DE4129357A1 - Tangentialgeblaese fuer turbotriebwerke - Google Patents

Description

Die im folgenden erläuterte Erfindung bezieht sich auf ein Tangentialgebläse für Turbotriebwerke, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gemäß der Hauptanmeldung P 41 21 995.3 beschrieben ist.

Der wesentliche Vorteil der Hauptanmeldung besteht in der Möglichkeit, das Tangentialgebläse als axial arbeitende Strömungsmaschine für den Flugzeugantrieb verwenden zu können, wobei die Abgase des Gaserzeugers als Impulsmasse für die axiale Beschleunigung der das Tangentialgebläse verlassenden Luftmenge zusätzlich benutzt werden.

Um darüber hinaus eine weitere Steigerung der Schubkraft zu erreichen, wird vorgeschlagen, austrittsseitig in den Strömungskanal ein Axialgebläse anzuordnen, oder aber ein übliches Turbotriebwerk mit Axialgebläse nachzuschalten.

In der Zeitschrift "Flug Revue" 3/1991, insbesondere auf Seite 42 unten links wird im Längsschnitt ein Turbo­ triebwerk der letztgenannten Bauart dargestellt. Das in dem Strömungskanal eingebaute einstufige Axialgebläse befindet sich dabei unmittelbar hinter dem Triebwerksluft­ eintritt und wird von der Niederdruckturbine des Gaserzeu­ gers angetrieben.

Turbotriebwerke dieser Bauart haben bezüglich ihrer Bau­ komponenten einen Entwicklungshöchststand erreicht, sie sind jedoch ausnahmslos mit dem Nachteil behaftet, daß sie die Außenluft unmittelbar ansaugen, daß also die Schaufelblätter des Axialgebläses unmittelbar von der Um­ gebungsluft beaufschlagt werden. Dies führt zu einer aero­ dynamischen Empfindlichkeit gegenüber Scherwinden sowie bei Schräganströmung der Schaufeleintrittskanten und be­ deutet somit eine Flugunsicherheit. Der Luftzustand im Triebwerkseinlauf, unter Einbeziehung der Fluggeschwindigkeit, bestimmt bekanntlich die Höhe des Austrittsdruckes der angesaugten Luftmasse nach der Vergrößerung ihrer Arbeitsfähigkeit beim Durchfluß durch die Gebläsebeschaufelung, deren Außendurchmesser hinsicht­ lich der am Beschaufelungsumfang herrschenden Strömungs­ machzahl dadurch begrenzt wird, daß eine geforderte Geräuschabstrahlung nicht zu überschreiten ist.

Wenn man jetzt voraussetzt, daß konzipierte und vorhandene Turbotriebwerke dieser Kategorie optimal ausgelegt sind, so ist bei diesen Triebwerken die Grenze ihrer Weiterent­ wicklung erreicht, denn weder die Druckhöhe hinter dem Axialgebläse ist zu steigern noch der Gebläsedurchmesser zum Zwecke der Durchsatzerhöhung zu vergrößern.

Daher ist es das Ziel der Erfindung, die Weiterbildung des Tangentialgebläses in der Weise vorzunehmen, daß bei Turbotriebwerken der Schubmassendurchsatz ihres Axialge­ bläses bei gleichzeitiger Druckerhöhung gesteigert wird, ohne daß eine Vergrößerung des Gebläsedurchmessers erfor­ derlich ist.

Dieses Ziel wird durch die im Patentanspruch 1 dargeleg­ ten Merkmale erreicht.

Der wesentliche Vorteil des mit Fig. 1 dargestellten Tur­ botriebwerks ist die Druckerhöhung des aus dem Tangential­ gebläse austretenden Massenstroms mittels eines im Heck­ teil des Strömungskanals angeordneten Axialgebläses, das gleichzeitig als Impulsgeber wirksam ist, um den Massen­ strom in die Schubstrahlrichtung zu lenken und zu be­ schleunigen.

Die Aufheizung der im Strömungskanal befindlichen Schub­ masse durch den Impuls der Abgase des Gaserzeugers, wie es in der Grundanmeldung beschrieben ist, wäre bei dieser Ausführung hinsichtlich der Anströmung des Heckgebläses nicht sinnvoll.

Die Abgasmasse des Gaserzeugers wird daher in einen den Strömungskanal umfassenden Abgaskanal gelenkt, in den heckseitig eine Spitzenturbine hineinragt, die ein inte­ griertes Teil mit der Austrittsstufe darstellt. Hierdurch wird die üblicherweise verlorene Restenergie der die Lei­ stungsturbine verlassenden Arbeitsluftmasse weitgehend in der Austrittsstufe verarbeitet. Dieser Vorgang kommt der Energieausnutzung in einem Wärmetauscher gleich, der bei Turbotriebwerken für den Flugbetrieb durch seinen er­ heblichen Bauaufwand nicht zweckmäßig sein würde. Die von der Abgasspitzenturbine an die Austrittsstufe ab­ gegebene Energie trägt somit zur weiteren Druckerhöhung der Schubmasse bei.

Von Vorteil ist ferner die Absaugung der Grenzschicht aus dem Strömungskanal in den Abgaskanal durch die im Mantel angeordneten Absaugbohrungen. Dies wird durch die im Abgas­ kanal aufgrund der Spitzenturbine vorhandene höhere Strö­ mungsgeschwindigkeit gegenüber derjenigen im Strömungska­ nal bewirkt, in dem eine verzögerte Strömung herrscht.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausgestaltung des Tangential­ gebläses erlaubt die Verwendung vorhandener Triebwerks­ konzepte als Hecktriebwerk, mit dem Vorteil, daß das schuberzeugende Axialgebläse von einem höheren Energie­ Niveau beaufschlagt wird, als es üblicherweise die Umge­ bungsluft aufweist. Hierdurch ist bei gleichem Gebläse­ durchmesser ein größerer Massendurchsatz mit höherem Druck erzielbar und dazu kann die Drehzahl wegen der an der Blattspitze veränderten Strömungsverhältnisse herauf­ gesetzt werden, wodurch eine bessere Anpassung an die Niederdruckturbine möglich ist, die dadurch in den Bereich eines besseren Wirkungsgrades kommt. Die Gestaltung des Lufteintritts zwischen Außenmantel und Strömungsglocke erlaubt den Fortfall der in der Grundan­ meldung benötigten koaxialen Eintrittsleitschaufeln, wo­ durch der Strömungswiderstand verkleinert wird.

Beide als Beispiel in den Fig. 1 und 2 dargestellten Turbotriebwerke mit Tangentialgebläse haben den Vorteil eines geringeren Flugwiderstands hinsichtlich der Gebläse­ schaufeln, da bei größerem Durchsatz auf eine Schaufelrad­ vergrößerung verzichtet werden kann, denn gemäß Fig. 3 ist der Austrittszustand des Tangentialgebläses gleich­ zeitig Eintrittsparameter des Heckgebläses. Dadurch wird eine geringere Strömungsmachzahl an der Blatt­ spitze, verbunden mit verminderter Lärmabstrahlung erreicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich­ nungen dargestellten zwei Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.

Dabei zeigt in schematischer Darstellung:

Fig. 1 den axialen Längsschnitt des Tangential­ gebläses im Zusammenbau mit einem Turbo­ fronttriebwerk und angeschlossenem Heck­ gebläse.

Fig. 2 den axialen Längsschnitt des Tangential­ gebläses im Zusammenbau mit einem Turbo­ hecktriebwerk. Teilweise in Ansicht.

Fig. 3 das Luftzustandsdiagramm von Tangential- und Heckgebläse.

Fig. 1 zeigt das von einem Turbofronttriebwerk 2 ange­ triebene Tangentialgebläse 1 in dem ihn umgebenden Strö­ mungskanal 16 in dem austrittsseitig ein Heckgebläse 5 angeordnet ist, das kraftschlüssig mit der ersten Stufe 6 einer dreistufigen Leistungsturbine 17 über die durch das Kernrohr 13 verlaufende Antriebswelle 9 in Verbindung steht, deren Lagerung 18 sich auf dem 1. Lagerträger 14 befindet, der mittels des Vorleitrades 11 mit dem Mantel 27 fest verbunden ist. Weiter stromabwärts ist die Aus­ trittsstufe 25 angeordnet, die von der integrierten Ab­ gasspitzenturbine 24 angetrieben wird. Diese befindet sich im Austrittsbereich Q des den Strömungskanal 16 ringförmig umfassenden Abgaskanals 23, in den frontsei­ tig die abgasführenden Hohlrippen 10 einmünden. Die Austrittsstufe 25 sowie die Abgasspitzenturbine 24 sind gemeinsam mit dem Lager 21 am 2. Lagerträger 22 be­ festigt, der über das Austrittsgitter 42 mit dem Gebläse­ stator 48 (nicht gezeichnet) in Verbindung steht.

Der Mantel 27 des Strömungskanals 16 ist mit Grenzschicht- Absaugbohrungen 28 versehen, die in den Abgaskanal 23 ein­ münden, der nach außen hin von der Kanalwand 49 begrenzt wird, die mit dem Gebläsestator 48 fest verbunden ist. Die heckseitige Laufscheibe 44 bzw. die hintere Stirn­ platte 46 des Trommelläufers 3 bzw. des Innenrotors 4 sind über die Lagerungen 20 bzw. 19 mit dem 1. Lagerträger 14 verbunden. Die Lagerungen der frontseitigen Laufschei­ be 43 bzw. der vorderen Stirnplatte 45 erfolgen über die Turbinenlager der 2. Stufe 7 bzw. der 3. Stufe 8 des Gas­ erzeugers 15.

Fig. 2 zeigt das von einem Turbohecktriebwerk 26 ange­ triebene Tangentialgebläse 1, dessen Trommelläufer 3 von der inneren Hohlwelle 31 der Niederdruckturbine 29 und dessen Innenrotor 4 von der Zentralwelle 33 angetrieben werden. Die äußere Hohlwelle 30 ist dabei mit dem Heck­ gebläse 5 verbunden, das im Strömungskanal 16 angeordnet ist, der durch den Außenmantel 40 begrenzt wird, über den das Hecktriebwerk 26 mittels des Heckgitters 41 fest mit dem Gebläsestator 48 verbunden ist. An den Außenmantel 40 ist ebenfalls die Strömungsglocke 35 durch das profilier­ te Frontgitter 34 schwingungsfest angeschlossen.

Die heckseitige Laufscheibe 44 des Trommelläufers 3 trägt die Lagerung 20, die ebenso wie die Lagerung 18 des Heck­ gebläses 5 auf dem Lagerträger 14 angebracht ist, der über das Vorleitrad 11 mit dem Außenmantel 40 fest ver­ bunden ist.

Die frontseitige Laufscheibe 43 ist auf dem vorderen La­ gerbock mit der Lagerung 37 fixiert, während die vordere Stirnplatte 45 des Innenrotors 4 mit dem Lagerkonus 47 gekoppelt ist, der zum einen auf dem vorderen Lagerbock 38 mit der Lagerung 36 verschiebbar zentriert ist und zum anderen auf dem hinteren Lagerbock 39 mit dem Stütz­ lager 12 befestigt ist.

Fig. 3 zeigt ein Luftzustandsdiagramm mit der Zusammenschaltung eines Tangentialgebläses 1 im linken ψ; ϕ Achsenkreuz, mit einem Heckgebläse 5 im rechten i; s Achsenkreuz.

Die Drosselkurve D stellt eine mögliche Kennlinie des Tangentialgebläses 1 dar, aufgetragen als Parameter in einem ψ; ϕ Achsenkreuz, also in der Zuordnung der Druckziffer zur Durchflußziffer. Die Schnittpunkte D_S und D_D der Kennlinie D mit den Widerstandskurven konstanter Drosselung (ϕ² ψ^-1)_I sowie (ϕ² ψ^-1)_II mit den Koordinaten ψ_S, ϕ_s bzw. ψ_D, ϕ_D werden von den Luftzustandsebenen E bzw. E* geschnitten, die parallel zur Abzisse verlaufen. Die Ebene E stellt dabei den Luftzustand vor dem Tangentialgebläse 1 dar und bildet einen Schnittpunkt mit der Druckkurve p_S des Enthalpie-Entropie-Diagramms mit den Koordinaten i_S, s_S. Die durch diesen Punkt laufende adiabate Isentrope s_a schneidet bei i_a, s_S die Druckkurve p_D, die bei i_D von der Luftzustandsebene des Tangentialgebläses 1 mit der Bezeichnung E* geschnitten wird. Dieser Schnittpunkt ergibt den Enddruck Δp = p_D-p_S des Tangentialgebläses 1 und damit den Eintrittszustand vor dem Heckgebläse 5 mit der Luftdichte Δρ_T = ρ₂-ρ₁. Die durch i_D gehende adiabate Isentrope s′_a trifft danach bei i′_a die Druckkurve p′_D, deren Schnittpunkt mit s′_D als i′_D bezeichnet wird und den Enddruck Δp′ = p′_D-p_S bzw. die Dichte Δρ_H = ρ₃-ρ₁ des Heckgebläses 5 dargestellt, wobei die Luftdichte sich aus den Kurven ρ an den entsprechenden Zustandspunkten ergibt.

Claims (3)

1. Tangentialgebläse für Turbotriebwerke, umfassend einen beschaufelten Trommelläufer, der mit einer Stufe der mehrstufigen Leistungsturbine eines Gaserzeugers ver­ bunden ist und einen mit der anderen Stufe gekuppelten Innenrotor mit entgegengesetztem Drehsinn besitzt, wo­ bei der Trommelläufer mit einem zu ihm koaxial angeord­ neten Strömungskanal durch frontseitig angebrachte Hohlrippen beabstandet umgeben ist und der Innenrotor aus mehreren, um gleichmäßige Winkelgrade zueinander versetzten Normalschnitten besteht, die ein Laufschaufelsegment und zwei Verdrängerkörper sowie ein gemein­ sames Kernrohr umfassen und einen Steigungswinkel bil­ den, unter dem auch die Beschaufelung des Trommelläu­ fers ausgebildet ist, weiterumfassend eine front- und eine heckseitige Laufscheibe des Trommelläufers sowie eine vordere bzw. hintere Stirnplatte des Innenrotors, nach Patentanmeldung P 41 21 995.3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strömungskanal (16) des Tangentialgebläses (1) ein Heckgebläse (5) angeordnet ist, dem eine Austrittsstu­ fe (25) mit integrierter Abgasspitzenturbine (24) nach­ geschaltet ist, die sich im Austrittsbereich (Q) eines ringförmigen Abgaskanals (23) befindet, in den die ab­ gasführenden Hohlrippen (10) einmünden und der den Strö­ mungskanal (16) vollumfänglich umfaßt, daß ferner eine Antriebswelle (9) für das Heckgebläse (5), die sich heckseitig auf dem ersten Lagerträger (14) abstützt, durch das Kernrohr (13) hindurchgeführt wird und daß an das Austrittsgitter (42) der zweite Lagerträger (22) für die Austrittsstufe (25) angebracht ist, daß weiterhin der Mantel (27) des Strömungskanals (16) im Bereich des Tangentialgebläses (1) mit Absaugbohrungen (28) ausge­ stattet ist.

2. Tangentialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Tangentialgebläse (1) als auch das Heck­ gebläse (5) durch die Niederdruckturbine (29) eines Turbohecktriebwerks (26) mittels einer inneren (31) und einer äußeren Hohlwelle (30) sowie einer Zentral­ welle (33) angetrieben werden, die sich im Mittenbe­ reich des Turbohecktriebwerks (26) befinden, daß ferner die frontseitige Lagerung (12, 36-39) des Tangential­ gebläses (1) in einer mit dem Außenmantel (40) durch ein profiliertes Frontgitter (34) fest verbundenen Strömungsglocke (35) angeordnet ist, daß weiterhin das Turbohecktriebwerk (26) über das Heckgitter (41) fest mit dem Außenmantel (40) verankert ist.

3. Tangentialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftzustand (D_D)am Austritt aus dem Tangentialge­ bläse (1) demjenigen im Schnittpunkt der Enthalpie (i_D) mit der Entropie (s′_a) auf der Druckkurve (p_D) entspricht und dabei den Luftverhältnissen auf der Zustandsebene E* vor dem Heckgebläse (5) gleichzusetzen ist, dessen Enddruck (p′_D) damit im Schnittpunkt (i′_D) mit (s′_D) zu finden ist.