DE3223201A1

DE3223201A1 - Verbundtriebwerk

Info

Publication number: DE3223201A1
Application number: DE19823223201
Authority: DE
Inventors: Daniel Lee 45240 Forest Park Ohio Harshman; Donald Farley 45236 Cincinnati Ohio Sargisson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-06-29
Filing date: 1982-06-22
Publication date: 1983-01-13
Also published as: US4446696A; GB2100799A; IT8222040A0; SE8203975L; SE8203975D0; JPS5812899A; SE450786B; CA1190050A; IT1151665B; FR2508552A1; GB2100799B; FR2508552B1

Description

Verbundtriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere ein neues und besonderes Verbundtriebwerk, das ein Kerngasturbinentriebwerk enthält, welches einen Fan und wenigstens einen Propeller antreibt.

Zum Antreiben von Flugzeugen sind gegenwärtig mehrere Arten von Gasturbinentriebwerken im Gebrauch. Zwei Arten von solchen Triebwerken sind das Turbofan- und das Turboproptriebwerk. Bei dem Turbofantriebwerk wird ein Kerngasturbinentriebwerk benutzt, um einen Fan (Gebläse) anzutreiben, während in dem Turboproptriebwerk ein Kerngasturbinentriebwerk benutzt wird, um einen Propeller anzutreiben.

Eine äußerst effiziente Art eines Turbofantriebwerks ist das ein hohes Mantelstromverhältnis aufweisende Turbofantrieb-

werk, bei welchem ein Fan großen Durchmessers benutzt wird. Die maximalen Leistungsvorteile, die bei einem Turbofantrieb werk mit hohem Mantelstromverhältnis erzielbar sind, treten während einer Flugphase auf, die anders ist als die, bei der die Leistungsvorteile eines Turboproptriebwerkes auftreten. Die Leistung und der Wirkungsgrad eines Turboproptriebwerks sind bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten überlegen, beispielsweise im Reiseflug im Bereich von Mach (M) 0,5 bis 0,65. Bei Geschwindigkeiten oberhalb von M= 0,7 verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit des Turboproptriebwerkes aufgrund des geringeren Propellerwirkungsgrades und hoher Installationsverluste, d.h. Verlusten aufgrund des Luftwiderstands, die durch die erhöhte Geschwindigkeit der Luft in dem Propellerstrahl verursacht werden, welcher über oder gegen Flugzeugflächen strömt. Bei diesen Fluggeschwindigkeiten gelangt die relative Propellergeschwindigkeit an den Propellerspitzen in den Überschallbereich, und die Kompressibilitätseffekte verringern dann den Propellerwirkungsgrad und erzeugen unerwünschtes aerodynamisches Geräusch. Bei hohen Unterschallgeschwindigkeiten, beispielsweise bei M = 0,7 bis 0,8, wie sie während der Reiseflugphase eines typischen modernen kommerziellen Flugzeuges anzutreffen sind, können die Leistungsfähigkeit und der installierte Vortriebswirkungsgrad eines Turbofantriebwerks die eines Turboproptriebwerkes, bei dem herkömmliche Propellerblätter benutzt werden, übersteigen.

Das Schubgefälle, d.h. die Abnahme des TriebwerksSchubes mit zunehmender Höhe und Fluggeschwindigkeit, stellt eine Möglichkeit zum Vergleichen der Triebwerksleistungsfähigkeit dar.

Das Schubgefälle eines Turboproptriebwerkes ist größer als das Schubgefälle eines Turbofantriebwerkes mit hohem Mantelstromverhältnis. Wegen dieses hohen Schubgefälles würde der

Propeller eines Turboproptriebwerkes bei Bedingungen niedriger Höhe und niedriger Geschwindigkeit (z.B. beim Start) stark überdimensioniert sein, um den nötigen Schub bei Bedingungen großer Höhe und hoher Geschwindigkeit zu liefern, den ein Turbofantriebwerk hohen Mantelstromverhältnisses, das eine äquivalente Kerngröße hat, zur Verfügung stellen würde. Das zusätzliche Gewicht und andere Nachteile eines überdimensionierten Propellers machen die Verwendung eines Turboproptriebwerkes in großer Höhe und bei hoher Geschwindigkeit unerwünscht.

Ebenso übersteigt bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten die Brennstoffausnutzung eines installierten Turboproptriebwerkes die eines Turbofantriebwerkes. Bei hohen Unterschallgeschwindigkeiten kann dagegen bei einem Turbofantriebwerk mit hohem Mantelstromverhältnis der Brennstoff wirksamer ausgenutzt werden als bei einem Turboproptriebwerk, und zwar wegen der oben erwähnten Unzulänglichkeiten und der geringeren Installationsverluste des Propellers.

Bei vielei modernen Flugzeugen, die für relativ kurze Flugstrecken, beispielsweise zwischen 200 und 1000 Seemeilen, ausgelegt sind, werden wahlweise entweder Turbofan- oder Turboproptriebwerke benutzt. Wenn die Start- und Landeleistung besonders wichtig ist, beispielsweise wegen kurzer Rollbahnlängen oder wegen Hindernissen in der Nähe eines Flugplatzes, und wenn die gewünschte Geräuschunterdrückung erreicht werden kann, werden Turboproptriebwerke gewählt. Wenn eine kürzere Flugzeit und eine bessere Brennstoffausnutzung im Reiseflug mit hoher Geschwindigkeit wichtig sind, beispielsweise um die Flugzeit und die Brennstoffkosten für Passagiere oder Ladung zu minimieren, werden Turbofantriebwerke mit hohem Mantelstromverhältnis gewählt. Die Wahl eines Triebwerkstyps ergibt jedoch entsprechend einen Verlust an Gesamtleistungsvorteilen, die durch den nicht gewählten Triebwerkstyp erzielt worden wären.

Ein Problem, das bei Turboproptriebwerken auftritt, ist das Propellergeräusch. Ein Turboproptriebwerk tendiert dazu, geräuschvoller zu sein als ein Turbofantriebwerk äquivalenter Kerngröße. Die Fanhaube, die den Fan und den Mantelstromkanal bei einem Turbofantriebwerk umschließt, kann akustisch behandelt werden, um das Geräusch zu dämpfen, während der Propeller eines Turboproptriebwerks sich in den Luftstrom erstreckt, wo eine Geräuschdämpfung schwierig ist. Darüber hinaus nimmt der Geräuschpegel eines Turboproptriebwerkes mit zunehmender Drehzahl des Propellers und mit zunehmendem Propellerblatteinstellwinkel zu. Dieses Geräusch kann nicht nur für die Gemeinde störend sein, über die das Flugzeug hinwegfliegt, sondern auch im Irinern des Flügzeuges selbst.

In Anbetracht der oben erwähnten Probleme ist es demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein Verbundtriebwerk zu schaffen, das die Wirkungsgrad- und Leistungsvorteile eines Turboproptriebwerks aufweist und trotzdem einen ausreichenden Schub in großer Höhe und bei großen Fluggeschwindigkeiten erzeugen kann, ohne daß ein überdimensionierter Propeller erforderlich ist.

Weiter soll durch die Erfindung ein Verbundtriebwerk geschaffen werden, bei dem die Brennstoffausnutzung in sämtlichen Flugphasen optimal ist.

Schließlich soll durch die Erfindung ein Verbundtriebwerk geschaffen werden, das die Leistüngsvorteile eines Turboproptriebwerks aufweist, bei dem aber das durch den Propeller erzeuge Geräusch wahlweise reduziert werden kann.

Die Erfindung schafft ein Verbundtriebwerk, beispielsweise für ein Flugzeug, das die Triebwerksleistungs- und Brennstoffausnutzungsvorteile sowohl eines Turbofan- als auch eines

r/M -

Turboproptriebwerks in sich vereinigt. Das Verbundtriebwerk enthält ein Kerngasturbinentriebwerk, einen Fanabschnitt mit einem von einer Haube umschlossenen Fan, wenigstens einen Verstellpropeller und eine Antriebsvorrichtung zum Kuppeln des Kerntriebwerks mit dem Fan und dem Propeller. Die Antriebsvorrichtung ist so ausgebildet, daß sie einen Teil der durch das Kerntriebwerk erzeugten Leistung auf den Fan und einen weiteren Teil der erzeugten Leistung auf den Propeller verteilt.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält das Verbundtriebwerk VG- oder Schwenkeinlaßleitschaufeln mit stromaufwärts des Fans angeordneten geeigneten Steuereinrichtungen und Stellantrieben, mittels welchen die Belastung des Fans und somit die Leistungsverteilung zwischen dem Propeller und dem Fan verändert werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält das Verbundtriebwerk zwei Propeller, die gegenläufig umlaufend angeordnet sein können.

In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält das Verbundtriebwerk einen ersten Propeller mit voller Größe und einen zweiten, gestutzten Propeller, der radial kürzer ist und mit einer anderen Blatteinstellwinkeleinstellung als der erste Propeller betrieben werden kann.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Ausfüh

rungsform eines Verbundtriebwerks nach der Erfindung,

Fig, 2 ein Diagramm des Schubgefälles bei einem

Turboprop-, einem Verbund- und einem Turbofantriebwerk,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer zweiten

Ausführungsform des Verbundtriebwerks nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Ansicht eines Verbundtriebwerks, das

an einem Flugzeug angebracht ist,

Fig. 5 eine Längsschnittansicht einer dritten

Ausführungsform des Verbundtriebwerks nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Längsschnittansicht einer vierten

Ausführungsform des Verbundtriebwerks nach der Erfindung und

Fig. 7 eine Längsschnittansicht einer fünften

Ausführungsform des Verbundtriebwerks nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Verbundtriebwerks nach der Erfindung. Das Verbundtriebwerk enthält ein Kerngasturbinentriebwerk 10, das einen Fan 12 und einen Propeller 14 antreibt. Eine Antriebsvorrichtung in Form einer drehbaren Welle 16 kuppelt das Kerntriebwerk 10 mit dem Fan 12 und dem Propeller 14, um einen Teil der durch das Kerntriebwerk erzeugten Leistung auf den Fan 12 und einen weiteren Teil der erzeugen Leistung auf den Propeller 14 zu verteilen.

Das Kerntriebwerk 10 ist ein typisches Gasturbinentriebwerk, das einen Verdichter 18, einen Brenner 20, eine Hochdruckturbine 22 und eine Niederdruckturbine 24 aufweist. Luft wird

durch den Verdichter 18 verdichtet und strömt in den Brenner 20, in welchem sie mit Brennstoff vermischt und verbrannt wird. Die sich ergebenden expandierenden heißen Gase verlassen den Brenner und strömen über die Hochdruckturbine 22 und anschließend über die Niederdruckturbine 24, wobei sie die Laufschaufeln von beiden Turbinen in Drehung versetzen. Eine Welle 26 verbindet die Hochdruckturbine 22 mit dem Verdichter 18, wodurch mittels der Hochdruckturbine der Verdichterrotor in Drehung versetzt und so der Verdichter angetrieben werden kann.

Ebenso verbindet die drehbare Welle 16 die Niederdruckturbine 24 mit dem Fan 12 und dem Propeller 14. Die drehbare Welle 16 treibt den Fan 12 vorzugsweise direkt an, d.h. in einem Verhältnis eins zu eins. Vorzugsweise treibt die drehbare Welle 16 den Propeller 14 über ein Getriebe 28 an, das die Propellerdrehzahl herabsetzt. Das Getriebe 28 kann irgendeine geeignete Anordnung und Größe von Zahnrädern enthalten, um den Propeller 14 mit einer Drehzahl anzutreiben, die so gewählt werden kann, daß sich die optimale Propeller- und Fanleistungsanpassung ergibt. Ein Beispiel für ein solches Getriebe 28 ist in Fig. 1 dargestellt, und zwar in Form eines Sonnenrades 30, das direkt an der drehbaren Welle 16 befestigt ist, eines feststehenden Zahnkranzes 32, der radial außerhalb und mit Abstand von dem Sonnenrad 30 angeordnet ist, und mehrer Planetenräder 34, die zwischen dem Sonnenrad und dem Zahnkranz angeordnet und an der Nabe 36 des Propellers 14 befestigt sind. Selbstverständlich können ebenso gut andere Getriebekonfigurationen benutzt werden.

Für den Fall, daß das Kerntriebwerk 10 im Flug abschalten sollte, ist es erwünscht, daß dem Propeller 14 nicht gestattet wird, den Fan 12 oder die Niederdruckturbine 24 zu drehen, weil dadurch ein negatives Drehmoment erzeugt würde. Das Verbundtriebwerk enthält deshalb vorzugsweise eine Vorrichtung

zum Trennen des Getriebes 28 von der drehbaren Welle 16 im Falle eines negativen Drehmoments. Als derartige Trennvorrichtung ist in dem hier beschriebenen Beispiel eine Freilaufkupplung 37 vorgesehen, die das Getriebe 28 mit der drehbaren Welle 16 verbindet.

Das Getriebe 28 kann vorteilhafterweise so ausgebildet sein, daß der durch den Propeller 14 erzeugte Geräuschpegel vermindert wird. Eine Verminderung der Propellerspitzengeschwindigkeit wird zu einer Verminderung der Geräuscherzeugung bei einem bestimmten Blatteinstellwinkel führen. Das Getriebe 28 kann daher so gewählt werden, daß es den Propeller 14 mit einer Drehzahl antreibt, die die gewünschte Kombination von Schub und Geräuschpegelerzeugung ergibt.

Der Propeller 14 hat mehrere Propellerblätter 38, die sich von der Nabe 36 aus insgesamt radial nach außen erstrecken. Die Anzahl und die Formen der Blätter 38 können nach Bedarf gewählt werden, und die in Fig. 1 gezeigten Blätter 38 stellen nur ein Beispiel dar. Weiter soll die Bedeutung des Ausdruckes "Propeller" auch die Propellerkonfiguration umfassen, die manchmal als "Prop-Fan" bezeichnet wird, d.h. einen Propeller, der eine große Anzahl von stark gepfeilten Blättern hat. Der Propeller 14 hat eine Vorrichtung zum Verändern des Einstellwinkels der Blätter 38. Bei dieser Blattverstellvorrichtung, die durch einen Kasten 40 dargestellt ist, kann es sich, beispielsweise, um eine in sich abgeschlossene, hydraulisch betätigte Blattverstellvorrichtung handeln. Selbstverständlich könnte stattdessen jede andere geeignete Vorrichtung zum Verändern des Einstellwinkels der Blätter 38 benutzt werden, wie beispielsweise Elektromotoren mit Zwischengetrieben.

Der Propeller 14 hat außerdem vorzugsweise eine Nabenhaube 42, die die Form eines an der Spitze abgerundeten Kegels hat,

am stromaufwärtigen Ende zum Schutz der Nabe 36 und zum Verringern des Luftwiderstands bei hohen Reisefluggeschwindigkeiten.

Das Verbundtriebwerk hat außerdem einen Fanabschnitt 44. Der Fanabschnitt 44 enthält den Fan 12, mehrere Einlaßleitschaufeln 46, die stromaufwärts des Fans 12 angeordnet sind, und mehrere Auslaßleitschaufeln 48, die stromabwärts des Fans 12 angeordnet sind. Eine insgesamt ringförmige Haube oder Verkleidung 50 umschließt den Fan 12 und die Einlaß- und Auslaßleitschaufeln <~s 46 bzw. 48. Die Haube 50 ist außerdem durch die Einlaß- und die Auslaßleitschaufeln 46 bzw. 48 abgestützt. Der Fan 12 weist mehrere sich insgesamt radial erstreckende Fanlaufschaufeln auf.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind das Kerntriebwerk 10 und der Fanabschnitt 44 so ausgebildet, daß der Gasströmungsweg stromabwärts des Fans 12 einen Mantelstromkanal 52 und einen Kernstromkanal 54 aufweist. Die beiden Stromkanäle 52 und 54 sind durch das ringförmige Kerngehäuse 56 getrennt, an dessen stromaufwärtigem Ende ein insgesamt ringförmiger Strömungsteiler 58 vorgesehen ist. Der Mantelstromkanal 52 befindet sich zwischen der Haube 50 und dem Kerngehäuse 56, und die durch ihn hindurchgehende Luftströmung umgeht das Kerntriebwerk 10. Der Kernstromkanal 54 befindet sich zwischen dem Kerngehäuse 56 und den radial inneren Begrenzungen des Verdichters 18, des Brenners 20, der Hochdruckturbine 22 und der Niederdruckturbine 24 und leitet deshalb einen Luftstrom und Gase durch das Kerntriebwerk 10 hindurch.

Die Einlaßleitschaufeln 46, die stromaufwärts des Fans 12 angeordnet sind, sind vorzugsweise Verstelleinlaßleitschaufeln. Mit Hilfe der verstellbaren Einlaßleitschaufeln läßt sich die dem Fan zugeführte Luftströmungsmenge beeinflussen. Ein Beispiel einer solchen Leitschaufel sind die sich über

einen Teil der Spannweite erstreckenden Verstelleitschaufeln 60, die aus der US-PS 4 254 619 bekannt sind, auf welche Bezug genommen wird. Die Verstelleitschaufeln 60 erstrecken sich von der stromabwärtigen Kante der Einlaßleitschaufeln 46 aus und sind verschwenkbar, um die zu dem Fan 12 gehende Luftströmung zu beeinflussen. Die sich über einen Teil der ,Spannweite erstreckenden Verstelleitschaufeln 60 sind so angeordnet, daß sie insgesamt axial auf den ManteIstromkanal 52 ausgerichtet sind, so daß sie hauptsächlich den Luftstrom des Mantelstromkanals 52 beeinflussen. Der Gesamtdruck und die Gesamtluftströmung zu dem Kernstromkanal 54 bleiben daher durch die sich über einen Teil der Spannweite erstreckenden Verstelleitschaufeln 60 im wesentlichen unbeeinflußt.

Wenn Verstelleinlaßleitschaufeln, wie die sich über einen Teil der Spannweite erstreckenden Verstelleinlaßleitsehaufeln 60, in dem Verbundtriebwerk vorgesehen sind, ist es vorzuziehen, auch eine Vorrichtung zum entsprechenden Verändern des Querschnittes der Auslaßdüse des ManteIstromkanals 52 vorzusehen, um die richtigen Durchströmungswerte -aufrechtzuerhalten . Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung besteht aus mehreren Klappen 61, die an dem stromabwärtigen Ende der Haube 50 angelenkt sind. Klappen, die zur Verwendung bei dem Verbundtriebwerk geeignet sind, sind in der US-PS 4 132 068 beschrieben, auf die Bezug genommen wird. Das Verschwenken der Klappen 61 von dem Kerngehäuse 56 weg und zu diesem hin vergrößert bzw. verkleinert den Düsenquerschnitt.

Das in Fig. 1 dargestellte Verbundtriebwerk eignet sich besonders für ein Flugzeug, das für relativ kurze Flugstrecken ausgelegt ist, d.h. Strecken in dem Bereich von 200 bis 1000 Seemeilen, bei maximalen Reisefluggeschwindigkeiten von ungefähr M= 0,7 bis 0,8. Unter solchen Betriebsbedingungen ist es vorzuziehen, das Mantelstromverhältnis des Verbundtriebwerksfanabschnitts zwischen 2 und 6 zu wählen. Das Mantel-

« «ft '

Stromverhältnis ist das Verhältnis des Massenstroms von Luft, die durch den Mantelstromkanal 52 strömt, zu dem Massenstrom von Luft, die durch den Kernstromkanal 54 strömt.

Das Vorsehen von verstellbaren Einlaßleitschaufeln, wie beispielsweise den sich über einen Teil der Spannweite erstreckenden Verstelleitschaufeln 60, in dem Verbundtriebwerk bietet eine Möglichkeit zum Verändern der Anteile der Leistung, die auf den Fan 12 und den Propeller 14 verteilt werden, um dadurch die Fan- und Propellerwirkungsgrade während sämtlichen Flugphasen maximal auszunutzen. Beispielsweise während eines Betriebes mit niedriger Geschwindigkeit, wie während des Steigens oder des Reiseflugs mit niedriger Geschwindigkeit, ist es erwünscht, daß der größte Teil der durch das Kerntriebwerk 10 erzeugten Leistung an den Propeller 14 abgegeben wird, der einen starken Schub bei niedriger Geschwindigkeit erzeugt. Ebenso ist der Propeller 14 in der Brennstoffausnutzung bei niedrigen Geschwindigkeiten besser als der Fan 12. Zum Erzielen einer Leistungsverteilung, durch die der Propeller 14 den größten Anteil der von dem Kerntriebwerk 10 abgegebenen Leistung empfängt, werden die sich über einen Teil der Spannweite erstreckenden Verstelleitschaufeln 60 so positioniert, daß sie die Luftmenge, die zu dem Fan 12 strömt, minimieren und dadurch die Belastung des Fans vermindern. Für eine bestimmte Menge an durch das Kerntriebwerk 10 abgegebener Leistung braucht deshalb weniger Leistung an den Fan 12 abgegeben zu werden und für den Propeller 14 ist mehr Leistung verfügbar. Die zusätzliche Leistung wird durch den Propeller durch eine Vergrößerung des Einstellwinkels der Propellerblätter 38 aufgenommen.

umgekehrt können während Flugphasen höherer Geschwindigkeit, beispielsweise während der Reiseflugphase, die Leistungsfähigkeit und die Brennstoffausnutzung des Fans 12 des Verbund-

triebwerke die des Propellers 14 übersteigen. Es ist deshalb erwünscht, daß ein größerer Anteil der von dem Kerntriebwerk 10 abgegebenen Leistung an den Fan 12 statt an den Propeller 14 abgegeben wird. Zum Erzielen einer solchen Leistungsverteilung werden die sich über einen Teil der Spannweite erstreckenden Verstelleitschaufeln 60 so positioniert/ daß sie die zu dem Fan 12 strömende Luftmenge maximieren, wodurch die Belastung des Fans vergrößert wird. Für einen bestimmten Wert an durch das Kerntriebwerk 10 abgegebener Leistung muß daher wegen der größeren Belastung des Fans 12 mehr Leistung an diesen abgegeben werden, weshalb weniger Leistung für den Propeller 14 verfügbar ist. Der Einstellwinkel der Blätter 38 des Propellers wird verkleinert, um die Belastung des Propellers zu vermindern und dadurch den geringeren Anteil an Leistung, der an diesen abgegeben wird, zu berücksichtigen.

Selbstverständlich sind viele Kombinationen der Leistungsverteilung auf den Fan 12 und den Propeller 14 zwischen den oben erwähnten Verteilungen möglich.

Einige Vorteile des Verbundtriebwerks können an Hand des Diagramms in Fig. 2 erläutert werden. Das Diagramm zeigt das Schubgefälle bei einem Turboproptriebwerk, einem Turbofantriebwerk mit hohem Mantelstromverhältnis und einem Verbundtriebwerk, und zwar jeweils bei äquivalenter Kerntriebwerksgröße. Es ist zu erkennen, daß das Schubgefälle oder die Neigung der Kennlinie bei dem Verbundtriebwerk kleiner ist als das Schubgefälle oder die Neigung der Kennlinie bei dem Turboproptriebwerk. Ein Punkt A bezeichnet den gewünschten Schub jedes Triebwerks in relativ großer Höhe und bei relativ hoher Fluggeschwindigkeit. Punkte B , C und D bezeichnen den Schub, der in geringer Höhe und bei niedriger Fluggeschwindigkeit bei dem Turboprop-, dem Verbund- bzw. dem Turbofantriebwerk

aufgrund von deren Schubgefälle verfügbar ist. Es ist zu erkennen, daß bei niedriger Fluggeschwindigkeit und in niedriger Höhe das Verbundtriebwerk (Punkt C) mehr Schub liefert als das Turbofantriebwerk mit hohem Mantelstromverhältnis (Punkt D), aber weniger als das Turboproptriebwerk (Punkt B). Damit das Turboproptriebwerk den durch den Punkt B angegebenen Schub liefert, muß der Durchmesser seines Propellers beträchtlich größer sein als der Durchmesser des Propellers an dem Verbundtriebwerk. Das Verbundtriebwerk liefert daher denselben Schubwert in großer Höhe und bei hoher Fluggeschwindigkeit (Punkt A) wie das ein hohes Mantelstromverhältnis aufweisende Turbofantriebwerk und mehr Schub als das Turbofantriebwerk in niedriger Höhe und bei niedriger Fluggeschwindigkeit (Punkt C), und zwar unter Verwendung eines Propellers, dessen Größe geringer ist als die bei dem Turboproptriebwerk erforderliche Größe. Der eine geringere Größe aufweisende Propeller bringt entsprechende Vorteile bezüglich des Gewichts und der Kosten mit sich und führt zu einem geringeren Installationsverlust. Ein Propeller kleineren Durchmessers bietet mehrere weitere Vorteile. Wenn die Länge des Flugzeugfahrgestells durch die Propellergröße festgelegt ist, gestattet ein kleinerer Propeller die Verwendung eines kürzeren Fahrgestells, wodurch die Kosten und das Gewicht weiter verringert werden. Ein kleinerer Propeller, der eine geringere PS-Leistung und ein geringeres Drehmoment liefert, gestattet die Verwendung eines kleineren und leichteren Getriebes. Weiter gestattet ein Propeller kleineren Durchmessers, daß der Propeller und das Getriebe mit höherer Drehzahl gedreht werden und dabei die Propellerspitzengeschwindigkeit innerhalb der gewünschten Grenzen gehalten wird. Ein Getriebe, das mit höherer Drehzahl betrieben wird, ergibt ein geringeres Drehmoment in den Getriebestufen und ein niedrigeres Gesamtübersetzungsverhältnis, wodurch die Komplexität und die Kosten vermindert werden können.

Die sich über einen Teil der Spannweite erstreckenden Verstelleitschaufeln 60 können außerdem vorteilhafterweise benutzt werden, um die durch das Verbundtriebwerk erzeugten Geräuschpegel zu verkleinern. Wenn beispielsweise das Flugzeug, das mit dem Triebwerk ausgerüstet ist, in relativ niedriger Höhe über eine Gemeinde fliegt und eine Geräuschverminderung erwünscht ist, können die Verstelleitschaufeln 60 so eingestellt werden, daß die Belastung des Fans 12 vergrößert und dadurch die Belastung des Propellers 14 verkleinert wird. Der Einstellwinkel der Blätter 38 des Propellers 14 wird entsprechend verkleinert, wodurch der durch

den Propeller erzeugte Geräuschpegel gesenkt wird. Die Haube 50, die den Fan 12 umgibt, kann akustisch so behandelt werden, daß der durch den Fan 12 erzeugte Geräuschpegel nicht entsprechend erhöht wird.

Ein weiterer Vorteil des Verbundtriebwerks ist, daß kein gesondertes Schubumkehrsystem, das bei einem herkömmlichen Turbofantriebwerk erforderlich wäre, vorgesehen zu werden braucht. Die Winkelversteilbarkeit des Propellers 14 bietet die Möglichkeit der Schubumkehr. Die Beseitigung eines besonderen Schubumkehrsystems hilft entsprechend, das Gewicht des Propellers 14 zu kompensieren.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verbundtriebwerks. In der zweiten Ausführungsform und in den weiteren Ausführungsformen tragen gleiche Teile wie in der ersten Ausführungsform gleiche Bezugszahlen.

Das in Fig. 3 gezeigte Verbundtriebwerk hat ein Kerntriebwerk 10, einen Fan 12 und einen Propeller 14, die miteinander gekuppelt sind und so arbeiten, wie es oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben worden ist. Die zweite Ausführungsform weist eine Haube oder Verkleidung 62 auf, die sich von denr Fanabschnitt 44 aus über das stromabwärtige Ende

/•uv=..-.

des Kerntriebwerks 10 hinaus erstreckt. Die Verkleidung 62 bildet die radial äußere Begrenzung des ManteIstromkanals 52, der radial außerhalb des Kerntriebwerks 10 angeordnet ist.

Das in Fig. 3 gezeigte Verbundtriebwerk hat außerdem eine Mischvorrichtung in Form eines im Querschnitt mehrfach gelappten Mischers 64, der stromabwärts der Hochdruckturbine 22 und der Niederdruckturbine 24 angeordnet ist. Der Mischer 64 vermischt wenigstens einen Teil der durch den Mantelstromkanal 52 strömenden Gase mit wenigstens einem Teil der durch den Kernstromkanal 54 strömenden Gase, um eine Schubzunahme zu erreichen, insbesondere bei hohen Triebwerksleistungseinstellungen für den Steig- und den Reiseflug.

Die Verkleidung 62 ist vorzugsweise mit einem Konstruktionsteil des Kerntriebwerks 10, wie dem Kerngehäuse 56, über mehrere Streben 66 verbunden. Die Streben 66 können auch als Leitschaufeln für die durch den Mantelstromkanal 52 hindurchgehende Luftströmung dienen. Gemäß Fig. 4 ist die Verkleidung 62 außerdem mit einem Konstruktionsteil 68 des hier als Flugzeug 70 dargestellten Fahrzeuges verbunden, das mit dem Verbundtriebwerk ausgerüstet ist. Die oben beschriebenen Verbindungen sind so ausgebildet, daß sie stark genug sind, um die freitragende Anbringung des Verbundtriebwerks in ausreichendem Abstand von dem Fahrzeug zu gestatten, damit der Propeller 14 Abstand von dem Fahrzeug hat.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform des Verbundtriebwerks. Diese Ausführungsform enthält die gleichen Bauteile und arbeitet auf dieselbe Weise wie die in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß die dritte Ausführungsform zwei Propeller aufweist, die in gegenseitigem axialem Abstand angeordnet sind. Gemäß Fig. 5 weist die dritte Ausführungsform des Verbundtriebwerka einen eraten

Propeller 72 und einen zweiten Propeller 74 auf, von denen jeder mehrere Propellerblätter 76 bzw. 78 aufweist. Der erste Propeller 72 und der zweite Propeller 74 haben jeweils eine Vorrichtung zum Verstellen des Einstellwinkels der Propellerblätter, wobei diese Vorrichtungen durch Kästen bzw. 82 dargestellt sind. Vorzugsweise sind die Blattverstellvorrichtungen 80 und 82 unabhängig voneinander betätigbar, so daß in irgendeinem bestimmten Äugenblick der Einstellwinkel der Blätter 76 des ersten Propellers 72 nicht notwendigerweise gleich dem Einstellwinkel der Blätter 78 des zweiten Propellers 74 ist.

Die beiden Propeller 72 und 74 werden durch eine drehbare Welle 16 über ein Getriebe 84 angetrieben. Das Getriebe 84 und die beiden Propeller 72 und 74 können so ausgebildet sein, daß sich beide Propeller in derselben Richtung drehen. Stattdessen können das Getriebe 84 und die beiden Propeller 72 und 74 so ausgebildet sein, daß das Getriebe 84 den zweigten Propeller 74 in einer Richtung in Drehung versetzt, die zu der Drehrichtung des ersten Propellers 72 entgegengesetzt ist, d.h., daß sich die Propeller gegenläufig- drehen. Die Umdrehungsgeschwindigkeiten der beiden Propeller 72 und 74 können gleich oder unterschiedlich sein, was von der Getriebeausbildung abhängig ist. Außerdem kann die Anzahl der Propellerblätter 76 des ersten Propellers 72 gleich der Anzahl der Propellerblätter 78 des zweiten Propellers 74 oder von dieser verschieden sein. Es ist jedoch aus Leistungsgründen und aus akustischen Gründen vorzuziehen, daß, wenn sich die beiden Propeller 72 und 74 gegenläufig drehen, das Verhältnis der Anzahl der Blätter 76 des ersten Propellers 72 zu der Anzahl der Blätter 78 des zweiten Propellers 74 typischerweise 5:4 beträgt.

Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform des Verbündtriebwerks. Diese Ausführungsform gleicht der in Fig. 5 gezeigten

Λ ·

dritten Ausführungsform und arbeitet im wesentlichen auf dieselbe Weise, mit der Ausnahme, daß sie einen gestutzten zweiten Propeller 86 mit Propellerblättern 88 aufweist, deren radiale Länge kürzer ist als die der Blätter 76 des ersten Propellers 72. Darüber hinaus kann der gestutzte zweite Propeller 86 in einer Verkleidung 90 angeordnet sein, die einstückig mit oder getrennt von der den Fanabschnitt 44 umschließenden Verkleidung ausgebildet sein kann. Der erste Propeller 72 hat eine Vorrichtung 80 zum Verändern des Einstellwinkels seiner Blätter 76, während der gestutzte zweite Propeller 86 eine Vorrichtung 91 zum Verändern des Einstellwinkels der Blätter 88 hat, wobei die Blattverstelleinrichtungen vorzugsweise unabhängig voneinander betätigbar sind.

Die Anzahl der Blätter und die Drehrichtung sowie die Drehzahl des ersten Propellers 76 und des gestutzten zweiten Propellers 86 können gleich oder unterschiedlich sein, je nach dem, wie es Leistungsüberlegungen erfordern. Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist es jedoch vorzuziehen, die Blätter 88 des gestutzten zweiten Propellers 86 umfangsmäßig relativ zu den Blättern 76 des ersten Propellers 72 anzuordnen, damit in wenigstens einigen Blattverstellpositionen die Pumpeigenschaften der Blätter 76 des ersten Propellers 72 verstärkt werden. Das heißt, in manchen Blattverstellpositionen werden die Blätter 88 des gestutzten zweiten Propellers 86 auf die Blätter 76 des ersten Propellers 72 ausgerichtet sein, so daß jedes Blattpaar effektiv ein einzelnes großes Blatt bildet, das eine Profiltiefe hat, die gleich den Profiltiefen der Blätter 76 und 88 plus dem Abstand zwischen ihnen ist.

Fig. 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform des Verbundtriebwerks. Diese Ausführungsform gleich der in Fig. 1 gezeigten und arbeitet im wesentlichen wie diese, mit der Ausnahme,

daß die drehbare Welle 16 axial verlängert ist, um den Propeller 14 von dem Panabschnitt 44 zu trennen. Eine solche Ausführungsform kann aus Installations- oder Gewichtsausgleichsgründen erwünscht sein. Diese Ausführungsform weist ein statisches rohrförmiges Gehäuse 92 auf, welches Zwischenlager 94 für die langgestreckte drehbare Welle 16 enthält.

Claims

Ansprüche :

Verbundtriebwerk, gekennzeichnet durch:

a) ein Kerngasturbinentriebwerk (10) zum Erzeugen von Antriebsleistung;

b) einen Fanabschnitt (44), der einen von einer Verkleidung (50) umschlossenen Fan (12) enthält;

c) wenigstens einen Propeller (14), der mehrere Blätter

(38) und eine Vorrichtung (40) zum Verändern des Einstellwinkels aufweist; und

d) eine Antriebsvorrichtung (16) zum Kuppeln des Kerntriebwerks (10) mit dem Fan (12) und mit jedem Propel ler (14), die einen Teil der Leistung auf den Fan und einen weiteren Teil der Leistung auf jeden Propeller verteilt.
2. Verbundtriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung eine drehbare Welle (16) aufweist, die eine Turbine (24) des Kerntriebwerks (10) mit dem Fan (12) und dem Propeller (14) verbindet.
3. Verbundtriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (16) den Fan (12) direkt und den Propeller (14) über ein Getriebe (28) antreibt«
4. Verbundtriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (60) zum Verändern der Leistungsanteile, die auf den Fan (12) und den Propeller (14) verteilt werden.
5. Verbundtriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zum Verändern der Leistungsanteile zwischen dem Fan (12) und dem Propeller (14) verstellbare Einlaßleitschaufeln (60) sind, die in dem Fanabschnitt (44) und stromaufwärts des Fans (12) angeordnet sind.
6. Verbundtriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kerntriebwerk (10) und der Fanabschnitt (44) so ausgebildet sind, daß der Gasströmungsweg stromabwärts des Fans (12) einen Mantelstromkanal (52) und einen Kernstromkanal (54) aufweist, und daß die verstellbaren Einlaßleitschaufein (60) sich über einen Teil der Spannweite erstreckende ver? stellbare Leitschaufeln zum Beeinflussen der Gasströmung hauptsächlich des Mantelstromkanals (52) sind.
7. Verbundtriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelstromkanal (52) eine Auslaßdüse aufweist und daß Vorrichtungen (61) zum Verändern des Querschnittes der Auslaßdüse entsprechend den Stellungen der verstellbaren Einlaßleitschaufeln (60) vorgesehen sind.
8. Verbundtriebwerk, gekennzeichnet durch:

a) ein Kerngasturbinentriebwerk (10) zum Erzeugen von Antriebsleistung, durch das sich ein Kernstromkanal (54) erstreckt;

b) einen Fanabschnitt (44) mit einem von einer Verkleidung (50) umschlossenen Fan (12) , mit verstellbaren Einlaßleitschaufeln (60) , die stromaufwärts des Fans (12) angeordnet sind, und mit einem sich durch den Fanabschnitt (44) erstreckenden Mantelstromkanal (52);

c) einen Propeller (14), der stromaufwärts des Fans (12) angeordnet ist und mehrere Blätter (38) sowie eine Vorrichtung (40) zum Verändern des Einstellwinkels der Blätter aufweist; und

d) eine drehbare Welle (16) zum Kuppeln des Kerntriebwerks (10) mit dem Fan (12) und mit dem Propeller (14), die einen Teil der Leistung auf den Fan und einen weiteren Teil der Leistung über ein Getriebe (28) auf den Propeller verteilt.
9. Verbundtriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fan (12) und der Mantel- sowie der Kernstromkanal (52, 54) so ausgebildet sind, daß das Mantelstromverhältnis zwischen 2 und 6 liegt.
10. Verbundtriebwerk nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelstromkanal (52) radial außerhalb des Kerntriebwerks (10) angeordnet ist, wobei die radial äußere Begrenzung des Mantelstromkanals durch eine Verkleidung (62) gebildet wird, die sich von dem Fanabschnitt über das stromabwärtige Ende des Kerntriebwerks (10) hinaus erstreckt, und daß eine Mischvorrichtung (64) stromabwärts der Turbine (24) angeordnet ist zum Vermischen wenigstens eines Teils der Gase des Mantelstromkanals (52) mit wenigstens einem Teil der Gase des Kernstromkanals (54) .
11. Verbundtriebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (62) mit einem Bauteil (56) des Kerntriebwerks (10) und mit einem Bauteil (68) eines Fahrzeuges (70) starr verbunden ist, an welchem das Verbundtriebwerk

so angebracht ist, daß es in ausreichendem Abstand von dem Fahrzeug freitragend angeordnet ist, so daß der Propeller genügend Abstand von dem Fahrzeug hat.
12. Verbundtriebwerk nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Welle (16) axial verlängert ist, um den Propeller (14) von dem Fanabschnitt (44) zu trennen.
13. Verbundtriebwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Propeller (72) und durch einen in axialem Abstand von diesem angeordneten zweiten Propeller (74).
14. Verbundtriebwerk nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (80) zum Verstellen des Einstellwinkels der Blätter (76) des ersten Propellers (72), die unabhängig von einer Vorrichtung (82) zum Verändern des Einstellwinkels der Blätter (78) des zweiten Propellers (74) betätigbar ist.
15. Verbundtriebwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung eine drehbare Welle (16) aufweist, die sich von einer Turbine des Kerntriebwerks (10) zu dem Fan (12) und zu den beiden Propellern (72, 74) erstreckt und die beiden Propeller über ein Getriebe (84) antreibt.
16. Verbundtriebwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (84) so ausgebildet ist, daß es den zweiten Propeller (74) in einer Richtung in Drehung versetzt, die zu der Drehrichtung des ersten Propellers (72) entgegengesetzt ist.
17. Verbundtriebwerk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Anzahl der Blätter (76) des ersten Propellers (72) zu der Anzahl der Blätter (78) des zweiten Propellers (74) fünf zu vier beträgt.
18. Verbundtriebwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Propeller (72, 74) die gleiche Anzahl von Blättern (76, 78) haben.
19. Verbundtriebwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (88) des zweiten Propellers (86) umfangsmäßig relativ zu den Blättern (76) des ersten Propellers (72) angeordnet sind, um in wenigstens einigen Blatteinstellwinke lpositionen die Pumpeigenschaften der Blätter des Propellers zu verstärken.
20. Verbundtriebwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Propeller (86) stromabwärts des ersten Propellers (72) angeordnet ist und daß die Blätter (88) des zweiten Propellers eine radiale Länge haben, die kürzer ist als die radiale Länge der Blätter (76) des ersten Propellers (72).
21. Verbundtriebwerk nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Verkleidung (90), die den zweiten Propeller (86) umschließt.
22. Verbundtriebwerk, gekennzeichnet durch:

a) ein Kerngasturbinentriebwerk (10) zum Erzeugen von Antriebsleistung;

b) einen Fanabschnitt (44) mit einem von einer Verkleidung (90) umschlossenen Fan (12) und mit verstellbaren Einlaßleitschaufeln (46, 60), die stromaufwärts des Fans angeordnet sind;

c) einen ersten Propeller (72), der stromaufwärts des Fans (12) angeordnet ist und mehrere Blätter (76) sowie eine Vorrichtung (80) zum Verstellen des Einstellwinkels der Blätter aufweist;

d) einen zweiten Propeller (86), der zwischen dem ersten Propeller (72) und den verstellbaren Einlaßleltschaufeln (46, 60) angeordnet und von der den Pan (12) umschließenden Verkleidung (90) umschlossen ist* wobei der zweite Propeller mehrere Blätter (88) aufweist, deren radiale Länge kürzer ist als die radiale Länge der Blätter (76) des ersten Propellers (72) , und wobei der zweite. Propeller eine Vorrichtung (91) zum Verändern des Einstellwinkels seiner Blätter aufweist, die unabhängig von der Vorrichtung (80) zum Verändern des Einstellwinkels der Blätter des ersten Propellers betätigbar ist; und

e) eine drehbare Welle (16) zum Kuppeln des Kerntriebwerks (10) mit dem Fan (12) und mit den beiden Propellern (72, 86), wobei die drehbare Welle einen Teil der Leistung auf den Fan (12) und einen weiteren Teil der Leistung über ein Getriebe (84) auf die beiden Propeller verteilt»