DE2361310A1

DE2361310A1 - Hubstrahltriebwerk in flachbauweise

Info

Publication number: DE2361310A1
Application number: DE2361310A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Leibach
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1973-12-08
Filing date: 1973-12-08
Publication date: 1975-06-19

Description

Hubsträhltriebwerk in Flachbauweise

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hubstrahltriebwerk in Flachbauweise für senkrecht startende oder landende Flugzeuge.

Bei sogenannten "autarken", d.h. von Marschtriebwerken eines Flugzeuges unabhängigen, selbständig betriebsfähigen Hubstrahltriebwerken, besteht die wesentliche Forderung in der Erzielung eines möglichst günstigen Schub-ZGewichtsverhältnisses bei gleichzeitig flacher, kompakter Bauweise zwecks räumlich günstiger Unterbringung in den Tragflächen des Flugzeugs.

So ist durch die deutsche Auslegeschrift 1 173 292 ein Hubstrahltriebwerk bekannt, bei dem das Hubgebläse mittels einer am äußeren Umfang angeordneten Blattspitzenturbihe angetrieben wird, die über oberhalb des Gebläses angeordnete EeiBgaskanale, die mit mehreren Einzelbrennkammern in Verbindung stehen, mit Heißgas beaufschlagt wird.

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Die für den Arbeitsprozeß notwendige Verbrennungsluft liefert
dabei ein zentral angeordneter Radialverdichter, der unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes vom Hubgebläselaufrad aus angetrieben wird.

Die bei der bekannten Lösung vorgesehene Heißgasauslegung der
Blattspitzenturbine des Hubgebläses erfordert temperaturbeständige, relativ schwere und teure Schaufelwerkstoffe.

Weiterhin sind verschiedene Werkstoffpaarungen zwischen den im
Betrieb kalten Gebläselaufschaufeln und den an deren äußeren Enden befindlichen im Betrieb heißen Turbinenlaufschaufeln der Blattspitzenturbine notwendig, die wiederum zu Werkstoffspannungen der den unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzten Schaufelpartien führen können.

Die bei der bekannten Lösung vorgesehene Blattspitzenturbinenauslegung kommt somit der bei neuzeitlichen Hubstrahltriebwerken angestrebten Leichtbauweise nicht entgegen, welche die Anwendungsmöglichkeit z.B. von faserverstärkten Kunststoffen für die gesamte Gebläsebeschaufelung mit einschließen sollte.

Die im vorliegenden bekannten Fall sich ergebende Anordnung mit relativ leicht ausführbaren Gebläselaufschaufeln und mit den an

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deren äußere Enden angesetzten relativ schweren Turbinenlaufschaufeln der Blattspitzenturbine dürfte weiterhin ein relativ hohes Hassenträgheitsmoment beim Anfahren des Triebwerks sowie im Betrieb relativ hohe Fliehkraftbeanspruchungen erwarten lassen.

Die fernerhin bei der bekannten Lösung oberhalb des Hubgebläses entlanggeführten Heißgaskanäle werden zu Temperaturverlusten führen und wirken sich weiter nicht gerade günstig auf die angestrebte Flachbauweise aus.

Ein weiterer Nachteil des Hubtriebwerks nach der deutschen Auslegeschrift 1 173 292 wird in dein zu erwartenden relativ hohen Strahllärm gesehen, welcher beim unmittelbaren Zusammentreffen des die Blattspitzenturbine verlassenden hochenergetischen heißen Abgasstrahls mit der Umgebungsluft entstehen wird.

Des weiteren erfordert das bei dem erwähnten bekannten Hubtriebwerk notwendige Untersetzungsgetriebe zwischen dem Gebläseteil und dem Radialverdichter einen zusätzlichen, relativ hohen konstruktiven Aufwand.

Durch die deutsche Auslege schrift 1 23"I 959 ist weiter ein Hubstrahltriebwerk bekannt, bei dem die innere Triebwerksbaugruppe ein einwelliges Rotorsystem mit einem Radialverdichter und einer Axialturbine aufweist sowie weiter mit einer äußeren, koaxial

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zur inneren Triebwerksbaugruppe angeordneten Hubgebläsebaugruppe, die ein gleichzeitig mit dem Hubgebläselaufrad umlaufendes Ringbrennkammersystem aufweist, welches über erwähntem Radialverdichter mit der notwendigen Verbrennungs- und Mischluft versorgt wird, und welches die Heißgasbeaufschlagung der zur inneren Baugruppe gehörigen Turbine besorgt.

Ein wesentlicher Nachteil auch dieser bekannten Lösung wird in dem Vorhandensein eines zusätzlichen Untersetzungsgetriebes gesehen, welches gleichzeitig als Drehrichtxmgsumkehrgetriebe ausgebildet, zwischen das nach oben verlängerte Eotorsystem der inneren Baugruppe und das Hubgebläselaufrad geschaltet ist.

Bei dieser bekannten Lösung wirkt sich weiter das Untersetzungsgetriebe - neben der dadurch bedingten Erhöhung des Störanfälligkeitsgrades - einschließlich der mehrstufigen Axialturbine der inneren Triebwerksbaugruppe, nicht günstig hinsichtlich einer kompakt bauenden, flachen Hubtriebwerksanlage aus.

Durch die deutsche Auslegescnrift 2 o47 781 ist weiter eine Hubtriebwerksanlage bekannt, bei der z.B. vier Gasturbinentriebwerke achsparallel am Umfang eines mit äußerer Blattspitzenturbine versehenen Gebläses angeordnet ist, wobei das Antriebsgas für die Blatt Spitzenturbine des Hubgebläses vom jeweiligen Niederdruckverdichter der Gasturbinentriebwerke bereitgestellt wird.

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Diese bekannte Lösung bietet zwar den Vorteil, daß die Gebläselaufs cnauf ein einschließlich der daran angesetzten Turbinenlaufschaufeln im Interesse der Leichtbauweise aus dem gleichen Werkstoff, z.B. faserverstärktem Kunststoff gefertigt werden können.

Andererseits ist aber eine derartige Triebwerkskonfiguration infolge der am äußeren Umfang des Hubgebläses angeordneten Gasturbinentriebwerke nur dann einsetzbar, wenn z.B. in der Tragfläche eines Flugzeugs ein entsprechend groSes Einbauvolumen für diese Hubtriebwerksaniage bereitgestellt werden kann.

Infolge des großen Einbauvolumens ist weiter-die festigkeitsmäßige Schwächung der Tragfläche zu berücksichtigen sowie auch die Vielzahl zum Verschließen der Triebwerkseinläufe, bzw. der Gasaustrittsöffnungen benötigten Klappen, die zur Aufrechterhaltung aerodynamisch günstiger Verhältnisse während des Marschflugs, also bei abgeschalteter Hubtriebwerkeanlage, erforderlich wären.

Aus den genannten Gründen wird u.a. also nach wie vor Hubtriebwerken mit in das Gebläse integriertem Gaserzeugersystem der Vorzug gegeben- werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile su beseitigen und ein Hubstrahltriebwerk mit in die Gebläsebaugruppe integriertem Gaserzeugersystem zu schaffen, welches bei einfacherer Bauweise den Anforderungen hinsichtlich Kompaktheit, insbesondere flacher Bauweise, unter Gewährleistung günstigen Schub-/Gewichtsverhältnisses noch besser gerecht werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung hauptsächlich durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet:

a) die innere Baugruppe des Hubtriebwerks besteht aus einem kombinierten Verdichter-ZTurbinenrotor mit im wesentlichen Rücken an Rücken angeordneten Radialverdichterschaufeln einerseits und Radialturbinenschaufein andererseits,

b) am Eotor der inneren Baugruppe ist eine koaxiale Gebläsebaugruppe gegenläufig rotierbar gelagert, welche der Eeihe nach - von innen nach außen - zugleich eine Ringbrennkammer zur Heißgasbeaufschlagung der Turbine der inneren Baugruppe, einen Turbinenlaufschaufelkranz und einen Gebläselaufschaufelkranz umfaßt, welche letztere voneinander gesonderten Ringkanälen zugeordnet sind,

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c) ein Teil der vom Radialverdichter der inneren Baugruppe geförderten Druckluft wird der'Ringbrennkammer zugeführt, während der Bestanteil der vom Radialverdichter geförderten Druckluft zum Antrieb der Gebläsebaugruppe verwendet wird,

d) die Gebläsebaugruppe stützt sich über koaxial angeordnete Lager an den ortsfesten Ringkanälen der Gebläseturbine und des Hubgebläses ab.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen

Fig. 1 den Mittellangsschnitt eines Hubstrahltriebwerks in einer ersten Ausführungsform und

Fig.- 2 den Mittellängsschnitt eines gegenüber Fig. 1 abgewandelten Hubstrahltriebwerks.

Bei dem Hubstrahltriebwerk nach Fig. 1 besteht die innere Triebwerksbaugruppe 1 im wesentlichen aus Rücken an Rücken angeordnetem Radialverdichter 2 und Radialturbine 3·

Koaxial zur inneren Triebwerksbaugruppe 1 ist die Hubgebläsebaugruppe 4- angeordnet.

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Die Hubgebläsebaugruppe 4 umfaßt einen im Betrieb rotierenden Hubgebläseträger 5* der oben und unten an der im Betrieb ebenfalls rotierenden Welle 6 der inneren Triebwerksbaugruppe 1 gelagert ist.

Die Hubgebläsebaugruppe 4 enthält weiter eine koaxial zur Triebwerksachse 7 angeordnete -Ringbrennkammer 8, ein später noch, näher erläutertes, zur Verdichterluftführung dienendes Kanalsystem 9» ferner die zur Hubgebläse turbine 1o gehörigen Turbinenlauf schaufeln 11 mit den außen daran angesetzten Gebläselauf schaufeln 12.

Die Hubgebläsebaugruppe 4- ist einschließlich der zentral darin angeordneten inneren Triebwerksbaugruppe 1 über Lager 13, 14 innerhalb eines äußeren ortsfest angeordneten Ringkanalsystems gelagert.

Zum Ringkanalsystem 15 gehört ein äußerer Hubgebläseringkanal und ein weiter innen angeordneter Turbinenringkanal 17·

Oberhalb der Gebläselauf schaufeln 12 befinden sich gleichzeitig als Eintrittsleitschaufeln wirkende Stützschaufeln 18. Weitere Stütsschaufeln 19 unterhalb der Gebläselauf schaufeln 12 können für eine im wesentlichen drallfreie Abstromung des Gebläseschubstraüls aus dem Eingkanal 16 vorgesehen sein.

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Während des Triebwerkbetriebes saugt der z.B. im Uhrzeigersinn rotierende Radialverdichter 2 Umgebungsluft über einen koaxial zur Triebwerksachse 7 angeordneten Eingkanal 2o. an, welche als nunmehr verdichtete Luft (Pfeil F) in das Kanalsystem 9 gelangt und mittels darin installierter Laufschaufeln 21 des entgegen dem Uhrzeigersinn· umlaufenden Hubgebläseträgers 5 weiter beschleunigt und verdichtet wird.

Innerhalb des Kanalsystems 9 wird die Verdichterluft in zwei Teilströme aufgespalten. Der erste Teilstrom (Pfeil G) strömt in einen zwischen dem Hubgebläseträger 5 und der Brennkammer 8 gebildeten Ringraum 22 ein und versorgt die Ringbrennkammer 8 über nicht weiter dargestellte Zuströmschlitze mit notwendiger Verbrennungs- und Mischluft (Pfeil H).

Infolge Zündens und Verbrennens des innerhalb der Ringbrennkammer 8 befindlichen Brennstoff-Luftgemisches gebildetes Heißgas beaufschlagt die Turbine 3 zum Antrieb der inneren Triebwerksbaugruppe 1.

Der zweite Teilstrom der Verdichterluft (Pfeil K) gelangt in einen stationären Turbinenzuströmkanal 23 und beaufschlagt nach dessen Ablenkung am ca. 9o° die Hubgebläseturbine 1o bzw. deren Leit- und Laufschaufeln 24 und 11.

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Die über die Ringkanäle 16 bzw. 17 entweichenden Hingschubstrahlen (Pfeile R bzw. S) schirmen den Turbinenabgasstrahl (Pfeil T) nach außen hin ab, wodurch der resultierende Strahllärm nicht unerheblich reduziert wird·

Da bei der vorliegenden Triebwerkskonzeption weiter die resultierende Hubkomponente fast ausschließlich vom kalten ringförmigen Gebläseschubstrahl (Pfeil R) bereitgestellt wird, führt dies bei relativ hohem Gebläsemassendurchsatz und bei relativ niedriger Strahlgeschwindigkeit zu relativ geringen Bodenerosionen beim Senkrechtstart des Flugzeugs.

Fernerhin ermöglicht die werkstoffseitig "kalte" Auslegung des Gebläses einschließlich der Gebläseantriebsturbine 1o zu einem relativ niedrigem Gewicht der gesamten Hub triebwerksanlage.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, wird der Brennstoff über eine zentrale Brennstoffleitung 25 innerhalb der Welle 6 zug von der seitliche Brennstoffzuführrohre 26 abzweigen, welcha durch die Radi al schaufeln der Turbine 3 hindurchgeführt sind.

Der Brennstoff kann so unter Rotationszerstäubung in die Ring brennkammer 8 eingebracht werden.

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Fig. 2 ist eine Abwandlung gegenüber Pig. 1 dahingehend, daß der vom Verdichter 9 geförderte eine Teilstrom (Pfeil K) zum Antrieb der Hubgebläsebaugruppe 5 durch die hohlen Eintrittsleitschaufeln 18 des Hubgebläses hindurchgeleitet wird und dann einer am äußeren Umfang des Hubgebläses angeordneten Blattspitzenturbine 27 zugeführt wird, deren Leit- und !Laufschaufeln mit 28 und 29 bezeichnet sind.

Für alle im wesentlichen unveränderten Bauteile gelten die Bezugszeichen nach Fig. 1.

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Claims

München, den 5· Dezember 1973

Patentanspruch

(1. \Hubstrahl triebwerk in Flachbauweise für senkrecht startende oder landende Flugzeuge, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die innere Baugruppe des Hubtriebwerks besteht aus einem kombinierten Verdichter-ZTurbinenrotor mit im wesentlichen Rücken an Rücken angeordneten Radialverdichterschaufeln einerseits und Radialturbinenschaufein andererseits,

b) am Rotor der inneren Baugruppe ist eine koaxiale Gebläsebaugruppe gegenläufig rotierbar gelagert, welche der Reihe nach - von innen nach außen - zugleich eine Ringbrennkammer zur Heißgasbeaufschlagung der Turbine der inneren Baugruppe, einen Turbinenlaufschaufelkranz und einen Gebläselaufschaufelkranz umfaßt, welche letztere voneinander gesonderten Ringkanälen zugeordnet sind,

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c) ein Teil der vom Eadialverdichter der inneren Baugruppe geförderten Druckluft wird der Eingbrennkammer zugeführt, während der Restanteil der vom Badialverdichter geförderten Druckluft zum Antrieb der Gebläsebaugruppe verwendet wird, " ■

d) die Gebläsebaugruppe stützt sich über koaxial angeordnete Lager an den ortsfesten Eingkanälen der Gebläseturbine und des Hubgebläses ab.
2. Hubstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in an sich bekannter Weise unter Botätionszerstäubung der Eingbrennkammer zugeführt wird, indem der inneren Baugruppe eine zentrale Brennstoffleitung zugeordnet ist, mit seitlich von dieser abzweigenden, durch Turbinenschaufeln der inneren Baugruppe hindurchgeführten, in die Eingbrennkammer mündenden Brennstoff Zuführungen.
3· Eingbrennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläsebaugruppe von einer äußeren BlattSpitzenturbine angetrieben wird, der vom Eadialverdichter der inneren Baugruppe geförderte Druckluft über den Eingkanal des Hubgebläses durchsetzende Stützschaufeln zugeführt wird.
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