DE2638873C2 - Verfahren zum Betrieb einer Schubdüse für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Schubdüse für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches. Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 38 54 286 bekannt.
• Die Erfordernisse des gegenwärtig für Luftfahrzeuge zu erwartenden Flugbetriebes schließen die Benutzung von konventionellen Schubdüsen aus. Die konvergente Düse, die üblicherweise für den Unterschallflug verwendet wird, verliert ihren Wirkungsgrad, da die Ausströmgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit nicht übersteigen kann (Machzahl 1). Die konvergent-divergente Schubdüse gestattet zwar eine gesteuerte Expansion und Beschleunigung der ausströmenden Gase, nachdem diese die Schallgeschwindigkeit erreichen, aber diese Düsen besitzen nur einen sehr schmalen optimalen Betriebsbereich und müssen als Schubdüsen mit variablem Querschnitt konstruiert werden, um diesen Nachteil zu kompensieren. Obwohl solche Schubdüsen mit variablem Querschnitt in der Vergangenheit in Betracht gezogen wurden, wurden bisher keine Lösungswege für solche Schubdüsen gefunden, welche für die Anpassung an einen breiten Bereich von erwarteten Betriebsaufgaben eines Luftfahrzeuges zufriedenstellend sind.
• Das Problem wird noch komplizierter bei Triebwerken mit mehreren Bypass-Strömungskanälen, bei denen im allgemeinen die Anzahl der Düsen gleich der Anzahl der Strömungskanäle im Inneren des Triebwerkes ist. Dies ist notwendig wegen der großen Unterschiede der Strömungskennzahlen zwischen den einzelnen Strömungen für die meisten Betriebszyklen des Triebwerkes, wodurch es im allgemeinen unpraktikabel wird, diese Strömungen in den Kanälen zu vereinigen. Mit der steigenden Anzahl der Düsen steigt jedoch auch das Triebwerksgewicht.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch gelöst.
• Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in Abhängigkeit von den gewünschten Betriebsbedingungen die Strömungen durch die Bypaßkanäle aktiv beeinflußt bzw. gesteuert werden können. So befindet sich im Betrieb mit Nachverbrennung das Steuerventil in seiner Schließstellung, wobei der äußere Strömungskanal von dem inneren Strömungskanal getrennt wird, und die in Längsrichtung verstellbare Mantelfläche ragt stromabwärts über die Düsengestelle hinaus. Dabei kann das Verhältnis des Querschnittes der Engstelle zu dem Querschnitt am Düsenauslaß verändert werden, so daß die Gebläse-Schubdüse bei maximaler Leistung arbeiten kann.
• Im Dauerflugbetrieb ohne Nachverbrennung und mit großem Bypass- Verhältnis wird durch Öffnen des Steuerventils ein vorteilhaftes Druckgleichgewicht in der Mischebene erhalten. Die vereinigten Bläserströmungen treten dann durch die einzige Gebläse- Schubdüse aus, die durch die Hinterkante der verstellbaren Mantelfläche und dem Gebläse-Strömungskegel gebildet wird, der in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand in seine optimale Stellung gebracht werden kann.
• Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht schematisch ein Gasturbinentriebwerk mit einer Schubdüse, die gemäß der Erfindung betrieben wird.
• Fig. 2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht und zeigt die Schubdüse des Triebwerks nach Fig. 1 in einer Betriebsart.
• Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich Fig. 2 und zeigt die Schubdüse in einer weiteren Betriebsart.
• Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Kerntriebwerk 12 und einem Gebläse 14 mit den Gebläsestufen 16 und 18 und einer Gebläseturbine 20, welche mit dem Gebläse 14 durch die Welle 22 verbunden ist. Das Kerntriebwerk 12 enthält einen Axialstromverdichter 24 mit einem Rotor oder Läufer 26. Die Luft tritt am Einlauf 28 ein und wird zunächst durch die Gebläsestufe 16 verdichtet. Ein erster Teil der verdichteten Luft tritt in den äußeren Gebläse-Bypass-Strömungskanal 30 ein, welcher teilweise durch eine Ringwand 32 und einen Mantel 34 begrenzt wird. Ein zweiter Teil der Luft wird durch die Gebläsestufe 18 weiter verdichtet und dann aufgeteilt. Ein Teil tritt in den inneren Bypass-Strömungskanal 36 ein, welcher teilweise durch das Kerntriebwerk 12 und die Ringwand 32 begrenzt wird. Ein weiterer Teil tritt in den Einlaß 38 des Kerntriebwerks ein. Die Strömungen in den Kanälen 30 und 36 werden letztendlich durch die insgesamt mit 40 bezeichnete Gebläseschubdüse ausgestoßen.
• Die am Einlaß 38 eintretende verdichtete Luft wird durch den Axialstromverdichter 24 weiter verdichtet und dann in eine Brennkammer 42 weitergeleitet, wo zur Erzeugung von Verbrennungsgasen zum Antrieb einer Turbine 44 Brennstoff verbrannt wird. Die Turbine 44 treibt ihrerseits über eine Welle 46 den Rotor 26 an, wie dies bei einem Gasturbinentriebwerk üblich ist. Die heißen Verbrennungsgase werden dann durch die Gebläseturbine 20 geleitet und treiben diese an, welche ihrerseits das Gebläse 14 antreibt. Auf diese Weise wird eine Schubkraft erhalten durch die Wirkung des Gebläses 14, das Luft aus den Strömungskanälen 30 und 36 durch die Gebläseschubdüse 40 ausstößt und weiterhin durch den Ausstoß von Verbrennungsgasen aus einer Schubdüse 48 des Kerntriebwerkes. Zur Schuberhöhung kann der Energieinhalt der Luft im Strömungskanal 36 mit Hilfe eines Brenners 50 gesteigert werden.
• Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf viele Bauformen von zukünftigen Gasturbinentriebwerken des Typs mit "variablem Zyklus" oder des "Multi-Bypass"-Typs und soll keine Beschränkung beinhalten. Vielmehr wird aus der nachstehenden Beschreibung deutlich, daß die Schubdüse gemäß der Erfindung auf jedes Gasturbinentriebwerk angewendet werden kann. Die vorstehende Beschreibung soll daher lediglich ein Anwendungsbeispiel veranschaulichen.
• Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Gebläseschubdüse 40 nach Fig. 2 und 3. Dort ist ein Aufbau mit einem doppelten ringförmigen Bypass abgebildet, welcher einen koaxialen ringförmigen äußeren Bypass-Strömungskanal 30 und einen inneren Bypass-Strömungskanal 36 aufweist, wobei die beiden Strömungskanäle eine gemeinsame ringförmige Zwischenwand 32 besitzen. Die Zwischenwand 32 endet in einer verstellbaren Klappe 106, welche ein Ventil bildet. Die Ventilklappe 106 kann mit Hilfe eines Stellgliedes 108 so eingestellt werden, daß sie mit einem Teil des Außenmantels 34 zusammenwirkt zur Verhinderung einer Strömung durch den äußeren Strömungskanal 30. Oder sie kann so eingestellt werden, daß sie eine Vermischung der Strömungen des äußeren und inneren Strömungskanals stromaufwärts von der Düsenengstelle gestattet. Anschließend treten dann die vereinigten Strömungen durch den Abgaskanal 110 in die Atmosphäre aus.
• Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der innere Strömungskanal 36 mit einem Brenner 50 versehen, um durch Verbrennung den Energiegehalt des Gasstroms im inneren Kanal zu steigern, wenn im Überschallbetrieb eine erhöhte Schubkraft erforderlich ist. Deshalb ist in dem Abgaskanal 110 in an sich bekannter Weise eine thermische Verkleidung 112 für Kühlzwecke vorgesehen.
• Die radial innere Wand des Abgaskanals 110 endet in zwei durch Gestänge betätigten und mit Gelenkverbindung ausgestatteten Klappen 114 und 116, welche einen ringförmigen Gebläseaustrittskonus 118 mit variabler Geometrie bilden. Die am weitesten stromaufwärts liegenden Klappe 114 (in Fig. 2 die linke Klappe) ist durch ein Gelenk mit einer starren Struktur verbunden, beispielsweise bei 120 mit einer Strebe 119. Das stromabwärtige Ende der Klappe 116 ist durch Gelenk mit einer stationären Tragestruktur 56 bei 122 verbunden. Die Klappen 114 und 116 sind mit Hilfe einer Gelenkverbindung 124 miteinander verbunden, welche eine Anordnung mit einer zusammenwirkenden Kurvenscheibe und Kurvenscheibenspur enthält. Ein Gestänge 130 ist bei 132 mit der Klappe 114 verbunden und überträgt die Bewegung von einem Stellglied 134 auf die Klappe 114. Insbesondere wird bei einer Verschiebung des Schlittens 136 nach vorwärts und rückwärts durch das Stellglied 134 bewirkt, daß sich der Gebläseaustrittskonus 118 radial nach außen bzw. nach innen bewegt. Um die Auswirkung des aerodynamischen Widerstandes auf das Gestänge 130 auf ein Minimum zu bringen, ist dieses im Inneren einer vorhandenen Hohlstrebe 119 untergebracht, welche die ringförmige Tragestruktur 56 abstützt. Das Stellglied 134 ist in der Nähe der Mittellinie des Triebwerkes angeordnet, um die Hydraulik zu vereinfachen und eine ausreichende Kühlung derselben zu erhalten.
• die radial äußere Wand des Abgaskanals 110 endet in einer verschiebbaren oder verstellbaren Mantelfläche 138, welche im Innern des Gebläsemantels 34 teleskopartig aufgenommen ist und mit Hilfe eines geeigneten Stellsystems 140 in stromabwärtiger Richtung ausgefahren werden kann. Die Mantelfläche 138 wirkt zusammen mit dem verstellbaren Gebläseaustrittskonus 118 zur Bildung einer Engstelle (minimaler Strömungsquerschnitt) 142 zwischen diesen Teilen. Wenndie Mantelfläche 138 eingezogen ist (siehe Fig. 2), dann ist die Engstelle an ihrer Austrittskante gebildet. In der ausgefahrenen Stellung (siehe Fig. 3) wirken die Mantelfläche 138 und die Klappe 116 zusammen zur Bildung einer Expansionsfläche zur Beschleunigung der Strömung.
• Beim Betrieb mit niedrigem Bypass-Verhältnis und ohne Verbrennung (der Brenner 50 ist außer Betrieb) befindet sich die Ventilklappe 106 in der geschlossenen Stellung bezüglich der Strömung im äußeren Strömungskanal 30 (siehe Fig. 2), die Mantelfläche 138 ist eingezogen und die Steuerung des Engstellenquerschnittes wird durch den verstellbaren Austrittskonus 118 erhalten, welcher dann durch das Stellglied 134 in seine optimale Lage verstellt wird. Mit einer Schuberhöhung wird der Engstellenquerschnitt dadurch vergrößert, daß der Schlitten 136 nach rückwärts verschoben und damit der Austrittskonus 118 radial nach innen bewegt wird. In der Betriebsart mit hohem Bypass- Verhältnis ist die Ventilklappe 106 bezüglich des äußeren Strömungskanals 30 geöffnet (der Austrittskonus 118 befindet sich dabei in der Stellung nach Fig. 3). Die beiden Kanalströme werden hinter dem außer Betrieb befindlichen Brenner 50 mit Hilfe der Ventilklappe 106 gemischt, welche ein günstiges statisches Druckgleichgewicht in der Mischebene erzeugt.
• Im Brennerbetrieb nach Fig. 3 ist die Ventilklappe 106 bezüglich des äußeren Strömungskanals 30 geschlossen, und die innere Strömung mit Verbrennung kann durch den relativ weiten Engstellenquerschnitt austreten. Die verstellbare Mantelfläche 138 ist gemäß Fig. 3 ausgefahren und bildet zusammen mit der Ventilklappe 106 eine gesteuerte Expansionsfläche für die Expansion der Abgase und liefert weiterhin die Möglichkeit zum Verändern des Verhältnisses des Engstellenquerschnittes und des Schubdüsenquerschnittes, wodurch die Gebläse-Schubdüse bei ihrer maximalen Leistung arbeiten kann.

Claims (1)

1. Verfahren zum Betrieb einer Schubdüse für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Kerntriebwerk und zwei im wesentlichen koaxialen ringförmigen Bypass-Strömungskanälen mit einer gemeinsamen Zwischenwand, wobei die Strömungen durch die zwei Strömungskanäle gesteuert werden und die Summe der Strömungen durch eine von der Kerntriebwerks-Schubdüse unabhängige, variable Bläser-Schubdüse strömen, dadurch gekennzeichnet, daß

- bei kleinem Bypass-Verhältnis einer der Bypass-Strömungskanäle durch ein an seinem stromabwärtigen Ende angeordnetes Steuerventil (106) geschlossen und der Düsenhals der Bläser-Schubdüse durch verstellbare Klappen (114, 116) eingestellt wird ( Fig. 1),

- bei steigendem Schubbedarf die verstellbaren Klappen (114, 116) in Richtung eines größeren Strömungsquerschnittes der Bläser-Schubdüse bewegt werden,

- bei großem Bypass-Verhältnis beide Bypass-Strömungskanäle durch das Steuerventil (106) geöffnet werden,

- und im Schubverstärkungsbetrieb das Steuerventil (106) geschlossen wird und eine in Längsrichtung verstellbare Mantelfläche (138) in stromabwärtiger Richtung ausgefahren wird, um zusammen mit den verstellbaren Klappen (114, 116) einen steuerbaren Expansionsabschnitt der Bläser-Schubdüse zu bilden (Fig. 3).