DE1915533A1 - Mischer-Anordnung - Google Patents
Mischer-AnordnungInfo
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Description
MISCHER-ANORDNUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen in Mischer-Anordnungen
für Gasströme und insbesondere die Anwendung solcher Mischer-Anordnungen in Turbinen-Kompressor-Triebwerken.
Turbinen-Kompressor-Triebwerke sind im allgemeinen gekennzeichnet durch ein Basis-Triebwerk, das einen heißen Gasstrom erzeugt.
Das Basis-Triebwerk treibt ein Flügelrad an,, das einen Luftstrom
in einem allgemein konzentrisch zu dem Basis-Triebwerk angeordneten
Kanal komprimiert. Vorteilhafterweise können diese beiden Ströme gemischt und dann durch eine Düse ausgestoßen werden, um
eine Antriebskraft zu liefern.
Das Verhältnis der Luftmenge, welche durch den Kompressorkanal fließt, zu der durch das Basis-Triebwerk fließenden Luftmenge
wird als das Verdünnungsverhältnis oder Bypass-Verhältnis bezeichnet. Neuere Entwicklungen haben gezeigt„ daß bei einem gegebenen
Triebwerksprewieht bei Turbinen-Kompressor-Triebwerken 3 die
ein relativ hohes Verdünnune-s verhältnis, beispielsweise 5/1 oder
höher, haben,, erhöhte Antriebskraft und verringerter Brennstoffverbrauch
erzielt werden können.
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Um solche hohen VerdünnungsVerhältnisse zu erreichen, ist der
Durchmesser der Schaufeln des Flügelrades sehr groß geworden und die Geschwindigkeiten der Schaufelenden sind sehr hoch
geworden und in der Tat haben sie Überschallgeschwindigkeit erreicht. Solche großen Durchmesser und hohen Geschwindigkeiten
haben dazu geführt, daß das Plüp-elrad die vorherrschende Quelle
für unerwünschtes Geräusch beim Antrieb eines Luftfahrzeuges geworden ist. Dies steht im Gegensatz zu früheren Turbostrahl-Triebwerken
und Turbinenluftstrahlmotoren mit niedrigem Verdünnungsverhältnis, wo die vorherrschende Geräuschquelle sich
aus dem Ausstoß des heißen Gasstromes aus seiner Antriebsdüse ergab.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wirksame Mischer-Anordnung mit geringem Gewicht, insbesondere
für die Mischung des heißen Gasstromes und des Kompressorluft- stromes
eines Turbinen-Luftstrahlmotors zum Ausstoß durch eine gemeinsame Düse zu liefern und in weiterem Sinne diese Aufgaben
bei der Mischung zweier beliebiger Gasstroöme zu erfüllen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache
und zuverlässige Vorrichtung zur wirksamen Variierung der Ausstoßfläche des heißen Gasstromes aus dem Mischer vorzusehen,
um eine Reduzierung der Geschwindigkeit des Flügelrades und ein verringertes Triebwerksgeräusch zu ergeben.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Mischer-Anordnung
erreicht, vorzugsweise als Bestandteil in einem Turbinen-Luftstrahltriebwerk, welche einen Ringkanal aufweist, durch den
der komprimierte Luftstrom in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Basis-Triebwerk strömt. Die Mischer-Anordnung umfaßt eine
Vielzahl von Keulen, welche sich von dem heißen Gasstrom in den Luftstrom des Flügelrades erstrecken. Die Keulen haben Seitenwände,
die im allgemeinen radial zur Achse des Flügelrad-Ringkanals ausgebildet sind und abwechselnde Schächte bilden, durch
die der heiße Gasstrom und der Flügelradstrom durchgehen. Diese
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Seitenwände haben einen sich progressiv verringernden eingeschlossenen
Winkel vom Eingang zum Ausgang der Schächte für den heißen Gasstrom. Die Außenwände der Keulen sind glattgewölbt
in Richtung der Außenwand des Kanals. Die stromaufwärtsliegenden, in den Kanal hineinragenden Teile der Keulen sind
geglättet. Die Kanalwände bilden gleichzeitig die Durchgangswege für den Strom des Kompressors, als auch für den heißen
Gasstrom mit einem Mindestmaß von Strukturelementen.
Um eine Variation in den Austrittsflächen für die Durchlässe für den heißen Gasstrom zu erhalten, bilden Klappenventile
jeweils die strömungsabwärts gelegenen Teile jeder radialen Keulenwand. Vorzugsweise sind diese Klappenventile an Bolzen
befestigt, die sich radial nach innen erstrecken. An den inneren Enden der Bolzen angebrachte Hebel sind mit einem gemeinsamen
Ring verbunden, welcher seinerseits durch einen Versteller in Schwingungen versetzt werden kann , um so die Klappenventile
zu schwenken und die gewünschten Variationen in dem Auslaßquerschnitt des Durchlasses für den heißen Gasstrom zu erhalten.
Turbinenluftstrahltriebwerke verwenden gewöhnlich eine Flügelradturbine,
welche durch den heißen Gasstrom angetrieben wird. Die Gesamtlänge und das Gewicht des Triebwerkes werden auf ein
Minimum gebracht, indem der Mischer verwendet wird, um die LagerbelastunKen von dem rückwärtigen Lager der Flügelradturbine
auf die Hauptträgeranordnungen des Triebwerkes zu übertragen.
In ihrem weitesten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung einen Mischer für zwei Gasströme, wie er in einem Turbinenluftstrahltriebwerk
verwendet wird, das sin Basis-Triebwerk zur Erzeugung
eines ersten heißen Gasstromes, eine Flügelradturbine angetrieben durch den ersten heißen Gasstrom, einen Flügelradrotor
angetrieben durch die Flügelradturbine zur Komprimierung eines zweiten Gasstromes besitzt, wobei dieses Basis-Triebwerk und
dieser Flüselradrotor in einer Gondel angeordnet sind, einen in*
neren*Kanal in dem Basis-Triebwerk, durch welchen der erste
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aufweist heiße Gasstrom geht und einen äußeren ringförmigen Kanal'f gebildet
durch die Kombination einer verlängerten Haube und der Gondel, wobei der zweite Gasstrom durch den Ringkanal geht, und der
Mischer gekennzeichnet ist durch eine "Vielzahl von Keulen die sich von diesem inneren Kanal in diesen ringförmigen Kanal
22 erstrecken, wobei die äußeren Wände 40 der Keulen einen Winkel in Richtung der Gasströmung durch die Kanäle bilden, einen gemeinsamen
Sammelraum 32, strömunpsabwärts von den Keulen, wobei die
Keulen abwechselnde Schächte 3^, 36 definieren, durch welche
die beiden Gasströme zum Austritt in den gemeinsamen Sammelraum 32 hindurchgehen und die Keulenseitenwände 42, 44 enthalten,
welche im allgemeinen radial zur Achse dieses Ringkanals 22 gebildet sind, mit einem sich verringernden eingeschlossenen Winkel
von den Einlaßöffnungen zu den Auslaßöffnungen der Schächte 34 für den heißen Gasstrom.
Fig. 1 ist eine Ansicht in einem teilweise veßinfachten Längsschnitt
eines Turbinenluftstrahltriebwerkes in einem stark vergrößerten Maßstab, das die vorliegende Erfindung
mit beinhaltet.
Fig. 2 ist ein Längsschnitt in einem vergrößerten Maßstab des Teils des Triebwerkes mit dem Diteenende.
Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linien III-III, III-III A3
III-III B und III-III C der Fitr. 2.
Fig. 4 ist eine Ansicht längs der Linie IV-IV in Fig. 2.
FiK. 5 ist ein Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 2.
Fig. 6 ist ein Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 2.
Fig. 7 ist ein Schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 2.
Fig. 8 ist eine Abwicklung mit ausgelassenen Teilen längs der
Linie VIII-VIII in Fip. 3.
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Pig. 9 ist eine Kurvendarstellung der relativen Geräuschpegel,
welche von dem Flügelrad in dem Antriebssystem des -Triebwerkes erzeugt werden.
Fig.IO ist eine Kurve der Arbeitscharakteristik des Gasturbinenflügelrades
und ihrer Beziehung zum Geräusch.
Das Turbinenluftstrahltriebwerk der Fig. 1 umfaßt ein Basis-Triebwerk
12, das einen heißen Gasstrom zum Antrieb einer Flügelradturbine l4 erzeugt. Die Turbine 14 ist verbunden mit
und treibt an den Rotor 15 einer am Einlaßende des Triebwerks angeordneten Turbine 16. Das Basis-Triebwerk 12 und die Turbine
14 sind eingeschlossen in einer Gondel oder einem inneren Gehäuse
18. Eine verlängerte Haube oder ein äußeres Gehäuse 20 definiert den bei 21 angedeuteten Triebwerkseinlaß und definiert** zusammen
mit der Gondel 18 einen ringförmigen Kanal 22, der konzentrisch zum Basis-Triebwerk 12 ist.
Beim Betrieb komprimiert die Turbine 16 einen Luftstrom, dessen äußerer Teil längs des Kanales 22 verläuft und dessen innerer
Teil in das Basis-Triebwerk 12 eintritt. In dem Basis-Triebwerk 12 wird der Luftstrom weiter komprimiert durch einen Kompressor
24 für das Basis-Triebwerk, um einen stark komprimierten Luftstrom
zur Aufrechterhaltung der Verbrennung in einer Brennkammer 26 zu erhalten. Der auf diese Weise erzeugte heiße Gasstrom
treibt eine Hochdruckturbine 28 des Basis-Triebwerkes 12 an, welche mit dem Rotor des Kompressors 24 verbunden ist. Der heiße
Gasstrom geht dann durch einen nach außen gekrümmten Ringkanal 61 zu der Turbine 14. Der Flügelradluftstrom und der heiße
Gasstrom strömen dann durch einen Mischer 30 und werden an der Düse 32 ausgestoßen, um einen Schub zum Antrieb eines Luftfahrzeuges
zu liefern.
Es folgt zunächst eine detailliertere Beschreibung des Mischers 30 anhand der Figuren 2,3 und 8. Der Mischer 30 umfaßt eine
Vielzahl von Keulen 33, welche in den Kanal 22 für den Flügelradstrom hineinragen. Die Keulen 33 bilden abwechselnde Schächte
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34, 36j durch welche der heiße Gasstrom bzw. der Flügelradstrom
hindurchgehen, um strömungsabwärts von den Keulen 33 vermischt
zu werden. Der Strömungsweg des heißen Gasstroms durch die Schächte 34 wird gebildet durch eine innere Wand 38, eine äußere
Wand 4o und die Seitenwände 42, 44 der Keulen 33. Die stromaufwärtsliegenden Enden benachbarter Wände 42,44 sind miteinander
-verbunden, um den heißen Gasstrom von der Turbine 14 beim
Eintritt in die Schächte 34 aufzuteilen, Die Schächte 36 für ■
den Flügelradstrom werden definiert durch die äußere Haube 20, die sich zwischen den Keulen 33 fortsetzende Gondel 18, und durch
die Außenwand 40 und die Seitenwände 42, 44 dieser Keulen 33. Die Außenwände 40 der Keulen 33 sind in einem Abstand von der
inneren Oberfläche der Haube 20 angebracht, so daß eine kontinuierliche Strömung relativ kühler Luft längs der Inneren Oberfläche
der Haube 20 vorhanden ist, um heiße Streifen auf der inneren Oberfläche der Haube 20 in der Mischzone stromabwärts
von der Ausstoßebene des Mischers 30 zu vermeiden.
Um ein Minimum von Verlusten zu erhalten, während der Flügelradstrom
und der heiße Gasstrom durch den Mischer 30 hindurchgehen und in einer relativ kurzen axialen Länge wirksam vermischt werden,
sind die Auslaßöffnungen der Schächte 34 für das heiße Gas
so gestaltet, daß die Massenströmungsgeschwindigkeiten an jedem radialen Punkt in der Ausstoßebene des heißen Gasstroms und
des kalten Gasstromsmwesentlichen gleich sind. Vorzugsweise
wird dies dadurch erreicht, daß die Wände 42,44 radial zur Achse des Kanals 22 ausgebildet werden, wobei der eingeschlossene
Winkel zwischen diesen Wänden sich nach den Auslassen der Schächte hin verringert. Die Schnittzeichnungen in Fig. 3
illustrieren, wie der Querschnitt des heißen Gasstroms progressiv in einen Kreisringausschnitt transformiert wird, in dem ein
größerer Massenfluß in den äußeren Teilen der Schächte vorhanden ist als in den inneren Teilen.
Ein weiterer Faktor bei der Reduzierung von Verlusten der durch
den Mischer 30 fließenden Gasströme auf ein Mindestmaß ist in der
Tatsache enthalten, daß die Schächte 34 für den heißen Gasstrom
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einen Düseneffekt liefern, d.h. sie haben an ihren Eintrittsöffnungen einen größeren Querschnitt als an ihren Austrittsöffnungen
und beschleunigen daher den in die Austrittsebene durchfließenden Strom. Die Figuren 2 und-4 bis 7 in Kombination
mit den Schnitten der Fig. 3 illustrieren den oben, beschriebenen Düseneffekt, welcher eine Beschleunigung des heißen Gasstroms durch die Schächte 32J liefert, um dadurch die Verluste bei dem Durchtritt des heißen Gasstroms durch den Mischer 30 auf ein
Mindestmaß zu reduzieren.
mit den Schnitten der Fig. 3 illustrieren den oben, beschriebenen Düseneffekt, welcher eine Beschleunigung des heißen Gasstroms durch die Schächte 32J liefert, um dadurch die Verluste bei dem Durchtritt des heißen Gasstroms durch den Mischer 30 auf ein
Mindestmaß zu reduzieren.
Durch den vorliegenden Mischer sind ähnliche Eigenschaften in den Schächten 36 für den Flügelradstrom vorhanden. Die keulenförmig
gestalteten Wände können sowohl die Schächte für den Heißgasstrom als auch für den Flügelradstrom durch eine Konstruktion
mit dünner Wandstärke definieren, welche im wesentlichen gleichförmige Wandstärke aufweist. Der Durchmesser der Gondel 18 verringert
sich bei ihrem Durchtritt zwischen den Keulen 33. Diese Abmessung ist so eingerichtet, daß eine Verringerung in der
Querschnittsfläche der Schächte 36 für den Flügelradstrom von ihren Einlaßöffnungen zu ihren AuslaßÖffnunrcen vorhanden ist. Gleichzeitig werden die beiden Gasströme zu einer Mischerzone oder einem Sammelraum geführt, welche eine ausreichende Querschnittsfläche hat.
Querschnittsfläche der Schächte 36 für den Flügelradstrom von ihren Einlaßöffnungen zu ihren AuslaßÖffnunrcen vorhanden ist. Gleichzeitig werden die beiden Gasströme zu einer Mischerzone oder einem Sammelraum geführt, welche eine ausreichende Querschnittsfläche hat.
Weiterhin haben die Gasströme eine sehr beträchtliche lineare Länge bei ihrem Eintritt in die Mischzone. Die angeführte lineare
Länge wird dargestellt durch die Auslaß-Umrißlinien der Schächte 31I und 36, wo sich die beiden Gasströrae vereinigen. Diese'Eigenschaft
trägt zu einer wirksamen Vermischung bei und verringert das durch diesen Vorgang erzeugte Geräusch.
Weiterhin trägt zu einer Reduzierung der Verluste auf ein Mindestmaß
die Tatsache bei, daß die äußeren Verkleidungen 40 der
Keulen 33 aerodynamisch gestaltet sind, wo sie unter einem Winkel in den heißen Gasstrom hineinragen und nur ihre äußersten Endteile, welche.im wesentlichen parallel zu dem Strömungsweg des Flügelradstroms sind, haben relativ scharfe Ecken bei ihrer Vereinigung mit
Keulen 33 aerodynamisch gestaltet sind, wo sie unter einem Winkel in den heißen Gasstrom hineinragen und nur ihre äußersten Endteile, welche.im wesentlichen parallel zu dem Strömungsweg des Flügelradstroms sind, haben relativ scharfe Ecken bei ihrer Vereinigung mit
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den Seitenwänden 42, 44. Da die äußeren keulenförmig gestalteten Wände 40 auf einer maximalen Breite gehalten werden, um einen
maximalen Massenfluß des heißen' Gasstroms an den äußeren Teilen desselben in der Auslaßebene zu ergeben-und wegen des sich verringernden
eingeschlossenen Winkels zwischen den Seitenwänden 42, 44 erhält man als Ergebnis, eine tropfenförmige Ausgestaltung
entsprechend den Figuren 4 bis 7, welche noch extremer ist infolge der Verringerung des Durchmessers der Gondel 18. Diese
Ausgestaltung führt den Flügelradstrom wirksam auf einen verringerten Durchmesser, was zur Überführung des Flügelradstroms
auf den notwendigen Durchmesser für die Ausstoßdüse 32 erforderlich ist.
Ein weiterer Faktor, der zu einer Reduzierung von Verlusten in '
dem Mischer 30 auf ein Mindestmaß beiträgt, wird gefunden in der Ausgestaltung des Kanals 22 für den Flügelradstrom. Zu einer
wirkungsvollen Betriebsweise des Flügelrades wird etwa bei 45
eine Düsenverengung in diesem Flügelradkanal 22 gebildet, so daß während des Hauptteils des Fortschreitens der Strömung längs
des Kanals 22 eine relativ hohe Geschwindigkeit aufrecht erhalten werden kann.Unmittelbar strömunp-saufwärts von dem Mischer 30 wird
die Querschnittsfläche des Kanals 22 in' einem Diffusorabschnitt 47 vergrößert, um die Geschwindigkeit des Flügelradstroms bei
seinem ersten Eintritt in den Mischer 30 zu verringern. Indem man eine geringere. Geschwindigkeit hat,-wenn eine erste Änderung
in dem Strömunersweg des Flüfrelradstroms durch den Mischer 30
stattfindet und dann den Flügelradstrom bei seinem Durchfluß · durch den Mischer beschleunigt, wird ein optimaler Zustand zur
Reduzierung der Strömunp-sverluste auf ein Minimum erreicht.
Ein weiterer im Zusammenhang mit dem Mischer 30 zu beachtender Faktor besteht darin, daß die relativen Änderungen in den Querschnitten der Schächte 34 für den heißen Gasstrom und der Schächte
36 für den Flügelradstrom ebenfalls angenähert gleiche Machzahlen
für die beiden Ströme bei ihrem Ausstoß in die Austrittsebene liefern. Dies ergibt eine wirksame Mischwirkung in einem
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Minimum axialer Länge und wiederum mit einem Minimum von Verlusten.
Die oben beschriebenen Eigenschaften reduzieren die Verluste in dem Mischer und ermöglichen die bessere Erreichung.des potentiellen
Wirkungsgrades des Arbeitszyklus eines Turbinenluftstrahl-Triebwerkes
mit gemischter Strömung und sind von besonderem Nutzen, wenn man sie für die Reduzierung des Geräusches
in der nachstehend beschriebenen Weise verwendet.
Aus Fig. 2 wird man entnehmen, daß der Rotor der Flügelradturbine l4 zusammengesetzt ausgebildet ist, und einen rückwärtigen
Achsenteil 91 einschließt, der durch ein Lager 93 gelagert wird. Das Lager 93 wird getragen durch ein Traggerüstteil 95, das mit
der inneren Oberfläche des Mischers 30 verbunden ist. "ber Mischer
30 umfaßt einen ringförmigen Bauteil 97a der an dem äußeren Gehäuse
99 der Flügelradturbine 14 befestigt ist. Das äußere Gehäuse
99 seinerseits ist befestigt an einem Traggerüstbauteil 101, welches auch den Ringkanal 6l bildet. Der Mischer 30 wirkt
daher zur Übertragung von Lagerbelastungen von dem Lager 93 über das Traggerüstbauteil 95 nach oben primär durch die Vereinigungsstelle der aneinandergrenzenden Wände 42, 43 und des Ringes 973
in das' Turbinengehäuse 99 und dann auf das Traggerüstbauteil 101.
Die beschriebene Mischerstruktur beseitigt daher die Notwendigkeit für ein separates Traggerüstelement zur Übertragung der
Lagerbelastungen des hinteren Turbinenlagers auf die Hauptbauteile des Triebwerkes.
Die Mittel zur Reduzierung des durch die Turbine l6 erzeugten Triebwerkgeräusches schließen Mittel zur Reduzierung der Ausstoßquerschnittsfläche
der Schächte 34 für den heißen Gasstrom ein.
Vorzugsweise bildet ein Klappenventil 48 den strömungsabwärts gelegenen Teil jeder Schaehtwand 44 (Fig. 2.3 und 5). Die Klappenventile
48 sind an Bolzen 50 befestigt. welche sich innerhalb
der Schachtwände 38 in einen Hohlraum hinein erstrecken, der weiterhin gebildet wird durch das geschlossene Ende der Gondel
18. An dem inneren Ende ,Jedes Bolzens 50 sind Hebel 52 befestigt
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und mit einem gemeinsamen Ring 54 verbunden. Eine Verstellvorrichtung
56 kann über einen Winkelhebel 59 mit dem gemeinsamen Ring 54 verbunden werden und kann selektiv verstellt werden,
um gleichzeitig die Klappenventile 48 aus ihren offenen, in den Figuren 3,5 und 6 mit ausgezogenen Linien wiedergegebenen
Stellungen in ihre geschlossenen, gestrichelt gezeichneten Stellungen zu schwenken, in denen die Ausstoßquerschnittsfläche
der Kanäle für den heißen Gasstrom wesentlich verringert wird. Die Verstellvorrichtung 56 kann durch Preßluft über die Leitungen
57 pneumatisch angetrieben werden.
Wenn dies eintritt, wird der Druckabfall über der Flügelradturbine
l4 verringert und es findet eine merkliche Verringerung der Drehgeschwindigkeit des Flügelradrotors statt. Das Ergebnis
ist, daß man eine Reduzierung in dem Energiegehalt des Flügelradstroms erhält. Infolgedessen liefert der Heißgasstrom einen
größeren Anteil d.er Energie an den'gemischten Gasstrom, welcher
durch die Düse 32 ausgestoßen wird.
Unter den meisten Betriebsbedingungen wird es erwünscht sein, den Energiegehalt des Heißgasstroms zu erhöhen, wenn der Flügelradstrom
reduziert wird, um den gewünschten Antriebsschub aufrecht zu erhalten. Dies kann durch Erhöhung des Brennstoffzuflusses
zu dem Kompressor des Basistriebwerkes erreicht werden.
In jedem Falle neigen die Verringerung der Ausstoßquerschnittsfläche
der Schächte 34 für den heißen Gasstrom und Erhöhungen in
dem Brennstoffzufluß zu der Verbrennungskammer 26 dazu, den
Gegendruck auf den Kompressor 24 des Basistriebwerkes zu erhöhen.
Um eine aerodynamische überlastung und einen Stillstand des Kompressors 24 für das Basistriebwerk zu verhindern, sind an eineip
Punkt zwischen der {Turbine 28 des Basistriebwerkes und der
Flügelradturbine 14 Mittel vorgesehen zur Abzweigung eines Teils des Heißgasstroms in den Flügelradkanal. Zu diesem Zwecke erstrecken
sich eine Vielzahl von Durchlässen 60 aus dem Kanal 6l
für den heißen Gasstrom in den Kanal 22 für das Flügelrad. Vorzugsweise erstrecken sich diese Durchlässe 60 in Längsrichtung
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und treten in den Kanal 22 unter einem kleinen Winkel ein und ihre Auslaßöffnungen sind auf die Schächte 36 für den Flügelradstrom
des Mischers 30 (Fig. 3) gerichtet.
Es können Tellerventile 62 vorgesehen werden, um die Strömung
durch die Durchlässe 60 selektiv zu steuern. Die Tellerventile 62 können pneumatisch betätigt werden und sind dargestellt mit
den Leitungsrohren 64, welche die entgegengesetzten Enden eines
Zylinders 6b mit einer geeigneten Vorrichtung zur Zuführung von Luft zu einer oder der anderen Seite eines Ventilkolbens 68 verbinden, um die Ventile 62 je nach VJunsch zu öffnen oder zu
schließen. Wenn die Ventile 62 während einer Betriebsweise zur Verringerung des Lärms geöffnet werden, erhält man neben der
Reduzierung der aerodynamischen Belastung des Kompressors 24 des
Basis-Triebwerks mehrere Vorteile. Bei geöffneten Ventilen 62 wird der Druckabfall über der Flügelradturbine l4 weiter verringert
und man erhält dadurch=weitere Verringerungen in der
Drehgeschwindigkeit des Rotors des Flügelrades und eine daraus folgende Verringerung in dem Geräusch des Flügelrades. Zusätzlich
wird die Einlaßtemperatur der Turbine verringert. Der in den Flügelradkanal 22 hinein abgezweigte Teil des heißen Gasstroms
verbleibt in dem Antriebssystem und mischt sich vor dem Eintritt in den Mischer 30 mit dem Flüe:elradstrom. Einer der bedeutungsvollen
Faktoren der oben beschriebenen Anwendung ist es, daß das Flügelradgeräusch wesentlich verringert wird ohne eine
Erhöhung in dem Gesamtgeräusch des Triebwerkes. Das besagt, daß
bei der Reduzierung des Flügelradgeräusches.das durch den Ausstoß
des gemischten Gasstroms aus der Düse 32 erzeugte Geräusch ein vorherrschender Faktor wird. Die Flg. 9 illustriert, daß die
Erhöhung des Geräusches der Düse 32 in einem relativ geringen
Maße statt findet j verglichen mit der Verminderung des Geräusches
des Flügelrades l6 und dadurch erhält man die gewünschte Verringerung
des Triebwerkgeräusches.
Fig. 10 illustriert weiterhin einige nicht ohne weiteres erkennbare
Vorteile in der Geräuschverrineerung, wie sie am besten auf
einer ''Kompressorkarte" dargestellt werden. Es ist eine all-
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gemein übliche Praxis, gewisse Betriebscharakteristiken von Kompressoren (ein Flügelrad ist ein Niederdruckkompressor) durch
eine Kurve in ihrer Beziehung zu dem korrigierten Luftdurchfluß durch den Kompressor und dem Druckanstieg über dem Kompressor
darzustellen. Fig. 10 ist eine repräsentative Kompressorkarte für einen Niederdruckkompressor oder ein Flügelrad des aligemeinen
in Fig. 1 gezeigten Typs. Beim normalen Betrieb werden der Druckanstieg und der korrigierte Luftdurchfluß für irgendeine
vorgegebene Rotorgeschwindigkeit auf einer Arbeitslinie gehalten, welche einen Sicherheitsfaktor liefert, so daß keine
aerodynamische Überlastung des Kompressors oder Flügelrades
mit daraus sich ergebenden Stillstandsbedingungen eintritt. Aus dieser Kompressorkarte ist zu ersehen, daß, wenn die Geschwindigkeit
des Flügelrades gesenkt wird, ein geringerer Druckanstieg und ein geringerer korrigierter Luftdurchfluß vorhanden
sind. Es wird in Betracht gezogen, daß die Geschwindigkeit des Flügelrades auf 60 % gesenkt werden kann. Dies liefert, wie man
sehen wird, eine bedeutungsvolle Verringerung im Geräuschpegel, dargestellt durch die Kurven des wahrgenommenen Geräuschpegels
(PNdB), die ebenfalls in Fig. 10 enthalten sind. Jedoch werden weitere Vorteile bei der Geräuschverringerung erreicht, dahingehend,
daß die Erhöhung in dem Verhältnis des Heißgasstroms zum Flügelradstrom durch den Mischer einen Ansaug- oder Pumpeffekt
liefert, der den Massenfluß durch das Flügelrad erhöht. Daher würde bei einer Reduzierung der Flüprelradgeschwindigkeit
auf 60 % der Arbeitspunkt bei einer Betriebsweise zur Geräuschverringerung
unterhalb der Arbeitslinie liegen und die Verbesserungen in der Geräuschverringerung sind daher größer, als wenn
man einfach die Geschwindigkeit des Flügelrades auf 60 % vermindert
und den Arbeitspunkt, d.h. den Druckanstieg und den korrigierten Luftdurchfluß weiter auf der Arbeitslinie hält.
Das beschriebene Rückstoßsystem hat auch nicht ohne weiteres erkennbare Vorteile bei der Betriebsweise mit umgekehrten Schub,
welche die Verwendung von einem oder mehreren gestaffelten Ablenkblechen 100 in der Haube 20 stromaufwärts von dem Mischer
30 beinhaltet. Beim normalen Betrieb sind diese Staffeln 100
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durch die Verkleidungen 102 verdeckt. Wenn umgekehrter Schub
gewünscht wird, werden ein Versteller oder eine Vielzahl von Verstellern
104 verstellt und durch geeignete Gestängeverbindungen
schwenken sie die Verkleidungen 102 in den Kanal für das Flügelrad (s. gestrichelte Stellung in Fig. 2). Die Verkleidungen 102,
welche vorzugsweise am inneren Umfang der Haube 20 vorgesehen werden, liefern eine Blockierung, welche dann den Flügelradluftstrom
durch die Kaskaden 100 ablenkt, um den gewünschten Gegenschub für das Triebwerk zu ergeben.
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Claims (7)
1) Alischer für zwei Gasströme, wie sie verwendet werden in einem Turbinenluftstrahltriebwerk mit einem Basis-Triebwerk zur
Erzeugung eines ersten, heißen Gasstroms mit einer von dem
ersten heißen Gasstrom angetriebenen Flügelradturbine, mit einem durch die Flügelradturbine angetriebenen Flügelradrotor
zur Komprimierung eines zweiten Gasstroms,· wobei das Basis-Triebwerk und der Flügelradrotor in einer Gondel als
Gehäuse enthalten sind } ein innerer Kanal in dem Basis-Triebwerk,
durch den der erste, heiße Gasstrom hindurchgeht und ein äußerer, durch die Kombination einer verlängerten Haube
und der Gondel gebildeter Ringkanal, wobei der zweite Gasstrom durch den Ringkanal fließt, dadurch gekennzeichnet
, daß der Mischer 30 eine Vielzahl von Keulen (33) aufweist, die aus dem inneren Kanal in den
Ringkanal (22) hineinragen, wobei die äußeren Wände (40) der Keulen (33) einen Winkel mit der Richtung des Gasflusses durch
die Kanäle bilden und ein gemeinsamer Sammelraum (32) strömungsabwärts
von den Keulen (33) angeordnet ist, wobei die Keulen (33) abwechselnde Schächte (34,36) bilden, durch welche
die beiden Gasströme zum Ausstoß in den gemeinsamen Sammelraum (32) hindurchgehen und die Keulen (33) Seitenwände (42,44)
besitzen, die im allgemeinen radial zur Achse des Ringkanals (22) ausgebildet sind und einen sich von den Einlaßöffnungen
zu den Auslaßöffnungen der Schächte (34) für den heißen Gasstrom verringernden eingeschlossenen Winkel aufweisen.
2) Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Keulen (33) innere Wände (38) aufweisen,
die sich zwischen ihren Seitenwänden (42,44) erstrekken und die innere Begrenzung der Schächte (34) für den ersten
Gasstrom definieren,und daß die innere Wand (18) des Ringkanals
(22) sich zwischen diesen Keulen (33) erstreckt und unter einem Winkel von dem strömunecsaufwärts gelegenen Enden
der äußeren Wände (40) der Keulen (33) zu den strömungsabwärts
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gelegenen inneren Enden der Wände (42,44) und der inneren
Schachtwände (38) verläuft.
3)Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet',,
daß die Keulen (33) innere Wände (38) aufweisen, die sich zwischen ihren Seitenwänden (42.44) erstrecken
und die inneren Begrenzungen des Flusses des heißen Gasstroms durch die Schächte (34) definieren, und daß die
äußeren Wände (40) der Keulen (33) in Richtung der Strömung durch die Flügelradschächte (36) aerodynamisch gestaltet sind
und in Längsrichtung eine glatt verlaufende Krümmung aufweisen, wobei die Schächte (34) für den Heißß-asstrom und
diese Schächte (36) für den Flürelradstrom an ihren Einlassen eine größere Ouerschnittsfläche haben als an ihren Auslässen,
wodurch die Strömungen bei ihrem Durchgang durch den Mischer beschleunigt werden.
4)Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet
. daß eine Seitenwand jeder Keule (33) durch ein Klappenventil (48), das um eine im allgemeinen
radial zu diesem Kanal angeordnete Achse drehbar und strömungsaufwärts
von den Auslaßöffnunren der Schächte (34,36) angeordnet ist j gebildet wird, und durch eine Verstellervorrichtung
(56) zur Drehung der ,leweiligen Klappenventile (48) auf die andere der Seitenwände der Keulen (33) zu, um dadurch die
Ausgangsquerschnittsfläche der Schächte (3*0 für den heißen
Gasstrom zu verringern.
5)Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet
, daß er noch einen inneren Hohlraum innerhalb der strömungsabwärts gelegenen Teile der Keulen (33)
aufweist,und daß die Vorrichtung (56) zur Drehung der Klappenventile
Bolzen (50) umfaßt, an denen die Klappenventile (48) befestigt sind, wobei diese Bolzen (50) sich in den inneren
Hohlraum hinein erstrecken, und daß der Mischer (30) an jedem Ende* der Bolzen (50) innerhalb dieses Hohlraums befestigte
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Hebel (52), einen Verbindungsring (54), mit dem die Hebel
(52) verbunden sind und eine Winkelhebelvorrichtung (57) zur Bewegung des Verbindungsringes (54) aufweist.
6) Mischer nach Anspruch 1, '.dadurch gekennzeichnet
/daß die $eitenwände (42,44) der Keulen
(33) an ihren strömungsaufwärts gelegenen Enden vereinigt
sind, um den heißen aus der Turbine (14) in die Schächte (34) austretenden Gasstrom aufzuteilen, daß er eine Haupttraggerüstvorrichtung
(99) zur Aufnahme der Lagerbelastungen und eine Lagervorrichtung (93) zur Lagerung des rückwärtigen
Endes dieses Turbinenrotors, eine Traggerüstvorrichtung (95), die mit der inneren Oberfläche (38) des Mischers (30) verbunden
und auf der gleichen Linie wie die strömungsaufwärts gelegenen
Enden der Keulenwände angeordnet ist, zur Halterung der Lagervorrichtung (93) und eine Vorrichtung zur Verbindung
der äußeren Teile der Keulenwände mit der Haupttraggerüststruktur besitzt, wodurch die Belastungen der rückwärtigen
Lagervorrichtung (93) für den Turbinenrotor auf diese Haupttraggerüststruktur (99) durch den Mischer (30) übertragen
werden.
7) Mischer nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet,
daß der Mischer (30) einen Ring (97) enthält, mit dem die äußeren str8mum>;s aufwärts gelegenen Enden
der Keulenwände verbunden sind.und eine Vorrichtung zur Verbindung
des Ringes (97) mit dem rückwärtigen Ende der Turbine und Mittel zur Verbindung des vorderen Endes der Turbine
mit der Haupt-Traggerüststruktur besitzt.
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