DE1107458B

DE1107458B - Gas turbine jet engine

Info

Publication number: DE1107458B
Application number: DEU2378A
Authority: DE
Inventors: Stanley Joseph Markowski
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1953-08-31
Filing date: 1953-08-31
Publication date: 1961-05-25

Description

Gasturbinen-Strahltriebwerk Die Erfindung betrifft Gasturbinen-Strahltriebwerke mit einer strömungsabwärts von der Gasturbine gelegenen Schubdüse und einem ringförmigen Diffusor, der eine innere und eine äußere Wandung aufweist, die konzentrisch in Abstand zueinander angeordnet sind, und mit wenigstens einem Paar von in axialem Abstand in Umfangsrichtung verlaufenden Lochreihen in einer der Wandungen, wobei die Löcher in der einen Reihe jedes Lochpaares in Umfangsrichtung gegenüber den Löchern in der anderen Reihe versetzt sind.Gas Turbine Jet Engine The invention relates to gas turbine jet engines with an exhaust nozzle located downstream of the gas turbine and an annular one Diffuser that has an inner and an outer wall concentric in Spaced apart, and with at least one pair of axially Distance in the circumferential direction running rows of holes in one of the walls, wherein the holes in one row of each pair of holes in the circumferential direction opposite the Holes in the other row are staggered.

In Gasturbinen, bei denen Nachbrenner für den zusätzlichen Schub verwendet werden, wird das Abgas der Turbine zunächst durch einen Diffusor geführt, bevor das Nachbrennen mit zusätzlichem Brennstoff erfolgt. Der Diffusor muß während des Nachbrennens und auch während des Turbinenbetriebes ohne Nachbrennen leistungsfähig sein. Außerdem ist eine möglichst kleine Diffusorlänge erwünscht, um die Gesamtabmessungen des Strahltriebwerks so klein wie möglich zu halten. Wenn der Diffusor verkürzt wird, muß der Divergenzwinkel der Wände vergrößert werden, um den gewünschten Druckanstieg durch den Diffusor zu erzeugen. Bei steilen Wänden des Diffusors sucht sich jedoch die Strömung von den Wänden mit einer Verminderung des Diffusorwirkungsgrades abzulösen. Die Ausströmung von der Turbine ist ringförmig, und es ist in Abwärtsströmungsrichtung der Turbine ein Gegenkegel vorhanden, der eine Innenwand für den ringförmigen Weg der Strömung von dem ringförmigen Turbinenauslaß bildet. Das Vorhandensein dieses Kegels bewirkt ungleichmäßige Verteilung der Nachverbrennung infolge der Turbulenz, die sich am Ende des Kegels einstellt.In gas turbines where afterburners are used for the extra thrust the exhaust gas is first passed through a diffuser before the turbine the afterburning takes place with additional fuel. The diffuser must be used during the Afterburning and efficient even during turbine operation without afterburning be. In addition, the smallest possible diffuser length is desirable in order to reduce the overall dimensions to keep the jet engine as small as possible. When the diffuser shortened the divergence angle of the walls must be increased to the desired pressure increase through the diffuser to generate. However, if the walls of the diffuser are steep, look for it to detach the flow from the walls with a reduction in diffuser efficiency. The outflow from the turbine is annular and it is in the downflow direction The turbine has a counter cone that forms an inner wall for the annular path of the flow from the annular turbine outlet. The presence of this Cone causes uneven distribution of the afterburning due to the turbulence, which occurs at the end of the cone.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Gasturbinen-Strahltriebwerks, bei dem die erwähnten Nachteile durch Energieanreicherung der Grenzschicht weitgehend vermindert oder beseitigt werden.The object of the invention is to create an improved gas turbine jet engine, in which the mentioned disadvantages largely due to the energy enrichment of the boundary layer be reduced or eliminated.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Erzeugung eines walzenförmigen Wirbels durch die beiden Lochreihen jeweils eines Paares diese unmittelbar nebeneinander liegen und untereinander auf der dem Diffusorkanal abgelegenen Seite der Wandung verbunden sind. Die Lochreihen können in der äußeren Wandung angeordnet sein, und zur Verbindung der Lochreihe je eines Paares kann eine ringförmige Kammer auf der Außenseite der äußeren Wandung vorgesehen sein. Bei einem Gasturbinen-Strahltriebwerk, bei dem die äußere Wandung einen Nachbrenner umfaßt und die innere Wandung von einem Gegenkegel in der Nähe der strömungsabwärts gelegenen Seite der Turbine gebildet ist, sind die Lochreihen vorzugsweise in dem Gegenkegel angeordnet.This is achieved according to the invention in that to generate a cylindrical vortex through the two rows of holes each pair of these directly lie next to one another and one below the other on the side remote from the diffuser channel the wall are connected. The rows of holes can be arranged in the outer wall An annular chamber can be used to connect the row of holes in each pair be provided on the outside of the outer wall. In a gas turbine jet engine, in which the outer wall comprises an afterburner and the inner wall of one Counter cones are formed near the downstream side of the turbine is, the rows of holes are preferably arranged in the counter cone.

Eine Anordnung mit nebeneinanderliegenden Lochreihen ist an sich bekannt. Jedoch werden diese beiden in gleicher Richtung von einem Saugstrom durchflossen.An arrangement with rows of holes lying next to one another is known per se. However, a suction current flows through these two in the same direction.

Unter einem walzenförmigen Wirbel wird ein Wirbel verstanden, dessen Achse senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in Umfangsrichtung der Wandung verläuft, wobei der Uhrzeigersinn (bzw. der entgegengesetzte Uhrzeigersinn bei Anordnung der Lochreihen in der äußeren Wandung des Diffusors) der Wirbelströmung infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung der Lochreihen so ist, daß in dem im Diffusorkanal gelegenen Teil des Wirbels Hauptströmung und Wirbelströmung gleiche Richtung haben, so daß eine Energieanreicherung der Grenzschicht der Hauptströmung eintritt. Obgleich das Problem der Energieanreicherung der Grenzschicht an den Wandungen eines Diffusors bekannt ist, erfolgt jedoch in dieser bekannten Anordnung die Energieanreicherung durch Absaugen und Wiedereinführung von Strömungsmittel an voneinander entfernten Stellen, in einem Fall sogar je an sich gegenüberliegenden Kanalwänden, weshalb dort ein walzenförmiger Wirbel nicht zustande kommen kann.A cylindrical vortex is understood to mean a vortex whose Axis runs perpendicular to the main flow direction in the circumferential direction of the wall, being clockwise (or counterclockwise if the Rows of holes in the outer wall of the diffuser) of the vortex flow as a result of the inventive design of the rows of holes is such that in the diffuser channel located part of the eddy main flow and vortex flow have the same direction, so that an energy enrichment of the boundary layer of the main flow occurs. Although the problem of the energy accumulation of the boundary layer on the walls of a diffuser is known, however, the energy is enriched in this known arrangement by aspirating and reintroducing fluid at remote locations Place, in one case even on opposite canal walls, why a cylindrical vortex cannot come about there.

Die Erfindung ist an Hand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 eine Schnittansicht durch die Turbine und den Nachbrenner, Fig. 2 eine abgebrochen gezeichnete Schnittansicht in vergrößerter Darstellung, welche die Anordnung der Lochreihen darstellt, die als Mittel zur Energieanreicherung der Grenzschicht dienen, und Fig. 3 eine abgebrochen gezeichnete Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform.The invention is related on the basis of exemplary embodiments illustrated. 1 shows a sectional view through the turbine and the afterburner, Fig. FIG. 2 is a broken-away sectional view in an enlarged illustration, which represents the arrangement of the rows of holes, which are used as a means of energy enrichment Serve the boundary layer, and FIG. 3 is a broken away view of a modified one Embodiment.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist die Turbine, von der das Gas in den Nachbrenner ausströmt, eine Reihe feststehender Düsen 2 auf, die die Strömung des heißen Gases über die Schaufeln 4 des Turbinenläufers 6 führen. Das Gas strömt dann in die ringförmige Bahn 7 aus, die von der äußeren Diffusorwand 8 der inneren Diffusorwand 10 begrenzt wird, wobei die letztgenannte den Gegenkegel für die Turbine bildet. Die Wände 8 und 10 divergieren voneinander, um die Diffusorwirkung hervorzurufen, die dazu dient, die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in so ausreichendem Maße zu vermindern, daß Verbrennung weiter abwärts in der Verbrennungszone des Nachbrenners stattfinden kann. Der Gegenkegel ist so dargestellt, daß er von radial verlaufenden Stäben 12 und 14 getragen wird, die ihn konzentrisch zu der Außenwand 8 lagern. Eine Stromlinienverkleidung 16 kann über den Stäben dort vorgesehen werden, wo sie durch die Gasbahn verlaufen.As can be seen from the drawing, the turbine from which the gas flows out into the afterburner has a series of fixed nozzles 2 which guide the flow of the hot gas over the blades 4 of the turbine rotor 6. The gas then flows out into the annular path 7, which is delimited by the outer diffuser wall 8 of the inner diffuser wall 10 , the latter forming the counter-cone for the turbine. The walls 8 and 10 diverge from each other to create the diffuser action which serves to reduce the flow rate of the air sufficiently to allow combustion to take place further down the combustion zone of the afterburner. The counter-cone is shown in such a way that it is carried by radially extending rods 12 and 14 which support it concentrically to the outer wall 8. A streamlined fairing 16 can be provided over the bars where they pass through the gas path.

Stromab der Turbine, wo die Gasgeschwindigkeit und der Gasdruck für Verbrennungszwecke geeignet sind, wird Kraftstoff von einer Sammelleitung 18 in den Gasstrom durch Düsen 20 eingespritzt. Angrenzend an die Düsen folgen in Abwärtsströmungsrichtung Flammenhalter 22 geeigneter Konstruktion, die dazu dienen, die Verbrennung in der Zone 24 direkt stromabwärts von den Flammenhaltern zu lokalisieren. Die letztgenannten können in Form von Ringen 26 ausgebildet sein, die V-förmigen Querschnitt haben, wobei die Spitze des V stromaufwärts gerichtet ist. Diese Ringe können in geeigneter Weise durch radial verlaufende Stäbe 28 gelagert sein.Downstream of the turbine where the gas speed and pressure for For combustion purposes, fuel is drawn from a manifold 18 in injected the gas stream through nozzles 20. Adjacent to the nozzles follow in a downward direction of flow Flame holder 22 of suitable construction, which are used to burn in the Locate zone 24 immediately downstream of the flame holders. The latter can be in the form of rings 26 that have a V-shaped cross-section, with the tip of the V pointing upstream. These rings can be more suitable Way be supported by radially extending rods 28.

An einer an die Kraftstoffdüsen und Flammenhalter angrenzenden Stelle endet die Außenwand 8 und ist mit der konvergierenden Außenwand 30 des Nachbrenners verbunden, die sich von dem strömungsabwärts gerichteten Ende der Wand 8 zu dem Schubdüsenende 32 erstreckt. Die Schubdüse kann eine Vorrichtung zur Änderung ihrer Querschnittsfläche haben, abhängig davon, ob der Nachbrenner betätigt wird oder nicht, und ein solcher Mechanismus ist im allgemeinen als ein Paar augenlidförmiger Teile 34 dargestellt, die, wenn sie um die Lagerstifte 36 gedreht werden, in eine solche Stellung gelangen, daß sie die Normalöffnung der Düse teilweise schließen.In a location adjacent to the fuel nozzles and flame holders the outer wall 8 ends and is with the converging outer wall 30 of the afterburner connected, extending from the downstream end of the wall 8 to the Thrust nozzle end 32 extends. The exhaust nozzle can have a device for changing its Cross-sectional area, depending on whether the afterburner is operated or not, and such a mechanism is generally eyelid-shaped as a pair Parts 34 shown which, when rotated about the pivot pins 36, into a come to such a position that they partially close the normal opening of the nozzle.

Die oben offenbarte Konstruktion verkörpert nicht die Erfindung an sich, sondern ist dargestellt, um einen Mechanismus zu veranschaulichen, bei dem die Vorrichtung zur Energieintensivierung der Grenzschicht besonders nützlich ist. Die Innenwand 10 der Gasbahn, die, wie oben festgesetzt wurde, der Gegenkegel für die Turbine sein kann, hat in axialem Abstand angeordnete Reihen 40 und 42 von verhältnismäßig kleinen Löchern, die an dem strömungsaufwärts gerichteten Ende des Gegenkegels angeordnet sind. Die Reihen 40 und 42 verlaufen am Umfang rings um den Gegenkegel und haben einen so ausreichenden Abstand voneinander, daß sich die Löcher nicht gegenseitig überschneiden. Die Anordnung ist so getroffen, daß Gas von der Gasbahn in die strömungsabwärts gerichtete Reihe 42 der Löcher hineinströmt und aus der strömungsaufwärts gerichteten Reihe 40 herausströmt. Die Löcher benachbarter Reihen sind bevorzugt gegeneinander versetzt.The construction disclosed above does not embody the invention per se, but is shown to illustrate a mechanism in which the interface energy intensification device is particularly useful. The inner wall 10 of the gas path, which as stated above may be the mating cone for the turbine, has axially spaced rows 40 and 42 of relatively small holes located at the upstream end of the mating cone. The rows 40 and 42 run circumferentially around the mating cone and are spaced from one another sufficiently so that the holes do not intersect one another. The arrangement is such that gas flows from the gas path into the downstream row 42 of holes and flows out of the upstream row 40 . The holes in adjacent rows are preferably offset from one another.

Es ist offensichtlich, daß in einem Diffusor der Bauart, der von den Wänden 8 und 10 begrenzt wird, ein wachsender Druckgradient in Abwärtsströmungsrichtung vorhanden ist, so daß der statische Druck an der strömungsabwärts gerichteten Reihe 42 etwas höher ist als der statische Druck in der Gasbahn an der strömungsaufwärts gerichteten Reihe 40. Dieser Druckunterschied bewirkt eine Strömung in Richtung der Pfeile 44 und bewirkt, daß die Grenzschicht mit Energie angereichert wird, so daß ihre Strömung in der Richtung des Gasstromes erhöht wird und praktisch schleppende oder ziehende Wirbel erzeugt werden, die in Abwärtsrichtung der Strömung von den Lochreihen vortreten, welche die Grenzschicht über eine wesentliche Strecke in Abwärtsrichtung der Strömung von den Lochreihen mit Energie anzureichern suchen.It is evident that in a diffuser of the type used by the Walls 8 and 10 is limited, a growing pressure gradient in the downward flow direction is present so that the static pressure on the downstream bank 42 is slightly higher than the static pressure in the gas path on the upstream directed row 40. This pressure difference causes a flow in the direction of arrows 44 and causes the boundary layer to be enriched with energy, so that their flow is increased in the direction of the gas flow and practically sluggish or pulling eddies are generated, which move in the downward direction of the flow from the Rows of holes protrude, which the boundary layer for a substantial distance in the downward direction seek to enrich the flow with energy from the rows of holes.

Es ist offensichtlich, daß die Löcher 40 und 42 außerhalb der Gasbahn verbunden sind, um die Strömung zwischen den Lochreihen anzufachen. In der dargestellten Anordnung ist die Fluidumverbindung zwischen den Lochreihen durch den hohlen Innenraum des Gegenkegels vorgesehen.It is evident that the holes 40 and 42 are outside the gas path are connected to fan the flow between the rows of holes. In the illustrated The arrangement is the fluid connection between the rows of holes through the hollow interior of the counter cone provided.

Es kann in bestimmten Fällen vorteilhaft sein, einen unmittelbareren Strömungsweg zwischen den Lochreihen zu schaffen. Zu diesem Zweck kann die Anordnung so getroffen sein, wie in Fig.3 dargestellt ist, in der die in Abstand angeordneten Lochreihen so dargestellt sind, daß sie in der Außenwand 8' eines Diffusors ausgebildet sind, der der Ausführungsform nach Fig. 1 entspricht. In dieser Anordnung hat die Außenwand in Abstand angeordnete Reihen 40' und 42' von Löchern, die am Umfang rings um die Wand 8' in axialem Abstand voneinander in der Strömungsrichtung auf der Innenseite der Wand 8' verlaufen. Die Fluidumverbindung ist durch eine kleine Ringkammer vorgesehen, die von einem praktisch U-förmigen Ring 46 begrenzt wird, der darstellungsgemäß über den in Abstand angeordneten Lochreihen liegt.In certain cases it can be beneficial to have a more immediate approach To create a flow path between the rows of holes. To this end, the arrangement be made as shown in Fig.3, in which the spaced Rows of holes are shown so that they are formed in the outer wall 8 'of a diffuser which corresponds to the embodiment of FIG. In this arrangement the Outer wall spaced rows 40 'and 42' of holes around the circumference around the wall 8 'at an axial distance from each other in the flow direction on the inside the wall 8 'run. The fluid connection is provided by a small annular chamber, which is delimited by a practically U-shaped ring 46, as shown is above the spaced rows of holes.

Claims

CLAIMS: 1. Gas turbine jet engine with a downstream from the gas turbine thrust nozzle and an annular diffuser, the one has inner and outer walls that are concentrically spaced from one another are arranged, and with at least one pair of axially spaced in the circumferential direction running rows of holes in one of the walls, the holes in one row each pair of holes offset in the circumferential direction with respect to the holes in the other row are, characterized in that to generate a cylindrical vortex by the two rows of holes each of a pair, these lie directly next to each other and connected to one another on the side of the wall remote from the diffuser channel are.

2. Gas turbine jet engine according to claim 1, wherein the outer wall comprises an afterburner and the inner wall of a mating cone in proximity the downstream side of the turbine, characterized in that that the rows of holes are arranged in the counter cone.

3. Gas turbine jet engine according to claim 1, characterized in that the rows of holes are arranged in the outer wall and an annular chamber is provided on the outside of the outer wall for connecting the rows of holes in each case of a pair. Considered publications: German Patent Nos. 834 680, 648 878; Swiss Patent No. 204 331; French Patent Nos. 1006 146, 963 540; British Patent No. 694 422.