DE2422105C2

DE2422105C2 - Mehrstrom-Gasturbinen-Strahltriebwerk

Info

Publication number: DE2422105C2
Application number: DE2422105A
Authority: DE
Inventors: Serge Bagneux Boudigues
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1973-05-08
Filing date: 1974-05-07
Publication date: 1982-02-25
Also published as: GB1433999A; US3968647A; FR2228949B1; FR2228949A1; DE2422105A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrstrom-Gaslurbinen-Strahltriebwerk mit einem Gaserzeuger, bestehend aus Verdichter. Brennkammer und Turbine, die bezüglich eines Hauptstromkanals in Reihe geschaltet angeordnet sind, einer dem Gaserzeuger nachgeschalleten Einheit, bestehend aus einet Mischvorrichtung, die den Gasstrom des Hauptstromkanals mit dem Luftstrom eines Nebenstromkanals mischt, einer Einrichtung zum Erhöhen der Energie des gemischten Stromes und einer sich anschließenden Schubdüse.

Ein solches Strahltriebwerk ist aus der US-PS 77 804 bekannt. Bei diesem Triebwerk wird der gemischte Strom in einem Nachbrenner einer Nachverbrennung ausgesetzt, um die Schubenergie zu erhöhen. Der Nutzen eines Naehbrenners wird in gewisser Weise durch die damit im Zusammenhang stehenden Ge* rausch·¹ und Regelungsprobleme gemindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ZweistronvGaslurbinen-Strahltriebwerk der angegebenen Gattung so auszubilden, daß der thermodynamischc Gesamtwirkungsgrad erhöht, die Geräuschbiidung Vermindert und die Betriebsweise des Triebwerkes

vereinfacht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Zweistrom-Gasturbinen-Strahltriebwerk mit den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß s zwischen der Turbine des Gaserzeugers und der Mischvorrichtung eine Nachexpansionsturbine angeordnet ist, die den Druck des Hauptstromes auf im wesentlichen den Druck des Nebenstromes verringert, und daß die Einrichtung zum Erhöhen der Energie des

κι gemischten Stromes ein Nachverdichter ist, der von der Nachexpansionsturbine angetrieben ist.

Es ist bereits ein Mehrstrom-Gasturbinen-Triebwerk bekannt (FR-PS 9 97 672), bei dem der Turbine eines Gaserzeugers ein Mantelstromgebläse nachgeschaltet ist, das sowohl dem Gasstrom des Hauptstromkanals wie auch dem Luftstrom eines Nebenstromkanals zusätzlich Energie zuführt. In diesem Fall strömen jedoch der Primärstrom und der Sekundärstrom im wesentlichen ungemischt parallel zueinander. Von

><i einem thermodynamischen Standpunkt dürfte dies keine Verbesserung des Wirkungsgrades mit sich bringen, da die Arbeit, die in der Turbine gewonnen wird, wieder in das Ansauggebläse gesteckt werden muß.

>> Im Gegensatz hierzu wird beim Anmeldungsgegenstand der Gasstrom in der Nachexpansionsturbine auf einen Wert entspannt, der unterhalb des bei Gasturbinen üblichen Auslaßdruckes liegt. Der Gasstrom wird dann bei konstantem Druck in der Mischvorrichtung

ω gekühlt, worauf der Druck im Nachverdichter wieder erhöht wird, ehe die Schubenergie über die Schubdüse abgegeben wird. Dieser thermodynamische Prozeß erhält seinen Sinn dadurch, daß die bei der Nachexpansion gewonnene Arbeit größer ist als die zum

)5 Wiederverdichten erforderliche Arbeit, da die Isobaren in Richtung einer Entropie-Vergrößerung auseinanderlaufen. Hierdurch wird der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad verbessert. Wegen des Fehlens eines Naehbrenners und auch wegen der verminderten Gesamtgeschwindigkeit des gemischten Stroms werden die Geräuschbiidung gemindert und das Regelverhalten des Triebwerkes vereinfacht.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Triebwerk hat ferner den Vorteil, daß sich im Nachverdichter, der von einem gleichmäßig warmen Gasstrom durchströmt wird, thermische Probleme praktisch nicht stellen. Die aus der Nachentspannungsturbine und dem Nachverdichter bestehende Einheit kann im übrigen nachträglich an ein Gasturbinentriebwerk angefügt werden.

ohne daß dessen Auslegung geändert werden müßte.

Aufgrund der Mischung und Nachverdichtung des gemischten Stroms und der dadurch bedingten Verbesserung des Schubwirkungsgrades läßt sich im übrigen das Nebenstromverhältnis (Verhältnis von Hauptstrom zu Nebenstrom) verringern, wobei ein zufriedenstellender Gesamtwirkungsgrad erhalten bleibt. Dies erlaubt es bei einem Triebwerk, dessen Gaserzeuger als Zweiwellentriebwerk mit einem Niederdruckrotor und einem Hochdruckrotor ausgebildet ist. die An/ahl der Stufen der Niederdruckturbine und des Niederdruck Verdichters zu verringern; da das Nebenstromverhältnis kleiner ist, können nämlich die Turbine und der Verdichter des Gaserzeugers schneller laufen und daher mehr Arbeit liefern bzw, aufnehmen, Außerdem führt dies zu einer Verringerung des erforderlichen Drehmo* rrientcs sowie wiederum zu einer Geräuschminderung. Anhand der Zeichnungen werden Ausfülirungsbel· spiele der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig. 1—6 schematische Ansichten verschiedener Ausführungsformen der Erfindung, und zwar jeweils als Längsschnitt durch die obere Triebwerkshälfte,

Fig. 7 ein Entropie-Enthalpie-Schaubild zur Veranschaulichung des thermodynamischen Prozesses.

Fig. 1 zeigt ein Zweistrom-Gasturbinen-Strahltriebwerk mit einer Schubdüse 1, in der unter Zwischenschaltung einer Mischvorrichtung 2 zwei getrennte, koaxiale Kanäle einmünden, nämlich ein von einem ersten Gasstrom F\ durchströmter Hauptstromkanal 3 und ein ·ιι von einem zweiten Gasstrom Fj durchströmter Nebenstromkanal4.

Der Hauptstromkanal 3 wird außen durch ein Gehäuse 20 begrenzt, dps zugleich als Halterung des Triebwerks dient. : ■

Zwischen dem Gehäuse 20 und einer Verkleidung 21 ist die Mischvorrichtung 2 angebracht, in der die beiden Gasströr.ie Fi und F2 vermischt werden, bevor sie in die Schubdüse 1 eintreten. Die Mischvorrichtung 2 weist Teile auf, um die Berührfläche zwischen den beiden zu .·« mischenden Strömen zu vergrößern und um darüber hinaus das Aufeinandertreffen der beiden Ströme ur.ter einem gewissen Winkel zu ermöglichen, so daß der sich aus dem Mischen der beiden Ströme ergebende Strom gut homogen ist. Bei der gezeigten Ausführungsform r> weist die Mischvorrichtung ein gewelltes Teil auf, welches eine Mehrzahl benachbarter Kanäle bildet, von denen jeder von einer dünnen Schicht des einen oder des anderen der beiden Gasströme durchströmt wird.

Der erste Gasstrom Fi wird durch einen Strom heißer Gase gebildet, welche von dem Gaserzeuger 5 ausgestoßen werden. Der letztere weist einen Verdichter 22, eine Brennkammer 23 und eine Turbine 24 zum Antrieb des Verdichters 22 auf. Der Gaserzeuger 5 ist als Einwellentriebwerk ausgebildet, d. h. der Läufer des r> Verdichters 22 und der der Turbine 24 haben eine gemeinsame Welle 25, welche in von dem Gehäuse 20 getragenen Lagern 26 gelagert ist.

Der zweite Gasstrom F₂ wird durch einen Strom frischer Li^lft gebildet, welcher der umgebenden « Atmosphäre unter dem dynamischen Druck des Fluges entnommen wird und direkt ohne vorherige mechanische Verdichtung in die Mischvorrichtung 2 eintritt.

In Strömungsrichtung hinter derr Gaserzeuger 5 ist eine Nachexpansionsturbine 27 angeordnet, und sie ist 4j so ausgeb-ldet, daß der erste Gasstrom F, einer Überentspannung bis auf einen Druck unterworfen wird, welcher dem des zweiten Gasstromes F> beim Eintreten desselben in die Mischvorrichtung 2 entspricht. In Stromungsric^Uing hinter der Mischvorrichtung ist ein Na^hvcrdichter 28 angeordnet, welcher ebenfalls mit dem Läufer 22, 24, 25 des Gaserzeugers 5 fest verbunden ist, so daß er sich mit diesem dreht. Der Verdichter 28 ist mit einer einzigen Verdichtungsstufe gezeigt, er könnte jedoch genauso gut zwei oder mehr Verdichtungsstufen aufweisen.

Beim Betrieb vereinigen sich der erste Gasstrom F,. welcher aus der Nachexpansionsturbine 27 austritt, und der /weite Gasstrom F?, welcher untei dem dynamischen Druck des Fluges steht, in der Mischvorrichtung 2 zu ihrem gemeinsamen Druck. Die mäßig warme Mischung der beiden Gasströme wird daraufhin in dem Nachverdichter 28 wieder verdichtet, bevor sie die Schubdüse 1 durchquert

In Fig.7, die ein Entropie (S) — Enthalpie ('/-//•Schaubild zeigt, ist der ihermödynamische Prozeß eines herkömmlichen Triebwerkes und eines erfin* dungsgsmäßen Triebwerkes gezeigt. In dem Schaubild laufen die Isobaren auseinander, d. h_n wenn man zwei benachbarte Isobaren betrachtet, so wächst der Abstand der Ordinaten für zwei Punkte gleicher Abszisse dieser Isobaren, wenn die Abszisse zunimmt.

Der thermodynamische Prozeß eines herkömmlichen Triebwerkes ist der folgende:

Verdichtung AB, isobare Verbrennung BC,
Entspannung CD(mit He— H₀=Hb-Ha),
Schub DJ.

Bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk erfahren die Gase ausgehend vom Punkt D aufeinanderfolgend eine Überentspannung DE ein Abkühlen bei konstantem Druck EF infolge der Vermischung, eine Wiederverdichtung FG und einen Schub GJ'.

Da die Isobaren auseinanderlaufen, ist die Arbeit zum Wiederverdichten der abgekühlten Gase (He— Ht) kleiner als die bei der Überentspannung der warmen Gase gewonnene Arbeit (Hn-Ht). Damit ergibt sich eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades. Übrigens erfolgt das Ausstoßen bc- einer Temperatur Tj', die kleiner 'St als die Ausstoßtemper jtur Tj im Falle eines herkömmlichen Triebwerkes; man erhält dadurch auch eine Erhöhung des Schubwirkungsgrades.

F i g. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, welche anwendbar ist, wenn der Gaserzeuger 5 aus zwei Rotoren (einem Niederdruckrotor und einem Hochdruckrotor) besteht. Der Niederdruckrotor weist einen Niederdrjckverdichter ?0 und eine Niederdruckturbine 31 auf. deren jeweilige Läufer an einer gemeinsamen Welle 32 befestigt sind, welche durch von dem Gehäuse 20 getragene Lager 33 gelagert wird. Der Hochdruckrotor weist einen Hochdruckverdichter 34 und eine Hochdmckturbine 35 auf. deren jeweilige Läufer an einer gemeinsamen Welle 36 befestigt sind, welche auf von dem Gehäuse 20 getrennten Lagern 37 gelagert ist. Die jeweiligen Läufer der Nachexpansionsturbine 27 um¹ des Nachverdichters 28 sind mechanisch mit der Nied'.rdruckstufe 30,31,32 verbunden.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, nach der die jeweiligen Läufer der Nachexpansionsturbine 27 und des Nachverdichters 28 an einer gemeinsamen Welle 40 befestigt sind, weiche auf von dem Gehäuse 20 getragenen Lagern 41 angeordnet ist. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in F i g. I gezeigten Ausführungsform nur dadurch, daß die Nachexpansionsturbine 27 und der Nachverdichter 28 zusammen einen Rotor 27, 28, 40 bilden, welcher vom Rotor 22,24,25 des Gaserzeugers 5 unabhängig ist.

F1 g. 4 zeigt eu:e Abwandlung der vorstehenden Ausführungsform, welche anwendbar ist. wenn d;r Gaserzeuger 5 aus zwei Rotoren (einem Niederdruckrotor Ji), 31, 32 und einem Hochdruckrotor 34, 35, 36) besteht.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, nach der der zweite Gasstrom F₂ durch einen Strom frischer Luft gebildet wird, welcher vor Eintreten in die Mischvor^richtung 2 zuvor eine mechanische Verdichtung erfahren hat. Dieser Strom zuvor verdich teler frischer Luft durchströmt einen Nebensirömkanal 50, welcher den Gaserzeuger 5 umgibt und außen durch eine Verkleidung51 begrenzt wird.

Besteht der Gaserzeuger 5 z. B. wie an Hand von Fig.2 beschrieber aus zwei Rotoren, so kann die vorhergehende mechanische Verdichtung des den Nebenstromkanal 50 durchströmenden Luftstroms z. B. durch ein stromaufwätls angeordnetes Gebläse 52

erfolgen, das mechanisch mit dem Niederdruckrotor 30, 31,32 verbunden ist.

Bei dieser Ausführungsform sind die Nachexpansionsturbine 27 und der Nachverdichter 28 ebenfalls mechanisch mit dem Niederdruckrotor 30, 31, 32 verbunden.

F i g. 6 zeigt eine Abwandlung der in F i g. 5 gezeigten Ausführungsform, welche anwendbar ist, wenn die Nachexpansionsturbine 27 und der Nachverdichter 28 zusammen einen Rotor 27, 28, 40 bilden, welcher von dem Rotor oder den Rotoren des Gaserzeugers 5 unabhängig ist. Im Falle der Fig.6 bildet die Verkleidung 51 zusammen milder Verkleidung21 einen tertiären Kanal 53, welcher die Mischvorrichtung 2 und den Nachverdichter 28 umgibt. Durch diesen tertiären Kanal 53 kann ein Teil Fi des den Ablenkkanal 50 durchströmenden Gasstromes direkt entweichen, ohne die Mischvorrichtung 2 und den Nachverdichter 28 zu durchqueren. Damit wird ein Dreistrom-Gasturbinentriebwerk geschaffen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrstrom-Gasturbinen-Strahltriebwerk mit einem Gaserzeuger, bestehend aus Verdichter, Brennkammer und Turbine, die bezüglich eines Hauptstromkanats in Reihe geschaltet angeordnet sind, einer dem Gaserzeuger nachgeschalteten Einheit, bestehend aus einer Mischvorrichtung, die den Gasstrom des Hauptstromkanals mit dem Luftstrom eines Nebenstromkanals mischt, einer Einrichtung zum Erhöhen der Energie des gemischten Stromes und einer sich anschließenden Schubdüse, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Turbine (24) des Gaserzeugers (5) und der Mischvorrichtung (2) eine Nachexpansiocisturbine

(27) angeordnet ist, die den Druck des Hauptstromes auf im wesentlichen den Druck des Nebenstromes verringert, und daß die Einrichtung zum Erhöhen der Energie de^c gemischten Stromes ein Nachverdichter

(28) ist, der von der Nachexpansionsturbine (27) angetrieben ist.

2. Mehrstrom-Gasturbinen-Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Nachexpansionsturbine (27) und den Nachverdichter (28) verbindende Welle (25; 32) mit der Welle (25; 32) des Gaserzeugers (5) mechanisch verbunden ist (Fig. 2,3.6).

3. Mehrstrom-Gasturbinen-Strahltriebwerk nach Anspruch 2, bei dem der Gaserzeuger als Zweiwellentriebwerk mit einer Niederdruck- und einer Hochdrucksiufe ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Nache .pansionsturbine (27) und den Nachverdichter (28) verbindende Welle (32) mit der Welle (32) der Niede iruckstufe (30, 31) verbunden ist (F i g. 3,6).

4. Mehrstrom-Gasturbinen-Strahltriebwerk nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die die Nachexpansionsturbine (27) und den Nachverdichter (28) verbindende Welle (40) von dem als Ein- oder Mehrwellentriebwerk ausgebildeten Gaserzeuger (5) mechanisch getrennt ist (F i g. 4.5.7).