu beachten, daß die verstellbaren Leitschaufelkränze. 37, 38,40 dazu benutzt werden können, um den bei höheren Drehzahlen auftretenden Wirkungsgradverlust gering zu halten.

Da der Zwischendruckverdichter 12 und der Hochdruckverdichter 13 mit im wesentlichen konstanter »korrigierter Drehzahl« laufen, ist ihr korrigierter Massendurchsatz annähernd konstant. Die Folge ist.

daß eine Veränderung der Drehzahl des Niederdruckverdichters 11 eine Veränderung des relativen Anteils der von dem Niederdruckverdichter 11 an die Nebenstromleitung 24 abgegebenen Luft nach sich zieht oder mit anderen Worten, daß das Nebenstromverhält-ο nis des Triebwerks verändert wird. Wenn das Triebwerk eine hohe Schubleistung erbringen soll, etwa im Überschallbetrieb zwecks rascher Beschleunigung, so läßt man das Niederdrucksystem, bestehend aus Niederdruckverdichter 11 und Niederdruckturbine 17, so schnell wie möglich laufen. Dies führt zu dem höchst möglichen korrigierten Massendurchsatz mit dem höchst möglichen Druckanstieg im Niederdruckverdichter 11. Das Triebwerk nimmt dann ein Maximum an Luft auf, welches den Brennkammern 14 und im Nachbrenner 26 für die Verbrennung von Kraftstoff zur Verfügung steht. Das Triebwerk liefert unter diesen Bedingungen den höchsten Schub, bezogen auf die Gewichtseinheit der eingelassenen Luft.

Die Überschallbeschleunigung des Niederdruckverdichters 11 hat zur Folge, daß das Nebenstromverhältnis des Triebwerks gering wird, da der Niederdruckverdichter 11 relativ wenig Luft gegen den hohen Strahlrohrdruck fördert. Wenn das Flugzeug von Unterschallgeschwindigkeit auf z. B. Mach 2 beschleunigt wird, so muß die Drehzahl des Niederdruckverdichters 11 nach und nach reduziert werden, um einerseits die Turbineneintrittstemperatur unterhalb einer vorgegebener Grenze zu halten und andererseits bei Annäherung ar die angestrebte höhere Geschwindigkeit einen übermä ßig hohen Druck- und/oder Temperaturanstieg anAuslaß des Hochdruckverdichters 13 zu vermeiden.

Wenn das Flugzeug mit Überschallreisefluggeschwindigkeit fliegt, so läuft der Niederdruckverdichter 11 relativ langsam, um übermäßig hohe Austrittsdrückt und/oder Temperaturen des Hochdruckverdichters ίί zu vermeiden, so daß das Nebenschlußverhältnis de: Triebwerks 10 verhältnismäßig hoch wird. Unter dieser Betriebsbedingungen nimmt man den Nachbrenner 2; in Betrieb.

Zum Beschleunigen werden zunächst die Düsenleit schaufeln 44 so eingestellt, daß der Niederdruckverdich ter 11 mit hoher Drehzahl läuft. Während de Beschleunigungsphase werden dann nach und nach di Düsenleitschaufeln 44 verstellt und die Drehzahl de Niederdruckverdichters somit verringert. Gleichzeitig werden die verstellbaren Leitschaufelkränze 37, 38, 4C ausgehend von ihrer ursprünglichen Stellung, so lang verstellt, bis ihre Stellung den richtigen Massedurchsat durch den Niederdruckverdichter 11 gewährleistet, d. 1 denjenigen Massedurchsatz, der bei optimalem Wir kungsgrad des Niederdruckverdichters 11 für di geringeren Drehzahlen beim Überschallflug gefordei wird. Der Nachbrenner 26 arbeitet während diese ganzen Manövers; die querschnittsveränderliche Schub düse 27 bestimmt das Entspannungsverhältnis an de Turbinen und das Druckanstiegsverhältnis am Niede: druckverdichter 11.

Wenn das Flugzeug sich mit Unterschallreisegi schwindigkeit bewegt, so wird ein verhältnismäß; geringer Schub gefordert; um trotzdem eine gu Brennstoffausnutzung zu gewährleisten, ist ein verhäl nismäßig hohes Nebenstromverhältnis notwendig. M; läßt deshalb im Unterschallreiseflug den Niederdruc!

verdichter 11 mit verhältnismäßig niedriger Drehzahl laufen, wie man dies auch im Überschallreiseflug tut. Unter diesen Umständen liefert der Niederdruckverdichter 11 einen verhältnismäßig höheren Massedurchsatz mit der Folge, daß sich ein höheres Nebenstromverhältnis einstellt, das eine gute Brennstoffausnutzung zur Folge hat. Die Düsenleitschaufeln 44 der Niederdruck-

turbine 17 werden so eingestellt, daß das Niederdrucksystem relativ langsam läuft, und der Schubdüsenquerschnitt und die verstellbaren Leitschaufelkränze 37, 38, 40 werden so eingestellt, daß der Niederdruckverdichter 11 weiterhin mit gutem Wirkungsgrad läuft. Unter diesen Bedingungen wird das Nebenstromverhältnis im gezeichneten Ausführungsbeispiel ungefähr 1 :8 sein.

Hierzu ] Blatt Zeichnungen

709 637/41

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Nebenstrom-Gasturbinenstrahltriebwerk, umfassend in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet unabhängig voneinander rotierende Axialstromverdichter, nämlich einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter, Brennkammer, unabhängig voneinander rotierende Turbinen, nämlich eine Hochdruckturbine, die mit dem Hochdruckverdichter verbunden ist, und eine Niederdruckturbine, die mit dem Niederdruckverdichter verbunden ist, einen Auslaßkanal, eine Nebenstromleitung, welche mit ihrem stromaufwärtigen Ende einen Teil der durch den Niederdruckverdichter verdichteten Luft empfängt und an ihrem stromabwärtigen Ende mit dem Auslaßkanal über ein Mischgerät in Verbindung steht, wobei der Auslaßkanal eine Schubdüse mit veränderlichem Effektivquerschnitt besitzt und mindestens die dem Hochdruckverdichter nächste Stufe des mehrstufigen Niederdruckverdichters einen Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln aufweist und wobei der Arbeitsmittelstrom der Niederdruckturbine beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckturbine (17) mindestens eine Leitschaufelstufe mit verstellbaren Düsenleitschaufeln (44) besitzt, derart, daß durch Verstellung der Düsenleitschaufeln (44) und des Auslaßquerschnitts der Schubdüse (27) die Drehzahl des Niederdruckverdichters (11) und der Niederdruckturbine (17) verändert werden können und wobei die Veränderung des Nebenstromverhältnisses zusätzlich auch noch durch die verstellbaren Leitschaufeln (40) des Niederdruckverdichters (11) erzielbar ist.

   Die Erfindung betrifft ein Nebenstrom-Gasturbinenstrahltriebwerk, umfassend in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet unabhängig voneinander rotierende Axialstromverdichter, nämlich einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter, Brennkammer, unabhängig voneinander rotierende Turbinen, nämlich eine Hochdruckturbine, die mit dem Hochdruckverdichter verbunden ist, und eine Niederdruckturbine, die mit dem Niederdruckverdichter verbunden ist, einen Auslaßkanal, eine Nebenstromleitung, welche mit ihrem stromaufwärtigen Ende einen Teil der durch den Niederdruckverdichter verdichteten Luft empfängt und an ihrem stromabwärtigen Ende mit dem Auslaßkanal über ein Mischgerät in Verbindung steht, v/obei der Auslaßkanal eine Schubdüse mit veränderlichem Effektivquerschnitt besitzt und mindestens die dem Hochdruckverdichter nächste Stufe des mehrstufigen Niederdruckverdichters einen Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln aufweist und wobei der Arbeitsmittelstrom der Niederdruckturbine beeinflußbar ist.

   Ein derartiges Triebwerk ist aus der FR-PS 9 95 131 bekannt. Das bekannte Triebwerk ist mit einem für seine Reisegeschwindigkeit optimierten Wirkungsgrad konstruiert. Es weist Einrichtungen zum Einspritzen von Wasser in die Brennkammer bzw. vor dem Hochdruckverdichter und der Niederdruckturbine auf und ist mit einem Nachbrenner ausgestattet, der in Verbindung mit der querschnittsveränderlichen Schubdüse bei Bedarf eine Schuberhöhung gestattet. Um den Schub auch bei konstanter Drehzahl der Turbinen erhöhen zu können, ist zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine eine mittels einer Klappe verschließbare Öffnung zur Nebenstromleitung vorgesehen. Eine weitere dem gleichen Zweck dienende Klappe verschließt eine aus dem Triebwerk herausführende öffnung am auslaßseitigen Ende des Niederdruckverdichters. Dieser weist zur Schubeinstellung mehrere

   ίο verstellbare Leitschaufelkränze auf. Um das Nebenstromverhältnis einstellen zu können, ragen in die Nebenstromleitung verstellbare Schaufeln hinein.

   Nachteilig an dem bekannten Triebwerk ist jedoch, daß sich hoher Schub nur durch Vergrößerung der Brennstoffzufuhr erreichen läßt. Damit wird aber das Triebwerk nicht mehr bei optimalem Wirkungsgrad betrieben. Ein derartiges Triebwerk wäre zum Antrieb von Überschallflugzeugen ungeeignet.

   Die Betriebszustände eines Triebwerks im Unterschallbereich unterscheiden sich von denen des Triebwerks im Überschallbereich. Soll das Triebwerk zur Beschleunigung bei Überschallgeschwindigkeit hohen Schub liefern, so soll die Niederdruckturbine und somit der Niederdruckverdichter so schnell wie möglich laufen. Dies führt zu maximalem Massenstrom im Triebwerk und gleichzeitig zum höchsten Druckanstieg im Niederdruckverdichter. Das Triebwerk nimmt infolgedessen ein Maximum an Luft auf, die der Brennkammer bzw. einem Nachbrenner zugeführt wird.

   Das Triebwerk liefert unter diesen Bedingungen maximalen Schub pro Mengeneinheit angesaugter Luft.

   Die hohe Drehzahl des Niederdruckverdichters

   bewirkt jedoch ein geringes Nebenstromverhältnis des Triebwerks, da der Niederdruckverdichter relativ wenig Luft gegen den hohen Strahlrohrdruck anbringt. Bei Beschleunigung vom Unterschallbereich auf den Überschallbereich muß die Drehzahl des Niederdruckverdichters nach und nach reduziert werden, um zum einen die Turbineneintrittstemperatur unterhalb einer gegebenen Grenze zu halten und zum anderen um einen übermäßigen Druck und/oder eine übermäßige Temperatur am Auslaß des Hochdruckverdichters im Überschallbereich zu vermeiden. Im Überschallreiseflug läuft somit der Niederdruckverdichter verhältnismäßig langsam, und ermöglicht ein verhältnismäßig hohes Nebenstromverhältnis des Triebwerks.

   Aufgabe der Erfindung ist es, ein für die vorstehenden Betriebszustände geeignetes Triebwerk anzugeben, das sowohl bei Überschallgeschwindigkeit als auch bei Unterschallgeschwindigkeit sowie Beschleunigung des das Triebwerk tragenden Flugzeugs mit höchstem Wirkungsgrad läuft.

   Ausgehend von dem eingangs näher erläuterten Gasturbinenstrahltriebwerk wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Niederdruckturbine mindestens eine Leitschaufelstufe mit verstellbaren Düsenleitschaufeln besitzt, derart, daß durch Verstellung der Düsenleitschaufeln und des Auslaßquerschnitts der Schubdüse die Drehzahl des Niederdruckverdichters und der Niederdruckturbine verändert werden können und wobei die Veränderung des Nebenstromverhältnisses zusätzlich auch noch durch die verstellbaren Leitschaufeln des Niederdruckverdichters erzielbar ist.

   Die Niederdruckturbine weist in an sich bekannter Weise (GB-PS 10 49 080) verstellbare Leitschaufeln auf Für die Beschleunigungsphase werden diese Leitschaufeln so eingestellt, daß die Drehzahl des Niederdruck Verdichters hoch ist. Im Verlauf der Beschleunigungs