DE4121995A1 - Tangentialgeblaese fuer turbotriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Tangentialgebläse für Turbotriebwerke, umfassend einen beschaufelten Trommel­ läufer, ausgestattet mit einer Anzahl Innenleitschaufeln bzw. einem drehbaren Innenleiteinsatz mit Füllkörpern sowie einem Leitschaufelsektor, weiterumfassend ein Ge­ bläsegehäuse mit Lufteintritts- und Austrittsteilen.

Es sind bereits Konzepte bekannt, bei denen das Tangen­ tialgebläse als Schubmassenerzeuger bei Flugzeugantrieben Verwendung findet, da sich diese Gebläseart aufgrund ihrer Kennlinie dazu bevorzugt eignet. Der querdurchströmte Läufer hat seinen Lufteintritt bzw. den entsprechenden Luftaustritt senkrecht zur Drehachse des Gebläses. Dies führt zu speziellen Ausführungsformen eines Triebwerks. Entweder zu axial-spiraligen Luftfüh­ rungen hinter Gebläseaustritt oder zu einer ringförmigen Anordnung mehrerer Gebläse, die dann von einem Außenraum her ansaugen und in einen entsprechend gestalteten Innen­ raum blasen. Diese Anordnung ist ausschließlich für große Luftdurchsätze geeignet. Das Tangentialgebläse der jeetzt üblichen Bauweise wurde erstmals in der DE PS 8 07 978 beschrieben.

Die Luft tritt dabei durch einen Zuströmkanal von außen in den beschaufelten trommelartigen Gebläseläufer ein, wird durch diesen erforderlichenfalls mittels Leitschau­ feln hindurchgelenkt, durchströmt daraufhin die Läufer­ beschaufelung ein zweites Mal, um dann anschließend in den Austrittskanal beschleunigt einzutreten.

Bei einer weiteren Ausführungsart befindet sich in dem Gebläseläufer ein fester Leitapparat, der nicht mitrotiert, jedoch in die jeweils günstigste Abblaserichtung gedreht werden kann. Das typische Merkmal mit einander gegenüber­ liegenden seitlichen Zu- und Abströmkanälen bleibt dabei erhalten.

Ein Beispiel für die axial-spiralige Luftführung nach Verlassen des Gebläses zeigt die DE PS 36 14 311, bei der das Arbeitsmedium zur Luftversorgung für den HD-Verdichter Verwendung findet. Durch axiales Verschieben des Gebläse­ läufers kann auch eine vertikale Schubkomponente erzeugt werden.

Der Vorteil dieser Anordnung ist unter anderem darin zu sehen, daß eine große Luftmasse vor dem Verdichter zur Verfügung steht, sodaß zwei Brennkammerkreise versorgt werden können und daß auf einen in Flugrichtung weisenden Lufteintritt verzichtet wird.

Die Ausführung einer ringförmigen Anordnung mehrerer Ge­ bläse beschreibt die DE P 40 12 103.8-13, bei der 12 Ge­ bläse um den innenliegenden Schubkanal herum gleichmäßig verteilt sind. Diese saugen die Luft aus einem sie umge­ benden Strömungskanal an, um sie dann beschleunigt in den koaxial dazu befindlichen zentralen Schubkanal beschleu­ nigt einzuleiten.

Mit dieser Konstruktion sind besonders vorteilhaft große Luftdurchsätze realisierbar, die sowohl für den Vorwärts­ schub als auch für den Brems- und Vertikalschub Verwendung finden und bevorzugt bei großen Abflugmassen zum Einsatz kommen sollen.

Für Triebwerke mit kleinen bis mittleren Schubkräften müssen die dann veränderten Einbauverhältnisse in Rech­ nung gesetzt werden, wobei in diesen Fällen die oben be­ schriebene Konstruktion, die sich der herkömmlichen Bau­ weise des Tangentialgebläses bedient, nur unbefriedigend verwendbar ist.

Daher ist es das Ziel dieser Erfindung, ein Tangentialge­ bläse zu schaffen, das diesem Triebwerksbereich entspricht, indem sich koaxial zum Trommelläufer eine konstante Kreis­ ringströmung einstellt.

Dieses Ziel wird durch die im Patentanspruch 1 dargeleg­ ten Merkmale erreicht.

Im Gegensatz zu der in der PS 8 07 978 beschriebenen Aus­ führung, wird der feststehende nicht mitrotierende Leit­ apparat durch einen Rotor ersetzt, der statt der Leit­ schaufeln mit Laufschaufeln ausgestattet ist und gegenüber dem ihn umgebenden Trommelläufer eine entgegengesetzte Drehrichtung besitzt, wodurch auf die Arbeitsluft zusätz­ liche Energie übertragen wird. Dies führt zur größerer Schubkraft und Verkleinerung des Triebwerks, wobei die lärmarme Arbeitsweise erhalten bleibt, weil keine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeiten erfolgt.

Da beide Laufschaufelreihen sich in Strömungsrichtung er­ weitern, wird die Antriebsarbeit, unter Berücksichtigung des Verhältnisses von Eintritts- zu Austrittsbogen nahe­ zu ausschließlich in kinetische Energie umgewandelt. Der wesentliche Vorteil dieser Konstruktion besteht in der Möglichkeit, das Tangentialgebläse als axial arbei­ tende Strömungsmaschine an einen üblichen und bereits erprobten Gaserzeuger mit zwei gegenläufigen Leistungs­ turbinen anzuschließen.

Dies wird dadurch bewirkt, daß der Innenrotor aus fünf Normalschnitten besteht, die konstruktiv den gleichen Aufbau haben, jedoch jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind und stufenlos ineinander übergehen. Damit wird erreicht, daß sowohl die eintretende als auch die austretende Arbeitsluft sich in demselben koaxialen Strömungsrohr befinden. Beide beschreiben dabei einen in Schubstrahlrichtung sich bewegenden schraubenförmigen Strömungsweg ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, da Lufteintritt und Austritt bei jeder beliebigen Drehzahl immer um 180° voneinander getrennt sind, denn sowohl Ein­ trittsbogen als auch Austrittsbogen des Innenrotors stehen sich drehzahlunabhängig konstant um 180° gegenüber, wäh­ rend die betreffenden Schaufelabschnitte des Trommelläu­ fers kontinuierlich in Drehzahlabhängigkeit auf einem Bogen von 360°C umlaufen.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß die die Impulsringdüse verlassende scharfstrahlige Abgasmasse, die als Impuls­ leitstrahl fungiert, aufgrund ihrer erhöhten Temperatur eine verhältnismäßig dicke Grenzschicht an der Innenwand des Strömungsmantels aufbaut, sodaß die das Tangential­ gebläse verlassende Schubmasse nahezu reibungsfrei an der inneren Grenzschichtzone abfließen kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

Dabei zeigt in schematischer Darstellung:

Fig. 1 den axialen Längsschnitt eines Turbo­ triebwerks mit eingebautem Tangential­ gebläse.

Fig. 2 eine Darstellung der Normalschnitte I bis V gemäß Fig. 1, in Richtung M-N gesehen.

Fig. 3 den Schnitt A-B durch die Beschau­ felung des Tangentialgebläses gemäß Fig. 1, senkrecht zur Triebwerksachse.

Fig. 4 den Längschnitt C-D gemäß Fig. 1 durch eine Laufschaufel des Trommel­ läufers.

Fig. 5 einen Grenzschicht-Ausschnitt P des Strömungsmantels gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt die axial aufgeschnittene Gesamtansicht eines Turbotriebwerks 2, bei dem ein Tangentialgebläse 1 an den Gaserzuger 16 angeschlossen ist, indem die erste Stufe seiner Leistungsturbine 17 mit dem Innenrotor 4 über die Innenwelle 20 verbunden ist, die an der vorderen Stirnplatte 25 angeflanscht ist. Des weiteren ist die zweite Listungsstufe 18 durch die Außenwelle 19 mit der frontseitigen Laufscheibe 21 des Trommelläufers 3 dreh­ fest verbunden. Die hintere Stirnplatte 26 sowie die heck­ seitige Laufscheibe 22 sind unabhängig voneinander in dem Stützring 23 gelagert, der mit der Austrittsglocke 28 fest verbunden ist. Die aus der Blickrichtung M-N gesehenen Normalschnitte I bis V des Laufschaufelsegments 5 werden in Fig. 2 noch näher erläutert. Sie bilden den Steigungs­ winkel α, unter dem auch die Laufschaufeln 24 des Trom­ melläufers 3 verlaufen.

Die Eintrittsmasse m_e tritt als Arbeitsluft mit den Strö­ mungsrichtungen L_E aus dem Strömungskanal 8 in das Tangen­ tialgebläse 1 ein und aus diesem als Arbeitsluft L_A wieder heraus. Diese wird sodann durch die Impulsströmung m_i mit ihren Leitstrahleigenschaften in die Schubstrahlrichtung umgelenkt, um als Schubmasse m_s wirksam zu werden. Die äußere Begrenzung des Strömungskanals 8 ist der Strö­ mungsmantel 15, der außen die Halterung 29 für die zellen­ seitige Befestigung des Triebwerks 2 trägt und frontseitig an der Innenseite mit einer Impulsringdüse 12 ausgestattet ist, in die eine erforderliche Anzahl Hohlrippen 10 ein­ münden, die ihrerseits an den Gassammelraum 9 angeschlos­ sen sind, aus dem die Abgasmasse m_a in die Impulsringdüse 12 gelangt.

Ferner werden die Hohlrippen 10 durch ringförmige Eintrittsleitschaufeln 13 miteinander verbunden, um die Zuführung der eintretenden Arbeitsluft L_E zum Tangential­ gebläse 1 weitgehend verlustlos zu ermöglichen. Austrittsseitig ist der Strömungsmantel 15 mittels der Austrittsleitschaufel 11 über die Austrittsglocke 28 mit dem Tangentialgebläse 1 fest verbunden.

Fig. 2 zeigt in Blickrichtung M-N gemäß Fig. 1 die Normalschnitte I bis V, deren interner konstruktiver Auf­ bau identisch ist, die jedoch in der Schnittfolge um je 90° versetzt angeordnet wurden, wobei die einzelnen Bau­ elemente fließend und ohne Übergang miteinander verbunden und verglichen sind.

Der äußere Trommelläufer 3 mit den Laufschaufeln 24, die gemäß Fig. 1 die frontseitige Laufscheibe 21 mit der heckseitigen 22 verbinden, bewegt sich mit der Drehzahl n₁ um den entgegengesetzt mit der Drehzahl n₂ laufenden Innenrotor 4, der aus einem zentralen Kernrohr 14 besteht, das gemäß Fig. 1 die vordere Stirnplatte 25 mit der hin­ teren 26 verbindet, ebenso wie der direkt um das Kern­ rohr 14 herum entwickelte erste Verdrängerkörper 6. Daran in Drehrichtung anschließend ist das Laufschaufelsegment 5 mit dem folgenden zweiten Verdrängerkörper 7 angebracht. In der Detailzeichnung des Normalschnitts II ist die ein­ tretende Arbeitsluft L_E, die Innenströmung S_i sowie die austretende Arbeitsluft L_A durch Pfeile bezeichnet. Diese Konstellation stellt sich während des Betriebes drehzahl­ abhängig an jeder Stelle des Umfangs ein, da gemäß Detail V die feste Einstellung des Eintrittsbogens B_E zum Aus­ trittsbogen B_A jeden Bereich der Laufschaufeln 24 am Um­ fang des Trommelläufers 3 beaufschlagen kann, so daß die Arbeitsluftkomponenten L_E und L_A sich in Abhängigkeit von der Schnittfolge und der Drehzahl koaxial zum Trommel­ läufer 3 bewegen und dadurch die austretende Arbeitsluft L_A schraubenförmige Stromfäden bildet, die sich durch die koaxial gerichtete Impulsströmung m_i zu einem zylindri­ schen und laminaren Strömungsfeld S_F entwickeln, das au­ ßen von der Kontur des Strömungsmantels 15 begrenzt und mittels der Austrittsleitschaufeln 11 drehungsfrei ge­ macht wird, um dann als Schubmasse m_s das Turbotriebwerk 2 zu verlassen.

Fig. 3 zeigt senkrecht zur Triebwerkslängsachse den Teilschnitt A-B gemäß Fig. 1 durch die Laufschaufeln 24 des Trommelläufers 3 sowie durch das Laufschaufel­ segment 5 des Innenrotors 4. Daraus sind die sich ver­ jüngenden Schaufelsehnen h ersichtlich, die sich zur Re­ duzierung der Biegekräfte von den Normalschnitten I bzw. V aus gegen den Mittenschnitt III erstrecken.

Fig. 4 zeigt parallel zur Triebwerkslängsachse den Teilschnitt C-D gemäß Fig. 1 durch eine Laufschaufel 24 des Trommelläufers 3, wobei dieser Schnitt bezüglich der Ausführung identisch ist mit einem durch das Laufschaufel­ segment 5 gelegten; und zwar sowohl hinsichtlich des Nor­ malschnitts I als auch desjenigen von V, beide sich ver­ jüngend gegen III zu verlaufend. Der an den Laufscheiben 21 und 22, ebenso wie an den Stirnplatten 25 und 26 mit den Radien R verstärkte Schaufelfuß in Verbindung mit der anschließend abnehmenden Schaufeldicke d soll die Biegespannungen vermindern und die Schwingungsfestigkeit erhöhen.

Fig. 5 zeigt gemäß Fig. 1 den Ausschnitt P des Strö­ mungsmantels 15, an dessen Innenwand die Abgasmasse m_a als Impulsströmung m_i eine Grenzschicht 27 aufbaut, deren innere Zone einen reibungsfreien Zustand im Strömungs­ kanal 8 hinsichtlich der ein- und austretenden Arbeits­ luft L_E und L_A zuläßt. Der von der Innenwand zur Strö­ mungsmitte hin größer werdende Geschwindigkeitsvektor c, von der Wandreibung zur ungestörten Strömung hin, ist durch Pfeile versinnbildlicht dargestellt.

Der von der Schubmasse m_S zu überwindende Strömungs­ widerstand wird durch diese Maßnahme vermindert.

Claims (4)

1. Tangentialgebläse für Turbotriebwerke, umfassend einen beschaufelten Trommelläufer, ausgestattet mit einer Anzahl Innenleitschaufeln bzw. einem drehbaren Innen­ leiteinsatz mit Füllkörpern sowie einem Leitschaufel­ sektor, weiterumfassend ein Gebläsegehäuse mit Luft­ eintritts- und Austrittsteilen, dadurch gekennzeichnet, daß der Trommelläufer (3) mit seinen Laufschaufeln (24) und der ihm zugeordneten Drehzahl (n₁), deren Drehsinn in Pfeilrichtung verläuft, einen mit der Drehzahl (n₂) und entgegengesetztem Drehsinn arbeitenden Innenrotor (4) besitzt, der mit einem Laufschaufelsegment (5) versehen ist, das von ersten (6) und zweiten Verdrän­ gerkörpern (7) begrenzt wird, daß weiterhin der Trom­ melläufer (3) mit einem zu ihm koaxial angeordneten Strömungskanal (8) beabstandet umgeben ist und daß ferner der Innenrotor (4) aus mehreren, stufenlos mit­ einander verbundenen Normalschnitten (I, II, III, IV, V) besteht, die jeweils um 90° versetzt zueinander ange­ bracht sind und dadurch den Steigungswinkel (α) bilden, unter dem auch die Laufschaufeln (24) des Trommelläufers (3) verlaufen.

2. Tangentialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsbogen (B_E) des Innenrotors (4) einerseits und sein Austrittsbogen (B_A) andererseits im Rhythmus der Drehzahlen (n₁ und n₂) ihre Position im Trommel­ läufer (3) ständig ändern, wodurch im Strömungskanal (8) unter dem Einfluß des Steigungswinkels (α) und der Impulsströmung (m_i) sich eine laminare Ringströmung (S_R) vor den Austrittsleitschaufeln (11) einstellt.

3. Tangentialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Laufschaufeln (24) des Trommelläufers (3) als auch diejenigen des Laufschaufelsegmentes (5) des Innenrotors (4) in ihrer Dicke (d) und in der Höhe (h) von den Normalschnitten (I) bzw. (V) aus zum Mitten­ schnitt (III) hin verjüngt zulaufen.

4. Tangentialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerkörper (6 und 7) sowie das Laufschaufel­ segment (5) um das Kernrohr (14) herum aufgebaut sind, wobei dieses die vordere (25) und hintere Stirnplatte (26) des Innenrotors (4) drehfest und schwingungs­ steif verbindet.