DE1526812C3

DE1526812C3 - Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk fur Flugzeuge

Info

Publication number: DE1526812C3
Application number: DE1526812A
Authority: DE
Inventors: Charles Gordon Dibble; George Roger Rabone
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-07-01
Filing date: 1965-06-30
Publication date: 1978-09-28
Also published as: US3533237A; DE1526812A1; GB1211192A; DE1526812B2; FR1602870A

Description

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30 heblichem Abstand hinter der Austrittsebene der Gebläsedüse, zu konvergieren. In diese konvergierende Abgasdüse ist ein Verschlußkörper eingesetzt, der im Bereich der Austrittsebene der Abgasdüse eine Stelle maximalen Durchmessers hat und von dieser Stelle aus stromabwärts konisch konvergiert.

Die bei Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerken weit verbreitete Verwendung von Triebwerkszellen, deren Durchmesser über einen großen Teil ihrer Länge stromabwärts von der Gebläsedüse konstant bleibt, ergibt an der Außenseite der Triebwerkszelle hinter der Gebläsedüse ungünstige Druckverhältnisse, die den Luftwiderstand erhöhen, und einen schlechten Wirkungsgrad des Axialfrontgebläses. Diese Wirkungen treten um so stärker in Erscheinung, je niedriger der Druck und je größer das Volumen der durch das Frontgebläse geförderten Luftströmung ist.

Etwa die gleiche Ausbildung der Gebläseverkleidung und der Triebwerkszelle bei einem Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk mit Axialfrontgebläse findet sich auch in der Zeitschrift »Aviation Week & Space Technology«, 11. Mai 1964, Seiten 70/71. In der gleichen Zeitschrift sind auch Triebwerke dargestellt, bei denen das Gebläse nicht koaxial zur Gasturbine angeordnet ist, sondern seitlich neben der Gasturbine, und von dieser über ein mechanisches Getriebe oder über eine am Umfang des Gebläserotors angeordnete Spitzenturbine angetrieben wird. In diesem Fall ist in die Gebläseverkleidung teilweise ein Verschlußkörper eingeschoben, der das Lager für den Gebläserotor enthält und von einer in der Austrittsebene der Gebläsedüse liegenden Stelle größten Durchmessers in einem verhältnismäßig großen Winkel zur Gebläseachse stromabwärts konvergiert. SoI-ehe Verschlußkörper, die auch in den Abgasdüsen der Strahltriebwerke üblich sind, haben eine im Verhältnis zu ihrem maximalen Durchmesser geringe Länge; ihre Maßverhältnisse können nicht auf Triebwerkszellen übertragen werden, deren Länge durch den Aufbau des Triebwerks vorgegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerks der eingangs angegebenen Art, das ohne Vergrößerung des Durchmessers günstigere Druckverhältnisse und dadurch einen besseren Wirkungsgrad aufweist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Gebläsekanal bis zu einer im Bereich seiner Austrittsebene liegenden Stelle maximalen Durchmessers der Triebwerkszelle konvergiert, fund daß die Triebwerkszelle von der Stelle ihres maximalen Durchmessers an zur Bildung einer Rekompressionsfläche stromabwärts konvergiert.

Bei dem Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk nach der Erfindung spielt die Triebwerkszelle für die Gebläsedüse eine ähnliche Rolle wie die Verschlußkörper für die Abgasdüsen von Strahltriebwerken. Dies ist trotz der erforderlichen beträchtlichen Länge der Triebwerkszellen ohne Durchmesservergrößerung möglich; es wurde festgestellt, daß die vorteilhafte Wirkung bereits mit verhältnismäßig kleinen Konvergenzwinkeln erreicht wird, weil die Strömung des Gebläses mit niedrigem Druck und großem Volumen erfolgt. Bei Messungen entlang der Gebläseverkleidung und der Triebwerkszelle werden wesentlich günstigere Druckverhältnisse festgestellt als bei Triebwerken, bei denen die Triebwerkszellen stromabwärts von der Gebläsedüse über einen beträchtlichen Teil ihrer Länge einen gleichbleibenden Durch-

messer haben. Dadurch wird der Luftwiderstand verringert und der Wirkungsgrad verbessert. Ferner kann die Länge der Gebläseverkleidung verringert werden, da diese an der Stelle des maximalen Durchmessers der Triebwerkszelle liegt; diese Stelle kann nahe beim Vorderende der Triebwerkszelle liegen. Eine kürzere Gebläseverkleidung ergibt weitere Vorteile in aerodynamischer Hinsicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht eines Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerks nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Gasturbinenstrahltriebwerks mit Angabe einiger Durchmesser und Winkel.

Das in Fig. 1 dargestellte Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk 1 enthält eine (in axialer Richtung) verhältnismäßig kurze Gebläseverkleidung 2, eine Triebwerkszelle 3, die teilweise teleskopartig in die Gebläseverkleidung eingeschoben ist, und einen konischen Verschlußkörper 4, der seinerseits teilweise von der Triebwerkszelle umschlossen ist. Alle diese zuvor erwähnten Teile liegen im wesentlichen koaxial zur Triebwerksachse. Das Triebwerk ist ein Axialströmungs-Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Axialfrontgebläse 10, das Luft durch einen Lufteinlaß 12 aufnimmt. Das Frontgebläse wird so betrieben, daß es eine Gasströmung mit verhältnismäßig großem Volumen und niedrigem Druck erzeugt. Die Gasströmung des Gebläses wird durch den vorderen Abschnitt 24 der Triebwerkszelle 3 geteilt; der größere Teil wird durch einen ringförmigen Gebläsekanal 14 ausgestoßen, der von einem in einer Hinterkante 20, endenden hinteren Abschnitt 18 der Gebläseverklei-* dung 2 und der Außenfläche 28 des in diesen Abschnitt 18 ragenden vorderen Abschnitts 24 der Triebwerkszelle 3 gebildet wird und in einer ringförmigen Gebläsedüse 16 endet. Der übrige Teil der Gasströmung des Gebläses wird durch einen Einlaß 22 in die Triebwerkszelle 3 geleitet. Im Innern der Triebwerkszelle ist ein herkömmlicher Gaserzeuger 32 angeordnet, der aus einem Kompressor 34, einem Verbrennungsraum 36 und einer den Kompressor 34 über eine Hohlwelle 39 antreibenden Turbine 38 besteht. Am Austrittsende des Gaserzeugers 32 ist eine mehrstufige Turbine 40 angeordnet, die über eine koaxial zur Hohlwelle 39 liegende Welle 42 das Axialfrontgebläse 10 antreibt. Nach dem Durchgang durch die Turbine 40 verläßt der heiße Gasstrom das Gasturbinenstrahltriebwerk 1 durch eine ringförmige Abgasdüse 44. Die Abgasdüse 44 ist, ähnlich wie die Gebläsedüse 16, durch einen hinteren Abschnitt 46 der Triebwerkszelle 3, der in einer Hinterkante 48 endet, und die Außenfläche des in diesen Abschnitt ragenden Verschlußkörpers 4 gebildet.

Die Außenfläche 28 der Triebwerkszelle 3 weist eine Stelle 50 maximalen Durchmessers auf, die in der Austrittsebene der Gebläsedüse 16 liegt. Dadurch wird eine Einschnürung in der Austrittsebene des Gebläsekanals für den normalerweise mit Unterschallgeschwindigkeit austretenden Gasstrom des Gebläses mit verhältnismäßig niedrigem Druck und großem Volumen gebildet. Ferner weist der die Gebläsedüse 16 bildende Endabschnitt 18 der Gebläseverkleidung 2 eine optimale Form hinsichtlich eines geringen Luftwiderstands auf; er bildet nämlich eine nach innen gekrümmte (oder konisch verlaufende) Fläche, die in einem Winkel von etwa 5 ° zur Triebwerksachse geneigt ist. Dadurch wird zusammen mit der von der Stelle 50 nach hinten konvergierenden Außenwand 28 der Triebwerkszelle 2 eine aerodynamische Austrittsdüse für das Frontgebläse des Triebwerks gebildet.

Zur weiteren Erläuterung ist zu bemerken, daß die Strömung durch den Gebläsekanal 14 bis zu der Einschnürung an der Stelle 50 mit Unterschallgeschwindigkeit erfolgt. Es läßt sich zeigen, daß die Querschnittsfläche, auf welche diese Abgasströmung des Gebläses bis zum Erreichen des Strömungsdrucks in der freien Umgebung ausgedehnt wird, in solchen Fällen beträchtlich kleiner als die maximale Quer-

i) schnittsfläche der Zelle oder Verkleidung ist, in die das Triebwerk eingebaut ist. Dieser Überschuß an Querschnittsfläche muß von dem Konstrukteur des Flugzeugs beziehungsweise des Triebwerks sorgfältig abgeschätzt werden, damit niedrige Drücke bzw. Unterdrücke über so große freiliegende Flächen so weit wie möglich vermieden werden und dadurch der Luftwiderstand auf ein Minimum herabgesetzt wird. Dieses Problem ist bei einer Gebläseströmung mit verhältnismäßig niedrigem Druck und großem Volumen noch schwerwiegender. Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung einer konvergierenden Gebläsedüse für sich allein noch keine optimalen Ergebnisse liefert. Deshalb wird nicht nur der hintere Abschnitt 18 der Gebläseverkleidung 2 in einem Winkel von etwa 4° bis 7 ° angeordnet, der in Fig. 2 als Winkel A bezeichnet ist, sondern es konvergiert auch die Außenfläche 28 der Triebwerkszelle 3 in einem Winkel B (Fig. 2) von etwa 7° bis 10° relativ zu der Triebwerksachse, wodurch eine Rekompressionsfläche gebildet wird. Es

gibt somit keine plötzlichen Änderungen des Strömungswinkels an der Außenseite oder an der Innenseite (bei richtiger Bemessung des Unterschallabschnitts der Gebläseströmung stromaufwärts der Einschnürung 50).

Der teilweise in die Abgasdüse 44 des Triebwerks eingeschobene Verschlußkörper 4 hat im Bereich der Austrittsebene der Abgasdüse eine Stelle 66 maximalen Durchmessers. Der Verschlußkörper 4 ist im wesentlichen konisch und konvergiert von der Stelle 66 5 nach hinten unter einem Winkel zur Triebwerksachse, der im Bereich von 7° bis 10° liegt.

Fig. 2 zeigt die bevorzugten Winkel und Schlankheitsgrade (Durchmesserverhältnisse) für die Gebläseverkleidung 2, die Triebwerkszelle 3 und den Verschlußkörper 4.

In Fig. 2 sind:

D₁: der größte Außendurchmesser der Gebläseverkleidung 2;
D₂: der Innendurchmesser der Gebläseverkleidung 2 in der Austrittsebene der Gebläsedüse;

D₃: der maximale Außendurchmesser der Triebwerkszelle 3 an der Stelle 50;
D₄: der Innendurchmesser der Triebwerkszelle 3 in der Austrittsebene der Abgasdüse 44;

bo D₅: der maximale Außendurchmesser des Verschlußkörpers 4 an der Stelle 66;
A: der Neigungswinkel des hinteren Endabschnitts 18 der Gebläseverkleidung 2 zur Triebwerksachse;

B: der Neigungswinkel der Außenfläche 28 der

Triebwerkszelle 3 zur Triebwerksachse;
C: der Neigungswinkel des hinteren Endabschnitts 46 der Triebwerkszelle 3 zur Triebwerksachse;

D: der Neigungswinkel der Außenfläche 68 des

Verschlußkörpers 4 zur Triebwerksachse.
Von Bedeutung sind insbesondere das Durchmesserverhältnis D J D₂, das vorzugsweise im Bereich von 0,65 bis 0,75 liegt, der Winkel A, der, wie erwähnt, zwischen 4° und 7° beträgt, und der Neigungswinkel B₁ der Außenfläche 28 der Triebwerkszelle 3, der zwischen etwa 7° und 10° liegt.

Das Durchmesserverhältnis D₂ZD₁ liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,92 bis 0,97 und das Durchmesserverhältnis D₅ZD₄ im Bereich von etwa 0,55 bis 0,65. Der Winkel C liegt, wie der Winkel A, im Bereich von 4° bis 7°, und der Winkel D, wie der Winkel B, im Bereich von 7° bis 10°.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk für Flugzeuge mit einem Axialfrontgebläse, einer das Frontgebläse umschließenden koaxialen Gebläseverkleidung, die an der Vorderseite einen Lufteinlaß aufweist, und mit einer teilweise in die Gebläseverkleidung eingeschobenen Triebwerkszelle, die ein Gasturbinenstrahltriebwerk umschließt und am hinteren Ende in einer Abgasdüse für die Abgase des Gasturbinenstrahltriebwerks endet, wobei der hintere Abschnitt der Gebläseverkleidung unmittelbar zusammen mit der Außenfläche der Triebwerkszelle eine ringförmige Gebläsedüse für das Frontgebläse bildet. Bei einem aus der US-PS 3036431 bekannten Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk dieser Art enthält der Gebläsekanal einen konvergierenden Abschnitt, der aber in erheblichem Abstand vor der Austrittsebene der Gebläsedüse in einen Abschnitt mit gleichbleibendem Querschnitt übergeht. Die Triebwerkszelle erreicht ihren maximalen Durchmesser in diesem Gebläsekanalabschnitt gleichbleibenden Querschnitts, behält aber dann diesen maximalen Durchmesser über den größten Teil ihrer Länge bei und beginnt erst im Bereich ihrer Abgasdüse, in er Patentansprüche:

1. Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk für Flugzeuge mit einem Axialfrontgebläse, einer das Frontgebläse umschließenden koaxialen Gebläseverkleidung, die an der Vorderseite einen Lufteinlaß aufweist, und mit einer teilweise in die Gebläseverkleidung eingeschobenen Triebwerkszelle, die ein Gasturbinenstrahltriebwerk umschließt und am hinteren Ende in einer Abgasdüse für die Abgase des Gasturbinenstrahltriebwerks endet, wobei der hintere Abschnitt der Gebläseverkleidung unmittelbar zusammen mit der Außenfläche der Triebwerkszelle eine ringförmige Gebläsedüse ι ~> für das Frontgebläse bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebläsekanal (14) bis zu einer im Bereich seiner Austrittsebene liegenden Stelle (50) maximalen Durchmessers (D₃) der Triebwerkszelle (3) konvergiert, und daß die Triebwerkszelle von der Stelle ihres maximalen Durchmessers an zur Bildung einer Rekompressionsfläche stromabwärts konvergiert.

2. Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Endabschnitt (18) der Gebläseverkleidung (2) unter einem Winkel von 4° bis 7° und die Außenfläche (28) der Triebwerkszelle (3) von der Stelle (50) deren maximalen Durchmessers (D₃) an stromabwärts unter einem Winkel von 7,° bis so 10° zur Triebwerksachse hin geneigt sind.'

3. Zweikreis-Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesserverhältnis (D₃/D₂) des maximalen Durchmessers (D₃) der Triebwerkszelle (3) Zu r> dem Durchmesser (D₂) der Gebläseverkleidung (2) in der Austrittsebene der Gebläsedüse im Bereich von 0,65 bis 0,75 liegt.