DE2451059A1 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

DORNIER GMBH
Friedrichshafen

Reg. 2395

Gasturbinentriebwerk

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinen-Triebwerk, enthaltend einen Verdichter, eine Brennanlage und eine durch die Verbrennungsgase antreibbare Gasturbine.

Es sind Propeller-Turbinentriebwerke bekannt, bei denen die gesamte Antriebsleistung über eine Welle und über ein Getriebe der Luftschraube zugeführt wird. Um auch bei niederen Geschwindigkeiten einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, sind große Propellerdurchmesser erforderlich. Diese großen Propellerdurchmesser beeinflussen auch die Konzipierung eines Flugzeuges; beispielsweise die Einbauhöhe der Triebwerke und deren Abstand von der Mittelachse bzw. vom Rumpf. Der Wirkungsgrad von Propellerturbinen wird dadurch verschlechtert, daß die Gesamtleistung über ein Wellengetriebe auf die Luftschraube wirkt. Außerdem wird nur die Energie für den Verdichter über ein Untersetzungsgetriebe geleitet.

Andererseits haben einfache Luftstrahl-Triebwerke bei niederen Geschwindigkeiten den Nachteil eines geringen Strahlwirkungsgrades. Dadurch sind derartige Luftstrahl-Triebwerke für Luftfahrzeuge, die in niederen Geschwindigkeitsbereichen fliegen sollen, unwirtschaftlich. Bei Luftstrahl-Triebwerken muß eine geringe Luftmenge bei hoher Beschleunigung durchgesetzt werden. Daraus ergibt sich ungünstigerweise eine starke Geräuschbildung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die den bekannten Triebwerken des angegebenen Geschwindigkeitsbereiches anhaftenden Mangel in bezug auf Wirtschaftlichkeit und Baugröße zu verbessern.

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Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Gasturbine ein Mantelgebläse integriert ist derart, daß in die Ummantelung des Gebläses die Brennanlage und die Abgasstrahlführung eingesetzt sind und daß im Gebläseringkanal ein oder mehrere Gebläseräder mit einem oder mehreren durch die Verbrennungsgase beaufschlagbaren Turbinen-Schaufelkränzen angeordnet sind. Durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Gasturbinen-Triebwerk ist erreicht, daß die Außenabmessungen, insbesondere der Durchmesser des Triebwerkes wesentlich geringer ausgeführt sein kann als bei bisher bekannten Propeller-Triebwerken, wodurch beispielsweise die Einbauhöhe des Triebwerkes und sein Abstand vom Fluggeräterumpf günstiger gestaltet werden kann. Der Abstand der Triebwerke vom Fluggeräterumpf hat in bekannter Weise Auswirkungen bei Ausfall eines Triebwerkes in bezug auf die auftretenden Gier-Momente. Die Integrierung des Mantelgebläses in das Triebwerk ergibt bei kleineren Geschwindigkeiten einen günstigeren Schub-Wirkungsgrad als bei einer freifahrenden Luftschraube, d. h. einer Luftschraube ohne Ummantelung.

Gegenüber den bekannten Luftstrahl-Triebwerken besteht ein erheblicher Vorteil noch darin, daß durch den Blattspitzen-Antrieb des oder der Gebläseräder die Verbrennungsanlage mit geringen Drücken arbeiten kann, daraus ergibt sich eine Vereinfachung der Verdichtereinheit und günstigere Gestaltung der Kühlung für die Brennanlage.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Zuführung von Verdichterluft zur Brennanlage im Mantelring die hohl ausgebildeten Streben für den Mantelring dienen. Damit kann auf einfache Weise die im inneren Triebwerksteil durch den Kompressor 12 geförderte Luft in ausreichendem Maße ohne zusätzliche Zuführungen zugeleitet werden. Ein erhöhter Widerstand im Gebläsekanal wird somit nicht hervorgerufen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung wird ferner dadurch erreicht, daß zur Anpassung der Drehzahlen des Mantelpropellers die Blätter in ihrer Winkelstellung einstellbar vorgesehen sind. Die Anstellungsänderung der Propeller-

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blätter läßt eine Anpassung an die Fluggeschwindigkeit zu und ermöglicht bei entsprechender Auslegung auch die Erzeugung von Bremsschub durch das Gebläse.

Nach einer Ausführungsform ist ferner vorgesehen, daß der Verdichter vom Triebwerk getrennt angeordnet ist. Eine solche Ausführung ergibt noch geringere Abmessungen, insbesondere in bezug auf den Durchmesser des Triebwerkes und in Abhängigkeit des verwendeten Luftfahrzeuges eine vereinfachte Zuführung der Verdichter luft vom Verdichter zur Brennanlage im Mantelring.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt das Triebwerk in einem Längsschnitt, schematisch dargestellt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Triebwerk nach der Linie II - II der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung die Ausbildung der Verstelleinrichtung für die Anstellung der Gebläseschaufeln.

Das in der Zeichnung gemäß dem Ausführungsbeispiel dargestellte Triebwerk ist für die Verwendung an Luftfahrzeugen vorgesehen und soll für den Betrieb bei Unterschallfluggeschwindigkeiten eingesetzt werden.

In Fig. 1 ist mit 2 ein inneres Triebwerksteil bezeichnet, das durch ein Gehäuse 4 nach außen strömungsgünstig abgeschlossen ist. Konzentrisch zum inneren Triebwerksteil 2 ist ein Mantelring 6 mit stromlinienförmigem Verlauf angeordnet, dessen Außenkantur in Richtung der Triebwerkslängsachse A strömungsgünstig ausgebildet ist. Der Mantelring 6 wird durch Streben 8 bzw. 8', die am Gehäuse 4 fest sind, getragen. Zwischen dem Gehäuse 4 des inneren Triebwerksteiles 2 und dem Mantelring 6 ist ein Gebläseringkanal 10 gebildet, in dem ein oder mehrere Mantelpropeller 60, wie später noch naher erläutert ist, umlaufen.

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Das innere Triebwerksteil 2 weist einen Verbund-Verdichter 12 auf, der sich aus einem Axialverdichter und einem Radialverdichter zusammensetzt. Das Gehäuse 4 des inneren Triebwerksteiles 2 weist an seiner Vorderseite die Einlauföffnung 14 des Gebläseeinlaufkanals 16 auf. Mit 18 sind hierbei die auf der Gebläse-Antriebswelle 20 fest angeordneten Verdichterschaufeln und mit 18' die zugehörigen, am Gehäuse 4 fest angeordneten Stator-Gebläseschaufeln bezeichnet. Dem Axialverdichter ist wie bereits beschrieben, ein Radialverdichter nachgeordnet, der hier durch ein Gebläserad 24 angedeutet ist. Das Gebläserad 24 ist fest auf der Antriebswelle 20 angebracht und weist Gebläseschaufeln 22 auf. Der Gebläsekanal 26 des Radialverdichters mündet in einen innerhalb des Gehäuses 4 gebildeten Übergangsringraum 28. Das Gehäuse 4 enthält eine Anzahl von etwa radial gerichteten Durchbrechungen 30, die mit dem Übergangsringraum 28 in Verbindung stehen. Die Streben 8 zwischen dem inneren Triebwerksteil 2 und dem dazu konzentrischen Mantelring sind hohl ausgeführt, so daß ein radial gerichteter Strahlführungskanal 32 gebildet ist, der je mit einer der Durchbrechungen 30 im Gehäuse 4 und mit dem Übergangsringraum 28 des Radialgebläses in Verbindung steht.

Im Mantelring 6 sind an die Strahlführungskanäle 32 in den Streben 8 anschließende Verbindungskanäle 34 gebildet, die sämtlich in einen Ringkanal ebenfalls innerhalb des Mantelringes 6 münden. Vom Ringkanal 36 sind Zuführungen 38 eingearbeitet, über die der Brennanlage 40 die Verdichter luft, zugeleitet wird. Die Brennanlage besitzt eine übliche Bauweise und es sind der Einfachheit halber nur die Brennstoffzuführung . 42, die Einspritzdüse 44 und die Ringbrennkammer 46 angedeutet. Die Ringbrennkammer 46 weist eine ebenfalls als Ring ausgeführte Gasaustrittsdüse 48 auf. Diese Austrittsdüse 48 mündet in einen Ringraum 50 innerhalb des Mantelringes 6 und besitzt eine ringförmige Strahlaustrittsöffnung 52. Im Ringraum 50 sind der Gasaustrittsdüse nachgeordnet Stator-Turbinenschaufeln 54, die den Gasstrahl der Brennanlage Turbinenschaufeln 56 zuleiten. Die Turbinenschaufeln 56 am Turbinenschaufelkranz 100 sind an den äußeren Enden der Blätter 58 eines Mantelpropellere

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angeordnet. Der Mantelpropeller GO ist auf dem Antriebswellenteil 62 des inneren Triebwerksteiles 2 fest angeordnet. Das Antriebswellenteil 62 treibt über ein Übersetzungsgetriebe 64 die Gebläseantriebswelle 20 an. Das Übersetzungsgetriebe besteht hier aus einem Planetenradgetriebe, wobei das Antriebswellenteil 62 den Planetenradträger 66 fest aufnimmt. Am Planetenradträger lagern sich die Planetenräder 68, die mit einem am Gehäuse 4 festen, innenverzahnten Außenrad'kämm en. Die Planetenräder 68 stehen ferner mit dem Sonnenrad 64' auf der Gebläseantriebswelle 20 in ständigem Eingriff.

Wie Fig. 1 weiter erkennen läßt, ist am Triebwerksgehäuse 4 ein Verstellkonus 72 gelagert, der in Richtung der Triebwerkslängsachse A verschiebbar ist. Der Verstellkonus 72 stellt mit seiner Wandung 74 eine Fortsetzung der Wandung des Gehäuses 4 dar und verjüngt sich nach hinten, ähnlich der Wölbung der Innenwandung 76 des Mantelringes 6. In der Neutralstellung, wie in Fig. 1 mit durchgezogenen Linien angedeutet, weist der Gebläseringkanal seinen größtmöglichen Durchtrittsquerschnitt für die Gebläseluft auf. Die Verschiebung des Verstellkonus 72 wird bewirkt mittels eines hydraulisch arbeitenden Verstellmechanismuses 80. Auf einer zentralen Führungsachse 82 ist ein Hydraulikkolben 84 fest, der von einem axial verstellbaren Hydraulikzylinder 86 zur Bildung zweier Druckmittelkammern 88, 90 umgeben ist. Über eineihier nicht dargestellte Betätigungseinrichtung wird von einer Druckmittelpumpe über die Leitungen 92 bzw. 94 der einen oder anderen Druckmittelkammer 88 oder 90 Druckmittel zugeleitet und damit der Verstellkonus 72 vom Hydraulikzylinder 86 über die Stützen 96 mitgenommen. Die Betätigung des Stellmotors 80 kann über die Streben 8 bzw. 8' und beispielsweise über die Befestigung des Triebwerkes an einem Luftfahrzeug erfolgen.

Es ist ferner vorgesehen, die Gebläseblätter 58 in ihrer Anstellwinkellage einstellbar zu machen. Zu diesem Zweck sind wie auch Fig. 2 und 3 erkennen lassen, die Blätter 58 je auf einer sich axial erstreckenden Mitnehmerachse 98 schwenkbar gelagert. Die Achsen 98 tragen an ihren äußeren Enden einen Kranz 100, an dem die Turbinenschaufeln 56 befestigt sind. Die inneren Enden der Mitnehmerachsen 98 sind fest am Antriebswellenteil 62 bzw. dessen Ansatz 102 angebracht, so daß das Wellenteil 62 bei Beaufschlagung der Turbinenschaufeln 56 angetrieben wird.

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Das Wellenteil 62 weist an einem Ansatz 102 größeren Durchmessers eine Keilverzahnung 104 auf, in die die Gegenprofile 106 einer Schiebemuffe 108 eingreifen. Die Keilverzahnung 104, 106 ist so gebildet, daß die Schiebemuffe 108 mit dem Antriebswellenteil 62 mitdreht, jedoch auch eine Verschiebebewegung in Richtung der Triebwerkslängsachse A auszuführen vermag. Die Schiebemuffe 108 trägt eine der Anzahl der Gebläseblätter 58 entsprechende Anzahl von auf ihren Umfang verteilter Zahnstangen 110, die parallel zur Triebwerkslängsachse A liegen. Die Gebläseblätter 58 sind an ihrem inneren Ende mit einem Mitnehmerteil 112 versehen, an dem ein Zahnsegment 114 konzentrisch zur Längsachse der Gebläseblätter 58 angeordnet ist. Die Zahnstangen 110 kämmen je mit einem der am Mitnehmerteil 112 der Blätter 58 des Gebläses angeordneten Zahnsegmente 114.

Die axiale Verstellung der Schiebemuffe 108 wird bewerkstelligt mittels eines doppelt wirkenden Stellzylinders HG, der hier der Vereinfachung halber nicht näher erläutert ist. Ein Antriebsglied 118 des Stellzylinders 116 greift zur Mitnahme in eine Ringnut 120 an der Schiebemuffe 108 ein. Es kann zweckmäßig sein, die Blattwinkelverstellung mit der Verstellung für die Veränderung des Austrittes des Gebläsekanals 10 zu koppeln. Mit 122 sind noch Hilfsantriebe bezeichnet, wie z. B. Starter-Generator, Regeleinrichtung für die Blattwinkeleinstellung und dgl.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Ausführung ist wie folgt. Über den Verbundverdichter 12 strömt Umgebungsluft über den Einlaufkanal 16 und den Radial-Gebläsekanal 26 sowie die Strahlführungskanäle 32 in den Streben 8 zur Brenneinrichtung 40. Der aus den Brennkammern 46 austretende Abgasstrahl beaufschlagt über die Gasaustrittsdüse 48 die Statorschaufeln 54 und die nachgeschalteten Turbinenschaufeln 56 im Bereich der äußeren Enden der Blätter 58 bzw. am Kranz 100 des Mantelpropellers 60. Über den ummantelten Propeller 60 wird mittels der festen Mitnehm er achsen 98 die Gebläseantriebswelle 62 mitgenommen und treibt über das Übersetzungsgetriebe 64 die Gebläseantriebewelle 20 und damit die Axialverdichterschaufeln 18 und das Radialgebläserad 24 mit seinen Schaufeln 22 an.

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Der Mantelpropeller 60 erzeugt in bekannter Weise einen Luftstrahl, der über den Gebläseringraum 10 und die ringförmige Austrittsöffnung 10' ins Freie austritt. Gleichzeitig verläßt auch der Abgasstrahl der Turbine über den Ringraum 50 und dessen Ringdüse 52 den Mantelring 0.

Der Treibgasstrahl aus der Schubdüse 52 vermischt sich dabei innerhalb und außerhalb des Triebwerkes mit dem aus dem Gebläseringkanal 10 austretenden Sekundär luftstrom. Um zu einer Beschleunigung des Gebläsestrahles des Gebläses zu gelangen, wird der Verstellmechanismus 80 derart betätigt, daß der Verstellkonus 72 in Richtung der Triebwerkslängsachse A verstellt wird. Die Verstellrichtung ist für diesen Fall auf die in Fig. 1 strichpunktiert angedeutete Endstellung zu. Eine Zurückführung des Verstellkonus 72 in die mit ausgezogenen Strichen in Fig. 1 dargestellte Ausgangsstellung erfolgt durch entgegengesetzte Betätigung.

Die Blätter 58 des Mantelpropellers 60 sind in ihrer Anstellung, wie bereits angedeutet, gemeinsam einstellbar. Bei einer Verstellung der Blätter 58 wird der Stellzylinder 116 betätigt und über den Eingriff des Antriebsgliedes 118 in die Ringnut 120, die Schiebemuffe 108 axial auf dem Antriebswellenteil 62 verstellt, jedoch über die Keilverzahnung 104 bzw. 106 in Drehrichtung des Antriebswellenteiles 62 mitgenommen. Damit werden über die Zahnstangen 110 die Zahnsegmente 114 und damit auch die Blätter 58 gemeinsam in eine andere Blattwinkelstellung gebracht.

KJ KtyBe/bc
22. Ott). 1974

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Claims (8)

1. - 8 Reg. 2395

   Patentansprüche:

   Π. jGasturbinen-Triebwerk, enthaltend einen Verdichter, eine Brennanlage und eine durch die Verbrennungsgase antreibbare Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß in die Gasturbine ein Mantelgebläse integriert ist derart, daß in den Mantelring (G) des Gebläses die Brennanlage und die . Abgasstrahlführung eingesetzt sind und daß im Gebläseringkanal (10) ein oder mehrere Mantelpropeller (GO) mit Blättern (58) und mit einem oder mehreren durch die Verbrennungsgase der Brennanlage (40) im Mantelring (6) beaufschlagbare Turbinen-Schaufelkränze (56) angeordnet sind.
2. 2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung von Verdichterluft zur Brennanlage (40) im Mantelring (6) die hohl ausgebildeten Streben (8) für den Mantelring (6) dienen.
3. 3. Triebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (12) vom Triebwerk (2, G) getrennt angeordnet ist.
4. 4. Triebwerk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung der Drehzahlen des Mantelpropellers (60) die Blätter (58) in ihrer Winkelstellung einstellbar vorgesehen sind.
5. 5. Triebwerk nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Strahlaustritt nach der Beaufschlagung der Blattspitzenturbinen des Mantelgebläses Austrittsöffnungen (52) am Mantelring (6) des Gebläses angeordnet sind.
6. 6. Triebwerk nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einem inneren Gehäuseteil (4) ein axial verschiebbarer, den Austrittsquerschnitt

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   des Gebläseringkanals (10) verändernder Verstellkonus (72) vorhanden ist.
7. 7. Triebwerk nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Blattwinkel der Mantelpropeller (GO) und die Verstellung (80) des Verstellkonus (72) miteinander gekoppelt sind.
8. 8. Triebwerk nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (4) des inneren Triebwerksteiles (2) die Hilfsantriebe (122) angeordnet sind.

   KJ lO/Be/bp/22. Okt. 1974

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