DE2351432A1 - Strahltriebwerksanlage - Google Patents

Description

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R. 863

Augsburg, den 12. Oktober 1973

Rolls-Royce (1971) Limited, 14/15 Conduit Street,

London W.l,, England

Strahltriebwerksanlage

Die Erfindung betrifft eine Strahltriebwerksanlage mit einem, in einem Triebwerksgehäuse mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt angeordneten Gasturbinen-Turboluftstrahltriebwerk und mit einer, das Triebwerk mit seinem Gehäuse aufnehmenden, für überschall-Pluggeschwindigkeiten ausgebildeten Triebwerkszelle mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt, welche zusammen mit dem Triebwerksgehäuse

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einen Kanal mit im Querschnitt im wesentlichen·quadratischem Außenumfang und im Querscnnitt im wesentlichen kreisrundem Innenumfang begrenzt und einen Einlaß aufweist, durch welchen bei Pluggeschwindigkeiten bis zu Überschallgeschwindigkeiten ümgebungsluft sowohl in das Triebwerk als auch in den Kanal gelangt* Insbesondere betrifft die Erfindung ein Triebwerk, welches im Verhältnis zu bekannten Triebwerken beim Start weniger Lärm verursacht.

Beim überschallflug ist es zur Vermeidung eines Wellenwiderstandes wünschenswert, daß die Triebwerkszelle über ihre ganze Länge einen, im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt aufweist. Ferner ist es wünschenswert, daß die Querschnittsfläche der Triebwerkszelle so klein wie möglich ist. Polglich ist die konventionelle Lösung unter berücksichtigung dieser beiden Beschränkungen die Anwendung einer . Strahlwiedererhitzung, wobei die Wiedererhitzung beim Start und bei transsonischer beschleunigung angewendet wird, uis ist aus Geräuschstudien bekannt, daß das durch einen Triebwerksstrahl erzeugte Geräusch der achten Potenz der otranlgeschwindigkeit proportional ist. Infolge der Strahlwiedererhitzung nat das Triebwerk eine große Abgasgeschwindigkeit, was aber zum Erreichen von überschall-

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ßAD OWGfNAL

geschwindigkeiten notwendig ist®

Im allgemeinen ist es wünschenswert, beim Start eine wesentliche Geräuschminderung zu erreichen, da beim Start, wo das Flugzeug dem"Boden am nächsten ist, das verursachte Geräusch am unangenehmsten ist.

Bei einem gegebenen Schub ist ein Triebwerk mit Strahlwiedererhitzung langer und weist einen verhältnismäßig kleineren Durchmesser auf als beispielsweise ein Turboprop-Gasturbinentriebwerk. Die zusätzliche Länge ist zur Bereitstellung des· Raumes notwendig, in welchem einer Luftmasse die Energie zur Erzeugung einer größeren Strahlausströmgeschwindigkeit zugeführt wird. Es ist einzusehen, daß, wenn bei einem gegebenen Startschub die Strahlausströmgeschwindigkeit vermindert wird, eine beträchtliche Geräuschverminderung erreichbar ist»

Es ist jedoch unerwünscht, daß die Länge oder die Breitenausdehnung des Triebwerks und folglich der Triebwerkszelle über das für transonisene Beschleunigung und üb'erschall-Reisefluggeschwindigkeiten unbedingt notwendige Maß hinaus zu vergrößern, um bei gleichem Startschub die Strahlausströmgeschwindigkeit beim Start zu vermindern·. Eine Vergrößerung der Triebwerkslänge macht, abgesehen von der damit

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verbundenen Gewichtszunahme, die Konstruktion des ohnehin schon langen Triebwerks noch komplizierter und irgendeine Vergrößerung der Breitenausdehnung hat einen vergrößerten Strömungswiderstand zur Folge,

Die gegenwärtige Größe der Triebwerkszelle läßt sich erreichen, indem man sie so klein wie möglich und nur so groß macht, wie es zur Aufnahme des Turboluftstrahltriebwerks und des zur Kühlung des Gehäuses und der Hilfsgeräte des Triebwerks notwendigen Kühlluftstroms notwendig ist«

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Turboluftstrahltriebwerk so auszubilden, daß es bei wesentlich verminderten Geräuschpegeln beim Start im Vergleich zu einem herkömmlichen Turboluftstrahltriebwerk mit Strahlwiedererhitzung und gleichem Schub in einer Triebwerkszelle mit im wesentlichen gleichen Abmessungen, wie sie für das erwähnte herkömmliche Triebwerk erforderlich wären, und ohne wesentliche Vergrößerung der Gesamtlänge der Triebwerkszelle Raum findet.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine Strahltriebwerksanlage der eingangs dargelegten Art gemäß der Erfindung durch ein in der Triebwerkszelle angeordnetes, durch das Triebwerk angetriebenes Gebläse gekennzeichnet,

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welchem mindestens teilweise durch den genannten Kanal Luft zugeführt wird.

Die erfindungsgemäße Triebwerksanlage weist vorzugsweise in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß, einen Verdichter, eine Brennkammeranordnung, eine mit dem Verdichter in Triebverbindung stehende Turbine, ein Strahlrohr und eine konvergente-divergente Strahldüse auf, wobei alle diese Teile das Turboluftstrahl-Gasturbinentriebwerk bilden, und weist außerdem das den Verdichter und die Turbine umgebende Triebwerksgehäuse, das hinter der Turbine angeordnete und mit der Turbinenwelle gekuppelte Gebläse, einen weiteren, durch ein weiteres, das Gebläse umgebende Gehäuse gebildeten Kanal mit einem koaxial innerhalb der Strahldüse gelegenen Auslaß für den vom Gebläse geförderten Luftstrom, und Mittel zur Veränderung des Gebläsedurchsatzes auf', welch letztere durch parallel zum genannten Lüfteinlaß angeordnete Lufteinlaßmittel für das Gebläse gebildet sind.

. Diese Anordnung nach der Erfindung ermöglicht es, eine Anordnung mit veränderlichem Durchsatz, zusammen mit einem Turboluftstrahl-Gasturbinentriebwerk in einer Triebwerkszelle unterzubringen, deren Querschnittsfläche durch

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das Triebwerksgehäuse bestimmt ist, d,h» nicht mehr durch den Durchsatz beeinflussende Komponenten, beispielsweise einen Frontpropeller mit einem Durchmesser bestimmt ist, der größer als der Durchmesser des Triebwerksgehäuses ist.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend· mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es stellen dar:

Pig, 1 einen Längsschnitt durch ein.

Triebwerk nach der Erfindung,

Pig, IA das Vorderteil des in Pig, I

dargestellten Triebwerks,

Pig. 2 einen Schnitt entlang der

Linie H-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die

Triebwerkszelle eines überschalltriebwerks nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der

Linie IV-IV in Fig. 3,

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Pig. 5 - einen Längsschnitt durch ein

Triebwerk'nach der Erfindung, welches in der in Pig. 3 dargestellten Triebwerkszelle untergebracht ist_ff

Fig. 6 eine weitere Aüsführungsform der

Erfindung mit gegenüber Pig, abgewandelter Luftzuführung,

Pig, 7 ein Triebwerk nach Fig. 5 mit noch

weiter abgewandelter Luftzuführung,

Figo 8 einen Längsschnitt durch eine

Triebwerksζeile für ein Gasturbinentriebwerk nach einer noch weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung,

Pig, 9 einen Schnitt entlang der

Linie IX-IX in Fig_e 8_S

Pig» IO einen Längsschnitt durch eine noch

weitere Ausführungsform eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung,

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Pig, 11 eine schematische Darstellung

eines Lufteinlasses für das Gasturbinentriebwerk nach Fig. 10,

Pig» 12 eine mehr ins einzelne gehende

Darstellung der Niederdruckverdichter des in Fig. 10 dargestellten Triebwerks, und

Fig. 13 eine Einzelheit der Verdichter

beschaufelung des Triebwerks nach Fig. 10,

Gemäß den Fig, 1 und 2 sind in Strömungsrichtung hintereinander ein Hauptlufteinlaß 10, ein Niederdruckverdichter 11, ein Hochdruckverdichter 12, eine Brennkammer 13, eine mit dem Verdichter 12 über eine Welle 15 verbundene Hochdruekturbine 14, eine über eine Welle 17 mit dem Verdichter 11 verbundene Niederdruckturbine 16, ein Strahlrohr 18, eine konvergente Düse 19 und eine divergente Düse 20 vorgesehen. Das Strahlrohr 18 bildet die PortSetzung eines Gehäuses 2OA, welches die zusammen ein Turboluftstrahl-Gasturbinentriebwerk, darstellenden Komponenten 11 bis 16 umgibt. Das Gehäuse 2OA weist über seine ganze Länge einem im wesentlichen kreisförmigen

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Querschnitt auf.

Konzentrisch innerhalb des Strahlrohrs 18 ist ein (rebläse 21 mit einem Rotorkörper 22 angeordnet, welcher über eine Welle 23 mit der Niederdruckturbine 16 verbunden und von derselben angetrieben ist. Mehrere, aus im Rotorkörper befestigten Laufschaufeln bestehende Laufschaufelkränze 23A wirken mit Leitschaufelkränzen 2M. zusammen, deren Leitschaufeln an einem Gehäuse 25 befestigt sind, welches den Rotorkörper umgibt und stromauf und stromab des Gebläses mit dem Rotor·? körper 22 zusammen Kanäle' 26 bzw, 26A begrenzt. Der Kanal 26A endigt in einer Düse 27,

Das Abgas der Turbine 16 wird durch einen zwischen dem Gehäuse 25 und dem Strahlrohr 18· gebildeten Kanal 28 den Düsen 19 und 20 zugeführt,

. Das Triebwerk ist innerhalb einer'Triebwerkszelle 29 mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt angeordnet,

welche mit der Unterseite einer Flugzeugtragfläche 30 verbunden ist. Die Triebwerkszelle ist mit Klappen veränderlicher Geometrie versehen, die so angeordnet sind, daß dem Turboluftstrahltriebwerk im ganzen Überschallgeschwindigkeitsbereich,· für welchen das Triebwerk vorgesehen ist,

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Luft bei den gewünschten Einlaßbedingungen zugeführt wird. Die Einzelheiten dieser Klappen, die dem Fachmann bekannt sind, werden noch anhand weiter unten beschriebener Ausführungsformen erläutert werden«

Zwischen der Triebwerkszelle und dem Gehäuse 2OA ist ein Kanal 31 gebildet, der an seinem einen Ende durch eine stromauf des Verdichters 11 gelegene Öffnung 32 mit dem Einlaß 10 und an seinem anderen Ende .durch hohle, radial durch den Kanal 28 verlaufende Flügel 33 mit dem Kanal 26 verbunden ist. Die öffnung 32 'stellt eine erste Einlaßöffnung für das Gebläse 21 dar und ist am engsten Teil des Einlasses derart angeordnet, daß sie der Seite des durch den Einlaß einströmenden Luftstromes zugewandt ist. Infolgedessen hat die durch die öffnung 32 strömende Strömung nur wenig Energie im Vergleicn zum Gesamtdruck der freien Strömung, Der Kanal wird von der Innenwandung der Triebwerkszelle 29 und der Außenwandung des Gehäuses 20A begrenzt und weist daher einen im Querschnitt im wesentlichen quadratischen Außenumfang und einen im Querschnitt im wesentlichen kreisrunden Innenumfang auf.

Eine zweite Einlaßöffnung 34 für das Gebläse 21 ist an der Unterseite der Triebwerkszelle vorgesehen und durch

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einen Teil des Kanals 31 mit dem Kanal 26 verbunden. Die öffnung 3^ ist durch eine angelenkte, löffeiförmige Klappe steuerbar, welche mittels Betätigungsorganen 36 bewegbar ist. Die öffnung 34 ist derart der frei strömenden Luft zugewandt, daß, wenn die Klappe geöffnet ist, Luft mit verhältnismäßig großer Energie zu der durch die öffnung einströmenden Luft zuströmt, so daß der Gesamtdruck vor dem Gebläse 21 ansteigt. Durch öffnen der Klappe 35 ist der Gebläsedurchsatz veränderbar.

Der Hauptzweck des Gebläses liegt darin, eine Vergrößerung des Durchsatzes und eine Verminderung der Geschwindigkeit des aus der Düse 20 austretenden Strahles zu ermöglichen, so daß die Schubwirkung verbessert und der Lärm beim Start und im unteren Fluggeschwindigkeitsbereich vermindert wird. Im oberen Fluggeschwindigkeitsbereich, wo größere Strahlgeschwindigkeiten erforderlich sind und die Lärmentwicklung unwichtig, ist, ist es dann wünschenswert, den Durchsatz des Gebläses 21 aus Gründen des Kreisprozesses und des Schubs wieder zu vermindern.

Die Fluggeschwindigkeit, bei welcher der Gebläsedurchsatz vermindert wird, kann nicht nur unter Berücksichtigung der Schubwirkung, sondern muß auch unter Berücksichtigung der

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Belastung der Turbine 16 gewählt werden. Die Last der Turbine 16 bilden der Verdichter 11 und das Gebläse 21, Die durch das Gebläse 21 gebildete Last ist eine Punktion der Drehzahl, der Einlaßtemperatur und des Gesamteinlaßdruckes des Gebläses, Die Druckomponente dieser Beziehung kann mittels der Klappe 35 wirksam gesteuert werden.

Die durch den Verdichter 11 gebildete Last ist im oberen Pluggeschwindigkeitsbereich am größten. Im unteren Pluggeschwindigkeitsbereich muß die Turbine Leistung zum Antrieb des Gebläses 21 erübrigen und im oberen Pluggeschwindigkeitsbereich ist der Gebläsedurchsatz vermindert und so verbleibt genügend Leistung zum Antrieb des Verdichters 11, Auf diese Weise wird die verfügbare Turbinenleistung gut ausgenützt.

Ein wichtiger Parameter, der den Punkt beeinflußt, an welchem die Turbine 16 nicht mehr sowohl den Verdichter 11 als auch den vollen Durchsatz des Gebläses 21 verkraften kann, ist die Einlaßtemperatur des Verdichters 11, Dieser Punkt tritt bei Mach-Zahlen in der Größenordnung von 1,3 auf, wo der wegen der Fluggeschwindigkeit auftretende Temperaturanstieg durch den Staudruck die niedrigen Umgebungstemperaturen

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ausgleicht, die in großen Höhen vorhanden sind.

Die Triebwerksanlage hat dementsprechend eine Steuereinrichtung, bei welcher ein Ausgangssignal Tl eines Temperaturfühlers 40 im Einlaß 10 einem Rechner k2, zugeführt wird, welcher die für das Gebläse abzweigbare Leistung in Form des dieser Leistung entsprechenden Gebläseeinlaß·» druckes PPlD bestimmt.

Dieser letztere Druck wird mit dem Ausgangssignal FPIÄ eines Druckfühlers 4l im Kanal 26 verglichen und ein Fehlersignal E erzeugt, welches dem Betätigungsorgan 36 zugeführt wird, welches die Klappe 35 derart bewegt, daß, wenn der berechnete Druckwert unter den tatsächlichen Druckwert FPlA abfällt, die Klappe 35 geschlossen wird und umgekehrt«, Damit die Berechnung dimensionslos wird, werden die Drehzahl der Turbine 11 und die Temperatur im Kanal 26 mittels geeigneter, nicht dargestellter Fühler erfaßt, die mit dem Rechner verbunden sind_e -

Es ist ersichtlieh₈ daß_s wenn die Klappe 35 geschlossen ist_s die durch die Einlaßöffnung 32 ©inströmende Luft weiterströmtc Damit soll die zur Vermeidung eines Stehenbleibens des Gebläses und zur Bildung eines inneren Kern-

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Strahles Jl, der zur Bildung einer inneren Grenzschicht für den ringförmigen, vom Kanal 28 ausgehenden Strahl J2 ausreicht, notwendige minimale Strömung aufrechterhalten werden.

Es ist klar", daß die Ausdehnungsverhältnisse der Strahlen Jl und J2 komplementär sind, d»h. beim überschallflug hat das Ausdehnungsverhältnis des Strahles J2 den größeren Wert, während beim Unterschallflug, wo das Gebläse in Betrieb ist, die beiden Ausdehnungsverhältnisse nahezu gleich sind.

Im Kanal 26A ist eine Brennkammer 37 £ur Vergrößerung des Schubs des Strahles Jl und zur Steuerung der Gebläsestrahlgeschwindigkeit sowie zur Verbesserung der Aerodynamik des Gebläses vorgesehen«

Das Gebläse ist so bemessen, daß der Durchmesser PD seines Gehäuses 25 innerhalb der größten axialen Projektion des Gehäuses 2OA, d,h, innerhalb des größten Durciimessers ED des Gehäuses 20A liegt. Auf diese Weise, vergrößert das Gebläse die Triebwerksfrontfläche nicht. Das Strahlrohr nimmt den Raum zwischen dem Gehäuse 25 und der Innenwandung, der Triebwerkszelle 29 ein» Die Gesamtquerschnittsfläche

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der Triebwerkszelle selbst wird durch den Durchmesser ED bestimmt, d*h_# die größte Querausdehnung der Triebwerkszelle ist nicht wesentlich größer als der Durchmesser ED, Bei einer quadratischen Triebwerkszelle, wie es hier der Fall ist, ist die Seitenlänge der Zelle nicht wesentlich größer als der Durchmesser ED, Dadurch unterscheidet sich die Triebwerkszelle beispielsweise von einer Zelle, welcne ein Triebwerk und einen Frontpropeller zur Erzeugung einer Bypass-Strömung über die Außenwandung des Triebwerksgehäuses beherbergt. Die Triebwerkszelle ist jedoch groß genug, daß der Kanal 31 auch am vorderen Triebwerksende zwischen der Zelle und dem Gehäuse 2OA Platz findet, die'Zellenwände die für die erforderliche Festigkeit notwendige Wandstärke haben können und kleinere aerodynamische Verkleidungen am vorderen und hinteren Ende der Triebwerkszelle möglich sind. Der Querschnitt der Triebwerkszelle ist über ihre ganze Länge etwa gleichförmig, so daß der Wellenwiderstand beim überschall· flug so klein wie möglich gehalten wird.

Der jeweils annehmbare Wellenwiderstand kann entsprechend dem Flugplan variieren. Beispielsweise bei einem für Überschall-Reisefluggeschwindigkeiten vorgesehenen Flugzeug ist im Hinblick auf den Brennstoffverbrauch ein niedriger Wellenwiderstand unbedingt notwendige Eine Entscheidung, in wie weit

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eine Abweichung von der genauen Gleichförmigkeit des Querschnitts zulässig ist, muß daher im Jeweiligen Fall getroffen werden und in der Praxis kann eine Trennlinie zwischen der Querschnittsungleichförmigkeit, die für eine Überschall-Triebwerks zelle zulässig ist, und einer Unterschall-Triebwerkszelle gezogen werden, bei welcher noch eine verhälntismäßig große üngleichförmigkeit zulässig ist.

Der Durchmesser des Strahlrohrs 18 kann größer als der Durchmesser ED sein, soweit es die Triebwerkszelle erlaubt, oder die Triebwerkszelle kann geringfügig vergrößert werden, um Forderungen nach ein wenig zusätzlichem Raum für das Strahlrohr gerecht zu werden«

Gemäß den Fig. 3 und 4 ist eine für überschallflug geeignete Triebwerkszelle 110 an der Unterseite 111 einer Tragfläche 112 eines nicht dargestellten Flugzeugs befestigt. Die Zelle weist einen im allgemeinen quadratischen Querschnitt auf, und bei dieser Äusführungsform ist eine zweite Zelle 113 unmittelbar neben der ersten Zelle 110 angeordnet, so daß nebeneinander.zwei Turboluftstrahltriebwerke il4 und-115 untergebracht sind®

Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist₉ weist die

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Triebwerkszelle 110 über ihre ganze Länge einen im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt auf und hat nur die zur Aufnahme des Triebwerks 114 unbedingt notwendigen Querabmessungen, Das Triebwerk 114 weist ein äußeres Gehäuse ll4A auf, welches über seine ganze Länge einen etwa kreisrunden Querschnitt aufweist, der jedoch selbstverständlich nicht gleichförmig ist, ■

Am vorderen Ende Il6.ist die Zelle 110 mit zwei Klappen 117 und 118 versehen, welche die Luftzufuhr zum Triebwerk Il4 bei den gewünschten Einlaßbedingungen über den gesamten Bereich der Überschallgeschwindigkeiten ermöglichen, für welche das Triebwerk ausgelegt ist. Die beiden Klappen 11? und 118 sind an ihrem vorderen bzw» hinteren Ende 119 bzw. 120 angelenkt und gemeinsam bewegbar, so daß die Stoßverhältnisse im Einlaß veränderbar sind und die Unterschall-Luftströmung nach dem Einlaßstoß ausgebreitet wirdg bevor sie den Triebwerkeinlaß 12Ϊ. erreicht® Im Boden der Triebwerkszelle ist eine Hilfsklappe 122 angeordnet_a die hydraulisch betätigbar 'und sowohl an Ihrem vorderen als auch an ihrem hinteren Ende angelenkt ist_s so daß sie in zwei Betriebsarten verwendbar ist_s nämlich erstens zum Verwirbeln von Luft bei Überschallgeschwindigkeiten und zweitens zum Einleiten "zusätzlicher ",Luft beim Start© Die

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Klappe 118 teilt außerdem den durch die Zelle strömenden Luftstrom und leitet einen Teil desselben in einen Kanal zwischen dem Turboluftstrahltriebwerk und der Zelle. Der Kanal 124 wird von der Innenwandung der Triebwerkszelle 11Θ und die Außenwandung des Gehäuses ll4A begrenzt und hat folglich einen im Querschnitt im wesentlichen quadratischen Außenumfang und einen im Querschnitt im wesentlichen kreisförmigen Innenumfang. Der Luftstrom durch den Kanal diente bisher hauptsächlich als Kühlluftstrom zur Kühlung des Triebwerks und lieferte nur einen kleinen Teil des Triebwerksschubs, wobei dieser Schubanteil durch Rückgewinnung eines Teils des EinlaßimpulswiderStandes entstand.

Gemäß der Erfindung soll dieser Luftstrom zur Geräuschminderung beim Start ohne Schubverlust oder Widerstandserhöhung verwendet werden©

Ein Hilfsverdichter 125 ist gemäß Fig_e 5 konzentrisch zur Niederdruckturbine 126 des Zweiwellen-Triebwerks 114 angeordnet und wird unmittelbar von dieser Niederdruckturbine 126 angetrieben® Auf diese Weise entnimmt der Hilfsverdichter 125 den Turbinenabgasen zusätzliche Arbeit und setzt diese Arbeit in eine Verdichtung des Kühlluftstromes durch.den Kanal 124 um. Stromab des Hilfsverdichters 125

ist eine Wiedererhitzungskammer 127 angeordnet, in welche Brennstoff eingeleitet und zur Vergrößerung des aus dem Kühlluftstrom erhältlichen Schubs verbrannt werden kann.

Bei den herkömmlichen überschall-Triebwerken wird das Abgas zur Erzielung eines großen Startschubs und einer großen Abgasgeschwindigkeit für den überschallflug wiedererhitzt» Bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Triebwerk findet keine Wiedererhitzung beim Start mehr statt und die Abgasgeschwindigkeit ist entsprechend vermindert. Die Abgasgeschwindigkeit ist außerdem durch die Energieentnahme durch den Hilfsverdichter 125 vermindert. Normalerweise würde diese Abgasgeschwindigkeitsverminderung zu einer Verminderung des Triebwerksschubs führen₉ jedoch wird dieser Schubverminderung durch die vom Hilfsverdichter vergrößerte Strömung entgegengewirkt» Die Geschwindigkeit der vom Hilfsverdichter 125 vergrößerten Strömung ist so gewählt, daß sie im wesentlichen gleich wie die Abgasgeschwindigkeit des Triebwerks ist, und kann durch Verändern des Wiedererhitzungsgrades variiert werden«, Die Strömung durch.den Hilfsverdichter 125 ist auf höchstens 60 % der durch das Turboluftstrahltriebwerk strömenden Strömung begrenzt. Sine Vergrößerung der Hilfsverdichterströmung über,60 % würde die Schaufeln der den Hilfsverdichter

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treibenden Turbine zu stark belasten und es erforderlich machen, daß die Schaufeln beispielsweise speichenartig montiert sind, was eine Welle zwischen der Niederdruckturbine und dem Hilfsverdichter erfordern und die Länge und den Gesamtdurchmesser des Triebwerks vergrößern würde.

Durch die Erfindung wird irgendeine Vergrößerung'des Gesamtdurchmessers des Turboluftstrahltriebwerks vermieden, indem die Laufschaufeln I30 des Hilfsverdichters 125 unmittelbar auf die Laufschaufeln 131 der Niederdruckturbine aufgesetzt sind, so daß eine Verengung des Verdichterkanals des Hilfsverdichters ermöglicht wird, so daß er mit der Erweiterung des Turbinenabgaskanals 133 des Turboluftstrahltriebwerks übereinstimmt. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß ein Ausfall der Rotorbeschaufelung des Hilfsverdichters nicht zum überdrehen der den Hilfsverdichter treibenden Turbine führt, da die Turbine stets durch den Niederdruckverdichter des Triebwerks belastet ist. Obwohl gemäß Fig. 5 mit einer Miaderdruckturbinen-Laufschaufel jeweils eine Hilfsverdichter»Laufschaufel verbunden ist, können beispielsweise auch swei Hilfsverdiehter-Laufschaufeln mit einer Niederdruckturbinen-Laufschaufel verbunden sein.

Das erfindungsgemäße Triebwerk erzeugt denselben Start-

schub wie ein Triebwerk mit Wiedererhitzung, indem aus den Bereichen 134 zusätzlicher Schub gewonnen wird, welch letztere den über die Frontfläche des Turboluftstrahltriebwerks hinausgehenden Teil der Einlaßfläche darstellen und die Querschnittsfläche des Kanals 124 bilden« Der Gesamtschub wird jedoch bei beträchtlich geringerer Strahlgeschwindigkeit entwickelt und trotz des vergrößerten Durch*» satzes des Triebwerks ist das die aehte Potenz darstellende Verhältnis zwischen der Strahlgeschwindigkeit und dem Strahlgeräusch so , daß beim Start, wenn der Lärm für die ' am Boden befindlichen Personen am unangenehmsten ist, ein viel kleineres Gesamtgeräusch entwickelt wird. Die 'Lärmminderung xtfird ohne Vergrößerung der Gesamtlänge oder des Gesamtdurchmessers des Turboluftstrahltriebwerks und seiner Triebwerkszelle erreicht und es wird lediglich von den zusätzlichen Strömungsquerschnitten 134 Gebrauch gemacht, die bei einem Triebwerk mit Wiedererhitzung zur Herstellung einer zweidimensionalen Stoßverdichtungs- und Diffusoreinrichtung für den Übersehallflug und.eines Kühlluftstromes für das Turboluft strahl tr ietmerlc und seine Hilfsgeräte notwendig sind* Bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk kann der Kühlluftstrom vor der Verdichtung durch den Hilfsverdichter noch als Kühlluft strom wirken. _θ

Die vom Hilfsverdichter 125 geförderte Strömung wird

durch einen Kanal I36 ausgestoßen₉ der das Strahlrohr 137 des Turboluftstrahltriebwerks konzentrisch umgibt. Beim Überschall-Reiseflug wird für den Vorwärtsflug weniger Schub vom Triebwerk verlangt als beim Start und bei transsonischer Beschleunigung und es ist daher nicht notwendig^ die Wiedererhitzung für den Überschall-Reiseflug zu benützen. Die Veränderung des LuftStroms durch den Kanal 136 zusammen mit der Notwendigkeit der Beschleunigung des nicht wiedererhitzten Stromes auf Überschallgeschwindigkeiten macht es wünschenswert, am Ende des Kanals.I36 eine Düse 138 mit veränderlichem Düsenquerschnitt anzubringen» Diese Düse kann irgendeine der vielen bekannten Bauarten aufweisen und ist hier als an sich bekannte Rosettendüse dargestellt, die eine Vielzahl von gemeinsam bewegbaren Klappen 139 aufweist·

Das Strahlrohr 137 weist ebenfalls eine Düse auf und es ist eine weitere veränderliche Düse 141 (eine Sekundärdüse) vorgesehen, die in Reihe mit den beiden Düsen 138 und 140 angeordnet ist. Die weitere Düse l4i ist ebenfalls von an sich bekannter Bauart und weist zwei ü-förmige Teile 142 und 143 auf _s die an einem Rahmen 144 befestigt unö um querverlaufsnde Zapfen i45 und 146 drehbar und dadurch zwischen einer konvergenten ₉ einer divergenten und einer Schubumkehrstellung (nicht dargestellt) verstellbar

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sind. Außerdem sind Mittel 147 vorgesehen, welche einen Luftstrom von der Tragfläche und der Unterseite der Triebwerkszelle her als Grenzschicht hervorrufen, welche die ü-förmigen Teile 142 und 143 mit einer kalten' Luftströmung überdeckt und auf diese Weise vor den verhältnismäßig heißen Triebwerksabgasen schützt. ^:

In Fig. 6 ist ein Hilfseinlaß I50 für den Hilfsverdichter dargestellt, wobei der Hilfseinlaß zur Anzapfung der Grenzschicht an der Tragfläche dient und den Druck im Kanal 124 vor dem HiIfsverdichter vergrößert. Das Gehäuse 151 weist beim Hochdruckverdichter 152 einen etwas kleineren Durchmesser auf und der Raum 153 zwischen dem Hochdruckverdichter 152 und der Triebwerkszelle 11φ dient als Ausgleichskammer zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Druckverteilung am Einlaß des Hilfsverdichters.

In Fig. 7 ist ein weiterer zusätzlicher Einlaß I60 zum Zuführen von Zusatzluft zum HiIfsverdichter 125 dargestellt* Bei dieser Ausführungsform ist eine Klappe l6l am Boden der Triebwerkszelle bei 162 angelenkt und dient der Zuführung von Luft in die Ausgleichskammer 153 und von da aus zum Hilf s verdichter,, Beim "Überschall-Reiseflug kann diese Klappe !öl beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Pneumatik-

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Zylinders geschlossen werden, so daß der Luftwiderstand der Klappe beim überschallflug vermieden wird und der Hilfsverdichter lediglich mit einem niedrigeren Einlaßdrück arbeitet. Wegen der Lastwirkung des Niederdruckverdichters entstehen keine Schwierigkeiten hinsichtlich eines überdrehens der den Hilfsverdichter treibenden Turbine,

Sowohl das Strahlrohr I37 als auch der Kanal I36 ist zur Verminderung des Strahlgeräusches mit Schallauskleidungen versehen.

Es ist leicht einzusehen, daß einer oder beide Hilfseinlässe 150 und I60 zum Zuführen von Zusatzluft zum Hilfsverdichter 125 verwendbar sind, ohne daß Nachteile hinsichtlich der Größe oder der Form der Triebwerkszelle 110 in Kauf genommen werden müssen.

Die Pig, 8 und 9 zeigen eine weitere Ausfuhrungsform einer für überschallflug geeigneten Triebwerkszelle 210, die an der Unterseite 211 einer Tragfläche 212 eines nicht dargestellten Plugzeugs angeordnet ist.

Die Triebwerkszelle weist einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt auf und beim vorliegenden Aus-

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führungsbeispiel ist eine zweite Triebwerkszelle 213 mit der genannten ersten Triebwerkszelle 210 verbunden/ so daß nebeneinander zwei Gasturbinentriebwerke 2l4 und 215 angeordnet, sind»

Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, weist" die Triebwerkszelle 210-über ihre ganze Länge einen im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt auf und ihre Querabmessungen sind gerade so groß, daß das Triebwerk 214 in der Zelle Platz findet, -

An ihrem vorderen Ende 216 ist die Triebwerkszelle 210 mit zwei Klappen 217 und 218 versehen_s welche so angeordnet sind, daß die Luft jeweils bei den gewünschten Einlaßbedingungen im gesamten Überschall-Geschwindigkeitsbereich in das Triebwerk- 214 einströmen kann. Die beiden Klappen 217 und 218 sind an ihrem vorderen bzw» hinteren Ende 219 bzw, 220 angelenkt und gemeinsam bewegbar, so daß das Stoßverhältnis im Einlaß veränderbar ist und die Unterschall-Luftströmung sich nach dem Einlaßstoß ausbreiten kann₈ bevor sie den Einlaß 221 des Triebwerks erreicht.

Eine im Boden 223 der Triebwerkeselle angeordnete Hilfsklappe 222 ist hydraulisch betätigbar und sowohl um

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ihre Vorderkante als auch um ihre Hinterkante schwenkbar, so daß sie entweder der Luftverwirbelung bei Überschallgeschwindigkeiten oder dem Einleiten von Zusatzluft beim Start dienen kann. Die Klappe 218 teilt außerdem den durch die Triebwerkszelle strömenden Luftstrom und leitet einen Teil desselben in den Kanal 224 zwischen, dem Teil 225 und der Tragfläche und den anderen Teil des Luftstroms in den Kanal 226 zwischen dem Teil 225 und der Triebwerkszelle, Es ist einzusehen, daß bei dem in Pig, 8 dargestellten Ausführungsbeispiel der Querschnitt des Kanals 226 von einer Rechteckform in der Ebene X-X in eine Kreisform in der Ebene Y-Y übergeht. Der Kanal 226 ist zur Ausbreitung der Einlaßluft zum Zwecke der Erhöhung des statischen Drucks vor dem Triebwerkseinlaß 221 divergent.

Der Kanal 224 ist in der Ebene X-X ebenfalls rechteckig und nimmt in der Ebene Y-Y die Form eines Quadrats mit einer darin befindlichen kreisförmigen öffnung ein. Diese Form ist aus Fig, Il deutlicher ersichtlich, wo sie mit 227 bezeichnet ist. Die durch die vier Ecken 228 des Quadrats bei 227 strömende Luft gelangt durch den Kanal zu der ringförmigen öffnung 231 in der Ebene Z-Z in Fig. 8,

Gemäß den Fig. 10 und 12 weist das Gasturbinentrieb-

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werk 214 einen ersten und einen zweiten Axial-Niederdruckverdichter 232 und 233 auf, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und parallel angetrieben werden, so daß sie gemeinsam verdichtete Luft zu einem Hochdruckverdichter 234 und von da aus in eine Brennkammer 235 fördern, in welcher die verdichtete Luft mit. Brennstoff vermischt und das Gemisch verbrannt wird. Die Verbrennungsprodukt^ treiben eine Hochdruckturbine 236 und eine Niederdruckturbine 237, welche über.Wellen 238 bzw. 239 mit dem Hochdruckverdichter 234 bzw. dem Niederdruckverdichter 232.verbunden sind. Die Laufschaufeln 24l der vierten, fünften, sechsten und siebten Stufe des ersten Niederdruckverdichters 232 sind so verlängert, daß ihre radial äußeren Enden 242 die Laufschaufeln der ersten, zweiten, dritten und vierten Stufe des zweiten Niederdruckverdichters 233 bilden,

,In gleicher Weise sind die Leitschaufeln 243 des zweiten Niederdruckverdichters radial nach innen derart verlängert, daß sie gleichzeitig die Leitschaufeln 244 der vierten, fünften und.sechsten Stufe des ersten Niederdruck-Verdichters 232 darstellen.

An den Schaufeln 241 und 243 sind miteinander zusammenwirkende Dichtungskomponenten 261 und 262 angeordnet, damit

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ein Austausch von verdichteter Luft zwischen dem ersten und dem zweiten Niederdruckverdichter im wesentlichen verhindert wird.

Der erste Niederdruckverdichter 232 saugt Luft durch die kreisrunde öffnung 245 an, welche an Einlaßleitschaufeln 246 vorbeiströmt, welch letztere sich von der Innenwandung 247 des Verjdichtergehäuses 250 aus einwärts erstrecken und das vordere Ende 248 der Welle 239 mittels eines Wälzlagers 249 tragen. Der zweite Niederdruckverdichter 233 saugt Luft durch die ringförmige öffnung 231 (Fig. 11) an, welche an Einlaßleitschaufeln 251 vorbeiströmt, welch letztere sich vom äußeren Teil 252 des Verdichtergehäuses 250 zu dessen, innerem Teil 247 erstrecken. Es ist ersichtlich, daß der innere Teil 247 den ersten Verdichter teilweise umgibt und daß der äußere Teil 252 den zweiten Verdichter und den übrigen Teil des ersten Verdichters umschließt und der innere und der äußere Teil zusammen das Verdichtergehäuse 250 bilden. Die axiale Spannung im Verdichtergehäuse zwischen dem äußeren Teil 252 und dem inneren Teil 247 wird über die Leitschaufeln 251 übertragen. Die Beschaufelung des ersten und des zweiten Niederdruckverdichters ist so ausgebildet, daß der Förderdruck beider Niederdruckverdichter in ihrem gesamten Betriebsbereich gleich ist und die gesamte geförderte Luft dann gemischt werden kann,

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235H32

Nach dem Passieren von Streben 253 wird die Luft im Hochdruckverdichter weiterverdichtet, bevor sie in die Brennkammer 235 gelangt. Um die Anpassung der Förderdrücke der beiden Niederdruckverdichter zu unterstützen, kann für die Laufschaufeln die in Fig. 13 dargestellte Anordnung verwendet werden, bei welcher jeweils eine Schaufel 271 des ersten Niederdruckverdichters 232 mit zwei Schaufeln 272 und 273 des zweiten Niederdruekverdichters 233 verbunden ist. Es ist leicht einzusehen, daß eine ähnliche, umgekehrte Anordnung für gemeinsame Leitschaufeln der beiden Niederdruckverdichter 232 und 233 Anwendung finden kann.

Es ist ferner einzusehen, daß· die beiden Niederdruck-verdichter Luft aus der gesamten Querschnittsfläche der Triebwerkszelle 210 ansaugen« Im Betrieb ist es notwendig, einen Kühlluftstrom durch den Kanal 274 zwischen dem Triebwerksgehäuse 275 und der Triebwerkszelle 210 zu leiten. Dieser Kühlluftstrom kann entweder durch Teilen des Luftstroms zwischen der Klappe 218 und der Tragfläche erzeugt werden, so daß nur ein Teil dieses LuftStroms zum zweiten Niederdruckverdichter 233 gelangt, oder der Kühlluftstrom kann durch eine Grenzschichtanzapfung (nicht dargestellt) an der Oberfläche der Tragfläche 212 erzeugt werden_e

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Die Abgase des Triebwerks und die durch den Kanal 274 strömende Kühlluft können aus der Triebwerkszelle mittels einer Düse 276 ausgestoßen werden, welche zwischen zwei an sich bekannten und nicht Teil der Erfindung bildenden beweglichen Schaufeln 277 und 278 gebildet ist.

Bei einer nicht dargestellten, aber anhand der Fig. 8 leicht verständlichen abgewandelten Ausführungsform wird der Luftstrom zwischen der Klappe 218 und der Tragfläche nur zum Kühlen des Gasturbinentriebwerks verwendet und der Kanal 26 ändert sich nicht von einer Rechteckform in der Ebene X-X zu einer Kreisform in der Ebene Y-Y, sondern bleibt in der Ebene Y-Y rechteckig und die nicht vom ersten Niederdruckverdichter 232 aufgenommene Luft wird durch einen Kanal, der dem in Fig, 11 dargestellten Kanal ähnlich ist,-zum zweiten Niederdruckverdichter 233 geleitet»

Da der zweite Niederdruckverdichter mit dem ersten Niederdruckverdichter verbunden ist, kann er als durch die Niederdruckwelle des Triebwerks gesteuert behandelt werden und es kann eine nicht dargestellte Ventilanordnung vorgesehen sein, so daß der Niederdruckverdichter beispielsweise nur beim Start oder im transsonischen Betrieb verwendet wird» Die durch den ersten Niederdruckverdichter¹ dargestellte Last

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verhindert ein überdrehen der Niederdruckturbine 237·

Bei dem dargestellten AusfÜhrungsbeispxel weist das Triebwerk sowohl Niederdruck- als auch Hochdruckverdichter 232, 233 und 234 auf, aber selbstverständlich können Triebwerke nach der Erfindung auch nur einen oder zwei Niederdruckverdichter aufweisen, welche parallel angetrieben und angeordnet sind und verdichtete Luft unmittelbar einer Brennkammer zuführen, - _ft

Es liegt außerdem im Rahmen der Erfindung, daß die Triebwerke zwei durch getrennte Wellen parallel angetriebene Verdichter aufweisen und die beiden Verdichter brauchen -. auch nicht konzentrisch zueinander angeordnet zu sein»

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   ί 1 ./Strahltriebwerksanlage mit einem, in einem Triebwerksgehäuse mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt angeordneten Gasturbinen-Turboluftstrahltriebwerk und mit einer, das Triebwerk mit seinem Gehäuse aufnehmenden, für Überschall-Pluggeschwindigkeiten ausgebildeten Triebwerkszelle mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt, welche zusammen mit dem Triebwerksgehäuse einen Kanal mit im Querschnitt im wesentlichen quadratischem Außenumfang und im Querschnitt im wesentlichen kreisrundem Innenumfang begrenzt und einen Einlaß aufweist, durch welchen bei Pluggeschwindigkeiten bis zu Überschallgeschwindigkeiten Umgebungsluft sowohl in das Triebwerk als auch in den Kanal gelangt, gekennzeichnet durch ein in der TriebwerkszelXe (29; 110; 210) angeordnetes, durch das Triebwerk (11 bis 16; 114; 214) angetriebenes Gebläse (21; 130; 242), welchem mindestens teilweise durch den genannten Kanal (31; 124; 231) Luft zugeführt wird,
2. 2. Triebwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (21) stromab des Turboluftstrahl-

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   triebwerks (11 bis 16) angeordnet und mittels einer Welle (23) mit einer Turbine (16) des Triebwerks verbunden ist*
3. 3, Triebwerksanla.ge nach Anspruch. 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der RQtor^Außendurchmes§er des Gebläses (21) kleiner als de?? größte Prehdurehmesser des TurboluftStrahltriebwerks (11 bis 16) ist.
4. 4. Triebwerksanlage naoh einem der Ansprilehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß üev Abgasstrahl des Turboluft- ' Strahltriebwerks (11 bis 16) über die Außenseite des Gebläses (21) geleitet wird, so daß der Gebläsestrahl vom Turbinenabgasstrahl eingeschlossen ist»
5. 5· Triebwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (130) durch eine radiale Erweiterung einer Turbine (131) des,TurboluftStrahltriebwerks (114) gebildet ist.
6. 6, Triebwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (242) durch eine radiale Erweiterung eines Verdichters (241) des Turboluftstrahltriebwerks (214) gebildet ist.

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   235U.32
7. 7. Triebwerksanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Turboluftstrahltriebwerk (214) ein Zweiwellentriebwerk ist und einen Wiederdruck- und einen Hochdruckverdichter sowie eine Hochdruck- und eine Hiederdruckturbine aufweist und daß das Gebläse (242)i durch eine radiale Erweiterung des Niederdruckverdichters (24l) gebildet ist,
8. 8. Triebwerksanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Mittel (35; l6l) zur Veränderung der dem Gebläse (21$ I3O; 242) zugeführten Luftmenge.
9. 9. Triebwerksanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel eine an der Triebwerkszelle angeordnete, zu öffnende Klappe (35j I61) aufweisen, mittels welcher parallel zum genannten Kanal (31; 124) Luft zum Gebläse (21; I30) zuleitbar ist.

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