DE2112967A1

DE2112967A1 - Triebwerksanlage mit einem Gasturbinenstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE2112967A1
Application number: DE19712112967
Authority: DE
Inventors: Jack Britt
Original assignee: MINI OF AVIAT SUPPLY IN HER BR
Current assignee: MINI OF AVIAT SUPPLY IN HER BR
Priority date: 1971-03-12
Filing date: 1971-03-17
Publication date: 1972-09-21
Also published as: US3736750A

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING CURTWALLACH Z M

DIPL-ING. GÜNTHER KOCH-DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, χγ_# März 1971

Minister of Aviation Supply, London WC2, England.

Triebwerksanlage mit einem Gasturbinenstrahltriebwerk

Die Erfindung betrifft eine Triebwerksanlage mit einem Gasturbinenstrahltriebwerk,

Bei Gasturbinentriebwerksanlagen für Plugzeuge ist die Verminde- ^ rung der Lärmemission nach dem Erdboden hin von größter Wichtigkeit und zwar sowohl beim Start als auch bei der Landung. Bei der Landung tritt ein großer Anteil des emittierten Lärms, der den Boden erreicht, durch den Einlaß der Triebwerksanlage aus. Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Einlaß mit veränderlicher Geometrie vorzusehen, bei dem die Einlaßfläche so reduziert werden kann, daß die Geschwindigkeit der Lüfte trömung soweit ansteigt, daß der durch den Einlaß emittierte Schall vermindert wird. Bei der .Landung kann jedoch das Triebwerk nicht mit maximaler Drehzahl betrieben werden und infolgedessen kann die Massenströmung durch den Einlaß relativ klein sein und der Einlaß muß dann um diese Schalldämpfung zu bewirken, auf einen unannehmbar kleinen Quer- , schnitt reduziert werden. -

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Triebwerksanlage zu schaffen, bei der eine Schalldämpfung des Einlasses bewirkt weiten kann, ohne daß die Einlaßquerschnittsfläche in unzulässigem Masse verändert zu werden braucht.

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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die Kombination eines variablen Lufteinlasses, einer Sohubumkehrvorrichtung, die einen vorwählbaren Anteil der den Schub erzeugenden Abgase des Triebwerks nach vorn richtet, und einer Steuereinrichtung, die das Triebwerk veranlaßt, den erforderlichen Schub während der ei- ' nen Betriebsart zu liefern, indem das Triebwerk mit maximaler Drehzahl läuft, wobei ein Bruchteil der den Schub erzeugenden Abgase des Triebwerks umgelenkt wird, um einen verminderten Schub in der erforderlichen Größenordnung zu schaffen,und ein Schließen des Einlasses bewirkt, um eine Strömungsgeschwindigkeit im Einlaß zu erhalten, die etwa 0,8 Mach beträgt.

Vorzugsweise ist das Triebwerk als Mantelstromtriebwerk ausgebildet und die Schubumkehrvorrichtung kann allein die Mantelstromluft w umlenken. - .

Das Mantelstromtriebwerk kann eine Mischströmung im Auslaß aufweisen, so daß die Umkehrung der Gebläseluft bewirkt, daß der Primärströmungsschub durch die Schubdüse vermindert wird, v/eil diese Düse eine Übergröße aufweist,und es wird das Gebläse veranlaßt, mit Überdrehzahl zu laufen, um den Umkehrschub des Gebläses zu erhöhen. · .

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks, das einen Einlaß mit variabler Querschnittsfläche und eine Schubumkehrvorrichtung auf- Mk weist, die einen vorbestimmten Anteil des Schubs umkehrt, in der "Weise durchgeführt, daß' das. Triebwerk mit hoher Drehzahl betrieben wird, daß die Schubumkehrvorrichtung in Tätigkeit gesetzt wird, um einen Teil der Gase umzukehren und den gesamten Schub des Triebwerkes auf einen vorbestimmten Wert zu erniedrigen, und daß die

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Einlaßquerschnittsflache auf einen Wert vermindert wird, der eine Luftströmungsgeschwindigkeit von wenigstens 0,8 Mach innerhalb des Einlasses ergibt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Schnittansicht einer Triebwerksanlage gemäß der Erfindung.

Die Triebwerksanlage besteht aus einem Gasturbinenstrahltriebwerk, das in Strömungsrichtung hintereinander ein Gebläse 10, einen Zwischendruckkompressor 11, einen Hochdruckkompressor 12, eine Verbrennungseinrichtung !J* eine Hochdruckturbine 14, eine Zwischendruckturbine 15 und eine Niederdruckturbine l6 aufweist.

Die Hochdruck-, Zwischendruck- und die Niederdruckturbinen sind antriebsmäßig mit dem Hochdruckkompressor, dem Zwischenüruckkompressor bzw. dem Gebläse verbunden.

Der Kern des Triebwerks, der den Zwischendruckkompressor, den Hochdruckkompressor, die Verbrennungseinrichtung und sämtliche Turbinen umfaßt, ist von einem inneren Gehäuse 17 umschlossen, das an seinem Auslaß eine Mischdüse 18 aufweist, durch die die Primärströmung der Triebwerksgase austritt. Das Gebläse 10 verdichtet Luft, die innerhalb eines Gebläsegehäuses l8 entlangströmt und ein Toil des Ausgangs des Gebläses bildet die Eingangsluft für den Kernabschnitt der Triebwerksanlage, während der Rest der vom M Gebläse gelieferten Luft eine Mantelströmung durch den Ringkanal zwischen Innengehäuse 17 und Gebläsegehäuse 19 ergibt. An der Misehdüse 18 vermischen sich die Strömungen' von Mantelstromluft und Primärluft und die vermischten Gase treten dann durch die Schubdüse 20 in die Atmosphäre aus, die das stromunterseitige Ende des Gebläsegehäuses 19 bildet.

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Am stromoberseitigen Ende des Gebläsegehäuses 19 ist ein Lufteinlaß 21 mit veränderbarer Geometrie angeordnet. Der Einlaß besteht aus-mehreren Abschnitten, die über Kolbenantriebe 22 beweglich sind Und zusammenwirken, um einen Ring zu bilden, und die drei Betriebsstellungen aufweisen.

In der ersten-Stellung, d.h. der Reisestellung, die in der Zeichnung^ mit vollausgezogenen Linien 23 dargestellt ist, bilden die Abschnitte einen Fortsatz des Gebläsegehäuses 18 und der aero- · dynamisch gestaltete Vorderrand des Ringes bildet den Vorderrand des Gehäuses. In einer zweiten Stellung, d.h. in der Startstellung, die mit den strichlierten Linien 24 gekennzeichnet ist, sind die Abschnitte etwa um ihren Vorderrand so verschwenkt, daß die Hinterränder der Abschnitte konvergieren, und es wird so ein konver-

gierender Haupteinlaß mit gutem Kontraktionsverhältnis gebildet . und infolgedessen mit günstigen Strömungsglättungseigenschaften. Außerdem wird in dieser zweiten Stellung ein ringförmiger Schlitz oder ein teilringförmiger Schlitz unmittelbar stromunterseitig des Haupteinlasses gebildet, der eine größere Gesamtfläche ergibt, damit eine hohe Massenströmung zustandekommt.

In der-dritten Stellung, d.h. in der Annäherungs- bzw, Landestellung, die. durch die strichpunktierten Linien 25 .gekennzeichnet ist, sind die Vorderränder der Abschnitte ebenfalls nach innen geschwenkt und bilden einen Einlaß verminderter Fläche mit hoher Strömungsgeschwindigkeit. Die Flächen- und Massenströmungen sind so gewählt, daß eine Geschwindigkeit von etwa 0,8 Mach und vorzugsweise um etwa 0,85 Mach an der Einlaßeinschnürung erhalten wird. Die Emission von Lärm durch den Einlaß wird dann vermindert, da der Lärm sehr geringe Geschwindigkeitsdifferential'e über dieser Luftströmung besitzt. Diese Bedingung kann für den Start benutzt werden, wenn eine Geräuschverminderung örforderlich ist.

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Zusätzlich zu dem Einlaß mit variabler Querschnittsfläche wird eine Steuerung der Gebläseluftströmung durch eine Schubumkehreinrichtung 26 bewirkt, die vom Gebläsegehäuse 18 beherbergt wird und aus zwei Gruppen von Klappen 27 und 28 besteht, die durch Kolbenantriebe 29 in eine vorbestimmte Stellung bewegt werden können, die zwischen einer Endstellung, in der sie einen Teil der Innenwand bzw. der Außenwand des Gehäuses l8 bilden und einer Stellung liegt, die in der Zeichnung dargestellt ist und in der die GrugE 27 den Gebläsekanal absperrt, während die Gruppe 28 die abgelenkten Gase nach vorn richtet, um einen Umkehrschub zu erzeugen. So kann die Schubumkehrvorrichtung in verschiedenem Maße die Schubkraft nach vorn einstellen und den Gebläsestrom von Null auf den vollen Betrag umkehren. Die Umkehr der Gebläseluft hat zur Folge, daß die Schubdüse 20 im Querschnitt für die Primär- (| strömung allein zu groß wird und infolgedessen wird der von dieser Strömung herrührende Schub vermindert. Dies hat wiederum zur Folge, daß das Gebläse mit Überdrehzahl läuft und seinen Schub erhöht. In den öffnungen des Gebläsegehäuses sind kaskadenförmige Leitflächen 30 angeordnet, um die Umkehr der Gase zu erleichtern.

Um eine Steuerung dieser Triebwerksanlage vorzunehmen, ist eine Verbindungssteuereinrichtung Jl vorgesehen, die die Tätigkeit der Kolbenantriebe 22 und 29 koordiniert. Die Steuerung des Triebwerks wird in der folgenden Weise bewirkt:

Für den Start wird das Triebwerk auf eine maximale Dauerdrehzahl , = hochgefahren, wobei der variable Lufteinlaß in der Stellung gemäß ™ den Linien 24 gehalten wird, wobei die Schubumkehrvorrichtung vollständig unwirksam ist. Das Triebwerk erzeugt so einen maximalen Schub mit einer guten Einlaßform für niedrige Geschwindigkeiten. Da das Flugzeug unmittelbar nach dem Start nach oben gerichtet

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fliegt, besteht dann keine Notwendigkeit mehr, eine Geräuschdämpfung des Einlasses zu bewirken. .

Unter Reiseflugbedingung läuft das Triebwerk mit Reisedrehzahl, während der Einlaß in der durch die Linien 23 charakterisierten Lage gehalten wird, wobei die Schuburakehrvorrichtung unwirksam ist. Der Einlaß liefert somit einen geringen aerodynamischen Luftwiderstand.,, während die Vermischung von Gebläsestrom und. ""■ Primärstrom den Wirkungsgrad im Vergleich mit einem Triebwerk, bei dem die Gase nicht vermischt werden, erhöht.

Bei der Landeannäherung wird der Einlaß in die Stellung gebracht, wie sie die Linien 25 kennzeichnen, während das Triebwerk weiter mit maximaler Drehzahl betrieben wird.

Da der erforderliche Schub geringer ist als cer Maximalschub ; wird die Schubumkehrvorrichtung betätigt, um einen Teil des Gebläsestromes umzulenken und den Schub auf den erforderlichen Gesamtschub, zu vermindern. Die Schubumkehr vor richtung beeinflußt nur die kalte Luft und infolgedessen wird das Einsaugen heißer Gase vermieden. .

Dadurch, dass das Triebwerk mit maximaler Drehzahl läuft, wird eine große Massenströmung durch den Einlaß erzeugt und dies schafft die Möglichkeit, den Einlaß teilweise zu drosseln und zwar mit nur einem relativ geringen Maß von Flächenverminderung. Wenn der notwendige Schub hingegen durch Drosseln des Triebwerkes erzeugt würde, dann würde die verminderte Massenströmung ein unzulässig hohes Maß an Verminderung der Einlaßfläche erfordern,

werden wenn die Machzahl 0,8 oder mehr an der Einschnürung erreicht /

soll. .

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Wenn das Flugzeug in den Landeanflug übergeht oder-auch kurz vor diesem Punkt,wird die Schubumkehrvorrichtung in die voll wirksame Betriebsstellung überführt. Es wird dann die gesamte Gebläseluft umgelenkt und die Mißanpassung der Schubdüse bezüglich der Primärströmung bewirkt, daß sowohl der Primärschub vermindert wird als auch der Druckabfall über der Niederdruckturbine erhöht wird, was eine Überdrehzahl des Gebläses zur Folge hat und dies führt wiederum dazu, daß der Umkehrschub erhöht wird.

Die beschriebene Anordnung ist in der Lage, außerordentlich schnell zu reagieren, wenn ein Notfall erfordert, daß das Flugzeug durchstartet. In diesem Falle kann einfach dadurch, daß die Schubumkehrvorrichtung in die unwirksame Stellung überführt wird und, falls erforderlich, durch Bewegung des Einlasses in die Stellung 24 ein maximaler Schub vom Triebwerk augenblick/erhalten werden, da dieses bereits fast mit der vollen Drehzahl läuft und dies verkürzt die Reaktionszeit, weil hierdurch die für die Beschleunigung des Triebwerks erforderliche Zeit in Wegfall kommt.

Ein ähnliches System könnte benutzt werden, wenn ein Triebwerk ohne Mantelstromkanal vorgesehen ist. Jedoch würden die hieraus resultierenden Vorteile nicht so augenscheinlich sein.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche:

/1.)Triebwerksanlage mit einem Gasturbinentriebwerk,

^~y gekennzei chn.et durch

die Kombination eines variablen Lufteinlasses (21), einer ^ Schubumkehrvorrichtung (2β), die einen gewählten Teil des von den Abgasen des Triebwerks erzeugten Schubes umkehren kann, und einer Steuereinrichtung (31)* die bei der einen Betriebsart die Triebwerksaniage veranlaßt, den erforderlichen Schub dadurch zu erzeugen, daß das Triebwerk mit ,maximaler Dauerdrehzahl läuft und ein Aateil des von den Abgasen des Triebwerks erzeugten Schubes umgekehrt wird, wodurch der Schub um den erforderlichen Betrag verringert wird, und die den Einlaß schließt, um eine Strömungsgeschwindigkeit von über 0,8 Mach im Einlaß zu erhalten.
2. Triebwerksanlage nach Anspruch 1,
dadurch, gekennzeichnet, daß das Triebwerk ein Mantelstromtriebwerk ist.
3. Triebwerksanlage nach Anspruch 2,
dadurch g-e kennzeichnet, daß die Schubumkehreinrichtung (31) nur die Mantelstromluft umlenkt. ^%
4. Triebwerksanlage nach.Anspruch 3,
dadurch ge. kennzeichnet, daß das Triebwerk eine Mischströmung von Mantelstromluft und Primärgasströmung in der Schubdüse (20) aufweist, so daß die Umkehrung der Mantelströmung bewirkt, daß die Primärströmung durch die Schubdüse vermindert wird, weil deren Austrittsquerschnitt für die Primärströmung allein zu groß wird.

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5. Triebwerksanlage nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehr der Mantelströmung einen. Druckabfall im Abgaskanal infolge der Übergröße des Düsenquerschnitts zur Folge hat und demgemäß eine Erhöhung des Druckabfalls über der Gebläseturbine (16), was wiederum eine Überdrehzahl des Gebläses (10) zur Folge hat.
6. Verfahren zum Betreiben einer Triebwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk mit hoher Drehzahl betrieben wird, daß eine Schubumkehrvorrichtung.(31) betätigt wird, die einen Teil der Abgase nach vorn ablenkt und den Gesamtschub der Triebwerksanlage auf einen vorbestimmten Wert vermindert, und daß die Einlaßquerschnittsfläche reduziert wird, um eine Luftströmungsgeschwindigkeit von wenigstens 0,8 Mach im Einlaß zu erhalten.

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