DE3341126C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwenkdüsen-Gasturbinentriebwerk für kurz- oder vertikalstart- und landefähige Flugzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Gasturbinentriebwerken, die einen ersten Verdichter und einen zweiten Verdichter aufweisen, jedoch keine Schenkdüsen­ triebwerke sind, ist es bereits bekannt, das Triebwerk je nach den Betriebsanforderungen in zwei unterschiedlichen Zyk­ lusarten arbeiten zu lassen, nämlich entweder in einer Reihenstrombetriebsart, wobei die beiden Verdichter nachein­ ander durchströmt werden, oder in einer Parallelstrom­ betriebsart, wobei die beiden Verdichter parallel durchströmt werden.

Ein solches bekanntes Triebwerk ist in der US-PS 40 38 818 beschrieben. Dieses gehört der Bypassbauart an und weist zwei Verdichter in Tandemanordnung und eine Umschalteinrichtung zwischen den beiden Verdichtern auf, so daß deren Anordnung zwischen einer Reihenstrombetriebsart und einer Parallel­ strombetriebsart umschaltbar ist. In der Reihenstrom­ betriebsart tritt der vom ersten Verdichter geförderte Luft­ strahl direkt in den zweiten Verdichter ein und durchströmt dann Hochdruckverdichter, Brenneinrichtung, Turbinen und hin­ tere Strahldüse. In der Parallelstrombetriebsart ist die Um­ schalteinrichtung so geschaltet, daß die direkte Verbindung zwischen erstem und zweitem Verdichter blockiert ist, der Förderstrom des ersten Verdichters durch geöffnete Klappen in einen Bypasskanal übertritt, und Umgebungsluft durch einen Einlaß, der ebenfalls durch eine geöffnete Klappe gebildet wird, direkt in den zweiten Verdichter eintritt, sodann Hoch­ druckverdichter, Brenneinrichtung und Turbinen durchströmt und als Kernstrom durch die hintere Düse austritt. Schwenk­ düsen sind nicht vorhanden; auch handelt es sich nicht um ein kurz- oder vertikalstartfähiges Flugzeug, sondern die Um­ schaltmöglichkeit dient der Anpassung der Triebwerksleistung an unterschiedliche Flugbedingungen, nämlich im Parallel­ strombetrieb für den Unterschallflug, insbesondere bei Start und Landung, und im Reihenstrombetrieb für den Überschall­ flug.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schwenkdüsen­ triebwerk der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das ebenso wie das erörterte bekannte Triebwerk über eine Um­ schalteinrichtung ein Umschalten zwischen Reihenstrombetrieb und Parallelstrombetrieb ermöglicht. Die Triebwerksleistung kann dann für Vertikalstart- und -Landebetrieb und subso­ nischen Flug in der Parallelstrombetriebsart und für super­ sonischen Vorwärtsflug in der Reihenstrombetriebsart opti­ miert werden.

Jedoch strebt die Erfindung eine Anordnung an, die nicht die komplizierte Ausbildung aufweist, wie sie beispielsweise das erörterte bekannte Triebwerk aufweist. Denn die bekannte Um­ schalteinrichtung nach der US-PS 40 38 818, oder auch ein be­ kannt es, zwischen den beiden Verdichtern angeordnet es Umlenk­ ventil, wie es in der US-PS 39 13 321 beschrieben ist, sind wegen ihrer Kompliziertheit, ihrem Gewicht, ihren Kosten und ihrer unterbrechenden Wirkung auf den thermodynamischen Zyk­ lus des Triebwerks während des Übergangs vom Reihenstrombe­ trieb auf den Parallelstrombetrieb problematisch. Das Ausein­ anderreißen der Strömung hat seinen Grund in der relativ langsamen Arbeitsgeschwindigkeit der Umlenkklappen und der Einlaßklappen und in der Tatsache, daß viele bewegliche Teile wie beispielsweise die Einlaßklappen und die Ventilklappen im Luftströmungsweg angeordnet sind und gemeinsam betätigt wer­ den müssen.

Die dargestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 angegebene und in den Unteransprüchen weiter aus­ gestaltete Schwenkdüsengasturbinentriebwerk gelöst.

Die Lösung der Aufgabe besteht, kurz zusammengefaßt, darin, daß praktisch gar keine gesonderte Umschalteinrichtung vor­ gesehen ist, sondern die vorderen Schwenkdüsen des Schwenkdü­ sentriebwerks in Verbindung mit den Lufteinlässen für den zweiten Verdichter selbst die Umschalteinrichtung darstellen, indem in der entsprechenden Schwenkstellung die vorderen Dü­ sen sich mit den Einlaßöffnungen zum zweiten Verdichter decken und dann ohne besondere Mittel und Maßnahmen den För­ derstrom vom ersten Verdichter direkt in den zweiten Verdich­ ter einleiten, in welchen ansonsten Umgebungsluft eintritt, wenn die vorderen Schwenkdüsen sich in einer Stellung befin­ den, in welcher sie in die Umgebungsluft ausblasen.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die an­ liegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen be­ schrieben, in welchen zeigen:

die Fig. 1 und 2 in Draufsicht bzw. Seitenansicht ein Schwenkdüsentriebwerk nach der Erfindung in der Parallel­ strombetriebsart,

die Fig. 3 und 4 in Draufsicht bzw. Seitenansicht das Triebwerk nach den Fig. 1 und 2 in der Reihenstrombe­ triebsart,

Fig. 5 einen an sich bekannten Mecha­ nismus zur Leitschaufelkranz­ verstellung eines der Ver­ dichter des Triebwerks nach den Fig. 1 bis 4

Fig. 6 einen Mechanismus zum Verstellen des Austrittsquerschnitts der vorderen Schwenkdüsen des Trieb­ werks, und

Fig. 7 einen abgewandelten Lufteinlauf für das Triebwerk, welcher den Vorwärtsflug ohne Aufladung des Basistriebwerks ermöglicht.

Zuerst wird 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 61 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 vordere Schwenkdüsen 12, 14 aus. 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 hintere 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 vorderen Schwenkdüsen 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 hinteren Schwenkdüsen 20 und 22 in die Umgebungsluft aus und erzeugt vertikalen Schub. Auf diese Weise arbeiten die Verdichter 4 und 6 parallel zueinander und erzeugen einem großen Massenstrom 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 Triebwerksachse parallelen Schub, die vorderen Schwenkdüsen 12, 14 in der dargestellten Weise nach rückwärts geschwenkt sind. Die Einlässe 16, 18 sind relativ zu den Schwenkdüsen 12, 14 so angeordnet, daß in dieser Betriebsstellung jede der Schwenkdüsen 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 Triebwerksende und die Auslaßströmung vom ersten Verdichter tritt durch die vorderen Schwenkdüsen 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 hinteren Schwenkdüsen 20, 22 aus und erzeugt Vorwärtsschub. Auf diese Weise arbeiten die Verdichter 4 und 6 in Reihenschaltung und erzeugen einem 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 vorderen Schwenkdüsen 12, 14 in die Einlässe 16, 18 im Reihenbetrieb der Verdichter zu erreichen, ist an der Lippe jedes Einlassens 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 Schwenkdüse herzustellen, wenn die Schwenkdüse sich in mit dem Einlaß deckender Stellung befindet.

Es ist notwendig, den Austrittsquerschnitt der Schwenkdüsen 12, 14 zu verringern, wenn sie außer Deckung mit den Einlassen 16, 18 bewegt werden, um das Druckgefälle über ihnen zu erhöhen und ihre Wirkungsweise in dieser Betriebsstellung zu opti­ mieren. Jede Schwenkdüse 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 vorderen Schwenkdüsen 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 den vorderen Schwenkdüsen 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 Basistriebwerk, 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 Reihenstrombetriebs­ art) wird die Einlaßluft zum Verdichter 6 durch den Verdichter 4 aufgeladen. In der Parallelstrombetriebs­ art wird die Luft nicht aufgeladen. Für maximalen Schub ist es notwendig, einen Verdichter mit höherem Druck­ verhältnis vorzusehen und Verdichter mit höherem Druck­ verhältnis vorzusehen und Verdichterpumpschwingungen 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 der GB-PS 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 stellt, 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 der GB-PS 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 hinterer Schwenkdüsen gesteuert werden. Dazu bestehen zahlreiche bekannte Möglichkeiten zur Düsenquerschnittsveränderung. Man kann eine achssymmetrische Anordnung von Klappen (nicht dargestellt) oder Schwenkdüse verwenden, die eine oder mehrere bewegliche Platten 72 aufweisen, 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 vorderen Schwenkdüsen 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 Schwenkdüsen 12, 14 in eine Stellung erreichen, in welcher sie nach rückwärts ausmünden. Falls notwendig, können die Auslaßleitschaufeln in den Schwenkdüsen 12, 14 so gestellt werden, daß sie die Austrittsströmung nach rückwärts umlenken, um den Vorwärtsschub zu vergrößern. In allen Stellungen der vorderen Schwenkdüsen 12, 14 mit Ausnahme der sich mit den Einlässen 16, 18 deckenden Stellung sind die Austrittsquerschnitte gedrosselt.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) können die Lufteinlässe 16 so ausgelegt sein, daß sie eine "Bypass"-Betriebsart zulassen, in welcher, wenn die vorderen Schwenkdüsen 12, 14 nach rückwärts gerichtet sind (aber sich nicht vollständig mit den Einlässen 16 decken), ein Teil ihrer Auslaßströmung in das Basistriebwerk eintritt und ein anderer 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 Schwenkdüse 12, 14 ist.

Claims (9)

1. Schwenkdüsen-Gasturbinentriebwerk für kurz- oder vertikal­ start- und landefähige Flugzeuge mit einem ersten Verdich­ ter (4), einem zweiten Verdichter (6), einer Brenneinrich­ tung (8), Turbinen (10) zum Antrieb der beiden Verdichter, einem dem ersten Verdichter (4) zugeordneten Lufteinlaß, einem dem zweiten Verdichter (6) zugeordneten Lufteinlaß (16, 18), weiter mit dem Auslaß des ersten Verdichters (4) nachge­ schalteten vorderen Schwenkdüsen (12, 14), die zwischen einer Abwärtsstellung und einer Rückwärtsstellung schwenkbar sind, und mit dem Turbinenauslaß nachgeschalteten hinteren Schwenk­ düsen (20, 22), die zwischen einer Abwärtsstellung und einer Rückwärtsstellung schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der dem zweiten Verdichter (6) zugeordnete Einlaß (16, 18) in die Umgebungsluft ausmündende Einlaßöffnungen aufweist und die vorderen Schwenkdüsen (12, 14) in ihrer Rückwärtsstellung die Einlaßöffnungen des dem zweiten Verdichter (6) zugeordneten Lufteinlasses mindestens teilweise überdecken,
derart, daß in der Abwärtsstellung der vorderen Schwenkdüsen (12, 14) der vom ersten Verdichter (4) geförderte Luftstrahl durch die vorderen Schwenkdüsen (12, 14) in die Umgebungsluft austritt und Umgebungsluft durch den dem zweiten Verdichter (6) zugeordneten Lufteinlaß in den zweiten Verdichter (6) eintritt, und daß in der Rückwärtsstellung der vorderen Schwenkdüsen (12, 14) vom ersten Verdichter (4) geförderte Luft über die vorderen Schwenkdüsen (12, 14) in den Lufteinlaß des zweiten Verdichters (6) eingeleitet wird.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Einlaßöffnungen des dem zweiten Verdichter (6) zugeordne­ ten Lufteinlasses (16, 18) eine elastische Dichtung (24, 26) zur Abdichtung zwischen den Einlaßöffnungen und den in der Rückwärtsstellung stehenden vorderen Schwenkdüsen (12, 14) vorgesehen ist.

3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Dichtung (24, 26) aufblasbar ist.

4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite Verdichter (6) mit anstellwin­ kelveränderlichen Leitschaufeln zur Strömungssteuerung ausge­ stattet ist.

5. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vorderen Schwenkdüsen (12, 14) einen verstellbaren Austrittsquerschnitt haben.

6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die hinteren Schwenkdüsen (20, 22) einen verstellbaren Austrittsquerschnitt haben.

7. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vorderen Schwenkdüsen (12, 14) in eine zwischen der Abwärtsstellung und der Rückwärtsstellung gelegene Zwischenstellung schwenkbar sind, in welcher sie sich nur mit einem Teil ihres Austrittsquerschnitts mit den Einlaßöffnungen des dem zweiten Verdichter (6) zugeordneten Lufteinlasses (16, 18) decken und im übrigen neben diesen Einlaßöffnungen nach hinten ausmünden, und daß den Einlaß­ öffnungen Verschlußklappen zugeordnet sind, die den Quer­ schnitt der Einlaßöffnungen auf den sich mit den Auslaßöff­ nungen der vorderen Schwenkdüsen (12, 14) deckenden Querschnitts­ teil beschränken.

8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vorderen Schwenkdüsen (12, 14) in eine zwischen ihren Grenzstellungen liegende Rückwärtsstellung schwenkbar sind, in welcher sie neben den Einlaßöffnungen des dem zweiten Verdichter (6) zugeordneten Lufteinlasses (16, 18) nach hinten, aber nicht in diese Einlaßöffnungen hinein ausmünden.

9. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den vorderen Schwenkdüsen (12, 14) je­ weils eine Mehrzahl von beweglichen Strömungsumlenkschau­ feln (30) angeordnet ist, die so verstellbar sind, daß sie während der Schwenkbewegung der vorderen Schwenkdüsen (12, 14) aus der Abwärtsstellung in die Rückwärtsstellung bereits eine Rück­ wärtsumlenkung des Luftstroms aus diesen Schwenkdüsen bewir­ ken.