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Die vorgeschlagene Lösung betrifft eine Brennkammerbaugruppe für ein Triebwerk.
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Eine Brennkammerbaugruppe für ein Triebwerk umfasst eine Brennkammer mit einem für die Verbrennung eines Treibstoff-Luft-Gemischs vorgesehenen Brennraum. Dieser Brennraum ist durch mindestens eine Brennkammerwandung berandet, die eine äußere Ummantelung des Brennraums bildet. Für die Zuführung der für die Verbrennung notwendigen Luft kann an einer Frontseite des Brennraums Verbrennungsluft einströmen. Darüber hinaus ist an einer Außenseite der Brennkammerwandung mindestens ein Zuführkanal vorgesehen, über den an einer Außenseite der Brennkammerwandung entlang die Brennkammerwandung kühlende Mischluft entlang führbar ist. In Richtung der Brennkammer geführte Luft wird hierbei üblicherweise aufgeteilt, um einen Teil der zugeführten Luft in den Brennraum als Verbrennungsluft einströmen zu lassen und den Rest als Mischluft zur Kühlung der Brennkammerwandung(en) zu nutzen. Diese Mischluft kann dann auch über an der Brennkammerwandung vorgesehene Mischluftlöcher zumindest teilweise in den Brennraum hinein geleitet werden, hier dann jedoch stromab einer Treibstoffdüse, die im Bereich der Frontseite und damit im Bereich eines Brennkammerkopfes des Brennraums vorgesehen ist.
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Aus der
US 3,691,761 A es bereits bekannt, die Aufteilung in (primäre) Verbrennungsluft für den Brennraum und (sekundäre) Mischluft für die Kühlung der Brennkammerwandung(en) über ein verstellbares Element zu steuern. Die
US 3,691,761 A schlägt hierbei vor, innerhalb eines typischerweise ringförmigen, radial außen oder radial innenliegenden Zuführkanals für die Mischluft ein oder mehrere mit Druckluft expandierbare Elemente vorzusehen. In einem expandierten Zustand ist über ein jeweiliges Element in dem Zuführkanal ein Strömungsquerschnitt reduziert und damit die Durchströmung mit Mischluft zumindest teilweise vermindert. Die aus der
US 3,691,761 A bekannte Lösung ist dabei jedoch offensichtlich konstruktiv vergleichsweise aufwendig sowie träge und schwer elektronisch steuerbar. Darüber hinaus ist die dem expandierbaren Element notwendigerweise inhärente Flexibilität allenfalls bedingt mit den thermischen Anforderungen im Bereich einer Brennkammer in Einklang zu bringen. So würde ein derart flexibles, expandierbares Element im Betrieb des Triebwerks thermisch hochbelastet und damit unter Umständen schnell zu einem Versagen neigen.
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Hiervon ausgehend liegt der vorgeschlagenen Lösung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Brennkammerbaugruppe bereitzustellen.
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Diese Aufgabe ist mit einer Brennkammerbaugruppe des Anspruchs 1 gelöst.
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Die vorgeschlagene Lösung sieht eine Brennkammerbaugruppe mit einer Verstellbaugruppe vor, bei der die Verstellbaugruppe mit mindestens einem drehbaren Verstellelement eine Menge an den Zuführkanal durchströmbarer und für die Kühlung der mindestens einen Brennkammerwandung vorgesehener Mischluft steuerbar ist.
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Das mindestens eine drehbare Verstellelement ist hierbei im Bereich der Brennkammerwandung vorgesehen und gestattet durch seine Drehbarkeit eine Einstellung der Menge an den Zuführkanal durchströmender Mischluft. Grundsätzlich kann über das drehbare Verstellelement die Menge an Mischluft variabel einstellbar sein und damit beispielsweise in unterschiedlichen Stufen oder kontinuierlich zwischen einer ersten und einer zweiten Drehlage. In einer Ausführungsvariante ist lediglich ein Wechsel zwischen genau zwei Drehlagen vorgesehen.
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Die in den Zuführkanal einströmende Mischluft kann im Übrigen nicht nur für die Kühlung der mindestens einen Brennkammerwandung vorgesehen sein, sondern auch für die Kühlung eines sich an den Brennraum in Strömungsrichtung anschließenden Düsenleitelements. Ferner kann zumindest ein Teil der Mischluft - wie bereits eingangs erläutert - über ein an der Brennkammerwandung vorgesehenes Mischluftloch auch aus einem Zuführkanal in den Brennraum hinein geführt werden.
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Das mindestens eine drehbare Verstellelement kann in einem Eintrittsbereich zu dem Zuführkanal an der Brennkammerwandung vorgesehen sein, insbesondere, bezogen auf eine Strömungsrichtung der Mischluft innerhalb des Zuführkanals, stromauf eines ersten Mischluftloches, das an der Brennkammerwandung vorgesehen ist. Über das mindestens eine Verstellelement kann somit die Mischluftmenge in den Zuführkanal stromauf etwaiger Mischluftlöcher des Zuführkanals gesteuert werden. Je weniger Luft in einen Zuführkanal an der Brennkammerwandung entlang strömen kann, desto mehr Luft steht beispielsweise für die Zuführung in den Brennraum zur Verfügung. Dies ist insbesondere von Vorteil, um ein Triebwerk in großer Höhe wieder zu starten und eine maximal mögliche Leistung kurzfristig abrufen zu können.
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Ein Zuführkanal kann grundsätzlich im Querschnitt ringförmig erstreckt sein. Bei einem im Querschnitt ringförmigen Brennraum (einer sogenannten Ringbrennkammer) sind folglich zwei ringförmige Zuführkanäle vorgesehen, ein, bezogen auf eine Längserstreckungsrichtung der Brennkammer und eine Strömungsrichtung des Fluids durch das Triebwerk, radial außen liegender Zuführkanal und ein radial innen liegenden Zuführkanal. In einer Ausführungsvariante sind mindestens zwei Verstellelemente Teil der Verstellbaugruppe, jeweils mindestens ein drehbares Verstellelement für jeweils einen der zwei radial äußeren und radial inneren Zuführkanäle.
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Über eine Stellung des drehbaren Verstellelements ist in einer Ausführungsvariante einstellbar, wieviel Mischluft den Zuführkanal durchströmen kann. Dies schließt insbesondere ein, dass über eine Stellung des drehbaren Verstellelements einstellbar ist, wieviel Mischluft in Richtung eines oder mehrerer an der Brennkammwandung vorgesehener Mischluftlöcher strömen kann. Insbesondere kann von einer Stellung des drehbaren Verstellelements abhängig sein, welche Teilmengen einer in Richtung der Brennkammer strömenden Luftmenge einerseits als Mischluft in den Zuführkanal und andererseits als Verbrennungsluft in den Brennraum strömen. Von einer Stellung des drehbaren Verstellelements ist somit im Betrieb des Triebwerks abhängig, wie sich eine in Richtung der Brennkammer strömende Luftmenge auf die zur Verfügung stehenden Strömungspfade in den Brennraum und um die Brennkammer aufteilt.
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Die Verstellbaugruppe umfasst beispielsweise mindestens einen Antrieb, über den das mindestens eine Verstellelement fremdkraftbetätigt drehbar ist. Teil der Verstellbaugruppe kann somit ein Aktuator und/oder ein anderweitiger motorischer, insbesondere elektromotorischer, hydraulischer oder pneumatischer Antrieb sein, um das mindestens eine Verstellelement zwischen wenigstens zwei unterschiedlichen Drehlagen verstellen zu können.
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In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Antrieb mit einer Steuerelektronik gekoppelt ist, über die eine Stellung des mindestens einen Verstellelements in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Triebwerks vorgebbar ist. Über die Steuerelektronik kann somit dem mindestens einen Verstellelement eine bestimmte Stellung vorgegeben werden, um hierüber die Menge an Mischluft in einem Zuführkanal (und damit die Menge an zur Verfügung stehender Verbrennungsluft für den Brennraum) einzustellen. So kann beispielsweise für einen Start des Triebwerks an einem bereits fliegenden Luftfahrzeug über das mindestens eine Verstellelement die Strömung an Mischluft in dem Zuführkanal stärker begrenzt sein als in einem anderen Betriebszustand des Triebwerks, sodass für das Starten des Triebwerks in dieser Situation eine größere Menge an Verbrennungsluft in den Brennraum zur Verfügung steht. In einer derartigen Situation ist eine geringere Menge an für die Kühlung der Brennkammerwand zur Verfügung stehender Mischluft vertretbar, da insbesondere bei ausgeschaltetem Triebwerk und entsprechender Flughöhe die Temperatur der Brennkammerwandung noch vergleichsweise gering ist.
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Grundsätzlich kann das mindestens eine Verstellelement zwischen einer Verschlusslage und einer Öffnungslage drehbar sein, wobei über das in der Verschlusslage vorliegende Verstellelement ein von Mischluft durchströmbarer Strömungsquerschnitt an einem Eintrittsbereich des Zuführkanals gegenüber einem Strömungsquerschnitt an dem Eintrittsbereich reduziert ist, der bei in der Öffnungslage vorliegendem Verstellelement zur Verfügung steht. In seiner Verschlusslage blockiert somit das Verstellelement zumindest teilweise oder vollständig den zur Verfügung stehenden Eintrittsbereich für eine Mischluftströmung.
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In Abhängigkeit von der gewählten Konstruktion der Verstellbaugruppe kann das mindestens eine Verstellelement (zwischen einer Verschlusslage und einer Öffnungslage) um eine Drehachse drehbar gelagert sein, die entweder im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals verläuft. In einer Ausführungsvariante ist folglich eine Drehachse des Verstellelements dann im Wesentlichen senkrecht oder genau senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Zuführkanals und damit senkrecht zu einer Strömungsrichtung der Mischluft in dem Zuführkanal orientiert. In einer anderen Ausführungsvariante verläuft die Drehachse des mindestens einen Verstellelements demgegenüber im Wesentlichen oder genau parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Zuführkanals und einer Strömungsrichtung der Mischluft in dem Zuführkanal.
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In einer Ausführungsvariante weist das mindestens eine Verstellelement eine Verschlussplatte auf. Diese Verschlussplatte kann in der Verschlusslage des Verstellelements an dem Eintrittsbereich den Zuführkanal zumindest teilweise verschließen. Hierbei kann dann die Verschlussplatte quer zu einer Erstreckungsrichtung des Zuführkanals gestellt sein, sodass eine Fläche der Verschlussplatte quer zur Strömungsrichtung der Mischluft orientiert ist und damit ein Strömungshindernis für eine Strömung an Mischluft durch den Zuführkanal oder in dem Eintrittsbereich in Richtung des Zuführkanals bildet. Insbesondere in dieser Variante, bei der eine Verschlussplatte des Verstellelements in einer Verschlusslage im Wesentlichen quer zu einer Erstreckungsrichtung des Zuführkanals gestellt ist, kann das Verstellelement um eine senkrecht zu Erstreckungsrichtung des Zuführkanals verlaufende Drehachse drehbar gelagert sein. Derart kann die Fläche der Verschlussplatte in der Öffnungslage parallel zur Erstreckungsrichtung des Zuführkanals orientiert sein, sodass eine Strömung an Mischluft parallel zu der Fläche der Verschlussplatte an der Verschlussplatte vorbei strömen kann. Zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts kann dann die Verschlussplatte um etwa oder genau 90° gedreht werden und damit eine Strömung in den oder in dem Zuführkanal zumindest reduziert werden.
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Um bei einem sich im Querschnitt ringförmig um die Brennkammerwandung erstreckenden Zuführkanal eine Menge der in dem Zuführkanal geführten Mischluft über einen größeren Bereich und vergleichsweise schnell einstellen zu können, sieht eine Ausführungsvariante die Verwendung mehrerer entlang einer Umfangsrichtung des Zuführkanals angeordneter Verstellelemente vor. Derart können mehrere kleinere Verschlussplatten vorgesehen sein, die in einer Verschlusslage entlang des Umfangs des Zuführkanals benachbart zueinander liegen und hierüber gemeinsam den von Mischluft durchströmbaren Strömungsquerschnitt am Eintrittsbereich des Zuführkanals reduzieren.
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In einer alternativen Ausführungsvariante ist die Verschlussplatte ringförmig ausgebildet. Eine derartige ringförmige Verschlussplatte ist dann beispielsweise mit einer Strömungsplatte der Verstellbaugruppe kombiniert, die mindestens eine von der Mischluft in Richtung des Zuführkanals durchströmbare und über die Verschlussplatte verschließbare Durchgangsöffnung umfasst. Die ringförmige Verschlussplatte ist hierbei relativ zu der Strömungsplatte verstellbar, um, je nach Drehlage des Verstellelements und damit der Verschlussplatte, die mindestens eine an der Strömungsplatte vorgesehene Durchgangsöffnung ganz oder teilweise zu verschließen oder offen zu halten. So ist die Durchgangsöffnung der Strömungsplatte nur von Mischluft in Richtung des Zuführkanals durchströmbar, wenn die Durchgangsöffnung von der Verschlussplatte nicht (vollständig) verschlossen und damit (zumindest teilweise) offen ist.
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Beispielsweise ist die Verschlussplatte zwischen genau zwei diskreten Drehlagen verstellbar, die der vorstehend angesprochenen Verschlusslage und der Öffnungslage des mindestens einen Verstellelement entsprechen. Die Durchgangsöffnung ist somit in Abhängigkeit von der Drehlage des Verstellelements durch die Verschlussplatte freigegeben oder offen.
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Für die Freigabe mehrerer entlang einer Umfangsrichtung der Strömungsplatte aufeinanderfolgenden Durchgangsöffnungen kann die Verschlussplatte mit mehreren korrespondierenden Öffnungen versehen sein. In der Öffnungslage des Verstellelements werden die Durchgangsöffnungen der Verschlussplatte folglich in Deckung mit den Durchgangsöffnungen der Strömungsplatte gebracht, sodass Mischluft durch die Durchgangsöffnungen hindurchströmen kann. In der Beschlusslage des Verstellelements werden alle oder zumindest einige der Durchgangsöffnungen der Strömungsplatte durch öffnungsfreie Abschnitte der Verschlussplatte verdeckt, sodass Mischluft nicht mehr durch eine entsprechende Durchgangsöffnung der Strömungsplatte in den Zuführkanal strömen kann.
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In einer Ausführungsvariante ist an der Strömungsplatte mindestens eine von der Mischluft in Richtung des Zuführkanals durchströmbare Zusatzöffnung ausgebildet, die von der Verschlussplatte nicht verschließbar ist. In dieser Ausführungsvariante bleibt somit stets zumindest eine Teilströmung an Mischluft durch die mindestens eine Zusatzöffnung in den Zuführkanal erhalten, auch wenn sich das drehbare Verstellelement in einer Verschlusslage befindet. So kann eine entsprechende durchströmbare Zusatzöffnung unabhängig von einer Drehlage des Verstellelements stets von Mischluft durchströmbar sein.
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Eine Zusatzöffnung kann beispielsweise entlang einer Umfangsrichtung zu einer durch eine Verschlussplatte des Verstellelements verschließbare Durchgangsöffnung benachbart angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann mindestens eine Durchgangsöffnung, bezogen auf eine Drehachse des Verstellelements (und seiner gegebenenfalls ringförmigen Verschlussplatte) radial zu einer Durchgangsöffnung an der Strömungsplatte versetzt ausgebildet sein. Insbesondere können die durchströmbaren Querschnitte einer Zusatzöffnung und einer Durchgangsöffnung an einer Strömungsplatte zueinander identisch oder unterschiedlich sein.
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In einer Ausführungsvariante umfasst die Verstellbaugruppe mehrere drehbare Verstellelemente. Dies schließt sowohl die vorstehend bereits angesprochene Anordnung mehrerer Verstellelemente entlang eines Umfangs eines Zuführkanals aufeinanderfolgend ein. Hiervon eingeschlossen ist aber auch eine Ausführungsvariante, bei der beispielsweise ein Verstellelement mit einer einzelnen ringförmigen Verschlussplatte an einem radial außen liegenden Zuführkanal und ein weiteres Verstellelement ebenfalls mit einer einzigen ringförmigen Verschlussplatte an einem radial inneren Zuführkanal vorgesehen sind. Grundsätzlich können die mehreren (mindestens zwei) drehbaren Verstellelemente einer Verstellbaugruppe synchron verstellbar sein.
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Um eine thermische Beanspruchung der Komponenten der Verstellbaugruppe möglichst gering zu halten und auch mögliche thermisch induzierte Spannungen an Komponenten der Verstellbaugruppe möglichst gering zu halten, sieht eine Ausführungsvariante vor, dass die Verstellbaugruppe mit ihrem mindestens einen drehbaren Verstellelement an einem von der Brennkammerwandung beabstandeten Gehäuseteil eines die Brennkammer aufnehmenden Gehäuses vorgesehen ist.
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Von der vorgeschlagenen Lösung ist im Übrigen auch ein Triebwerk mit einer vorgeschlagenen Brennkammerbaugruppe, insbesondere ein Triebwerk für ein Luftfahrzeug, umfasst.
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Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
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Hierbei zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Brennkammerbaugruppe mit zwei an einem radial äußeren und einem radial inneren Zuführkanal für eine Mischluftströmungen vorgesehenen drehbaren Verstellelementen einer Verstellbaugruppe der Brennkammerbaugruppe;
- 2A in vergrößertem Maßstab und in längs geschnittener Ansicht ein einzelnes Verstellelement einer Ausführungsvariante der Verstellbaugruppe in einer Öffnungslage;
- 2B in mit der 2A übereinstimmender Ansicht das Verstellelement gedreht in eine Verschlusslage;
- 3A in mit der 2A übereinstimmender Ansicht eine weitere Ausführungsvariante eines verstellbaren Verstellelement, das hier einen drehbaren Verschlussring umfasst;
- 3B die Ausführungsvariante der 3A in Vorderansicht und mit dem Verschlussring in einer Verschlusslage;
- 4A in Vorderansicht einen im Querschnitt ringförmigen Zuführkanal mit mehreren entlang einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten und jeweils in einer Verschlusslage befindlichen Verstellelementen;
- 4B in mit der 4A übereinstimmender Ansicht die Verstellelemente in einer Öffnungslage;
- 5A in mit der 4 übereinstimmender Ansicht die Ausführungsvariante der 3A und 3B mit einem drehbaren Verschlussring in der Verschlusslage;
- 5B in mit der 5A übereinstimmender Ansicht der Verschlussring in der Öffnungslage;
- 6 in mit den 5A und 5B übereinstimmender Ansicht eine Weiterbildung der Ausführungsvariante der 5A und 5B mit nicht verschließbaren Zusatzöffnungen entlang der Umfangsrichtung;
- 7 eine andere Weiterbildung der 5A und 5B mit radial nach außen versetzten, nicht verschließbaren Zusatzöffnungen;
- 8 in Schnittdarstellung ein Triebwerk für eine Luftfahrzeug, bei der eine Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Brennkammerbaugruppe Verwendung findet.
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Die 8 veranschaulicht schematisch und in Schnittdarstellung ein Triebwerk T in Form eines Turbofantriebwerks, bei dem die einzelnen Triebwerkskomponenten entlang einer Rotationsachse oder Mittelachse M hintereinander angeordnet sind. An einem Einlass oder Intake E des Triebwerks T wird Luft entlang einer Eintrittsrichtung R mittels eines Fans F angesaugt. Dieser in einem Fangehäuse FC angeordnete Fan F wird über eine Kern- oder Rotorwelle S angetrieben, die von einer Turbine TT des Triebwerks T in Drehung versetzt wird. Die Turbine TT schließt sich hierbei an einen Verdichter V an, der beispielsweise einen Niederdruckverdichter 11 und einen Hochdruckverdichter 12 aufweist, sowie gegebenenfalls noch einen Mitteldruckverdichter. Der Fan F führt einerseits dem Verdichter V Luft zu sowie andererseits einem Sekundärstromkanal oder Bypasskanal B zur Erzeugung des Schubs. Der Bypasskanal B verläuft hierbei um ein den Verdichter V und die Turbine TT umfassendes Kerntriebwerk, das einen Primärstromkanal für die durch den Fan F dem Kerntriebwerk zugeführte Luft umfasst.
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Die über den Verdichter V in den Primärstromkanal geförderte Luft gelangt in eine Brennkammer BK des Kerntriebwerks, in der die Antriebsenergie zum Antreiben der Turbine TT erzeugt wird. Die Turbine TT weist hierfür eine Hochdruckturbine 13, eine Mitteldruckturbine 14 und einen Niederdruckturbine 15 auf. Die Turbine TT treibt dabei über die bei der Verbrennung frei werdende Energie die einen Rotor tragende Rotorwelle S und damit den Fan F an, um über die die in den Bypasskanal B geförderte Luft den erforderlichen Schub zu erzeugen. Sowohl die Luft aus dem Bypasskanal B als auch die Abgase aus dem Primärstromkanal des Kerntriebwerks strömen über einen Auslass A am Ende des Triebwerks T aus. Der Auslass A weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse mit einem zentral angeordneten Austrittskonus C auf.
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Grundsätzlich kann der Fan F auch über eine Verbindungswelle und ein epizyklisches Planetengetriebe mit der Niederdruckturbine 15 gekoppelt und von dieser angetrieben werden. Ferner können auch andere, abweichend ausgestalte Gasturbinentriebwerke vorgesehen sein, bei denen die vorgeschlagene Lösung Anwendung finden kann. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein Beispiel kann das Triebwerk eine Teilungsstromdüse aufweisen, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal B seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse separat ist und radial außen liegt. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal B und der Strom durch den Kern vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die vorgeschlagene Lösung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden.
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Insbesondere zur Lärmminderung ist im Bereich des Auslasses A ein Mischer 20 als Teil einer Mischerbaugruppe 2 vorgesehen. Über diese Mischerbaugruppe 2 und deren Mischer 20 werden ein erster Fluidstrom f1 aus dem Primärstromkanal, der das Kerntriebwerk hinter der Niederdruckturbine 15 verlässt, und ein zweiter Fluidstrom f2 aus dem Bypasskanal B vermischt. Hierfür werden über eine blütenförmige oder mäanderförmige Kontur des Mischers 20 Teile der erste (Primär-) Fluidstrom f1 aus dem Kerntriebwerk abwechselnd nach außen und der zweite (Sekundär-) Fluidstrom f2 aus dem Bypasskanal B nach innen gelenkt. Hierdurch werden segmentweise heiße und kalte Strömungszonen erzeugt und es wird eine Vermischung der beiden Fluidströme f1 und f2 erreicht. Durch die bei der Vermischung auftretenden Verwirbelungen wird niederfrequenter Lärm reduziert und höherfrequenter Lärm verstärkt, um im Ergebnis das hörbare Lärmniveau abzusenken.
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Im Bereich der Brennkammer BK wird von dem Verdichter V geförderte Luft einerseits in einen Brennraum 3 der Brennkammer BK gefördert und andererseits zur Kühlung von Brennkammerwandungen 30a und 30i verwendet, die den Brennraum 3 der Brennkammer BK beranden. In der 1 ist schematisch die Brennkammer BK dargestellt, die vorliegend als Ringbrennkammer um die Mittelachse M ausgebildet ist. An einer Frontseite respektive einem Brennkammerkopf der Brennkammer BK wird eine von einem Vordiffusor 6 kommende Luftströmung einerseits als Verbrennungsluft in den Brennraum 3 hinein geleitet und andererseits radial außen und radial innen um die Brennkammer BK herumgeführt. Die an der Brennkammer BK vorbeigeführte Luft wird als Mischluft in einem radial äußeren, im Querschnitt ringförmigen Zuführkanal 4a und in einem radial inneren, ebenfalls im Querschnitt ringförmigen Zuführkanal 4i in Richtung der Turbine TT geführt. Die in den Zuführkanälen 4a und 4i geführte Mischluft dient hierbei dann der Kühlung der radial äußeren und radial inneren Brennkammerwandungen 30a und 30i der Brennkammer BK. Vorliegend wird die über die Zuführkanäle 4a und 4i geführte Mischluft auch zur Kühlung eines stromab der Brennkammer BK liegenden Düsenleitelements N (zum Beispiel in Form einer sogenannten „nozzle guide vane“) genutzt. Die Mischluft kann ferner teilweise über an den Brennkammerwandungen 30a und 30i vorgesehene Mischluftlöcher 300 in den Brennraum 3 gelangen, hier jedoch jeweils stromab einer im Bereich des Brennkammerkopfes vorgesehenen Einspritzdüse 8, die für die Einspritzung des zu verbrennenden Treibstoff-Luft-Gemisches vorgesehen ist.
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Um die die Zuführkanäle 4a und 4i durchströmende Menge an Mischluft gegenüber der in den Brennraum 3 gelangenden Verbrennungsluft variieren zu können, sind an Eintrittsbereichen der Zuführkanäle 4a und 4i jeweils stromauf eines ersten Mischluftlochs 300 drehbare Verstellelemente 70a und 70i einer Verstellbaugruppe 7 vorgesehen.
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Über die Verstellelemente 70a und 70i kann ein Strömungsquerschnitt am Eintrittsbereich des jeweiligen Zuführkanals 4a, 4i variiert und zumindest teilweise reduziert werden, um einen größeren Anteil der aus dem Vordiffusor 6 kommenden Luftmenge in den Brennraum 3 zu leiten. Hierfür sind die Verstellelemente 70a und 70i über einen Antrieb 71a und 71i fremdkraftbetätigt drehbar. Diese Antriebe, die zum Beispiel elektromotorisch, hydraulisch und/oder pneumatisch arbeiten, sind mit einer Steuerelektronik 9 gekoppelt. Über diese Steuerelektronik 9 sind die Antriebe 71a und 71 i ansteuerbar, um in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Triebwerks T mindestens zwei unterschiedliche Drehlagen der Verstellelemente 70a, 70i vorzugeben. So können beispielsweise über die Verstellelemente 70a und 70i die Zuführkanäle 4a und 4i zumindest teilweise verschlossen werden, um bei einem Starten des Triebwerks T in der Luft in dem Brennraum 3 eine größere Menge an Verbrennungsluft zur Verfügung zu stellen als bei laufendem Triebwerk T. Bei einer entsprechenden Verschlusslage der Verstellelement 70a und 70i gelangt somit zwar weniger kühlende Mischluft in die Zuführkanäle 4a und 4i. Die geringere Menge an kühlender Mischluft ist jedoch zum Beispiel bei einem Starten des Triebwerks T bei bereits in der Luft befindlichem Luftfahrzeug aufgrund der dann herrschenden Temperaturverhältnisse in und um dem Brennraum 3 weniger kritisch. Hier überwiegen die Vorteile der größere Menge an in den Brennraum 3 am Brennkammerkopf einströmender Verbrennungsluft.
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Die Verstellelemente 70a und 70i weisen beispielsweise entsprechend den 2A und 2B, in denen jeweils ein einzelnes Verstellelement 70a und 70i vergrößert am Eintrittsbereich eines jeweiligen Zuführkanals 4a, 4i dargestellt ist, eine Verschlussplatte 700 auf. In der in der 2A dargestellten Öffnungslage eines drehbaren Verstellelements 70a oder 70i erstreckt sich die Verschlussplatte 700 mit einer Verschlussfläche im Wesentlichen parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Zuführkanals 4a oder 4i. Mischluft kann somit an der Verschlussplatte 700 ohne größeren Widerstand vorbei und parallel zu dieser Verschlussfläche vorbei in den jeweiligen Zuführkanal 4a oder 4i strömen.
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Wird demgegenüber das Verstellelement 70a, 70i über den jeweiligen zugeordneten Antrieb 71a, 71i um eine im Wesentlichen senkrecht zu Erstreckungsrichtung des jeweiligen Zuführkanals 4a oder 4i verlaufende Drehachse D1 um 90° gedreht, liegt die Verschlussplatte mit der Verschlussfläche quer zur Strömungsrichtung der Mischluft in dem jeweiligen Zuführkanal 4a, 4i vor. Ein am Eintrittsbereich zur Verfügung stehender Strömungsquerschnitt für die Mischluft ist somit durch das in seiner Verschlusslage befindliche Verstellelement 70a, 70i reduziert. Es kann mithin weniger Mischluft in den Zuführkanal 4a oder 4i gelangen.
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Wie anhand der Vorderansichten der 4A und 4B veranschaulicht ist, sind vorliegend mehrere, jeweils um eine Drehachse D1 drehbar gelagerte Verstellelemente 70a und 70i entlang einer Umfangsrichtung um die Brennkammer BK nebeneinander angeordnet. Während in der Öffnungslage der Verstellelemente 70a, 70i entsprechend der 4B eine größtmögliche Durchströmung in den jeweiligen Zuführkanal 4a und 4i gestattet ist, ist über die um jeweils 90° gedrehten Verstellelemente 70a und 70i und damit quer zu der Strömungsrichtung verlaufenden Verschlussplatten 700 ein durchströmbarer Querschnitt für die Mischluft erheblich reduziert, vorliegend auf weniger als 50% des in der Öffnungslage der Verstellelemente 70a, 70i zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitts. Die Drehachsen D1 der einzelnen Verstellelemente 70a, 70i und ihrer Verschlussplatten 700 laufen vorliegend jeweils radial bezogen auf eine Mittelachse, um die sich der jeweilige im Querschnitt ringförmigen Zuführkanal 4a oder 4i an der jeweiligen Brennkammerwandung 30a oder 30i entlang erstreckt.
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Die Verstellelemente 70a oder 70i, die einem Zuführkanal 4a oder 4i zugeordnet sind, können synchron über einen einzelnen Antrieb 70a, 70i drehbar sein. Hierfür sind die Verstellelemente 70a, 70i beispielsweise über einen Übertragungsmechanismus untereinander und mit einem einzelnen Antrieb 70a oder 70i mechanisch gekoppelt.
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Bei einer anhand der 3A-3B und 5A-5B veranschaulichten alternativen Ausführungsvariante ist an jedem Zuführkanal 4a oder 4i lediglich ein einzelnes drehbares Verstellelement mit einer ringförmigen Verschlussplatte in Form eines Verschlussrings 701 vorgesehen. Der Verschlussring 701 ist hierbei um die Mittelachse des jeweiligen Zuführkanals 4a oder 4i und um eine hiermit zusammenfallende Drehachse D2 drehbar. Für die Drehung des Verstellelements 70a oder 70i und damit eines zugehörigen Verschlussrings 7001 ist erneut jeweils ein Antrieb 71a oder 71 i vorgesehen.
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Vorliegend ist jeder Verschlussring 701 eines radial inneren oder radial äußeren Verstellelements 70a oder 70i relativ zu einer Strömungsplatte 72.1 der Verstellbaugruppe 7 verstellbar. Diese Strömungsplatte 72.1 steht radial in Richtung der jeweiligen angrenzenden Brennkammerwandung 30a oder 30i an einem Eintrittsbereich des jeweiligen Zuführkanals 4a oder 4i vor und weist mehrere entlang einer Umfangsrichtung um die Drehachse D2 zueinander beabstandete und aufeinanderfolgende Durchgangsöffnungen 720 auf. Durch diese Durchgangsöffnungen 720 kann Mischluft in den jeweiligen Zuführkanal 4a oder 4i in Richtung der Mischluftlöcher 300 einströmen, wenn sich das jeweilige Verstellelement 70a, 70i mit seinem Verschlussring 701 in einer Öffnungslage befindet. In der Öffnungslage 701 sind an dem Verschlussring 701 vorgesehene Öffnungen mit den Durchgangsöffnungen 720 der Strömungsplatte 72.1 zur Deckung gebracht, sodass hierdurch Mischluft in den jeweiligen Zuführkanal 4a oder 4i strömen kann.
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Ist demgegenüber das Verstellelement 70a oder 70i mit seinem Verschlussring 701 in eine Verschlusslage entsprechend der 3A oder 5A gedreht, verschließen zwischen den Öffnungen des Verschlussrings 701 vorhandene, öffnungsfreie (Blockade-) Abschnitte die Durchgangsöffnungen 720 an der Strömungsplatte 72.1. Durch die Durchgangsöffnungen 720 der Strömungsplatte 72.1 kann somit keine Mischluft in einen jeweiligen Zuführkanal 4a, 4i strömen. Dies ist lediglich in einer in den 3B und 5B dargestellten Öffnungslage des jeweiligen Verstellelements 70a oder 70i möglich.
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In einer möglichen Weiterbildung sind an dem Verschlussring 701 Öffnungen angebracht, die nur mit einem der Teil der Durchgangsöffnungen der Strömungsplatte 72.1 zur Deckung gebracht sind, wenn der Verschlussring 701 in die Verschlusslage gedreht ist. Alternativ oder ergänzend können etwaige Öffnungen an dem Verschlussring 701, die in der Verschlusslage des Verschlussrings 701 mit den Durchgangsöffnungen 720 der Strömungsplatte 72.1 oder zumindest einem Teil der Durchgangsöffnungen 720 zur (Über-) Deckung gebracht sind, mit geringen, insbesondere deutlich geringeren, d.h., lediglich einen Bruchteil ausmachenden (z.B. um 85% geringeren) Strömungsquerschnitten ausgebildet sind als die Durchgangsöffnungen 720.
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Für die Führung des Verschlussrings 701 an der Strömungsplatte 72.1 um die Drehachse D2 ist der Verschlussring 701 sandwichartig zwischen der Strömungsplatte 72.1 und einer zusätzlichen parallel zu der Strömungsplatte 72.1 verlaufenden Führungsplatte 72.2 der Verstellbaugruppe 7 angeordnet (vergleiche insbesondere 3A).
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Wie insbesondere anhand der vergrößerten Darstellungen der 2A-2B und 3A-3B, aber auch den Vorderansichten der 4A-4B und 5A-5B veranschaulicht ist, sind die Komponenten der Verstellbaugruppe 7, hier insbesondere die einzelnen Verstellelemente 70a, 70i und die zugehörigen Antriebe 71a und 71i, jeweils an Gehäuseteilen 5a oder 5i angeordnet, die zu einer gegenüberliegenden Brennkammerwandung 30a oder 30i beabstandet sind und die einen Teil eines die Brennkammer BK aufnehmenden Gehäuses sind. Die Verstellbaugruppe steht derart beispielsweise nicht unmittelbar in Kontakt mit einer Brennkammerwandung 30a oder 30i, im Bereich derer ein Verstellelement 70a oder 70i drehbar vorgesehen ist, um thermische Belastungen der Verstellelemente 70a, 70i und der Antriebe 71a, 71i möglichst gering zu halten.
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Bei Ausführungsvarianten der 6 und 7 sind an einer Strömungsplatte 72.1 zusätzlich zu den über den Verschlussring 701 gezielt verschließbaren und freigebbaren Durchgangsöffnungen 720 Zusatzöffnungen 721 oder 722 vorgesehen, die von einem Verstellelement 70a oder 70i nicht verschlossen werden können, sondern stets von Mischluft durchströmt werden können.
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Bei der Ausführungsvariante der 6 ist eine Zusatzöffnung 721 jeweils in Umfangsrichtung zwischen zwei Durchgangsöffnungen 720 vorgesehen. Hierbei können aber alternativ auch auf eine Zusatzöffnung 721 in Umfangsrichtung mindestens zwei durch den Verschlussring 701 verschließbare Durchgangsöffnungen 720 folgen.
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Bei der Ausführungsvariante der 7 sind die Zusatzöffnungen 722 radial nach außen versetzt zu den verschließbaren Durchgangsöffnungen 720 vorgesehen. Ferner sind die radial nach außen versetzten Zusatzöffnungen 722 der Ausführungsvariante der 7 in Umfangsrichtung um die Drehachse D2 des jeweiligen Verstellelements 70a, 70i längserstreckt und damit langlochartig ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Niederdruckverdichter
- 12
- Hochdruckverdichter
- 13
- Hochdruckturbine
- 14
- Mitteldruckturbine
- 15
- Niederdruckturbine
- 2
- Mischerbaugruppe
- 20
- Mischer
- 21
- Schnittstelle
- 3
- Brennraum
- 30a, 30i
- Brennkammerwandung
- 300
- Mischluftloch
- 4a, 4i
- Zuführkanal
- 5a, 5i
- Gehäuseteil
- 6
- Vordiffusor
- 7
- Verstellbaugruppe
- 700
- Verschlussplatte
- 701
- Verschlussring (ringförmige Verschlussplatte)
- 70a, 70i
- Verstellelement
- 71a, 71i
- Antrieb
- 72.1
- Strömungsplatte
- 72.2
- Führungsplatte
- 720
- Durchgangsöffnung
- 721, 722
- Zusatzöffnung
- 8
- Einspritzdüse
- 9
- Steuerelektronik
- A
- Auslass
- B
- Bypasskanal
- BK
- Brennkammer
- C
- Austrittskonus
- D1, D2
- Drehachse
- E
- Einlass / Intake
- F
- Fan
- f1, f2
- Fluidstrom
- FC
- Fangehäuse
- M
- Mittelachse / Rotationsachse
- N
- Düsenleitelement
- R
- Eintrittsrichtung
- S
- Rotorwelle
- T
- Triebwerk
- TT
- Turbine
- V
- Verdichter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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