DE2025399B2 - Kombinierte Düsentriebwerke mit dem Antriebseffekt der Gegenreaktion, (Puls-Stato-Reaktor/Turbo-Reaktor) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahltriebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges kombiniertes Strahltriebwerk ist aus der FR-PS 15 86 188 bekannt. Es bietet den Vorteil, daß die Brennkammer des rotorlosen Strahltriebwerks auch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten, bei denen im Staustrahlbetrieb kein ausreichender Wirkungsgrad mehr erzielt werden kann, zur Schuberzeugung genutzt werden kann, nämlich als Nachbrenner des Gasturbinen-Strahltriebwerks, und daß der Übergang zwischen Staustrahl- und Nachbrennerbetrieb automatisch und allmählich in Abhängigkeit von dem jeweils herrschenden Betriebszustand, insbesondere der Fluggeschwindigkeit, erfolgt. Der Nachbrennerbetrieb ist jedoch wegen hohen spezifischen Brennstoffverbrauchs unwirtschaftlich und wegen Überhitzungsgefahr nur kurzzeitig möglich. Ebenfalls aus der genannten FR-PS 15 86 188 ist es bekannt, dem dadurch zu begegnen, daß man aus einem von der Gasturbine angetriebenen Niederdruckverdichter zusätzlich verdichtete Luft in die Brennkammer einbläst. Dadurch kann zwar bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten und beim Start eine gewisse Leistungsverstärkung bewirkt werden, jedoch wiederum mit einem unwirtschaftlich hohen Brennstoffverbrauch und nur innerhalb der engen Grenzen, die

ίο durch die Gefahr des Verdichter-Pumpens gesetzt sind. Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Kombinationstriebwerk zu schaffen, das bei geringem baulichen Aufwand auch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten und beim Start mit hoher Leistung und guter Wirtschaftlichkeit gefahrlos betrieben werden kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einem Strahltriebwerk nach dem Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Strahltriebwerk kann mit der darin vorgesehenen Kombination von Gasturbinen-Strahltriebwerk und Pulso-Triebwerk gerade bei den besonders kritischen Flugzuständen mit niedriger Fluggeschwindigkeit, insbesondere beim Starten, eine hohe Schubleistung in wirtschaftlicher Weise und ohne Gefahr des Verdichter-Pumpens erzielt werden. Dabei ergibt sich durch die Arbeitsweise des druckgesteuerten Ventilkörpers in den Druckphasen des Pulsobetriebes selbsttätig eine völlige Trennung zwischen den Gasströmen des Gasturbinen-Strahltriebwerks und des Pulsotriebwerks, und nur während der Spülphasen des Pulsobetriebes kann der Gasstrom aus dem Gasturbinen-Strahltriebwerk in die Brennkammer des rotorlosen Triebwerks eintreten.

Das erfindungsgemäße Strahltriebwerk kann mit Vorteil auch bei senkrechtstartenden Flugzeugen verwendet werden, weil auch bei den dann vorliegenden sehr niedrigen Fluggeschwindigkeiten das rotorlose Triebwerk im Pulsobetrieb einen starken Schub erzeugen kann. Ferner ist die Flugsicherheit erhöht, weil auch bei Ausfall des Gasturbinen-Strahltriebwerks noch genügend Schub im Pulsobetrieb erzeugt werden kann, um weiterzufliegen oder zumindest sicher zu landen.

Bei hohen Fluggeschwindigkeiten wird bei dem erfindungsgemäßen Strahltriebwerk wie an sich bekannt mehr und mehr auf Staustrahlbetrieb übergegangen; dabei dient bei reinem Staustrahlbetrieb das Gasturbinen-Strahltriebwerk als Luftturbine.

Insgesamt kann mit dem erfindungsgemäßen Strahltriebwerk bei allen Flugzuständen stets die jeweils wirtschaftlichste Betriebsart und damit stets der beste Wirkungsgrad erzieh werden, so daß im Vergleich zu anderen Strahltriebwerken gleicher Leistung der Brennstoffverbrauch beträchtlich vermindert ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Längsschnitt-Darstellung eines erfindungsgemäßen Strahltriebwerkes.

Fig.2 eine schematische Querschnitt-Ansicht in Richtung des Pfeils II der F i g. 1.

Das in den Figuren dargestellte Strahltriebwerk enthält ein Gasturbinen-Strahltriebwerk 1, dessen Auslaß 15 über ein Düsenstrahl-Kopplungsrohr 14 an den Einlaß eines rotorlosen Strahltriebwerks angekoppelt ist. Dieses rotorlose Strahltriebwerk enthält in einem rohrartigen Hauptdüsenkörper 29 einen Stauverdichter 12 in einem Lufteinlaß 21, eine stromab davon angeordnete Brennkammer 10, einen im stromaufwärtigen Bereich der Brennkammer 10 angeordneten

Brennerring 9, der in der üblichen Weise mit Brennstoff gespeist werden kann, und eine am stromabwärtigen Ende der Brennkammer 10 angeordnete Hauptstrahldüse31.

Dem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer 10 kann ein verstellbarer Anteil des von rfcm Gasturbinen-Strahltriebwerk 1 abgegebenen Gasstromes über eine von Betriebsdrücken des Triebwerks gesteuerte einstellbare Ventileinrichtung zugeführt werden. Diese Ventileinrichtung besteht hier im wesentlichen aus dem stromabw?rtigen Ende des Düsenstrahl-Kopplungsrohres 14 und einem damit zusammenwirkenden druckgesteuerten Ventilkörper, der von einem in der Strömungsachse des Triebwerks verlaufenden und axial verschiebbar gelagerten zentralen Durchlaßrohr 47 und einet an dessen stromaufwärtigen Ende vorgesehenen Ventil-Ringscheibe 52 gebildet wird. Diese Ventilscheibe ist auf ihrer Vorderseite dem Druck des aus dem Düsenstrahl-Kopplungsrohr 14 austretenden Gasstromes und auf ihrer Rückseite dem in der Lrennkammer 10 herrschenden Druck ausgesetzt. Durch die Einwirkung dieser Drücke wird die Stellung des Ventilkörpers · 47, 52 gesteuert. Je nach der Stellung dieses Ventilkörpers wird ein zwischen der Ventil-Ringscheibe 52 und dem Düsenstrahl-Kopplungsrohr 14 gebildeter Heißgaseinlaß 17 mehr oder weniger weit geöffnet, und zwar wirkt der Druck des aus dem Gasturbinen-Strahltriebwerk 1 abgegebenen Gasstromes öffnend und der Brennkammerdruck schließend auf den Ventilkörper 47, 52 ein. Die Ventil-Ringscheibe 52 arbeitet also mit dem stromabwärtigen Ende des Düsenstrahl-Kopplungsrohres 14 als druckgesteuertes Verteilerventil zusammen, durch das der aus dem Düsenstrahl-Kopplungsrohr 14 ankommende Gasstrom aus dem Gasturbinen-Strahltriebwerk in veränderlichem Verhältnis auf das zentrale Durchlaßrohr 47 und die Brennkammer 10 aufgeteilt wird. Dadurch wird bei hohen Fluggeschwindigkeiten, wenn der Brennkammerdruck infolge der zunehmenden Luft-Anlieferung aus dem Lufteinlaß 21 steigt, das rotorlose Strahltriebwerk mit seiner Brennkammer 10 mehr und mehr vom Auslaß des Gasturbinen-Strahltriebwerks 1 abgetrennt und im Staustrahlbetrieb verwendet. Umgekehrt wird bei niedriger werdenden Fluggeschwindigkeiten der Heißgaseinlaß 17 mehr und mehr geöffnet, so daß das rotorlose Strahltriebwerk zunehmend nach Art eines Nachbrenners betrieben wird.

Das stromabwärtige Ende des zentralen Durchlaßrohres 47 arbeitet mit einer zentralen Düsennadel 42 in der Hauptstrahldüse 31 zusammen.

Das rotorlose Strahltriebwerk kann wahlweise als Pulso-Triebwerk betrieben werden. Zu diesem Zweck ist am stromabwärtigen Ende des Lufteinlasses 21 ein entsprechend steuerbarer Absperrschieber vorgesehen. Dieser besteht hier aus zwei gegensinnig gegeneinander verdrehbaren ringförmigen Sektoren-Sperrscheiben 53 und 54, die jeweils vier Sektorblenden zu je 30° aufweisen, und vier stationäre Staukeilsektoren 56, die ebenfalls vier Sektorblenden von je 30° bilden. Somit kann durch Verdrehen der Sektor-Sperrscheiben der Durchschnittsquerschnitt der Verbindung zwischen dem Lufteinlaß 21 und der Brennkammer 10 zwischen 240" (alle Sektorblenden der beiden Scheiben 53 und 54 liegen hinter den Staukeilsektoren 56) und 0° (alle Sektorblenden sind gegeneinander und gegen die Staukeilsektoren 56 um 120° verdreht) verändert werden. Die Betätigungsorgane, beispielsweise Elektromagnete, für die Sektoren-Sperrscheiben 53, 54 sind nicht dargestellt; sie sind vorzugsweise so ausgebildet, daß die Sektorblenden in der gegeneinander verdrehten Schließlage in eine mit den Staukeilsektoren 56 gemeinsame Radialebene bewegt werden.

Vor den Sektoren-Sperrscheiben 53 und 54 sind Abzweigöffnungen 19 zu einem äußeren Sekundärkreis 16 vorgesehen, und die Vorderflächen der Sektoren-Sperrscheiben 53 und 54 liegen schräg zur Strömungsachse (Neigungswinkel zwischen 30 uniJ 45°), so daß bei geschlossenem Absperrschieber (Siektoren-Sperrscheiben 53,54) die sich im Lufteinlaß 2:1 stauende Luft über die dann geöffneten Abzweigöffnungen 19 in den Sekundärkreis geleitet wird. Während der Verbrennung im Pulso-Betrieb werden die Abzweigöffnungen 19 geöffnet, beispielsweise mittels Elektromagneten. Der Sekundärkreis 16 befindet sich in einem Sekundärkreis-Düsenkörper 27, der den Hauptdüsenkörper 29 mantelartig umgibt, und hat eine Luftausdehnungskammer 30, einen Sekundärkreisdüsenkanal 28 und eine Sekundärkreisdüse 41.

Das dargestellte Strahltriebwerk ist auf Senkrechtflug umschaltbar. Zu diesem Zweck sind steuerbare untere Düsenverschlußläden 46 und damit gekoppelte Düsensperrkeile 44, 45 für die Hauptstrahldüse 31 vorgesehen. Außerdem ist das Gasturbinen-Strahltriebwerk 1 um eine Horizontalachse schwenkbar (in den Figuren nicht dargestellt), so daß es von dem rotorlosen Strahltriebwerk abgekoppelt und zur Erzeugung von Vertikalschub verwendet werden kann; dabei kann das rotorlose Strahltriebwerk im Pulsobetrieb arbeiten und Horizontalschub oder wahlweise auch Vertikalschub erzeugen.

Das beschriebene Strahltriebwerk arbeitet wie folgt: Beim Start und bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten arbeitet das rotorlose Strahltriebwerk im Pulsobetrieb zusammen mit dem Gasturbinen-Strahltriebwerk 1. In einer ersten Phase, wenn in der Brennkammer 10 nur ein geringer Druck herrscht, schiebt der Düsenstrahl des Gasturbinen-Strahltriebwerks 1 die Ventil-Ringscheibe 52 und mit ihr das zentrale Durchlaßrohr 47 ganz zurück auf die zentrale Düsennadel 42, so daß der zwischen ihm und dem stromabwärtigen Ende des zentralen Durchlaßrohres 47 gebildete zentrale Auslaß 43 geschlossen wird und der ganze Gasturbinen-Düsenstrahl vom Düsenstrahl-Kopplungsrohr 14 durch den Heißgaseinlaß 17 in die Brennkammer 10 geleitet wird. Die Sektoren-Sperrscheiben 53, 54 sind geöffnet, das heißt hinter die Luftstaukeilsektoren 56 gedreht. Die sich in dem Lufteinlaß 21 stauende und dort sowie von den Luftstaukeilsektoren 56 verdichtete frische Luft tritt in die Brennkammer 10 ein und wird bis zu dem Brennerring 9 mit dem heißen Düsenstrahl zu einem Heißgas-Luft-Gemisch vermischt.

In einer anschließenden zweiten Phase wird Brennstoff über den Brennerring 9 in das Heißgas-Luft-Gemisch eingespritzt und entzündet. Dadurch steigt der Druck in der Brennkammer 10 an. Sobald der Brennkammerdruck gleich dem Druck der sich in der Einmündung vor der Brennkammer stauenden Luft wird, werden die Sektoren-Sperrscheiben 53, 54 geschlossen, und die Luft wird in den Sekundärkreis 16 geleitet. Der steigende Brennkammerdruck schiebt die Ventil-Ringscheibe 52 und das zentrale Durchlaßrohr 47 nach vorn, so daß der Heißgaseinlaß 17 zur Brennkammer 10 verengt und der zentrale Auslaß 43 erweitert wird. Dadurch strömt ein Anteil des aus dem Gasturbinen-Strahltriebwerk 1 kommenden Düsenstrahls statt in die Brennkammer 10 zur Hauotstrahldü-

se 31, und der auf das Gasturbinen-Strahltriebwerk 1 einwirkende Gegendruck verringert sich. Auf diese Weise kann die Stellung des von dem Durchlaßrohr 47 und der Ventil-Ringscheibe 52 gebildeten Ventilkörper automatisch so geregelt werden, daß das rotorlose Strahltriebwerk eine hohe Leistung im Pulso-Betrieb liefert, ohne daß das Gasturbinen-Strahltriebwerk durch zu hohen Gegendruck nachteilig beeinflußt wird.

Nach beendeter Verbrennung in der zweiten Phase des Pulso-Betriebes sinkt der Druck in der Brennkammer 10, so daß der Ventilkörper 52,47 wieder von dem aus dem Gasturbinen-Strahltriebwerk 1 kommenden Düsenstrahl nach hinten gedrückt wird und während der sich abbauenden Reaktion beim Druckausgleich in und vor der Brennkammer 10 bereits den zentralen Auslaß 43 geschlossen hat, wenn anschließend die Sektoren-Sperrscheiben 53,54 erneut geöffnet werden. Es treffen dann wiederum in der Brennkammer 10 der ganze Düsenstrahl vom Gasturbinen-Strahltriebwerk 1 und die eingeleitete frische Luft vor dem Brennerring 9 zusammen, und die schon beschriebene erste Phase wiederholt sich. Diese Vorgänge setzen sich periodisch im Takt des Pulsobetriebes fort. Wenn bei dem beschriebenen gekoppelten Pulsobetrieb bei zunehmender Beschleunigung eine kritische Geschwindigkeit erreicht wird, von der an der Staustrahlbetrieb einen besseren Wirkungsgrad als der Pulsobetrieb hat, so wird das rotorlose Strahltriebwerk vom Pulsobetrieb auf Staustrahlbetrieb umgeschaltet. Dazu wird von de pulsierenden Treibstoffzufuhr am Brennerring 9 au Dauertreibstoffzufuhr umgeschaltet, und von da ai werden bei der weiteren Beschleunigung und in Überschallflug die Sektoren-Sperrscheiben 53 und 5' nicht mehr geschlossen. Gleichzeitig wird die zentral Düsennadel 42 mittels nicht dargestellter Stellvorrich tungen so weit nach vorn geschoben, daß nac Schließen des zentralen Auslasses 43 die am vordere

ίο Ende des Rohres 47 sitzende Ventil-Ringscheibe 52 de Gegendruck auf den Düsenstrahl des Gasturbinen Strahltriebwerks auf den bei der jeweiligen Beschleuni gung und/oder Geschwindigkeit günstigsten Wirkungs grad des Gasturbinen-Strahltriebwerkes regelt. Durcl die in dieser Weise erfolgende Regelung des Gegen drucks und infolge der Tatsache, daß im Staustrahlbe trieb des rotorlosen Strahltriebwerks die Wärmeener gie des aus dem Gasturbinenstrahltriebwerk kommen den heißen Düsenstrahls im rotorlosen Strahltriebwer schon vor dem Brennerring 9 auf die in di Brennkammer 10 einströmende Frischluft übertrage und größtenteils in Antriebsleistung umgewandelt win werden sehr beträchtliche Leistungssteigerungen er zielt, insbesondere im Überschallflug, da immer mit den günstigsten Wirkungsgrad der Strahltriebwerke geflo gen werden kann.

Andere Ausführungsformen sind möglich, ohne dei Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Strahltriebwerk mit einem Gasturbinen-Strahltriebwerk und einem damit kombinierten rotorlosen Strahltriebwerk mit einem Lufteinlaß, einer stromab davon angeordneten Brennkammer, einem im stromaufwärtigen Bereich der Brennkammer angeordneten Brennerring und einer am stromabwärtigen Ende der Brennkammer angeordneten Hauptstrahldüse, wobei dem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer über eine einstellbare Ventileinrichtung ein verstellbarer Anteil des von dem Gasturbinen-Strahltriebwerk abgegebenen Gasstromes zuführbar ist und die Ventileinrichtung einen druckgesteuerten Ventilkörper aufweist, der von dem Brennkammerdruck schließend und von dem aus dem Gasturbinen-Triebwerk abgegebenen Gasstrom öffnend beaufschlagt ist, insbesondere in Form eines in der Strömungsachse der Brennkammer verlaufenden zentralen Durchlaßrohres, das an seinem stromabwärtigen Ende in die Hauptstrahldüse mündet und an seinem stromaufwärtigen Ende eine Ventil-Ringscheibe aufweist, die auf ihrer Vorderseite von dem Gasstrom aus einem an den Ausgang des Gasturbinen-Strahltriebwerkes angeschlossenen Düsenstrahl-Kopplungsrohr und auf ihrer Rückseite vom Brennkammerdruck beaufschlagt ist und mit dem stromabwärtigen Ende des Düsenstrahl-Kopplungsrohres als druckgesteuertes Verteilerventil zusammenarbeitet, durch das der aus dem Düsenstrahl-Kopplungsrohr ankommende Gasstrom vom Gasturbinen-Strahltriebwerk in veränderlichem Verhältnis auf das zentrale Durchlaßrohr und die Brennkammer aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das rotorlose Strahltriebwerk wahlweise als Pulso-Triebwerk betreibbar ist und dazu einen entsprechend steuerbaren Absperrschieber (53,54) am stromabwärtigen Ende des Lufteinlasses (21) aufweist.

2. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absperrschieber gegensinnig verdrehbare Sektoren-Sperrscheiben (53, 54) aufweist.

3. Strahltriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens eine von dem Lufteinlaß (21) zu einem Sekundärkreis (16) führende und bei geschlossenem Absperrschieber (53, 54) offene Abzweigöffnung (19).