DE2320594C3 - Zweikreis-Strahltriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweikreis-Strahltriebwerk mit einem Kerntriebwerk und einem äußeren ringförmigen Luftstrom, wobei der Gasstrom des Kerntriebwerkes vom Luftstrom durch eine koaxiale Trennwand getrennt ist, die stromab der Turbine des Kerntriebwerkes bis zu ihrer Hinterkante zunehmend gewellt ist, wobei anschließend an diese Hinterkante eine Nachbrennkammer mit ringförmigen Flammenstabilisatoren angeordnet ist und wobei im äußeren Ringkanal und/oder im Gaskanal des Kerntriebwerkes vor der Hinterkante der Trennwand Strömungshindernisse, insbesondere Radialstreben, vorhanden sind.

Ein derartiges Strahltriebwerk ist aus der GB-PS 8 71 016 bekannt.

Die Mach-Zahl des Gasstromes am Ausgang der Turbine des Kerntriebwerkes liegt allgemein in der Größenordnung von 0,5. Es ist daher notwendig, die Geschwindigkeit des Gasstromes beträchtlich zu verringern, damit es möglich ist, die Flamme der Nachverbrennung zu stabilisieren. Die Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt in einem Diffusor, dessen Wandung eine koaxiale Trennwand zwischen dem Gasstrom des Kerntriebwerkes und dem äußeren Luftstrom bildet und der von Radialstreben durchquert wird, die dazu dienen, das Stromabseite Lager der Turbinenwelle abzustützen. Diese Radialstreben sind in begrenzter Anzahl vorhanden, und sie dienen weiterhin dazu, den Restdrall des aus der Turbine austretenden Gasstromes zu unterdrücken.

Bei Strahltriebwerken der hier betrachteten Art sind der Gasstrom und der äußere Luftstrom stromauf der Nachbrennkammer gleichzeitig vorhanden. Die beiden Ströme mischen sich nur an ihrer Grenze wirksam miteinander, und jeder Strom bewahrt teilweise seine Individualität. Die Mischung der beiden Ströme entwickelt sich von ihrer Vereinigungsstelle ab, d. h. stromab der Hinterkante der koaxialen Trennwand, wo die beiden Ströme im wesentlichen parallel strömen. Die Entwicklung ihrer Mischzone in Stromabwärtsrichtung ist eine Funktion der spezifischen örtlichen Geschwindigkeiten und Massen jedes Stromes. In den Strömungen stromauf der Vereinigungsstelle der Ströme können Störungen vorhanden sein, insbesondere Wirbelströme der oben genannten Radialstreben in dem Gasstrom und/oder materielle Hindernisse, die gegebenenfalls in dem ijußereri Luftstrom vorgesehen sind, wobei diese Störungen die örtlichen Strömungsbedingungen und damit die Form der Grenzzone ändern, in der sich die beiden Ströme mischen. Beispielsweise wird der Gasstrom in der Wirbelströmung einer ein Turbinenlager abstützenden Radialstrebe verzögert. Gemäß

ίο bekannten Gesetzen des Mischens von Straßen wird daher die Mischzone der beiden Ströme in diesem Bereich der Wirbelströmung eines Armes in Richtung gegen die Achse des Strahltriebwerkes abgelenkt Zwischen zwei Wirbelströmen ist eine Tendenz zum

i$ Ablenken der Mischzone in entgegengesetzter Richtung vorhanden.

Ebenso wird die Mischzone in den Wirbelstrombereichen von gegebenenfalls in dem äußeren Luftstrom angeordneten Hindernissen in Richtung von der Achse

M weg verschoben und zwischen diesen Bereichen in Richtung gegen die Achse abgelenkt.

Diese Verformungen oder Verschiebungen der Mischzone rufen Ungleichmäßigkeiten der Temperatur der von stromauf kommenden Strömung entlang des Umfanges von ringförmigen Flammenstabilisatoren der Nachbrennkammer hervor. Die Temperaturunterschiede können in gewissen Fällen 200° bis 300⁰C erreichen, und sie führen zu verschiedenen Nachteilen. Zunächst geht die Verbrennung unregelmäßig vor sich, und ihr Wirkungsgrad ist demgemäß verringert Weiterhin entwickelt sich die Verbrennung von heißen Stellen der Flammenstabilisatoren aus und von kalten Stellen aus unterschiedlich. Es ergeben sich daraus an dem Wärmeschutzmantel und an dem Nachbrennkanal heiße Wirbel, die zu einer Begrenzung des maximal verwirklichbaren Grades der Wiedererhitzung führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strahltriebwerk der einleitend genannten Art so auszuführen, daß nachteilige Einflüsse zufolge von Strömungshindernissen in den Triebwerkskanälen auf die Nachverbrennung vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Wellungen der Trennwand so ausgeführt sind, daß im Bereich stromab der Strömungshindernisse eine Vergrößerung des Slrömungsquerschnittes und im Bereich stromab zwischen den Strömungshindernissen eine Verkleinerung des Strömungsquerschnittes des Kanals erfolgt, in dem sich die Strömungshindernisse befinden.

so Durch die Erfindung wird erreicht, daß trotz des Vorhandenseins von Strömungshindernissen in den Triebwerkskanälen die Strömung im Bereich der Nachbrennvorrichtung gleichmäßige Temperatur hat, so daß unter anderem einwandfreie Verbrennung mit

gutem Wirkungsgrad erhalten und örtliche Überhitzungen vermieden sind.

Es ist zwar bekannt (siehe z. B. GB-PS 8 71 016), die koaxiale Trennwand bis zu ihrer Hinterkante zunehmend gewellt auszuführen, jedoch dient bei den bekannten Strahltriebwerken dieser Art die zunehmende Wellung dazu, das Mischen des Gasstromes des Kerntriebwerkes mit dem äußeren ringförmigen Luftstrom zu beschleunigen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachsteht hend anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnitiansicht nach Linie I —I von Fig. 2 und 3 eines Teiles eines Zweikreis-Strahltriebwerkes,

Fig.2 ist eine Querschnittansicht nach Linie II —Il der F ig. 1,

Fig.3 ist eine Querschnittansicht nach Linie IJI-III ii'erFig. l,und

Fig.4 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene abgewickelte Teilansicht der Radialstreben des Lagers der Turbine des Strahltriebwerks gemäß den Fi g. 1 bis 3, und sie veranschaulicht in schematischer Weise die Verteilung der Geschwindigkeiten des Gasstromes in dem Diffusor.

Die in F i g. 1 dargestellten Teile eines ZweikreU-Strahltriebwefkes für ein Luftfahrzeug umfassen den hinteren Teil einer Turbine 1 des Kerntriebwerkes und den äußeren Ringkanal 2, welche das Gehäuse 3 der Turbine 1 in dem äußeren Gehäuse 4 des Strahltriebwerkes umgibt, sowie einen Nachbrennkanal 5. Die nicht dargestellten Teile umfassen einen am Vorderende des Strahltriebwerkes angeordneten Lufteintrittskanal, einen von der Turbine 1 angetriebenen Verdichter und eine von dem äußeren Ringkanal 2 umgebene Verbrennungskammer sowie eine am Hinterende des Nachbrennkanals 5 angeordnete Schubdüse.

Der Verdichter speist die Verbrennungskammer und den äußeren Ringkanal 2 mit Druckluft Die Verbrennungskammer wird weiterhin mit Brennstoff gespeist, dessen Verbrennung in Luft heiße Gase erzeugt, die sich in der Turbine 1 Arbeit leisten und aus der Turbine in den Nachbrennkanal 5 austreten, wo sie wieder mit aus dem Kanal 2 kommender Luft vereinigt werden. Wenn das Strahltriebwerk ohne Nachverbrennung arbeitet, treten die Gase aus dem Kerntriebwerk und der äußere ringförmige Luftstrom aus der Schubdüse aus, indem si·.; einen Strahl bilden, der den zum Vortrieb dienenden Schub erzeugt.

Der Nachbrennkanal 5 enthält eine Nachbrennkammer, in welcher kreisförmige Reihen von Einspritzdüsen, die bei 6,7 und 8 schematisch dargestellt sind, sowie ringförmige Flammenstabilisatoren angeordnet sind, die bei 9,10 und 11 schematisch dargestellt und stromab der Einspritzdüsen angeordnet sind. Wenn der Schub vergrößert werden soll, wird mittels der Düsenreihen 6, 7 und 8 Brennstoff eingespritzt, der in dem Sauerstoff, welcher aus dem äußeren Luftstrom und in noch in dem aus der Turbine 1 austretenden Gasstrom enthaltenen Restluft stammt, verbrennt wobei Flammen gebildet werden, die sich an die ringförmigen Stabilisatoren 9,10, 11 anlegen.

Der Rotor la der Turbine 1 und der Rotor des Verdichters sind an einer gemeinsamen Welle angebracht, deren Hinterende 12 von einem Lager 13 abgestützt ist, welches in einem Gebilde 14 angeordnet ist, das seinerseits auf der Maschinenachse durch (nicht dargestellte) Mittel abgestützt ist, die mit einem hinteren Teil 3a des Turbinengehäuses 3 durch Radialstreben 15 verbunden sind, welche einen Ringkanal 16 radial durchqueren, in welchem der Strom 17 heißer Gase strömt, der aus der Turbine 1 austritt. Das Gebilde 14 ist in einem kegelstumpfförmigen Gehäuse 18 eingeschlossen, und der hintere Teil 3a des Turbinengehäuses 3 ist nach hinten durch eine koaxiale Trennwand 19 verlängert, die den äußeren Luftstrom 20 von dem Gasstrom 17 bis zu einem Bereich trennt, der stromab des kegelstumpfförmigen Gehäuses 18 und stromauf der Einspritzdüsenreihen 6, 7 und 8 liegt, wobei dieser Bereich als der Anfang des Nachbrennkanals 5 angesehen werden kann. Der hintere Teil 3a des Turbinengehäuses 3 und die Trennwand 19 bilden mit dem kegelstumpfförmigen Gehäuse 18 einen Diffusor 16a, der dazu dient, den Gasstrom 17 des Kerntriebwerkes zu verlangsamen.

Der Gasstrom 17 und der äußere Luftstrom 20 treten gleichachsig in den Nachbrennkanal 5 ein und mischen

to sich an ihrer Grenze derart, daß die Strömung in dem Kanal 5 einen inneren Strom 21 heißer Gase und einen äußeren ringförmigen Luftstrom 22, der viel kalter ist, umfaßt Zwischen diesen beiden Strömen 21 und 22 strömt entlang eines Pfeiles 23 ein Gemisch dieser beiden Ströme, dessen Durchsatzmenge zunehmend vergrößert wird in dem Ausmaß, in welchem das Gemisch sich von der Hinterkante 24 der Trennwand 19 entfernt Durch gestrichelte Linien 25 und 26 ist eine Zone 27 angedeutet die als Mischzone bezeichnet wird,

M und in der das Gemisch strömt

Fig.4 veranschaulicht schematisch die Verteilung der Geschwindigkeiten V am Umfang des Stromes 21 und an einer stromab der Radialstreben 15 liegenden Stelle. Es ist ersichtlich, daß die Geschwindigkeit Vsich periodisch entlang des Umfanges ändert und zwar zwischen einem minimalen Wert des Wirbelstromes jeder Radialstrebe 15 und einem maximalen Wert in der Mitte zwischen zwei benachbarten Wirbelströmen. Es ist somit zu verstehen, daß, falls nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, die Mischzone 27 diesen Änderungen tolgen würde, wodurch entlang des Umfanges der ringförmigen Flammenstabilisatoren eine Folge von heißen und kalten Stellen hervorgerufen würde. Daraus würden sich die bereits angegebenen

J5 Nachteile ergeben, wie eine unregelmäßige Verbrennung mit verringertem Wirkungsgrad, eine Verbrennung, die sich von heißen Stellen und von kalten Stellen aus unterschiedlich entwickelt und an der Wand des Nachbrennkanals 5 und an seinem Wärmeschutzmantel 28 (Fig. 1) heiße Wirbelströme hervorruft, wodurch es notwendig wird, den Grad der Wiedererhitzung zu begrenzen.

Die Trennwand 19 ist zur Vermeidung der genannten Nachteile keine Umdrehungswand, sondern eine zunehmend gewellte Wand, die sich stromauf an die kreisförmige Hinterkante des Gehäuseteiles 3a (F i g. 2) anlegt und deren Hinterkante 24 derart gewellt ist, wie es in F i g. 3 dargestellt ist.

Gemäß der Darstellung sind die Wellungen der Trennwand 19 so ausgeführt, daß sie in den Wirbelströmen der Radialstreben 15, d. h. im Bereich stromab der Radialstreben 15 einen relativ großen Radius entsprechend relativ großem Strömungsquerschnitt und zwischen diesen Wirbelströmen der Radialstreben 15,

d. h. im Bereich stromab zwischen den Strömungshindernissen bzw. den Radialstreben 15 verhältnismäßig kleinen Radius entsprechend einer Verkleinerung des Strömungsquerschnitts des Kanals haben. Hierdurch wird, wie aus F i g. 1 ersichtlich, erreicht, daß jeder ringförmige Flammenstabilisator an seinem gesamten Umfang in den heißen Strom 21 oder in den kalten Strom 22 oder in die Mischzone 27 eingetaucht ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Zweikreis-Strahltriebwerk mit einem Kerntriebwerk und einem äußeren ringförmigen Luftstrom, wobei der Gasstrom des Kerntriebwerkes vom Luftstrom durch eine koaxiale Trennwand getrennt ist die stromab der Turbine des Kerntriebwerkes bis zu ihrer Hinterkante zunehmend gewellt ist, wobei anschließend an diese Hinterkante eine Nachbrennkammer mit ringförmigen Flammenstabilisatoren angeordnet ist und wobei im äußeren Ringkanal und/oder im Gaskanal des Kerntriebwerk« vor der Hinterkante der Trennwand Strömungshindernisse, insbesondere Radialstrebea vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellungen der Trennwand so ausgeführt sind, daß im Bereich stromab der Strömungshindernisse eine Vergrößerung des Strömungsquerschnittes und im Bereich stromab zwischen den Strömungshindernissen eine Verkleinerung des Strömungsquerschnittes des Kanals erfolgt, in dem sich die Strömungshindernisse befinden.