DE3810863A1 - Turbopropgasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Turbopropgasturbinentriebwerke, bei de­ nen der Propeller stromauf des Gasgenerators angeordnet ist, und außerdem bezieht sich die Erfindung auf Turbo­ wellengasturbinentriebwerke.

Turboprop- oder Turbowellengasturbinentriebwerke sinken in ihrer Leistung ab infolge der Erosion des Kompressors des Gasgenerators durch Staub, Trümmer oder andere Fremd­ körper, die am Boden der Startbahn liegen und in den Luftstrom eingesaugt werden, der in den Einlaßkanal oder in die Einlaßkanäle des Gasturbinentriebwerks eingesaugt wird. Die Erosion ist sehr schwerwiegend, wenn das Turbo­ propgasturbinentriebwerk mit Umkehrschub arbeitet, aber eine Erosion tritt auch dann auf, wenn keine Vorwärtsge­ schwindigkeit vorhanden ist und der Schub gleich Null ist.

Turboprop- und Turbowellengasturbinentriebwerke werden gegen den Eintritt von Fremdkörpern dadurch geschützt, daß Separatorkanäle vorgesehen werden, die die Fremdkör­ per abscheiden. Diese Separatorkanäle besitzen Ejektoren, die von den heißen Gasen einer Turbine angetrieben wer­ den, um eine Strömung in den Separatorkanal zu induzie­ ren, und gelegentlich sind Ejektoren vorhanden, die in die Mitte des Kanals einstehen, um eine vollständige Ver­ mischung herbeizuführen.

Es ist jedoch unerwünscht, heiße Gase zu benutzen, da es schwierig ist, die Strömung heißer Gase nach den Ejekto­ ren zu steuern, und ein Leckstrom heißer Gase nach dem Einlaßkanal nicht erwünscht ist.

Die Positionierung des Ejektors in der Mitte des Separa­ torkanals verhindert den Durchtritt von großer Fremdkör­ pern durch den Separatorkanal, und der Ejektor kann durch den Durchtritt großer Fremdkörper, die den Separatorkanal durchlaufen, beschädigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turboprop­ gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei dem ein Propeller stromauf des Gasgenerators angeordnet ist, oder ein als Turbowellentriebwerk ausgebildetes Triebwerk mit einem Separatorkanal, wobei die oben erwähnten Probleme besei­ tigt sind.

Die Erfindung geht aus von einem Gasturbinentriebwerk mit einem Gasgenerator, einem Einlaß zur Zuführung von Luft nach dem Gasgenerator, wobei wenigstens eine Einlaßöff­ nung und ein zugeordneter Einlaßkanal vorgesehen sind und wenigstens ein Einlaßkanal einen Separator enthält, um Fremdkörper aus der dem Gasgenerator zugeführten Luft ab­ zuscheiden, und wobei der Separator einen Separatorkanal aufweist, der mit dem Einlaßkanal verbunden ist, um die Fremdkörper aufzunehmen, und wobei ein Ejektor eine Strö­ mung durch den Separatorkanal erzeugt, um die Fremdkörper durch den Separatorkanal abzuziehen. Erfindungsgemäß wird vom Kompressor dem Ejektor Luft zugeführt, um eine Strö­ mung durch den Separatorkanal zu erzeugen, und es ist ein Auslaß vorgesehen, um die Fremdkörper vom Separatorkanal austreten zu lassen, wobei der Ejektor mehrere im glei­ chen Abstand zueinander angeordnete Ejektordüsen auf­ weist, die in Umfangsrichtung der Wand des Separatorka­ nals angeordnet sind.

Der Separatorkanal kann einen Mischkanal, einen Übergangs­ kanal und einen Auslaßkanal aufweisen.

Der Mischkanal kann rohrförmig sein, und der Auslaßkanal kann einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

Der Mischkanal kann ein Verhältnis von Länge zu Durchmes­ ser aufweisen, das zwischen zwei und fünf liegt.

Der Mischkanal hat vorzugsweise ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 2,5.

Der Auslaßkanal kann eine bewegliche Wand aufweisen, um die Querschnittsfläche des Auslasses zu verändern.

Die bewegliche Wand kann einen rechteckigen Querschnitt besitzen.

Der Einlaß kann zwei Einlaßöffnungen und zwei Einlaßkanäle aufweisen, die diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

Beide Einlässe können getrennte Kanäle aufweisen.

Der Kompressor kann ein Axialströmungskompressor sein.

Ein Steuerventil kann die Luftströmung vom Kompressor nach den Ejektordüsen steuern.

Es können sechs in gleichem Umfangsabstand zueinander an­ geordnete Ejektordüsen vorgesehen sein, und die Ejektor­ düsen können konvergent sein.

Das Gasturbinentriebwerk kann ein Turbopropellergasturbi­ nentriebwerk sein, das wenigstens einen Propeller umfaßt, der stromauf des Gasgenerators angeordnet ist, und der Einlaß liegt stromab des einen Propellers.

Der eine Propeller kann koaxial zum Gasgenerator angeord­ net sein.

Der eine Propeller kann vom Gasgenerator über eine Welle und ein Getriebe angetrieben werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Turbopropgasturbinentriebwerks mit einem er­ findungsgemäß ausgebildeten Separator,

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Schnitt des in Fig. 1 dargestellten Separators,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 2.

Ein Turbopropgasturbinentriebwerk (10) gemäß der Erfin­ dung ist in Fig. 1 dargestellt und es weist einen Propel­ ler (12) und einen Gasgenerator (14) auf.

Der Propeller (12) weist eine Nabe (16) auf, die mehrere in gleichem Winkelabstand zueinander angeordeten Propel­ lerschaufen (18) trägt, die drehbar in der Nabe (16) derart gelagert sind, daß die Anstellung der Propeller­ schaufeln geändert werden kann.

Der Gasgenerator (14) umfaßt in Strömungsrichtung hinter­ einander einen Axialströmungskompressor (28), einen Zentrifugalströmungskompressor (30), eine Verbrennungsan­ lage (32), Axialströmungsturbinen (34 und 36) und eine Abgasdüse (38). Die Axialströmungsturbine (34) ist an­ triebsmäßig mit dem Kompressor (30) über eine (nicht dar­ gestellte) Welle verbunden, und die Axialströmungsturbine (36) ist antriebsmäßig mit dem Kompressor (28) über eine Welle (42) verbunden, die nur teilweise dargestellt ist. Der Gasgenerator (14) arbeitet in herkömmlicher Weise und wird daher im folgenden nicht im einzelnen beschrieben.

Der Propeller (12) liegt koaxial zu dem Gasgenerator (14) stromauf von diesem, und die Welle (42) ist antriebsmäßig mit dem Propeller (12) über ein Getriebe (44) verbunden.

Der Gasgenerator (14) ist von einem Gasgeneratorgehäuse (40) umschlossen und das Gasgeneratorgehäuse besitzt zwei Einlaßöffnungen (20) stromab des Propellers (12), und die beiden Einlaßöffnungen (20) sind im gleichen Umfangsab­ stand, d. h. diametral zueinander angeordnet, um einen sogenannten Gabeleinlaß zu bilden. Ein Einlaßkanal (22) führt axial von jeder Einlaßöffnung (20) zu einem Ring­ kanal (26), und der Kanal (26) verläuft radial nach innen und in Stromrichtung nach hinten, um Luft dem Gasgenera­ tor (14) zuzuführen. Der Ringkanal (26) wird durch eine ringförmige Innenwand (25) und eine ringförmige Außenwand (27) definiert, und die radial innen liegende Wand (25) umschließt die Welle (42) und das Getriebe (44). Das stromaufwärtige Ende der ringförmigen Innenwand (25) ist am stromaufwärtigen Ende des Gasgeneratorgehäuses (40) befestigt und die ringförmige Innenwand (25) ist an der ringförmigen Außenwand (27) über mehrere radial verlau­ fende aerodynamisch gestaltete Streben (29) verbunden. Die ringförmige Außenwand (27) ist ebenfalls am Gasgene­ ratorgehäuse (40) befestigt. Die Einlaßkanäle (22) werden an ihrem radial äußeren Ende durch aerodynamisch gestal­ tete Gehäuse (41) definiert, die am Gasgeneratorgehäuse (40) befestigt sind und die in dieses Gehäuse übergehen.

Jeder Einlaßkanal (22) weist einen Separatorkanal (24) auf, der mit dem Einlaßkanal (22) verbunden ist und der Fremdkörper entfernt, die von der nach dem Gasgenerator (14) strömenden Luft mitgeführt werden. Der Ringkanal (26) ist mit genügenden Krümmungen ausgestattet, um große Fremdkörper, beispielsweise Vögel, aber auch Schmutz, Bruchstücke, erosive Partikel und andere Fremdkörper, ab­ zusondern. Der Separatorkanal (24) ist in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt und er umfaßt in Strömungsrichtung hin­ tereinander einen Mischkanal (46) einen Übergangskanal (48) und einen Auslaßkanal (50). Der Mischkanal (46) wird durch eine Rohrwand (52) definiert, und der Mischkanal weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der Auslaßka­ nal (50) besitzt einen rechteckigen Querschnitt und wird durch im Abstand zueinander liegende Seitenwände (57), eine zwischen den Seitenwänden (57) verlaufende und an diesen festgelegte Wand (56) und eine bewegliche Wand (58) begrenzt, die schwenkbar bei (60) am stromaufwärti­ gen Ende so gelagert ist, daß der Querschnitt des strom­ abwärtigen Auslaßendes (72) des Auslaßkanals (50) verän­ derbar ist. Der Übergangskanal (48) wird durch eine Wand (54) definiert, die einen Übergang vom kreisförmigen Querschnitt des Mischkanals nach dem rechteckigen Quer­ schnitt des Auslaßkanals bildet.

Ein Ejektoraufbau (62) umfaßt mehrere, nach dem Ausfüh­ rungsbeispiel sechs, im gleichen Umfangsabstand angeord­ nete Ejektordüsen (64), die in der Rohrwand (52) des Mischkanals (46) angebracht sind. Die Ejektordüsen (64) sind am stromaufwärtigen Ende des Mischkanals (46) so an­ geordnet, daß ein Strömungsmittel nach hinten in den Mischkanal geführt wird, um eine Strömung durch den Sepa­ ratorkanal (24) zu erzeugen. Die Ejektordüsen (64) sind vorzugsweise von der konvergierenden Bauart, obgleich auch andere Typen von Ejektordüsen benutzt werden kön­ nen. Die Ejektordüsen (64) richten die Luft in einem Win­ kel von etwa 15° zur Wand. Die Ejektordüsen (64) werden mit einem Strömungsmittel aus einer Ringkammer (66) ge­ speist, die koaxial um den Mischkanal herumgeführt ist. Die Ringkammer (66) wird durch einen hohlen Ringkörper (68) definiert. Der Ringkörper (68) besitzt mehrere Öff­ nungen (70) an seiner inneren Oberfläche, um den Ejektor­ düsen (64) Strömungsmittel zuzuführen. Der Ringkanal (60) besitzt eine Öffnung (72), durch die ein Strömungsmittel von einem Zuführungsrohr (74) herangeführt wird, und die­ ses Rohr ist am Ringkörper (68) an einem Ende und mit seinem anderen Ende am Kompressor (28) festgelegt. Das Rohr (74) zapft Luft vom Kompressor ab, um diese nach den Ejektordüsen zu überführen und eine Strömung durch den Separatorkanal zu erzeugen. Das Rohr (74) ist mit einem Ventil (76) versehen, das die Luftzufuhr nach den Ejek­ tordüsen steuert. Das Ventil (76) wird durch einen Steuerhebel eingestellt, der vom Flugzeugführer des zuge­ ordneten Flugzeugs bedient wird. Der Steuerhebel kann der Leistungssteuerhebel des Flugzeugs sein.

Der Mischkanal ist so dimensioniert, daß sein Verhältnis von Länge zur Durchmesser zwischen 0,5 und 7 liegt. Für eine optimale Wirkung liegt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser zwischen 2 und 5, und vorzugsweise bei 2,5. Hierbei wird eine zufriedenstellende Mischung der von den Ejektordüsen injizierten Flüssigkeit und der Luft er­ reicht, die vom Lufteinlaß innerhalb der Mischkanallänge in den Separatorkanal einströmt. Der Mischkanal ist außerdem so dimensioniert, daß ein etwa 1,136 kg schwerer Vogel hindurchtreten kann, und dies erfordert einen Min­ destdurchmesser von 11,43 cm.

Die bewegliche Wand (58) ermöglicht eine Verminderung der Strömung durch den Separatorkanal bei Reiseflug.

Im Betrieb, d. h. während des Starts oder während des Flugs, erzeugen die Propellerschlupfströmung und die Ein­ laßstauluft eine Luftströmung durch den Separatorkanal (24) und aus dem Auslaß (72) heraus, und diese Luft trägt die Fremdkörper durch den Separatorkanal vom ringförmigen Einlaß (26) und vom Gasgenerator (14) fort.

Während des Umkehrschubs oder bei Null-Schub muß die Luftströmung durch den Separatorkanal (24) durch die Ejektordüsen erhöht werden, um die Fremdkörper in den Se­ paratorkanal und aus dem ringförmigen Einlaß und dem Gas­ generator abzuziehen. Es wird komprimierte Luft vom Kom­ pressor des Gasgenerators abgezapft und den Ejektordüsen zugeführt, um eine Strömung durch den Separatorkanal zu induzieren. Die Kompressorluft ist relativ kühl, sie hat eine Temperatur von etwa 200°C, und es ist möglich, die Kompressorluft durch das Ventil (76) abzuschalten, wenn es nicht erforderlich ist, eine Strömung durch den Sepa­ ratorkanal zu induzieren. Die Gesamtmenge der vom Kom­ pressor abgezapften Luft liegt nur in der Größenordnung von 5% des Durchsatzes durch den Kompressor, und dies ist für den Gasgenerator zulässig.

Das Ventil (76) wird geöffnet, wenn der Leistungshebel während des Auslaufens auf dem Boden in die Schubumkehr­ stellung überführt wird, und es kann auch offen sein, wenn das Flugzeug mit Vorwärtsschub auf dem Rollfeld läuft.

Die Benutzung eines Kompressors zur Zuführung eines Strö­ mungsmittels nach den Ejektordüsen hat zwei Vorteile. Er­ stens wird hierdurch die Möglichkeit geschaffen, ein Ven­ til zur Steuerung des Strömungsmittels auszunutzen, das nach den Ejektordüsen geliefert wird, während dann, wenn eine Turbine benutzt würde, die heißen Gase die Benutzung eines Ventils nicht zuließen. Zweitens würde bei einem Bruch des Kanals, der die Ejektordüsen speist, nur rela­ tiv kühle Luft in die Triebwerksverkleidung einströmen und einem entsprechenden Raum im Flugzeug zugeführt werden, während die relativ heißen Gase in diesen Räumen unerwünscht wären.

Die bewegliche Wand (58) wird benutzt, um die Quer­ schnittsfläche des Auslaßkanals (50) zu verändern, und sie wird benutzt, um die Strömung des Separatorkanals einzustellen und um den Luftwiderstand zu verringern. Un­ ter Reiseflugbedingungen reduziert die bewegliche Wand (58) die Querschnittsfläche des Auslaßkanals, weil dann eine Verminderung der Strömung durch den Separatorkanal eintritt.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist die Benutzung mehrerer Ejektordüsen, die in Umfangsrichtung in der Wand des Mischkanals angeordnet sind. Hierdurch wird die Möglich­ keit geschaffen, daß ein Vogel oder ein anderer großer Fremdkörper unbehindert durch den Separatorkanal hindurch­ geleitet werden kann, und die Ejektordüsen werden nicht oder nur in geringem Maße beschädigt. Ein weiterer Vor­ teil liegt darin, daß die Benutzung eines ringförmigen Ejektors in der Mischkanalwandung nur sehr geringe Abmes­ sungen haben würde, nämlich 0,635 mm Breite, und hier­ durch würden Bruchstücke, Hagel usw. abgefangen. Es wäre auch schwierig, eine genaue Herstellung zu gewährleisten, um eine gleichförmige Breite zu erzielen.

Die Erfindung ist anwendbar für Turbopropeller oder Turbowellengasturbinentriebwerke, die andere Einlässe als Gabeleinlässe besitzen. Sie ist beispielsweise auch an­ wendbar für Triebwerke mit einem einzelnen Einlaß, d. h. mit einem Knieeinlaß, oder für Triebwerke mit mehr als zwei Einlässen.

Die Erfindung ist auch anwendbar für Turbopropgas­ turbinentriebwerke mit versetzten Getrieben oder mit koaxialen Getrieben.

Claims (14)

1. Turbopropgasturbinentriebwerk mit wenigstens einem Propeller und einem Gasgenerator, bei welchem der Propeller stromauf des Gasgenerators angeordnet ist, mit einem Einlaß zur Zuführung von Luft nach dem Gasgenerator, welcher Einlaß stromab des einen Propellers liegt und wenigstens eine Einlaßöffnung und einen Separator zur Entfernung von Fremdkör­ pern aus der dem Gasgenerator zugeführten Luft be­ sitzt, wobei der Separator einen Separatorkanal aufweist, der an den Einlaßkanal angeschlossen ist, um die Fremdkörper aufzunehmen, und mit einem Ejektor zur Erzeugung einer Strömung durch den Se­ paratorkanal, um Fremdkörper durch den Separator­ kanal abzuziehen, wobei der Gasgenerator einen Kompressor aufweist und Auslässe, die Fremdkörper aus dem Separatorkanal austreten lassen, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ejektor (62) mehrere in gleichem Abstand zueinander angeordnete Ejektordüsen (64) aufweist, die in Umfangsrichtung in der Wand (52) des Separa­ torkanals (24) angeordnet sind, daß der Kompressor (28) dem Ejektor (62) Luft zuführt, um eine Strömung durch den Separatorkanal (24) zu erzeugen, und daß ein Steuerventil (76) die Luftströmung vom Kompres­ sor (28) nach den Ejektordüsen (64) steuert.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Separatorkanal (24) einen Mischkanal (46), einen Übergangskanal (48) und einen Auslaßkanal (50) auf­ weist.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Mischkanal (46) rohrförmig ist und daß der Auslaßka­ nal (50) einen rechteckigen Querschnitt besitzt.

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Mischkanal (46) ein Verhältnis von Länge zu Durch­ messer zwischen 2 und 5 aufweist.

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Mischkanal (46) ein Verhältnis von Länge zu Durch­ messer von 2,5 aufweist,

6. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (50) eine bewegliche Klappe (58) besitzt, um die Querschnittsfläche des Auslaßkanals (50) einzustellen.

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die bewegliche Klappe (58) eine rechteckige Form auf­ weist.

8. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß zwei Einlaßöffnungen (20) und zwei Einlaßkanäle (22) aufweist, die diametral gegenüber­ liegend angeordnet sind.

9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß bei­ de Einlaßkanäle (22) Separatorkanäle (24) aufwei­ sen.

10. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (28) ein Axialströmungskompressor ist.

11. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sechs im gleichen Umfangsabstand zueinander angeord­ nete Ejektordüsen (64) vorgesehen sind.

12. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ejektordüsen (64) konvergierend ausgebildet sind.

13. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Propeller (12) koaxial zu dem Gasgenerator (14) angeordnet ist.

14. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Propeller (12) durch den Gasgene­ rator (14) über eine Welle (42) und ein Getriebe (44) angetrieben wird.