-
Turbinenstrahltriebwerk Es ist bekannt, die Wirtschaftlichkeit von
Strahltriebwerken zur Vortriebserzeugung dadurch zu verbessern, daß man dem eigentlichen
Strahltriebwerk, welches aus einem Verdichter, einer Brennkammeranlage und einer
Turbine mit Enddüse besteht, einen zusätzlichen Luftstrom hinzufügt, der sich gewissermaßen
als Ballastluft dem in der Turbine expandierten Gas zumischt und vor der Expansion
in der Enddüse die sich entspannende Gasmenge vergrößert, die Temperatur und Austrittsgeschwindigkeit
des Gases dagegen verkleinert. Hierdurch wird in bekannter Weise eine Verbesserung
des Strahlwirkungsgrades und damit eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt.
Die Ballastluft muß nun natürlich vor der Mischung mit dem Gas hinter der Turbine
auf dessen Druck verdichtet werden, d. h. also, auf den Anfangsdruck der Entspannung
in der Enddüse.
-
Der ArbeitsprozeB von Strahltriebwerken mit Rückstoßerzeugung ist
allgemein bedingt einerseits durch die Wirtschaftlichkeit der thermodynamischen
Vorgänge und andererseits durch die Umsetzung der Strömungsenergie des austretenden
Gases in Vortriebsleistung. Der letztere Vorgang wird bei den hier auftretenden
Geschwindigkeiten im . allgemeinen mi_t zunehmenden Druckverhältnissen innerhalb
des Triebwerks, also zunehmenden Austrittsgeschwindigkeiten infolge Abnehmens des
Strahlwirkungsgrades ungünstiger, während die thermodynamischen Vorgänge in dem
hier in Betracht
kommenden Bereich mit zunehmendem Druck in der
Brennkammer ansteigen.
-
Da nun bei einem Triebwerk mit Zumischung von Ballastluft die Wirtschaftlichkeit
der Umsetzung der Strahlenergie fast unabhängig gehalten werden kann vom Druckverhältnis
der Entspannung in der Turbine, ist es eine Eigenart dieser Triebwerke, daß man
mit Rücksicht auf eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades höhere Verbrennungsdrücke,
also eine wesentlich höhere Verdichtung der Verbrennungsluft vorteilhaft benutzen
kann. Eine solche hat nun zur Voraussetzung, daß der Verdichter eine größere Stufenzahl
hat. Die damit verbundenen Komplikationen in bezug auf Raumbedarf, kritische Drehzahl,
Gewicht und zusätzliche Maßnahmen, um ein derart langes Triebwerk einerseits leicht
und andererseits gegen Verziehungen bei den durch die hohe Verdichtung auftretenden
Temperaturen sicher zu bauen, liegen auf der Hand. Dazu kommt, daß durch eine Verlängerung
des Triebwerks auch der Luftwiderstand nennenswert größer wird, was bei den sehr
hohen hier in Betracht kommenden Fluggeschwindigkeiten von be= _-sonderer Wichtigkeit
ist. Dabei ist zu bedenken, daß bei dem mit zwei Strömen arbeitenden Triebwerk auch
noch der zweite Verdichter, die Düsenschraube, für die Ballastluft untergebracht
werden muß, was, da dieser Verdichter j a kaum anders als konzentrisch auf gleicher
Welle angeordnet werden kann, trotz der meist viel kleineren Förderhöhe dieses Verdichters
in den meisten Fällen eine weitere Verlängerung des Gesamttriebwerks verursacht.
-
Diese Schwierigkeiten sollen erfindungsgemäß dadurch beseitigt werden,
daß die Turbine als Verpuffungsturbine ausgebildet ist, so daß die Zahl der Verdichterstufen
der beiden Luftströme einander angenähert wird. Hierdurch kann gegebenenfalls die
Verdichtung der Ballastluft und der Verbrennungsluft im gleichen Verdichter vorgenommen
werden, wobei von der im folgenden allgemein als Ballastluft bezeichneten, von der
Verbrennungsluft vor den Brennkammern abgespaltenen Luft, wie später beschrieben,
noch weitere Zweigströme zu Kühlzwecken abgezweigt werden können. Diese gemeinsame
Verdichtung der Verbrennungs- und Ballastluft ist insbesondere dadurch möglich,
daß, da mit dem Verpuffungsvorgang eine wesentliche Drucksteigerung verbunden ist,
die Vorverdichtung der Luft vor der Verpuffungskammer nur verhältnismäßig klein
zu sein braucht, um günstige Wirkungsgrade zu erzielen. Die Annäherung der hierdurch
notwendigen Förderhöhe des Verbrennungsluftverdichters an die Förderhöhe der Düsenschraube
schafft die Möglichkeit, mit einem einzigen Verdichter für beide Luftströme auszukommen.
Da diese Verdichtung außerdem nur verhältnismäßig sehr gering zu sein braucht, wird
die Stufenzahl auch bei axialer Bauart sehr klein, der Verdichter sehr kurz und
die Gesamttriebwerkslänge erheblich geringer. Außerdem ergibt sich eine große Anzahl
von konstruktiven und sonstigen Vorteilen, die in bezug auf Betriebssicherheit,
Gesamtwirkungsgrad, Gewicht, Baulänge und andere Eigenschaften das mit Verpuffung
arbeitende Zweikreistriebwerk gegenüber dem normalen mit Gleichdruckverbrennung
arbeitenden weit überlegen machen.
-
Durch die geringere Verdichtung werden die letzten Schaufeln länger,
die sonst, insbesondere sofern sie von der Verbrennungsluft allein durchströmt werden,
leicht die Untergrenze des günstigen Längenbereichs erreichen, was bei höherem Enddruck
vielfach nur durch eineDurchmesserverkleinerung möglich ist, die eine für das Turbinenrad
unzulässige Drehzahlerhöhung zur Folge haben würde. Die größeren Schaufeln haben
gleichzeitig eine Verringerung der Spaltverluste, also der Luftrückströmmengen zur
Folge. Eine weitere Verbesserung in dieser Beziehung wird dadurch erzielt, daß die
kürzere Verdichterlänge auch bei Aufrechterhaltung einer ausreichend hohen kritischen
Drehzahl eine Ausführung des Verdichters aus Einzelrädern erlaubt, während sonst
meist aus diesem Grunde eine Trommelkonstruktion erforderlich ist, die eine Abdichtung
auf sehr großem Durchmesser erfordert. Durch die kleineren Leckverluste in den Labyrinthen
unmittelbar an der Welle wird also der Verdichterwirkungsgrad weiter verbessert,
zumal die geringere zu übertragende Leistung und die günstigeren Verhältnisse bezüglich
kritischer Drehzahl einen kleineren Wellendurchmesser zulassen. Die Radkonstruktion
hat weiter gegenüber der Trommel den Vorteil, daß die Fliehkräfte bei weit höheren
Umfangsgeschwindigkeiten noch beherrschbar sind, so daß also die Drehzahlen erhöht
und somit wiederum Gewicht und Raum gespart werden können.
-
Des weiteren sind höhere maximale Temperaturen in der Verpuffungskammer
möglich, einmal im Vergleich zum Strahltriebwerk ohne Ballastluft infolge der Zulässigkeit
größerer Turbinengefälle und zum anderen im Vergleich zum Zweikreistriebwerk mit
Gleichdruckverbrennung infolge der wechselnden Temperatur des strömenden Mittels
und der dadurch bedingten geringeren Gefährdung der Kammern, Düsen, des Rades usw.
Diese höhere Temperatur hat eine Senkung des erforderlichen Gasdurchsatzes zür Folge,
also eine Verminderung der Schaufellänge und Fliehkräfte, was in den von Verbrennungs-
und Ballastluft gemeinsam durchströmten Schaufeln. insbesondere der Turbine, von
Wichtigkeit ist. Die Schaufelfestigkeitsverhältnisse werden gegenüber dem Zweikreistriebwerk
mit Gleichdruckverbrennung dadurch weiter verbessert, daß die bei diesem auftretenden
hohen Verdichterendtemperaturen, die eine Ausführung des ganzen Verdichters aus
Leichtmetall verbieten, wegfallen und dadurch in allen Stufen Leichtmetall verwandt
werden kann, was bei den verhältnismäßig großen Dimensionen dieser Teile bei Flugzeugtriebwerken
stark mitspricht.
-
Besonders wichtig sind noch zwei Gesichtspunkte, die für die Kombination
des Zweikreistriebwerks mit dem Arbeitsprinzip der Verpuffungsturbine noch weitere
Vorteile ergeben, ' und zwar erstens die Tatsache, daß sämtliche Leckgasmengen aus
der Brennkammer zwangläufig in den Ballastluftstrom gelangen und somit noch nutzbar
gemacht werden.
Dies ist wichtig, weil die Absperrorgane, die insbesondere
auf der Auslaßseite als normale Auslaßventile zu konstruieren wegen der sehr hohen
Temperaturen Schwierigkeiten macht, vielfach als Steuerorgane ausgebildet werden,
die keinen absolut dichten Abschluß, sondern nur eine sehr starke Drosselung nach
außen bewirken. Der andere Gesichtspunkt, der beim ZTL-Verpuffungstriebwerk besonders
günstig liegt, ist die Tatsache, daß die Schwierigkeit des Zusammenwirkens eines
kontinuierlich wirkenden Verdichters mit einer periodisch Luft aufnehmenden Kammer,
die durch das starke Schwanken der Entnahmemenge Schwingungen im Verdichter und
insbesondere beim Axialverdichter starke Wirkungsgradeinbußen zur Folge hat, hier
vermieden wird, da während der Schlußzeiten des Kammereinlasses die Luft als zweiter
Kreis die Kammer umströmt, wobei sie diese gleichzeitig auch noch kühlt.
-
Aus dem zuletzt besprochenen Gesichtspunkt heraus wird erfindungsgemäß
des weiteren vorgeschlagen, den Einlaß in die Verpuffungskammer so in die aus dem
Verdichter abströmende Luft hineinzulegen, daß, sofern die verdichtete Luft nicht
in die Brennkammer eintreten kann, sie die Kammer als Ballastluft umströmt. Hierdurch
wird für den Verdichter gewissermaßen eine zeitlich abwechselnde Lieferung von Verbrennungsluft
und Ballastluft vorgesehen, was jedoch infolge der verhältnismäßig hoch anzunehmenden
Periodenzahl des Arbeitsprozesses trotzdem eine gute Mischung in dem Raum hinter
der Turbine ergibt. Gleichzeitig wird hierdurch also eine kontinuierliche Förderung
des Verdichters gewährleistet. Ob während des Einströmens in die Kammer die gesamte
Umströmung der Kammer vollständig verhindert wird, so daß also während der Ladung
der Kammer gar keine Ballastluft die Kammern umströmt, oder ob eine gewisse Menge
von Luft fortgesetzt als Ballastluft strömt und nur mit einem Teil der Luft der
beschriebene, zeitlich wechselnde Vorgang durchgeführt wird, ist eine Anwendungsvariante,
die den grundsätzlichen Erfindungavors.chlag nicht berührt.
-
Ein weiterer nicht zu unterschätzender Vorteil des Verpuffungsprinzips
gerade in Anwendung auf das Strahltriebwerk mit zwei Luftströmen liegt darin, daß
das Anlassen und Ingangsetzen der Turbine sehr einfach ist, da ohne Vorverdichtung
durch die Gleichraumverbrennung ein Moment geschaffen wird. Im Gegensatz hierzu
macht das Ingangsetzen bei einem mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Triebwerk
gerade bei zwei Luftkreisen besondere Schwierigkeiten, weil beim Andrehen die Drehzahl
so weit gesteigert werden muß, bis die Leistung der Turbine nicht nur in der Lage
ist, die mechanischen Verluste des ganzen Triebwerks zu decken, sondern auch noch
die Kompressionsleistung der gesamten Verbrennungs- und Ballastluftmenge bei der
betreffenden Drehzahl aufgebracht werden muß. Diese erhebliche Schwierigkeit des
Gleichdruckzweikreistriebwerks fällt bei Verpuffung fort. Der Luftstrom, der also
in dem gemeinsamen, beispielsweise größenordnungsmäßig zwei-bis fünfstufigen Axialgebläse
oder aber auch in einem einstufigen Radialkompressor in entsprechendem Maße verdichtet
worden ist, trifft nun hinter der Turbine mit dem aus dieser austretenden Gas zusammen
und mischt sich mit ihm. Bei gleichzeitiger Betrachtung der Verhältnisse in thermodynamischer
Beziehung wie auch bezüglich Einbau, Raum und Gewicht werden nun günstige Verhältnisse
erzielt, wenn eine irgendwie nennenswerte Verdichtung der Brennkammerluft über den
Druck der Ballastluft hinaus nicht stattfindet. Deswegen soll erfindungsgemäß die
Verdichtungsförderhöhe beider Luftströme übereinstimmen, gegebenenfalls sogar die
Luftströme in den gleichen Schaufeln verdichtet werden, also vollständig ineinander
übergehen. Lediglich um die Spülung der Brennkammer, die zunächst ja von der Austrittsenergie
der Luft aus der letzten Verdichterstufe schon weitgehend übernommen wird, noch
darüber hinaus zu verbessern und zu beschleunigen und dadurch die Zahl der Arbeitsspiele,
also die Leistung des Triebwerks möglichst zu vergrößern, kann gegebenenfalls nach
Trennung der beiden Luftströme im Brennkammerluftstrom noch eine kleine Spüldruckdifferenz
geschaffen werden. Hierfür dürften im allgemeinen eine, höchstens zwei Axialgebläsestufen
voll ausreichen.
-
Des weiteren soll gemäß der Erfindung das Gas in der Turbine nicht
stärker entspannt werden, als es der Druckerhöhung der Verpuffung entspricht. Eine
Ausnutzung der Austrittsenergie des Gases aus der Turbine in einem angeschlossenen
Diffusor ändert hier nichts wesentlich. Da der Ballastluftstrom, der außerhalb bzw.
auch innerhalb der Kammer usw. entlang strömt und dabei auch noch kühlend wirken
kann, auch eine ins Gewicht fallende Druckänderung nicht erfahren soll, kann das
Triebwerk weiter erfindungsgemäß so ausgebildet sein, daß der Druck vor der Verbrennungskammer
bzw. der Spülstufe mit dem Druck hinter der Turbine bzw. dem Diffusor im wesentlichen
übereinstimmt.
-
Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung beispielsweise an zwei
Ausführungsformen des neuen Triebwerks, und zwar zeigt jeweils schematisch in einem
Querschnitt Abb. i ein Zweikreistriebwerk mit einem dreistufigen Axialverdichter
und Abb. 2 eine andere Ausführung mit einem Radialgebläse.
-
In beiden Abbildungen bezeichnet i ein stromlinienförmiges Gehäuse
bekannter Ausführung mit Enddüse, in dem um eine mittlere Welle 2 herum eine ringförmige
Brennkammer 3 oder ein Ring von Brennkammern angeordnet ist. Die Brennkammer ist
als Verpüffungskammer ausgebildet und mit Einlaßventilen 4 und Auslaßventilen 5
versehen, die über ein Getriebe von der Welle 2 aus in geeigneter Weise betätigt
werden. Sie ist in dem Gehäuse i zweckmäßig so angeordnet, daß der Ballastluftstrom
sowohl außen (zwischen Kammer 3 und Gehäuse i) als auch innen (zwischen Kammer 3
und Welle 2) vorbeiströmen kann. Am rückwärtigen Ende der
Welle
2 ist auf dieser ein Turbinenlaufrad 6 befestigt. Die Turbine kann natürlich auch
mehrstufig ausgebildet sein.
-
Bei der Ausführungsform nach Abb. i Treibt die Turbine über die Welle
.2 und ein Getriebe 7 einen beispielsweise dreistufigen Axialverdichter 8 an, der
die Verbrennungs- und die Ballastluft in einem gemeinsamen Luftstrom fördert. Der
Verlauf der Luftströmung ist im einzelnen durch Pfeile angedeutet.
-
Die Wirkungsweise des Triebwerks ist ohne weiteres verständlich. In
der Brennkammer 3 wird Brennstoff, der durch nicht dargestellte Düsen in diese eingespritzt-
wird, mit Luft gemischt und entzündet. Das unter dem Verpuffungsdruck durch die
Auslaßventile 5 abströmende Abgas treibt das Turbinenlaufrad 6 an, entspannt sich
dann in der Enddüse unter Zusatz von Ballastluft und erzeugt durch seine Rückstoßwirkung
den Vortrieb des Triebwerks. Die Turbine treibt den Verdichter 8 an, und die von
diesem geförderte Luft strömt teils abwechselnd als Verbrennungs- und als Spülluft
durch die Brennkammer 3 hindurch und teils als Ballast- und Kühlluft um diese herum.
-
Bei der in Abb. 2 dargestellten Ausführungsform wird die Luft durch
ein Radialgebläse 9 verdichtet, das wiederum durch die Turbine über die Welle 2
und ein Getriebe 7 angetrieben wird. Im übrigen sind der Aufbau und die Wirkungsweise
des Triebwerks im wesentlichen die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
Hinter dem Turbinenlaufrad 6 ist noch ein Diffusor io vorgesehen. Diese zweite Ausführungsform
hat den Vorteil, daß der Läufer des Verdichters nur aus einem Rad besteht, das fliegend
angeordnet sein kann, so daß der Läufer des gesamten Triebwerks nur zweimal gelagert
zu werden braucht. Dadurch fällt eine Reihe von konstruktiven Schwierigkeiten fort,
wie die sonst notwendige biegsame Kupplung, die für so große Leistungen und Drehzahlen
beträchtliche Schwierigkeiten bereitet, ferner die Halterung des vorderen dritten
Lagers um den ganzen Verdichter herum USW.
-
Wenn die Förderhöhe des Läufers allein genügt, kann die Luft unmittelbar
hinter dem Rad in die Kammer eintreten, wobei dann infolge der hohen Luftgeschwindigkeit,
die zum Spülen usw. ausreicht, die Nachschaltung einer Spülstufe- sich erübrigt,
oder aber es kann, wie in Abb. 2 dargestellt, die Laufradaustrittsgeschwindigkeit
in normaler Weise in einer Spirale i i umgesetzt werden, die gegebenenfalls über
einen zwischengeschalteten Ringraum 12 in die Verpuffungskammer 3 und den Ballastluftringraum
übergeht.