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Mehrstufiges Ladegebläse für Flugzeugtriebwerke Die Erfindung bezieht
sich auf ein zwei- und mehrstufiges Ladegebläse für Flugzeugtriebwerke, wie es zum
Aufladen der Zylinder von Kolbenbrennkraftmaschinen oder der Brennkammern von GasturbinenundStrahltriebwerken,
insbesondere für das Fliegen in größeren Höhen, Anwendung findet.
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Derartige, als Hochleistungsschleudergebläse mit sehr hoher Betriebsdrehzahl
ausgebildete Ladegebläse (Höhengebläse) haben die Eigenschaft, daß ihr Betrieb mit
gutem Wirkungsgrad nur in- einem verhältnismäßig schmalen Bereich ihres Kennfeldes
im Förderhöhen-Fördermengen-Schaubild möglich ist. Dieser Bereich ist nach dem Gebiet
geringer Fördermengen hin durch die sogenannte Pumpgrenze, nach dem Gebiet größerer
Fördermengen hin durch den zu steilen Abfall der Kennlinien des Gebläses begrenzt.
Und zwar muß die jeweils vom Gebläse in der Zeiteinheit geförderte Luftmenge stets
etwa im gleichen Verhältnis zu -der jeweiligen Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit
des Gebläses stehen, wenn dessen Betriebslinie in Richtung der Wirkungsgradmaxima
verlaufen soll.
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Die Einhaltung dieser Bedingung stößt bei mehrstufigen Höhengebläsen
mit entsprechend großem Verdichtungsverhältnis auf erhebliche Schwierigkeiten, da
das vom Triebwerk in verschiedenen Flughöhen je Zeiteinheit benötigte Luftgewicht
angenähert konstant bleibt, die Wichte der Luft sich jedoch mit der Flughöhe nach
einer hyperbolischen Linie ändert. Infolgedessen trägt auch der Verlauf der vom
Gebläse je Zeiteinheit angesaugten Luftmenge
über der Flughöhe
aufgetragen einen hyperbolischen Charakter, und es ergibt sich mit zunehmender Flughöhe
eine immer größer werdende Abweichung von dem für eine reine Drehzahlregelung notwendigen
linearen Verlauf der Betriebslinie des Gebläses.
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.Diese Abweichung wird oberhalb einer Flughöhe von ungefähr io km
bereits so groß, daß es nicht mehr möglich ist, die Betriebslinie des Gebläses,
welche im Gebläsekennfeld,die jeweils bei bestimmten Flughöhen vom Triebwerk benötigten
Luftmengen miteinander verbindet, in dem eingangs erwähnten Bereich zwischen der
Pumpgrenze und dem zu steilen Druckabfall unterzubringen. Das heißt, daß in obigem
Falle ein Gebläse; welches für den Flug in Bodennähe richtig bemessen ist, bei reiner
Drehzahlregelung für- den Höhenflug zu klein wird und umgekehrt ein für den Höhenflug
richtig bemessenes Gebläse beim Flug in Bodennähe und in mittleren Höhen ins Pumpgebiet
kommt, wenn nicht besondere Maßnahmen, wie z. B. das Abblasen überschüssiger Ladeluft
in geringer Flughöhe, getroffen werden. Durch die Erfindung wird dieser Mangel auch
ohne solche, die Wirtschaftlichkeit des Betriebes beeinträchtigenden Maßnahmen beseitigt.
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Die Erfindung besteht darin, daß erstens eine Drehzahl-Regeleinrichtung
und zweitens vor dem Gebläse bzw. vor der ersten Druckstufe eine veränderliche Dralldrossel
vorgesehen ist. Diese Dralldrossel ist zweckmäßig so eingerichtet, daß mit ihrer
Hilfe der in das Gebläse einströmenden Luft sowohl ein (positiver) Drall in der
Drehrichtung des Laufrades als .auch ein (negativer) Drall mit entgegengesetztem
Drehsinnn erteilt werden kann. Das Gebläse wird dabei so entworfen, daß seine Abmessungen
ohne Anwendung der Dralldrossel der in mittleren Flughöhen j e Zeiteinheit benötigten
Luftmenge entsprechen. Dann wird durch die Dralldrossel .der praktisch brauchbare
Teil des Gebläsekennfeldes für das Fliegen in geringer Höhe in Richtung kleinerer
Luftmengen, für das Fliegen in großen Höhen dagegen in Richturig größerer Luftmengen
verlagert. . .
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Es ist zwar bekannt, vor einstufigen Ladegebläsen von Flugmotoren
eine Dralldrossel mit positivem Drall anzuordnen. Doch handelt es sich dabei um
von der Motorwelle in einem festen Drehzahlverhältnis angetriebene Gebläse für verhältnismäßig
geringe Flughöhen, bei denen die Regelung des Ladedruckes nicht durch Drehzahländerung
des Gebläses, sondern ausschließlich durch die an Stelle einer Drosselklappe eingebaute
Dralldrossel erfolgt. Bei derartigen Gebläsen tritt das obenerwähnte Erfindungsproblem
gar nicht in Erscheinung. Eine etwaige Verlagerung des Gebläsekennfeldes durch die
Dralldrossel in Richtung kleinerer Luftmengen ist in diesem Falle bedeutungslos
und wird auch gar nicht. erstrebt, da die Betriebslinie solcher Gebläse bei den
geringen benötigten Verdichtungsverhältnissen praktisch annähernd linear verläuft.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigt Abb. i ein Flugzeugtriebwerk mit. einem zweistufigen Höhengebläse in schematischer
Darstellung, Abb. a die Lage der Betriebslinie des Motors im Gebläsekennfeld.
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Von einer zum Luftschraubenantrieb dienenden Kolbenbrennkraftmaschine
3 wird ein Schleudergebläse 4 über das Zahnradvorgelege 5 und die Flüssigkeitsregelkupplung
6 mit regelbarer Drehzahl angetrieben. Das Gebläse 4 bildet die erste Stufe eines
Höhengebläses, dessen zweite Stufe von einem weiteren Schleudergebläse 7 dargestellt
wird, das.seinen Antrieb von einer Abgasturbine 8 erhält. Die Turbine wird von den
Auspuffgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt, welche ihr aus dem Abgassammelrohr
9 der Maschine unmittelbar zuströmen. Die Drehzahl der Turbine und damit des Gebläses
7 kann auf an sich bekannte Weise ebenfalls unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine
3 regelbar sein, beispielsweise durch Abblasen von mehr oder weniger Abgas ins Freie
unter Umgehung der Turbine.
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In dem Eintrittsstutzen io des Gebläses 4 ist eine sogenannte Dralldrossel
angeordnet, die aus einer Reihe sektorförmiger, radial angeordneter und um Zapfen
i i drehbarer Blätter 1,2 besteht: Auf den Zapfen ii sind Kegelräder T3 befestigt,
die mit einem auf dem Eintrittsstutzen io drehbar gelagerten Zahnkranz 14 kämmen.
Durch Drehen des Zahnkranzes können sämtliche Blätter 1a gleichzeitig um den gleichen
Winkel gedreht werden, so daß sie also wie verstellbare Leitschaufeln wirken und
je nach ihrer Stellung der Luft vor ihrem Eintritt in das Laufrad des Gebläses entweder
eine positive Drallbewegung in der Drehrichtung des Laufrades oder einen negativen
Drall entgegengesetzt zur Drehrichtung des Laufrades erteilen. In der gezeichneten
Stellung;-in welcher die Drosselblätter 12 parallel zur Längsachse des Gebläses
stehen, also aus der vollständig geschlossenen Stellung der Drossel um go° in die
vollständig geöffnete Stellung verdreht sind, wird der eintretenden Luft keinerlei
Drall erteri'lt.
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Die jeweilige Stellung der Dralldrossel wirkt sich auf die Lage der
Betriebslinie des Motors im Gebläsekennfeld in der in Abb. 2 dargestellten Weise
aus. Dort sind in bekannter Weise die Kennlinien des Gebläses bei verschiedenen
Drehzahlen eingezeichnet, wobei jeweils die vom Gebläse angesaugte Luftmenge-V"
in M3/sec in waagerechter Richtung, die zugehörige Förderhöhe Hdd in m in lotrechter
Richtung aufgetragen wurde. Und zwar stellen die. ohne Unterbrechung durchzogenen
Linienzüge o die Gebläsekennlinien ohne Anwendung einer Dralldrossel bzw. bei vollständig
(um 9o) geöffneter Dralldrossel dar; während die Gebläsekennlinien bei Anwendung
der Dralldrossel in unterbrochenen Linienzügen K" dargestellt sind. Dabei bedeutet
eine Öffnung der Dralldrossel von o bis go° die Herbeiführung eines positiven und
eine Drehung,der Drosselblätter über die go°-Stellung hinaus die Herbeiführung eines
negativen Dralls der angesaugten Luft. Die strichpunktierte Linie
steilt
die hyperbolischen Charakter tragende Betriebslinie dar, auf welcher das Gebläse
während des Fliegens in verschiedenen Höhen über NN,
d. h. also mit verschiedenen
Förderhöhen, arbeiten muß, um der Brennkraftmaschine das erforderliche Luftgewicht
je Zeiteinheit zuzuführen. Die Linien Po und P"" bezeichnen die Pumpgrenzen des
Gebläses ohne und mit Anwendung der Dralldrossel. Unterhalb dieser Grenzen, in der
Zeichnung also links von den Linien Po und P,", ist ein einwandfreier Betrieb des
Gebläses nicht mehr möglich.
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Wie aus der Abb. a ersichtlich, schneidet die Linie B die Linie
Po bei M in einer Höhe zwischen 5o und 75010 der maximalen Förderhöhe.
Das Gebläse wäre also ohne Dralldrossel für eine Höhe von etwa 75 % der Maximalhöhe
richtig bemessen. Doch würde das Gebläse ohne Dralldrossel bereits unterhalb einer
Höhe von etwa 65 % der Maximalhöhe ins Pumpen und oberhalb einer Höhe von etwa -85
% der Maximalhöhe in das Gebiet zu steilen Abfalls der Kennlinien K, gelangen und
damit als lediglich durch Änderung seiner Drehzahl regelbares Höhengebläse unbrauchbar
sein.
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Durch die Anwendung der Dralldrossel wird nun das gesamte Kennfeld
des Gebläses so weit verschoben, daß die Betriebslinie B in ihrer ganzen Länge rechts
von der neuen Pumpgrenze P,", d. h. im stabilen Arbeitsbereich des neuen Kennfeldes,
liegt und die neuen Kennlinien K," des Gebläses an ihrem Schnittpunkt mit der Betriebslinie
B im oberen Höhenbereich, z. B. bei N, flacher verlaufen als die früheren Kennlinien
Ka. Zu diesem Zweck wird die Dralldrossel vom Flugzeugführer oder einer selbsttätigen
höhenabhängigen Einrichtung so eingestellt, daß sie in kleinen und mittleren Höhen
einen positiven, in großen Höhen dagegen einen negativen Drall in der Ansaugluft
des Gebläses erzeugt. Dadurch wird das Kennfeld des Gebläses im unteren und mittleren
Höhenbereich in Richtung kleinerer Luftmengen, im oberen Höhenbereich jedoch in
Richtung größerer Luftmengen verschoben und so eine reine Drehzahlregelung des zweistufigen
Gebläses im Gebiet brauchbarer Wirkungsgrade ermöglicht.
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Es ist für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung, ob die beiden
Stufen des Gebläses wie im Ausführungsbeispiel unabhängig voneinander angetrieben
und in der Drehzahl geregelt werden, oder ob sie, auf ein und derselben Welle angeordnet,
gemeinsam in einem festen Drehzahlverhältnis angetrieben und geregelt werden. Es
genügt gegebenenfalls auch, wenn nur eine Stufe des Gebläses in ihrer Drehzahl unabhängig
von der Brennkraftmaschine geregelt werden kann, beispielsweise durch einSchaltwechselgetriebe,
ein stufenloses Getriebe oder durch eine Flüssigkeitsregelkupplung.