DE1009435B

DE1009435B - Brennkraftmaschinentriebwerk, insbesondere Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE1009435B
Application number: DEC12550A
Authority: DE
Inventors: William Kuzyk
Original assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Current assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Priority date: 1955-02-07
Filing date: 1956-02-11
Publication date: 1957-05-29
Also published as: GB791463A; FR1140778A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinentriebwerk mit einer Abgasleitung, aus der die Abgase mit hoher Geschwindigkeit ausströmen und dadurch einen Vortrieb bewirken, wie dies insbesondere bei Gasturbinentriebwerken vorgesehen wird.

Dem Fachmann ist es bekannt, daß Gasturbinentriebwerke mit besonders hohen Gastemperaturen arbeiten. Daher müssen Mittel zum Kühlen des Triebwerkes sowie der das Triebwerk umgebenden und tragenden Teile vorgesehen werden. Üblicherweise wird dies dadurch erreicht, daß in der Nähe der Stirnfläche des Triebwerkes eine Einlaßöffnung vorgesehen wird, in die Luft unter Staudruck eintritt. Die Kühlluft wird dann durch einen zwischen dem Triebwerk und seinen Tragteilen angeordneten Ringraum hindiurchgeleitet und streicht dabei über die Brennkammern, die Düsenkammer und das Ausströmrohr hinweg. Schließlich gelangt die Luft durch eine dieses Rohr umgebende ringförmige öffnung wieder ins Freie.

Diese Art der Kühlung ist im grundsätzlichen die übliche. Es gibt manche geringfügige Abweichungen in Einzelheiten, bei denen Luftkanäle und Leitbleche innerhalb der Umhüllung vorgesehen sind, um bestimmte Strömungsverhältnisse um das Triebwerk herum zu erzielen. Jedoch besteht die Kühlvorrichtung im allgemeinen gesehen aus einem vorn vorgesehenen Einlaß, in den die Kühlluft eingeführt wird, einer ringförmigen Kammer zwischen dem Triebwerk und der Umhüllung und einem ringförmigen Auslaß, der die Kühlluft mit dem Hauptrückstoßstrahl vermischt.

AiIe diese Vorrichtungen haben aber einen Hauptnachteil. Das Vermischen der Kühlluft mit den mit hoher Energie beladenen Vortriebsgasen bringt eine wesentliche Verminderung des Vortriebes mit sich. Der Verlust an Wirkungsgrad beträgt zwischen 2 und 5% des gesamten Vortriebes.

Hauptzweck der Erfindung ist es daher, ein Gasturbinentriebwerk und seine Umhüllung zu kühlen, ohne den Wirkungsgrad des Triebwerkes zu beeinträchtigen. Es ist durch die Erfindung unter Umständen sogar möglich, eine bemerkliche Erhöhung des Vortriebes zu erzielen. Die Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich außerdem dadurch aus, daß bei einem mit ihr versehenen Flugzeugtriebwerk ein nicht unbeträchtlicher Kühlluftstrom auch dann zur Verfügung steht, wenn das Flugzeug sich nicht bewegt.

Dies wird bei einem Triebwerk mit einer Abgasleitung, die von einer Kühlluftleitung ringförmig umgeben ist, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in der Wand der Abgasleitung eine Coanda-Düse vorgesehen ist, durch die ein Teil der Abgase in den Ring-Brennkraftmaschinentriebwerk,
insbesondere Gasturbinentriebwerk

Anmelder:

Canadian Patents and Development Limited, Ottawa, Ontario (Kanada)

Vertreter: Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Friedridi-tEbert-Str. 53

William Kuzyk, Weston, Ontario (Kanada),
ist als Erfinder genannt worden

kanal übertritt und dadurch die in dem Ringraum vorhandene Kühlluft mit sich mitreißt.

In der Zeichnung ist die Erfindung veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des teils geschnittenen Gasturbinentriebwerkes mit einer Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Skizze zur Veranschaulichung des sogenannten Coanda-Effektes,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Vortriebsdüse und

Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 3 in größerem Maßstab.

Das in Fig. 1 dargestellte Triebwerk 10 weist eine ringförmige Einlaßöffnung 11 für die Verbrennungsluft, einen Verdichter 12, eine Verbrennungseinrichtung 13 und eine Turbine 14 auf. Hinter der Turbine befindet sich ein ringförmiger Diffusor 17, der innen durch einen Leitkegel 15 und außen durch einen Konusmantel 16 begrenzt ist. An dem Mantel 16 ist ein Schubrohr 18 befestigt, das in der Hauptauslaßöffnung 19 endet. Das ganze Triebwerk ist von einer Umhüllung 20 umgeben, deren Wandung 21 im Querschnitt praktisch kreisförmig ist und die am vorderen Ende in die Außenwand der Einlaßöffnung 11 übergeht. Das hintere Ende der Umhüllung bildet zusammen mit dem Schubrohr 18 eine ringförmige Düse 22.

Die Kühlluft gelangt durch seitliche öffnungen 23 in einen das Triebwerk 10 umgebenden Ringraum 24. Dieser Ringraum ist so groß, daß die darin befindliche Luft in allen praktisch vorkommenden Fällen eine ganz geringe Geschwindigkeit, zum mindesten aber im

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Vergleich mit der Eintrittsgeschwindigkeit eine sehr stark herabgesetzte Geschwindigkeit hat.

In dem hinterem Teil des Schubrohres 18 ist ein nur durch schmale Stege unterbrochener, rundum laufender Schlitz 25 vorgesehen, wie dies Fig. 1, 3 und 4 zeigen. Unmittelbar vor dem Schlitz befindet sich außen auf dem Schubrohr ein sich nach hinten verstärkender Ring 26, dessen Querschnitt also etwa dreieckig ist und der unmittelbar mit dem Schlitz 25

aerodynamischen Phänomen. Sie werden von ihrer zunächst radial nach außen gerichteten Strömungsrichtung um diese Kante »herumgebogen«, bis sie entlang der äußeren Kontur des Ringes 27 und der äußeren Wand des hinteren Teiles des Schubrohres 18 strömen. Das Umbiegen der Gasströmung um den Ring 27 bewirkt eine Geschwindigkeitszunahme dieser Gase und eine entsprechende Druckabnahme. Diese Druckabnahme bewirkt, daß die die Gase in der Ringabschließt, während er nach vorn allmählich in der i° kammer 24 umgebende Kühlluft mit diesen mit hoher Außenfläche des Schubrohres verläuft. Geschwindigkeit strömenden Gasen mitgerissen wird.

Ein weiterer Ring 27 ist hinter dem Schlitz 25 Das Gemisch aus Kühlluft und Abgasen tritt dann außen auf dem Schubrohr 18 angeordnet und hat einen durch die Schubringdüse 22 nach hinten aus. etwa stromlinienförmigen Querschnitt. Die vordere Der Hauptvorteil der beschriebenen Bauart liegt in

Kante 28 schließt sich unmittelbar an die hintere 15 der Möglichkeit begründet, einen wirkungsvolleren Kante des Schlitzes 25 an, während die hintere Kante Absaugeffekt zu erzielen, als dies bisher bekannt war, 29 flach in das Schubrohr übergeht. Diese beiden und außerdem eine Erhöhung der Hauptschubkompo-Ringe sind in der Zeichnung als aus vollem Material nente zu erzielen. Der letztere Vorteil ergibt sich aus hergestellt dargestellt, doch werden sie in der Praxis der Tatsache, daß es mit der Coanda-Düse möglich vorzugsweise aus Blech geschweißt. Theoretisch ist 20 ist, einen Teil der Kühlluft zu beschleunigen, die vordere Kante 28 des hinteren Ringes 27 keine Es ist experimentell nachgewiesen worden, daß ein

zusammenhängende Kurve, sondern durch eine end- Verhältnis von angesaugter Luftmasse zu saugender liehe Zahl gerader Linien bestimmt, die in Richtung Gasmasse von etwa 20:1 erreicht werden kann, zum Schubrohrende in ihrer Neigung zur Schubrohr- Außerdem kann neben diesem hohen Grad von Saugachse immer mehr abnehmen. In der Praxis ist es 25 wirkung eine Schuberhöhung auf das l,7fache des in vorteilhafter, sie als kontinuierliche Kurve ohne Un- der Coanda-Düse vorhandenen Schubes erzielt werden. Stetigkeiten auszubilden. Versuche haben auch be- In Fig. 2 wird angenommen, daß die Strömung in

stätigt, daß zwischen beiden Ausführungsformen kaum der Düse bei dem Punkt!? eine Geschwindigkeit von Unterschiede in der Wirkung bestehen. Die beiden V₁ hat. Bei Erreichen des Punktes C ist die Ge-Ringe 26 und 27 bilden zusammen mit dem Schlitz 25 30 schwindigkeit auf den Wert V₂ gestiegen, usw., bis sie eine Ringdüse, die allgemein mit 30 bezeichnet ist und bei dem Punkt F die Geschwindigkeit V₅ erreicht hat. entsprechend den von Henri Coanda in der US A.Patentschrift 2 052 869 dargelegten Lehren ausgebildet
ist. Ein schmaler Rand 31 (Fig. 4), der von der hinteren
Kante des Schlitzes 25 schräg nach vorn und innen in 35
das Schubrohr 18 vorsteht, erleichtert das Überströmen
von Gasen aus dem Schubrohr durch die Ringdüse 30.
An der Umhüllung 21 sind im Bereich des hinteren
Ringes 27 radial nach innen gerichtete Rippen 32 vorgesehen, gegen die sich das Schubrohr 18 gleitend 4° der aus der Coanda-Düse austretenden Gase wird die abstützt. innerhalb des Ringraumes vorhandene Kühlluft auf

Die Ringdüse 30 dient, wie erwähnt, zum Erzielen eine solche Geschwindigkeit beschleunigt, daß dadurch eines Kühlluftstromes in dem Ringraum 24 mittels des keine Verminderung des Gesamtschubes entsteht. Coanda-Effektes. Dem Fachmann ist es bekannt, daß, Außerdem wird ein beträchtlicher Teil der an den Einwenn eine der Kanten einer Düsenmündung von recht- 45 Strömöffnungen 23 entstehenden Strömungsverluste, eckigem Querschnitt verlängert und laufend aus der die in der Kühlluft bei ihrem Eintritt entstehen, in ursprünglichen Strömungsrichtung herausbewegt wird, Form eines Vortriebsschubes teilweise wieder zurückdas durch die Düse strömende Strömungsmittel aus gewonnen. In einer üblichen Absaugvorrichtung, wie seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt wird und sie derzeit in Gasturbinentriebwerken verwendet wird, der Fläche der verlängerten Kante folgt. Außerdem 50 ergibt sich ein Verlust an Gesamtschub von 2 bis 5°/o nimmt die Geschwindigkeit der Strömung mit der auf Grund der Tatsache, daß die geringe Strömungs-Abnahme des Winkels der verlängerten Kante relativ geschwindigkeit der Kühlluft bei der Mischung mit zu der Längsachse beträchtlich zu. Als Ergebnis der dem Vortriebsstrahl Wärme absorbiert, wodurch eine Geschwindigkeitszunahme bei jeder Zunahme des reine Abnahme der Leistung entsteht. Außerdem entWinkels entsteht eine entsprechende Druckabnahme, 55 stehen S trömungs Verluste an den Einströmöffnungen und die umgebenden Gase werden mit dem aus der von annähernd 2°/o. Daraus ergibt sich ein Gesamt-

Es ist also

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Diese allmähliche Zunahme der Geschwindigkeit ist von einer entsprechenden Verminderung des Druckes begleitet, wodurch die diese Düsenströmung umgebende Kühlluft angesaugt und mitgerissen wird.

Wegen der erwähnten Geschwindigkeitsefhöhung

Düse kommenden Strom mitgenommen.

Aus Fig. 1 und 4 ist ersichtlich, wie der Coanda-Effekt auf die Kühlvorrichtung eines Gasturbinentriebwerkes angewendet werden kann.

Die Kühlluft wird aus der freien Atmosphäre durch Öffnungen 23 in die Ringkammer 24 eingeführt, in der die Geschwindigkeit infolge des verhältnismäßig großen Querschnittes der Kammer fast auf den Wert N b d

verlust an effektivem Schub durch die Kühlluft in der Größenordnung von 4 bis 7°/o. Zur Erklärung sei erwähnt, daß der effektive Schub gleich dem Gesamt-60 schub minus den S trömungs Verlusten ist.

Bei einem Gasturbinentriebwerk, bei dem die Erfindung vorzugsweise verwendet wird, beträgt die Wiedergewinnung der in der Kühlluft beim Durchströmen der Eintrittsöffnungen 23 aufgetretenen Strömungs-

Null herabgesetzt wird. Ein kleiner Teil der durch 65 energieverluste etwa 25 °/o, so daß von den S trömungs-

das Schubrohr 18 strömenden Abgase wird durch den Verlusten in den Öffnungen 23 ein Verlust an effek-Rand 31 in die Düse 30 abgezweigt. Beim Durchtritt
durch die Ringdüse werden die Gase durch die Form

der vorderen Kante 28 des Ringes 27 beeinflußt, und

tivem Schub von etwa 1,5 °/o verbleibt. Da die Erfindung jeden Schubverlust, der durch das Vermischen von Kühlluft geringer Geschwindigkeit mit den heißen

zwar entsprechend dem als Coanda-Effekt bekannten 70 Abgasen entsteht, vermeidet, so ergibt sich, daß eine

effektive Zunahme an Maschinenleistung (effektiver Schub) von 2,5 bis 5,5 °/o im Vergleich mit Triebwerken üblicher Bauart erzielt wird.

Die Erfindung ist nicht auf Strahltriebwerke beschränkt, sondern auch im Zusammenhang mit Kolbentriebwerken anwendbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschinentriebwerk, insbesondere Gasturbinentriebwerk, mit einer Abgasleitung, die von einer Kühlluftleitung ringförmig umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand der Abgasleitung (18) eine Coanda-Düse (30) vorgesehen ist, durch die ein Teil der Abgase in den Ringkanal

(24) übertritt und dadurch die in dem Ringraum vorhandene Kühlluft mitreißt.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Coanda-Düse (30) aus einem in der Abgasleitung (18) vorgesehenen, quer zur allgemeinen Strömungsrichtung liegenden Ringschlitz

(25) besteht und daß hinter diesem Schlitz außen auf der Abgasleitung ein im Querschnitt etwa tragflächenprofilförmiger Ring (27) vorgesehen ist, dessen Vorderkante (28) mit der hinteren Kante des Ringschlitzes abschneidet und aus einer senkrecht zur Abgasleitungsoberfläche liegenden Richtung allmählich nach hinten biegt.

3. Triebwerk nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schlitz (25) außen auf der Abgasleitung (16) ein sich nach hinten allmählich verstärkender, im Querschnitt vorzugsweise dreieckiger Ring (26) vorgesehen ist, dessen etwa senkrecht zur Abgasleitungsoberfläche liegende hintere Kante mit der vorderen Kante des Schlitzes abschließt.

4. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung das Schubrohr (18) eines Gasturbinentriebwerkes (10) ist.

5. Triebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abgasleitung (18) ringförmig umgebende Wandung (20) auch das gesamte Triebwerk (10) umgibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 052 869.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 54W246 5.