DE2654300C2 - Flugzeugturbinentriebwerk - Google Patents

Description

durch die Linie B dargestellten Weise zusammenziehen, so daß der Spalt größer wird, wenn die Triebwerksumgebung weniger aggressiv wird. Die Kurve C zeigt den Spalt, wenn eine Kühlung erfolgt. Da die Linie C zu einem Verkleinern des Spalts und zum Schleifen des Turbinenrotors an der Dichtvorrichtung führt, wenn sich das Triebwerk dem Gtartbetriebszustand in Meereshöhe nähert, muß das Triebwerk so ausgelegt werden, daß das nicht passiert Bei der unterschiedslosen Kühlung, wie sie bei dem bekannten Flugzeugturbinentriebwerk erfolgt, müßte die Linie C aufwärtsverschoben werden, so daß sie durch den Punkt A in dem aggressivsten Betriebszustand hindurchgeht Wenn das aber gemacht würde, ergäbe sich bei dem Betrieb des Triebwerks ein wesentlich größerer Spalt bei den weniger aggressiven Triebwerksbetriebszuständen.

Aus dor US-PS 30 29 064 ist eine Temperatursteuereinrichtung für Turbinengehäuse bekannt wobei die Kühleinrichtung dazu dient, Teile eines Triebwerks vor thermischer Überlastung zu schützen. Hierfür sind Ventile vorgesehen, über welche die Zufuhr von Kühlluft in Abhängigkeit von der Gehäusetemperatur gesteuert wird. Die Gehäusetemperatur ist bei maximaler Leistungsabgabe am höchsten, weshalb die Kühleinrichtung bei maximaler Leistungseingabe eingeschaltet ist und Kühlluft liefert

Die DE-AS 10 80 818 beschreibt eine Gasturbine, die keine Spaltsteuereinrichtung aufweist sondern eine Kühlluftzuführvorrichtung für den Turbinenrotor, wobei die Kühlluftzufuhr in Abhängigkeit von der Drehzahl geregelt wird. Auch diese Kühleinrichtung ist zum Erzielen eines optimalen Spalts zwischen den Laufschaufelspitzen und der sie umgebenden Dichtvorrichtung nicht geeignet

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Flugzeugturbinentriebwerk der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß sich mit der Kühlluftspriihvorrichtung ein möglichst kleiner Spalt bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen aufrechterhalten läßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Wie oben erwähnt ist bei einem Flugzeugturbineiitriebwerk bei maximaler Leistungfabgabe (Start in Meereshöiie), d. h. bei maximaler thermischer und mechanischer Belastung, der Spalt am kleinsten, was dem Punkt A in F i g. 2 entspricht, und mit abnehmender Leistungsabgabe nimmt der Spalt dann entsprechend der Kennlinie B zu. Bei dem Flugzeugturbinentriebwerk nach der Erfindung ist bei maximaler Leistungsabgabe die Kühlluftsprühvorrichtung nicht eingeschaltet Die Kühlluftsprühvorrichtung wird erfindungsgemäß erst bei einem Betriebszustand eingeschaltet der etwa maximaler Reiseflugleistung entspricht. Durch das Einschalten der Kühliuftsprühvorrichtung schrumpft das Triebwerksgehäuse entsprechend der Kennlinie D. Der Spalt verringert sich demgemäß etwa sprungartig und nimmt mit weiter abnehmender Leistungsabgabe gemäß der niedrigeren Kennlinie C wieder zu. Gemäß der Erfindung wird also ein kleinerer Spalt und demgemäß ein besserer Wirkungsgrad im Reiseflugsbetriebsbereich erzielt. Das ist ein wesentlicher Vorteil, weil Flugzeugturbinentriebwerke überwiegend in diesem Betriebsbereich arbeiten. Bei einem Flugzeugturbinentriebwerk ist 6» eine Kühlung bei maxiirs'er Leistungsabgabe, d. h. bei höchster thermischer Belastung immer erforderlich, um die Triebwerksteile vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Gemäß der Erfindung wird ausgerechnet, in diesem Betriebsbereich keine Kühlluft auf das Triebwerksgehäuse gesprüht. Auf diese Weise lassen sich Turbinenluftverluste minimieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 ist der Triebwerksbetriebsparameter, auf den die Steuereinrichtung anspricht die Verdichterdrehzahl. Die Verdichterdrehzahl wird üblicherweise bereits durch den vorhandenen Brennstoffregier gemessen, weshalb die Verdichterdrehzahl mit geringen Modifizierungen, falls überhaupt welche erforderlich sind, verfügbar ist.

Wenn bei dem Flugzeugturbinentriebwerk nach der Erfindung bei maximaler Reiseflugleistung Kühlluftzufuhr eingeschaltet wird, ergibt sich eine Schrumpfung des Triebwerksgehäuses, was durch die Kurve D dargestellt ist Wenn die volle Kühlung erreicht ist, führt eine weitere Verringerung der Triebwe*Ksleistung zu einer weiteren Zusammenziehung des Turbnienrotors (aufgrund von geringerem Wärme- und Zentrifugalwachstum), wodurch der Spalt vergrößert wird, was durch die Kurve C dargestellt ist In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 wird die Ein/Aus-Steuerung gewählt, weil sie unter dem Gesichtspunkt der Einfachheit der Bauteile am zweckmäßigsten ist

Bei Flugzeugturbinentriebwerkers, bei denen eine größere Ausgefeiltheit und Komplexität zugelassen werden können, kann die Steuerung gemäß der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 12 eine modulierende Steuerung sein, durch die die Kühlluftzufuhr zwischen Voll-Ein und Voll-Aus so beeinflußt werden kann, daß eine diskrete thermische Steuerung erzielt wird, weiche zu einem Wachstumsprofil führt, das einen im wesentlichen konstanten Spalt ergibt was durch die gestrichelte Linie E in F i g. 2 dargestellt ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 in einer schematischen Seitenansicht ein Flugzeugturbinentriebwerk nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm, in welchem der Spalt m Abhängigkeit von der Flugzeugleistung, die als Funktion der Verdichterdrehzahl aufgefaßt werden kann, aufgetragen ist,

Fig.3 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Kühlluftsprühvorrichtung und

F i g. 4 eine Teilschnittansicht des Flugzeugturbinentriebwerks nach Fig. 1.

Ein in F i g. 1 schematisch dargestelltes Zweikreis-TL-Triebwerk, das in seiner Gesamtheit mit der Bezugszahl 10 bezeichnet und ein Axial-TL-Triebwerk ist hat einen Verdichterabschnitt, einen Brennerabschni'-t und einen Turbinenabschnitt (nicht dargestellt), die in einem Triebwerksgehäuse 9 angebracht sind, und einen Gebläseauslaßkanal 12, der das in F i g. 1 nicht sichtbare Gebläse umgibt

Das Triebwerk 10 hat einen Brennstoffregler 14, der auf überwachte Parameter anspricht, und zwar auf die Stellung eines Gashebels 16 und auf die Verdichterdrehzahl N, was durch eine Linie 18 dargestellt ist, und in seinem Rechnerabschnitt diese Parameter verarbeitet, so daß die erforderliche Brennstoffmenge für eine optimale Triebwerksleistung zugeführt wird. Demgemäß wird Brennstoff aus einem Brennstofftank 20 durch eine pumpe 22 unter Druck gesetzt und dem Brennerabschnitt über eine Leitung 24 zueemexsen.

5 6

Mit der Darstellung des Brennstoffreglers 14 wird barkeit, der Komplexität, der Genauigkeit und der Zubezweckt, die Tatsache auszudrücken, daß er bereits die verlässigkeit desselben ab. Der Punkt, an welchem die Verdichterdrehzahl N mißt. Es erfordert somit nur eine Steuerung ein- und ausgeschaltet wird, hängt offenbar geringe Modifizierung, falls überhaupt, um diesen Para- von dem Triebwerk und von dem Einsatz des Flugzeumeter auf eine Weise zu benutzen, die die folgende Be- 5 ges ab. Ein solcher Parameter, der diesem Zweck dient, Schreibung zeigen wird. Kühlluft wird zu dem Trieb- ist die Triebwerksdrehzahl (entweder die des ND-Verwerksgehäuse 9 in dem heißen Turbinenabschnitt gelei- dichters oder die des HD-Verdichters in einem Zweitet und in Abhängigkeit von einem Parameter ein- und kreistriebwerk) oder die Temperatur an irgendeiner ausgeschaltet. Zu diesem Zweck leitet ein Verteilerrohr Stelle in dem Triebwerk zwischen dem Verdichtereinlaß 30, welches einen trichterförmigen Einlaß 32 hat, der io und der Schubdüse.

sich auf einer Seite in den Gebläseauslaßkanal 12 er- Gemäß der Darstellung in F ι g. 1 wird die Istdrehzahl

streckt einen stiltischen, unter Druck stehenden Luft- N durch den Brennstoffregler 14 gemessen, und ein

strom zu seinem Verteilerabschnitt 34, der mit mehre- Drehzahlsignal, das auf einem oder unterhalb eines Be-

ren in gegenseitigem axialem Abstand angeordneten zugsdrehzahlwertes ist, der in dem Summierungskno-

konzentrischen Sprührohren 36 in Verbindung steht, die 15 tenpunkt 40 festgestellt wird, veranlaßt den Stellantrieb

das Triebwerksgehäuse 9 fast ganz umschließen. Jedes 42, ein Absperrorgan 44 zu öffnen. Durch eine auf die

Sprührohr 36 hat mehrere öffnungen, durch die Kühl- Höhe ansprechende Einrichtung in Form eines barome-

luft auf das Triebwerksgehäuse 9 gesprüht wird, trischen Schalters 46, der auf ein Barometer 49 an-

Die dem Geblslseauslaßkanal 12 entnommene und auf spricht, wird die Steuereinrichtung und damit die Kü...-das Triebwerksgehäuse 9 auftreffende Luft dient zum 20 luftsprühvorrichtung unterhalb einer vorbestimmten Verringern der Gehäusetemperatur. Eine an dem Ge- Höhe abgeschaltet Dadurch wird verhindert, daß die häuse 9 befestigte Dichtvorrichtung 52 wird durch eine Kühlluftsprühvorrichtung am Boden während des BeVerringerung des thermischen Wachstums des Gehäu- triebes mit geringer Leistung eingeschaltet wird, wenn ses effektiv zum Schrumpfen gebracht und dadurch der sie nicht benötigt wird und begreiflicherweise eine geSpalt 55 zwischen der Dichtvorrichtung 52 und den Spit- 25 genseitige Berührung zwischen den Laufschaufelspitzen zen 54 der Laufschaufeln 56 reduziert. Die Dichtvorrich- 54 und der Dichtvorrichtung 52 verursachen konnte, tung 52 ist auf dem Umfang der Turbine in Segmente wenn das Triebwerk auf Meereshöheleistung beschleuunterteilt, und die Kraft die durch das Gehäuse 9 auf- nigtwird

grund der niedrigeren Temperatur ausgeübt wird, ver- Fig. 3 zeigt ausführlicher die Spruhrohre 36 und ihre

ringert konzentrisch den Dichtvorrichtungsdurchmes- 30 Verbindung mit dem Gebläseauslaßkanal 12. Zur Er-

ser Die Größe der Verringerung des Spalts 55 ist durch leichterung des Zusammenbaus ist ein flexibler Balg 48

die Menge der auf das Triebwerksgehäuse 9 auftreffen- zwischen dem trichterförmigen Einlaß 32 und dem Ab-

den Luft gegeben. sperrorgan 44 angeordnet welches an dem Verte.ter-

Es würde keine Verbesserung mit sich bringen, wenn rohr 30 mittels Befestigungsflanschen befestigt ist. Die

während des gesamten Flugzeugbetriebes und somit im 35 Sprührohre 36 sind jeweils mit dem Verteilerabschnitt

gesamten Leistungsbereich lediglich Luft auf das Trieb- 34 des Verteilerrohres 30 verbunden und in gegenseiti-

werksgehäuse 9 gesprüht würde. Bei dem hier bcschrie- gem axiale-, Abstand angeordnet

benen Flugzeugturbinentriebwerk wird der Spalt 55 Gemäß F i g. 4 ist jedes Sprührohr 36 zwischen zwei

beim Reiseflug, d h. unterhalb der beim Start erforderli- Flanschen 50 angeordnet die von dem Triebwerksge-

chen Maximalleistung verringert. Die Verringerung des 40 häuse 9 vorstehen. Die in Segmente unterteilte Dicht-

Spalts 55 beim Reiseflug wird erreicht indem die nor- vorrichtung 52 ist gegenüber den Spitzen 54 der Turbi-

male Differenz von thermischem Wachstum des Trieb- nenlaufschaufeln 56 mittels Tragringen 58, die mit einem

werksgehäuses 9 zu thermischem Wachstum des Turbi- von dem Triebwerksgehäuse 9 vorstehenden Arm 60

nenrotors beim Reiseflug relativ zum Start (Maximallei- verschraubt sind, und durch ein Halteteil 62 gehaltert,

stung) verringert wird. Das ist in F i g. 2 dargestellt die 45 das mit einer Leitschaufel 64 verschraubt ist. Jede Dicht-

die Verschiebung von der Kurve B zur Kurve Coder E vorrichtung 52 ist in gleicher Weise gehaltert weshalb

längs der Linie D zeigt Die Erzielung der Spaltverringe- der Einfachheit halber die Beschreibung der ubrsgen

rung beim Reiseflug erfolgt somit durch Einschalten des Dichtvorrichtungen hier weggelassen wird. Die Anzahl

Luftstroms an diesem Betriebspunkt. Wenn der Kühl- der Dichtvorrichtungen 52 und die Anzahl der Sprun-

luftstrom so beeinflußt wird, daß ein größerer Kühlluft- 50 rohre 36 hängen von dem besonderen Triebwerk und

strom eingeleitet wird, wenn die Leistung abnimmt er- dem besonderen Einsatz des Flugzeuges ab. Es wird vor

gibt sich ein Spalt der im wesentlichen konstant ist was allem bezweckt den Spalt 55 gemäß F1 g. 2 auf se.nem

durch die gestrichelte Linie E dargestellt ist Wenn eine Sollwert zu halten. Zu diesem Zweck sind die Offnungen

einen Summienangsknotenpunkt 40 und einen Stellan- in jedem Sprührohr 36 so angeordnet daß die Kühlluft

trieb 42 aufweisende Steuereinrichtung eine Ein/Aus- 55 auf die Seitenwände 70 der Flansche 50 auftrifft. Das Steuerung bewirkt ergibt sich der durch die Kurve C Besprühen des Gehäuses 9 an jeder anderen Stelle wur-

dargestellte Spalt Die Ein/Aus-Steuerung oder auch ei- de nicht die erforderlichen Schrumpfungen erzeugen,

ne modulierende Steuerung der Kühlluft könnte zwar in die bewirken, daß der Spalt 55 seinen Sollwert behalt

Abhängigkeit von dem Spalt 55 zwischen der Dichtvor- —

richtung 52 und den Spitzen 54 der Turbinenlaufschau- 60 Hierzu 4 Blatt Zeichnungen fein 56 arbeiten, eine solche Steuerung wäre jedoch äußerst aufwendig und kompliziert

Bei dem hier beschriebenen Flugzeugturbinentriebwerk wird ein zuverlässiger Parameter benutzt der den

Leistungwert oder den Flugzeugbetriebszustand angibt 65 bei welchem die Kühlluftsprühvorrichtung ein- und ausgeschaltet werden sollte. Die Auswahl des unter dieses Kriterium fallenden Parameters hängt von der Verfüg-

Claims (12)

1 2 Die Erfindung betrifft ein Flugzeugturbinentriebwerk Patentansprüche: der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

1. Flugzeugturbinentriebwerk mit einem Trieb- Bei Flugzeugturbinentriebwerken hat der Spalt zwiwerksgehäuse (9), mit einem darin drehbar gelager- 5 sehen den Laufschaufelspitzen des Turbinenrotors und ten und mit Laufschaufeln (56) versehenen Turbi- der um diese angeordneten Dichtvorrichtung große Benenrotor, mit einer um die Spitzen (54) der Lauf- deutung, v/eil jeder Leckverlust an Turbinenluft einen schaufeln (56) angeordneten Dichtvorrichtung (52) Verlust an Turbinenleistung darstellt und direki als eine und mit einer Kühlluftsprühvorrichtung (36) zum Vergeudung von Brennstoff angesehen werden kann. Steuern des Spalts zwischen den Laufschaufelspit- io Ideal sollte dieser Spalt zur Verhinderung von Turbizen (54) und der Dichtvorrichtung (52) durch Sprü- nenluft- oder -leistungsverlusten auf Null gehalten werhen von Kühlluft auf das Triebwerksgehäuse (9), den. Wegen der aggressiven Umgebung an dieser Stelle gekennzeichnet durch eine Steuereinrich- des Triebwerks kann jedoch ein solcher Idealzustand tung (40,42) zum Steuern der Kühlluftsprühvorrich- nicht erreicht werden, weshalb versucht wird, diesen tung (36) derart, daß diese bei Startleistungsabgabe 15 Spalt so zu optimieren, daß er so nahe wie möglich bei des Triebwerks aus- und unterhalb eines vorbe- Null gehalten wird.

stimmten Betriebszustands kleinerer Leistungsabga- Bei einem bekannten Flugzeugturbinentriebwerk der

be eingeschaltet ist im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art

2. Triebift-irk nach Anspruch 1, dadurch gekenn- (DE-OS 20 44 800) wird zwar während des gesamten zeichnet, daß die Kühlluftsprühvorrichtung (36) au- 20 Betriebsbereiches des Triebwerks Kühlluft auf eine ßerhalb des Gehäuses (9) angeordnet ist Vorrichtung gesprüht, die an dem Gehäuse befestigt ist

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch und die Dichtvorrichtung trägt, welche die Laufschaugekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (40, 42) feispitzen umgibt, bei dieser unterschiedslosen Kühlluftauf einen Triebwerksbetriebsparameter anspricht zufuhr über dem gesamten Betriebsbereich des Trieb-

4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 25 Werks ergeben sich jedoch bei bestimmten Betriebsbegekennzeichnet durch eine Einrichtung (46, 48), die dingungen verhältnismäßig große Spalte zwischen den auf die Höhe anspricht und die Kühlluftsprühvor- Laufschaufelspitzen und der Dichtvorrichtung. Dabei ist richtung (36) unterhalb einer vorbestimmten Höhe bei maximaler Leistungsabgabe des Triebwerks (d. h. außer Betrieb setzt beim Start in Meereshöhe) der Spalt am kleinsten und

5. Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekenn- 30 nimmt bei abnehmender Leistungsabgabe stetig zu. Bei zeichnet, daß der Triebwerksbetriebsparameter die dem bekannten Flugzeugturbinentriebwerk wird die Verdichterdrehzahl ist Kühlluft nur auf einen bestimmten Gehäuseflansch ge-

6. Triebwerk nach einer» der Ansprüche 1 bis 5, sprüht, was nur eine träge Auswirkung auf das gesamte gekennzeichnet durch ein Vertulerrohr (30,34), das Gehäuse haben dürfte, und erst anschließend wird die mit einer Kühlluftquelle verbunden ist und Kühlluft 35 Kühlluft auf die Dichtvorrichtung geleitet Auf diese in die Nähe der Dichtvorrichtung (52) leitet, und Weise läßt sich der Spalt nur unbedeutend steuern, weil durch ein Absperrorgan (44) in dem Verteilerrohr, der Spalt nicht durch die Dichtvorrichtung selbst bedas die Luftströmung in diesem reguliert und durch stimmt wird, sondern durch das d:'e Dichtvorrichtung die Steuereinrichtung (40,42) gesteuert ist tragende Gehäuse. Deshalb wird sich die Kühlung der

7. Triebwerk nach Anspruch 6, mit einem Gebläse- 40 Dichtvorrichtung bei diesem bekannten Flugzeugturbiauslaßkanal (12), dadurch gekennzeichnet, daß das nentriebwerk auch nur unwesentlich auf den Spalt aus-Verteüerrohr (30, 34) mit dem Gebläseauslaßkanal wirken. Bei dem bekannten Flugzeugturbinentriebwerk (12) verbunden ist ist die Kühlluftsprühvorrichtung nicht in der Lage, un-

8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, terhalb des Zustands maximaler Triebwerksleistung dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerksgehäu- 45 (Start) eine andere Kennlinie für den Spalt in Abhängigse (9) in gegenseitigem axialem Abstand angeordne- keit von der Triebwerksleistung zu erzielen. Das wird te Flansche (50) hat und daß wenigstens ein Sprüh- am besten verständlich, wenn man sich vor Augen hält, rohr (36) umfangsmäßig um das Triebwerksgehäuse daß der kleinste Spalt wie erwähnt bei maximaler Lei-(9) herum neben den Flanschen (50) angeordnet ist stung auftritt, da in diesem Fall das Triebwerk am heiße- und die Kühlluft auf die Seitenwand (70) der Flan- 50 sten ist und mit maximaler Drehzahl läuft. Da das Gesche richtet häuse in diesem Betriebsbereich gekühlt wird, ist es be-

9. Triebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekenn- reits in dem Schrumpf- oder Teilschrumpfzustand, so zeichnet, daß die Verbindung mit dem Verteilerrohr daß, wenn die Turbine bei niedrigerer Temperatur und/ (30,34) einen Einlaß (32) aufweist, der in dem Geblä- oder niedrigerer Drehzahl arbeitet, das Gehäuse und seauslaßkanal (12) angebracht und quer zu der Strö- 55 die Turbine bestrebt sind, sich wieder auf ihre normale mung der Gebläseluft angeordnet ist. Abmessung zusammenzuziehen. In F i g. 2 ist das durch

10. Triebwerk nach Anspruch 9, gekennzeichnet ein Diagramm dargestellt, in welchem der Spalt über durch einen flexiblen Balg (48), der in der Verbin- der Verdichterdrehzahl aufgetragen ist

dung angeordnet ist. Das Diagramm zeigt, daß der Punkt A auf der Linie B

11. Triebwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 1Ö, 60 der minimale Spalt ist und daß jeder Punkt darunter zu dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einer Berührung zwischen dem Turbinenrotor und der (40, 42) für das Absperrorgan (44) eine Ein/Aus- Dichtvorrichtung führen wird. Offenbar ist das der Steuereinrichtung ist. Punkt größten Wachstums aufgrund von Zentrifugal-

12. Triebwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 10, und Wärmekräften, der sich beim Start des Flugzeugs in dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung 65 Meereshöhe ergibt Daher wird das Triebwerk so ausfür das Absperrorgan (44) eine modulierende gelegt, daß der minimale Zwischenraum beim Start aufSteuereinrichtung ist. tritt. Ohne Durchführung einer Kühlung werden sich

der Turbinenrotor und das Triebwerksgehäuse in einer