DE1531464A1

DE1531464A1 - Verfahren zum Aufrechterhalten einer kuehlenden Randschicht in einem gekruemmten Strahlumlenker und Mantelstromtriebwerk mit Nachverbrennung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1531464A1
Application number: DE19671531464
Authority: DE
Inventors: Markowski Stanley Joseph
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1966-12-05
Filing date: 1967-12-04
Publication date: 1970-01-29
Also published as: FR1547946A; US3393516A; GB1204698A

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD, Patentanwalt, KÖLN, Universitätsstraße 31

Anlage. Aktenzeichen

zur Eingabe vom 2. ϋβΖβϊίΛβΓ 1967 VA+ Name d. Anm. UNITED AIRCRAFT CORPORATION,

400 Main Street,

EAST HARTFORD,CONN.06108,USA.

Verfahren zum Aufrechterhalten einer kühlenden Randschicht in einem gekrümmten Strahlumlenker und Mantelstromtriebwerk mit Nachverbrennung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brenngasaustrittskanal zur Verwendung bei Mantelstromtriebwerken mit Nachverbrennung. Sie betrifft insbesondere einen gekrümmten Brenngasumlenker zum Umlenken einer Gasströmung bei einem Mantelstromtriebwerk mit Nachverbrennung, das man zum Antrieb eines senkrecht startenden und landenden Flugzeuges verwendet.

Bei Triebwerken mit Nachverbrennung verwendet man normalerweise eine axiale Brenngasaustrittsströmung. Mit dem Aufkommen der senkrecht startenden und landenden Flugzeuge war man jedoch bestrebt, die Brenngasaustrittsströmung des Triebwerkes zumindest während bestimmter Flugzustände nach unten richten zu können. Die Umlenkung eines normalerweise in axialer Richtung aus einem Gasturbinentriebwerk austretenden Brenngasstromes nach unten bereitete jedoch in verschiedener Hinsicht erhebliche Schwierigkeiten; die Hauptschwierigkeit bestand darin, daß das Umlenkungssystem mit einem Nachbrennertriebwerk und den bei diesem Triebwerk auftretenden Problemen hinsichtlich der Kühlung und hinsichtlich der veränderlichen Brenngasaustrittsflache vereinbar sein mußte. Die Umlenkvorrichtung soll außerdem die Vorwärtsschubleistung des Triebwerkes nicht beeinträcho tigen. Ferner soll das Verhältnis des Schubs zum Gewicht beim Um- ^ lenksystem groß sein, ohne daß unangemessen große, senkrecht zur oo Flugrichtung liegende Flächen vorhanden sind. In diesem Sinne soll

•v. die vorliegende Erfindung eine Anordnung zum Umlenken der Brenngas- ^ austrittsströmung bei einem Mantelstrome-treflbwerk mit Nachverbren- ^⁴ nung schaffen.
co

Bei Mantelstromtriebv/e.rR«zn m^t VölcHbrenner liegt die Temperatur der

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austretenden Brenngase im allgemeinen über 1.093° C. wegen*aes normalen Mach-Zahl-Verhältnisses zwischen dem Blasstrom und dem Heißgasstrom und wegen der Charakteristika der Gasströmung durch eine gekrümmte Leitung treffen die· heißen Gase normalerweise in der Krümmung auf die Außenwand der Umlenkvorrichtung und brennen diese durch. Die vorliegende Erfindung sieht daher eine Anordnung vor, durch die man einen gekrümmten Brenngasumlenker bei einem Hachbrennertriebwerk verwenden kann, ohne daß die heißen Gase auf die Außenwand des Umlenkers auftreffen und diese Außenwand durchbrennen.

Fig. 1 zeigt zum Teil in Seitenansicht und zum Teil im Längsschnitt einen gekrümmten Brenngasumlenker und Nachbrenner mit den benachbarten Teilen.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Primärströmung durch einen gekrümmten Kanal.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der statischen Drucklinien der Primärströmung.

Fig.3A ist ein Schnitt im wesentlichen nach der Linie 3A - 3A in Fig. 3.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Sekundärströmung durch den Umlenker.

Fig.JJA ist ein Schnitt im wesentlichen nach der Linie ^A - 4A in Fig. 4.

Fig. ¹JB ist ein Schnitt im wesentlichen nach der Linie 4© kk - *JA in Fig. 4.

Fig. 5 zeigt in einer schematischen Darstellung Sekundärströmungen beim Umlenken zusammengesetzter Strömungen.

Fig.5A ist im wesentlichen ein Schnitt nach der Linie 5A - 5A in Fig. 5.

Fig. 6 zeigt in einer schematischen Darstellung Sekundärströmungen

beim Umlenken zusammengesetzter Strömungen. 90 98 8 57 0079

Fig.6a ist im wesentlichen ein Schnitt nach der Linie 6A - 6A in Fig. 6.

Bei einem herkömmlichen Turbinenluftstrahl-Flugzeugtriebwerk tritt die Luft zunächst durch einen Verdichter hindurch, dann durch eine hinter diesem angeordnete Brennkammer und dann durch eine Turbine, woraufhin sie durch einen Auslaß hindurch in die Atmosphäre abgegeben wird, wobei ein Schub erzeugt wird. Bei einem Mantelstromtriebwerk wird außerdem ein Teil der Triebwerkslueft an einer Stelle des Triebwerkes, wie etwa im Verdichter, abgezweigt und in die Atmosphäre abgegeben, um zusätzlichen Schub zu erzeugen. Wegen einer ausführlicheren Beschreibung eines Gebläse- oder Mantelstromtriebv/erkes Bei auf das USA-Patent 3.095*166 äer Anmelderin verwiesen.

Zur Erreichung von Überschallgeschwindigkeiten bei Mantelstromtriebwerken verwendet man normalerweise einen nachbrenner. Dieser Nachbrenner ist gewöhnlich in einem geraden oder axialen Kanal ausgebildet, und zwar in erster Linie, weil, wenn der Kanal gekrümmt wäre, die Brenngasströmung auf die Leitungswand auftreffen und diese durchbrennen würde. Dieses Problem wird aus der folgenden analytischen Betrachtung besser verständlich. Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Primärströmung in einem gekrümmten Kanal, wobei die Strömung keine QuerschnittsVerengung aufweist und um 90° umgelenkt wird. Betrachtet man Fig. 2 als einen freien Körper oder, genauer gesagt, betrachtet man eine Triebkraftkurve über die Strömung von der Einlaßebene zur Auslaßebene einschließlich der Leitungwände, so kann man an Hand der Newton'sehen Gesetze nachweisen, daß die gesamte Triebkraft Mx durch eine Kraft Fx vernichtet worden ist, die gleich der Projektionsfläche Ax mal dem mittleren statischen Druck Δ «mhL Px ist, die auf das Strömungsrohr begrenzt durch die Triebkraftkurve wirkt. Desgleichen wurde eine Triebkraft My erzeugt, so daß eine Kraft Fy existieren muß, die gleich der Projektionsfläche Ay mal dem mittleren statischen Druck Δ meti Py über das Strömungsrohr ist. Aus diesen Betrachtungen ist zu achließen, daß die Verteilung des statischen Druckes so ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, das heißt, daß der statische Druck an der Außenseite der Leitung verhältnismäßig hoch und umgekehrt an der Innenseite der Leitung verhältnismäßig niedrig ist. Die Pluszeichen an der Außenseite der Leitung und die Minuszeichen an der Innenseite der Leitung zeigen in Fig. 2 diese relativen Wanddrück! an. Vl ist die Eintrittsgeschwindigkeit und Ml ist die Eintrittstriebkeraf t. 900885/0079

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In Pig. 3 zeigen die gestrichelten Linien den Verlauf der Flächen konstanten statischen Druckes der Primärströmung ohne Randschicht. Diese Verteilung rührt von der im wesentlichen zweidimensionalen Natur der Strömung her. In dieser Figur herrscht im Punkt B auf der inneren Mantellinie C-D ein charakteristischer minimaler statischer Druck für das System und im Punkt E ein charakteristischer maximaler statischer Druck.

Ferner ist für einen gleichförmigen Gesamtdruck am Einlaß dieser Umlenkvorrichtung die Geschwindigkeit bei einer gekrümmten Leitung ohne Querschnittseinschnürung an der Außenseite in typischer Weise gering und an der den kleineren Radius aufweisenden Seite sehr hoch. Infolge dieser Geschwindigkeitsverteilung tritt beim Durchgang der Strömung durch die gekrümmte Leitung an der Innenseite dieser gekrümmten Leitung eine wesentlich höhere Luftstrmung als an der den größeren Radius aufweisenden Außenseite der Leitung auf.

Fig. ¹J zeigt allgemein die Erzeugung von Sekundärströmungen in einer gekrümmten Leitung infolge des geringen Gesamtdruckes in der Rae*- schicht an den Wänden der Leitung. Aus den Figuren 4 und 'kA sieht man, daß ein Luftelement in der Randschicht der gleichen Druckkraft ausgesetzt ist, wie ein Luftelement in der Hauptströmung; da jedoch die Geschwindigkeit in der Randschicht geringer ist, ist die auf das Luftelement wirkende Zentrifugalkraft (Fc') in der Randschicht viel kleiner als die auf ein Luftelement in der Hauptströmung wirkende Zentrifugalkraft (Fc). Das in Fig. 4A mitten in dem Leitungsquerschnitt dargestellte Viereck symbolisiert ein Luftelement in der Hauptströmung, während das in dieser Figur am Rand dargestellte Viereck ein Luftelement in der Randschicht symbolisiert. Während also Fig. 4 die Strömung durch die Umlenkleitung darstellt, zeigt Fig. 4A den Ausgleich der auf die Elemente der umgelenkten Luft wirkenden Kräfte.

Aus der Ungleichheit der Zentrifugalkräfte folgt daher eine relative-. Beschleunigung der Randschicht, so daß Sekundärströmungen entstehen,, die in Fig. ^B bildlich dargestellt sind. Die Energie in dieser Sekundärströmung baut sich beim Durchgang der Strömung durch die gekrümmte Leitung fortschreitend auf. Das Ergebnis strömungsabwärts der Leitung ist eine starke oder vollständige Vermischung in der Leitung. Ein weiterer wichtiger Faktor ist, daß diese Sekundärströmung

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die Randschicht an der Krümmungsaußenseite und an den Selten der Leitung wegzieht und diese Luft geringer Energie an der Innenseite, das heißt an der Seite mit kleinerem Radius, der gekrümmten Leitung entlang lokalisiert.

Die Strömung in einem Mantelstromtriebwerk besteht aus zwei deutlich voneinander verschiedenen parallelen Strömungsschichten und der Randschicht an den Wänden entlang. Beim Umlenken einer solchen zusammengesetzten Strömung manifestiert sich von selbst eine andere Charakteristik der gekrümmten Strömung. Fig. 5 zeigt das Wesentliche der relativen, auftriebsähnlichen Kräfte in einer gekrümmten Strömung bei einem typischen Blasstromtriebwerk-Strömungsverhältnis, das für die Kühlung ungünstig ist, das heißt, der Gesamtdruck der Blasluft ist niedrig im Vergleich zur Triebwerks luft. Wie in Pig. ¹J betrachte man die auf die Luftelemente wirkenden Kräfte an der Grenze zwischen der Triebwerksluft und der Blasluft. Beide Elemente sind dem gleichen statischen Druck und dem gleichen Druckgefälle ausgesetzt. Ein Ungleichgewicht der Kräfte ergibt sich nur aus der Differenz der auf die Elemente wirkenden Zentrifugalkraft, die proportional zur Differenz von fv an der Stelle ist, an der sich die betreffenden Elemente befinden. Mit Bezug auf die Standard-Luft-Tabellen kann man leicht zeigen, daß ?V der heißeren Triebwerkströmung in Fig. 5 größer ist a]s fv der kühleren Strömung mit geringe-

rem Gesamtdruck der Blasluft. Die Differenz von ZV rührt in erster • Linie aus den Unterschieden im Gesamtdruck her. Aus dieser Betrachtung am Einzelelement ergibt sich, daß die relativen, auftriebsähnlichen Kräfte die Blasströmung abwärts beschleunigen, wie es in Fig. 5A dargestellt ist, so daß große Sekundärströmungen erzeugt werden.

Auch be.i der in Fig. 5 dargestellten Gestaltungsform wird die Rand-Bchicht an beiden Seiten der Leitung ebenso wie die Blasluft abwärts beschleunigt. Hierdurch wird die Blasluft von der Außenwand der gekrümmten Leitung weg und zur Innenwand hin geführt. Auf diese Weise wird also die kühlende Schicht an der äußeren, den größeren Radius aufweisenden Wand der Umlenkleitung entfernt, so daß die Metalloberfläche der Umlenkleitung den sehr heißen Kerntemperaturen ausgesetzt wird. **

Aus den obigen Betrachtungen erkennt man ohne weiteres, warum die

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Nachbrenner bei Mantelstromtriebwerken oder Gebläseluftstrahltriebwerken bisher in typischer V/eise axiale oder gerade Leitungen aufwiesen. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt daher in der Verwendung eines gekrümmten Brenngasumlenkers bei einem Nachbrenner. Dies- wird dadurch möglich, daß erfindungsgemäß eine kühle Isolierluftschicht an der Außenwand des Umlenkers oder der Umlenkleitung aufrechterhalten wird. Man erreicht dies dadurch, daß man die Gesamtdrücke des Blasluft- und des Triebwerksauslasses in Strömungsrichtung vor dem Machbrenner gleich macht bzw. einander anpaßt und hierdurch eine vorteilhafte Kühlung der Umlenkvorrichtung erreicht, weil, wenn die Nachverbrennung mit einem im wesentlichen gleichförmigen Gesamtdruck beginnt, die Temperaturverteilung bei der Verbrennung ein umgekehrtes Gesamtdruckprofil erzeugt. Das heißt, während die Temperatur im Kern sehr hoch ist, ist der Gesamtdruck wegen des Verbrennungs-Triebkraft-Gesamtdruckverlustes niedriger.

Fig. 6 zeigt im einzelnen die Erzeugung von Sekundärströmungen in der Hauptströmung einer zusammengesetzten Strömung, durch die die Kühlung der Umlenkleitung beim Durchtritt der Strömung begünstigt wird. Dies ist kennzeichnend für einen Nachbrenner mit Kernverbrennung, bei dem in der Umlenkleitung ein bestimmtes Temperaturbild ebenso wie ein bestimmtes Gesamtdruckbild entsteht, Betrachtet man wiederum die auf die einzelnen Luftelemente in der kühlen, einen höheren Gesamtdruck aufweisenden Randschicht und im heißen, einen niedrigeren Gesamtdruck aufweisenden Kern nach der Verbrennung wirkenden Kräfte, so zeigt sich, daß beide Luftelemente dem gleichen, an der betreffenden Stelle gegebenen statischen Druck und Druckgefälle ausgesetzt sind. Ein Unterschied im Kräfteausgleich dieser Kräfte ergibt sich daher nur aus Unterschieden der auf die betreffenden Elemente wirkenden Zentrifugalkraft, die p%portional zu der Differenz rV der heißen Strömung ist, die niedriger ist als yV der kühlen Strömung. Das örtliche fv der betreffenden Elemente ist proportional zu den betreffenden örtlichen Gesamtdrücken. Die primäre Veränderliche ist daher die örtliche Gesamtdruckhöhe. Dieses Ungfelchgewicht der Zentrifugalkräfte, das proportional zu fv ist, erzeugt auftriebsähnliche Kräfte, die örtliche Sekundärströme erzeugen, wie sie in Piß. öA dargestellt sind. Wichtiger ist, daß die Richtung der in der kühlen Schicht der Hauptströmung erzeugten Sekundärströmung nun entgegengesetzt ist zu derjenigen der in der Randschicht erzeugten Selcundärströmung. Im Ergebnis wird die Sekundär-

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strömung also so gesteuert, daß die kühlenden Schichten aufrechterhalten oder deren Abtragungsgeschwindigkeit verringert wird.

Fig. 1 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Erfindung. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein Triebwerk bezeichnet, das im wesentlichen einen koaxial konzentrisch zum Triebwerk 2 angeordneten Nachbrenner ¹J aufweist, der am Triebwerk durch einen Ringaustrittskanal 6 befestigt ist. Der Ringkanal 6 weist einen Diffusorabschnitt 10 und einen Verbrennungsabschnitt 12 auf. An den strönfung»abwärts liegenden Teil des Verbrennungsabschnittes 12 ist ein gekrümmter Auslaßumlenker 1*J angeschlossen. Der gekrümmte Auslaßumlenker ist mit dem Verbrennungsabschnitt 12 durch einen geraden Abschnitt 15 verbunden, der koaxial zum Verbrennungsabschnitt 12 angeordnet ist. Ein stromlinienförmiger Kernkörper oder innerer Körper l6 ist mit dem nicht dargestellten Triebwerksauslaß verbunden und ragt in den Nachbrenner.

Die Triebwerksauslaßströmung 18 ist von der Blasluftauslaßströmung 20 durch einen Strömungsteiler 22 getrennt. Der Strömungsteiler 22 hat ringförmige Gestalt und ist an einem Ende im (nicht dargestellten) Triebwerksaus laß und am anderen Ende mit Streben 2*J abgestützt, die sich zwischen dem Diffusorabschnitt 10 und dem inneren Körper l6 erstrecken. Auf der Strebe 24 ist zwischen dem Strömungsteiler 22 und dem inneren Körper l6 eine Schaufel 26 angeordnet. Die Schaufel 26 leitet die Brenngase 18 auf und um Brennstoffdüsen 28, die in einem Sprühstab 30 angeordnet sind. In Strömungsrichtung hinter den Brennstoffdüsen 28 sind Flammenhalter 32 angeordnet.

Aus Fig. 1 ist deutlich zu erkennen, daß durch entsprechende AnpasT sung der Auslaßflächen zwischen dem Strömunrsteiler 22 und dem inneren Körper Ib und zwischen dem Strömungsteiler 22 und der Ringwand 6 der Gesamtdruck der Blasluft 20 und der Keißgase 18 im wesentlichen gleich gemacht werden kann. Das heißt, in Strömungsrichtung vor den Brennstoffdüsen 28 ist der Gesamtdruck auf der ganzen Querschnittsfläche der Ringleitung 6 im wesentlichen gleich.

Die Brennstoffdüsen 28 sind im Verbrennüngsabsehnitt 12 derart angeordnet, daß eine Verbrennung nur in einem Kernbereich 29 auftritt. Das heißt, in einem Teil der Blasluft findet keine Verbrennung statt, so daß diese rund um den heißen Verbrennungsgaskern 29 herum eine,

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Randströmung 31 bildtt. Diese Randströmung 31 ist kühler und hat einen höheren Gesamtdruck als die heißen Kerngase; die Temperatur der Kerngase ist wegen der- Nachverbrennung höher und der Gesamtdruck der Kerngase ist infolge des durch die Verbrennung verursachten Triebkraftgefälles niedriger. In der eigentlichen Umlenkvorrichtung entstehen daher nach oben gerichtete Sekundärströmungen (siehe Pig. 6 und 6a), so daß die Auflösungsgeschwindigkeit der kühlenden Randschicht verringert wird.

Man beachte, daß das obige Verbrennungsbild symmetrisch ist, das heißt, die Achse der Brennstoffdüsen 28 ist symmetrisch zur Achse 3¹J der gekrümmten Umlenkleitung l4. Wenn die Bewahrung der kühlenden Randschicht bei diesem Verbrennungsbild Schwierigkeiten bereitet, kann man ein unsymmetrisches Verbrennungsbild anwenden. Bei diesem Verbrennungsbild wird der Nachbrenner-Brennstoffsprühstrahl durch Bewegung der Brennstoffdüsen 28 radial zur inneren Wand 36 der gekrümmten Umlenkleitung 14 hin eingestellt. Die Achse der Brennstoffdüsen 28 ist dann nicht mehr symmetrisch zur Achse 3^ der gekrümmten Umlenkvorrichtung 1*J; sie ist vielmehr von der Außenwand 38 des gekrümmten Umlenkrohres I¹* weg versetzt. Auf diese Weise erhält man ein Kernprofil, bei dem ein größerer Eintrittssektor der Kühlblasluft 20 vorhanden ist, so daß die Auflösungsgeschwindigkeit der kühlenden Randschicht weiter verringert wird.

Patentansprüche

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Claims

Dr. Ing. E, BERKENFELD, Patentanwalt, KÖLN, Universitätsstraße 31 Anlage Aktenzeichen zur Eingabe vom 2. Dezember I967 VA+ Name d. Ann,. UNITED AIRCRAFT CORPORATION, 400 Main Street, EAST HARTPORD,CONN.06108,USA. PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Aufrechterhalten einer kühlenden Randschicht in einem gekrümmten Strahlumlenker, der in Strömungsrichtung hinter einem Nachbrenner in einem Mantelstromtriebwerk angeordnet ist, das einen den Gebläseauslaß und den Triebwerksauslaß umschließenden und mehrere Brennnstoffdüsen tragenden Ringkanal aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man den Gesamtdruck des Gebläseauslasses und den Gesamtdruck des Triebwerksauslasses in Strömungsrichtung vor den Brennstoffdüsen angleicht, so daß die Gesamtdruckhöhe über den Leitungsquerschnitt in Strömungsrichtung vor den Brennstoffdüsen im wesentlichen gleich ist,und daß man dann eine Nachverbrennung in einem bestimmten, gesteuerten Profil derart durchführt, daß ein Kern heißer Verbrennungsgase in radialem Abstand von der Außenwand des gekrümmten Strahlumlenkers und rund um diesen Kern eine Strömung unverbrannter Gase erzeugt wird, die einen höheren Oesamtdruck als der •heiße Kern aufweist, so daß beim Durchgang des heißen Kerns und der Randströmung durch den gekrümmten Umlenker die Auflösungsgeschwindigkeit der kühlenden Randschicht an der Außenwand entlang verringert

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Nachverbrennung in dem gesteuerten Kernprofil symmetrisch zur Achse des gekrümraten Umlenkers bewirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Nachverbrennung in dem gesteuerten Kernprofil unsymmetrisch zur Achse des gekrümmten Umlenkers beiwirkt und daß die Achse des gesteuerten Kernprofils in Richtung auf die Innenwand des gekrümmten Umlenkers versetzt 1st.

4. Mantelstromtriebwerk mit Nachverbrennung ''r Durchführung des

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Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem gekrümmten Brennpasumlenker, der an einem Ringkanal befestigt 1st, welcher mehrere Brennstoffdüsen und einen den Mantelstrom vom Triebwerksbrenngas trennenden Strömungsteiler aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff düsen (28) radial im Abstand von der Außenwand (36, 38) des Ringkanals angeordnet sind, so daß in der äußeren Randgasströmung (31) keine Verbrennung auftritt, und daß der Strömungsteiler (22) in Strömungsrichtung vor den Brennstoffütdsen und in axialer Richtung im Abstand von diesen angeordnet ist, wobei die radiale Lage der Hinterkanten des Strömungsteilers derart ist, daß die Gesamtdruckhöhe der Mantelaustrittsströmung und die Gesamtdruckhöhe der Brenngasaustrittsströmung in Strömungsrichtung vor den Brennstoffdüsen im wesentlichen gleich ist.

5. Triebwerk nach Anspruch *J, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüsen (28 j derart angeordnet sind, daß die Mittellinie der Brennstoffdüsen konezentrisch zur Achse (3⁴O des rekrümmten
Strahlumlenkers (I¹I) verläuft.

6. Triebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüsen (28) derart angeordnet sind, daß die Mittellinie der ßrennstoffdüsen exzentrisch zur Achse (3¹O ies gekrümmten Strahlumlenkers (14) verläuft, und zwar zur inneren V/and (36) des Strahlumlenkers hin versetzt.

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