DE2147828C3

DE2147828C3 - Gasturbinenstrahltriebwerk für kurz- oder vertikalstartfähige Flugzeuge

Info

Publication number: DE2147828C3
Application number: DE2147828A
Authority: DE
Inventors: Stanley George Wotton-Underedge Gloucestershire Hooker; Gordon Manns Bristol Lewis
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1970-09-26
Filing date: 1971-09-24
Publication date: 1979-10-18
Also published as: DE2147828A1; FR2108006A1; US3779486A; DE2147828B2; GB1370887A; IT940943B; FR2108006B1

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 Bypaßtricbwerk ausgebildet ist und axial hintereinander angeordnet einen Nicdcrdrtickvcrdichter, der Luft sowohl in den Bypaß-Kanal als auch in den tliiiiptstromkana! fördert, einen Hochdruckverdichter, eine Brenneinrichtung und eine ν us Hochdruck- und Niederdrucktiirbine beste.iende Turbinenanordnung aufweist, deren Auslaßströmuiig in einem sich erweiternden Strömungskanal bis /um hinteren Triebwerksende gelangt, dort nach vorne umgelenkt wird und sodann /u zwei etwa in Hohe der Ttirbinenanordnurig beiderseits des ! riehwcrks angeordneten, rich lungs ve rand L-rl ic he η Schubdüsen strömt, Einsprechend seiner Konzeption als /weistiom triebwerk weist das bekannte Triebwerk natürlich einen verhältnismäßig großen Durchmesser auf. Außerdem lsi es bei dem als /weislromlnebwerk ausgebildeten bekannten [riebwerk notwendig, daß der Druck im llypaßstrom und im I leißgassir< >m in allen i nehwerkshetriebszustäuden etwa l'IcicIi ist. damit sich diese beiden Ströme in den Düsen vermischen. Während die Druckanpassung von kaltem Bypaßsirom und heißem Hauptsirom 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 bekannten Triebwerk infolge der seillichen 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 ziemii"h großen Durchmesser und demzufolge einen 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 doppeller 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 beta .int, bei welchem ebenfalls die Turbinenauslaßströmung im Gegenstrom zur Verdichtereinlaufströmung verläuft. Bei diesem, als Einstromtriebwerk konzipierten Triebwerk gelangt die Verdichterauslaßströmung in eine am hinteren Triebwerksende angeordnete Gegenstrombrennkammer, in welcher die Arbeitsmiitelströmung nach vorne umgelenkt wird und sodann die Turbine durchströmt, die durch einen radial außen auf den Verdichterschaufclkranz der letzten Verdichterstufe aufgesetzten Turbinenschaufelkranz gebildet ist. Danach tritt die Arbeitsmittelströmung durch eine am vorderen Triebwerksende angeordnete, vertikal nach unten ;i'.i.smündende Düse aus. Diese bekannte Triebwerksbauart eignet sich zwar wegen ihrer Kürze und Kompaktheit gut als reines Hubtriebwcrk, 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 IJ be rsch a I !geschwindigkeit she reich eignet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden '!'eil des llauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Das erfindungsgemäße Triebwerk bringt den Vorteil, daß es aufgrund seiner Konzeption als l'.instromtnebwerk und der Anordnung der Schubdüse bzw. Schubdüsen im Bereich /wischen Verdichter und Turbine '-ehr schlank ist und nur einen verhältnismäßig kleinen I .ufieinlauf benotig!, so dall auch der das Triebwerk aufnehmende 1 lug/eiigi umpl entsprechend schlang ausgebildet sein kann und daduri h der Luftwiderstand des Flugzeugs klein bleibt. Weiter bewirkt die Anordnung der Schubdüse b/u der Schubdüsen, daß bei ahwaits gerichtetem Schiibstr.ihl die Scliuhw irkiitigslinie etwa d'.ip'h ¹IcIi 11 nh'.'. r'iks schwerpunkt hindiirchven.iult. wobei der Inehwerksschwerpunkt aufgrund der I neb'.', erksgcsüinlkonzcp· Hon etwa in der Triebwerk smi ι te hegt, so dall sii h emc

günstige Einbaulage des Triebwerks im Flugzeug ergibt, nämlich hinierhalb 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 Gesam'.schwerpunktslage 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 erf;r.dungsgemäßen 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 Erzielungderobengenannten Vorteile.

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

Fig. !A, IB und iC aneinandergesetzt einen Axialhalbschnitt durch ein Einwellentriebwerk,

Fig. 2 einen schemalischen Axialschnitt durch eine etwas abgewandelte Ausführungsform eines Kinwellentriebwerks,

F i g. 3 einen schematischen Axialhalbschnitt durch ein Zweiwellentriebwerk und

F i g. 4 ei^r mit einem Triebwerk ausgestaltetes Flugzeug.

Das in den Fig. IA. IB und IC dargestellte, als I'.inwellentriebwerk ausgebildete Gasturbinenlriebwerk weist einen mehrstufigen Verdichter IO auf, der Luft in Richtung des Pfeiles B fördert. Die vom Verdichter geförderte Luft stiömi durch eine. Kanal Il zum hinteren Triebwerksendc und gelangt dort in eine Gegenstrombrcnnkammcr 12, in welcher die Strömungsrichtung umgekehrt wird. Durch ßrcnnstoffeinspritzcr 1.3 wird BrcnüMoff in die Brennkammer eingespritzt und in der einströmenden Luft verbrannt, Die so enirtehcnden heißen Gase durchströmen eine zweistufige Turbine 14 in Richtung eines Pfeiles C. also entgegengesetzt zur Strömiingsnchtung Ii der Verdich'.erauslaßströnu/ng. Die Tu rhi nenau ski !.(strömung gelangt in eine ringförmige Atislaßkammer 15 und von dieser aus in zwei beiderseits ties Triebwerks angeordnete Schwenkdüscn 16, von denen nur eine dargestellt ist. Diese Sehwenkdüsen 16 sind jcweii-, mittels einer l.agerkonstniktion 17, 62 um eine .Schwenkachse AA herum drehbar gelagert.

Der Verdichlcrroior und der I iiihmenrotor sind auf !■nur gemeinsamen Welle 20 angeordnet, die mittels .! ■ ·.·! Rollenlager 14, 21 und 22 und eines A viallagers 25 ::e!,ii:crl ist. Am hinleren VVellenende isl ein Zahnrad 24 angeordnet, nut welchem ein Zahnrad 25 in !-!ingriff stein, dessen in einem I ,'«er 27 gelagerte Welle zum \mnrh von Zusal/aj'i'iej'.iicn dient. Das erste Leitrad 2M₁Ii-S Verdichters ist mit Verstellschaufel!) 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 Lufisystems 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 ist. Außerdem gelangt gemäß Pfeil 39 Leckluft

2ü aus einer Kammer 42 durch eine DiL₁,.ung 41 hindurch in die Kammer 40. Aus der Kammer 40 wird die unter niedrigem Druck stehende Luft durch nichtgezeigte Kanäle für Kühlzwecke abgeleitet.

Aus der Kammer 42, in welche Luft durch eine

2i Dichtung 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 des Triebwerks, wie die Pfeile 49 zeigen.

Gemäß Pfeilen 51 strömi Luft h> .hen Druckes aus dem Verdichter in eine Kammer 52. d _■ vorderhalb einer Trennwand 50 liegt, und erzeugt ion einen hohen Druck. Durch eine Dichtung 47 gelangt Luft in eine

j-j hinter der Trennwand 50 gelegene Kammer 48 und erzeugt dort einen niedrigen Druck. Auf diese Weise wird infolge der über der Trennwand 50 stehenden Druckdifferenz ein nach hinten gerichteter Drue* auf die Welle 20 ausgeübt, wodurch das Axiallager 23

4Π entlastet wird. Die durch den hohen Luftdruck in der Kammer 52 erzeugten Kräfte werden über -.-inen feststehenden Aufbau 53 und Platten 54 au; das Triebwerksgehäuse übertragen.

Aus der Kammer 52 gelangt die Lu^ft 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

w dient zur Kühlfilmbi'dung in der Alislaßkammer 15. in welche sie durch Schlitze 57 eintritt.

Aus der Dichtung 3-J entweichende Luft strömt gcmäu f feilen 58 entlang der Welle 20 und kühlt die hinteren Rollenlager 22 und 19.

-.-■) Ein zusätzlicher, das Axiallager 23 emiastender Differenzdruck wird durch Luft hohen Druckes vorderhalb einer Wellenschtilter 60 und durch zur Lagerkühlung dienende Luft niedrigen Druckes hinter dieser Wcllenschuller erzeugt. Zur Kühlung der

hu TürbitlenleitsuhiUlfeln wird aiiikrdem Luft hohen Druckes aus dem Kanal Il genial! den l'feiien 61 zugeführt.

l),is in F-" ι g. 2 gezeigte Triebwerk ist dein Triebwerk nach F-' i g. I ähnlich, ■ η dal! zur Bezeichnung seiner Teile

*■-> die gleichen Bezugs/eichen mc in F'ig. I verwendet sind. Wahrend jedoch das in I ι g. I gezeigte Triebwerk zwei beiderseits angeordnete Düsen aufweist, isi hei dem in F-" ι g. 2 dargestellten Triebwerk nur eine einzige.

.in (It'i¹ I nebw erksiiriterscilc angeordnete Düse 70 \ orgcschen. die cine Λπ/;ιΙιΙ lcleskoparlig ineinander si'hiL'hh.ircr I lohlkiigelsegmcnle 71 aufweist. In Γ ι g. 2 sind ilic I lohlkugelsegmente in ihrer ausgefahrenen Stellung gezeigt, in welcher der Schubstrahl mich Innren > ausgestoßen wird. Soll der Schubstr;ihl n;ich linien gerichtet werden, werden die Hohlkugelscgmente durcli Schwenken um eine Achse 72 teleskopartig ineinander geschoben, w ie in I' i g. 2 gestrichelt dargestellt ist

Wahrend die I·'i g. ΙΛ bis IC und 2 jeweils ,ils ί l-.inw ellenlnebwerke ausgelegte I nelnverke darstellen, zeigt I ig. ! ein /weiwellentriebwerk. Dieses /wc.wc! len'nehwerk nach I i g. 3 weist einen Niederdni,k\ er dichter 80. einen Hochdruckverdichter 81. eine hren.i einnchtung 82. eine I lochdrtickturbine 83 und cmc " Niederdruckturbine 84 auf. Die vom Nicderdni;k\ er dichter 80 geforderte Luft strömt /um linieren 1 rn'hu. I¹I-Ii ^t¹IlI ((■ Win) dort n;irh Vitriic tinuTi'li'nl, I im,!

durchströmt sodann den Hochtlruckserdichtt'i 81. dessen Auslaüströmung weiter nach vorne πι die :■ Brennemrichtiing 82 gelangt. Die aus der Hrenneinrich tnng austretende I leiBgasströmung strömt ebenfalls nach \orne durch die 1 lochdruckttirbine 83 ίιηΙ die Niederdruckturbine 84 hindurch und gelangt n eine a\i.il /wischen dem Niederdruckverdichtcr 80 und der :

Niederdi'ucktiirbine 84 angeordnete Schwenkdiise 85 die um cmc Achse Λ A herum schwenkbar ist. Dk Niederdruckturbine ist durch cmc Niederdruckwclle mi dem Nietici (Irin k\ crdichler und die llochdruckturiiiru durch eine 1 lochdiuckwelle 87 mit dem llochdriickver dichter '.erblinden (iewiinschlenfalls kann du Schwenkdiise 85 gemäß den sirichpunktierten Linien 8f von hinter dem N lederdrueks erdichter 80 abge/w eigtei I .lift umströmt werden.

I i y 4 /cigl ein mn einem 1 nebwelk der in der I ig IA bis H ge/eigten Art ,iiisgcstatleles I liig/eug Das I lug/eng weist zwei ,in seinen beulen Seilet angeordnete l.ufteinlaufe 90 auf dun.h welche das im 41 bezeichnete, gestrichelt angedeutete Triebwerk mi I.lift gespeis! wird, /wei Schwenkdüsen S2. du beiderseits des I lug/eugrunipfes angeortlnel sind befinden sich im Bereich des l'hig/eugschw erpunktes ii. ,uα ,.ii._. KesMtiiereniie :\>:^r Schubk^fre durch de; riug/eugschwer|)unkt verläuft. Vorderhalb jcilei Schwenkdiise 92 isi eine Verkleidung 93 zur Verbesse rung der Xeroib iianiik beim Vorwärtsflug ungeordnet.

Is sind auch /w ilhngstriebw erksanordnungen mog hch. wenn (,)uer\erbindiingskanäle vorgesehen sind, du eine Stabilisierung auch bei nur einem in Hei net befindlichen Triebwerk '.'rmoglichen.

llierzi. h [i!,it;

Claims

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 riehtungsveränderliche 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 dureb i\e Turbine (14) hindurchströmt und in die im Bereich zwischen Verdichter (10) nrul Turbine 2fi (14) angeordnete Schubdüse bzw. Schubdüsen (16) gelangt.

2. Gasturbinenstrahltriebwerk für kurz- oder vertikalstartfähige Flugzeuge mit einem Niederdruckverdichter und einer diesen antreibenden :i Niederdruckturbine, einem Hochdruckverdichter und einer diesen antreibenden Hochdruckturbine, und einer Brenneinrichtung, wobei die Turbinenauslaßströmung im Gegenstrom zur Verdichtereinlaßströmung er^fo!gt und der Schubstrahl durch mindestens eine vorderhalb des hinteren Triebwerksendes seitlich angeordnet-., richtungsverärderliche Schubdüse ausgestoßen wird, Jadurch gekennzeichnet, daß die vom Auslaß di. > Nicderdruckverdichiers (80) unmittelbar zum hinteren Triebwerks- r> ende 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 Niederdruckverdich- -to ter und Niederdruckuirbine angeordnete Schubdüse bzw. Schubdüsen (85) strömt.