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Verbundrückstoßtriebwerk Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundrückstoßtriebwerk,
bei welchem eine Gasturbine in einem im wesentlichen zylindrischen Außengehäuse
angeordnet ist, welches mit dem Gehäuse der Gasturbine einen sich um dieses herum
erstreckenden Umgehungskanal bildet, der mit Verbrennungseinrichtungen und einer
Ausstoßdüse ausgestattet ist, wobei das Außengehäuse einen Lufteinlaß für die Gasturbine
und für den Umgehungskanal bildet und die zur Gasturbine strömende Luftmenge durch
Steuerschaufeln gesteuert wird, damit das Verbundrückstoßtriebwerk wahlweise als
Turbinenstrahltriebwerk oder als Staustrahltriebwerk betreibbar ist.
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Es ist bekannt, daß bei einem Verbundrückstoßtriebwerk, das wahlweise
als Turbinenstrahltriebwerk oder als Staustrahltriebwerk betreibbar ist, nicht nur
der Düsenquerschnitt, sondern auch die Düsenform veränderbar sein muß, und zwar
von einer dem Turbinenstrahltriebwerksbetrieb entsprechenden rein konvergierenden
Form in eine dem Staustrahltriebwerksbetrieb entsprechende konvergent-divergente
Form. Auf diese Weise sind Triebwerke erzielbar, die über einen großen Geschwindigkeitsbereich
zufriedenstellend arbeiten.
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Bei einem bekannten Triebwerk der eingangs beschriebenen Bauart ist
dies nicht der Fall. Bei diesem bekannten Verbundrückstoßtriebwerk, das eine einzige
Schubdüse für den Umgehungskanal und die Gasdüse aufweist, ist nur der Querschnitt
dieser Düse, nicht aber deren Form veränderbar.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verbundrückstoßtriebwerk
der eingangs beschriebenen Bauart zu schaffen, das getrennte Düsen für den Umgehungskanal
und die Gasturbine aufweist und bei Fluggeschwindigkeiten im Unterschallbereich
als Turbinenstrahltriebwerk mit einer konvergierenden Düse und bei Fluggeschwindigkeiten
im Überschallbereich als Staustrahltriebwerk mit einer konvergent-divergenten Düse
arbeitet.
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Bei einem solchen Triebwerk ist die Düsenform somit der jeweiligen
Betriebsart genau angepaßt, wodurch in jedem Falle ein Betrieb mit maximaler Leistungsfähigkeit
gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Gasturbine durch
das Innere eines nach hinten offenen Düsenpilzes ausstößt, dessen Innenkontur für
die Abgase der Gasturbine eine konvergente Schubdüse bildet, und daß der Pilz derart
auf dem Gasturbinengehäuse gelagert ist, daß er gegenüber diesem zurückziehbar ist,
um dabei zufolge seiner Außenkontur die Form der ringförmigen Umgehungskanaldüse
von einer konvergenten Form für Unterschallfluggeschwindigkeiten, bei denen das
Triebwerk als Turbinenstrahltriebwerk arbeitet, in eine konvergentdivergente Form
für Überschallfluggeschwindigkeiten zu ändern, bei denen das Triebwerk als Staustrahltriebwerk
arbeitet.
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Das Merkmal, daß die Gasturbine durch das Innere eines nach hinten
offenen Düsenpilzes ausstößt, dessen Innenkontur für die Abgase der Gasturbine eine
konvergente Schubdüse bildet und der gegenüber dem Gasturbinengehäuse zurückziehbar
gelagert ist, ist im Zusammenhang mit Triebwerken, und zwar mit solchen, die als.
raine Turbinenstrahltriebwerke arbeiten, bereits bekannt. Beim Zurückziehen des
Düsenpilzes wird dort allerdings nur der Querschnitt der Ringdüse für den Umgehungskanal
geändert, nicht aber die Düsenform. Die Ringdüse dieses bekannten Turbinenstrahltriebwerkes
hat in keiner Stellung einen konvergent-divergenten Längsschnitt.
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Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäßen Verbundrückstoßtriebwerk
an dem Außengehäuse ringförmige, nach innen vorragende Wülste vorgesehen, die mit
dem Düsenpilz so zusammenwirken, daß für den Umgehungskanal in der zurückgezogenen
Stellung des Pilzes eine konvergent-divergente Ringdüse
und in
der ausgefahrenen Stellung des Pilzes eine konvergente Ringdüse gebildet wird.
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Das erfindungsgemäße Verbundrückstoßtriebwerk kennzeichnet sich durch
einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige Arbeitsweise mit hohem Wirkungsgrad.
Seine zuverlässige Arbeitsweise erstreckt sich über einen breiten Bereich von Fluggeschwindigkeiten,
beginnend mit der Machzahl 0 bis beispielsweise zur Machzahl 4 und, darüber.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung zeigt die Zeichnung.
Darin ist Fig.l eine schematische Ansicht des gesamten Triebwerkes in der Einstellung
für den Betrieb bei Fluggeschwindigkeiten kleiner Machzahl und Fig. 2 eine Teilansicht
des Triebwerkes, die die für einen Betrieb im Geschwindigkeitsbereich hoher Machzahl
eingestellte Düsenform zeigt.
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Gemäß Fig. 1 weist das Triebwerk einen Kompressor 10, einen
Verbrennungsabschnitt 11 und eine Turbine 12 auf, die alle in der üblichen
Weise aufgebaut sind und den sogenannten Gasgeneratorteil des Triebwerkes bilden,
wobei die Turbine 12 den Kompressor 10 antreibt. Vor dem Kompressor 10 befinden
sich verstellbare Einlaßleitschaufeln 13 zur Steuerung der Luftzuführung zu dem
Kompressor. Das Triebwerk ist mit einer koaxialen Freilaufturbine 14 dargestellt,
welche Turbinenschaufeln trägt, die durch die Ausströmung aus dem Gasgenerator angetrieben
werden und die am äußeren Umfang der Turbinenlaufschaufeln angebrachte Kompressorlaufschaufeln
15 besitzt, welche sich in den Umgehungskanal 16 erstrecken, welcher durch
ein Gehäuse 17 gebildet wird, das sich um ein inneres Gehäuse 18 herum erstreckt
und vorzugsweise mit diesem konzentrisch ist. Das innere Gehäuse 18 bildet einen
Ausstoßgasdurchgang 19 von dem Gasgeneratorteil des Triebwerkes, durch welchen Gas
durch einem Düsenpilz 20 ausgestoßen wird, wobei der Düsenpilz einen Teil
des Ausstoßkanals im Abgasrohr des Triebwerkes bildet. Damit eine axiale Bewegung
des Düsenpilzes 20 möglich ist, ist er vorzugsweise gegenüber dem Gehäuse
18 teleskopartig angeordnet, und die Bewegung wird mittels einer Betätigungseinrichtung
21 erzielt, die über ein passendes Gestänge 22 arbeitet. Die Bewegung kann auf vielerlei
Wegen erzielt werden, wobei die Darstellung eine einfache Ausführungsform ist. Eine
Koordinierung zwischen der Bewegung des Düsenpilzes und der Einlaßleitschaufel 13
wird durch ein Gestänge 23 sichergestellt, welches von irgendeiner passenden Form
sein kann.
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Um einen wirksamen Betrieb und Schub in der in Fig.1 gezeigten, stromabwärts
ausgefahrenen Stellung für niedrige Geschwindigkeit zu schaffen, ist der Düsenpilz
so ausgebildet, daß er eine konvergente Düse 24 schafft, welche vorzugsweise eine
feste Auslaßdüse ist, die jedoch durch irgendeine gewöhnliche Einrichtung erwünschtenfalls
veränderlich sein kann. Die vorliegende Erfindung ist als Düse mit festem Querschnitt
gezeigt. Um einen zusätzlichen Schub zu schaffen, ist das den Umgehungskanal
16 bildende Gehäuse 17 so konstruiert, daß es mit Hilfe der freien Turbine
14, welche auf die Umgehungskanal-Kompressorlaufschaufeln 15 an äußerem Umfang arbeitet
und Umgebungsluft in den Umgehungkanal richtet, Umgebungsluft aufnimmt. Bei hohen
Fluggeschwindigkeiten läuft, wie sich noch zeigen wird, die Freilaufturbine 15 leer.
Zur Schaffung einer Düse in dem Umgehungsteil arbeiten an dem stromabwärts gelegenen
Teil des Gehäuses 17 angeordnete ringförmige, nach innen gerichtete Düseneinrichtungen
in Form von Wülsten 25 mit dem Pfropfenteil 26 des Düsenpilzes 20 zusammen.
Es können für einen zusätzlichen Schub Verbrennungseinrichtungen 27 in dem Umgehungskanal
vorgesehen werden, falls dies erwünscht ist. Mit Bezug auf Fig. 1 ist es ersichtlich,
daß die durch die zusammenwirkenden Einrichtungen 25 und 26 gebildete Form der Umgehungsdüse
für einen Betrieb bei kleinen Machzahlen eine konvergente Düse ist, da der Querschnitt
X kleiner ist als der Querschnitt Y.
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Da der Düsenpilz in eine zurückgezogene stromauf befindliche Lage
beim Betrieb mit hoher Machzahl gezogen wird, wie dies aus Fig. 2 zu ersehen ist,
ist der Halsquerschnitt Z nunmehr ein Minimum. Dies ist die erwünschte Bedingung.
Gleichzeitig ist zu bemerken, daß die Länge der Verbrennungszone zwischen der Verbrennungseinrichtung
27 und der Düse kurz ist. Der Vorteil davon ist, daß dann, wenn der innere Düsenpilz
20 als zurückziehbarer Teil ausgebildet und dann für einen minimalen Querschnitt
zurückgezogen ist, das äußere Gehäuse 17 kurz gemacht werden kann, was zu einer
Einsparung an Gewicht führt. Dies ist bei jeder Flugzeugkonstruktion von Bedeutung.
Das Zurückziehen des Düsenpilzes stromaufwärts durch das Gestänge 22 bewirkt gleichzeitig
ein Schließen der verstellbaren Einlaßleitschaufeln 13, bis in der voll zurückgezogenen
Lage gemäß Fig. 2 die Schaufeln geschlossen sind und das Triebwerk als ein Staustrahlantrieb
durch den Umgehungskanal 16 arbeitet. Obgleich die axiale Bewegung an dem Düsenpilz,
wie gezeigt, von Vorteil ist, ist es offensichtlich, daß auch das äußere Gehäuse
17 beweglich gemacht werden könnte, während der innere Teil feststehend ausgebildet
wird. Für die oben beschriebenen Vorteile bildet jedoch die in Fig. 2 gezeigte Anordnung
die bevorzugte.
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In Fig. 1 ist die gewählte Düsenform gezeigt, wie sie bei niedriger
Geschwindigkeit oder im Unterschallbetriebsbereich in Erscheinung tritt. Das Ausfahren
des Düsenpilzes in die gezeigte stromabwärts gelegene Stellung schafft eine konvergente
Düse in dem Umgehungsteil mit dem bei X gezeigten größeren Halsquerschnitt. Gleichzeitig
wird im Bereich geringer Geschwindigkeit, wo die Verbrennung am schwierigsten ist,
ein zusätzlicher Vorteil dadurch erreicht, daß die Verbrennungskammer durch das
Bewegen des Düsenpilzes in die gezeigte stromabwärts gelegene Stellung verlängert
wird. Da die Verbrennungsbedingungen in der Nähe der zulässigen Grenze liegen, ist
diese Anordnung von Bedeutung, indem sie insbesondere an der äußeren Hülle 17 Länge
einspart, wo dies bezüglich der Verkleinerung des Gewichts bedeutsam ist. Es wird
also dort, wo die Verbrennung in dem Bereich niedriger Geschwindigkeit schwierig
ist, wie in Fig. 1 gezeigt, eine zusätzliche Länge zu der Verbrennungszone hinzugefügt,
und diese Verbrennungslänge wird, wie in Fig. 2 gezeigt, in der Zone hoher Geschwindigkeit
verkleinert, wo die Verbrennungsprobleme nicht so schwierig sind. Der gleiche Teil
des Gehäuses wird aber dann als der divergente Teil der Düse verwendet. Die beiden
Grenzstellungen des Arbeitsbereiches beim Betrieb des erläuterten Verbundrückstoßtriebwerkes
über den beabsichtigten Machzahlbereich sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Wie in
Fig. 1 gezeigt, wird beim Start oder beim Flug mit kleiner Machzahl der Gasgenerator
mit
voller Geschwindigkeit und maximaler Temperatur in Gang gesetzt, wobei er die Umgehungskanal-Kompressorlaufschaufeln
15 antreibt. Die Einlaßleitschaufeln 13 sind offen, und der Düsenpilz befindet sich
in der gezeigten stromabwärts gelegenen Stellung. Die Temperatur der durch die Umgehungskanal-Kompressorlaufschaufeln
hindurchgehenden Strömung kann durch das Verbrennen von in die Luftströmung eingebrachtem
Brennstoff durch die Verbrennungseinrichtungen 27 erhöht und durch geeignete Mittel
so gesteuert werden, daß die Luftströmung, der Druck, die Temperatur und der Halsquerschnitt
der Düse richtig einander angepaßt sind. Durch die Trennung der beiden Ströme, des
Mittelstromes und des Parallelstromes, durch den Umgehungskanal schaffen beide Strömungen
einen Schub, wobei der innere Strom im Düsenpilz 20, wie gezeigt, lediglich
durch die konvergente Düse 24 mit festliegendem Ausgangsquerschnitt eingeengt ist.
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Bei Machzahlen zwischen 2 und 3 wird es wünschenswert, die Geschwindigkeit
des Gasgenerators wegen der hohen Kompressoreinlaßtemperatur infolge der Stauluft
zu- reduzieren. Dies wird dadurch bewirkt, daß die Brennstoffströmung zu
der Verbrennungseinrichtung 11 des Gasgenerators verkleinert wird, bis sie gänzlich
abgeschaltet ist. Sobald der Brennstoff abgeschaltet ist, sind die Einlaßleitschaufeln
13 in ihre geschlossene Stellung gedreht, um die Luft daran zu hindern, den Gasgenerator
zu erreichen. Auf diese Weise geht nun die gesamte Luftströmung durch den Umgehungskanal
16 und durch die durch die Teile 25 und 26 gebildete ringförmige Umgehungskanaldüse
hindurch. Der gesamte Halsquerschnitt des gesamten Düsenausgangs wurde um den Querschnitt
W des Ausgangs am Ende des Düsenpilzes als Folge des Schließens des Eingangs zum
Gasgenerator vermindert. Es findet nun lediglich eine Strömung durch den Umgehungskanal
und die Umgehungskanaldüse nach Art eines Staustrahlantriebs statt, und der Ausgangsquerschnitt
X kann nur zwei Drittel des kombinierten Querschnitts bei niedriger Geschwindigkeit,
X -I- W, betragen, und zwar abhängig von dem Verhältnis des Stromes durch den Umgehungskanal
zum Mittelstrom, welches in der Hauptsache das Verhältnis X : W bestimmt.
Dieses Verhältnis kann 2:1 sein.
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Durch das Blockieren des Kompressoreinlasses durch die Schaufeln 13
wird also die Strömung in den Parallelkanal gerichtet, und die gesamte Strömung
geht nunmehr durch den Halsquerschnitt X hindurch, der lediglich zwei Drittel des
gesamten Querschnitts X+ W beträgt. Es wird also mit dem Schließen der Einlaßleitschaufeln
eine Halsquerschnittsverminderung erzielt, ohne daß irgendwelche Düsenteile bewegt
werden.
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Um den Halsquerschnitt für einen Betrieb mit hoher Machzahl weiterhin
zu verkleinern und gleichzeitig ein ausreichend großes Expansionsverhältnis für
eine gute Leistungsfähigkeit zu erhalten, wird der Düsenpilz in die in Fig. 2 gezeigte
Stellung zurückgezogen, in welcher der Halsquerschnitt X nunmehr auf Z verkleinert
ist, während der Ausgangsquerschnitt V wird. Es ist ersichtlich, daß eine solche
Verkleinerung, dann, wenn die Schaufeln 13 nicht vollständig geschlossen sind, den
Rückdruck erhöht, um auch die Luftaufnahme zum Gasgenerator zu vermindern und so
die Luftzufuhr zu steuern. So wird die erforderliche Verkleinerung im Halsquerschnitt
auf ein Drittel oder weniger des Querschnitts bei geringer Geschwindigkeit erzielt,
und der Ausgangsquerschnitt V ist der maximal zu erhaltende Querschnitt. Normalerweise
würden solche Querschnittsveränderungen komplizierte Eisenteile bedingen.
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Sobald der Kompressoreinlaß geschlossen ist, läuft das Gebläse leer,
da kein Gas für seinen Antrieb vorhanden ist. Es kann jedoch für Kühlzwecke ein
kleiner Luftstrom zugelassen werden, der erwünschtenfalls durch den Gasgenerator
hindurchgeht. Da die Einlaßluft bei hohen Fluggeschwindigkeiten abgeschaltet ist,
damit die Kraftanlage als eine Staustrahldüse arbeitet, braucht der Generator nicht
bei den hohen Einlaßtemperaturen zu arbeiten, die mit einem Flug mit hoher Machzahl
verbunden sind, und er braucht daher nicht so ausgelegt zu werden, daß er den mit
einem Flug mit hoher Machzahl normalerweise verbundenen Temperaturen widersteht.
Das erläuterte Verbundrückstoßtriebwerk schafft dann ein wirksam arbeitendes Rückstoßtriebwerk
für einen breiten Bereich von Fluggeschwindigkeiten, welches eine verhältnismäßig
einfache Düsenkonstruktion in Kombination mit dem Düsenpilz besitzt. Sie gestattet
die große Querschnittsveränderung, während sie gleichzeitig die konvergente Düse
für niedrige Geschwindigkeiten und die konvergent-divergente Düse für hohe Geschwindigkeiten
schafft.