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Kombiniertes Turbo-Staustrahltriebwerk Die Erfindung bezieht sich
auf kombinierte Turbo-Staustrahltriebwerke, deren beide Einzeltriebwerke koaxial
angeordnet sind und einen gemeinsamen Lufteinlauf aufweisen, wobei das nach dem
Doppelstromprinzip arbeitende Turbostrahltriebwerk im Innern des Staustrahltriebwerkes
sitzt und die Brennkammer des letzteren die Schubdüse des ersteren umgibt und von
der in einem Ringkanal strömenden Luft versorgt wird, welcher zwischen den Einlaufhauben
der beiden Triebwerke gebildet wird.
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Es ist bei Strahltriebwerken bekannt und in einzelnen Fällen auch
bei Verbundtriebwerken angewendet worden, den Luftdurchsatz und sonstige Betriebsbedingungen
durch Schieber oder Klappen zu ändern. So ist es bekannt, zwei Ströme zu mischen,
jedoch bei ein und demselben Triebwerk, und dabei mittels eines Schiebers am Eingang
der Schubdüse die Menge der zugeleiteten Luft den Betriebsbedingungen anzupassen
oder mittels verschiebbarer Ringe den Nebenstrom von Doppelstromtriebwerken durch
öffnungen im Außenhandel nach vorn zu Bremszwecken umzulenken.
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Das Wesen der Erfindung besteht im Gegensatz zu diesen bekannten Maßnahmen
darin, bei Verbundtriebwerken mindestens einen Teil des Nebenstromes der Niederdruckluft
des Doppelstrom-Turbostrahltriebwerkes in den Ringkanal für die Stauluft des Staustrahltriebwerkes.
und zwar vor der Halszone dieses Ringkanals, zu leiten, so daß sich die beiden Luftströme
vor der Brennkammer des Staustrahltriebwerkes mischen.
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Nach einem älteren Vorschlag wird bei einem Verbundtriebwerk durch
einen gesteuerten Ringschieber im gemeinsamen Einlauf der beiden koaxial angeordneten
Einzeltriebwerke entweder das Turbostrahltriebwerk oder das Staustrahltriebwerk
stillgelegt (Wechselbetrieb); lediglich zur Erhöhung des Startschubes kann ein Teil
der Niederdruckluft des (nicht nach dem Doppelstromprinzip arbeitenden) Turbostrahltriebwerkes
durch eine übertrittsöffnung im Mantel in den Ringkanal des Staustrahltriebwerkes
stromauf dessen Brennkammer geleitet, dort mit Brennstoff gemischt und gezündet
werden.
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Die Erfindung besteht demgegenüber bei einem kombinierten Turbo-Staustrahltriebwerk,
dessen beide Einzeltriebwerke koaxial angeordnet sind und einen gemeinsamen Lufteinlauf
aufweisen, wobei das nach dem Doppelstromprinzip arbeitende Turbostrahltriebwerk
im Innern des Staustrahltriebwerkes sitzt und die Brennkammer des letzteren die
Schubdüse des ersteren umgibt und wobei eine verschließbare Übertrittsöffnung für
die Niederdruckluft des Turbostrahltriebwerkes in den Ringkanal des Staustrahltriebwerkes
stromauf dessen Brennkammer vorgesehen ist, darin, daß beide Triebwerke im Parallelbetrieb
aus dem gemeinsamen Lufteinlauf durch starre und ortsfeste Einlaufhauben hindurch
gleichzeitig mit Luft versorgt werden und dabei der übertretende Teil der Niederdruckluft
des Turbostrahltriebwerkes sich in der Halszone des Staustrahltriebwerkes mit dessen
Stauluft mischt.
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Der Verbindungskanal, durch den mindestens ein Teil des Nebenstromes
des Turbostrahltriebwerkes abgezweigt wird, besteht aus einem oder mehreren, den
äußeren Mantel des Turbotriebwerkes durchsetzenden Kanälen, welche in Strömungsrichtung
etwa vor dem Hals der Mischzone in den Ringkanal des Staustrahltriebwerkes münden
und deren Austrittsquerschnitt durch Vorrichtungen wie bewegliche Klappen oder einen
längsverschiebbaren Ring verändert werden kann. Diese Vorrichtungen ersetzen erfindungsgemäß
die herkömmlichen Mittel, mit denen bisher der Austrittsquerschnitt des Turbostrahltriebwerkes
gesteuert wurde.
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Gleichermaßen kann der Querschnitt der Halszone des ringförmigen Staurohres,
in der sich mindestens ein Teil des Nebenstromes des Turbotriebwerkes mit der Stauluft
des Staustrahltriebwerkes mischt, durch Vorrichtungen wie einen längsverschiebbaren
Ring, der einen Buckel hat oder in anderer Weise ein Hindernis bildet, bewegliche
Klappen, einen deformierbaren
Schirm od. dgl. verändert werden.
Mit diesen Mitteln lassen sich bei allen Betriebsbedingungen der Triebwerkskombination
die optimalen Eigenschaften des Gemisches einstellen.
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Das Doppelstrom-Turbotriebwerk der Kombinat=cn kann mit einer Nachbrennkammer
ausgerüstet sein.
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Für die Gegenstände der Unteransprüche wird Schutz nur in Verbindung
mit dem Gegenstand des Hauptanspruches begehrt.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen in folgendem: Durch die Verbrennung
des Luftgemisches in der Brennkammer des Staustrahltriebwerkes läßt sich der Schub
wesentlich erhöhen. Man kann so das Staustrahltriebwerk an einem festen Betriebspunkt
arbeiten lassen. Des weiteren bleiben die Austrittsgeschwindigkeiten mäßig, was
die Lärmverminderung begünstigt. Beim Patrouillefliegen mit überschallgeschwindigkeit
(mit gelöschtem Staustrahltriebwerk) bleibt der spezifische Verbrauch mäßig und
in der Größenordnung desjenigen eines Einfach-Strahltriebwerkes. Die guten Betriebseigenschaften
des Staustrahltriebwerkes bleiben bei höheren überschallgeschwindigkeiten erhalten.
Durch den höheren Druck und die höhere Temperatur der Luft am Eingang der Brennkammer
des Staustrahltriebwerkes werden die Wirksamkeit in großen Höhen und der Wirkungs-Jrad
der Verbrennung verbessert.
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Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung einer Anzahl von Ausführungsbeispielen hervorgehen, die in der Zeichnung
jeweils im Längsschnitt dargestellt sind. Es bedeutet F i g. 1 ein kombiniertes
Turbo-Staustrahltriebwerk, bei dem der Nebenstrom des Turbotriebwerkes sich zur
Gänze mit der Stauluft des Staustrahltriebwerkes mischt, F i g. 2 ein Triebwerk
ähnlich dem der F i g. 1, bei dem aber nur ein Teil des Nebenstromes in die Stauluft
des Staustrahltriebwerkes und der Rest in die Zone hinter den Turbinen geleitet
wird, F i g. 3 und 4 die Anordnung eines beweglichen Ringes zur Änderung des Querschnittes
der Mischzone im Hals des Staurohres des Staustrahltriebwerkes, F i g. 5 und 6 eine
schwenkbare Klappe bzw. einen verschiebbaren Ring zur Änderung des Austrittsquerschnittes
des den Mantel des Turbotriebwerkes durchsetzenden Verbindungskanals, F i g. 7 die
Kombination einer beweglichen Klappe und eines verschiebbaren Ringes zur gleichzeitigen
Änderung des Querschnittes in der Mischzone und des Ausgangsquerschnittes im Verbindungskanal,
F i g. 8 eine Triebwerkskombination entsprechend F i g. 2, ausgerüstet mit einem
Brennersystem für die Nachverbrennung, F i g. 9 eine Kombination nach F i g. 7,
angewendet auf eine Triebwerkskombination nach F i g. 2 und 8, F i g. 10 und 11
Vorrichtungen zur Steuerung des Lufteintritts in das Staustrahltriebwerk, F i g.
12 und 13 Vorrichtungen zur Querschnittsänderung des das Turbostrahltriebwerk umgebenden
Neben,tromkanals an seiner Eintrittsstelle in die SchubdVise.
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F i g. 1 zeigt ein kombiniertes Turbo-Staustrahltriebwerk, dessen
beide Triebwerke im Parallelbetrieb aus ihrem gemeinsamen (nicht dargestellten)
Lufteinlauf durch starre und ortsfeste Einlaufhauben hindurch gleichzeitig mit Luft
versorgt werden und bei dem der gesamte aus der Niederdruckluft abgezweigte Nebenstrom
des Doppelstrom-Turbostrahltriebwerkes, mit 1 bezeichnet,. etwas vor dem Hals des
Staurohres 3 des Staustrahltriebwerkes 4 mündet.
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Das Doppelströmturbotriebwerk 1 besteht im wesentlichen aus
einem Niederdruckverdichter 5, einem Hochdruckverdichter 6, die von je einer Turbine
7 und 8 angetrieben werden, und einem Mantel 9. Das System der verstellbaren Klappen,
mit denen der Austrittsquerschnitt der Schubdüse bei üblichen, einzeln verwendeten
Turbotriebwerken verändert wird, ist bei dieser Kombination nicht vorhanden. Der
Nebenstrom mündet vor der Einschnürung 2 mit Hilfe eines Ringkanals 11, der sich
schräg durch den Außenmantel 9 des Turbotriebwerkes 1 zieht.
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Der Nebenstrom der Niederdruckluft des Turbotriebwerkes 1 und die
Stauluft des Staustrahltriebwerkes 4 mischen sich im Bereich des Halses 2, der in
Strömungsrichtung vor der Brennkammer 12 des Staustrahltriebwerkes liegt.
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Während nach der bisher beschriebenen Ausführungsform der Erfindung
der gesamte Nebenstrom in den Kanal 3 des Staustrahltriebwerkes übertritt, zeigt
F i g. 2 ein Turbo-Staustrahltriebwerk 1 a, bei dem nur ein Teil des Nebenstromes
in den Kanal 3 geleitet wird, während der Rest in der herkömmlichen Weise mittels
des zusätzlichen Ringkanals 18 in die Schubdüse des Turbotriebwerkes gelangt, und
zwar in Strömungsrichtung hinter den Turbinen 7 und B. Daher ist ein zusätzlicher
Mantel 19 notwendig.
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Gemäß F i g. 3 besteht das Mittel zur Einstellung der durch den Hals
2 in den Ringkanal 3 des Staustrahltriebwerkes 4 strömenden Luftmenge aus einem
Ring 13, der entlang der inneren Wandfläche des äußeren Mantels 14 des Staustrahltriebwerkes
4 verschiebbar ist. Dieser Ring hat im Längsschnitt ein solches Profil, daß durch
seine Längsverschiebung der Durchlaßquerschnitt am Hals 2 verändert werden kann
(Formschieber).
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Die in F i g. 4 gezeigte Ausführung hat den gleichen Zweck. Hier ist
ein Ring 15 in einer Ausnehmung 10
des äußeren Mantels 9 des Turbotriebwerkes
längsverschiebbar. Damit erreicht man eine Formänderung der inneren Begrenzungsfläche
des Halses 2 im Staurohr 3.
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Die Drosselung des Luftdurchsatzes durch den Hals 2 durch Formschieber,
wie sie in den Beispilen der F i g. 3 und 4 gezeigt sind, erlaubt, unter allen Arbeitsbedingungen
des Staustrahltriebes optimale Eigenschaften des Luftgemisches einstellen zu können.
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Gemäß F i g. 5 wird der Auslaßquerschnitt des Kanals 11 in
den Ringkanal 3 des Staustrahltriebwerkes 4 durch die Verstellung beweglicher
Klappen 16 verändert, die am ganzen Umfang des Mantels 9 des Turbostrahltriebwerkes
angeordnet sind.
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Das gleiche Ergebnis erhält man gemäß F i g. 6 mit einem aus diesem
Mantel 9 durch eine Längsbewegung herausschiebbaren Ring 17 (Sperrschieber).
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Die Kombination einer Änderung des Austrittsquerschnittes des Kanals
11 mit einer Änderung des Querschnittes des Halses 2 ist in F i g. 7 dargestellt.
Zu diesem Zweck können die Klappen 16 verstellt und der Ring 13 verschoben werden.
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Mit einem veränderbaren Austrittsquerschnitt des Kanals 11 kann man
sich besser den jeweiligen Arbeitsbedingungen
des Turbotriebwerkes
der Kombination anpassen.
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Bei einem kombinierten Triebwerk nach F i g. 1 (mit Mischung des ganzen
Nebenstromes mit der Stauluft des Staustrahltriebwerkes) wirkt diese Art der Steuerung
hauptsächlich auf den Niederdruckluftdurchsatz des Turbotriebwerkes. Sie erlaubt,
diesen Durchsatz bei höheren Machzahlen zu reduzieren, da seine Bedeutung bei diesen
Flugbedingungen abnimmt.
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Bei einem kombinierten Triebwerk nach F i g. 2 (mit Mischung nur eines
Teiles des Nebenstomes mit der Stauluft des Staustrahltriebwerkes) erlaubt diese
Steuerung, denjenigen Teil des Nebenstromes zu dosieren, der gegen die Schubdüse
21 des Turbostrahltriebwerkes gerichtet ist, mithin also nach Belieben die
Austrittscharakteristik des Hauptstromes des Turbotriebwerkes zu ändern, und zwar
selbst dann, wenn der Austrittsquerschnitt der Düse 21 konstant ist. Diese Steuerung
spielt also die Rolle einer Steuerung des Austrittsquerschnittes der Schubdüse und
kann letztere ersetzen.
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Im Ausführungsbeispiel der F i g. 8 ist das Turbotriebwerk
1 a der Kombination in der Mischzone der beiden Luftströme mit einem herkömmlichen
Brennersystem 20 für Nachverbrennung ausgerüstet. Klappen 16 im Kanal 11
erlauben, den Anteil des Nebenstromes einzustellen, der in den Ringkanal 3 des Staustrahltriebwerkes
übertritt.
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Wenn die Nachverbrennung nicht benutzt wird, ist der Kanal
11 geschlossen oder läßt nur einen Teil des Nebenluftdurchsatzes in den Ringkanal
3 des Staustrahltriebwerkes 4 gelangen. Der konstante Austrittsquerschnitt der Schubdüse
21 des Turbostrahltriebwerkes 1 a ist dieser Betriebsweise angepaßt.
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Wird die Nachverbrennung ganz oder teilweise ausgenutzt, leitet der
geöffnete Kanal 11 den Nebenstrom ganz oder zum Teil in den Ringkanal 3 des Staustrahltriebwerkes
4 derart, daß das durch den Austrittsquerschnitt der Schubdüse 21 strömende Gasvolumen
stets diesem konstanten Querschnitt angepaßt ist.
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Erfindungsgemäß kann die Querschnittsänderung des Kanals il von dem
oder den gleichen Parametern des Turbostrahltriebwerkes gesteuert werden, welche
üblicherweise die Änderung des Austrittsquerschnittes seiner Schubdüse steuern.
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Man kann so auch bei konstantem Austrittsquerschnitt der Schubdüse
des Turbostrahltriebwerkes eine konstante Temperatur an der Eintrittsseite der Turbine
einhalten, wie auch immer die Nachverbrennungsrate ist.
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Die zuvor erläuterten Mittel zur Änderung des Durchsatzes durch den
Hals 2 im Staurohr 3 sind natürlich auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung
anwendbar. Gleichermaßen können die beweglichen Klappen 16 durch andere, äquivalent
wirkende Vorrichtungen ersetzt werden, die den Querschnitt des Kanals 11 verändern.
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F i g. 9 zeigt als Beispiel eine Kombination der Steuermittel, die
bei einem kombinierten Triebwerk nach F i g. 7 oder 8 angewendet werden kann. Sie
bestehen aus einem Gleitring 13, wie er in F i g. 2 dargestellt und zuvor beschrieben
ist, und aus beweglichen Klappen 16, die den Kanal 11 vollständig absperren können.
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F i g. 10 zeigt eine spezielle Ausbildung der Mittel zur Querschnittsänderung
des Kanals 11 für ein kombiniertes Triebwerk nach F i g. 1, bei dem der ganze Nebenstrom
in den Ringkanal 3 des Staustrahltriebwerkes mündet. Sie bestehen hier aus den Klappen
16, die so ausgelenkt werden können, daß sich ihre Vorderkanten gegen die Innenwandung
des Mantels 4
anlegen und so den Ringkanal 3 vollständig absperren. In diesem
Fall kann die Triebwerkkömbination arbeiten als Turbo-Staustrahltriebwerk, wie zuvor
beschrieben, wenn der Ringkanal offen ist, oder als Doppelstrom-Turbostrahltriebwerk
mit Nachverbrennung im Nebenstrom, wenn der Ringkanal abgesperrt ist.
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Zu dem gleichen Ergebnis gelangt man, wenn die Mittel zur Einstellung
des Luftdurchsatzes im Stauluft-Ringkanal 3 des Staustrahltriebwerkes so ausgebildet
werden, daß sie diesen vollständig verschließen können. In F i g. 11 kann der an
der Innenwandung 14 des Mantels 4 des Staustrahltriebwerkes gleitend verschiebbare
Ring 13 mit einer vor dem Kanal 11 liegenden vorgewölbten Partie 22 des Mantels
des Turbotriebwerkes in Berührung kommen und so den Ringkanal 3 vollständig absperren.
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Eine andere Möglichkeit besteht, ausgehend von einem kombinierten
Triebwerk nach F i g. 2 und 8, darin, Mittel zur Steuerung des in die Schubdüse
21
geleiteten Teiles des Nebenstomes vorzusehen. Diese Mittel bestehen aus
einem Kranz beweglicher Klappen 23 (F i g. 12), die am stromab liegenden Ende des
Schottmantels 19 angelenkt sind, der die beiden Luftströme durch das Turbotriebwerk
trennt. F i g. 13 zeigt einen auf dem Ende des Mantels 19 gleitend verschiebbaren
Ring 24. Die in der Verschiebungszone des Ringes liegende innere Wandung der Schubdüse
21 verjüngt sich in Strömungsrichtung.
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Jede dieser Vorrichtungen erlaubt, das Verhältnis der Durchlaßquerschnitte
3 und 25 für die Hochdruck- und die Niederluft im Turbotriebwerk zu Beginn jeder
Zone, in der ihre statischen Drücke frei werden, und damit das Verhältnis der Durchsätze
dieser beiden Gasströme zu verändern.
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Bei einem konstanten Durchsatz der Hochdruckluft erlauben Klappen
oder ein Sperrschieber am Ausgang des Kanals 11 (F i g. 5 und 6) zusammen mit den
gleichen Vorrichtungen zur Änderung des Verhältnisses der Querschnitt 3 und 25 (F
i g. 12 und 13), den Gesamtbetrag des Nebenstromdurchsatzes nach Wunsch zu regeln.
Man kann so eine optimale Anpassung des Niederdruckverdichters 5 erreichen unabhängig
davon, wie groß der Anteil des Nebenstromdurchsatzes der Niederdruckluft ist, den
man in den Kanal des Staustrahltriebwerkes schicken will. Dieser Anteil kann z.
B. durch die Nachverbrennungsrate in der Schubdüse 21 vorgegeben sein.
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Die verschiedenen Ausbildungen der Erfindung machen folgende Vorteile
augenscheinlich: 1. Alle bewegilchen Teile mit Ausnahme derjenigen im gemeinsamen
Teil der Lavaldüse liegen in Strömungsrichtung vor den Brennkammern. Die Nachverbrennung
kann auch beim Turbostrahltriebwerk trotz eines konstanten Austrittsquerschnittes
angewendet werden. Die Verbrennung im Stauluft-Nebenluft-Gemisch erfordert keine
regelbare Austrittsdüse, weil die Änderung des Luftdurchsatzes an der Eintrittsöffnung
durch die natürliche Änderung des Luftdurchsatzes im Staustrahltriebwerk erhalten
wird.
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2. Die Querschnittsregelung des Halses 2 der Mischkammer und des übertrittsquerschnittes
des
Nebenstromes des Turbotriebwerkes erlauben unter allen Betriebsbedingungen optimale
Eigenschaften des Gemisches und eine optimale Anpassung des Turbostrahltriebwerkes.
Die Vorverlegung der Mischkammer muß dem Gemisch am Eintritt der Brennkammer des
Staustrahltriebwerkes eine gute Homogenität geben.
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3. Die herkömmlichen Klappen an der Schubdüse des Turbotriebwerkes
zur Anpassung ihres Auslaßquerschnittes werden überflüssig.