DE2506500C2

DE2506500C2 - Turbofan-Triebwerk

Info

Publication number: DE2506500C2
Application number: DE2506500A
Authority: DE
Inventors: Raymond Edwin Montgomery Ohio Budinger; James Edward Hamilton Ohio Johnson; Bernard Louis Cincinnati Ohio Koff
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-02-25
Filing date: 1975-02-15
Publication date: 1987-05-07
Also published as: CA1020365A; US4080785A; CH587416A5; BE825925A; JPS598662B2; IL46522A; GB1493049A; JPS50124012A; DE2506500A1; FR2262200A1; IT1031935B; IL46522A0; FR2262200B1; NL7502219A; SE7502121L; SE414811B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbofan-Triebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Turbofan-Triebwerk ist aus der DE-AS 13 01 650 bekannt.
Bekannte Turbofan-Triebwerke für bisher eingesetzte Transportflugzeuge arbeiten praktisch nur im Unterschallbereich mit einem genügenden Wirkungsgrad. Für die Zukunft müssen aber Triebwerke entwickelt werden, die sowohl bei Unterschall- als auch Überschall-Geschwindigkeiten mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden können.
Es hat sich gezeigt, daß Turbofan-Triebwerke mit kleinem Bypass-Verhältnis am wirksamsten bei Überschall-Geschwindigkeiten arbeiten. Andererseits sind Triebwerke mit einem großen Bypass-Verhältnis am wirkungsvollsten im Unterschall- Betrieb. Deshalb sind bekannte Triebwerksapplikationen auf die eine oder andere Betriebsart begrenzt. Das Ideal wäre ein Turbofan-Triebwerk das sowohl bei großen Bypass- als auch kleinen Bypass-Verhältnissen arbeiten kann, so daß ein einziges Triebwerk mit großem Wirkungsgrad sowohl bei Unterschall- als auch Überschall-Geschwindigkeiten arbeiten kann.
Ein gleichzeitig aufgetretenes Problem ist das öffentliche Interesse an dem Lärm, der durch Strahltriebwerke von Flugzeugen erzeugt wird. Es gibt viele Dinge in einem einzelnen Triebwerk, die zu dem Gesamtlärm des Triebwerkes beitragen. Bezüglich der Fantriebwerke mit großem Bypass-Verhältnis ist eine der Hauptursachen der Lärm gewesen, der durch die rotierenden Fanblätter erzeugt wird. Bezüglich der Triebwerke mit kleinem Bypass-Verhältnis ist eine der Hauptursachen der "Strahllärm", der ein Ergebnis der extremen Druck- und Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen der Ausströmung aus dem Triebwerk und der das Triebwerk umgebenden Atmosphäre und der zwischen diesen Strömungen auftretenden Scherwirkung ist. Versuche zur Lösung dieses Strahllärm-Problemes führten zu komplexen Düsenanordnungen, die den betrieblichen Wirkungsgrad und die erstrebenswerte Einfachheit des Triebwerkes verschlechterten.
Bekannte Versuche der Ausnutzung variabler Bypass-Verhältnisse waren wegen ihrer Komplexität zum Scheitern verurteilt. Beispielsweise sind zurückziehbare Gebläse, Turbinen mit variabler Fläche und Gebläse und Kompressoren mit variabler Steigung in Formen entwickelt worden, die für einen effizienten Betrieb ungeeignet sind. Eine weiterhin versuchte Bauform ist ein "Compound"- Triebwerk, das zwei Triebwerke in Tandemanordnung verwendete, wobei ein oder beide Triebwerke in Abhängigkeit von der Betriebsart arbeiteten. Ein derartiges System hat offensichtliche Nachteile, wie beispielsweise das tote Gewicht, das mit den Teilen des zu bestimmten Zeiten nicht verwendeten Triebwerkes verbunden ist
Ein neuerer Versuch der Gestaltung eines praktikablen variablen Triebwerkes verwendet eine selektive Leitung einer Fanströmung durch alternative Fankanäle, wie es in der US-PS 35 14 952 beschrieben ist. Ein Ventilmechanismus sorgt für die Umschaltung zwischen den Kanälen. Ein negatives Charakteristikum eines derartigen Triebwerkes ist die Tatsache, daß während der Umschaltung wenigstens ein Bruchteil einer Sekunde auftritt, in dem eine Strömung zu den Fankanälen gebremst bzw. verzögert ist, so daß ein Fanabriß auftreten kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Dreistrom-Turbofan-Triebwerk mit variablem Bypass-Verhältnis derart auszugestalten, daß mit einfachen Mitteln ein breiter, stetiger Steuerbereich erhalten wird, der einen optimierten Wirkungsgrad bei geringer Lärmentwicklung bei Unterschall- und Überschall-Geschwindigkeiten gestattet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mehrere Möglichkeiten vorhanden sind, um die Anteile der Luftströmungen zu steuern, die durch jeden der drei Triebwerkskanäle (Kerntriebwerk, erster Fankanal und zweiter Fankanal) gerichtet werden. Eine richtige Auswahl der Betriebsart für die einzelnen Steuereinrichtungen sorgt für einen effizienten Betrieb sowohl bei kleinen als auch großen Bypass-Verhältnissen.
Um zusätzlich die Unterdrückung von Triebwerkslärm zu verstärken, sind Austritts- bzw. Schubdüsen in Konfiguration vorgesehen, zu denen eine integrierte Düse oder drei koaxiale und sukzessiv umschreibende Ringräume gehören. Je eine dieser Düsen emittiert in die umgebende Atmosphäre die Kernströmung und erste und zweite Fanströmungen, wobei die langsamste Strömung die zweitlangsamste Strömung umgibt und einhüllt, die ihrerseits die schnellste der drei Strömungen umgibt und einhüllt. Auf diese Weise sind die sich am schnellsten bewegenden Moleküle von der umgebenden stationären Atmosphäre durch die sich langsamer bewegenden Moleküle "abgeschirmt", um den Strahllärm auf ein Minimum zu reduzieren, der mit der dazwischen auftretenden Schwerwirkung zusammenhängt.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht von einem Turbofan- Triebwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht von einem Teil des Triebswerks gemäß Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht von einem Teil eines zweiten Ausführungsbeispiels des Triebswerks gemäß der Erfindung.
Fig. 4 ist eine Ansicht von einem Teil des Triebwerks gemäß Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht von einem dritten Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei spezifischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele umfassen: eine Dreiwellen-, Dreifach-Schubdüsenanordnung, eine zweiwellige, integrierte Schubdüsenanordnung und eine dreiwellige, integrierte Schubdüsenanordnung. Die grundsätzlichen Konzepte bestehen in allen drei Ausführungsbeispielen und so wird das erste Ausführungsbeispiel mit größeren Einzelheiten beschrieben, wobei die allgemeinen Konzepte auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele anwendbar sind.
In Fig. 1 ist ein Turbofan-Triebwerk 10 mit einer äußeren Gondel 12 gezeigt, die einen stromaufwärtigen Abschnitt 14 mit im wesentlichen zylindrischer Form aufweist und einen Einlauf 16 teilweise umgibt. Der Einlauf 16 wird weiterhin von einer Nasenhaubenanordnung 18 gebildet, die einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzt und den Radius in stromabwärtiger Richtung vergrößert. Der Einlauf 16 ist im wesentlichen ringförmig und nimmt eine vorbestimmte Querschnittsfläche ein, so daß unter gegebenen Betriebsbedingungen der Einlauf so bemessen ist, daß er eine vorbestimmte Luftströmung aufnimmt.
Das Triebwerk umfaßt ferner einen Fanabschnitt 20 zur Aufnahme und Kompression von Teilen der vom Einlauf gelieferten Luftströmung und ein Kerntriebwerk 22 mit einem Kompressor ( Verdichter) 24, einer Brennkammer 26 und einer Turbine 28. Am hinteren Ende des Triebwerkes befindet sich ein Mittelkörper 30 und eine Schubdüsenstruktur, die ingesamt mit 32 bezeichnet ist.
Dieses Triebwerk arbeitet in einer im großen und ganzen ähnlichen Weise wie typische Turbofan-Triebwerke. Eine Luftströmung wird durch den Einlauf 16 gemäß Fig. 1 angesaugt, um durch den Gebläseabschnitt 20 komprimiert zu werden, woraufhin ein Teil der Luft in das Kerntriebwerk 22 eintritt, um durch den Kompressor 24 weiter komprimiert und zusammen mit hochenergetischem Treibstoff an die Brennkammer 26 geliefert zu werden. In der Brennkammer wird die Brennstoff-Luftmischung verbrannt, wodurch eine hochenergetische "Kernströmung" erzeugt wird, die die Brennkammer in Fig. 1 nach rechts verläßt. Diese Kernströmung trifft auf die Turbine 28 und treibt diese an. Die Turbine 28 wandelt einen Teil der kinetischen Energie aus der Kernströmung in Drehmoment um und liefert mittels einer geeigneten Wellenkonfiguration dieses Drehmoment an den Kompressor 24 und den Fanabschnitt 20 für deren Antrieb.
Derjenige Teil der durch den Fanabschnitt 20 komprimierten Luftströmung, der nicht in das Kerntriebwerk 22 eintritt, wird durch einen noch zu beschreibenden Bypass-Kanal um das Kerntriebwerk herum geleitet und wird von dem Kerntriebwerk nicht beeinflußt. Das Verhältnis der Massenströmung durch die Bypass-Kanäle zu der Massenströmung durch das Kerntriebwerk ist als das " Bypass-Verhältnis" bekannt. Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, ist dies ein höchst signifikanter Parameter, der den Wirkungsgrad des Triebwerkes beeinflußt und der durch die Ausführungsbeispiele der Erfindung variiert werden kann. Eine Veränderung der Strömung zur Vergrößerung des Anteiles der durch die Bypass-Kanäle geleiteten Luftströmung vergrößert das Bypass-Verhältnis, während eine Vergrößerung des Anteiles der Strömung durch das Kerntriebwerk hindurch das Bypass-Verhältnis verkleinert.
Der Fan- oder Gebläseabschnitt 20 weist eine erste drehbare Fanstufe 34, die zwischen Statoren 36 und 38 angeordnet ist, und eine zweite Fanstufe 40 auf, die zwischen Statoren 42 und 44 angeordnet ist. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel enthalten die Fanstufen 34 und 40 zwar Gebläse mit einzelnen Rotoren, es könnten jedoch auch mehrere Rotorstufen verwendet werden, um das jeweilige Gebläse zu bilden. Die Fanstufen 34 und 40 sind axial zueinander versetzt durch einen axialen Zwischenraum, der insgesamt mit 46 bezeichnet ist. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen jede Fanstufe und desgleichen die entsprechenden Statoren eine variable Steigung auf. Die Steigungsänderung der Statoren 36, 38, 42 und 44 arbeitet wie ein Ventil, um die Querschnittsfläche des Triebwerkes an den entsprechenden Ebenen zu definieren, die für die Luftströmung offen sind. Gleichzeitig kann die Steigungsänderung der Fanstufen 34 und 40 die Bestimmung der Luftmenge unterstützen, die durch jede entsprechende Fanstufe bei einer einzigen Umdrehung während ihres Betriebes gezogen wird.
Um vorbestimmte Teile der Luftströmung an dem Kerntriebwerk 22 vorbeizuleiten, sind zwei Bypass-Kanäle 48 und 52 vorgesehen. Der innere Fan- oder Bypass-Kanal 48 ist zwischen einer Kerntriebwerksgondel 49 und einer Zwischengondel 51 gebildet und hat ihren Einlauf 50 stromabwärts von der Fan- oder Gebläsestufe 40, d. h. der zweiten der drehbaren Gebläsestufen. Infolgedessen ist die durch den Fankanal 48 geleitete Luftströmung durch die Fanstufen 34 und 40 komprimiert. Der äußere Fan- oder Bypass-Kanal 52 ist zwischen der Gondel 51 und der äußeren Gondel 12 gebildet und ist radial außen von dem ersten Fankanal 48 angeordnet. Der Fankanal 52 weist einen Einlauf 54 auf, der in dem axialen Raum 46 zwischen den drehbaren Gebläsestufen angeordnet ist. Aufgrund dieser Anordnung wird die Luft, die durch den Einlauf 54 und den Fankanal 52 gerichtet wird, nur durch das erste Gebläse 34 komprimiert. Wenn, wie vorstehend bereits angegeben wurde, zahlreiche Rotorstufen das jeweilige Gebläse bilden, würde der Einlauf 50 stromabwärts von allen Rotorstufen und der Einlauf 54 axial zwischen zwei Rotorstufen angeordnet sein, von denen jeweils eine zu einem der entsprechenden Gebläse gehört.
Weiterhin ist stromabwärts von der zweiten Gebläsestufe 40 und im allgemeinen in einer Ebene mit dem Einlauf 50 ein Einlauf 56 vorgesehen, durch den hindurch Luft an das Kerntriebwerk und insbesondere an den Kernkompressor 24 geliefert wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist der Kernkompressor eine variable Geometrie in seinen Statorschaufeln auf, die wie ein Ventil bedienbar sind, um die Strömungsquerschnittsfläche in dem Kompressor zu vergrößern und zu verkleinern. Zu diesem Zweck sind Statorschaufeln 60, 62 und 64 zum Steuern der Strömung in den Verdichter 24 vorgesehen, wobei die tatsächliche Anzahl der Statoren von der Anzahl der Kompressorstufen abhängig ist. Typische Kompressor-Rotorblätter sind mit 66, 68 und 70 bezeichnet.
Wie bereits ausgeführt wurde, enthält das Kerntriebwerk 22 eine Brennkammer 26 zur Aufnahme der stark verdichteten Kompressorauslaßluft zusammen mit einer Mischung von Brennstoff aus einer Brennstoffdüse 72. Die Luft und der Brennstoff werden vermischt und entzündet, wobei die hochenergetische Kerngasströmung, die durch diese Wirkung erzeugt wird, von der Brennkammer nach rechts in die Turbine 28 ausgestoßen wird. Die Turbine 28 umfaßt eine Kerntriebwerksturbine 74, eine erste Fanturbine 76 und eine zweite Fanturbine 78.
Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die Kerntriebwerksturbine 74 eine einzige Rotorstufe 80. Diese Rotorstufe zieht kinetische Energie aus dem eine große Geschwindigkeit aufweisenden Kerngasstrom, der aus der Brennkammer 26 austritt, und wandelt diese kinetische Energie in Drehmoment um zum Antrieb der Rotorstufen des Kompressors. Das auf diese Weise durch das Kerntriebwerk 74 erzeugte Drehmoment wird auf die Kompressorrotorstufen durch eine Welle 82 übertragen, die mit einer Scheibe 84 mit geeignetem Aufbau zusammenwirkt, auf der zahlreiche Turbinenrotorblätter montiert sind, die die Turbinenrotorstufe 80 bilden. Diese Welle ist durch eine Lageranordnung drehbar gelagert, wie es bei 86 und 88 dargestellt ist. Die Drehzahl, bei der die Welle 82 und demzufolge die Kompressorrotorstufen umläuft, wird durch die Drehzahl bestimmt, mit der die Turbinenstufe 80 umläuft. Um die Drehgeschwindigkeit der Turbinenrotorstufe 80 zu steuern, sind Einlaßleitschaufeln 75 mit variabler Steigung stromaufwärts von der Stufe 80 vorgesehen. Mit einer Ventilwirkung zur Vergrößerung oder Verkleinerung der Strömungsfläche zur Kernturbine arbeiten diese Schaufeln in der Weise, daß sie die Rotation der Stufe 80 und dadurch deren zugehörige Welle 82 und die Kompressorstufen 66, 68, 70 usw. steuern.
Eine erste Fanturbine 76 ist stromabwärts von der Kernturbine 74 derart angeordnet, daß sie die Strömung der heißen Gase aus der Kernturbine empfängt. Diese Fanturbine umfaßt eine einzige Stufe 90 von Rotorblättern und eine Einlaßleitschaufel-Statorstufe 92 mit variabler Steigung und sie wandelt die kinetische Energie von der Kernströmung in Drehmoment um und liefert dieses Drehmoment an die drehbare Fanstufe 40. Das Drehmoment wird durch eine Welle 94 übertragen, die die Fanstufe 40 mit einer Scheibe 96 verbindet, die die Turbinenblätter 90 trägt. Die Welle 94 ist unabhängig von der Welle 82 drehbar aufgrund von Lagern 98 und 100, und diese zwei Wellen können unabhängig in ihren entsprechenden Drehgeschwindigkeiten gesteuert werden. Die Geschwindigkeitssteuerung der Welle 94 wird durch eine Änderung der Steigung der variablen Einlaßleitschaufeln 92 herbeigeführt, um die Strömungsquerschnittsfläche durch die erste Fanturbine 76 zu vergrößern oder zu verkleinern.
Eine zweite Fanturbine 78 ist stromabwärts davon und derart angeordnet, daß sie die aus der ersten Fanturbine austretende Kernströmung empfängt. Diese zweite Fanturbine enthält zwei Turbinenrotorstufen 102 und 104, eine Einlaßleitschaufel-Statorstufe 106 mit variabler Steigung und eine feststehende Statorstufe 108. Die zweite Fanturbine 78 überträgt Drehmoment auf die Fanstufe 34 durch eine Welle 110, die sich zwischen der Fanstufe 34 und zu den Turbinenstufen 102 und 104 gehörigen Scheiben erstreckt. Diese Welle 110 ist durch Lager 112 und 114 drehbar. Die Geschwindigkeit der Rotation der Welle 110 kann durch die Orientierung der Einlaßleitsschaufeln 106 mit variabler Steigung gesteuert werden, um die Strömungsquerschnittsfläche zu vergrößern oder zu verkleinern, und demzufolge die Drehgeschwindigkeit der Welle zu erhöhen oder abzusenken.
Somit kann jede der drei Wellen mit einer Drehzahl umlaufen, die im wesentlichen unabhängig ist von den zwei anderen. Die Hauptvorteile dieser drei unabhängig in der Drehzahl variablen Wellen werden im folgenden noch näher erläutert.
Stromabwärts von der zweiten Fanturbine 78 wird der hochenergetische Kernstrom in die umgebende Atmosphäre ausgestoßen durch eine im allgemeinen kreisförmige Kernschubdüse 116, die zwischen dem Mittelkörper 30 und der Gondel 49 gebildet ist. Die Düse 116 ist Teil einer dreiteiligen Konfiguration der Düse 32 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der erste Fankanal 48 ist radial außen von und benachbart zum Kerntriebwerk 22 angeordnet, wie es vorstehend bereits beschrieben wurde, und führt die Bypass-Luft, die möglicherweise ausgestoßen wird, in die umgebende Atmosphäre durch eine im allgemeinen ringförmige Fanschubdüse 118, die radial außen von der Düse 116 und koaxial dazu zwischen den Gondeln 49 und 51 gebildet ist.
Der zweite, eingangs bereits beschriebene Bypass-Kanal 52 erstreckt sich von dem Einlauf 54, der in dem axialen Raum 46 zwischen den ersten und zweiten Gebläsestufen angeordnet ist, in stromabwärtiger Richtung zu einer dritten im allgemeinen ringförmigen Schubdüse 126, die radial außen von der Düse 118 zwischen der Gondel 51 und dem Gehäuse 12 gebildet ist. Dieser zweite Fankanal wirkt in der Weise, daß er eine zweite Luftströmungsmenge an dem Kerntriebwerk und weiterhin an dem ersten Fankanal 48 vorbeileitet. Der Ausstoß aus jeder Düse liefert einen Vorschub nach links unter Berücksichtigung der in Fig. 1 dargestellten Relationen. Somit ist der Gesamtschub des Triebwerkes die Summe der Schübe von den drei einzelnen Strömungen.
Es wurde bereits festgestellt, daß sich gezeigt hat, daß Turbofantriebwerke wirksamer sind mit großen Bypass-Verhältnissen bei Unterschallgeschwindigkeiten und mit kleinen Bypass-Verhältnissen bei Überschallgeschwindigkeiten. Um für einen höchst wirksamen Betrieb in beiden Betriebsarten zu sorgen, sind gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung Mittel zum Vergrößern und Verkleinern des Bypass-Verhältnisses während des Triebwerksbetriebes vorgesehen. Darüber hinaus wird diese Steuerung des Bypass-Verhältnisses in einer Weise durchgeführt, die Umstände vermeidet, die zu einem Gebläseströmungsabriß führen, indem zu allen Zeiten einschließlich der Übergangszeiten zwischen verschiedenen Bypass-Verhältnissen eine Strömung durch wenigstens einen der zwei Fankanäle 48, 52 aufrecht erhalten wird. Die Vorrichtung zur Aufteilung der Strömung auf die Bypass-Kanäle und das Kerntriebwerk werden nun beschrieben.
Mit Hilfe der Fankanäle 48 und 52, deren Einläufe 50 bzw. 54 in der oben beschriebenen Weise angeordnet sind, kann eine vorbestimmte Menge der in den Einlauf 16 eintretenden Luftströmung abgezweigt und durch das Kerntriebwerk 22, durch den ersten Fankanal 48 und durch den zweiten Fankanal 52 in verschiedenen Anteilen geführt werden, so daß das Bypass-Verhältnis verändert wird. Insbesondere führt eine Vergrößerung des Anteiles der Luftströmung, der durch die Fankanäle 48 und 52 geleitet wird, während die Strömung durch das Kerntriebwerk 22 konstant gehalten oder verkleinert wird, zu einem großen Bypass-Verhältnis.
Die Anordnung des Einlaufes 54 zum Fankanal 52 im Vergleich zum Einlauf 50 des Fankanals 48 und des Einlaufes 56 des Kerntriebwerkes 22 wirkt zusammen mit der variablen Geometrie von mehreren der bereits erwähnten Betriebsteile, um eine Änderung des Bypass-Verhältnisses zu gestatten. Die drehbaren Fanblätter 34 der ersten Gebläsestufe sind um ihre Achsen schwenkbar, wie es vorstehend bereits beschrieben wurde, und sie können durch eine Steuereinrichtung 35 in ihrer Steigung verändert werden. Eine erste vorbestimmte Steigung der Fanblätter 34 entspricht einer Betriebsart, in der die maximale Luftmenge durch die Fanstufe pro Umdrehung gezogen wird. In ähnlicher Weise entspricht eine zweite Steigungsposition, die durch die Steuereinrichtung 35 erreichbar ist, einen Betrieb bei einer minimalen praktikablen Luftströmung pro Umdrehung. Zusätzlich zu diesen variablen Charakteristiken der ersten Gebläsestufe kann, wie bereits beschrieben wurde, die Welle 110, die Drehmoment an die drehbaren Gebläseblätter 34 liefert, mit einer Drehzahl umlaufen, die von den übrigen Wellen unabhängig ist. Diese Drehzahl wird teilweise bestimmt durch die Einstellungen der eine variable Steigung aufweisenden Turbinenleitsschaufeln 92. Somit verändert die Änderung der Drehgeschwindigkeit der Fanblätter 34 deren Luftströmungsdurchsatz in gleicher Weise wie eine Änderung der Steigung der Blätter.
Auch in der zweiten Fanstufe besitzen die drehbaren Fanblätter 40 eine variable Steigungscharakteristik, wobei die Steigungseinstellung durch eine Steuereinrichtung 41 typischer Bauart gesteuert werden kann. Die verschiedenen Einstellungen der Steigung der Fanblätter 40 führt zu Vergrößerungen oder Verkleinerungen der Luftmenge, die durch die zweite Fanstufe pro Umdrehung gezogen wird. Zusätzlich kann die Welle 94, die Drehmoment zur Rotation der Fanblätter 40 liefert, mit einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl umlaufen, die von den übrigen Wellen unabhängig ist, wie es vorstehend bereits ausgeführt wurde. Diese Geschwindigkeit bzw. Drehzahl wird teilweise durch die eine variable Steigung aufweisenden Turbinenstatoren 106 bestimmt. Demzufolge verändert eine Änderung der Drehgeschwindigkeit der Fanblätter 40 den Luftströmungsdurchsatz in gleicher Weise wie eine Änderung der Steigung dieser Blätter.
Um für weitere Elemente zum Steuern der Verteilung der Luftströmung zu sorgen, umfaßt das Kerntriebwerk auch Elemente mit variabler Geometrie, wie es vorstehend bereits angedeutet wurde. Die Turbinenleitschaufeln 75 sind in der Steigung verstellbar, wodurch die Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter des Kompressors und demzufolge der Strömungsdurchsatz durch den Kompressor 24 gesteuert werden kann. Diese Steuerung ist abhängig von der Tatsache, daß die Welle 82, die sich zwischen der Turbinenstufe 18 und den Kompressorrotorstufen 66, 68, 70 usw. erstreckt, unabhängig von den Wellen 94 und 110 drehbar ist.
Im Betrieb führt ein Lauf mit "großer Strömung" (d. h. schnelle Rotation und/oder große Steigungseinstellung) der ersten Gebläsestufe 34 gekoppelt mit einem Lauf bei "kleiner Strömung" (d. h. langsame Relativdrehung und/oder kleine Steigungseinstellung) der zweiten Gebläsestufe 40 zu einem großen Bypass-Verhältnis. Bei dieser Betriebsart wird eine große Luftmenge durch den Einlauf 16 gezogen, und nur ein kleiner Bruchteil davon strömt durch das Kerntriebwerk und den Fankanal 48. Der verbleibende große Anteil wird durch den Fankanal 52 gedrückt aufgrund der Unfähigkeit des "eine kleine Strömung" aufweisenden zweiten Gebläses, diesen großen Anteil aufzunehmen.
Ein Lauf der ersten Gebläsestufe 34 mit "kleiner Strömung" gekoppelt mit einem Lauf der zweiten Gebläsestufe 40 mit "großer Strömung" führt zu einem kleinen Bypass-Verhältnis, da das zweite Gebläse bei dieser Betriebsart im wesentlichen die gesamte durch den Einlauf 16 gezogene Strömung aufnehmen kann. Während eines derartigen Betriebes ist die Strömung durch den Fankanal 52 im wesentlichen Null, und das Düsensegment 122 kann so angeordnet sein, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, um eine effiziente konvergente/divergente Düse für den Fankanal 48 zu bilden und desgleichen den Fankanal 52 zu schließen.
Während jeder derartigen Betriebsart können die Drehgeschwindigkeit und die Statoreinstellungen des Kernkompressors 24 verändert werden (die Drehgeschwindigkeit durch Änderung der Turbinenstatoren 75). Somit kann das Bypass-Verhältnis weiter modifiziert werden in jeder Betriebsart, indem mehr oder weniger von der Strömung durch das Gebläse 40 hindurch durch das Kerntriebwerk gezogen wird. Weiterhin kann in jeder Betriebsart das Kerntriebwerk dadurch auf seine effizienteste Betriebsdrehzahl und -temperatur eingestellt werden, um die Brennstoffausnutzung zu optimieren.
Zusätzlich zu dem Überschall- und Unterschallflug (der sich durch die vorstehend beschriebenen großen und kleinen Bypass-Verhältnisse auszeichnet) ist ein dritter Betriebszustand der Start oder das Stadium einer großen Beschleunigung, wo das Triebwerk seinen maximalen Schub abgeben muß. In dieser Situation ist das Bypass-Verhältnis von sekundärer Bedeutung, wichtig ist die Erzielung eines mittleren Bypass-Verhältnisses, das für die Lieferung des maximalen Schubes geeignet ist. Sowohl die erste als auch die zweite Statorstufe werden für eine maximale Luftströmung eingestellt. Infolgedessen erreicht das gesamte Fandruckverhältnis ein Maximum und deshalb ist der Schub in ähnlicher Weise maximiert. Die Verwendung eines Brenners 119, der in dem inneren Fankanal 48 angeordnet ist, kann sowohl in dieser Situation als auch bei dem Überschallflug erfolgen. Der Brenner enthält einen zurückziehbaren Flammenhalter 120, der in Fig. 1 in seinem zurückgezogenen Zustand und in Fig. 2 in seinem Betriebszustand gezeigt ist. Ein derartiger Brenner ist zwar nicht notwendig, er sorgt jedoch für zusätzliche Flexibilität, indem er Mittel schafft, um die Energie der aus der Düse 118 austretenden Strömung stark zu vergrößern und somit zum Gesamtschub des Triebwerkes beizutragen.
Während des Triebwerksbetriebes, wenn das Bypass-Verhältnis verändert werden muß oder soll, kann die Stellung der verstellbaren Turbinenstatoren 75, 92 und 106 verändert werden, um die relativen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Gebläse 34 und 40 und des Kernkompressors zu vergrößern und zu verkleinern. Auf diese Weise und durch Verändern der Steigung der Gebläse 34 und 40 ist das Bypass-Verhältnis unbegrenzt veränderbar zwischen einem Spitzenverhältnis, das die maximale Gesamtströmung durch die Kanäle 48 und 52 und die minimale Strömung durch das Kerntriebwerk 22 darstellt, und einem minimalen Verhältnis, das die minimale Strömung durch die Fankanäle und die maximale Strömung des Kerntriebwerks darstellt.
Diese Steuerung kann durchgeführt werden, ohne daß eine "Umschaltung" zwischen den Kanälen oder ein anderer Strömungsstagnationspunkt erforderlich ist. Somit beinhaltet die Bypass-Steuerung nicht das Risiko eines Fanströmungsabrisses wie bei den bekannten Vorrichtungen.
Die übrigen vorstehend beschriebenen Elemente mit variabler Geometrie des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dienen dazu, die Strömungssteuerung zu ergänzen und den betrieblichen Wirkungsgrad zu vergrößern. Beispielsweise beeinflussen die eine variable Steigung aufweisenden Statoren 36 und 38 des ersten Gebläses und die Statoren 42 des zweiten Gebläses die durch den jeweiligen Stator hindurchtretende Luftmenge in Abhängigkeit von deren entsprechenden Einstellungen. Zusätzlich beeinflußt jeder den Angriffswinkel der Luftströmung in bezug auf die entsprechenden stromabwärtigen Stufen und sie können somit dazu verwendet werden, die aerodynamische Effizienz in dem Triebwerk zu vergrößern. Das gleiche gilt für die steuerbaren Schaufeln 60, 62 und 64 des Kernkompressors.
Die Flexibilität aufgrund der variablen Geometrie und der variablen Bypass-Verhältnisse gestattet die Auswahl der Kerntemperatur, der Triebwerksgesamtströmung und des Druckverhältnisses für eine optimale Leistungsfähigkeit bei jedem gegebenen Flugzustand.
Es kann aber nicht nur der Wirkungsgrad bei Unterschall- und Überschallbetrieb verbessert werden, indem kleine und große Bypass- Verhältnisse eingestellt werden, sondern es sind auch Verbesserungen der betrieblichen Wirkungsgrade aufgrund der Verminderung des Strömungswiderstandes und der Reibungsverluste möglich. Die bisherige Erfahrung hat gezeigt, daß der mit einem Turbofantriebwerk verbundene Strömungswiderstand vergrößert wird, wenn die Größe des Einlaufes zu groß ist für die Luftmenge, die bei einem gegebenen Betriebszustand durch das Triebwerk strömt. Mit anderen Worten tritt ein " Überlaufen" der Luft auf, wenn sich der Einlauf durch die Atmosphäre schiebt aufgrund der Unfähigkeit des Einlaufes, die gesamte in ihn eintretende Luft zu schlucken. Die bekannten Turbofantriebwerke besaßen keinen wirksamen Weg, um diesen Effekt zu bekämpfen.
Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird der Strömungswiderstand verkleinert, indem der Einlauf angepaßt werden kann für einen Betrieb bei Unterschallbedingungen mit einem kleinen Bypass-Verhältnis. Ein Betrieb mit kleinen Bypass-Verhältnis kann dadurch erreicht werden, daß eine solche Größe für die Fanstufen ausgewählt wird, daß die Fanstufe 40 in ihrem Betrieb mit großem Durchsatz die gesamte Luft aufnehmen kann, die durch die Rotorblätter 34 des ersten Gebläseabschnittes strömt. In diesem Fall würde die Luftmenge, die durch den äußeren Fankanal 52 geleitet wird, auf nahezu Null herabgesetzt, und das Bypass-Verhältnis würde auf einem zulässig kleinen Wert für einen Überschallbetrieb gehalten, während sich der Einlauf durch die Atmosphäre schieben könnte, ohne daß ein Überfließen auftritt.
In bezug auf den Unterschall-, Teilleistungs-Betrieb mit großem Bypass-Verhältnis kann die Strömung durch das Triebwerk an die Einlaßbedingungen "angepaßt" werden, indem ein großer Anteil der eintretenden Strömung durch den äußeren Fankanal 52 abgezweigt wird. Somit kann der relativ kleine Schub und der geringe Brennstoffverbrauch beibehalten werden, während der Luftstrom durch den Fankanal 52 geleitet wird, der anderenfalls am Einlauf "überlaufen" würde.
In bezug auf die Strömungswiderstandsverluste werden die " Überlauf"-Verluste, die mit der Einlaufdimensionierung verbunden sind, üblicherweise in negativer Richtung verstärkt durch größere Düsenströmungsverluste. Diese Verluste entstehen im allgemeinen aus dem "Schiffsheck"-Effekt, der mit der Konvergenz des hinteren Endes des Triebwerkes und den zugehörigen Luftströmungen zusammenhängt. In bekannten Turbofantriebwerken ist dieser Effekt besonders nachteilig für den Betriebswirkungsgrad während des Reisebetriebes des Triebwerkes. Dieser Teillastbetrieb kann nun in signifikanter Weise verbessert werden hinsichtlich des Schiffsheck-Strömungsverlustes. Um dies zu erreichen, kann die Einlaufströmung an die Luftströmung angepaßt werden, um das Überlaufen wir zuvor durch richtige Auswahl der Luftströmungsmenge durch die erste Fanstufe zu eliminieren. Gleichzeitig wird durch Verminderung der Strömung durch die zweite Fanstufe ein großer Bypass durch den äußeren Fankanal 52 erreicht. Diese äußere Bypass-Strömung kann an äußere Strömungsbedingungen angepaßt werden, um die Strömungsverluste, die mit dem Schiffsheck-Effekt zusammenhängen, auf den Minimum zu reduzieren, indem die Volumenströmung durch den Hals der Schubdüse nahe der äußeren Atmosphäre, d. h. Düse 126, vergrößert wird. Diese verschiedenen Strömungsanpassungen können bei bekannten Turbofantriebwerken nicht auf effektive Weise durchgeführt werden.
Somit ist ersichtlich, daß die Möglichkeit besteht, eine optimale Wechselwirkung zwischen verschiedenen Betriebsparametern zu erzielen, wie Einlauf-Strömungsverlust ( aufgrund von Überströmen), Schiffsheck-Strömungsverlust (Abhilfe durch Vergrößerung der Volumenströmung durch den Düsenhals) und inneren Wirkungsgrad des Kerntriebwerkes (verbessert durch Anpassung der Kerndrehzah an Kerntemperaturen bei optimalen Werten). Somit wird ein extrem flexibles Turbofantriebwerk mit radial verbesserten funktionellen Charakteristiken im Vergleich zu bekannten Triebwerken erhalten.
In den Fig. 3 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Abweichung zwischen diesem zweiten Ausführungsbeispiel und dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist auf die Schubdüsenstruktur gerichtet, die im folgenden in Verbindung mit der Düsenstruktur gemäß Fig. 1 beschrieben wird.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel enthält eine Düse gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz dazu sind aber zwei unabhängig voneinander drehbare Wellen vorgesehen anstelle von drei Wellen. Die erste Gebläsestufe weist verstellbare Statorschaufeln 180 und 182 und Rotorblätter 184 mit variabler Steigung auf. Die zweite Gebläsestufe enthält Schaufeln 186 mit variabler Steigung und feststehende Schaufeln 188 und desgleichen Rotorblätter 190 mit variabler Steigung. Die Rotorblätter 184 der ersten Gebläsestufe und die Rotorblätter 190 der zweiten Gebläsestufe sind gemeinsam durch eine einzelne Welle 192 getragen und angetrieben. Die ersten und zweiten Fankanäle 191 und 193 sind mit Einläufen 195 und 197 versehen, die wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen angeordnet sind. Der Kernkompressor 194 hat einen Einlauf 199 und enthält verstellbare Statorschaufeln 196, 198 und 200 usw. und desgleichen feststehende Statorschaufeln. Zusätzlich enthält der Kernkompressor Rotorblätter 202, 204 und 206, die von einer Welle 208 getragen werden, die unabhängig von der Welle 192 drehbar ist. Hinsichtlich der Kernturbine ist eine Rotorstufe 210 auf einer Scheibe montiert, die mit einer Welle 208 zusammenarbeitet und diese antreibt und die stromabwärts von verstellbaren Einlaufleitschaufeln 209 angeordnet ist. Die Rotorblätter 212, 214 und 216 arbeiten mit der Welle 192 zusammen und treiben diese an und bilden somit die Fanturbine. Zusätzlich enthält die Fanturbine Statorschaufeln 218 und 220 mit variabler Steigung.
Mit Ausnahme des Ersatzes der zwei unabhängig angetriebenen Wellen anstelle der drei Wellen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel arbeitet das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 in der gleichen Weise wie dasjenige der Fig. 1. Eine Änderung des Bypass- Verhältnisses wird durch eine Proportionierung der Luftströmung unter dem Kerntriebwerk und den Kanälen 191 und 193 erreicht. Die Aufteilung der Strömung in diesem Ausführunsbeispiel wird hauptsächlich durch Veränderung der Steigungseinstellungen der Fanstufen 184 und 190 und durch Änderung der Fan- und Kerndrehzahl erreicht. Die Änderung der Fangeschwindigkeit wird durch Einstellen der Steigung der Fanturbinenstatoren 218 und 220 erreicht. In diesem Ausführungsbeispiel werden aber die Gebläse durch eine einzelne Welle angetrieben und somit mit gleichen Drehzahlen. Die Änderung der Kernkompressordrehzahl wird durch Einstellen der Steigung der Kernturbinenstatoren 209 erreicht.
Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 vergrößert die Erhöhung des Anteiles der durch die Fankanäle 191 und 193 gerichteten Luftströmung auch das Bypass-Verhältnis, während eine Vergrößerung des Anteiles der Strömung durch das Kerntriebwerk das Bypass-Verhältis verkleinert. Dieses Ausführungsbeispiel ist zwar von Natur aus weniger flexibel als das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aufgrund der gleichen Drehzahlen der Gebläsestufen 184 und 190, es bietet aber ein verringertes Gewicht und eine verminderte Komplexität und könnte sich auf diesen Grundlagen als nützlich oder vorteilhaft erweisen.
In bezug auf das Problem der Unterdrückung des Strahllärmes stellen die Fig. 1 und 2 eine erste Düsenanordnung dar für eine effektive Beeinflussung des Strahllärmes und insbesondere so, daß sie auf einfache Weise anwendbar ist auf ein Triebwerk, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Trotz der Tatsache, daß der Kernstrom durch drei getrennte Turbinen zwischen der Brennkammer und der Düse 116 hindurchgeströmt ist, bildet der austretende Kernstrom Moleküle mit extrem hoher Geschwindigkeit, und deren Ausstoß in eine umgebende Atmosphäre, deren Geschwindigkeit praktisch Null ist, würde einen großen Teil dieses unerwünschten Strahllärmes erzeugen.
Dies würde auftreten aufgrund der "Scher"-Wechselwirkung zwischen den Molekülen der eine große Geschwindigkeit aufweisenden Kernströmung und den relativ stationären atmosphärischen Molekülen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dient die Dreifach-Abgasdüsenstruktur 32, die die Kerndüse 116, die erste Fanschubdüse 118 und die zweite Fanschubdüse 126 umfaßt, zur Verminderung der Relativgeschwindigkeit zwischen den Molekülen der verschiedenen auftretenden Strömungen und der umgebenden Atmosphäre. Dies wird dadurch erreicht, daß die drei im allgemeinen ringförmigen Austrittsdüsen in einer im allgemeinen koaxialen und koplanaren Relation zueinander angeordnet sind. Die Düse 116 ist im allgemeinen von der Düse 118 umgeben. In ähnlicher Weise ist die Düse 118 im allgemeinen von der Düse 126 umgeben. Infolgedessen ist die aus dem Triebwerk austretende Kernströmung von der ersten Fanströmung umhüllt, die aus der Düse 118 austritt. Diese beiden Strömungen sind ihrerseits durch die zweite Fanströmung umhüllt, die aus der Düse 126 austritt. Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, verläßt die Kernströmung 116 das Triebwerk mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, die erste Fanströmung verläßt die Düse 118 mit einer wesentlich kleineren Geschwindigkeit (da das Kerntriebwerk 22 auf diese Strömung nicht eingewirkt hat) und die zweite Fanströmung tritt aus der Düse 126 mit einer Geschwindigkeit aus, die kleiner als die zwei anderen ist (da sie nur von einem Gebläse komprimiert worden ist).
Auf diese Weise ist eine direkte Wechselwirkung mit der Kernströmung auf die erste Fanströmung beschränkt, während die erste Fanströmung in eine direkte Wechselwirkung mit der Kernströmung und der zweiten Fanströmung tritt. Die zweite Fanströmung ist die einzige Ausströmung des Triebwerkes, die direkt an der relativ stationären atmosphärischen Luft nahe der Triebwerksdüse angreift. Auf diese Weise sind dann die Relativgeschwindigkeiten zwischen den Molekülen wesentlich vermindert durch die Schubstrom-"Mischung", die mit der Düsenanordnung gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erreicht wird. Dies führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Unterdrückung des Strahllärmes, da die Scherkräfte zwischen in Wechselwirkung tretenden Molekülen von jeder dieser Strömungen auf ein Minimum herabgesetzt sind.
Ein weiteres Charakteristikum der Düsenstruktur gemäß den Fig. 1 und 2 besteht darin, daß sie eine Strömungsexpansion in sowohl ein kleines als auch ein großes Bypass-Verhältnis aufweisenden Betriebssituation gestattet. In Fig. 1 ist eine Klappe 122 am stromabwärtigen Ende der Gondel 51 in einer Stellung angeordnet, die für einen Unterschallbetrieb bei großem Bypass-Verhältnis geeignet ist. In dieser Konfiguration bildet die Klappe 122 Austrittsflächen sowohl für die äußere Fandüse 126 als auch für die dazwischen angeordnete Fandüse 118, wobei jede Düse eine wesentliche Strömung in die Atmosphäre schickt. Jede ist eine konvergente Düse in Richtung auf ihr stromabwärtiges Ende, wobei eine Strömungsexpansion hauptsächlich außen und stromabwärts von der Düse auftritt.
In Fig. 2 ist die Klappe 122 in eine Position geschwenkt, die für einen Überschallbetrieb bei kleinem Bypass-Verhältnis geeignet ist. In dieser Stellung ist praktisch keine Strömung durch den äußeren Fankanal 52 vorhanden, während die Strömung durch den inneren Fankanal 48 eine wesentliche Größe besitzt (und durch den Nachbrenner noch verstärkt sein kann). Geeignet für diese Situation ist die konvergente/divergente Düsenkonfiguration, die die Düse 118 nun bildet, wobei die hauptsächliche Strömungsexpansion innen und vor einem Ausstoß in die umgebende Atmosphäre auftritt.
Zusätzlich zu der Unterdrückung des Strahllärmes verstärkt somit die beschriebene Düsenkonfiguration die Gesamtleistungsfähigkeit des Triebwerkes, indem eine effiziente aerodynamische Expansion unterstützt wird.
Während die drei Strömungen besonders gut geeignet sind für eine Verwendung mit der Dreifach-Schubdüse gemäß Fig. 1, so kann eine im allgemeinen äquivalente Lärmunterdrückung und Leistungsfähigkeit auch durch die Düsenkonfiguration gemäß den Fig. 3 und 4 erzielt werden.
Dieses zweite Ausführungsbeispiel der Düse verwendet vorwiegend eine integrierte Schubdüse 150 und arbeitet als eine Mischkammer zur Aufnahme einer Strömung aus dem äußeren Fankanal 152, dem inneren Fankanal 154 und dem Kerntriebwerksausgang 156. Der äußere Fankanal 152 ist zwischen der äußeren Gondel 158 und einer Zwischengondel 160 gebildet. Der Fankanal 154 ist zwischen der Zwischengondel 160 und einer Kerntriebwerksgondel 162 gebildet. Die äußere Gondel und die Zwischengondel besitzen eine variable Geometrie durch verstellbare Düsenklappenabschnitte 164 bzw. 166. Die integrierte Düse 150 wird in einer ringförmigen Verlängerung 168 der verstellbaren Düsenklappenstruktur 164 gebildet. Die Verlängerung 168 enthält einen stromaufwärts verlaufenden Ringteil 170, der einen Punkt nahe der verstellbaren Düsenstruktur 166 erreicht und die Schließung des äußeren Fankanales gestattet, wenn dort keine Strömung vorhanden ist.
Beim Betrieb im Unterschallbereich mit einem großen Bypass-Verhältnis, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, tritt eine große Strömung durch den äußeren Fankanal 152 mit kleineren Strömungen durch den Fankanal 154 und den Kernausgang 156 auf. Wenn die Strömung jeder Quelle das stromabwärtige Ende ihres entsprechenden Kanals erreicht, wird sie in die integrierte Düse 150 ausgestoßen, wo eine vorbestimmte Vermischung auftritt. Anschließend wird die Strömung in die umgebende Atmosphäre mit einem Geschwindigkeitsprofil ausgestoßen, bei dem die langsamsten Geschwindigkeiten an dem radial äußeren Teil des Profils auftreten und die größten Geschwindigkeiten in der Mitte der Strömung gehalten werden. Auf diese Weise ist die Düse 150 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ähnlich wie die Düse 32 des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel tritt aber eine Vermischung der verschiedenen Strömungen innerhalb der integrierten Düse 150 auf im Gegensatz zu der stromabwärtigen Mischung bei den getrennten Düsen. Infolgedessen kann ein glatteres Geschwindigkeitsprofil an dem Punkt der Wechselwirkung zwischen der austretenden Strömung und der umgebenden Atmosphäre erhalten werden. Beide Ausführungsbeispiele sind äußerst wirkungsvoll im Hinblick auf die Lärmverminderung und desgleichen die Vergrößerung des betrieblichen Wirkungsgrades des Triebwerkes. Eine Auswahl dazwischen kann weitgehend auf der Basis mechanischer Vorzüge erfolgen.
In Fig. 4 ist das zweite Ausführungsbeispiel im Überschallbetrieb gezeigt und wo auch der Brenner 171 mit seinem zurückziehbaren Flammenhalter 172 arbeitet. In dieser Betriebsart ist wie bei dem früheren Ausführungsbeispiel der Luftstrom durch den äußeren Fankanal 152 im wesentlichen vernachlässigbar zu der gesamten eintretenden Luftströmung, die zwischen dem inneren Fankanal 154 und dem Kerntriebwerk aufgeteilt wird. Die variable Geometrie der Düsenstruktur mit den Elementen 164, 166 und 170 hat eine Schließung des äußeren Fankanales 152 bewirkt durch eine Drehung des Düsenelementes 166 in einen Eingriff mit dem aufwärts verlaufenden Teil 170. Zusätzlich hat diese Drehung des Düsenelementes 166 den Austritt aus dem inneren Fankanal 154 von einer konvergenten in eine konvergent/divergente Konfiguration umgewandelt, die für einen Überschallflug vorteilhaft ist. Auf diese Weise ist das Bypass-Verhältnis des Triebwerkes vermindert, und die Strömungen aus dem Fankanal 154 und dem Kerntriebwerksausgang werden innerhalb der integrierten Düse 150 vermischt, bevor sie in die Atmosphäre ausgestoßen werden.

Claims

1. Turbofan-Triebwerk mit folgenden Merkmalen:

- ein Kerntriebwerk (22) weist zur Erzeugung einer Kernströmung einen Einlauf (56), einen Verdichter (24), eine Brennkammer (26), eine Turbine (28) und eine Abgasdüse (116) auf, wobei der Verdichter (24) und die Turbine (28) durch eine Welle (82) verbunden sind,

- eine erste Fanstufe (40) ist stromaufwärts von dem Kerntriebwerkeinlaß (56) angeordnet und steht in Strömungsverbindung mit einem radial inneren Fankanal (48) und einer stromabwärtigen Düse,

- eine zweite Fanstufe (34) ist stromaufwärts von der ersten Fanstufe (40) angeordnet und steht in Strömungsverbindung mit einem radial äußeren Fankanal (52), der den inneren Fankanal (48) umgibt, und mit einer Fandüse (126), die die Fandüse (118) des inneren Fankanals (48) umgibt,

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- Steuereinrichtungen (41; 35) steuern die Strömungen durch die ersten bzw. zweiten Fanstufen (40; 34) und eine Steuereinrichtung (60, 62, 64) steuert die Strömung in den Verdichter (24) des Kerntriebwerks (22),

- der innere Fankanal (48) weist an seinem stromabwärtigen Ende eine steuerbare Fandüse (118) auf, die die Abgasdüse (116) des Kerntriebwerks (22) umgibt,

- die aus der Abgasdüse (116) des Kerntriebwerks (22) austretende Strömung ist die schnellste und die aus der Fandüse (126) des äußeren Fankanals (52) austretende Strömung ist die langsamste der drei das Triebwerk verlassenden Strömungen.

2. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fandüse (118) des inneren Fankanals (48) und die Fandüse (126) des äußeren Fankanals (52) koaxial angeordnet sind.

3. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fandüsen (118, 126) des inneren bzw. äußeren Fankanals (48, 52) ringförmig sind.

4. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Abgasdüse (116) des Kerntriebwerks (22) radial innen von der inneren Fandüse (118) angeordnet ist.

5. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegbares Düsensegment (122) zum Verschließen der äußeren Fandüse (126) in der Nähe des stromabwärtigen Endes des äußeren Fankanals (52) angeordnet ist.

6. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine integrierte Schubdüsenanordnung (150) stromabwärts von der Abgasdüse (116) des Kerntriebwerks (22) und den inneren und äußeren Fandüsen (118, 126) angeordnet ist und die von diesen abgegebenen Strömungen als eine einzige Strömung in die Atmosphäre ausstößt.

7. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen (41; 35) die Luftströmungsanteile zwischen dem Kerntriebwerk (22), dem inneren Fankanal (48) und dem äußeren Fankanal (52) unter Beibehaltung einer kontinuierlichen Strömung verändern, wobei wenigstens einer der Fankanäle (48, 52) zu allen Zeiten geöffnet ist für den Durchtritt einer Fanströmung.

8. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fanstufe (40) verstellbare Statoren aufweist, deren Steigung durch die Steuereinrichtung (41) veränderbar ist.

9. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fanstufe (34) verstellbare Statoren aufweist, deren Steigung durch die Steuereinrichtung (35) veränderbar ist.

10. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren der ersten und zweiten Fanstufen (40, 34) mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind.

11. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Verdichters (24) des Kerntriebwerks (22) steuerbar ist.