DE4321175A1 - Meridianverdichter mit integriertem 2-Kreis-Fan für Turbo-Gasgeneratoren zum Antrieb von Flugzeugen und Orbital-Trägerstufen - Google Patents

Description

Die im folgenden beschriebene Erfindung bezieht sich auf einen Meridianverdichter mit integriertem 2-Kreis-Fan für Turbo-Gasgeneratoren zum Antrieb von Flugzeugen und Orbital- Trägerstufen, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.

Die Erfindung stellt sich als Weiterbildung eines Tangen­ tialgebläses dar, wie es z. B. aus der DE 42 23 930 A1 vor­ bekannt ist, dessen Vorteil darin besteht, daß die maßge­ benden Parameter des Tangentialgebläses der Berechnung zu­ gänglich werden; und zwar mittels der Anordnung eines Wir­ belelements auf der zentralen Innenleitvorrichtung sowie im Zusammenwirken mit dem zwischen zwei Trommelläufern an­ gebrachten Trommelleitapparat. Durch diese Maßnahme wird ein stetiger Strömungsverlauf erreicht. Als weiterer Vorteil kann angesehen werden, daß sowohl ein rotierendes als auch ein stehendes Saug-Druckfeld erzeug­ bar ist, dessen Vorausberechnung aufgrund des auf der Innen­ leitvorrichtung angeordneten Wirbelelements ermöglicht wird. Die durch das Wirbelelement angefachte Strömung be­ steht jedoch aus einer Kurvenschar, deren Wirkungsrichtung dem Verlauf ihrer unterschiedlichen Krümmung folgt. Bei dieser Anordnung richtet sich die die Innenleitvorrich­ tung passierende Luftmasse nach den Strömungsfäden des durch das Wirbelelement initiierten Wirbels, der seinem Strömungsverlauf entsprechend eine bezüglich der Beschaufe­ lung tangentiale Richtung besitzt. Als Nachteil dieses Vorgangs muß aber gewertet werden, daß insbesondere die Strömungsmasse auf der Außenseite des Wirbels, also auf der dem Wirbelelement gegenüberliegenden Seite, die Beschaufelung örtlich nicht voll anströmt und damit einen Teil der von der Beschaufelung gebildeten Strö­ mungskanäle ungefüllt läßt. Dadurch wird die auf ihren Strahlquerschnitt bezogene Schubmasse gestört abströmen. Dabei kann der gegenüber dem Eintrittszustand hohe dyna­ mische Druck am Gebläseaustritt nur teilweise bei niedri­ gem Reaktionsgrad in statischen Druck umgesetzt werden.

Des weiteren sind meridianbeschleunigte Axialgebläse schon seit langem bekannt. Bei diesen Konstruktionen nehmen die Meridianquerschnitte eines Axialrades in Strömungsrichtung stark ab. (Bruno Eck - Ventilatoren, Seiten 335 u.f., insbes. Abb. 322 und Tabelle 16-5. Auflage 1972, Springer Verlag) Der Vorteil dieser Anordnungen ist darin zu sehen, daß die Strömungsgeschwindigkeiten dabei stärker ansteigen als bei einem üblichen Axialrad. Die Gesamtdruckerhöhung liegt bei diesen Ausführungen an der oberen Grenze der bei vergleich­ baren Gebläsen erzielbaren Größenordnungen. Es werden Δc_u- Werte erreicht, die um das Doppelte höher liegen, jedoch der Wert u/3 wird dabei kaum überschritten.

Bei üblichen Turbofantriebwerken wird die zum Betrieb des Gas­ generators benötigte Luftmasse, in Strömungsrichtung gesehen, hinter dem Fan abgenommen. Dies geschieht in unterschiedlicher Weise: Eine Ausführungsform für Hochleistungs-Turbo-Fan-Triebwerke (Jahrbuch 1992 III der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt, G. Kappler, R. Moore, J. Hourmouziadis, BMW Rolls- Royce GmbH, Seiten 1283 bis 1288) besteht darin, daß die für den Gasgenerator erforderliche Betriebsluftmasse direkt hinter dem Fan in radialer Erstreckung abgenommen wird. Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß die am Fangitteraustritt verzögerte Axialkomponente der Strömung, also das Druckpotential, für den Gasgenerator unmittelbar nutzbar gemacht werden kann. Daß durch diese Ausführung der Austrittsquerschnitt des Fan­ gitters um die Querschnittsfläche des Lufteintritts des Gas­ generators verringert wird, ist allerdings ein Nachteil.

Eine andere Konstruktion ist aus der DE 37 38 703 A1 bekannt. Bei diesem Fantriebwerk liegt der Eintritt für die Betriebs­ luft des Gasgenerators hinter dem Fan auf einer axialen Zylinderebene; und zwar in einem gewissen Abstand vom Fan­ gitteraustritt. Der Vorteil dieser Bauart liegt darin begründet, daß der Schubkanal hinter dem Fan mit vollem Querschnitt zur Verfügung steht. Es ist jedoch unvermeidbar, daß die Eintrittsgeschwindigkeit der Gasgenerator-Betriebsluftmasse die das Fangitter verlas­ sende Strömungs-Axialkomponente beschleunigt, wodurch eine Druckabsenkung erfolgt, die sich auf das Betriebsverhalten des Gasgenerators nachteilig auswirkt.

Beiden Ausführungen gemeinsam ist der Nachteil, daß die Luft­ versorgung des Gasgenerators von dem jeweiligen Betriebsver­ halten des Fangitters abhängig ist und begrenzt wird. In beiden Beispielsfällen wird die für den Flugzeugvortrieb erforderliche Schubmasse um den Massenanteil des Gasgenera­ tors vermindert und damit die Geschwindigkeits- und Druckver­ teilung des Fangitters im Zuströmbereich des Gasgenerators verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Meridianverdichter zu schaffen, bei dem die aufgezeigten Nachteile beseitigt sind; also eine strömungsgerechte Füllung aller Schaufelkanäle erreicht wird sowie eine optimale Erhöhung des statischen Druckes und eine Anhebung des Wirkungsgrades sichergestellt ist und zudem die Luftmassenversorgung des Gasgenerators verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 dargeleg­ ten Merkmale gelöst.

Bei dem beschriebenen Meridianverdichter wird der Magnus- Effekt ausgenutzt, der darauf beruht, daß sich um einen z. B. in Luft rotierenden Kreiszylinder eine stationäre Zir­ kulationsströmung ausbildet. Wird nun diese kreisförmige Strömung von einem Luftstrom quer angeblasen, dann Überla­ gern sich beide Strömungen und es wird eine verlustlose Umleitung der ursprünglichen Querströmung in Drehrichtung des Umlenkzylinders erzielt. Dies ergibt ein unsymmetrisches Strömungsbild, wobei sich nach innen, zur Mitte des Meridian­ verdichters hin, die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und zur Seite der Beschaufelung hin verringert. Hierdurch entstehen Staubereiche, deren Staustromlinien einander entgegenlaufen und bis an die rotierenden Umlenkzylinder heranführen. Dieser Vorgang bewirkt eine strenge Strömungsteilung zwi­ schen der meridianbeschleunigten und -verzögerten Strömung.

Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel ist das durch die Innenwandung des Lufteintrittsteils begrenz­ te Strömungsfeld in vier Bereiche eingeteilt, von denen jeder sowohl eintretende als auch austretende Strömungsvektoren aufweist, die im Druckraum des Lufteintrittsteils Strömungs­ scheitelpunkte bilden, von denen aus ein nochmaliger Verdich­ tungsvorgang, also ein wiederholtes Durchströmen der Verdich­ terbeschaufelung erfolgt. Dieser Vorgang wiederholt sich in der Folge über die gesamte axiale Kreisfläche des Druckraumes verteilt. Dabei bilden die Strömungsscheitelpunkte den isobaren Rück­ kühlungszustand der verdichteten Luftmasse, die sich im Druck­ raum des Lufteintrittsteils mit der ständig zuströmenden Frischluft vermischt. Die durch die so erfolgte Wärmeabfuhr bewirkte Entropieverminderung bedeutet eine Erhöhung des inneren Verdichterwirkungsgrades.

Der beschriebene Meridianverdichter besteht aus zwei zur Ver­ dichtermitte hin beschleunigte und zwei entgegengesetzt ge­ richtet verzögerte Strömungsbereiche, die jeweils gegenüber­ liegend angeordnet sind.

Dabei wirkt entsprechend der Strömungsrichtung entweder der äußere oder der innere Trommelläufer zunächst als Erzeuger von Geschwindigkeitsenergie, die dann in dem nachgeschalteten Trommelleitapparat mit folgendem Trommelläufer in Druckener­ gie umgewandelt wird, wobei für den Gesamtverdichter die Differenz der Umfangskomponenten der Absolut- bzw. Relativ­ geschwindigkeiten Δc_u=Δw_u=4u beträgt. Der Reaktions­ grad ist als Quotient der mittleren Umfangskomponente der Relativgeschwindigkeiten zur Umfangsgeschwindigkeit u/u=1. Das bedeutet, daß theoretisch die gesamte in den Verdichter eingeleitete Energie ρ 4u² in statischen Druck umgesetzt wird. Daraus folgt, daß der Strömungsvektor der in die Ver­ dichterbeschaufelung eintretenden Absolutgeschwindigkeit gleich demjenigen der austretenden ist. (siehe hierzu Fig. 6)

Der Vorteil des erfindungsgemäßen 2-Kreis-Fans ist darin zu sehen, daß sowohl der Luftzustand im 1. Strömungskreis vor dem Gitter der Primärschaufeln als auch derjenige im 2. Strö­ mungskreis vor dem Gitter der Sekundärschaufeln vollkommen unabhängig voneinander und vom jeweiligen Flugzustand sind, so daß bei einer angenommen erforderlichen, zeitlich begrenz­ ten Startschuberhöhung durch Anhebung der Turbinentemperatur und der Drehzahl ein höherer Massendurchsatz im Gasgenerator erzielbar ist. Der 1. und 2. Strömungskreis stehen folglich für die Schub­ masse bzw. Versorgungsluftmasse des Gasgenerators zur Verfügung, ohne daß wirkungsgradmindernde gegenseitige Geschwin­ digkeits- oder Massebeeinflussungen der beiden Strömungskrei­ se untereinander stattfinden.

Der weitere Vorteil besteht darin, daß das allgemein passive Lufteintrittsteil, das üblicherweise lediglich durchströmt wird, bei der beschriebenen Konstruktion ein aktives Bauteil darstellt, in dem der gesamte Antriebsdurchsatz hinsichtlich Geschwindigkeit, Druck und Temperatur für den anschließenden Leistungseinsatz aufbereitet wird. Dies geschieht in der Weise, daß auf den Kreisströmungen des äußeren Trommelläufers durch seine ein- und austretenden Strömungsvektoren Scheitelpunkte gebildet werden, deren Me­ ridiankomponenten Null werden. Die in statischen Druck umge­ setzte Geschwindigkeitsenergie dagegen wird durch die von den Sekundärschaufeln im 2. Strömungskreis erzeugte Translationsströmung überlagert, wobei der Vorleitapparat eine axiale Geschwindigkeitskomponente bewirkt, mit der wiederum die Se­ kundärschaufeln beaufschlagt werden. Zum anderen wird gleichzeitig ein auf die Scheitelpunkte be­ zogener Energieanteil von der durch die Primärschaufeln be­ wirkte Translationsströmung überlagert und im 1. Strömungs­ kreis als Axialkomponente ausgebildet, mit der die erforder­ liche Luftmasse dem Gasgenerator zugeführt wird. (s. Fig. 1)

Die wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Turbo- Fan-Triebwerken besteht zusammengefaßt erfindungsgemäß darin, daß im Lufteintrittsteil mittels des Meridianverdichters eine Erhöhung des statischen Druckes im 1. und 2. Strömungskreis des 2-Kreis-Fans durch eine vorausbestimmbare Verzögerung des gesamten Massendurchsatzes erzielt wird. Damit steht für die Gitter sowohl der Primär- als auch der Sekundärschaufeln ein für jeden Strömungskreis separater, exakt bemessener Massendurchsatz ohne gegenseitige Einfluß­ nahme auf den unterschiedlichen Energiebedarf zur Verfügung. (siehe hierzu Fig. 7)

Die Funktionsweise der Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels detail­ liert erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen axialen Halbschnitt des Meridian­ verdichters mit integriertem 2-Kreis-Fan und angedeutetem nachgeschalteten Gasgene­ rator sowie Fig. 1.1.

Fig. 2 die Ansicht A auf das Gitter der Primär­ schaufeln und den 1. Strömungskreis gemäß Fig. 1, bei entfernter äußerer Wandung, sowie das Geschwindigkeits­ dreieck Fig. 2.1.

Fig. 3 die Ansicht in Blickrichtung B-B auf das heckseitige Gehäuse der Innenleitvor­ richtung gemäß Fig. 1.

Fig. 4 die Ansicht in Blickrichtung C-C auf das frontseitige Gehäuse der Innenleitvor­ richtung gemäß Fig. 1.

Fig. 5 einen ebenenversetzten Querschnitt D-D durch den Meridianverdichter gemäß Fig. 1, teilweise ausgebrochen.

Fig. 6 mit 6.1 und 6.2 den Ausschnitt G der abge­ wickelten Lauf- und Leitgitter gemäß Fig. 5 mit Geschwindigkeitsdreiecken.

Fig. 7 das Enthalpie-Entropiediagramm des Meridian­ verdichters gemäß Fig. 1 mit der Gesamtskizze des Turbo-Fan-Triebwerks Fig. 7.1.

Der mit Fig. 1 im Halbschnitt dargestellte Meridianver­ dichter 2 besteht aus dem äußeren Trommelläufer 3 mit seiner Antriebswelle 5, weiterhin dem inneren Trommelläufer 4 mit der angeschlossenen Antriebswelle 6. Zwischen den beiden Trommelläufern 3 und 4 befindet sich der stillstehende Trom­ melleitapparat 7, der mit dem frontseitigen Feststell- und Justiergerät 49 gekuppelt ist, das seinerseits eine kraft­ schlüssige Verbindung mit dem Verdränger 44 besitzt sowie mittels der Zahnwelle 51 an die Innenleitvorrichtung 8 ange­ schlossen ist, die zusammen mit vorgenannten Bauteilen zwi­ schen der frontseitigen, über den Verdränger 44 und die 1. Rippen 42 an das Lufteintrittsteil 14 angeschlossenen, aus 4 Elementen bestehenden Lageranordnung 40 sowie der über die 2. Rippen 43 mit dem Schubkanal 48 verbundenen heckseitigen, aus 5 Elementen bestehenden Lageranordnung 41 zentriert ist. Auf der letzteren sind gleichzeitig auch alle Bauteile des 2-Kreis-Fans 13 gelagert, indem der ringförmige Antriebskör­ per 35, der mit der 4. Antriebswelle 21 gekuppelt ist, die verdrehbaren Zugschäfte 39 aufnimmt, die den 1. Strömungs­ kreis 18 durchdringen, dessen innere Wandung 36 mit dem An­ triebskörper 35 lösbar verbunden ist, während die äußere, ebenfalls ringförmige Wandung 17 auf den Zugschäften 39 zen­ triert ist und mit diesen rotiert. Die Zugschäfte 39 bilden darüber hinaus eine Einheit mit den verstellbaren, im 2. Strö­ mungskreis 33 angeordneten Sekundärschaufeln 34. Die Primär­ schaufeln 20 befinden sich dabei zwischen der äußeren und in­ neren Wandung 17 bzw. 36 und sind jeweils auf die Zugschäfte 39 aufgesteckt, hinsichtlich der Sekundärschaufeln 34 jedoch unabhängig von diesen verstellbar. Der verdrehbare Vorleitap­ parat 19 befindet sich gegen Strömungsrichtung axial beabstan­ det zum 2-Kreis-Fan 13; und zwar mit dem radialen Zwischenraum Z zur äußeren Wandung 17. Das Lufteintrittsteil 14 und der Schubkanal 48 sind dabei lös­ bar miteinander verbunden, wobei letzterer über die 2. Rippen 43 den Anschluß zum Gasgenerator 1 herstellt. Der Strömungsraum des Lufteintrittsteils 14 vor dem Vorleitap­ parat 19 bildet den Druckraum 22, in dem sich die Strömungs­ scheitelpunkte i* befinden, deren Meridiankomponenten c_1m und c_8m sich gegenseitig aufheben (hierzu Fig. 5), die jedoch über­ lagert werden von den Translationsgeschwindigkeiten v_T=v_T′ +v_T′′, die zum einen von den Primärschaufeln 20 durch den 1. Strömungskreis 18 in Richtung des nachgeschalteten Gasgene­ rators 1 und zum anderen von den Sekundärschaufeln 34 durch den 2. Strömungskreis 33 in den Schubkanal 48 gelenkt werden. Dieser Vorgang erfolgt unter Verzögerung der Ansaugluftmasse M_A=M_S+M_V, wobei sowohl die Schubmasse M_S als auch die Ver­ sorgungsluftmasse M_V für den Gasgenerator 1 bereits vor dem 2-Kreis-Fan 13 in einen 1. und einen 2. Strömungskreis durch die Wandung 17 getrennt werden. Das Geschwindigkeitsdreieck Fig. 1.1 kennzeichnet dabei die axiale Strömungskomponente c′′, mit der die Schubmasse M_S in den Schubkanal 48 eintritt. Initiiert wird die Translationsgeschwindigkeit v_T′ von den Primärschaufeln 20 sowie analog dazu v_T′′ von den Sekundär­ schaufeln 34.

Fig. 2 zeigt nach Anspruch 7 in Blickrichtung A bei ent­ fernter äußerer Wandung (17) zwischen jeweils 2 Primärschau­ feln (20) die Zugschäfte (39) mit den aufgesteckten und frei beweglichen Schaufelfahnen (52), die sich in eine Strömungs­ richtung stellen, die von dem Gitter der Primärschaufeln (20) mittels der Verstelldorne 53 vorgegeben wird. Fig. 2.1 zeigt die axiale Abströmungskomponente c′ zum Gasgenerator 1.

Fig. 3 zeigt die Ansicht des heckseitigen Gehäuses 27 der Innenleitvorrichtung 8 in Blickrichtung B-B. Die beiden auf dem Teilkreisdurchmesser d sich gegenüberlie­ genden Umlenkzylinder 15 _I und 15 _II werden von der 1. Antriebs­ welle 16 über das strichpunktierte, aus drei Elementen beste­ hende Zahnradvorgelege 29 _1,2,3 mit gleichem Drehsinn s′ an­ getrieben. Die beiden dazu unter 90° versetzten Umlenkzylin­ der 15 _III und 15 _IV rotieren mit dem entgegengesetzten Dreh­ sinn s′′ (hierzu auch Fig. 4). Die letzteren sind jedoch in dem Gehäuse 27 lediglich drehbar gelagert.

Fig. 4 zeigt die Ansicht des frontseitigen Gehäuses 28 der Innenleitvorrichtung 8 in Blickrichtung C-C. Die beiden auf dem Teilkreisdurchmesser d sich gegenüberste­ henden Umlenkzylinder 15 _III und 15 _IV werden durch den Umlenk­ zylinder 15 _I angetrieben. Dessen Drehsinn s′ wird durch das strichpunktierte, aus 6 Elementen bestehende Zahnradvorgelege 30 umgekehrt, denn dieses vermittelt den beiden Umlenkzylin­ dern 15 _III und 15 _IV mit den Kombinationen 30 _1,2,3,4 bzw. 30_{1,2,3′,4′} einen entgegengesetzten, gemeinsamen Drehsinn s′′, wobei der Umlenkzylinder 15 _II in dem Gehäuse 28 lediglich drehbar gelagert ist.

Fig. 5 zeigt den in Strömungsrichtung gesehenen Quer­ schnitt D-D durch den Meridianverdichter 2 gemäß Fig. 1. Der Schnitt verläuft zwischen den verstellbaren Sekundärschau­ feln 34 und dem verstellbaren Vorleitapparat 19 durch den 2. Strömungskreis 33 des 2-Kreis-Fans 13. Er schneidet sodann den 1. Strömungskreis 18, so daß die verstellbaren Primär­ schaufeln 20 zwischen der äußeren Wandung 17 und der inneren Wandung 36 erkennbar werden. Der Schnitt versetzt sich nun ge­ gen Strömungsrichtung und verläuft orthogonal durch den äußeren Trommelläufer 3 mit seinen 1. Laufschaufeln 9. Hierauf wird der Trommelleitapparat 7 geschnitten, der aus zwei sich gegenüberliegenden 90°-Beschaufelungssegmenten 23 besteht sowie dazu unter 90° versetzt zwei weitere 90°-Be­ schaufelungssegmente 24 besitzt, die durch vier Bereichs­ achsen W_I-W_IV voneinander getrennt werden. Sodann trifft der Schnitt auf den inneren Trommelläufer 4 mit seinen 2. Laufschaufeln 10, um daraufhin die vier Umlenkzylinder 15 _I bis 15 _IV der Innenleitvorrichtung 8 zu schneiden. Dieser Darstellung kann der generelle Strömungsverlauf ent­ nommen werden, der zum einen zwischen den Umlenkzylindern 15 _II und 15 _III sowie 15 _I und 15 _IV meridian beschleunigt ver­ läuft und zum anderen zwischen den Umlenkzylindern 15 _I und 15 _III sowie 15 _II und 15 _IV meridian verzögert wird. Der radiale Abstand zwischen dem äußeren Trommelläufer 3 und der inneren Wandung des Lufteintrittsteils 14 bildet den Druckraum 22, in dem sich die Strömungsscheitelpunkte i* befinden, die von den in die 1. Laufschaufeln 9 des äußeren Trommelläufers 3 eintretenden Strömungsvektoren c₁ sowie den austretenden c₈ durch Oberlagerung mit den 2. Kreis­ strömungen K₂ gebildet werden. Diese haben den Drehsinn s₁ des erzeugenden äußeren Trommelläufers 3 und sind dem Dreh­ sinn s₂ des inneren Trommelläufers 4 entgegengesetzt gerich­ tet. Die Größenordnungen der Vektoren der Eintritts- sowie Aus­ trittsgeschwindigkeiten sind gleich, c₁=c₈. Somit sind auch die Vektoren ihrer Meridiangeschwindigkeiten von glei­ cher Größenordnung, jedoch entgegengesetzt gerichtet, so daß für die Strömungsscheitelpunkte i* die Differenz c_1m minus c_8m gleich Null gilt.

Fig. 6 zeigt den Ausschnitt G mit der abgewickelten Verdichterbeschaufelung. Der äußere Trommelläufer 3 besitzt die Umfangsgeschwindigkeit u₁ mit dem Drehsinn s₁ und den 1. Laufschaufeln 9. Im Anschluß daran ist der stillstehende Trommelleitapparat 7 angeordnet, der von der Bereichsachse W_II aus nach rechts zunächst die Kaskadenschaufel 31 auf­ weist und sodann die Leitschaufeln 11 aufnimmt. Nach links sind analog dazu die Kaskadenschaufel 32 mit den folgenden Leitschaufeln 12 angebracht. Hierauf folgt der innere Trom­ melläufer 4 mit den 2. Laufschaufeln 10 und der Umfangsgeschwindigkeit u₂ sowie dem Drehsinn s₂. Die Bereichsachse W_II bildet weiterhin die radiale Mittellinie für den auf dem Teilkreisdurchmesser d₃ liegenden Umlenkzylinder 15 _II. Rechts der Bereichsachse W_II wirkt nun die beschleunigte Meridianströmung c_1m-c_4m mit ihren Geschwindigkeitsvek­ toren, die den meridianbeschleunigten Geschwindigkeitsver­ lauf kennzeichnen. c_1m entspricht dem Vektor der Absolut­ geschwindigkeit c₁ am Eintritt zu den Laufschaufeln 9 mit den Vektoren der Umfangsgeschwindigkeit u₁ und der Relativ­ geschwindigkeit w₁.

c_2m bezieht sich auf die Absolutgeschwindigkeit c₂ mit der die Leitschaufeln 11 beaufschlagt werden, unter Einwirkung von w₂ und u₁. Dabei ist w₁<w₂. Dies ist eine beabsichtig­ te Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit, die in den Leit­ schaufeln 11 in statischen Druck umgesetzt wird, denn c_3m≡ c₃<c₂. Hieraus resultiert die Relativgeschwindigkeit w₃ als Eintrittsvektor in die 2. Laufschaufeln 10, die mit c_4m≡w₄<w₃ wieder verlassen werden, wodurch eine weitere Steigerung des statischen Druckes erfolgt. Mit der Absolut­ geschwindigkeit c₄ wird dann der Umlenkzylinder 15 _II ange­ strömt und überlagert dessen Kreisströmungen K₁, wobei die daraus resultierende Strömung S′_r zur Maschinenmitte hin be­ schleunigt und zur Seite der 2. Laufschaufeln 10 verzö­ gert wird. Hierdurch entsteht die Zuströmstaugrenze 25, die sich mit der Bereichsachse W_II am Außenmantel des Umlenkzy­ linders 15 _II vereinigt und als Abströmstaugrenze 26 wieder verläßt. Die daraus resultierende Strömung S_r bildet dann den Absolutvektor c₅ mit c_5m≡w₅. Mit dieser Relativge­ schwindigkeit werden links der Bereichsachse W_II die 2. Lauf­ schaufeln beaufschlagt, die mit w₆<w₅ beschleunigt durch­ strömt werden. Von c_5m bis c_8m wird nun die Meridianströmung ständig verzögert; und zwar analog zur beschleunigten Meri­ dianströmung im Verhältnis des inneren Durchmessers d₂ der 2. Laufschaufeln 10 zum äußeren Durchmesser d₁ der 1. Lauf­ schaufeln 9. Folglich ist c_5m<c_6m, das den Absolutvektor c₆ kennzeich­ net, mit dem die Leitschaufeln 12 angeströmt werden, um aus diesen mit c₇<c₆ unter Erhöhung des statischen Druckes wieder auszutreten. Die Meridiangeschwindigkeit c_7m ent­ spricht der Absolutgeschwindigkeit c₇, die mit der Umfangs­ geschwindigkeit u₁ den Vektor der Relativgeschwindigkeit w₇ bildet, mit der die 1. Laufschaufeln 9 beaufschlagt werden. Damit wird c_8m≡w₈<w₇ und somit eine weitere Erhöhung des statischen Druckes erzielt, wobei aus den Geschwindig­ keitsvektoren w₈ und u₁ die Absolutgeschwindigkeit c₈ am Austritt aus den 1 Laufschaufeln 9 resultiert. Aus Vorstehendem ergeben sich sodann die Differenzen der Umfangskomponenten der Absolut- und Relativgeschwindigkeiten. Die erscheinenden Pluszeichen sind das Ergebnis einer dop­ pelten Negation, indem die betreffenden Umfangskomponenten bezüglich des Drehsinns s₁ bzw. s₂ negativ gerichtet sind.

Δc_u=c_3u+c_2u+c_7u+c_6u=c_2u+c_6u=2u+2u=4u
Δw_u=w_2u-w_1u+w_4u+w_3u+w_6u-w_5u+w_8u+w_7u
=w_2u+w_3u+w_6u+w_7u=4u

hierbei ist w_1m=w_4u=w_5u=w_8u=c_3u=c_7u=0 (siehe hierzu Fig. 6.1 und 6.2).
Der Reaktionsgrad als Quotient der mittleren Umfangskom­ ponente der Relativgeschwindigkeiten zur Umfangsgeschwindig­ keit ergibt somit:

=4u/2 (u₁+u₂)=u/u=1.

Der theoretisch erzielbare Gesamtdruck ρ 4u² wird demnach insgesamt in statischen Druck umgesetzt, wobei gleiche Um­ fangsgeschwindigkeiten für u₁ und u₂ angenommen und die Radienunterschiede vernachlässigt werden. Die Kaskadenschaufeln 31 bzw. 32, die sich rechts und links der Bereichsachsen W_I-IV befinden, haben die Aufgabe, die in diesen Bereichen gegenläufigen Absolutströmungen störungsfrei aneinander vorbeizuführen, indem die Strömungs­ vektoren c₃ bzw. c₇ in mehrere Einzelvektoren c₃⁺ bzw. c₇⁺ unterteilt werden.

Fig. 7 zeigt den Arbeitsprozeß des Meridianverdichters 2 anhand eines Enthalpie-Entropiediagramms bei verschie­ denen Betriebszuständen, wobei das für den Unterschallein­ satz konzipierte Lufteintrittsteil 14 vom Startzustand bis in den transsonischen Geschwindigkeitsbereich Verwendung finden soll. Bei Flugmachzahlen M_F<1 entsteht vor dem Lufteintritts­ teil 14 ein gerader Verdichtungsstoß 45, hinter dem die Strömungsgeschwindigkeit v₂ bekanntlich unter die Schall­ geschwindigkeit v_So absinkt, so daß v₂<v_Sowird. Durch diese stoßbedingte Verzögerung geht ein Teil der kinetischen Ener­ gie unter Entropiezunahme in nicht zurückgewinnbare Wärme über, dargestellt als Linienzug i_F . . i₂. Im Arbeitsmaß aus­ gedrückt v_F²/2 minus v₂²/2. Die weitere Geschwindigkeitsver­ zögerung von v₂ nach v₁, also bis zum Eintrittsquerschnitt des Lufteintrittsteils 14 verläuft dagegen verlustlos, denn die dabei erfolgende isentropische Umwandlung folgt dem Linienzug i₂ . . i₁, der dem Arbeitsbetrag v₂²/2 minus v₁²/2 entspricht. Beim Startvorgang oder im Langsamflug erfolgt eine Geschwindigkeitserhöhung von der Zustandsebene der Umgebungsluft 46 auf die Zustandsebene 47 der für den gege­ benen Meridianverdichter 2 maximal erreichbaren Enthalpie i₁ . . i₁₀ im Druckraum 22 mit dem Linienzug i₀ . . i₁, dem im Arbeitsmaß der Wert v₀²/2≡v₁²/2 zugeordnet ist. Die Translationsgeschwindigkeit v_T=v_T′+v_T′′ bewirkt un­ ter ansteigender Entropie eine Temperatur- und Druckabsenkung vom Zustand i₁ zum Zustand i₃*, der im Druckraum 22 einen be­ liebigen Scheitelpunkt i* auf einer zugeordneten 2. Kreis­ strömung K₂ darstellt (siehe hierzu auch Fig. 5). Von hier aus wird der Meridianverdichter 2 isentrop bis zum Zustand i₄ und unter Verlustannahme weiter bis i₅ durchströmt. Der dann folgende Strömungseintritt in den Druckraum 22 be­ wirkt eine Druckerhöhung auf i₆ mit anschließender isobarer Rückkühlung auf i₇*, wobei die strichpunktierten Kurven die Isobaren kennzeichnen. Der vorstehend beschriebene Energiekomplex wird mit der Ord­ nungszahl I. belegt, an den sich von i₇* aus der II. Komplex anschließt. Dieser befindet sich unter Entropieabnahme bereits in einem höheren Energieniveau, denn von v_T3²/2 hat eine Geschwindig­ keitsverzögerung auf v_T7²/2 stattgefunden. Aus diesem Zustand heraus erfolgt unter Druckerhöhung eine abermalige Durchströ­ mung des Meridianverdichters 2; und zwar zunächst isentrop auf i₈ und unter Verlustberücksichtigung bis i₉. Von hier aus erfolgt durch Geschwindigkeitsverzögerung im Druckraum 22 wieder ein isentroper Druckanstieg auf i₁₁*, unter aber­ maliger Verzögerung der Translationsgeschwindigkeit auf v_T11²/2 unter weiterer Entropieverminderung. Dieses Energie­ potential herrscht sowohl vor den Primärschaufeln 20 mit der Geschwindigkeit v_T′ als auch mit v_T′′ vor den Sekundär­ schaufeln 34 (hierzu siehe auch Fig. 7.1). Der innere Wirkungsgrad η_i z. B. für den I. Energiekomplex ergibt sich als Quotient der Strecken i₃* . . . i₄/i₃* . . . i₇*. Diese Wirkungsgradverbesserung ist ein Ergebnis der Rück­ kühlung von i₆ auf i₇*, denn üblicherweise würde der Divisor des Wirkungsgrades die Strecke i₃* . . . i₆ betragen. Zwischen den Geschwindigkeitsebenen v₁ und v_T′,T′′ findet somit eine Verzögerung der Strömung von v_T3²/2 auf v₁₁²/2 statt, die vor den Primärschaufeln 20 und den Sekundärschau­ feln 34 herrscht, die zusammen den Schaufelkranz F des 2-Kreis- Fans 13 darstellen. Die Drucksteigerung wird dabei durch die Isobaren p₃ und p₁₁ veranschaulicht, so daß der durch die Verzögerung bewirkte statische Druckanstieg P_stat.=p₁₁ minus p₃ beträgt. Hierdurch ergibt sich folgender Zusammen­ hang der zugehörigen Parameter: /P_stat.=F_Q/u_F. Demgemäß entspricht das Verhältnis des sekundlichen Massendurchsatzes zu dessen statischem Druck P_stat. dem Verhältnis der Quer­ schnittsfläche des Schaufelkranzes F zu dessen Umfangsge­ schwindigkeit u_F (siehe hierzu Fig. 5). Wenn man nun z. B. den Quotienten F_Q/u_F als unveränderlich gegeben angenommen betrachtet, wird vor dem Schaufelkranz F durch die Vergrößerung des Druckes P_stat. der Massendurch­ satz erhöht. Die so erreichte Verbesserung ist vergleichsweise dadurch zu verdeutlichen, daß übliche Turbofan-Triebwerke wie z. B. bei dem in der DE 37 38 703 A1 beschriebenen, vor dem Fan den hinsichtlich der Schubkraft ungünstigen niedrigeren stati­ schen Druck p₃ mit der entsprechend höheren Geschwindig­ keitsenergie v_T3²/2 aufweisen. Der praktische Wert dieser Anordnung liegt erfindungsgemäß darin begründet, daß z. B. der Schubmassendurchsatz eines an sich optimal ausgelegten üblichen Turbofan-Triebwerks ohne Durchmesservergrößerung des Fans weiter zu steigern ist, bzw. daß bei einem vorgegebenen Luftmassendurchsatz der Fan­ durchmesser des Triebwerks kleiner als üblich ausgelegt wer­ den kann. Diese Möglichkeit ist bei Blattspitzen-Grenzwert­ machzahlen von besonderer Bedeutung.

Claims (7)

1. Meridianverdichter mit integriertem 2-Kreis-Fan für Tur­ bo-Gasgeneratoren zum Antrieb von Flugzeugen und Orbital- Trägerstufen, umfassend einen beschaufelten Trommelläu­ fer, der mit einer Antriebswelle in Verbindung steht, fer­ ner einen dazu koaxial angeordneten weiteren Trommelläu­ fer, der mit einer weiteren Antriebswelle gekuppelt ist, wobei sich zwischen den beiden Trommelläufern ein beschau­ felter Trommelleitapparat befindet, der mit einer Innen­ leitvorrichtung drehfest verbunden ist, weiterumfassend ein gesondert angetriebenes Heckgebläse, das sich mit den Trommelläufern in einem gemeinsamen Lufteintrittsteil be­ findet, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenleitvorrichtung (8) eines Meridianverdichters (2) zwei in gleichem Drehsinn (s′) rotierende Umlenkzylinder (15 _I und 15 _II) besitzt, die sich diametral gegenüberstehen und von einer 1. Antriebswelle (16) angetrieben werden, daß hierzu unter 90° versetzt zwei weitere Umlenkzylinder (15 _III und 15 _IV) mit einem entgegengesetzten Drehsinn (s′′) angeordnet sind, daß weiterhin der Trommelleitappa­ rat (7) zwei sich gegenüberliegende 90°-Beschaufelungs­ gitter (23) trägt, wobei unter 90° dazu versetzt zwei weitere 90°-Beschaufelungsgitter (24) angeordnet sind, die durch vier Bereichsachsen (W_I bis W_IV) voneinander getrennt werden, daß ferner ein 2-Kreis-Fan (13) aus einer Anzahl verstellbarer Sekundärschaufeln (34) gebildet wird, von denen jede mit einem Zugschaft (39) fest verbunden ist, und daß auf jedem Zugschaft (39) je eine unabhängig verstellbare Primärschaufel (20) drehbar befestigt ist, daß sich weiterhin das Gitter der Sekundärschaufeln (34) in einem 2. Strömungskreis (33) der Schubmasse (M_S) befin­ det, wobei das Gitter der Primärschaufeln (20) der Versor­ gungsluftmasse (M_K) für den Gasgenerator (1) in einem ringförmigen 1. Strömungskreis (18) untergebracht ist, der von einer äußeren Wandung (17) und einer inneren (36) ge­ bildet wird, und daß die 4. Antriebswelle (21) des Kern­ triebwerks (1) ihr Drehmoment mittels eines Antriebskör­ pers (35) über die Zugschäfte (39) auf den 2-Kreis-Fan (13) überträgt, daß die äußere Wandung (17) außerdem den 1. Strömungskreis (18) vom 2. Strömungskreis (33) trennt.

2. Meridianverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Meridianströmung (c_1m bis c_4m) in Richtung auf die Umlenkzylinder (15 _I bis 15 _IV) beschleunigt wird und von (c_5m bis c_8m) in Richtung auf den Druckraum (22) verzögert verläuft.

3. Meridianverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich im Druckraum (22) des Lufteintrittsteils (14) die von den Strömungsvektoren (c₁ und c₈) nach Überlagerung durch die Kreisströmung (K₂) gebildeten Strömungsscheitelpunkte (i*) befinden, die sodann von der Translationsströ­ mung mit ihren Geschwindigkeiten (v_T=v_T′+v_T′′) zum einen in Richtung des 2. Strömungskreises (33) mit (v_T′′) und zum anderen in Richtung des 1. Strömungskreises (18) mit (v_T′) weiter überlagert werden.

4. Meridianverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß nach Überlagerung mit der Kreisströmung (K₁) einer durch den Vektorverlauf (c₄ nach c₅) sich ergebenden Strö­ mung (S), an den Berührungsebenen der Bereichsachsen (W_I bis W_IV) mit den Umlenkzylindern (15 _I bis 15 _IV) jeweils eine Zuströmstaugrenze (25) sowie eine Abströmstaugrenze (26) gebildet werden.

5. Meridianverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich im 2. Strömungskreis (33) ein verdrehbarer Vorleitapparat (19) befindet, der mit dem Gitter der Sekun­ därschaufeln (34) gegen Strömungsrichtung beabstandet zusammengeschaltet ist und mit der äußeren Wandung (17) des 1. Strömungskreises (18) den radialen Zwischenraum (Z) bildet.

6. Meridianverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß links und rechts der Bereichsachsen (W_I bis W_IV) mittels der mehrfach unterteilten Kaskadenschaufeln (31) und (32) die Einzelvektoren (c₃⁺ und c₇⁺) gebildet werden.

7. Meridianverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß alternativ die Zugschäfte (39) mit frei beweg­ lichen Schaufelfahnen (52) versehen sind, die jeweils zwischen 2 Primärschaufeln (20) angeordnet sind.