DE2624282C2 - Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein uerartiges Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk ist aus der GB-PS 9 80 3Cvbekannt.

Einer der Gründe dafür, dcß bekannte Mantelstromtriebwerke mit variabler Bypass-Str mung keinen sehr hohen Variabilitätsgrad haben, besteht darin, daß die statischen Drücke der Kern- und Bypass-Ströme vor dem Mischen angepaßt werden müssen, um große Stoßverluste zu vermeiden, die sich beim direkten Mischen zweier Ströme mit erheblich unterschiedlichen statischen Drücken ergeben. Bei bekannten Mantelstromtriebwerken wird der statische Druck des Bypass-Stroms durch Einstellen des dynamischen bzw. Staudrucks des Bypass-Stroms gesteuert Um die Kern- und Bypass-Stromdrücke vor dem Mischen anzugleichen, müssen der dynamische Bypass-Stromdruck und der sich ergebende statische Druck unmittelbar vor dem Mischen auf einem Wert gehalten werden, bei dem die statischen Drücke der Kern- und Bypass-Ströme nahezu gleich groß sind. Da jedoch das Bypass-Verhältnis, das als Verhältnis des Bypass-Stroms zum Kernstrom definiert ist von dem dynamischen Druck des Bypass-Stroms abhängt, bestimmt der statische Druck des Kernstroms das Bypassverhältnis, bei dem die bekannten Triebwerke arbeiten können, ohne daß sich relativ große Stoßverluste infolge eines fehlenden Angleichens der statischen Drücke der Kern- und Bypaßströme vor dem Mischen ergeben. Diese Abhängigkeit der statischen Drücke des Kernstroms im Mischbereich und des dynamischen Drucks des Bypassstromes führte dazu, daß bekannte bypassvariable Misehstromtriebwerke nicht wirksam über einen weiten Bereich von Bypassverhältnissen und Schubpegeln arbeiten konnten.

Ein anderer Grund dafür, daß bekannte Mantelstromtriebwerke nicht wirksam über einen variablen Geschwindigkeitsbereich arbeiten konnten, besteht darin, daß diese Triebwerke während eines Fluges mit niedrigem Schub sehr große Einlaßströmungswiderstände haben. In typischer Weise ist der Einlaß eines Gasturbinentriebwerks auf den maximalen Triebwerksschub bemessen bzw. ausgelegt Bei einer Verminderung des Triebwerksschubes unter diesen maximalen Wert wird jedoch der Luftstrombedarf des Triebwerks beträchtlich kleiner als der dem Einlaß zugeführte Luftstrom. Dieser Luftstromüberschuß am Einlaß führt zu einem Einlaßüberström-Strömungswiderstand, der den Treibstoffverbrauch bekannter Misehstromtriebwerke erheblich vergrößert
Es ist Aufgabe der Erfindung, für ein Gasturbinentriebwerk mit variablem Bypass-Verhältnis eine Einrichtung anzugeben, mit der der statische Druck der Bypass-Strömung insbesondere bei hohen Bypass-Verhältnissen an den statischen Druck des Kerntriebwerksabgasstromes vor der Mischung angepaßt werden kann.

ts Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß über einen breiten dynamischen Druckbereich vor dem Mischen der Kern- und Bypass-Strömungen eine Druckanpassung vorgenommen werden kann. Das Triebwerk hat dadurch ein hohes Maß an Strömungsbeeinflussb 1g, wobei der Einlaßstrom an einen Auslegungspegel angepaßt gehalten werden kann, wenn der Schubpegel und das Bypass-Verhältnis des Triebwerks verändert werden. Das Triebwerk kann ferner über einen variablen Geschwindigkeitsbereich leistungsfähig arbeiten, und zwar zwischen einem Unterschall- und einem Oberschallbetrieb, ohne daß abrupte Änderungen oder Diskontinuitäten im Triebwerksluftstrom auftreten.

Die Vorteile lassen sich auch bei einem Doppel-Bypass-Gasturbinentriebwerk erzielen.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispiele·:' näher erläutert. Es zeigt
F i g. I in einer Schnittansicht ein Gasturbinentriebwerk mit variabler Bypass-Strömung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 2 die flächenvariable Mischeinrichtung in einem Schnitt längs der Linie 4-4 in F i g. I,
F i g. 3 in einer Teilansicht einen Abschnitt des Gasturbinentriebwerks gemäß F i g. 1 in einer anderen Betriebsart und

Fig.4 in einer Teilansicht einen Abschnitt des Gascurbinentriebwerks gemäß F i g. 1 in einer anderen Betriebsart.

In F i g. 1 ist ein Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk 10 mit einem äußeren Mantel oder Rumpf 12 dargestellt, der im Abstand von einem inneren Kerntriebwerk 14 angeordnet ist, wobei zwischen einem inneren Ringwandteil 16 und dem Mantel 12 ein ringförmiger Bypasskanal 18 gebildet ist. Das Mantelstromtriebwerk 10 enthält einen Gebläseabschnitt 20 mit einem dreistufigen Rotor 22, Einlaßführungsschaufeln 24 und Leitschaufeln 26, die zwischen den Rotorstufen angeordnet sind und sich von dem äußeren Mantel 12 radial nach innen erstrecken. Der Gebläseabschnitt 20 empfängt den Luftstrom von einem Einlaß 28, um ihn dann zu komprimieren bzw. zu verdichten. Ein Teil dieses Luftstroms gelangt zum Kerntriebwerk 14, während der übrige Teil in den Bypasskanal 18 geleitet wird. Der Einlaß 28 ist so gestaltet, daß er einen vorbestimmten Bemessungsluftstrom aufnimmt. Das Kerntriebwerk enthält einen Axialstromkompressor 30 mit einem Rotor 32. Die durch einen Strömungsringkanal 34 in den

Kompressor 30 eintretende Luft wird weiter komprimiert und dann zu einem Brenner 36 geleitet, wo Brennstoff verbrannt wird, um hochenergetische Verbrennungsgase zu bilden, die einen Hochdruckturbinenrotor 38 antreiben. Dieser entzieht dem aus dem Brenner 36 austretenden Hochdruck-Kerngasstrom Energie und wandelt einen Teil dieser Energie in Wellenantriebsleistung zum Antreiben der Rotorstufen 32 des Kompressors 30 um.

Stromabwärts von der Hochdruckturbine 38 befindet sich eine Niedere, uckturbine 40 in einer Position, in der sie den Strom der das Kerntriebwerk 14 verlassenden heißen Gase aufnimmt Die Niederdruckturbine 40 enthält einen Rotor 42 und steigungs- bzw. anstellungsvariable Statorsegmente 44. Während der Rotor 42 so dargestellt ist daß er drei Stufen aufweist, ist es dem Fachmann geläufig, daß eine kleinere oder größere Stufenzahl angewendet werden kann, was von dem erforderlichen Turbinenenergieentziehungspotential abhängt Die Statorsegmeme 44 arbeiten in der V/eise, daß Energie von dem Kernstrom in Wellenantriubsleistung umgesetzt und an den Rotor 42 abgegeben wird, der seinerseits den Rotor 22 des Gebläseabschnitts 20 über eine sich stromaufwärts erstreckende Antriebswelle 46 antreibt die für eine Rotation mit den Rotoren 22 und 42 verbunden ist Zum Zwecke einer zusätzlichen Steuerung des Kerntriebwerksstroms kann ein flächenvariabler Düsenzwischenboden 48 stromaufwärts von dem Rotor 42 der Niederdruckturbine vorgesehen sein.

Die Strömungsquerschnittsfläche zum Niederdruckturbinenrotor 42 kann durch Verändern der Steigung bzw. Anstellung des variablen Düsenzwischenbodens 48 und der variablen Statorsegmente 44 eingestellt werden, was zu einer Veränderung des Rückdrucks am Hochdruckturbinenrotor führt und hierdurch das Einstellen der Drehzahl des Hochdruckturbinenrotors unterstützt. Stromabwärts vom Kerntriebwerk befindet sich eine flächenvariable Drosseleinrichtung 50 in Form eines konvti'gent-divergenten Kanals 19 zum Mischen der Bypass-Strömung mit den von der Niederdruckturbinendüse 52 ausgestoßenen Verbrennungsgasen in einem Bereich, der auch als Mischbereich bezeichnet werden kann. Eine Vorschubkraft ergibt sich durch das Ausstoßen der gemischten Strömungen durch eine flächenvariable doppeltrichterförmige Abgasdüse 56. Um das Steuern der Strömung im Bypasskanal 18 und Kerntriebwerk 14 zu unterstützen, kann die Querschnittsfläche der Abgasdüse 56 durch geeignete geometrisch variable Stellmittel bekannter Art geändert werden, die gemäß F i g. 1 ein linear wirkendes Stellorgan 57 aufweisen können. Dieses steuert ein angelenktes Wandteil 58, um die Querschnittsfläche der Abgasdüse 56 zu verändern und die aus ihr austretende Strömung in bekannter Weise zu beschleunigen bzw. zu steuern.

Für relativ hohe Bypass-Verhältnisse kann es erforderlich sein, den Bypass-Strom vor dem Mischen auf Überschallgeschwindigkeiten zu beschleunigen, um die statischen Drücke der Kern- und Bypass-Ströme vor dem Mischen anzugleichen. In den F i g. 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Drosseleinrichtung 50 gemäß der Erfindung dargestellt, die es ermöglicht, daß der Bypass-Strom vor dem Einführen in den Kernstrom beschleunigt wird und daß sich sogar bei veränderbaren dynamischen Driickpegeln des Bypass-Stroms eine größere Anpassungsfähigkeit bezüglich des Atisgleichens der statischen Drücke der Kern- und Bypass-Ströme vor dem Mischen ergibt. Bei diesem Ausführungsbeispiel endet die die Kern- und Bypass-Ströme voneinan der trennende Innenwandung 16 stromabwärts von der Niederdruckturbine 40, und der Bypasskanal 18 ist durch einen im Querschnitt allgemein konvexen ringförmigen Einlagekörper 17 begrenzt, der an der Innenfläehe der Verkleidung bzw. des Rumpfes 12 so festgelegt ist daß sich seine konvexe Seite in den Bypasskanal 18 erstreckt Die Drosseleinrichtung 50 weist eine innere Hülse 72 auf, die auf der Bypasskanalwand 16 verschiebbar angeordnet ist Die Wand 16 kann auf ihrem Um- fang ein oder mehrere umfangsmäßig verteilte axiale Kanäle oder Nuten 74 zum Aufnehmen einer entsprechenden Anzahl von umfangsmäßig verteilten axialen Zähnen oder Federn 76 an der Innenseite der Hülse 72 aufweisen, so daß letztere gemäß F i g. 2 längs der Wand 16 verschiebbar geführt ist Es sind geeignete Betätigungsmittel vorgesehen, um die innere Hülse 72 längs der Wand 16 zu bewegen. Diese Betätigungsmittel können gemäß F i g. 1 ein linear wirkendes Stellorgan 80 mit einem sich in Antriebseingriff mit d< inneren Hülse 72 befindlichen Steuerann 82 aufweisen. Dh flächenvariable Drosseleinrichtung 50 weist ferner einen im Querschnitt allgemein konvexen äußeren Umfangsring 84 auf, der über der inneren Hülse 72 verschiebbar angeordnet ist Der äußere Ring 84 kann ein oder mehrere an seiner Innenseite verlaufende sowie umfangsmäßig verteilte axiale Kanäle oder Nuten 86 zum Aufnehmen einer entsprechenden Anzahl von umfangsmäßig verteilten axialen Zähnen oder Federn 88 an der Außenseite der inneren Hülse 72 aufweisen, wie es am besten aus Figur 2 ersichtlich ist Der Ring 84 ist mit einem geeigneten Verschiebe-Stellorgan versehen, das ein zweites linear wirkendes Stellorgan 90 mit einem sich in festem Eingriff mit dem äußeren Ring 84 befindlichen Steuerarm 92 aufweisen kann, um den äußeren Ring 84 längs der inneren Hülse 72 zu bewegen.

Die Veränderbarkeit der Strömungsfläche, über die der Bypass-Strom in dem Mischbereich gelangt, ermöglicht es, daß bei dem Mantelstromtriebwerk ein statischer Druckausgleich zwischen den Kern- und Bypass- Str jmen vor dem Mischen bei weit veränderlichen Bypass-Verbältnissen erreicht werden kann. Im Betrieb werden der erwünschte Schubpegel und üas Bypass-Verhältnis durch Einstellen der dynamischen Druckpegel des Kern- und Bypass-Stromes eingestellt Zusätz- Hch ermöglicht die Drosseleinrichtung 50, daß ein einzelner statischer Druckpegel des Bypass-Stroms unmittelbar stromaufwärts vom Mischbereich bei verschiedenen dynamischen bzw. Staudruckpegeln des Bypass-Stroms erreicht werden kann, wodurch die statischen Drücke der Kern- und Bypass-Ströme vor dem Mischen über einen weiten Bereich von Triebwerks-Bypass-Verhältn^cn ausgeglichen werden können.

Die flächenvariable Drosseleinrichtung 50 ermöglicht es ferner, daß der Luftstrom zum Triebwerkseinlaß 28 Ober einen weiten Bereich von Triebwerksschubpegeln auf einem angepaßten Auslegungspegel gehalten werden kann, wodurch der einlaßseitige Überlauf-Strömungswiderstand vermieden wird, der bei bekannten Mischstromtriebwerken auftritt und zu einer crhebli chen Vergrößerung des Treibstoffverbrauch? führt. Bei einem Flugbetrieb mit kleinem Schub wird durch Vergrößern des dynamischen Druckpegels des Bypass-Stromes und des sich ergebenden Bypass-Verhältnisses verhindert, daß der Luftstrombedarf unter den dem Ein laß zugeführten Luftstrom abfällt Durch geeignetes Einstellen der Durchflußfläche des Bypass-Stromes zum Kernstrom mittels der flächenvariablen Drosseleinrichtung 50 wird vor dem Mischen ein statischer Druckaus-

gleich zwischen den Kern- und Bypass-Strömen aufrechterhalten.

Im Betrieb arbeitet der äußere Ring 84 mit dem feststehenden Einlagekörper 17 zusammen, um den Bypaßkanalstrom zu »drosseln«. Die Fläche des Bypasskanal-Stroms am Drosselpunkt ist die kleinste Querschnittsfläche des Bypasskanals und wird durch axiale Verlagerung des äußeren Rings 84 eingestellt. Eine stromabwärts gerichtete Verschiebung des äußeren Rings 84 führt zu einer Verminderung der Fläche am Drosselpunkt, wie es am besten aus F i g. 3 ersichtlich ist. Eine stromaufwärts gerichtete Verschiebung des Rings 84 führt zu einer Vergrößerung der Fläche an der Drosselstelle, wie es am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist. Der Expansionsgrad des Bypasskanalstroms jenseits der is Drosselstelle wird durch die axiale Position der Hülse 72 bestimmt Fine stromabwärts gerichtete Verschiebung der Hülse 72 ermöglicht gemäß Fig.4 eine größere Expansion des Bypass-Stroms vor dem Mischen. Eine stromaufwärts gerichtete Verschiebung der Hülse 72 führt gemäß den Fig. 1 und 3 zu einem kleineren Expansionsgrad für den Bypasskanalstrom vor dem Mischen. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht es somit, daß der Expansionsgrad des Bypass-Stroms jenseits der Drosselstelle verändert wird. Dies ist besonders zweckmäßig, wenn die dynamischen und statischen Druckpegel des Bypass-Stroms bedeutend größer als die dynamischen und statischen Druckpegel des Kernstroms sind. Um den statischen Druck des Bypass-Stroms auf den relativ niedrigen statischen Druckpegel des Kern-Stroms zu vermindern, kann es unter solchen Bedingungen erforderlich sein, zunächst den Bypass-Strom auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen und ihn dann ausreichend stark zu expandieren, damit der statische Druckpegel des Bypass-Stroms auf den statischen Druckpegei des Kernstroms vermindert wird. Der Bypasskanalstrom wird durch Einstellen der axialen position des äußeren Rings 84 zum Beschleunigen auf Überschallgeschwindigkeit veranlaßt; danach läßt man den Bypasskanalstrom durch Einstellen der axialen Position der Hülse 72 in dem Ausmaß expandieren, wie es erforderlich ist. um die Kern- und Bypass-Drücke anzugleichen.

Bekanntlich lassen sich normalerweise erhebliche Verminderungen bezüglich des gewöhnlich mit einem großen Triebwerksluftstrom verbundenen Strömungswiderstands dadurch erreichen, daß der Triebwerksluftstrom auf seinem maximalen Leistungspegel gehalten wird, während gleichzeitig eine Vergrößerung der Abgasdüsenfläche vorgenommen wird. In bekannten Mantelstromtriebwerken wird der dynamische Druckpegel des Bypass-Stroms stark durch den dynamischen Druckpegel beeinflußt der in der Abgasdüse aufrechterhalten wird. So führt eine Vergrößerung der Abgasdüsenfläche zu einer Verminderung des dynamischen bzw. Staudrucks im Bypass-Strom. Dieses veranlaßt vielfach den Niederdruckkompressor zu einem Betrieb bei niedriger Leistungsfähigkeit, wodurch jegliche durch Vergrößern der Abgasdüsenfläche gewonnene Verbesserungen bzw. Vorteile bezüglich des Treibstoff-Verbrauchs kompensiert werden. Infolge der Tatsache, daß nach den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung der dynamische oder Staudruck des Bypasskanalstroms unabhängig vom Abgasdüsendruck beeinflußt werden kann und daß die Betriebrbedingungen der Niederdruckturbine unabhängig steuerbar sind, ist es möglich, die zuvor erwähnte Verminderung des Strömungswiderstands durch Vergrößerung der Abgasdüsenfläche unter Aufrechterhaltung eines relativ hohen Bypasskanaldrucks zu erreichen.

Die Strömungsanpassungsfähigkeit des Triebwerks gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann erweitert werden, indem der Kompressor 30 mit steigungs- bzw. anstellungsvariablen Statorschaufeln 94 versehen wird, die als ein Ventil zum Vergrößern oder Vermindern der Strömungsquerschnittsfläche zum Kompressor arbeiten können. Um das Bypass-Verhältnis noch weiter zu beeinflussen und während aller Betriebsarten einen angepaßten Einlaßluftstrom aufrechtzuerhalten, kann das Gebläse 20 auch einen steigungs- bzw. anstellungsvariablen Rotormechanismus haben. Für zusätzlichen Schub bei kleinem Bypass-Verhältnis kann ein Nachbrenner 96 stromabwärts vom Kerntriebwerk 14 angeordnet sein.

Die durch die variable Bypass-Charakteristik erzielte Anpassungsfähigkeit ermöglicht eine Wahl der Kerntemperatur und der Bypass- sowie Druckverhältnisse für eine optimale Leistungsfähigkeit bei einem Luftstrom, der an die Einlaßgröße und an die Flugbedingungen angepaßt ist, um während aller Flugbedingungen einen wirkungsvollen Betrieb sicherzustellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk mit einem Kerntriebwerk und einem dieses umgebenden Bypass-Kanal, wobei das stromabwärtige Ende des Bypass-Kanals in den Abgaskanal des Kerntriebwerks mündet und eine Drosseleinrichtung aufweist dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (50) als konvergent-divergenter Kanal (19) ausgebildet ist, wobei der Halsquerschnitt und die Länge des divergenten Teils des konvergent-divergenten Kanals veränderbar sind.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halsquerschnitt des ringförmigen, konvergent-divergenten Kanals (19) durch einen axial verschieblichen, den Halsbereich des Kanals (19) bildenden Ring (84) veränderbar ist, und daß die Länge des divergenten Teils des Kanals (19) durch eine axial verschiebliche, das stromabwärtige Ende der Trennwand zwischen dem Abgaskanal (52) des Kerntriebwerkes (14) und dem Bypass-Kanal (18) bildende Hülse (72) veränderbar ist.