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Dokumentenidentifikation DE19515966C2 09.05.1996
Titel Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub und Fluglagensteuerung
Anmelder Kastens, Karl, Dipl.-Ing., 27432 Bremervörde, DE
Erfinder Kastens, Karl, Dipl.-Ing., 27432 Bremervörde, DE
DE-Anmeldedatum 02.05.1995
DE-Aktenzeichen 19515966
Offenlegungstag 19.10.1995
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.05.1996
IPC-Hauptklasse F02K 3/02
IPC-Nebenklasse F02K 3/072   F04D 17/06   

Beschreibung[de]

Die im folgenden beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub und Fluglagensteuerung, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.

Die Konzeption zukünftiger Überschallflugzeuge ist in erster Linie abhängig von ihrem Antrieb und zielt auf eine bessere Energieausnutzung, Verminderung der Schadstoffemissionen sowie der Startlärmreduzierung.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurden bereits unterschiedliche Triebwerkskonzepte vorgestellt und im Vergleich mit einem Referenztriebwerk auf ihr Betriebsverhalten hin untersucht (Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt, Jahrbuch 1994 II, Vortrag 94-F4-103, Seiten 657-666, Leistungs- und Emissionsverhalten zukünftiger Überschalltriebwerke - F. Deidewig, A. Döpelheuer, M. Lecht, DLR - Institut für Antriebstechnik).

Bei einem dieser untersuchten Konzepte wird zur Verringerung des Stirnwiderstandes der Fan zwischen den Nieder- und Hochdruckverdichter verlegt und die Schubdüse sowohl im engsten als auch im Austrittsquerschnitt regelbar ausgeführt, so daß auch bei vollständiger Expansion des Arbeitsgases der Düsendurchmesser den Triebwerksquerschnitt nicht überschreitet. Bei einem weiteren Konzept wird die Arbeitsluft des innenliegenden Fans in die äußere Bypassdüse geleitet und der Niederdruckverdichter aus dem äußeren Bypasskanal separat mit Frischluft versorgt, die sich dann nochmals in einen inneren Bypass und einen Kernmassenstrom aufteilt. Hierdurch wird eine Minderung des Startlärms sowie eine Senkung des Brennkammereintrittsdruckes erzielt. Der thermische Wirkungsgrad erfährt ebenfalls durch das Verdichten kalter Arbeitsluft eine Verbesserung.

Ein drittes Konzept arbeitet mit zwei ventilgesteuerten Bypassströmen, die dem jeweiligen Flugzustand angepaßt werden und die in der Start- und Steigphase auf mäßigen Nebenstrom geregelt sind, während im Überschallflug reiner Jet-Betrieb vorherrscht.

In dem anschließend aufgestellten Vergleich mit einem Referenztriebwerk werden diese drei untersuchten Triebwerke bezüglich der NOx-Emissionen deutlich schlechter als das Referenztriebwerk eingestuft. Der Grund dafür liegt in dem erhöhten Brennkammereintrittsdruck bzw. der erhöhten Turbineneintrittstemperatur. Die Schubstrahlaustrittsgeschwindigkeiten dagegen und damit die Lärmintensität werden wegen des Wegfalls des Nachbrenners sowie der Erhöhung des Nebenstromverhältnisses drastisch gesenkt. Die ebenfalls festgestellte Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist bevorzugt auf den Nachbrennerverzicht zurückzuführen. Das sowohl von der Konstruktion als auch vom Strömungsprozeß her überzeugendste erste Konzept kann allerdings die Flugleistungen des Referenztriebwerks aufgrund des großen Nebenstromverhältnisses nicht erreichen.

Hinsichtlich des erfindungsgemäß verwendeten Kreiszylinders ist anzumerken, daß mit der DE 43 21 175 C2 bereits eine Ausführung vorbekannt ist, die auf beiden Stirnseiten gelagerte Kreiszylinder besitzt, denen von den Laufschaufeln eines Meridianverdichters Strömungsenergie zugeführt wird, deren Geschwindigkeitsvektor quer zur Drehrichtung der Kreiszylinder verläuft. Der Antrieb dieser Kreiszylinder erfolgt durch eine Turbinenstufe des Gaserzeugers.

Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß eine zentripetal gerichtete Verdichterströmung mit Hilfe der Kreiszylinderzirkulation verlustlos umgelenkt wird, um daraufhin in die zentrifugale Strömungsrichtung des Verdichters einzutreten. Mit dieser Anordnung ist es möglich, das Tangentialgebläse aus dem Zustand des Geschwindigkeitserzeugers in einen Druckbereich zu versetzen, der zur Energieanhebung der Eintrittsluftmasse von Überschall-Turbotriebwerken Verwendung finden soll. Dieser Vorteil wird jedoch dadurch geschmälert, daß die erforderlichen Bauelemente den Stirnquerschnitt des Turbotriebwerks vergrößern, wodurch dessen Einsatz als Flugzeugüberschallantrieb nicht zweckmäßig erscheint.

Bezüglich der erfindungsgemäß angeordneten Verdichterturbine wird darauf hingewiesen, daß sich seit langem eine strömungsmäßig ähnliche Ausführung im praktischen Betrieb befindet, die als Pumpenturbine bekannt ist und in Wasserkraftwerken Verwendung findet (Voith Forschung und Konstruktion, Heft 12, Dezember 1964, Aufsatz 2 - W. Thuß, J. Hilgendorf - Rohrturbinen als axiale Pumpenturbinen).

Bei dieser Strömungsmaschine wird ein axiales Laufrad z. B. von links angeströmt und fungiert damit als Turbine. Der Betrieb kann dann umgeschaltet werden, so daß das axiale Laufrad bei entgegengesetzter Drehrichtung von rechts beaufschlagt wird und so als Pumpe arbeitet. In diesem Falle wird das Schaufelprofil des Laufrades dann von der Austrittskante her angeströmt. Diese Maßnahme verringert den Bauaufwand zwar erheblich, reduziert aber naturgemäß dabei den Wirkungsgrad, der jedoch wegen der verhältnismäßig kurzen Einsatzzeit bei den in Betrieb befindlichen Maschinen akzeptiert wird. Für eine Triebwerkskomponente ist ein solches Strömungsverhalten allerdings nicht verwendungsfähig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge zu konzipieren, das bei Erhöhung der Prozeßtemperatur eine Senkung sowohl des Kraftstoffbedarfs als auch der NOx-Emission bei reduzierter Startlärmabstrahlung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 dargelegten Merkmale gelöst.

Der beschriebene Stand der Technik läßt die Gegensätzlichkeit erkennen, mit der ein zukünftiges Überschallantriebskonzept behaftet ist. Zum einen erscheinen nur Triebwerke ohne Nachbrenner sinnvoll, zum anderen kann auf das Enthalpiegefälle der Nachverbrennung nicht verzichtet werden und beim Ausweichen auf einen höheren Massendurchsatz wächst der Triebwerksquerschnitt unzulässig an.

Die im Nachverbrennungsprozeß zugeführte Primärenergie hat jedoch einen hohen Energiegehalt, der nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik nur eingeschränkt in Schub umgewandelt werden kann, während ein erheblicher Teil nach Verlassen der Schubdüse zu Anergie wird, die mit zuviel verbrauchtem Kraftstoff identisch ist und die Flugstreckenlänge des Triebwerks vermindert.

Erfindungsgemäß wird daher der Strömungsvektor des Gaserzeugers nach Verlassen des verstellbaren Ausgangsleitgitters auf den rotierenden Kreiszylinder gelenkt und mit dessen Kreisströmungslinien überlagert (Die Naturwissenschaften, 13. Jahrgang, Heft 6, 6. Februar 1925 insbesondere Seite 96, Abb. 6 u. 7, Magnuseffekt und Windkraftschiff, L. Prandtl, Göttingen; Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt, 16. Jahrgang 1925, 3. Heft, insbesondere Seiten 51 u. 52, Abb. 17 u. 18. Neuere Untersuchungen der Aerodynamischen Versuchsanstalt, Göttingen - J. Ackeret).

Der Kreiszylinder mit dem ihn umgebenden Strömungszustand ist als System anzusehen, in dem ein Überlagerungsprozeß unter Entropieerzeugung ohne äußere Zufuhr von Wärme oder mechanischer Energie stattfindet. Zum Bewegen des Kreiszylinders ist lediglich die Lagerreibung zu überwinden.

Dieser nichtumkehrbare Prozeß im Inneren des Systems wird als Generierung von spez. Dissipationsenergie definiert, d. h. einer Zunahme der inneren Energie des Triebwerksprozesses.

Abhängig von der Drehrichtung des Kreiszylinders erscheint dieser Energiezuwachs als Enthalpieerhöhung mit Geschwindigkeitsabsenkung oder als Enthalpieverminderung bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit.

Die beim Magnuseffekt gleichzeitig ablaufenden Bewegungsphasen der Strömungsbeschleunigung bzw. Verzögerung des Durchsatzes, deren Überlagerungsmaximum streng genommen nur auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien stattfindet, werden erfindungsgemäß zeitlich getrennt, so daß jede Phase auf dem gesamten Querschnittsbereich der Kreisströmungslinien voll wirksam ist. Die durch den Überlagerungsprozeß gewonnene spez. Dissipationsenergie wird zum Antrieb der Schubturbine sowie der Verdichterturbine genutzt und von diesen in Schub umgewandelt.

Dabei ist es vorteilhaft, daß die Laufschaufeln dieser Bauteile während des Flugbetriebs übergangs- und stufenlos zu verdrehen und bei Bedarf arretierbar sind, damit der Austrittsquerschnitt des Modulators bei unterschiedlichen Flugzuständen nach dem jeweiligen Verhältnis des Massenstroms zur Massenstromdichte geregelt wird.

Die Funktionsweise der Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Längsschnitt des Turbotriebwerks mit dem Gaserzeuger und Schubgenerator.

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Schubgenerators gemäß Fig. 1.

Fig. 3 eine Flächenelement bei verzögerter Strömung gemäß Fig. 2.

Fig. 4 ein Flächenelement bei beschleunigter Strömung gemäß Fig. 2.

Fig. 5 den Ausschnitt S mit dem Schalt- und Steuerungsprinzip des Modulators gemäß Fig. 2.

Fig. 6 einen Schnitt A-A durch das Generatorgehäuse mit Blickrichtung auf das Ausgangsleitgitter gemäß Fig. 2.

Fig. 7 den Teilschnitt B-B durch das Ausgangsleitgitter bei rechtsdrehendem Kreiszylinder gemäß Fig. 6.

Fig. 8 den Teilschnitt E-E durch das Ausgangsleitgitter bei linksdrehendem Kreiszylinder gemäß Fig. 6.

Fig. 9 die Mittelschnitte der Schaufelblätter von Schub- und Verdichterturbine in den unterschiedlichen Positionen:

a) Start- und Steigschub,

b) Überschallreiseschub,

c) Verzögerungsschub,

d) Giersteuerung,

e) Rollsteuerung.

Fig. 10 die Anordnung von zwei Turbotriebwerken gemäß Fig. 1 an einer Überschalltragfläche.

Fig. 11 die Ansicht F auf die Überschalltragfläche gemäß Fig. 10 in Flugrichtung gesehen.

Fig. 12 die Darstellung der Zustandsgrößen des Turbotriebwerks als Joule-Prozeß in bodennahem Flugzustand.

Fig. 1 stellt einen Längsschnitt des Turbotriebwerks 1 dar, das aus folgenden Hauptkomponenten besteht: Zunächst einem Gaserzeuger 2, der wiederum einen Verdichter 50, eine Brennkammer 51 und eine Antriebsturbine 52 beinhaltet, an die ein Schubgenerator 3 angeschlossen ist, wobei sich dieser nochmals aus drei Baugruppen zusammensetzt, dem Drehzahlgeber 4, dem Kreiszylinder 5 sowie dem Modulator 6. Der Drehzahlgeber 4 wird dabei in die Gegenlaufturbine 7 und die Steuerturbine 8 unterteilt. Alle vorgenannten Bauteile sind im Generatorgehäuse 27 untergebracht. Die mit eingekreisten Ziffern bezeichneten Triebwerksebenen beziehen sich auf die in den Fig. 12 gleicherweise benannten Zustandspunkte 1, 2, 3, . . . des Gesamtprozesses mit den jeweiligen Schubvarianten.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung des Schubgenerators 3, der eintrittsseitig ein festes Leitrad 14 besitzt, durch das die 1. Steuerleitung 47 geführt wird und das die 1. Stützlagerung 22 der Hohlwelle 23 aufnimmt, die mit der 1. Schaltkupplung 17 verbunden ist, an die das rechtsdrehende 1. Laufrad 15 sowie das linksdrehende 2. Laufrad 16 angeschlossen sind. Die Hohlwelle 23 befindet sich im Wellentunnel 24 und ist mit dem Lagerteil 18 drehfest verbunden, das seinerseits mit dem Zentrierkegel 10 einen Verbund bildet. Diese beiden letztgenannten Bauteile werden von dem fest angeschlossenen Zylindermantel 9 umhüllt. Das Hauptlager 25 bildet den Zentriersitz sowohl für das Lagerteil 18 als auch für den Wellentunnel 24, der mit dem Vorleitrad 19 eine starre Verbindung eingeht. Diesem folgt in Strömungsrichtung das mit einem Drehzahlbegrenzer 26 versehene Steuerlaufrad 20, das die Konstanthaltung der aus dem folgenden verstellbaren Ausgangsleitgitter 21 austretenden Translationsströmungen cT bzw. c&min;T gewährleistet. Hierdurch werden die tangentialen Strömungskomponenten TT bzw. T&min;T gebildet, die durch Überlagerung mit den Kreisströmungslinien K bzw. K&min; eine zirkulationsbehaftete Umströmung des Kreiszylinders 5 bewirken. Dieser Strömungszustand beaufschlagt stromabwärts das verstellbare Leitgitter 11, durch das die 2. Steuerleitung 48 geführt wird und das zusammen mit der Schubturbine 12 und der Verdichterturbine 13 den Modulator 6 bildet.

Fig. 3 zeigt ein Flächenelement aus dem als Kontrollraum aufzufassenden Überlagerungsbereich des Kreiszylinders 5. Beim Durchströmen des schraffierten Abschnitts ändert sich die über den Querschnitt I gemittelte spez. Entropie s des Durchsatzes und erreicht im Querschnitt II den Wert s+ds. Die Entropieänderung ds, die durch die im Kontrollraum herrschende verzögerte Strömung bewirkt wird, kann mit der Entropiebilanzgleichung

Tds = dq + dj

erklärt werden. Dabei bedeutet T den Temperaturmittelwert des betrachteten Bilanzgebiets im Kontrollraum, dq die übertragene Wärmemenge und dj die zwischen den Querschnitten I und II durch Strömungsverzögerung dissipierte Energie.

Die Integration zwischen dem Anfangszustand 4 und dem Endzustand 5 (siehe Fig. 12) für den betrachteten Querschnitt ergibt bei verzögerter Strömung, also rechtsdrehendem Kreiszylinder



Da jedoch während des Überlagerungsprozesses keine Wärme in das System hineingeführt wird, ist q&sub4;&sub5;=0 und damit



wobei j&sub4;&sub5; als spez. Dissipationsenergie in Erscheinung tritt. Wie schon auf Seite 6? dieser Beschreibung ausgeführt wurde, erfolgt diese Zunahme der inneren Energie des Durchsatzes nicht durch Wärmezufuhr oder aufgrund mechanischer Arbeit. Unter anderem wird der Energiezuwachs demnach nicht durch einen Verbrennungsprozeß hervorgerufen, so daß sich folglich für eine gegebene Schubforderung im Vergleich zum Stand der Technik, der NOX-Emissionsindex zwangsläufig vermindert.

Fig. 4 stellt analog zu Fig. 3 ein Flächenelement zwischen den Querschnitten I&min; und II&min; bei linksdrehendem Kreiszylinder 5 dar, also zwischen den Zustandspunkten von 4 nach 8, so daß in diesem Betriebszustand das Integral in der Form



geschrieben wird, j&sub4;&sub8; wieder als spez. Dissipationsenergie, die unabhängig von der Richtung der Zustandsänderung ebenfalls positiv ist (hierzu Fig. 12); (H. D. Baehr, Thermodynamik, 8. Auflage 1992, Springer-Verlag, insbesondere 3.3.2 auf Seite 120).

Fig. 5 ist der vergrößerte Ausschnitt S gemäß Fig. 2 mit der Darstellung des Schalt- und Steuerungsprinzips des Modulators 6. Mit dem unter den Fig. 2, 3 und 4 beschriebenen Energiezustand tritt die Strömung in das verstellbare Leitgitter 11 ein, das auf das Speichenrad 37 schwenkbar aufgesteckt ist (in Fig. 5a durch Pfeile ausgedrückt). Auf diesem ist auch der Kreiszylinder 5 über das Loslager 45 axial verschiebbar angebracht sowie mit dem Traglager 43 das 1. Ringgehäuse 35 befestigt. In dem 1. Ringgehäuse 35 ist dann mittels des Kompensationslagers 41 die Antriebswelle 38 mit der zentralen Steuerleitung 49 für die Verdichterturbine 13 angeordnet. Frontseitig stehen dann die 2. Schaltkupplung 28 und die Bremsvorrichtung 29 mit der Antriebswelle 38 in Verbindung, auf die heckseitig das 2. Ringgehäuse 36 mit der 2. Stützlagerung 42 aufgeschoben ist. In die Antriebswelle 38 sind radial die 2. Laufschaufelachsen 40 der Verdichterturbine 13 mit jeweils einem Verstellteller 34 eingesteckt, der mit Hilfe des auf dem 2. Verstellzylinder 33 zentrierten 2. Verstellkranzes 31 hydraulisch gedreht wird. Die Verdrehung der Verstellteller 34 der zur Schubturbine 12 gehörenden 1. Laufschaufelachsen 39 geschieht durch den 1. Verstellkranz 30, der auf dem 1. Verstellzylinder 32 Platz findet, wobei dieser in das 1. Ringgehäuse 35 eingepaßt ist, das wiederum mit der 2. Schaltkupplung 28 in Verbindung steht. Das Justierlager 46 fungiert als Abstandhalter und Schwingungsdämpfer zwischen der Antriebswelle 38 und dem 1. und 2. Ringgehäuse 35 bzw. 36 mit den integrierten Führungslagern 44.

Fig. 6 stellt einen Schnitt A-A durch den Schubgenerator 3 dar, mit Blickrichtung auf das verstellbare Ausgangsleitgitter 21. Zur Verdeutlichung des Überlagerungsprozesses sind sinnbildlich eine Anzahl Kreisströmungslinien eingezeichnet, die in Übereinstimmung mit Fig. 2 bei Rechtsdrehung des Kreiszylinders 5 im oberen Schnittbereich mit K bezeichnet sind und den tangentialen Strömungskomponenten TT entgegenlaufen. Aufgrund der dadurch bewirkten Geschwindigkeitsverzögerung wird eine symbolisch angedeutete Stromlinienverdünnung hervorgerufen, wodurch die Verzögerungsbereiche D gebildet werden. Sinngemäß erfolgt bei Linksdrehung des Kreiszylinders 5 eine zeichnerisch dargestellte Verdichtung der Kreisströmungslinien K&min; durch Addition mit den tangentialen Strömungskomponenten T&min;T, wodurch die Beschleunigungsbereiche D&min; gebildet werden. Die Kreisströmungslinien K bzw. K&min; sind dabei als Integrationsweg mit der Geschwindigkeit cK aufzufassen, die den Kreiszylinder 5 als Singularstelle einschließen. Das sich daraus ergebende Ringintegral ergibt die Zirkulation

Γ = ∮ cK · dK = konst. > 0

mit dK als Bogenlänge auf der Kreisströmungslinie K bzw. K&min;.

Fig. 7 zeigt den Teilschnitt B-B durch die Beschaufelung des verstellbaren Ausgangsleitgitters 21 mit der Translationsströmung cT sowie der tangentialen Strömungskomponente TT, die der Kreisströmungslinie K entgegenläuft und damit den Strömungsverzögerungsbereich D bildet.

Fig. 8 zeigt den Teilschnitt E-E und stellt analog zu Fig. 7 den Strömungsbeschleunigungsbereich D&min; dar, der von den in gleicher Richtung sich bewegenden Kreisströmungslinien K&min; mit der tangentialen Strömungskomponente T&min;T gebildet wird. Letztere resultiert aus der Translationsströmung c&min;T sowie der Relativgeschwindigkeit w&min; bzw. w, bezogen auf Fig. 7, womit sich die Strömungsmasse innerhalb des Generatorgehäuses 27 stromabwärts bewegt.

Fig. 9 zeigt die Mittelschnitte der Schaufelblätter von Schub- und Verdichterturbine in folgenden Positionen:

  • a) Die Schubturbine ST12 und die als Verdichter arbeitende Verdichterturbine ≙T13 sind bei Startschub SS über die 2. Schaltkupplung 28 miteinander verbunden und haben die gleichen Umfangsgeschwindigkeiten uST=u ≙T. Dieser Vorgang erfolgt bei rechtsdrehendem Kreiszylinder 5, dessen Funktion über das verstellbare Leitgitter 11 die Absolutgeschwindigkeit cST mit den Komponenten wEin und uST der Schubturbine 12 bewirkt. Deren absolute Geschwindigkeit cST bildet den Eintrittsvektor cST=c ≙T, mit der die Verdichterturbine 13 angeströmt wird. Mit deren Austrittsgeschwindigkeiten wAus und u ≙T ergibt sich sodann der Start- und Steigschub SS.
  • b) Der Übergang vom Start- und Steigschub auf den Überschallreiseschub RS erfolgt bei rechtsdrehendem Kreiszylinder 5 ohne Betriebsunterbrechung oder Rückwirkung auf den Strömungsprozeß des Gaserzeugers 2 durch übergangslose Blattverstellung mit gleichzeitiger Drehzahlreduzierung bis zur vollständigen Arretierung durch die Bremsvorrichtung 29 sowohl der Schubturbine 12 als auch der Verdichterturbine 13. Mit der Absolutgeschwindigkeit cEin wird dabei die Schubturbine 12 angeströmt und mit deren Austrittsvektor cVT die Verdichterturbine 13 beaufschlagt, deren absolute Abströmgeschwindigkeit dann als Überschallreiseschub RS erscheint.
  • c) Bei der gegenüber b) unveränderten Position der Schaufelblätter entsteht bei linksdrehendem Kreiszylinder 5 der Verzögerungsschub VS, bei dem unter Enthalpieabnahme ein Druckniveau erreicht wird, das sich unter dem des Umgebungsdrucks pu befindet, so daß die Schubrichtung der Flugrichtung entgegenläuft (hierzu auch Fig. 12).
  • d) Während die Schubturbine 12 in gebremstem Zustand verbleibt, wird die Bremsung der Verdichterturbine 13 bei rechtsdrehendem Kreiszylinder 5 gelöst und deren Schaufelblätter soweit gedreht, daß diese als Turbine arbeitet, jedoch unverändert von der Eintrittsseite her angeströmt wird. Die Anströmung der Schubturbine 12 ergibt mit der Absolutgeschwindigkeit cEin den Austrittsvektor cST, der mit der Umfangsgeschwindigkeit uV ≙ der Verdichterturbine 13 deren relative Eintrittsgeschwindigkeit wEin bildet, die mit wAus das Gitter verläßt und mit uV ≙ die absolute Austrittsgeschwindigkeit cG ergibt, die gegenüber dem Vektor RS des Überschallreiseschubs die Geschwindigkeitsdifferenz ΔS für die Giersteuerung erzeugt (hierzu Fig. 10).
  • e) Die Rollsteuerposition wird durch Abbremsung der Schubturbine 12 und der Verdichterturbine 13 eingeleitet, wobei die Schaufelblätter in der Weise verdreht werden, daß bei rechtsdrehendem Kreiszylinder 5 die absolute Anströmgeschwindigkeit cEin der Schubturbine 12 das Gitter mit der Geschwindigkeit cST verläßt, die gleichzeitig die Eintrittsgeschwindigkeit cVT des Schaufelgitters der Verdichterturbine 13 darstellt und von dieser mit dem Austrittsdrall cR abströmt (hierzu Fig. 11). Aufgrund der schnellen Verfügbarkeit der beschriebenen Steuermanöver eignen sich diese auch zur Trimmung von Überschallflugzeugen.


Fig. 10 zeigt die Anordnung von angenommenen zwei Turbotriebwerken 1 an einer Überschalltragfläche 53. Bei Start- und Steigschub SS ist das linke und das rechte Triebwerk gemäß Schaufelblattposition der Fig. 9a geschaltet. Beim Übergang auf den Überschallreiseflug RS erfolgt die Schaufelblattverstellung gemäß Fig. 9b für das linke und rechte Triebwerk. Soll in diesem Flugzustand z. B. ein Giersteuermanöver gegen Uhrzeigersinn durchgeführt werden, wird das linke Triebwerk gemäß Fig. 9d geschaltet. Der dadurch entstehende Differenzschub ΔS bewirkt dann das erforderliche Giersteuermoment. Zur Verstärkung dieses Giersteuermoments wird das linke Triebwerk statt dessen auf die Schaufelblattposition der Fig. 9c geregelt und damit der Verzögerungsschub VS aktiviert.

Ein Giersteuermanöver kann auch bei eingeschaltetem Verzögerungsschub VS gemäß Fig. 9c z. B. beim Landeanflug geflogen werden, indem das linke Triebwerk mit vollem Verzögerungsschub VS fährt, während das rechte Triebwerk durch Schaufelblattverstellung sowohl der Schubturbine 12 als auch der Verdichterturbine 13 den Verzögerungsschub um einen erforderlichen Betrag vermindert und damit die Schubdifferenz ΔS&min; bildet.

Fig. 11 zeigt die Ansicht F auf die Überschalltragfläche 53 in Flugrichtung gesehen. Das linke Triebwerk ist z. B. auf Überschallreiseschub geschaltet, während das rechte Triebwerk die Schaufelblattposition der Fig. 9e mit dem Austrittsdrall cR besitzt, der durch Pfeile markiert ist. Diese erzeugen in der gezeichneten Wirkungsrichtung ein Rollsteuermoment mit dem Winkel α im Uhrzeigersinn um die Flugzeuglängsachse. Die Größe des Winkels α wird durch Schaufelblattverstellung sowohl der Schubturbine 12 als auch der Verdichterturbine 13 geregelt.

Fig. 12 gibt eine Darstellung der Zustandsgrößen des Turbotriebwerks 1 als Joule-Prozeß in bodennahem Flugzustand. Die Arbeit im Verdichter 50 vollzieht sich zwischen dem Ansaugezustand 1 und dem Endzustand 2. Durch Wärmezufuhr in der Brennkammer 51 wird der Zustand 3 erreicht. Das Enthalpiegefälle von 3 nach 4 dient dem Antrieb des Verdichters 50 durch die Antriebsturbine 52 und schließt den Betrieb der Gegenlaufturbine 7 zum Antrieb des Kreiszylinders 5 und weiterhin der Steuerturbine 8 zur Regelung des Überlagerungsprozesses für die Generierung der Dissipationsenergie mit ein. Letztere bewirkt eine Zunahme der inneren Energie von Zustand 4 nach 5 durch den rechtsdrehenden Kreiszylinder 5. Dieser Prozeß ist gekoppelt mit einer Entropieerzeugung, wobei die schraffierte Fläche unter den Zustandspunkten 4 und 5 der spez. Dissipationsenergie j&sub4;&sub5; entspricht, die mit dem Gefälle von Zustand 5 nach 6 die Schubturbine 12 beaufschlagt. Mit dieser ist die Verdichterturbine 13 gekuppelt, die der Erhöhung des statischen Druckes von Zustand 6 nach 7 dient (hierzu Fig. 9a). Diese Maßnahme bewirkt für den Start- und Steigschub SS eine Geschwindigkeitsreduzierung des Schubstrahls bei gleichzeitiger Erhöhung der Enthalpie, die ohne Kraftstoffzuführung erreicht wird.

Während beim Zustand 7 der Schubstrahl bei Verlassen des Modulators 6 noch mit einem Druckpotential behaftet ist, das durch Nachexpansion den Startschub bei verminderter Austrittsgeschwindigkeit erhöht, wird beim Überschallreiseschub RS das Enthalpiegefälle von Zustand 5 nach 6&min; ausgenutzt, wobei die Schubmasse bis auf den Umgebungsdruck pu entspannt wird (hierzu Fig. 9b). Bei linksdrehendem Kreiszylinder 5 findet dann eine Senkung der Prozeßenthalpie bei Geschwindigkeitserhöhung von Zustand 4 nach 8 statt, die zu einer Druckabnahme bis unter den Umgebungsdruck pu führt, so daß der Verzögerungsschub VS von Zustand 8 nach 8&min; bewirkt wird (hierzu Fig. 9c). Dieser Prozeß erfolgt unter Entropieproduktion und der dadurch hervorgerufenen Zunahme der spez. Dissipationsenergie j&sub4;&sub8;, die sich als schraffierte Fläche unter den Zustandspunkten von 4 nach 8 darstellt.

Vergleichsweise sind die Zustandsgrößen eines Nachbrenner- Prozesses eingezeichnet, um die dabei auftretenden Exergieverluste und den damit verbundenen Mehrbedarf an Primärenergie aufzuzeigen (strichpunktiert).

Bei eingeschaltetem Nachbrenner würde im Zustand 4 als Primärenergieträger Kraftstoff und damit Exergie ≙zu zugeführt, wodurch der Zustand 9 erreicht wird, der in der Schubdüse als ≙ab sich bis auf den Umgebungszustand 9&min; unter Geschwindigkeitszunahme entspannt. In diesem Zustand hat die Strömung noch eine hohe technische Arbeitsfähigkeit in Form von Verlustexergie ≙v, die dem Enthalpiegefälle von Zustand 9&min; nach 9&min;&min; entspricht, für den die Exergiebilanz

v = ≙zu - ≙ab

Gültigkeit hat. Der Zustand 9&min;&min; liegt dabei auf der Umgebungsgeraden mit der Exergie ≙=0. Für den Exergieverluststrom gilt der Zusammenhang

v = i - iu - Tu (s - su)

wobei sich iu, su und Tu, also die für den Umgebungszustand geltende Enthalpie, Entropie und absolute Temperatur auf den Ansaugezustand 1 beziehen und i und s dann sinngemäß auf den Zustand 9&min;. Die aufgezeigte Verlustexergie ≙v ist gleichbedeutend mit dem Mehrverbrauch an Kraftstoff und begründet damit die Flugstreckenbegrenzung gegenwärtiger Überschallflugzeuge. Jeder nichtumkehrbare Strömungsprozeß ist jedoch mit einem Exiergieverlust verbunden, es muß nur dafür Sorge getragen werden, daß dieser möglichst klein bleibt.

Erfindungsgemäß wird daher der Exergiegehalt des Enthalpiegefälles vom Zustand 4 nach 4&min; in Form von Geschwindigkeitsenergie für den unter Fig. 2 beschriebenen Überlagerungsprozeß eingesetzt und damit, wie schon erläutert, die Zustände 5 und 8 ohne Kraftstoffaufwand gebildet.

Die bei diesem Prozeß anfallende Verlustexergie hat den Betrag des Enthalpiegefälles von Zustand 4&min; nach 4&min;&min;, der als Anergie in Erscheinung tritt, wobei der Ausdruck



die Einsparung an Primärenergie vor Augen führt, die erzielbar wird, wenn das als Erläuterungsbeispiel gewählte Entropiegefälle von Zustand 5 nach 6&min; auf das realisierbare Vergleichsgefälle von Zustand 9 nach 9&min; erweitert wird, denn dieses entspricht näherungsweise demjenigen des eingangs erwähnten Referenztriebwerks. Bei diesem Prozeßverlauf wird der Temperaturanstieg und damit die Enthalpieerhöhung von Zustand 4 nach 9 nicht durch einen Verbrennungsprozeß erreicht und somit eine auf den Gesamtprozeß des Triebwerks bezogene Reduktion der spezifischen Stickstoffoxid-Emission bewirkt.

Bezugszeichenliste

1 Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge

2 Gaserzeuger

3 Schubgenerator

4 Drehzahlgeber

5 Kreiszylinder

6 Modulator

7 Gegenlaufturbine

8 Steuerturbine

9 Zylindermantel

10 Zentrierkegel

11 Leitgitter, verstellbar

12 Schubturbine

13 Verdichterturbine

14 Leitrad, festes

15 1. Laufrad, rechtsdrehend

16 2. Laufrad, linksdrehend

17 1. Schaltkupplung

18 Lagerteil

19 Vorleitrad

20 Steuerlaufrad

21 Ausgangsleitgitter, verstellbar

22 1. Stützlagerung

23 Hohlwelle

24 Wellentunnel

25 Hauptlager

26 Drehzahlbegrenzer

27 Generatorgehäuse

28 2. Schaltkupplung

29 Bremsvorrichtung

30 1. Verstellkranz

31 2. Verstellkranz

32 1. Verstellzylinder

33 2. Verstellzylinder

34 Verstellteller

35 1. Ringgehäuse

36 2. Ringgehäuse

37 Speichenrad

38 Antriebswelle

39 1. Laufschaufelachsen

40 2. Laufschaufelachsen

41 Kompensationslager

42 2. Stützlagerung

43 Traglager

44 Führungslager

45 Loslager

46 Justierlager

47 1. Steuerleitung

48 2. Steuerleitung

49 Steuerleitung, zentrale

50 Verdichter

51 Brennkammer

52 Antriebsturbine

53 Überschalltragfläche

A-A Schnitt, Blickrichtung auf das Ausgangsleitgitter

B-B Teilschnitt bei rechtsdrehendem Kreiszylinder

E-E Teilschnitt bei linksdrehendem Kreiszylinder

F Ansicht auf die eingebauten Überschallantriebe

T, T&min; Strömungskomponenten, tangentiale, (Index &min; steht für Beschleunigung bzw. Linksdrehung)

cT, c&min;T Translationsströmungen, (Index &min; steht für Beschleunigung bzw. Linksdrehung

K, K&min; Kreisströmungslinien, (Index &min; steht für Beschleunigung bzw. Linksdrehung)

D koaxiale Strömungsbereiche, Verzögerung

D&min; koaxiale Strömungsbereiche, Beschleunigung

Zustandsebenen des Turbotriebwerks

I, II Querschnitte im Überlagerungsbereich, bzw. I&min;, II&min;

j&sub4;&sub5; Prozeßgröße des Prozesses, der von Zustand 4 nach 5 führt

j&sub4;&sub8; Prozeßgröße des Prozesses, der von Zustand 4 nach 8 führt

uST Umfangsgeschwindigkeit der Schubturbine

u ≙T Umfangsgeschwindigkeit der Verdichterturbine

uV ≙ Umfangsgeschwindigkeit der Verdichterturbine

≙T Verdichterturbine, als Verdichter arbeitend (auch als Index)

V ≙ Verdichterturbine, als Turbine arbeitend (auch als Index)

cST Strömungsgeschwindigkeit im Gitter der Schubturbine

c ≙T Strömungsgeschwindigkeit im Gitter der Verdichterturbine

cV ≙ Strömungsgeschwindigkeit im Gitter der Verdichterturbine

ST Schubturbine, allgemein

VT Verdichterturbine allgemein

pu Umgebungsdruck

≙ Exergie

j spez. Dissipationsenergie

s Entropie

q Wärmemenge

cK Geschwindigkeit der Kreisströmungslinien K bzw. K&min;

dK Bogenlänge auf den Kreisströmungslinien K bzw. K&min;

w bzw. w&min; Relativgeschwindigkeit der Strömungsmasse

SS Start- und Steigschub (mit Bezug auf die zugeordneten Flug- und Strahlgeschwindigkeiten)

RS Überschallreiseschub (mit Bezug auf die zugeordneten Flug- und Strahlgeschwindigkeiten)

VS Verzögerungsschub (mit Bezug auf die zugeordneten Flug- und Strahlgeschwindigkeiten)

cEin Eintrittsgeschwindigkeit, absolut

cG Austrittsgeschwindigkeit, absolut bez. d. Giersteuerung

wEin Eintrittsgeschwindigkeit, relativ

wAus Austrittsgeschwindigkeit, relativ

cR Austrittsdrall f. d. Rollsteuerung

ΔS, ΔS&min; Geschwindigkeitsdifferenz f. d. Giersteuerung

zu Exergiezuführung

ab Exergie, nutzbar gemacht

v Verlustexergie = Anergie

1, 2, 3 . . . Zustandspunkte im Joule-Prozeß

i Enthalpie

S Ausschnitt

α Rollsteuerwinkel

≙ linksdrehend

≙ rechtsdrehend


Anspruch[de]
  1. 1. Turbotriebwerk für Überschallflugzeuge mit Verzögerungsschub und Fluglagensteuerung, umfassend einen Gaserzeuger mit nachgeschalteten axialen Turbinenlaufrädern und Leitapparaten weiter umfassend einen stromabwärts auf der Triebwerkslängsachse angeordneten Kreiszylinder mit angeschlossenem Leitgitter und axial durchströmten Laufradstufen, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbotriebwerk (1) aus einem Gaserzeuger (2) besteht, an den ein Schubgenerator (3) angeschlossen ist, der wiederum aus einem Drehzahlgeber (4), einem Kreiszylinder (5) und einem Modulator (6) zusammengesetzt ist, daß weiterhin der Drehzahlgeber (4) eine Gegenlaufturbine (7) und eine Steuerturbine (8) enthält und daß die Gegenlaufturbine (7) aus einem festen Leitrad (14), einem rechtsdrehenden 1. Laufrad (15) sowie einem linksdrehenden 2. Laufrad (16) gebildet wird, die beide über eine 1. Schaltkupplung (17) mit einem Lagerteil (18) wechselseitig verbunden sind, daß ferner der Kreiszylinder (5) einen Zylindermantel (9) und einen Zentrierkegel (10) einschließt, daß dazu der Modulator (6) ein verstellbares Leitgitter (11), eine Schubturbine (12) und eine Verdichterturbine (13) aufweist, wobei letztere mittels einer 2. Schaltkupplung (28) mit der Schubturbine (12) verbunden oder von dieser getrennt wird, daß ferner die Steuerturbine (8) ein Vorleitrad (19), ein Steuerlaufrad (20) sowie ein Ausgangsleitgitter (21) beinhaltet, daß zudem sowohl die Schubturbine (12) als auch die Verdichterturbine (13) einzeln oder gemeinsam durch eine Bremsvorrichtung (29) arretierbar sind.
  2. 2. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Laufschaufelachsen (39) der Schubturbine (12) mit je einem Verstellteller (34) ausgestattet sind, mit denen der 1. Verstellkranz (30) im Eingriff steht, der seinerseits durch den 1. Verstellzylinder (32) hydraulisch betätigt wird und daß diese Verstellbauteile in einem 1. Ringgehäuse (35) zentriert sind.
  3. 3. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 2. Laufschaufelachsen (40) der Verdichterturbine (13) mit je einem Verstellteller (34) ausgestattet und mit diesem im 2. Ringgehäuse (36) zentriert sind, daß ferner die Verstellteller (34) mit dem 2. Verstellkranz (31) im Eingriff stehen, der durch den 2. Verstellzylinder (33) hydraulisch betätigt wird und daß dieser auf der Antriebswelle (38) zentriert ist.
  4. 4. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Translationsströmungen (cT, c&min;T), die das Ausgangsleitgitter (21) verlassen, die tangentialen Strömungskomponenten (TT, T&min;T) bilden, mit denen die Kreisströmungslinien (K, K&min;) durch Überlagerung eine zirkulationsbehaftete Umströmung des Kreiszylinders (5) bewirken, wodurch zum einen die koaxialen Strömungsverzögerungsbereiche (D) sowie zum anderen die koaxialen Beschleunigungsbereiche (D&min;) erzeugt werden.
  5. 5. Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Schubturbine (12) als auch die Verdichterturbine (13) des Modulators (6) alternativ aus mehreren Stufen mit steuerbaren Umfangsgeschwindigkeiten (uST, u ≙T und uV ≙) separat für die Strömungsverzögerungsbereiche (D) sowie die Strömungsbeschleunigungsbereiche (D&min;) ausführbar sind.






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