DE3734624C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein zweistufiges Propellergebläse mit in Blattwurzelhalterungen befestigten, verstellbaren, gegenläufigen Gebläseschaufelreihen, weiterumfassend einen aus Verdichter, Brenneinrichtung und Turbine bestehenden Gaserzeuger sowie eine daran ange­ schlossene Leistungsturbine mit gegenläufigen Rotoren zum Antrieb des Gebläses.

Das Propellergebläse (Prop-fan) ist seit geraumer Zeit bekannt und stellt eine Verbesserung des Propellerantriebs dar, dessen Einsatzbereich dabei durch weiterentwickelte Propellerblätter, die in ihrer Form breiter sind und sichelartigen Gebläseschaufeln ähneln, bei gleichzeitiger Vermehrung der Anzahl der Propellerblät­ ter, zu höheren Flugmachzahlen hin erweitert wurde.

Ein derartiges Propellergebläse wird in der Patentanmeldung DE 35 42 017 A1 beschrieben, bei der die Blattwurzelhalterungen der beiden entgegengesetzt drehenden, schuberzeugenden Schaufelreihen im Strömungskanal einer Leistungsturbine angeordnet sind, mit dem Vorteil einer kurzen Antriebsbauweise sowie einer damit verbundenen vorteilhaften achsnahen Ausbildung von Schleifringen bzw. Nuten zur Übertragung der Steuermedien in Form von elektrischer Energie bzw. Flüssigkeit vom Stator in die rotierenden Schaufelelemente des Propellergebläses. Allerdings muß bei dieser Bauausführung eine Heißgasbeaufschlagung der festigkeitsmäßig hoch beanspruchten Blattwurzelhalterungen in Kauf genommen werden.

Um die Start- und Landewege kurz zu halten, ist einer­ seits ein hoher Startschub erforderlich, jedoch muß an­ dererseits beim Landeanflug der Schub so niedrig wie möglich sein. Da dieser Flugzustand einen steilen Anflugwinkel bedingt, muß gegebenenfalls schon in der Anflugphase ein negativer Schub verfügbar sein.

Eine derartige Möglichkeit ist aus der DE 35 07 035 A1 bekannt, der zu entnehmen ist, daß durch bloßes Verdrehen von Vortriebsschaufeln eine Strömungsumkehrung erreicht wird.

Diese Entwicklungsform hat den Vorteil, daß sie für be­ reits bekannte und bewährte Nebenstromtriebwerke mit ge­ gendrehenden Antriebsschaufeln in ummantelter oder freier Ausführung verwendbar ist, allerdings mit dem Nachteil, daß aufgrund der Differenzen der Umfangsgeschwindigkei­ ten, die bildlich nicht dargestellte Zone der Schaufel­ blattspitze gegenüber dem gezeichneten Fußprofil einen abweichenden Anstellwinkel hat, der bei einer umgekehrten Strömungsrichtung, also bei einer Anströmung des Profils von der Druckseite her, das Blattspitzenprofil nicht als Verdichter sondern als Turbine arbeiten lassen würde, deren Geschwindigkeitsvektor dem des Verdichters, also des Fußprofils, entgegengesetzt gerichtet ist. Ein solches Geschwindigkeitssystem ist jedoch an einem als Ganzes zu betrachtenden Schaufelblatt praktisch nicht verwendbar, denn der Wirkungsgrad würde extrem niedrig sein, da nur ein Teil der Schaufellänge zur Gegenschuberzeugung herangezogen werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Propel­ lergebläse mit gegenläufigen Schaufelreihen zu schaffen, die zum einen die strömungsgerechte Horizontalschubumkehr ermöglichen und zum anderen bei einer vierstufigen Anordnung wahlweise auch die Vertikalablenkung des vollen installierten Luftdurchsatzes gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 dargelegten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist ein Propeller­ gebläse geschaffen, das es ermöglicht, die Vortriebs­ schubstrahlmasse umzukehren, ohne daß hierbei Strömungs­ verluste, wie sie bei herkömmlichen Entwicklungen auftre­ ten, in Kauf genommen werden müssen. Durch lediglich einen Bewegungsablauf bewirken die Schalttrieblinge eine Umkehrung der Drehrichtungen der gegenläufigen Blattwurzelhalterungen, wobei gleichzeitig die Eintrittskanten der Vortriebsschaufeln in die rückwärtige Position gedreht werden, so daß die Schubstrahlmasse in Flugrichtung beschleunigt wird.

Die Zusammenschaltung von zwei Propellergebläsen der er­ findungsgemäßen Art bietet den Vorteil, daß in den axialen Massenstrom des dann vierreihigen Propellergebläses die Abgasmasse beider Leistungsturbinen eingeleitet, mit ihm vermischt und dabei gleichzeitig gekühlt wird, wobei der in diesem Mischabschnitt sich einstellende Druck anschließend in den folgenden schuberzeugenden Schaufelreihen weiter ansteigt. Dabei ist die in der Endstufe der Leistungsturbine durch Entspannung gewonnene Arbeit größer als die in den beiden Schaufelreihen zum Wiederverdichten erforderliche Arbeit, die bei geringerer Temperatur und kleinerer Entropie erfolgt. Durch diese Maßnahme wird eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades erreicht.

Allgemein bewirkt bei zwei hintereinander geschalteten Reihen von Propellerblättern mit entgegengesetzter Dreh­ richtung die nachgeschaltete Blattreihe in der vorderen eine erhöhte Durchflußmenge, die dann derjenigen durch das nachgeschaltete Schaufelgitter überlagert wird, so daß im letzteren größere aerodynamische Wirkungsgrade gegenüber der vorderen Blattreihe erzielt werden.

Diese Wirkung wird bei den erfindungsgemäß verbundenen Propellergebläsen vervielfacht und darüber hinaus eine Schubkraft erreicht, für die üblicherweise zwei getrennte Propellertriebwerke erforderlich wären, von denen jedes einen größeren Propellerblattdurchmesser aufweisen würde als es bei dem hier beschriebenen der Fall ist, wo die Schuberzeugung mit vier hintereinander angeordneten, paarweise gegenläufigen Gebläseschaufelreihen erfolgt, woraus bei gegebener Schubkraft eine Reduzierung des Blattspitzendurchmessers resultiert, die neben einer Lärmminderung eine optimale Anpassung der Gebläsedreh­ zahl an die Drehzahl der Turbine gewährleistet. Bei her­ kömmlichen getriebelosen Systemen, bei denen also, wie bei dem hier behandelten Triebwerk, das Propellergebläse direkt mit der Antriebsturbine gekuppelt ist, liegt die Drehzahl des Propellergebläses zu hoch und die Turbinen­ drehzahl zu niedrig, um damit optimale Wirkungsgrade zu erreichen.

Um den Schubkraftvektor der beiden Propellergebläse in eine vertikale Richtung abzulenken, werden die Schaufel­ blätter der beiden heckseitigen Vortriebsschaufelreihen mit ihren Eintrittskanten in eine rückwärtige Position gebracht. Dann wird zwischen ihnen und den frontseitigen Vortriebsschaufelreihen aus einer konzentrischen Spalt­ düse ein scharfer Gasstrahl ausgestoßen, der aus Teil­ strahlen der Turbinenabgasströmungen resultiert und die Wirkung einer in radialer Richtung von innen nach außen rotierenden Wand besitzt, die eine senkrecht zum Schub­ strom befindliche Stauebene bildet, an die sich die Schub­ massenströmungen beidseitig anlegen und ohne Ablösung radial umgelenkt werden. Einige Teilstrahlen dieser Ra­ dialströmung werden dabei in die Kanäle eines Strömungs­ leitkörpers gelenkt und treten aus achsparallelen Schlitz­ düsen mit hoher Geschwindigkeit wieder aus. Dieser Düsen­ strömung folgend, legen sich die beiderseits der Stauebene radial bewegenden Schubmassenströme ohne Ablösung an die Wandungen des Strömungsleitkörpers an (Coanda-Effekt) und erzeugen einen vertikalen Massenstrom, der als Auf­ triebskomponente wirksam wird.

Die Teilstrahlen können in ihrer Wirkung durch Verdichter­ abzapfluft unterstützt werden. Diese Möglichkeit ist zeichnerisch nicht dargestellt.

In gewissen Flugsituationen, beispielsweise bei Scherwind, kann es erforderlich werden, temporär sowohl eine Auf­ triebs- als auch eine Schubkomponente zur Verfügung zu haben. In diesem Falle genügt die Zuschaltung der Spalt­ düse zum Aufbau der Stauebene. Dadurch wird der gesamte Schubmassenstrom in zwei Strömungssysteme geteilt, indem die beiden frontseitigen Schaufelreihen in der vorher be­ schriebenen Weise einen Vertikalschub erzeugen, während die heckseitigen Schaufelreihen aus dem von der Stauebene frontseitig abgegrenzten Raum die Umgebungsluft ansaugen und einen axialen Schubstrahl erzeugen.

Wegen des betriebsbedingten Wechsels der Strömungsrich­ tungen bzw. der Ansaugseiten der Schaufelblätter um 180° und der zusätzlich für jede Ansaugseite durchzuführenden Korrektur der Schaufelanstellwinkel ist eine Schwenkmög­ lichkeit der Vortriebsschaufeln um 360° erforderlich. Da alle Schaufelblätter einer Schaufelreihe gleichzeitig, gleichmäßig und stufenlos verstellbar und außerdem in der jeweils eingestellten Lage arretierbar sein müssen, sind verhältnismäßig große Verstell- und Haltekräfte so­ wie lange Verstellwege erforderlich. Um diese Bedingun­ gen zu erfüllen, wird ein beheizbarer Verstellkörper vorgeschlagen, der die benötigte Verstellbewegung und Haltezeit durch Längenänderung aufgrund von Wärmezufuhr durchführt. Eine solche Anordnung zur Verstellung des Anstellwinkels von Propellerblättern ist bereits aus der DE-PS 7 00 586 bekannt, mit der allerdings verhältnismäßig kurze Verstellwege ausführbar sind und zudem ein beste­ hender Wärmezustand des Verstellkörpers in den im Flug­ betrieb notwendigen kurzen Zeiteinheiten nicht reduziert werden kann. Die vorliegende Anordnung gewährleistet da­ gegen eine Schaufelblattverstellung um mindestens 360°, die durch einen wesentlich längeren Verstellweg mit Hil­ fe eines diesem angepaßten Verstellkörpers erzielt wird und erlaubt zudem durch Kühlluftzufuhr die unmittelbare Ableitung der nicht benötigten Wärmemenge bei einer er­ forderlichen Rückstellung des Schaufelblattes zum Zwecke der Änderung von Schubrichtung und Anstellwinkel.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung entnimmt der Heckverdichter der zusammengeschalteten Propellergebläse seine Ansaugluftmasse dem energiereichen und durch Strö­ mungsablösung erzeugten Wirbelgebiet, das hinter den vier schuberzeugenden Gebläseschaufelreihen zurückbleibt und dessen kinetische Energie üblicherweise für den Schub­ vorgang als verloren anzusehen ist; jedoch durch die ge­ troffenen Maßnahmen im wesentlichen nutzbar gemacht wird. Darüber hinaus bewirkt die Absaugung dieser Strömungs­ wirbel durch den Heckverdichter eine Erhöhung der Strö­ mungsgeschwindigkeit im Wurzelbereich des Gebläsegitters, die eine Absaugung auch der Grenzschicht bedeutet und Sekundärströmungen im nabennahen Schaufelbereich unter­ drückt, so daß im Laufradkanal eine Strömungsverlangsa­ mung und die damit verbundene Gebläseminderleistung ver­ mieden wird. Dies ist in Fig. 7 durch Pfeile angedeutet.

Eine weitergehende Entwicklungsform dieser Anordnung be­ steht darin, daß ein Teil der im Schubstrahl hinter den vier Gebläseschaufelreihen enthaltenen Drallenergie durch ein nachgeschaltetes, drehbar gelagertes Leitrad nutzbar gemacht wird. Eine solche Ausführung ist bereits von O. Grimm (Propeller und Leitrad; Jahrb. d. Schiffbautechn. Ges. Bd. 60, 1966) beschrieben worden, wobei der im Schub­ strahl einer Schiffsschraube liegende Beschaufelungsteil eines Leitrades als Turbine profiliert ist, die zum An­ trieb eines nach außen ragenden, mit der Turbinenbeschau­ felung radial verbundenen Propellerteils dient, der einen zusätzlichen Schub erzeugt. Dieser Vorteil ist mit dem Nachteil eines vergrößerten Durchmessers gegenüber demje­ nigen der Schraube als Grundschuberzeuger verbunden und als Folge dessen entsteht ein verstärkt abgestrahltes Schalldruckfeld sowie ein vermehrter Druckausgleich mit dem umgebenden Medium an der Blattspitze des Propellers, wodurch ein Teil der zurückgewonnenen Drallenergie wieder verloren geht.

Die erfindungsgemäße Konstruktion verwendet im Gegensatz zu der hydrodynamischen Ausführungsform die durch den Ge­ bläseaustrittsdrall mit Hilfe der Turbinenprofilierung des nachgeschalteten Leitrades erzeugte Drehenergie zum Antrieb von Verdichterstufen des heckseitigen Gaserzeu­ gers. Diese Ausbildung bringt keine zusätzlichen aeroaku­ stischen Probleme mit sich, da die Umfangsgeschwindigkeiten der Verdichterbeschaufelung geringer als diejenige des im Gebläseschubstrahl liegenden Antriebsrades sind. Ferner verhindert das die Verdichterstufen umgebende Gehäuse weit­ gehend eine verstärkte Schallabstrahlung sowie weiterhin eine Druckminderung an der Schaufelblattspitze. Damit wird eine verbesserte Ausnutzung des hinter den Gebläseschaufeln vorhandenen Energiepotentials gewährleistet.

Herkömmliche Propellergebläse sind Nebenstromtriebwerke mit großer Nebenstromluftmasse, deren Vortriebswirkungs­ grad vom Verhältnis der beschleunigten Kaltluftmasse zur hochbeschleunigten Heißgasmasse hergeleitet wird, wobei die gemeinsame Schubstrahlgeschwindigkeit der beiden Massenströme für die Erreichung optimaler Wirkungsgrade die jeweilige Fluggeschwindigkeit nicht wesentlich über­ schreiten sollte.

Diese Forderung ist bei den hier beschriebenen zusammen­ geschalteten Propellergebläsen durch die vier hinterein­ ander angeordneten Gebläseschaufelreihen weitgehend er­ füllbar, da zudem kein separater Schubvektor einer Heißgasmasse vorhanden ist; denn ein solcher würde die resultierende Schubstrahlgeschwindigkeit unerwünscht er­ höhen.

Bei dieser bevorzugten Ausführung eines Propellergeblä­ ses besteht die Möglichkeit, einen Gaserzeuger abzuschal­ ten oder ihn zur Vertikal- oder Gegenschuberzeugung heran­ zuziehen ohne das thermo- und aerodynamische Verhalten des zweiten Gaserzeugers zu beeinträchtigen und erlaubt bei Landeanflügen einen wirkungsgradgünstigen Teillast­ betrieb sowie beim Auftreten von Scherwinden eine wir­ kungsvolle Auftriebsunterstützung, die innerhalb kurzer Zeiteinheiten zur Verfügung steht und kurz vor der Lan­ dung oder unmittelbar nach dem Start besonders hilfreich ist, jedoch kein heißen Aufstromfontänen bewirkt, so daß auch in Bodennähe keine Gefährdung der Flugsicherheit durch Schubverluste wegen erhöhter Verdichtereintritts­ temperaturen besteht.

Ferner bleiben bei Ausfall eines Gaserzeugers die Geblä­ seschaufelreihen des anderen Gaserzeugers voll betriebs­ bereit, da sie mechanisch voneinander unabhängig sind.

Vorteilhaft ist ferner, daß sich die Blattwurzelhalte­ rungen im Außenbereich des Gaserzeugers befinden, wo­ durch zum einen die Länge des Propellergebläses und da­ mit auch dessen benetzte Oberfläche sowie infolgedessen der Reibungswiderstand klein gehalten werden. Zum ande­ ren werden die festigkeitsmäßig hoch beanspruchten Blatt­ wurzelteile der dem Vortrieb dienenden Schaufelblätter aus dem Heißgasstrom der Leistungsturbine herausgehalten. Dies bedeutet gegenüber der eingangs beschriebenen DE 35 42 017 eine verbesserte Bauausführung, die sich so­ wohl auf die thermo- und aerodynamische Ausgestaltung des Strömungskanals der Leistungsturbine bezieht als auch die sicherheitstechnischen Belange einschließt.

Ein Ausführungs- und Anwendungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die vereinfacht darge­ stellten Zeichnungen im einzelnen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Gesamtansicht des Propellergebläses in der Vorwärtsschubposition,

Fig. 2 eine Gesamtansicht nach Fig. 1 in der Gegen­ schubposition,

Fig. 3 einen Axiallängsschnitt des Propellergebläses gemäß Fig. 1,

Fig. 4 den Teilschnitt D-D durch die Ausgleichwelle,

Fig. 5 die detaillierte Darstellung des Verstellkör­ pers gemäß Fig. 3,

Fig. 6 ein Funktionsdiagramm des beheizbaren Verstell­ körpers,

Fig. 7 die Zusammenschaltung von zwei Propellergeblä­ sen gemäß der Fig. 1 bzw. 2 mit Hilfe eines Verbindungsspants (Gesamtansicht),

Fig. 8 eine Ausführungsvariante gemäß Fig. 7 mit ei­ nem Nachleitrad,

Fig. 9 einen axialen Längsschnitt des Nachleitrades gemäß Fig. 8,

Fig. 10 die Betriebsstellung der Schalttrieblinge:
a) in der Umschaltphase,
b) in Gegenschubposition,
c) das Schaufeldiagramm des Ringgebläses,

Fig. 11 die axiale Verbindung der Schalttrieblinge,

Fig. 12 den Verbindungsspant gemäß Fig. 7 im Zusammen­ bau mit einem Strömungsleitkörper,

Fig. 13 einen Teilschnitt A-A durch den Strömungs­ leitkörper gemäß Fig. 12.

Das in Fig. 1 dargestellte, mittels eines Pylons 61 an einem Flugzeug aufgehängte Propellergebläse besteht im wesentlichen aus vier Hauptabschnitten. Der frontseiti­ gen Blattwurzelhalterung 26 mit dem vorgeschalteten Lufteintrittsstern 4 sowie der heckseitigen Blattwur­ zelhalterung 29 mit dem nachgeschalteten Gasaustritts­ gehäuse 34, wobei die mit den beiden zueinander entge­ gengesetzt drehenden Blattwurzelhalterungen verbunde­ nen Schaufelblätter 50 sich in Vorwärtsschubposition befinden.

In Fig. 2 sind die Schaufelblätter 50 des gemäß Fig. 1 beschriebenen Propellergebläses in Gegenschubposition dargestellt, wobei die an die heckseitige Blattwurzel­ halterung 29 angeschlossene Gebläseschaufelreihe 21 jetzt die Saugseite des von den rotierenden Schaufel­ blättern erzeugten Kaltluftstrahls S bildet, dessen Luftmasse S′ aus dem Einzugsbereich der für den Heißgas­ schubstrahl P benötigten Mischluft P′ entnommen wird. Diese strömt aus der Umgebungsluftmasse zu und ihre Strö­ mungsrichtung (durch Pfeile gekennzeichnet) verläuft an­ nähernd senkrecht zum Heißgasschubstrahl, so daß eine Heißgasrückströmung in die Ansaugzone der heckseitigen Gebläseschaufelreihe blockiert wird.

Der in Fig. 3 dargestellte Axiallängsschnitt des in Fig. 1 veranschaulichten Propellergebläses erlaubt ei­ nen Einblick in das Zusammenwirken der vier Hauptab­ schnitte. Es ist erkennbar, daß der Lufteintrittsstern 4, der das Frontlager 74 des aus Axialverdichter 62, Brenneinrichtung 63 und Turbine 64 bestehenden Verdich­ ter-Turbinen-Rotors 3 trägt, ein Bestandteil des Ver­ dichter-Turbinen-Gehäuses 2 ist, das über den Turbinen­ leitapparat 37, auf dem sich das Hecklager 75 des Ver­ dichter-Turbinen-Rotors befindet, mit dem konischen Lagerteil 36 fest verbunden ist. Dieses bildet zum ei­ nen eine Einheit mit dem Gasaustrittsgehäuse 34 mittels des Gasaustrittsleitapparats 35, an dem der Pylon 61 befestigt ist, und trägt zum anderen die Lagerung 19 der Austrittsbeschaufelung 17 des Rotors 13 der Leistungs­ turbine 5, deren Außenmantel 14 mit der äußeren Schalt­ trommel 6 und dem Schalttriebling 9 in drehfester Ver­ bindung steht. Eine innere Schalttrommel 8 mit dem Schalttriebling 11 stützt sich ferner über die Eintritts­ beschaufelung 15 zusammen mit der Lagerung 16 auf dem Turbinenleitapparat 37 ab, wobei die Beschaufelungen 15 und 17 kraftschlüssig mittels einer Überbrückungs­ welle 18 verbunden sind. Diese dient dem zweiten Rotor 20 der Leistungsturbine als Lagersitz seiner vorderen und hinteren Traglager 25, die jeweils am Außen- bzw. Innendurchmesser einer Ausgleichwelle 24 zum Zwecke der Drehzahlkompensation der Rotoren 13 und 20 angeordnet sind. Der Außenkranz der Eintrittsbeschaufelung 23 des zweiten Turbinenrotors ist ferner mit der mittleren Schalttrommel 7 und dem angeschlossenen Schalttriebling 10 drehfest gekuppelt. Die Hydraulik 76 verschiebt dabei die Schalttrieblinge axial in beliebige Positionen, aus denen heraus die Drehimpulse der gegenläufigen Leistungs­ turbine 5 auf die Blattwurzelhalterungen übertragen wer­ den.

Die frontseitige Blattwurzelhalterung 26 besitzt zwei Lager 28, die der hohen Beanspruchung gemäß mit großer Distanz zueinander auf einer Ringtraverse 33 angeordnet sind. Diese bildet mit dem Verdichter-Turbinen-Gehäuse 2 eine zusammenhängende Einheit. Die beiden Lager 32 der heckseitigen Blattwurzelhalterung 29 sind dagegen auf dem Gasaustrittsgehäuse 34 mit ebenfalls entspre­ chendem Abstand angebracht. Beide Blattwurzelhalterungen besitzen jeweils eine beliebige Anzahl Schaufelblätter 50, die mit ihrem Blattwurzelteil 72 in die Wanne 57 hineinragen, in der sich ein Verstellkörper 55 befindet, der elektrisch angesteuert wird, wobei die benötigte Energie induktiv auf die Blattwurzelhalterung übertragen wird. In dieser sind Sekundär-Induktionsspulen 44 mit einem Anker 45 angebracht, der in die Anordnung der Pri­ mär-Induktionsspulen 43 des Lufteintrittssterns 4 hin­ einragt.

Im Bereich ihrer gemeinsamen Trennfuge 12 besitzen die Blattwurzelhalterungen einander zugekehrte, elektrisch angesteuerte Bremseinrichtungen 65, bestehend aus Wick­ lungspaketen 46 mit axial verschiebbaren Ankerelementen 47, die stirnseitig Bremsbeläge 48 tragen.

Anstatt der als Beispiel gezeichneten Schalttrieblinge sind auch andere Bauteile als Kraftübertragungs- bzw. Kupplungselemente ausführbar.

Fig. 4 zeigt den Teilschnitt D-D durch die Ausgleich­ welle 24, der die Aufgabe zufällt, zwischen den Trag­ lagern 25 der beiden gegenläufigen Turbinenrotoren 13 und 20 als ein drehzahlneutrales, also als ruhendes Bau­ teil zu wirken. Handelsübliche Differential- oder Aus­ gleichlager, wie sie in der DE 35 42 017 Verwendung fin­ den, halten durch Reibungskräfte einen Freiring zwischen zwei Kugelreihen drehzahllos, auf dem sich dann sowohl die obere als auch die untere Kugelreihe abwälzen. Eine solche Anordnung setzt gleichbleibende, auf das Lager einwirkende äußere Kräfte voraus, die jedoch während des Fluges nicht vorhanden sind. Aus diesem Grunde sind der­ artige Lager für ein flugzeuggebundenes Triebwerk aus Sicherheitsgründen nicht geeignet.

Die erfindungsgemäße Ausgleichwelle wird dagegen von den durch Kreiselwirkung und Flugverhalten wechselnden La­ gerbeanspruchungen freigehalten, so daß die Lagerkugeln der Traglager 25 in keiner möglichen Flugsituation einer Drehzahladdition unterworfen sind, die eine durch die Gegenläufigkeit bedingte, unzulässig hohe Wälzgeschwin­ digkeit hervorrufen und damit die Lebensdauer des Lagers vermindern würde.

Dies wird dadurch erreicht, daß die beidseitig im Lager­ bereich mit innen- und außenliegenden Kugelrillen 82 ver­ sehene Ausgleichwelle 24 mittig eine gewisse Anzahl nach innen und außen radial abstehender Fahnen 77 besitzt, die in die belüfteten Rotationsräume B und C hineinragen. In diesen Räumen strömt während des Betriebes eine turbu­ lente Luftmasse in Drehrichtung der Rotoren; hervorgeru­ fen durch den Wandkontakt der die Rotationsräume umge­ benden Bauteile der Rotoren 13 und 20, die entgegenge­ setzte Drehrichtungen haben und somit auch in den Rota­ tionsräumen B und C entgegengesetzte Strömungen erzeugen, die auf die inneren und äußeren Fahnen der Ausgleichswel­ le entgegengesetzte Momente ausüben und dadurch die Aus­ gleichwelle im Ruhezustand halten (durch Pfeile markiert).

In Fig. 5 ist die Anordnung der Verstellkörper 55 ge­ nauer gezeigt. Die Verstellkörper selbst können in be­ kannten Ausführungsformen auf verschiedene Art ausge­ bildet sein und beispielsweise ein strangförmiges Bi­ metallelement oder eine ebenso gestaltete Balgenmembran sein, die entweder gas- oder flüssigkeitsgefüllt ist. Die Verstellkörper sind durch Zufuhr von Wärmeenergie den Betriebsverhältnissen entsprechend beheizbar. Bei der dadurch eintretenden Form- bzw. Längenänderung wer­ den starke Verstell- und Haltekräfte entwickelt, die zum Verdrehen der Schaufelblätter 50 dienen. Die erfin­ dungsgemäße Anordnung erlaubt eine große Baulänge der Verstellkörper, wodurch auch ein dementsprechend langer Verstellweg zur Verfügung steht, der in der Lage ist, ein zweckmäßig verzahntes Ritzel 53 um 360° zu drehen und in jeder erforderlichen Position festzuhalten, ohne daß dafür besondere Bremseinrichtungen benötigt werden. Dies wird dadurch erreicht, daß der Verstellkörper 55 einerseits mit seinem Fußteil 58 fest an der Wanne 57 angeschlossen ist und andererseits ein Kopfteil 56 auf­ weist, das mit einem Tellerrad 54 beweglich gekuppelt ist und dieses in Umfangsrichtung verstellen kann, in­ dem die Verzahnung des Tellerrades mit der des Ritzels kämmt. Das Ritzel ist dabei, ebenso wie die Kalotte 81 ein Teil des Kalottenschafts 60, der in seinem oberen Abschnitt aus dem Blattwurzelteil 72 besteht, an dem das Schaufelblatt 50 befestigt ist. Der Kalottenschaft ist somit zwischen dem Axiallager 51 und dem Kalottenlager 52 fixiert. Die Auflageflächen der Lager sind zweck­ mäßig zur Aufnahme der Flieh- und Biegekräfte in die Wanne 57 eingearbeitet, wie auch das Bundlager 59. Um die dem Verstellkörper zum Zwecke der Längenausdeh­ nung zugeführte Wärmemenge für eine erforderliche Rück­ stellung des Schaufelblattes wieder abzuführen, genügt nicht ein bloßes Abschalten bzw. eine Verminderung des Heizstromes oder einer anderen Wärmequelle, wenn die Forderung gestellt wird, daß die Verkürzung des Verstell­ körpers genauso schnell wie die Verlängerung erfolgen soll. Eine solche Forderung muß jedoch an die Verstell­ kräfte für die Schaufelblätter des Propellergebläses ge­ stellt werden, um den aerothermodynamischen Belangen des Schaufelgitters gerecht zu werden, wobei die Ver­ stellkräfte in der Bewertung den Haltekräften gleichzu­ setzen bzw. mit ihnen identisch sind. Zur Erfüllung dieser Forderung wurde den Verstellkörpern ein in die Blattwurzelhalterungen 26 bzw. 29 integriertes Ring­ gebläse 78 vorgeschaltet, das den Verstellkörpern Frischluft zuführt, deren Menge so dosiert ist, daß die Abkühlgeschwindigkeit und damit die Verkürzungszeit der Verstellkörper gleich ihrer Längenzuwachsgeschwindigkeit bei Wärmezufuhr entspricht. Die Frischluft erfährt durch diesen Kühlvorgang eine Enthalpievermehrung, die in der nachgeschalteten Ringturbine 79 in Wellenleistung umge­ setzt wird, wobei die Abluft anschließend in die Schub­ strömung einfließt.

Fig. 6 zeigt schematisch die Wirkungsweise des Verstell­ körpers 55, der mit seinem Festpunkt F an der Wanne 57 befestigt ist. Durch die Wärmezufuhr der Heizanlage E, die auf die ganze Länge des Verstellkörpers einwirkt, bewegt sich sein freies Ende von Punkt L, bei dem sich das Schaufelblatt in Vorwärtsschubposition befindet, in Richtung auf Punkt L′, wo die Gegenschubposition erreicht ist und dreht dabei das Ritzel 53 mit dem angeschlosse­ nen Schaufelblatt 50 in die erforderliche End- oder Zwischenposition. Die beidseitig des Ritzels angeordne­ ten Verstellkörper haben dabei sinngemäß entgegengesetz­ te Ausdehnungsrichtungen, aber legen gleiche Verstell­ wege zurück. Dieser Zustand wurde zeichnerisch nicht dargestellt. Beim Zurückdrehen des Schaufelblattes ver­ läuft dieser Verstellvorgang in umgekehrter Reihenfolge, wobei die Wärmezufuhr entsprechend reduziert wird und die vorhandene Rest- bzw. Überschußwärme von dem durch den Ringverdichter erzeugten Kühlluftstrom K aufgenom­ men und mit der Abluft T durch die Ringturbine abgelei­ tet wird.

Fig. 7 zeigt die Gesamtansicht eines Propellergebläses, das mit dem Pylon 83 an einem Flugzeug befestigt ist und aus zwei zusammengeschalteten Propellergebläsen der erfindungsgemäßen Art besteht, die durch einen Verbin­ dungsspant 39 miteinander verbunden sind. Die Schaufel­ blätter 50 können sich dabei sowohl in der gezeichneten Vorwärtsschubposition befinden als auch in die Gegenschub­ position gedreht werden, wobei auch jede erforderliche Zwischenstellung ausführbar ist, wenn die Betriebszu­ stände vom Auslegungspunkt abweichen. Die aus dem Gas­ austrittsleitapparat 35 austretende Abgasmasse beider Leistungsturbinen wird dabei in der Heißgasmischzone von der Kaltluftmasse aufgenommen und rückgekühlt.

Fig. 8 verdeutlicht die Erweiterung des heckseitigen Teils des Propellergebläses gemäß Fig. 7 mit einem Nach­ leitrad 67, das der besseren Ausnutzung des Schubstrom­ potentials dient mit dem Vorteil, daß auch bei Gegenschub­ betrieb das drehbare Nachleitrad, das von der Drallener­ gie des Schubstroms angetrieben wird, seine für den Vor­ wärtsschub ausgelegte Drehrichtung vermöge der dabei herrschenden Saugströmung nicht ändern muß, wodurch auch der angeschlossene Verdichtervorläufer 68 funktionsfähig bleibt und somit eine Schaufelblattverstellung vermieden wird. Dieser Betriebszustand bewirkt jedoch eine Lei­ stungsminderung für den Verdichtervorläufer, da die Aus­ trittskante des Nachleitrades dabei als Anströmkante fungiert und den Strömungsverlauf je nach Auslegungs­ güte des Profils der Schaufelblätter 89 beeinflußt.

Fig. 9 zeigt einen axialen Längsschnitt des Nachleitra­ des 67, das mit zweckmäßigem Profil versehene Schaufel­ blätter 89 besitzt, die über das Zwischenstück 71 und den Verdichtervorläufer 68 mit dem Blattwurzelteil 72 verbunden sind, das mit der Lagerung 84 auf dem Achs­ schenkel 69 drehbar angeordnet ist. Dieser ist sodann mittels des Verdichterleitrades 86 starr mit dem Verdichter-Turbinen-Gehäuse 2 verbunden und trägt zudem das Frontlager 74 des Verdichter-Turbinenrotors 3, der dem Gaserzeuger 1 des heckseitigen Propellergebläses zu­ geordnet ist. Der Achsschenkel bildet dazu mit dem Ver­ drängerkörper 88, dem Eintrittsleitapparat 85 sowie dem Lufteintrittskranz 87 ein zusammenhängendes Bauelement. Das strichpunktiert eingezeichnete Schaufelblatt kenn­ zeichnet dabei die Strömungsbewegung in Flugrichtung, also die Gegenschubposition, die auch für den Vertikal­ schub Verwendung findet.

Die Fig. 10a und b verdeutlichen die Betriebsstel­ lungen der Schalttrieblinge in den Schaltphasen zwischen Vorwärts- und Gegenschubposition der Schaufelblätter. Diese Arbeitsstellungen sind durch die heckseitige Ver­ schiebung der Schalttrieblinge aus der in Fig. 3 gezeich­ neten Vorwärtsschubposition entstanden, bei der die Schau­ felblätter 50 der Blattwurzelhalterung 26 angenommenerwei­ se rechtsdrehend sind, wobei die Verzahnung des Schalt­ steges 27 mit derjenigen des Schalttrieblings 10 im Ein­ griff steht, der auf der mittleren Schalttrommel angeord­ net ist, die mit dem somit rechtsdrehenden Turbinenrotor 20 in Verbindung steht. Die Schaufelblätter der Blattwur­ zelhalterung 29 sind dann unter dieser Annahme linksdre­ hend, da der diesbetreffende Schaltsteg 31 mit dem Schalt­ triebling 9 kämmt, der über die Schalttrommel 6 mit dem infolgedessen linksdrehenden Turbinenrotor 13 gekuppelt ist. Eine weitere heckseitige Verschiebung der gemäß Fig. 11 axial verbundenen drei Schalttrieblinge 9, 10 und 11 bewirkt die in Fig. 10a gezeichnete Betriebsstellung der Umschaltphase dadurch, daß der Schalttriebling 10 zwischen die Schaltstege 27 und 30 rückt, wobei dann der Schalt­ triebling 11 sich links neben dem Schaltsteg 27 befindet sowie der Schalttriebling 9 die Position rechts neben dem Schaltsteg 31 einnimmt. In diesem Betriebszustand sind die Bremsbeläge 48 zusammengepreßt und bringen die Blatt­ wurzelhalterungen 26 und 29 mit den angeschlossenen Schau­ felblättern 50 kurzzeitig zum Stillstand. In diesem Inter­ vall erfolgt eine nochmalige Verschiebung nach rechts, so daß dann gemäß Fig. 10b das Teil 11 mit dem Teil 27 kraftschlüssig verbunden ist, wodurch die frontseitige Blattwurzelhalterung 26 jetzt mit dem linksdrehenden Tur­ binenrotor 13 gekuppelt ist. Weiterhin steht gleichzeitig Teil 10 mit Teil 30 im Eingriff, so daß die Blattwurzel­ halterung 29 damit einen rechtsgerichteten Drehsinn er­ hält. Dieser Schaltvorgang ist in seinem Ablauf reversibel. Damit haben nach Schaufelverstellung und dem Trennen der Bremsbeläge zur Aufhebung ihrer Bremswirkung die beiden Blattwurzelhalterungen ihren Drehsinn und damit die Schub­ richtung vertauscht. Vertauscht wird dadurch auch die Richtung des Kühlluftstroms K (Fig. 6), der jetzt von der Turbine zum Gebläse strömt. Dies ist gemäß Fig. 10c durch zweckmäßige Gestaltung der Schaufelprofile wegen ihrer ge­ ringen radialen Erstreckung möglich. Dabei arbeitet die Ringturbine 79 folglich als Gebläse und das Ringgebläse 78 sinngemäß als Turbine, was anhand der durch Pfeile bezeich­ neten Strömungsrichtungen erläutert wird. Hierbei bedeuten die fett gezeichneten Richtungspfeile den Strömungsverlauf der Kühlluft bei Vorwärtsschub und die durchbrochenen die entsprechende Gegenschubsituation.

In Fig. 11 ist die axiale Zusammenschaltung der drei Trieb­ linge näher erklärt. Danach ist gemäß Fig. 3 mit der Ring­ traverse 33 die Hydraulik 76 fest verbunden, von der min­ destens drei Stück am Umfang verteilt angeordnet sind, die mit Hilfe von Betätigungsstangen 90 mit dem Druckring 91 starr verbunden sind und diesen axial beliebig verstel­ len können. Der Schalttriebling 11 ist in der Lagerebene X mit dem Druckring durch die Lagerkugeln 94 axial kraft­ schlüssig, jedoch in Umfangsrichtung drehbar verbunden und weiterhin in der Lagerebene Y in gleicher Weise mit dem Schalttriebling 10 derart gekuppelt, daß sich zwischen der oberen und unteren Lagerkugelreihe in Verbindung mit der stützenden Lagerebene Z der Ausgleichskörper 93 be­ findet, der mit einer Anzahl Fahnen 92 ausgestattet ist, die radial nach innen und außen abstehend angebracht sind, deren Wirkungsweise identisch ist mit der Funktion der unter Fig. 4 beschriebenen Ausgleichwelle 24. In den La­ gerebenen Y′ und Z′ erfolgt gleichermaßen wie in den Lagerebenen Y und Z die axiale Zuschaltung des Schalt­ trieblings 9. Die Schalttrieblinge sind synchronisierbar.

Fig. 12 zeigt den Verbindungsspant 39 im Zusammenbau mit einem Strömungsleitkörper 49, der mit den profilierten Streben 66 an den beidseitigen Gasaustrittsgehäusen 34 be­ festigt ist, mit denen auch der Verbindungsspant mittels der Gasaustrittsleitapparate 35 starr verbunden ist, die an die Gasumlenkkanäle 38 angeschlossen sind. Im Wurzel­ bereich 96 ist der Verbindungsspant zudem mit den Lager­ teilen 36 verankert, die mit den Gasumlenkkanälen durch die Rippen 98 verbunden sind. An den Kopfbereich 97 des Verbindungsspants ist der Trennsteg 70 angeschlossen, der als Umfangsspaltdüse 40 ausgebildet ist, die beidseitig von den Gasaustrittsleitapparaten gehalten wird und der zwei symmetrische Profilscheiben 41 vorgeschaltet sind, die mit Hilfe eines Stellkolbens 99 axial verschiebbar sind und dabei die Strömungskanäle G bei Bedarf absper­ ren oder freigeben können. Bei Freigabe der Strömungs­ kanäle während des Betriebes entsteht ein durch Pfeile angedeuteter Strömungsverlauf, der Leitstrahlenwirkung hat und für die radiale Ablenkung der beiden Massen­ ströme H und J Verwendung findet, die sodann vereinigt gemäß Fig. 13 vom Strömungsleitkörper 49 abgelenkt wer­ den, indem Teile der Strömung, wie aus dem Teilschnitt A-A erkennbar ist, in eine Anzahl symmetrisch angeord­ neter Umlenkkanäle, von denen lediglich die Kanäle M und N gezeichnet sind, einfließen und aus achsparallelen Schlitzdüsen 100 und 101 mit erhöhter Geschwindigkeit wieder austreten. Diesen Leitstrahlen folgen dann die Massenströme H und J in vertikaler bzw. in einer senk­ recht zur Längsachsebene 95 des Propellergebläses ver­ laufenden Richtung.

Claims (7)

1. Propellergebläse, umfassend eine zweistufige Ausführung mit in Blattwurzelhalterungen befestigten, verstellbaren, gegenläufigen Gebläseschaufelreihen, weiterumfassend einen aus Verdichter, Brenneinrichtung und Turbine bestehenden Gaserzeuger sowie eine daran angeschlossene Leistungsturbine mit gegenläufigen Rotoren, zum Antrieb des Gebläses, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Schalttrommel (6) unmittelbar oder indirekt an den Außenmantel (14) eines Turbinenrotors (13) angeschlossen ist, dessen Austrittsbeschaufelung (17) mittels einer Überbrückungswelle (18) mit seiner Eintrittsbeschaufelung (15) gekuppelt ist, deren Außenkranz wiederum mit einer zweiten Schalttrommel (8) eine drehfeste Verbindung eingeht, daß ferner eine dritte Schalttrommel (7) am Außenkranz der Eintrittsbeschaufelung (23) eines zweiten, auf einer Ausgleichswelle (24) gelagerten Turbinenrotors (20) befestigt ist, wobei die Ausleichswelle (24) ihrerseits wieder auf der Überbrückungwelle (18) gelagert ist, und daß auf jeder der drei Schalttrommeln (6, 7 und 8) frontseitig ein synchronisierbarer Schalttriebling (9, 10 und 11) verschiebbar angeordnet ist, daß außerdem eine frontseitige Blattwurzelhalterung (26) mit einem einzigen Schaltsteg (27) ausgestattet ist und die dazugehörigen Lagerungen (28) auf einer Ringtraverse (33) vorgesehen sind, die sich auf dem Verdichter- Turbinen-Gehäuse (2) abstützt, während die hecksei­ tige Blattwurzelhalterung (29) zwei parallel zueinander angeordnete Schaltstege (30 und 31) aufweist, wobei die entsprechenden Lagerungen (32) auf dem Gasaustrittsgehäuse (34) untergebracht sind und der frontseitige (11) und der mittlere Schalttriebling (10) wahlweise mit dem einzigen Schaltsteg (27) der frontseitigen Blattwurzelhalterung (26) und der mittlere (10) und heckseitige Schalttriebling (9) mit jeweils einem der beiden parallelen Schaltstege (30 und 31) der heckseitigen Blattwurzelhalterung (29) zum Eingriff gebracht wird, daß ferner zwei Propellergebläse der zweistufigen Art axial so zusammengeschaltet sind, daß ihre Gasaustrittsleitapparate (35) mit den angeschlossenen Gasumlenkkanälen (38) einander zugewandt sind und dabei einen Verbindungsspant (39) zwischen sich aufnehmen, der mit dem Lagerteil (36) und dem Gasaustrittsgehäuse (34) fest verbunden ist.

2. Propellergebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattwurzelhalterungen (26 und 29) aufheizbare Verstellkörper (55) enthalten, die zwischen einem Ringgebläse (78) und einer Ringturbine (79) so angeordnet sind, daß sie die Schaufelblätter (50) um mindestens 360° verdrehen können.

3. Propellergebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattwurzelhalterungen (26 und 29) im Bereich ihrer gemeinsamen Trennfuge (12) einander zugekehrte Bremseinrichtungen (65) aufweisen.

4. Propellergebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichswelle (24) der Traglager (25) beid­ seitig mit innen- und außenliegenden Kugelrillen (82) versehen ist und mittig eine Anzahl nach innen und nach außen radial abstehender Fahnen (77) besitzt.

5. Propellergebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennsteg (70) des Verbindungspants (39) als Umfangsspaltdüse (40) ausgebildet ist, der zwei axial verschiebbare, symmetrische Profilscheiben (41) vor­ geschaltet sind.

6. Propellergebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zum Verbindungsspant (39) ein Strömungs­ leitkörper (49) angeordnet ist, der durch Streben (66) mit dem Gasaustrittsgehäuse (34) verbunden ist und eine Anzahl symmetrisch angeordneter Umlenkkanäle (M und N) mit angeschlossenen Schlitzdüsen (100 und 101) besitzt.

7. Propellergebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelblätter (89) eines Nachleitrades (67) mit einem Zwischenstück (71) an der Blattspitze eines Verdichtervorläufers (68) befestigt sind, der mit seinem Blattwurzelteil (72) auf einem Achsschenkel (69) drehbar gelagert ist.