DE3719930A1 - Turbofan-gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbofan-Gasturbinen­ triebwerk und insbesondere auf ein Turbofan-Gasturbinen­ triebwerk, bei dem der Fanaufbau stromab des Kerntrieb­ werks angeordnet ist.

Bei Turbofan-Gasturbinentriebwerken, die ein sehr hohes Nebenschlußverhältnis haben, ändert sich die Größe des Einlaß-Luftstromrohres zwischen Reiseflug und statischen Bedingungen in hohem Maße, wenn das Triebwerk in ein Flugzeug installiert ist.

Bei herkömmlichen Turbofan-Gasturbinentriebwerken mit hohem Nebenschlußverhältnis, bei denen der Fanaufbau stromauf des Kerntriebwerks liegt, wird die Änderung der Größe des eintretenden Luftstroms nach dem Ge­ bläsekanal dadurch ausgeglichen, daß man eine dicke Konturlippe am Einlauf des Fangehäuses vorsieht, an die sich ein langes Fangehäuse anschließt, welches so ausgebildet ist, daß eine Ablösung der Luftströmung vom Fangehäuse verhindert wird.

Die Lippe ist innen so tief, daß ein Abreißen der Strömung von der inneren Oberfläche der Lippe des Fangehäuses unter statischen Bedingungen verhindert wird, wenn der eintretende Luftstrom unendlich wird und die Luft vollständig um die Lippe herum abgezogen wird, und sie besitzt eine genügende äußere Tiefe, um zu verhindern, daß die Strömung von der äußeren Ober­ fläche der Lippe des Fangehäuses abreißt, während das Flugzeug im Reiseflug fliegt und der eintretende Luft­ strom kleiner ist und ein Teil der Luft über die äußere Oberfläche des Einlasses abfließen muß.

Bei einem Turbofan-Gasturbinentriebwerk mit einem hohen Nebenstromverhältnis erzeugen die größeren Luftströmungen und die größeren Triebwerksabmessungen einen größeren Luftwiderstand, der den Wirkungsgrad des Triebwerks be­ einträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turbofan- Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei dem der Fanaufbau stromab des Kerntriebwerks liegt und bei dem das Fan­ gehäuse relativ kurz ist, um den Luftwiderstand und das Gewicht zu verringern.

Die Erfindung geht aus von einem Turbofan-Gasturbinen­ triebwerk mit einem Kerntriebwerk, das ein Kerngehäuse aufweist, mit einem Fanaufbau am stromabwärtigen Ende des Triebwerks oder stromab des Triebwerks, wobei der Fanaufbau wenigstens einen innerhalb eines teilweise von einem Fangehäuse definierten Fankanals umläuft. Hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kerngehäuse stromauf des Fankanaleinlasses eine solche Form aufweist, daß bei wenigstens einer Be­ triebsart die Luftströmungslinien in der Nähe des Fankanaleinlasses derart beeinflußt werden, daß ein Strömungspfad geschaffen wird, der gut ausgerichtet ist auf die Länge des Fangehäuses, bevor das Fangehäuse tatsächlich erreicht wird.

Das Kerngehäuse weist eine Einschnürung auf, deren kleinster Durchmesser im wesentlichen in der gleichen Ebene wie der Fankanaleinlaß liegt.

Das Fangehäuse kann eine Lippe am stromaufwärtigen Ende aufweisen, die eine relativ kleine äußere Tiefe besitzt.

Der Fanaufbau kann einen stromaufwärtigen Fan und einen stromabwärtigen Fan besitzen, die durch eine Nutzleistungsturbine angetrieben werden.

Der stromaufwärtige und der stromabwärtige Fan werden im Gegensinn durch die Nutzleistungsturbine angetrieben.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 Teilschnittansichten bekannter Turbofan- Gasturbinentriebwerke, wobei die Luft­ strömungslinien für statischen Betrieb bzw. für Reiseflugbetrieb dargestellt sind;

Fig. 3 und 4 Schnittansichten einer weiteren bekannten Ausführungsform eines Turbofan-Gasturbinen­ triebwerks, wobei wiederum die Luftströmungs­ linien für statische Bedingungen und Reise­ flugbedingungen eingetragen sind.

Fig. 5 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turbofan-Triebwerks;

Fig. 6 und 7 Schnittansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turbofan-Gasturbinentrieb­ werks nach Fig. 5, wobei die Luftströ­ mungslinien für statische Bedingungen und Reiseflugbedingungen dargestellt sind.

In Fig. 1 und 2 ist ein herkömmliches Turbofan-Trieb­ werk 110 dargestellt, das einen Fan 112 und ein Kerntrieb­ werk 114 aufweist, wobei der Fan stromauf des Kerntrieb­ werks 114 angeordnet ist. Das Kerntriebwerk ist von her­ kömmlicher Bauart und treibt den Fan an. Die Schaufeln des Fan laufen in einem Fankanal 116 um, der einen Ein­ laß 118 und einen Auslaß 120 besitzt, die durch ein Fan­ gehäuse 122 definiert werden. Das Fangehäuse 122 wird vom Kerntriebwerk über mehrere Streben oder Schaufeln 124 getragen, die radial vom Kerntriebwerksgehäuse nach dem Fangehäuse vorstehen.

Ein in Betrieb befindliches Turbofan-Gasturbinentrieb­ werk mit hohem Nebenschlußverhältnis, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, zeigt eine statische Veränderung des Einlaufluftstromschlauches, der vom Fanaufbau benötigt wird, wenn die Bedingungen zwischen Reiseflug und statischen Bedingungen oder Bedingungen mit niedriger Geschwindigkeit sich ändern. Die Luftströmungslinien, die in den Fankanaleinlaß 118 eintreten, sind mit A für die statische Bedingung in Fig. 1 dargestellt, wenn der eintretende Strömungsschlauch unendlich ist und bei B für Reisebedingungen in Fig. 2, wenn ein sehr viel kleinerer Strömungsschlauch vom Fan benötigt wird. Der Grenzstrom der in den Fankanal einströmen­ den Luft ist mit C bezeichnet und die Luftströmung, die über das Gehäuse abströmt, ist mit D bezeichnet.

Die Änderung der Größe des Fanstromschlauches wird durch eine dicke, nach innen verlaufende Lippe 126 möglich, der ein vorderer Verkleidungsteil 128 des Fangehäuses 122 folgt. Die Lippe hat eine so große Tiefe, daß ein Abriß der Strömung von der inneren Oberfläche der Lippe des Fangehäuses bei statischem Betrieb verhindert wird, wenn die Luft sämtlich um den Einlaß abgezogen wird und nicht nur von einer Stelle unmittelbar stromauf des Faneinlasses. Der Verkleidungsabschnitt 128 besitzt auch eine genügend große Tiefe und ein solches Profil, daß ein Abreißen der Strömung von der äußeren Oberfläche des Fangehäuses unter Reiseflugbedingungen verhindert wird, wenn die Luft über den Einlaß abfließt.

Der vorn liegende Verkleidungsteil 128 ist so ausge­ bildet, daß gewährleistet bleibt, daß die darüber ab­ fließende Luft D an der äußeren Oberfläche des Fan­ gehäuses 122 haftenbleibt und ein Ablösen verhindert wird, damit keine großen Luftwiderstandswerte insbe­ sondere beim Reiseflug auftreten. Infolgedessen sind vorderer Verkleidungsteil 128 und Fangehäuse relativ lang und dick wegen der Notwendigkeit, die Strömungs­ richtung glatt und graduell zu ändern, und hierdurch ergibt sich ein hohes Triebwerksgewicht und es werden hohe Luftwiderstandswerte erzeugt, die den Wirkungs­ grad des Turbo-Gasturbinentriebwerks herabsetzen.

Ein Turbofan-Triebwerk 210 mit hohem Nebenstromverhält­ nis, bei dem der Fanaufbau 214 am stromabwärtigen Ende des Triebwerks angeordnet ist oder stromab des Kern­ triebwerks 212 liegt, ist in den Fig. 3 und 4 dar­ gestellt. Die Schaufeln des Fan sind so angeordnet, daß sie sich innerhalb eines Fankanals 220 drehen, der einen Einlaß 222 und einen Auslaß 224 aufweist, die durch ein Fangehäuse 226 definiert sind. Das Fangehäuse 226 ist am Kerntriebwerk 212 über eine Vielzahl von Streben 232 festgelegt, die in radialer Richtung vom Kerntriebwerkgehäuse nach dem Fangehäuse verlaufen.

Die im Betrieb auftretenden Luftströmungslinien, die am Faneinlaß auftreten, sind mit E für statische Bedingungen in Fig. 3 gekennzeichnet, wenn ein end­ loser Strömungsschlauch vom Fan gefordert wird, während in Fig. 4 das Bezugszeichen F die Strömungs­ linien bei Reiseflug kennzeichnet, wenn ein kleinerer Strömungsschlauch vom Fan gefordert wird. Die Lippe des Fangehäuses hat eine genügend große innere Tiefe, um eine innere Strömungsablösung beim Start zu verhindern und eine genügend große äußere Tiefe, um bei Reiseflug ein äußeres Abreißen der Strömung zu verhindern.

Der Grenzströmungsschlauch der Luft, die in den Fan­ einlaßkanal einströmt, ist mit G bezeichnet. Die Strö­ mung, die über das Fangehäuse außen abfließt, ist für Reiseflugbedingungen bei H dargestellt.

Hierdurch wird wiederum ein relativ dickes und langes Fangehäuse erzeugt und diese Probleme vergrößern sich infolge der Benutzung größerer Luftströme und größerer Triebwerksdurchmesser.

Ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10 gemäß der Erfin­ dung ist in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellt. Es umfaßt ein Kerntriebwerk 12 und einen Fanaufbau 14, wobei der Fanaufbau am stromabwärtigen Ende des Gasturbinentriebwerks und beispielsweise stromab des Kerntriebwerks angeordnet ist. Das Kerntriebwerk 12 ist von herkömmlicher Bauart und kann in Strömungs­ richtung hintereinander einen Kompressor oder mehrere Kompressoren, eine Verbrennungseinrichtung und eine oder mehrere Turbinen aufweisen. Das Kerntriebwerk liefert heiße Gase, die den Fanaufbau antreiben, der einen oder mehrere Fans besitzt, und zwar bei diesem Ausführungsbeispiel einen stromoberseitigen Fan 16 und einen stromabwärtigen Fan 18, die durch die Nutz­ leistungsturbine angetrieben werden. Die Nutzleistungs­ turbine wird durch die Abgase vom Kerntriebwerk ange­ trieben und kann so ausgebildet sein, daß die beiden Fanstufen in der gleichen Richtung oder in Gegenrich­ tung umlaufen, wobei die ausgestoßene Luft durch den Auslaß 36 austritt. Die Schaufeln des stromaufwärtigen Fan 16 und des stromabwärtigen Fan 18 sind so ange­ ordnet, daß sie innerhalb eines Fankanals 20 umlaufen, der einen Einlaß 22 und einen Auslaß 24 besitzt und teilweise durch ein Fangehäuse 26 be­ grenzt ist.

Das Kerntriebwerk 12 besitzt ein Kerngehäuse 28, das das Kerntriebwerk 12 umschließt und es besitzt einen Einlaß 34. Das Kerntriebwerk 12 wird teilweise vom Fangehäuse 26 über mehrere Streben 30 getragen, die vom stromaufwärtigen Ende des Fangehäuses vor­ stehen. Der Fanaufbau 14 wird vom Fangehäuse 26 über mehrere Streben 32 getragen, die vom stromabwärtigen Ende des Fangehäuses vorstehen.

Das Kerngehäuse 28 besitzt einen ersten Abschnitt 36 stromauf des Fankanaleinlasses 22, das aerodynamisch geformt ist und einen relativ großen Durchmesser be­ sitzt, während ein zweiter Abschnitt 38 stromab des ersten Abschnitts 36 angeordnet ist, und zwar im wesent­ lichen in der gleichen Ebene wie der Fankanaleinlaß 22 und dieser Abschnitt besitzt einen relativ kleinen Durch­ messer. Die ersten und zweiten Abschnitte gehen glatt ineinander über, um die Luftströmung aufrechtzuerhalten. Demgemäß hat das Kerngehäuse eine Einschnürung, deren kleinster Durchmesser in der gleichen Ebene liegt wie der Fankanaleinlaß.

Das Fangehäuse 26 besitzt eine Lippe 40 am stromaufwärtigen Ende um zu gewährleisten, daß die Luftströmungslinien am Fangehäuse anhaftenbleiben, und zwar sowohl unter statischen Bedingungen als auch unter Reiseflugbedingungen.

Die Luftströmungslinien, die im Betrieb auftreten und in den Fankanaleinlaß 22 und das Kerntriebwerk 34 eintreten, sind mit I bzw. J für statische Bedingungen gekennzeichnet. In Fig. 6 ist eine Bedingung dargestellt, die vom Fan einen endlosen Strömungsschlauch erfordern, und die Luftströmungslinien, die in den Fankanaleinlaß 22 eintreten, sind mit K bezeichnet, und jene am Einlaß des Kerntriebwerkes mit N, und zwar bei Reiseflugbedingungen. Fig. 7 zeigt einen Zustand, bei dem ein kleinerer Strömungs­ schlauch vom Fan und vom Kerntriebwerk gefordert wird. Der Grenzstromschlauch der Luftströmung, die in den Fankanal­ einlaß und den Kerntriebwerkseinlaß eintritt, sind mit L und O bezeichnet, und die äußere Strömung über das Fan­ gehäuse ist unter Reiseflugbedingungen mit M bezeichnet.

Der zweite Abschnitt 38 des Kerngehäuses 28 ist auf einen minimalen Durchmesser vermindert, damit die maximal mög­ liche innere Lippentiefe des Fangehäuses erreicht werden kann, um unter statischen Bedingungen ein Abreißen der Strömung an der Innenseite zu vermeiden und um den äußeren Fangehäusedurchmesser so klein als möglich zu halten.

Der speziell geformte erste Abschnitt 36 des Kerngehäuses 28 weist einen relativ großen Durchmesser auf, so daß die äußere Form des Kerngehäuses stromauf des Fankanal­ einlasses 22 bewirkt, daß der eintretende Strömungsschlauch durch den Fankanaleinlaß so abfließt, daß er einen Strö­ mungspfad einnimmt, der in enger Ausrichtung auf die Länge des Fangehäuses steht, bevor das Fangehäuse erreicht wird, und zwar unter Reiseflugbedingungen.

Der Grenzströmungsschlauch L des eintretenden Strahl­ schlauches fließt in den Fankanaleinlaß während der Reiseflugbedingungen, und er ist enger auf die Länge des Fangehäuses ausgerichtet als beim Stande der Technik, wo­ durch eine gerade Teilungsströmungslinie vor der Fange­ häuselippe zwischen den Luftströmungslinien K, die in den Fankanaleinlaß eintreten und der Strömung über der Außenfläche des Fangehäuses erreicht wird. Dadurch kann die äußere Tiefe der Lippe 40 vermindert werden, weil die Überströmung vermindert wird, während die Überströ­ mung über das Fangehäuse ohne Abreißen gewährleistet wird. Dies führt wiederum zu einem relativ dünnen und kürzeren Fangehäuse, wodurch das Triebwerksgewicht ver­ mindert wird, und wegen des relativ kurzen Fangehäuses werden die Luftwiderstandswerte beträchtlich vermindert.

Der entsprechend geformte erste Abschnitt des Kerngehäuses ermöglicht die Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades mit einem kleineren äußeren Gesamtdurchmesser.

Claims (5)

1. Turbofan-Gasturbinentriebwerk mit einem Kerntriebwerk, das ein Kerngehäuse auf­ weist, mit einem Fanaufbau am stromab­ wärtigen Ende des Kerntriebwerks oder stromab des Kerntriebwerks, wobei der Fan­ aufbau wenigstens einen Fan besitzt, der innerhalb eines Fankanals umläuft, der teilweise durch ein Fangehäuse definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kerngehäuse (28) eine äußere Form (36) stromauf des Fan­ kanaleinlasses (22) besitzt, die bei wenigstens einer Betriebsart die Luftströmungslinien (k) in der Nähe des Fankanaleinlasses (22) derart beeinflußt, daß sich ein Strömungspfad ergibt, der auf die Länge des Fangehäuses (26) ausge­ richtet ist bevor das Fangehäuse (26) erreicht wird.

2. Turbofan-Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kerngehäuse (28) eine Einschnürung (38) aufweist, deren kleinster Durchmesser etwa in der gleichen Ebene wie der Fankanaleinlaß (22) liegt.

3. Turbofan-Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fangehäuse (26) eine Lippe (40) am stromaufwärtigen Ende besitzt, die eine relativ kleine äußere Tiefe hat.

4. Turbofan-Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fanaufbau (14) einen stromaufwärtigen Fan (16) und einen strom­ abwärtigen Fan (18) aufweist, die durch eine Nutzleistungsturbine angetrieben werden.

5. Turbofan-Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärtige Fan (16) und der stromabwärtige Fan (18) in entgegengesetzten Drehrichtungen durch die Nutz­ leistungsturbine angetrieben werden.