DEH0012228MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 19. April 1952 Bekaiintgemacht am 12. Juli 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die bekannten Bauarten von Strahltriebwerken und Gasturbinen sind durchweg einflutig. Es wurden hohe Verdichtungsdrücke gewählt, um Brennstoff zu sparen, so daß die Austrittsgeschwindigkeit des Strahles zwangläufig gegeben ist. Bei wachsendem Druckverhältnis wächst die Austrittsgeschwindigkeit, wobei der eigentliche Strahlwirkungsgrad immer schlechter wird.

Es wurde deshalb vorgeschlagen, mehrflutige

ίο Triebwerke vorzusehen, um auf kleinere Austrittsgeschwindiigkeiten 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 Anlage beide Teilströme die gleiche Austrittsgeschwindigkeit erhalten. Zu diesem Zwecke wurde das Restgefälle hinter der Turbine gleich dem Gefälle der vorgeschalteten Verdichterstufen gewählt.

Bekannt sind auch Zweikreisstrahltriebwerke mit gemeinsamer Vorverdichtung beider Kreise und Nachverdichtung des Turbinenkreises.

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 Zweikreistrieb-

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werk 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.

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.

Im Rahmen der Erfindung ist auch vorgesehen, den Nebenkras 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.

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. 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 Ge-Samtverdichtungsverhältnis abhängig. Überträgt ^K 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 schön 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 aiich, 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 muß, 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 nächgeschalteter thermischer Verdichtung der Strahlwirkungsgrad zunächst geringer wird.

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.

Es wird also bei gleichem Gesamtwirkungsgrad einer' Maschine mit mechanischer Verdichtung und nachgeschalteter thermischer Verdichtung nicht nur 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.

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.

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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 ίο 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 as eine Anpassung an das beste Verhältnis von Fluggeschwindigkeit zur Austrittsgeschwindigkeit erfolgen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, ■ und zwar zeigt

Abb. ι 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. 4 die Abwicklung eines Zellenrades,

Abb. 5 einen Längsschnitt durch ein Triebwerk gemäß Abb. 1,

Abb. 6 einen Schnitt nach Linie A-B der Abb. 5, Abb. 7 einen Schnitt nach Linie C-D der Abb. 5, 45. Abb. 8 einen Längsschnitt durch ein Triebwerk mit einem Stauraum im Nebenkreis,

Abb. 9 einen Schnitt nach Linie E-F der Abb. 8, Abb. 10 einen an der Einströmseite regelbaren Stauraum des'Nebenkreises,

Abb. 11 den Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Druckverhältnis des mechanischen Verdichters und Abb. 12 den Strahlwirkungsgrad in Abhängigkeit vom Verhältnis der Austritts- zur Fluggeschwindigkeit.

Bei einem zweiflutigen Triebwerk gemäß Abb. 1 ist in den Hauptkreis eine Zellenradschleuse 1 eingeschaltet, die mit einer Brennkammer 2 zusammenarbeitet und die thermische Verdichtung bewirkt. Über den Vorverdichter 3 und den Hauptverdichter 4 wird die Luft zum Zellenrad 1 geführt und gelangt dann nach Aufheizung über die Turbine 5 bei einem Strahltriebwerk zur Schubdüse 6. Über den Nebenkreis 7 wird die vorverdichtete Luft unnittelbar 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. '

Eine besonders zweckmäßige. Anordnung gemäß A.bb. 3 ist die Einschaltung einer Zellenradschleuse 9 in den Nebenkreis 7, wodurch sowohl in dem Hochdruckkreis als auch im Niederdruckkreis ein Gleichvolumenprozeß durchgeführt wird.

Gemäß Abb. 4 arbeitet die Zellenradschleuse in der Weise, daß die verdichtete Luft bei 10 eingeführt wird und über den Kanal 11 in die Brennkammer gelangt und gleichzeitig vom Kanal 12 von der Brennkammer zurückkommt. Der Kanal zur Turbine ist mit 13 bezeichnet, währerid das Spülen bei 14 erfolgt. Ein Arbeitstakt entspricht der Strecke 15.

In den Abb. 5, 6 und 7 ist das in der Abb. ΐ schematisch dargestellte Triebwerk in einem Längsschnitt und in Querschnitten veranschaulicht.

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. 10 ist auf der Einströmseite des Stauraumes 16 ein Steuerkopf 17 vorgesehen, der mechanisch angetrieben oder freischwingend ausgebildet ist.

Abb. 11 zeigt die Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrades einer Gleichdruckgasturbine in Abhängigkeit des Druckverhältnisses am Ver^: dichter PJP₀ und die Verbesserung, die durch die nachgeschaltete thermische Verdichtung bei gleichem Druckverhältnis am Verdichter erzielt werden kann. In der Abb. 12 ist der Strahlwirkungsgrad in Abhängigkeit der Strahlaustrittsgeschwindigkeit V_Ausiriit zur Fluggeschwindigkeit V_Flug dargestellt.

Die Kurve zeigt einen Stauwirkungsgrad von 0,8, d. h. 20% Eintrittsverluste liegen zugrunde.

Der Strahlwirkungsgrad berechnet sich aus

V Austritt

Flug

Austritt Flug

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   wobei unter rjstau 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 sauberen Einlaufprofilen am Lufteintrittskanal mit Stauwirkungsgraden zwischen 0,75 und 0,86 gerechnet.

   i. Strahltriebwerk mit gemeinsamer mechanischer Vorverdichtung der Brennluft des Turbinenkreises sowie der Zweitluft und mit Nachverdichtung der Brennluft des Turbinenkreises, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverdich-

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   tung zum kleinen Teil dynamisch und zum größeren Teil thermisch erfolgt.
2. 2. Strahltriebwerk nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung im Nebenkreis (7) mit thermischer Verdichtung (9) vorgenommen wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 496491;

   schweizerische Patentschrift Nr. 229280;

   französische Patentschriften Nr. 950376, 919 127; britische Patentschriften Nr. 669915, 368564; USA.-Patentschriften Nr. 2 546 432, 2 458 600;

   Zeitschrift des VDI, Bd. 94 (1952), Nr. 4,
   S.in, 112;

   Motortechnische Zeitschrift, Bd. 12 (1951), Nr. 1, S. 6 bis 8;

   The Aeroplane, Bd.8i (1951), Nr.2093, S.248,249.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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