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Heißstrahltriebwerk mit doppelter Kraftstoffeinspritzung zum Vortrieb
von Luftfahrzeugen Die Erfindung :hezieht @si.ch Kauf Hieaißstrahltrebweirike zum
Vortrieb- von Luftfahirzeiugen, bestehend aus einemVerdichter,einerTurbinenbrennkammer,
einer den Verdichter antreibenden Gasturbine, einer Düsenbrennkammier und einer
Rückstoß1düse mit reagelbar veränderlichem Austrittsquerschnitt. Bei Heißstrahltriebwerken,der
genannten Art wiirid die vom Veird,izhitier geförderte Lauft in ununiteribroohenem
Strom der T.urbd@nionib@r,ennikamimlor zugeführt, in wielche Kraftstoff einsgespritzt
wiird; mit dem auf chesie Weisse entstandenen Turibiin@en:treiibmitte@l wird diiie-
Gastuirhi:ne beawfscahlagt; dien Abgasen der Gasturbine, die noch -einen erheblichen
Luiftübierschuß enthalten, wird @in der nachgeschaiteiten Düsenbire@nnikammer nochmals
Kraftstoff zugeführt und, auf diie@se Weise das Düisen,treibmi.ttel auf -bereiteat,
dessen po,tentielile Energie in der Rü@clcstoß,düsie in kinetische und ,damit im
Vortrieb-sile@istung für das Luftfahrzeug umgewandelt: wird.
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Es iGt b@&l<anut, ,die VOTtri-ob@s@leiisitung van Heißstraihltri@ebwerken
der gienannten Art durch Veränderung dies Kraftstoff-Luft-Gemisches @in der Turbinenbre@nnkam@miar
regelbar zu ibeeinflusison. Dem auf diese Weise erzielten Reigelbereich ,sind jedoch
eirege Grenzen gesaatzt; die untere Grenze wird' durch die Zünidifähiiglkei-t dies
Kraftstoff-Luft-Gemisches
bei geringstem Kraftstoffgehalt und großer
Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, während die obere Grenze durch die für die Turbinenbeschaufelung
zulässige, Höchsttemperatur des Treibmittels festgelegt wird. Außerdem haftet dieser
Leistungsregelung !der Nachteil großer Trägheit an, wie folgende Überlegung zeigt;
zur Erzielung eines günstigen Wirkungsgrades einer Gasturbine muß bekanntlich -die
Treibmitteltemperatur so hoch als möglich, ,also möglichst nahe an :die obere Grenze
der zulässigen Schaufelbeanspruchungen heraufgetrieben werden. Größere Schwankungen
in der Kraftstoffmenge nach beiden Seiten rufen entweder eine Wirkungsgradverschlechterung
hervor oder bedeuten eine Gefahr für die ganze Anlage. Ein Vergrößern oder Verkleinern
der in die Türbineubrrennkammer eingeführten Kraftstoffmenge kann, damit die Treib.mitteltemperatur
annähernd gleichbleibt und vor allem ein Anwachsen über die zulässige Schaufeltemperatur
ausgeschaltet wird, nur allmählich gradwe se mit der Zu- oder Abnahme der vom Verdichter
geförderten Luftmenge erfolgen, weil ja der Verdichter mit der Gasturbine gekuppelt
ist. Daher -maß sich eine derartige Regelung, um betriehss.icher und verlustlos
zu sein, jeweils über eine größere Zeitspanne erstrecken. In gle irher Richtung
nachteilig wirkt sich die jeweils notwendige Beschleunigung oder \'erzogerung der
Verdichter- und Turbinenmassen aus.
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Demgegenüber ist aber gerade bei Luftfahrzeugen, in denen derartige
Triebwerke Verwendung finden, ,Eine schnelle Leistungserhöhung zum Starten, Steigen
und Beschleunigen des Fährzeuges unumgänglich notwendig. Da diese Spitzenleistungen,
die erheblich über der normalen Reiseleistung liegen, durch Änderung der Kr.aftstoffzumischuug
innerhalbder Turbinen@brennkammer nicht schneill genug erreichbar sind, ist vorgeschlagen
«-orden, in die Turbinen.ab,ga.se weiteren Kraftstoff zuzuführen und in besonderen
nachgeschalteten Düsenbrennkammern zu verbrennen. Diegewünschte Zusatzleistung steht
auf dieseWeise schneller zur Verfügung, da der zur Kühlung der Turbine notwendige
Luftüberschuß der Treibgase hinter der Turbine eine größere Kraftstoffmenge zu verbrennen
gestattet, ahne daß die Leistung der vorderen Maschine erhöht werden muß oder daß
der Turbinenschaufel.haustoff übermäßig erhitzt wird.
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Dieser an sich brauchbare Vorschlag stößt jedoch auf Schwierigkeiten,
-,venn die Rückstoßdüse mit veränderlichem Austrittsquerschnitt ausgebildet ist.
Eine Veränderung des Düsenaustrittsquerschnittes ist aus .den versdhie:denstert
Gründen erwünscht. Auf diese Weise kann z. B. die Treib.mittelau:strittsgeschwindigkeit
der Fahrtgeschwindigkeit oder der Flughöhe oder beiden gleichzeitig angepaßt werden,
um den günstigsten Rückstoßwirlzungsgrad einzustellen.
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Weiterhin können durch diese regelbare Veränderung des Düsenaustri:ttsquerschnittes
die in der Gasturbine und in der Rückstoßdüse verarbeiteten Anteile des Gesamtarbeitsg
efäl lesregelbar festgesetzt werden. D abei tritt jedoch die Gefahr auf, daß beim
Einschalten der zusätzlichen Kraftstoffzufuhr zur Düsenbrennkammer der Düsenaustrittsquerschnitt
für das plötzlich stark anwachsende Gasvolttmen zu eng ist. Eine schädliche Temperatursteigerung,
die sich auch auf die Turbine erstreckt, ist die Folge.
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Gemäß der Erfindung soll dieser Nachteil dadurch vermieden werden,
daß die in die Düsenbrennkammer einbringbare Höchstmenge an Zusatzkraftstoff in
Abhängigkeit von der jeweiligen Größe des Düsenaustrittsquerschnittes gesteuert
wird, derart. daß sich zu jeder Querschnittsgröße selbsttätig ein bestimmter, nicht
überschreitbarer Kraftstoffmengenhöchst-,v,-rt einstellt. Die erfindungsgemäße Lehre
kann dadurch verwirklicht werden, daß mit der Düsennadel in ihrer Längsachse eine
Zahnstange verbunden ist. in welche ein Ritzel eingreift, da.s die Längsversc'hiebung
.der Düsennadel in eine Drehbewegung umwandelt und unmittelbar oder über ein Übersetzungsgetriebe
auf eine Welle überträgt, die an ihrem Ende mit einem Außengewinde versehen ist,
welches in das entsprechende Innengewinde einer Büchse eingreift, und daß die Büchse
in einer Hülse verschiebbar gelagert ist, wobei sie durch einen in einer Nut der
feststehenden Hülse gleitenden Stift an einer Drehbewegung gehindert wird, und daß
die Büchse einen Fortsatz besitzt, welcher in einen Teil der Kraftstoffzuleitung
eingreift und den Du.rchtrittsquerschnitt regelbar verändert.
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In der Abbildung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wesenhaft
dargestellt. Das Heißstrahltriebwerk besteht aus dem innerhalb der windschnittigen
Verkleidung i liegenden, axial durchströmten Verdichter 2, der Turbinenbrennkammer
3, der Gasturbine .4 mit nachgeschalteter Düsenbrennkammer 3 und der Rückstoßdüse
6 mit veränderlichem Querschnitt. Der Verdichter 2 wird von der Gasturbine .4 über
die Welle 7 angetrieben und fördert die durch die Eintrittsdüse 8 mit Fanrtgeschwin@digkeit
einströmende Luft unter Erhöhung .ihres Druckes in die Turbinenbrennkam:mer 3, wo
ihr durch die Einspritzdüse> g Kraftstoff zugeführt wird. Zum Einleiten des Verbrennungs.vorgangcs
ist in der Turbinen@brennkammer 3 eine Zündeinriohtung
ro vorgesehen,
.die nach erfolgte-m Anfahren -abfigeschaltet werden kann. Das auf diese Weise .unter
Gleichdriudcvevbfirennung bei Luftüherschuß erzeugte Turbinentreibmittel ibeaufs
ihIagt .die Gaasturibine q. und gibt einen Teil seiner Energie zum Antrieb des Verdichters
:2 an diese ab-. Diie aus der Gasturbi.ne ,austretenden Abgase gelangen in die Düsenboemmkammer
5, in der ,unter Beimisdhunig weiteren Kradtstoffes durch @d'i!e:E.inspr!iitzidüse
z r das eigerntlndhe Trei!bmittel für das aufbereitet wird. Der Kraftstoff verbrennt
im der von dien Ab-
gasen mitgeführten Übers:chußluft durch Selbätzündiunig.
In der anschließenden RückstoßdÜse 6 wird die potentielle Energie des Treibmittels
in kinetische umgewandelt, und die zur Beschleunigung Ües Treibmittels aufgewendet--
Energie äußert .sfiiidh alis Vortrebsleiisbung für (das Luftfahrzeug.
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Die Leistung dies gesamten Trieihwerkes wird) ,durch Änderung der
.in :die beiden Brennkammerneimigeführten Kriaftsto:ffmenigemiittels besonderer
(nicht gezeichneter) Steufiergliieder in den Kraftstoffzuführumgaleibu:nigen 12
und 13 dem jeweils erforderlichen Bedarf a:ngepaßt. Es ist so z. B. möglich, mit
der Wärmezufuhr in der Turbin(enbremnkammer den Eniergi:ebedarf der Tuirb;in@e q.
und der Rüekstoßdüfisfie 6 für,die normale des Tri!eb:werkes voll zu decken, so,
:daß eine weitere Kraftstoffzuführung innerhalb der Düsenbmennkammer nur in. dem
Augenblick der erhöhten Leiistungsanforderunfig, wie beim Starben, Steigen oder
Beschleunigendes. Luftfahrzeuges, erfolgt, während in :den Übrigen Betriebshagen
.die Tunbinenabgase,dnesie Kammer lediglich durchströmen, ohne Energie aufzunehmen.
Auch können beide Brennkammern zur Erzeugung .der Reiseleistung herangezogen werden,
indem die Kraftstoffzuführung .entsprechend auf :sie verteilt wird.
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Der von dien Treiibmitteil an -diie Turbine q. abgegebene Energitanbeil
ist idumch Veränid.erunvg des Austrittsquerschnittes ,der Rückstoßdüse 6 4n einem
begrenziten B:ereieh regelbar. Der Austrittsquerschnitt der Rückstoßdüse 6 kann.
entweder, wie es in dien Aus-füh:rungsbeispiel dargestellt ist, durch Längsvers
ohieben einer kegeiligen Düsennadel 1q: odidr diurch Verstellen (nicht gezeichneter)
schwenkbarer Klappen :am Austrittsende e@rfo4!gen.
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In Richtung der Achse der kegidliigen Düsennadel 1q. 'ist eine Zahnstange
15 befestigt, in welche ein Ritzel 16 eingreift, das diie Längsverschiebung deT
Düsennadel in eine Drehbewegung umwandelt. Dass Ritzel 16 steht in WiTkverbdindun!g
mit einer Wellte 17, welche d.ie DTehbewegung uinmittelib:ar oder über ein VoLrigelege
18 auf die Welle r9 überträgt. Die Welle r9 ist an .ihrem Enfid(e- m:it einem Gewintdie
2o versehen und dreht siech in einer mit entsprechendem Innengew!inde versehenen
BuGhsie,2r, .die außen in einer feststehenden Hülse 22 verschiebbar gelagert ist.
Die Buchse 2 1 ist durch einen Stift 23, der in der Nut 24 der feststehenden Hülse
22 gleitet, an einer Drehbewegung gehindert und führt bei Drehung des Gewindes 2o
eine Längsverschiebung in Richtung der eingezeichneten Pfeile aus. Die Hülste 22
isst in ihrem O:bertein als ein Stück der Kraftstoffzufühfirtmgsltitung 13 aausgeb:i4#d!et;
,diie Gewindebuchee 21 besitzt an ihrem Oberteil einen Forts.atz 25, der den Durchtriftsqu!erscihnitt
26 der Kraftstoffzu!strömleiitung 13 .infolge- .der Längsbewegung der Buchse 21
in Abhängigkeit von der Düs ennaadeIss!te!llunig verändert und somit fiden der Düs:en#b,rennilkamrn:e#r
5 bei jeder Größe des Rücks:toßdüsenaustrittsquersch,nitteis zuführbaren Kraftstoffmengemhöchstwert
bestimmt. Dar Kradtsitoffmengenhödhstwert entspricht der Menge, die hei Vollast
des vorderen Masc'hnernsatzeis (Verdichter, Tuiribfii:nenbremnkammer, Gasturhine)
im :der Düs,enb@renn1@2,mmeir 5 höchstens zur gelangen könnte, ohne @daß :diie Gefahr
schädlichen Rückstaues in der Düsenbremnkammer entsteht. Dias Ü:be@rsetz,unfigsveirhältnis,
von der Bewegung .der Düs@enniad!el 1q. zu der des Foirtsiatzies 25 ist so gewählt,
daß sich der Höchstwert dier Kraftstoffzuführung für jeden Düs@enawsiströmquerschn:itt
selbsttätig einstellt. Eine Steuerung der Kraftstoffmenge unterhalb: dieses Weines
kann durch ein zweitfies, (nicht gezeichnetes) Steuerglied in :der Leitung
13 erfolgen, so daß die Leistung der Düsenbireninkammer bis zur oberen, Grenze
beliebig re@gelb:ar ist.
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Eine Düsenquerschnitbsänderung mit schwenkbaren Klappen kann in ähnlicher
Weise auf das Drosselglied 25 übertragen werden. Es erübrigt sich daher eine nähere
Beschreibung.