DE3341126A1 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Gasturbinentriebwerke mit veränderlichem Zyklus und insbesondere Gasturbinentrieb­ werke mit veränderlichem Zyklus, die schwenkbare Auslaß­ düsen aufweisen, um einem mit einem solchen Triebwerk ausgerüsteten Flugzeug die Fähigkeit zum Vertikalflug oder zu Kurzstart und -landung (V/STOL) zu verleihen.

Triebwerke mit veränderlichem Zyklus sind grund­ sätzlich in den US-Patenten 39 13 321 und 40 38 818 (an Rolls-Royce Limited, London, übertragen) beschrieben. Im allgemeinen weisen diese Triebwerke einen ersten Axialverdichter und ein Basistriebwerk auf, das in strömungstechnischer Reihenschaltung einen zweiten Verdichter, eine Brenneinrichtung und Turbinen zum Antrieb des ersten und zweiten Verdichters umfaßt. Die Triebwerke können in zwei verschiedenen Betriebsarten arbeiten. Bei diesen Betriebsarten handelt es sich um eine "Reihen­ strömungs"-Betriebsart und eine "Parallelströmungs"-Betriebs­ art. In der Reihenströmungsbetriebsart sind der erste und zweite Verdichter strömungstechnisch in Reihe geschaltet und die gesamte Ausgangsströmung des ersten Verdichters beaufschlagt den zweiten Verdichter. In der Parallel­ strömungsbetriebsart kann die Ausgangsströmung des ersten Verdichters den zweiten Verdichter nicht beaufschlagen und wird entweder durch einen Bypasskanal oder durch fest­ stehende oder schwenkbare Austrittsdüsen in die Umgebungs­ luft ausgestoßen, und gleichzeitig wird ein Hilfsluft­ einlaß geöffnet, um Luft in den zweiten Verdichter eintreten zu lassen.

Triebwerke mit veränderlichem Zyklus der beschriebenen Gattung bieten viele Vorteile, insbesondere bei Flugzeugen, von denen Vertikalstart- und -landefähigkeit sowie auch supersonische Vorwärtsfluggeschwindigkeiten verlangt werden. Die Triebwerksleistung kann für Vertikalstart- und -lande­ betrieb und subsonischen Flug in der Parallelströmungs­ betriebsart und für supersonischen Vorwärtsflug in der Reihenströmungsbetriebsart optimiert werden. Auf diese Weise können für den Vertikalflug die nachgewiesenen Vor­ teile von Triebwerken wie beispielsweise dem Pegasus-Trieb­ werk von Rolls-Royce Limited (zum Antrieb der British Aerospace AV8A Harrier oder der British Aerospace/MacDonnell Douglas AV8B verwendet) ausgenützt werden, während im Reihen­ strömungsbetrieb für supersonischen Flug ein Betrieb des Triebwerks mit hohem Wirkungsgrad möglich ist.

Um die Ausgangsströmung vom ersten Verdicher wahl­ weise für den Reihenströmungs- bzw. den parallelströmungs­ betrieb umschalten zu können, wird gewöhnlich ein Umlenk­ ventil stromab des ersten Verdichters, jedoch stromauf des zweiten Verdichters angeordnet. Beispiele solcher Umlenk­ ventile sind in den oben erwähnten Patenten beschrieben. Die mit diesem bekannten Umlenkventilen verbundenen Probleme liegen in ihrer Kompliziertheit, ihrem Gewicht, ihren Kosten und ihrer unterbrechenden Wirkung auf den thermodynamischen Zyklus des Triebwerks während des Übergangs vom Reihen­ strömungsbetrieb auf den Parallelströmungsbetrieb. Im allgemeinen hat das Auseinanderreißen der Strömung seinen Grund in der langsamen Arbeitsgeschwindigkeit der Umlenk­ ventilklappen und der Einlaßklappen und in der Tatsache, daß viele bewegliche Teile wie beispielsweise die Einlaß­ klappen und die Ventilklappen im Luftströmungsweg ange­ ordnet sind und gemeinsam betätigt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Triebwerk mit veränderlichem Zyklus der oben beschriebenen Gattung mit einer Umlenkventileinrichtung auszustatten, die einfach zu betätigen, gewichtsmäßig leicht und verhältnismäßig billig ist und einen verhältnismäßig hindernisfreien Strömungsweg in beiden Betriebsarten bietet.

Die Erfindung, wie sie beansprucht ist, ermöglicht einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg vom ersten Verdichter zu den Düsen oder zum Einlaß des zweiten Verdichters und benützt die Schwenkdüsen als Umlenkventil. Dadurch entfällt die zusätzliche Anordnung schwerer und kostspieliger Umlenkventile.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine teilgeschnittene Drauf­ sicht bzw. Seitenansicht eines Triebwerks nach der Erfindung, wobei das Triebwerk in der einen Betriebsstellung darge­ stellt ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen das Triebwerk nach den Fig. 1 und 2 in der zweiten Betriebsart.

Die Fig. 5 zeigt schematisch einen bekannten Mecha­ nismus zum Verstellen der Anstellwinkel einer Mehrzahl von Leitschaufelkränzen eines der Verdichter des Trieb­ werks nach den Fig. 1 bis 4.

Fig. 6 zeigt schematisch den Mechanismus zum Verstellen des Austrittsquerschnitts der Frontdüsen des Triebwerks nach den Fig. 1 bis 4.

Fig. 7 zeigt einen abgewandelten Lufteinlauf für das Triebwerk nach Fig. 1, welcher den Vorwärtsflug des Flug­ zeugs ohne Aufladung des Basistriebwerks ermöglicht.

Zuerst wird allgemein auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen, wonach ein Gasturbinentriebwerk 2 zum Antrieb eines Flugzeugs mit Vertikal- oder Kurzstart- und -lande­ fähigkeit einen ersten Verdichter 4, einen zweiten Ver­ dichter 6, eine Brenneinrichtung 8 und eine Turbine 10 zum Antrieb der Verdichter aufweist. Ein Luftstrom tritt aus der Umgebungsluft in den ersten Verdichter 4 ein und tritt durch zwei Schwenkdüsen 12, 14 auf. In den zweiten Verdichter 6 tritt ein Luftstrom durch zwei Einlässe 16, 18 ein, die (wie nachstehend noch in näheren Einzelheiten beschrieben wird) neben den Schwenkdüsen 12, 14 angeordnet sind, und tritt nach Durchströmen der Brenneinrichtung 8 und der Turbine 10 durch zwei Schwenkdüsen 20, 22 aus.

Nunmehr wird insbesondere auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, wonach, wenn das Triebwerk vertikalen Schub auf das Flugzeug erzeugen soll, d. h. einen zur Triebwerkachse senkrechten Schub, die Düsen 12, 14 und 20, 22 in der dargestellten Weise nach unten geschwenkt sind. In dieser Betriebsstellung kommt der Luftstrom in den ersten Verdichter 4 aus der Umgebungsluft am vorderen Triebwerksende und die Auslaßströmung aus dem ersten Verdichter tritt durch die Düsen 12, 14 in die Umgebungs­ luft aus und erzeugt vertikalen Schub. Der Luftstrom in dem zweiten Verdichter 6 kommt durch die Einlässe 16, 18 aus der Umgebungsluft und die Auslaßströmung vom zweiten Verdichter durchläuft die Brenneinrichtung 8 und die Turbine 10 und tritt durch die Düsen 20 und 22 in die Umgebungsluft aus und erzeugt vertikalen Schub. Auf diese Weise arbeiten die Verdichter 4 und 6 parallel zueinander und erzeugen eine großen Massenströmung mit niedriger Geschwindigkeit, was für den Start geeignet ist.

Nunmehr wird insbesondere auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen, wonach, wenn das Triebwerk Vorwärtsschub auf das Flugzeug erzeugen soll, d. h. einen zur Trieb­ werksachse parallelen Schub, die Düsen 12, 14 in der dargestellen Weise nach rückwärts geschwenkt sind. Die Einlässe 16, 18 sind relativ zu den Düsen 12, 14 so ange­ ordnet, daß in dieser Betriebsstellung jede der Düsen 12, 14 sich mit dem betreffenden der Einlässe 16, 18 deckt. In dieser Betriebsstellung kommt die Einlaufströmung in den ersten Verdichter 4 aus der Umgebungsluft am vorderen Trieb­ werksende und die Auslaßströmung vom ersten Verdichter tritt durch die Düsen 12, 14 in die Einlässe 16, 18 ein und bildet die Einlaufströmung zum zweiten Verdichter 6. Die Auslaßströmung vom zweiten Verdichter 6 strömt durch die Kammer 8 und die Turbine 10 und tritt durch die Düsen 20, 22 aus und erzeugt Vorwärtsschub. Auf diese Weise arbeiten die Verdichter 4 und 6 in Reihenschaltung und erzeugen einen kleineren Massenstrom als im Parallelbetrieb nach den Fig. 1 und 2, jedoch mit hoher Geschwindigkeit, wodurch diese Betriebsstellung für einen Vorwärtsflug mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist.

Um eine gute Überleitung der Strömung aus den Düsen 12, 14 in die Einlässe 16, 18 im Reihenbetrieb der Verdichter zu erreichen, ist an der Lippe jedes Einlasses eine elastische Dichtung 24, 26 vorgesehen. Diese Dichtungen 24, 26 sind aufblasbar und werden aufgeblasen, wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt ist, um eine Abdichtung zwischen jedem Einlaß und der betreffenden Düse herzustellen, wenn die Düse sich in mit dem Einlaß deckender Stellung befindet.

Es ist notwendig, den Austrittsquerschnitt der Düsen 12, 14 zu verringern, wenn sie außer Deckung mit den Einlässen 16, 18 bewegt werden, um das Druckgefälle über ihnen zu erhöhen und ihre Wirkungsweise in dieser Betriebsstellung zu opti­ mieren. Jede Düse 12, 14 ist mit einer Gruppe veränderlicher Austrittsleitschaufeln 28, 30 (siehe Fig. 6) ausgestattet. Die Einstellung dieser Austrittsleitschaufeln 28, 30 wird durch einen Gleitstein 32a, eine Kulissenführung 32b, einen Winkelhebel 33, Hebel 35 und Schubstangen 34 gesteuert. Die Düsenaustrittsleitschaufeln 28, 30 drosseln den Düsen­ austrittsquerschnitt, sobald die Düsen sich außer Deckung mit den Einlässen 16, 18 bewegen. Während des Übergangs von der Rückwärtsstellung zur Abwärtsstellung können die Schaufeln 28, 30 eine solche Winkelstellung haben, daß sie die aus der Düse austretende Strömung nach rückwärts umlenken, um der Auslaßströmung eine wesentliche Rück­ wärtskomponente zu geben.

Es leuchtet ein, daß der zwischen dem ersten Verdichter 4 und dem zweiten Verdichter verfügbare Raum zur Unterbringung sperriger Triebwerkshilfskomponenten wie beispielsweise eines Ölbehälters 36 verwendet werden kann.

Es versteht sich von selbst, daß das Basistrieb­ werk, nämlich der Verdichter 6, die Brenneinrichtung 8 und die Turbinen 10, so ausgelegt werden müssen, daß sie bei stark unterschiedlichen Strömungsbedingungen arbeiten können.

In einer Betriebsart (der Reihenströmungsbetriebs­ art) wird die Einlaßluft zum Verdichter 6 durch den Verdichter 4 aufgeladen. In der Parallelströmungsbetriebs­ art wird die Luft nicht aufgeladen. Für maximalen Schub ist es notwendig, einen Verdichter mit höherem Druck­ verhältnis vorzusehen und Verdichterpumpen zu vermeiden.

Gemäß Fig. 5 kann der Verdichter 6 mit verstellbaren Leitschaufeln 38 versehen sein, die jeweils an ihrem äußeren Ende an einem Zapfen 40 montiert sind. Zur Verbindung jedes Zapfens 40 mit einem Stellring 44 sind Hebel 42 vorgesehen. Jedem Leitschaufelkranz ist ein Stellring zugeordnet. Ein Arm 46 ist an einem Doppelgelenk 48 der in unserem Britischen Patent Nr. 15 11 723 beschriebenen Art montiert. An diesem Arm 46 sind Kuppelstangen 50 über Universalgelenke 52 montiert, und die Kuppelstangen 50 sind über Universalgelenke 54 mit dem Stellringen 44 verbunden. Ein Motor 56, der eine Leitspindel 56a antreibt, mit welche eine Mutter 58 an dem sonst freien Ende des Armes 46 in Eingriff steht, dient zur Bewegung des Armes 46 bezüglich der Achsen 60, 64 und dadurch zur Drehung der Stellringe 44. Die Schaufeln 38 sind über Hebel 66 und Universalgelenke 68 mit den Stellringen verbunden. Eine Drehung der Ringe 44 bewirkt eine gleichzeitige Drehung aller Leitschaufeln 38 jedes Leitschaufelkranzes. Dieser Mechanismus ist in unserem Britischen Patent Nr. 15 11 723 vollständig beschrieben.

Zusätzlich oder alternativ können die Turbinen mit verstellbaren Leitschaufeln 70 zur Steuerung der Strömung durch die Turbinen versehen sein.

Zusätzlich oder alternativ kann die Strömung durch das Basistriebwerk mittels querschnittsveränderlicher Düsen gesteuert werden. Dazu bestehen zahlreiche bekannte Möglichkeiten zur Querschnittsveränderung der Düsen. Man kann eine achssymmetrische Anordnung von Klappen (nicht dargestellt) oder eine zweidimensionale Düse verwenden, die eine oder mehrere bewegliche Platten 72 aufweist, die zur Änderung des Düsenquerschnitts mittels eines Motors 73 bewegt werden können, der einen Schraubspindeltrieb 74 über flexible Antriebswellen 76 und ein Getriebe 77 antreibt.

Zusätzlich oder alternativ können die Einlaßleit­ schaufeln 78 des Verdichters 4 eine veränderliche Geometrie haben.

Die Einlässe 16 können auch in der in Fig. 7 gezeigten Weise anders positioniert werden, so daß die Düsen 12, 14 in eine schwach nach oben weisende Stellung geschwenkt werden müssen, wenn sie mit den Einlässen 16, 18 zur Deckung gebracht werden sollen. Ein subsonischer Reiseflug läßt sich ohne Aufladung des Basistriebwerks durch Schwenken der Düsen 12, 14 in eine Stellung erreichen, in welcher sie nach rückwärts ausmünden. Falls notwendig, können die Auslaßleitschaufeln in den Düsen 12, 14 so gestellt werden, daß sie die Austrittsströmung nach rückwärts umlenken, um den Vorwärtsschub zu vergrößern. In allen Stellungen der Düsen 12, 14 mit Ausnahme der sich mit den Einlässen 16, 18 deckenden Stellung sind die Austrittsquerschnitte gedrosselt.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform (nicht dar­ gestellt) können die Lufteinlässe 16 so ausgelegt sein, daß sie eine "Bypass"-Betriebsart zulassen, in welcher, wenn die Düsen 12, 14 nach rückwärts gerichtet sind (aber sich nicht vollständig mit den Einlässen 16 decken), ein Teil der Auslaßströmung der Düsen 12, 14 in das Basis­ triebwerk eintritt und ein Teil nach rückwärts, aber nicht durch das Basistriebwerk ausströmt. In diesem Fall wäre an der Lippe jedes Einlasses eine Verschlußklappe (nicht dargestellt) vorgesehen. Diese Verschlußklappe würde jeden Lufteinlaß 16 auf einen Querschnitt reduzieren, der gleich dem Querschnitt des sich mit dem Lufteinlaß deckenden Teils jeder Düse 12, 14 ist.

Claims (10)

1. Gasturbinentriebwerk mit:
einen ersten Verdichter, einem zweiten Verdichter, einer Brenneinrichtung, Turbinen zum Antrieb des ersten und zweiten Verdichters, ersten Einlaßmitteln zum Einlaß einer Strömung zum ersten Verdichter, ersten Auslaßmitteln zum Austritt der Strömung aus dem zweiten Verdichter durch die Brenneinrichtung und die Turbinen,
wobei die ersten Aulaßmittel zwischen einer ersten Stellung, in welcher die Strömung aus dem ersten Ver­ dichter in die Umgebungsluft austritt, und einer zweiten Stellung schwenkbar sind, in welcher die ersten Auslaß­ mittel sich mit den zweiten Einlaßmitteln decken und die Strömung aus dem ersten Verdichter in den zweiten Ver­ dichter hinein austritt.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, bei welchem eine elastische Dichtung zur Abdichtung zwischen den ersten Auslaßmitteln und den zweiten Einlaßmitteln bei in der zweiten Stellung stehenden ersten Auslaßmitteln vorgesehen ist.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Dichtung aufblasbar ist.

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, bei welchem die optimale Strömung des Arbeitsmediums durch das Trieb­ werk diejenige ist, bei welcher die ersten Auslaßmittel in der zweiten Stellung stehen und der erste und zweite Verdichter jeweils mit einer vorgegebenen Drehzahl um­ laufen, wobei Strömungssteuermittel zur Steuerung der Strömung des Arbeitsmediums durch den ersten Verdichter, den zweiten Verdichter und die Turbinen vorgesehen sind, um ein Pumpen des ersten und zweiten Verdichters im Betrieb bei den oder unterhalb der vorgegebenen Dreh­ zahlen zu verhindern.

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, bei welchem die Steuermittel Leitschaufeln aufweisen, deren Anstell­ winkel veränderlich ist, um die Strömung durch das Trieb­ werk zu verändern.

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, bei welchem die Steuermittel ihrerseits Mittel zum Verstellen des Austrittsquerschnitts der ersten Auslaßmittel aufweisen, um einen kleineren Austrittsquerschnitt herzustellen, wenn die ersten Auslaßmittel in einer anderen als der zweiten Stellung stehen.

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, bei welchem die Steuermittel ihrerseits Mittel zur Veränderung des Austrittsquerschnitts der zweiten Auslaßmittel aufweisen.

8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, bei welchem die ersten Auslaßmittel in eine zwischen der ersten und zweiten Stellung befindliche dritte Stellung bewegbar sind und in welcher die ersten Auslaßmittel teilweise in die zweiten Lufteinlaßmittel und außerdem neben den zweiten Lufteinlaßmitteln nach hinten ausmünden, und wobei Ver­ schlußmittel vorgesehen sind, um den Querschnitt der zweiten Lufteinlaßmittel auf einen Querschnitt zu drosseln, der gleich dem in die zweiten Lufteinlaßmittel ausmündenden Teil der ersten Auslaßmittel ist.

9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, bei welchem die ersten Auslaßmittel in eine zwischen der ersten und zweiten Stellung liegende dritte Stellung bewegbar sind, in welcher die ersten Auslaßmittel neben den zweiten Lufteinlaßmitteln nach hinten, aber nicht in die zweiten Lufteinlaßmittel hinein ausmünden.

10. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, bei welchem die ersten Auslaßmittel mit einer Mehrzahl von Strömungs­ umlenkschaufeln versehen sind, die durch den Strömungs­ weg der ersten Auslaßmittel verlaufen, und wobei diese Schaufeln beweglich sind, um eine Gasausströmung aus den ersten Auslaßmitteln während einer Übergangsbewegung der ersten Auslaßmittel aus der zweiten Stellung in die erste Stellung nach rückwärts umzulenken.