Kraftanlage zum Antrieb von Flugzeugen. Vorliegende Erfindung hat eine mit einem Kompressor versehene Kraftanlage zum Antrieb von Flugzeugen zum Gegen stand und bezweckt, den volumetrischen Wirkungsgrad des Kompressors und somit den Gesamtwirkungsgrad durch Erhöhung der die Kraftanlage durchströmenden Gas menge zu verbessern.
Dies wird bei der Antriebskraftanlage gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass als Antriebsmaschine eine Turbine vorge sehen ist, deren Antriebsfluidum zwecks Er zeugung einer das Flugzeug antreibenden Kraft nach hinten ausgestossen wird, und der Turbine ein durch dieselbe angetriebener Zentrifugalkompressor zugeordnet ist, wel cher pro Schaufelrad zwei Einlassöffnungen für das zu komprimierende Fluidum auf weist, wovon je eine auf jeder Seite der Ro tationsebene des Schaufelrades angeordnet ist.
Zweckmässigerweise besitzt der Kompres sor nebst den beiden je auf einer Seite der Rotationsebene des Schaufelrades angeord neten Lufteinlässen einen Primärdiffuser in Form einer schaufellosen radialen Auslass- kammer und einen Sekundärdiffuser, in wel chen der Primärdiffuser unmittelbar oder über eine Leitschnecke ausmündet.
Das Schaufelrad erhält hierbei am besten eine so grosse Anzahl Schaufeln, als die Kon struktion zulässt. So kann. zum Beispiel ein Schaufelrad von 480 mm Durchmesser 20 bis 30 Schaufeln erhalten. Das Schaufelrad kann mit einer solchen Geschwindigkeit angetrie ben werden, dass die Geschwindigkeit der an den Schaufelenden austretenden Luft die Schallgeschwindigkeit übersteigt.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs gegenstandes ist in der Zeichnung nebst Kon struktionsvarianten dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Kraftanlage zum Antrieb eines Flug zeuges mit dem Kompressor, der Turbine und andern zugehörigen Teilen. Fig. 2 zeigt in grösserem Massstab einen Teilschnitt durch die Turbine nebst zugehö rigen, in Fig. 1 nicht dargestellten Teilen; Fig. 3 zeigt eine schematische Darstel lung der Kompressor-Leitschnecke der Ver brennungskammer, der Turbinendüse und der Turbineneinlasskammer; Fig. 4 zeigt den Kompressor in einem achsialen Schnitt;
Fig. 5a und 5b zeigen Ansichten mit teil weisem Schnitt nach Linie 5-5 in Fig. 4; Fig. 6 zeigt einen Schnitt nach Linie 6-6 in Fig. 4; Fig. 7 zeigt einen Schnitt nach Linie 7-7 in Fig. 6; Fig. 8 zeigt einen LängsscYinitt durch den Brenner, und Fig. 9 zeigt einen zweistufigen Kompres sor.
Der in Fig. 1 dargestellte Kompressor be sitzt ein Schaufelrad 10 und ein mit Ver stärkungsrippen 13 versehenes Gehäuse 12. Seine Konstruktion wird im nachstehenden anhand der Fig. 4, 5, 6 und 7 näher beschrie ben. Die Welle besteht aus zwei Stümpfen 14 und 15, von welchen jeder einen Flansch 16 aufweist, mit welchem er an der Nabe des Schaufelrades 10 befestigt ist.
Der Wellenstumpf 15 bildet zugleich einen Teil der Welle einer Aktionsturbine 17 mit einer Einlasssehnecke 19 von gewundener Form. Die Welle 14, 15 ruht in Lagern 20.
Wie aus Fig. 4, 5a und 5b ersichtlich, ist das Schaufelrad 10 mit 20 Radialschaufeln 11 versehen, an deren Rückseite sich je eine Mittelrippe 21 befindet. Das Schaufelrad 10 besteht aus einer schmiedbaren Leichtmetall- legierung, zum Beispiel einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung. Die Nabe des Schaufelrades 10 und dessen Schaufeln 11 nebst den Rippen 21 können aus einem un- gebohrten Schmiedestück herausgearbeitet sein.
Das Gehäuse für das Schaufelrad 10 besteht aus zwei Teilen 22 und 23, die längs dem Umfang des Gehäuses mittels Flanschen 24 miteinander verschraubt sind. Jeder Ge häuseteil besitzt einen kreisförmigen Luft einlass 25, welcher sich rings um die Welle 14, 15 erstreckt. Die beiden Wandungen je des Einlasses werden durch Rippen 13 zu sammengehalten, welche vom äussern LTm- fang des Gehäuses durch den Einlass hin durch bis fast zu der Stelle hingehen, an wel cher der Eintritt der Luft in das rotierende Schaufelrad erfolgt. Es sind auf jeder Seite. rings um den Kompressor verteilt, sechs Rip pen 13 vorgesehen, welche zur Versteifung des Gehäuses gegenüber dasselbe beanspru chenden Kräften dienen.
Es sind ausserdem noch eine grössere Anzahl schmälerer Rippen 26 zum gleichen Zweck vorgesehen. Das Grössenverhältnis des Primärdiffusers 27 und des Schaufelrades ist so bemessen, dass, wie aus Fig. 5b ersichtlich, die Radialabmessung D des Primärdiffusers mindestens halb so gross ist wie der Radius P des Schaufelrades.
Die radial aus dem Schaufelrad austre tende Luft tritt zuerst in den Primärdiffuser 27 ein, welcher als schaufelfreie radiale Kammer ausgebildet ist. Das Schaufelrad wird mit einer solchen Geschwindigkeit an getrieben, dass die Geschwindigkeit der an den Schaufelenden des Laufrades aus diesem austretende Luft die Schallgeschwindigkeit übersteigt. Im Primärdiffuser 27 wird ein grosser Teil der Geschwindigkeit in Druck umgewandelt, so dass die Luft ohne Stossver luste in die den Diffuser 2 7 umgebende Leit- schnecke 28 eintritt.
Der weiteste Teil 29 (Fig. 5b) der Leitschnecke 28 mündet in eine Verbrennungskammer 30 aus, deren vorderer Teil 31 (Fig. 1 und 3) eine in der Strömungs richtung sich erweiternde Form hat und den Sekundärdiffuser des Kompressors bildet.
Der Primärdiffuser könnte auch in Form eines festen Schaufelringes ausgebildet sein, durch dessen Schaufeln die Luft vor dem Eintritt in die Leitschnecke 28 hindurch strömt.
Die Befestigung der Nabe 10 des Schau felrades -an den Wellenstümpfen 14 und 15 ist aus den Fig. 4 bis 7 ersichtlich. An jedem Wellenstumpf sitzt ein aus einem Strick mit demselben bestehender scheibenförmiger Flansch 16, in dessen Stirnfläche Radial- schlitze 33 ausgeschnitten sind. In die Schlitze 33 ragen Radialrippen 34 der Nabe 10 hinein. Ausserdem sitzt an jedem Flansch 16 ein Zapfen 35, welcher in eine Bohrung der Nabe 10 hineinragt.
Durch die Rippen und die Zapfen wird ein genauer Zusammen bau des Schaufelrades mit der Welle ermög licht und die Rippen übertragen das Dreh- inoment von der Antriebswelle auf das Schaufelrad. Die beiden Teile sind mittels Schraubenbolzen 36 und Muttern 37 anein ander befestigt, wobei die Bolzen mit dicke ren Gewindeansätzen in der Nabe eingesetzt sind, wie aus Fig. 7 ersichtlich.
Die Wellenstümpfe 14 und 15, welche vorzugsweise aus Stahl bestehen, drehen sich in Lagern 20 der Gehäuseteile 22 und 23.
Es könnte auch jeder Flansch 32 mit einer einzigen radialen Rippe von grossen Abmessungen versehen sein, welche in eine entsprechende Nut der Schaufelradnabe hin einragt.
Beim Eintritt der Luft in das Schaufel rad durch die Einlässe 25 wird dieselbe mit einem dem betreffenden Radius entsprechen den Drehmoment durch die Führungsflügel 38 angetrieben, wovon im ganzen 30 auf dem Schaufelrad vorhanden sind und von welchen jeder eine Fortsetzung einer der Schaufeln 11 bildet. Diese Führungsflügel könnten in dessen auch an den Wellenstumpfflanschen sitzen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Abwick lung des Luft- und Verbrennungsgasstromes vom Kompressor zur Turbine. Die Leit- schnecke 28 des Kompressors, in welche die Luft vom Schaufelrad her in Pfeilrichtung einströmt, mündet in die Verbrennungskam mer 30 aus, die einen schraubengangförmigen Kanal mit stetig verlaufenden Wänden bil det, dessen vorderer Teil 31, wie oben er wähnt, sich in der Strömungsrichtung er weitert. Die Verbrennungskammer 30 mün det in eine nur in Fig. 3 dargestellte Düse 39 aus.
Diese Düse 39 mündet in die spiral förmige Beaufschlagungskammer 19 der Tur bine aus, welche Kammer die Welle des '1.'urborotors rings umgibt und von welcher aus das Gas in der durch Pfeile angedeuteten Richtung die Schaufeln des Turborotors 17 durchströmt (Fig. 2).
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der Läu fer der Turbine 17 einen Wellenstumpf 42 auf, welcher durch Längskeile 43 gegen Dre hung gesichert im Wellenstumpf 15 des Kompressors eingesetzt ist. Eine Agialver- schiebung der beiden Wellenstümpfe gegen einander wird durch einen Splintbolzen 44 verhindert, welcher durch Löcher im Ge häuse 45, die normalerweise durch Stopfen 46 abgeschlossen sind, in seine Bohrung ein gesetzt oder aus derselben herausgetrieben werden kann.
Das Gehäuse 45 der Turbine ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, direkt an das Ge häuse 12 des Kompressors angebaut und ist ausserdem mit Tragarmen 47 aus einer Leichtmetallegierung verbunden, welche bügelförmig die Einlasskammer 19 umgeben und mittels Bolzen an Vorsprüngen 49 eines Ringes 50 von U-förmigem Querschnitt befe stigt sind. Der stark gehaltene Ring 50 ist an einer Seite an der Einlasskammer 19 be festigt, welche er trägt, und an der andern Seite an einem Teil der Auslassleitung 60, durch welche das Gas beim Verlassen des Turbinenrotors abströmt.
Dank dieser Konstruktion unterliegt die Einlasskammer 19 keiner andern Beanspru chung als der durch die darin befindlichen Gase verursachten, und die einzelnen Teile können leicht auseinandergenommen und zu sammengesetzt werden. Die Stützarme 47 haben ausserdem Fortsätze zur Befestigung an Vorsprüngen 59 der Rippen 13 des Kom- pressorgehäuses. Das Turbinengehäuse kann ausserdem mit einem Kühlmantel 52 versehen sein.
Der Kompressor ist im Rumpf 61 des Flugzeuges mittels radialer Vorsprünge 62 seines Gehäuses befestigt, welche an Verstei fungsrippen 63 des Flugzeugrumpfes befe stigt sind. Der Kompressor bildet den Hauptteil der Konstruktion zur Abstützung des Antriebssystemes und ist turbinenseitig mittels der in Fig. 2 dargestellten Trag- stützen 47 mit dem Auslassrohr 60 verbun den.
Durch die beiden Einlässe 25 des Kom- pressors kann eine grosse Luftmasse in den selben einströmen, welche auf irgend eine be kannte Weise zugeführt werden kann. Zum Beispiel kann die Luft durch eine passende Öffnung, welche in der Zeichnung nicht dar gestellt ist, in das Innere des Flugzeug rumpfes eingelassen werden, so dass der ganze Innenraum des Flugzeugrumpfes einen Vor ratsbehälter bildet, aus welchem die Luft an gesaugt wird. Am besten wird hierbei diese Öffnung so angeordnet, dass sie in Flugrich tung nach vorn geöffnet ist, so dass die Luft schon vor dem Eintritt in den Kompressor unter Druck gesetzt wird.
Ein Mass für die Leistungsfähigkeit des Kompressors wird durch die Verhältniszahl
EMI0004.0005
-ausgedrückt, welche im nachstehenden als Belastungsziffer bezeichnet wird. Hierin ist i' das Ansaugvolumen des Kompressors in der Zeiteinheit; -n. ist die Drehzahl des Schaufelrades und d der Durchmesser dessel ben. Die Belastungsziffer eines Kompressors der beschriebenen Art kann mit I' in Kubik metern pro Sekunde, n in Touren pro Se kunde und d in Meter, die Grösse 0,25 über steigen. Man kann beispielsweise bei einem Kompressor mit: d = 480 mm n =17 750 T/Min. ein Volumen V = 10 m2 pro Sek.
fördern, was einer Belastungsziffer von zirka <B>0,30</B> entspricht.
Beim Übertritt der Luft aus dem Kom pressor in die Turbine wird die Luft mittels einer weiter unten beschriebenen Vorrich tung überhitzt. Nach dem Verlassen der Be- aufschla.gungskammer 19 der Turbine trifft das Gas auf die Turbinenschaufeln 64, von wo aus dasselbe in einen ringförmigen Sammelraum 65 getrieben wird. Vom Sam- melraum 65 aus tritt das Gas in das Auslass- rohr 60, welches bis ans hintere Ende des Flugzeuges reicht, und bildet dort beim Durchtritt durch eine Ausstossdüse 66 einen Ausstossstrahl.
Der Sammelraum 65 ist durch die äussere Wandung des Ausstossrohres 60 und einen innern Kegel 67 begrenzt, wobei der Kegel 67 mittels Armen 68 an der Aussenwandung befestigt ist.
Fig. 8 zeigt den Brenner, der in verein fachter Weise auch in Fig. 1 dargestellt ist. Gemäss Fig. 8 ist das vordere Ende der Brennstoffdüse 68, welcher der Brennstoff unter Druck durch die Rohrleitung 69 zuge führt wird, mittels eines Stopfens 70 abge schlossen. Die Düse hat an ihrem vordern Ende eine grosse Anzahl kleiner Löcher 71, durch welche der Brennstoff in radialen Strahlen austritt. Die Luft strömt mit sehr hoher Geschwindigkeit durch die Verbren nungskammer 30, so dass die Brennstoffstrah len nicht radial austreten, sondern nach den in der Fig. 8 eingezeichneten Kurven.
An der Innenwand der Verbrennungskammer 30 ist mittels Stützen 72 ein Verbrennungsrohr 73 gelagert, welches ähnlich wie die Ver brennungskammer 30 spiralförmig verläuft (was jedoch aus Fig. 8 nicht ersichtlich ist). Dieses Verbrennungsrohr hat kreisförmigen Querschnitt und ist so um die Düse 68 an geordnet, dass die Brennstoffstrahlen, welche aus der Düse austreten, auf seine innere Wandfläche auftreffen. Unmittelbar an der Innenwand des Verbrennungsrohres besteht eine Zone mit einer Grenzschicht von ver hältnismässig geringer Geschwindigkeit, so dass sich die Brennstoffpartikel entzünden und eine Flamme bilden können. Die Flamme wird durch den in Richtung der Pfeile wir kenden Luftstrom ausgezogen.
Im Betrieb wird am besten mit einem grossen Luftüberschuss, zum Beispiel von 350% gearbeitet. Das Verbrennungsrohr 73 bewirkt in günstiger Weise eine Trennung der Primärluft und Sekundärluft bis zur Stabilisierung der Flamme. Die Primärluft für den Brennstoff strömt dabei der Innen seite des Verbrennungsrohres 73 entlang und die Sekundärluft durchströmt den Ringraum zwischen dem Verbrennungsrohr 73 und der Verbrennungskammer 30. Die beiden Luft- ströme vereinigen sich am Austrittsende des Verbrennungsrohres.
Die Löcher 71, durch welche der Brenn stoff aus der Düse austritt, liegen am besten radial in der Düsenwandung und sind nach einer grossen Anzahl Schraubenlinien ange ordnet. Zur Regelung des Brennstoffver- brauclies ist auf die Düse eine verschiebbare Hülse 74 aufgesetzt, durch welche mehr oder weniger Löcher 71 freigegeben werden kön nen. An der Hülse ist ein Stellhebel 75 an gelenkt, dessen Stellorgan durch die Wan dung der Verbrennungskammer 30 nach aussen tritt.
Die Löcher 71 könnten auch so ausge bildet sein, dass der Brennstoff aus der Düse mit einer nach rückwärts dem Luftstrom ent gegengesetzt gerichteten Geschwindigkeits komponente, das heisst in Fig. 8 nach links, austritt. Auf diese Weise wird die Relativ geschwindigkeit zwischen Brennstoff und Luft erhöht und ebenso wird auch der@Teg des Brennstoffes bis zu dessen Auftreffen auf das Verbrennungsrohr vergrössert, so dass die Zerstäubung und Verbrennung erleichtert wird. Die Verbrennung kann ausserdem durch ein Erhitzen des Brennstoffes vor seinem Austritt aus der Düse verbessert werden.
Der Reibungswiderstand des Luftstromes an der innern Fläche des Verbrennungsrohres 7 3 kann noch durch die Verwendung eines Drahtnetzes vergrössert werden, durch wel ches dem Luftstrom ein örtliches Hindernis entgegengesetzt wird. In einzelnen Fällen kann es auch erwünscht sein, das Verbren nungsrohr selbst oder dessen Auskleidung aus feuerfestem 'Material herzustellen, so dass die Innenfläche im Betrieb glühend wird.
Beim Anlassen der Maschine kann die Zündung des Brennstoffes, zum Beispiel mit einer (-z'liihdrahtvorrichtung, einem Kataly sator, einer Hochspannungszündkerze oder dergleichen bewirkt werden.
Gemäss Fig. 9, welche eine andere kon struktive Ausbildung des Kompressors zeigt, sind auf einer zusammengesetzten Welle 8t3 drei gleichachsige Schaufelräder 77, 78 und 79 montiert, welche in Schnecken 81, 82 und 83 ausmünden. Jedes Schaufelrad ist mit einem doppelten Einlass 84 versehen. Die beiden Schaufelräder 77 und 79 haben Se kundärdiffuser in Form von divergierenden schraubengangförmigen Überleitungskanälen 85, 86, welche zu Spiralkammern 87, 88 füh ren, welche die Doppeleinlässe 84 des mitt leren Schaufelrades speisen.
Die Luft tritt in die Einlässe 84 der Schaufelräder 77 und 7 8 ein und wird durch diese bis auf einen Zwischendruck verdichtet. Von dort aus wird sie zum mittleren Schaufelrad 78 geleitet, dort auf den Enddruck verdichtet, worauf sie in die Schnecke 82 ausgestossen wird. Durch diese drei gleichen Schaufelräder, wel che sich mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, wird eine zweistufige Kompression erzielt. Die Einlässe des mittleren Schaufel rades 78 sind zweckmässig mit Leitschaufeln versehen, um die Drehbewegung der Luft aufzuheben oder zu verringern.