DE2454054C2 - Einwelliges Grundtriebwerk für Zweistrom-Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein einwelliges Giundtriebwerk für Zweistrom-Gasturbinentriebwerke mit hohem Sekundärstrom/Grundstrom-Durchsatzverhältnis, mit einem mehrstufigen Verdichter, einer Brenneinrichtung und einer einstufigen Reaktionsturbine.

Ein derartiges Grundtriebwerk ist bereits aus der Zeitschrift »Intcz-avia«, Nr. 1,1961, Seite 63, bekannt.

Es war stets das Ziel der Triebwerkskonstrukteure, Triebwerke zu bauen, die den verschiedenen Betriebsbedingungen unterschiedlicher Einsatzbereiche gerecht werden können. Dies ist jedoch sehr schwierig, da die verschiedenen, den unterschiedlichen Betriebsbedingungen jeweils zugeordneten Arrforderungen an das Triebwerk solche Konstruktionen nahezu unmöglich machen.

Man hat sich daher bei der Konstruktion von Zweistrom-Gasturbinentriebwerken mit hohem Sekundärstrom/Grunostrom-Durchsatzverhältnis bis heute damit zufriedengegeben, f»₍r die ν /schiedenen Einsatzbereiche jeweils verschieden2 Triebwerke zu bauen. Die Grundtriebwerke dieser Flugzeugt! i-'bwerke weisen je nach dem von den Konstrukteuren eingeschlagenen Weg zur Auswahl gewisser Parameter eine oder zwei Wellen auf. Ein solches Grundtriebwerk eines für einen bestimmten Flugzeugtyp vorgesehenen Triebwerks ist jedoch nicht allgemein für den Einsatz in anderen Triebwerken für andere Flugzeugarten geeignet.

Voraussetzungen für eine universelle Einsatzmöglichkeit eines Grundtriebwerkes sind ein möglichst guter Wirkungsgrad und eine möglichst hohe spezifische Leistung, wobei das Gewicht natürlich möglichst niedrig sein soll.

Damit erhebt sich die Frage, in welcher Weise eine Weiterentwicklung bekannter Grundtriebwerkskonitruktionen möglich ist. Dies wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren Λ bis F untersucht, welche jeweils einen schematischen Axial· halbschnitt durch das gesamte Gasturbinentriebwerk zeigen.

F ι g. A zeigt ein Triebwerk mit einwelligem Grundtriebwerk, das einen Verdichter 11. eine damit über eine Wel'e 10 verbundene zweistufige subsonische Turbine 12 und eine Brenneinrichtung 16 aufweist. Das Abgas des Grundtriebwerks treibt eine Gebläseantriebsturbi-He 13. die über eine Welle 15 ein Gebläse 14 antreibt. Da die Durchmesser der Komponenten des Grundtriebwerks aufgrund bekannter Konstruktionsgrenzen beschränkt sind, ist es notwendig, zwischen dem Gebläse 14 und dem Einlaß des Verdichters 11 sowie zwischen dem Auslaß der Turbine 12 und dem Einlaß der Verdichleranlriebstürbine 13 jeweils einen im Axial· halbschnitt schWänerihalsföfmigeh Übefgangskärtal 17 hzw. 18 anzuordnen. Ein solches Triebwerk ist beispielsweise aus der US-PS 34 94 129 bekannt.

Eine zweite Anordnungsmöglichkeit ist in Fig.B dargestellt, die ein Triebwerk mit zweiwelligem Grundtriebwerk zeigt Das Grundtriebwerk weist eine Mitteldruckwelle 20, auf welcher ein Mitteldruckverdichter 21 und eine diesen antreibende Mitteldruckturbine 20 angeordnet sind, weiter eine Hochdruckwelle 23, die einen Hochdruckverdichter 24 und eine diesen antreibende Hochdruckturbine 25 trägt, und eine

ίο Brenneinrichtung 26 auf. Das Abgas dieses zwei· -/eiligen Grundtriebwerks treibt eine Gebläseantriebsturbine 27, die ihrerseits über eine Welle 30 ein Gebläse 28 antreibt Bei dieser Anordnung sind im Axialhalbschnitt schwanenhalsförmige Übergangskanäle 31 und 32 zwischen Mitteldruckverdichter und Hochdruckverdichter und zwischen Hochdrucktrubine und Miiteldruckturbine erforderlich. Die beiden in den Fig.A und B dargestellten Konstruktionsmöglichkeiten der Grundtriebwerke stellen zwei alternative Wege zur Erzielung des gleichen Ergebnisses dar. Beispielsweise beträgt das Druckverhältnis über dem Verdichter 11 des Grundtriebwerks nach Fig.A etwa 16:1, während das Druckverhältnis beim Grundtriebwerk nach F i g. 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

Nachstehend soll nun die mögliche Weiterentwicklung des zweiwelligzn Grundtriebwerks nach F i g. B betrachtet werden.

Eine größere Ausgangsleistung des Grundtriebwerks läßt sich nur durch einen größeren Verdichterdurchsatz erreichen. Dies kann durch Verbesserung der Schaufelform und der Aerodynamik des Verdichters erzielt werden, was jedoch zu einer höheren Verdichteraustrittstemperatur führt und bewirkt, daß die Hochdruck welle kleiner wird. Folglich werden die Obergangskanäle ausgeprägter. Ein derart weiterentwickeltes Grundtriebwerk ist in F i g. C dargestellt. Dabei wird aber der Turbinen-Übergangskanal 32 heißer und es ist unmöglieh, ohne übermäßig starke Kühlung auszukommen. Der Kühlbedarf ist so groß, daß die Menge der zur Kühlung erforderlichen, vom Verdirhter abzuzweigenden Luft den mittels der Verbesserung des Verdichterdurchsatzes erzielbaren Vorteil weitgehend wieder zunichte macht.

Zur Lösung dieses Problems der Kühlung des Turbinenübergangskanals 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 vorhanden ist. Die Verringerung des Durchmessers der Mitteldruckturbine bedeutet jedoch eine beträchtliche Verminderung ihrer Schaufelumfangsgeschwindigkeit, weshalb ihre Schaufeln aerodynamisch überlastet sind. Zur Bewältigung dieses Problems ist es möglich, eine zweistufige Mitteldruckturbine vorzusehen oder die Drehzahl der Mitteldruckwelle /u erhöhen. Bei der ersteren Lösung würde die zweistufige Mitteldruckturbine das Gewicht beträchtlich erhöhen und zusätzliche Kühlluft erfordern, und bei der zweiten Möglichkeit, nämlich der Erhöhung der Mitteldruckwellendrehzahl, macht es die Begrenzung der Verdichterschaufelblattspitzen-Geschwindig* keit erforderlich, auch den Durchmesser des Mittel· druckverdichters zu reduzieren. Dadurch wird zwar der Übergangskanal zwischen Mitteldruckvefdichlef Und Hochdruckverdichter verkürzt, jedoch wird ein weite-

rer Übergangskanal zwischen Gebläse und Mitteldruckverdichter erforderlich, wie in F i g. E dargestellt ist.

Eine weitere Leistungssteigerung des Grundtriebwerks erfordert eine weitere Verringerung des Durchmessers des Mitteldruckverdichters, bis der in Fig. F =i dargestellte Zustand erreicht ist, in welchem der Auslaßdurchmesser des Mitteldruckverdichters 21 gleich dem Einlaßdurchmesser des Hochdruckverdichters 24 ist und die Drehzahlen von Hochdruckwelle und Mitteldruckwelle im wesentlichen gleich sind. Da dann aber kein Grund mehr zur Anordnung gesonderter Mitteldruck- und Hochdruckwellen gegeben ist, führt dies zu dem einwelligen Grundtriebwerk nach F i g. A.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einwelliges Grundtriebwerk der eingangs genannten ts Gattung im Sinne einer Leistungssteigerung weiterzuentwickeln, um eine möglichst universelle Einsatzmöglichkeit zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Verdichter als Hochleistungsverdichter mit mindestens einem verstellbaren Leitapparat und die Turbine als supersonische Turbine ausgebildet ist

Die Verwendung verstellbarer Leitapparat"" in d^n ersten Verdichterstufen ist an sich bekannt (US-PS 34 94 129) und ist für sich allein nicht Gegenstand der Erfindung.

Eine Weiterentwicklung des einwelligen Grundtriebwerks nach Fig. A in herkömmlicher Weise hätte zunächst zu einer weiteren Turbinenstufe geführt, da die beiden dargestellten Stufen die bei gegenwärtigen jo Konstruktionen und gegenwärtig verfügbaren Werkstoffen gegebenen Grenzen erreichen. Durch den erfindungsgemäßen 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 der supersonischen Turbine im Bereich von 4 : 1 liegt, während das Expansionsverhältnis einer subsonischen Turbine nur im Bereich von 2 : 1 liegt. Dies bedeutet, daß das einer niedrigeren Temperatur ausgesetzte Turbinenmaterial stärker beansprucht werden kann, d. h. die Belastung pro Gewichtseinheit des Turbinenwerkstoffes kann bei einer supersonischen Turbine größer als bei einer subsonischen Turbine sein. Diese Temperaturänderung wird von einer Erhöhung der Temperatur des Turbineneintrittsleit-Rds begleitet. 1a aber dessen Schaufeln feststehend sind, läßt sich dort eine verbesserte Kühlung vorsehen und es können temperaturbeständigere Werkstoffe Anwendung finden. Außerdem sind die für eir«· supersonische Strömung erforderlichen Turbinenschaufeln viel dicker als Schau fein für ein"» subsonische S'römung und diese zusätzliche Dicke ermöglicht eine wirksamere Kühlung.

Da das Druckverhältnis über einer supersonischen Turbine viel größe; als dasjenige über einer subsonischen Turbine ist. ist die Ausgangsleistung größer und es muß eine viel größere Last zur Aufnahme dieser Ausgangsleistung vorhanden sein. Die Turbine muß also sehr stark belastet werden, um die supersonischen Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten und so den hohen Wirkungsgrad der supersonischen Turbine beibehalten zu können. Aus diesem Grund reicht eine einstufige supersonische Turbine zum Antrieb eines Verdichters mit hohem Druckverhältnis aus, so daß man eine Leistungssteigerung des Grundtriebwerks mit dem zusätzlichen großen Vorteil einer beträchtlichen Gewichtsverminderung des Orundtriebwerks erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel des Grundtriebwerks nach der Erfindung sowie einige Anwendungsbeispiele desselben werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungifiguren 1 bis 6 näher beschrieben. In diese·.! Zeichnungsfiguren zeigt

Fig. 1 das erfindungsgemäße Grundtriebwerk im Axialhalbschnitt,

Fig.2 einen abgewickelten Umfangsschnitt auf dem Radius H-II in F i g. 1,

F i g. 3 ein Mantelgebläsetriebwerk mit einem Grundtriebwerk nach F i g. 1,

Fig.4 ein Mantelstromtriebwerk mit einem Grundtriebwerk nach F i g. 1,

F i g. 5 ein Schwenkdüsentriebwerk mit einem Grundtriebwerk nach F i g. 1, und

F i g. 6 ein Einstromtriebwerk mit einem Grundtriebwerk nach Fig. 1.

Das in F i g. 1 gezeigte Grundtriebwerk hat eine Welle 112, die in Lagern 113 und 114 gelagert ist und einen neunstufigen Hochdruckverdichter 115 aufweist, dessen neun Stufen mit 116 bis 124 bezeichnet sind.

Stromauf der ersten Verdichte. ^;ufe 116 ist ein verstellbarer Leitapparat 125 angeo. dnet, dessen Schaufeln mittels Schwenkhebeln 127 um ihre Längsachsen drehbar sind. Zwischen den Verdichterstufen 116 und 117 sowie 117 und 118 sind ebenfalls verstellbare Leitapparate 128 und 129 angeordnet, deren Schaufeln mittels Schwenkhebeln 130 bzw. 131 drehbar sind. Die Schwenkhebel 127, 130 und 131 der drei verstellbaren Leitapparate sind mit einem gemeinsamen, nicht dargestellten Gestänge zur gleichzeitigen Schaufelverstellung verbunden.

Zwischen den letzten sechs Verdichterstufen 119 bis 124 ist jeweils ein Leitapparat mit feststehenden Schaufeln angeordnet, die alle an einem Gehäuse 132 befestigt sind. Der die Verdichterstufen 119 bis 124 umschließende Gehäuseteil 133 ist aufgrund an sich bekannter, nur schematisch in der Zeichnung angedeuteter konstruktiver Maßnahmen radial beweglich, so daß während des Betriebs des Verdichters der Schaufelblattspitzen-Spielraum innerhalb enger Grenzen gehalten werden kann.

Die vom Verdichter geförderte Luft gelangt durch einen Auslaßleitapparat 134 in einen Diffusor 135 und von da aus in eine ringförmige Brennkamme¹· 136. Ein Teil der vom Verdichter geförderten Luf' strömt an der radial äußeren und an der radial inneren Brennkammerwand entlang und tritt durch ringförmig angeordnete Kränze von Kühlbohrungen 137 in die Brennkammer ein und bildet einen Kühlfilm an deren Innenwand. Der größte Teil der Luft tritt jedoch durch einen Brenner 138 hindurch ein. in welchen durch ein Brennstoffrohr 140 Brennstoff zugeführt wird. Ein Teil der vur.i Verdichter geförderten Luft wird durch einen Kanal 141 ZL Kü.il- und anderen Zwecken abgezweigt.

Die aus der Brennkammer 136 austretenden Case werden durch ein Turbineneintrittsleitrad 142 auf eine einstufige supersonische Turbine 143 gelenkt. F i g. 2 zeigt einen abgewickelten Umfangsschnitt durch die Leitradschaufeln 1*2 und die "lurbinenschaufeln 143 auf dem Radius H-Il. Die auf die Leitradschaufeln 142 äuftreffende Strömung Wird von diesen um einen beträchtlichen Winkel aus ihrer ursprünglichen, durch die Pfeile 144 angedeuteten Anströmrichtung abgelenkt, und die Strömungsgeschwindigkeit wird in den zwischen den Leitradschaufeln 142 befindlichen Kanälen 145 auf supersonische Geschwindigkeit beschleunigt, wodurch jeweils eine bei 146 angedeutete Expansions-

front erzeugt wird. Beim Austritt aus den Leitradschaufeln beschleunigt sich die Strömung weiter und tritt mit bezüglich der umgebenden feststehenden Teile des Grundtriebwerks beträchtlicher 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 gebildeten Kanälen austretende Strömung ist mit Bezug auf die Schaufeln 143 supersonisch, was zur Erzeugung einer weiteren Expansionsfront 148 führt

Fig.3 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit des eben beschriebenen Grundtriebwerks bei einem Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk, also einem Zweistromtriebwerk mit hohem Massendurchsatzverhältnis. Das Grundtriebwerk ist schemalisch mit der Welle 112, dem Verdichter 115, der Brenneinrichtung 136 und der supersonischen Turbine 143 dargestellt. Das Triebwerk hat ein großes Fronigebiäse 150, üäs von eiftef Niederdruckturbine 152 über eine Niederdruckwelle 151 angetrieben wird. Bei diesem Triebwerk hat der Verdichter 15 ein Gesamtdruckverhältnis von etwa 16:1 und das Gebläse 150 verdichtet die in den Verdichter eintretende Luft mit einem Verhältnis von etwa 1,6 :1 vor, so daß das Gesamtdruckverhltnis des Triebwerks etwas über 25 :1 liegt

Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Grundtriebwerks ergibt sich daraus, daß die Belastungskurve der supersonischen Turbine über einen verhältnismäßig großen Bereich verhältnismäßig flach ist und die Belastung beim Antrieb eines Verdichters mit einem nur etwa 6 :1 betragenden Druckverhältnis immer noch in dem durch einen hohen Wirkungsgrad gekennzeichneten Betriebsbereich der supersonischen Turbine liegt. Es ist daher möglich, bei einem Grundtriebwerk mit einem Gesamtdruckverhältnis von 16:1 die ersten drei Verdichterstufen wegzulassen, die typischerweise Druckverhältnisse von 1,45:1, 1,4:1 und 13:1 aufweisen, so daß ein Druckverhältnis von etwa 6 : 1 verbleibt Wird das so abgewandelte Grundlriebwerk in einem Zweistromtriebwerk mit Frontgebläse oder mit einer Anzahl von Niederdruckstufen verwe/idet, welche die in den abgewandelten Verdichter des Grundtrieb-

ί werks eintretende Luft mit einem Druckverhältnis von etwa 1,65 · 1 vorverdichten, so bleiben die ursprünglichen Strömungsbedingungen im Verdichter 115 erhalten und das Grundtriebwerk arbeitet mit gutem Wirkungsgrad. In diesem Fall müssen eine öder mehrere

tu der ersten Stufen des Verdichters 115 verstellbare Leitapparate zur Anpassung an die jeweilige Leistung aufweisen.

Ein als Mantelstromtriebwerk ausgebildetes Zweistromtriebwerk der eben beschriebenen Art mit einem Massendurchsatzverhältnis von etwa 2 :1 ist in Fig.4 dargestellt. Die Niederdruckwelle 155 verbindet eine Niederdruckturbine 157 mit einem dreistufigen Gebläse 156 mit einem Druckverhältnis von etwa 2,5 :1. Der ivianicisu UiTiKSnSi iSi ϊϊΐΐι i-su öCZCiOmiCt.

Ein dem Triebwerk nach F i g. 4 ähnliches Triebwerk ist in F i g. 5 dargestellt, wobei es sich aber in diesem Fall um ein Schwenkdüsentriebwerk handelt, bei welchem ein Teil der vom Gebläse geförderten Luft durch zwei schwenkbare Frontdüsen 160 austritt, während der Turbinenabgasstrahl aus zwei hinteren Schwenkdüsen 161 austritt

Fig.6 zeigt ein Zweiwellen-Turboluftstrahltriebwerk, d,'<5 für Überschallfluggeschwindigkeiten geeignet ist Dieses Triebwerk weist einen dreistufigen Niederdruckverdichter 166, eine diesen über eine Niederdruckwelle 165 antreibende Niederdruckturbine 167 und eine Austrittsdüse 168 auf. Bei diesem Triebwerk ist nur eine der Stufen des Verdichters 115 des Grundtriebwerks weggelassen, so daß der Verdichter des Grundtriebwerks folglich ein Druckverhältnis von 12:1 aufweist Der dreistufige Niederdruckverdichter 166 ergibt etwa ein Druckverhältnis von 2 :1, so daß das Gesamtdruckverhältnis des Triebwerks etwa 25 : 1 beträgt.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einwelliges Grundtriebwerk für Zweistrom-Gasturbinentriebwerke mit hohem Sekundärstrom/ Grundstrom-Durchsatzverhältnis, mit einem mehrstufigen Verdichter, einer Brenneinrichtung und einer einstufigen Reaktionsturbine, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter als Hochleistungsverdichter mit mindestens einem verstellbaren Leitapparat (125, 128, 129) und die Turbine als supersonische Turbine (143) ausgebildet ist