DE69002187T2

DE69002187T2 - Strahltriebwerk mit entgegengesetzter Drehrichtung und mit Front- und Heckgebläse.

Info

Publication number: DE69002187T2
Application number: DE90401003T
Authority: DE
Inventors: Alain Lardellier
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1989-04-18
Filing date: 1990-04-12
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2010-04-13
Also published as: EP0394102A1; DE69002187D1; FR2645911A1; EP0394102B1; JPH0361621A; US5058379A; JPH065038B2; FR2645911B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Turboluftstrahltriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis.
Es ist seit vielen Jahren bekannt, Zweikreis-Turboluftstrahltriebwerke für den Überschall-Antrieb zu verwenden, wobei das Mischen des Mantelstroms und des Primärstroms den Vorteil bietet, die Schubwirkung des Primärstromtriebwerks zu erhöhen.
In der Praxis gibt es jedoch Beschränkungen hinsichtlich der Bypass-Verhältnisse, die für solche Triebwerke proportional zu ihrem Front-Raumbedarf und zu dem damit in Korrelation stehenden starken Hauptspant zulässig sind, der über ein Bypass-Verhältnis von 8 bis 14 hinaus nicht mehr hinnehmbar wird, einen hohen Luftwiderstand verursacht und in der Praxis den Einbau solcher Triebwerke unter den Tragflächen eines Flugzeugs unmöglich macht.
Wenn ein Bypass-Verhältnis von 8 überschritten werden soll, so muß bis zu einem Bypass-Verhältnis von ca. 11 die Lösung der klassischen Turboluftstrahltriebwerke mit Frontgebläse verwendet werden, wobei die Turbinenzahl des Niederdruckkörpers zwischen 5 und 8 liegt.
Es ist aus FR-A-2.172.078 bereits bekannt, ein Turboluftstrahltriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis herzustellen, das ein Frontgebläse und ein Heckgebläse aufweist.
Bei dieser bekannten Vorrichtung wird jedoch das Heckgebläse von der letzten Turbinenstufe in der gleichen Drehrichtung angetrieben wie das Frontgebläse, was zu hohen Drehgeschwindigkeiten und daher zu Leistungsgrenzen der Triebwerke führt. Weiterhin erfolgt die Luftzufuhr des Heckgebläses um die Luftzufuhr des Frontgebläses herum, wodurch sich der Durchmesser des Triebwerks erhöht.
Bei einem Bypass-Verhältnis von 11 bis 14 ist die klassische Lösung nicht mehr geeignet (zu hohe Anzahl von Niederdruckturbinen), und es muß ein Getriebe für das Frontgebläse oder ein entgegengesetzt drehendes Heckgebläse vorgesehen werden, das direkt von einer entgegengesetzt drehenden Turbine mit sich überlappenden Stufen angetrieben wird.
Bei einem Bypass-Verhältnis von mehr als 14 beginnt der Bereich der Turboluftstrahltriebwerke mit Hochgeschwindigkeitsschrauben.
Diese Triebwerke sind durch ihren günstigen spezifischen Verbrauch interessant, haben jedoch den Nachteil, daß sie aufgrund ihres großen diametralen Raumbedarfs nur hinten auf beiden Seiten des Flugzeugrumpfs eingebaut werden können oder unter der Tragfläche stark integrierte und nicht übliche Einbaumöglichkeiten wie beispielsweise die in der Schrift FR-A-2 622 507 vorgeschlagene erforderlich machen.
Diese Erfindung hat zur Aufgabe, eine Zwischenlösung zu bieten, die es ermöglicht, Turboluftstrahltriebwerke mit einem Bypass-Verhältnis zwischen 8 und 14 auszuführen, deren vorderer Raumbedarf nur um ein sehr geringes höher ist als der der heutigen Zweikreis-Turboluftstrahltriebwerke, die ein Bypass-Verhältnis von weniger als 6 haben.
Die Erfindung hat ebenfalls zur Aufgabe, ein derartiges Triebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis und hoher Schubwirkung auszuführen, ohne daß die Gesamtanzahl der Triebwerkleitschaufeln erhöht werden muß, was sich auf die Kosten des besagten Triebwerks negativ auswirken würde.
Diese Aufgaben werden gelöst durch Ausführen eines Turboluftstrahltriebwerks mit hohem Bypass-Verhältnis, in bekannter Weise bestehend aus einem Niederdruckkörper mit einem Frontgebläse, das mit einem Niederdruckkompressor verbunden ist, wobei der Niederdruckkörper von einer Niederdruckturbine mit vier Stufen angetrieben wird, wobei die genannte Turbine ihrerseits von einem Gasgenerator angetrieben wird, der einen Hochdruckkompressor, ein Heckgebläse, eine Brennkammer und eine Hochdruckturbine aufweist, die den Hochdruckkompressor antreibt.
Gemäß der Besonderheit der Erfindung weist das Turboluftstrahltriebwerk in Überlappung rnit der bereits erwähnten Niederdruckturbine eine langsam drehende Turbine mit entgegengesetzter Drehrichtung auf, die das Heckgebläse mit hohem Bypass-Verhältnis antreibt. Weiterhin weist dieses Triebwerk zwei getrennte Mantelstromkreise auf. Der erste Kreis geht durch das Frontgebläse und besitzt gemeinsam mit dem Primärstrom einen Frontlufteingang sowie einen Luftausgang, der von zwei Halbmonden gebildet wird, die den Ausstoß des Heckgebläses seitlich einrahmen. Der zweite Kreis geht durch das Heckgebläse und besitzt einen Lufteingang, der von zwei Halbmonden gebildet wird, die das Frontgebläse seitlich einrahmen, wobei die Kanäle, die von den beiden Halbmonden des genannten Lufteingangs ausgehen, zusammenlaufen, um um den Primarstrom herum einen Ringkanal zu bilden, in dem das Heckgebläse angeordnet ist. Der Ausgang des genannten zweiten Mantelstroms ist kreisförmig und umgibt den Primärstrom.
Gemäß einer bevorzugten Bemessung der Erfindung hat das Frontgebläse einen derartigen Durchmesser, daß das Bypass- Verhältnis zwischen dem Mantelstrom, der es durchquert, und dem Primärstrom zwischen 6 und 8 liegt, während das Heckgebläse einen derartigen Durchmesser hat, daß das Bypass-Verhältnis zwischen dem Mantelstrom, der es durchquert, und dem Primärstrom zwischen 4 und 6 liegt.
Der geringe Raumbedarf des so gebildeten Turboluftstrahltriebwerks beruht auf einem Merkmal der Erfindung, das eine technische Anordnung mit einem schwachen Hauptspant ermöglicht.
Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung weist das Turboluftstrahltriebwerk einen Rumpf auf, der zwei kippbare Schalen hat, wobei die Kanäle, die die beiden sich überlappenden Mantelstromkreise bilden, in der Rumpfkonstruktion selbst ausgeführt sind.
Diese Konstruktion ermöglicht es, einen allgemein eiförmigen Rumpf auszuführen, dessen Profilschnitte die Form einer Ellipse mit horizontaler langer Achse haben, wodurch die besagten Rümpfe, die eine geringe Bodenfreiheit erfordern, unter der Tragfläche eines Flugzeugs angeordnet werden können.
Weitere Merkmale der Erfindung werden in der folgenden zusätzlichen Beschreibung mit beigefügten Zeichnungen dargelegt, wobei
Fig. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Turboluftstrahltriebwerks zeigt,
Fig. 2 eine Übersicht der Mantelstromkreise zeigt; die Kreise sind getrennt dargestellt, um das Verständnis der Anordnung zu vereinfachen, wobei Fig. 2a den ersten Mantelstromkreis zeigt der das Frontgebläse durchquert, während Fig. 2b den zweiten Mantelstromkreis zeigt, der das Heckgebläse durchquert;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht dreiviertel von hinten von einem Turboluftstrahltriebwerk zeigt, das in seinem Rumpf eingebaut und an einem Tragstiel des Flugzeugs aufgehängt ist;
Fig. 4 eine entsprechende Ansicht eines gleichen Turboluftstrahltriebwerks zeigt, das in Schubumkehrstellung dargestellt ist, wobei die beiden Klappen des Stromumkehrers ausgeklappt sind;
Fig. 5 das gleiche Triebwerk zeigt, wobei eine der Schalen des Rumpfs für den Zugang zum Triebwerk nach oben geklappt ist.
die Figuren 6A bis 6G Schnitte des Rumpfs in den Schnittebenen A bis G von Fig. 5 zeigen;
Fig. 7 den Einbau eines erfindungsgemäßen Triebwerks unter der Tragfläche eines Flugzeugs zeigt.
Bezugnehmend auf Fig. 1 weist das Triebwerk in klassischer Weise ein Frontgebläse 1 auf, das mit einem Niederdruckkompressor 2 verbunden ist, dem ein Hochdruckkompressor 3, eine Brennkammer 4, eine Hochdruckturbine 5 mit einer Stufe, die den Hochdruckkompressor 3 antreibt, und eine vierstufige Niederdruckturbine 6, die den Niederdruckkörper 1, 2 antreibt, nachgeschaltet sind.
Erfindungsgemäß weist das Triebwerk am Heck eine entgegengesetzt drehende Turbine 7 auf, die hier als Beispiel mit zwei Stufen 7a und 7b dargestellt ist.
Gemäß einer bevorzugten Anordnung, bei der die nachfolgend angegebenen Bypass-Verhältnisse und die Bemessung von Front- und Heckgebläse berücksichtigt sind, ist eine Turbine mit vier Stufen vorzuziehen. Die Scheibe 8 der Turbine 7 ruht auf einer Welle 9, die in der Niederdruckturbinenwelle über zwei Lager 10 eingebaut ist.
Die beiden Stufen 7a, 7b der Turbine sind untereinander durch das Außengehäuse 11 verbunden, das gleichzeitig mit ihnen dreht. Auf dieser Anordnung ruht ein Heckgebläse 12 mit großem Durchmesser, das hier ein Bypass-Verhältnis von 5 (nicht einschränkend) erzeugt während in der Figur das Bypass-Verhältnis des Frontgebläses 7 beträgt (nicht einschränkend).
Die beiden Gebläse 1 und 12 sind also "parallel" und haben entgegengesetzte Drehgeschwindigkeiten.
Das Triebwerk ist mit einem an den Tragarmen 14 befestigten vorderen Mast 13 und mit einem hinteren Mast 15, der mit dem Gehäuse in Höhe der Gehäusearme fest verbunden ist, die als Gleichrichter 16 der Hochdruckturbine dienen, an einem Tragstiel aufgehängt.
In Fig. 1 ist auch schematisch dargestellt, daß die beiden Gebläse mit getrennten Luftstromkreisen gespeist werden.
Der erste Kreis weist einen ringförmigen Lufteingang El auf, der unten beschrieben wird, und einen Luftausgang S1 mit der Form von Halbmonden, der ebenfalls unten beschrieben wird.
Der zweite Kreis weist einen Lufteingang E2 in Form von zwei seitlichen Halbmonden auf, die unten beschrieben werden, und einen ringförmigen Luftausgang S2, der den Primärstrom 17 umgibt.
In den Figuren 3 und 4 ist das im Rumpf 18 eingebaute Triebwerk dreiviertel von hinten zu sehen. Es weist einen Stromumkehrer mit zwei Klappen 19 auf. Diese beiden Klappen fungieren als Schubdüse für den Strom des ersten Mantelstromkreises und fangen, indem sie kippen, den gesamten Strom des ersten Kreises, der aus dem Frontgebläse kommt, sowie einen Teil des Stroms des zweiten Kreises des Heckgebläses auf, wie es auch in Fig. 6G dargestellt ist.
Fig. 5 zeigt den Rumpf mit einer seiner Seitenschalen 20, die, um den Zugang zum Triebwerk freizugeben, nach oben geöffnet ist.
An dem inneren Teil der geöffneten Schale ist zu bemerken, daß die Mantelstromkreise in die Struktur der Schale "gedruckt" sind und daher der Rumpf die Verteilung der Luftströme gewährleistet.
Diese sind in den Figuren 2a und 2b im Überblick dargestellt.
Fig. 2a zeigt den ersten Luftstromkreis, der das Frontgebläse speist. Der Frontlufteingang E1 ist klassisch und ist mit dem des Primärstroms gemein. Hinter dem Gebläse 1 teilt sich der Kreis in zwei Kanäle, von denen einer 21 oberhalb des Triebwerks und der andere 22 unterhalb des Triebwerks verläuft. Im vorderen Teil der beiden Kanäle 21 und 22 sind zwei senkrechte Durchlässe ausgeführt, der erste 23a im Kanal 21 für den Durchgang der vorderen Aufhängung 13 und der Ausrüstungen, während der zweite 24 den Durchgang des Winkelvorgeleges in Richtung des Abtriebs und des im unteren Teil des Rumpfs angeordneten Getriebegehäuses 25 ermöglicht.
In seinem hinteren Teil teilt sich der obere Kanal 21 in zwei Schalungen 21a, 2lb, die seitlich nach unten mit dem hinteren Teil des Kanals 22 zusammenlaufen, der seinerseits in zwei Schalungen 22a, 22b geteilt ist. Nachdem die Kanäle 21a und 22a bzw. 21b und 22b sich vereint haben, hat jeder auf diese Weise gebildete Kanal die Form eines senkrechten Halbmonds 25a, 25b, deren Gesamtanordnung den Luftausgang 51 des Frontgebläses bildet.
In Fig. 2b ist der zweite Mantelstromkreis zu sehen, der das Heckgebläse 12 speist. Am vorderen Eingang wird der Lufteingang E2 von zwei senkrechten Halbmonden 26a, 26b gebildet, die sich bei gleichbleibendem Schnitt keulenförmig verengen und sich vereinigen, um einen Ringkanal 27 zu bilden, der den Primärstrom umgibt, um das Gebläse 12 zu speisen. Hinter dem Gebläse 12 bleibt der Kanal 27 ringförmig.
In der Praxis überlappen sich diese beiden Kreise, wobei die Kanäle 26a, 26b die Räume 28a, 28b einnehmen, die (Fig. 2a) zwischen den Kanälen 21, 21a, 22 und 22a bzw. 21, 21b, 22 und 22b gebildet sind.
Um eine solche Architektur durchführen zu können, wird die Konstruktion des Rumpfs genutzt. Die Konstruktion des Rumpfs wird bei Betrachtung der Figuren 6A bis 6G deutlich.
Der Rumpf weist einen Konstruktionsteil auf, der aus einer oberen Längsstrebe 29 besteht, die mit dem Tragstiel 30 fest verbunden ist und über die gesamte Länge des genannten Rumpfs verläuft.
Die Strebe 29 weist zwei Seitenränder auf, auf denen sich Längsscharniere 31 zum Kippen der Öffnungsschalen 20 befinden.
In Höhe des Schnitts B (Fig. 6B) verschmälert sich die Strebe 29, um zwischen sich und dem Triebwerk den Anfang des Kanals 21 des Ausgangs S1 des ersten Luftstromkreises zu bilden. Bis hin zu diesem Schnitt werden die Schalen 20 vollkommen von den Kanälen 26a, 26b des Eingangs E2 des zweiten Kreises ausgefüllt. Der untere Teil des Rumpfs ist ebenfalls strukturiert und weist in Höhe des Schnitts B den Sitz für das Getriebegehäuse 25 auf.
In Höhe des Schnitts C (Fig. 6C) ist zu sehen, daß die Kanäle 26a, 26b sich keulenförmig verengt haben, wobei die Schalen 20 auf dieser Höhe radiale Zwischenwände 33 aufweisen, die die innere Rumpfschale 20a und die äußere Rumpfschale 20b der Schale 20 miteinander verbinden. Diese Zwischenwände trennen auch die Leitungen 26a, 26b von den Leitungen 21 und 22, die zwischen der oberen Strebe 29 und dem Triebwerkgehäuse 32 (für den oberen Kanal 21) bzw. zwischen dem Gehäuse 32 und dem unteren Konstruktionsteil 34 (für den unteren Kanal 22) gebildet sind.
In Höhe des Schnitts D (Fig. 6D) weisen die Schalen 20 keine innere Rumpfschale mehr auf, und die Zwischenwände 33 sind in der Verlängerung verschmälerte Zwischenwände 35, die fest mit dem Gehäuse 32 verbunden sind, um die Leitungen 26a, 21a und 22 bzw. 26b, 21b und 22 voneinander zu trennen. Auf dieser Höhe ist in der oberen Strebe und dem Kanal 21 ein Durchlaß 23b für die hintere Aufhängung 15 ausgeführt.
In Höhe des Schnitts E (Fig. 6E) weisen die Schalen 20 wieder eine innere Rumpfschale 20a auf, die die Kanäle 25a, 25b von dem Kanal 27 des Eingangs E2 des zweiten Kreises trennt.
Ab dem Schnitt F (Fig. 6F und folgende) haben die Schalen 20 wieder eine vollkommene Halbmondform und bilden die Kanäle 25a, 25b des Ausgangs S1 des ersten Kreises.
In Fig. 6G ist strichliert eine offene Stromumkehrer-Klappe 19 dargestellt.
Es ist zu erkennen, daß in Schubumkehrstellung der gesamte Querschnitt 51 des ersten Kreises (Kanäle 25a und 25b) verschlossen ist und daß ein Teil des Querschnitts des Kanals 27 des Ausgangs S2 des Heckgebläses ebenfalls verschlossen ist.
So ist der Stromumkehrer beim Einwirken auf die Ströme der beiden Gebläse maximal wirksam.
Bei Betrachtung von Fig. 7 ist zu sehen, daß aufgrund der eiförmigen Gestalt des Rumpfs das unter der Tragfläche eines Flugzeugs angebrachte erfindungsgemäße Triebwerk im Vergleich zu einem klassischen kreisförmigen Triebwerk mit gleichem Bypass-Verhältnis eine verbesserte Bodenfreiheit hat, oder, anders ausgedrückt, kann mit der gleichen Bodenfreiheit wie bei einem klassischen Triebwerk unter der Tragfläche eines Flugzeugs ein Triebwerk mit höherem Bypass- Verhältnis angebracht werden, wenn es gemäß dem Prinzip der Erfindung ausgeführt ist.

Claims

1. Turboluftstrahltriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis, in bekannter Weise bestehend aus einem Niederdruckkörper mit einem Frontgebläse (1) das mit einem Niederdruckkompressor (2) verbunden ist, wobei der Niederdruckkörper von einer Niederdruckturbine (6) angetrieben wird, wobei die genannte Turbine ihrerseits von einem Gasgenerator angetrieben wird, der einen Hochdruckkompressor (3), ein Heckgebläse (12) eine Brennkammer (4) und eine Hochdruckturbine (5) aufweist, die den Hochdruckkompressor (3) antreibt, dadurch gekennzeichnet,

daß das Heckgebläse (12) durch eine Turbine (7) mit entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben wird, die sich mit der Niederdruckturbine (6) überlappt, und daß es zwei getrennte Mantelstromkreise aufweist, wobei der erste das Frontgebläse (1) enthält, das einen Frontlufteingang (E1) gemeinsam mit dem Primärstrom sowie einen Luftausgang (S1) besitzt der von zwei Halbmonden (25a, 25b) gebildet wird, die den Ausstoß (S2) des Heckgebläses (12) seitlich einrahmen, während der zweite Kreis, der das Heckgebläse (12) enthält, einen Lufteingang (E2) besitzt, der von zwei Halbmonden (26a, 26b) gebildet wird, die das Frontgebläse (1) seitlich einrahmen, wobei die Kanäle, die von den beiden Halbmonden des genannten Lufteingangs gebildet werden, zusammenlaufen, um um den Primarstrom herum einen Ringkanal (27) zu bilden, in dem das Heckgebläse (12) angeordnet ist, wobei der Ausgang des genannten zweiten Mantelstroms kreisförmig ist und den Primärstrom umgibt.

2. Turboluftstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Frontgebläse (1) einen solchen Durchmesser hat, daß das Bypass-Verhältnis zwischen dem Mantelstrom, der ihn durchquert, und dem Primärstrom zwischen 6 und 8 liegt.

3. Turboluftstrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heckgebläse (12) einen solchen Durchmesser hat, daß das Bypass-Verhältnis zwischen dem Mantelstrom, der ihn durchquert, und dem Primärstrom zwischen 4 und 6 liegt.

4. Turboluftstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Stromumkehrer (19) aufweist, der geeignet ist, den Luftfluß des ersten Mantelstromkreises und teilweise des zweiten Kreises umzukehren.

5. Turboluftstrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Rumpf (18) aufweist, der zwei kippbare Schalen (20) hat, wobei die Kanäle, die die beiden sich überlappenden Mantelstromkreise bilden, in der Rumpfkonstruktion ausgeführt sind.

6. Turboluftstrahltriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rumpf (18) allgemein eiförmig ist, wobei die Profilschnitte die Form einer Ellipse mit einer horizontalen langen Achse haben.

7. Turboluftstrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sein Stromumkehrer des Typs mit Klappen (19) ist.

8. Turboluftstrahltriebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromumkehrer zwei Klappen aufweist, die jeweils auf einer der kippbaren Schalen (20) des Rumpfs ruhen.

9. Turboluftstrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es an einem Stiel (30) aufgehängt ist und zwei Aufhängungen hat, die eine vorn (13), die andere hinten (15), wobei die genannten Aufhängungen durch senkrechte Durchlässe (23a, 23b) verlaufen, die für die vordere Aufhängung quer zum ersten Mantelstromkreis und für die hintere Aufhängung quer zum ersten und zweiten Mantelstromkreis ausgeführt sind.

10. Turboluftstrahltriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rumpf einen oberen Konstruktionsteil (29) enthält, der mit dem Tragstiel (30) fest verbunden ist und über die gesamte Länge des genannten Rumpfs verläuft, wobei der genannte obere Konstruktionsteil zwei seitenränder aufweist, an denen sich Scharniere (31) zum Kippen von Öffnungsschalen (20) befinden.

11. Turboluftstrahltriebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schale (20) eine kastenförmig erweiterbare Form hat, die vorn einen seitlichen Halbmond (26a, 26b) für den Lufteingang (E2) des zweiten Mantelstromkreises bildet, wobei der genannte Halbmond rechts vom Hochdruckkompressor in eine Keulenform übergeht, die durch radiale Querwände (33) von den hohen und niedrigen Ausgängen des ersten Kreises getrennt sind, wobei die genannte Schale dann mit dem Konstruktionsteil in Höhe des Heckgebläses einen Halbmond (25a, 25b) für den Luftausgang (S1) des ersten Mantelstromkreises bildet, während in dieser Höhe der Lufteingang (E2) des zweiten Kreises zwischen der Innenhaut der Schale und dem Gehäuse gebildet wird, wobei die genannte Schale schließlich in Höhe des Ausgangsquerschnitts einen seitlichen Halbmond (25a, 25b) für den Ausgang (S1) des ersten Mantelstromkreises bildet, während in dieser Höhe der Ausgang (27) des zweiten Kreises kreisförmig ist und den Ausgangsquerschnitt (17) des Primärstroms umgibt.