DE2328460A1

DE2328460A1 - Turbinenstrahltriebwerk in mehrstromund mehrwellen-bauweise

Info

Publication number: DE2328460A1
Application number: DE19732328460
Authority: DE
Inventors: Heinrich Leibach
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1973-06-05
Filing date: 1973-06-05
Publication date: 1975-01-02

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den J>o, Mai 1973

Turbinenstrahltriebwerk in Mehrstrom- und Mehrwellen-Bauweise

Zusatz zu Patent .

(Patentanmeldung P 22 42 048.0)

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, welche mechanisch unabhängig von der Niederdruckturbine ist, die über einen Wellenstrang gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes ein mit verstellbar angeordneten Laufschaufeln ausgerüstetes Gebläse für den zweiten Kreisantreibt, wobei die Niederdruckturbine und/oder die Nutzleistungsturbine von den Abgasen eines Grund trieb v/er kes beaufschlagbar sind, und zwar mittels sowohl eines der

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Niederdruckturbine als auch der. Nutz1eistungsturbine zugehörigen Umgehungskanalsystems derart vorgeschalteten und ausgebildeten Absperreinrichtungen, daß beim Übergang vom Horizontalflug in den Senkrechtflug mit zunehmendem Verschwenken der Gebläseschaufeln in Richtung auf abnehmende Förderung die G-asbeaufschlagung der Niederdruckturbine sich vermindert, während die Gasbeaufschlagung der Nutzleistungsturbine sich zunehmend erhöht oder umgekehrt (Übergang vom Senkrechtflug in den Horizontalflug), wobei die Verstellung der Gebläseschaufeln in Richtung auf abnehmende bzw. zunehmende Förderung mit einer sinngemäß zunehmenden bzw. abnehmenden Förderstellung der Rotorblätter des Senkrechtschubgebläses oder Hubrotors koordinierbar ist, nach Patent (Patentanmeldung P 22 42 048.0).

Bei einem Turbinenstrahltriebwerk nach der angegebenen Gattung ist es von besonderer Bedeutung, daß es stets möglichst im Rahmen des optimalen Auslegungspunktes betrieben werden kann, trotz differenzierter Leistungsanforderungen, die beispielsweise durch einen variablen Schubbedarf verursacht vier den können.

Weiter sind mit diesem Turbinenstrahltriebwerk bereits wahlweiser Vortriebs- oder Senkrechtschub sowie die damit verbundenen Transitionsphasen, d.h. also Übergangsflugzustände, z.B. zwischen Senkrecht- und Horizontalflug, erzieLbar unter Vermeidung des bei bekannten Lösungen hierzu

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erforderlichen steuerungs- und regeltechnischen Aufwands, damit das Strahltriebwerk stets im Rahmen seines optimalen Auslegungspunktes arbeiten kann.

So sind z.B. Turbinenstrahltriebwerke für senkrecht- oder kurzstartende bzw. -landende Plugzeuge bekannt, bei denen sowohl der sogenannte "Kaltgasstrom" und/oder "Heißgasstrom" zum Zwecke der wahlweisen Vortriebs- oder Senkrechtschuberzeugung über seitlich am Triebwerk schwenkbar angeordnete Kniedüsen oder andere hierfür geeignete Strahlablenkvorrichtungen in die gewünschten Richtungen abgelenkt werden soll. '

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 umfanggeschwindigkeiten gegeneinander verdrehbaren RohrSegmenten bestehen, um z.B. den vom Strahltriebwerk geförderten Heißgasstrom - auf das Flugzeug bezogen - wahlweise, horizontal nach hinten oder nach unten gerichtet abströmen lassen zu können.

Weitere Nachteile im Rahmen bekannter Triebwerkskonzeptionen und Strahlenablenkmittel sind u.a. die überdurchschnittliche Geräuschbelästigung, die Gefahr sich einstellender Bodenerosionen, welche beim Kontakt der hochenergetischen

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heißen Gasstrahlen 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 Strahlenablenkmittel bei Heißgasstromablenkung, insbesondere, wenn gar zur Schubsteigerung beim Senkrechtstart eine zusätzliche Aufheizung des Heißgasstromes (Nachverbrennung) vorgesehen sein sollte.

Die Lösung nach der Erfindung des Hauptpatents soll bereits' die Nachteile bekannter Triebwerkskonfigurationen für Plugzeuge mit V/STOL-Eigenschaften 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 Strahlgeschwindigkeit bereitgestellt werden kann und andererseits - unter Gewährleistung eines optimalen Betriebsverhaltens des Strahltriebwerkes - eine mit relativ einfachen Mitteln erfolgende Leistungsumschaltung vom Strahltrieb- . werk auf mindestens ein Senkrechtschubmittel (Hubgebläse oder Hubrotor) möglich ist, unter Ausnutzung der dann nicht mehr benötigten Leistung, welche normalerweise für den Antrieb mindestens eines Mantelstromgebläses bereitgestellt werden muß.

Bei der Lösung nach der Erfindung des Hauptpatentes ist es

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weiter von wesentlichem Vorteil, daß das Senkrechtschubgebläse bzw. die Hubschraube einerseits, sowie das Frontgebläse andererseits, von getrennten Turbinen angetrieben werden, die in ihrer Leistungsaufnahme und Drehzahl getrennt geregelt werden können.

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

Weiter kann bei diesem älteren Vorschlag bereits mit der Verstellung der Rotorblätter des Hubrotors oder Senkrechtschubgebläse sowie mit der koordinierten Verstellung der Laufschaufeln des Prontgebläses in Verbindung mit der jeweiligen Verstellung der Absperreinrichtungen jede gewünschte Kombination von Leistung der Hubschraube und Schub des Triebwerks erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung sucht eine vorteilhafte Weiterbildung des eingangs genannten älteren Vorschlags dadurch zu schaffen, daß die Nutzleistungsturbine mit einem durch die innere Hohlwelle des Niederdrucksystems hindurchge-. führten Wellenstrang gekoppelt ist, welcher im Bereich des zwischen die innere Hohlwelle und das Gebläselaufrad geschalteten Untersetzungsgetriebes über ein Winkelgetriebe mit der Antriebswelle für die Hubschraube, bzw. den Hub- -

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rotor, 'kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Antriebswelle hohle Stützschaufeln des ersten und zweiten Kreises sowie das Mantelgehäuse durchragt und derart mit den Rotorblättern dem Triebwerk zugeordnet ist, daß bei Betrieb des Hubrotors bzw. der Hubschraube abwärts gerichtete Schubstrahlanteile vor dem Ansaugbereich der Grundtriebwerkseinheit sich befinden.

Für den beschriebenen zusätzlichen Aufladeprozeß der Grundtriebwerkseinheit kann es vorteilhaft sein, wenn bei angetriebener Hubschraube und stillstehendem Prontgebläse die dem inneren Kreis zugehörigen Schaufelpartien dieses Laufrads aerodynamisch wirkungslos ausgebildet sind.

Anhand eines Ausführungsbeispiels in Form eines Mittellängsschnitts eines Strahltriebwerkes ist die Erfindung in der Zeichnung weiter erläutert) darin'besteht das Strahltriebwerk der Reihe nach im wesentlichen - von links nach rechts - aus einem doppelflutig ausgebildeten Frontgebläserad 1, einem zweistufigen Hochdruckverdichter 2, einer beispielsweise koaxial zur Mittellängsachse 2 des Strahltriebwerkes angeordneten Ringbrennkammer 4, einer sich an diese anschließenden Hochdruckturbine 5 sowie einer Niederdruckturbine 6. Das Frontgebläselaufrad 1 ist über ein Untersetzungsgetriebe 7 mit der inneren Hohlwelle 7' gekoppelt, die mit dem Laufrad 8 der Niederdruckturbine 6 verbunden ist. Die Laufräder 9, 10 des Hochdruckverdich-

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ters 2 sind mittels einer die innere Hohlwelle 7* umschließenden weiteren 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 13 sowie diesen innerhalb eines Gebläseringkanals 14 nachgeschalteten Laufschaufeln 15 gebildet. Die verstellbaren Laufschaufeln 13 des Prontgebläses 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 Stützschaufeln ausgebildeten Schaufelpartien 17 des Frontgebläses 1 angeordnet ist. Die Laufschaufeln 13 des Prontgebläses sind normalerweise zum Zwecke der Vortriebsschuberzeugung in die Förderstellung verschwenkt, so daß der gesamte Vortriebsschub aus dem vom Frontgebläse geförderten Luftstrom und dem über eine Ringdüse 18 entweichenden Heißgasstrom bereitgestellt werden kann.

Weiter ist mit einigem Abstand hinter der Niederdruckturbine 6 eine- Nutzleistungsturbine 19 angeordnet. Die Nutz- -leistungsturbine 19 ist mit einem durch die innere Hohlwelle 7¹ des Niederdrucksystems hindurchgeführten Wellenstrang 21 verbunden, welcher im Bereich des Untersetzungsgetriebes 7 über ein Winkelgetriebe 22 mit der Antriebswelle 23 einer Hubschraube 25 gekoppelt ist, deren Rotor-

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blätter 2β verstellbar ausgeführt sein sollen.

Die Antriebswelle 23 der Hubschraube 25 ist u.a. durch eine hohle Stützschaufel 26'der dem ersten Kreis zugehörigen Grundtriebwerkseinheit, durch eine als Hohlschaufel ausgebildete Leitschaufel 15 des Prontgebläses sowie durch das Gebläsegehäuse 27 hindurchgeführt.

Bei in Betrieb befindlicher Hubschraube 25 können abwärts gerichtete Schubstrahlanteile in Richtung der Pfeile S über den Triebwerkseinlauf 28 dem Hochdruckverdichter 2 zugeführt, bzw. von diesem weiterverdichtet werden.

Weiter weisen die Niederdruckturbine 6 und die Nutzleistungsturbine 19 nach Maßgabe einer Leistungsumschaltung verstellbare oder als Absperreinrichtungen wirkende Vorleitschaufeln 29 und J5O auf.

Den Vorleitschaufeln 29 der Niederdruckturbine 6 sind weiter Ab sperr klapp en j51 vorgeschaltet, welche einerseits im Einklang mit der Verstellung der Vorleitschaufeln 29 deren Absperrwirkung unterstützen sollen und andererseits nach Maßgabe der Leistungsverteilung in beliebige Zwischenstellungen verschwenkbar- sind.

Zur Erzeugung ausschließlichen Vortriebsschubes für den Horizontalflug sind also die zum Frontgebläse gehörenden

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Laufschaufeln I3 in die Richtung auf maximale Förderung verschwenkt bei gleichzeitig voll nach außen verschwenkten Absperrklappen 31 zur Freigabe der Gasbeaufschlagung der Niederdruckturbine 6, deren zugehörige Vorleitschaufein 29 ebenfalls in Richtung· auf maximalen Strömungsdurchsatz eingestellt sind. Der von der Niederdruckturbine 6 abgearbeitete Restgasstrom gelangt dann mittels eines oberhalb der Nutzleistungsturbine I9 entlanggeführten Kanalsystems 32 zur ringförmigen Schubdüse l8.

Für den Übergang vom Horizontalflug in den Senkrechtflug werden die Laufschaufeln 13 des Frontgebläses in Richtung auf abnehmende Förderung verstellt, während gleichsam die Absperrklappen J51 zunehmend nach innen ver schwenkt werden und fernerhin auch die Vorleitschaufeln 29 durch sinngemäße Verstellung die Gasbeaufschlagung der Niederdruckturbine β 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 33 zur Nutzleistungsturbine 19, nachdem zuvor deren Vorleitschaufeln 30 eine Verstellbewegung im Sinne einer zunehmenden Strömungsfreigabe erfahren haben. "

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Hierdurch wird die Nutzleistungsturbine 19 und damit die Hubschraube 25 in Betrieb genommen, deren verstellbare Rotorblätter 26 dann in Richtung auf zunehmende Förderung verstellt werden.

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 diese Phase durch Verstellung der Rotorblätter 2.6 des Hubrotors 25 in Richtung auf abnehmende Förderung eingeleitet wird, bei sinngemäßer Betätigung der übrigen Absperreinrichtungen zum Zwecke einer zunehmenden In-Betriebnahme des Niederdrucksystems bzw. des Frontgebläses.

Anstelle der Absperrklappen J>1 sowie der verstellbaren Vorleitschaufeln 29, 50 können in axialer Richtung verstellbare Schieber vorgesehen sein, welche durch hydraulisch oder pneumatisch betätigte Steuerkolben verschoben werdenkönnen, um die wahlweise Gasbeaufschlagung der Nutzleistungsturbine 19 und der Niederdruckturbine 6 im oben genannten Sinne zu ermöglichen.

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Claims

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München, den 30. Mai 1975

Patentanspruch

Turbinenstrahltriebwerk in Mehrstrom- und Mehrwellen-Bauwei'se mit Einrichtungen zur Leistungsumschaltung zwecks wahl weisen Vortriebs- oder Senkrocht Schubes, wobei mindestens eine von Triebwerksgasen beaufschlagbare, über ein Getriebe mit einem Senkrechtsohubgebläse oder Hubrotor gekoppelte Nutzleistungsturbine vorgesehen ist, welche mechanisch unabhängig von einer Niederdruckturbine ist, die über einen Wellenstrang gegebenenfalls unter Zwisehenschaltung_% eines Untersetzungsgetriebes 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 eines der Niederdruckturbine als auch der Nutzleistungsturbine zugehörigen UmgehungskanalSystems derart vorgeschalteten und ausgebildeten Absperreinrichtungen, daß beim Übergang vom Horizontalflug in den Senk-

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rechtflug 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 Gebläseschaufeln in Richtung auf abnehmende zbw. zunehmende Förderung mit einer sinngemäß zunehmenden bzw. abnehmenden Förderstellung der -Rotorblätter des Senkrechtschubgebläses

oder Hubrotors koordinierbar ist, nach Patent

(Patent-Anmeldung P 22 42 048.0), dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzleistungsturbine (19) mit einem durch die innere Hohlwelle (7¹) des Niederdrucksystems hindurchgeführten Wellenstrang (21) gekoppelt ist, welcher im Bereich des zwischen die innere Hohlwelle (7^!) und das Gebläselaufrad (1) geschalteten Untersetzungsgetriebes (7) über ein Winkelgetriebe (22) mit der Antriebswelle (2J) für die Hubschraube (25), bzw. dem.Hubrotor, kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Antriebswelle (25) hohle Stützschaufeln (26, 15) des ersten und zweiten Kreises sowie das Mantelgehäuse (27) durchragt und derart mit den Rotorblättern (26) dem Triebwerk zugeordnet ist, daß bei Betrieb des Hubrotors bzw. der Hubschraube abwärts gerichtete Schubstrahlanteile vor dem Ansaugbereich der Grundtriebwerkseinheit sich befinden.

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