DE4117933A1 - Turbotriebwerk fuer hyperschallfluggeraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbotriebwerk für Hyperschall­ fluggeräte gemäß der Hauptanmeldung P 40 12 103.8-13 in Verbindung mit der Zusatzanmeldung P 41 13 976.3, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.

Den für die Zukunft erwarteten strengen Auflagen hinsicht­ lich der Geräuschentwicklung von Flugzeugantrieben können herkömmliche, axial durchströmte Triebwerke mit radialer Schaufelerstreckung nur indirekt durch zusätzliche Schall­ dämpfungsmaßnahmen gerecht werden, d. h. die von der Be­ schaufelung ausgehende Geräuschabstrahlung muß durch ge­ eignete Bauteile gedämpft werden. Diese Maßnahme ist je nach dem Grad der Dämpfung unterschiedlich verlustbehaf­ tet, denn sie bedeutet zusätzliches Gewicht, eine aufwen­ digere Fertigung und zudem eine Durchmesservergrößerung des Triebwerks.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch vollkommenen Verzicht auf die üblichen axialen Strömungsmaschinen eine direkte Senkung des Geräuschpegels zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 dargeleg­ ten Merkmale gelöst.

Das hier vorgestellte Turbotriebwerk besitzt für die Er­ zeugung der Arbeitsluft ausschließlich Trommelelemente, die bekanntlich mit verhältnismäßig geringen Umfangs­ geschwindigkeiten arbeiten können, wobei die Erzeugung des erforderlichen Luftbedarfs sowohl für den Schub als auch für den Antrieb der Laufwalzen lediglich dem Tangen­ tialgebläse vorbehalten ist, dessen Entnahmeluftmenge durch die Zunge des Gegenstromkanals betriebsgerecht ein­ zustellen ist. Die Richtungsunterschiede der Abströmvektoren sind dabei jeweils exakt durch die verdrehbaren ersten und zweiten Innenleitkörper der einzelnen Laufwalzen zu regeln, so daß eine optimale Strömungsführung in jedem Betriebsbereich gewährleistet ist.

Der grundsätzlich andere Aufbau einer Schuberzeugerein­ heit dieses Triebwerks gegenüber herkömmlichen Ausführun­ gen wird durch den Fortfall des bei üblichen Gaserzeugern sehr oft aus Nieder- und Hochdruckteil bestehenden Axial­ verdichters gekennzeichnet, der durch einen Gegenstrom­ kanal ersetzt wurde. Durch diesen wird Abzweigluft des Tangentialgebläses zur Brenneinrichtung geführt. Diese Konstruktion ist durch das besondere Arbeitsverhalten des Tangentialgebläses möglich, das pumpgrenzenfreie Drosselzustände erlaubt.

Hierdurch ergeben sich zwei wesentliche Vorteile:

1. Die für die Geräuscherzeugung hauptsächlich verantwort­ lichen hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Schaufelblatt­ spitzen treten nicht mehr in Erscheinung, da die Beschau­ felungen sowohl der Trommelturbine als auch der Laufwal­ zen des Tangentialgebläses bekanntlich in geräscharmen Geschwindigkeitsbereichen arbeiten, wodurch eine direkte Senkung des Geräuschpegels bewirkt wird.

2. Die vorliegende Triebwerkskonstruktion ist technisch einfach, da sie wenig Bauteile umfaßt. Damit wird die Störanfälligkeit herabgesetzt und folglich die Flug­ sicherheit erhöht.

Der wesentliche Unterschied zwischen herkömmlichen Aus­ führungen und der hier behandelten Konstruktion besteht hinsichtlich der Bekämpfung der Geräuschabstrahlung darin, daß bei üblichen Konzepten die Lärmquelle, also die ver­ ursachende Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitzen erhal­ ten bleibt, von geringfügigen Dämpfungsmöglichkeiten durch unterschiedliche Schaufellängen oder Drehzahlen abgesehen. Die Geräuschdämpfung erfolgt jedenfalls üblicherweise durch eine Abschirmung gegenüber der Umgebung, um den hörbaren Teil der Störung zu vermindern oder gefährdete Bauteile der Flugzeugzelle zu schützen. Somit kann üblicherweise von einer mittelbaren Senkung der Geräusch-Emission gesprochen werden. Bei dem erfindungsgemäßen Turbotriebwerk wird dagegen die Geräuschquelle unmittelbar durch die Wahl geeigneter thermischer Strömungsmaschinen hinsichtlich störender Geräusch-Emissionen beseitigt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher er­ läutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellung

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

Fig. 2 gemäß Fig. 1 eine vergrößerte Schuber­ zeugereinheit im Teilbereich F.

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

Fig. 4 die Abwicklung der Fig. 3 in verschiede­ nen Ebenen geschnitten oder aufgebrochen.

Fig. 1 zeigt die Gesamtansicht des Turbotriebwerks 1 in nach links gerichteter Flugrichtung mit dem aufge­ brochenen Teilbereich F und angenommenen 12 Schuberzeuger­ einheiten 3 sowie den strichpunktiert angedeuteten Gas­ ableitungskanälen 16. Diese Darstellung versinnbildlicht die kurze und technisch einfache Bauweise des Basistriebwerks 2 mit der front­ seitigen, ringförmigen Brenneinrichtung 4, der folgenden Trommelturbine 5 mit angeschlossener Laufwalze 6 sowie den innenliegenden Gegenstromkanälen 8.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schuberzeugereinheit 3 im Teilbereich F gemäß Fig. 1. In dem ringförmigen Trieb­ werksgehäuse 13 sind die Brenneinrichtung 4 mit ihrer Zündvorrichtung 17 und die Trommelturbinen 5 unterge­ bracht, die über die Verbundscheiben 9 mit den Laufwal­ zen 6 des Tangentialgebläses drehfest verbunden sind. Jede Verbundscheibe 9 trägt das in das Triebwerksgehäuse 13 eingepreßte Hauptlager 10, das im Zusammenwirken mit dem Stützlager 14 erlaubt, die Trommelturbine 5 fliegend anzuordnen. Dadurch wird eine Lagerung des Rotors, be­ stehend aus Trommelturbine 5 und Laufwalze 6, im Heiß­ teil des Turbotriebwerks 1 vermieden. Der Gegenstrom­ kanal 8 ist an dem Triebwerksgehäuse 13 angeflanscht und teilt mit seiner Zunge 15 die Laufwalze 6 in die beiden Beschaufelungsabschnitte I und II, wobei der Abschnitt I mit dem Innenleitkörper 11 die Austrittsmasse m_I′ in den Gegenstromkanal 8 einleitet, der sie der Brenneinrichtung 4 zuführt, in der die Masse m_I′ durch die Zündvorrichtung 17 aufgeheizt und als Heißgasmasse m_h der Trommelturbine 5 zugeführt wird (hierzu auch Fig. 4), in der ihr Arbeits­ potential in Drehbewegung umgeformt wird, die dem Antrieb der Laufwalze 6 dient. Für diesen Vorgang wurde die erste Eintrittsmasse m_┬ verwandt, die sich als Teil der Zuström­ masse m_z darstellt, deren anderes Teil, die Eintrittsmasse m_II den Beschaufelungsabschnitt II mit dem Innenleit­ körper 12 als Austrittsmasse m_II′ durchströmt.

Fig. 3 zeigt den Teilschnitt A, B-C durch den Teil­ bereich F gemäß Fig. 2, wodurch die Anordnung der Schub­ erzeugungseinheiten 3 im Triebwerksgehäuse 13 zwischen der äußeren w_a und inneren Raumbegrenzung w_i erkennbar wird. Dabei ist w_a mit der Außenwand des Turbotriebwerks 1 durch die Rippen 19 verbunden und bildet dadurch die Luftführung 18 der Zuströmmasse m_z für die Laufwalzen 6, wobei jeweils zwei Laufwalzen einen durch Pfeile gekennzeichneten gegen­ sätzlichen Drehsinn n haben, der sie befähigt, die durch die Zunge 15 geteilte Gebläseluft, wie schon bei Fig. 2 beschrieben, mit Hilfe der Innenleitkörper 11 in alle Gegenstromkanäle 8 zu lenken (durch Pfeile angedeutet). Auf die Gasableitungskanäle 16 und den Schubkanal 20 wird bei der Beschreibung der Fig. 4 Bezug genommen.

Fig. 4 zeigt die Abwicklung der ringförmig angeordne­ ten Schuberzeugereinheiten 3, wie sie sich aus dem Teil­ schnitt A, B-C der Fig. 3 darstellen, als eine Ansicht parallel zur Ebene der Mittelachse des Turbotriebwerks 1. Die gewählte Darstellung erläutert den Aufbau des Trieb­ werksgehäuses 13, das zum einen aus dem Ringraum R_B der Brenneinrichtung 4 mit der Lufteintrittsöffnung E_B besteht, durch welche die vom Tangentialgebläse kommende Austrittsmasse m_I′, die durch die Lufteintrittsöffnung E_G in den Gegenstromkanal 8 einströmt, in den Ringraum R_B der Brenneinrichtung 4 eintritt und nach Brennstoffzufüh­ rung und Aufheizung mittels der in der äußeren Trennwand T_a befindlichen Zündeinrichtungen 17 als Heißgasmasse m_h durch die Öffnungen D der mittleren Trennwand T_m axial in die Trommelturbinen 5 eintritt. Diese werden von der Abgasmasse m_a in radialer Richtung verlassen, um in den Gassammelraum G_T und von dort in die Gasableitungskanäle 16 einzuströmen, von wo sie in den Schubkanal 20 gelangen (siehe hierzu Hauptanmeldung P 40 12 103.8-13, insbeson­ dere Fig. 3). Die innere Trennwand T_i trägt die Verbund­ scheiben 9, mit denen die Laufwalzen 3 und die Trommel­ turbinen 5 drehfest verbunden sind sowie deren Hauptlager 10 (siehe hierzu auch Fig. 2).

Das vorstehend beschriebene bevorzugte Beispiel einer ringförmigen Anordnung der Bauelemente schließt die Anwendung der Erfindung bei anderen Ausführungsformen nicht aus, z. B. bei dem in der Zusatzanmeldung P 41 11 396.9 beschriebenen Turbotriebwerk mit rechteckigem Querschnitt.

Claims (5)

1. Turbotriebwerk für Hyperschallfluggeräte, umfassend einen Gaserzeuger mit Axialverdichter, Brenneinrich­ tung sowie zugeordneter Antriebsturbine, ferner einer Leistungsturbine mit gekuppeltem Tangentialgebläse, weiter umfassend Lufteintritts- und Gasaustrittsteile, die front- und heckseitig an einem umhüllenden, mit Nachbrenneinrichtung versehenen zylindrischen Strö­ mungsrohr befestigt sind, in dem ein Basistriebwerk mit seinem Gaserzeuger beabstandet untergebracht ist, wobei dieses Basistriebwerk einen zentral angeordneten front- und heckseitig offenen Schubkanal umfaßt, der von mehreren, gleichmäßig auf seinem äußeren Umfang verteilten Gaserzeugern umgeben ist, deren Leistungs­ turbinen in axialer Bauart oder als Trommelturbine ausgebildet sind und die stromabwärts mit den Lauf­ walzen eines Tangentialgebläses verbunden sind, daß weiterhin den Leistungsturbinen ein ringförmiger Gas­ sammelraum nachgeschaltet ist, nach Patenthauptanmel­ dung P 40 12 103.8-13 in Verbindung mit der Zusatz­ anmeldung P 41 13 976.3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Beschaufelungsabschnitt (I) der Laufwalze (6) mit der Brenneinrichtung (4) durch einen Gegen­ stromkanal (8) verbunden ist, den die erste Austritts­ masse (m_I′) durchströmt, die ihrerseits in der Brenn­ einrichtung (4) aufgeheizt wird und als (m_h) unmittel­ bar in die Trommelturbine (5) einströmt, die weiter­ hin mit der Laufwalze (6) kraftschlüssig mittels einer das Hauptlager (10) tragenden Verbindungsscheibe (9) gekuppelt ist.

2. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zunge (15) des Gegenstromkanals (8) die Zuström­ masse (m_z) in eine erste (m_I) und eine zweite Ein­ trittsmasse (m_II), bzw. in eine erste (m_I′) und eine zweite Austrittsmasse (m_II′) aufteilt.

3. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei in den Gegenstromkanal (8) fördernde Laufwalzen (6) gegensätzliche Drehsinn (n) aufweisen.

4. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (11) und ein zweiter Innenleitkörper (12) unabhängig voneinander verdrehbar sind.

5. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung D auch als Leitapparat (7) ausgebildet sein kann, der eine entsprechende Beschaufelung trägt (zeichnerisch nicht dargestellt).