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Reaktionsstrahl -Vortriebssystem für Flugzeuge mit mehreren Triebwerken
Die Erfindung bezieht sich auf Reaktionsstrahl-Triebwerkssysteme für mit mehreren
Triebwerken ausgerüstete Flugzeuge, wobei der Ausdruck »Triebwerk« hier ein Aggregat
bezeichnet, welches ein unter Druck stehendes Gas erzeugt, das geeignet ist, aus
einer oder mehreren Düsen. in Form eines oder mehrerer Reaktionsstrahlen ausgestoßen
zu werden, wobei diese Reaktionsstrahlen aus Luft, Verbrennungsprodukten oder einem
Gemisch aus Luft und Verbrennungsprodukten bestehen können, und wobei dem Aggregat
gegebenenfalls auch durch einen mechanischen Antrieb Kraft entnommen wird. Die Erfindung
befaßt sich vornehmlich mit bestimmten Problemen, die sich bei solchen Vortriebssystemen
einstellen, bei denen die von zwei oder mehr Triebwerken abgegebenen Gasströme in
eine gemeinsame Leitung eintreten, die zu der Düse bzw. den Düsen führt, wobei zwischen
jedem der Triebwerke und der gemeinsamen Leitung je ein Absperrventil vorgesehen
ist. Die Erfindung läßt sich insbesondere, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich
beim Antrieb von mit mehreren Triebwerken ausgerüsteten Hubschraubern derjenigen
Bauart anwenden, bei der mindestens ein Rotor vorgesehen ist, dessen Antrieb durch
die Reaktion von Gasstrahlen erfolgt, die durch Düsen ausgestoßen werden, welche
an der Spitze der Rotorflügel oder in deren Nähe angeordnet sind.
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Gemäß der Erfindung weist bei einem Reaktionsstrahl-Vortriebssystem
für ein. mit mehreren Triebwerken ausgerüstetes Flugzeug, bei dem die von zwei oder
mehr Triebwerken gelieferten Gasströme in eine gemeinsame Leitung eintreten, die
zu einer oder mehreren Düsen führt, wobei zwischen jedem der Triebwerke und der
gemeinsamen Leitung ein Absperrventil vorgesehen ist, die Düse bzw. jede Düse in
an sich bekannter Weise eine Einrichtung zum Einstellen der Düse auf einen großen
bzw. einen kleinen Strömungsquerschnitt auf, und es ist ein selbsttätiger Steuermechanismus
vorgesehen, der die Absperrventile und die Düseneinstellvorrichtung bzw. -vorrichtungen
miteinander verbindet, und dieser Steuermechanismus tritt bei einer Aufhebung des
Gleichgewichts zwischen den Gasmengen, die von den an die gemeinsame Leitung angeschlossenen
Triebwerken geliefert werden, automatisch in Tätigkeit und verstellt dasjenige Absperrventil,
das dem Triebwerk mit der niedrigeren Gaserzeugung zugeordnet ist, um dieses- Triebwerk
gegenüber der gemeinsamen Leitung abzusperren, während gleichzeitig die Düseneinstellvorrichtung
bzw. -vorrichtungen auf einen kleinen Strömungsquerschnitt eingestellt werden.
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Wenn das Gleichgewicht zwischen den von den Triebwerken gelieferten
Gasmengen gestört wird, z. B. beim vollständigen oder teilweisen Versagen eines
der Triebwerke, oder wenn ein Triebwerk während des Fluges aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
oder aus anderen Gründen abgestellt wird oder wenn ein abgestelltes Triebwerk angelassen
wird, während ein anderes Triebwerk bereits arbeitet, wird somit das die geringere
Gasmenge liefernde Triebwerk gegenüber der gemeinsamen Leitung abgesperrt, um zu
verhindern, daß das Gas dadurch verlorengeht, daß das Gas aus der gemeinsamen Leitung
durch das zuletzt erwähnte Triebwerk hindurch zurückströmt, und der Durchtrittsquerschnitt
der Düse bzw. der Düsen wird verkleinert, um eine Anpassung an die geringere Gasmenge
zu bewirken, die der gemeinsamen Leitung von dem verbleibenden Triebwerk bzw. den
verbleibenden Triebwerken aus zugeführt wird.
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Bei Hubschraubern mit Düsenantrieb ist es erwünscht, die gemeinsame
Leitung mit einem Abblaseventil auszurüsten, dessen Betätigungsdruck in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Hubschrauberrotors oder eines anderen Regelparameters der den
Rotor durchsetzenden Gasströmung geregelt wird. Dieses Abblaseventil hat die Aufgabe,
den Gasstrom zu »trimmen«, um eine Anpassung an die geänderten Betriebsbedingungen
zu bewirken, wenn ein Triebwerk gegenüber der gemeinsamen Leitung abgesperrt. worden
ist.
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Der selbsttätige Steuermechanismus wird zweckmäßigerweise durch eine
Einrichtung betätigt, die auf eine erhebliche Herabsetzung der Drehzahl eines beliebigen
Triebwerks
gegenüber der Drehzahl des verbleibenden bzw. der verbleibenden Triebwerke anspricht.
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Das Vortriebssystem umfaßt vorzugsweise auch eine handbetätigte Steuereinrichtung,
mittels deren der Flugzeugführer jedes beliebige Absperrventil nach Wunsch betätigen
kann, um jedes gewünschte Triebwerk gegenüber der gemeinsamen Leitung abzusperren
und gleichzeitig die Düsenverstelleinrichtung bzw. -einrichtungen auf den kleinen
Strömungsquerschnitt einzustellen. Dieser handbetätigte Steuermechanismus kann in
Fällen vorgesehen sein, in denen das Flugzeug unter bestimmten Bedingungen fliegen
soll, während nicht sämtliche Triebwerke in Betrieb sind. Dieser handbetätigte Steuermechanismus
wird durch den selbsttätigen Steuermechanismus übergangen, wenn das Gleichgewicht
zwischen den von den in Betrieb befindlichen Triebwerken gelieferten Gasmengen gestört
ist.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Fig. 1 ist ein allgemeines Blockdiagramm der arbeitenden Teile
des Hubschraubers und des zugehörigen Steuersystems; Fig. 2 zeigt weitere Einzelheiten
der in Fig. 1 veranschaulichten Teile; Fig. 3 läßt die Konstruktion des Abblaseventils
erkennen.
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Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Hubschrauber mit mehreren Strahltriebwerken
ist mit zwei Gasturbinentriebwerken A und B ausgerüstet. Diejenigen Teile, die bei
den Triebwerken identisch ausgebildet sind, sind. jeweils durch gleiche Bezugsziffern
gekennzeichnet, denen der Buchstabe A bzw. B beigefügt ist. Aus Gründen der Kürze
wird die Erfindung inbesondere unter Bezugnahme auf das Triebwerk A und die ihm
zugeordneten Teile beschrieben, und es sei bemerkt, daß diese Beschreibung auch
für die entsprechenden Teile des Triebwerkes B gilt.
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Bei dem Triebwerk A handelt es sich um ein Gasturbinentriebwerk mit
einem Hauptverdichter 10A, der Luft aus der Umgebungsluft ansaugt und sie in eine
oder mehrere Brennkammern 11 A fördert, wo ein durch eine Rohrleitung 12A zugeführter
Kraftstoff verbrannt wird. Die heißen Verbrennungsgase entspannen sich in einer
Turbine 13 A und treten dann in eine Mischkammer 14A ein. Die Turbine 13A treibt
den Hauptverdichter 10A sowie einen Hilfsverdichter 15A an. Der Hilfsverdichter
15'A saugt Luft aus der Atmosphäre an und fördert sie in die Mischkammer 14A, wo
sich diese Luft mit den Abgasen der Turbine vermischt. Das Gasgemisch strömt dann
durch eine Rohrleitung 16A zu einem Absperrventil 17A und von dort aus je nach der
Einstellung des Ventils 17A entweder zu einer den beiden Triebwerken A und B gemeinsamen
Leitung 18 oder zu einem in die Umgebungsluft mündenden Austrittsrohr 19A. Die gemeinsame
Leitung 18 besitzt eine nach oben verlaufende Abzweigung 20, die zu den hohlen Flügeln
21 des Hubschrauberrotors führt. Da der Rotor drehbar ist, während die unteren Teile
18 der gemeinsamen Leitung feststehen, umfaßt die Abzweigung 20 hier nicht dargestellte
Stopfbuchsen oder Abdichtungen, um eine relative Drehbewegung zwischen den oberen
und unteren Teilen der Rohrleitung zu ermöglichen, ohne daß größere Gasmengen in
unerwünschter Weise entweichen. Am Ende jedes Rotorflügels 21 befindet sich eine
Austrittsdüse 22, die gegenüber dem Rotorflügel nach hinten gerichtet ist, so daß
die Reaktionskraft des aus der Düse ausgestoßenen Gasstrahls eine Drehbewegung des
Hubschrauberrotors hervorruft. Jede der Düsen 22 ist mit einer Einrichtung 23 zum
Einstellen des Strömungsquerschnitts auf einen großen bzw. einen kleinen Wert versehen.
Die Steuerung dieser Düseneinstellvorrichtungen erfolgt über ein Gestänge 24 von
einem gemeinsamen Betätigungsglied 25 aus, das sich über die Gestänge 26A und 26B
mit den Absperrventilen 17A und 17B sowie den Servomotoren 27A und
27B,
welche dem Triebwerk A bzw. dem Triebwerk B zugeordnet sind, verbinden
läßt. Bei dem Triebwerk A dient das Gestänge 26A nicht nur zur Betätigung des gemeinsamen
Betätigungsgliedes 25 bei einer Bewegung des Servomotors 27A, sondern es verbindet
auch das Absperrventil 17A mit diesem Servomotor, so daß die Düsen 22 bei der normalen
Stellung des Absperrventils 17A gemäß Fig. 2 auf einen großen Strömungsquerschnitt
eingestellt sind, während die Düsen dann, wenn das Absperrventil 17A seine Absperrstellung
einnimmt, d. h. wenn die Rohrleitung 16A mit der Austrittsleitung 19A verbunden
ist, so daß keine Verbindung zwischen dem Triebwerk A und der gemeinsamen Leitung
18 besteht, auf den kleinen Strömungsquerschnitt eingestellt sind. Die beiden Gestänge
26A und 26B beeinflussen das gemeinsame Betätigungsglied 25 in der Weise, daß die
Düsen immer dann, wenn entweder das Ventil 17A oder das Ventil 17B in seine Absperrstellung
gedreht wird, die Düsen 22 auf ihren kleinen Strömungsquerschnitt eingestellt werden.
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Die Stellung des Servomotors 27A wird durch die Stellung eines Hauptkolbenschieberventils
28A bestimmt, welch letzteres gemäß Fig.2 normalerweise durch eine Feder 29A nach
links vorgespannt ist, so daß ein durch eine Pumpe 30A unter Druck gehaltenes hydraulisches
Strömungsmittel über einen Filter 31A, einen hydraulischen Druckakkumulator 32A
und die Rohrleitungen 33A und 34A zu dem Innenraum des Servomotorzvlinders 27A auf
der linken Seite des Servokolbens gelangen kann, so daß der Kolben dieses Servomotors
nach rechts gedrückt wird, um das Ab-
sperrventil 17A in seiner in Fig.2 wiedergegebenen
Normalstellung zu halten. Für das Triebwerk A ist ein Steuerhebel 35A vorgesehen,
der durch den Flugzeugführer betätigt werden kann, um den Kolbenscbieber 28A entgegen
der Kraft der Feder 29A nach rechts zu bewegen, um die Verbindung zwischen den Rohrleitungen
33A und 34A zu unterbrechen und eine Verbindung. zwischen der Rohrleitung 33A und
einer Rohrleitung 36A herzustellen, die zum rechten Ende des Servomotors 27A führt.
Gleichzeitig wird die Rohrleitung 34A mit einer Entleerungsleitung 37A verbunden.
Der Flugzeugführer kann somit dadurch, daß er den Steuerhebel 35A so bewegt, daß
der Ventilkolben 28A nach rechts verschoben wird, das Absperrventil 17A nach Belieben
.betätigen, um die Verbindung zwischen dem Triebwerk A und der geneinsamen Leitung
18 zu unterbrechen und gleichzeitig die Rotordüsen 22 auf ihren kleinen Durchtrittsquerschnitt
einzustellen. Wenn dagegen der Kolbenschieber 28A auf eine noch zu beschreibende
Weise durch hydraulischen Druck in seiner rechten Endstellung festgehalten wird,
so läßt sich der Kolbenschieber 28A nicht mehr mit Hilfe des Steuerelements 35A
zurückbewegen. Der Flugzeugführer kann somit zwar jedes der beiden Triebwerke gegenüber
der gemeinsamen. Leitung absperren, doch kann er ein Triebwerk nur dann mit der
gemeinsamen Leitung verbinden, wenn sich das selbsttätige Steuersvstem in einem
Zustand befindet, der dies zuläßt.
Der für das Triebwerk A bestimmte
Kraftstoff wird durch eine von dem Triebwerk angetriebene Kraftstoffpumpe 38A zu
einem Kraftstoffzumeßaggregat 39,A gefördert und gelangt von dort aus über die Rohrleitung
12 A zu den Brennkammern 11 A. Die Kraftstoffpumpe 38A ist von derjenigen Bauart,
bei der ein Druckunterschied zwischen einer Niederdruckleitung (Pumpeneintrittsdruck)
40A und einer Hochdruckleitung (Eintrittsdruck zuzüglich Fliehkraftgefälle) 41A
erzeugt wird. Diese Drücke und die entsprechenden Drücke, die dem Triebwerk B zugeordnet
sind, werden einer Einrichtung 42 zugeführt, die auf jede Störung des Gleichgewichts
zwischen dem Druckunterschied zwischen den Rohrleitungen 41A und 40A einerseits
und dem Druckunterschied zwischen den Rohrleitungen 41B und 40B andererseits anspricht;
mit anderen Worten, die Einrichtung 42 bildet eine Fühleinrichtung für Drehzahlunterschiede
zwischen den beiden Triebwerken.
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Einzelheiten der Einrichtung 42 zum Feststellen von Drehzahlunterschieden
gehen aus Fig.2 hervor. Die Einrichtung umfaßt eine obere Membran 43, die mit dem
Druckunterschied zwischen den Rohrleitungen 41A und 40A beaufschlagt wird, sowie
eine untere Membran 44, die mit dem Druckunterschied zwischen den Rohrleitungen
41B und 40B beaufschlagt wird. Die Membranen 43 und 44 wirken über Druckstifte in
entgegengesetzten Richtungen auf einen Hebel 45, der gemäß Fig. 2 an seinem linken
Ende drehbar gelagert ist, während sein rechtes Ende zwischen einem oberen Auslöseventilkolben
46A und einem unteren Auslöseventilkolben 46B liegt. Diese Ventilkolben sind durch
Federn vorgespannt, die bestrebt sind, den Hebel 45 in einer Gleichgewichtslage
zu halten, und der Hebel 45 wird in dieser Gleichgewichtslage verharren, wenn die
auf die Membranen 43 und 44 wirkenden resultierenden Kräfte im Gleichgewicht stehen.
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Der Auslöseventilkolben 46 A besitzt einen mittleren Steg 47A, und
der Raum unterhalb dieses Steges steht mit einer Rohrleitung 48A in Verbindung,
und diese Rohrleitung ist an die Rohrleitung 33 A angeschlossen, so daß ihr
ständig ein Strom des unter Druck stehenden hydraulischen Strömungsmittels zugeführt
wird. Der Steg 47A verschließt normalerweise den Eingang zu einer Rohrleitung 50A,
die zu der Unterseite eines Hilfskolbenschiebers 51 A führt.
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Wenn die Drehzahl des Triebwerks A unter diejenige des Triebwerks
B abfällt, .geht der Druckunterschied zwischen den Rohrleitungen 41A und 40A zurück,
so daß die auf die Membran 43 nach unten wirkende resultierende Kraft kleiner wird
und sich der Hebel 45 nach oben bewegt. Hierdurch wird der Schieber des Auslöseventils
46A angehoben, und wenn sich dieser Schieber nur ein kurzes Stück nach oben bewegt
hat, wird eine Verbindung zwischen der Rohrleitung 48A und der Rohrleitung 50A hergestellt,
was zur Folge hat, daß der Kolben 51 A des Hilfsventils angehoben wird. Hierdurch
wird sofort eine Verbindung zwischen der Rohrleitung 48A und einer Rohrleitung 52A
hergestellt, die zur linken Seite des Hauptschieberventils 28A führt. Da die Rohrleitung
48A mit dem unter Druck stehenden Strömungsmittel gefüllt ist und ständig damit
versorgt wird, wird der Kolbenschieber des Hauptventils 28A nach rechts gedrückt,
so daß der Kolben des Servomotors 27A in der weiter oben beschriebenen Weise
nach links geht, um das Triebwerk A gegenüber der gemeinsamen Leitung 18 abzusperren
und die Düsen 22 auf ihren kleinen Durchtrittsquerschnitt einzustellen. Die Schieberventile
51A und 28A gewährleisten, daß das Umstellen des Servomotors 27A zwischen seinen
Endstellungen schlagartig erfolgt und daß der Servomotor eindeutig reagiert.
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Die Aufgabe des Akkumulators 32A, der aus einem Gefäß besteht, das
einen Kolben 53A enthält, wobei oberhalb des Kolbens ein Raum 54A für Druckluft
vorhanden ist, besteht darin, unterhalb des Kolbens 53A eine ausreichende Menge
des unter Druck stehenden Strömungsmittels bereitzuhalten, um den Servomotor zu
füllen, wenn sich dessen Kolben aus der einen Endstellung in die andere Endstellung
bewegt, so daß ein schnelles Umschalten gewährleistet ist, ohne daß die Pumpe 30A
übermäßig große Abrnessungen aufzuweisen braucht.
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Das untere Auslöseventil 46B steht mit den entsprechenden, dem Triebwerk
B zugeordneten Teilen über die Rohrleitungen 48B, 50B und 37B in Verbindung.
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Wenn ein Triebwerk, z. B. das Triebwerk A, dadurch gegenüber der gemeinsamen
Leitung 18 abgesperrt worden ist, daß der Servomotor 27A entweder von Hand mittels
des Steuerhebels 35A oder automatisch durch die Druckunterschieds-Fühleinrichtung
42 betätigt worden ist, wird das von dem Triebwerk A immer noch gelieferte Gas über
die Auslaßleitung 19A an die Umgebungsluft abgegeben. Diese Auslaßleitung umfaßt
eine Drosselklappe 55A, die so eingestellt wird, daß der dem Ausströmen des Gases
aus der Leitung 19A entgegengesetzte Widerstand annähernd ebenso groß ist wie der
Widerstand, der dem Strömen des Gases durch die gemeinsame Leitung 18, die Rotorflügel
21 und die Düsen 22 entgegengesetzt wird. Die Bewegungen des Absperrventils 17A
rufen somit keine erhebliche Beeinflussung des Gegendrucks hervor, gegen den das
Triebwerk das Gas abgibt. Dies ist vorteilhaft, denn wenn z. B. das Triebwerk B
bereits läuft und mit der gemeinsamen Leitung 18 verbunden ist, während das Triebwerk
A angelassen wird, wobei das Absperrventil 17A seine Absperrstellung einnimmt,
und wenn das Triebwerk A auf die Drehzahl des Triebwerks B hochgefahren worden ist
und man dann das Absperrventil 17A- in seine normale Stellung dreht, so erfolgt
weder eine stoßartige Belastung des Triebwerks A, noch wird die Belastung dieses
Triebwerks plötzlich gesteigert. Wenn umgekehrt ein Triebwerk von der gemeinsamen
Leitung abgeschaltet wird, so erfolgt keine plötzliche Verminderung der Last, die
ein Durchgehen des Triebwerks bewirken könnte.
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Die Austrittsöffnung der Abgabeleitung 19A ist so angeordnet, daß
das aus ihr austretende Gas auf das Flugzeug kein unerwünschtes Moment aufbringt.
Die Austrittsöffnung kann z. B. senkrecht nach oben oder nach-unten gerichtet sein.
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Mit der gemeinsamen Leitung 18 steht ein Abblaseventi156, dessen Konstruktion
aus Fig.3 ersichtlich ist, in Verbindung. Dieses Ventil umfaßt ein Ventiltellerteil
57, das durch eine Feder 58 in Richtung auf seine geschlossene Stellung, bei der
es an einer Sitzfläche 59 anliegt, vorgespannt ist. Wenn der in der gemeinsamen
Leitung 18 herrschende und auf das Ventiltellerteil 57 wirkende Druck die durch
die Feder 58 aufgebrachte Kraft überschreitet, öffnet sich das Abblaseventil und
läßt Gas aus der gemeinsamen Leitung 18 in die Umgebungsluft entweichen. Das Abbdaseventil
hat die Aufgabe, überschüssige Gasmengen entweichen zu lassen, wenn die in die gemeinsame
Leitung eingeführte Gasmenge größer ist als diejenige, die unter den jeweiligen
Betriebsbedingongen
durch die Düsen 22 abgegeben werden kann. Wenn
z. B. das Triebwerk A versagt und durch die Betätigung des Absperrventils 17A selbsttätig
von der gemeinsamen Leitung abgesperrt wird, werden die Düsen 22 auf den kleinen
Durchtrittsquerschnitt eingestellt, und man kann das Triebwerk B so einstellen,
daß es eine höhere Leistung erzeugt. Die Drehzahl des Rotors kann jedoch zeitweilig
bis unter denjenigen Wert abgesunken sein, der den neuen Betriebsbedingungen angemessen
ist. Bis die Rotordrehzahl wieder auf den geeigneten Wert eingestellt worclen ist,
ist es erwünscht, einen Teil des Gases aus der gemeinsamen Leitung 18 abzublasen,
um zu verhindern, daß sich in dieser Leitung ein unerwünscht hoher Druck entwickelt.
Zu diesem Zweck ist dafür gesorgt, daß die Belastung der Feder 58 von der Drehzahl
des Rotors abhängt; zu diesem Zweck ist ein bewegliches Widerlager 60 vorgesehen,
das durch einen Nocken 61 und ein Gestänge 62 von einer hier nicht gezeigten Vorrichtung
aus, die auf die Rotordrehzahl anspricht, verstellt werden kann.
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Das Abblaseventil 56 kann auch so eingerichtet oder angeordnet sein,
daß es dazu beiträgt, den Rotor und die Triebwerke so aufeinander abzustimmen, daß
man die optimale Gesamtleistung erzielt. Beispielsweise kann das Abblaseventil so
eingerichtet sein., daß es sich am oberen Ende des Gasdruckbereichs öffnet, wenn
beide Triebwerke die gemeinsame Leitung 18 mit Gas versorgen und die Düsen 22 auf
ihren großen Strömungsquerschnitt eingestellt sind, um jeweils so viel Gas abzublasen,
daß der Gasstrom der jeweiligen Charakteristik der Düsen angepaßt ist.
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Das Abblaseventil ist mit einer Warneinrichtung ausgerüstet, die elektrische
Kontakte 63 umfaßt, welche in dem Stromkreis einer im Flugzeugführerraum angeordneten
Warnlampe liegen, um dem Flugzeugführer anzuzeigen, daß sich das Abblaseventil geöffnet
hat, so daß erkennbar wird, daß die Triebwerke auf unwirtschaftliche Weise arbeiten.