DE3727496A1 - Querschnittsveraenderliche abgasduese fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents
Querschnittsveraenderliche abgasduese fuer gasturbinentriebwerkeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine querschnittsveränderliche
Abgasdüse für Gasturbinentriebwerke nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Die Erfindung kann insbesondere bei Triebwerken von
Kombinationshubschraubern Anwendung finden.
In der GB-A-21 30 984 ist ein sogenannter Kombinations
huschrauber beschrieben, bei welchem zwei Zweistrom-Gas
turbinentriebwerke in einem Hubschrauber installiert sind,
der mit Zusatzflügeln zur Auftriebsverstärkung ausgestattet
ist. Dabei wird Nebenstromluft aus den Triebwerken durch
entsprechende Kanäle zu den beiden Zusatzflügeln geleitet,
um über den von den Hubschrauber-Rotorblättern erzeugten
Auftrieb und Schub hinaus zusätzlichen Auftrieb und Schub
zu erzeugen. Solche Zusatzflügel sind in der US-PS 33 32 644
mehr im einzelnen beschrieben.
Die Gasturbinentriebwerke des oben erwähnten Kombinations
hubschraubers arbeiten mit Freifahrtturbinen. Eine als Frei
fahrtturbine ausgelegte Niederdruck-Leistungsturbine ist mit
dem Hubschrauberrotor gekuppelt, während eine Hochdrucktur
bine den Triebwerksverdichter antreibt. Eine querschnitts
veränderliche Abgasdüse dient zur jeweiligen Anpassung des
Druckgefälles über der Leistungsturbine und zur Steuerung
der Leistungsabgabe an die Rotorblätter. Wenn zum Schwebe
flug oder zum Vertikalstart maximale Leistung erforderlich
ist, wird die Abgasdüse auf die maximale Querschnittsein
stellung gestellt, um ein hohes Druckgefälle über der
Leistungsturbine zu erzeugen. Für maximale Vorwärtsflug
geschwindigkeit wird die Abgasdüse auf minimalen Querschnitt
gestellt, um den Impuls des Abgasstrahls zu erhöhen und
maximalen Vorwärtsschub zu ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ins
besondere für den oben erläuterten Anwendungszweck geeignete
Gasturbinen-Abgasdüse zu schaffen, die einfach aufgebaut,
robust und gewichtsmäßig leicht ist, andererseits aber
eine zuverlässige und ausreichende Steuerungsmöglichkeit
hinsichtlich der Drehzahl der Freifahrtturbine bietet, um
einen sicheren Betrieb des Hubschraubers zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im
Anspruch 1 gekennzeichnete querschnittsveränderliche Abgas
düse gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen
stand der Unteransprüche.
beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 einen Kombinationshubschrauber in
Seitenansicht,
Fig. 2 den Kombinationshubschrauber in
Draufsicht,
Fig. 3 in schematischer Darstellung ein für
den Einsatz bei dem Hubschrauber nach
den Fig. 1 und 2 geeignetes Gas
turbinentriebwerk,
Fig. 4 im Querschnitt eine querschnitts
veränderliche Abgasdüse nach der
Erfindung für das Triebwerk nach
Fig. 3, und
Fig. 5 eine Rückansicht der Abgasdüse aus
der Ebene A-A in Fig. 4.
Gemäß den Fig. 1 und 2 ist ein Hubschrauber 10 mit zwei
Gasturbinentriebwerken 12 der Zweistrombauart ausgestattet.
Durch Kanäle 14 wird Nebenstromluft zu zwei Zusatzflügeln 16
der Whittley-Bauart geleitet, um zusätzlich zu dem von
einem Hauptrotor 18 erzeugten Auftrieb und Schub weiteren
Auftrieb und Schub zu erzeugen. Der Hauptrotor 18 wird von
den Leistungsturbinen der beiden Triebwerke 12 über ein
Getriebe 20 angetrieben.
Wie Fig. 3 zeigt, weisen die beiden Triebwerke 12 jeweils
ein Frontgebläse 22 auf, das den Druck der einströmenden
Luft anhebt.
Stromab des Gebläses 22 wird der eintretende Luftstrom
in einen Kernstrom und einen Mantelstrom aufgeteilt. Der
Kernstrom wird durch einen mehrstufigen Verdichter 24 weiter
verdichtet und dann in einer Ringbrennkammer 26 erhitzt.
Der aus der Brennkammer 26 austretende Abgaskernstrom treibt
dann eine Hochdruckturbine 28 an. Der Verdichter 24, die
Brennkammer 26 und die Hochdruckturbine 28 bilden zusammen
den sogenannten Gasgenerator. Das Gebläse 22, der Verdichter 24
und die Hochdruckturbine 28 sind auf einer gemeinsamen
Welle 30 angeordnet, so daß das Gebläse 22 und der Ver
dichter 24 beide von der Hochdruckturbine 28 angetrieben
werden.
Stromab der Hochdruckturbine 28 ist eine als Freifahrt
turbine ausgebildete Leistungsturbine 32 angeordnet, die
ebenfalls vom Abgaskernstrom angetrieben wird. Diese
Leistungsturbine 28 ist auf eine Abtriebswelle 34 ange
ordnet, die über das Getriebe 20 auf den Hauptrotor 18 des
Hubschraubers wirkt. Schließlich tritt der Abgaskernstrom
durch eine querschnittsveränderliche Abgasdüse 36 (Fig. 4
und 5) in die Außenluft aus.
Der Mantelluftstrom strömt vom Gebläse 22 in einen
ringförmigen Mantelstromkanal 38 ein, in welchem ein
Umschaltventil 40 angeordnet ist. Derartige Ventile sind
an sich bekannt, so daß sich eine Beschreibung im einzelnen
erübrigt. Es ist lediglich zu sagen, daß das Umschaltventil
in seiner einen Betriebsstellung die Nebenstromluft in
eine ringförmige Spiralgehäusekammer 42 leitet und in
seiner anderen Betriebsstellung, die durch Drehen des
Umschaltventils 40 hergestellt wird, die Nebenstromluft
entlang des Mantelstromkanals weiterströmen läßt. Die
Spiralgehäusekammer 42 ist über die Kanäle 14 mit den
Zusatzflügeln 16 verbunden.
Arbeitet das Triebwerk in einer ersten Betriebsart, in
welcher das Umschaltventil 40 die Nebenstromluft zu den
Zusatzflügeln 16 leitet, wird der Hubschrauberrotor 18
durch die Freifahrt-Leistungsturbine 32 angetrieben. Die
querschnittsveränderliche Abgasdüse 36 dient dazu, das
Druckgefälle über der Leistungsturbine 32 bei jeder gegebenen
Triebwerksdrehzahl zu steuern. Ein verhältnismäßig hohes
Druckgefälle erzeugt mehr Leistung zum Antrieb des Rotors 18,
um bei geringen Vorwärtsfluggeschwindigkeiten den geringeren,
von den Zusatzflügeln 16 erzeugten Auftrieb zu kompensieren.
Bei höheren Vorwärtsfluggeschwindigkeiten wird der Düsen
querschnitt verringert, so daß das Druckgefälle über der
Abgasdüse einen stärkeren Strahlschub durch Steigerung der
Strahlaustrittsgeschwindigkeit erzeugt, während ein dann
niedrigeres Druckgefälle über der Leistungsturbine annehm
bar ist, weil dann die Zusatzflügel mehr Auftrieb erzeugen.
In einer zweiten Betriebsart läßt das Umschaltventil 40
die Nebenstromluft entlang des Mantelstromkanals 38 weiter
strömen, so daß sich die Nebenstromluft dann mit dem Abgas
kernstrom vermischt. In dieser Betriebsart erhalten die
Zusatzflügel 16 keine Nebenstromluft. Bei sehr geringen
Vorwärtsfluggeschwindigkeiten oder beim Schwebeflug oder
Start des Hubschraubers erzeugt nur der von der Freifahrt-
Leistungsturbine angetriebene Rotor 18 Auftrieb. In dieser
Betriebsart wird die querschnittsveränderliche Abgasdüse 36
auf maximalen Querschnitt gestellt, so daß nur geringer
Strahlschub erzeugt wird.
Die zur Steuerung der Drehzahl der Freifahrt-Leistungs
turbine 32 in der oben beschriebenen Weise dienende Abgas
düse 36 ist in den Fig. 4 und 5 im einzelnen dargestellt.
Die Düse weist auf ihrer einen Seite C eine feststehende
Klappe 44 und auf ihrer anderen Seite D eine bewegliche
Klappe 46 auf. Die bewegliche Klappe 46 ist an einer zwischen
ihrem vorderen Ende 46 a und ihrem hinteren Ende 46 b gelegenen
Stelle schwenkbar an den längs dieser beweglichen Klappe
seitlich angrenzenden Düsenwandkonstruktionen 58 angelenkt
und mittels eines Betätigungsantriebs 48 betätigbar. Der
Betätigungsantrieb 48 ist an sich bekannt und wird daher
nicht im einzelnen beschrieben. Mittels des Betätigungsan
triebs 48 ist die bewegliche Klappe 46 zwischen einer ersten
Stellung und einer zweiten Stellung beweglich. In der in
Fig. 4 mit Vollinien dargestellten ersten Stellung der
beweglichen Klappe 46 befindet sich deren vorderes Ende 46 a
etwas stromauf und geringfügig radial einwärts der Hinter
kante 50 der sich anschließenden Abgaskanalwand 52, so daß
ein kleiner Ejektorspalt 54 dazwischen verbleibt, und das
hintere Ende 46 b hat einen verhältnismäßig kleinen Abstand
zum hinteren Ende 44 b der feststehenden Klappe 44, so daß
die zwischen den beiden hinteren Klappenenden gebildete
Spaltöffnung den Austrittsquerschnitt der Düse bilden. In der
zweiten Betriebsstellung der beweglichen Klappe 46, die in
Fig. 4 strichpunktiert dargestellt ist, ist deren vorderes
Ende 46 a radial einwärts und ihr hinteres Ende 46 b radial
auswärts geschwenkt, so daß der Austrittsquerschnitt der
Düse einerseits durch den offenen Querschnitt zwischen der
Hinterkante 50 der sich anschließenden Abgaskanalwand 52
und der beweglichen Klappe 46 und andererseits durch den
offenen Querschnitt zwischen den hinteren Enden 46 b und 44 b
der beweglichen Klappe 46 und der feststehenden Klappe 44
gebildet ist.
Ein weiterer Ejektorspalt 56 ist außerdem zwischen dem
stromaufwärtigen Ende 44 a der feststehenden Klappe 44 und
dem angrenzenden Hinterkantenbereich der sich dort anschließen
den Abgaskanalwand 52 gebildet. Die Funktion der beiden
Ejektorspalte besteht darin, einen kleinen Teil des Abgases
austreten zu lassen, damit dieser über die Außenfläche der
Klappen 44 und 46 strömt und einem Strömungsabriß über den
Düsenaußenflächen bei hohen Vorwärtsgeschwindigkeiten mit
der daraus resultierenden Widerstandserhöhung entgegenwirkt.
Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die feststehende
Klappe 44 einstückig mit den seitlich angrenzenden Wänden 58
der Düse verbunden ist, während die bewegliche Klappe 46
mittels Wellenzapfen 60 und Lagern 62 drehbar in diesen Wänden
gelagert ist.
Es ist klar, daß die oben beschriebene Abgasdüse 36
nicht unbedingt mit Ejektorspalten 54 und 56 ausgestattet
zu sein braucht, um die Freifahrt-Leistungsturbine 32 in
der oben beschriebenen Weise wirksam steuern zu können.
Falls die Ejektorspalte 54 und 56 entfallen, ist es not
wendig, die Verbindung zwischen den vorderen Enden 44 a und
46 a der Klappen 44 und 46 und den Hinterkantenbereichen
des Abgaskanalwände 52 bei in ihrer ersten Stellung stehender
beweglicher Klappe 46 zu verschließen bzw. abzudichten.
Claims (7)
1. Querschnittsveränderliche Abgasdüse für Gasturbinen
triebwerke, mit einem Düsenkanal mit Rechteckquerschnitt
und einer querschnittsveränderlichen Düsenöffnung, die
zwischen zwei gegenüberliegenden Wänden (58) des Düsen
kanals und zwei dazwischen gegenüberliegend angeordneten,
etwa plattenförmigen Klappen (44, 46) gebildet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die eine Klappe (44) feststehend ange
ordnet und die andere Klappe (46) um eine bezüglich des
Düsenkanals (52) feststehende Drehachse zwischen einer
ersten Stellung, in welcher der Düsenaustrittsquerschnitt
durch die hinteren Enden (44 b, 46 b) der beiden Klappen (44,
46) begrenzt ist, und einer zweiten Stellung schwenkbar
ist, in welcher der Düsenaustrittsquerschnitt vom hinteren
Ende (44 b) der feststehenden Klappe (44) und der Hinter
kante (50) der gegenüberliegenden Wand des Düsenkanals (52)
begrenzt ist.
2. Abgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die bewegliche Klappe (46) in ihrer zweiten Stellung
so angeordnet ist, daß ihr vorderes Ende (46 a) vorderhalb
und radial einwärts der Hinterkante (50) der sich an
schließenden Düsenkanalwand und ihr hinteres Ende (46 b)
radial einwärts ihres vorderen Endes (46 a) gelegen ist.
3. Abgasdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die bewegliche Klappe (46) in ihrer zweiten
Stellung so angeordnet ist, daß ihr vorderes Ende (46 a)
radial weiter innen als ihr hinteres Ende (46 b) gelegen ist.
4. Abgasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß in der ersten Stellung der beweglichen
Klappe (46) ein Spalt (54) zwischen ihrem vorderen Ende (46 a)
und der Hinterkante (50) der sich anschließenden Düsenkanal
wand verbleibt.
5. Abgasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem vorderen Ende (44 a) der
feststehenden Klappe (44) und der Hinterkante (50) der sich
anschließenden Strömungskanalwand ein Spalt (56) gebildet
ist.
6. Abgasdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ein kleiner Teil der Abgase durch den Spalt (54)
zwischen dem vorderen Ende (46 a) der beweglichen Klappe (46)
und der Hinterkante (50) der sich anschließenden Düsen
kanalwand austritt, um ein Anhaften des äußeren Luftstroms
an der Außenfläche der beweglichen Klappe (46) zu bewirken.
7. Abgasdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein kleiner Teil der Abgase durch den Spalt (56) zwischen
dem vorderen Ende (44 a) der feststehenden Klappe (44) und
der Hinterkante (50) der sich anschließenden Düsenkanal
wand austritt, um ein Anhaften des äußeren Luftstroms an
der Außenfläche der feststehenden Klappe (44) zu bewirken.
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