DE3114481C2

DE3114481C2 - Schubumkehreinrichtung für ein Bypass-Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3114481C2
Application number: DE3114481A
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: 1983-12-01
Also published as: FR2481748B1; FR2481748A1; JPS572449A; JPS6142097B2; US4462207A; GB2075447A; DE3114481A1; GB2075447B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk, dessen Strahlrohr (14) in einer Düse (15) mit festem Austrittsquerschnitt endigt, und das einen Schalenschubumkehrer mit ein oder mehreren Schubumkehrerschalen (18) aufweist. Die Schubumkehrerschalen (18) bilden in ihrer Ruhestellung eine rückwärtige Verlängerung des Strahlrohrs (14) und eine wirksame Austrittsdüse (19), die sich stromab der Düse (15) des Strahlrohrs (14) befindet und einen kleineren Austrittsquerschnitt als diese hat. In der Schubumkehrstellung legen die Schubumkehrerschalen (18) die Düse (15) des Strahlrohrs (14) frei, die nunmehr die wirksame Austrittsdüse des Triebwerks bildet. Damit wird die Aufgabe gelöst, die Schubumkehrerschalen auch in ihrer Ruhestellung als aktive Bauteile des Triebwerks einzusetzen und in der Schubumkehrstellung den Austrittsquerschnitt der wirksamen Austrittsdüse des Strahlrohrs zu vergrößern, um dadurch die Druckrückwirkung auf die Turbine zu verringern.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schubumkehreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für ein Gasturbinentriebwerk der Bypass-Bauart.

Eine derartige Schubumkehreinrichtung ist aus einer technischen Abhandlung »Schubumkehr bei Bläsertriebwerken« in der Zeitschrift »Luftfahrttechnik-Raumfahrttechnik«, Jahrgang 15, Heft 12, Dezember 1969, Seiten 317 und 318, bekannt.

Bei dieser bekannten Schubumkehreinrichtung ist dem den heißen Kernstrom führenden Strahlrohr des Innentriebwerks ein Spoiler mit zwei Schubumlenkschalen zugeordnet, die in ih^rer Schubumlenkstellung den Kernstromschub durch beiderseitiges seitwärtiges Ablenken des Kernstromes neutralisieren, während die Schubumlenkschalen in ihrer Ruhestellung an der Strahlrohraußenwand anliegen. Die Strahlrohraustrittsdüse hat also stets, nämlich im normalen Betrieb und im Schubumkehrbetrieb, den gleichen Austrittsquerschnitt.

Im Schubumkehrbetrieb verursacht aber die Strahlumlenkung eine Vergrößerung der auf die Turbine wirkende Druckrückwirkung und verschlechtert damit den Wirkungsgrad des Triebwerks gegenüber dem normalen Vorwärtsschubbetrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schubumkehreinrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß die Schubumlenkschaien auch in ihrer Ruhestellung eine nützliche Funktion haben und in ihrer Schubumlenkstellung eine geringere Druckrückwirkung auf die Turbine verursachen, so daß ein besseres Gesamtmaß der Schubumkehrwirkung erreicht wird

Diese Aufgabe wird bei einer Schubumkehreinrichtung der in Rede stehenden Gattung gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Damit wird folgende vorteilhafte Wirkung erzielt:

Beim Ausfahren der Schubumlenkschalen in ihre Arbeitsstellung wird, da nunmehr die Strahlrohraustrittsdüse als Austrittsdüse wirksam wird der wirksame Austrittsquerschnitt für den heißen Kernstrom gegenüber dem in der Ruhestellung der Schubumlenkschalen durch deren rückwärtige Enden begrenzten Austrittsquerschnitt größer. Dadurch verringert sich die Druckrückwirkung auf die Turbine, was eine Beschleunigung de» Turbine und demzufolge einen beschleunigten Antrieb des Verdichters bzw. des im Bypasskanal wirksamen Gebläses zur Folge hat. Dadurch wird der Schub im kalten Bypass-Strom und damit die Bremswirkung des Utikehrschubes erhöht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dabei gibt Anspruch 3 den Maximalquerschnitt der Strahlrohraustrittsdüse in Anpassung an die Konstruktionstriebwerksdrehzahl an. Während der meisten Betriebszustände eines Gasturbinentriebwerks erreicht der heiße Kernstromstrahl eine Austrittsgeschwindigkeit, die der Schallgeschwindigkeit bei der jeweiligen Abgastemperatur entspricht. Im diesem Zustand kann, außer durch Erhöhung der Abgastemperatur, keine weitere Steigerung der Austrittsgeschwindigkeit mehr erreicht werden, so daß beim Erreichen dieses Zustands eine Drosselung im Sinne einer Begrenzung einsetzt. Wird der Gesamtdruck der Strömung stromauf der Düse über den Wert hinaus gesteigert, bei welchem diese Begrenzung einsetzt, steigt der statische Gasdruck im Abgasstrahl in der Düsenaustrittsebene über den Atmosphärendruck an und man erhält einen sog. Druckschub, der über dem Düsenaustritisquerschnitt wirkt und sich zu dem Reaktionsschub des Gasstrahls hinzuaddiert. Bei der angegebenen Bemessung wird daher der beste Wirkungsgrad erreicht.

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

F i g. 1 schematisch ein Zweistrom-Gasturbinentriebwerk mit einer Schubumkehreinrichtung nach der Erfindung, die

F i g. 2 bis 5 verschiedene alternative Anordnungsformen der Schubumlenkschalen der Schubumkehreinrichtung, und

Fig.6 eine graphische Darstellung des statischen Druckes im Verlauf des Bypasskanals des Triebwerks nach Fig. 1, welche die örtlich höheren Drücke infolge von im Bypassluftstrom erzeugten Stoßwellen zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Zweistrom-Flugzeuggasturbinentriebwerk mit einem in einem Bypasskanal 12 umlaufenden Gebläse 11, das von einer Turbine eines Innentriebwerks 13 angetrieben wird. Das Innentriebwerk 13 endigt in einem Strahlrohr 14 mit einer

Strahlrohrdüse 15 mit festem Austrittsquerschnitt

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 Schubumlenkschalen 18 angelenkt, die in ihrer Ruhestellung eine rückwärtige Verlängerung des Strahlrohrs 14 und mit ihren stromabwärtigen Enden eine Austrittsdüse 19 bilden, die dann die wirksame Austrittsdüse des Triebwerks darstellt. Der Austrittsquerschnitt der von den Schubumlenkschalen 18 gebildeten Düse 19 ist kleiner als derjenige der Strahlrohrdüse 15. 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 Schubumlenkschalen 18 der maximale Vorwärtsschub entwickelt wird.

Dia Sehubumlenkschalen 18 sind jeweils mit zwei Lenkern 20 versehen, und ein Betätigungsnntrieb 21 dient zum Verschieben der Lenker 20 nach hinten, um die Schubumlenkschalen in ihre Schubumkehrstellung zu verschwenken (in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt).

In der Schubumkehrstellung legen die Schubumlenkschalen 18 die einen größeren Austrittsquerschnitt aufweisende Strahlrohrdüse 15 frei. Durch den nunmehr größeren wirksamen Düsenaustrittsquerschnitt 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 des Bypass-Stromes führt. Außerdem wird der stark reduzierte heiße Abgasstrahl aus dem Strahlrohr durch die Schubumlenkschalen 18 nach vorne umgelenkt. Zusätzlich wird das stromabwärtige Ende des Bypasskanals durch 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 Bypass-Strom nach vorne umzulenken und dadurch einen Umkehrschub zu erzeugen.

Die Anschlußstelle 25 zwischen den stromaufwärtigen Kanten der Schubumlenkschalen 18 und dem Strahlrohr 14 befindet sich in einem Bereich entlang der Bypassströmung, 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 Bypass-Strom 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.

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

Wie aus F i g. 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.

Die Fig.2 bis 5 zeigen Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung, wenn es notwendig ist, einen asymmetrischen Umkehrschub zu erzeugen, beispielsweise wenn das Triebwerk seitlich am Flugzeugrumpf angeordnet ist

Bei der Anordnung nach F i g. 2 haben die Lenker 20 der einen Schubumlenkschale eine andere Länge als diejenigen der anderen Schubumlenkschale, so daß in der Schubumkehrstellung ein großer Teil des heißen Abgasstrahls nach der einen Seite des Triebwerks abgelenkt wird als nach der anderen Seite.

Gemäß F i g. 3 wird ein ähnliches Ergebnis dadurch erreicht, daß die Strahlrohrdüse 15 abgeschrägt ist und die Schubumlenkschalen 18 entweder mit gleichlangen Lenkern 20, wie dargestellt oder mit asymmetrischen Lenkern 20 entsprechend denjenigen nach Fig.2 betätigt werden. ^:

Bei der Anordnung nach F i g. 4 ist die Strahlrohrdüse 15 in zur Längsachse des Strahlrohrs 14 senkrechten Ebenen abgestuft Hier ist der wirksame Austrittsquerschnitt des Strahlrohres 14 komplex und entspricht annähernd demjenigen der abgeschrägten Düse 15 nach Fig. 3.

Bei der Anordnung nach F i g. 5 wird eine asymmetrische Schubumkehr durch Verwendung einer abgestuften Düse 15 am Ende des Strahlrohrs 14 und eine einzige Schubumlenkschale 18 erreicht, die in ihrer Ruhestellung zusammen mit dem Strahlrohr eine Düse 19 mit kleinerem Austrittsquerschnitt bildet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schubumkehreinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk der Bypass-Bauart, mit einem in einer Strahlrohraustrittsdüse mit festem Querschnitt endi- s genden Kernstrom-Strahlrohr, weiter mit einer Anzahl von dem Kernstrom-Strahlrohr zugeordneten, zwischen einer Ruhestellung und einer hinterhalb der Strahlrohraustrittsdüse gelegenen Schubumlenkstellung beweglichen Schubumlenkschalen, und mit Organen zum öffnen von Austrittsöffnungen, in der Bypasskanalwand sowie zum Absperren des Bypasskanals und zum Umlenken der Strömung mit einer Vorwärtskomponente durch die Austrittsöffnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubumlenkschalen (18) in ihrer Ruhestellung eine rückwärtige Verlängerung des Strahlrohrs (14) und mit ihrem stromabseitigen Ende eine wirksame Austrittsdüse (19) mit gegenüber der Strahlrohraustrittsdüse (15) kleinerem Austrittsquerschnitt bilden und in ihrer Schubumlenkstellung die Strahlrohraustrittsdüse (15) freilegen.

2. Schubumkehreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstelle (25) der stromaufwärtigen Ränder der in der Ruhestellung befindlichen Schubumlenkschalen (18) an die Strahlrohraustrittsdüse (15) entlang des Bypass-Stromes in einem Bereich (A oder F) liegt, in welchem der Luftdruck infolge von im Bypass-Strom erzeugten Stoßwellen örtlich höher als in anderen Bereichen ist.

3. Schubumkehreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt der Strahlrohraustrittsdüse (15) maximal derjenige Querschnitt ist, bei welchem bei der vollen Konstruktionstriebwerksdrehzahl eine Drosselung der Turbine einsetzt.

4. Schubumkehreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt der Strahlrohraustrittsdüse (15) bis zu 50% größer als derjenige der von den Schubumlenkschalen (18) in deren Ruhestellung gebildeten Austrittsdüse (19) ist.