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Antriebsanlage mit einem Gasturbinenhauptstrahltriebwerk Die Erfindung
betrifft eine Antriebsanlage mit einem Gasturbinenhauptstrahltriebwerk und mehreren
an die Abgasleitung des Gasturbinenhauptstrahltriebwerkes angeschlossenen Strömungsenergieverbrauchern
mit einer Steuereinrichtung für den Strömungsmittelfluß zwischen dem Gasturbinenhauptstrahltriebwerk
und den Verbrauchern.
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Eine derartige Antriebsanlage ist beispielsweise bei Senkrechtstartern
vorgesehen, und die Erfindung soll unter Bezugnahme auf Senkrechtstarter erläutert
werden. Es sei jedoch bemerkt, daß die Erfindung auch auf anderen Gebieten Anwendung
finden kann.
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Bei Senkrechtstartern sind bekanntlich zwei oder mehr Hubgebläse in
den Flächen oder im Rumpf vorgesehen. Die vom Gasturbinenhauptstrahltriebwerk erzeugten
Abgase werden nun den Hubgebläseantrieben zugeführt, und in den Zuführungsleitungen
sind Steuereinrichtungen, wie beispielsweise Drosselventile, vorgesehen, um die
Abgasmengen, die an die Hubgebläse abgegeben werden, zu steuern. Diese Steuerung
erfolgt, um die Hubgebläseantriebe zum Zweck des Trimmens oder des Kurvenfluges
od. dgl. unterschiedlich zu beaufschlagen. Eine derartige Steuerung über Drosselventile
führt jedoch zwangläufig zu Energieverlusten in der Gasströmung, und weiterhin bringt
diese Steuerung den Nachteil mit sich, daß die Drosseln das Gewicht des Flugzeuges
erhöhen, da die Drosselventile im heißen Gasstrome angeordnet sind und derart aufgebaut
sein müssen, daß diese den hohen Temperaturen widerstehen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige
Antriebsanlage zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist.
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Erfindungsgemäß ist bei konstantem Strömungswiderstand der Strömungsenergieverbraucher
die Steuereinrichtung derart angeordnet und ausgebildet, daß den Verbrauchern aus
Turbinensegmentabschnitten unterschiedliche Abgasmengen so zuströmen, daß hinter
den Turbinensegmentabschnitten unterschiedliche Rückdrücke auftreten. Diese unterschiedlichen
Rückdrücke erzeugen nun ihrerseits unterschiedliche Druckabfälle in den Turbinensegmentabschnitten.
In einem Turbinensegmentabschnitt, in dem ein geringerer Druckabfall durch einen
höheren Rückdruck erzeugt wird, werden auch den Strahltriebwerksgasen geringere
Energiemengen entnommen, so daß in diesem Segmentabschnitt ein Gas abgegeben wird,
welches einen größeren Energieinhalt aufweist. Wird der Druckabfall in einem Segmentabschnitt
durch eine Verringerung des Rückdruckes erhöht, so werden in diesem Segmentabschnitt
solche Energiemengen dem Gas entnommen, so daß hinter diesem Segmentabschnitt ein
Gas mit geringerem Energieinhalt zur Verfügung steht. Man kann also den Energieverbrauchern
unterschiedliche Gasströme mit unterschiedlichen Energieinhalten zuführen und dadurch
diese Strömungsmittelenergieverbraucher steuern. In vorteilhafter Weise wird hierbei
die Eigenschaft eines Gasturbinenstrahltriebwerkes ausgenutzt, welches aus der Arbeitsmittelströmung
eine um so höhere Energie entnimmt, je mehr der Rückdruck abfällt. Es wird also
in vorteilhafter Weise die Turbine des Gasturbinentriebwerkes mit als Teil der Steuereinrichtung
verwendet.
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In vorteilhafter Weise kann die Steuereinrichtung eine Strömungsteilerklappe
aufweisen, die in einem Abstand stromab des Turbinenrades liegt, der nicht größer
ist als die Turbinenschaufelsehne.
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Die Steuereinrichtung kann aber auch mit Vorteil Leitschaufeln aufweisen,
die segmentabschnittsweise unterschiedlich einstellbar sind.
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Es kann aber auch vorteilhaft sein, daß die Steuereinrichtung Strahldüsen
zur Einführung eines Hilfsmediums aufweist. Dabei kann die Steuereinrichtung auch
Leitschaufeln aufweisen, in denen steuerbare Blasdüsen angeordnet sind.
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In den Figuren der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
schematisch dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Ansicht
einer bekannten Antriebsanlage für Hubgebläse, F i g. 2 eine schematische Ansicht
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Antriebsanlage, F i g. 3 ein Gasturbinentriebwerk,
bei welchem die Steuereinrichtung im Gasgenerator vorgesehen ist, F i g. 4 eine
Sclinlfitansicht, genommen längs, der Linie 4-4 der F fg, 2,-F i g. 5 eine Schniftänsicht
einer Steuereinrichtung für eine Antriebsanlage; bei der mehr als zwei Hubgebläse
verwendet werden, F i g. 6 eine schematische Darstellung einer Arbeitscharakteristik
eines Gasturbinenstrahltriebwerkes, F i g. 7 eine Teilansicht einer abgeänderten
Ausführungsform einer Steuereinrichtung, bei der Vorrichtungen zur Veränderung'
des Leitkranzes stromauf von der Turbine @däs Gasgenerators vorgesehen sind, F i
g. 8 eine Teilansicht einer bekannten Gaszuführungsanordnung,-- bei- der Drosseleinrichtungen
zur Verteilung der Leistung vorgesehen sind, F i g. 9 eine Teilansicht einer stromab
von der Turbine verwendeten Steuereinrichtung und F i g. 10 eine Teilansicht einer
weiteren Steuereinrichtung.
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In F i g. 1 ist eine Hubgebläseanlage für einen Senkrechtstarter dargestellt,
die zwei Hubgebläse aufweist, obwohl es selbstverständlich ist, daß mehr als zwei
Hubgebläse entweder in den Flächen oder im Rumpf zum Anheben, Trimmen und Steuern
vorgesehen sein können.' In einer derartigen Anlage wird ein Gasturbinenhauptstrahltriebwerk
10 verwendet, um Arbeitsgase zu erzeugen, die während des Hubflugzustandes durch-
einen Kanal 11 und Abzweigungen 12 und 13 zu spitzenbeaufschlagten Gebläsen 14 und
15 geleitet werden. Es sei bemerkt, daß in F i g. 1 lediglich der Hubflugzustand
dargestellt ist und daß das Strahltriebwerk 10 über einen nicht dargestellten Verteiler
das Gas nach hinten ausstoßen kann, um in an sich "bekannter Weise einen Schub zu
erzeugen. Um in einem derartigen System eine Steuerung um die Längsachse und. eine
Drehbewegung um die Längsachse zu erzielen, ohne daß dabei ein Verlust im Gesamthub
der Hubgebläse 14 und 15 auftritt, muß die vom Gasgenerator 10 erzielbare Leistung
höher sein als die von den Hubgebläsen 14 und 15 benötigte Leistung. Die Leistungserhöhung
ist erforderlich, um die dauernden Drosselverluste -auszugleichen. Die Drosselverluste
sind zwangläufig durch die Antriebsanlage bedingt, da Drosselventile 16 vorgesehen
sind, um die Strömung zu den Hubgebläsen zu steuern. F i g. 8 zeigt die Anordnung
in detaillierter Weise bei einem Hubgebläse, wobei Drosselventile 17 in der Zuführung
18 angeordnet sind, welche die Strömung der Austrittsgase zu den Leitschaufeln 19
steuern:: Die Leitschaufeln 19 leiten die Gase zu nicht dargestellten Turbinenschaufeln
der spitzenbeaufschlagten: Hubgebläse 14. Eine ähnliche Anlage wird auf der anderen
Seite des Senkrechtstarters verwendet. Das Hubgebläse 14 weist ebenfalls Leitschaufeln
19. auf, um die Gase zu beschleunigen, die dem spitzenbeaufschlagten Turbinengebläse
14 zugeleitet werden. Die Verwendung von Drosselventilen 17 führt zu einem Energieverlust
des Gasstroms, der. - das: Hubgebläse 14 antreibt. Die Drosselverluste werden nun
dadurch- ausgeschaltet, daß die verschiedenen Drosselventile 16 und 17 entfallen,
die bei den bekannten Antriebsanlagen verwendet werden, und dadurch ist es möglich,
die Energie in den Arbeitsgasen maximal auszunutzen. Bei der Antriebsanlage wird
ein Triebwerk verwendet, das die Eigenschaft hat, daß bei einem abnehmbaren Rückdruck
auf das Triebwerk die Energie erhöht wird, die aus dem Arbeitsmedium gewonnen werden
kann. Dies ist eine typische Charakteristik von Gasturbinen. Eine derartige Charakteristik
ist in F i g. 6 gezeigt, wobei dargestellt ist, daß bei vermindertem Rückdruck sich
die Nutzleistung erhöht, die pro Gewichtseinheit des Austrittsgases erzielbar ist.
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In F i g. 2 ist eine Antriebsanlage, ähnlich wie die in F i g. 1 dargestellte,
gezeigt . Die Drosselventile 16
und 17 sind jedoch nicht mehr vorhanden und
durch eine Steuereinrichtung 20 ersetzt, die im Kanalabschnitt 11 vor den Abzweigungsleitungen
12 und 13 stromab vom Triebwerk 10 angeordnet ist. Die Steuereinrichtung 20 unterteilt
den Strömungsmittelfluß, der vom Triebwerk 10 ausgeht, dadurch, daß diese das Strömungsquerschnittsverhältnis
des Kanals 11 einstellt, um verschiedene Strömungsmengen den Hubgebläseantrieben
14 und 15 zuzuleiten.
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F i g. 3 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk, welches einen Kompressor
21, Brennkammern 22, einen Leitkranz 23 und eine Turbine 24 aufweist. Es ist die
Anordnung der Steuereinrichtung 20 gegenüber dem Triebwerk dargestellt, und die
Steuereinrichtung 20 ist stromab von der Turbine, der Turbine benachbart, angeordnet.
Der Ausdruck »benachbart« ist auf einen Raum begrenzt, in welchem das obere Ende
der Steuereinrichtung 20 in einem Abstand stromab von der Turbine angeordnet ist,
der nicht größer ist als die Turbinenschaufelsehnenlänge. Der Zweck der Steuereinrichtung
ist es, den Strömungsmittelfluß zwischen den Abzweigungen derart aufzuteilen, daß
keine wesentliche Strömung von einer Abzweigungsleitung zur anderen Abzweigungsleitung
auftritt. Eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Steuereinrichtung
20 ist ganz allgemein in F i g. 4 gezeigt. Die Kanäle sind ringförmig ausgebildet
und die Steuereinrichtung 20 kann, wie gestrichelt dargestellt, verschwenkt werden,
um einen größeren Strömungsquerschnitt in der Abzweigungsleitung 13 zu erzeugen.
Falls mehr als zwei Hubgebläse oder Energieverbraucher vorgesehen sind, kann die
Steuereinrichtung 20 die Form haben, die schematisch in F i g. 5 dargestellt ist.
Bei der Steuereinrichtung 20 können zusätzliche Teile 25 und 26 vorgesehen sein,
um die Strömungsquerschnitte der Abzweigungsleitungen 12 und 13 und einer zusätzlichen
Abzweigungsleitung 27 zu verändern. Es ist zu erkennen, daß eine Bewegung der Teile
20, 25 und 26 die entsprechenden Strömungsquerschnitte der Kanäle 12, 13 und 27
ändert.
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Um die Leistungsaufteilung der in F i g. 2 dargestellten Anlage zu
zeigen, bei der eine Steuereinrichtung 20 stromab von der Turbine 24 verwendet wird,
sei ein Beispiel gegeben.
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Es sei angenommen, daß ein bestimmter Zustand oder Umstand mehr Leistung
am Hubgebläse 15 und weniger Leistung am Hubgebläse 14 erforderlich macht. Es sei
bemerkt, daß der Innenaufbau der Hubgebläse 14 und 15 der gleiche ist, wie in F
i g. 8 gezeigt, wobei jedoch die Drosselventile 17 nicht vorhanden sind. Die Turbinenleitschaufeln
19 sind fest angeordnet und bilden daher einen konstanten Strömungswiderstand.
Wenn
die Steuereinrichtung 20
nach aufwärts in die in F i g. 2 gestrichelt dargestellte
Stellung bewegt ist, wird der vom Triebwerk 10 abgegebene Strömungsmittelfluß proportional
zwischen den Abzweigungsleitungen 13 und 12 verteilt, wobei eine größere Strömungsmenge
in die Abzweigungsleitung 13 eintritt. Wegen der fest eingestellten Turbinenleitschaufeln
19 muß sich deshalb eine größere Strömungsmenge durch die festen Strömungsquerschnitte
der Leitschaufeln 19 hindurchdrängen. Danach nimmt der Druck in der Abzweigungsleitung
13 zu. Durch diese Druckzunahme in der Leitung 13 wird der Rückdruck auf die Turbine
erhöht und. der Druckabfall in der Turbine im Bereich der Abzweigungsleitung 13
vermindert. Wenn dieser Druckabfall wegen des erhöhten Rückdruckes in der Abzweigungsleitung
13 vermindert ist, wird weniger Arbeit von der Turbine im Triebwerk 10 dem Gas entnommen,
und die Temperatur in der Abzweigungsleitung 13 stromab von der Turbine ist deshalb
höher. Da die Turbine weniger kinetische Energie dem Gas, welches in die Abzweigungsleitung
13 strömt, aufnimmt, verbleibt mehr Gesamtenergie im Gas in der Abzweigungsleitung
13, was dazu führt, daß eine größere Strömung mit einem höheren Gesamtdruck und
einer höheren Gesamttemperatur dem Gebläseantrieb zugeleitet wird. Dies ist der
gewünschte Zustand, um mehr Leistung im Hubgebläse 15 zur Verfügung zu haben, und
dieser Zustand wurde ohne Drosselverluste erzielt, da keine Drosselung stattgefunden
hat. Der umgekehrte Zustand stellt sich am Hubgebläse 14 ein. Der Strömungsmittelzufluß
zur Abzweigungsleitung 12 ist vermindert. Es ist jedoch im Hubgebläse 14 der gleiche
feste Leitschaüfelquerschnitt als Strömungswiderstand vorhanden, so daß ein geringerer
Druck erforderlich ist, um diesen Strömungsmittelfluß durch die Leitschaufeln zu
treiben. Demzufolge fällt der Druck in der Abzweigungsleitung 12 ab, und darauf
ergeben sich ein verminderter Rückdruck auf die Turbine und eine Erhöhung des Druckabfalls
in der Turbine des Triebwerkes 10, und zwar in dem Teil, der die Abzweigungsleitung
12 speist. Es wird nun durch die Turbine mehr Energie aus dem Gas entnommen, das
in die Abzweigungsleitung 12 eintritt. Dies führt zu einer geringeren Temperatur
des Gases in der Abzweigungsleitung 12 und deshalb zu einer geringeren Energiezuführung
am Hubgebläseantrieb 14. Dies ist wieder der erwünschte Zustand, der ohne Drosselverluste
erreicht wird.
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Der Druck in der Abzweigungsleitung 13 stromab von der Turbine ist
höher als der Druck in der Abzweigungsleitung 12, und dies führt zu unterschiedlichen
Rückdrücken auf die Turbine.
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Zur Erzielung der gleichen Ergebnisse kann auch eine Veränderung des
Leitkranzes stromauf von der Turbine vorgesehen sein, und diese ist schematisch
in F i g. 7 dargestellt. Der Leitkranz 23 der Turbine 10 weist schwenkbar an Schwenkeinrichtungen
28 gelagerte Schaufeln auf, die verdreht werden können, um den Strömungsquerschnitt
zu verändern oder zu vermindern. In F i g. 7 sind ebenfalls die Turbinenschaufeln
der Turbine 24 schematisch dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Anwendung
der in F i g. 7 dargestellten Ausführungsform die Steuereinrichtung 20 überflüssig
macht und daß durch diese Ausführungsform die gleichen Ergebnisse erzielt werden.
Mit der in F i g. 7 dargestellten abgeänderten Ausführungsform ist die Betriebsweise
der Anlage die gleiche. Es sei wieder angenommen, daß auf das Hubgebläse 15 eine
größere Leistung aufgegeben werden soll und auf das Hubgebläse 14 eine geringere
Leistung. Durch die Öffnung der Schaufeln 23, die. in F i g. 7 dargestellt sind,
in dem Teil des Kranzes, welcher die Abzweigungsleitung 13 speist, wird die Strömungsmenge
wieder proportional unterteilt, um eine größere Strömung den feststehenden Leitschaufeln
19 (F i g. 8) im Hubgebläse 15 zuzuleiten, wobei in der Abzweigungsleitung 13 eine
größere Strömungsmenge fließt. Es entsteht dann wieder ein höherer statischer Druck
in der Abzweigungsleitung 13 und ein kleinerer Druckabfall im entsprechenden Segment
der Turbine. Bei diesem geringeren Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der
Turbine wird aus den Austrittsgasen weniger Energie entnommen, so daß in der Abzweigungsleitung
13 eine höhere Gastemperatur zur Verfügung steht. Es wird eine höhere Leistung dem
Hubgebläse 15 zugeleitet, und dies ist der erwünschte Betriebszustand. Der umgekehrte
Betriebszustand stellt sich beim Hubgebläse 14 ein. Beim Öffnen der in F i g. 7
dargestellten Schaufeln 23 im Segment der Abzweigungsleitung 13 werden die Schaufeln
23 im Segment der Abzweigungsleitung 12 mehr geschlossen. Dies führt zu einem
geringeren Strömungsmittelfluß in der Abzweigungsleitung 12 und zu den festen Leitschaufeln
im Hubgebläse 14 und weiterhin zu einem niedrigeren statischen Druck in der- Abzweigungsleitung
12. Der geringere statische Druck führt zu einem größeren Druckabfall im
entsprechenden Segment der Turbine, so daß mehr Energie aus den Gasen entnommen
wird, und dies führt zu einer geringeren Temperatur der Gase in der Abzweigungsleitung
12, woraus folgt, daß die Gase in der Abzweigungsleitung 12 einen geringeren Druck
haben. Dieser geringere Druck und die geringere Temperatur und die geringere Strömungsmenge
führen zu einer geringeren Leistungsabgabe an das Hubgebläse 14.
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In den beiden dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispielen
wurden für die stromab gelegene Steuereinrichtung und für die stromauf gelegene
Steuereinrichtung mechanische Einrichtungen verwendet. Es ist aber auch möglich,
in der Anlage Strömungsvorrichtungen zu verwenden, und F i g. 9 zeigt schematisch
eine derartige Vorrichtung. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, die gleichen
Ergebnisse ohne bewegliche Teile zu erzielen, und F i g. 9 zeigt lediglich ein Ausführungsbeispiel,
mit dem dieses Ergebnis erzielt werden kann. Die F i g. 9 zeigt, auf welche Weise
der Austritt der Turbine 24 proportional unterteilt werden kann, und zwar durch
die Verwendung einer Strömungsvorrichtung. Es kann eine Düse für ein unter hohem
Druck stehendes fluides Medium 30 vorgesehen sein, wobei dieses Medium aus einer
Kammer 31 eines konischen Bauteils 32 ausgestoßen wird. Dieser Bauteil 32 kann wie
die Steuereinrichtung 20 in F i g. 2 der Turbine benachbart angeordnet sein, um
die Strömung zu unterteilen, und zwar, um, wie dargestellt, einen geringeren Strömungsmittelfluß
zur Abzweigungsleitung 12
und einen größeren Strömungsmittelfluß zur Abzweigungsleitung
13 zu leiten. In gleicher Weise können als Steuerungen stromauf von der Turbine
Leitschaufeln 23 mit Düsen 33 für ein Druckmittel, wie in F i g. 10 gezeigt, vorgesehen
sein, um die Strömungsqüerschnitte
zwischen den Schaufeln 23 ohne
Verdrehung der einzelnen Schaufeln zu verändern. Diese Ausführungsform ist schematisch
dargestellt und zeigt, daß Strömungsvorrichtungen verwendet werden können, um die
Strömungsquerschnitte bei den beiden dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen
zu verändern.
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Die Erfindung wurde insbesondere unter Bezugnahme auf eine Antriebsanlage
für Senkrechtstarter beschrieben. Es ist jedoch klar, daß das Prinzip der Leistungsverteilung
und die Einrichtungen zur Erzeugung einer derartigen Leistungsverteilung nicht auf
eine derartige Anlage beschränkt sind. Statt der spitzenbeaufschlagten Hubgebläse
14 und 15 könnten Turbinen zum Antrieb elektrischer Generatoren vorgesehen sein.