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WO2006131083A1 - Ejector power plant - Google Patents

Ejector power plant Download PDF

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WO2006131083A1
WO2006131083A1 PCT/DE2005/000942 DE2005000942W WO2006131083A1 WO 2006131083 A1 WO2006131083 A1 WO 2006131083A1 DE 2005000942 W DE2005000942 W DE 2005000942W WO 2006131083 A1 WO2006131083 A1 WO 2006131083A1
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WO
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engine
circuit
ejector device
dual
flow
Prior art date
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PCT/DE2005/000942
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German (de)
French (fr)
Inventor
Birgit Bergmann
Original Assignee
Birgit Bergmann
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Filing date
Publication date
Application filed by Birgit Bergmann filed Critical Birgit Bergmann
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Priority to PCT/DE2005/000942 priority patent/WO2006131083A1/en
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02K7/10—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines
    • F02K7/16—Composite ram-jet/turbo-jet engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/601—Fluid transfer using an ejector or a jet pump
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • ZTL dual-circuit turbine air jet
  • the blower conveys relatively large air masses at a comparatively low speed - compared to the exhaust gas jet from the gas generator - in a second circuit, the so-called jacket flow (9) in the jacket chamber (7) around the gas generator.
  • the so-called bypass flow ratio the ratio between the jacket flow and the exhaust gas flow of the core engine, largely determines the degree of utilization of the turbofan, which represents the decisive advantage of the turbofan over the turbojet.
  • Novel engine design can be designed as variably and adapted to the required operating conditions as the turbofan design and is therefore just as versatile.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Jet Pumps And Other Pumps (AREA)

Abstract

The ejector power plant according to the invention utilizes the principle of the jet pump (11) to suck the casing air out of the casing space (7) of the power plant and to accelerate said casing air by means of the energy inherent in the exhaust gas jet of the core power plant (1), and as a result to generate a thrust of the power plant, instead of the energy being transmitted by means of a turbine (5) and a fan (6). This provides considerable production cost and maintenance cost savings and reduces the mass of the power plant.

Description

EtektortriebwerkEtector engine
Beschreibungdescription
1. Problembeschreibung1. Description of the problem
Die am weitesten verbreitete Antriebstechnik von modernen Fluggeräten stellen Zweikreis- Turbinen- Luftstrahl (ZTL)- Triebwerke, auch Mantelstrom- Triebwerke oder Turbofans genannt, dar.The most widespread propulsion technology of modern aircraft are dual-circuit turbine air jet (ZTL) engines, also called turbofan engines.
Diese bestehen allgemein aus einem sog. Kerntriebwerk (I)- ein Gasgenerator einerseits, welches Verdichter (2), Brennkammer (3) und Hochdruckturbine (4) zum Verdichterantrieb besitzt, und andererseits aus einer 2. /3. Turbine (5), welche die dem Abgasstrahl des Gasgenerators (8) innewohnende Energie zum Antrieb des sog. Bläsers (Fan) (6) ausnutzt. Dadurch wird vermittels der Rotation des Bläsers eine z.T. beträchtliche Erhöhung des Triebwerksschubs gegenüber einem Turbojet erzielt. Der Bläser befördert dabei relativ große Luftmassen mit vergleichsweise geringer Geschwindigkeit- verglichen mit dem Abgasstrahl des Gasgenerators- in einem 2. Kreis, dem sog. Mantelstrom (9) im Mantelraum (7) um den Gasgenerator herum. Das sog. Nebenstromverhältnis, das Verhältnis zwischen Mantelstrom und Abgasstrom des Kerntriebwerkes, bestimmt maßgeblich den Nutzungsgrad des Turbofans, welcher den entscheidenden Vorteil des Turbofans gegenüber dem Turbojet darstellt.These generally consist of a so-called core engine (I) - a gas generator on the one hand, which has a compressor (2), combustion chamber (3) and high-pressure turbine (4) for driving the compressor, and on the other hand a 2nd / 3rd Turbine (5) which uses the energy inherent in the exhaust gas jet from the gas generator (8) to drive the so-called blower (fan) (6). By means of the rotation of the fan, a partially achieved a significant increase in engine thrust compared to a turbojet. The blower conveys relatively large air masses at a comparatively low speed - compared to the exhaust gas jet from the gas generator - in a second circuit, the so-called jacket flow (9) in the jacket chamber (7) around the gas generator. The so-called bypass flow ratio, the ratio between the jacket flow and the exhaust gas flow of the core engine, largely determines the degree of utilization of the turbofan, which represents the decisive advantage of the turbofan over the turbojet.
Diese o.b. Grundkonstruktion hat viele verschiedene Varianten und stellt immer ein relativ aufwendiges und technisch anspruchsvolles Gebilde, mit entsprechend hohen Lebenszykluskosten dar und führt zu einer vergleichsweise hohen Triebwerksmasse, woran vor allem auch die 2. /3. Turbine, die meist verwendete 2-/3- Wellen- Bauart und der Bläser beteiligt sind.This o.b. The basic construction has many different variants and always represents a relatively complex and technically demanding structure with correspondingly high life cycle costs and leads to a comparatively high engine mass, which is particularly evident in the 2nd / 3rd Turbine, the most used 2- / 3-shaft design and the blowers are involved.
2. Technische Lösung2. Technical solution
Zur Vereinfachung des Triebwerksaufbaus und damit zur Verringerung von dessen Massen, des Herstellungsaufwands und damit derTo simplify the engine construction and thus to reduce its masses, the manufacturing effort and thus the
Lebenszykluskosten und zur Reduzierung anderer konstruktionsbedingterLife cycle costs and to reduce other design-related
Nachteile, und bei grundsätzlicher Wahrung der Vorteile des Turbofans gegenüber dem Turbojet, wird die Nutzung des Ejektorprinzips anstelle derDisadvantages, and if the advantages of the turbofan over the turbojet are generally preserved, the use of the ejector principle instead of the
Verwendung der 2. /3. Turbine und des Bläsers, mithin der Einbau einerUse of the 2nd / 3rd Turbine and the fan, therefore the installation of a
Ejektorvorrichtung (13) vorgeschlagen.Ejector device (13) proposed.
Dazu wird der Abgasstrahl des Turbojets (8) durch eine Einengung (15) desFor this purpose, the exhaust jet of the turbo jet (8) is narrowed (15)
Abgaskanals geführt und dort derart beschleunigt, dass ein definierterExhaust duct led and accelerated there so that a defined
Unterdruck entsteht.Negative pressure arises.
Durch Öffnungen (11) in der Wandung des Abgaskanals nach außen auf Höhe der Einengung, die in den Mantelraum (7) des Triebwerkes führen, wird Mantelluft in den Abgasstrahl gesaugt. Hinter der Einengung erweitert sich der Abgaskanal (14) auf ein Maß, welches etwa dem Querschnitt eines vergleichbaren Turbofans entspricht, wodurch der Druck im Abgasstrahl wieder ansteigt und der gesamte Abgasstrom inklusive angesaugter Mantelluft als Abgasstrahl II (12) zur Schuberzeugung genutzt wird.Through openings (11) in the wall of the exhaust duct to the outside At the level of the constriction, which lead into the jacket space (7) of the engine, jacket air is sucked into the exhaust gas jet. Behind the constriction, the exhaust gas duct (14) expands to a size that corresponds approximately to the cross section of a comparable turbofan, whereby the pressure in the exhaust gas jet rises again and the entire exhaust gas flow including the sucked-in jacket air is used as exhaust gas jet II (12) to generate thrust.
3. Vorteile3. Advantages
Da diese unter 2. beschriebene Lösung den Bau wesentlich einfacherer, leichterer Triebwerke mit deutlich geringeren Lebenszykluskosten ermöglicht, können damit wesentliche wirtschaftliche Vorteile bei der Anschaffung und Erhaltung von Fluggeräten erreicht werden. Hinsichtlich des Nutzungsgrades müssen Versuche ergeben, ob dieser vergleichbar, niedriger oder höher ist als bei vergleichbaren Turbofans, was in die Bewertung der Gesamtwirtschaftlichkeit einzufließen hat.Since this solution described under 2. enables the construction of much simpler, lighter engines with significantly lower life cycle costs, significant economic advantages can be achieved in the purchase and maintenance of aircraft. With regard to the degree of utilization, tests must show whether it is comparable, lower or higher than with comparable turbofans, which has to be included in the evaluation of the overall economy.
4. Anwendung4. Application
O.b. neuartige Triebwerkskonstruktion (Ejektortriebwerk) kann ebenso variabel konstruiert und an die geforderten Einsatzbedingungen angepasst werden wie die Turbofan- Konstruktion und ist damit ebenso vielseitig einsetzbar. If. Novel engine design (ejector engine) can be designed as variably and adapted to the required operating conditions as the turbofan design and is therefore just as versatile.

Claims

EjektortriebwerkPatentansprüche Ejector engine patent claims
1. Zweikreis- oder Mantelstrom- Triebwerk, bestehend aus 1. Kreis (genannt Kerntriebwerk, bestehend aus Verdichter, Brennkammer und Hochdruckturbine zum Antrieb des Verdichters) und 2. Kreis, bestehend aus Mantelraum mit verbindenden Öffnungen zum Abzugskanal des Kerntriebwerks1. Dual-circuit or bypass flow engine, consisting of 1st circuit (called core engine, consisting of compressor, combustion chamber and high-pressure turbine for driving the compressor) and 2nd circuit, consisting of jacket space with connecting openings to the exhaust duct of the core engine
dadurch gekennzeichnet, dass der 2. Kreis wesentlich vereinfacht wird und eine Ejektorvorrichtung im Abgaskanal des Kerntriebwerkes installiert wird zur Verringerung der Fertigungs- und Erhaltungskosten sowie der Masse des Triebwerks.characterized in that the second circuit is significantly simplified and an ejector device is installed in the exhaust duct of the core engine to reduce the manufacturing and maintenance costs and the mass of the engine.
2.1. Zweikreis- oder Mantelstrom-Triebwerk mit Ejektorvorrichtung nach Patentanspruch 1,2.1. Dual-circuit or turbofan engine with ejector device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass der 2. Kreis wesentlich vereinfacht wird und keine rotierenden Teile mehr enthält. Somit soll dieser weiterhin zwar die Mantelluft im Mantelstrom befördern, jedoch ohne rotierende Teile.that the second circle is significantly simplified and no longer contains rotating parts. Thus, this should continue to convey the jacket air in the jacket stream, but without rotating parts.
2.2 Zweikreis- oder Mantelstrom-Triebwerk mit Ejektorvorrichtung nach Patentanspruch 1,2.2 dual-circuit or turbofan engine with ejector device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Prinzip der Ausnutzung der dem Abgasstrahl des Kerntriebwerks innewohnenden Energie mittels einer oder mehrerer Turbinen (außer der des Kerntriebwerks) und Übertragung dieser Energie mittels rotierendem Antrieb des Bläsers ersetzt wird durch die unmittelbare Übertragung der dem Abgasstrahl des Kerntriebwerks innewohnenden Energie auf den Mantelluftstrom, auf dem Wege der Zusammenführung der Mantelluft mit dem Abgasstrahls des Kerntriebwerks durch eine Ejektorvorrichtung.characterized in that the principle of utilizing the energy inherent in the exhaust jet of the core engine by means of one or more turbines (other than that of the core engine) and transmitting this energy by rotating the fan is replaced by the direct transfer of the energy inherent in the exhaust jet of the core engine to the Sheath air flow, on the way of combining the sheath air with the exhaust jet of the core engine through an ejector device.
2.3 Zweikreis- oder Mantelstrom-Triebwerk mit Ejektorvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2.3 Dual-circuit or turbofan engine with ejector device according to claim 1, characterized in that
dass diese Ejektorvorrichtung im Abgaskanal des Kerntriebwerkes installiert wirdthat this ejector device in the exhaust duct of the core engine is installed
2.4 Zweikreis- oder Mantelstrom-Triebwerk mit Ejektorvorrichtung nach Patentanspruch 1,2.4 dual-circuit or turbofan engine with ejector device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass die Ejektorvorrichtung als Einziehung des Abgaskanals mit Querschnittsreduzierung und anschließender Aufweitung mit Querschnittserhöhung gestaltet wird und im Bereich der Einziehung Öffnungen nach außen in den Mantelraum des Triebwerkes geführt werden.that the ejector device is designed as a retraction of the exhaust gas duct with a reduction in cross-section and subsequent widening with an increase in cross-section, and in the region of the retraction, openings are led outwards into the jacket space of the engine.
2.5 Zweikreis- oder Mantelstrom-Triebwerk mit Ejektorvorrichtung nach Patentanspruch 1,2.5 dual-circuit or mantle flow engine with ejector device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass die Anzahl, Ausformung und Anordnung dieser Öffnungen variabel, entsprechend den Anforderungen an das Triebwerk, zu gestalten sind.that the number, shape and arrangement of these openings can be designed according to the requirements of the engine.
2.6 Zweikreis- oder Mantelstrom-Triebwerk mit Ejektorvorrichtung nach Patentanspruch 1,2.6 dual-circuit or mantle-flow engine with ejector device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass die Mantelluft des Triebwerkes über die Öffnungen in den Abgasstrahl des Kerntriebwerkes zu saugen und damit einethat suck the jacket air of the engine through the openings in the exhaust jet of the core engine and thus a
Übertragung der Energie gem. P.2.^zu erreichen.Transfer of energy acc. P.2. ^ To achieve.
2.2nd
2.7 Zweikreis- oder Mantelstrom-Triebwerk mit Ejektorvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2.7 dual-circuit or turbofan engine with ejector device according to claim 1, characterized in
dass der Querschnitt des Mantelstroms variabel entsprechend den Anforderungen an das Triebwerk gestaltet wird.that the cross section of the jacket flow is designed to be variable according to the requirements for the engine.
2.8 Zweikreis- oder Mantelstrom-Triebwerk mit Ejektorvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Mantelstroms, die Anzahl, Anordnung und Ausformung der Öffnungen und den Querschnittsverlauf des Abgaskanals aufeinander abgestimmt werden, um den höchstmöglichen Nutzungsgrad des Triebwerkes zu erzielen.2.8 dual-circuit or mantle flow engine with ejector device according to claim 1, characterized in that the cross section of the mantle flow, the number, arrangement and shape of the openings and the cross-sectional profile of the exhaust duct are matched to each other to achieve the highest possible degree of utilization of the engine.
2.9 Zweikreis- oder Mantelstrom-Triebwerk mit Ejektorvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich aus der Vermischung des Abgasstrahls des Kerntriebwerkes und des eingesaugten Mantelstroms ergebende Abgasstrahl II für den Schub des Triebwerkes genutzt wird. 2.9 Dual-circuit or mantle-flow engine with ejector device according to claim 1, characterized in that the exhaust gas jet II resulting from the mixing of the exhaust jet of the core engine and the sucked-in jacket stream II is used for the thrust of the engine.
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