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Kombinations-Strahltriebwerk Die Erfindung bezieht sich auf Kombinations-Strahltriebwerke
und bezweckt, ein solches Triebwerk zu schaffen, das bei allen Geschwindigkeiten,
d. h. im Stand, bei Unterschallgeschwindigkeit und bei Überschallgeschwindigkeit
einen guten Wirkungsgrad aufweist bzw. einen großen Schub bei möglichst geringem
spezifischemKraftstoffverbrauchliefert.
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Es sind Kombinations-Strahltriebwerke bekannt, die aus einem Turbinenstrahltriebwerk
und einem Staustrahltriebwerk bestehen. Bei hohen überschallgeschwindigkeiten ist
die Leistung .derartiger Kombinations-Strahltriebwerke sehr erheblich, insbesondere
infolge des großen Luftdurchsatzes des Staustrahltriebwerks, und ihr spezifischer
Kraftstoffverbrauch kann infolge der starken Verdichtung im Einlauf eines jeden
der Kanäle des Triebwerks gering sein. Wenn jedoch die Fluggeschwindigkeit abnimmt,
nimmt der Anteil des Staustrahltriebwerks am Schub des Kombinations-Strahltriebwerkes
ab, und beim Start ist der dann nur von dem Turbinenstrahltriebwerk gelieferte Schub
gering. Kombinations-Strahltriebwerke dieser Art können einen gemeinsamen Einlaß
mit einer Vorrichtung aufweisen, welche die Luft wahlweise auf einen der beiden
Triebwerkkanäle verteilt.
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Es sind ferner Zweikreisturbinenstrahltriebwerke bekannt, bei welchen
bei Unterschallgeschwindigkeiten und mäßigen Überschallgeschwindigkeiten ein sehr
günstiger spezifischer Kraftstoffverbrauch erhalten werden kann, da die Unterteilung
des das Triebwerk durchströmenden Luftstroms in einen Drucklufterzeugerstrom und
einen Leistungsstrom gestattet, für jeden Ström das geeignete Druckverhältnis zu
wählen. Jedoch ergeben sich bei hohen Fluggeschwindigkeiten große - Druckunterschiede
in den beiden Strömen, die zu Druckverlusten und Störungen führen, wenn beide Ströme
aus einer einzigen Leitung austreten. Andererseits ist eine konvergentdivergente
Schubdüse mit zwei koaxialen regelbaren Ausgängen kompliziert und sperrig, insbesondere
bei Nachverbrennung.
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Bekannt ist weiter ein Kombinations-Strahltriebwerk mit einem ersten,
einen Drucklufterzeuger enthaltenden Kanal und einem zweiten Kanal, der einen Niederdruckverdichter
enthält; welcher durch eine Turbine angetrieben ist, der eine Brennkammer zugeordnet
ist, die über eine von dem ersten Kanal zu dem zweiten Kanal führende regelbare
Verbindungsleitung von dem Drucklufterzeuger in dem ersten Kanal mit Druckluft versorgt
wird. Dieses bekannte Triebwerk kann jedoch nicht für überschallgeschwindigkeiten
verwendet werden. Die Erfindung geht von einem Kombinations-Strahltriebwerk der
zuletzt genannten Art aus. Gemäß der Erfindung ist ein solches Triebwerk gekennzeichnet
durch die gemeinsame Anwendung folgender an sich bekannter Merkmale: a) für die
beiden Kanäle ist ein gemeinsamer regelbarer konvergent-divergenter Einlaufdiffusor
vorgesehen, dem eine Vorrichtung nachgeordnet . ist, welche die Luft auf die beiden
Kanäle verteilt;
| b) der Niederdruckverdichterweist zur A assung |
| des zweiten Kanals an Staustrahlbetrieb # e Vor- |
richteng zum Ändern des Durchsatzes und des Druckverhältnisses auf; c) dem Niederdruckverdichter
ist eine Zwischenbrennkammer nachgeordnet; d) eine konvergent-divergente Schubdüse
am Ende des zweiten Kanals.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die dem
Niederdruckverdichter in dem zweiten Kanal nachgeordnete Zwischenbrennkammer in
einen stromauf liegenden Abschnitt, der sich stromauf bis an den Niederdruckverdichter
erstreckt und die von diesem abgegebene Luft aufnimmt, und einen stromab liegenden
Mischabschnitt unterteilt sein, und sowohl in dem stromauf liegenden Brennkammerabschnitt
als auch in dem stromab liegenden Brennkammerabschnitt können Brenner vorgesehen
sein.
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Das Ändern des Durchsatzes und des Druckverhältnisses des Niederdruckverdichters
kann vorzugsweise dadurch erhalten werden, däß die Statorschaufein
des
Niederdruckverdichters um radiale Achsen senkrecht schwenkbar sind.
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Durch die Erfindung wird ein Kombinations-Strahltriebwerk erhalten,
welches die günstigen Eigenschaften des Zweikreisstrahltriebwerks bei kleinen Geschwindigkeiten
mit denen der Kombination eines Turbinenstrahltriebwerks mit einem Staustrahltriebwerk
bei großen Geschwindigkeiten vereinigt.
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Die dem gemeinsamen Einlauf diffusor nachgeordnete Vorrichtung kann
z. B. eine an der Trennstelle der beiden Ströme angebrachte Klappe sein.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Nutzleistung des
Drucklufterzeugers von einem Turboverdichter geliefert, welcher von einer einem
Gasturbinentriebwerk nachgeschalteten Arbeitsturbine angetrieben ist, und als pneumatische
Energie über die Verbindungsleitung in den zweiten Kanal übertragen, wo sie an die
den Niederdruckverdichter antreibende Turbine abgegeben wird. Nach der Entspannung
in dieser Turbine vergrößert diese aus dem ersten Kanal stammende Druckluft die
Durchsatzmenge des zweiten Kanals, wobei die Turbine selbsttätig den gleichen statischen
Druck in beiden Strömen herstellt. Der stromauf liegende Abschnitt der Zwischenbrennkammer
im vom Niederdruckverdichter geförderten kalten Strom des zweiten Kanals gestattet
auch den Ausgleich der Temperaturen der beiden Ströme. Die Druckverluste an der
Vereinigungsstelle der beiden Ströme sind daher gering. Der stromab liegende Abschnitt
der Zwischenbrennkammer indem zweiten Kanal wirkt als Nachbrennkammer. Die konvergent-divergente
Schubdüse des zweiten Kanals wird dementsprechend eingestellt. Der Drucklufterzeuger
kann auch von beliebiger anderer Bauart sein.
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Der in dem zweiten Kanal angeordnete Niederdruckverdichter weist als
Vorrichtung zum Andern des Durchsatzes und des Druckverhältnisses insbesondere verstellbare
Leitschaufeln auf. Die obere Grenze des Durchsatzes durch den zweiten Kanal ist
durch die zulässige mit der Drehzahl des Niederdruckverdichters zu vereinbarende
Axialmachzahl gegeben.
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Im Stand, bei Unterschallgeschwindigkeiten und bei mäßigen Überschallgeschwindigkeiten
ist das erfindungsgemäß ausgebildete Triebwerk in seinem Verhalten mit einem Zweikreis-Turbinenstrahltrieb-
| werk -ergleichbar. Bei Vollast und bei Betrieb ohne |
Nachverbrennung ist der spezifische Kraftstoffverbrauch gering. Bei Betrieb der
Zwischenbrennkammer kann eine große zusätzliche Leistung erhalten werden.
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Wenn man unter gleichen Bedingungen die beiden Kanäle des erfindungsgemäß
ausgebildeten Triebwerks mit einem Triebwerk mit zwei voneinander unabhängigen,
als Turbinenstrahltriebwerk bzw. als Staustrahltriebwerk gleichzeitig arbeitenden
Kanälen vergleicht, stellt man fest, daß in einem weiten Temperaturbereich des Betriebs
der Zwischenbrennkammer die von dem Niederdruckverdichter herrührende zusätzliche
Verdichtung eine geringere Entropiezunahme in dem aus dem zweiten Kanal des erfindungsgemäß
ausgebildeten Triebwerks austretenden Strahl als in dem aus dem Vergleichs-Staustrahltriebwerk
austretenden Strahl zur Folge hat. Andererseits verursachen die Verluste in der
zum Antrieb des Drucklufterzeugers dienenden Turbine eine zusätzliche Entropiezunahme
in den aus dem Drucklufterzeugerkanal, also dem ersten Kanal austretenden Strahl,
welche in dem Kanal des Vergleichs-Turbinenstrahltriebwerks nicht vorhanden ist.
Es zeigt sich jedoch, daß für den ganzen Geschwindigkeitsbereich bis jenseits des
Betriebspunktes, bei dem der Einlaßdruck am Verdichter des Drucklufterzeugers gleich
dem Druck hinter seiner Antriebsturbine ist, die Summe der Entropiezunahmen in den
beiden Kanälen bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Triebwerk geringer ist als
bei dem zum Vergleich herangezogenen Aggregat mit einem Turbinenstrahltriebwerk
und einem Staustrahltriebwerk, woraus sich ein höherer thermodynamischer Wirkungsgrad
ergibt.
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Bei hohen Überschallgeschwindigkeiten ist der Druck in den beiden
Kanälen sehr verschieden, aber die beiden Düsen können entsprechend eingestellt
werden und mit geringsten Verlusten arbeiten. Die Arbeitsweise des zweiten Kanals
nähert sich dann der eines Staustrahltriebwerks. Um das Triebwerk bei diesen Fluggeschwindigkeiten
unter Höchstleistung mit Betrieb der Zwischenbrennkammer arbeiten zu lassen, kann
der Durchsatz des zweiten Kanals durch Vergrößern des Anstellwinkels der Leitschaufeln
des Niederdruckverdichters erheblich gesteigert werden, dessen Verdichtungsverhältnis
bei entsprechender Drehzahlabnahme dann bis in die Nähe von 1 abnimmt.
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Beim Aufheben des von dem Drucklufterzeuger in den zweiten Kanal übertragenen
Luftstroms bleibt der durch den zweiten Kanal hindurchgehende Strom, welcher einen
hohen Druck und eine niedrige Temperatur hat, in einem geringen Querschnitt konzentriert,
welcher fast vollständig für die Durchsatzregelung verfügbar ist.
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Bei geringer Teillast ohne Betrieb der Zwischenbrennkammer und bei
verringertem Durchsatz und vergrößertem Druckverhältnis, wobei die Niederdruckverdichterantriebsturbine
mit verringerter Temperatur arbeitet, erfolgt die Aufhetzung des kalten Stromes
des zweiten Kanals ausschließlich durch Mischung mit den Abgasen der Turbine. Das
Triebwerk kann mit gutem Wirkungsgrad ohne Änderung der Drehzahl des Drucklufterzeugers
arbeiten. Das Arbeiten des Drucklufterzeugers bei konstanter Drehzahl unter verschiedenen
Flugbedingungen ist insbesondere für den Antrieb der Bordhilfsanlagen vorteilhaft.
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Aus dem gleichen Grund läßt dieses Triebwerk schnelle Leistungsänderungen
zu.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielsweise erläutert, die einen schematischen Längsschnitt durch ein Kombinations-Strahltriebwerk
gemäß der Erfindung darstellt.
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Das dargestellte Strahltriebwerk enthält zwei getrennte Kanäle 1 und
2, die in getrennte konvergentdivergente Schubdüsen 3 und 4 auslaufen, welche durch
nicht dargestellte Einrichtungen geregelt werden können. Die beiden Kanäle haben
einen gemeinsamen, ebenfalls konvergent-divergenten regelbaren Lufteinlauf 5. An
der Trennstelle der beiden Ströme ist eine Vorrichtung, beispielsweise eine bewegbare
Klappe 6, vorgesehen, welche die Anpassung der Kanäle an die gewünschte Verteilung
der Durchsatzmengen erleichtert.
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In dem Kanal 1 ist als Drucklufterzeuger ein Verdichter 7 angeordnet,
dessen Rotor durch eine Welle 8
mit einer Arbeitsturbine 9 gekuppelt ist,
die einem Gasturbinentriebwerk nachgeschaltet ist, welches aus
einem
Verdichter 11, einer Brennkammer 13 und einer Turbine 10 besteht,
wobei die Gase dann durch die konvergent-divergente regelbare Düse 3 ausströmen.
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Der Verdichter 7 fördert in die Verbindungsleitung 14, die
mit einem Regelventil 15 und einer Abzweigung 23 versehen ist. Die
Verbindungsleitung 14
mündet in eine Brennkammer 16, die eine Turbine
17 speist, welche durch eine Welle 18 mit einem Niederdruckverdichter
19 gekuppelt ist, der eine schematisch bei 24 dargestellte Vorrichtung aufweist,
welche es gestattet, die Winkelanstellung der Schaufeln der Gesamtheit oder eines
Teils der Leitbeschaufelung 25 und 26 zu ändern. Der Turboverdichtersatz 17 bis
19 mit Brennkammer 16 ist in dem Kanal 2 angeordnet. Ein zwischen dem Gehäuse dieser
Einheit und der Wand des Kanals 2 gebildeter Ringkanal 20, der den stromaufwärtigen
Abschnitt einer Zwischenbrennkammer darstellt, ist mit einer Aufheizvorrichtung
27 versehen, welche in der Strömung der von dem Niederdruckverdichter 19
geförderten Luft liegt. Diese Luft mischt sich anschließend mit den Abgasen der
Turbine 17 in einer dem stromab liegenden Zwischenbrennkammerabschnitt bildenden
mit einer Nachverbrennungsvorrichtung 22 versehenen Kammer 21, um schließlich
durch die konvergentdivergente regelbare Düse 4 auszuströmen.