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Strahlrohr für Strahltriebwerke Die Erfindung betrifft ein Strahlrohr
aus zwei konzentrischen, divergierenden, einen Ringraum umschließenden Wandungen,
insbesondere für die Auslaßseite eines Strahltriebwerks.
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In Strahlrohren dieser Art mit ständig zunehmendem Strömungsquerschnitt
zeigt die aus den TuTbinenschaufeln austretende Gasströmung das Bestreben einer
Abtrennung von der Innenwand des Strahlrohres. Da bekanntlich durch Tangentialwirbel
in den die Turbinenschaufeln verlassenden Gasen zusätzliche Druckverluste in den
Turbinen auftreten, ist bei einer bekannten Vorrichtung zur Behebung dieses Übelstandes
vorgeschlagen worden, die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit des die Schaufeln
einer Gasturbine verlassenden Mediums in eine Axialkomponente umzuwandeln. Durch
diese Maßnahmen allein ist jedoch nur eine relativ schlechte Ausströmleistung und,
dementsprechend eine relativ geringe Verbesserung der Druckverhältnisse erzielbar,
Im Endeffekt soll zwar die Umwandlung der Tangential- in eine Axial.komponente erreicht
werden, d. h., die Tangentialwirbel sollen herabgesetzt und es soll eine Glättung
der Strömung erzielt werden. Außerdem soll aber gleichzeitig die Tendenz der Strömung
zur Ablösung von den Wandungen des Strahlrohres unterdrückt und damit die Ausströmleistung
erhöht werden.
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Wenn Strahltriebwerke zur Druckerhöhung mit einem Nachbrenner versehen
sind, muß zu einer wirksamen. Verbrennung im Nachbrenner eine niedrige Axialgeschwindigkeit
von der Größenordnung der Hälfte oder weniger der Geschwindigkeit hinter den Triebwerksschaufeln
erreicht werden.. Wenn aber dazu der Ouerschnitt des vomAuslaß desTriebwerkes ausgehend,-en
Strahlrohres erheblich zunimmt, verursacht die daraus resultierende Druckerhöhung
eine Zunahme der Grenzschichtdicke. Dadurch erfolgt eine Abtrennung der Strömung
von den Wandungen des Strahlrohres. Die Erfahrung hat gezeigt, daß diese Strömungstrennung
besonders an den inneren Wandungen eines ringförmigen Ausströmkanals erfolgt.
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Gemäß der Erfindung werden daher an der Innenwand des Strahlrohres
Leitflächenstümpfe von stromlinienförmigem Querschnitt und an der Außenwand des
Strahlrohres Leitflächen von stromlinienförmigem Querschnitt angeordnet, die Randwirbel
erzeugen, welche bewirken, daß die langsam strömende Grenzschicht in den Hauptstrom
hinaus und gleichzeitig Gas hoher Geschwindigkeit aus dem Hauptstrom heraus gegen
die kegelförmige Innenwandung des Strahlrohres geleitet wird. Dadurch verringern
sie die Grenzschichtdicke an der inneren Wandung des ringförmigen Strahlrohres und
vermindern so dieTendenz zur Strömungsablösung von diesen Wandungen. Das sich erweiternde
Strahlrohr stellt daher einen wirksamen, Ausströmraum dar. Es wird ein beträchtlicher
Gewinn an kinetischer Energie in der die Schaufeln des Strahltriebwerkes verlassenden:
Strömung erzielt.
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Das wesentliche Kennzeichen des Strahlrohres gemäß der Erfindung besteht
somit in einer Kombination von Leitflächenstümpfen von stromlinienförmigem Querschnitt,
die von der Innenwand gegen die Außenwand gerichtet sind, mit Leitflächen von stromlinienförmigem
Querschnitt, die von der Außenwand gegen die Innenwand. gerichtet sind, so daß die
von den Leitflächenstümpfen erzeugten, in einer Richtung umlaufenden Randwirbel
durch die von den Leitflächen erzeugten, in Gegenrichtung umlaufenden Randwirbel
praktisch aufgehoben werden und die Sehnen der Ouerschnittsprofile der Leitflächenstümpfe
und Leitflächen einen Winkel zur Strömungsrichtung des durch den Ringraum strömenden
Mediums bilden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung liegen die Spitzen. der
Leitflächenstümpfe und Leitflächen auf einer gedachten ringförmigen Fläche parallel
zur Innenwand des Ausströrnraurnes, deren Durchmesser etwas größer als der Durchmesser
der Innenwand ist.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten feststehenden Leitflächenstümpfe
und Leitflächen glätten also nicht nur die das Triebwerk verlassende Strömung, sondern
reduzieren gleichzeitig die Tendenz der Strömung zur Abtrennung von den Wandungen
des Strahlrohres und erzielen dadurch eine Erhöhung der Ausströmleistun.g und eine
Druckverbesserung.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.
In
der Zeichnung sind mehrere beispielsweise AusfÜhrungsformen des Strahlrohres gemäß
der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen Teil des hinter
dem Brenner liegenden Strahlrohres; . - Fig. 1 a zeigt in größerem Maßstab einen
Teil eines Schnittes nach der Linie 1. a-1 a der Fig. 1; Fig. 1 b ist ein Schnitt
nach der Linie 1b-1 b der Fig. 1 a; Fig. 1 c zeigt in ähnlicher Darstellung wie
Fig. 1 a in größerem Maßstab eine abgeänderte Ausführungsform; Fig. 1 d ist ein
Schnitt nach der Linie 1 d-1 d der Fig. 1 c; Fig.2 zeigt im teilweisen Längsschnitt
eine Abänderung der Ausführungsform gemäß Fig. 1; Fig. 2 a zeigt in größerem Maßstab
einen Teil eines Schnittes nach der Linie 2 a-2 a der Fig. 2 ; Fig. 3 ist ein schematischer
Längsschnitt durch eine weitere abgeänderte Ausführungsform des Strahlrohres; Fig.
3 a zeigt in größerem Maßstab einen Teil eines Schnittes nach der Linie 3 a-3 a
der Fig. 3.
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In der Zeichnung ist der hinter dem Brenner liegende Abschnitt des
Strahlrohres allgemein mit 10 bezeichnet. Das Strahlrohr besteht aus einer Außenwand
11 und einer in derselben entsprechend abgestützten Innenwand 12, die einen ringförmigen
Ausströmraum 13 begrenzt, welcher das Medium, z. B. Gas, aufnimmt, das aus der vom
Triebwerkrotor 14 getragenen Beschaufelu.ng austritt. Bei 15 sind entsprechend geformte
Flammenschutzplatten befestigt.
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Eine Vielzahl von Leitflächenstümpfen 16 von stromlinienförmigem Querschnitt
ist im gleichen Abstand voneinander und im wesentlichen senkrecht zur Innenwand:
12 in der Nähe des Auslasses aus dem Triebwerkrotor angeordnet. Die Sehnen der Quer-,
schnittsprofile dieser Leitflächenstümpfe 16 sind unter einem vorher bestimmten
Winkel zu der Strömung des aus dem Triebwerk austretenden Mediums angeordnet, so
daß infolge des zwischen der stromaufwärts und stromabwärts liegenden Fläche des
Leitflächenstumpfes herrschenden Druckunterschiedes an den freien Enden Randwirbel
erzeugt werden. Diese Randwirbel sind in Fig. 1 b bei 17 als im Gegenuhrzeigersinn
umlaufend angegeben, und ihre Achsen sind im wesentlichen parallel zur Richtung
der Strömung des Mediums.
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Eine gleiche Anzahl von Leitflächen 18 von stromlinienförmigem Querschnitt
erstreckt sich von der Außenwand 11 nach innen. und die Sehnen ihrer Querschnittsprofile
sind im wesentlichen parallel zu jenen der Leitflächenstümpfe 16. Die Leitflächen
liegen in unmittelbarer Nähe der Leitflächenstümpfe, aber in der Strömungsrichtung
im Abstand von denselben, wobei ihre Sehnen ausgerichtet und unter demselben Winkel
zu dem Austritt des Mediums aus dem Triebwerk angeordnet sind, damit die Bildung
der Randwirbel nicht behindert wird. Diese Leitflächen 18 beseitigen nicht nur alle
Wirbel oder tangentialen. Geschwindigkeitskomponenten der Gase, so daß diese im
wesentlichen in axialer Richtung austreten, sondern ihre freien Enden erzeugen auch
Randwirbel, die gemäß Fig. 1 b bei 19 im Uhrzeigers.inn und somit entgegengesetzt
zu den von den Leitflächenstümpfen 16 erzeugten Randwirbeln umlaufen. Der Abstand
zwischen den Enden der Leitflächen 16 und der Leitflächenstümpfe 18 ist in Fig.
1 b übertrieben dargestellt, aber die Wirkungsweise ist ähnlich, ob die Enden nun
im Abstand voneinander oder auf gleicher Höhe liegen oder einander überlappen. Die
Ausführungsform, bei welcher sich die Enden der Leitflächenstümpfe und der Leitflächen
überlappen, hat sich jedoch für die Erzielung der gewünschten Ergebnisse als zuverlässiger
erwiesen, und deshalb wird diese Ausführungsform bevorzugt.
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Durch eine solche Anordnung werden zwei Reihen von Randwirbeln mit
entgegengesetzten Umlaufrichtungen in der Nähe des Triebwerksauslasses gebildet,
wobei die Leitflächenstümpfe und die Leitflächen in solcher Lage angeordnet sind,
daß innerhalb bestimmter Grenzen eine Trennung des Mediums von der Innenwand nicht
erfolgt.
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Die in Gegenrichtung umlaufenden Randwirbel ergeben stromabwärts von
den Leitflächen eine Spülwirkung auf der Innenwand des Strahlrohres, durch die infolge
der Mischung des Mediums die Bildung einer Grenzschicht vermieden und auf diese
Weise die Trennung des Mediums bis zu einer weiter stromabwärts gelegenen Stelle
verzögert wird, als sie normalerweise ohne die Verwendung von Leitflächen erfolgen
würde. Auf diese Weise wird nicht nur eine Grenzschichtregelung erzielt, sondern
damit sind auch die Vorteile verbunden, die sich aus denn Richten der Strömung des
zwischen den Leitflächen 18 hindurchgehenden Mediums ergeben. Wie aus Fig. 1 a hervorgeht,
ist die winklige Anordnung der Leitflächenstümpfe 16 und der Leitflächen 18 relativ
zur Richtung der Strömung des Mediums dieselbe.
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Fig. 1 c zeigt, wie die Reihen der Leitflächen in der Umfangsrichtung
zueinander versetzt angeordnet werden können, wobei der Abstand in der Umfangsrichtung,
die winklige Anordnung der Sehnen der Querschnittsprofile der Leitflächen in jeder
Reihe relativ zur Strömung des Mediums und der axiale Abstand der Reihen derselbe
ist wie gemäß den Fig. 1 und 1 a, während sich die Enden der Leitflächen überlappen.
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Fig. 1 d zeigt die in Gegenrichtung umlaufenden Randwirbel 17 und
19, die durch jede Reihe der in Fig. 1 c dargestellten Leitflächenstümpfe 16 und
Leitflächen 18 erzeugt werden. Die durch die Anordnung gemäß Fig. 1 c erzeugte Spülwirkung
unterscheidet sich von jener, die durch die Anordnung gemäß Fig. 1 a erzielt wird.
Durch Versuche wurde festgestellt, daß der optimale Abstand in der Umfangsrichtung
zwischen den Leitflächen in jeder Reihe ungefähr gleich ist der Länge der Sehnen
der Querschnittsprofile der Leitflächen.
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Fig.2 zeigt eine andere Ausführungsform des Strahlrohres und stellt
eine Abänderung der Bauarten g=emäß den Fi.g. 1 und 1 c dar. Die Leitflächenstürnpfe
16 ragen wie bisher von der Innenwand 12 nach außen und sind senkrecht zu derselben
und in der Umfangsrichtung im gleichenAbstand voneinander angeordnet. Die Leitflächen
18' sind ähnlich ausgebildet wie die Leitflächen 18 gemäß Fig. 1, liegen aber zwischen
den Leitflächenstümpfen 16 in der gleichen Reihe, wie am besten aus dem teilweisen
Schnitt gemäß Fig. 2 a ersichtlich ist, so daß sich die freien Enden bei 20 (Fig.
2) überlappen. Der Abstand der 1.,eitflächenstümpfe und Leitflächen jeder Reihe
in der Umfangsrichtung ist ungefähr gleich der Länge der Sehnen der Querschnittsprofile
derselben.
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Die durch die Enden der Leitflächenstümpfe und Leitflächen erzeugten
Randwirbel laufen in Gegenrichtung um, wie in Fig. 1 d dargestellt ist. Obwohl auch
hier der Druckunterschied zwischen den stromaufwärts und stromabwärts liegenden
Flächen der
Leitflächenstümpfe und Leitflächen besteht, ist die
infolge der Mischung durch die Randwirbel herbeigeführte Spülwirkung unterschiedlich
gegenüber den vorher beschriebenen Bauarten.
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In Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, wie die Bauarten kombiniert
werden können, um eine Trennung der Strömung bis zu einer weiter stromabwärts gelegenen
Stelle zu verzögern und eine wirksame Grenzschichtregelung sowie eine gerichtete
Strömung des Mediums zu erzielen, wenn die Abmessungen des Ausströmraurnes groß
sind. Wie in Fig. 1 ist die Außenwand mit 11 und die Innenwand mit 12 bezeichnet,
die den ringförmigen Ausströmraum 13 begrenzt. An der am weitesten stromaufwärts
liegenden Stelle sind an der Außenwand bzw. an der Innenwand ähnlich der Konstruktion
gemäß Fig. 2 Reihen von im gleichen Abstand voneinander liegenden Leitflä.chenstümpfen
16 und Leitflächen 18' angeordnet, die einen Teil der Wirbel des aus dem Triebwerk
austretenden Mediums beseitigen. Die Leitflächen können auch dazu verwendet werden,
die Strömung des Mediums teilweise zu richten; sie können sich entweder senkrecht
zur Innenwand oder parallel zum Triebwerksrotor erstrecken, und sie können gerade
oder gewundene Querschnittsprofile aufweisen, wobei die dargestellte Bauart vorzuziehen
ist.
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Stromabwärts von den Leitflächenstümpfen 16 und den Leitflächen 18'
sind ähnliche Reihen von in der Umfangsrichtung im Abstand voneinander liegenden
Leitflächenstümpfen 16' und Leitflächen 18" angeordnet, die ebenfalls stromlinienförmigen
Querschnitt aufweisen. Die Leitflächenstümpfe16' sind in gleichem Abstand voneinander
rund um die Innenwand 12 und in bleicher Winkellage wie die Leitflächenstümpfe 16
(Fig. 2) angeordnet, weisen jedoch eine größere Höhe auf, so daß sie in die Strömung
des sich bewegenden Mediums weiter hineinreichen. Die Leitflächen 18" sind den Leitflächen
18' (Fig. 2) ähnlich und sind in demselben Abstand angeordnet, wobei ihre freien
Enden der Leitflächenstümpfe 16' überlappen. Die in Gegenrichtung umlaufenden Randwirbel
werden durch diese beiden Reihen von Leitflächenstümpfen und Leitflächen in der
in Fig. 1 d dargestellten Weise erzeugt, um stromabwärts eine Spülwirkung hervorzurufen.
Infolge der größeren Höhe der Leitflächenstümpfe 16' haben auch diese eine Richtwirkung,
aber nicht in demselben Maße wie die längeren Leitflächen 18".
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Um die Trennungsstelle des strömenden Mediums noch weiter stromabwärts
zu verlegen, ist noch eine weitere Reihe von Leitflächenstümpfen 16" mit stromlinienförmigem
Querschnitt angeordnet, die Randwirbel erzeugen. Wie Fig. 3 a zeigt, laufen die
von Leitflächenstümpfen 16" erzeugten Randwirbel in derselben Richtung um wie die
von den Leitflächenstümpfen 16 und 16' erzeugten Randwirbel. Die Leitflächenstümpfe
16" können aber auch winklig so versetzt angeordnet werden, daß sie Randwirbel erzeugen,
die in Gegenrichtung zu den von den Leitflä,chenstümpfen 16 und 16' erzeugten Randwirbeln
umlaufen.