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Gas turbinentriebwerk Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk
mit einem, einen Lufteinlaß und einen Abgasauslaß aufweisenden Gehäuse, weiter mit
einem darin angeordneten Rambine-Rotor mit einer Vielzahl von Schaufeln, auf welchem
eine Verdichtungszone, eine daran anschließende Brennzone und
eine
an diese anschließende Expansionszone gebildet ist, ferner mit einer Einrichtung
zur Kraftstoffeinspritzung in die Brennzone und mit mindestens einem einlaßseitig
mit Bezug auf den Rambine-Rotor angeordneten Verdichterrotor mit mindestens einem
Schaufelkranz, dessen Schaufeln so geformt sind, daß sie der geförderten Luft eine
Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Verdichterrotordrehung mitteilen.
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Insbesondere betrifft die Erfindung einen Gasgenerator, der als inneres
Triebwerk eines Bypass-Gasturbinentriebwerks geeignet ist.
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Es sind bisher Gasturbinentriebwerke bekannt geworden, bei denen
Verdichtung, Verbrennung und Expansion auf dem gleichen Rotor stattfinden.
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Es gibt auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke noch keinen anerkannten
allgemeinen Fachausdruck zur Kennzeichnung der Kategorie von Rotoren, auf denen
Verdichtung, Verbrennung und Expansion stattfinden. Es wird deshalb vorgeschlagen,
zur Bezeichnung aller unter diese Kategorie fallender existierender und denkbarer
Rotorbauarten den Ausdruck "Rambine-Rotor" zu verwenden. Das zusätzliche Merkmal
eines Rambine-Rotors ist, daß er eine Verdichtungs-und
Expansionsbeschaufelung
trägt und daß zwischen dem Verdichtungsteil und dem Expansionsteil eine Verbrennung
stattfindet. In der folgenden Beschreibung und den anliegenden Patentansprüchen
ist folglich der Ausdruck "Rambine-Rotor" in diesem Sinne zu verstehen Nachstehend
sei ein einfacher Fall eines Rambine-Rotors betrachtet, bei welchem keine Einlaßleitschaufeln
vorgesehen sind. Strömt Luft mit einer Geschwindigkeit c in den Rotor ein und haben
die Schaufeln eine Umfangsgeschwindigkeit u, so ergibt sich, wenn man ein Geschwindigkeitsdreieck
mit zwei jeweils Größe und Richtung der Geschwindigkeiten c und u darstellenden
Seiten konstruiert, durch die dritte Seite des Dreiecks die Luftgeschwindigkeit
wein relativ zum Rotor, d.h. wein = c - u0 Ist die relative Lufteinlaufgeschwindigkeit
wein supersonisch, so wird der Luftstrom im Einlaßdiffusor auf relativ zum Rotor
subsonische Geschwindigkeit gebracht Danach wird die Luft verdichtet, In den verdichteten
Luftstrom wird Kraftstoff eingespritzt und das Kraftstoff/Luft-Gemisch verbrennt
in der Brennzone. In den zwischen den Schaufeln der Expansionsbeschaufelung gebildeten
Aus daß
kanälen expandieren die Abgase und treten mit relativ zum
Rotor supersonischer Geschwindigkeit waus aus.
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Bei derartigen Rotoren tritt jedoch ein Problem auf, wenn man die
Verbrennungsbedingungen betrachtete Die zum Ablauf der Verbrennung erforderliche
Zeit wird mit größerwerdender Verdichtung des Luftstromes kleiner und der auf dem
Rotor für die Verbrennung erforderliche axiale Raum ist eine Funktion des Produktes
aus der für den Verbrennungsablauf erforderlichen Zeit und der Geschwindigkeit des
verdichteten Luftstromes0 Die Geschwindigkeit des verdichteten Luftstroms muß beim
Beginn des Verbrennungsvorgangs in jedem Fall verhältnismäßig klein gehalten werden,
da sonst die Kraftstoffmenge, die in der Brennzone verbrannt werden kann, bevor
die Strömung gedrosselt wird, stark begrenzt ist. Es leuchtet daher ein, daß zum
Erreichen eines verhältnismäßig kurzen Brennraums ein möglichst hoher Druck stromab
der Lufteinlaßkanäle herrschen sollten Bei Triebwerken für Flugzeuge sind geringe
Größe und geringes Gewicht sehr erwünscht und zur Erzielung eines ausreichenden
Druckes im verdichteten Luftstrom vor der Verbrennung ist ein Gesamtdruckverhältnis
von etwa 35 : 1 erforderlich.
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Damit so hohe Druckverhältnisse wie beispielsweise
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: 1 bei bekannten Rotoren erhältlich sind, müßten diese Rotoren mit sehr hohen Drehzahlen
umlaufen und folglich wird das Problem der sehr hohen Rotortemperaturen noch durch
die starken Beanspruchungen durch die Fliehkräfte vergrößert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinentriebwerk
der eingangs dargelegten Art so auszubilden, daß bei gleichzeitiger wesentlicher
Verminderung der auf den Rotor wirkenden fliehkraftbedingten Beanspruchungen hohe
Druckverhältnisse erzielbar sind.
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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Gasturbinentriebwerk
gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vergrößerung der Wirbelgeschwindigkeit
der einströmenden Luft bezüglich des Rambine-Rotors der Verdichterrotor gegensinnig
mit Bezug auf den Rambine-Rotor umläuft, Der bezüglich des Rambine-Rotors gegenläufige
Verdichterrotor erzeugt also eine Wirbelgeschwindigkeit in dem relativ zum Rambine-Rotor
supersonischen Luftstrom, Die Verdichtungszone bringt den supersonischen Luftstrom
auf eine subsonische Geschwindigkeit. Der supersonische
Diffusionsvorgang
endigt dabei in einer verhältnismäßig schwachen normalen Stoßwelle und auf dem Rambine-Rotor
ist stromab dieser Stoßwelle und stromauf der Verbrennungszone eine divergente Strömungszone
vorgesehen.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung bilden
Gegenstand der Unteransprüche.
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Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend
mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen vereinfachten Axialschnitt durch ein Triebwerk nach der Erfindung,
Fig. 2 eine abgewickelte Darstellung des Rotors des in Fig. 1 dargestellten Triebwerks
die Fig, 3A und 3B Geschwindigkeitsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des
in den Fig. 1 und 2 dargestellten Triebwerks,
Fig. 4 einen vereinfachten
Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 eine abgewickelte
Darstellung der Rotoren des Triebwerks nach Fig. 4, die Fig. 6A bis 6F Geschwindigkeitsdiagramme
zur Erläuterung der Arbeitsweise der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform,
Fig. 7 die Querschnittsform der Rotorschaufeln bei einer weiteren Aus führungsform
der Erfindung, die Fig. 8A bis 8D Axialschnitte durch weitere alternative Rotorausführungsformen,
Fig. 9 einen Abwicklungsschnitt durch den Rotor der in den Fig. 8A bis 8D gezeigten
Ausführungsformen der Erfindung,
Fig. 10 einen Ausschnitt einer
Gehäuseinnenfläche eines erfindungsgemäßen Triebwerks, wobei Düsen einer Anlasseinrichtung
für das Triebwerk dargestellt sind, Fig. 11 einen Axialschnitt durch eine der in
Fig. 10 sichtbaren Düsen, Fig. 12 einen Axialschnitt durch eine abgewandelte Düse
einer Anlassvorrichtung, Fig0 13 einen schematischen Axialschnitt durch ein weiteres
erfindungsgemäßes Triebwerk, bei welchem ein Rotor Hilfseinrichtungen antreibt,
Fig. 14 eine schematische Darstellung, aus welcher die Steuerung eines erfindungsgemäßen
Triebwerks hervorgeht, Fig. 15 eine Rotorabwicklung einer noch
weiteren
Ausführungsform der Erfindung, und die Fig. 16A bis 16F Geschwindigkeitsdiagramme
zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 15 dargestellten Anordnung.
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In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung
dargestellt, gemäß welcher ein Rambine-Rotor 1, auf welchem Verdichtung, Verbrennung
und Expansion stattfinden, drehbar in einem Gehäuse 2 gelagert ist Stromauf des
Rambine-Rotors befindet sich ein Verdichter 6, der über eine Welle 8 in Trieb verbindung
mit einer stromab des Rambine-Rotors gelegenen Turbine 7 steht; Der Rambine-Rotor
1 ist in auf der Welle 7 angeordneten Lagern 9 und 10 gelagert und die Welle 7 ist
ihrerseits in Lagern 11 und 12 gelagert, welche mittels nicht dargestellter Streben
im Gehäuse 2 befestigt sind.
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Der Rambine-Rotor 1 trägt eine Vielzahl von Radialschaufeln 5, wobei
jeweils benachbarte Schaufeln zwischen sich einen Einlaßkanal i, einen daran anschließenden
Brennraum c und einen sich an diesen anschließenden Aus daß
kanal
e bilden. Die Einlaßkanäle i sind so ausgebildet, daß sie supersonische Diffusoren
zur Verdichtung der Luft bilden, und die Auslaßkanäle e dienen der Entspannung der
Abgase aus den Brennräumen c.
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Der Verdichterrotor 6 und der Turbinenrotor 7 tragen jeweils eine
Vielzahl von Radialschaufeln 3 bzw. 4, die zueinander entgegengesetzt gewölbt sind.
Der vom Rambine-Rotor 1 kommende Abgasstrom treibt den Turbinenrotor 7 gegensinnig
zum Rambine-Rotor, so daß auch der Verdichterrotor 6 gegenläufig mit Bezug auf den
Rambine-Rotor 1 gedreht wird, Die Schaufeln 3 des Verdichterrotors 6 sind so gewölbt,
daß sie der verdichteten Luft eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung ihres
Umlaufs mitteilen.
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Ein teilweise vom Gehäuse 2 gebildeter Kanal 18 stellt einen Lufteinlaß
am stromaufseitigen Gehäuse ende daro Im Kanaleinlaß sind Einrichtungen zur Kraftstoffeinleitung,
beispielsweise Kraftstoffeinspritzringe 16, vorgesehen, aus denen Kraftstoff durch
Düsen 40 eingespritzt wird.
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Alternativ dazu kann eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung Anwendung
finden, bei welcher in an sich bekannter Weise Krafts toffaus trittsöffnungen in
den Seitenflächen der
Schaufeln 5 vorgesehen sind.
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Die Betriebsweise des in den Fige 1 und 2 dargestellten Triebwerks
wird nachstehend anhand der Geschwindigkeitsdiagramme in den Fig. 3A und 3B beschrieben.
Ein Kraftstoff/Luft-Gemisch tritt in die Schaufelzwischenräume des Verdichterrotors
6 ein und wird teilweise verdichtet, bevor es wieder aus den Schaufelzwischenräumen
aus tritt* Die gewölbten Schaufeln 3 teilen dem Gemisch eine Geschwindigkeitskomponente
in Drehrichtung des Verdichterrotors 6, deh. in Richtung des Schaufelumlaufs, mito
Das Gemisch tritt folglich mit der Absolutgeschwindigkeit c2 aus dem Verdichterrotor
6 aus, welche größer als die Umlaufgeschwindigkeit der Schaufeln 3 ist. Dies ist
in dem Diagramm nach Fig. 3A dargestellt, in welchem w2aus die Relativgeschwindigkeit
am Verdichterauslaß, u2 die Geschwindigkeit de7r Schaufeln 3 und c2 die Absolutgeschwindigkeit
der Strömung am Verdichterrotorausgang ist.
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Aus dem zweiten, in Fig. 3B dargestellten Diagramm geht hervor, daß
es der Verdichterrotor 6 ermöglicht, daß der Rambine-Rotor 1 mit einer niedrigeren
Umfangsgeschwindigkeit uR umlaufen kann und trotzdem noch die gleiche relative Einlaufgeschwindigkeit
Wein beibehalten wird.
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Die Geschwindigkeit Wein ist die relative Konstruktionseinlaufgeschwindigkeit
für den Rambine-Rotor und es ist vorgesehen, daß wein im Bereich der zweifachen
bis dreifachen Schallgeschwindigkeit am Rambine-Rotor-Eintritt liegt.
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Da das Kraftstoff/Luft-Gemisch durch den Verdichterrotor 6 verdichtet
wird, ist in den Einlaßkanälen i des Rambine-Rotors 1 nur eine geringere Verdichtung
erforderlich. Der Verdichterrotor 6 hat jedoch hauptsächlich die Aufgabe, eine höhere
Wirbelgeschwindigkeit zu erzeugen, und der Druckanstieg über dem Verdichterrotor
ist als sekundärer Vorteil zu betrachten. Ist die Konstruktionsdruckgewinnung der
Verdichtungszone des Rambine-Rotors sehr hoch, so ist an der Austrittsseite des
Verdichterrotors 6 eine entsprechend hohe Wirbelgeschwindigkeit erforderliche Der
Verdichterrotor muß also mit sehr hoher Drehzahl umlaufen und seine relative Einlaß-Machzahl
könnte, vom Gesichtspunkt der Schaufelaerodynamik her gesehen, übermäßig groß sein.
Zur Verminderung dieser hohen relativen Einlaß-Mach zahl am Verdichterrotor bei
Beibehaltung einer relativ hohen Einlaß-Mach zahl an der Eintrittsseite des Rambine-Rotors
ist die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsform zu bevorzugen.
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In den Fig. 4 und 5 sind jeweils den Komponenten der
in
den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform entsprechende Komponenten mit gleichen
Bezugsziffern gekennzeichnet. Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, ist bei
dieser Ausführungsform ein zusätzlicher turbinengetriebener Verdichterrotor 14 vorgesehen,
der über eine Welle 13 mit einem zusätzlichen Turbinenrotor 15 gekuppelt ist. Der
Verdichterrotor 14 läuft mit gleichem Drehsinn wie der Verdichterrotor 6, jedoch
mit niedrigerer Drehzahl um.
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Dementsprechend wird die Wirbelgeschwindigkeit in zwei Stufen aufgebaut.
Die in den Fig. 6A bis 6F dargestellten Diagramme erläutern diesen Vorgang Auf den
Verdichterrotor 14, der mit einer Umfangsgeschwindigkeit ul umläuft, trifft ein
axialer Luftstrom miteiner Absolutgeschwindigkeit cl auf0 Folglich ergibt sich,
vektoriell dargestellt, die relative Einlaufgeschwindigkeit folgendermaßen: c -
u1 = klein (Gleichung 1) Infolge ihrer Krümmung setzen die Schaufeln die Geschwindigkeit
wlein in die Geschwindigkeit wlaus um und folglich beträgt die Absolutgeschwindigkeit
stromab des
Verdichterrotors 14: wlaus + ul = c2 (Gleichung 2)
Dieser Luftstrom trifft nun auf den Verdichterrotor 6 auf, der mit der Umfangsgeschwindigkeit
u2 und im gleichen Drehsinn wie der Verdichterrotor 14 umläuft, so daß sich folgende
relative Einlaufgeschwindigkeit ergibt: w2 ein c2 - u2 (Gleichung 3) Infolge der
Krümmung der Schaufeln des Verdichterrotors 6 wird die Geschwindigkeit w2 ein in
die Geschwindigkeit w2 aus umgewandelt und folglich ergibt sich als Absolutgeschwindigkeit
c3 stromab des Verdichterrotors 6 die Summe der relativen Austrittsgeschwindigkeit
w2 aus und der Rotorumfangsgeschwindigkeit u2: c3 = w2 aus + u2 (Gleichung 4) Nun
gelangt der Luftstrom in den Rambine-Rotor, der gegensinnig mit bezug auf die Verdichterrotoren
14 und 6 umläuft und eine Umfangsgeschwindigkeit uR besitzt
Seine
relative Einlaufgeschwindigkeit wRein errechnet sich also: c3 - uR = wRein (Gleichung
5) Da uR entgegengesetzt zu ul und u2 gerichtet ist, handelt es sich bei wR ein
um eine sehr große relative Einlaufgeschwindigkeit mit einer sehr hohen Wirbelgeschwindigkeit,
die gleich der Komponente wRT (Fig. 6E) ist. Aber es ist einzusehen, daß diese sehr
hohe Wirbelgeschwindigkeit von einer verhältnismäßig niedrigen Axialgeschwindigkeitskomponente
wRA begleitet ist und daß sie aus den Umfangsgeschwindigkeiten ul, u2 und uR der
Rotoren 14 bzwe 6 bzw. 1 entstanden ist, die ihrerseits alle verhältnismäßig niedrig
sind.
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Folglich können die Mach zahlen durch die Verdichterrotoren 14 und
6 auf etwa Mach 1,5 gehalten werden, was genügend niedrig zur Vermeidung übermäßiger
Schwierigkeiten bei der Schaufelkonstruktion ist. Die Machzahl ergibt sich, indem
man die örtliche Geschwindigkeit durch die örtliche Schallgeschwindigkeit teilt,
welch letztere sich mit der Quadratwurzel der örtlichen statischen Temperatur ändert.
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Das Geschwindigkeitsdiagramm für die Austrittsseite des Verdichterrotors
6 ist ähnlich dem in Fig. 3A dargestellten Diagramm.
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Die Wirkung des Verdichterrotors 14 ist aus Fig. 6F ersichtlich.
Die gestrichelten Linien zeigen c2 und w2 ein' die sich ohne Verdichterrotor 14
ergeben, im Vergleich zu den sich mit dem Verdichterrotor 14 ergebenden, mit Volllinien
gezeichneten Geschwindigkeiten.
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bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher stromauf
oder in der Nähe des Verdichterrotors Kraftstoff zugeführt wird, sind die Schaufelzwischenräume
des Rambine-Rotors im Sinne einer Verminderung der Verbrennungsverluste ausgebildet,
Gemäß Fig. 7 sind zwischen zwei Schaufeln 19 und 20 ein Einlaßkanal i, ein Brennraum
c und ein Auslaßkanal e gebildet. Die Einlaßkanäle sind für supersonische Verdichtung
ausgebildet, so daß der supersonische Verdichtungsvorgang durch eine normale Stoßwelle
S beendigt wird. Die Temperatur hinter der Stoßwelle S ist hoch genug, um einen
chemischen Zündverzögerungsvorgang einzuleiten, Während dieses Vorgangs treten in
dem Kraftstoff/ Luft-Gemisch chemische Reaktionen auf, welche den Aufbau von Radikalen
wie beispielsweise OH, 0 und H verursachen.
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Während dieses Vorgangs wird nur sehr wenig Wärme freigesetzt.
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Am Ende des Zündverzögerungsvorgangs erreichen diese Radikale schnell
eine Spitzenkonzentration , und nach der Zündung nehmen die Radikalkonzentrationen
infolge von Rekombinationsreaktionen ab. Während dieses letzten Vorgangs wird am
meisten Wärme freigesetzt.
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Gemäß der Erfindung vergrößert sich der Strömungsquerschnitt der
zwischen den Schaufeln gebildeten Kanäle zwischen der Stelle, an welcher die Stoßwelle
S auftritt, und einer Stelle D, an welcher der Zündverzögerungsvorgang beendet ist.
Mit anderen Worten, der Strömungsquerschnitt der zwischen den Schaufeln gebildeten
Kanäle vergrößert sich von der Stelle der Stoßwelle aus über eine der Zündverzögerung
entsprechende Distanz0 Dies läßt sich durch eine solche Schaufelkonstruktion erreichen,
daß die zwischen den Schaufeln gebildeten Kanäle von einem Punkt aus, der unmittelbar
stromauf der am weitesten stromauf gelegenen Stelle liegt, an welcher die Stoßwelle
S auftreten kann, bis zu der am weitesten stromab gelegenen Stelle divergieren,
an welcher die Zündung innerhalb des Betriebsbereichs des Triebwerks auftreten kann.
Diese Anordnung weicht von bekannten Anordnungen ab, bei denen stehende Verpuffungswellen
in den zwischen den Schaufeln gebildeten Kanälen
vorhanden sind,
da diese bekannten Anordnungen keine Strömungsquerschnittsvergrößerung während des
Zündverzögerungsvorgangs aufweisen0 Der Vorteil dieser Strömungsquerschnittsvergrößerung
während des Zündverzögerungsvorgangs liegt darin, daß für die Wärmeerzeugung eine
schwächere Stoßwelle S benützt werden kann. Der Grund dafür wird nachstehend erläutert.
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Die Wärmemenge, die einer durch einen konstanten Strömungsquerschnitt
strömenden Strömung zugeführt werden kann, hängt von der Mach zahl am Beginn der
Erwärmung ab.
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Je niedriger die subsonische Mach zahl ist, desto mehr Wärme kann
zugeführt werden, bevor die Strömung gedrosselt wird. Falls keine änderung des Strömungsquerschnitts
hinter der Stoßwelle stattfindet, muß beim Beginn der Erwärmung eine niedrige subsonische
Mach zahl erreicht werden, indem man die mit hoher supersonischer Mach zahl strömende
Strömung derart in die Stoßwelle strömen läßt, daß sich hinter der Stoßwelle eine
niedrige subsonische Mach zahl ergibt. Ist eine schwache Stoßwelle verwendet, in
welche eine Strömung mit niedriger supersonischer Geschwindigkeit hineinströmt,
so ist hinter dieser Stoßwelle eine hohe subsonische Machzahl vorhanden und der
Strömungsquerschnitt muß vergrößert sein, damit diese Machzahl vor der Zündung
und
vor der Wärme erzeugung vermindert wird wenn eine ebensogroße Erwärmung erzielt
werden soll wie bei Verwendung einer starken Stoßwelle. Die Verwendung einer schwächeren
Stoßwelle hat geringere Stoßwellenverluste zur Folge, Nach dem divergierenden Abschnitt
können die zwischen den Schaufeln gebildeten Kanäle einen geraden Abschnitt aufweisen,
an welchen sich ein konvergenter Abschnitt und danach ein divergenter Expansionsabschnitt
anschließen, wie bei c und e in Fig. 7 dargestellt ist.
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Wenn Kraftstoff in den in die Einlaßkanäle i einströmenden Luftstrom
eingeleitet werden soll, so kann dies durch Bohrungen in den Wandungen der Schaufeln
stromab der Stoßwelle S erfolgen. Jedoch muß die Kraftstoffeinspritzstelle ausreichend
weit stromauf von der beabsichtigten Zündstelle liegen, damit die oben beschriebene
Bildung der Radikale OH, 0 und H möglich ist, wenn Selbstzündung noch erwünscht
ist0 Anderenfalls erfolgt die Zündung in einer turbulenten Flamme, die stromab der
Kraftstoffeinspritzbohrungen stabilisiert wird.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Fig0
8A bis 8D dargestellt Figo 9 zeigt einen mit konstantem Radius in Umfangsrichtung
durch die Beschaufelung eines Rambine*Rotors 25 gelegten Schnitt und ist für jede
der in den Fig. 8A bis 8D gezeigten Ausführungsformen gültig Gemäß Fig. 8A weist
der Rambine-Rotor 25 zwei Schaufelkränze 22 und 28 auf, die durch eine ringförmige
Kammer A voneinander getrennt sind. Das Triebwerks gehäuse weist feststehende Wandungsteile
29, 26 und 30 auf. Bei der Ausführungsform nach Fig. 8B ist das Wandungsteil 29
an den Schaufeln 22 befestigt und läuft mit diesem um, während die Wandungsteile
26 und 30 feststehen und nicht mit dem Rambine-Rotor zusammen drehbar sind. Bei
dem Triebwerk nach Fig. 8C ist das Wandungsteil 30 an den Schaufeln 28 befestigt
und läuft mit diesen zusammen um , während die Wandungsteile 29 und 26 feststehen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 8D ist das Wandungsteil 29 an den Schaufeln 22
und das Wandungsteil 30 an den Schaufeln 28 befestigt und nur das Wandungsteil 26
ist feststehende Wenn eines oder beide der Wandungsteile 29 und 30 an den jeweils
benachbarten Schaufeln befestigt sind und mit diesen umlaufen, sind zwischen dem
feststehenden Wandungsteil 26 und dem bzw.
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den drehbaren Wandungsteilen nicht dargestellte, jedoch an sich bekannte
Dichtungen vorgesehene Wie festzustellen
ist, ist das Wandungsteil
26 nicht mit dem Rambine-Rotor zusammen drehbar dargestellt; Der Grund hierfür liegt
darin, daß die hohen Temperaturen im Brennraum C die äußere Wandung so stark schwächen,
daß sie den fliehkraftbedingten Beanspruchungen nicht standhalten kann. Trotzdem
ist es denkbar, daß Werkstoffe oder Kühltechniken Anwendung finden, welche es ermöglichen,
das Wandungsteil 26 mit dem Rambine-Rotor zusammen umlaufen zu lassen.
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Grundsätzlich ist die Kammer A durch die von den Hinterkanten der
Schaufeln 22 und den Vorderkanten der Schaufeln 28 beschriebenen Rotationsflächen,
der Nabe des Rambine-Rotors und von dem feststehenden Wandungsteil 26 begrenzt.
Wie aus den Axialschnitten gemäß den Fig, 8A bis 8D ersichtlich ist, divergiert
die Kammer A an ihrem stromaufseitigen Ende und konvergiert an ihrem stromabseitigen
Ende. Die Schaufeln 22 bilden zwischen sich Einlaßkanäle, die so geformt sind, daß
sie eine supersonische Verdichtung der einströmenden Luft verursachen. Diese supersonische
Verdichtung endigt in einer normalen Stoßwelle S, Die Einlaßkanäle divergieren stromab
der Stoßwelle S zu den Hinterkanten der Schaufeln 22 hin.
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Zur Brennstoffeinspritzung sind am Rambine-Rotor
Einspritzöffnungen
vorgesehen, beispielsweise in Form von Düsen 23 an den Hinterkanten der Schaufeln
22 oder in Form von Düsen 24 zwischen den Hinterkanten der Schaufeln und der Stoßwelle
S Außerdem kann Kraftstoff durch Einspritzdüsen in der Nabe, deh, am Boden der zwischen
den Schaufeln gebildeten Kanäle, oder durch nicht gezeichnete Düsen in den Wandungsteilen
26 oder 29 eingespritzt werden. Kraftstoffeinspritzdüsen an den Hinterkanten der
Schaufeln 22 sind besonders vorteilhaft, da dann die Kraftstoffstrahlen die subsonische
Zerstreuung (Verzögerung) im letzten Teil der zwischen den Schaufeln gebildeten
Kanäle nicht stören Die Wärmefreisetzung findet in der Ringkammer A statt An der
Innenseite des Wandungsteils 26 kann ein ringförmiges Blech keilartig angeordnet
oder eine Abstufung oder Einkerbung vorgesehen sein, um die Stelle der Zündung zu
stabilisieren, Stromab des Ringbleches 27 weist die Ringkammer A einen im wesentlichen
gleichförmigen Abschnitt auf, jedoch kann sich der divergente Teil der Ringkammer
A auch noch ein kurzes Stück stromab des Ringbleches 27 fortsetzen, Ist die Strömung
am Ende der Verbrennung, dh, am Ende des gleichförmigen Abschnitts der Ringkammer
A
subsonisch, so kann die Kammer A zu den Schaufeln 28 hin konvergieren;
Die Schaufeln 28 sind so ausgebildet, daß der Abgasstrom expandiert und so gedreht
wird, daß er den Rambine-Rotor mit Ausnahme eines kleinen, zur überwindung mechanischer
Verluste und der Reibungsverluste erforderlichen Überschusses mit dem gleichen Drehimpuls
verläßt, mit welchem die Strömung eingeströmt ist Der Kraftstoff kann so eingespritzt
werden, daß er die Schaufeln 22 und 28 und die Nabe des Rambine-Rotors 25 kühlt,
indem er durch an heißen Flächen vorbeilaufende Kanäle im Rambine-Rotor 25 zugeführt
wird und diese durch Konvektion kühlt, Die oben beschriebene Ausführungsform kann
Anlasseinrichtungen aufweisen, welche eine oder mehrere mit gegenseitigen umfangsmäßigen
Abständen im Wandungsteil 26 befindliche Düsen 31 aufweisen, Durch die Düsen 31
gelangen Gasstrahlen in die Ringkammer A, die zu den Schaufeln 28 hin gerichtet
sind, Ein Beispiel ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Gemäß Fig, 11 richtet
die Düse 21 einen Gasstrahl in Richtung des Pfeiles 32, der radial einwärts und
tangential gegen die Axialrichtung (bezüglich der Rotorachse) geneigt sein kann0
Die Düsen werden mit unter hohem
Druck stehendem Gas beaufschlagt,
das von einem einzigen oder mehreren Gasgeneratoren bezogen werden kann. Diese Gasgeneratoren
können mit festem oder flüssigem Brennstoff betrieben werden und jeder Düse 31 kann
gemäß Fig, 12 eine eigene kleine Brennkammer 33 zugeordnet sein, welche der betreffenden
Düse heißes, unter hohem Druck stehendes Gas zuführt, Die Brennkammer und die Düse
können als eine einzige Einheit ausgebildet sein, aber trotzdem kann die Brennkammer
noch als an der Düse befestigt betrachtet werden.
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Die Brennkammern werden mit flüssigem oder festem Brennstoff beschickt,
vorzugsweise mit flüssigen Brennstoffen, die mittels Pumpen oder aus Druckbehältern
unter Druck durch Röhren eingeleitet werden0 Die Gasstrahlen aus den Düsen 31 reißen
einen Teil des im Ringraum befindlichen Haupt-Kraftstoff/Luft-Gemisches mit sich
und treffen auf die abströmungsseitigen Schaufeln 28 auf, so daß der Schaufel kranz
28 als Turbine wirkt und den Rambine-Rotor in Drehung versetzt. Die heißen Gasstrahlen
aus den Düsen 31 können zur Zündung des durch den Ringraum strömenden Haupt gemisches
dienen. Findet die Verbrennung des Hauptgemisches in zufriedenstellender Weise statt
und drehen sich die verschiedenen Rotoren des Triebwerks schnell genug, dh, hat
das Triebwerk einen Zustand erreicht, in welchem es sich selbst in Gang hält, so
kann die Brennstoffzufuhr
zu den Brennkammern 33 bzw, zu den die
Düsen 31 beaufschlagenden Gasgeneratoren abgestellt werden.
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Die in den Ringkanal vorstehenden Teile der Düsen 31 bilden Segmente
der als Stabilisator dienenden Ringwandung.
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Demgemäß besteht der Stabilisator an der Innenfläche des Wandungsteils
26 aus Segmenten, die ähnlich dem Ringblech 27 sind, und aus durch die einwärts
vorstehenden Teile der Düsen 31 gebildeten Segmenten, Unabhängig davon, welche Form
der Zündstabilisator im einzelnen besitzt, können die vorragenden Teile der Anlaßdüsen
stets Teile dieses Zündstabilisators bilden* Im allgemeinen ist es nicht zweckmäßig,
vom Rambine-Rotor Nutzleistung abzunehmen, sondern er findet vielmehr als Quelle
für heißes Hochdruckgas Anwendung. Fig. 13 zeigt jedoch, daß ein mechanischer Antrieb
vom Rambine-Rotor 1 abgeleitet werden kann, Figp 13 ist grundsätzlich Fig, 1 ähnlich,
jedoch ist hier am Rambine-Rotor ein Kronenrad 40 befestigt, welches mit einem Kegelritzel
41 in Eingriff steht, Das Kegelrad 41 treibt über eine Welle 43 und ein
Kegelradgetriebe
44, 45 eine Konstantdrehzahl-Antriebseinheit 42, Diese Antriebseinheit 42 dient
dem Antrieb von Hilfseinrichtungen 46 über eine Welle 47.
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Wie aus Fig, 13 ersichtlich ist, verläuft die Welle 43 durch die
Mitte einer Schaufel 48 hindurch, die als Leitschaufel im Turbinenteil des Triebwerks
oder als Stütze für ein Rotorlager benützt werden kann0 Gemäß einer weiteren, nicht
dargestellten Ausführungsform können die Leitschaufeln 48 um ihre Längsachsen drehbar
ausgebildet sein, so daß dadurch eine Steuermöglichkeit für das Triebwerk hergestellt
wird, In Fig. 14 ist grundsätzlich das Triebwerk gemäß Fig. 4 dargestellt, wobei
jedoch Einrichtungen zur Steuerung des Triebwerks eingezeichnet sind, Es leuchtet
ein, daß die Ausgangsleistung eines in ein Flugzeug eingebauten Triebwerks entsprechend
dem Flugzustand steuerbar sein muß.
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Das in Fig, 14 dargestellte Triebwerk ist folglich mit verstellbaren
Einlaßleitschaufeln 50, einer Einrichtung 51 zur Steuerung der Kraftstoffzuströmung
und einer Verstelldüse 52 versehen, Die Einlaßleitschaufeln 50, die Kraftstoffsteuereinrichtung
51 und die Verstelldüse 52 sind über Steuerleitungen 53 bzw, 54 bzw, 55 mit dem
Gashebel 56
verbunden.
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Es sei nun ein Rotor betrachtet auf welchen keine äußeren Drehmomente
einwirken, wie beispielsweise der Rotor gemäß Fig. 2 oder Fig, 5 Da bei 70 eine
Querschnittsverengung vorhanden ist, sind die relative Ausgangs-Machzahl MRaUs und
der Winkel rxRaus' welchen die Strömung mit dem Rambine-Rotor bildet, fest und werden
nicht von den Bedingungen stromauf der Querschnittsverengung beeinflußt Wenn nun
die Axialkomponente der Machzahl MRein an der Eintrittsseite des Rambine-Rotors
mittels einer später noch beschriebenen Methode konstant gehalten werden kann, so
kann mathematisch gezeigt werden, daß sich die Rotorumfangsgeschwindigkeit uR selbst
so einstellt, daß die Machzahl MRein relativ zum Rotoreinlaß und der Winkel g Rein
der auftreffenden Strömung relativ zum Rambine-Rotor konstant gehalten wird, wenn
sie die Wirbelkomponente der auftreffenden Strömung ändert. Um dies zu erreichen,
ist es notwendig, daß das Verhältnis der relativen Stautemperatur am Rotorauslaß
zu derjenigen am Rotoreinlaß durch Steuerung des Kraftstoffzustroms konstant gehalten
wird.
Foglich beschleunigt der Rotor, wenn die absolute inlaß-Wirbelgeschwindigkeit, gleich
aus welchem Grund, vermindert wird, und die Kraftstoffzuströmung korrekt eingestellt
ist, Um MRein und s Rein konstant zu halten, werden also Steigerungen der Wirbelgeschwindigkeit
am Rotoreinlaß durch Steigerungen der Rotorumfangsgeschwindigkeit in der gleichen
Richtung kompensiert. Dreht sich der auftreffende Wirbel gegensinnig zum Rotor,
was beispielsweise bei der aus dem Verdichterrotor 6 kommenden Strömung der Fall
ist, so ergibt eine Zunahme der Absolutgeschwindigkeit dieses Wirbels ein Absinken
der Rotorgeschwindigkeit, und umgekehrt. Dreht sich der auftreffende Wirbel gleichsinnig
mit dem Rotor, so ergibt eine Zunahme der Absolutgeschwindigkeit des Wirbels einen
Anstieg der Rotorgeschwindigkeit, und umgekehrt.
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Es sei nun das System zwischen dem Einlaß des Verdichterrotors 6
(Fig. 5) und dem Auslaß der Antriebs turbine 7 betrachtet.
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Da der Rambine-Rotor keine Wirkung auf den Wirbel des Gases hat,
und da keine äußeren Drehmomente wirksam sind, ist das betrachtete System ein Nulldrehmoment-System
und arbeitet im Hinblick auf die Veränderungen des auftreffenden
Wirbels
in der für den Rambine-Rotor beschriebenen Weise9 Dieses Mal ist der einströmende
Wirbel die Ausgangsströmung des Verdichters 14.
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Schließlich ist das gesamte System zwischen dem Einlaß des Verdichters
14 und dem Auslaß der Turbine 15 klar ein Nulidrehmoment-System. Unter der Voraussetzung,
daß an den Einlässen der verschiedenen Rotoren die Axialkomponenten der Machzahlen
jeweils konstant gehalten werden können (wobei sie nicht notwendigerweise für jeden
Rotor gleich sein müssen), bleiben folglich die relativen Machzahlen und Winkel
an den Eintritts- und Austrittsseiten dieser Rotoren konstant, da der auf den ersten
Verdichterrotor auftreffende Wirbel, der ein sich gegensinnig drehender Wirbel sein
sollte, durch Steuerung des Anstellwinkels der Einlaßleitschaufeln und der Kraftstoffzuströmung
veränderbar ist.
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Es ist also einzusehen, daß, wenn die Einlaßleitschaufeln 50 aus
ihrer Axialstellung in eine Stellung geschwenkt werden, in welcher sie die gegenläufige
Drehung des Luftstroms relativ zum ersten Verdichterrotor vergrößern, und wenn die
Kraftstoffzufuhr entsprechend vermindert wird (wie noch gezeigt werden wird), so
verlangsamen sich die Verdichterrotoren 14 und 6 und die diesen zugeordneten
Turbinen,
so daß die jeweils zugehörigen relativen Einlaß-Machzahlen konstant gehalten werden
Die in Fig. 6 dargestellten Geschwindigkeitsdreiecke, als Machzahlen-Dreiecke betrachtet,
zeigen, daß die Verlangsamung der Verdichterrotoren zu einer verminderten absoluten
Wirbelgeschwindigkeit am Einlaß des Rambine-Rotors führt, was> wie bereits gezeigt,
eine Erhöhung der Rambine-Rotor-Geschwindigkeit erfordert, Kurz zusammengefaßt:
Werden die Einlaßleitschaufeln 50 aus ihrer Axialstellung herausgeschwenkt, so nehmen
die Drehzahlen der Verdichterrotoren ab und der Rambine-Rotor läuft schnellere Während
dieses Vorgangs bleiben bei allen Schaufeln die Konstruktions-Machzahl und der Einströmwinkel
erhalten Nachstehend wird gezeigt, daß, wenn die Einlaßleitschaufeln 50 aus ihrer,
eine axiale Strömung bedingenden Stellung herausgeschwenkt werden, eine niedrigere
Triebwerks leistung erzeugt wird Da die Machzahlen relativ zu den Rotoren konstant
bleiben, folgt, daß das Verhältnis der Stautemperatur relativ zum Einlaß des Rambine-Rotors
zur statischen Temperatur am
Einlaß des ersten Verdichterrotors
14 ebenfalls konstant bleiben muß, Da jedoch die Einlaßleitschaufeln aus der Axialstellung
heraus geschwenkt werden, vergrößert sich t die Absolut geschwindigkeit der Luft
am Einlaß des ersten Verdichters 14 infolge der Hinzufügung einer Wirbelkomponente,
Demgemäß vermindert sich bei konstanten Umgebungsbedingungen die statische Temperatur
der Luft. Folglich fällt, wie oben erklärt, die Stautemperatur relativ zum Einlaß
des Rambine-Rotors ab. Nun muß, wie weiter oben erklärt, das Verhältnis der Stautemperaturen
relativ zum Auslaß und zum Einlaß des Rambine-Rotors konstant bleiben. Wenn also
die relative Einlaß-Stautemperatur vermindert wird, so muß auch die relative Auslaß-Stautemperatur
abnehmend Dazu ist eine Verminderung des Kraftstoffzustroms erforderlich, Diese
Reduzierung des Kraftstoffzustroms ist der erste Grund, weshalb die Triebwerks leistung
beim Schwenken der Einlaßleitschaufeln 50 aus ihrer Axialstellung vermindert wird,
Der zweite Grund liegt darin, daß beim Schwenken der Einlaßleitschaufeln der Mengenstrom
vermindert wird9 Nachstehend wird das Verfahren zur Konstanthaltung der
axialen
;4achzahlen mit Bezug auf die Rotoren erläutert Für jeden Arbeitspunkt der beschriebenen
Betriebsweise ist der jeweilige Mengenstrom von den Geschwindigkeitsdreiecken eingeschlossen
Der erforderliche Mengenstrom kann also für jeden Arbeitspunkt berechnet werden.
Um sicherzustellen, daß dieser Mengenstrom auch tatsächlich erreicht wird, kann
eine Drosselstelle mit veränderlichem Strömungsquerschnitt wie beispielsweise ein
Statorschaufelkranz einer Leistungsturbine oder eine Verstelldüse 52 vorgesehen
sein. Der Strömungsquerschnitt wird dann so eingestellt, daß gerade derjenige Mengenstrom
hindurchströmt, welcher die axialen Machzahlen im Triebwerk auf den Konstruktionswerten
hält Es ist folglich möglich, bei Verwendung der in Fig, 14 dargestellten Ausführungsform
das Triebwerk so zu steuern, daß, wenn die Leistung steigt und die Temperatur im
umlaufenden Rambine-Rotor zunimmt, die Drehgeschwindigkeit des Rambine-Rotors abfällt,
Dies steht vollkommen im Gegensatz zum Verhalten herkömmlicher Gasturbinen, bei
denen beim Ansteigen der Temperatur der heißen umlaufenden Teile die Drehzahl und
die Beanspruchungen ebenfalls zunehmen.
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Wie der Fachmann leicht einsehen wird, sind alle
Ausführungsformen
der Erfindung in ähnlicher Weise mit den gleichen Vorteilen steuerbar, Zusätzlich
verbleiben die Schaufelkränze des Triebwerks über einen ganzen Bereich von Leistungseinstellungen
auf den Konstruktionswerten, was einen maximalen aerodynamischen Wirkungsgrad in
diesem Bereich begünstigt, Der genannte Bereich kann eine Leistungsänderung um den
Faktor 2 oder mehr umfassen.
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Es wird nun auf Fige 15 Bezug genommen, in welcher eine Abwicklung
der Beschaufelung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung dargestellt isto
Diese Beschaufelung ist grundsätzlich derjenigen des in Fig. 4 dargestellten Triebwerks
ähnlich, jedoch ist festzustellen, daß zwischen dem Verdichterrotor 6 und dem Rambine-Rotor
1 ein zusätzlicher Hilfsschaufelkranz 61 angeordnet ist, Dieser Hilfsschaurelkranz
steht mit Bezug auf das Triebwerksgehäuse fest, jedoch ist seine Funktion grundsätzlich
von derjenigen eines Leitschaufelkranzes bei herkömmlichen Gasturbinentriebwerken
verschieden, dessen Hauptaufgaben darin liegen, für den, den vorhergehenden Schaufelkranz
verlassenden verdichteten Luftstrom als
Diffusor zu wirken und
die diesem Luftstrom von den vorhergehenden Schaufeln aufgeprägte Wirbelgeschwindigkeitskomponente
zu beseitigen, Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Hilfsschaufelkranz
so ausgebildet daß er dem verdichteten Luftstrom eine zusätzliche Wirbelgeschwindigkeitskomponente
verleiht, was anhand der Fig, 16A bis 16F deutlich wird, welche den in den Fig.
6A bis 6E dargestellten Geschwindigkeitsdreiecken ähnlich sind, Insbesondere aus
Fig 16E ist ersichtlich, daß der HilSsschaufelkranz der stromab des Rotors 6 vorhandenen
absoluten Geschwindigkeit c3 eine Geschwindigkeitskomponente s hinzufügt, so daß
stromauf des Rambine-Rotors 1 eine Absolutgeschwindigkeit c4 gegeben ist, Die Absolutgeschwindigkeit
c4 weist eine größere Wirbelkomponente als die Absolutgeschwindigkeit c3 auf, so
daß die relative Einlaßgeschwindigkeit wRein am Rambine-Rotor 1 größer ist. Unter
der Voraussetzung, daß die örtliche Stautemperatur stromab des Hilfsschaufelkranzes
ausreichend niedrig gehalten werden kann, kann die relative Einlaß-Machzahl am Rambine-Rotor
vergrößert werden, was zu Vorteilen hinsichtlich der Leistung führt, Es ist klar,
daß Triebwerke, die bei Volleistung hohe Druckverhältnisse besitzen, auch bei niedrigeren
Leistungen
ein verhältnismäßig hohes Druckverhältnis aufweisen0
Indem also hohe Druckverhältnisse erzielt werden können, lassen sich nicht nur hohe
spezifische Ausgangsleistungen erzielen, sondern auch der Wirkungsgrad des Triebwerks
bei niedriger Leistung wird verbessert, beispielsweise im Leerlauf oder im Triebwerks
lauf am Boden. Dies führt zu einer vorteilhaften Reduzierung der Kohlenmonoxyd-Emission
des Triebwerks bei niedriger Leistung, bei der diese Emission im allgemeinen am
stärksten ist.