DE4111396A1 - Turbotriebwerk fuer hyperschallfluggeraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbotriebwerk für Hyperschallfluggeräte gemäß der Hauptanmeldung DE P 40 12 103.8-13.

Es ist bekannt, daß rechteckige Einlauf- und Austrittsteile, insbesondere im Geschwindigkeitsbereich M<1 grundsätzlich bessere Gestaltungsmöglichkeiten aufweisen und aerodynamisch besser beherrschbar sind.

Der Antrieb von Hyperschallfluggeräten wird allgemein von M = 0 bis ca. M = 3 mit Triebwerken herkömmlicher Bauart konzipiert, die aufgrund ihrer Bauelemente einen ausschließlich zylindrischen Querschnitt besitzen (z. B. die OS DE 37 38 703 zeigt ein solches Triebwerk).

Nun ist der Übergang von einem rechteckigen Lufteintrittsteil auf ein zylindrisches Triebwerksgehäuse und danach wieder die Anpassung an eine Rechteckschubdüse mit Mängeln behaftet.

Es wird z. B. eine größere Baulänge benötigt und die Gehäusekomponenten werden fertigungsmäßig aufwendiger. Sodann treten bei der Anpassung an die Flugzeugzelle Verluste durch nicht genutzten Bauraum auf, wodurch die Stirnfläche vergrößert und somit der Flugwiderstand erhöht wird.

Diese Nachteile sind bei bekannten Triebwerken aufgrund der üblichen Bauelemente und deren Anordnung jedoch nicht zu beheben.

Ziel der Erfindung ist es, ein Turbotriebwerk der in der Hauptanmeldung beschriebenen Art in rechteckiger Form auszuführen, wobei diese Weiterbildung die genannten Nachteile beseitigt.

Dieses Ziel wird durch die im Patentanspruch 1 dargelegten Merkmale erreicht.

Die getroffenen Maßnahmen erlauben einen übergangslosen Anschluß sowohl eines rechteckigen Lufteintritts als auch einer Rechteckschubdüse an das Gehäuse des Turbotriebwerks, wodurch eine minimale Baulänge und eine optimale Anpassung an die Flugzeugzelle gewährleistet ist. Vorteilhaft ist weiterhin, daß durch bloße Schließung des Gassammelraums bei Abschaltung der Gaserzeuger, der Schubkanal automatisch zum zentralgelegenen integrierten Staustrahltriebwerk wird, ohne daß die Strömung vorher durch Klappen ab- oder umgelenkt werden muß und auch nicht von der Körpergrenzschicht der Flugzeugzelle gestört wird.

Im Gegensatz dazu sei auf die in der Patentschrift DE 38 11 614 C1 beschriebene aufwendige Klappenanordnung zur Steuerung des Lufteintritts für Turbo- und Staustrahltriebwerk hingewiesen, wobei letzteres gezwungen ist, die störende Körpergrenzschicht mit zu verarbeiten, wodurch zusätzliche Einrichtungen erforderlich werden (Grenzschichtzäune etc.).

Gegenüber der sonst üblichen kreisförmigen Ausbildung von Turbotreibwerken, besteht bei den vorgeschlagenen orthogonal zum Flugzeugrumpf befindlichen Antriebsreihen der Vorteil einer ausschließlich seitlichen Anordnung der Strömungskanäle zur Belieferung der Gaserzeuger und des Tangentialgebläses mit Arbeitsluft, wodurch bei jedem benötigten Luftdurchsatz die erforderliche Bodenfreiheit gewährleistet ist, da sich bei Schubkrafterhöhung nur die verhältnismäßig kleine Luftmasse der Gaserzeuger auf deren radiale Vergrößerung auswirkt. Die demgegenüber große Gebläseluftmasse verbreitert jedoch das Turbotriebwerk.

Die Leitstrahlbündel steuern die das Tangentialgebläse verlassende Kaltluftmasse wahlweise sowohl als Bremsschub bei freigegebenen, in den Strömungskanälen untergebrachten Luftzuführungsöffnungen einmal in die Flugrichtung als auch entgegengesetzt dazu als Horizontal- oder Vorwärtsschub im Normalzustand des Triebwerks.

Weiterhin können zur Herstellung eines Schubgleichgewichts die einen Leitschaufeln einen Bremsschub erzeugen und die andere Leitschaufelreihe gleichzeitig in die Vorwärtsschubposition geschwenkt sein. Dieser Betriebszustand kann erforderlich werden, wenn die Triebwerke in eingebautem Zustand überprüft werden müssen oder um aus einer Bereitschaftsposition (stand-by) heraus einen schnellen Start zu gewährleisten.

In Bodennähe und besonders im Landeanflug bei sinkenden aerodynamischen Auftriebskräften formieren die Strömungsleiteinrichtungen der Walzen des Tangentialgebläses beider Antriebsreihen und bei freigegebener Vertikalschuböffnung die Kaltluftmassen zu einem quasi vertikal austretenden Schubstrahl. Bei eventuell einwirkenden Scherwinden oder labilen Rollsteuermomenten können darüber hinaus Seitenkräfte erzeugt werden, indem z. B. die rechte untere Walze des Tangentialgebläses unter einem erforderlichen Winkel einen scharfen Leitstrahl nach links ausstößt, an den sich die übrige Strömungsmasse anlegt und nahezu widerstandslos in eine seitliche Richtung umgelenkt wird, um das Turbotriebwerk dann durch eine dafür vorgesehene Vertikalschuböffnung zu verlassen.

Durch die vorgeschlagene Anordnung wird erreicht, daß der Schubkanal bei Verwendung als ramjet oder scramjet keine durch Einbauten bedingte Strömungswiderstände aufweist, wodurch eine Verbesserung des Wirkungsgrades der durchströmenden Schubmasse erzielt wird.

Die Beschaufelung des Tangentialgebläses liegt dabei außerhalb der Strömung mit den bei hohen Flugmachzahlen auftretenden erheblichen Lufttemperaturen, im Gegensatz zu bekannten Projekten, wie z. B. der OS DE 37 38 703, bei der die Beschaufelung des Axialgebläses unmittelbar von der eintretenden Luftmasse beaufschlagt wird, wodurch zum einen eine aufwendige Mechanik zur Schaufelverstellung erforderlich wird und zum anderen aufwendige Vorkehrungen zur Temperaturverträglichkeit der Schaufelblätter getroffen werden müssen.

Diese Nachteile vermeidet die vorgeschlagene Konstruktion.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung:

Fig. 1 die Gesamtansicht des Turbotriebwerks, die im Teilbereich F aufgebrochen ist,

Fig. 2 gemäß Fig. 1 den vergrößerten Teilbereich F,

Fig. 3 den Schnitt A,B-C durch den Teilbereich F gemäß Fig. 2,

Fig. 4 die Anordnung von zwei Turbotriebwerken gemäß Fig. 1 und 3 an einem Flugzeugrumpf.

Fig. 1 zeigt die Gesamtansicht des Turbotriebwerks 1 mit Blick auf den Grenzschichtkanal 14, mit dem es am Flugzeugrumpf 13 befestigt ist (siehe Fig. 4). Diese Darstellung verdeutlicht die konturgerechte Anpassung des Basistriebwerks 2 an das rechteckige Lufteintrittsteil 21 und an die Rechteckschubdüse 25, deren schwenkbare, ebenflächige Strömungsrampen 26 und 27 entweder in den positionierten Lagen oder aber um 90° gedreht (strichpunktiert eingezeichnet) ausgeführt sein können.

Um die wesentlichen Bauteile des Basistriebwerks 2 erkennbar zu machen, wurde das Turbotriebwerk 1 in dem relevanten Teilbereich F aufgebrochen.

Fig. 2 zeigt im Bereich der Laufwalzen des Tangentialgebläses 4 die verschließbare Vertikalschuböffnung 17, deren Verwendung in Fig. 3 noch näher beschrieben wird. Der Schubkanal 5 trägt an seiner dem Lufteintrittsteil 21 (siehe Fig. 1) zugewandten Frontseite je eine erste und zweite schwenkbare profilierte Verschlußklappe 6 und 7, die bei Fluggeschwindigkeiten von M<3 beide aufgeschwenkt werden, um die Strömung L_S an den stillgesetzten Gaserzeugern 3 und dem Tangentialgebläse 4 vorbeizuleiten, oder aber bei geringeren Machzahlen M<3 zum Teillastbetrieb herangezogen zu werden, indem z. B. nur die erste Verschlußklappe 6 den Lufteintritt 28 der Gaserzeuger 3 der abgeschalteten Antriebsreihe 15 (hierzu Fig. 3) verschließt und somit ausschließlich die Antriebsreihe 16 mit dem offenen Lufteintritt 28 zur Schuberzeugung Verwendung findet.

Die links und rechts befindlichen Gassammelräume 8 besitzen in ihrer zur Triebwerksmitte gerichteten Öffnung eine erste und zweite verdrehbare Leitschaufelreihe 9 und 10, die unabhängig voneinander durch Verstellorgane (zeichnerisch nicht dargestellt) stufenlos einstellbar sind, wobei die einzelnen Leitschaufeln bis zu 360° verdrehbar sind. Diese formieren die Abgasmasse m_a jeweils zum Horizontalschub S_H oder einem Bremsschub S_B bewirkenden Leitstrahlbündel L_L, das dazu auch in jede erforderliche Zwischenrichtung lenkbar ist. Im Falle des Bremsschubs S_B blockiert dieser zwangsläufig das Lufteintrittsteil 21, so daß es erforderlich wird, die ersten und zweiten Luftzuführungsöffnungen 18 und 19 der ersten und zweiten Strömungskanäle 11 und 12 durch die Schließorgane 23 und 24 freizugeben. Dadurch werden die Gaserzeuger 3 sowie das Tangentialgebläse 4 wieder mit Arbeitsluft L_A versorgt. Die Gassammelräume 8 sind funktionsbedingt gegenüber dem Schubkanal 5 mit Hilfe der Leitschaufelreihen 9 und 10 vollkommen verschließbar, so daß der Schubkanal 5 bei abgeschalteten Gaserzeugern 3 nahezu widerstandslos durchströmt wird und als Staustrahltriebwerk zur Verfügung steht, das aerodynamisch unmittelbar mit dem Lufteintrittsteil 21 verbunden ist. Es ist somit nicht erforderlich, daß die Arbeitsluft zuvor üblicherweise ein Gebläseschaufelgitter verlustbehaftet durchströmen muß, wie dies auch in der eingangs erwähnten OS DE 37 38 703 der Fall ist. Der Teilbereich F stellt als gezeichneten Betriebszustand das Schubgleichgewicht S_G dar.

Dabei ist das linke Leitstrahlbündel L_L der ersten Leitschaufelreihe 9 auf den Bremsschub S_B geschaltet, also die Kaltluftmasse m_k wird in die Flugrichtung gelenkt, während das rechte Leitstrahlbündel L_L der Leitschaufelreihe 10 die Kaltluftmasse m_k des Tangentialgebläses 4 gleichzeitig in die Richtung des Horizontalschubes S_H mitreißt.

Fig. 3 zeigt den Schnitt A,B-C gemäß Fig. 2 des Turbotriebwerks 1, das in rechteckiger Form ausgeführt ist, wobei sich die orthogonal zum Flugzeugrumpf 13 befindliche erste und zweite Antriebsreihe 15 und 16, die den Schubkanal 5 zwischen sich aufnehmen, beabstandet gegenüberstehen und von U-förmigen ersten und zweiten Strömungskanälen 11 und 12 seitlich überdeckt werden. Die dem Flugzeugrumpf 13 zugekehrte, in der Darstellung obere Seite ist dabei als Grenzschichtkanal 14 ausgebildet. Diese Konstruktion gewährleistet die Fernhaltung der verhältnismäßig dicken Körpergrenzschicht des Flugzeugrumpfes 13 von den schuberzeugenden Bauelementen des Triebwerks 1, im besonderen von den Gaserzeugern 3 sowie von den Walzen des Tangentialgebläses 4.

Durch Verdrehen der Strömungsleiteinrichtungen 22 in den Walzen des Tangentialgebläses 4 (siehe hierzu auch die DE-PS 8 07 978) kann die von diesen geförderte Kaltluftmasse m_k entweder zu einem gemeinsamen Vertikalschub S_V formiert werden oder aber nach links bzw. rechts zu einem Seitenkraftschub S_K abgelenkt werden, indem eine oder mehrere Strömungsleiteinrichtungen 22 in die erforderliche Kraftrichtung einen scharfen Leitstrahl L_W ausstoßen, an den sich die übrige Kaltluftmasse m_k nahezu widerstandslos anlegt, so daß ein wirkungsvoller Seitenkraftschub S_K gebildet wird, der bevorzugt im Landeanflug und bei Schwerwindkräften von Bedeutung ist, also immer dann, wenn die Rollsteuerung eine verminderte Wirkung zeigt. Die untere Fläche des Turbotriebwerks 1 besitzt gemäß Fig. 2 im Bereich der Walzen des Tangentialgebläses 4 zum Wirksamwerden dieser Schubkräfte eine Vertikalschuböffnung 17, die von dem Schließorgan 20 betriebsgemäß abgesperrt oder freigegeben werden kann. Im Falle des Vertikalschubs S_V werden die Strömungsleiteinrichtungen 22 in der Weise verdreht, daß die Kaltluftmasse m_k beider Antriebsreihen 15 und 16 symmetrisch schräg nach unten gerichtet ist, so daß sich in der Symmetrieachse der Leitstrahl L_W′ ausbilden kann, der mit der gesamten Kaltluftmasse m_k den Vertikalschub S_V initiiert.

Fig. 4 zeigt die Unterrumpfanordnung von zwei beabstandet angebrachten Turbotriebwerken 1. Diese Darstellung schließt jedoch die Befestigung an einer anderen als zweckmäßig erkannten Stelle des Flugzeugrumpfes 13 nicht aus.

Diese Anordnung bietet zudem eine günstige Bodenfreiheit D, die auch bei eventuell benötigten höheren Luftdurchsätzen erhalten bleibt, da bei den dann leistungsfähigeren Turbotriebwerken hauptsächlich eine Verbreiterung der die Arbeitsluft führenden ersten und zweiten Strömungskanäle 11 und 12 sowie des Schubkanals 5 und weiterhin in Hinblick auf Fig. 2 eine bloße Verlängerung der Walzen des Tangentialgebläses 4 erfolgen würde.

Aus dieser in Flugrichtung gesehenen Darstellung ist ferner die flugzeugseitige Befestigung des Grenzschichtkanals 14 erkennbar, der mit dem Basistriebwerk 2 fest verbunden ist.

Zur Veranschaulichung der Wirkungslinien der Schubkräfte ist bei dem linken Turbotriebwerk 1 gemäß Fig. 3 der Vektor eines nach links wirkenden Seitenkraftschubes S_K dargestellt und das rechte Triebwerk zeigt den ausgebildeten Vektor des Vertikalschubes S_V.

Claims (5)

1. Turbotriebwerk für Hyperschallfluggeräte, umfassend ein Basistriebwerk, das aus einer Anzahl Gaserzeuger mit Axialverdichtern, Brenneinrichtung sowie zugeordneten Verdichterantriebs- und Leistungsturbinen besteht, die um einen zylindrischen, front- und heckseitig offenen Schubkanal mit vorgeschaltetem Lufteintrittsteil angeordnet sind. Die Leistungsturbinen sind mit den Laufwalzen eines Tangentialgebläses drehfest verbunden. Weiterumfassend Lufteintritts- und Gasaustrittsteile, die an einem zylindrischen Strömungsrohr befestigt sind, in dem das Basistriebwerk beabstandet untergebracht ist. Ferner ist den Gaserzeugern ein Lufteintrittsringteil vorgeschaltet, das mit einem Einlaufkurventeil verschließbar ist. Das zylindrische Strömungsrohr ist weiterhin mit ersten Lufteintrittsschlitzen versehen, die von zweiten Lufteintrittsschlitzen verschlossen oder freigegeben werden können. An die Leistungsturbinen ist zudem ein Gassammelraum angeschlossen, dem mehrere gleichmäßig verteilte profilierte und zentripetal gerichtete Gasableitungskanäle zugeordnet sind, die in eine mit erster und zweiter Impulsdüse ausgestattete Impulskammer einmünden, in der sich ein axial verschiebbarer Strömungsleitapparat befindet, nach Patenthauptanmeldung DE-P 40 12 103.8-13, dadurch gekennzeichnet, daß das Basistriebwerk (2) in rechteckiger Form ausgeführt ist, indem die Gaserzeuger (3), der Gassammelraum (8) und die Walzen des Tangentialgebläses (4) zwischen sich den rechteckigen Schubkanal (5) aufnehmen, wobei sie sich als erste (15) und zweite senkrechte Antriebsreihe (16) beabstandet gegenüberstehen und von U-förmigen ersten (11) und zweiten Strömungskanälen (12) seitlich überdeckt werden und daß diese im Bereich des Lufteintritts der Gaserzeuger (3) und der Walzen des Tangentialgebläses (4) mit verschließbaren ersten (18) und zweiten Luftzuführungsöffnungen (19) versehen sind, daß weiterhin die dem Flugzeugrumpf (13) zugekehrte Seite des Basistriebwerks (2) als Grenzschichtkanal (14) ausgebildet ist und ferner die der Piste zugekehrte Fläche im Bereich des Tangentialgebläses (4) eine verschließbare Vertikalschuböffnung (17) besitzt, daß zudem der Schubkanal (5) an seiner dem Lufteintrittsteil (21) zugewandten Frontseite je eine erste (6) und eine zweite schwenkbare profilierte Verschlußklappe (7) trägt, daß ferner die links und rechts befindlichen Gassammelräume (8) in ihrer zur Triebwerksmitte gerichteten Öffnung eine erste (9) und eine zweite Leitschaufelreihe (10) besitzen, die unabhängig voneinander durch Verstellorgane (zeichnerisch nicht dargestellt) stufenlos einstellbar sind, wobei die einzelnen Leitschaufeln bis zu 360° verdrehbar sind.

2. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die ersten und zweiten Leitschaufelreihen (9 und 10) die Abgasmasse (m_a) jeweils zu einem front- oder heckseitig gerichteten Leitstrahlbündel (L_L) geformt wird, das dazu in jede erforderliche Zwischenrichtung lenkbar ist, daß ferner die Gassammelräume (8) gegenüber dem Schubkanal (5) mit Hilfe der Leitschaufelreihen (9 und 10) vollkommen verschließbar sind (strichpunktiert angedeutet).

3. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubkanal (5) bei abgeschalteten Gaserzeugern (3) und geschlossenen Gassammelräumen (8) sowohl als Staustrahltriebwerk (ramjet) wie auch als Überschallverbrennungs- Staustrahltriebwerk (scramjet) wirksam werden kann.

4. Turbotriebwwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußklappen (6 und 7) bei Fluggeschwindigkeiten M<3 beide aufgeschwenkt werden, um die Strömung an den stillgesetzten Gaserzeugern (3) vorbeizuleiten, oder aber bei geringeren Machzahlen M<3 zum Teillastbetrieb herangezogen werden, indem entweder nur die erste (6) oder zweite Verschlußklappe (7) den Lufteintritt der Gaserzeuger (3) einer jeweils abgeschalteten Antriebsreihe (15 oder 16) verschließt.

5. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Anordnung der Strömungskanäle (11 und 12) der ersten und zweiten Antriebsreihe (15 und 16) eine größtmögliche Bodenfreiheit (D) des Turbotriebwerks (1) gewährleistet.