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Gasturbinenstrahltriebwerk für überschallflugzeuge Die Erfindung bezieht
sich auf ein Gasturbinenstrahltriebwerk für überschallflugzeuge, bei welchem dem
Triebwerksgesamtlufteinlaß entnommene Luft durch wenigstens einen von der Triebwerkswelle
angetriebenen und in der Nähe der Entnahme- oder Zufuhrstelle angeordneten Hilfskompressor
verdichtet und nach der Verdichtung je einem zugeordneten Kanal zugeführt wird,
der die komprimierte Luft oder einen Teil derselben in die Triebwerksschubdüse leitet.
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Bei einem bekannten Gasturbinenstrahltriebwerk dieser Bauart wird
der stromab des Triebwerksgesamtlufteinlasses angeordnete Kompressor unmittelbar
von der Turbine angetrieben und arbeitet demgemäß auch dann, wenn das Triebwerk
in der Lage wäre, selbst die gesamte vom Einlaß gelieferte Luft zu verbrauchen,
so daß der Triebwerkskompressor infolge der Entnahme durch den Hilfskompressor nicht
genügend Luft empfangen kann. Eine überschallfluggeschwindigkeit dagegen kommt bei
dem bekannten Gasturbinentriebwerk deshalb nicht in Frage, weil, wenn der Hilfskompressor
bei hohen überschallfluggeschwindigkeiten arbeitet, die die nicht als konvergent-divergente
Düse ausgebildete Schubdüse des Triebwerkes höchstens bis auf Schallgeschwindigkeit
der ausströmenden Gase entspannen könnte, so daß der sogenannte Strahl- oder Vortriebswirkungsgrad
schlecht wäre.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Gasturbinenstrahltriebwerk der eingangs
genannten Bauart so zu verbessern, daß es trotz starrer Einlaufgeometrie sowohl
bei Unterschallgeschwindigkeit als auch bei überschallfluggeschwIndigkeit mit gutem
Wirkungsgrad arbeiten kann.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Hilfskompressor
von der Rotorwelle des Triebwerkes in an sich bekannter Weise über eine im Betrieb
lösbare Kupplung antreibbar ist und daß jeder Kanal mit einem Steuerventil ausgestattet
ist, das bei Unterschallgeschwindigkeit in einer ersten Betriebsstellung die durch
den Hilfskompressor geströmte Luft zunächst nach außen abführt und dann bei eingerückter
Kupplung des Hilfskompressorantriebes die vom Hilfskompressor geförderte Luft in
einer zweiten Betriebsstellung der Schubdüse zuführt, bei Überschallfluggeschwindigkeit
und gelöster Kupplung des Luftkompressorantriebes in einer dritten Betriebsstellung
die Luftströmung durch den Kanal völlig absperrt.
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Durch Anordnung der bei einer anderen Triebwerksgattung bereits bekannten
Kupplung zwischen Triebwerk und Hilfskompressor wird die Möglichkeit geschaffen,
den Hilfskompressor abzuschalten, wenn sich das Flugzeug im Reiseflug befindet.
Durch die Anordnung des Ventils kann eine Anpassung an die verschiedenen Betriebsweisen
erlangt werden, wobei gleichzeitig verhindert wird, daß bei Stillsetzung des Hilfskompressors
nach Lösen der Kupplung ein Antrieb durch den Fahrtwind erfolgt, wodurch wiederum
die Luftzufuhr nach dem Triebwerk beeinträchtigt würde.
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Es ist zwar bei einem Gasturbinenstrahltriebwerk der eingangs genannten
Gattung bereits bekannt, den dem Hilfskompressor nachgeordneten Kanal mit einem
Steuerventil auszustatten. Hierbei kann in einer ersten Betriebsstellung die durch
den Hilfskompressor gelieferte Luft einer besonderen Schubdüse zugeführt und in
einer zweiten Betriebsstellung nach außen, nämlich nach vorn, zur Bremsschuberzeugung
abgeleitet werden. Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist damit
durch diese bekannte Anordnung nicht nahegelegt.
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Bei der zuletzt erwähnten bekannten Anordnung ist ferner der Lufteinlaß
so groß ausgebildet, daß dem Triebwerk und dem Hilfskompressor unter allen Betriebsbedingungen
des Flugzeuges eine genügende Luftmenge zugeführt wird. Wenn dabei der Lufteinlaß
für die Bedingung des überschallfluges ausgebildet
wäre, dann müßte
er eine Fläche aufweisen, die ausreicht, um die große Luftmenge zu liefern, die
das Triebwerk und der Kompressor bei Überschallflug erfordert. Dabei würde aber,
wenn das Flugzeug mit Unterschallgeschwindigkeit fliegt, mehr Luft in den Lufteinlaß
gelangen, als von dem Kompressor und dem Triebwerk verbraucht werden kann, und es
würde sich das Problem ergeben, die überschüssige Luft abzuführen. Durch die erfindungsgemäße
Ventilanordnung kann bei für Unterschallfluggeschwindib keit vorgesehener Entnahme
von Luft durch die Hilfskompressoren aus dem Gesamtlufteinlaß gleichwohl die beim
überschallflug vom Triebwerk geforderte Luftmenge zur Verfügung gestellt werden,
ohne den Lufteinlaß des Hilfskompressors deswegen größer auslegen zu müssen, weil
der Hilfskompressor dann abgeschaltet werden kann und eine Durehströmung des Hilfskompressors
verhindert ist.
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Bei Anordnung eines an sich bekannten gesonderten Lufteinlasses zur
zusätzlichen Luftzufuhr zum Hilfskompressor ist die Entnahmeöffnung im Gesamtlufteinlaß
bzw. der gesonderte Lufteinlaß durch zurückziehbare Türen od. dgl. in an sich bekannter
Weise absperrbar. Dadurch kann verhindert werden, daß sich vor dem Hilfskompressoreinlaß
ein Stau bildet, wenn letzterer, z. B. während des überschallftuges, nicht in Betrieb
befindlich ist.
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Das Steuerventil ist zweckmäßigerweise gleichzeitig als Rückschlagventil
ausgebildet, um zu vermeiden, daß Strahlgase über die Leitungen im Rückfluß zu der
Abgabeseite des Hilfskompressors gelangen, wenn dieser nicht im Betrieb befindlich
ist.
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Statt dessen könnte auch je ein besonderes Rückschlagventil zusätzlich
zu dem Steuerventil in der Leitung vorgesehen werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Gesamtlufteinlaßkanal
in an sich bekannter Weise rechteckig oder quadratisch im Querschnitt, und die Hilfskompressoren
sind in je einer Ecke des rechteckigen Querschnitts angeordnet. Der Antrieb der
Hilfskompressoren kann dabei in ebenfalls an sich bekannter Weise über Kegelradgetriebe
erfolgen, die den Hilfskompressorantrieb auf zwei Antriebswellen aufteile, die je
eine Eingangswelle einer der Kompressorkupplungen antreiben.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der von dem Triebwerkskompressor
ausgehende Hilfskompressorantrieb über ein Kegelradgetriebe auf zwei Antriebswellen
aufgeteilt, die je über eine Kupplung die Hälfte der Beschaufelung des Hilfskompressors
antreiben.
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Die Antriebsübertragung von der Triebwerkswelle nach den Hilfskompressoren
kann statt dessen in an sich bekannter Weise auch über Stimradgetriebe erfolgen.
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Um die Getriebe zwischen Triebwerkswelle und Hilfskompressorwelle
nicht mitlaufen zu lassen, wenn der Hilfskompressor stillgesetzt ist, kann nach
einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung eine Kupplung zwischen der Welle
des Triebwerkskompressors und dem Getriebeantrieb vorgesehen sein.
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An Stelle der Anordnung von mehreren Hilfskompressoren im Gesamtlufteinlaß
des Hauptriebwerkes kann auch in an sich bekannter Weise ein einziger Hilfskompressor
vor dem Triebwerk koaxial zu diesem angeordnet werden.
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Die Maßnahme, daß gemäß Anspruch 11 die von dem Hilfskompressor geförderte
Luft in die Schubdüse des Gasturbinentriebwerks über radiale öffnungen eingeblasen
wird, welche in den heißen Antriebsgasstrom entstehen, ist bereits Gegenstand eines
anderen nicht vorveröffentlichten Vorschlags und soll daher hier nur in Verbindung
mit den übrigen Merkmalen des Patentbegehrens unter Schutz stehen.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine schematische perspektivische
Ansicht eines Überschallflugzeuges, welches mit Gasturbinentriebwerken mit rechteckigen
Lufteinlässen ausgestattet ist, F i g. 2 -einen Schnitt eines Tragflügels des überschallflugzeuges,
welcher die Anordnung der Gasturbinentriebwerke zeigt, F i g. 3 einen Schnitt nach
der Linie 3-3 gemäß F i g. 2, F i g. 4 die in F i g. 2 dargestellte Schubdüse in
einer schematischen Ansicht in größerer Darstellung, F i g. 5 einen Axialschnitt
des Vorderendes eines Gasturbinentriebwerks, welches die Hilfskompressoren antreibt,
F i g. 6 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Antriebs der
Hilfskompressoren, F i g. 7 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausbildung
des Antriebs der Hilfskompressoren, F i g. 8 eine schematische Ansicht einer weiteren
Möglichkeit zum Antrieb der Hilfskompressoren, F i g. 9 einen Schnitt nach der Linie
9-9 gemäß F i g. 8, F i g. 10 einen schematischen Schnitt einer weiteren möglichen
Anordnung zum Antrieb eines Hilfskompressors, F i g.11 einen Schnitt nach der Linie
11-11 gemäß F i g. 10.
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Gemäß F i g. 1 bis 4 weist ein Überschallflugzeug 10 Tragflügel 11
auf, unter denen je eine im wesentlichen kastenförmige Gondel 12 angeordnet ist.
Jede Gondel 12 ist durch Innenwände 13 in drei sich in Längsrichtung erstreckende
Räume 14 unterteilt, von denen jeder ein Gasturbinentriebwerk 15 beherbergt.
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Jedes der Gasturbinentriebwerke 15 weist in Strömungsrichtung hintereinander
einen Lufteinlaß 16, einen Kompressor 17, eine Verbrennungseinrichtung 18,
eine Turbine 19, eine Turbinenabgasführung 20, einen Strahlrohrabschnitt 21, eine
Schubumkehrvorrichtung 22 und eine Schubdüse 23 auf.
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Die Schubumkehreinrichtung 22 richtet, sobald sie in Tätigkeit gesetzt
wird, die heißen Antriebsgase über Ablenkschaufeln24 nach vorn, um auf das Flugzeug
10 eine Bremswirkung auszuüben.
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Die Schubdüse 23 weist gemäß F i g. 4 einen Kanal 25 auf, der am stromunterseitigen
Ende mit einer Klappe 25 a ausgestattet ist.
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Die rechteckigen Lufteinlässe 16 beherbergen vier Hilfskompressoren
26, von denen jeder gemäß F i g. 5 von einem Gasturbinentriebwerk 15 über eine Kupplung
27, z. B. eine Reibungskupplung, angetrieben wird. Statt dessen kann auch eine Klauenkupplung
oder eine Flüssigkeitskupplung benutzt werden. Die Hilfskompressoren 26 erhalten
ihre Luft durch den Lufteinlaß 16 und fördern sie in Leitungen 28, welche die gesamte
in den Hilfskompressoren 26 komprimierte Luft einer Ringleitung 29 (F i g. 4) zuführen,
welche die Schubdüse 23 stromoberseitig des Kanals 25 umgibt. Die Luft aus der Ringleitung
29
tritt über mehrere Mischöffnungen 30 in das Innere der Düse 23
ein.
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Wie am besten aus F i g. 5 ersichtlich ist, weist jeder Hilfskompressor
26 einen Axialkompressorrotor 31 auf, dem von dem Lufteinlaß 16 Luft zugeführt
wird, die er nach Kompression einem Leitkranz 32 zuführt, dessen Auslaß mit einer
Leitung 28 verbunden ist. Der Rotor 31 des Axialkompressors ist auf einer Welle
33 befestigt, welche die Ausgangswelle einer Kupplung 27 bildet. Die Antriebswelle
34 der Kupplung 27 ist an dem der Kupplung 27 entgegengesetzten Ende mit einem Kegelrad
35 ausgestattet, das mit einem Kegelrad 36 kämmt, welches am radialen äußeren Ende
einer Antriebswelle 37 sitzt.
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Die Antriebswelle 37 tritt durch eine hohle Einlaßverstrebung 38 des
Gasturbinentriebwerks 15 hindurch und trägt ein zweites Kegelrad 39, das mit einem
Kegelrad 40 kämmt, welches am Ende einer in dem Einlaßmittelkörper 42 des Gasturbinentriebwerks
15 gelagerten Welle 41 vorgesehen ist. Eine Hohlwelle 43 verbindet die Welle 41
antriebsmäßig mit der Antriebswelle 44 des Kompressors.
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Demgemäß wird, wenn das Gasturbinentriebwerk 15 läuft und die Kupplung
27 eingerückt wird, der Rotor 31 des Hilfsaxialströmungskompressors von der Welle
44 des Triebwerkskompressors über die Hohlwele 43, die Welle 41, die Kegelräder
40, 39, die Welle 37, die Kegelräder 36, 35, die Eingangswelle 34, die Kupplung
27 und die Welle 33 angetrieben.
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Eine andere mögliche Ausführung des Antriebs für den Rotor 31 des
Hilfsaxialkompressors ist in F i g. 6 dargestellt. Hierbei wird der Antrieb von
der Welle 41 aus über Kegelräder 45 und 46 einer Welle 47 und außerdem über Kegelräder
48 und 49 einer Welle 50 zugeführt. Die Wellen 47 und 50 treiben die Eingangswelle
34 der Kupplung über Kegelräder 51, 52 bzw. 53 und 54 an.
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Bei der in F i g. 7 dargestellten Getriebeanordnung sind Kegelräder
52 bzw. 54 mit Eingangswellen 55 und 56 verbunden, von denen eine jede eine Hälfte
des Kompressorrotors 31 über Kupplungen 27 und 27 a antreibt.
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Anstatt den Hilfskompressor über Kegelräder anzutreiben, kann dieser
auch über ein Stirnradgetriebe gemäß F i g. 8 und 9 angetrieben werden. Bei einer
derartigen Anordnung ist die Welle 41 mit einem Stirnrad 57 ausgestattet, das ein
Stirnrad 58 auf der Eingangswelle 34 über mehrere Zwischenräder 59, 60 und
61 antreibt. Die Zwischenräder 59, 60 und 61 sind drehbar innerhalb
der hohlen Einlaßverstrebung 38 gelagert.
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Anstatt die Kupplungen 27, 27a in der in den F i g. 5, 6, 7 und 8
dargestellten Weise anzuordnen, kann eine Kupplung oder Kupplungsanordnung zwischen
Triebwerkskompressorwelle 44 und der Welle 41 angeordnet werden, wie in F i g. 5
gestrichelt angedeutet und mit dem Bezugszeichen 27 b bezeichnet. Dadurch, daß die
Kupplung 27b zwischen die Triebwerkskompressorwelle 44 und die Welle 41 gelegt wird,
wird gewährleistet, daß auf das Kegelradgetriebe im entkuppelten Zustand der Kupplung
27 b außer Betrieb ist.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 10 und 11 ist ein einziger
Hilfskompressor 62 vor dem Gasturbinentriebwerk 15 und in der gleichen Horizontalachse
mit diesem angeordnet. Der Rotor 63 des Hilfskompressors 62 wird durch eine Welle
64 angetrieben, die koaxial zu dem Gasturbinentriebwerk 15 liegt und über den Einlaßkonus
42 vorsteht, der eine in der Zeichnung nicht dargestellte Kupplung beherbergt. Der
nach dem Gasturbinentriebwerk 15 führende Lufteinlaß 16 verläuft unterhalb des Hilfskompressors
62, und ein Kanal 65 führt von dem Eimaß 16 nach dem Eintritt des Hilfskompressors=
62. Der Kanal 65 wird von einem weiteren Kanal 66 geschnitten, der in der Atmosphäre
mündet und dessen Einlaß durch eine Reihe von Klappen 66a gesteuert wird. Der Kanal
66 ermöglicht es, dem Hilfskompressor 62 zusätzlich Luft zuzuführen, wenn der Druck
der Stauluft niedrig ist, z. B. beim Startanlauf.
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Der Auslaß des Hilfskompressors 62 ist in vier Abschnitte aufgeteilt,
die je nach einer Leitung 28
führen.
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Bei jedem dieser Ausführungsbeispiele ist jede Leitung 28 mit einer
Zweigleitung 28 a und einem Steuerventil 67 ausgestattet, welches in der einen Stellung
komprimierte Luft nach der Strahldüse 23 leitet und in einer anderen Stellung die
Möglichkeit schafft, daß die Luft in die Zweigleitungen 28 a eintritt und in die
Atmosphäre abgeführt wird. In einer dritten Stellung verhindert das Ventil eine
Luftströmung sowohl nach der Leitung 28 als auch nach der Leitung 28 a.
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Die Steuerventile 67 dienen auch als Rückschlagventile und verhindern,
daß heiße Schubgase über die Leitungen 28 zu den Hilfskompressoren zurückströmen,
wenn die Kupplungen 27 gelöst sind.
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Die vorbeschriebenen Einrichtungen sind dazu bestimmt, in der nachfolgend
beschriebenen Weise zu arbeiten: Wenn die Fluggeschwindigkeit des Flugzeuges 10
unter der Reisegeschwindigkeit liegt und die Gasturbinentriebwerke 15 mit einer
Drehzahl in der Nähe der maximalen Drehzahl laufen, werden die Klappen
25a zwecks Öffnung des Auslasses .des Kanals 25 geöffnet. Die Kupplungen
27 werden eingerückt, so daß die Hilfskompressoren durch das betreffende Gasturbinentriebwerk
15 angetrieben werden, und die Steuerventile 67 werden in eine solche Stellung gebracht,
daß die gesamte von den Hilfskompressoren verdichtete Luft über die Mischöffnungen
30 in die Schubdüsen 23 gelangt. Dadurch wird der Schub einer jeden Schubdüse 23
infolge des Durchtretens zusätzlicher komprimierter Luft verstärkt, wobei der Lärm
gegenüber einem vergleichbaren Triebwerk mit gleicher Schubkraft verringert wird,
bei welchem die hohe Geschwindigkeit heißer Schubgase den gleichen Schub erzielen
muß. Dies ist insbesondere während des Starts vorteilhaft.
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Außerdem wird der Luftwiderstand über Grund, der durch den verminderten
Querschnitt des Abgasstromes hervorgerufen wird, vermindert, da die aus heißen Gasen
und zusätzlicher komprimierter Luft bestehende Mischung, die durch den Kanal 25
strömt, den Querschnitt des Abgasstromes vergrößert, und es wird auch der Strom
heißer Schubgase nach hinten in eine Stellung gedrängt, die er einnimmt, wenn das
Flugzeug 10 mit Reisegeschwindigkeit fliegt.
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Wenn das Flugzeug die gewünschte Reisegeschwindigkeit erreicht hat,
werden die Kupplungen 27 gelöst, und die Hilfskompressoren 26, 62 werden durch Umschaltung
der Steuerventile 67 in eine Stellung, in welcher eine Strömung durch die Leitungen
28, 28 a verhindert wird, stillgesetzt.
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Wenn das Flugzeug 10 seine Geschwindigkeit, z. B. während der Landung
unter die Reisegeschwindigkeit,
vermindert, werden die Hilfskompressoren
26, 62 in Betrieb gesetzt, um die Brennstoffausnutzung zu verbessern, wenn das Flugzeug
im Warteverfahren kreist oder umgeleitet wird.
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Wenn die Hilfskompressoren 26, 62 während des Fluges in Betrieb gesetzt
werden sollen, werden die Steuerventile 67 in eine Stellung bewegt, in der die Auslässe
der Hilfskompressoren nach den Zweigleitungen 28a hin offen sind. Hierdurch wird
es möglich, daß Luft durch die Hilfskompressoren 26, 62 strömt und diese zur Drehung
veranlaßt. Wenn die Drehzahl der Hilfskompressoren 26, 62 mit jener des Gasturbinentriebwerks
15 übereinstimmt, werden die Kupplungen 27 eingerückt, und die Steuerventile 67
werden derart eingestellt, daß die von den Hilfskompressoren gelieferte Luft über
die Leitungen 28 in die Schubdüse geleitet wird.
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Anstatt die Drehung der Hilfskompressoren 26, 62 dadurch zu verhindern,
xlaß die Ausströmung jedes Hilfskompressors abgeschlossen wird, können auch zurückziehbare
Türen oder Ventile vorgesehen sein, welche das Vorderende eines jeden Hilfskompressors
abschließen.