DE3219616A1

DE3219616A1 - Vereinfachte gegenlaeufige strahlturbine

Info

Publication number: DE3219616A1
Application number: DE19823219616
Authority: DE
Inventors: Serge 92330 Sceaux Boudigues
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1981-05-27
Filing date: 1982-05-25
Publication date: 1982-12-16
Also published as: GB2099082A; FR2506839A1; FR2506839B1

Description

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II/rk/2532

OFFICE NATIONAL D¹ETUDES ET DE REGHERCHES AEROSPATIALES 29-39, avenue de la Division Leclerc

92320 Chatillon Sous Bagneux

Vereinfachte gegenläufige Strahlturbine

Die Erfindung betrifft eine vereinfachte gegenläufige Strahlturbine.

Sie bezieht sich insbesondere auf eine gegenläufige Ein- oder Doppelstrahlturbine, die eine einstufige Turbine aufweist, welche einen einstufigen, axialen Kompressor antreibt.

Strahlturbinen werden seit vierzig Jahren eingesetzt, um insbesondere Flugzeuge anzutreiben. Es handelt sich um relativ kompliziert aufgebaute Motoren, die sehr kostspielig sind, wodurch ihr Einsatz auf Flugzeuge oder dergleichen beschränkt ist, bei denen der Bau einer Einheit mit

e_xtrem hohen Kosten akzeptiert wird. |

Sowohl die Kompressoren als auch die Turbinen dieser Strahl-

turbinen weisen mehrfache Stufen auf, die jeweils aus § einem beweglichen Rad oder Gitter und einem feststehenden Rad oder Gitter bestehen, um die angestrebte hohe Endleistung zu erreichen. Diese mehrstufige Ausführung macht | es jedoch auch möglich, eine optimale Leistung herbeizuführen.

Um die Anzahl der erforderlichen Räder in Strahlturbinen mit mehreren Stufen zu verringern, ist bereits vorgeschla-

zu ersetzen, die zu den beweglichen Rädern der jeweiligen Stufen gegenläufig rotieren. Diese Bauweise bringt jeder

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gen worden, die feststehenden Räder durch bewegliche Räder

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Stufe ein wesentlich erhöhtes Verdichtungsverhältnis (etwa χ 3), wodurch bei einer gegebenen Kraft und Leistung der Strahlturbine die Anzahl der Räder verringert werden kann. Daraus ergibt sich ein Gewinn auf die Masse und schliesslich ein Gewinn bei den Gestehungskosten.

Bei den Turbinen und Kompressoren von Strahlturbinen die- : ser Art sind die aufeinanderfolgenden Räder, die gegenläufig drehen, jeweils Teil eines klassischen inneren Rotors und eines um den inneren Rotor konzentrisch angeordneten Rotors, wobei die beiden Rotoren versetzt angeordnet sind.

Bei diesen Ausführungsformen müssen die Naben des äusseren Rotors neben ihrer aerodynamischen Funktion eine strukturelle Funktion erfüllen, was in der Praxis zu einem Kompromiss führt, der die mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Legierungen berücksichtigt, dabei jedoch die aerodynamischen Leistungen der Naben verringert.

In einem früheren Vorschlag (US-Patent Nr. 2 608 821) ist beispielsweise eine Strahlturbine beschrieben , bei der zur Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufel- .: enden für den Kompressor zwei gegenläufige Räder vorgesehen sind, von denen das erste eine erste Stufe mit feststehenden Eingangsnaben und das zweite eine zweite Stufe mit feststehenden Ausgangsnaben des Kompressors bildet, wobei für die Turbine eine entsprechende Anordnung vorgesehen ist und die Räder des Kompressors jeweils über konzentrische

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Naben mit den Turbinenrädern verbunden sind.

Es wurde auch eine Strahlturbine (US-Patent Nr. 2 575 682) vorgeschlagen, bei der der Kompressor·und die Turbine einstufig ausgebildet sind, wobei unter der Bezeichnung "Stufe" üblicherweise eine Einheit aus aufeinanderfolgenden Elementen zu verstehen ist, von einen jedes die Axialgeschwindigkeit des Gasstromes ablenkt oder verändert und von denen das letzte die Geschwindigkeitsrichtung auf die druckseitigen Bedingungen bringt. Jedoch haben sowohl die

Turbine als auch der Kompressor dieser Strahlturbine neben den beiden gegenläufigen Rädern ein feststehendes Gitter.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte gegenläufige Strahlturbine zu schaffen, die eine einstufige Turbine aufweist, welche einen axialen einstufigen Kompressor antreibt, und die darin besteht, dass die einzige Stufe der Turbine und die einzige Stufe des Kompressors jeweils aus zwei beweglichen, gegenläufigen Rädern oder Gittern bestehen, wobei keine von beiden mit feststehendem Gitter versehen ist.

- Man kommt somit zu einer äusserst einfachen Strahlturbine, die jedoch eine Druckzunahme um einen Faktor von etwa 3 gewährleistet, wobei sie aussergewöhnlich leicht ist und eine Leistung aufweist, die hoch genug ist, um unmittelbare und vorteilhafte Anwendungsfälle zu eröffnen.

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Es ist bekannt, dass der Antrieb von Interkontinental-Flugkörpern bisher meistens mittels Raketen vorgenommen wird, wobei die Wirkung der Rakete manchmal von Strahltriebwerken ergänzt wird, wenn der Flugkörper eine ausreichend hohe Geschwindigkeit erreicht hat.

Es ist vorgeschlagen worden, Flugkörper mit Strahlturbinen anzutreiben, jedoch wurde der Einsatz bei den bisher bekannten Strahlturbinen auf Unterschall-Flugkörper begrenzt, denn bis in die letzten Jahre hinein konnten beim Betrieb von kleinen Strahlturbinen keine Temperaturen über 1000 C zugelassen werden. Daher wurde das Erreichen von Überschallgeschwindigkeiten zu stark begrenzt.

Die Erfindung schlägt einen Luft-Boden-Flugkörper vor, d.h. einen Flugkörper, der von einem Flugzeug oder dergleichen auf ein Bodenziel gerichtet wird, und der darin besteht, dass er als Antriebseinrichtung eine Strahlturbine gemäss der Erfindung aufweist, die eine einzige Turbinenstufe und eine einzige Kompressorstufe aufweist.

Indem auf gegenläufige Stufen zurückgegriffen wird, wird durch die erhöheten Verdichtungsraten von etwa 3, die . pro Stufe erzielt werden kann, eine Leistung erzielt, die ausreicht, damit der von einem Flugzeug abgeschossene Flugkörper ohne jeglichen Raketenantrieb völlig zufriedenstellend eine Mission mit Überschallgeschwindigkeit erfüllen kann, wobei Wirtschaftlichkeit und geringes Gewicht von keiner anderen Strahlturbinenart erreicht werden können.

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Gemäss einer Ausführungsform der vereinfachten Strahlturbine ist diese nach dem Doppelströmungsprinzip aufgebaut und demzufolge besonders geeignet, Flugzeuge auszurüsten, die wesentlich kleiner sind als diejenigen, die bisher mit Strahlturbinen ausgerüstet wurden, womit der Touristikflugverkehr mit einem zusätzlichen Maschi-, η en programm ausgestattet werden kann. ■-.$

In der folgenden Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, die Beispiele zeigen und in denen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Strahlturbine gemäss der Erfindung in einer ersten Ausführungsform ist;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Strahlturbine gemäss der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform ist.

1 Zunächst wird avf die Fig. 1 eingegangen,

Die Strahlturbine weist einen Kompressor 11 mit einer einzigen Stufe und eine ebenfalls einstufige Turbine 12 auf. Das druckseitige Rad oder Gitter 13 des Kompressors 11 weist Naben 14 auf, deren Fussenden 15 von einer mittigen Seheibe 16 getragen werden, die an einer Welle 17 hängt, deren vorderes Ende 18 mit einem Lager 19 auf einem feststehenden Teil 21 der Strahlturbine gelagert ist.

Das zweite Rad oder Gitter 22 des Kompressors 11 besteht

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aus einer Anzahl Naben 23, deren Pussenden 24 von einer mittigen Scheibe 25 abhängen, die von einer Welle 26 getragen werden, die ausserhalb der Welle 17 und koaxial zu dieser liegt und an ihr anliegt, wobei zu diesem Zweck an vorderem Ende ein Lager 27 vorgesehen ist.

Das Ende 28 der Welle 17 gegenüber dem Ende 18 liegt mit ,einem Lager 29 in einem feststehenden Element 31 der Strahlturbine. Von der Welle 17 hängt in der Nähe des Endes 28 derselben eine Scheibe 32 ab, an der die Fussenden 33 der Naben 34 eines nachgeschalteten Rades oder Gitters 35 befestigt sind, das Teil der einzigen Stufe der Turbine 12 ist. Die Schaufeln 36 des anderen Rades oder Gitters 37 der Turbine 12 v/erden mit ihren Fussenden 38 von einer Scheibe 39 gehalten, die mit der peripheren, ringförmigen Welle 26 verbunden ist, deren Ende 41 auf dem Ende der Welle 17 mit einem Lager 42 ruht.

Die in den Kompressor 11 eintretende Luft wird durch die gemeinsame Wirkung der Räder oder Gitter 13 und 22 der einzigen Stufe des Kompressors 11, die gegenläufig drehen, unter Druck gesetzt, wobei die Verdichtungsrate zwischen 2,8 und 3 liegen kann. Die verdichtete Luft gelangt in • die Brennkammer 43, die von Ringwänden 44 und 45 begrenzt wird, und die erhitzte Luft dehnt sich durch die Verbrennung aus; sie setzt die Räder oder Gitter 37 und 35 der einzigen Stufe der Turbine 12 gegenläufig in Drehung, bevor sie durch den Ringkanal 46 zur Düse gelangt.

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Bei einer Au.sführungsform waren die Betriebsdaten der Räder oder Gitter 13» 22, 37, 35 wie folgt;

Rad 13: Aussengeschwindigkeit 450. m/s

.Innengeschwindigkeit 300 m/s

Rad 22: Aussengeschwindigkeit 350 m/s

Innengeschwindigkeit 250 m/s

,"·> i"{₄ ^Rad 37: ,-Aussangeschwindigkeit 350 m/s

Innengeschwindigkeit 280 m/s

Rad 35: Aussengeschwindigkeit 450 m/s

, Innengeschwindigkeit 300 m/s

Die Druck- und Temperaturwerte des Gasstromes waren v/ie folgt:

Räder	13	22	37	35
Temperatur (in ⁰K)	488	400	1500	14OO
Druck (in bar)	1,013	3	2,8	1,7

Eine derartige Strahlturbine ist leicht, wirtschaftlich sowohl hinsichtlich der Herstellungskosten als auch hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches.

Sie .ist besonders geeignet für den Antrieb eines Luft-Boden-Flugkörpers, der von einem Flugzeug abgeschossen wird, das mit einer Geschwindigkeit im Bereiche von Mach 0,8 fliegt. Der Flugkörper erreicht unter der Wirkung

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der Strahlturbine schnell eine Überschallgeschwindigkeit.

Nunmehr wird auf die Fig. 2 eingegangen. Diese Ausführungsform ist ähnlich wie die in der Fig. 1 beschriebene, und die gleichen Elemente sind in der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen plus 100 bezeichnet. Jedoch wird der Luftstrom nach Verlassen des Rades oder Gitters 122 des Kompressors 111 durch einen ersten Ringkanal 151 zur Kammer 152 geschickt, von wo er durch den Antrieb der einzigen Turbinenstufe 112 austritt, wobei er zuerst durch das Rad oder Gitter 137, und dann durch das Rad oder Gitter 135 tritt, die zueinander gegenläufig drehen, wobei der Gasstrom schliesslich durch den Ringkanal 146 zur Düse geschickt wird.

Gleichzeitig wird ein Teil der Luft, die den Kompressor durchquert hat, durch eine zweite Leitung oder Ringkammer 153 direkt zu einer sekundären Düse geleitet. Die Ringkammer 153 umgibt die Kammer 152, in der jedoch keinerlei Verbrennung stattfindet.

Die Doppelstrahlturbine, die in dieser Art hergestellt worden ist, ist besonders für den Antrieb leichter Flug-' zeuge geeignet.

Claims

II/rk/2532

JV»^V OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALE'S 29-39, avenue de la Division Leclerc 92320 Ghatillon Sous Bagneux

ANSPRÜCHE

/Π

/l.JVereinfachte gegenläufige Strahlturbine mit einer einstufigen Turbine, die einen axialen, einstufigen Kompressor antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Stufe der Turbine (12, 112) und die einzige Stufe des Kompressors (11, 111) jeweils aus zwei beweglichen, gegenläufigen Rädern oder Gittern (13, 22, 37, 35, 113, 122, 137, 185) bestehen, wobei keine der Stufen mit einem feststehenden Gitter versehen ist.
2. Strahlturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Kompressorstufe (11, 111) eine Verdichtungsrata von etwa 3 erzielt.
3. Stahlturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen

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Einstromtyp handelt.
4. Strahlturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Doppelstromtyp handelt.
5. Luft-Boden-Flugkörper, dadurch gekennzeichnet, dass er von einer Strahlturbine

Li₁- -_,.-' gemäs's^ä Anspruch *3''-angetrieben wird.

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6. Flugzeug, dadurch gekennzeichnet,

dass es von einer Strahlturbine nach Anspruch 4 angetrieben wird.