DE19515966C2 - Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub und Fluglagensteuerung - Google Patents
Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub und FluglagensteuerungInfo
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Description
Die im folgenden beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein
Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub
und Fluglagensteuerung, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
beschrieben ist.
Die Konzeption zukünftiger Überschallflugzeuge ist in erster
Linie abhängig von ihrem Antrieb und zielt auf eine bessere
Energieausnutzung, Verminderung der Schadstoffemissionen sowie
der Startlärmreduzierung.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurden bereits
unterschiedliche Triebwerkskonzepte vorgestellt und im Vergleich
mit einem Referenztriebwerk auf ihr Betriebsverhalten
hin untersucht
(Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt, Jahrbuch
1994 II, Vortrag 94-F4-103, Seiten 657-666,
Leistungs- und Emissionsverhalten zukünftiger Überschalltriebwerke
- F. Deidewig, A. Döpelheuer, M. Lecht, DLR - Institut
für Antriebstechnik).
Bei einem dieser untersuchten Konzepte wird zur Verringerung
des Stirnwiderstandes der Fan zwischen den Nieder- und Hochdruckverdichter
verlegt und die Schubdüse sowohl im engsten
als auch im Austrittsquerschnitt regelbar ausgeführt, so daß
auch bei vollständiger Expansion des Arbeitsgases der Düsendurchmesser
den Triebwerksquerschnitt nicht überschreitet.
Bei einem weiteren Konzept wird die Arbeitsluft des innenliegenden
Fans in die äußere Bypassdüse geleitet und der Niederdruckverdichter
aus dem äußeren Bypasskanal separat mit
Frischluft versorgt, die sich dann nochmals in einen inneren
Bypass und einen Kernmassenstrom aufteilt. Hierdurch wird eine
Minderung des Startlärms sowie eine Senkung des Brennkammereintrittsdruckes
erzielt. Der thermische Wirkungsgrad erfährt
ebenfalls durch das Verdichten kalter Arbeitsluft eine Verbesserung.
Ein drittes Konzept arbeitet mit zwei ventilgesteuerten Bypassströmen,
die dem jeweiligen Flugzustand angepaßt werden und
die in der Start- und Steigphase auf mäßigen Nebenstrom geregelt
sind, während im Überschallflug reiner Jet-Betrieb vorherrscht.
In dem anschließend aufgestellten Vergleich mit einem Referenztriebwerk
werden diese drei untersuchten Triebwerke bezüglich
der NOx-Emissionen deutlich schlechter als das Referenztriebwerk
eingestuft. Der Grund dafür liegt in dem erhöhten Brennkammereintrittsdruck
bzw. der erhöhten Turbineneintrittstemperatur.
Die Schubstrahlaustrittsgeschwindigkeiten dagegen und
damit die Lärmintensität werden wegen des Wegfalls des Nachbrenners
sowie der Erhöhung des Nebenstromverhältnisses drastisch
gesenkt. Die ebenfalls festgestellte Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
ist bevorzugt auf den Nachbrennerverzicht zurückzuführen.
Das sowohl von der Konstruktion als auch vom Strömungsprozeß
her überzeugendste erste Konzept kann allerdings die
Flugleistungen des Referenztriebwerks aufgrund des großen Nebenstromverhältnisses
nicht erreichen.
Hinsichtlich des erfindungsgemäß verwendeten Kreiszylinders
ist anzumerken, daß mit der DE 43 21 175 C2 bereits eine Ausführung
vorbekannt ist, die auf beiden Stirnseiten gelagerte
Kreiszylinder besitzt, denen von den Laufschaufeln eines Meridianverdichters
Strömungsenergie zugeführt wird, deren Geschwindigkeitsvektor
quer zur Drehrichtung der Kreiszylinder
verläuft. Der Antrieb dieser Kreiszylinder erfolgt durch eine
Turbinenstufe des Gaserzeugers.
Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß eine zentripetal
gerichtete Verdichterströmung mit Hilfe der Kreiszylinderzirkulation
verlustlos umgelenkt wird, um daraufhin in
die zentrifugale Strömungsrichtung des Verdichters einzutreten.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, das Tangentialgebläse
aus dem Zustand des Geschwindigkeitserzeugers in einen Druckbereich
zu versetzen, der zur Energieanhebung der Eintrittsluftmasse
von Überschall-Turbotriebwerken Verwendung finden soll.
Dieser Vorteil wird jedoch dadurch geschmälert, daß die erforderlichen
Bauelemente den Stirnquerschnitt des Turbotriebwerks
vergrößern, wodurch dessen Einsatz als Flugzeugüberschallantrieb
nicht zweckmäßig erscheint.
Bezüglich der erfindungsgemäß angeordneten Verdichterturbine
wird darauf hingewiesen, daß sich seit langem eine strömungsmäßig
ähnliche Ausführung im praktischen Betrieb befindet, die
als Pumpenturbine bekannt ist und in Wasserkraftwerken Verwendung
findet
(Voith Forschung und Konstruktion, Heft 12, Dezember 1964,
Aufsatz 2 - W. Thuß, J. Hilgendorf - Rohrturbinen als axiale
Pumpenturbinen).
Bei dieser Strömungsmaschine wird ein axiales Laufrad z. B.
von links angeströmt und fungiert damit als Turbine. Der Betrieb
kann dann umgeschaltet werden, so daß das axiale Laufrad
bei entgegengesetzter Drehrichtung von rechts beaufschlagt
wird und so als Pumpe arbeitet. In diesem Falle wird das Schaufelprofil
des Laufrades dann von der Austrittskante her angeströmt.
Diese Maßnahme verringert den Bauaufwand zwar erheblich,
reduziert aber naturgemäß dabei den Wirkungsgrad, der jedoch
wegen der verhältnismäßig kurzen Einsatzzeit bei den in Betrieb
befindlichen Maschinen akzeptiert wird. Für eine Triebwerkskomponente
ist ein solches Strömungsverhalten allerdings nicht
verwendungsfähig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Turbotriebwerk für
Überschallflugzeuge zu konzipieren, das bei Erhöhung der
Prozeßtemperatur eine Senkung sowohl des Kraftstoffbedarfs als
auch der NOx-Emission bei reduzierter Startlärmabstrahlung
aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 dargelegten
Merkmale gelöst.
Der beschriebene Stand der Technik läßt die Gegensätzlichkeit
erkennen, mit der ein zukünftiges Überschallantriebskonzept
behaftet ist. Zum einen erscheinen nur Triebwerke ohne Nachbrenner
sinnvoll, zum anderen kann auf das Enthalpiegefälle
der Nachverbrennung nicht verzichtet werden und beim Ausweichen
auf einen höheren Massendurchsatz wächst der Triebwerksquerschnitt
unzulässig an.
Die im Nachverbrennungsprozeß zugeführte Primärenergie hat
jedoch einen hohen Energiegehalt, der nach dem 2. Hauptsatz
der Thermodynamik nur eingeschränkt in Schub umgewandelt werden
kann, während ein erheblicher Teil nach Verlassen der
Schubdüse zu Anergie wird, die mit zuviel verbrauchtem Kraftstoff
identisch ist und die Flugstreckenlänge des Triebwerks
vermindert.
Erfindungsgemäß wird daher der Strömungsvektor des Gaserzeugers
nach Verlassen des verstellbaren Ausgangsleitgitters auf den rotierenden
Kreiszylinder gelenkt und mit dessen Kreisströmungslinien
überlagert
(Die Naturwissenschaften, 13. Jahrgang, Heft 6, 6. Februar 1925
insbesondere Seite 96, Abb. 6 u. 7, Magnuseffekt und Windkraftschiff,
L. Prandtl, Göttingen;
Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt, 16. Jahrgang
1925, 3. Heft, insbesondere Seiten 51 u. 52, Abb. 17 u. 18.
Neuere Untersuchungen der Aerodynamischen Versuchsanstalt,
Göttingen - J. Ackeret).
Der Kreiszylinder mit dem ihn umgebenden Strömungszustand ist
als System anzusehen, in dem ein Überlagerungsprozeß unter
Entropieerzeugung ohne äußere Zufuhr von Wärme oder mechanischer
Energie stattfindet. Zum Bewegen des Kreiszylinders ist
lediglich die Lagerreibung zu überwinden.
Dieser nichtumkehrbare Prozeß im Inneren des Systems wird als
Generierung von spez. Dissipationsenergie definiert, d. h. einer
Zunahme der inneren Energie des Triebwerksprozesses.
Abhängig von der Drehrichtung des Kreiszylinders erscheint dieser
Energiezuwachs als Enthalpieerhöhung mit Geschwindigkeitsabsenkung
oder als Enthalpieverminderung bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit.
Die beim Magnuseffekt gleichzeitig ablaufenden Bewegungsphasen
der Strömungsbeschleunigung bzw. Verzögerung des Durchsatzes,
deren Überlagerungsmaximum streng genommen nur auf zwei
gegenüberliegenden Mantellinien stattfindet, werden erfindungsgemäß
zeitlich getrennt, so daß jede Phase auf dem gesamten
Querschnittsbereich der Kreisströmungslinien voll wirksam ist.
Die durch den Überlagerungsprozeß gewonnene spez. Dissipationsenergie
wird zum Antrieb der Schubturbine sowie der Verdichterturbine
genutzt und von diesen in Schub umgewandelt.
Dabei ist es vorteilhaft, daß die Laufschaufeln dieser Bauteile
während des Flugbetriebs übergangs- und stufenlos zu verdrehen
und bei Bedarf arretierbar sind, damit der Austrittsquerschnitt
des Modulators bei unterschiedlichen Flugzuständen nach dem jeweiligen
Verhältnis des Massenstroms zur Massenstromdichte
geregelt wird.
Die Funktionsweise der Erfindung wird nachstehend anhand des
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt des Turbotriebwerks mit
dem Gaserzeuger und Schubgenerator.
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Schubgenerators
gemäß Fig. 1.
Fig. 3 eine Flächenelement bei verzögerter Strömung
gemäß Fig. 2.
Fig. 4 ein Flächenelement bei beschleunigter
Strömung gemäß Fig. 2.
Fig. 5 den Ausschnitt S mit dem Schalt- und Steuerungsprinzip
des Modulators gemäß Fig. 2.
Fig. 6 einen Schnitt A-A durch das Generatorgehäuse
mit Blickrichtung auf das Ausgangsleitgitter
gemäß Fig. 2.
Fig. 7 den Teilschnitt B-B durch das Ausgangsleitgitter
bei rechtsdrehendem Kreiszylinder
gemäß Fig. 6.
Fig. 8 den Teilschnitt E-E durch das Ausgangsleitgitter
bei linksdrehendem Kreiszylinder
gemäß Fig. 6.
Fig. 9 die Mittelschnitte der Schaufelblätter von
Schub- und Verdichterturbine in den unterschiedlichen
Positionen:
a) Start- und Steigschub,
b) Überschallreiseschub,
c) Verzögerungsschub,
d) Giersteuerung,
e) Rollsteuerung.
a) Start- und Steigschub,
b) Überschallreiseschub,
c) Verzögerungsschub,
d) Giersteuerung,
e) Rollsteuerung.
Fig. 10 die Anordnung von zwei Turbotriebwerken
gemäß Fig. 1 an einer Überschalltragfläche.
Fig. 11 die Ansicht F auf die Überschalltragfläche
gemäß Fig. 10 in Flugrichtung gesehen.
Fig. 12 die Darstellung der Zustandsgrößen des
Turbotriebwerks als Joule-Prozeß in
bodennahem Flugzustand.
Fig. 1 stellt einen Längsschnitt des Turbotriebwerks 1 dar,
das aus folgenden Hauptkomponenten besteht: Zunächst einem
Gaserzeuger 2, der wiederum einen Verdichter 50, eine Brennkammer
51 und eine Antriebsturbine 52 beinhaltet, an die ein Schubgenerator
3 angeschlossen ist, wobei sich dieser nochmals aus
drei Baugruppen zusammensetzt, dem Drehzahlgeber 4, dem Kreiszylinder
5 sowie dem Modulator 6. Der Drehzahlgeber 4 wird
dabei in die Gegenlaufturbine 7 und die Steuerturbine 8 unterteilt.
Alle vorgenannten Bauteile sind im Generatorgehäuse 27
untergebracht. Die mit eingekreisten Ziffern bezeichneten
Triebwerksebenen beziehen sich auf die in den Fig. 12 gleicherweise
benannten Zustandspunkte 1, 2, 3, . . . des Gesamtprozesses mit
den jeweiligen Schubvarianten.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung des Schubgenerators
3, der eintrittsseitig ein festes Leitrad 14 besitzt, durch
das die 1. Steuerleitung 47 geführt wird und das die 1. Stützlagerung
22 der Hohlwelle 23 aufnimmt, die mit der 1. Schaltkupplung
17 verbunden ist, an die das rechtsdrehende 1. Laufrad
15 sowie das linksdrehende 2. Laufrad 16 angeschlossen sind.
Die Hohlwelle 23 befindet sich im Wellentunnel 24 und ist mit
dem Lagerteil 18 drehfest verbunden, das seinerseits mit dem
Zentrierkegel 10 einen Verbund bildet. Diese beiden letztgenannten
Bauteile werden von dem fest angeschlossenen Zylindermantel
9 umhüllt. Das Hauptlager 25 bildet den Zentriersitz
sowohl für das Lagerteil 18 als auch für den Wellentunnel 24,
der mit dem Vorleitrad 19 eine starre Verbindung eingeht.
Diesem folgt in Strömungsrichtung das mit einem Drehzahlbegrenzer
26 versehene Steuerlaufrad 20, das die Konstanthaltung der
aus dem folgenden verstellbaren Ausgangsleitgitter 21 austretenden
Translationsströmungen cT bzw. c′T gewährleistet. Hierdurch
werden die tangentialen Strömungskomponenten TT bzw. T′T
gebildet, die durch Überlagerung mit den Kreisströmungslinien
K bzw. K′ eine zirkulationsbehaftete Umströmung des Kreiszylinders
5 bewirken. Dieser Strömungszustand beaufschlagt
stromabwärts das verstellbare Leitgitter 11, durch das die
2. Steuerleitung 48 geführt wird und das zusammen mit der Schubturbine
12 und der Verdichterturbine 13 den Modulator 6 bildet.
Fig. 3 zeigt ein Flächenelement aus dem als Kontrollraum aufzufassenden
Überlagerungsbereich des Kreiszylinders 5. Beim
Durchströmen des schraffierten Abschnitts ändert sich die über
den Querschnitt I gemittelte spez. Entropie s des Durchsatzes
und erreicht im Querschnitt II den Wert s+ds. Die Entropieänderung
ds, die durch die im Kontrollraum herrschende verzögerte
Strömung bewirkt wird, kann mit der Entropiebilanzgleichung
Tds = dq + dj
erklärt werden. Dabei bedeutet T den Temperaturmittelwert des
betrachteten Bilanzgebiets im Kontrollraum, dq die übertragene
Wärmemenge und dj die zwischen den Querschnitten I und II
durch Strömungsverzögerung dissipierte Energie.
Die Integration zwischen dem Anfangszustand 4 und dem Endzustand
5 (siehe Fig. 12) für den betrachteten Querschnitt
ergibt bei verzögerter Strömung, also rechtsdrehendem Kreiszylinder
Da jedoch während des Überlagerungsprozesses keine Wärme in
das System hineingeführt wird, ist q₄₅=0 und damit
wobei j₄₅ als spez. Dissipationsenergie in Erscheinung tritt.
Wie schon auf Seite 6? dieser Beschreibung ausgeführt wurde,
erfolgt diese Zunahme der inneren Energie des Durchsatzes
nicht durch Wärmezufuhr oder aufgrund mechanischer Arbeit.
Unter anderem wird der Energiezuwachs demnach nicht durch
einen Verbrennungsprozeß hervorgerufen, so daß sich folglich
für eine gegebene Schubforderung im Vergleich zum Stand der
Technik, der NOX-Emissionsindex zwangsläufig vermindert.
Fig. 4 stellt analog zu Fig. 3 ein Flächenelement zwischen
den Querschnitten I′ und II′ bei linksdrehendem Kreiszylinder 5
dar, also zwischen den Zustandspunkten von 4 nach 8, so daß
in diesem Betriebszustand das Integral in der Form
geschrieben wird, j₄₈ wieder als spez. Dissipationsenergie,
die unabhängig von der Richtung der Zustandsänderung ebenfalls
positiv ist (hierzu Fig. 12);
(H. D. Baehr, Thermodynamik, 8. Auflage 1992, Springer-Verlag,
insbesondere 3.3.2 auf Seite 120).
Fig. 5 ist der vergrößerte Ausschnitt S gemäß Fig. 2 mit der
Darstellung des Schalt- und Steuerungsprinzips des Modulators
6. Mit dem unter den Fig. 2, 3 und 4 beschriebenen Energiezustand
tritt die Strömung in das verstellbare Leitgitter 11
ein, das auf das Speichenrad 37 schwenkbar aufgesteckt ist (in
Fig. 5a durch Pfeile ausgedrückt). Auf diesem ist auch der Kreiszylinder
5 über das Loslager 45 axial verschiebbar angebracht
sowie mit dem Traglager 43 das 1. Ringgehäuse 35 befestigt.
In dem 1. Ringgehäuse 35 ist dann mittels des Kompensationslagers
41 die Antriebswelle 38 mit der zentralen Steuerleitung 49
für die Verdichterturbine 13 angeordnet. Frontseitig stehen
dann die 2. Schaltkupplung 28 und die Bremsvorrichtung 29 mit
der Antriebswelle 38 in Verbindung, auf die heckseitig das 2.
Ringgehäuse 36 mit der 2. Stützlagerung 42 aufgeschoben ist.
In die Antriebswelle 38 sind radial die 2. Laufschaufelachsen
40 der Verdichterturbine 13 mit jeweils einem Verstellteller
34 eingesteckt, der mit Hilfe des auf dem 2. Verstellzylinder
33 zentrierten 2. Verstellkranzes 31 hydraulisch gedreht wird.
Die Verdrehung der Verstellteller 34 der zur Schubturbine 12
gehörenden 1. Laufschaufelachsen 39 geschieht durch den 1. Verstellkranz
30, der auf dem 1. Verstellzylinder 32 Platz findet,
wobei dieser in das 1. Ringgehäuse 35 eingepaßt ist, das wiederum
mit der 2. Schaltkupplung 28 in Verbindung steht. Das
Justierlager 46 fungiert als Abstandhalter und Schwingungsdämpfer
zwischen der Antriebswelle 38 und dem 1. und 2. Ringgehäuse
35 bzw. 36 mit den integrierten Führungslagern 44.
Fig. 6 stellt einen Schnitt A-A durch den Schubgenerator 3
dar, mit Blickrichtung auf das verstellbare Ausgangsleitgitter
21. Zur Verdeutlichung des Überlagerungsprozesses sind sinnbildlich
eine Anzahl Kreisströmungslinien eingezeichnet, die
in Übereinstimmung mit Fig. 2 bei Rechtsdrehung des Kreiszylinders
5 im oberen Schnittbereich mit K bezeichnet sind und den
tangentialen Strömungskomponenten TT entgegenlaufen. Aufgrund
der dadurch bewirkten Geschwindigkeitsverzögerung wird eine
symbolisch angedeutete Stromlinienverdünnung hervorgerufen, wodurch
die Verzögerungsbereiche D gebildet werden. Sinngemäß erfolgt
bei Linksdrehung des Kreiszylinders 5 eine zeichnerisch
dargestellte Verdichtung der Kreisströmungslinien K′ durch Addition
mit den tangentialen Strömungskomponenten T′T, wodurch
die Beschleunigungsbereiche D′ gebildet werden.
Die Kreisströmungslinien K bzw. K′ sind dabei als Integrationsweg
mit der Geschwindigkeit cK aufzufassen, die den Kreiszylinder
5 als Singularstelle einschließen. Das sich daraus ergebende
Ringintegral ergibt die Zirkulation
Γ = ∮ cK · dK = konst. < 0
mit dK als Bogenlänge auf der Kreisströmungslinie K bzw. K′.
Fig. 7 zeigt den Teilschnitt B-B durch die Beschaufelung
des verstellbaren Ausgangsleitgitters 21 mit der Translationsströmung
cT sowie der tangentialen Strömungskomponente TT, die
der Kreisströmungslinie K entgegenläuft und damit den Strömungsverzögerungsbereich
D bildet.
Fig. 8 zeigt den Teilschnitt E-E und stellt analog zu Fig. 7
den Strömungsbeschleunigungsbereich D′ dar, der von den in
gleicher Richtung sich bewegenden Kreisströmungslinien K′ mit
der tangentialen Strömungskomponente T′T gebildet wird. Letztere
resultiert aus der Translationsströmung c′T sowie der Relativgeschwindigkeit
w′ bzw. w, bezogen auf Fig. 7, womit sich die
Strömungsmasse innerhalb des Generatorgehäuses 27 stromabwärts
bewegt.
Fig. 9 zeigt die Mittelschnitte der Schaufelblätter von Schub-
und Verdichterturbine in folgenden Positionen:
- a) Die Schubturbine ST12 und die als Verdichter arbeitende Verdichterturbine T13 sind bei Startschub SS über die 2. Schaltkupplung 28 miteinander verbunden und haben die gleichen Umfangsgeschwindigkeiten uST=uT. Dieser Vorgang erfolgt bei rechtsdrehendem Kreiszylinder 5, dessen Funktion über das verstellbare Leitgitter 11 die Absolutgeschwindigkeit cST mit den Komponenten wEin und uST der Schubturbine 12 bewirkt. Deren absolute Geschwindigkeit cST bildet den Eintrittsvektor cST=cT, mit der die Verdichterturbine 13 angeströmt wird. Mit deren Austrittsgeschwindigkeiten wAus und uT ergibt sich sodann der Start- und Steigschub SS.
- b) Der Übergang vom Start- und Steigschub auf den Überschallreiseschub RS erfolgt bei rechtsdrehendem Kreiszylinder 5 ohne Betriebsunterbrechung oder Rückwirkung auf den Strömungsprozeß des Gaserzeugers 2 durch übergangslose Blattverstellung mit gleichzeitiger Drehzahlreduzierung bis zur vollständigen Arretierung durch die Bremsvorrichtung 29 sowohl der Schubturbine 12 als auch der Verdichterturbine 13. Mit der Absolutgeschwindigkeit cEin wird dabei die Schubturbine 12 angeströmt und mit deren Austrittsvektor cVT die Verdichterturbine 13 beaufschlagt, deren absolute Abströmgeschwindigkeit dann als Überschallreiseschub RS erscheint.
- c) Bei der gegenüber b) unveränderten Position der Schaufelblätter entsteht bei linksdrehendem Kreiszylinder 5 der Verzögerungsschub VS, bei dem unter Enthalpieabnahme ein Druckniveau erreicht wird, das sich unter dem des Umgebungsdrucks pu befindet, so daß die Schubrichtung der Flugrichtung entgegenläuft (hierzu auch Fig. 12).
- d) Während die Schubturbine 12 in gebremstem Zustand verbleibt, wird die Bremsung der Verdichterturbine 13 bei rechtsdrehendem Kreiszylinder 5 gelöst und deren Schaufelblätter soweit gedreht, daß diese als Turbine arbeitet, jedoch unverändert von der Eintrittsseite her angeströmt wird. Die Anströmung der Schubturbine 12 ergibt mit der Absolutgeschwindigkeit cEin den Austrittsvektor cST, der mit der Umfangsgeschwindigkeit uV der Verdichterturbine 13 deren relative Eintrittsgeschwindigkeit wEin bildet, die mit wAus das Gitter verläßt und mit uV die absolute Austrittsgeschwindigkeit cG ergibt, die gegenüber dem Vektor RS des Überschallreiseschubs die Geschwindigkeitsdifferenz ΔS für die Giersteuerung erzeugt (hierzu Fig. 10).
- e) Die Rollsteuerposition wird durch Abbremsung der Schubturbine 12 und der Verdichterturbine 13 eingeleitet, wobei die Schaufelblätter in der Weise verdreht werden, daß bei rechtsdrehendem Kreiszylinder 5 die absolute Anströmgeschwindigkeit cEin der Schubturbine 12 das Gitter mit der Geschwindigkeit cST verläßt, die gleichzeitig die Eintrittsgeschwindigkeit cVT des Schaufelgitters der Verdichterturbine 13 darstellt und von dieser mit dem Austrittsdrall cR abströmt (hierzu Fig. 11). Aufgrund der schnellen Verfügbarkeit der beschriebenen Steuermanöver eignen sich diese auch zur Trimmung von Überschallflugzeugen.
Fig. 10 zeigt die Anordnung von angenommenen zwei Turbotriebwerken
1 an einer Überschalltragfläche 53. Bei Start- und
Steigschub SS ist das linke und das rechte Triebwerk gemäß
Schaufelblattposition der Fig. 9a geschaltet. Beim Übergang auf
den Überschallreiseflug RS erfolgt die Schaufelblattverstellung
gemäß Fig. 9b für das linke und rechte Triebwerk. Soll in diesem
Flugzustand z. B. ein Giersteuermanöver gegen Uhrzeigersinn
durchgeführt werden, wird das linke Triebwerk gemäß Fig. 9d geschaltet.
Der dadurch entstehende Differenzschub ΔS bewirkt
dann das erforderliche Giersteuermoment. Zur Verstärkung dieses
Giersteuermoments wird das linke Triebwerk statt dessen auf die
Schaufelblattposition der Fig. 9c geregelt und damit der Verzögerungsschub
VS aktiviert.
Ein Giersteuermanöver kann auch bei eingeschaltetem Verzögerungsschub
VS gemäß Fig. 9c z. B. beim Landeanflug geflogen
werden, indem das linke Triebwerk mit vollem Verzögerungsschub
VS fährt, während das rechte Triebwerk durch Schaufelblattverstellung
sowohl der Schubturbine 12 als auch der Verdichterturbine
13 den Verzögerungsschub um einen erforderlichen Betrag
vermindert und damit die Schubdifferenz ΔS′ bildet.
Fig. 11 zeigt die Ansicht F auf die Überschalltragfläche 53
in Flugrichtung gesehen. Das linke Triebwerk ist z. B. auf Überschallreiseschub
geschaltet, während das rechte Triebwerk die
Schaufelblattposition der Fig. 9e mit dem Austrittsdrall cR
besitzt, der durch Pfeile markiert ist. Diese erzeugen in der
gezeichneten Wirkungsrichtung ein Rollsteuermoment mit dem
Winkel α im Uhrzeigersinn um die Flugzeuglängsachse. Die Größe
des Winkels α wird durch Schaufelblattverstellung sowohl der
Schubturbine 12 als auch der Verdichterturbine 13 geregelt.
Fig. 12 gibt eine Darstellung der Zustandsgrößen des Turbotriebwerks
1 als Joule-Prozeß in bodennahem Flugzustand.
Die Arbeit im Verdichter 50 vollzieht sich zwischen dem Ansaugezustand
1 und dem Endzustand 2. Durch Wärmezufuhr in der Brennkammer
51 wird der Zustand 3 erreicht. Das Enthalpiegefälle
von 3 nach 4 dient dem Antrieb des Verdichters 50 durch die
Antriebsturbine 52 und schließt den Betrieb der Gegenlaufturbine
7 zum Antrieb des Kreiszylinders 5 und weiterhin der
Steuerturbine 8 zur Regelung des Überlagerungsprozesses für die
Generierung der Dissipationsenergie mit ein. Letztere bewirkt
eine Zunahme der inneren Energie von Zustand 4 nach 5 durch den
rechtsdrehenden Kreiszylinder 5. Dieser Prozeß ist gekoppelt
mit einer Entropieerzeugung, wobei die schraffierte Fläche unter
den Zustandspunkten 4 und 5 der spez. Dissipationsenergie
j₄₅ entspricht, die mit dem Gefälle von Zustand 5 nach 6 die
Schubturbine 12 beaufschlagt. Mit dieser ist die Verdichterturbine
13 gekuppelt, die der Erhöhung des statischen Druckes von
Zustand 6 nach 7 dient (hierzu Fig. 9a). Diese Maßnahme bewirkt
für den Start- und Steigschub SS eine Geschwindigkeitsreduzierung
des Schubstrahls bei gleichzeitiger Erhöhung der Enthalpie,
die ohne Kraftstoffzuführung erreicht wird.
Während beim Zustand 7 der Schubstrahl bei Verlassen des Modulators
6 noch mit einem Druckpotential behaftet ist, das durch
Nachexpansion den Startschub bei verminderter Austrittsgeschwindigkeit
erhöht, wird beim Überschallreiseschub RS das
Enthalpiegefälle von Zustand 5 nach 6′ ausgenutzt, wobei die
Schubmasse bis auf den Umgebungsdruck pu entspannt wird (hierzu
Fig. 9b). Bei linksdrehendem Kreiszylinder 5 findet dann eine
Senkung der Prozeßenthalpie bei Geschwindigkeitserhöhung von
Zustand 4 nach 8 statt, die zu einer Druckabnahme bis unter
den Umgebungsdruck pu führt, so daß der Verzögerungsschub VS
von Zustand 8 nach 8′ bewirkt wird (hierzu Fig. 9c). Dieser
Prozeß erfolgt unter Entropieproduktion und der dadurch hervorgerufenen
Zunahme der spez. Dissipationsenergie j₄₈, die
sich als schraffierte Fläche unter den Zustandspunkten von
4 nach 8 darstellt.
Vergleichsweise sind die Zustandsgrößen eines Nachbrenner-
Prozesses eingezeichnet, um die dabei auftretenden Exergieverluste
und den damit verbundenen Mehrbedarf an Primärenergie
aufzuzeigen (strichpunktiert).
Bei eingeschaltetem Nachbrenner würde im Zustand 4 als Primärenergieträger
Kraftstoff und damit Exergie zu zugeführt, wodurch
der Zustand 9 erreicht wird, der in der Schubdüse als
ab sich bis auf den Umgebungszustand 9′ unter Geschwindigkeitszunahme
entspannt. In diesem Zustand hat die Strömung
noch eine hohe technische Arbeitsfähigkeit in Form von Verlustexergie
v, die dem Enthalpiegefälle von Zustand 9′ nach 9′′
entspricht, für den die Exergiebilanz
v = zu - ab
Gültigkeit hat. Der Zustand 9′′ liegt dabei auf der Umgebungsgeraden
mit der Exergie =0. Für den Exergieverluststrom gilt
der Zusammenhang
v = i - iu - Tu (s - su)
wobei sich iu, su und Tu, also die für den Umgebungszustand geltende
Enthalpie, Entropie und absolute Temperatur auf den Ansaugezustand
1 beziehen und i und s dann sinngemäß auf den Zustand
9′. Die aufgezeigte Verlustexergie v ist gleichbedeutend
mit dem Mehrverbrauch an Kraftstoff und begründet damit
die Flugstreckenbegrenzung gegenwärtiger Überschallflugzeuge.
Jeder nichtumkehrbare Strömungsprozeß ist jedoch mit einem
Exiergieverlust verbunden, es muß nur dafür Sorge getragen
werden, daß dieser möglichst klein bleibt.
Erfindungsgemäß wird daher der Exergiegehalt des Enthalpiegefälles
vom Zustand 4 nach 4′ in Form von Geschwindigkeitsenergie
für den unter Fig. 2 beschriebenen Überlagerungsprozeß eingesetzt
und damit, wie schon erläutert, die Zustände 5 und 8
ohne Kraftstoffaufwand gebildet.
Die bei diesem Prozeß anfallende Verlustexergie hat den Betrag
des Enthalpiegefälles von Zustand 4′ nach 4′′, der als Anergie
in Erscheinung tritt, wobei der Ausdruck
die Einsparung an Primärenergie vor Augen führt, die erzielbar
wird, wenn das als Erläuterungsbeispiel gewählte Entropiegefälle
von Zustand 5 nach 6′ auf das realisierbare Vergleichsgefälle
von Zustand 9 nach 9′ erweitert wird, denn dieses entspricht
näherungsweise demjenigen des eingangs erwähnten
Referenztriebwerks. Bei diesem Prozeßverlauf wird der Temperaturanstieg
und damit die Enthalpieerhöhung von Zustand 4 nach
9 nicht durch einen Verbrennungsprozeß erreicht und somit
eine auf den Gesamtprozeß des Triebwerks bezogene Reduktion
der spezifischen Stickstoffoxid-Emission bewirkt.
Bezugszeichenliste
1 Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge
2 Gaserzeuger
3 Schubgenerator
4 Drehzahlgeber
5 Kreiszylinder
6 Modulator
7 Gegenlaufturbine
8 Steuerturbine
9 Zylindermantel
10 Zentrierkegel
11 Leitgitter, verstellbar
12 Schubturbine
13 Verdichterturbine
14 Leitrad, festes
15 1. Laufrad, rechtsdrehend
16 2. Laufrad, linksdrehend
17 1. Schaltkupplung
18 Lagerteil
19 Vorleitrad
20 Steuerlaufrad
21 Ausgangsleitgitter, verstellbar
22 1. Stützlagerung
23 Hohlwelle
24 Wellentunnel
25 Hauptlager
26 Drehzahlbegrenzer
27 Generatorgehäuse
28 2. Schaltkupplung
29 Bremsvorrichtung
30 1. Verstellkranz
31 2. Verstellkranz
32 1. Verstellzylinder
33 2. Verstellzylinder
34 Verstellteller
35 1. Ringgehäuse
36 2. Ringgehäuse
37 Speichenrad
38 Antriebswelle
39 1. Laufschaufelachsen
40 2. Laufschaufelachsen
41 Kompensationslager
42 2. Stützlagerung
43 Traglager
44 Führungslager
45 Loslager
46 Justierlager
47 1. Steuerleitung
48 2. Steuerleitung
49 Steuerleitung, zentrale
50 Verdichter
51 Brennkammer
52 Antriebsturbine
53 Überschalltragfläche
2 Gaserzeuger
3 Schubgenerator
4 Drehzahlgeber
5 Kreiszylinder
6 Modulator
7 Gegenlaufturbine
8 Steuerturbine
9 Zylindermantel
10 Zentrierkegel
11 Leitgitter, verstellbar
12 Schubturbine
13 Verdichterturbine
14 Leitrad, festes
15 1. Laufrad, rechtsdrehend
16 2. Laufrad, linksdrehend
17 1. Schaltkupplung
18 Lagerteil
19 Vorleitrad
20 Steuerlaufrad
21 Ausgangsleitgitter, verstellbar
22 1. Stützlagerung
23 Hohlwelle
24 Wellentunnel
25 Hauptlager
26 Drehzahlbegrenzer
27 Generatorgehäuse
28 2. Schaltkupplung
29 Bremsvorrichtung
30 1. Verstellkranz
31 2. Verstellkranz
32 1. Verstellzylinder
33 2. Verstellzylinder
34 Verstellteller
35 1. Ringgehäuse
36 2. Ringgehäuse
37 Speichenrad
38 Antriebswelle
39 1. Laufschaufelachsen
40 2. Laufschaufelachsen
41 Kompensationslager
42 2. Stützlagerung
43 Traglager
44 Führungslager
45 Loslager
46 Justierlager
47 1. Steuerleitung
48 2. Steuerleitung
49 Steuerleitung, zentrale
50 Verdichter
51 Brennkammer
52 Antriebsturbine
53 Überschalltragfläche
A-A Schnitt, Blickrichtung auf das Ausgangsleitgitter
B-B Teilschnitt bei rechtsdrehendem Kreiszylinder
E-E Teilschnitt bei linksdrehendem Kreiszylinder
F Ansicht auf die eingebauten Überschallantriebe
T, T′ Strömungskomponenten, tangentiale, (Index ′ steht für Beschleunigung bzw. Linksdrehung)
cT, c′T Translationsströmungen, (Index ′ steht für Beschleunigung bzw. Linksdrehung
K, K′ Kreisströmungslinien, (Index ′ steht für Beschleunigung bzw. Linksdrehung)
D koaxiale Strömungsbereiche, Verzögerung
D′ koaxiale Strömungsbereiche, Beschleunigung
Zustandsebenen des Turbotriebwerks
I, II Querschnitte im Überlagerungsbereich, bzw. I′, II′
j₄₅ Prozeßgröße des Prozesses, der von Zustand 4 nach 5 führt
j₄₈ Prozeßgröße des Prozesses, der von Zustand 4 nach 8 führt
uST Umfangsgeschwindigkeit der Schubturbine
uT Umfangsgeschwindigkeit der Verdichterturbine
uV Umfangsgeschwindigkeit der Verdichterturbine
T Verdichterturbine, als Verdichter arbeitend (auch als Index)
V Verdichterturbine, als Turbine arbeitend (auch als Index)
cST Strömungsgeschwindigkeit im Gitter der Schubturbine
cT Strömungsgeschwindigkeit im Gitter der Verdichterturbine
cV Strömungsgeschwindigkeit im Gitter der Verdichterturbine
ST Schubturbine, allgemein
VT Verdichterturbine allgemein
pu Umgebungsdruck
Exergie
j spez. Dissipationsenergie
s Entropie
q Wärmemenge
cK Geschwindigkeit der Kreisströmungslinien K bzw. K′
dK Bogenlänge auf den Kreisströmungslinien K bzw. K′
w bzw. w′ Relativgeschwindigkeit der Strömungsmasse
SS Start- und Steigschub (mit Bezug auf die zugeordneten Flug- und Strahlgeschwindigkeiten)
RS Überschallreiseschub (mit Bezug auf die zugeordneten Flug- und Strahlgeschwindigkeiten)
VS Verzögerungsschub (mit Bezug auf die zugeordneten Flug- und Strahlgeschwindigkeiten)
cEin Eintrittsgeschwindigkeit, absolut
cG Austrittsgeschwindigkeit, absolut bez. d. Giersteuerung
wEin Eintrittsgeschwindigkeit, relativ
wAus Austrittsgeschwindigkeit, relativ
cR Austrittsdrall f. d. Rollsteuerung
ΔS, ΔS′ Geschwindigkeitsdifferenz f. d. Giersteuerung
zu Exergiezuführung
ab Exergie, nutzbar gemacht
v Verlustexergie = Anergie
1, 2, 3 . . . Zustandspunkte im Joule-Prozeß
i Enthalpie
S Ausschnitt
α Rollsteuerwinkel
linksdrehend
rechtsdrehend
B-B Teilschnitt bei rechtsdrehendem Kreiszylinder
E-E Teilschnitt bei linksdrehendem Kreiszylinder
F Ansicht auf die eingebauten Überschallantriebe
T, T′ Strömungskomponenten, tangentiale, (Index ′ steht für Beschleunigung bzw. Linksdrehung)
cT, c′T Translationsströmungen, (Index ′ steht für Beschleunigung bzw. Linksdrehung
K, K′ Kreisströmungslinien, (Index ′ steht für Beschleunigung bzw. Linksdrehung)
D koaxiale Strömungsbereiche, Verzögerung
D′ koaxiale Strömungsbereiche, Beschleunigung
Zustandsebenen des Turbotriebwerks
I, II Querschnitte im Überlagerungsbereich, bzw. I′, II′
j₄₅ Prozeßgröße des Prozesses, der von Zustand 4 nach 5 führt
j₄₈ Prozeßgröße des Prozesses, der von Zustand 4 nach 8 führt
uST Umfangsgeschwindigkeit der Schubturbine
uT Umfangsgeschwindigkeit der Verdichterturbine
uV Umfangsgeschwindigkeit der Verdichterturbine
T Verdichterturbine, als Verdichter arbeitend (auch als Index)
V Verdichterturbine, als Turbine arbeitend (auch als Index)
cST Strömungsgeschwindigkeit im Gitter der Schubturbine
cT Strömungsgeschwindigkeit im Gitter der Verdichterturbine
cV Strömungsgeschwindigkeit im Gitter der Verdichterturbine
ST Schubturbine, allgemein
VT Verdichterturbine allgemein
pu Umgebungsdruck
Exergie
j spez. Dissipationsenergie
s Entropie
q Wärmemenge
cK Geschwindigkeit der Kreisströmungslinien K bzw. K′
dK Bogenlänge auf den Kreisströmungslinien K bzw. K′
w bzw. w′ Relativgeschwindigkeit der Strömungsmasse
SS Start- und Steigschub (mit Bezug auf die zugeordneten Flug- und Strahlgeschwindigkeiten)
RS Überschallreiseschub (mit Bezug auf die zugeordneten Flug- und Strahlgeschwindigkeiten)
VS Verzögerungsschub (mit Bezug auf die zugeordneten Flug- und Strahlgeschwindigkeiten)
cEin Eintrittsgeschwindigkeit, absolut
cG Austrittsgeschwindigkeit, absolut bez. d. Giersteuerung
wEin Eintrittsgeschwindigkeit, relativ
wAus Austrittsgeschwindigkeit, relativ
cR Austrittsdrall f. d. Rollsteuerung
ΔS, ΔS′ Geschwindigkeitsdifferenz f. d. Giersteuerung
zu Exergiezuführung
ab Exergie, nutzbar gemacht
v Verlustexergie = Anergie
1, 2, 3 . . . Zustandspunkte im Joule-Prozeß
i Enthalpie
S Ausschnitt
α Rollsteuerwinkel
linksdrehend
rechtsdrehend
Claims (5)
1. Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub
und Fluglagensteuerung, umfassend einen Gaserzeuger
mit nachgeschalteten axialen Turbinenlaufrädern und Leitapparaten
weiter umfassend einen stromabwärts auf der Triebwerkslängsachse
angeordneten Kreiszylinder mit angeschlossenem
Leitgitter und axial durchströmten Laufradstufen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Turbotriebwerk
(1) aus einem Gaserzeuger (2) besteht, an den ein
Schubgenerator (3) angeschlossen ist, der wiederum aus einem
Drehzahlgeber (4), einem Kreiszylinder (5) und einem
Modulator (6) zusammengesetzt ist, daß weiterhin der Drehzahlgeber
(4) eine Gegenlaufturbine (7) und eine Steuerturbine
(8) enthält und daß die Gegenlaufturbine (7) aus einem
festen Leitrad (14), einem rechtsdrehenden 1. Laufrad (15)
sowie einem linksdrehenden 2. Laufrad (16) gebildet wird,
die beide über eine 1. Schaltkupplung (17) mit einem Lagerteil
(18) wechselseitig verbunden sind, daß ferner der Kreiszylinder
(5) einen Zylindermantel (9) und einen Zentrierkegel
(10) einschließt, daß dazu der Modulator (6) ein verstellbares
Leitgitter (11), eine Schubturbine (12) und eine
Verdichterturbine (13) aufweist, wobei letztere mittels einer
2. Schaltkupplung (28) mit der Schubturbine (12) verbunden
oder von dieser getrennt wird, daß ferner die Steuerturbine
(8) ein Vorleitrad (19), ein Steuerlaufrad (20) sowie
ein Ausgangsleitgitter (21) beinhaltet, daß zudem sowohl die
Schubturbine (12) als auch die Verdichterturbine (13) einzeln
oder gemeinsam durch eine Bremsvorrichtung (29) arretierbar
sind.
2. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die 1. Laufschaufelachsen (39) der Schubturbine (12)
mit je einem Verstellteller (34) ausgestattet sind, mit
denen der 1. Verstellkranz (30) im Eingriff steht, der seinerseits
durch den 1. Verstellzylinder (32) hydraulisch
betätigt wird und daß diese Verstellbauteile in einem
1. Ringgehäuse (35) zentriert sind.
3. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die 2. Laufschaufelachsen (40) der Verdichterturbine
(13) mit je einem Verstellteller (34) ausgestattet und mit
diesem im 2. Ringgehäuse (36) zentriert sind, daß ferner
die Verstellteller (34) mit dem 2. Verstellkranz (31) im
Eingriff stehen, der durch den 2. Verstellzylinder (33)
hydraulisch betätigt wird und daß dieser auf der Antriebswelle
(38) zentriert ist.
4. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Translationsströmungen (cT, c′T), die das Ausgangsleitgitter
(21) verlassen, die tangentialen Strömungskomponenten
(TT, T′T) bilden, mit denen die Kreisströmungslinien
(K, K′) durch Überlagerung eine zirkulationsbehaftete Umströmung
des Kreiszylinders (5) bewirken, wodurch zum einen die
koaxialen Strömungsverzögerungsbereiche (D) sowie zum anderen
die koaxialen Beschleunigungsbereiche (D′) erzeugt
werden.
5. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl die Schubturbine (12) als auch die Verdichterturbine
(13) des Modulators (6) alternativ aus mehreren Stufen
mit steuerbaren Umfangsgeschwindigkeiten (uST, uT und
uV) separat für die Strömungsverzögerungsbereiche (D) sowie
die Strömungsbeschleunigungsbereiche (D′) ausführbar sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995115966 DE19515966C2 (de) | 1995-05-02 | 1995-05-02 | Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub und Fluglagensteuerung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995115966 DE19515966C2 (de) | 1995-05-02 | 1995-05-02 | Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub und Fluglagensteuerung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19515966A1 DE19515966A1 (de) | 1995-10-19 |
DE19515966C2 true DE19515966C2 (de) | 1996-05-09 |
Family
ID=7760799
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995115966 Expired - Fee Related DE19515966C2 (de) | 1995-05-02 | 1995-05-02 | Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub und Fluglagensteuerung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19515966C2 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10208533B4 (de) * | 2002-02-27 | 2005-06-09 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zum Abgleichen des Widerstandes einer Widerstandsbahn |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4159624A (en) * | 1978-02-06 | 1979-07-03 | Gruner George P | Contra-rotating rotors with differential gearing |
US4969325A (en) * | 1989-01-03 | 1990-11-13 | General Electric Company | Turbofan engine having a counterrotating partially geared fan drive turbine |
-
1995
- 1995-05-02 DE DE1995115966 patent/DE19515966C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19515966A1 (de) | 1995-10-19 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |