Gegenläufiges Bläsertriebwerk
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Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenmotor für den Antrieb eines Flugzeugs mit einem
Gasgenerator, der zwei miteinander verschachtelte langsame gegenläufige Turbinen
speist.
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FR-A-2 535 394 beschreibt einen Gasturbinenmotor dieser Art, bei dem die Arbeitsturbinen
auf der stromabwärtigen Seite des Gasgenerators angeordnet und direkt von den aus dem
Generator austretenden heißen Gase angetrieben werden. Die Turbinen treiben ohne
Untersetzung direkt entweder zwei gegenläufige Propellerstufen oder zwei stromlinienförmig
verkleidete Bläserstufen an, die den Vortrieb bewirken. Es werden zwei Lösungen für die
Montage vorgeschlagen: Die eine sieht vor, die Propeller oder Bläser hinter dem Motor
anzuordnen. Dies ist bei der Montage unter den Tragflächen eines Flugzeugs mit
Nachteilen und Schwierigkeiten verbunden. Die andere Lösung sieht die Anbringung vor dem Motor
vor. Dies erfordert jedoch Verbindungswellen für den Antrieb, deren Anbringung ebenfalls
mit Nachteilen verbunden ist.
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FR-A-2 560 642 beschreibt einen Gasturbinenmotor des gleichen Typs, bei dem den
vorderen gegenläufigen Bläsern ein gegenläufiger Aufladungskompressor zugeordnet ist. Dabei
ist außerdem eine Vorrichtung zur Regelung der Anstellung der Schaufeln einer Bläserstufe
vorgesehen, die eine Strömungsumkehr ermöglicht.
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FR-A-2 606 081 beschreibt einen Gasturbinenmotor der erwähnten Art, bei dem die Gase in
dem Gasgenerator relativ zur Bewegungsrichtung des Flugzeugs von einer hinten
angeordneten ringförmigen Kammer nach vornn zirkulieren, wobei dem Gasgenerator ein
Lufteintrittstutzen zugeordnet ist, der aus mehreren Kanälen besteht, die über den Umfang des
äußeren Mantel verteilt sind und in der genannten Kammer münden, wobei die
Strömungsrichtung der aus dem Gasgenerator austretenden heißen Gase umgekehrt wird, so daß sie
von vom nach hinten zu den Arbeitsturbinen zurückgeführt werden. Die innere Anordnung
des Motors weist also - bezogen auf die Bewegungsrichtung des angetriebenen Flugzeugs
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- von vorn nach hinten aufeinanderfolgend auf:
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- die gegenläufigen verschachtelten Arbeitsturbinen und die axiale Ausgangsleitung des
Gasgenerator in teilweiser radialer Überlappung,
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- die Turbinenstufen des Gasgenerators,
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- die Brennkammer,
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- die Verdichterstufen des Gasgenerators und
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- die ringförmige Lufteintrittskammer des Gasgenerators.
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Bei der in diesem Dokument beschriebenen Anordnung sind den gegenläufigen
Arbeitsturbinen zwei gegenläufigr Propellerstufen zugeordnet, die sich auf demselben longitudinalen
Niveau befinden. Der Motor bildet somit ein Turboprop-Triebwerk mit vomliegenden
Propellern vom "Zug-Propfan"-Typ.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Variante des vorangehend beschriebenen Motors zur
Verfügung zu stellen, bei der die stromaufwärtigen Bläser nicht mehr in radialer Überlappung mit
den Arbeitsturbinen und der axialen Ausgangsleitung des Gasgenerators sondern vor den
Arbeitsturbinen angeordnet sind. Dies ermöglicht den Aufbau eines Motors, der bei
gleichem Nebenstromverhältnis einen wesentlich kleineren Hauptspant aufweist.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine die gegenläufigen Arbeitsturbinen und die Bläser
umfassende modulare Untereinheit zu schaffen, die sich leichter von vorn aus von dem
Gasgenerator lösen läßt.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Turbotriebwerk-Baugruppe zu schaffen,
die niedrigen Luftwiderstand aufweist und als Zug-Turbotriebwerk ohne großen Aufwand
unter der Tragfläche eines Flugzeugs montiert werden kann.
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Gegenstand der Erfindung ist also ein Gasturbinenmotor zum Antrieb eines Flugzeugs mit
einem Gasgenerator, der zwei langsame gegenläufige Turbinen speist, die zwei Bläser
antreiben, wobei die Gase, bezogen auf die Bewegungsrichtung des Flugzeugs, in dem
Gasgenerator von hinten nach vorn, dann in den Freistrahlturbinen von vom nach hinten
zirkulieren, wobei der Gasturbinenmotor dadurch gekennzeichnet ist, daß die radial innere
Freistrahlturbine mit einer zentralen Welle verbunden ist, die sich zur Vorderseite des
Motors erstreckt und eine Scheibe trägt die ihrerseits den vorderen Bläser trägt, während die
radial äußere Freistrahlturbine mit einer vorderen Trommel verbunden ist, die zwischen der
Welle des vorderen Bläsers und einer festen Struktur des Mortors drehbar montiert ist,
wobei diese Trommel den hinteren Bläser trägt, so daß der Motor aufeinanderfolgend von
vorn nach hinten folgende Teile aufweist:
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- den vorderen Bläser,
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- den hinteren Bläser und in radialer Überlagerung den Lufteintrittsstutzen des
Gasgenerators, der von im Innern des Außenmantel des Motors angeordneten Kanälen gebildet
wird,
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- die ineinander verschachtelten Freistrahlturbinen und, in radialer Überlagerung, die
axiale Leitung des Gasgenerators,
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- die Turbine des Gasgenerators,
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- die Brennkammer,
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- die Verdichter des Gasgenerators und
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- eine ringförmige Lufteintrittskammer des Gasgenerators.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der vordere Bläser in halber Höhe der
Schaufelblätter des Bläsers mit einem Zwischenring ausgestattet sein, und es können
zwischen dem Außenring und dem Zwischenring Zwischenschaufeln angeordnet sein, die ein
radial äußeres vorderes Bläsergitter bilden, dessen Schaufelblattzahl doppelt so groß ist
wie die Zahl der Schaufelblätter des inneren Gitters.
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Weitere Merkmale gehen aus der folgenden auf die Zeichnungen bezogenen Beschreibung
hervor.
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Fig. 1 zeigt ein Turbotriebwerk gemäß der Erfindung in einem durch die Längsachse
ausgeführten Halbschnitt,
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Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht des stromaufwärtigen Bläsers in einer Ausführungsform
mit einem Zwischenring und einem äußeren Kranz, der eine größere Schaufelzahl
besitzt als der innere Kranz,
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Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer auf der stromabwärtigen Seite des
hinteren Bläsers angeordneten Einrichtung zur Änderung des sekundären
Querschnitts.
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In Fig. 1, die eine Ausführungsform eines vorderen Turbobläsers zeigt, ist der
Gasturbinenmotor 1 mit der durch eine Tragfläche 2 angedeuteten Struktur des Flugzeugs über
einen Pylonstiel 3 verbunden, dessen Konstruktion mit dem äußeren Mantel 5 des Motors
fest verbunden ist und der eine Pylonhalterung 6 aufweist, an der die Tragarme 7a und 7b
befestigt sind. Der äußere Mantel 5 des Motors besitzt einen vorderen Teil 5a und einen
hinteren Teil 5b mit einem im wesentlichen konischen aerodynamischen Profil. Die
Lagebezeichnungen "vom" und "hinten" beziehen sich auf die Bewegungsrichtung des Flugzeugs,
wenn dieses in Richtung des auf dem Flugzeugteil angebrachten Pfeils angetrieben wird.
An dem äußeren Mantel 5 des Motors sind mehrere Kanäle 8 über den Umfang verteilt, die
einen Lufteintrittsstutzen bilden und in einer ersten ringförmigen Beruhigungskammer 9
münden. In den Kanälen 8 zirkuliert die Luft von vom nach hinten. Am Ausgang der
Kammer 9 erfährt die Luft eine erste Umkehrung ihrer Zirkulationsrichtung und zirkuliert dann
von hinten nach vorn, wobei sie in einen Gasgenerator 10 eintritt, der aus bekannten und
üblichen Elemente besteht, die jedoch in einer für die vorliegende Erfindung
charakteristischen Weise von hinten nach vom in folgender Reihenfolge angeordnet sind: ein
mehrstufiger Niederdruck-Axialverdichter 11, dann ein mehrstufiger Hochdruck-Axialverdichter 12,
aus dem die komprimierte Luft in eine ringförmige Brennkammer 11 gelangt, die die
Hochdruck-Antriebsturbine 14 und die Niederdruck-Antriebsturbine 15 mit heißen Gasen speist.
Der so aufgebaute Gasgenerator 10 wird von den Tragarmen 7a und 7b gehalten und ist
über sie mit der Pylonhalterung 6 verbunden. Die Tragarme 7a und 7b sind in Höhe des
Verdichtergehäuses an dem äußerem Mantel 16 des Gasgenerators befestigt. Dies hat den
Vorteil, daß die Befestigungspunkte in einer kalten Zone liegen. Der Gasgenerator 10 wird
vorn durch eine axiale Gasausgangsleitung 17 verlängert, die die Gase in eine zweite
ringförmige Kammer 18 führt, an deren Ausgang ihre Zirkulationsrichtung ein zweites Mal
umgekehrt wird, so daß sie beim Eintritt in die Stufen der in äußerer radialer Überlappung auf
der Leitung 17 angeordneten Arbeitsturbinen von vorn nach hinten zirkuliert. Ein erster
Turbinenrotor 19 umfaßt mehrere Schaufelstufen 19a, 19b, 19c, 19d, 19e und 19f, die mit
ihren Basen auf der radial inneren Seite an einer inneren Trommel 19g befestigt sind, deren
stromabwärtiger Endbereich eine zylindrische Lagerfläche 19h bildet. Zwischen dieser und
einem Kontruktionsring 20 befindet sich ein Lager 21.
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Das radial äußere Ende der Schaufeln 18a der ersten Stufe der Freistrahlturbine 19 ist über
eine konische Abdeckung 22, die die Kammer 18 begrenzt, mit einer zentralen Welle 23
verbunden, die sich von der hinteren zur vorderen Seite des Motors erstreckt und eine
Scheibe 24 trägt, die ihrerseits den vorderen Bläser 25 trägt. Bei dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel umfaßt der Bläser 25 einen äußeren Ring 26 zur Kanalisierung der
Sekundärströmung und einen Zwischenring 27, der von Flossen der Schaufeln 28 gebildet
wird. Der Zwischenring 27 begrenzt ein äußeres Gitter, das bei der in Fig. 2 dargestellten
Varianten zwischen jedem Schaufelpaar 28a eine Zwischenschaufel 28b aufweist, so daß
das äußere Gitter doppelt so viele Schaufeln besitzt wie das innere Gitter. Diese Anordnung
soll den Widerstand des Rades gegenüber Ingestionen vergrößern. Dieser Bläser, der als
Monoblock konzipiert ist, ist aus Verbundwerkstoffen hergestellt.
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Der zweite Rotor 29 der langsamen Turbine besitzt sechs Stufen 29a bis 29f, die durch eine
äußere Trommel 29g verbunden sind. Die Trommel 29g weist einen vorderen Teil in Form
einer konischen Abdeckung 30 auf, die in einem zylindrischen Ring endet, der über einen
Flansch 31 die Scheibe 32 des hinteren Bläser 33 trägt. Dieser besitzt Schaufeln 34 und
einen äußeren Ring 35, die sich in der der Drehrichtung des Rings 26 des vorderen Bläser
entgegengesetzten Richtung drehen.
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In dem unteren Teil der Schaufeln 34 besitzt der Bläser 33 eine Zwischenplattform 36, die
einen in stromaufwärtiger Verlängerung des äußeren Mantels 5 des Motor angeordneten
Ring bildet, der einen ringförmigen Lufteintrittsstutzen 37 für die Lufteintrittskanäle 8 der
heißen Strömung darstellt. Dieser Bläser ist als Monoblock konzipiert und aus
Verbundwerkstoffen hergestellt.
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Die aus der Turbine 29 und der Bläserwelle 30 bestehende Baugruppe ist vom mit Hilfe
eines stromaufwärtigen Lagers im Innern einer vorderen konischen konstruktiven Abdeckung
38 des Motors und hinten mit Hilfe eines Lagers 40 außen auf dem konstruktiven Ringes 20
drehbar gelagert.
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Ein zwischen der zentralen Welle 23 des vorderen Bläsers und der Welle 30 des hinteren
Bläsers angeordnetes stromaufwärtiges Lager 41 ermöglicht die Drehung der Welle 23.
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Hinter den Arbeitsturbinen 19 und 29 schließt die ringförmige Gasaustrittsleitung 42 an
mehrere Kanäle 43 an, die außerhalb des äußeren Mantels des Motors münden, um
dessen Umfang sie zwischen den Lufteintrittskanälen 8 verschachtelt angeordnet sind.
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Wie oben beschrieben wurde, bildet die aus den Freistrahlturbinen 19 und 29 und den
Bläsern 25 und 33 bestehende Einheit eine modulare Baugruppe, die sich in Höhe der
Labyrinte 44, 45, 46, die die Dichtigkeit zwischen den drehenden Teilen und dem konstruktiven
Teil des Motors sichern, von vorn leicht von dem Gasgenerator 10 lösen läßt.
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Bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform haben die Schaufeln der Bläser 25
und 26 feste Anstellung.
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Sie sind, wie oben bereits erwähnt wurde, als Monoblöcke aus Verbundwerkstoff
hergestellt. Dies ermöglicht ihre Anwendung für Motoren mit sehr großem Nebenstromverhältnis,
wobei die Umfangsgeschwindigkeit der stromlinienförmigen Verkleidung kleiner als 200 m/s
ist. Der Vorteil dieser Lösung besteht in der daraus resultierenden potentiellen
Massenverringerung.
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Bei Schaufeln mit fester Anstellung kann es vorteilhaft sein, eine Querschnittsänderung der
Sekundärströmung herbeizuführen, die es ermöglicht, das Fehlen einer veränderbaren
Schaufelanstellung zu kompensieren.
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Diese Änderung des Ausgangsquerschnitts der Sekundärdüse läßt sich mit Hilfe einer (in
Fig. 1 in punktierten Linien schematisch angedeuteten) verformbaren Vorrichtung 47
bewerkstelligen, die von dem stromaufwärtigen Teil des äußeren Mantels 5 des Motors
getragen wird.
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Die verformbare Vorrichtung kann aus einer ringförmigen Außenhaut bestehen, die durch
aero- oder hydrodynamische Mittel in radialer Richtung aufgeblasen werden kann.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform kann die verformbare Vorrichtung 47 aus
einer ringförmigen Anordnung von antreibenden Längsklappen 48 bestehen, die mit ihrem
stromaufwärtigen Rand mit dem äußeren Mantel 5 gelenkig verbunden sind und an deren
stromabwärtigem Rand ein Scharnier 49 zur gelenkigen Verbindung mit angetriebenen
Klappen 50 vorgesehen ist, die auf der stromabwärtigen Seite angeordnet sind und deren
stromabwärtiger Rand in longitudinalen Gleitbahnen 51 des Mantels 5 gleiten. Die Klappen
48, 50 können durch Winden verstellt werden und bilden mit dem stromabwärtigen Teil des
hinteren äußeren Rings 35 einen Kragen mit veränderlichem Querschnitt, so daß sie eine
Querschnittsänderung des Sekundärströmungskanals ermöglichen.
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Es ist möglich, den beschriebenen Motor mit einem System zur Umkehrung der
Sekundärströmung auszustatten. Dieses System besteht aus Platten 52, die an ihrem
stromabwärtigen
Rand gelenkig mit dem Mantel 5 verbunden sind und durch Winden in radialer
Richtung verstellt werden können, um die Sekundärströmung teilweise abzudecken und die
Umkehrung der kalten Strömung zu bewirken.
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In der oben beschriebenen Ausfühmngsform sind die Bläser als Monoblockaggregate
ausgebildet.
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Die Bläser können selbstverständlich auch in herkömmlicher Weise mit trennbaren
Schaufeln ausgestattet sein, die in Vertiefungen der Scheiben 24 und 32 montiert sind, während
die Ringe 26 und 35 so ausgebildet sind, daß sie eine Montage der oberen
Schaufelplattformen ermöglichen.
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Für den Fall, daß die Schaufeln Einzelnschaufeln sind, können die Bläser mit einer
Vorrichtung zur variablen Schaufelanstellung ausgestattet sein. Die oben beschriebene
verformbare Vorrichtung zur Änderung des Querschnitts des Sekundärströmungskanal kann dann
entfallen.
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Der Vorteil einer solchen Kontruktion besteht darin, daß sie den Bau von Zug-
Bläser-Motoren mit sehr großem Nebenstromverhältnis mit und kleinem Hauptspant
ermöglicht, wodurch ihre aufgehängte Anbringung unter den Tragflächen eines Flugzeug
erleichtert wird. Diese Anbringsart ist speziell für viermotorige Flugzeuge erforderlich.