DE3114481A1

DE3114481A1 - "gasturbinentriebwerk mit schalenschubumkehrer"

Info

Publication number: DE3114481A1
Application number: DE19813114481
Authority: DE
Inventors: Malcolm Charles Bristol Hitchcock
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1980-04-30
Filing date: 1981-04-10
Publication date: 1982-02-18
Also published as: JPS6142097B2; FR2481748A1; FR2481748B1; JPS572449A; DE3114481C2; GB2075447A; GB2075447B; US4462207A

Description

DIPL. IKG. B, ELOLSEB ΪΗΙΙΙΡΡΧΝΕ -VTBLSEE - STBASSB I* 8000 AUGSBURG

TELEFON 616475 TELEX C33S02 pciol d

31H481

Augsburg, den 9. April 1981 Anw.Aktenz.: R.1068

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Gasturbinentriebwerk mit Schalenschubumkehrer

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit Schalenschubumkehrer nach dem Oberbegriff des Anspruchs

Eine als Schalenschubumkehrer bekannte Schubumkehrerbauart weist zwei oder mehr Schubumkehrerschalen auf, die zwischen einer Ruhestellung, in welcher sie derart am Triebwerk verstaut sind, daß sie den Triebwerksabgasstrahl nicht ablenken, und einer Schubumkehrstellung beweglich sind, in welcher sie den Abgasstrahl aus der Triebwerks-

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achse ablenken, üblicherweise hat das Strahlrohr des Triebwerks eine Düse mit festem Austrittsquerschnitt, der bei Vorwärtsschubbetrieb und Umkehrschubbetrieb gleichbleibt, und die Schubumkehrerschalen haben keinen Einfluß auf den Austrittsquerschnitt der Strahlrohrdüse, d.h. der Düsenaustrittsquerschnitt ist im Vorwärtsschubbetrieb und im Umkehrschubbetrieb stets durch den Endquerschnitt des Strahlrohrs bestimmt.

Derartige Schalenschubumkehrer finden nicht nur zum Umlenken des Abgasstrahls eines reinen Turbostrahltriebwerks, sondern auch als Schubumkehrer bei Zweistromtriebwerken Anwendung, bei welchen der Bypasskanal konvergiert und an der Austrittsdüse des Strahlrohrs des Grundtriebwerks endigt, um sowohl den Bypassluftstrom als auch den heißen Abgasstrom umzulenken.

Bei Zweistromtriebwerken reicht es normalerweise aus, den Bypassluftstrom mit Hilfe von den Bypasskanal blockierenden Klappen und kaskadenförmigen Austrittsöffnungen in der Bypasskanalwand gesondert umzulenken und einen Schubumkehrer zur Umlenkung des heißen Abgasstrahls zu verwenden, wobei die Verwendung eines Schalenschubumkehrers zu diesem Zweck bekannt ist. Auch bei dieser bekannten Anwendung von Schalenschub umkehr ern sind die Schubumkehrerschalen in ihrer Ruhe-

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-r-

stellung außerhalb des heißen Abgasstroms verstaut und können dann nicht als aktives Bauteil an der Herstellung des wirksamen Düsenaustrittsquerschnitts des Strahlrohrs mitwirken, und der Austrittsquerschnitt der Strahlrohrdüse bleibt beim Vorwärtsschubbetrieb und beim Schubumkehrbetrieb jeweils gleich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinentriebwerk mit Schalenschubumkehrer der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß die Schubumkehrerschalen auch in ihrer Ruhestellung eine nützliche Punktion haben und beim Verstellen der Schubumkehrerschalen in die Schubumkehrstellung die auf die Turbine wirkende Druckrückwirkung verringert und dadurch das erreichte Gesamtmaß der Schubumkehrwirkung verbessert wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung definieren die Schubumkehrerschalen in ihrer Ruhestellung den wirksamen Austrittsdüsenquerschnitt des Strahlrohrs und in der Schubumkehrstellung ist der Austrittsquerschnitt der

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dann durch das Strahlrohrende gebildeten Düse größer, so daß die gesamte Schubumkehrwirkung durch Reduzierung der Druckrückwirkung auf die Turbine vergrößert ist.

Der Schubumkehrer kann eine einzige Schubumkehrerschale oder eine Mehrzahl von Schubumkehrerschalen aufweisen, die unterschiedlich große Anteile des Abgasstroms und folglich diesen mit Bezug auf die Strahlrohrachse asymmetrisch ablenken.

Die Düse des Strahlrohrs kann in einer zur Strahlrohrachse senkrechten Ebene oder in einer Ebene liegen, die mit der Strahlrohrachse einen Winkel bildet.

Das Triebwerk ist vorzugsweise ein Zweistromtriebwerk, wobei der Anschluß zwischen der stromaufwärtigen Kante jeder Schubumkehrerschale und dem Strahlrohr in der Ruhestellung der Schubumkehrerschalen vorzugsweise in einem Bereich der Bypasströmung liegt, in welchem im Betrieb der Luftdruck infolge von im Bypassluftstrom erzeugten Stoßwellen höher als in anderen Bereichen ist, um auf diese Weise das über der Anschlußstelle stehende Druckgefälle zwischen dem Bypassstrom und dem Inneren des Strahlrohrs zu reduzieren.

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Wenn das Triebwerk ein Zweistroratriebwerk ist, können Klappen im Bypasskanal vorgesehen sein, die, wenn die Schubumkehrerschalen sich in der Schubumkehrstellung befinden und den heißen Abgasstrahl umlenken, den Bypasskanal blockieren und den Bypassluftstrom durch öffnungen in der Bypasskanalwand mit einer Vorwärtskomponente ablenken, um auch den vom Bypassluftstrom erzeugten Schub umzukehren.

Vorzugsweise ist der maximale Austrittsquerschnitt der Strahlrohrdüse derjenige, bei welchem die Turbine bei der vollen Konstruktionstriebwerksdrehzahl gedrosselt wird, und dieser ist typischerweise um bis zu 50 % größer als der Austrittsquerschnitt der von den Schubumkehrerschalen in ihrer Ruhestellung gebildeten Düse.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigen:

Fig. 1 schematisch ein als Zweistromtrieb

werk ausgelegtes Gasturbinentriebwerk nach der Erfindung,

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-jkö -

die Pig. 2 verschiedene alternative Ausführungsbis 5 formen des in Pig. 1 dargestellten

Schalenschubumkehrers nach der

Erfindung, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung des

statischen Druckes im Verlauf des Bypasskanals des Triebwerks nach Pig. 1, welche die örtlich höheren Drücke infolge von im Bypassluftstrom erzeugten Stoßwellen zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Zweistrom-Plugzeuggasturbinentriebwerk mit einem in einem Bypasskanal 12 umlaufenden Gebläse 11, das von einer Turbine eines Grundtriebwerks 13 angetrieben wird. Das Grundtriebwerk 13 endigt in einem Strahlrohr 14 mit einer Düse 15 mit festem Austrittsquerschnitt, die in einer zur Achse des Strahlrohrs 14 senkrechten Ebene liegt.

Das Strahlrohr 14 weist zwei nach hinten ragende seitliche Arme 16 auf, die jeweils an ihrem freien Ende einen Zapfen 17 tragen. An diesen Zapfen 17 sind zwei gewölbte Schubumkehrerschalen 18 angelenkt, die in ihrer Ruhestellung eine rückwärtige Verlängerung des Strahlrohrs 14 und an ihrem stromabwärtigen Ende eine Austrittsdüse 19 bilden,

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die in ihrer Ruhestellung die Austrittsdüse des Triebwerks darstellt. Der Austrittsquerschnitt der von den Schubumkehrerschalen 18 gebildeten Düse 19 ist kleiner als derjenige der Düse 15 des Strahlrohrs 14. Beispielsweise kann der Austrittsquerschnitt der Strahlrohrdüse 15 um 50 % größer als derjenige der Düse 19 sein.

Das Triebwerk ist so ausgelegt, daß bei in ihrer Ruhestellung befindlichen und die Düse 19 bildenden Schubumkehrers chalen 18 der maximale Vorwärtsschub entwickelt wird.

Die Schub umkehrerschalen 18 sind jeweils mit zwei Lenkern 20 versehen, von denen an jeder Seite der betreffenden Schubumkehrerschale 18 einer angeordnet ist, und ein Luftmotor-, Druckzylinder-, oder Gewindespindel-Betätigungsantrieb 21 dient zum Verschieben der Lenker 20 nach hinten, um die Sehubumkehrerschalen in ihre Schubumkehrstellung zu verschwenken (in Pig. I strichpunktiert dargestellt), indem die Sehubumkehrerschalen um die Zapfen 17 herum geschwenkt werden.

In der Schubumkehrstellung legen die Sehubumkehrerschalen 18 die einen größeren Austrittsquerschnitt auf-

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- erweisende Düse 15 des Strahlrohrs frei und verlaufen im wesentlichen quer zur Strahlrohrachse, so daß sie den heißen Abgasstrahl ablenken, um den Vorwärtsschub zu vernichten.

Durch die Vergrößerung des Austrittsquerschnitts der wirksamen Austrittsdüse des Strahlrohrs wird der Druck unmittelbar stromab der Turbine verringert und die Strahlgeschwindigkeit nimmt ab. Die Turbine erhöht daher ihre Drehzahl, was wiederum zu einer Steigerung des vom Gebläse erzeugten Schubes führt. Außerdem wird der stark reduzierte heiße Abgasstrahl aus dem Strahlrohr durch die Schubumkehrerschalen 18 nach vorne umgelenkt, um den gesamten Vorwärtsschub zu vermindern. Zusätzlich wird das stromabwärtige Ende des Bypasskanals durch die Klappen 23 blockiert und ein Teil der- Bypasskanalwand 24 nach hinten verschoben, um kaskadenförmige, nach vorne gerichtete Austrittsöffnungen freizulegen, um auch den gesteigerten, vom Gebläse entwickelten Schub nach vorne umzulenken und dadurch einen Umkehrschub zu erzeugen.

Die Anschlußstelle 25 zwischen den stromaufwärtigen Kanten der Schubumkehrerschalen 18 und dem Strahlrohr 14 befindet sich in einem Bereich entlang der Bypasströmung,

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in welchen der Druck bei Reiseflugbedingungen örtlich höher als in anderen Bereichen entlang des Bypasskanals in der Nähe des Strahlrohrs ist, was seine Ursache in im Bypassluftstrom entstehenden Stoßwellen hat. Auf diese Weise wird das Druckgefälle über der Anschlußstelle 25 zwischen dem Bypasskanal 12 und dem Inneren des Strahlrohrs 14 auf einem Minimum gehalten. Die Schubumkehrerschalen 18 werden in der Vorwärtsschubstellung durch geeignete Arretierungen sicher gehalten.

Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung der statischen Drücke an verschiedenen, durch Punkte A bis I markierten Stellen entlang des Bypasskanals 12 im Reiseflugzustand bei einem Gebläsedruckverhältnis von 2,5 : 1.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, erzeugen Stoßwellen, die im Bypassluftstrom infolge von Verdünnungen und Wiederverdichtungen der Luft während ihres Hindurchströmens durch den Bypasskanal entstehen, örtliche Bereiche höheren Druckes im Vergleich zu anderen axialen Bereichen entlang des Bypasskanales. Die Anschlußstelle 25 kann an jeder zweckmäßigen Stelle vorgesehen sein, an welcher der statische Druck örtlich höher ist, d.h. an den Punkten A oder F.

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Bei vielen Anwendungsfällen der Erfindung ist es notwendig, einen asymmetrischen Umkehrschub zu erzeugen. Beispielsweise wenn das Triebwerk entlang dem Flugzeugrump angeordnet ist, kann es notwendig sein, den Schub vom Flugzeugrumpf wegzulenken, wenn der Schubumkehrer in die Schubumkehrstellung gebracht wird. Die Fig. 2 bis 5 zeigen verschiedene Möglichkeiten, um dies mit Schubumkehrern nach der Erfindung zu erreichen.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 haben die Lenker 20 der einen Schubumkehrerschale eine andere Länge als diejenigen der anderen Schubumkehrerschale, so daß in der Schubumkehrstellung ein größerer Teil des heißen Abgasstrahls nach der einen Seite des Triebwerks abgelenkt wird als nach der anderen Seite.

Gemäß Fig. 3 wird ein ähnliches Ergebnis dadurch erreicht, daß die Düse 15 des Strahlrohrs 14 abgeschrägt ist und die Schubumkehrerschalen 18 entweder mit gleichlangen Lenkern 20, wie dargestellt, oder mit asymmetrischen Lenkern 20 entsprechend denjenigen nach Fig. 2 betrieben werden.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 wird das gleiche Ergebnis wie beim Abschrägen der Düse 15 durch Abstufen der Düse 15 in zur Längsachse des Strahlrohrs 14 senkrechten Ebenen

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erreicht. Hier ist der wirksame Austrittsquerschnitt des Strahlrohrs l4 komplex und entspricht annähernd demjenigen der abgeschrägten Düse 15 nach Pig. 3.

Bei der Anordnung nach Fig. 5 wird eine asymmetrische Schubumkehr durch "Verwendung einer abgestuften Düse 15 am Ende des Strahlrohrs l4 und eine einzige Schubumkehrerschale 18 erreicht, die in ihrer Ruhestellung zusammen mit dem Strahlrohr eine Düse 19 mit kleinerem Austrittsquerschnitt bildet. Befindet sich die Schubumkehrerschale 18 in der Schubumkehrstellung, d.h. quer zur Strahlrohrachse₉ so wird nur ein Teil des aus dem Strahlrohr austretenden Abgasstrahls umgelenkt. Deshalb ist die Schubumkehrerbauart nach Fig. 5 nicht so gut wie die in den anderen Figuren dargestellten Möglichkeiten,

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Claims

Patentansprüche

Jl.; Gasturbinentriebwerk mit einem in einer Düse mit festem Austrittsquerschnitt endigenden Strahlrohr und mit einem Schalenschubumkehrer, der eine oder mehrere zwischen einer Ruhestellung und einer Schubumkehrstellung bewegliche Schubumkehrerschalen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubumkehrerschalen (l8) in ihrer Ruhestellung eine rückwärtige Verlängerung des Strahlrohrs (14) und eine wirksame Austrittsdüse bilden, die stromab der Düse des Strahlrohrs gelegen ist und einen kleineren Austrittsquerschnitt als diese hat, und daß in der Schubumkehrstellung der Schubumkehrerschalen, in welcher diese im wesentlichen quer zur Strahlrohrachse verlaufen, die Düse des Strahlrohrs freiliegt und als Austrittsdüse des Triebwerks wirksam ist.
2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubumkehrer eine einzige Schubumkehrerschale (18) aufweist, die in der Schubumkehrstellung den heißen Abgasstrom mit Bezug auf die Strahlrohrachse asymmetrisch ablenkt.
3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubumkehrer mehrere Schubumkehrer-

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schalen (18) aufweist, die in der Schubumkehrstellung unterschiedlich große Anteile des Abgasstrahls und somit den Abgasstrahl asymmetrisch mit Bezug auf die Strahlrohrachse ablenken,
4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (15) des Strahlrohrs (14) in einer zur Strahlrohrachse senkrechten Ebene liegt.
5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (15) des Strahlrohrs (14) in einer Ebene liegt, die mit der Strahlrohrachse einen Winkel bildet«
6. Als Zweistromtriebwerk ausgebildetes Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstelle (25) zwischen der stromaufwärtigen Kante jeder Schubumkehrerschale (18) und dem Strahlrohr (14) in der Ruhestellung der Schubumkehrerschalen in einem Bereich (A oder P) entlang der Bypassströmung liegt, in welchem der Luftdruck infolge von im Bypasstrom erzeugten Stoßwellen örtlich höher als in anderen Bereichen ist.
7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Klappen (23) zum Absperren des Bypasskanals (12) und stromauf derselben Öffnungen in der Bypass-

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kanalwand vorgesehen sind, welche die von den Klappen (23) abgelenkte Bypassluft mit einer Vorwärtskomponente durch die Bypasskanalwand austreten lassen.
8. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Austrittsquerschnitt der Düse (15) derjenige Querschnitt ist, bei welchem die Turbine bei der vollen Konstruktionstriebwerksdrehzahl gedrosselt wird.
9. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt der Düse (15) des Strahlrohrs (14) bis zu 50 % größer als derjenige der von den Schubumkehrerklappen (18) in deren Ruhestellung gebildeten Austrittsdüse (19) ist.

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