DE2454054A1

DE2454054A1 - Innentriebwerk bzw. gasgenerator fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2454054A1
Application number: DE19742454054
Authority: DE
Inventors: Alan George Macdonald
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-11-15
Filing date: 1974-11-14
Publication date: 1975-05-22
Also published as: GB1487324A; IT1030805B; FR2251715B1; DE2454054C2; US3956887A; FR2251715A1; JPS594538B2; JPS50111419A

Description

PATBNTAJiTTAtT

. ing. R. HÖLZER AUGSBURG

WELS EH-SOrHASSB! 1«

Augsburg, den 13. November

Rolls-Royce (1971) Limited, Norfolk House, St. James's Square, London SWlY 4JS, England

Innentriebwerk bzw. Gasgenerator für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung betrifft ein Innentriebwerk bzw. einen Gasgenerator für Gasturbinentriebwerke, mit einem mehrstufigen Verdichter, dessen Stufen jeweils ein Laufrad und einen Leitapparat aufweisen und bei welchem mindestens einer der Leitapparate steigungsverstellbare Schaufeln enthält und mit einer ringförmigen Brennkammer und einer Turbine»

•B» i —

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Die ersten für den Antrieb von Plugzeugen benützten Gasturbinentriebwerke waren Turboluftstrahltriebwerke, bei denen die gesamte in das Triebwerk eintretende Luft durch einen oder mehrere Verdichter, eine Brenneinrichtung und eine oder mehrere Turbinen hindurchströmt und dann in Form eines Gasstrahles mit hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur durch eine Schubdüse ausgestoßen wird. Diese Plugzeug-Gasturbinentriebwerke der "ersten Generation" verdrängten aufgrund ihrer Vorteile die Kolbentriebwerke. Turboluftstrahltriebwerke sind zunächst insbesondere bei militärischen Plugzeugen eingesetzt worden. Die hohe Strahlgeschwindigkeit macht das Triebwerk unangenehm laut, aber dieser Nachteil und der hohe Brennstoffverbrauch kann bei militärischen Plugzeugen in Kauf genommen werden.

Die danach entwickelten Plugzeug-Gasturbinentriebwerke der "zweiten Generation" waren Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerke. Bei diesen Triebwerken durchströmt nur ein Teil der in das Triebwerk eintretenden Luft den Verdichter, die Brenneinrichtung und die Turbine, während der übrige Teil der Luft eine geringe Verdichtung erfährt und in einem Nebenstromkanal am übrigen Triebwerk vorbeiströmt. Diese

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Nebenstromluft tritt mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit als verhältnismäßig große Masse kalter Luft aus dem Triebwerk aus, welche den aus der Turbine ausgestoßenen Heißgasstrahl umgibt. Das Verhältnis der Masse der kalten, durch den Nebenstromkanal strömenden Luft zur Masse der kalten, nachher den Heißgasstrahl bildenden Luft ist als Massendurchsatzverhältnis bekannt. Bei den Gasturbinentriebwerken der "zweiten Generation" lag dieses Verhältnis im Bereich von 1 : 1. Triebwerke dieser "zweiten Generation" ermöglichten gegenüber den Turboluftstrahltriebwerken der "ersten Generation" eine Verminderung des spezifischen Brennstoffverbrauchs um etwa 15 %%

Die gegenwärtig in Gebrauch befindlichen Gasturbinentriebwerke der "dritten Generation" sind Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerke mit Massendurchsatzverhaltnissen im Bereich voh. 5-; 1. Diese Triebwerke weisen eine Verdichteranordnung mit einem großen, auf einer gesonderten Welle angeordneten Gebläse auf· Der übrige Teil der Verdichteranordnung bildet zusammen mit der Brenneinrichtung und der Turbinenanordnung ein Innentriebwerk bzw. einen Gasgenerator. Dieses Innentriebwerk ist bei manchen Triebwerken als Zweiwellentriebwerk ausgebildet und weist einen durch eine Mitteldruckturbine angetriebenen Mitteldruckverdichter und einen von einer Hoch-

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druckturbine angetriebenen Hochdruckverdichter auf. Das Gebläse ist auf einer Niederdruckwelle angeordnet, welche von einer Niederdruckturbine angetrieben wird.

Bei anderen Triebwerken ist das Innentriebwerk nur ein Einwellentriebwerk. Die Frage, ob ein Einwellen- oder ein Zweiwellentriebwerk als Innentriebwerk erforderlich ist, hängt davon ab, wie breit der Betriebsbereich des gesamten Triebwerks sein soll.

Bis heute haben sich die ?ionstrukteure der Triebwerke der "dritten Generation" damit zufrieden gegeben, für die verschiedenen Betriebsbereiche jeweils verschiedene Triebwerke zu bauen. Es gibt daher nur eine kleine Anzahl von speziell für den Antrieb großer Unterschall-Transportflugzeuge ausgelegten Triebwerken. Die Innentriebwerke dieser Plugzeugtriebwerke weisen eine oder zwei Wellen auf, je nach dem von den Konstrukteuren eingeschlagenen Weg zur Auswahl gewisser Parameter. Diese Innentriebwerke sind jedoch nicht allgemein für den Einsatz in anderen Triebwerken für verschiedene andere Flugzeugarten geeignet.

Es war stets das Ziel der Triebwerkskonstrukteure, Triebwerke zu bauen, die einer Anzahl verschiedener Betriebs·

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bedingungen gerecht werden. Dies ist jedoch sehr schwierig, da die verschiedenen, den verschiedenen Betriebsbedingungen jeweils zugeordneten Erfordernisse an das Triebwerk solche Konstruktionen nahezu unmöglich machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Innentriebwerk bzw« einen Gasgenerator der eingangs dargelegten Art für Gasturbinentriebwerke im Sinne einer möglichst universellen Einsatzmöglichkeit zu verbessern.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Innentriebwerk bzw. ein solcher Gasgenerator gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der als Hochleistungsverdichter ausgebildete Verdichter und die als einstufige, supersonische Turbine ausgebildete Turbine auf einer einzigen gemeinsamen Welle angeordnet sind.

Die Erfindung beinhaltet ein Innentriebwerk, das bei einer Anzahl verschiedener Gasturbinentriebwerke anwendbar ist, welche jeweils für eine andere Anwendung vorgesehen sind. Alle diese verschiedenen Triebwerke können also mit ein und demselben Innentriebwerk nach der Erfindung ausgerüstet sein. Die bekannten Gasgeneratorkonstruktionen stellen alle jeweils einen Kompromiß dar, der bei jeder der verschiedenen Gasturbinentriebwerke in der einen oder anderen Hinsicht un-

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befriedigend ist. Die Erfindung beinhaltet demgegenüber einen einzigen Gasgenerator _% der überraschenderweise für eine Anzahl verschiedener Flugzeugtriebwerke sehr gut geeignet ist.

Die Erfindung wird am besten verständlich^ wenn man die gegenwärtigen Konstruktionen von Innentriebwerken bzw. Gasgeneratoren betrachtet. Eine Anzahl dieser Konstruktionen sowie einige mögliche Abwandlungen derselben sind in den anliegenden Zeichnungsfiguren A bis P dargestellt, welche jeweils einen schematischen Axialhalbschnitt durch ein Gasturbinentriebwerk zeigen. Die bei einem Innentriebwerk bzw. Gasgenerator gegebenen Konstruktionsgrenzen erfordern einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser. Im Zusammenhang mit dem Verdichter betrachtet₃ handelt es sich bei diesen Konstruktionsgrenzen um;

a) Schaufelbelastung, d.h. die je Flächeneinheit der Schaufel zu leistende Verdichtungsarbeit,

b) Blattgeschwindigkeit; beim gegenwärtigen Stand der Technik liegt die praktische Grenze bei etwa Mach l*2_t und

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c) Begrenzung des Naben-Spitzen-Verhältnisses ₃ d.h» des Verhältnisses vom Laufradscheibendurchmesser _Zum Bla.ttspitzenduichmesser.

Für einen gegebenen Schaufelwerkstoff ist die maximale Belastung bekannt» Ein Betrieb unterhalb dieser Belastung bedeutet unnötigen Einsatz von Schaufelwerkstoff, was zu unnötigem Gewicht führt. Die maximale Belastung bestimmt die Schaufelfläche, und praktische Grenzen setzen die zur Herstellung dieser Schaufelfläche größtmögliche Breite und Länge fest. Indem auf diese Weise die Schaufelbreite, die Schaufellänge und die Schaufelgeschwindigkeit gegeben sind, ist damit das Naben-Spitzen-Verhältnis festgelegt.

Bei einer Turbine sind folgende Konstruktionsgrenzen vorhanden:

a) Auf die Schaufeln wirkende Fliehkraftbeanspruchung,

die eine Funktion des Schaufelgewichts und der Schaufelgeschwindigkeit ist,

b) Laufradscheibenrand-Beanspruchung, die von der Umfangsgeschwindigkeit abhängt, und

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c) Grenze des Naben-Spitzen-Verhältnisses.

Diese bei Verdichtern und Turbinen vorhandenen Konstruktionsgrenzen bedeuten, daß der Gasgenerator auf einen kleinen Durchmesser beschränkt ist und daß er, damit er in Verbindung mit einem auf einer gesonderten Welle angeordneten Gebläse betreibbar ist, welch letzteres Komponenten mit größerem Durchmesser aufweist, einen ringförmigen, im Axialhalbschnitt schwanenhalsförmigen Verbindungskanal sowohl zwischen dem Gebläse und dem Verdichter des Gasgenerators als auch zwischen der Turbine des Gasgenerators und der Gebläseantriebsturbine aufweisen muß.

Es ergeben sich demzufolge■zwei mögliche Anordnungen eines Gasgenerators, die in den Pig. A und B dargestellt sind. Pig. A, welche die erste dieser beiden Anordnungen darstellt, zeigt schematisch ein vollständiges Triebwerk, dessen Gasgenerator eine einzige Welle 10, einen Verdichter 11 und eine zweistufige subsonische Turbine 12 aufweist. Der Gasgenerator treibt eine Gebläseantriebsturbine 13, die über eine Welle 15 ein Gebläse 14 antreibt. Außerdem ist eine Brenneinrichtung 16 vorgesehen. Da die Durchmesser der Gasgeneratorkomponenten, wie oben erläutert, durch die Konstruktionsgrenzen beschränkt sind, ist es not-

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wendig, zwischen dem Gebläse Ik und dem Einlaß des Verdichters 11 einen im Axialhalbschnitt schwanenhalsförmigen Übergangskanal 17 und zwischen der Turbine 12 des Gasgenerators und der Verdichterantriebsturbine 13 einen weiteren derartigen Übergangskanal 18 anzuordnen.

Die zweite Anordnungsmöglichkeit ist in Fig. B dargestellt, welche ebenfalls ein vollständiges Triebwerk zeigt, welches hier einen Gasgenerator mit zwei Wellen aufweist₀ Die erste dieser beiden Wellen ist eine Mitteldruckwelle 20, auf welcher ein Mitteldruckverdichter 21 und eine diesen treibende Mitteldruckturbine 20 angeordnet sind. Die zweite Welle 23 ist eine Hochdruckwelle und trägt einen Hochdruckverdichter 24, der von einer Hochdruckturbine 25 angetrieben wird. Außerdem ist eine Brenneinrichtung 26 vorgesehene Der Gasgenerator treibt eine Gebläseantriebsturbine 27 an, welche ihrerseits über eine Welle 30 ein Gebläse 28 antreibte Bei dieser Anordnung sind Verbindungskanäle der oben genannten Art bei 31 zwischen dem Mitteldruckverdichter und dem Hochdruckverdichter und bei 32 zwischen der Hochdruckturbine und der Mitteldruckturbine erforderliche

Die beiden alternativen Konstruktionsmöglichkeiten

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der beiden in den Pig. A und B dargestellten Gasgeneratoren zeigen zwei alternative Versuche zur Lösung des gleichen Problems, Der einwellige Gasgenerator gemäß Pig. A weist beispielsweise ein über seinem Verdichter 11 stehendes Druckverhältnis im Bereich von 16 : 1 auf, während das Druckverhältnis beim Gasgenerator nach Fig. B über jedem der beiden Verdichter 21 und 24 im Bereich von 4 : 1 liegt, so daß sich wiederum ein Gesamtdruckverhältnis von 16 : 1 ergibt«

Diese beiden Möglichkeiten der Konstruktion eines Gasgenerators werden gegenwärtig bei verschiedenen Unterschalltriebwerken der dritten Generation mit verschiedenen hohen Massendurchsatzverhältnissen angewandt. Indem man versucht, eines dieser beiden Triebwerke weiterzuentwickeln, versucht man, einen Gasgenerator zu finden, der leistungsfähiger als diese beiden Alternativlösungen ist und insbesondere an eine Vielzahl verschiedener Triebwerke anpaßbar ist.

Nachstehend soll zunächst die mögliche Weiterentwicklung des zweiwelligen Gasgenerators nach Fig. B betrachtet werden. Eine größere Ausgangsleistung des Gasgenerators läßt sich nur durch einen größeren Verdichterdurchsatz erreichen. Dies kann durch Verbesserung der

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Schaufelform und der Aerodynamik des Verdichters erzielt werden, was jedoch zu einer höheren Verdichteraustrittstemperatur führt und bewirkt, daß die Hochdruckwelle kleiner wird. Folglich werden die beschriebenen, im Axialhalbschnitt schwanenhalsförmigen Übergangskanäle ausgeprägter und der Turbinenkanal 32 wird heißer, und beim gegenwärtigen Stand der Technik ist es unmöglich, ohne übermäßig starke Kühlung auszukommen«, Der Kühlbedarf ist so groß, daß die Menge der zur Kühlung erforderlichen, vom Verdichter abzuzweigenden Luft den mittels der Verbesserung des Verdichterdurchsatzes erzielbaren Vorteil weitgehend wieder zunichte macht. Ein derart weiterentwickelter Gasgenerator ist in Pig. C dargestellt.

Zur Lösung des Problems der Kühlung des Turbinenkanals ist es notwendig, die Mitteldruckturbine 22 zu versetzen und unmittelbar hinter der Hochdruckturbine anzuordnen. Diese Anordnung ist in Fig. D dargestellt und es ist ersichtlich, daß nunmehr ein Übergangskanal 33 zwischen der Mitteldruckturbine 22 und der Gebläseantriebsturbine 27 erforderlich ist. Die Verminderung des Durchmessers der Mitteldruckturbine bedeutet jedoch, daß ihre Schaufelgeschwindigkeit beträchtlich vermindert ist und ihre Schaufeln daher aerodynamisch überlastet sind. Zur Lösung dieses Problems

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ist es möglich, eine zweistufige Mitteldruckturbine vorzusehen oder die Drehzahl der Mitteldruckwelle zu erhöhen.
Bei der ersteren dieser beiden Alternativlösungen würde
die zweistufige Mitteldruckturbine das Gewicht beträchtlich erhöhen und zusätzliche Kühlluft erfordern, was wiederum einen großen Teil des damit erreichten Vorteils zunichte machen
würde. Bei der zweiten Möglichkeit, nämlich der Erhöhung
der Mitteldruckwellendrehzahl, macht es die Begrenzung der Verdichterblattspitzengeschwindigkeit erforderlich, daß auch der Durchmesser des Mitteldruckverdichters reduziert wird, was zwar den Übergangskanal zwischen dem Mitteldruckver- . dichter und dem Hochdruckverdichter verkürzt, jedoch einen weiteren Übergangskanal 35 zwischen dem Gebläse 28 und dem Mitteldruckverdichter 21 erforderlich macht, wie in Pig. E dargestellt ist. Eine weitere Steigerung der Anordnung des Gasgenerators erfordert eine weitere Verminderung des
Durchmessers des Mitteldruckverdichters, bis der in Pig. F dargestellte Zustand erreicht ist, in welchem der Durchmesser des Mitteldruckverdichters 21 an seiner Auslaßseite gleich dem einlaßseitigen Durchmesser des Hochdruckverdichters 24 ist und die Drehzahlen der beiden zugeordneten Wellen im wesentlichen gleich sind# Sodann ist kein Grund mehr vorhanden, gesonderte Mitteldruck- und Hochdruckwellen vorzusehen und diese beiden Wellen können wieder zu einer

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einzigen Welle vereinigt werden, so daß sich wieder der in Pig. A gezeigte Gasgenerator ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungsfiguren 1 bis 6 in ihren Einzelheiten beispielsweise beschrieben, In diesen Zeichnungsfiguren stellen dar:

Pig. I einen Axialhalbschnitt durch

einen Gasgenerator nach der Erfindung,

Pig, 2 einen abgewickelten, in Umfangs-

richtung verlaufenden Schnitt auf dem Radius II-II in Pig. I,

Fig. 3 ein im Halbschnitt dargestelltes

Triebwerk mit hohem Massendurchsatzverhältnis, welches einen Gasgenerator nach Fig. 1 enthält,

Fig. H einen schematischen Halbschnitt

durch ein Triebwerk mit niedrigem Massendurensatzver-

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hältnis, welches ebenfalls einen Gasgenerator nach Pig» 1 enthält,

Pig, 5 eine Draufsicht durch ein Schwenk

düsentriebwerk mit einem Gasgenerator nach Pig. I, und

Fig· 6 einen schematischen Axialhalbschnitt

eines Turboluftstrahltriebwerks mit einem Gasgenerator gemäß Fig, I.

In Fig. 1 ist ein Innentriebwerk oder Gasgenerator für ein Gasturbinentriebwerk dargestellt, welches eine einzige Welle 12 aufweist, die in Lagern 113 und 114 gelagert ist. Die Welle trägt einen allgemein mit 115 bezeichneten Hochdruckverdichter, der neun Stufen 116 bis aufweist.

Stromauf der ersten Verdichterstufe 116 ist ein Leitschaufelkranz 125 angeordnet, dessen Schaufeln um ihre Längsachsen drehbar sind. Dazu dienen mit.127 bezeichnete Schwenkhebel, Zwischen der Verdichterstufen 116 und 117 sowie 117 und 118 sind ebenfalls Leitschaufelkränze 128 und 129 mit um ihre Längsachsen mittels Hebeln 130 bzw₀

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drehbaren Schaufeln vorgesehen. Die Hebel 127_a 130 und I31 sind mit einem nicht dargestellten gemeinsamen Gestänge verbundenj so daß die Einlaßleitschaufeln 125 und die Leitschaufeln 128 und 129 gleichzeitig drehbar sind.

Zwischen den letzten sechs Verdichterstufe?! 119 bis ist jeweils ein Leitschaufelkranz mit feststehenden Schaufeln angeordnet. Die Leitschaufeln sind alle an einem Gehäuse 132 befestigt und ein die Verdichterstufen 119 bis 12¹I umgebender Gehäuseteil 133 ist radial verstellbar, wozu in der Zeichnung schematisch dargestellte, an sich bekannte Vorrichtungen dienen, so daß während des Betriebs des Verdichters der Spielraum zwischen den Verdichterschaufelspitzen und dem Gehäuseteil 133 innerhalb enger Grenzen gehalten werden kann. Dies ist bei Hochleistungsverdichtern von größter Wichtigkeit, bei welchen die, kleinstmögliche Schaufeln aufweisenden und mit höchsten Drücken arbeitenden Verdichterstufen Schaufelspitzenspielräume aufweisen, die im Verhältnis zur Schaufellänge groß sind, so daß bei mangelhafter Steuerung des Spitzenspielraums ein beträchtlicher Teil des Durchsatzes verlorengehen kann.

Die vom Verdichter geförderte Luft gelangt durch einen Auslaßdüsenschaufelkranz 134 in einen Diffusor 135 und von

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da aus in eine ringförmige Brennkammer 136. Ein Teil der vom Verdichter geförderten Luft strömt an der radial äußeren und an der radial inneren Brennkammerwandung entlang und tritt durch ringförmige Anordnungen von Kühlbohrungen 137 in die Brennkammer 1, wo sie an der Kammerinnenwandung einen Kühlfilm bildet. Der größte Teil der Luft gelangt jedoch durch einen Brenner 138 hindurch, in welchen durch ein Brennstoffrohr 140 Brennstoff zugeführt wird, so daß in der Brennkammer 136 ein Luft/Brennstoff-Gemisch gebildet wird. Ein Teil des Verdichterausstoßes wird über einen Kanal l4l abgezweigt und dient zu Kühl- und anderen Zwecken.

Die aus der Brennkammer I36 kommenden Verbrennungsprodukte durchströmen einen Düsenschaufelkranz 142, welcher die Gasströmung auf eine einstufige Turbine 143 lenkt. Fig. 2 zeigt einen in Umfangsrichtung verlaufenden Schnitt durch die Düsenschaufeln 142 und die Turbinenschaufeln auf dem Radius II-II. Die auf die Düsenschaufeln 142 auftreffende Strömung wird von diesen Schaufeln um einen beträchtlichen Winkel aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt, welch letztere durch die Pfeile 144 angedeutet ist. Die Strömungsgeschwindigkeit wird in den zwischen den Düsenschaufeln 142 befindlichen Kanälen 145 vergrößert und

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die Strömung wird supersonisch, wodurch eine bei 146 angedeutete Expansionsfront erzeugt wird. Beim Verlassen der Düsenschaufeln beschleunigt sich die Strömung weiter und tritt mit bezüglich der umgebenden feststehenden Teile des Gasgenerators beträchtlich supersonischer linearer Geschwindigkeit in die Turbine ein. Da jedoch die Turbine selbst in Richtung des Pfeiles 147 umläuft, ist die Strömungsgeschwindigkeit relativ zur Turbine subsonisch. Die aus den zwischen den Turbinenschaufeln 143 austretende Strömung ist mit Bezug auf die Schaufeln 143 supersonisch, was zur Erzeugung einer weiteren Expansionsfront 148 führt. In dieser Beschreibung und den anliegenden Patentansprüchen ist unter dem Ausdruck "supersonische Turbine" eine in der eben beschriebenen Weise betriebene Turbine zu verstehen. '

Zurückkommend auf die im Zusammenhang mit den Zeichnungsfiguren A bis P abgeleitete Folgerung ist ersichtlich, daß mögliche Weiterentwicklungen eines einwelligen Gasgenerators nicht erörtert worden sind_e Nach der Folgerung, daß zweiwellige Gasgeneratoren nicht weiter entwickelt werden können, wurde untersucht_s welche Entwicklungsmöglichkeiten bei einem einwelligen Gasgenerator denkbar sind und es wurde das überraschende Ergebnis erzielt, daß die Verwendung einer supersonischen Turbine den Antrieb des einzigen Verdichters ermöglicht und eine Kombination ergibt, die zu einer beträcht-

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lichen Verminderung des Gewichts des Gasgenerators führt, während noch weiteres Entwicklungspotential bei gleichem oder besserem Wirkungsgrad und gleicher oder größerer spezifischer Leistung vorhanden ist_a Diese Kombination verkörpert der in den B'ig_e i und 2 dargestellte und oben beschriebene Gasgenerator»

Der in Pig* A dargestellte Gasgenerator weist eine zweistufige supersonische Turbine auf und eine weitere Entwicklung dieser Gasgenerator würde eine zusätzliche Turbinenstufe erfordern, da die zwei dargestellten Stufen die bei gegenwärtigen Konstruktionen und gegenwärtig verfügbaren Werkstoffen erzielbaren Grenzen erreichen. Durch Übergang auf eine supersonische Turbine ergibt sich ein beträchtlicher Abfall der Temperatur der die Turbine durchströmenden Gase im Vergleich zu einer subsonischen Turbine» Der Grund liegt darin, daß das Expansionsverhältnis über der supersonischen Turbine im Bereich von 4 : liegt, während das Expansionsverhältnis über einer subsonischen Turbine im Bereich von 2 ; 1 liegt« Dies bedeutet_s daß das einer niedrigeren Temperatur ausgesetzte Turbinenmaterial stärker beansprucht werden kann, d,h₉ die Belastung pro Gewichtseinheit des Turbinenwerkstoffes kann bei einer supersonischen Turbine größer als bei einer subsonischen Turbine sein« Diese Temperaturänderung wird von einer

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Erhöhung der Temperatur der Düsenleitschaufeln begleitet, aber da diese Düsenschaufeln feststehend sind, kann dort eine verbesserte Kühlung vorgesehen sein und es können besser temperaturbeständige Werkstoffe Anwendung finden. Außerdem sind die für eine supersonische Strömung erforderlichen Turbinenschaufeln viel dicker als Schaufeln für eine subsonische Strömung und diese zusätzliche Dicke ermöglicht eine wirksamere Kühlung.

Mit der Wahl einer supersonischen Turbine ist jedoch ein derartigen Turbinen eigener Nachteil verbunden _s der sich jedoch im vorliegenden Fall in einen Vorteil umkehrte Bei diesem scheinbaren Nachteil handelt es sich um die Tatsache, daß, da das Druckverhältnis über einer superspnischen Turbine viel größer als dasjenige über einer subsonischen Turbine ist, die Ausgangsleistung größer ist und eine größere Last zur Aufnahme dieser Ausgangsleistung vorhanden sein muß. Die Turbine muß sehr stark belastet werden, um die supersonischen Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten und den hohen Wirkungsgrad der supersonischen Turbine beibehalten und den Vorteil der supersonischen Strömung ausnutzen zu können. Der Energiebedarf von Verdichtern mit niedrigem Druckverhältnis stellt eine unzureichende Belastung für eine supersonische Turbine

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dar. Ein Verdichter mit hohem Druckverhäitnis erfordert jedoch eine sehr große Antriebsleistung zur Erzielung eines befriedigenden Wirkungsgrades und wird somit der hohen Ausgangsleistung der supersonischen Turbine gerecht. Aus der überraschenden Wirkung der Erfindung, nämlich der natürlichen Anpassung zwischen dem Hochleistungsverdichter und der supersonischen Turbine ergibt sich der große Vorteil einer beträchtlichen Gewichtsverminderung des Gasgenerators.

Eine typische Anwendungsmöglichkeit für den oben mit Bezug auf die Pig» 1 und 2 beschriebenen Gasgenerator ist bei einem Triebwerk mit hohem Massendurchsatzverhältnis gegeben. Ein derartiges Triebwerk ist in Fig. 3 dargestellt. Der Gasgenerator ist schematisch gezeigt und weist den Verdichter 115, die Brenneinrichtung I36, die supersonische Turbine 1^3 und die Welle 112 auf. Das Triebwerk hat ein großes Frontgebläse 150, das auf einer Niederdruckwelle angeordnet ist und von einer Niederdruckturbine 152 angetrieben wird. Bei diesem Triebwerk besitzt der Verdichter ein Gesamtdruckverhältnis von etwa l6 : 1 und das Gebläse verdichtet die in den Verdichter eintretende Luft mit einem Verhältnis von etwa 1,6 : 1, Das Gesamtdruckverhältnis des Triebwerks liegt daher etwas über 25 : 1,

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Der erfindungsgemäße Gasgenerator weist noch einen weiteren Vorteil auf, der seinen Anwendungsbereich vergrößert. Dieser Vorteil ergibt sich daraus, daß die Belastungskurve der supersonischen Turbine über einen verhältnismäßig großen Bereich verhältnismäßig flach ist und die zum Antrieb eines Verdichters mit einem bei nur etwa 6 : 1 liegenden Druckverhältnis immer noch in dem einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Betriebsbereich der supersonischen Turbine liegt_β Es ist daher möglich, bei einem Gasgenerator mit einem Gesamtdruckverhältnis von 16 : 1 die ersten drei Verdichterstufen wegzulassen, die typischerweise Druckverhältnisse von 1,^5 · 1, 1,4 ι und 1,3 : 1 aufweisen, so daß ein Gasgenerator mit einem Druckverhältnis von etwa 6 : 1 verbleibt„ Wird der so abgewandelte Gasgenerator in einem Zweistromtriebwerk mit einem Frontgebläse oder einer Anzahl von Niederdruckstufen verwendet, welche die in den abgewandelten Verdichter des Gasgenerators eintretende Luft mit einem Druckverhältnis von etwa 1,65 J 1 vorverdichten, so bleiben die ursprünglichen Strömungsbedingungen im Verdichter 115 erhalten und der Gasgenerator arbeitet mit gutem Wirkungsgrad. In diesem Fall müssen eine oder mehrere der ersten Stufen des Verdichters 115 verstellbare Leitschaufeln zur Anpassung an die jeweilige Leistung aufweisen*

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Ein Triebwerk dieser Art mit einem Massendurchsatzverhältnis von etwa 2 : 1 ist in Fig. k dargestellt. In diesem Fall ist die Niederdruckwelle mit 155 bezeichnet und trägt ein dreistufiges Gebläse 156 mit einem Druckverhältnis von etwa 2,5 : 1. Die Welle 155 wird von einer Niederdruckturbine 157 angetrieben. Außerdem weist das Triebwerk einen Nebenstromkanal 158 auf.

Ein dem Triebwerk nach Fig. ¹J ähnliches Triebwerk ist in Fig» 5 dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um ein Schwenkdüsentriebwerk, bei welchem ein Teil der vom Gebläse geförderten Luft durch zwei schwenkbare Frontdüsen 160 ausgestoßen werden, während der Turbinenabgasstrahl aus zwei hinteren Schwenkdüsen I6I austritt.

Fig. 6 zeigt ein Zweiwellen-Turboluftstrahltriebwerk, das für überschallfluggeschwindigkeiten geeignet ist„ Bei diesem Triebwerk ist nur eine der Stufen des Verdichters weggelassen und der Verdichter weist folglich ein Druckverhältnis 12 : 1 auf. Die Niederdruckwelle I65 trägt drei Verdichterstufen 166, die ein Druckverhältnis von etwa 2,1 : ergeben, so daß das Gesamtdruckverhältnis des Triebwerks etwa 25 : 1 beträgt. Die Niederdruckwelle I65 wird von

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einer Niederdruckturbine 167 angetrieben. Das Triebwerk endigt in einer Schubdüse ISB₀

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Claims

Patentansprüche

1. Innentriebwerk bzw. Gasgenerator für Gasturbinentriebwerke, mit einem mehrstufigen Verdichter, dessen Stufen jeweils ein Laufrad und einen Leitapparat aufweisen und bei welchem mindestens einer der Leitapparate steigungsverstellbare Schaufeln enthält, und mit einer ringförmigen Brennkammer und einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß der als Hochleistungsverdichter ausgebildete Verdichter (116 bis 124) und die als einstufige, supersonische Turbine ausgebildete Turbine (1^3) auf einer einzigen gemeinsamen Welle (112) angeordnet sind»

2. Innentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten drei Verdichterstufen (116, 117, 118) zugeordneten Leitapparate (125, 128, 129) steigungsverstellbare Schaufeln aufweisen,

3. Innentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (115) neun Verdichterstufen (116 bis 124) aufweist.

Ho Innentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3»

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dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichterdruckverhältnis etwa 25 : 1 beträgt»

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L e e rs e i t-e