DE2609779C1 - Zweistrom-Gasturbinentriebwerk fuer kurz- oder vertikalstartfaehige Flugzeuge - Google Patents
Zweistrom-Gasturbinentriebwerk fuer kurz- oder vertikalstartfaehige FlugzeugeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Zweistrom-Gasturbinentriebwerk
für kurz- oder vertikalstartfähige Flugzeuge, welches zwei
Schubstrahlen erzeugt und pro Schubstrahl mindestens eine
das Verändern der Strahlrichtung ermöglichende Strahldüse
aufweist sowie Mittel zur wahlweisen zusätzlichen Brennstoff
verbrennung in einem der beiden Schubstrahlen zur Schub
steigerung enthält.
Dabei handelt es sich insbesondere um ein Schwenkdüsen
triebwerk.
Zweistrom-Gasturbinentriebwerke mit Schwenkdüsen sind
allgemein bekannt und weisen gewöhnlich ein durch ein
Basistriebwerk angetriebenes Frontgebläse sowie zwei Düsen
paare auf, nämlich ein erstes Düsenpaar, dessen Düsen an
den beiden Seiten des Triebwerks angeordnet sind und mit
verhältnismäßig kalter Luft vom Gebläse beliefert werden,
und ein zweites Düsenpaar am hinteren Triebwerksende, dessen
Düsen mit verhältnismäßig heißem Abgas der Turbine des
Basistriebwerks beaufschlagt werden. Durch Schwenken dieser
Düsen können die Triebwerksschubstrahlen je nach Bedarf
nach hinten, nach unten oder nach vorne gelenkt werden. Zur
Ermöglichung eines Vertikalstarts eines Flugzeugs mit
hoher Nutzlast muß das Triebwerk ein großes Schub/Gewichts-
Verhältnis besitzen. Der Triebwerksschub kann leicht durch
Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff im verhältnismäßig
kalten Luftstrom zu den vorderen Schwenkdüsen gesteigert
werden.
Wenn beim Vertikalstart der Schub der vorderen Schwenk
düsen relativ zu demjenigen der hinteren Schwenkdüsen
gesteigert wird, so liegt die Wirkungslinie des resultierenden
Triebwerksgesamtschubes, die Gesamtschubangriffslinie,
weiter vorne als bei nicht gesteigertem Schub der vorderen
Düsen. Die Lage der Gesamtschubangriffslinie des Triebwerks
ist von den relativen Größen und Lagen der Einzelschub
vektoren der vorderen und hinteren Schwenkdüsen abhängig.
Die Lage der Schubangriffslinie des Triebwerks ist
von wesentlicher Bedeutung, da Verschiebungen dieser
Schubangriffslinie ernsthafte Probleme hinsichtlich der
Flugzeugstabilität hervorrufen können. Dieses Problem ist
beim Vertikalstart besonders gravierend, da die aero
dynamischen Steuerflächen des Flugzeugs bei fehlender oder
geringer Vorwärtsgeschwindigkeit hinsichtlich der Steuerung
der Flugzeuglage unwirksam sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Triebwerk
der eingangs dargelegten Art im Sinne einer Beseitigung oder
weitgehenden Verringerung der eben erwähnten Stabilitäts
schwierigkeiten zu verbessern.
Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solches
Zweistrom-Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung durch
Mittel gekennzeichnet, mittels welcher mindestens beim
Vertikalstart die Lage der Schubangriffslinie des
betreffenden einen Schubstrahls bei zusätzlicher Brenn
stoffverbrennung derart veränderbar ist, daß eine wesent
liche Änderung der Lage der Gesamtschubangriffslinie des
Triebwerks vermieden wird.
Dazu kann, da eine Strahldüse mit veränderlichem Aus
trittsquerschnitt zur Anpassung an den veränderlichen Schub
strahl erforderlich ist, diese Düse so ausgebildet sein, daß
die Schubangriffslinie dieser Düse bei gesteigertem Schub
eine andere Lage als bei nicht gesteigertem Schub aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das
Triebwerk ein Paar rohrkrümmerartiger Schwenkdüsen auf, welche
an beiden Seiten der Triebwerksmittellinie angeordnet sind
und den kalten Schubstrahl ausstoßen. Jede dieser Düsen
endigt in einem verstellbaren Segmentdüsenendrohr mit
variabler Konvergenz, welches an einer Seite längere Segmente
als an der anderen Seite aufweist, so daß in der am stärksten
konvergenten Stellung der nicht gesteigerte Schubstrahl aus
der Strömungsachse der Schwenkdüse abgelenkt wird.
Es leuchtet ein, daß bei der eben beschriebenen
verstellbaren Segmentdüse bei fortschreitend schwächer
konvergenter Stellung zum Ausstoßen eines fortschreitend
stärkeren Schubstrahls dieser Schubstrahl in zunehmend
geringerem Maße aus der Strömungsachse der Düse abgelenkt
wird, bis in der Parallelstellung der Düsensegmente der
Schubstrahl der Strömungsachse der Düse folgt.
Durch Schwenken der Schwenkdüse, wenn sich diese zum
Ausstoßen eines nicht verstärkten Schubstrahles in ihrer
konvergenten Stellung befindet, in eine Winkelstellung
vorderhalb einer für eine zum Ausstoßen eines verstärkten
Schubstrahles weniger konvergente Düseneinstellung zu wählenden
Winkelstellung ist es infolge der bei der konvergenten Düsen
einstellung bewirkten Strahlablenkung möglich, sowohl den
verstärkten als auch den nicht verstärkten Schubstrahl vertikal
nach unten auszustoßen, wobei jedoch die Schubangriffslinie
der Düse bei nicht verstärktem Schubstrahl weiter vorne
als bei verstärktem Schubstrahl liegt. Diese Möglichkeit
der Verschiebung der Düsenschubangriffslinie bei verstärktem
Schubstrahl relativ zur Lage dieser Schubangriffslinie bei
nicht verstärktem Schubstrahl ermöglicht es, eine Ver
schiebung der Gesamtschubangriffslinie des Triebwerks
im wesentlichen zu vermeiden.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung
ist eine Ablenkvorrichtung vorgesehen, die derart positionier
bar ist, daß mindestens beim Vertikalstart einer der beiden
Schubstrahlen des Triebwerks abgelenkt wird.
Diese Ablenkeinrichtung kann entweder an der Düse oder
an der Flugzeug- oder Triebwerkskonstruktion befestigt sein.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach
stehend mit Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungs
gemäßes Triebwerk im Halbschnitt,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht
des in Fig. 1 dargestellten Trieb
werks,
die Fig. 3A
und 3B schematische Darstellungen einer
anderen Ausführungsform der Erfindung
und
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer noch
weiteren Ausführungsform der
Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 für kurz-
oder vertikalstart- und -landefähige Flugzeuge, mit einem
Frontgebläse 12, welches in einen Einlauf 13 einströmende
Luft verdichtet. Ein Strömungsteiler 14 teilt den ver
dichteten Gebläseluftstrom in einen ersten, in eine Ausgleichs
kammer 15 eintretenden Teilstrom und in einen zweiten, in
das Basistriebwerk eintretenden Teilstrom auf. Das Basis
triebwerk enthält einen Hochdruckverdichter 17 zur weiteren
Verdichtung des zugeführten Luftstroms, weiter eine Brenn
einrichtung 18, in welcher der Luftstrom mit Brennstoff
vermischt und das Gemisch verbrannt wird, und eine durch
die Verbrennungsgase angetriebene Turbine 19, welche über
eine Welle 20 den Hochdruckverdichter 17 antreibt.
Stromab der ersten Turbine 19 ist eine zweite Turbine 21
angeordnet, welche über eine zweite Welle 22 das Frontgebläse 12
antreibt. Die aus der zweiten Turbine 21 austretenden
heißen Gase bilden einen der beiden Schubstrahlen des Trieb
werks und werden durch ein Hosenrohrstück 23 und ein Schwenk
düsenpaar 24, 25 ausgestoßen, dessen Düsen in einer Lateral
ebene beiderseits der Triebwerksachse 26 angeordnet sind.
Die Düsen sind in bekannter Weise in Lagern 27 und 28
schwenkbar gelagert.
Die verhältnismäßig kalte, in die Ausgleichskammer 15
geleitete Strömung bildet den zweiten Schubstrahl des Trieb
werks und wird durch ein zweites Schwenkdüsenpaar 29, 30
ausgestoßen, dessen Düsen ebenfalls in einer Lateralebene
beiderseits der Triebwerksachse angeordnet sind.
In der Ausgleichskammer 15 sind Zusatzbrenneinrichtungen
angeordnet, mittels welcher zusätzlicher Brennstoff zur
Schubsteigerung der kalten vorderen Schubstrahlen verbrannt
werden kann.
Die vorderen Schwenkdüsen 29 und 30 sind in Lagern 32
und 33 schwenkbar gelagert und endigen jeweils in einem
Segmentdüsenendrohr 34 bzw. 35.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Segmentdüsenend
rohre jeweils auf ihrer einen Seite 37 längere Segmente 36
als auf ihrer anderen Seite 38 aufweisen. Weiter ist
ersichtlich, daß bei in der Stellung 39 stehender Schwenk
düse 30 und am stärksten konvergenter Einstellung des
Segmentdüsenendrohrs 35 für die nicht verstärkte kalte
Strömung die Strahlrichtung 40 aus dem Düsenendrohr aus
der Strömungsachse 41 der rohrkrümmerartigen Schwenkdüse 30
heraus so abgelenkt ist, daß der Strahl vertikal nach unten
ausgestoßen wird. Wird die Strömung durch die vorderen
Schwenkdüsen verstärkt, so wird jeweils das Segmentdüsen
endrohr bis in seine Paralleleinstellung erweitert und die
Schwenkdüse in die mit 42 bezeichnete Stellung bewegt. In
dieser Stellung 42 wird die Strömung wiederum vertikal nach
unten ausgestoßen, wie durch den Pfeil 43 angedeutet ist,
jedoch wird die Strömung nicht mehr aus der Strömungsachse 41
der Schwenkdüse heraus abgelenkt. Das Ergebnis der Veränderung
der Winkellage der Schwenkdüse in Verbindung mit der unter
schiedlichen Strahlablenkung infolge der veränderten Kon
vergenz der ungleichlangen Segmente des Düsenendrohrs ist
eine Verschiebung der Schubangriffslinie 43 bei verstärkter
Strömung nach hinten mit Bezug auf die Schubangriffslinie 40
für die nicht verstärkte Strömung.
Die resultierende Gesamtschubangriffslinie des Trieb
werks hängt von den Größen der Schübe sowie der Lage und
Richtung der einzelnen Schubangriffslinien der vorderen
und hinteren Schwenkdüsen ab. Während des Vertikalstarts
bleibt der Schub der hinteren Schwenkdüsen im wesentlichen
konstant und wirkt in der gleichen Wirkungslinie unabhängig
von der Steigerung der Strömung durch die vorderen Schwenk
düsen. Die Verschiebung der Schubangriffslinie der Schub
strahlen der vorderen Schwenkdüsen, die jeweils von der
Vergrößerung der Strömung durch die vorderen Düsen abhängig
ist, in Verbindung mit der feststehenden Schubangriffslinie
der hinteren Schwenkdüsen ermöglicht es, die resultierende
Gesamtschubangriffslinie des Triebwerks stets im wesentlichen
durch den Flugzeugschwerpunkt 45 verlaufend zu halten.
Die Schwenkdüse 30 kann zur Erzeugung eines nach hinten
gerichteten Schubstrahls in ihre mit strichpunktierten Linien
angedeutete Stellung 44 geschwenkt werden und es ist ein
zusehen, daß auch in dieser Stellung die Strahlaustritts
richtung aus der Düse sich in Abhängigkeit davon, ob die
Strömung verstärkt ist oder nicht, ändert. Dies stellt jedoch
aus den nachstehenden Gründen kein so ernstes Problem wie
bei nach unten gerichtetem Strahl dar.
Der Schwerpunkt des Flugzeugs, in welches das Triebwerk
eingebaut ist, liegt etwa beim eingezeichneten Punkt 45 und
folglich führt die Änderung der Strahlaustrittsrichtung aus
den Düsen 29 und 30 in deren nach hinten gerichteter
Stellung nur zu einem sehr kleinen Längsmoment auf das
Flugzeug. Ein solches kleines Längsmoment kann jedoch mittels
der aerodynamischen Steuerflächen des Flugzeugs ausgeglichen
werden. Es ist auch möglich, irgendwelche sich infolge von
Längsmomenten beim Vorwärtsflug ergebende Schwierigkeiten
durch geringfügige Änderung der Neigung der hinteren Schwenk
düsen 24 und 25 zu lösen. Dies führt zu keinem merklichen
Schubverlust, da der Schwenkwinkel der hinteren Düsen nicht
groß zu sein braucht, um ein beträchtliches Längskippmoment
auf das Flugzeug auszuüben.
Änderungen der Strahlaustrittsrichtung aus den vorderen
Schwenkdüsen, die bei Änderungen des Düsenaustrittsquer
schnitts während des Vorwärtsfluges auftreten und durch
Trimmen der aerodynamischen Steuerflächen oder Änderung der
Neigung der hinteren Schwenkdüsen ausgeglichen werden können,
können in gewissem Maße einen induzierten Widerstand bewirken.
Es ist jedoch möglich, diesen induzierten Widerstand für
irgendeinen bestimmten Flugzustand auf ein Minimum zu
verringern. Infolgedessen kann der induzierte Widerstand
bei der Konstruktion eines Flugzeugs, beispielsweise eines
Überschalljagdflugzeugs, für den Überschallflugbereich auf
ein Minimum verringert und ein höherer induzierter Widerstand
bei Unterschallfluggeschwindigkeiten in Kauf genommen werden.
Bei der Konstruktion eines bestimmten Flugzeugs kann
die Wahl der jeweiligen relativen Orientierungen der Düsen
und die Trimmung der aerodynamischen Steuerflächen eine
Abwandlung erforderlich machen, um die Verschiebung des
Auftriebszentrums des Flugzeugs beim Überschallflug zu
berücksichtigen.
Auf die Beschreibung einer Betätigungsvorrichtung für
die Segmentdüsenendrohre 34 und 35 wird verzichtet, da der
Fachmann leicht bekannte Vorrichtungen zur Betätigung solcher
Düsenendrohre auf die oben beschriebenen Düsenendrohre mit
veränderlichem Austrittsquerschnitt anwenden kann. Besonders
geeignet ist eine Betätigungsvorrichtung, wie sie in der
GB-PS 12 78 801 beschrieben ist.
Es leuchtet weiter ein, daß die Betätigungsvorrichtung
für die einen veränderlichen Austrittsquerschnitt aufweisende
Düse stromab des Schwenklagers wirksam sein muß, in welchem
die betreffende Schwenkdüse gelagert ist.
Es ist folglich ein Mechanismus erforderlich, um das
Betätigungssignal bzw. die Betätigungskraft über das Schwenk
lager hinüber zu übertragen. Ein geeigneter Mechanismus ist
in der GB-PS 11 77 954 beschrieben.
Gemäß einer Abwandlung der Erfindung ist eine rohr
krümmerartige Schwenkdüse, wie in den Fig. 3A und 3B dar
gestellt ist, mit einer beweglichen Ablenkschale 50 versehen,
welche das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Segmentdüsen
endrohr mit verschieden langen Segmenten ersetzt.
Es ist ersichtlich, daß die etwa einen U-Querschnitt
aufweisende Ablenkschale 50 mittels eines Steuermechanismus 53
um ein Lager 51 herum schwenkbar ist und mit der Kante 52
des Schwenkdüsenrohres derart zusammenwirkt, daß sowohl der
Düsenaustrittsquerschnitt als auch die Strahlaustrittsrichtung
des Schubstrahls mit Bezug auf die Strömungsachse 41 des
Düsenrohres analog zum oben beschriebenen Segmentdüsen
endrohr variabel ist.
Bei einer weiteren, schematisch in Fig. 4 gezeigten
Anordnung ist ein Ablenkblech 60 an der Flugzeugkonstruktion 61
aufgehängt und dient zur Ablenkung der aus der vorderen
Schwenkdüse 61 austretenden Strömung während des Vertikal
starts. Die beiden vorderen Schwenkdüsen 61 sind jeweils
mit herkömmlichen Segmentdüsenendrohren 62 mit gleichlangen
Segmenten ausgerüstet und die Strahlablenkung aus der
Strömungsachse der Düse erfolgt mittels des Ablenkbleches 60.
Jeder vorderen Düse ist ein solches Ablenkblech zugeordnet. Die
Steuerung der Düsen bei vergrößerter oder nicht vergrößerter
Strömung erfolgt ähnlich wie bei den in den vorhergehenden
Zeichnungsfiguren gezeigten Anordnungen.
Die Ablenkbleche 60 können während des Vorwärtsfluges
des Flugzeugs mittels pneumatischer Betätigungsvorrichtungen 63
eingezogen oder ausgefahren werden. In ihrer eingezogenen
Stellung 64 liegen die Ablenkbleche 60 bündig in Ver
tiefungen 65 beiderseits des Rumpfes 66. Diese letztere
Anordnung weist gewisse Vorteile auf, beispielsweise werden
die sich aus der veränderlichen Ablenkung des Düsenschub
strahls infolge von Änderungen des Düsenaustrittsquerschnitts
beim Vorwärtsflug ergebenden Schwierigkeiten vermieden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Ablenkblech zur
Vergrößerung der wirksamen Bewegung desjenigen Punktes
verwendet werden kann durch welchen die Wirkungslinie des
gesteigerten Schubes der Schwenkdüsen hindurchverläuft,
ohne die Düsenlänge zu vergrößern. Eine solche Vergrößerung
der Schwenkdüsenlänge wäre nachteilig, da sie bei Vorwärts
flug einen zusätzlichen Widerstand erzeugen könnte und
eine erhöhte Betätigungskraft des Düsenschwenkmechanismus
bedingen würde. Die Kräfte im Düsenschwenkmechanismus
sind in jedem Falle gegenüber denjenigen bei den vorher
beschriebenen Ausführungsformen wegen der Verwendung
eines herkömmlichen Segmentdüsenendrohrs verringert, da
kein Hebelarm mehr vorhanden ist, auf welchen der abgelenkte
Strahl wirken kann.
Obwohl das Ablenkblech hier an der Flugzeugkonstruktion
aufgehängt dargestellt ist, ist es klar, daß es ebenso an
der Triebwerkskonstruktion aufgehängt sein kann.
Es ist ferner einzusehen, daß, obwohl sich die oben
beschriebenen Ausführungsformen auf rohrkrümmerartige
Schwenkdüsen beziehen, auch andere Düsenkonstruktionen
Anwendung finden können. Insbesondere ist es möglich, die
kalte Schubstrahlströmung des Triebwerks durch eine einzige,
an der Rumpfunterseite angeordnete Düse auszustoßen und
Mittel zur Veränderung der Schubangriffslinie dieser Düse
vorzusehen, um eine Steigerung des Schubes der kalten Strömung
auszugleichen.
Claims (6)
1. Zweistrom-Gasturbinentriebwerk für kurz- oder vertikal
startfähige Flugzeuge, welches zwei Schubstrahlen erzeugt
und pro Schubstrahl mindestens eine das Verändern der
Strahlrichtung ermöglichende Strahldüse aufweist sowie Mittel
zur wahlweisen zusätzlichen Brennstoffverbrennung in einem
der beiden Schubstrahlen zur Schubsteigerung enthält, gekenn
zeichnet durch Mittel (35, 36; 50; 60), mittels welcher
mindestens beim Vertikalstart die Lage der Schubangriffs
linie des betreffenden einen Schubstrahls bei zusätzlicher
Brennstoffverbrennung derart veränderbar ist, daß eine
wesentliche Änderung der Lage der Gesamtschubangriffslinie
des Triebwerks vermieden wird.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, mit zwei Schwenkdüsen
zum Ausstoßen des verstärkbaren Schubstrahls, dadurch
gekennzeichnet, daß jede Schwenkdüse (19, 30) an ihrem
Austrittsende Mittel (35; 50) zur Ablenkung des austretenden
Schubstrahls aus der Strömungsachse in der Düse aufweist,
welche bei gleichzeitiger Änderung der Winkelstellung der
betreffenden Schwenkdüse das Verschieben der Schubangriffs
linie dieser Düse ermöglichen.
3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Schwenkdüsen (29, 30) jeweils ein Segment
düsenendrohr (35) mit verstellbarem Austrittsquerschnitt
aufweisen, welches auf seiner einen Seite (37) längere
Segmente (36) als auf seiner anderen Seite (38) aufweist
und zwischen einer konvergenten Stellung mit verhältnismäßig
kleinem Austrittsquerschnitt, in welcher die längeren
Segmente eine Ablenkung des austretenden Schubstrahls aus
der Strömungsachse der Düse bewirken, und einer stärker
geöffneten Stellung verstellbar ist, in welcher im wesentlichen
keine Strahlablenkung stattfindet.
4. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Ablenkung des Schubstrahls aus der Strömungsachse
der Düse (30) eine Ablenkschale (50) dient, die schwenkbar
an der Düse angeordnet und zwischen einer ersten Stellung,
in welcher sie den Düsenauslaß zwecks Austrittsquerschnitts
verringerung teilweise verdeckt und den Schubstrahl aus der
Strömungsachse der Düse ablenkt, und einer zweiten Stellung
schwenkbar ist, in welcher sie die Düsenaustrittsöffnung
im wesentlichen nicht verdeckt und im wesentlichen keine
Strahlablenkung bewirkt.
5. Triebwerk nach Anspruch 1, mit zwei Schwenkdüsen zum
Ausstoßen des verstärkbaren Schubstrahls, gekennzeichnet
durch ein oder mehrere nahe den Austrittsenden der Schwenk
düsen (29, 30) angeordnete Ablenkbleche (60), welche bei
nach unten gerichteten Schwenkdüsen derart mit diesen zusammen
wirken, daß sie den austretenden Schubstrahl ablenken und
dadurch die Schubangriffslinie dieser Schwenkdüsen verschieben.
6. Triebwerk nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine
Vorrichtung (63) zum Einziehen des oder der Ablenkbleche (60)
in eine unwirksame, mit der Rumpfaußenlinie des Flugzeugs
bündige Stellung.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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GB1030575 | 1975-03-12 |
Publications (1)
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DE (1) | DE2609779C1 (de) |
FR (1) | FR2664657A1 (de) |
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- 1976-03-10 DE DE2609779A patent/DE2609779C1/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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IT1235755B (it) | 1992-09-28 |
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