DE3719930C2 - Turbofan-Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk mit einem Kerntriebwerk, das ein Kerngehäuse aufweist, mit einem Fanaufbau am stromunterseitigen Ende des Kern­ triebwerks oder stromab des Kerntriebwerks, wobei der Fanaufbau wenigstens einen Fan besitzt, der in einem Fankanal umläuft, der zum Teil von einer Fanverkleidung definiert wird, und wobei das Kerntriebwerksgehäuse einen Einlaß an seinem stromaufwärtigen Ende aufweist und der Fankanal einen Einlaß an seinem stromoberseitigen Ende be­ sitzt.

Ein derartiges Triebwerk ist in den Fig. 3 und 4 der bei­ liegenden Zeichnung dargestellt, und die Funktion wird weiter unten anhand dieser Figuren beschrieben.

Ein Triebwerk dieser Gattung ist ferner in der US-PS 3 363 419 dargestellt und beschrieben. Die Fig. 1 dieser US-PS entspricht der den Stand der Technik charakterisie­ renden Fig. 4 der beiliegenden Zeichnung. Daraus ist er­ sichtlich, daß die Strömungslinien F nicht über die Länge des Fangehäuses ausgerichtet sind.

Bei derartigen Triebwerken, die ein sehr hohes Nebenstrom­ verhältnis haben, ändert sich der Einlaß-Luftstrom im Be­ trieb des Triebwerks zwischen Stillstand auf dem Boden und Reiseflug erheblich, wie dies ausführlich in Verbin­ dung mit Fig. 3 und 4 erörtert wird. Um ein Abreißen der Strömung an der inneren Oberfläche des Fangehäuses bei Stillstand des das Triebwerk tragenden Flugzeugs zu ver­ hindern, muß die Einlaßlippe innen so tief sein, daß ein Abreißen der Strömung verhindert wird. Beim Reiseflug muß die Einlaßlippe eine genügend große äußere Tiefe aufweisen, um zu verhindern, daß die Strömung von der äußeren Ober­ fläche der Lippe des Fangehäuses abreißt, wenn sich das Flug­ zeug im Reiseflug befindet, wenn ein Teil der die Lippe tref­ fenden Luft über die äußere Oberfläche des Einlasses und des Fangehäuses abfließen muß.

Um diese Strömungsbedingungen zu erfüllen, muß das Fangehäuse eine beträchtliche radiale Dicke aufweisen, was ein hohes Ge­ wicht und einen erheblichen Luftwiderstand bedingt.

Ein weiteres gattungsgemäßes Triebwerk ergibt sich aus der GB-PS 1 195 027. Hierbei soll der Luftwiderstand der Ver­ kleidung dadurch verringert werden, daß ihr äußerer Durch­ messer kleiner gemacht wird als bei herkömmlichen Triebwerken mit gleichem Fandurchmesser.

Der maximale Durchmesser einer solchen Verkleidung liegt in der Ebene des Fan. Die Fanverkleidung bei diesem bekannten Triebwerk benutzt einen Abschnitt mit nur einem Verkleidungs­ blech in der Fanebene, damit der äußere maximale Durchmesser der Verkleidung im Vergleich mit einer doppelwandigen Aus­ bildung vermindert wird. Die Verminderung des äußeren Durch­ messers, die durch Benutzung eines einzigen Mantels erreicht wird, soll die Länge der Verkleidung verkürzen und den Luft­ widerstand vermindern. Stromauf und stromab dieses den Fan umgebenden Abschnitts weist die Fanverkleidung einen doppel­ wandigen ringförmigen Einlaß und einen doppelwandigen ring­ förmigen Auslaß auf, und die Strömungslinien verlaufen ähn­ lich wie dies in Verbindung mit der Diskussion des Standes der Technik gemäß Fig. 3 und 4 beiliegender Zeichnung er­ örtert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge­ mäßes Turbofan-Gasturbinentriebwerk mit hohem Nebenstromver­ hältnis zu schaffen, bei dem das Fangehäuse eine relativ kurze axiale Länge und einen gewichtsmäßig leichten Aufbau mit vermindertem Luftwiderstand besitzt und die gewünschten Strömungsbedingungen sowohl im Stillstand als auch im Reise­ flug optimal erfüllt.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs­ teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Dadurch, daß der erste Abschnitt des Kerngehäuses einen relativ großen Durchmesser besitzt, beeinflußt die Außenform dieses Kerngehäuses stromauf des Fankanal-Einlasses die eintretende Strömung derart, daß sie einen Strömungspfad einnimmt, der über die Länge des Fangehäuses nahezu ausgerichtet verläuft, wenn sich das Flugzeug im Reiseflug befindet. Dies schafft die Möglichkeit, die äußere Tiefe der Einlaßlippe des Fange­ häuses zu verringern, und ebenso kann dadurch die Dicke und Länge des Fangehäuses verringert werden. Wichtig dabei ist, daß die maximal mögliche innere Tiefe der Einlaßlippe des Fangehäuses in der gleichen Ebene liegt wie der kleinste Durchmesser des Kerngehäuses.

Im Gegensatz dazu liegt bei dem durch die GB-PS 1 195 027 bekannten Triebwerk der Fangehäuse-Einlaß in einem gewissen Abstand stromab des kleinsten Durchmessers des Kerngehäuses, und es ergibt sich nur ein leichtes vernachlässigbares An­ steigen im Durchmesser des Kerngehäuses stromauf des Fan­ kanal-Einlasses, so daß die durch die Erfindung angestrebte und erreichte Strömungsführung bei diesem bekannten Stand der Technik nicht erreicht werden kann.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen 2 und 3.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand der Zeichnung im Vergleich mit dem Stand der Technik beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 zeigen axiale Teilschnittan­ sichten eines bekannten Turbofan-Gasturbinentriebwerks, bei dem das Fangehäuse das Kerntriebwerk über die gesamte axiale Länge umschließt, wobei in Fig. 1 die Strömungslinien bei Stillstand und in Fig. 2 bei Reiseflug eingezeichnet sind;

Fig. 3 und 4 zeigen Schnittansichten eines gattungsgemäßen bekannten Triebwerks gemäß der US-PS 3 363 419, wobei wiederum in Fig. 3 die Strömungslinien bei Stillstand und in Fig. 4 bei Reiseflug eingetragen sind.

Fig. 5 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turbofan-Triebwerks;

Fig. 6 und 7 Schnittansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turbofan-Gasturbinentrieb­ werks nach Fig. 5, wobei die Luftströ­ mungslinien für statische Bedingungen und Reiseflugbedingungen dargestellt sind.

In Fig. 1 und 2 ist ein herkömmliches Turbofan-Trieb­ werk 110 dargestellt, das einen Fan 112 und ein Kerntrieb­ werk 114 aufweist, wobei der Fan stromauf des Kerntrieb­ werks 114 angeordnet ist. Das Kerntriebwerk ist von her­ kömmlicher Bauart und treibt den Fan an. Die Schaufeln des Fan laufen in einem Fankanal 116 um, der einen Ein­ laß 118 und einen Auslaß 120 besitzt, die durch ein Fan­ gehäuse 122 definiert werden. Das Fangehäuse 122 wird vom Kerntriebwerk über mehrere Streben oder Schaufeln 124 getragen, die radial vom Kerntriebwerksgehäuse nach dem Fangehäuse vorstehen.

Ein in Betrieb befindliches Turbofan-Gasturbinentrieb­ werk mit hohem Nebenschlußverhältnis, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, zeigt eine statische Veränderung des Einlaufluftstromschlauches, der vom Fanaufbau benötigt wird, wenn die Bedingungen zwischen Reiseflug und statischen Bedingungen oder Bedingungen mit niedriger Geschwindigkeit sich ändern. Die Luftströmungslinien, die in den Fankanaleinlaß 118 eintreten, sind mit A für die statische Bedingung in Fig. 1 dargestellt, wenn der eintretende Strömungsschlauch unendlich ist und bei B für Reisebedingungen in Fig. 2, wenn ein sehr viel kleinerer Strömungsschlauch vom Fan benötigt wird. Der Grenzstrom der in den Fankanal einströmen­ den Luft ist mit C bezeichnet und die Luftströmung, die über das Gehäuse abströmt, ist mit D bezeichnet.

Die Änderung der Größe des Fanstromschlauches wird durch eine dicke, nach innen verlaufende Lippe 126 möglich, der ein vorderer Verkleidungsteil 128 des Fangehäuses 122 folgt. Die Lippe hat eine so große Tiefe, daß ein Abriß der Strömung von der inneren Oberfläche der Lippe des Fangehäuses bei statischem Betrieb verhindert wird, wenn die Luft sämtlich um den Einlaß abgezogen wird und nicht nur von einer Stelle unmittelbar stromauf des Faneinlasses. Der Verkleidungsabschnitt 128 besitzt auch eine genügend große Tiefe und ein solches Profil, daß ein Abreißen der Strömung von der äußeren Oberfläche des Fangehäuses unter Reiseflugbedingungen verhindert wird, wenn die Luft über den Einlaß abfließt.

Der vorn liegende Verkleidungsteil 128 ist so ausge­ bildet, daß gewährleistet bleibt, daß die darüber ab­ fließende Luft D an der äußeren Oberfläche des Fan­ gehäuses 122 haften bleibt und ein Ablösen verhindert wird, damit keine großen Luftwiderstandswerte insbe­ sondere beim Reiseflug auftreten. Infolgedessen sind vorderer Verkleidungsteil 128 und Fangehäuse relativ lang und dick wegen der Notwendigkeit, die Strömungs­ richtung glatt und graduell zu ändern, und hierdurch ergibt sich ein hohes Triebwerksgewicht und es werden hohe Luftwiderstandswerte erzeugt, die den Wirkungs­ grad des Turbo-Gasturbinentriebwerks herabsetzen.

Ein Turbofan-Triebwerk 210 mit hohem Nebenstromverhält­ nis, bei dem der Fanaufbau 214 am stromabwärtigen Ende des Triebwerks angeordnet ist oder stromab des Kern­ triebwerks 212 liegt, ist in den Fig. 3 und 4 dar­ gestellt. Die Schaufeln des Fan sind so angeordnet, daß sie sich innerhalb eines Fankanals 220 drehen, der einen Einlaß 222 und einen Auslaß 224 aufweist, die durch ein Fangehäuse 226 definiert sind. Das Fangehäuse 226 ist am Kerntriebwerk 212 über eine Vielzahl von Streben 232 festgelegt, die in radialer Richtung vom Kerntriebwerkgehäuse nach dem Fangehäuse verlaufen.

Die im Betrieb auftretenden Luftströmungslinien, die am Faneinlaß auftreten, sind mit E für statische Bedingungen in Fig. 3 gekennzeichnet, wenn ein end­ loser Strömungsschlauch vom Fan gefordert wird, während in Fig. 4 das Bezugszeichen F die Strömungs­ linien bei Reiseflug kennzeichnet, wenn ein kleinerer Strömungsschlauch vom Fan gefordert wird. Die Lippe des Fangehäuses hat eine genügend große innere Tiefe, um eine innere Strömungsablösung beim Start zu verhindern und eine genügend große äußere Tiefe, um bei Reiseflug ein äußeres Abreißen der Strömung zu verhindern.

Der Grenzströmungsschlauch der Luft, die in den Fan­ einlaßkanal einströmt, ist mit G bezeichnet. Die Strö­ mung, die über das Fangehäuse außen abfließt, ist für Reiseflugbedingungen bei H dargestellt.

Hierdurch wird wiederum ein relativ dickes und langes Fangehäuse erzeugt und diese Probleme vergrößern sich infolge der Benutzung größerer Luftströme und größerer Triebwerksdurchmesser.

Ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10 gemäß der Erfin­ dung ist in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellt. Es umfaßt ein Kerntriebwerk 12 und einen Fanaufbau 14, wobei der Fanaufbau am stromabwärtigen Ende des Gasturbinentriebwerks und beispielsweise stromab des Kerntriebwerks angeordnet ist. Das Kerntriebwerk 12 ist von herkömmlicher Bauart und kann in Strömungs­ richtung hintereinander einen Kompressor oder mehrere Kompressoren, eine Verbrennungseinrichtung und eine oder mehrere Turbinen aufweisen. Das Kerntriebwerk liefert heiße Gase, die den Fanaufbau antreiben, der einen oder mehrere Fans besitzt, und zwar bei diesem Ausführungsbeispiel einen stromoberseitigen Fan 16 und einen stromabwärtigen Fan 18, die durch die Nutz­ leistungsturbine angetrieben werden. Die Nutzleistungs­ turbine wird durch die Abgase vom Kerntriebwerk ange­ trieben und kann so ausgebildet sein, daß die beiden Fanstufen in der gleichen Richtung oder in Gegenrich­ tung umlaufen, wobei die ausgestoßene Luft durch den Auslaß 36 austritt. Die Schaufeln des stromaufwärtigen Fan 16 und des stromabwärtigen Fan 18 sind so ange­ ordnet, daß sie innerhalb eines Fankanals 20 umlaufen, der einen Einlaß 22 und einen Auslaß 24 besitzt und teilweise durch ein Fangehäuse 26 be­ grenzt ist.

Das Kerntriebwerk 12 besitzt ein Kerngehäuse 28, das das Kerntriebwerk 12 umschließt und es besitzt einen Einlaß 34. Das Kerntriebwerk 12 wird teilweise vom Fangehäuse 26 über mehrere Streben 30 getragen, die vom stromaufwärtigen Ende des Fangehäuses vor­ stehen. Der Fanaufbau 14 wird vom Fangehäuse 26 über mehrere Streben 32 getragen, die vom stromabwärtigen Ende des Fangehäuses vorstehen.

Das Kerngehäuse 28 besitzt einen ersten Abschnitt 36 stromauf des Fankanaleinlasses 22, das aerodynamisch geformt ist und einen relativ großen Durchmesser be­ sitzt, während ein zweiter Abschnitt 38 stromab des ersten Abschnitts 36 angeordnet ist, und zwar im wesent­ lichen in der gleichen Ebene wie der Fankanaleinlaß 22 und dieser Abschnitt besitzt einen relativ kleinen Durch­ messer. Die ersten und zweiten Abschnitte gehen glatt ineinander über, um die Luftströmung aufrechtzuerhalten. Demgemäß hat das Kerngehäuse eine Einschnürung, deren kleinster Durchmesser in der gleichen Ebene liegt wie der Fankanaleinlaß.

Das Fangehäuse 26 besitzt eine Lippe 40 am stromaufwärtigen Ende um zu gewährleisten, daß die Luftströmungslinien am Fangehäuse anhaften bleiben, und zwar sowohl unter statischen Bedingungen als auch unter Reiseflugbedingungen.

Die Luftströmungslinien, die im Betrieb auftreten und in den Fankanaleinlaß 22 und in den Einlaß 34 des Kerntriebwerks 12 eintreten, sind mit I bzw. J für statische Bedingungen gekennzeichnet. In Fig. 6 ist eine Bedingung dargestellt, die vom Fan einen endlosen Strömungsschlauch erfordern, und die Luftströmungslinien, die in den Fankanaleinlaß 22 eintreten, sind mit K bezeichnet, und jene am Einlaß des Kerntriebwerkes mit N, und zwar bei Reiseflugbedingungen Fig. 7 zeigt einen Zustand, bei dem ein kleinerer Strömungs­ schlauch vom Fan und vom Kerntriebwerk gefordert wird. Der Grenzstromschlauch der Luftströmung, die in den Fankanal­ einlaß und den Kerntriebwerkseinlaß eintritt, sind mit L und O bezeichnet, und die äußere Strömung über das Fan­ gehäuse ist unter Reiseflugbedingungen mit M bezeichnet.

Der zweite Abschnitt 38 des Kerngehäuses 28 ist auf einen minimalen Durchmesser vermindert, damit die maximal mög­ liche innere Lippentiefe des Fangehäuses erreicht werden kann, um unter statischen Bedingungen ein Abreißen der Strömung an der Innenseite zu vermeiden und um den äußeren Fangehäusedurchmesser so klein als möglich zu halten.

Der speziell geformte erste Abschnitt 36 des Kerngehäuses 28 weist einen relativ großen Durchmesser auf, so daß die äußere Form des Kerngehäuses stromauf des Fankanal­ einlasses 22 bewirkt, daß der eintretende Strömungsschlauch durch den Fankanaleinlaß so abfließt, daß er einen Strö­ mungspfad einnimmt, der in enger Ausrichtung auf die Länge des Fangehäuses steht, bevor das Fangehäuse erreicht wird, und zwar unter Reiseflugbedingungen.

Der Grenzströmungsschlauch L des eintretenden Strahl­ schlauches fließt in den Fankanaleinlaß während der Reiseflugbedingungen, und er ist enger auf die Länge des Fangehäuses ausgerichtet als beim Stande der Technik, wo­ durch eine gerade Teilungsströmungslinie vor der Fange­ häuselippe zwischen den Luftströmungslinien K, die in den Fankanaleinlaß eintreten und der Strömung über der Außenfläche des Fangehäuses erreicht wird. Dadurch kann die äußere Tiefe der Lippe 40 vermindert werden, weil die Überströmung vermindert wird, während die Überströ­ mung über das Fangehäuse ohne Abreißen gewährleistet wird. Dies führt wiederum zu einem relativ dünnen und kürzeren Fangehäuse, wodurch das Triebwerksgewicht ver­ mindert wird, und wegen des relativ kurzen Fangehäuses werden die Luftwiderstandswerte beträchtlich vermindert.

Der entsprechend geformte erste Abschnitt des Kerngehäuses ermöglicht die Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades mit einem kleineren äußeren Gesamtdurchmesser.

Claims (3)

1. Turbofan-Gasturbinentriebwerk mit einem Kerntrieb­ werk, das ein Kerngehäuse aufweist, mit einem Fanaufbau am stromunterseitigen Ende des Kerntriebwerks oder stromab des Kerntriebwerks, wobei der Fanaufbau wenigstens einen Fan be­ sitzt, der in einem Fankanal umläuft, der zum Teil von einer Fanverkleidung definiert wird, und wobei das Kerntriebwerks­ gehäuse einen Einlaß an seinem stromaufwärtigen Ende aufweist und der Fankanal einen Einlaß an seinem stromoberseitigen Ende besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kerngehäuse (28) einen ersten Abschnitt (36) aufweist, der stromauf des Fankanal-Einlasses (22) liegt, daß der erste Abschnitt (36) des Kerngehäuses (38) aerodynamisch vom Kerntriebwerks-Einlaß nach einem maximalen Durchmesser stromauf des Fankanal-Einlasses (22) verläuft, der in wenigstens einer Betriebsart Mittel bildet, um die Strom­ linien (K) der Luftströmung in der Nähe des Fankanal-Einlasses (22) so zu beeinflussen, daß die Strömung einen Strömungspfad einnimmt, der auf die Länge des Fangehäuses (26) nahezu ausge­ richtet ist, bevor das Fangehäuse erreicht wird, daß das Kern­ triebwerksgehäuse (28) einen zweiten Abschnitt (38) stromab des ersten Abschnitts (36) besitzt, daß der zweite Abschnitt (38) aerodynamisch von einem maximalen Durchmesser, der dem maximalen Durchmesser am stromabwärtigen Ende des ersten Ab­ schnitts (36) entspricht, nach einem kleinsten Durchmesser verläuft, der im wesentlichen in der gleichen Ebene liegt wie der Fankanal-Einlaß (22), daß das Kerntriebwerksgehäuse (28) einen dritten Abschnitt stromab des zweiten Abschnitts (38) aufweist, daß der dritte Abschnitt aerodynamisch von einem minimalen Durchmesser, der dem minimalen Durchmesser am strom­ abwärtigen Ende des zweiten Abschnitts (38) entspricht, nach einem kontinuierlich sich vergrößernden Durchmesser im wesent­ lichen an dem wenigstens einen Fan (14) verläuft, um ein Kern­ triebswerksgehäuse (28) zu bilden, welches eine Taillenform be­ sitzt, daß das Fangehäuse (26) eine Lippe (40) am stromabwärti­ gen Ende aufweist, die einen Innendurchmesser besitzt, der klei­ ner ist als der Innendurchmesser des übrigen Fangehäuses (26), daß die Lippe (40) in der den minimalen Durchmesser des Kernge­ häuses (26) zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt des Kerngehäuses (26) enthaltenen Ebene liegt, daß die Lippe (40) eine relativ kleine äußere Tiefe besitzt, um ein relativ dünnes und kurzes Fangehäuse (26) zu schaffen, daß die Lippe (40) aero­ dynamisch so ausgebildet ist, daß die außen über dem Fange­ häuse (26) strömende Luft in wenigstens einer Betriebsart ohne abzureißen gehalten wird, daß die Lippe (40) eine maximale innere Tiefe besitzt und aerodynamisch so ausgebildet ist, daß die innere Luftströmung am Fangehäuse (26) anhaftet, ohne in einer anderen Betriebsart abzureißen, daß die Lippe (40) eine radiale Dicke besitzt, die sich von einem minimalen Wert am Vorderrand nach einer maximalen Dicke in der Ebene des mini­ malen Durchmessers des Kerntriebwerksgehäuses (28) nach einem weiteren minimalen Durchmesser stromab dieser Ebene und benach­ bart zu dem wenigstens einen Fan erstreckt, um dadurch den Durchmesser des Fangehäuses (26) zu vermindern.

2. Turbofan-Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fanaufbau einen stromaufwärti­ gen Fan (16) und einen stromabwärtigen Fan (18) aufweist, die durch eine Fanantriebsturbine angetrieben werden.

3. Tubrofan-Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabwärtige Fan (18) im Gegensinn zu dem stromaufwärtigen Fan (16) umläuft.