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Die Erfindung befaßt sich mit einem Verbundtriebwerk, das aus einem
Gasturbinenstrahltriebwerk mit einer ersten Strahldüse besteht sowie aus einem Stautriebwerk
mit einer die erste Strahldüse umschließenden, konvergent-divergenten zweiten Strahldüse
von veränderlicher Geometrie. Es ist ferner ein Umschaltorgan vorgesehen, mit dem
wahlweise auf Turbinen- oder Staustrahlbetrieb umgeschaltet werden kann.
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Um derartige Verbundtriebwerke in Bereichen zwischen Unter- und überschallfluggeschwindigkeiten,
letztere entsprechend Flugmachzahlen, die wesentlich über dem Wert 1 liegen,
betreiben zu können, ohne daß der Wirkungsgrad der Triebwerke stark absinkt, muß
die Form der Strahldüse der jeweiligen Betriebsart genau angepaßt werden.
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Bei einem bekannten Verbundtriebwerk ist diese Anpassung dadurch versucht
worden, daß die eine unveränderbare Geometrie aufweisende Schubdüse des Gasturbinenstrahltriebwerkes
mit den auf ihrer Außenwand angebrachten Leiteinrichtungen für die Staustrahldüse
längsverschiebbar derart angeordnet ist, daß die Form der ringförmigen Staustrahldüse
von einer konvergenten Form für Unterschallfluggeschwindigkeiten in eine konvergent-divergente
Form für überschallfluggeschwindigkeiten übergeführt werden kann.
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Mit dieser bekannten Düsenanordnung könnte zwar eine gute Anpassung
des Verbundtriebwerkes an die beim übergang vom Unter- in den Überschallbetrieb
auftretenden Änderungen der Betriebswerte erzielt werden, wenn die Längsverschiebung
der einteiligen Schubdüsenwand sehr feinstufig und langsam vorgenommen würde. Dazu
ist jedoch ein erheblicher konstruktiver Aufwand und im Betrieb ein beträchtlicher
Kraftbedarf notwendig.
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Die Anwendung anderer bekannter Maßnahmen zur Änderung des Austrittsquerschnittes
von Düsen führt bei dem bekannten Verbundtriebwerk zu einer unerwünschten Erhöhung
des Austrittswiderstandes der Schubdüse und fördert die Tendenz zur Schockwellenbildung.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es zur Erzielung optimaler
Betriebsbedingungen in einem großen Fluggeschwindigkeitsbereich einerseits notwendig
ist, den Querschnitt des Strahldüsenhalses über einen weiten Bereich zu ändern und
andererseits gleichzeitig und unabhängig von dieser Querschnittsänder-ung auch die
wirksame Länge des divergenten Teiles der Strahldüse einstellen zu können.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs erwähnten Verbundtriebwerk erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die äußere Begrenzung der zweiten Strahldüse durch zwei ineinander
teleskopartig und unabhängig voneinander axial verschiebbare Ringglieder mit stromabwärts
divergierenden Endflächen gebildet wird.
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Diese Anordnung der Ringglieder und Endflächen ist konstruktiv einfach
durchzuführen und erfordert einen geringen Kraftaufwand für die Verstellung. Durch
die Aufteilung der die Düsenwand bildenden Endfläche in unabhängig voneinander verschiebbare
Rincr-lieder kann die Anpassung der Länge des divergenten Teiles der Schubdüse an
die jeweiligen Betriebsdaten der Triebwerke im Unter- oder überschallflugbereich
wesentlich besser erzielt werden als bei den bekannten Verbundtriebwerken mit Düsen,
deren Endleitflächen nur in einer festen Form verstellbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfinduno, wird die Axialverschiebung
der Ringglieder durch für jedes Ringglied - trennte Verstellkraftce mittel
bewirkt. Ferner kann beim erwähnten Verbundtriebwerk in an sich bekannter Weise
ein gemeinsamer Lufteinlaß mit veränderbarem Querschnitt vorgesehen sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen erläutert.
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F i g. 1 stellt einen teilweisen, schematischen Längsschnitt
durch das Verbundtriebwerk dar; F i g. 2 bis 4 zeigen schematisch Schnitte
durch die zweite Strahldüse bei verschiedenen Stellungen der Ringglieder.
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F i g. 1 zeigt das für den überschallflug (z. B. Mach
5) bestimmte Verbundtriebwerk 10, welches in Strömungsrichtung einen
variablen Lufteinlaß 11,
einen zweistufigen Niederdruckverdichter 12, einen
sechsstufigen Hochdruckverdichter 13, der vom Niederdruckverdichter 12 durch
einen Raum 14 getrennt ist, eine Brennkammer 15, eine einstufige Hockdruckturbine
16, eine dreistufige Niederdruckturbine 17
und eine erste Strahldüse
18 mit unveränderlicher Geometrie umfaßt. Der Niederdruckverdichter 12 und
die Niederdruckturbine 17 sitzen auf einer Welle 21 und der Hochdruckverdichter
13 und die Hochdruckturbine 16 auf einer weiteren Welle 22, in welcher
die Welle 21 konzentrisch gelagert ist.
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Der variable Lufteinlaß 11 hat Klappenteile 23, 24,
die durch nicht dargestellte Antriebsmittel zwischen einer voll ausgezogen gezeichneten
Stellung bewegt werden können, in der der Einlaß 11 die kleinste effektive
Ouerschnittsfläche hat, und einer gestrichelt gezeichneten Stellung, in der der
Einlaß 11 seine ßte effektive Querschnittsfläche hat.
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Das Triebwerk 10 hat eine ringförmige Nebenschlußleitung
25, die mit einem Raum 14 zwischen Nieder- und Hochdruckverdichter kommuniziert
und daher Luft empfängt, die vom Niederdruckverdichter 12 verdichtet wurde und unter
Umgehung des Hochdruckverdichters 13, der Brennkammer 15, der Turbinen
16 und 17 und der ersten StrahldUse 18 die Nebenschlußleitung
25 durchströmt, welche Nebenschlußleitung die genannten Baugruppen konzentrisch
umgibt.
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Die Nebenschlußleitung 25 weist eine Verbrennungsanlage
26, 27 mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtuna 26 und einer Vielzahl
von konzentrisch zueinander angeordneten, stromabwärts offenen, ringförmigen Rinnen
27 auf, die stromabwärts der Brennstoffeinspritzvorrichtung 26 angeordnet
sind. Der eingespritzte Brennstoff, welcher von der durch die Nebenschlußleitung
25 strömenden Luft stromabwärts getragen wird, verbrennt unmittelbar hinter
den Rinnen 27.
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Am stromabwärtigen Ende der Nebenschlußleitung 25 befindet
sich eine zweite Strahldüse 30, deren effektiver Halsquerschnitt
31 verändert werden kann. Die Strahldüse 30 hat ein festes inneres
Gehäuse 32
und ein äußeres Gehäuse, das aus zwei ineinander teleskopartig
und unabhängig voneinander axial verschiebbaren Ringgliedern 33, 34 mit stromab
divererenden Endflächen gebildet wird. Kolben 35, 36
bewirken die Axialbewegung
der Ringglieder 33 und 34, um den effektiven Halsquerschnitt 31 und
die Form der zweiten Strahldüse 30 zu ändern. Ein
Klappenventil
37 ist im Raum 14 angeordnet. Dieses Klappenventil 37 ist durch Antriebsmittel,
die nicht dargestellt sind, zwischen einer Offenstellung (gestrichelt gezeichnet),
in welcher die vom Niederdruckverdichter 12 verdichtete Luft auch zum Hochdruckverdichter
13 und so zur Brennkammer 15, den Turbinen 16, 17 und zur ersten
Strahldüse 18 strömen kann, und einer geschlossenen Stellung (voll ausgezogen
gezeichnet), in welcher dieser Luftweg gesperrt ist und die Luft vom Niederdruckverdichter
12 nur durch die Nebenschlußleitung 25 strömen kann, bewegbar. Es ist zu
ersehen, daß, wenn das Klappenventil 37 geöffnet bzw. geschlossen wird, das
Verbundtriebwerk 10 als Nebenschluß-Gasturbinenstrahltriebwerk bzw. als Staustrahltriebwerk
arbeitet.
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Beim Starten stehen die Klappenteile 23, 24 in der gestrichelt
gezeichneten Stellung, in welcher der effektive Querschnitt des Lufteinlasses
11 am größten ist, ferner ist das Klappenventil 37 offen, die Brennkammer
15 und die Verbrennungsanlage 26,
27 sind in Betrieb, wobei
aber die Verbrennungsanlage 26, 27 nicht viel Brennstoff empfängt, und die
zweite Strahldüse 30 hat die Anordnung nach F i g. 2. Das äußere Ring-lied
34 der zweiten Strahldüse 30
ist voll eingezogen, d. h. in seiner stromaufwärtigen
Endstellung, und das innere Ringglied 33 in diejenige Stellung ausgefahren,
daß der Endquerschnitt der zweiten Strahldüse 30, die jetzt als konvergente
Düse wirksam ist, dem Grad der Aufheizung in der Nebenschlußleitung 25 entspricht.
Beim Start ist die Brennstoffzufuhr in die Brennkammer 15 am größten.
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Während des Unterschall-Steigflugs bleiben die Klappenteile
23, 24 und das Klappenventil 37 in der angegebenen Lage und die Brennstoffzufuhr
zur Brennkammer 15 auf dem Maximum. Die Brennstoffzufuhr zur Verbrennungsanlage
26, 27 wird je-
doch langsam vergrößert, und der Halsquerschnitt
31 der zweiten Strahldüse 30 wird ebenfalls dementsprechend vergrößert.
Um plötzliche Änderungen dieses Querschnitts zu vermeiden, wird das äußere Ringglied
34 erst, wie in F i g. 3 gezeigt, stromab ausgefahren, bis seine Endfläche
mit der des inneren Ringgliedes 33 fluchtet, worauf dann beide Ringglieder
33., 34 zusammen im Sinne einer Vergrößerung des Halsquerschnittes 31 der
zweiten Strahldüse 30 gegen die voll ausgezogen gezeichnete Stellung in F
i g. 4 bewegt werden. Wenn die Ringglieder 33, 34 diese voll ausgezogene
Stellung erreicht haben, befinden sie sich in ihrer stromaufwärtigen Endstellung,
in welcher der Halsquerschnitt 31 der zweiten Strahldüse 30 am größten
ist. Die größtmögliche Brennstoffmenge wird dann an die Verbrennungsanlage
26,
27 angeliefert, wenn das Flugzeug auf überschallflug übergeht.
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Beim überschallsteigflug werden die Ringglieder 33, 34 bei
steigender Flug-Mach-Zahl langsam zusammen gegen die in F i g. 4 gestrichelt
gezeichnete Stellung stromab ausgefahren, um den Halsquerschnitt 31 der zweiten
Strahldüse 30 zu verkleinern und um so der Änderung der Flug-Mach-Zahl zu
entsprechen. Gleichzeitig werden die Klappenteile 23,
24 langsam gegen die
voll ausgezogen gezeichnete Stellung gemäß F i g. 1 bewegt, um den Querschnitt
des Einlasses 11 zu verkleinern. Bis zu einer Flu-- C Mach-Zahl von ungefähr
3 bleibt das Klappenventit 37 in der offenen Stellung und die Brennstoffzufuhr
zur Brennkammer 15 unverändert. Bei noch höheren Flug-Mach-Zahlen wird das
Klappenventil 37 jedoch geschlossen und die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer
15 gesperrt, während die Verbrennungsanlage 26, 27 voll beliefert
wird. Der Niederdruckverdichter 12 ist dann nicht mehr kraftschlüssig von der Niederdruckturbine
17 angetrieben, sondern wirkt als Windschraube. Das Triebwerk 10 arbeitet
als Staustrahltriebwerk.
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Wenn die Höchstgeschwindigkeit, z. B. Mach 5,
erreicht ist,
sind die effektiven Querschnitte des Einlasses 11 und des Halses
31 am kleinsten.
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Beim Abwärtsflug werden die Klappenteile 23, 24 allmählich
in die gestrichelt gezeichnete Stellung gemäß F i g. 1 bewegt, um den effektiven
Querschnitt des Einlasses 11 zu vergrößern, während die Ringglieder
33, 34 im Sinne einer Vergrößerung des Halsquerschnittes 31 in ihre
voll ausgezogen gezeichnete Stellung bewegt werden (F i g. 4). Bei einer
Geschwindigkeit von z. B. Mach 3 wird das Klappenventil 37
geöffnet
und die Brennstoffzufuhr in die Brennkammer 15 setzt wieder ein, so daß das
Triebwerk als Nebenschluß-Gasturbinenstrabltriebwerk arbeitet. Die Brennstoffzufuhr
zur Verbrennungsanlage 26, 27 wird langsam auf Null herabgesetzt, Beim Warteflug
und Unterschallflug stehen die Klappenteile 23, 24 in ihrer gestrichelt gezeichneten
Stellung gemäß F i g. 1, das Klappenventil 37 ist offen, die Brennstoffzufuhr
zur Verbrennungsanlage 26, 27 ist gesperrt und die Brennkammer
15 wird entsprechend des gewünschten Schubes belastet. Das äußere Ringglied
34 der zweiten Strahldüse 30 befindet sich in seiner stromaufwärtigen unwirksamen
Endstellung, während durch axiales Verschieben des inneren Ringgliedes
33 der wirksame Endquerschnitt der zweiten Strahldüse 30 in der gewünschten
Größe eingestellt wird.