-
Kombiniertes Gasturbinenstrahl- und Staustrahltriebwerk Die Erfindung
bezieht sich auf ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Strömungsmittelkanal,
der in Strömungsrichtung hintereinander mit einem Lufteinlaß, einem Verdichter,
einer primären Verbrennungseinrichtung, einer Turbine und einem Nachbrenner ausgestattet
ist, wobei ein Nebenschlußkanal vorgesehen ist, dessen stromoberseitiges Ende mit
dem Verdichter derart in Verbindung steht, daß diesem Nebenschlußkanal ein Teil
der in dem Verdichter verdichteten Luft zugeführt wird, und wobei der Nebenschlußkanal
an der Primärverbrennungseinrichtung und der Turbine vorbeigeführt ist und sein
stromunterseitiges Ende eine oder mehrere Öffnungen veränderbaren wirksamen Querschnitts
aufweist, die mit dem Strömungsmittelkanal stromoberseitig des Nachbrenners in Verbindung
stehen.
-
Die Erfindung befaßt sich mit der Lösung der Aufgabe, ein derartiges
Mantelstromtriebwerk so auszubilden, daß es wahlweise als Turbostrahltriebwerk (bei
Unterschallgeschwindigkeiten und niedrigen Überschallgeschwindigkeiten) oder als
Staustrahltriebwerk (bei hohen überschallgeschwindigkeiten) arbeiten kann, um eine
größtmögliche Raumersparnis gegenüber einer Triebwerksanlage mit getrennten Staustrahltriebwerken
und Turbostrahltriebwerken zu gewährleisten.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zusätzlicher
Luftkanal Stauluft vom Lufteinlaß empfängt und mit dem Nebenschlußkanal derart in
Verbindung steht, daß diesem die Stauluft über eine Ventilanordnung zugeführt wird.
Dieser zusätzliche Luftkanal, der im Turbostrahlbetrieb abgesperrt ist, läßt die
Stauluft, ohne daß sie von den Verdichterschaufeln behindert wird, in den Nebenschlußkanal
und von dort nach dem Nachbrenner gelangen, der im Staustrahlbetrieb die Verbrennung
bewirkt und allein die Vortriebsschubkraft erzeugt. Durch die Erfindung wird es
möglich, allein durch Anordnung des zusätzlichen Luftkanals und der Ventilanordnung
ein Turbinentriebwerk als Staustrahltriebwerk arbeiten zu lassen.
-
Es ist zwar bereits ein kombiniertes Turbostrahl-und Staustrahltriebwerk
bekannt, bei welchem über eine zusätzliche Luftleitung einem den Verdichter, die
Verbrennungseinrichtung und die Turbine umgebenden Nebenschlußkanal im Staustrahlbetrieb
zusätzlich Luft zugeführt wird. Beider bekannten Triebwerksausbildung muß aber im
Betriebszustand als Staustrahltriebwerk die Beschaufelung des Niederdruckverdichters
zurückgezogen werden, um auch von dem Strömungskanal, der die Beschaufelung des
Verdichters beherbergt, Stauluft zuführen zu können. Im übrigen findet bei dem bekannten
Triebwerk die Verbrennung bei Staustrahlbetrieb in dem Nebenschlußkanal statt, so
daß hierfür gesonderte Brenner vorgesehen werden müssen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk wird bei der Umschaltung von Turbostrahlbetrieb
auf Staustrahlbetrieb unter Abschaltung der primären Verbrennungseinrichtung der
Lufteinlaß nach dem Niederdruckverdichter gesperrt, und die Luft wird über den zusätzlichen
Luftkanal in den Nebenschlußkanal geleitet und dann durch den bei Turbostrahlbetrieb
zusätzlich wahlweise einschaltbaren Nachbrenner verbrannt.
-
Zur Absperrung des Niederdruckverdichtereinlasses ist zweckmäßigerweise
der Verdichter mit an sich bekannten beweglichen Einlaßleitschaufeln ausgestattet,
die in eine Schließstellung überführbar sind, in der sie die Durchströmung des Verdichters
verhindern.
-
Statt dessen kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
der Verdichter an seinem stromoberseitigen Ende mit einem koaxial zu ihm gelagerten
Bauteil
versehen sein, der die Strömung nach dem Einlaß des Verdichters steuert und mehrere
radial bewegliche Abschnitte aufweist, die radial voneinander weg und aufeinander
zu in Stellungen bewegt werden können, in denen sie die Strömung durch den Verdichter
verhindern bzw. zulassen.
-
Zum Zweck der Verringerung des Luftwiderstandes bei Turbostrahlbetrieb
kann eine an sich bekannte Strömungssteuereinrichtung vorgesehen sein, um die Strömung
von Luft in den zusätzlichen Luftkanal hinein zu verhindern.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht wenigstens
ein Teil des Strömungskanals in an sich bekannter Weise aus einem doppelwandigen
Gehäuse, wobei an sich bekannte Stauluftturbinen vorgesehen sind, die bei Staustrahlbetrieb
die Stauluft expandieren und dadurch abkühlen, die dann zwischen den Wandungen des
Gehäuses strömt.
-
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der
Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 eine teilweise geschnittene
Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasturbinenstrahltriebwerks,
F i g. 2 eine gegenüber der F i g. 1 abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gasturbinenstrahltriebwerks, F i g. 3 in größerem Maßstab im Längsschnitt den die
Verdichter umfassenden Teil einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gasturbinenstrahltriebwerks.
-
Ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10 für ein überschallflugzeug hat ein
äußeres Gehäuse 11, das am stromaufwärtigen Ende mit einem Lufteinlaß 12
ausgestattet ist.
-
Im äußeren Gehäuse 11 und von diesem durch einen ringförmigen, zusätzlichen
Luftkanal 13 getrennt, befindet sich ein doppelwandiges inneres Gehäuse 14. In diesem
inneren Gehäuse 14 befindet sich ein Strömungsmittelkanal, der in Strömungsrichtung
hintereinander Niederdruckverdichter-Einlaßleitschaufeln 15, einen Niederdruckverdichter
16, Hochdruckverdichter-Einlaßleitschaufeln 17, einen Hochdruckverdichter 18, eine
primäre Verbrennungsanlage 19, eine Hochdruckturbine 20, eine Niederdruckturbine
21 und einen Nachbrenner 22 aufweist, wobei die Abgase an die Außenluft durch eine
Abgasleitung 23 austreten, deren stromabwärtiges Ende mit einer Düse 24 ausgestattet
ist.
-
Der Niederdruckverdichter 16 und die Niederdruckturbine 21 sitzen
auf einer Welle 25, die koaxial in einer den Hochdruckverdichter 18 und die Hochdruckturbine
20 tragenden Welle angeordnet ist.
-
Ein Teil des inneren Gehäuses oder das ganze innere Gehäuse 14 kann
gekühlt sein, indem es durch nicht dargestellte Mittel mit Stauluft beliefert wird,
die von einer nicht dargestellten Stauluftturbine expandiert und dadurch gekühlt
wurde, wobei diese Stauluftturbine auch dazu dient, eine nicht dargestellte Nachbrennerpumpe
zu betreiben.
-
Die Einlaßleitschaufeln 15,17 sind schwenkbar angeordnet. Die
Einlaßleitschaufeln 15 sitzen schwenkbar in einem Nabenkonus 29, der seinerseits
koaxial zum Verdichter 16 angeordnet ist und den Zuluß von Luft zu diesem regelt.
Die Einlaßleitschaufeln können durch einen gemeinsamen Kolben 30 zwischen einer
offenen Stellung, in welcher Luft durch die Verdichter 16,18 strömt, und einer geschlossenen
Stellung, in welcher der Luftzufluß zu den Verdichtern 16, 18 gesperrt ist, verschwenkt
werden.
-
Der zusätzliche Luftkanal 13, welcher Stauluft aus dem Lufteinlaß
12 aufnehmen kann, umgeht die Verdichter 16, 18, die primäre Verbrennungseinrichtung
19, die Turbinen 20, 21 und den Nachbrenner 22, und ihr stromabwärtiges Ende steht
mit der Abgasleitung 23 neben der Düse 24 über eine Vielzahl von schwenkbaren Klappenventilen
31 in Verbindung, von welchen einige zusammen die Düse 24 bilden. Diese Klappenventile
31 können durch nicht dargestellte Mittel in eine voll ausgezogen gezeichnete Stellung
gebracht werden, in welcher sie das stromabwärtige Ende des zusätzlichen Luftkanals
13 blokkieren und in eine gestrichelt gezeichnete Stellung, in welcher sie das Durchströmen
von Stauluft durch den zusätzlichen Luftkanal 13 in die Abgasleitung 23 gestatten.
-
Ein ringförmiger Nebenschlußkanal 32, welcher Druckluft vom stromabwärtigen
Ende des Niederdruckverdichters 16 aufnehmen kann und innerhalb des zusätzlichen
Luftkanals 13 angeordnet ist, umgibt den Hochdruckverdichter 18, die primäre Verbrennungseinrichtung
19 und die Turbinen 20, 21.
-
Das stromaufwärtige Ende des Nebenschlußkanals 32 kann Stauluft aus
dem zusätzlichen Luftkanal 13 aufnehmen. Die Verbindung zwischen den Kanälen 13
und 32 wird durch eine Ventilanordnung 33 gesteuert. Diese Ventilanordnung 33 kann
durch einen Kolben 34 zwischen einer Stellung (die in F i g. 1 gezeigt ist), in
welcher keine Stauluft in den Nebenschlußkanal 32 einströmt, und einer zweiten,
nicht dargestellten Stellung, in welcher die ganze, durch den zusätzlichen Luftkanal
13 strömende Stauluft in den Nebenschlußkanal 32 einströmt, bewegt werden.
-
Das stromabwärtige Ende des Nebenschlußkanals 32 besteht aus einer
Vielzahl von winkelmäßig versetzten Hutzen 37, die sich in den Strömungsmittelkanal
innerhalb des inneren Gehäuses 14 unmittelbar stromaufwärts des Nachbrenners 22
erstrecken. In jeder Hutze 37 befindet sich eine schwenkbare Schaufel 38, deren
durch nicht dargestellte Mittel bewirkte Bewegung die effektive Querschnittsläche
der betreffenden Hutze 37 ändert.
-
Beim Betrieb bei überschallgeschwindigkeiten von beispielsweise Mach
2,6 und darüber sind die Einlaßleitschaufeln 15, 17 durch den Kolben 30 in die Sperrstellung
gebracht und verhindern das Einströmen von Luft durch die Verdichter 16, 18, und
die primäre Verbrennungsanlage 19 ist abgestellt. Die Ventilanordnung 33 steht in
der Stellung, in welcher Stauluft aus dem zusätzlichen Luftkanal 13 in den Nebenschlußkanal
32 einströmt. Die Schaufeln 38
sind so gestellt, daß die effektiven Querschnittflächen
der Hutzen 37 am größten sind, die Klappenventile stehen in der voll ausgezogenen
Stellung nach F i g.1, und der Nachbrenner wird angestellt, so daß das Triebwerk
nur als Stauluftstrahltriebwerk betrieben wird.
-
Bei Geschwindiakeiten von beispielsweise weniger als Mach 2,6 sind
die Einlaßleitschaufeln 15,17 durch den Kolben 30 geöffnet, um Luft durch die Verdichter
16, 18 strömen zu lassen. Die primäre Verbrennungsanlage 19 und eventuell auch der
Nachbrenner 22 sind im Betrieb. Die Ventilanordnung 33 steht in der Stellung nach
F i g. 1, die Schaufeln 38 sind so gestellt, daß die effektive Querschnittfläche
der
Hutzen 37 am kleinsten ist, und die Klappenventile 31 stehen in der gestrichelt
gezeichneten Stellung. Unter diesen Bedingungen arbeitet das Triebwerk nur als Gasturbinenstrahltriebwerk,
und obwohl der Lufteinlaß 12 bedeutend mehr Luft eintreten läßt, als zum Betrieb
der Gasturbinen notwendig ist, strömt diese überschüssige Luft nur durch den zusätzlichen
Luftkanal 13 und gelangt zur Düse 24, wo sie eine überexpansion der
Abgase verhindert.
-
Das in F i g. 2 dargestellte Gasturbinenstrahltriebwerk
40 hat ein äußeres Gehäuse 41 mit einem stromaufwärtigen Lufteinlaß
42.
-
Im äußeren Gehäuse 41 und von diesem durch einen ringförmigen zusätzlichen
Luftkanal 43 getrennt, befindet sich ein inneres Gehäuse 44. In diesem inneren Gehäuse
44 liegt ein Hauptströmungskanal, der in Strömungsrichtung hintereinander Niederdruckverdichter-Einlaßleitschaufeln
45, einen Niederdruckverdichter 46, Hochdruckverdichter-Einlaßleitschaufeln 47,
einen Hochdruckverdichter 48, eine primäre Verbrennungsanlage 49, eine zweistufige
Hochdruckturbine 50, eine zweistufige Niederdruckturbine 51 und einen Nachbrenner
52 aufnimmt, wobei die Abgase an die Außenluft durch eine nicht dargestellte Abgasleitung
austreten.
-
Der Niederdruckverdichter 46 und die Niederdruckturbine 51 sitzen
auf einer Welle, die koaxial in einer den Hochdruckverdichter 48 und die Hochdruckturbine
50 tragenden Welle angeordnet ist.
-
Die Einlaßleitschaufeln 45, 47 sind schwenkbar so angeordnet, daß
sie gemeinsam durch einen nicht dargestellten Kolben zwischen einer offenen Stellung,
in welcher Luft durch die Verdichter 46, 48 strömen kann, und einer geschlossenen
Stellung, in welcher der Zutritt zu den Verdichtern 46, 48 gesperrt ist,
verschwenkt werden können.
-
Am stromaufwärtigen Ende des zusätzlichen Luftkanals 43 befindet sich
ein Ring von winkelmäßig versetzten, drehbaren Schaufeln 54, die durch nicht dargestellte
Mittel zwischen einer Stellung, in welcher Stauluft aus dem Lufteinlaß 42 durch
den zusätzlichen Luftkanal 43 strömen kann, und einer zweiten Stellung, in welcher
dies unmöglich ist, verschwenkt werden können.
-
Ein ringförmiger Nebenschlußkana155 kann vom Niederdruckverdichter
46 verdichtete Druckluft aufnehmen. Der Nebenschlußkanal 55 umgeht im Nebenschluß
den Hochdruckverdichter 48, die primäre Verbrennungsanlage 49 und die Turbinen 50,
51.
-
Das stromabwärtige Ende des Nebenschlußkanals 55 umfaßt eine Vielzahl
von winkelmäßig versetzten Hutzen 57, die sich in den Hauptströmungskanal innerhalb
des inneren Gehäuses 44 unmittelbar stromaufwärts des Nachbrenners 52 erstrecken.
In jeder Hutze 57 ist ein Sperrglied 58 angeordnet, welches durch einen Kolben 60
in die Hutze und aus derselben bewegt werden kann, um so die effektive Querschnittsfläche
der Hutze zu ändern, wie dies durch die voll ausgezogenen und gestrichelten Linien
in F i g. 2 dargestellt ist.
-
Das stromabwärtige Ende des zusätzlichen Luftkanals 43 steht mit dem
Nebenschlußkanal 55 über eine Ventilanordnung 61 in Verbindung. Diese Ventilanordnung
61 kann durch einen Kolben 62 in eine voll ausgezogen gezeichnete Stellung, in welcher
der Durchfluß durch den zusätzlichen Luftkanal 43 blokkiert ist, und in eine gestrichelt
gezeichnete Stellung, in welcher Stauluft aus dem zusätzlichen Luftkanal 43 in den
Nebenschlußkanal55 strömen kann, bewegt werden.
-
Bei Betrieb als Staustrahltriebwerk sind die Einlaßleitschaufeln 45,
47 geschlossen, die primäre Verbrennungsanlage 49 ist abgestellt. Die Schaufeln
54 sind geöffnet, um Stauluft in den zusätzlichen Luftkanal 43 einzulassen. Die
Ventilanordnung 61 steht in der gestrichelt gezeichneten Stellung, die Sperrglieder
58 sind in die gestrichelt gezeichnete Stellung herausgezogen, um die effektive
Querschnittfläche der Hutzen 57 auf den Höchstwert zu bringen, und der Nachbrenner
52 steht im Betrieb.
-
Beim Betrieb als Gasturbinenstrahltriebwerk sind die Einlaßleitschaufeln
45, 47 offen, die primäre Verbrennungsanlage 49 und, falls erforderlich, auch der
Nachbrenner 52 ist in Betrieb. Die Schaufeln 54 sind geschlossen, die Ventilanordnung
61 befindet sich in der voll ausgezogen gezeichneten Stellung, und die Sperrglieder
58 sind nach innen in die voll ausgezogen gezeichnete Stellung eingeschoben, um
die effektive Querschnittfläche der Hutzen 57 auf den Mindestwert zu bringen.
-
Die Ausführung nach F i g. 3 ist im allgemeinen der nach F i g. 1
ähnlich und wird daher nicht im einzelnen beschrieben. Die der Anordnung nach F
i g. 1 entsprechenden Teile sind durch dieselben Bezugszeichen mit dem Zusatz a
gekennzeichnet.
-
In der Ausführungsform nach F i g. 3 sind jedoch die Einlaßleitschaufeln
15a nicht verschwenkbar, um den Zufluß durch den Niederdruckverdichter 16
a zu verhindern, während die Einlaßleitschaufeln 17 a, die durch den Kolben 30a
bewegt werden, zum Absperren des Hochdruckverdichters 18 a vorgesehen sind, wie
dies im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben wurde.
-
Der Niederdruckverdichter 16a hat einen Nabenkonus 65, der koaxial
am stromaufwärtigen Ende des Verdichters 16a vorgesehen ist und den Zutritt von
Luft zu diesem regelt. Dieser Nabenkonus 65 besteht aus einer Vielzahl von radial
beweglichen Abschnitten 66, die durch nicht dargestellte Mittel in zwei Stellungen
bewegt werden können, nämlich gegeneinander, d. h. in die voll ausgezogen gezeichnete
Stellung nach F i g. 3, in welcher Luft durch den Niederdruckverdichter 16a strömen
kann, und voneinander hinweg, d. h. in die gestrichelt gezeichnete Stellung, in
welcher sie am inneren Gehäuse 14 a anliegen und dadurch den Zutritt für die Luft
durch den Niederdruckverdichter 16 a absperren.
-
In der Anordnung nach F i g. 3 steuert die Ventilanordnung 33 a nicht
nur die Strömung durch den zusätzlichen Luftkanal 13 a, sondern auch die
Strömung durch den Nebenschlußkanal 32a. Das bedeutet, daß die Ventilanordnung 33
a zwischen einer voll ausgezogen gezeichneten Stellung, in welcher sie den zusätzlichen
Luftkanal 13 a sperrt und den Durchfluß von Nebenschlußluft durch den Nebenschlußkanal
32 a. gestattet, und einer gestrichelt gezeichneten Stellung, in welcher sie das
Einströmen von Stauluft aus dem zusätzlichen Luftkanal 13 a in den Nebenschlußkanal
32a gestattet und den Durchfluß von Nebenschlußluft durch den Nebenschlußkanal verhindert,
bewegt werden kann.
-
Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, hat der Hochdruckverdichter 18a
doppelte Wandungen 67, 68, welche durch Durchleiten von mittels einer Stauluftturbine
expandierter und dadurch abgekühlter Stauluft gekühlt werden können.