DE1626113C3 - Nebenstrom-Gasturbinenstrahltriebwerk mit Nachbrenner - Google Patents

Description

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sich zwischen den benachbarten radial verlaufenden 24', d. h. die resultierende Strahlrichtung des Trieb-Stabilisierungselementen erstrecken. werkes 10 kontinuierlich zwischen einer unabgelenk-

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht ten Stellung, in welcher die Achse 24' mit der Achse darin, daß die in Umfangsrichtung und/oder die 14' zusammenfällt, und einer voll abgelenkten Stelradial verlaufenden Stabilisierungselemente an oder S lung (F i g. 1) verstellt werden kann. In der ersten nahe an ihren Vorderkanten mit Düsen versehen Stellung liefert das Triebwerk 10 den zum normalen sind, aus denen zusätzlich noch Nachbrennstoff in Marschflug des Flugzeugs notwendigen Vortriebsdas Strahlrohr eingespritzt wird. schub, während in der letzteren Stellung der Schub

Die beabsichtigte Wirkung der stromlinienförmigen für den Kurzstreckenstart oder die Kurzstreckenlan-

Stabilisierungselemente ist schließlich dann am groß- io dung des nicht dargestellten Flugzeugs, in dem das

ten, wenn sie ein Dicken-Sehnen Verhältnis von etwa Triebwerk angeordnet ist, nach unten abgelenkt ist.

35 °/o aufweisen. Beim Betrieb haben die das Triebwerk verlassen-

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Er- den Gase eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit

findung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im ein- entsprechend beispielsweise 0,39 Mach, während die

zelnen erläutert. In der Zeichnung ist 15 Strömungsgeschwindigkeit der Nebenstromluft am

F i g. 1 eine schematische, teilweise aufgebrochene stromabwärtigen Ende der Nebenstromleitung 15

Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Nebenstrom- verhältnismäßig niedrig ist und z. B. 0,22 Mach ent-

Gasturbinenstrahltriebwerkes, spricht. Bevor es zur Nachverbrennung kommen

F i g. 2 ein Querschnitt durch ein die Verbrennung kann, ist es notwendig, die Turbinenabgase in der

stabilisierendes Glied der ersten Gruppe der Stabili- ao Diffusorleitung 17 zu verlangsamen. Die Mischer-

sierungselemente in einem Triebwerk nach Fig. 1, hutzen 16 sind daher so konstruiert, daß die Tur-

F i g. 3 ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 des binenabgase in der Diffusorleitung 17 zwischen der

in F i g. 2 wiedergegebenen Stabilisierungselementes, Austrittsebene der Turbinenanlage 13, angedeutet

F i g. 4 ein radialer Querschnitt durch ein Stabili- durch die gestrichelten Linien T, und der Austritts-

sierungselement der zweiten Gruppe in einem Trieb- 25 ebene der Mischerhutzen 16, angedeutet durch die

werk nach Fig. 1, gestrichelten LinienM, einer Diffusorwirkung unter-

F i g. 5 eine Endansicht des Triebwerkes nach worfen sind.

Fig. 1, gesehen in der Richtung des Pfeiles 5 in In ihrer Wirkung entspricht die Diffusorleitung 17

Fig. 1. einer kegelstumpfförmigen Leitung, deren Wandun-

F i g. 1 zeigt ein Nebenstrom-Gasturbinenstrahl- 30 gen in stromabwärtiger Richtung einen Gesamtdiver-

triebwerk 10 mit einem Verdichter 11, einer Haupt- genzwinkel Θ einschließen; dieser Winkel Θ wird im

Verbrennungsanlage 12, einer Turbinenanlage 13 und folgenden als »äquivalenter Diffusorwinkel« bezeich-

einem Strahlrohr 14. Ein Teil der von dem Ver- net. Die Konstruktion der Mischerhutzen 16 ist der-

dichter 11 erzeugten Druckluft wird an eine ring- art, daß die Diffusorlänge, d. h. der Abstand zwischen

förmige Nebenstromleitung 15 angeliefert, so daß 33 den Ebenen T und M so klein ist, wie dies in Hin-

dieser Teil der Druckluft die Verbrennungsanlage 12 sieht auf einen niedrigen Druckverlust in der Diffu-

und die Turbinenanlage 13 umgeht und an das sorleitung 17 und stabile Strömungsverhältnisse in

Strahlrohr 14 über einen Mischer angeliefert wird, dieser möglich ist.

der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung winkel- Es ist möglich, die Mischerhutzen 16 so zu konmäßig versetzten Mischerhutzen 16 aufweist. Die 40 struieren, daß die Nebenstromluft praktisch keiner dargestellte Ausführungsform umfaßt acht solche Diffusorwirkung unterliegt, die Geschwindigkeit der Hutzen 16 (F i g. 5), die jeweils an ihren stromauf- durch die Hutzen 16 strömenden Nebenstromluft im wärtigen Enden mit der Nebenstromleitung 15 in wesentlichen also konstant bleibt. Soll die Geschwin-Verbindung stehen und in radialer Richtung ver- digkeit der Nebenstromluft in der Austrittsebene M hältnismäßig tief in eine stromab von der Turbinen- 45 der Mischerhutzen beispielsweise einer Strömungsanlage 13 vorgesehene Diffusorleitung 17 hinein- machzahl von 0,207 entsprechen, so ist es notwendig, ragen. In der Diffusorleitung 17 ist mittig ein fester die Turbinenabgase in der Diffusorleitung 17 von Abgaskegel 18 angeordnet, welcher sich darin über 0,39 Mach bei T auf 0,207 Mach bei M zu verzögern, radiale Streben 19 abstützt, deren stromlinienförmige Die gewählte Diffusorlänge zwischen den Ebe-Verkleidungen an den Mischerhutzen 16 befestigt 50 nen T, M und der äquivalente Diffusorwinkel Θ hänsind. Der Nachbrenner ist im Strahlrohr 14 strom- gen bekanntlich vom Verhältnis zwischen den Querabwärts von den Mischerhutzen 16 angeordnet. schnittsflächen der Nebenstromleitung 15 und der

Stromab vom Nachbrenner hat das Strahlrohr 14 Turbinenanlage 13 in der Turbinenaustrittsebene T

einen schwenkbaren Teil, umfassend einen ersten an- ab. In einem Beispiel, wo dieses Verhältnis einen gelenkten Teil 21, der durch einen schematisch bei 55 Wert von 1,789 hat, würde der kleinste Druckverlust

22 angedeuteten Betätigungsmotor um die Längs- in der Diffusorleitung 17 bei einem äquivalenten

achse 14' des Strahlrohres 14 in Lagern 23 gedreht Diffusorwinkel Θ von 7° zustande kommen, während

werden kann, und einen zweiten angelenkten Teil 24, die kürzeste Diffusorlänge für einen ohne Strömungs-

der in Lagern 25 durch einen Motor 26 um seine ablösung arbeitenden Diffusor mit einem äquivalen-Längsachse 24' gedreht werden kann, die zur Achse 60 ten Diffusorwinkel von 14° und einem entsprechend

14' geneigt ist. Das stromaufwärtige Ende des ange- höheren Druckverlust erhalten wird. Um zu einem

lenkten Teiles 24 ist mit dem stromabwärtigen Ende Kompromiß zwischen einer kurzen Diffusorlänge

des angelenkten Teiles 21 mittels einer ringförmigen einerseits und einem geringen Druckverlust anderer-

gasdichten Dichtung 27 verbunden. Die Achse 14' seits zu gelangen, wurde ein äquivalenter Diffusor- und die Achse 24' des ersten bzw. des zweiten ange- 65 winkel Θ von 10° gewählt, was eine Diffusorlänge

lenkten Teiles 21 bzw. 24 sind um gleiche Winkel von 491,5 mm und einen mittleren Wert für den

zur Ebene der Dichtung 27 geneigt, so daß durch Druckverlust ergab.

Verdrehen der Teile 21, 24 die Richtung der Achse Die gesamte Austrittsquerschnittfläche der Mischer-

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hutzen 16 und der DifEusorleitung 17 in der Ebene M Die Rohre 36 werden mit Nachbrennstoff durch eine ist gleich der Querschnittsfläche des Strahlrohres 14. Steueranlage beliefert, die in F i g. 1 schematisch mit

Die Wandungen der Mischerhutzen 16 und die 40 dargestellt ist.

Streben 19 tragen dazu bei, restliche Wirbel in den Die F i g. 3 und 4 zeigen Querschnitte durch die

Turbinenabgasen in der Leitung 17 zu beseitigen. 5 ersten und die zweiten Stabilisierungselemente 30 bzw. Ein teilweises Durchmischen der Turbinenabgase 31. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, zeigen die ersten und der Nebenstromluft findet im Strahlrohr 14 un- Stabilisierungselemente 30 eine Strebe 41, an welcher mittelbar stromab von den Mischerhutzen 16 statt. stromaufwärtige und stromabwärtige hohle Verklei-Die Anordnung des Nachbrenners ist dann so ge- düngen 42 bzw. 43 befestigt sind, so daß sich ein troffen, daß die Nachverbrennung im Strahlrohr 14 io stromlinienförmiges Profil ergibt. Das den Nachin einer Zone vor sich geht, in welcher die Durch- brennstoff anliefernde Rohr 36 sitzt in der Stromaufmischung der Turbinenabgase und der Umgehungs- wärtigen Verkleidung 42. Zusätzlich zu den Abzweiluft noch unvollständig ist. Auf diese Art und Weise gungen der Leitungen 32, 33, 34 (F i g. 2) hat das läßt sich die Länge des Strahlrohres 14 mit Hinsicht Rohr 36 eine Vielzahl von Leitungspaaren 44, 45, auf den notwendigen Vermischungsgrad um ungefähr 15 die in gewissen Abständen entlang der Längserstrekdie Hälfte des Durchmessers des Strahlrohres 14 ver- kung des Rohres 36 vorgesehen sind und nahe der ringern. Das vollkommene Durchmischen der Tür- Vorderkante der Verkleidung 42 in Öffnungen 46 binenabgase und der Nebenstromluft wird erst strom- bzw. 47 enden.

ab vom Nachbrenner durchgeführt. Zwei Leitungen 48, 50 erstrecken sich durch die

Der Nachbrenner ist also so konstruiert, daß die 20 Strebe 41, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist. Die Lei-Verbrennung erst in den teilweise mit Nebenstrom- tung 48 wird mit Druckluft beliefert, die von einer luft vermischten Turbinenabgasen durchgeführt wer- Stufe des Verdichters 11 über eine in Fig. 1 geden kann. Zu diesem Zweck umfaßt der Nachbrenner strichelt gezeichnete Leitung 51 abgezapft wird, einen ersten und einen zweiten Satz von Stabilisie- welche geeignete Steuerventile enthalten kann. In rungselementen 30, 31. 25 gewissen Abständen sind entlang der Erstreckung der

Die Glieder des ersten Satzes der Stabilisierungs- Leitung 48 an dieser Paare von Abzweigungsleitunelemente 30 erstrecken sich nach F i g. 5 radial von gen 52, 53 vorgesehen, welche Druckluft an Düsen der Achse 14' des Strahlrohres 14 unter Winkeln, 54, 55 in der Oberfläche der Strebe 41 anliefern, die sich mit denen der Mischerhutzen 16 decken, so Diese Düsen 54, 55 richten die Druckluftstrahlen daß sich diese Elemente im Weg der verhältnismäßig 30 gegen Ablenkflächen 56, 57, welche die Luftstrahlen kühlen, teilweise gemischten Nebenstromluft befin- nach außen von den Stabilisierungselementen 30 abden, die aus den Hutzen 16 austritt. Praktisch ist lenken, wie durch die Pfeile angezeigt ist. Die abjedes der Stabilisierungselemente 30 um einen klei- gelenkten Luftstrahlen erzeugen Zonen von Wirbeln nen Winkel zur radialen Richtung geneigt, so daß die beiderseits der Stabilisierungselemente 30 stromab darin infolge der beim Betrieb des Triebwerkes vor- 35 von den betreffenden Oberflächen 56, 57. Der durch handenen Wärmedehnung zustande kommenden die Düsen 46, 47 eingespritzte Nachbrennstoff wird Spannung leicht aufgenommen werden können. Die dann beim Eintreten in diese Wirbelzonen verbrannt, die Verbrennung stabilisierenden Elemente 30 kon- Die Leitung 50 wird über die Nachbrennstoff-

vergieren in stromabwärtiger Richtung, so daß jedes Steueranlage 40 mit Brennstoff beliefert. Eine Viel-Element gegen die Achse des Strahlrohres 14 nach 40 zahl von Paaren von Zweigleitungen 58, 60 steht mit hinten geneigt ist, wie in den F i g. 1 und 2 darge- der Leitung 50 in gewissen Abständen über deren stellt ist. Länge in Verbindung. Brennstoff wird aus den Lei-

Die Stabilisierungselemente 31 des zweiten Satzes tungen 58, 60 in die Wirbelzonen stromab von den erstrecken sich in Umfangsrichtung des Strahlrohres Ablenkflächen 56, 57 eingespritzt, um die Verbren-14. In der dargestellten Ausführungsform sind diese 45 nung des in die Wirbelzonen aus den Düsen 46, 47 zweiten Stabilisierungselemente 31 in zwei verschie- eintretenden Brennstoffes zu stabilisieren, denen radialen Abständen von der Achse des Strahl- Die Konstruktion der zweiten Stabilisierungsrohres 14 angeordnet, wobei diese Stabilisierungs- elemente 31 (F i g. 4) ist im wesentlichen dieselbe elemente 31 sich an den ersten, die Verbrennung wie die der ersten Satbilisierungselemente 30, mit stabilisierenden Elementen 30 abstützen. 50 dem Unterschied, daß das Brennstoffzulieferungsrohr

Drei ringförmige Brennstoff-Einspritzleitungen 32, 36 und die von diesem mit Brennstoff versorgten 33, 34 (F i g. 2) sind stromauf der Stabilisierungs- Düsen 46, 47 in der stromaufwärtigen Verkleidung elemente 30,31 an den radial verlaufenden Stabilisie- fortgelassen sind und der Nachbrennstoff an diese rungselementen 30 abgestützt. Die radial innen und Stabilisierungselemente 31 stromauf von diesen durch die radial außen liegenden Leitungen 32 bzw. 34 55 die Brennstoffeinspritzöffnungen 32 α, 34 α, 35 α anhaben stromab gerichtete Öffnungen 32a bzw. 34a geliefert wird (Fig. 2). Da die Konstruktion der zum Einspritzen des Nachbrennstoffes. Die da- zweiten Stabilisierungselemente 31 im übrigen der zwischenliegende Leitung 33 hat eine Vielzahl von der ersten Stabilisierungselemente 30 entspricht, sind sich radial erstreckenden Rohrstummeln 35, die je- die einander entsprechenden Teile mit denselben Beweils mit dem Inneren der Leitung 33 in Verbindung 60 zugszahlen mit Zusatz eines Beistrichs (') bezeichnet, stehen und jeweils mit einer Vielzahl von stromab Die Druckluft- und Brenstoffleitungen 48', 50' wergerichteten Brennstoffeinspritzöffnungen 35 a ausge- den mit Druckluft und Brennstoff aus den entsprestattet sind. chenden Leitungen 48, 50 der ersten Stabiliserungs-

Nachbrennstoff wird an die Leitungen 32, 33 34 elemente 30 beliefert, wie schematisch in Fig. 2 durch Rohre 36 angeliefert, welche innerhalb der 65 dargestellt ist.

ersten Stabilisierungselemente 30 (F i g. 2) angeordnet Da die ersten Stabilisierungselemente 30 in einem

und mit Abzweigungen versehen sind, wie sie in verhältnismäßig kühleren Gasstrom liegen als die F i g. 2 durch strichpunktierte Linien angedeutet sind. zweiten Elemente 31, können sie in der Richtung

senkrecht zum Gasstrom verhältnismäßig dicker sein. So kann die maximale Dicke der ersten Stabilisierungselemente 30 beispielsweise etwa 53 mm betragen, während die maximale Dicke der zweiten Stabilisierangselemente 31 etwa 38 mm beträgt.

Zur Erzielung eines minimalen Strömungswiderstandes ohne Nachverbrennung sollte das Verhältnis

zwischen Dicke und Sehne der stromlinienförmigen Querschnitte der Stabilisierungselemente theoretisch einen Wert von 27% haben. In der Praxis wird jedoch für dieses Verhältnis ein Wert von etwa 35% gewählt, da dieser einen guten Kompromiß zwischen Leerverlust und kurzer Gesamtlänge in der Richtung des Gasstromes ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

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Patentansprüche· ordnet, dafür aber muß eine schlechtere Durchmischung der Teilströme und damit eine schlechtere

1. Nebenstrom-Gasturbinenstrahltriebwerk mit Nachverbrennung in Kauf genommen werden (USA.-einem Nachbrenner im Strahlrohr und einem die Patentschrift 3 048 376). Mit der Anordnung nach Teilströme mischenden, unmittelbar stromab von 5 der genannten USA.-Patentschrift 3 048 376 wird der Turbinenanlage angeordneten, mehrere in zwar durch Verwendung einer großen Anzahl kom-Umfangsrichtung verteilte Hutzen aufweisenden pliziert gestalteter Mischerhutzen eine gewisse Ver-Mischer, an den sich stromab unmittelbar der besserung der Durchmischung erreicht, jedoch um Nachbrenner anschließt, gekennzeichnet den Preis eines großen baulichen Aufwandes, eines durch die Kombination folgender, an sich be- ίο hohen Mischergewichtes und eines großen Strökannter Merkmale: mungswiderstandes. Bei den bekannten Triebwerken

a) Die Flammenhalter des Nachbrenners ver- ist überdies die Menge der im Nachbrenner möglaufen teils radial, teils in Umfangsrichtung liehen Brennstoffzufuhr und damit auch die dort zu durch den gesamten Strömungsquerschnitt gewinnende zusätzliche Antriebsenergie einer gewisdes Strahlrohres (14); 15 sen Beschränkung unterworfen, weil nicht der ge-

b) die Flammenhalter sind aerodynamisch wir- samte Querschnitt des Strahlrohres für die Gewinkende, stromlinienförmige Stabilisierungs- nung der Nachbrennenergie zur Verfügung steht,
elemente (30, 31), die zugleich zur Einsprit- Es liegt demgegenüber die Aufgabe vor, einNebenzung von Nachbrennstoff dienen. strom-Gasturbinenstrahltriebwerk der eingangs um-

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch ge- 20 rissenen Art so weiterzuentwickeln, daß bei hinreikennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung einge- chend guter Durchmischung trotz kurzer Bauweise nommene Winkelstellung der radial verlaufenden der nutzbare Strahlrohrquerschnitt und die Güte der Stabilisierungselemente (30) mit der Winkelstel- Nachverbrennung möglichst optimal sind.

lung der die Nebenstromluft zuführenden Hutzen Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die

(16) übereinstimmt. 25 Kombination folgender, an sich bekannter Merkmale

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gelöst:

gekennzeichnet, daß die radial verlaufenden Sta- a) Die Flammenhalter des Nachbrenners verlaufen bilisierungselemente (30) in der Weise schwach teils radial, teils in Umfangsrichtung durch den geneigt sind, daß ihr radial innerer Teil gegen- gesamten Strömungsquerschnitt des Strahlrohres; über dem äußeren Teil in Strömungsrichtung ver- 30 b) die Flammenhalter sind aerodynamisch wirsetzt ist. kende, stromlinienförmige Stabilisierungs-

4. Triebwerk nach einem der vorhergehenden elemente, die zugleich zur Einspritzung von Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Nachbrennstoff dienen.

Umfangsrichtung verlaufenden Stabilisierungs- Bezüglich der vorstehend als bekannt vorausgesetz-

elemente (31) jeweils auf einem Kreis liegende 35 ten Merkmale wird auf die britische Patentschrift

Bogenstücke sind, die sich zwischen den benach- 756 185 und schweizerische Patentschrift 345 202,

barten radial verlaufenden Stabilisierungselemen- die auch schon Nachbrennertriebwerke mit aerodyna-

ten (30) erstrecken. ' mischer Flammenhalterung betreffen, sowie auf die

5. Triebwerk nach einem der vorhergehenden britische Patentschrift 919 303 und deutsche Patent-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in 40 schrift 843 043 verwiesen.

Umfangsrichtung und/oder die radial verlaufen- Dabei wird beim Erfindungsgegenstand nicht die

den Stabilisierungselemente (30,31) an oder nahe normalerweise erstrebte Güte der Mischung schon

an ihren Vorderkanten mit Düsen (46, 47) ver- vor dem Nachbrenner beabsichtigt. Die trotzdem

sehen sind, aus denen zusätzlich noch Nachbrenn- letzten Endes erzielte gute Durchmischung, die erst

stoff eingespritzt wird. 45 mit der Nachverbrennung Hand in Hand geht, wird

6. Triebwerk nach einem der vorhergehenden gerade durch den Einsatz der aerodynamischen Sta-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bilisierungselemente erreicht.

stromlinienförmigen Stabilisierungselemente (30, Der durch die erfindungsgemäße Bauweise erzielte

31) ein Dicken-Sehnen-Verhältnis von etwa 35 % technische Fortschritt ist ohne weiteres ersichtlich,

aufweisen. 50 Denn die bei guter Wirkung des Nachbrenners, d. h.

bei gutem Ausbrenngrad erreichte Verringerung der Baulänge bedeutet nicht nur eine Verringerung des Fluggewichtes, sondern auch eine Erhöhung der Bodenfreiheit, die vor allem dann vorteilhaft ist, 55 wenn z. B. das Triebwerk in einer senkrechten Ebene

Die Erfindung betrifft ein Nebenstrom-Gasturbi- schwenkbar angeordnet ist.

nenstrahltriebwerk mit einem Nachbrenner im Strahl- Besonders vorteilhaft ist es, wenn in Ausgestaltung rohr und einem die Teilströme mischenden, unmittel- der Erfindung die in Umfangsrichtung eingenommene bar stromab von der Turbinenanlage angeordneten, Winkelstellung der radial verlaufenden Stabilisiemehrere in Umfangsrichtung verteilte Hutzen aufwei- 60 rungselemente mit der Winkelstellung der die Nebensenden Mischer, an den sich stromab unmittelbar der stromluft zuführenden Hutzen übereinstmmt.
Nachbrenner anschließt. Diese radial verlaufenden Stabilisierungselemente Bei bekannten Triebwerken muß entweder zur Er- können ferner zweckmäßig in der Weise schwach zielung einer guten Durchmischung und Verbrennung geneigt sein, daß ihr radial innerer Teil gegenüber eine relativ große Baulänge des den Nachbrenner 65 dem äußeren Teil in Strömungsrichtung versetzt ist. aufnehmenden Strahlrohres hingenommen werden Was die in Umfangsrichtung verlaufenden Stabili-(USA.-Patentschrift 2 978 865), oder der Nachbren- sierungselemente anbelangt, so bilden sie zweckmäßig ner ist zwar unmittelbar stromab vom Mischer ange- jeweils auf einem Kreis liegende Bogenstücke, die