DE2147828B2 - Gasturbinenstrahltriebwerk für kurz- oder vertikalstartfähige Flugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenstrahltriebwerk nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der DE-AS 12 42 453 ist ein Gasturbinenstrahltriebwerk dieser Gattung bekannt, das als Bypaßtriebwerk ausgebildet ist und axial hintereinander angeordnet einen Niederdruckverdichter, der Luft sowohl in den Bypaß-Kanal als auch in den Hauptstromkanal fördert, einen Hochdruckverdichter, eine Brenneinrichtung und eine aus Hochdruck- und Niederdruckturbine bestehende Turbinenanordnung aufweist, deren Auslaßströmung in einem sich erweiternden Strömungskanal bis zum .interen Triebwerksende gelangt, dort nach vorne umgelenkt wird und sodann zu zwei etwa in Höhe der Turbinenanordnung beiderseits des Triebwerks angeordneten, richtungsveränderlichen Schubdüsen strömt. Entsprechend seiner Konzeption als Zweistromtriebwerk weist das bekannte Triebwerk natürlich einen verhältnismäßig großen Durchmesser auf. Außerdem ist es bei dem als Zweistromtriebwerk ausgebildeten bekannten Triebwerk notwendig, daß der Druck im Bypaßstrom und im Heißgasstrom in allen Triebwerksbetriebszuständen etwa gleich ist, damit sich diese beiden Ströme in den Düsen vermischen. Während die Druckanpassung von kaltem Bypaßstrom und heißem Hauptstrom bei normalen, als reine Horizontalschubtriebwerke arbeitenden Bypaßtriebwerken mit am hinteren Triebwerksende angeordneter Strahldüse bei weitem nicht so kritisch ist, da dort bei einem Druckunterschied eine Saugstrahlpumpenwirkung eintritt, ist die Druckanpassung bei dem tskannten Triebwerk infolge der seitlichen Schwenkdüsenanordnung in der Praxis nur schwer zu verwirklichen. Da der Druck im Bypaßstrom begrenzt ist, muß das Triebwerk zur Ermöglichung eines hohen Massendurchsatzes mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit einen ziemlich großen Durchmesser und demzufolge einen

ι s ziemlich großen Lufteinlauf aufweisen.

Es hat sich aber gezeigt, daß sich mit einem derartigen Triebwerk lediglich Geschwindigkeiten im Bereich der Schallgeschwindigkeit erreichen lassen. Sehr viel größere Geschwindigkeiten, beispielsweise im Bereich doppelter Schallgeschwindigkeit, lassen sich nicht erzielen, da dann die ziemlich großen Lufteinläufe und der verhältnismäßig große Triebwerksdurchmesser einen zu hohen Luftwiderstand bedingen.

Außerdem ist aus der DE-AS 12 23 625 ein als reines

Senkrechthubtriebwerk ausgebildetes Gasturbinenstrahltriebwerk bekannt, bei welchem ebenfalls die Turbinenauslaßströmung im Gegenstrom zur Verdichtereinlaufströmung verläuft Bei diesem, als Einstromtriebwerk konzipierten Triebwerk gelangt die Verdichterauslabströmung in eine am hinteren Triebwerksende angeordnete Gegenstrombrennkammer, in welcher die Arbeitsmittelströmung nach vorne umgelenkt wird und sodann die Turbine durchströmt die durch einen radial außen auf den Verdichterschaufelkranz der letzten Verdichterstufe aufgesetzten Turbinenschaufelkranz gebildet ist Danach tritt die Arbeitsmittelströmung durch eine am vorderen Triebwerksende angeordnete, vertikal nach unten ausmündende Düse aus. Diese bekannte Triebwerksbauart eignet sich zwar wegen ihrer Kürze und Kompaktheit gut als reines Hubtriebwerk, ist jedoch aufgrund des wegen der konzentrischen Anordnung von Turbine und Verdichter zwangsläufig großen Triebwerkdurchmessers naturgemäß nicht für ein Haupttriebwerk für Flugzeuge geeignet die im Horizontalflug eine große Geschwindigkeit erreichen sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinenstrahltriebwerk der eingangs genannten Art so auszulegen, daß es sich auch für den

Überschallgeschwindigkeitsbereich eignet

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst
Das erfindungsgemäße Triebwerk bringt den Vorteil, daß es aufgrund seiner Konzeption als Einstromtriebwerk und der Anordnung der Schubdüse bzw. Schubdüsen im Bereich zwischen Verdichter und Turbine sehr schlank ist und nur einen verhältnismäßig kleinen Lufteinlauf benötigt so daß auch der das Triebwerk aufnehmende Flugzeugrumpf entsprechend schlang ausgebildet sein kann und dadurch der Luftwiderstand des Flugzeugs klein bleibt. Weiter bewirkt die Anordnung der Schubdüse bzw. der Schubdüsen, daß bei abwärts gerichtetem Schubstrahl die Schubwirkungslinie etwa durch den Triebwerksschwerpunkt hindurchverläuft, wobei der Triebwerksschwerpunkt aufgrund der Triebwerksgesamtkonzeption etwa in der Triebwerksmitte liegt, so daß sich eine

günstige Einbaulage des Triebwerks im Flugzeug ergibt, nämlich hinterhalb der Pilotenkanzel, die deshalb ganz vorne im Flugzeug liegen kann. Diese Einbaulage des Triebwerks fällt auch in den Bereich der größten Rumpfbreite, und ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, daß durch den Zusammenfall von Triebwerksschwerpunkt und Flugzeugschwerpunkt infolge der Düsenanordnung in Höhe des Triebwerksschwerpunktes eine Veränderung des Flugzeuggesamtgewichts vom Startgewicht zum Landegewicht keine Veränderung der Gesamtschwerpunktslage ergibt Dadurch erübrigen sich komplizierte Ausgleichseinrichtungen. Die Düsenanordnung zwischen Verdichter und Turbine trägt auch insoweit zur schlanken Gestalt des Triebwerks bei, als der sich erweiternde, von der Turbine zur Düse bzw. zu den Düsen führende Auslaßkanal nur von dem ziemlich schlanken, die unter hohem Druck stehende Verdichterauslaßströmung führenden Verdichterauslaßkanal umgangen zu werden braucht Weiter ergibt sich als vorteilhafte Begleiterscheinung der •erfindungsgemäßen Triebwerksanordnung noch eine Vorwärmung der vom Verdichter kommenden Luft durch die Turbinenabgase, wodurch der spezifische Brennstoffverbrauch ohne nennenswerten Schubverlust günstiger wird.

Der Anspruch 2 bezieht sich auf die Verkörperung der Erfindung bei einem zwei Verdichter und zwei Turbinen aufweisenden Zweiwellen-Triebwerk zur Erzielung der obengenannten Vorteile.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigen

Fig. IA, IB und IC aneinandergesetzt einen Axialhalbschnitt durch ein Einwellentriebwerk,

Fig.2 einen schematischen Axialschnitt durch eine etwas abgewandelte Ausführungsform eines Einwellentriebwerks,

Fig.3 einen schematischen Axialhalbschnitt durch ein Zweiwellentriebwerk und

Fig.4 ein mit einem Triebwerk ausgestattetes Flugzeug.

Das in den Fig. IA, IB und IC dargestellte, als Einwellentriebwerk ausgebildete Gasturbinentriebwerk weist einen mehrstufigen Verdichter 10 auf, der Luft in Richtung des Pfeiles B fördert. Die vom Verdichter geförderte Luft strömt durch einen Kanal 11 zum hinteren Triebwe, ksende und gelangt dort in eine Gegenstrombrennkammer 12, in welcher die Strömungsrichtung umgekehrt wird. Durch Brennstoffeinspritzer 13 wird Brennstoff in die Brennkammer eingespritzt und in der einströmenden Luft verbrannt, so Die so entstehenden heißen Gase durchströmen eine zweistufige Turbine 14 in Richtung eines Pfeiles C also entgegengesetzt zur Strömungsrichtung B der Verdichterauslaßstr&mung. Die Turbinenauslaßströmung gelangt in eine ringförmige Auslaßkammer IS und von ss dieser aus in zwei beiderseits des Triebwerks angeordnete Schwenkdüsen 16, von denen nur eine dargestellt ist. Diese Schwenkdüsen 16 sind jeweils mittels einer Lagerkonstruktion 17, 62 um eine Schwenkachse A-A herum drehbar gelagert.

Der Verdichterrotor und der Turbinenrotor sind auf einer gemeinsamen Welle 20 angeordnet, die mittels dreier Rollenlager 19,21 und 22 und eines Axiallagers 23 gelagert ist. Am hinteren Wellenende ist ein Zahnrad 24 angeordnet, mit welchem ein Zahnrad 25 in Eingriff steht, dessen in einem Lager 27 gelagerte Welle zum Antrieb von Zusatzaggregaten dient. Das erste Leitrad 29 des Verdichters ist mit Verstellschaufeln versehen.

Da Verdichter und Turbine in entgegengesetzter Richtung vom Arbeitsmittel durchströmt werden, addieren sich die in der gleichen Richtung wirkenden, im Verdichter und in der Turbine erzeugten Axialkräfte. Zur Verringerung der Axialbelastung des Axiallagers 23 dient eine Ausgleichseinrichtung, die einen Teil der Axialkräfte auf das Triebwerksgehäuse überleitet Die Ausgleichseinrichtung wird mittels des nachstehend erläuterten Luftsystems betrieben.

Hinter dem vierten Verdichterleitrad 30 wird Luft über ein Abblaseventil 31 abgezapft und gelangt durch einen Kanal 32 zum Axiallager 23, welches dadurch gekühlt wird, und entweicht sodann durch Dichtungen 33 und 34. Die durch die Dichtung 33 ausströmende Luft vermischt sich mit Luft niedrigen Druckes in einem Raum 40, die hinter dem achten Verdichterlaufrad 36 gemäß Pfeilen 37 durch eine Dichtung 35 hindurch und um die letzte Laufradscheibe 38 herum in den Raum 40 gelangt nt Außerdem gelangt gemäß Pfeil 39 Leckluft aus einer Kammer 42 durch eine Γ Achtung 41 hindurch in die Kammer 40. Aus der Kammer Ό wird die unter niedrigem Druck stehende Luft durch nichtgezeigte Kanäle für Kühlzwecke abgeleitet

Aus der Kammer 42, in welche Luft durch eine Dicht-ing 43 hineingelangt strömt die Luft gemäß Pfeil 44 in eine Kammer 45, in welcher sie mit aus der sechsten Verdichterstufe in einen Kanal 46 abgezweigten Luft vermischt wird. Der größte Teil dieser Luft dient zur Kühlung des Abgasteils dos Triebwerks, wie die Pfeile 49 zeigen.

Gemäß Pfeilen 51 strömt Luft hohen Druckes aus dem Verdichter in eine Kammer 52, die vorderhalb einer Trennwand 50 liegt, und erzeugt dort einen hohen Druck. Durch eine Dichtung 47 gelangt Luft in eine hinter der Trennwand 50 gelegene Kam;.:· 48 und erzeugt dort einen niedrigen Druck. Auf diese Weise wird infolge der Ober der Trennwand 50 stehenden Druckdifferenz ein nach hinten gerichteter Druck auf die Welle 20 ausgeübt wodurch das Axiallager 23 entlastet wird. Die durch den hohen Luftdruck in der Kammer 52 erzeugten Kräfte werden über einen feststehenden Aufbau 53 und Platten 54 auf das Triebwerksgehäuse übertragen.

Aus der Kammer 52 gelangt die Luft durch einen Zwischenraum zwischen der Welle 20 und einer Verkleidung 56 hindurch gemäß Pfeilen 55 zur Turbine und dient dort zur Schaufelkühlung. Die unter niedrigem Druck stehende Luft aus der Kammer 48 strömt gemäß Pfeilen 59 außen an der Verkleidung 56 entlang und dient zur Kühlfilrabildung in der Auslaßkammer 15, in welche sie durch Schlitze 57 eintritt.

Aus der Dichtung 34 entweichende Luft strömt gen ä3 Pfeilen 58 entlang der Welle 20 und kühlt die hinteren Rollenlager 22 und 19.

Ein zusätzlicher, das Axiallager 23 entlastender Differenzdruck wird durch Luft hohen Druckes vorderhalb einer Wellenschulter 60 und durch zur Lagerkühlung dienende Luft niedrigen Druckes hinter dieser Wellenschulter erzeugt. Zur Kühlung der Turbinenleitschaufetn wird außerdem Luft hohen Druckes aus dem Kanal Il gemäß den Pfeilen 61 zugeführt.

Das in F i g. 2 gezeigte Triebwerk ist dem Triebwerk nach F i g. 1 ähnlich, so daß zur Bezeichnung seiner Teile die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 verwendet sind. Während jedoch das in F i g. 1 gezeigte Triebwerk zwei beiderseits angeordnete Düsen aufweist, ist bei dem in F i g. 2 dargestellten Triebwerk nur eine einzige,

an der Triebwerksunterseite angeordnete Düse 70 vorgesehen, die eine Anzahl teleskopartig ineinanderschiebbarer Hohlkugelsegmente 71 aufweist. In Fig. 2 sind die Hohlkugelsegmente in ihrer ausgefahrenen Stellung gezeigt, in welcher der Schubstrahl nach hinten ausgestoßen wird. Soll der Schubstrahl nach unten gerichtet werden, werden die Hohlkugelsegmente durch Schwenken um eine Achse 72 teleskopartig ineinandergeschoben, wie in F i g. 2 gestrichelt dargestellt ist.

Während die Fig. IA bis IC und 2 jeweils als Einwellentriebwerke ausgelegte Triebwerke darstellen, zeigt F i g. 3 ein Zweiwellentriebwerk. Dieses Zweiwellentriebwerk nach Fig. 3 weist einen Niederdruckverdichter 80. einen Hochdruckverdichter 81, eine Brenneinrichtung 32, eine Hochdruckturbine 83 und eine Niederdruckturbine 84 auf. Die vom Niederdruckverdichter 80 geförderte Luft strömt zum hinteren Tricb-A-crkscnde, wird der! nach verne umgelenkt und durchströmt sodann den Hochdruckverdichter 81, dessen Auslaßströmung weiter nach vorne in die Brenneinrichtung 82 gelangt. Die aus der Brenneinrichtung austretende Heißgasströmung strömt ebenfalls nach vorne durch die Hochdruckturbine 83 und die Niederdruckturbine 84 hindurch und gelangt in eine axial zwischen dem Niederdruckverdichter 80 und der Niederdruckturbine 84 angeordnete Schwenkdüse 85, die um eine Achse AA herum schwenkbar ist. Die Niederdruckturbine ist durch eine Niederdruckwelle mit dem Niederdruckverdichter und die Hochdruckturbine durch eine Hochdruckwelle 87 mit dem Hochdruckverdichter verbunden. Gewünschtenfalls kann die Schwenkdüse 85 gemäß den strichpunktierten Linien 86 von hinter dem Niederdruckverdichter 80 abgezweigter Luft umströmt werden.

Fig.4 zeigt ein mit einem Triebwerk der in den Fig. IA bis IC gezeigten Art ausgestattetes Flugzeug. Das Flugzeug weist zwei an seinen beiden Seiten angeordnete Lufteinläufe 90 auf, durch welche das mit 91 bezeichnete, gestrichelt angedeutete Triebwerk mit Luft gespeist wird. Zwei Schwenkdüsen 92, die beiderseits des Flugzeugrumpfes angeordnet sind, befinden sich im Bereich des Flugzeugschwerpunktes, se daß die Resultierende der Schubkräfte durch den Flugzeugschwerpunkt verläuft. Vorderhalb jeder Schwenkdüse 92 ist eine Verkleidung 93 zur Verbesserung der Aerodynamik beim Vorwärtsflug angeordnet.

Es sind auch Zwiliingstriebwerksanordnungen möglich, wenn Querverbindungskanäle vorgesehen sind, die eine Stabilisierung auch bei nur einem in Betrieb befindlichen Triebwerk ermöglichen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gasturbinenstrahltriebwerk für kurz- oder vertikalstartfähige Flugzeuge mit Verdichter, Brenneinrichtung und axial hinter dem Verdichter angeordneter Turbine, wobei die Turbinenauslaßströmung im Gegenstrom zur Verdichtereinlaufströmung verläuft und der Schubstrahl durch eine oder zwei in derselben Triebwerksquerebene vorderhalb des hinteren Triebwerksendes angeordnete richtungsveränderliche Schubdüse bzw. Schubdüsen ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittelströmung des als Einstromtriebwerk ausgebildeten Triebwerks vom Verdichterauslaß unmittelbar zum hinteren Triebwerksende geleitet wird, wo sie in der als Gegenstrombrennkammer ausgebildeten Brenneinrichtung (12) eine Richtungsumkehr erfährt und nach vorne durch die Turbine (14) hindurchströmt und in die im Bereich zwischen Verdichter (10) und Turbine (14) angeordnete Schubdüse bzw. Schubdüsen (16) gelangt

2. Gasturbinenstrahltriebwerk für kurz- oder vertikalstartfähige Flugzeuge mit einem Niederdruckverdichter und einer diesen antreibenden Niederdruckturbine, einem Hochdruckverdichter und einer diesen antreibenden Hochdruckturbine, und einer Brenneinrichtung, wobei die Turbinenauslaßströmung im Gegenstrom zur Verdichtereinlaßströmung erfolgt und der Schubstrahl durch mindestens eine vorderhalb des hinteren Triebwerksendes seitlich angeordiiete richtungsveränderliche Schubdüse ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Auslaß Jes Niederdruckverdichters (80) unmittelbar zum hinteren Triebwerksende geleitete Arbeitsmittelströmung nach der Richtungsumkehr nach vorne durch den Hochdruckverdichter (81), die Brenneinrichtung (82), die Hochdruckturbine (83) und die Niederdruckturbine (84) in die im Bereich zwischen Niederdruckverdichter und Niederdruckturbine angeordnete Schubdüse bzw. Schubdüsen (85) strömt.