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Strahltriebwerk Die bekannten Bauarten von Strahltriebwerken und Gasturbinen
sind durchweg einflutig. Es @wurden hohe Verdichtungsdrücke gewählt, um Brennstoff
zu sparen, so daB die Austrittsgeschwindigkeit des Strahles zwangläufig gegeben
ist. Bei wachsendem Druckverhältnis. wächst die Austrittsgeschwindigkeit; wobei
der eigentliche Strahlwirkungsgrad immer schlechter wird.
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Es wurde deshalb vorgeschlagen, mehrflutige Triebwerke vorzusehen,
um auf kleinere Austrittsgeschwindigkeiten zu kommen. In den ersten Stufen der Verdichteranlage
wurde dabei eine größere Luftmenge gefördert als nachher der Turbine zur Arbeitsleistung
zugeführt wird. Bei .den bekannten Anordnungen wurde das Druckverhältnis der ersten
Stufen so gewählt,_ daß bei einer zweiflutigen An-Lage beide Teilströme die gleiche
Austrittsgeschwindigkeit erhalten. Zu diesem Zwecke wurde das Restgefälle hiner
der Turbine gleich dem Gefälle der vorgeschalteten Verdichterstufen. gewählt.
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Bekannt sind auch Zweikreisstrahltriebwerke mit gemeinsamer Vorverdichtung
beider Kreise und Nachverdichtung des Turbinenkreises.
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Durch die Erfindung sollen die bekannten mehrflutigen Triebwerke verbessert
und vervollkommnet werden. Die Erfindung geht von den bekannten einflutigen Triebwerken,
bei denen die Arbeitsgase vorwiegend thermisch verdichtet werden, aus. Bei solchen
Triebwerken wird der Anteil der mechanischen Verdichterarbeit im Turbinenkreis wesentlich
kleiner als bei einem bekannten Zweikreistriebwerk
mit Gleichdruckaufheizung
des Turbinenkreises. Es verschiebt sich bei gleichem höchstem Gesamtdruckverhältnis
und bei gleichen Austrittsgeschwindigkeiten das Massenverhältnis so, daß bei einem
Zweikreistriebwerk mit thermischer Verdichtung die Masse im Nebenkreis größer ist
als bei dem Zweikreistriebwerk mit Gleichdruckaufheizung im Turbinenkreis. Im Endeffekt
wird eine niedrigere Austrittstemperatur des Gasstrahles erzielt. Man kann diese
Tatsache bereits aus dem Brennstoffverbrauch beider Bauarten schließen, da der spezifische
Brennstoffverbrauch bei Anlagen mit thermischer Verdichtung gegenüber solchen mit
Gleichdruckaufheizung sinkt.
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Die Erfindung bezieht sich auf solche Strahltriebwerke und gegebenenfalls
Gasturbinen mit thermischer Verdichtung, bei denen ein Teil der vorverdichteten
Luft in einem Nebenkreis unmittelbar der Schubdüse zugeführt wird. In den Nebenkreis
kann eine Brennkammer zur Aufheizung eingeschaltet sein. Bei der Aufheizung des
Nebenkreises wird eine Leistungssteigerung durch Heraufsetzung der Austrittsgeschwindigkeit
des Strahles erzielt.
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Im Rahmen der Erfindung ist auch vorgesehen. den Nebenkreis ebenfalls
mit thermischer Verdichtung aufzuheizen. Durch eine solche Anordnung ist es möglich,
die Vorverdichtung niedriger als üblich zu wählen, wodurch die Anlage wirtschaftlicher
gestaltet wird. Es kann das Gesamtvolumen des Nebenkreises oder auch nur ein Teil
aufgeheizt werden. In jedem Falle wird im Hauptkreis der Luftstrom zum Brennraum
über ein Zellenrad gesteuert. In den Luftstrom des Nebenkreises kann auch ein Stauraum
eingeschaltet werden, in dem die eigentliche Verbrennung unter höheren Druck als
dem des umgebenden Luftstromes vor sich geht. Der Stauraum kann erfindungsgemäß
für sich stetig durchströmt werden oder auf der Einströmseite mit einem Steuerkopf
mechanisch angetrieben. oder frei schwingend pulsierend aufgeladen sein.
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Es wird zwar stets versucht werden, das geförderte Treibmittel aus
dem zweiten Kreis auf die gleiche Ausströmgeschwindigkeit zu bringen wie -die heißen
Gase aus der Turbine. Aber nicht in allen -Fällen, besonders nicht bei erhöhter
Kurzleistung, wird dies möglich sein. Es wird deshalb vorteilhaft sein, die beiden
Gasströme wohl nebeneinander parallel zu führen, aber doch so, daß größere geschlossene
Querschnittsformen entstehen, die nur eine möglichst geringe :Mischebene besitzen,
die bis zum Austritt aus der Maschinengruppe durch verstellbare Zwischenwände voneinander
getrennt bleiben. Die verstellbaren Zwischenwände werden so angeordnet werden müssen,
daß je nach der Höhe der Aufheizung das Verhältnis der Austrittsquerschnitte aufeinander
abgestimmt werden kann. An Stelle verstellbarer Zwischenwände sind natürlich auch
verschiebbare Einbauten, die .den Endquerschnitt verändern, denkbar.
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Der wirtschaftliche Wirkungsgrad eines Strahltriebwerkes der klassischen
Bauart, bei der die gesamte Verdichtung in mechanisch angetriebenen Verdichtern
aerodynamisch erfolgt, ist bei einer konstanten Fluggeschwindigkeit nur von dem
Gesamtverdichtungsverhältnis abhängig. Überträgt man einen Teil dieser Verdichtungsarbeit
der Verdichtung durch direkte Wärmezufuhr, so daß die Verbrennung in einem stets
vom Verdichter getrennten Raum erfolgt, so wird der gleiche Gesamtwirkungsgrad der
Anlage schon bei einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis des mechanisch angetriebenen
Verdichters erreicht. Der gleiche Wirkungsgrad wird bei einer thermischen Verdichtung,
die einem mechanisch angetriebenen Verdichter nachgeschaltet ist, schon bei einem
viel kleineren Verdichtungsverhältnis erreicht als bei der- klassischen, rein mechanischen
Verdichtung, d. h. aber auch, daß die mechanische Leistung der Turbine weit kleiner
sein kann bei gleicher geförderter Luftmenge des Verdichters, und daß damit die
Strahlaustrittsgeschwindigkeit weit größer würde. Es ist aber auch bekannt, daß
die Strahlaustrittsgeschwindigkeit in einem gewissen Verhältnis zu der Fluggeschwindigkeit
stehen inuß, wenn der Strahlwirkungsgrad nicht wesentlich von dem erreichbaren Maximalwert
abweichen soll. Es scheint also zunächst ein Widerspruch zu entstehen, wenn man
von der mechanischen Verdichtung auf eine mechanische und thermische Verdichtung
übergeht, da bei gleichem Gesamtwirkungsgrad der Anlage, d. h. bei kleinerer mechanischer
Verdichtung und nachgeschalteter thermischer Verdichtung der Strahlwirkungsgrad
zunächst geringer wird.
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Drückt man aber jedoch nun der Arbeitsturbine, die den mechanischen
Verdichterteil antreibt, noch eine weitere Leistung auf, so gelingt es wieder, in
den günstigen Bereich des Verhältnisses Austrittsgeschwindigkeit der Gase aus der
Turbine zur Fluggeschwindigkeit zu kommen. Das Ergebnis ist also eine freie Leistung,
die von einem mechanisch angetriebenen Verdichter zunächst nicht benötigt wird,
dieselbe kann daher zum Antrieb eines weiteren Verdichters benutzt werden, den man
sich nun zunächst getrennt von der mechanischen Verdichtung des Hauptkreises vorstellen
kann.
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Es wird also bei gleichem Gesamtwirkungsgrad einer Maschine mit mechanischer
Verdichtung und nachgeschalteter thermischer Verdichtung nicht nu: der Verdichter
des Hauptkreises leichter, denn das von ihm zu bewältigende Verdichtungsverhältnis
ist ja geringer, sondern bei demselben Wert des Strahlwirkungsgrades für den Austritt
der Gase aus der Turbine wird jetzt noch eine zusätzlich freie Leistung erzielt,
so daß der Gesamtbrennstoffverbrauch, bezogen auf kg/Schub und Sekunde wesentlich
niedriger werden kann.
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Diese freie Leistung, die zum Antrieb eines zweiten Verdichters, eines
Propellers oder ähnlichem dienen kann, kann danach dazu benutzt werden, die in der
ersten Verdichterstufe geförderte Menge gegenüber anderen in den vorhergehenden
Abschnitten erwähnten, bekannten Triebwerken zu vergrößern. Diese Mehrförderung
wird dann einem Nebenkreis zugeführt, mit dem zusätzlicher Schub erzeugt wird.
Der
Vorteil dieser Anordnung ist beim Vergleich zweier Triebwerke erkennbar, die gleiches
Druckverhältnis haben, bezogen auf den Druck in der Brennkammer und die äußere Atmosphäre.
Bei dem Einkreistriebwerk ist das Restgefälle, d. h. die Strahlaustrittsgeschwindigkeit
nach der Arbeitsleistung der Gase im Turbinenrad größer als beim Zweikreiser. Bei
dem Zweikreiser muß der durch die Turbine fließende Teilstrom der Arbeitsgase die
gesamte Verdichterleistung aufbringen. Die Austrittsgeschwindigkeit bzw. die Restenergie
dieses Teilgasstromes ist weit kleiner als bei dem Einkreiser. Aber auch die spezifische
Austrittsenergie der Gase aus dem Nebenkreis ist kleiner. Der Einkreiser arbeitet
mit kleiner Masse und großer Austrittsgeschwindigkeit; der Zweikreiser mit großer
Masse und kleiner Austrittsgeschwindigkeit. Dabei ist bei dem Zweikreiser das Verhältnis
von Masse und Geschwindigkeit leicht einstellbar. Große Austrittsgeschwindigkeiten
haben aber bei normalen Fluggeschwindigkeiten kleine Strahlwirkungsgrade zur Folge.
Soll ein besserer Strahlwirkungsgrad erzielt werden, muß durch Verwendung des Nebenkreises
mit Hilfe der Austrittsgeschwindigkeit eine Anpassung an das beste Verhältnis von
Fluggeschwindigkeit zur Austrittsgeschwindigkeit erfolgen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung
dargestellt, und zwar zeigt Abb. i ein Zweikreistriebwerk mit einem Gleichvolumenprozeß
im Hochdruckteil und einem ungeheizten Niederdruckteil, Abb. 2 ein Zweikreistriebwerk
mit einem Gleichvolumenprozeß im Hochdruckteil und einem Gleichdruckprozeß im Niederdruckteil,
Abb. 3 ein Zweikreistriebwerk mit einem Gleichvolumenprozeß im Hochdruckteil und
einem Gleichvolumenprozeß im Niederdruckteil, Abb. q. die Abwicklung eines Zellenrades,
Abb. 5 einen Längsschnitt durch ein Triebwerk gemäß Abb. i, Abb. 6 einen Schnitt
nach Linie A-B der Abb. 5, Abb. 7 einen Schnitt nach Linie C-D der Abb. 5, Abb.
8 einen Längsschnitt durch ein Triebwerk mit einem Stauraum im Nebenkreis, Abb.
9 einen Schnitt nach Linie E-F der Abb. 8, Abb. io einen an der Einströmseite regelbaren
Stauraum des Nebenkreises, Abb. i i den Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Druckverhältnis
des mechanischen Verdichters und Abb. 12 den Strahlwirküngsgrad in Abhängigkeit
vom Verhältnis der Austritts- zur . Fluggeschwindigkeit.
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Bei einem zweiflutigen Triebwerk gemäß Abb. i ist in den Hauptkreis
eine Zellenradschleuse i eingeschaltet, die mit einer Brennkammer 2 zusammenarbeitet
und die thermische Verdichtung bewirkt. Über den Vorverdichter 3 und den Hauptverdichter
q. wird die Luft zum Zellenrad i geführt und gelangt dann nach Aufheizung über die
Turbine 5 bei einem Strahltriebwerk zur Schubdüse 6. -CTber den Nebenkreis 7 wird
die vorverdichtete Luft unrüttelbar zur Düse 6 geleitet. Der ungeheizte Nebenkreis.7
kann gemäß Abb. 2 durch eine Brennkammer 8 aufgeheizt werden, so daß in diesem ein
Gleichdruckprozeß durchgeführt wird.
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Eine besonders zweckmäßige Anordnung gemäß A1bb. 3 ist die Einschaltung
einer Zellenradschleuse 9 in den Nebenkreis 7, wodurch sowohl in dem Hochdruckkreis
als auch im Niederdruckkreis ein Gleichvolumenprozeß durchgeführt wird.
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Gemäß Abb. q. arbeitet die Zellenradschleuse in der Weise, daß die
verdichtete Luft bei io eingeführt wird und über den Kanal i i in die Brennkammer
gelangt und gleichzeitig vom Kanal 12 von der Brennkammer zurückkommt. Der Kanal
zur Turbine ist mit 13 bezeichnet, während das Spülen bei 1q. erfolgt. Ein Arbeitstakt
entspricht der Strecke 15.
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In den Abb. 5, 6 und 7 ist das in der Abb. i schematisch dargestellte
Triebwerk in einem Längsschnitt und in Querschnitten veranschaulicht..
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In den Abb. 8 und 9 wird in den Nebenkreis 7 gemäß einer weiteren
Ausbildung der Erfindung ein. Staudamm 16 gelegt. Ein Teil des Gesamtvolumens des
Nebenkreises wird in dem Stauraum aufgeheizt. Gemäß Abb. io ist auf der Einströrnseite
des Stauraumes 16 ein Steuerkopf 17 vorgesehen, der mechanisch angetrieben oder
freischwingend ausgebildet ist.
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Abb. i i zeigt die Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrades einer
Gleichdruckgasturbine in« Abhängigkeit des Druckverhältnisses am Verdichter PlIPa
und die Verbesserung, die durch die nachgeschaltete thermische Verdichtung bei gleichem
Druckverhältnis am Verdichter erzielt werden kann. In der AU). 12 ist der
Strahlwirkungsgrad in Abhängigkeit der Strahlaustrittsgeschwindigkeit VA"tritt zur
Fluggeschwindigkeit hFi"g dargestellt.
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Die Kurve zeigt einen Stauwirkungsgrad von o,8, d. h. 20'/o Eintrittsverluste
liegen zugrunde. Der Strahlwirkungsgrad berechnet sich aus
wobei unter 77Stau das Verhältnis der beim Verdichtereintritt noch zur Verfügung
stehenden Luftenergie zu der Energie der Luft mit ungestörter Fluggeschwindigkeit
zu verstehen ist. Im allgemeinen wird bei guter Triebwerksverkleidung und tauberen
Einlaufprofilen am Lufteintrittskanal mit Siauwirkungsgraden zwischen
0,75 und o,86 ge-T.@@-@'f n At.