DE3727496C2 - Querschnittsveränderliche Abgasdüse für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine querschnittsveränderliche Abgasdüse für Gasturbinentriebwerke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung kann insbesondere bei Triebwerken von Kombinationshubschraubern Anwendung finden.

In der GB-A-21 30 984 ist ein sogenannter Kombinations­ huschrauber beschrieben, bei welchem zwei Zweistrom-Gas­ turbinentriebwerke in einem Hubschrauber installiert sind, der mit Zusatzflügeln zur Auftriebsverstärkung ausgestattet ist. Dabei wird Nebenstromluft aus den Triebwerken durch entsprechende Kanäle zu den beiden Zusatzflügeln geleitet, um über den von den Hubschrauber-Rotorblättern erzeugten Auftrieb und Schub hinaus zusätzlichen Auftrieb und Schub zu erzeugen. Solche Zusatzflügel sind in der US-PS 3 332 644 mehr im einzelnen beschrieben.

Die Gasturbinentriebwerke des oben erwähnten Kombinations­ hubschraubers arbeiten mit Freifahrtturbinen. Eine als Frei­ fahrtturbine ausgelegte Niederdruck-Leistungsturbine ist mit dem Hubschrauberrotor gekuppelt, während eine Hochdrucktur­ bine den Triebwerksverdichter antreibt. Eine querschnitts­ veränderliche Abgasdüse dient zur jeweiligen Anpassung des Druckgefälles über der Leistungsturbine und zur Steuerung der Leistungsabgabe an die Rotorblätter. Wenn zum Schwebe­ flug oder zum Vertikalstart maximale Leistung erforderlich ist, wird die Abgasdüse auf die maximale Querschnittsein­ stellung gestellt, um ein hohes Druckgefälle über der Leistungsturbine zu erzeugen. Für maximale Vorwärtsflug­ geschwindigkeit wird die Abgasdüse auf minimalen Querschnitt gestellt, um den Impuls des Abgasstrahls zu erhöhen und maximalen Vorwärtsschub zu ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ins­ besondere für den oben erläuterten Anwendungszweck geeignete Gasturbinen-Abgasdüse zu schaffen, die einfach aufgebaut, robust und gewichtsmäßig leicht ist, andererseits aber eine zuverlässige und ausreichende Steuerungsmöglichkeit hinsichtlich der Drehzahl der Freifahrtturbine bietet, um einen sicheren Betrieb des Hubschraubers zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete querschnittsveränderliche Abgas­ düse gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 einen Kombinationshubschrauber in Seitenansicht,

Fig. 2 den Kombinationshubschrauber in Draufsicht,

Fig. 3 in schematischer Darstellung ein für den Einsatz bei dem Hubschrauber nach den Fig. 1 und 2 geeignetes Gas­ turbinentriebwerk,

Fig. 4 im Querschnitt eine querschnitts­ veränderliche Abgasdüse nach der Erfindung für das Triebwerk nach Fig. 3, und

Fig. 5 eine Rückansicht der Abgasdüse aus der Ebene A-A in Fig. 4.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist ein Hubschrauber 10 mit zwei Gasturbinentriebwerken 12 der Zweistrombauart ausgestattet. Durch Kanäle 14 wird Nebenstromluft zu zwei Zusatzflügeln 16 der Whittley-Bauart geleitet, um zusätzlich zu dem von einem Hauptrotor 18 erzeugten Auftrieb und Schub weiteren Auftrieb und Schub zu erzeugen. Der Hauptrotor 18 wird von den Leistungsturbinen der beiden Triebwerke 12 über ein Getriebe 20 angetrieben.

Wie Fig. 3 zeigt, weisen die beiden Triebwerke 12 jeweils ein Frontgebläse 22 auf, das den Druck der einströmenden Luft anhebt.

Stromab des Gebläses 22 wird der eintretende Luftstrom in einen Kernstrom und einen Mantelstrom aufgeteilt. Der Kernstrom wird durch einen mehrstufigen Verdichter 24 weiter verdichtet und dann in einer Ringbrennkammer 26 erhitzt. Der aus der Brennkammer 26 austretende Abgaskernstrom treibt dann eine Hochdruckturbine 28 an. Der Verdichter 24, die Brennkammer 26 und die Hochdruckturbine 28 bilden zusammen den sogenannten Gasgenerator. Das Gebläse 22, der Verdichter 24 und die Hochdruckturbine 28 sind auf einer gemeinsamen Welle 30 angeordnet, so daß das Gebläse 22 und der Ver­ dichter 24 beide von der Hochdruckturbine 28 angetrieben werden.

Stromab der Hochdruckturbine 28 ist eine als Freifahrt­ turbine ausgebildete Leistungsturbine 32 angeordnet, die ebenfalls vom Abgaskernstrom angetrieben wird. Diese Leistungsturbine 28 ist auf eine Abtriebswelle 34 ange­ ordnet, die über das Getriebe 20 auf den Hauptrotor 18 des Hubschraubers wirkt. Schließlich tritt der Abgaskernstrom durch eine querschnittsveränderliche Abgasdüse 36 (Fig. 4 und 5) in die Außenluft aus.

Der Mantelluftstrom strömt vom Gebläse 22 in einen ringförmigen Mantelstromkanal 38 ein, in welchem ein Umschaltventil 40 angeordnet ist. Derartige Ventile sind an sich bekannt, so daß sich eine Beschreibung im einzelnen erübrigt. Es ist lediglich zu sagen, daß das Umschaltventil in seiner einen Betriebsstellung die Nebenstromluft in eine ringförmige Spiralgehäusekammer 42 leitet und in seiner anderen Betriebsstellung, die durch Drehen des Umschaltventils 40 hergestellt wird, die Nebenstromluft entlang des Mantelstromkanals weiterströmen läßt. Die Spiralgehäusekammer 42 ist über die Kanäle 14 mit den Zusatzflügeln 16 verbunden.

Arbeitet das Triebwerk in einer ersten Betriebsart, in welcher das Umschaltventil 40 die Nebenstromluft zu den Zusatzflügeln 16 leitet, wird der Hubschrauberrotor 18 durch die Freifahrt-Leistungsturbine 32 angetrieben. Die querschnittsveränderliche Abgasdüse 36 dient dazu, das Druckgefälle über der Leistungsturbine 32 bei jeder gegebenen Triebwerksdrehzahl zu steuern. Ein verhältnismäßig hohes Druckgefälle erzeugt mehr Leistung zum Antrieb des Rotors 18, um bei geringen Vorwärtsfluggeschwindigkeiten den geringeren, von den Zusatzflügeln 16 erzeugten Auftrieb zu kompensieren. Bei höheren Vorwärtsfluggeschwindigkeiten wird der Düsen­ querschnitt verringert, so daß das Druckgefälle über der Abgasdüse einen stärkeren Strahlschub durch Steigerung der Strahlaustrittsgeschwindigkeit erzeugt, während ein dann niedrigeres Druckgefälle über der Leistungsturbine annehm­ bar ist, weil dann die Zusatzflügel mehr Auftrieb erzeugen.

In einer zweiten Betriebsart läßt das Umschaltventil 40 die Nebenstromluft entlang des Mantelstromkanals 38 weiter­ strömen, so daß sich die Nebenstromluft dann mit dem Abgas­ kernstrom vermischt. In dieser Betriebsart erhalten die Zusatzflügel 16 keine Nebenstromluft. Bei sehr geringen Vorwärtsfluggeschwindigkeiten oder beim Schwebeflug oder Start des Hubschraubers erzeugt nur der von der Freifahrt- Leistungsturbine angetriebene Rotor 18 Auftrieb. In dieser Betriebsart wird die querschnittsveränderliche Abgasdüse 36 auf maximalen Querschnitt gestellt, so daß nur geringer Strahlschub erzeugt wird.

Die zur Steuerung der Drehzahl der Freifahrt-Leistungs­ turbine 32 in der oben beschriebenen Weise dienende Abgas­ düse 36 ist in den Fig. 4 und 5 im einzelnen dargestellt. Die Düse weist auf ihrer einen Seite C eine feststehende Klappe 44 und auf ihrer anderen Seite D eine bewegliche Klappe 46 auf. Die bewegliche Klappe 46 ist an einer zwischen ihrer Vorderkante 46a und ihrer Hinterkante 46b gelegenen Stelle schwenkbar an den längs dieser beweglichen Klappe seitlich angrenzenden Düsenwandkonstruktionen 58 angelenkt und mittels eines Betätigungsantriebs 48 betätigbar. Der Betätigungsantrieb 48 ist an sich bekannt und wird daher nicht im einzelnen beschrieben. Mittels des Betätigungsan­ triebs 48 ist die bewegliche Klappe 46 zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung beweglich. In der in Fig. 4 mit Vollinien dargestellten ersten Stellung der beweglichen Klappe 46 befindet sich deren Vorderkante 46a etwas stromauf und geringfügig radial einwärts der Hinter­ kante 50 der sich anschließenden Abgaskanalwand 52, so daß ein kleiner Ejektorspalt 54 dazwischen verbleibt, und die Hinterkante 46b hat einen verhältnismäßig kleinen Abstand zur Hinterkante 44b der feststehenden Klappe 44, so daß die zwischen den beiden Klappenhinterkanten gebildete Spaltöffnung den Austrittsquerschnitt der Düse bilden. In der zweiten Betriebsstellung der beweglichen Klappe 46, die in Fig. 4 strichpunktiert dargestellt ist, ist deren Vorderkante 46a radial einwärts und ihre Hinterkante 46b radial auswärts geschwenkt, so daß der Austrittsquerschnitt der Düse einerseits durch den offenen Querschnitt zwischen der Hinterkante 50 der sich anschließenden Abgaskanalwand 52 und der beweglichen Klappe 46 und andererseits durch den offenen Querschnitt zwischen den Hinterkanten 46b und 44b der beweglichen Klappe 46 und der feststehenden Klappe 44 gebildet ist.

Ein weiterer Ejektorspalt 56 ist außerdem zwischen der Vorderkante 44a der feststehenden Klappe 44 und dem angrenzenden Hinterkantenbereich der sich dort anschließen­ den Abgaskanalwand 52 gebildet. Die Funktion der beiden Ejektorspalte besteht darin, einen kleinen Teil des Abgases austreten zu lassen, damit dieser über die Außenfläche der Klappen 44 und 46 strömt und einem Strömungsabriß über den Düsenaußenflächen bei hohen Vorwärtsgeschwindigkeiten mit der daraus resultierenden Widerstandserhöhung entgegenwirkt.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die feststehende Klappe 44 einstückig mit den seitlich angrenzenden Wänden 58 der Düse verbunden ist, während die bewegliche Klappe 46 mittels Wellenzapfen 60 und Lagern 62 drehbar in diesen Wänden gelagert ist.

Es ist klar, daß die oben beschriebene Abgasdüse 36 nicht unbedingt mit Ejektorspalten 54 und 56 ausgestattet zu sein braucht, um die Freifahrt-Leistungsturbine 32 in der oben beschriebenen Weise wirksam steuern zu können. Falls die Ejektorspalte 54 und 56 entfallen, ist es not­ wendig, die Verbindung zwischen den Vorderkanten 44a und 46a der Klappen 44 und 46 und den Hinterkantenbereichen der Abgaskanalwände 52 bei in ihrer ersten Stellung stehender beweglicher Klappe 46 zu verschließen bzw. abzudichten.

Claims (7)

1. Querschnittsveränderliche Abgasdüse für Gasturbinen­ triebwerke, mit einem Düsenkanal mit Rechteckquerschnitt und einer querschnittsveränderlichen Düsenöffnung, die zwischen zwei gegenüberliegenden Wänden (58) des Düsen­ kanals und zwei dazwischen gegenüberliegend angeordneten, plattenförmigen Klappen (44, 46) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Klappe (44) feststehend ange­ ordnet und die andere Klappe (46) um eine bezüglich des Düsenkanals (52) feststehende Drehachse zwischen einer ersten Stellung, in welcher der Düsenaustrittsquerschnitt durch die Hinterkanten (44b, 46b) der beiden Klappen (44, 46) begrenzt ist, und einer zweiten Stellung schwenkbar ist, in welcher der Düsenaustrittsquerschnitt von der Hinterkante (44b) der feststehenden Klappe (44) und der Hinter­ kante (50) der gegenüberliegenden Wand des Düsenkanals (52) begrenzt ist.

2. Abgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Klappe (46) in ihrer zweiten Stellung so angeordnet ist, daß ihre Vorderkante (46a) stromauf und radial einwärts der Hinterkante (50) der sich an­ schließenden Düsenkanalwand und ihre Hinterkante (46b) radial einwärts ihrer Vorderkante (46a) gelegen ist.

3. Abgasdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bewegliche Klappe (46) in ihrer zweiten Stellung so angeordnet ist, daß ihre Vorderkante (46a) radial weiter innen als ihre Hinterkante (46b) gelegen ist.

4. Abgasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stellung der beweglichen Klappe (46) ein Spalt (54) zwischen ihrer Vorderkante (46a) und der Hinterkante (50) der sich anschließenden Düsenkanal­ wand verbleibt.

5. Abgasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vorderkante (44a) der feststehenden Klappe (44) und der Hinterkante (50) der sich anschließenden Strömungskanalwand ein Spalt (56) gebildet ist.

6. Abgasdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Teil der Abgase durch den Spalt (54) zwischen der Vorderkante (46a) der beweglichen Klappe (46) und der Hinterkante (50) der sich anschließenden Düsen­ kanalwand austritt, um ein Anhaften des äußeren Luftstroms an der Außenfläche der beweglichen Klappe (46) zu bewirken.

7. Abgasdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Teil der Abgase durch den Spalt (56) zwischen der Vorderkante (44a) der feststehenden Klappe (44) und der Hinterkante (50) der sich anschließenden Düsenkanal­ wand austritt, um ein Anhaften des äußeren Luftstroms an der Außenfläche der feststehenden Klappe (44) zu bewirken.