DE2156319A1 - Gasturbinen-Strahltriebwerk - Google Patents

Description

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Augsburg, den 11. November 197I

Der Staatssekretär für Verteidigung in der Regierung Ihrer Majestät der Königin des Vereinigten Königreiches von Großbritannien und Nordirland, Whitehall, London, S.W.l,

Bigland

Gasturbinen-Strahltriebwerk

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinen-Strahltriebwerk mit einem Gasgenerator, der ein in einem Kanal angeordnetes Gebläse antreibt, dessen Schaufelblätter um ihre Längsachsen von einer VorwärtssQhubstellung in eine Rückwärtsschubstellung verstellbar sind.

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Das genannte Gebläse ist normalerweise so ausgebildet, daß es während des Betriebes mit Vorwärtsschubstellung einen maximalen Wirkungsgrad aufweist, und es hat sich gezeigt, daß der vom Gebläse erzeugte Schub bei in Rüekwärtsschubstellung gedrehten Gebläseschaufelblättern kleiner ist.

Ein Grund für diese Schubverminderung in der Rückwärtsschubstellung ist der, daß die sehaufelfuß- W nahen Blattbereiche nur sehr wenig auf die durch das Gebläse hindurchströmende Luft einwirken, so daß in diesen Bereichen auch nur ein sehr geringer Druckanstieg der Luft auftritt. Die an der Innenwand des Gebläsekanales vorhandene Niederdruck-Hochgeschwindigkeitsströmung überlagert sich mit der an den Mittelteilen der Schaufelblätter auftretenden Hochgeschwindigkeitsströmung und bildet an der Innenwand eine Rezirkulationszone. Diese Rezirkulation kann einen Basisströmungswiderstand hervorrufen, welcher die Wirkung des Rückwärtssohubes verringert, der von der von den mittleren Teilen der Schaufelblätter abgegebenen Luft höheren Druckes erzeugt wird, indem im Bereich der Triebwerksachse ein Bereich niedrigen Luftdruckes entsteht» Diese Erscheinung tritt mehr und mehr auf, Je weiter sieh die TriebwerkaverkleidungeB von Gebläse aus nach vorne erstrecken.

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Ein weiterer Verlust an Rückwärtsschub ergibt sich insbesondere auch beim Vorwärtsbewegen eines das Strahltriebwerk aufweisenden Flugzeuges, da sich hierbei die aus dem vorderen Ende des Gebläsekanales ausgestoßene Luft selbst auch an der Lippe bzw. dem Rand des Gebläsekanales anhängt und sich rund um den Kanalrand so lange ausbreitet, bis der Luftstrom mit unter rechten Winkeln zur Triebwerksachse verlaufenden Geschwindigkeitskomponenten und möglicherweise sogar einer mit Bezug auf das Triebwerk rückwärts verlaufenden Geschwindig- "

keitskomponente abreißt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, aus den obengenannten beiden Gründen auftretende Schubverluste zu vermeiden oder zumindest zu verringern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch Mittel gelöst, mit welchen jeweils bei Rückwärtsschubstellung der Gebläseschaufelblätter der vom Gebläse ä

nach vorne abgegebene Luftstrom in Richtung zur Triebwerksaehse gedrängt werden kann.

Die auf den Luftstrom einwirkenden Mittel können Mittel zum Einbringen von Druckluft in den das

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Gebläse enthaltenden Kanal an mindestens einer Wand dieses Kanals aufweisen· Zusätzlich oder abweichend hiervon können gemäß der Erfindung auch Klappen zum Ablenken des durch den Kanal hindurchströmenden Luftstromes zur Triebwerksachse hin vorgesehen sein.

Die Mittel zum Abdrängen des Luftstromes zur

»Triebwerksachse hin können gemäß der Erfindung zusätzlich oder abweichend hiervon auch Mittel zum Einbringen von Druckluft von der Lippe bzw. dem Mündungsrand des Gebläsekanals her oder sogar Mittel zum Einbringen von Luft mit einer nach vorne gerichteten Geschwlndigkeitskomponente von der Außenwandung des Qebläsekanales her aufweisen, um dadurch ein Anhaften der Luftströmung am Mündungsrand des Gebläsekanals zu verhindern.

Demgemäß wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Jeweils während des Rüekwärtsschubbetriebes von einem Verdichter ausgestoßene Luft durch die Gebläsewand und in dieser gebildete Düsen bzw. öffnungen in den durch das Gebläse hindurchgeströmten Luftstrom eingebracht.

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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: ·

Fig. 1 eine schematische Darstellung

eines Gasturbinen-Strahltriebwerkes mit einem in einem Kanal angeordneten Gebläse mit zwischen einer Vorwärtsschübstellung und einer Rückwärtsschubstellung verstellbaren Schaufelblättern,

Fig. 2 eine schematische Darstellung

einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei welcher eine ablenkende Wirkung der Luftbzw· Gasströmung dadurch erreicht wird, daß In den Gebläsekanal des Strahltriebwerkes sowohl von der Innenwand als auch von der Außenwand dieses Gebläsekanals her Druckluft eingebracht wird, und

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Pig. JJ eine der Pig. 2 ähnliche

schematische Darstellung einer weiteren Ausfuhrungsform nach der Erfindung, gemäß welcher eine Kombination von Druckluft und mechanischen Mitteln zum Ablenken der Luftströmung verwendet wird.

In Pig. 1 ist ein Gasturbinen-Strahltriebwerk mit einem Gasgenerator 1 dargestellt, welcher über ein Untersetzungsgetriebe 4 ein in einem ringförmigen Gebläsekanal j5 angeordnetes Gebläse 2 antreibt. Der Gasgenerator 1 kann jede geeignete bekannte Art sein und wird hier nicht im einzelnen beschrieben, da er nicht unmittelbar Gegenstand der Erfindung ist. Der Gasgenerator kann also beispielsweise zwei strömungsmäßig hintereinander geschaltete Verdichter mit voneinander getrennten Wellen aufweisen, welch letztere jeweils von getrennten Turbinen angetrieben werden· Das Gebläse wird durch eine Welle angetrieben, welche sich von dem Niederdruckteil der beiden Verdichter nach vorne zu dem Untersetzungsgetriebe erstreckt.

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Die einzelnen Schaufelblätter des Gebläses 2 sind jeweils um ihre Längsachse drehbar, so daß sie unter Verstellung ihres Angriffswinkels von einer Vorwärtsschubstellung in eine Rüokwärtssehubstellung bewegt werden können. Dieses Verstellen kann durch eine Schaufelblattsteigungs-Steuereinheit 6 bewirkt werden, welche nicht im einzelnen beschrieben wird, da ihre Einzelheiten mit Bezug auf die Erfindung nicht von Bedeutung sind.

Während des Vorwärtsschubbetriebes des Triebwerkes, d.h. wenn die Schaufelblätter sich in ihrer Vorwärtsschubstellung befinden, tritt Luft durch einen nach vorn welsenden Lufteinlaß 8 in den Gebläsekanal 3 ein, wobei ein Teil der Luft über einen Lufteinlaß 9 in den Gasgenerator 1 gelangt und der verbleibende Luftanteil über eine nach hinten weisende Schubdüse 10 in die umgebende Atmosphäre ausgestoßen wird. Dagegen zieht das Gebläse 2 während des Rückwärtsschubbetriebes Luft durch die nach hinten weisende Schubdüse 10 ein, wobei ein Teil dieser von hinten her eingezogenen Luft wiederum in den Gasgenerator-Lufteinlaß 9 gelangt und der verbleibende Luftanteil durch den Lufteinlaß in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Außerdem kann

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ein Hilfs-Gebläselufteinlaß 11 zur Vergrößerung des zum Gebläse 2 führenden Lufteinlaßquerschnittes während des Rückwärtsschubbetriebes vorgesehen sein.

Die schaufelfußnahen Teile der Schaufelblätter haben unter anderem infolge ihrer kleineren Radien gegenüber den äußeren Schaufelteilen nur einen verhältnismäßig kleinen Einfluß auf die durch den Gebläsekanal strömende Luft, so daß der Luftdruck W nahe der Innenwand des Gebläsekanales, nachdem die Luft durch das Gebläse hindurchgetrieben wurde, kleiner ist als der in der Mitte des Gebläsekanals herrschende Luftdruck. Dies kann während Rückwärtsschubbetrieben des Strahltriebwerkes dazu führen, daß sich über der Innenwand des Gebläsekanals Jt und an der Triebwerksachse vor der Nase eines die Kanalinnenwand bildenden Triebwerksmitelkörpers eine stagnierende Luftrezirkulationszone bildet. Dies deshalb, weil der Querschnitt des Kanals 3 größer werdend ausgebildet ist.

Die dadurch über der Innenwand des Gebläse« kanales 3 erzeugte Niederdruckzone wirkt jeweils während Rückwärtssohubbetrieben effektiv als Basisströmungswiderstand.

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Außerdem kann die Gebläseströmung selbst am Mündungsrand des Gebläsekanales anhaften, was teilweise durch den sich vergrößernden Querschnitt des Gebläsekanales und auch durch die Tatsache bedingt ist, daß der Mündungsrand der Gebläsekanal-Außenwand mit verhältnismäßig großen Radien versehen ist, um in seiner Funktion als Einlaß einen guten Wirkungsgrad zu haben.

Dies ist besonders dann ein Problem, wenn das betreffende Plugzeug eine beträchtliche Vorwärtsgeschwindigkeit hat, da, nachdem die Strömung sich einmal um wenige Grade gedreht hat und eine unter rechtem Winkel zur Triebwerksachse verlaufende Geschwindigkeitskomponente aufweist, die infolge der Vorwärtsbewegung des Plugzeuges über die Außenseite strömende Luftströmung die vom Gebläse erzeugte Strömung noch mehr abdreht, so daß von dem Zeitpunkt an, zu welchem die Strömung von der Außenwand des Gebläsekanals abreißt, diese Strömung sogar eine rückwärts verlaufende Geschwindigkeit skomponente haben kann, welche zu dem vom Gebläse 2 erzeugten Rückwärtsschub direkt entgegengesetzt ist.

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Zur Vermeidung dieser Erscheinungen muß die Strömungsverteilung, d.h. das Druck- und Geschwindig« keitsprofil über dem Kanal so verändert werden, daß der Hochdruckteil der Strömung zur Triebwerksachse hin gedrängt wird, so daß der Basisströmungswiderstand kompensiert und das genannte Anhaften der Luftströmung verhindert wird. Zur Änderung der Strömungsverteilung können mehrere alternative Methoden Anwendung finden, unter anderem von einem Triebwerksverdichter abgegebene Luft, mechanische Ablenkeinrichtungen oder eine Kombination dieser beiden Möglichkeiten.

Fig. 2 zeigt im einzelnen eine Möglichkeit, wie von einem Triebwerksverdichter abgegebene Luft in den Gebläseluftstrom eingebracht werden kann. Die Luft wird von dem Verdichter über ein nicht dargestelltes Ventil in einen mittigen Kanal 17 und in die äußere Verkleidung 18 geleitet.

Von dem mittleren Kanal 17 wird die Luft durch öffnungen 20 in die an die Innenwand 9 des Gebläsekanals angrenzende Gebläseluftströmung eingebracht, d.h. in die an den Nasenteil eines Getriebemittelkörpers angrenzende Luftströmung, während außerdem

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ein Teil dieser Luft durch eine mittige öffnung in den Gebläseluftstrom an der Nase des Triebwerksmittelteiles eingebracht wird.

Von der äußeren Verkleidung 18 wird die Luft durch eine Vielzahl von unter bestimmten Winkeln voneinander angeordneten öffnungen 24 in den an die Außenwand 25 des Gebläsekanales angrenzenden Gebläseluftstrom eingebracht.

Die Wirkung der in den Gebläsekanal an der inneren Kanalwand eingebrachten Luft besteht darin, daß im Bereich dieser inneren Kanalwand der Druck der Gebläseluft vergrößert wird und die Gebläseluftströmung zur Triebwerksachse gezogen wird, wodurch der Basisströmungswiderstand kompensiert bzw. auf einen günstigen Wert gebracht und der Wirkungsgrad des Gebläses wirkungsvoll verbessert wird.

Die Wirkung der von der äußeren Verkleidung her eingebrachten Luft besteht darin, daß die Gebläseluftströmung radial über dem Gebläsekanal in bestimmtem Maße zur Nase des Getriebemittelkörpers bewegt wird, so daß die Luftströmung das Bestreben hat,

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sich an der Außenfläche der Nase des Getriebemittelkörpers anzuheften, und ein Anheften der Luftströmung am Mündungsrand des Gebläsekanals verhindert wird, Diese Wirkung kann durch Verwendung mechanischer Mittel, beispielsweise durch Verwendung eines aus Klappen gebildeten Ringes, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, noch verbessert werden.

Fig. 3 zeigt einen aus Klappen 30 gebildeten Ring, *"**' welcher an der radial inneren Wand der äußeren Verkleidung 18 zwischen dem Gebläse 2 und dem Einlaß 8 angeordnet ist. Die Klappen 30 sind jeweils an ihren hinteren Enden an der Verkleidung 18 schwenkbar angelenkt. Mittel 31 dienen zum Verstellen der Klappen 30 aus einer "verstauten" Stellung, in welcher sie mit der Innenfläche der äußeren Verkleidung 18 fluchten, wenn das Triebwerk mit Vorwärtsschub betrieben wird, in eine Betriebsstellung, in welcher die Klappen 30 in die Gebläseströmung hineinragen, wenn das Triebwerk mit Rückwärtsschub betrieben wird.

Die Klappen 30 haben die Aufgabe, die Gebläseluftströmung zur Innenwand des Gebläsekanals 3 hin abzulenken, d.h. zur Triebwerksachse hin, so daß sich die

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Gebläseluftströmung an der Innenwand anheftet und im Bereich dieser Wand eine Niederdruckzone vermieden

Die diesem Zweck dienenden, in Fig. 3 dargestellten Schwenkklappen erzeugen hinter sich eine Stagnationszone 33, welche über Öffnungen mit von einem Triebwerksverdichter abgeführter Luft gefüllt werden kann.

Zusätzlich hierzu kann außerdem von einem Verdichter Luft zur Außenfläche der Nase des Triebwerksmittelkörpers geleitet werden, wie dies mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, jedoch kann in diesem Falle das Einbringen von Luft in die Gebläseluftströmung auf das vordere Ende der genannten Nase beschränkt werden, wo die Gebläseluftströmung am ehesten das Bestreben hat, von der Nasenoberfläche des Triebwerksmittelkörpers abzureißen.

Während des Betriebes kann sich zeigen, daß |

das alleinige Einbringen von Luft in den Gebläsekanal an der Kanalaußenwand ein Anhaften der Luftströmung nicht erfolgreich verhindern kann und dadurch weitere Öffnungen erforderlich werden, welche entweder am Öffnungsrand des Gebläsekanals selbst oder an der Außenfläche der Kanalwand gebildet werden könnten*

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so daß über diese öffnungen Luft mit einer nach vorne gerichteten Geschwindigkeitskomponente eingebracht werden kann. Dadurch wird Jegliche Strömung, welche das Bestreben hat, sich an den Mündungsrand der Verkleidung anzuheften, zur Triebwerksachse zurück umgelenkt und ein Abreißen der Strömung von der Innenfläche der Kanalwand unmittelbar hinterhalb des Gebläsekanal-Mündungsrandes unterstützt.

^ Während des Rückwärtsschubbetriebes des Gebläses

ist die von dem Gebläse aufzubringende Leistung kleiner als während des Vorwärtsschubbetriebes, so daß unter maximaler Drosselung die das Gebläse antreibende Turbine das Bestreben hat, zu überdrehen. Aus diesem Grunde kann es erforderlich werden, den Verdichter des Gasgenerators anzuzapfen, um die zeitliche Strömungsmittelmenge an heißen Gasen zu verringern, welche in die das Gebläse antreibende Turbine gelangen. Von einem der Verdichter des Gasgenerators steht also jeweils während des Rückwärtsschubbetriebes des Gebläses zusätzliche Luft zur Verfügung, welche für die obengenannten Zwecke verwendet werden kann. Diese zusätzliche Luft kann durch ein Ventil gesteuert werden, welches jeweils während des Rückwärtsschubbetriebes des

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Gebläses betätigt wird» Nötigenfalls können zur Regulierung des Druckes der in den Gebläsekanal strömenden Luft weitere Ventile vorgesehen sein, um zu vermeiden, daß Luft mit zu hohem Druck auf die im Kanal vorhandene Gebläseströmung nachteilig einwirkt.

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Claims (5)

1. „ 21SS.31S

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   PatentansprUche:

   (L+) Qasturblnen-StiialiltriebwerK fltit einem generator, der ein in einem Kanal angeordnetes antreibt, dessen SchauEelblltter um ihre von einer Vorwärtss chubs teilung in eine Riiak»rärfeseühub* Stellung verstellbar sind,, gek^nitzeichnet durch mittel (2Q, 2#), mit welchen jeweils bei Schubstellung der Qebläseschaufelblätter der SebliK»e (2) nach vor«e abgegebene tüftströin in Richtung zur Triebwerksachse gedrängt werden kann.
2. 2. Strahl triebwerk nach Anspruch 1, dadurcii ,geteennzeichnet, daß die genannten Mittel (20, 2#) zum Abdrängen des Luftstromes zur Triebwerksaohse hin Büttel (20) zum Ausstoßen von Druckluft aus «indesfeens einer Wand des das Gebläse (2) beher-Kanales 0) aufweiten»
3. 3. Strahltriebwerk nach Anspruch Z, dadurch

   daß die genannte Druckluft über in iöindeebens einer der Wände des genannten Kanales gebildete öffnungen in diesen Kanal eingebracht wird«

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4. 4. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche

   1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel zur Veränderung der Strömungsverteilung der Luft über den Querschnitt des genannten Kanales (3) Schwenkklappen (30) aufweisen, welche jeweils an ihren hinteren Enden an der Innenfläche einer Außenwand des Kanales (3) schwenkbar angelenkt sind und jeweils während der Vorwärtsschubstellung der Schaufelblätter des Gebläses (2) einen Teil der genannten Innenfläche bilden, jedoch während der Rückwärtsschubstellung der Schaufelblätter ' ä des Gebläses schräg in dem im Kanal (3) vorhandenen Luftstrom liegen und dadurch diesen Luftstrom zur Triebwerksachse hin ablenken.
5. 5. Strahltriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Mittel (34) (21) zum Einbringen von Druckluft in den das Gebläse (2) beherbergenden Kanal (3) über in der Innen- und/oder Außenwand dieses Kanales gebildete öffnungen vorgesehen sind.

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