DE2242048A1

DE2242048A1 - Turbinenstrahltriebwerk in mehrstromund mehrwellen-bauweise

Info

Publication number: DE2242048A1
Application number: DE19722242048
Authority: DE
Inventors: Heinrich Leibach
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1972-08-26
Filing date: 1972-08-26
Publication date: 1974-03-07
Also published as: FR2197116A1; GB1439988A; FR2197116B3

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH.

München, den 24. August 1972

Turbinenstrahltriebwerk in Mehrstrom- und Mehrwellen-Bauweise

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenstrahltriebwerk in Mehrstrom- und Mehrwellen-Bauweise mit Einrichtungen zur Leistungsumschaltung zwecks wahlweisen Vortriebs- oder Senkrechtschubes, wobei mindestens eine von Triebwerksgasen beaufschlagbare, über ein Getriebe mit einem Senkrechtschubgebläse oder Hubrotor gekoppelte Nutzleistungsturbine vorgesehen ist.

Bei Turbinenstrahltriebwerken ist es von besonderer Bedeutung, daß sie stets möglichst im Rahmen ihres optimalen Auslegungspunktes betrieben werden können, trotz differenzierter Leistungsanforderungen, die beispielsweise durch einen variablen Schubbedarf verursacht werden können.

Insbesondere durch ein Turbinenstrahltriebwerk zu erzielender wahlweiser Vortriebs- oder Senkrechtschub sowie die damit verbundenen Transitionsphasen, d.h. also Übergangsflugzustände, z.B. zwischen Senkrecht- und Horizontalflug, sind mit einem

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relativ hohen regeltechnischen Aufwand verbunden, um das Strahltriebwerk stets im Rahmen seines optimalen Auslegungspunktes arbeiten lassen zu können.

Es ist weiter bei Turbinenstrahltriebwerken für senkrecht- oder kurzstartende bzw. -landende Flugzeuge bekannt, sowohl den sogenannten "Kaltgasstrom" und/oder "Heißgasstrom" zum Zwecke der wahlweisen Vortriebs- oder Senkrechtschuberzeugung über z.B. «eitlich am Triebwerk schwenkbar angeordnete Kniedüsen oder andere hierfür geeignete Strahlablenkvorrichtungen in die gewünschten Richtungen abzulenken.

Eine derartige Triebwerkskonzeption hat den Nachteil, daß nicht unerheblicher Steuer- und Regelaufwand für die synchrone Betätigung aller Schwenkdüsen notwendig wird. Dies trifft u.a. auch für Strahlablenkvorrichtungen zu, welche aus mehreren, mit verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten gegeneinander verdrehbaren Rohrsegeenten bestehen, um z.B. den vom Strahltriebwerk geförderten Keißgasstrom - auf das Flugzeug bezogen - wahlweise horizontal nach hinten oder nach unten gerichtet abströmen lassen zu können.

Veitfere Nachteile im Rahmen der genannten Triebwerkskonzeptionen und Strahlablenkmittel sind u.a. die überdurchschnittliche GeräuBChbelästigung, die Gefahr sich einstellender Bodenerosionen. welche beim Kontakt der hochenergetischen heißen Gasstrahlen

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mit dem Boden bzw. der Startfläche verursacht werden können, sowie weiter u.a. die anhaltenden und aufwendigen Vorkehrungen zur Beherrschung der relativ hohen Temperaturen innerhalb der Strahlablenkmittel bei Heißgasstromablenkung, insbesondere, wenn gar zur Schubsteigerung beim Senkrechtstart eine zusätzliche Aufheizung des Heißgasstromes (Nachverbrennung) vorgesehen sein sollte.

Weiter sind Flugzeuge mit Gasturbinentriebwerken bekannt, deren Leistung ausschließlich über Wellen und Getriebe an Senkrechtschubgebläse bzw. -Propeller abgegeben wird. In diesem Falle werden aber zur Erzeugung des Vortriebsschubes zusätzliche Marschtriebwerke benötigt.

Im Rahmen des eingangs umrissenen Problemkreises liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter Triebwerkskonfigurationen für Flugzeuge mit V/STOL-Eigenschaften zu beseitigen, indem die Vorteile eines in Mehrwellen-Mehrstrombauweise ausgeführten Strahltriebwerkes dahingehend ausgenutzt werden, daß einerseits zur Erzeugung des Vortriebsschubes ein relativ hoher Massendurchsatz bei relativ niedriger Str.ahlgeschwindigkeit bereitsgestellt werden kann und andererseits unter Gewährleistung eines optimalen Betriebsverhaltens des Strahltriebwerkes - eine mit relativ einfachen Mitteln erfolgende Leistungsumschaltung vom Strahltriebwerk auf mindestens ein Senkrechtschubmittel (Hubgebläse oder Hubrotor) erfolgen

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kann unter Ausnutzung der dann nicht mehr benötigten Leistung, welche normaler Weise für den Antrieb mindestens eines Mantelstromgebläses des Strahltriebwerkes bereitgestellt werden muß.

Ausgehend von einem Strahltriebwerk nach der eingangs angegebenen Gattung schlägt die Erfindung zur Lösung der gestellten Aufgabe hauptsächlich vor, daß die Nutzleistungsturbine mechanisch unabhängig von einer Niederdruckturbine ist, welche über einen Wellenstrang ein mit verstellbar angeordneten Laufschaufeln ausgerüstetes Gebläse für den zweiten Kreis antreibt, wobei die Niederdruckturbine und/oder die Nutzleistungsturbine von den Abgasen eines Grundtriebwerkes beaufschlagbar sind, und zwar mittels sowohl der Niederdruckturbine als auch der Nutzleistungsturbine so vorgeschalteten und ausgebildeten Absperreinrichtungen, daß beim Übergang vom Horizontalflug in den Senkrechtflug mit zunehmendem Verschwenken der Gebläseschaufeln in Richtung auf abnehmende Förderung die Gasbeaufschlagung der Niederdruckturbine sich vermindert, während die Gasbeaufschlagung der Nutzleistungsturbine sich zunehmend erhöht oder umgekehrt (Übergang von Senkrechtflug in den Horizontalflug), wobei die Verstellung der Gebläseaufschaufeln in Eichtung auf abnehmende bzw. zunehmende Förderung mit einer sinngemäß zunehmenden bzw. abnehmenden Förderstellung der Botorblätter des Senkrechtschubgebläses oder Habrotors koordinierbar ist.

Bei der Lösung nach der Erfindung ist es von wesentlichem Vorteil, daß das Senkrechtschubgebläse bzw. die Hubschraube

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einerseits sowie das Frontgebläse des Strahltriebwerks andererseits von getrennten Turbinen angetrieben werden, die in ihrer Leistungsaufnahme und Drehzahl getrennt geregelt werden können.

Die Leistungsumschaltung soll dabei stets so erfolgen, daß die Summe der von den Absperreinrichtungen einstellbaren Zuströmquerschnitte der Nutzleistungs- und Niederdruckturbine konstant gehalten wird.

Weiter kann mit der Verstellung der Rotorblätter des Hubrotors oder Senkre'chtschubgebläses sowie mit der koordinierten Verstellung der Laufschaufeln des Frontgebläses in Verbindung mit der jeweiligen Verstellung der Absperreinrichtungen jede gewünschte Kombination von Leistung der Hubschraube und Schub des Triebwerks erreicht werden.

Anhand zweier Ausführungsbeispiele ist die Erfindung in den Zeichnungen weiter erläutert; in den Zeichnungen ist

Fig. 1 der Mittellängsschnitt eines Strahltriebwerkes in einer ersten Ausführungsform und

Fig. 2 der Mittellängsschnitt eines Strahltriebwerkes in einer zweiten Ausführungsform.

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Das Strahltriebwerk nach Fig. 1 besteht der Reihe nach im wesentlichen - von links nach rechts - aus einem doppelflutig ausgebildeten Frontgebläserad 1, einem Hochdruckverdichter 2, einer beispielsweise koaxial zur Mittellängsachse des Strahltriebwerkes angeordneten Ringbrennkammer 4, einer sich an diese anschließenden Hohldruckturbine 5 sowie einer Niederdruckturbine 6. Das Frontgebläselaufrad 1 ist über eine innere Welle 7 mit dem Laufrad 8 der Niederdruckturbine 6 verbunden. Die Laufräder 9, 1o des Hochdruckverdichters 2 sind mittels einer die innere Welle 7 umschließenden Hohlwelle 11 mit dem Laufrad 12 der Hochdruckturbine 5 verbunden.

Das in den zweiten Kreis fördernde Frontgebläse des Strahltriebwerkes wird im wesentlichen von verstellbaren Laufschaufeln sowie diesen innerhalb eines Ringkanals 14 nachgeschalteten Leitschaufeln 15 gebildet. Die verstellbaren Laufschaufeln des Frontgebläses sind an einem ringförmigen Tragkörper 16 gelagert, der wiederum seinerseits koaxial zur Mittellängsachse 3 verlaufend, an den äußeren Enden der zum Laufrad 1 gehörenden, gegebenenfalls als Vorverdichterschaufeln ausgebildeten Schaufelpartien 17 des Frontgebläses 1 angeordnet ist. Die Laufund Leitschaufeln 13, 15 des Frontgebläses sind normaler Weise zum Zwecke der Vortriebsschuberzeugung in die Förderstellung verschwenkt, so daß der gesamte Vortriebsschub aus dem vom Frontgebläse geförderten Luftstrom und dem über eine Hingdüse 18 entweichenden Heißgasstrom bereitgestellt werden kann.

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Gemäß Fig. 1 ist weiter mit einigem Abstand hinter der Niederdruckturbine 6 eine Nutzleistungsturbine 19 angeordnet. Das Laufrad 2o der Nutzleistungsturbine 19 ist über ein Zahnrad-Winkel-Getriebe 21 mit der Antriebswelle 22 einer Hubschraube 23 gekoppelt, deren Rotorblätter 24 verstellbar sind.

Weiter weisen die Niederdruckturbine 6 und die Nutzleistungsturbine 19 nach Maßgabe einer Leistungsumschaltung verstellbare oder als Absperreinrichtungen wirkende Vorleitschaufein 25 und *26 auf.

Den Vorleitschaufein 25 der Niederdruckturbine 6 sind weiter Absperrklappen 26' vorgeschaltet, welche einerseits im Einklang mit der Verstellung der Vorleitschaufein 25 deren Absperrwirkung unterstützen sollen und andererseits in beliebige Zwischenstellungen verschwenkbar sind. .

Zur Erzeugung ausschließlichen Vortriebsschubes für den Horizontalflug sind also die zum Frontgebläse gehörenden Laufschaufeln 13 in die Sichtung auf maximale Förderung verschwenkt bei gleichzeitig voll nach außen verschwenkten Absperrklappen 26' zur Freigabe der Gasbeaufschlagung der Niederdruckturbine 6, deren zugehörige Vorleitschaufeln 25 ebenfalls in Richtung auf maximalen. Strömungsdurchsatz eingestellt sind. Der von der

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Niederdruckturbine 6 abgearbeitete Restgasstrom gelangt dann mittels eines oberhalb der Nutzleistungsturbine 19 entlanggeführten Kanalsystems 27 zur ringförmigen Schubdüse 18.

Für den Übergang vom Horizontalflug in den Senkrechtflug werden die. Laufschaufeln 13 des Frontgebläses in Eichtung auf abnehmende Förderung verstellt, wahrend gleichsam die Absperrklappen 26' zunehmend nach innen verschwenkt werden und fernerhin auch die Vorleitechaufein 25 die Gasbeaufschlagung der Niederdruckturbine 6 zunehmend verringern.

Mit dem zunehmenden Absperrvorgang der Gaszufuhr zur Niederdruckturbine 6, mit der Folge deren späterer Außer-Betriebnahme, gelangt der über die Hochdruckturbine 5 entweichende Gasstrom zunehmend in ein weiteres, oberhalb der Niederdruckturbine 6 entlanggeführtes Kanalsystem 28 zur Nutzleistungsturbine 19, nachdem zuvor deren Vorleitschaufeln 26 eine Verstellbewegung im Sinne einer zunehmenden Strömungsfreigabe erfahren haben. ~

Hierdurch wird die Nutzleistungsturbine 19 und damit die Hubschraube 23 in Betrieb genommen, deren verstellbare Rotorblätter 24- dann in Richtung auf zunehmende Förderung verstellt werden.

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Nach vollzogener Übergangsphase in den Senkrechtflug entweicht das von der Nutzleistungsturbine 19 verarbeitete Restgas über die Düse 29.

Der Übergang vom Senkrechtflug in den Horizontalflug erfolgt dann in umgekehrter Reihenfolge, wobei die Phase durch Verstellen der Rotorblätter 24 des Hubrotors 23 in Richtung auf abnehmende Förderung eingeleitet wird, bei sinngemäßer Be- ■ tätigung der übrigen Absperreinrichtungen zum Zwecke einer zunehmenden In-Betriebnahme des Niederdrucksystems bzw. des Frontgebläses. . .

Unter Anwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Teile ist Fig. 2 lediglich eine Abwandlung gegenüber Fig. 1 dahingehend, daß anstelle der Absperrklappen 26* sowie der verstellbaren Vorleitschaufeln 25, 26 in axialer Richtung verstellbare Schieber 3o bzw. 31 vorgesehen sind, welche durch hydraulisch oder pneumatisch betätigbare Steuerkolben 32 bzw. 33 verschoben werden können.

Bei voller Beaufschlagung der Niederdruckturbine 6 befindet sich der Schieber 3o in der mit ausgezogenen Linien.dargestellten Position, während sich dabei der der Nutzleistungsturbine 19 vorgeschaltete Schieber 31 in der mit ausgezogenen Linien dargestellten Absperrstellung befindet.

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Die. Absperreteilung des Schiebers 3o für die Niederdruckturbine 6 für die gleichzeitige Ablenkung der Gase in das Kanalsystem 28 ist gestrichelt angedeutet, wobei gleichzeitig gemäß gestrichelt wiedergegebener Kontur des Schiebers 31 die Gaszufuhr zur Nutzleistungsturbine 19 freigegeben ist.

Ansonsten ist die übrige Wirkungsweise der in Fig. 2 wiedergegebenen Triebwerksanlage mit derjenigen nach Fig. 1 identisch.

Im übrigen ist es bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. und 2 durchaus möglich, langer anhaltende Zwischenphasen zu durchfahren, z.B. einen langer anhaltenden Steigflug, resultierend aus Schubanteilen des Hubrotors, des Frontgebläees und der übrigen Triebwerksabgase.

Hierzu dürfte bevorzugt die Triebwerksanlage nach Fig. 2 unter Verwendung der Schieber 3o, 31 als Absperreinrichtungen geeignet sein.

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Claims

Patentansprüche

Turbinenstrahltriebwerk in Mehrstrom- und Mehrwellen-Bauweise mit Einrichtungen zur Leistungsumschaltung zwecks wahlweisen Vortriebs- oder SenkrechtSchubes, wobei mindestens eine von Triebwerksgasen beaufschlagbare, über ein Getriebe mit einem Senkrechtschubgebläse oder Hubrotor gekoppelte Nutzleistungsturbine vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzleistungsturbine (19) mechanisch unabhängig von einer Niederdruckturbine (8) ist, welche über einen Wellenstrang (7) ein mit verstellbar angeordneten Laufschaufeln (13) ausgerüstetes Gebläse für den zweiten Kreis antreibt, wobei die Niederdruckturbine (8) und/oder die Nutzleistungsturbine (19) von den Abgasen eines Grundtriebwerkes beaufschlagbar sind, und zwar mittels sowohl der Niederdruckturbine als auch der Nutzleistungsturbine so vorgeschalteten und ausgebildeten Absperreinrichtungen, daß beim Übergang vom Horizontalflug in den Senkrechtflug mit zunehmendem Verschwenken der Gebläselaufschaufeln in

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Richtung auf abnehmende Förderung die Gasbeaufschlagung der Niederdruckturbine sich vermindert, während die Gasbeaufschlagung der Nutzleistungsturbine sich zunehmend erhöht oder umgekehrt (Übergang von Senkrechtflug in den Horizontalflug) , wobei die Verstellung der Gebläselaufschaufeln in Richtung auf abnehmende bzw. zunehmende Förderung mit einer sinngemäß zunehmenden bzw. abnehmenden Förderstellung der Rotorblätter (24) des Senkrechtschubgebläses oder Hubrotors (23) koordinierbar ist.
2. Turbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Absperreinrichtungen in an sich bekannter Weise von verstellbaren Leitschaufeln (25, 26) gebildet sind, wobei den Leitschaufeln(25) der Niederdruckturbine (6) mit diesen zusammenwirkende Absperrklappen (26') vorgeschaltet sind.
3. Turbinenstrahl triebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperreinrichtungen von rotationssymmetrischen Schiebern (3o, 3*1) gebildet sind.
4. Turbinenstrahltriebwerk nach den Ansprüchen 1, 2 und 3* dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Beaufschlagung der Nutzleistungsturbine (19) diendendes erstes Kanalsystem (28)

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oberhalb der Niederdruckturbine (6) entlanggeführt ist, während ein zweites, an die Niederdruckturbine (6) angeschlossenes Kanalsystem (27) an dem ersten vorbei und dann oberhalb der Nutzleistungsturbine (19) entlanggeführt ist.
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