DE2153929A1

DE2153929A1 - Einrichtung zur luftentnahme fuer flugzeuge mit strahltriebwerken

Info

Publication number: DE2153929A1
Application number: DE2153929A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Ing Enderle; Wolfgang Dipl Ing Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1971-10-29
Filing date: 1971-10-29
Publication date: 1973-05-10

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION \ MÜNCHEN ΌΜΒΗ.· ^ München, den 19· Okt. 1971

Einrichtung zur Luftentnahme für Flugzeugs mit Strahltriebwerken

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Luftentnahme für Plugzeuge mit Strahltriebwerken, vorzugsweise Mehrwellen-Mehrstrom-Triebwerken, bei denen ein wesentlicher Teil des verfügbaren Triebwerksschubes von einer Front- oder Heckgebläseeinlieit bereitgestellt wird.

Eine Möglichkeit, die Start- und Landestrecken von Flugzeugen zu verkürzen, besteht neben der Verwendung spezieller Hubtriebwerke in der Anwendung von Hochauftriebsmitteln. Hierbei wird durch geeignete Vorkehrungen der Auftriebsbeiwert des Tragflügels stark vergrößert. Dies gesohleht beispielsweise durch Wölbungsklappen mit Grenzschichtbeeinflussung (z*B. Ausblasen von Luft), duroh die Anwendung von Strahlrudern, duroh Anwendung des Coanda-Effekter und agl. . Praktisch alle derartigen V-srfahren gehon davon aus, daß den Triebwerken des Flugzeuges während des Betriebs dieaei· Hoohauftriebsmittel - also Start und Landung -Luft in größeren Mengen entnommen werden kann, die etwa krtlsches oder schwach Überkritisches Drückverhältnis aufweist.

Eine kurzzeitige Luftentnahme aus dem Triebwerk bringt im Gegensatz zu einer kontinuierlichen Luftentnahme größere Schwierigkeiten mit sich. Wird die Luft hinter dem Triebwerksverdichter entnommen, so bedingt dies den wenigsten

gleich regelungstechnischen Aufwand. Das Leistungsfeewicht in diesem Betriebszustand wird dadurch aufrecht erhalten, daß die Temperatur vor der Turbine entsprechend erhöht wird, wodurch der Betriebspunkt des Verdichters - wenn man von der mit der Temperaturerhöhung einhergehenden Drehzahlsteigerung absieht - praktisch konstant bleibt.

Die Temperatur der Entnahmeluft ist dem Gesamtdruckverhältnis des Triebwerks entsprechend hoch - und beeinflußt damit die Konstruktion und das Gewicht des Tragflügels.

Wird Luft aus einer Zwischenstufe eines Verdichters entnommen, so sind neben der Temperaturerhöhung vor der Turbine - zur Aufrechterhaltung des Leistungsgleichgewichts - im Verdichter intensive PumpverhUtungsmaßnahmen nötig.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wird vorgeschlagen, ein Laufrad im Verdichter - oder Turbinenbereich, i.a. die Verdichtereintrittsstufe - im Falle eines Heckblä.ers das Heckbläser laufrad - mit Schaufeln auszustatten, die mehrere ProfllierungsabBChnitte aufweisen. D-r radial am weitesten

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außen angeordnete Profilierungsabschnitt wird hierbei als Grenzleistungs-Axialverdichter ausgebildet, dessen Förderstrom im Start- und Landefall den Hoohauftrlebsmltteln am Flugzeug zugeführt wird, im Reisefall in einem DUsensystem entspannt wird und zusätzlichen Vortrieb liefert und/oder zur Grenzschichtbeeinflussung im Sinne einer Widerstandsverminde» rung der Flugzeugzelle verwendet wird, wobei die Aufteilung des Förderstroms auf die genannten Verbraucher stetig vorgenommen werden kann.

Zwischen den einzelnen Profilierungsabschnitten des betreffenden Laufrades sind Dichtungsvorkehrungen angeordnet, um Jedes Gitter seiner Funktion entsprechend optimal auslegen zu können.

Die vorgeschlagene Anordnung des Zusatzverdichters für die Versorgung der Hochauftriebsmittel hat eine große Zahl Vorteile, von denen einige genannt werden sollen:

Keine Vergrößerung des Triebwerksdurchmessers i.a. einstufige Bauweise des Zusatzverdichtere infolge der hohen Umfangsgeschwindigkeit.

Hohe Wirkungsgrade des Zusatzverdichters, erzielbar u.a. durch die Möglichkeit einfacher Beseitigung der* Nabentot-W.U

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Optimale Anpassung des EntnahmeluftStroms an den Verbraueher.

Keine Regelungsprobleme infolge einer stetigen Luftentnahme aus dem Triebwerk.

Keine 'Regelungsprobleme ati Triebwerk bei unterschiedlicher Entb&hmeluftmenge für einen speziellen Verbraucher· da die Überschüssige Luft anderweitig z.B. zum Zwecke der Schuberhöhung verwendet werden kann.

Einfache Gestaltung der Entnahmeluftleitungen.

Keine Schubverluste im Triebwerk durch von der Entnahmeleitung verursachte Strömungsverluste.

Einige AusfUhrungnbelsplele der Erfindung sind in den Zeichnungen wiedergegeben} in den Zeichnungen ist

Fig. 1 die seitliche Ansloht eines teilweise aufgeschnitten dargestellten Turbinenstrahltriebwerkes mit einer Frontgebläseeinheit und mit Einrichtungen zur Auftriebs- bzw. Vortriebserzeugung in einer ersten Ausfuhr ungsform,

Pig. 2 die seitliche Ansicht eines weiteren, hier Jedoch an der Tragfläche eines Plugzeuges befestigten und im Bereich der Prontgeblftseeinheit teilweise aufge-

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schnitten dargestellten Turbinenstrahltriebwerkes mit einer Einrichtung zur Auftriebserhöhung bzw. Grenzschichtbeeinflussung,

Pig. 3 die seitliche Ansicht eines weiteren an der Tragfläche eines Flugzeuges befestigten, hier jedoch im Bereich einer HeckgeblKseeinhelt teilweise aufgeschnitten dargestellten Turbinenstrahltriebwerkes mit Einrichtungen zur Auftriebserhöhung bzw. zur Grenzschichtbeeinflussung In einer zweiten Ausführungsfora,

Pig. 4 die scbematische Darstellung eines entlang der oberen Hälfte aufgeschnittenen Frontgebläses mit einem erfindungsgemäßen Grenzleistungs-Axlalverdichter zur Auftriebs- oder Vortriebserzeugung bzw. Greazschihtbeelnflus«ung, sowie eines dem Frontgebläse nachgeschaiteten Axialverdichters,

Pig. 5 die schematieche Darstellung eines entlang der oberen Hälfte aufgeschnittenen Axialverdichters unter Zuordnung eines Grenzleistungsaxialverdichters für die bereits angegeber ^n Wirkungen und

Pig. 6 die schematische Darstellung eines zu einem Strahltriebwerk gehörenden, entlang der oberen Hälfte aufgeschnittenen Frontgebläses mit nachgeschaltetem Axialverdichter unter Zuordnung eines weiteren Grenz-Iel8tungsaxialverdichters für die bereits erwähnten Wirkungen.

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Flg. 1 veranschaulicht ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Zwei-Wellenstrahltriebwerkes in Mehn.trom-Bauweise, bestehend der Reihe nach - von links nach rechts - aus einem Frontgebläselaufrad 1 mit übereinander, angeordneten, verschieden profilierten Laufschaufeln 2, 3 und 4 und diesen nachgeschalteten Leitschaufeln 5, 6 und 7. Die Lauf- und Leitschaufeln 2 und 5 bilden den Niederdruckverdichter des Strahltriebwerkes, die Lauf- und Leitschaufeln 3 und 6 dienen zur Förderung eines ZweJHuftstromes in einen Ringkanal 8 zur Vortriebsschuberzeugung. Die Lauf- und Leitschaufeln 4 und 7 bilden einen Grenzleistungs-Axialverdichter mit dessen Wirkung über später anhand der übrigen AusfUhrungsbeispiele noch näher erläuterte Einrichtungen verdichtete Luft entweder Hochauftriebsmittel (Pfeil H) oder einem DUsensystem 9 zur zusätzlichen Vortriebsschuberzeugung (Pfeil V) zugeführt wird. Dem im wesentlichen von den Lauf- und Leitschaufeln 2, 5 gebildeten Niederdruckverdichter ist ein Hochdruckverdichter Io und diesem wiederum eine koaxial zur Triebwerksachse 11 angeordnete Ringbrennkammer 12 nachgeschaltet. An die Ringbrennkammer 12 schließt sich eine zweistufige Hochdruckturbine 175 und an diese dann eine einstufige Niederdruckturbine ΐΛ an.

Der Niederdruckverdichter 2, 5 und die Niederdruckturbine 14 sind über die innere Welle 15 und der Hochdruckverdichter Io und die Hochdruckturbine 13 sind über eine die innere Welle 15 umschließende Hohlwelle I6 miteinander verbunden.

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Flg. 2 erläutert die Erfindung bei einem an der Tragfläche 17 eines Flugzeuges befestigten Turbinenstrahltriebwerk, dessen grundsätzlicher Aufbau im wesentlichen mit demjenigen des Triebwerkes nach Fig. 1 identisch ist. Ein Grenzleistungs-Axialverdichter 28 ist hierbei integrierter Bestandteil der Tragfläche 17 und wird dabei im wesentlichen von an den äußeren Enden eines Frontgebläselaufrades 19 angeordneten Laufschaufeln 2o mit diesen nachgeschalten, festen Leitschaufeln 21 gebildet. Beim Flugbetrieb kann der- vom Grenzleistungs-Axialverdichter 18 geförderte komprimierte Luftstrom einem ersten und/oder einem zweiten Rohrleitungssystem 22, 25 zugeführt werden. Dabei kann ein aus dem ersten Rohrleitungssystem 22 in Richtung des Pfeiles F ausgeblasener Luftstrom eine Verminderung der sich an der Tragflächenoberseite ausbildenden Lüftgrenzsehicht herbeiführen. -

Weiter kann mittels eines Teiles oder mittels des gesamten vom Grenzleistungs-Axialverdichter 18 geförderten Luftstromes zusätzliche Vortriebschub erzeugt werden (Pfeilrichtung V des aus einer DUsenöffnung 24 des zweiten Rohrleitungssystems 22 entweichenden Luftstromes).

Beispielsweise beim Start des Flugzeuges und nach hinten unten geschwenkter Bremsklappe 25 (gestrichelte Position) kann der aus der DUsenöffnung 24 abströmende Luftstrom V^f, welcher sich aufgrund des sogenannten "Coandaeffektes" an der Oberseite der

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Bremsklappe 25 anschmiegt, unter gleichzeitigem Ansaugen zusätzlicher Umgebungsluft U zusätzlichen Auftrieb erzeugen. Im Interesse einer verkürzten Startstrecke des Flugzeuges können weiter ein erster und ein zweiter verdichteter Luftstrom S₁, Sg sowie die Abgase Q des Grundtriebwerkes aufgrund der nach hinten unten geschwenkten Position der Bremklappe 25 nach hinten unten abgelenkt werden (Positionen S₁ ¹, Sg¹, G¹).

Mit 26 ist in Fig. 2 eine Steuerklappe bezeichnet, welche die sinngemäße Umsteuerung des vom Grenzleistungs-Axialverdichter 18 geförderten Luftstromes in das erste und/oder zweite Rohrleitungssystem 22, 2J herbeiführen soll.

Gegenüber Fig. 1 und Fig. 2 ist das AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 3 im wesentlichen abgewandelt durch das Vorhandensein einer Heckgebläseeinheit 27 eines an der Tragfläche 28 einen Flugzeuges befestigten Strahltriebwerkes, dessen grundsätzliche Wirkungswelse derjenigen des Triebwerkes nach Fig. 1 entsprechen .soll. Das aus mehreren unterschiedlich beschaufelten Prof.ilierungsabschnitten bestehende Heckgebläselaufrad 29 trägt im Bereich seines äußersten Umfanges die Laufschaufeln Jo eines Grenzleistungs-Axialverdichters Jl, welcher innerhalb des Mantelctroinnehäuses 22 der Heckgebläseeinheit 27 angeordnet ist. In der gentrlrholt darßestelltcn Lape einer Steuerklappe

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kann der vom Orenzlelstungs-Axialverdichter 31 geförderte Luftstrom hier z.B. zwei Rohrleitungssystemen 34, 35 gleichzeitig zugeführt werden. Der in Pfeilrichtung H aus dem Rohr-

34 leitungssystem/abströmende Luftstrom kann im Interesse einer Grenzschichtbeeinflussung über die Tragflächenoberseite geblasen werden. Dex> über das Rohrleitungssystem 35 abführbare Anteil des vom Grenzleistungs-Axialverdichter 31 geförderten Luftstromes kann alternativ mit der Jeweiligen Endlage der Bremsklappe 36 eHnhergehend zur Vortriebsschuberzeugung (Pfeil V) oder zur zusätzlichen Auftriebsschuberzeugung (Pfeil V^f) dienlich sein.

In der mit ausgezogenen Linien dargestellten Endlage der Steuerklappe 33 wäre eine Gebläseschubverstärkung der Heckgebläseeinhelt 27 mittels des vcm Grenzleistungs-Axialverdichter 31 geförderten Luftstromes denkbar.

Die Figuren 4, 5 und 6 sollen vor allen Dingen veranschaulichen, daß die Anwendung; des Erfindungsged8nlcens, also die Jeweilige Zuordnung eines Orenzleistungs-Axialverdichters zum Turbinenstrahltriebwerk keine nennenswerte Vergrößerung des äußeren Triebwerksdurehmessers herbeiführen muß, und zwar insbesondere im Interesse einer gegenüber herkömmlichen Triebwerkskonzeptionm sich nicht vergrößernder Stirnfläche.

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In Pig. 4 sind die an den Enden der Laufschaufeln 37 einer Frontgebläseeinheit 38 angeordneten Laufschaufeln 39 sowie die Leitschaufeln 4o und der diesen nachgeschaltete Luftsammelraum 41 des Grenzleistungs-Axialverdichters 42 innerhalb des Mantelstromgehäuses 4} dieser Prontgebläseeinheit 38 angeordnet, bzw. von diesem umschlossen. Ein kleinerer Anteil des von der Prontgebläseeinheit 58 geförderten Luftströmen wird hler beispielsweise im Hochdruckverdichter 44 der Grundtriebwerkeeinheit weiter verdichtet.

In Pig. 5 sind z.B. die Laufschaufeln 45 des Gre.nzleistungs-Axialverdichters 46 einer Laufschaufelreihe 47 eines mehrstufigen Axialverdichters 48 eines Strahltriebwerkes zugeordnet. Weiter kann der in Fig. 5 dargestellte Axialverdichter 4b beispielsweise einem an sich bekannten, in den Zeichnungen nicht weiter aargestellten Ein-Wellen-Einkreistrisbwerk zugeordnet sein.

Pig. 6 veranschaulicht beispielsweise die Möglichkeit einer mehrstufigen Ausführung eines Grenzleistungs-Axialverdichters mit zwei Reihen am äußeren Umfang von Laufschaufeln 5o einer Prontgcbläceeinheit 51 angeordneten Laufschaufeln 52, 53· Die festen Leitschaufeln des Grenzleistungs-Axialverdichters 49 sind rait 5^ und 55 bezeichnet.

In mit ausgezogenen Linien dargestellter' Position einer Stcuerkrlappe 55*wird eine SpmmeIleitung 56 zur Beaufschlagung hLer

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nicht weiter dargestellter Hochauftriebsmittel abgesperrt, so daß der vom Orenzleistungs-Axialverdiohter 49 geförderte Luftstrom über einen Ringraum 57 zur Vortriebssohuberzeugung abgeführt werden kann. In der gestriohelten Position der Steuerklappe 55* ware es denkbar» sowohl die Sammelleitung 56 als auch den Ringraum 57 mittels des vom Grenzleistungs-Axialvcrdichter 49 geförderten Luftstromes zu beaufschlagen.

Ein Orenzleistungs-Axialverdichter nach der Erfindung läßt sich f also im verdichterseitigen oder turblnenseitigen Bereich eines \ Strahltriebwerkes anordnen. ZweckmäBigerwelse wird man die \

Laufschaufeln eines solchen Grenzlelstungs-Axialverdiohters an den Enden eines Jeweils längsten Verdichter- oder Turbinenschaufel satzes anordnen, um damit die relativ hohen Umfangsgeschwindigkeiten im Bereich der Ender dieser relativ langen Schaufeln nutbar zu machen.

Abweichend von den vorstehend beschriebenen, beispielhaften Anwendungen und Wirkungsweisen liegt es welter durchaus im

einem Rahmen des Erfindungsgedankens, den von/der genannten Grenz lelstungs-Axlalverdichter, also z.B. 4y (Pig. 6), geförderten Luftstrom für Jeden beliebigen anderen zellenscitigen Verbraucher eines Flugzeuges zu verwenden; auf Pig. 6 bezogen, hoißt das also, daß z.B. bei mittels der Stouerklappe 55¹ abgesperrtem Ringkanal 57 deifvom Grenzleinttinßs-Axin]verdichter ^9 geförderte Luftsti - ber die Sammelleitung $6 für die KabinenbolUftunR verwendet wird.

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