DE2149619A1

DE2149619A1 - Turbinenstrahltriebwerk fuer senkrechtoder kurzstartende bzw. landende flugzeuge

Info

Publication number: DE2149619A1
Application number: DE19712149619
Authority: DE
Inventors: Heinrich Leibach
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1971-10-05
Filing date: 1971-10-05
Publication date: 1973-04-19
Also published as: US3867813A; FR2156083B1; GB1408309A; FR2156083A1

Description

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MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN,GMBH.

München, den 28. Sept. 1971

Turbinenstrahltriebwerk für senkrecht- oder kurzstartende bzw. landende Flugzeuge.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenstrahltriebwerk in Mehr-Wellen- und Mehr-Strom-Bauweise, vorzugsweise für senkrecht- oder kurzstartende bzw. landende Plugzeuge, wobei zumindest ein Teil des von einem Niederdruckgebläse bzw. von einem Niederdruckverdichter dieses Strahltriebwerkes geförderten Luftstromes Strahlablenkvorrichtungen zuführbar ist.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß bei mit Turbinenstrahltriebwerken ausgerüsteten Plugzeugen für den Startvorgang, insbesondere aber für den Kurz- oder Senkrechtstart, ein erheblich höherer Schubbedarf gedeckt werden muß, als normalerweise für den Reise- bzw. Horizontalflug des Plugzeuges. Dies hat zur Folge, daß das oder die Turbinenstrahltriebv/erke i.m Reiseflug relativ stark gedrosselt werden müssen. Ohne erhebliche regeltechnische Eingriffe ist es also kaum möglich, eine optimal arbeitende, wirtschaftliche Triebwerks-

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ORJGiNAL INSPECTED

anlage zu schaffen, welche einerseits den extrem hohen Auftriebsschubbedarf und andererseits den vergleichsweise dazu relativ niedrigen Reiseschubbedarf decken soll.

Bei bekannten Mehr-Wellen-Strahltriebwerken, z.B. in Zwei-Strom-Bauweise, wirkt sich demnach die eingangs erwähnte bekannte Tatsache so aus, daß für den Start, insbesondere den Kurz- oder Vertikalstart, mit Rücksicht auf einen spezifisch geringen Treibstoffverbrauch und eine relativ niedrige Strahlgeschwindigkeit - im Interesse eines geringen Lärmpegels und geringer Bodenerosionen - ein relativ hohes Bypaßverhältnis erwünscht ist (z.B. bei vom Mantelluftstrom beaufschlagten Strahlablenkvorrichtungen), während demgegenüber beim Reiseflug ein relativ niedriges Bypaßverhältnis erwünscht ist.

Weiter ist auch vorgeschlagen worden, zur Erhöhung des Schubbedarfs bei Ein- oder Mehrkreistriebwerken die Abgase oder zumindest einen Teil des Mantelluftstromes und/oder des Abgasstromes im Falle des Vertikal- · oder Kurzstartvorganges zusätzlich aufzuheizen.

Die dabei verursachten hohen Brennstoffverbräuche, hohen Temperaturen, hohen Strahlgeschwindigkeiten und damit verursachten Bodenerosionen sind jedoch Paktoren die einerseits einen kaum vertretbaren, hohen technischen Aufwand verursachen und zum anderen sich im vollen Umfange zumindest derzeit noch nicht beherrschen lassen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Rahmen der zu den eingangs genannten, bekannten Triebwerksausführungen vorgetragenen Problematik ein mehrkreisiges Turbinenstrahltriebwerk zu schaffen, welches ohne nennenswerten regeltechnischen Aufwand eine sowohl für den Start, insbesondere Kurz- oder Senkrechtstart eines Flugzeuges, als auch für den Reiseflug geeignete optimale Arbeitsweise gewährleistet. Es soll also auf relativ einfache Weise für den Start ein extrem hohes Nebenstrom- bzw. Bypaßverhältnis und für Reiseflug ein relativ niedriges Bypaßverhältnis gewährleistet sein.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung bei einem Turbinenstrahltriebwerk nach der eingangs genannten Gattung hauptsächlich vor, daß ein Niederdrucksystem (Niederdruckturbine und mit dieser über ein gemeinsames Well^ensystem verbundener Niederdruckverdichter) - nur beim Start oder der Landung, bzw. zur Verbesserung des Auftriebs des Flugzeuges vom Abgasstrom eines ein- oder mehrkreis?! gen Grundtriebwerkes angetrieben wird, hingegen beim Reiseflug die Niederdruckturbine durch Umsteuerung des Abgasstromes dieses Grundtriebwerkes

unbeaufschlagt und damit das Niederdrucksystem stillgesetzt ist.

Zweckmäßig kann die genannte Umsteuerung des Abgasstromes mittels in diesen hereinschwenkbarer Klappen erfolgen.

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Im Rahmen einer weiteren Ausbildimg des Erfindungsgegenstandes kann der Niederdruckverdichter verstellbare Leit- und/oder Laufschaufeln aufweisen, welche bei stillgesetztem Niederdrucksystem in eine neutrale, die Strömung nicht nennenswert beeinflussende Stellung schwenkbar sind.

Zur Erzielung eines extrem hohen Bypaßverhältnisses und zur Deckung eines extrem hohen Auftriebsschubbedarfs schlägt die Erfindung weiter vor, daß der Niederdruckturbine Einrichtungen zur zusätzlichen Aufheizung des vom Grundtriebwerk geförderten Abgasstromes vorgeschaltet sind.

Erfindungsgemäß kann weiter mindestens ein Laufrad eines zu einem wahlweise zuschaltbaren Niederdrucksystem gehörigen Zusatzverdichters im wesentlichen von die Luftzufuhr zum nachgeschalteten mehrkreisigen Grundtriebwerk nicht nennenswert behindernde Speichen gebildet sein, welche mit einer an deren freien Enden angeordneten Blattspitzen-Gebläsebeschaufelung eine von dem mehrkreisigen Grundtriebwerk gesonderte Verdichterluftbeaufschlagung zusätzlicher Antriebsmittel (z.B. Strahlablenkvorrichtungen) herbeiführen.

Anhand einiger Ausführungsformen in den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; in den Zeichnungen ist

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Pig. 1 die erste Ausführungsform eines nur bezogen auf die obere Hälfte als Mittellängsschnitt schematisch dargestellten Turbinenstrahltriebwerkes,

Fig. 2 die zweite Ausführungsform eines nur bezogen auf die obere Hälfte als Mittellängsschnitt schematisch dargestellten Turbinenstrahltriebwerkes, und

Pig. 3 die dritte Ausführungsform eines nur bezogen auf die obere Hälfte als Mittellängsschnitt schematisch dargestellten Turbinenstrahltriebwerkes.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 1 ist das Grundtriebwerk mit 1 bezeichnet und als Zwei-Wellen-Zweistrom-Triebwerk dargestellt, bestehend aus einem einstufigen ersten Verdichter 2 mit relativ niedrigem Druckverhältnis, dessen Laufrad 5 über eine Hohlwelle 4 mit den Laufrädern 5, 6 einer zweistufigen Turbine ebenfalls relativ niedrigen Druckverhältnisses verbunden ist. Während des Betriebes des Grundtriebwerkes 1 strömt ein Teil des vom Verdichter 2 geforderten Luftstromes in einen zwischen einem äußeren Gehäusemantel 8 und einem inneren Gehäusemantel 9 gebildeten Ringkanal lo, bzw. Bypaßkanal und von dort z.B. zur Vortriebsschuberzeugung über eine Düse 11 ins Freie.

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Ein übriger Teil des vom ersten Verdichter 2 des Grundtriebwerkes 1 geförderten Luftstromes wird einen zweistufigen Hochdruckverdichter 12 zugeführt, der mit den Laufradern IJ, 14 über eine weitere, koaxial zur Welle 4 angeordneten Hohlwelle 15 mit dem Laufrad 16 einer einstufigen Hochdruckturbine 17 verbunden ist. Der vom Hochdruckverdichter 12 weiter verdichtete Luftstrom wird im wesentlichen einer hier beispielsweise koaxial zur Triebwerkslängsachse l8 angeordneten Ringbrennkammer 19 zugeführt, in der die 'zugeführte Verdichterluft mit Brennstoff eingereichert und das entstandene Gemisch gezündet wird, um als Heißgas die Hochdruckturbine 17 und im Verlauf weiterer Entspannung der Heißgase auch die zweistufige Turbine 7 anzutreiben.

Stromabwärts eines der Turbine 7 nachgeschalteten ringförmigen Abgaskanals 2o ist hier eine von mehreren in den Abgasstrom des vorbeschriebenen Grundtriebwerkes 1 herein- bzw. aus diesem herausschwenkbaren klappen 21 dargestellt, welche gemäß der mit ausgezogenen Linien dargestellten Kontur zusammen mit den übrigen nicht weiter dargestellten Klappen an einen festen Innenwandabschnitt 22 des Ringkanals 2o schwenkbar ist, um den Abgasstrom des Grundtriebwerkes 1 in den Ringkanal Io zu leiten, in welchem eine Vermischung der Abgase mit dem vom Verdichter 2 geförderten Bypaßstrom vor dem Austritt aus der * für den Reiseschub ausgelegten Schubdüse 11 stattfindet.

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Die vorbeschriebene Grundkonzeption des Grundtriebwerkes 1 einschließlich der erläuterten Stellung der Klappen 21 ermöglicht somit eine ausschließlich für den Reiseflug optimale Triebwerksauslegung mit einem gewünschten, relativ niedrigen Bypaßverhältni s.

Durch Verschwenken der Klappen 21 in die gestrichelt dargestellte Endlage kann die Förderung des Abgasstromes des Grundtriebwerkes 1 in den Ringkanal Io abgesperrt und damit ein zusätzliches Niederdrucksystem 23 zugeschaltet werden, indem eine der Turbine 7 des Grundtriebwerkes 1 nachgeschaltete, zweistufige Niederdruckturbine 24 über den Abgaskanal 2o vom Abgasstrom des Grundtriebwerkes 1 beaufschlagbar ist. Mit den Laufrädern 25, 26 ist die Niederdruckturbine 24 über eine innere Welle 27 mit dem Laufrad 28 eines einstufigen Gebläses bzw. eines einstufigen Niederdruckverdichters 29 verbunden.

Bei in eine Förderstellung verschwenkten Lauf- bzw. Eeitschaufeln Jo bzw. 31 des Niederdruckverdichters 29 und in gestrichelt dargestellter Lage der Klappe 21 kann somit das Bypaßverhältnis des Grundtriebwerkes 1 z.B. beim Start und für den Steigflug erhöht werden, indem ein Teil des vom Niederdruckverdichter geförderten Luftstromes über einen ringförmigen Verdichtergehäuseabschnitt 32 und eine daran angesetzte Rohrleitung 33 ζ·Β. einer oder mehreren zusätzlichen Auftrieb des Flugzeugs vermitteln-

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-βStrahlablenkvorrichtungen zuführbar ist. Die von der Niederdruckturbine 24 geförderten Abgase können dabei ebenfalls über den Kanal 2^¹ einer zur Schubsteigerung z.B. nach unten gerichteten Strahlablenkvorrichtung zugeführt werden. Innerhalb der Rohrleitung 33 ist eine Absperrklappe y\ vorgesehen, die bei eingeschaltetem Niederdrucksystem 23 die Verdichterluftbeaufschlagung zu den zusätzlichen Auftriebsmitteln freigibt oder absperrt bei nicht eingeschaltetem Niederdrucksystem 23·

Bei nicht eingeschaltetem Niederdrucksystem 23 ist es weiter vorgesehen, die Lauf- und Leitschaufeln 3o, 31 des Niederdruckverdichters in eine neutrale, die Strömung zum Grundtriebwerk 1 nicht nennenswert beeinflussende Stellung zu verschwenken.

Ein Vorteil der Ausführungsform nach Fig. 1 besteht weiter darin, daß der Durchmesser der gesamten Triebwerksanlage, trotz der Möglichkeit des wahlweisen Zuschaltens des Niederdrucksystems 23,'nicht wesentlich von demjenigen des Grundtriebwerkes 1 abweicht, und zwar im Interesse eines möglichst geringen Stirnwiderstandes, da die Strömung vom Niederdruckverdichter 29 zu den zusätzlichen Auftriebsmitteln seitlich abgezweigt wird und die Beschaufelungen der Verdichter 29, 2 annähernd in einer Ebene hintereinander geschaltet angeordnet sind.

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Unter Anwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche oder in der Wirkung nicht wesentlich abweichende Elemente ist 'das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine Abwandlung von demjenigen nach Fig. 1 dahingehend, daß nach erfolgter Zuschaltung des NiederdrucksysteiHs 23 (gestrichelte Lage der Klappe 21) eine .zur Abgas- und Gebläseschubverstärkung dienende zusätzliche Aufheizung des vom Grundtriebwerk 1 geförderten Abgasstromes vorgesehen werden kann.

Hierzu 1st ein im Abgaskanal 2o vorgesehenes Brennstoffeinspritzrohr mit 55 und ein nachgeschalteter Flammhalter mit bezeichnet.

Eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispieles der Fig. 2 gegenüber Fig. 1 besteht darin, daß der vom Verdichter 2 des Grundtriebwerkes 1 geförderte Luftstrom nicht mit den Abgasen des Grundtriebwerkes 1 vor dem Austritt aus der Schubdüse 11 vermischt, sondern gesondert über einen von einem Mantelgehäuse 57 gebildeten Ringkanal 38 zur Vortriebsschuberzeugung direkt ins Freie abgeführt wird.

Eine weitere Abwandlung gegenüber Fig. 1 besteht darin, daß das Laufrad 28 des zuschaltbaren Niederdrucksystems 25 anstelle verstellbarer Laufschaufeln mit dem Verdichter 2 vorgeschalteten Speichen 59 ausgerüstet ist, die über einen das Mantelgehäuse in geeigneter Weise abdichtend durchlaufenden ringförmigen Absatz 4o mit Gebläseschaufeln 4l eines zusätzlichen, einstufigen Axialverdichters 42 versehen sind, der bei Zuschaltung des Niederdrucksystems 25 über einen ringförmigen Sammelraum 45

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und eine daran angesetzte Rohrleitung 44 nicht weiter dargestellte Strahlablenkmittel zur Auftriebserhöhung bzw. im V/STOL-Palle des Plugzeuges beaufschlagt.

Die von der hier z.B. einstufig ausgeführten Turbine 24 geförderten Abgase können bei eingeschaltetem Niederdrucksystem 23

Startüber den Kanal J4¹ ebenfalls wiederum als/Hilfe bzw. für den Senkrecht- oder Kurzstart einer hierfür geeigneten Strahlablenkvorrichtung zugeführt werden.

Im Gegensatz zu Fig. 1 setzt sich in Fig. 2 der Abgaskanal 2o des Grundtriebwerkes 1 in Form eines die Niederdruckturbine 24 bogenförmig umschließenden Kanals 45 fort, über den bei nicht eingeschattetem Niederdrucksystem 2J> (Reiseflug) die Abgase des Grundtriebwerkes 1 über die gesonderte, ringförmige Düse 11 abströmen.

In weiterer beispielhafter Abwandlung gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in Fig. 2 auch die Turbine 7 nur einstufig ausgeführt.

Das Turbinenstrahltriebwerk nach Fig. > unterscheidet sich unter Anwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile von dem Triebwerk nach Fig. 2 hauptsächlich durch die Hinzufügung eines zusätzlichen Verdichter-/Turbinensy3tems 46 zum

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Grundtriebwerk 1. Dabei ist die von den Abgasen der Turbine 7 beaufschlagte Turbine 47 über eine die innere Welle 27 des zuschaltbaren Niederdrucksystems 23 umgebende Hohlwelle 48 mit einem Verdichterlaufrad 49 verbunden, welches die Luftzuströmung zum nachgeschalteten Verdichter 2 nicht nennenswert behindernde Speichen 5o aufweist;, auf welche unter Zwischenschaltung eines strömungsgünstig profilierten Tragringes 51 die Gebläselaufschaufeln 52 eines einstufigen Zusatzverdichters 53 zur ständigen Vortriebsschuberzeugung aufmontiert sind.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Pig. 2 ist in Fig. 3 der Verdichter 2 ausschließlich Vorverdichter des Hochdruckverdichters 12. Hinsichtlich der wahlweisen Zuschaltbarkeit des Niederdrucksystems 23 ist die Ausführung und Wirkungsweise des Strahltriebwerkes nach Fig. 3 mit derjenigen nach Fig. 2 identisch.

Fernerhin ist beim Strahltriebwerk nach Fig.3 eine Vorrichtung zur zusätzlichen Aufheizung der Abgase du - Grundtriebwerkes 1 nicht -vorgesehen.

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Claims

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Patentansprüche

/1.^Turbinenstrahltriebwerk in Mehr-Wellen- und Mehr-Strom-Bauweise, vorzugsweise für senkrecht- oder kurzstartende bzw. landende Plugzeuge, wobei zumindest' ein Teil des von einem Niederdruckgebläse bzw. von einem Niederdruekverdiehter dieses Strahltriebwerkes geförderten Luftstromes Strahlablenkvorrichtungen zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niederdrucksystem (2J>) - (Niederdruckturbine und mit dieser über ein gemeinsames Wellensystem verbundener Niederdruckverdichter) - nur beim Start oder der Landung, bzw. zur Verbesserung des Auftriebs des Plugzeuges vom Abgasstrom eines ein- oder mehrkreisigen Grundtriebwerkes (l) angetrieben wird, hingegen beim Reiseflug die Niederdruckturbine (24),durch Umsteuerung des Abgasstromes dieses Grundtriebwerkes unbeaufschlagt und damit das Niederdrucksystem stillgesetzt ist.

2. Turbinenstrahltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsteuerung des Abgasstromes mittels in diesen hineinschwenkbarer Klappen (21) erfolgt.

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J). -Turbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckverdichter (29) verstellbare Leit- und/oder Laufschaufeln (j51, Jo) aufweist, welche bei stillgesetztem Niederdrucksystem (23) in eine neutrale, die Strömung nicht nennenswert beeinflussende Stellung schwenkbar sind.

4. Turbinenstrahltriebwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckturbine (24) Einrichtungen (35.» j5ß) zur zusätzlichen Aufheizung des vom Grundtriebwerk (l) geförderten Abgasstromes vorgeschaltet sind.

5· Turbinenstrahltriebwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dag mindestens ein Laufrad (28) eines zu einem wahlweise zuschaltbaren Niederdrucksystem (25) gehörigen Zusatzverdichters (42) im wesentlichen von die Luftzufuhr zum nachgeschalteten mehrkreisigen Grundtriebwerk (l) nicht nennenswert behindernden Speichen (39) gebildet ist, welche mit einer an deren freien Enden angeordneten Blattspitzen-Gebläsebeschaufelung (4I) eine von dem mehrkreisigen Grundtriebwerk gesonderte Verdichterluftbeaufschlagung von zusätzlichen Auftriebsmitteln (z.B. Strahlablenkvorrichtungen) herbeiführen.

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