DE2338673A1

DE2338673A1 - Schubsteigerungssystem mit stroemungsmischung

Info

Publication number: DE2338673A1
Application number: DE19732338673
Authority: DE
Inventors: Samuel Alan Belk; John William Vdoviak; Barry Weinstein
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-08-07
Filing date: 1973-07-31
Publication date: 1975-02-20
Also published as: GB1427990A; CA979230A; BE801305A; FR2232686A1; DE2338673C2; US3750402A; FR2232686B1

Description

Dr. rer. not. Horst Schüler ⁶ Frankfurt^*, ι, 30. Juli i973

~ ~ ~ _Λ ~ ~ - Niddastraße 52 WK/kl-rO

PATENTANWALT 2338673 Telefon (0611)237220

Postscheck-Konto: 282 420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 225/0389 . Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

2424-13D- 3334

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Schubsteigerungssystem mit Strömungsmischung

Die Erfindung betrifft ein System zur Schubsteigerung für ein Reaktionstriebwerk und insbesondere ein solches Schubsteigerungssystem mit Strömungsmischung für ein Turbogebläsetriebwerk.

Es ist bei Strahltriebwerken für die Verwendung in Luftfahrzeugen für den Flug bei Überschallgeschwindigkeiten üblich, eine zusätzliche Einrichtung zur Schubsteigerung (Nachbrenner) zu verwenden, welche auch manchmal als "Wiedererhitzung" ("reheat") bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass nach dem Durchgang des heissen Brennstoff-Luftgemisches durch den Hauptgasgeneratorzyklus noch ein gewisses zusätzliches Schubpotential verbleibt, da nicht der gesamte verfügbare Sauerstoff auf-

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gebraucht worden ist. Daher kann ein zusätzlicher Schub dadurch realisiert werden, dass noch weiterer Brennstoff zugeführt wird und Vorkehrungen getroffen werden, um das angereicherte Brennstoff-Luftgemisch in dem Endrohr des Triebwerkes zu zünden. Bei einem Triebwerk mit Bypass oder Turbogebläse bietet jedoch diese Schubsteigerung durch Strömungsmischung gewisse Probleme für den Triebwerkskonstrukteur. Beispielsweise erschwert die Anwesenheit von konzentrischen Doppelströmungen hoher Geschwindigkeit die Gewährleistung der ausreichenden Verbrennung für beide Ströme mit geringen Druckverlusten, der Schaffung einer ausreichenden Durchmischung und Verbrennungsstabilität, sowie einer optimalen Anpassung der Strömungen aneinander und bezüglich des Druckausgleichs. Obwohl andere Strömungsmischungsprinzipien auf das Mischen im Abgas von Bypass- oder Turbogebläsetriebwerken angewendet wurden, wie beispielsweise axial verlaufende längliche perforierte Kanaleinrichtungen zur Aufteilung der beiden Ströme, ist es bekannt, dass die Schubsteigerung bei einem Bypass-Triebwerk gesteigert werden kann durch die Verwendung des sogenannten "Gänseblumen"-Mischprinzips ("daisy-chute"). Ein Beispiel für einen Mischer nach diesem Mischprinzip ist dargestellt in dem US-Patent Nr. 2.426.833. Dort ist ein kreisförmiges Teil vorgesehen mit tiefgewellten Innenwänden, d.h. es besitzt einen etwa sternähnlichen Querschnitt, welches abwechselnde Fluidströme in einer ineinandergeschachtelten Beziehung ergibt, welche durch dieses Teil und aus ihm heraus strömen. Die Verwendung eines Mischers dieses Typs kann jedoch ernsthaft Probleme bezüglich einer Gewichtserhöhung und der Gasdruckverluste ergeben, wenn er in den Abgasstrom eingefügt wird. Diese Probleme können so schwerwiegend sein, dass sie die Anwendung des Mischers im Hinblick auf die Leistung und das Betriebsverhalten des Triebwerkes verbieten. Wenn daher bei einem solchen Strömungssystem für Schub— steigerung der aerodynamischen Konstruktion eines "Gänseblumen" Mischers in einem Strömungsschubsteigerungssystem oder Nachbrennersystem keine genügende Aufmerksamkeit geschenkt wird und beispielsweise nicht gewährleistet ist, dass die Länge und das Gewicht der Einrichtung auf einem Minimum gehalten

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wird, dann können sich dadurch übermässige unzulässige Druckverluste oder ein geringer Wirkungsgrad der Verbrennung ergeben. Dieses Konstruktionsproblem kann weiterhin in den Fällen kompliziert werden, wo es erwünscht ist, ein Schubsteigerungsoder Nachbrennersystem mit Strömungsmischung mit den folgenden zusätzlichen Anforderungen vorzusehen: Die Schubkraft muss kontinuierlich moduliert oder verändert werden von einem anfänglichen Zündvorgang des Nachbrennersystems mit geringem Temperaturanstieg zwecks Verhinderung einer Abdrosselung des Gebläses bis zu einer maximalen Erhitzung mit glattem Betriebsablauf, d.h. es dürfen dann keine plötzlichen Sprünge in der Schubkraft auftreten, welche in einem ernsthaften Falle zu einer Beschädigung des Triebwerkes oder des Luftfahrzeuges führen könne«-;- -

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Schubsteigerungssystem oder Nachbrennersystem für gemischte Ströme und zur Verwendung mit einem Turbogebläsetyp oder Bypasstyp eines Gasturbinentriebwerkes zu schaffen unter Verwendung eines "Gänseblumen-Schüttenmischers" mit einer verbesserten Anordnung für Heissgasstrombehinderung oder zum Halten der Flamme, um auf diese Weise optimale Diffusionsverhältnisse der Strömungen zur Steigerung des Wirkungsgrades des Systems zu gewährleisten, wobei dann noch der statische Druckabgleich oder die Anpassung des Bypasstromes und des Gasgeneratorstroms an dem Mischerausgang gesteuert wird, um eine grössere Stabilität der Verbrennung und geringere Druckverluste im Gesamtsystem zu erzielen.

Gemäss der Erfindung wird ein Schubsteigerungs- oder Nachbrennersystem für gemischte Ströme für ein Reaktionstriebwerk vorgesehen, welches eine Bypasskanaleinrichtung und eine Heissgasgeneratorkanaleinrichtung beabstandet im Innern dieser Bypasskanaleinrichtung besitzt und bei dem eine erste Vielzahl von Strömungskanälen in Strömungsmittelverbindung mit der Bypasskanaleinrichtung und eine zweite Vielzahl von Strömungskanälen in Strömungsmittelverbindung mit der Heissgasgenerator-

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kana!einrichtung stehen, wobei diese ersten und zweiten Kanäle stromabwärts gelegene, im Umkreis um die Triebwerksachse abwechselnd eingefügte Öffnungen besitzen, und weiterhin eine Vielzahl von radial verlaufenden Strömungsbehinderungsteilen vollständig im Innern der Strömungskanäle dieser zweiten Vielzahl stromaufwärts von deren Öffnungen angeordnet sind und ein umkreisförmig verlaufender Flammenhalter vorgesehen ist, welcher ein Strömungsbehinderungsteil in Strömungsmittelverbindung mit den inneren Enden dieser radial verlaufenden Teile darstellt und in dem Strömungsweg eines Teils des Heissgasgeneratorstroms angeordnet ist, wobei die Ebene der maximalen aerodynamischen Strömungsbehinderung dieser Teile koplanar mit der Ebene des statischen Druckausgleiches zwischen den Arbeitsmittelströmen des Bypass-und des Heissgasgenerators der ersten und zweiten Vielzahl von Strömungskanälen ist zur Förderung der durch Mischung der Ströme und der Verbrennungsstabilität in diesem Schubsteigerungssystem für gemischte Gasströme, wobei noch eine gestufte Brennstoffinjektionseinrichtung für den Heissgasgenerator-strom mindestens benachbart zu diesen Flammenhaltern vorgesehen ist, welche auch noch Injektionseinrichtungen für diese erste Vielzahl von Strömungskanälen stromaufwärts von den Auslassenden desselben und Zündeinrichtungen für dieselben enthalten können.

Figur 1 zeigt eine axiale Schnittansicht eines Bypass- oder Turbogebläsestrahltriebwerkes unter Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 ist eine perspektivische Teilansicht der Ausführungs- · form des Systems zur Schubsteigerung fUr gemischte Ströme und der gestuften Brennstoffinjektionseinrichtungen nach Fig. 1

Figur 3 zeigt eine Ansicht längs der Linie 3-3 der Fig. 1.

Die Figuren 4a, 4b und 4c sind vergrösserte Teilschnittansichten der Schubsteigerungseinrichtung mit gemischten

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Strömen in scheraatischer Form und zeigen auch vorbekannte Einrichtungen, welche zu Vergleichszwekken aufgenommen sind.

Die Figuren 5a und 5b sind teilweise schematische Ansichten

der benachbarten Bypass- und Heissgasgeneratorkanäle des verbesserten "Gänseblumenmischers" und zeigen insbesondere die Gestaltung der gemeinsamen Kanalwände dieses Mischers und die Anordnung der radialen Flammenhaltereinrxchtungen bezüglich der Ebene dieser Oberflächengestalt.

Die Figur 6 enthält eine Kurve zur Darstellung des Strömungsquerschnitts in den Kanälen der Ausführungsform eines "Gänseblumenmischers" nach Fig. 1 und zeigt weiterhin die Auswirkung der Anordnung des radialen Flammenhalters gemäss den Figuren 5a und 5b.

Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der gestuften Brennstoffinjektionseinrichtungen gemäss einer weiteren Ausfiihrungsform.

Die Figur 8 enthält eine Kurve zur Darstellung des gesamten Brennstoffstromes in Einheiten pro Zeiteinheit in dem Schubsteigerungs- oder Nachbrennersystem gemäss der Erfindung und zeigt verschiedene Kombinationen des sequenzmässig additiven Systems gemäss den Fig. 1,2 und 7.

Die Fig. 1 enthält eine Schnittansicht eines Gasgurbinentriebwerks mit Axialströmung eines Bypass- oder Turbogebläsetyps. Selbstverständlich kann die erfindungsgemässe Anordnung auch für andere Arten von Reaktions- oder Strahltriebwerken angewendet werden, bei denen ein Erfordernis für die Durchmischung von zwei Strömungen des Arbeitsmittels besteht. Das Triebwerk umfasst einen äusseren oder Bypasskanal 1 mit einem vorderen Einlassöffnungsbereich 2 und einem Auslass- oder Triebwerks-

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ausstossrohrbereich 3. Im Inneren des äusseren oder Bypasskanals dieses Strahltriebwerkes mit Axialströmung und unmittelbar hinter dem Einlassbereich ist ein vorderer oder Niederdruckverdichter 4 angeordnet. Es ist zu beachten, dass dieser vordere Verdichter sich über dem gesamten äusseren Kanaleinlassbereich erstreckt und daher den Druck und die Temperatur der gesamten in das Triebwerk eintretenden Luft anheben wird. Der vordere Verdichter ist auf einer Welle 5 befestigt, welche bei 6a, 6b und 6c durch Lager getragen wird. An dem rückwärtigen, d.h. stromabwärts gelegenen Ende des vorderen Verdichters ist ein innerer Gasgeneratorkanal 7 angeordnet, welcher in Kombination mit dem beabstandeten konzentrischen Kanal 1 einen Bypasströmungskanal 8 für die Luft des vorderen Verdichters oder Gebläses bildet. Ein Teil der verdichteten Luft vom vorderen Verdichter oder Gebläse tritt in den Einlassbereich 9 des Gasgeneratorkanals ein und wird dort durch den Gasgeneratorverdichter 10 weiter verdichtet. Die stark verdichtete Luft tritt dann in den Brennkammerbereich 11 ein und wird dort mit Brennstoff verbrannt, welcher durch geeignete Hauptbrennstoffinjektionseinrichtungen 12 injiziert wird. Das Heissgasgemisch durchströmt anschliessend die Leistungsturbine 13, welche ebenfalls an der Welle 5 befestigt ist. Durch die Leistungsturbine wird dem Heissgasstrom die Leistung zur Drehung der Verdichter entnommen. Diese Turbine kann drei Stufen oder Läufer gemäss der Darstellung enthalten; es können jedoch auch in Abhängigkeit von den Anforderungen an das Triebwerk mehr oder weniger als drei Läufer verwendet werden. Die Gase des Heissgasgenerators treten aus der Leistungsturbine aus, wobei sie um die Streben oder Rahmenteile 15 herum strömen, welche die Lager 6c halten. Diese Streben 15 sind ein Teil der rückwärtigen Rahmenstruktur der Turbine, welche sich über den Bypasskanal und auch über den Heissgasgeneratorstrom erstreckt, und die Streben besitzen daher einejaerodynamische Form. Andere Streben oder Rahmenteile 16 und 17 sind im Bereich der Lager 6b, 6a angeordnet und unterstützen die Halterung der drehenden Teile und des inneren Gasgeneratorkanals in bekannter Weise. Der Querschnitt des Auslasses oder Abgasauslasses 3 wird typischer-

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weise variabel gemacht durch eine geeignete Diiseneinrichtung, welche allgemein bei 18 angedeutet ist. Es kann ausserdem erwünscht sein, eine kreisringförmige oder stopfenförmige Auslassdüse mit einem inneren, birnenförmigen Teil vorzusehen, welcher bei 19 angedeutet ist. Der Stopfenteil kann auch durch eine lange Welle oder Verlängerung 20 gehaltert sein, welche an dem rückwärtigen Turbinenrahmen befestigt ist. Bei 21 ist allgemein ein Diffusorabschnitt angedeutet, injdem die Abgasgeschwindigkeit in beiden Luftströmen gleichzeitig vermindert wird, wobei sich ein Anstieg des statischen Drucks ergibt, und in dem auch das neuartige Schubsteigerungssystem für gemischte Ströme gemäss der Erfindung angeordnet ist.

Die Fig. 2 zeigt eine vergrösserte perspektivische Teilansicht des Schubsteigerungssystems für gemischte Ströme. Die grossen voll ausgezogenen Pfeile veranschaulichen dabei den Strömungsweg des Heissgasgeneratorstroms. Die grossen schraffierten Pfeile zeigen den Strömungsweg aus dem kalten Bypasskanal an. Aus der Fig. 3 und der Fig. 2 ist ersichtlich, dass die heissen und kalten Ströme umfangsmässig abwechselnd um die Achse des Strahltriebwerkes herum angeordnet sind. Die Heissgasgeneratorkanäle und die Kanäle für die kalte Bypasströmung werden dadurch gebildet, dass ein allgemein bei 22 angedeutetes kontinuierliches Wandteil gewellt ausgestaltet wird. Dieses besitzt eine gemeinsame Kanalwand 24 zwischen benachbarten heissen und kalten Strömen, welche durch allgemein lateral verlaufende Wandteile 25 am äusseren Umfang des Teils 22 und ähnliche Wandteile 26 am inneren Umfang.desselben miteinander verbunden sind. Diese Ausgestaltung ergibt Reihen von abwechselnden "kalten" und "heissen" Kanälen 27 oder 28, die in gewisser Weise ähnlich dem vorstehend beschriebenen sogenannten "Gänseblumen"-Mischer sind. Es ist daher ersichtlich, dass die Bypass luft in die Kanäle 27 durch einen stromaufwärts gelegenen Einlass 29 eintritt, welcher in Strömungsmittelverbindung mit dem Bypasskanal 8 ist. Andererseits tritt die Strömung des Heissgasgeneratorstroms in den Mischer 22 am offenen stromaufwärts gelegenen Bereich 32 ein, und der heisse und der kalte Strom treten am stromabwärts gelegenen Ende des Mischers an

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dessen Lippe oder Kante 35 aus. Die hier beschriebene Ausführungsform sieht auch einen äusseren Kreisring für einen Kühlluftstrom über die äussere Seitenwand 25 vor, welcher durch kleine schraffierte Pfeile angedeutet ist. Dieser Luftstrom dient zum Kühlen der seitwärts verlaufenden Wand, welche die Verbrennungsgase einschliesst, und des angrenzenden Abschnittes des Diffusorgehäuses. Im Inneren der seitwärts verlaufenden Wandteile 26 an der inneren Peripherie des Teils 22 ist ein ringförmiger Heissgasstrom vorgesehen, welcher durch die kleinen vollen Pfeile angedeutet ist. Diese Anordnung ist zweckmässig für eine anfängliche niedrige Schubverstärkung, welche noch nachstehend erläutert wird.

Um die erwünschte Nachzündung oder Schubverstärkung zu erhalten, müssen Einrichtungen vorgesehen sein, um zusätzlichen Brennstoff in das Arbeitsmittel stromabwärts von dem Hauptgasgenerator zu injizieren und denselben zu entzünden. Eine Ausführungsform der Erfindung enthält ein dreistufiges Brennstoffinjektionssystem. Das System enthält eine Vielzahl von radial verlaufenden Strömungsbehinderungseinrichtungen oder Flammenhaltern, welche allgemein bei 40 angedeutet und vollständig im- Innern der Kanäle 28 für den Heissgasgeneratorstrom angeordnet sind. Die radialen Flammenhalter 40 stehen in Strömungsmittelverbindung mit einer umkreisförmigen oder kreisringförmigen Flammenhaltereinrichtung, welche bei 42 angedeutet ist und in dem inneren ringförmigen Heissgasstrom (dieser ist durch kleine volle Pfeile dargestellt) für die Zwecke einer Kreuzzündung angeordnet ist. Die Flammenhalter oder Strömungsbehinderungseinrichtungen 40 und 42 umfassen typischerweise divergierende im wesentlichen ebene Wandteile 44 und 46, die an einem stromaufwärts gelegenen Scheitel 47 zusammenlaufen, um bei 48 eine Rezirkulationszone zu schaffen, welche im wesentlichen durch die divergierenden Wandteile eingeschlossen ist. Das gestufte Brennstoffinjektionssystem enthält auch eine erste Brennstoffinjektionseinrichtung 50 unmittelbar stromaufwärts vom Scheitel des Flammenhalters, welche sich radial nach innen erstreckt zu einer örtlichen Injektion von Brennstoff (d.h. unmittelbar stromaufwärts von

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diesem Scheitelteil) in Verbindung mit dem umkreisförmigen oder kreisringförmigen Flammenhalter 42. Eine zweite Brennstof finjektionseinrichtung 52 verläuft allgemein parallel zur ersten Brennstoffinjektionseinrichtung und auf der Innenseite (stromabwärts von dem Scheitel) der radialen Flammenhaltereinrichtung 40. Der durch diese zweite Brennstoffinjektionseinrichtung injizierte Brennstoff bestimmt daher das Brennstoff/ Luftverhältnis in der Rezirkulationszone 48 des radialen Flammenhalters. Die erste Brennstoffinjektionseinrichtung könnte auch anders angeordnet werden als in der dargestellten Lage, d.h. sie könnte beispielsweise unmittelbar vor den radialen Flammenhaltern angeordnet sein. Die Blockierung oder Hemmung des Heissgasgeneratorstroms ist dabei im wesentlichen unbeeinflusst. Diese Anordnung vereinfacht auch die Verbindung der ersten und zweiten Brennstoffinjektionseinrichtung mit kreisringförmigen Brennstoffverteilerräumen 53 und 54, welche um den Kanal oder das Gehäuse 1 herum in der Zone 20 angeordnet sind. Unmittelbar benachbart zu diesem vorgenannten Brennstoffvefteilerraum ist ein dritter Verteilerraum 55 angeordnet, welcher den Brennstoff zur dritten Brennstoffinjektionseinrichtung 56 des dreistufigen Brennstoffinjektionssystems liefert. Diese dritte Brennstoffinjektionseinrichtung ist im wesentlichen stromaufwärts von den radialen und ringförmigen Flammenhaltereinrichtungen angeordnet, d.h. sie befindet sich am Eingang des Mischerteils 22. Diese Anordnung gestattet eine gleichmässige Verteilung der Brennstoffinjektion in dem Heissgasgeneratorkanal für höhere Leistungsanforderungen an das Triebwerk; dieser Gesichtspunkt wird noch nachstehend näher erläutert. Schliesslich ist noch eine Zündeinrichtung in Form eines Zünders oder einer Zündkerze vorgesehen, welche mit gestrichelten Linien bei 60 dargestellt ist^ und dient zur Auslösung der Verbrennung des fluidischen Brennstoffes in der Schubverstärkungseinrichtung. In der Anordnung nach Fig. 1, bei der eine kreisringförmige mit Stopfen ausgestattete Düse verwendet wird, kann das Tragteil 20 für diesen Stopfen durch ein kreisringförmiges Teil 62 vor den Auswirkungen des Heissgasstromes abgeschirmt werden.

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Die Fig. 3 zeigt die relative Lage und die seitliche Anordnung derheissen und kalten Ströme. Es ist zu beachten, dass der Flammenhalter 42 zur Kreuzzündung der radialen Flammenhalter betrieben werden kann. Weiterhin ist die Breite des kalten Stroms im wesentlichen gleich der Breite der heissen Ströme und hierdurch wird eine bessere Durchmischung gefördert und damit das Betriebsverhalten bei höheren Bypassverhältnissen verbessert (d.h. das Verhältnis der Strömungsmasse der kalten Luft zur Strömungsmasse des Gasgemisches vom Gasgenerator des Turbogebläsetriebwerkes).

Einige Nachteile der erfindungsgemässen Anordnung gegenüber vorbekannten Einrichtungen bestehen in der Verbrennungsstabilität bei einem Turbogebläse-Nachbrennersystem, einer Verminderung des Gewichtes und der Kompliziertheit der Mischereinrichtung und einer grösseren Kontrolle über das Diffusionsverhältnis des Gasgeneratorstroms. Sie sind Verdeutlicht durch die schematischen Abbildungen und Kurven der Fig. 4 und 6. Wie bereits ausgeführt, besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Nachbrennersystems mit gemischten Strömen unter Verwendung eines verbesserten Mischers des "Gänseblumentyps·¹ mit kompakter Konstruktion zur Verminderung der Druckverluste gegenüber bekannten Konstruktionen, beispielsweise durch eine Anordnung, welche eine Verminderung der Länge des Mischers gestattet. Die Fig. 4a bis 4c zeigen die Bereiche der Verbesserung durch den Gegensatz zwischen der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung in Fig. 4a und bestimmten Anordnungen, welche eine oder mehrere bekannte Einrichtungen gemäss den Fig. 4b und 4c kombinieren. Insbesondere zeigen die Abbildungen die genaue Lage der radial verlaufenden Flammenhalter 40 bezüglich des Kanten-oder Lippenteils 35 des Mischerteils 22. Es ist bekannt, dass man Vorteile bei der Einfügung von flammenstabilisierenden Einrichtungen im Heissgas-

durch
strom allein/eine Mischereinrichtung mit Doppelströmung (Bypasstrom und Heissgasgeneratorstrom) erhält zur Erzielung eines geringen Druckverlustes, einer stabilen Verbrennung (besonders bei niedrigen Betriebsdrücken) und einer wirksamen

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Steuerung bei niedrigem Leistungsbedarf. Der Grund hierfür besteht darin, dass das Ausmass der Blockierung oder Hemmung des Stromes durch den Flammenhalter, welches für eine Stabilisierung benötigt wird, umgekehrt proportional zur Einlasstemperatur und direkt proportional dem Druckabfall ist, d.h. es können kleinere und leichtere Teile verwendet werden, wenn diese in den Hochtemperaturstrom eingefügt werden. Weiterhin können nach den vorstehenden Ausführungen Mischer vom "Gänseblumentyp" eine relativ hochwirksame Durchmischung über eine relativ kurze Länge leisten. Trotzdem besitzen jedoch die vorbekannten Einrichtungen dieser Art bestimmte Nachteile. Beispielsweise trennt die Anordnung nach Fig. 4b nicht die Strömungen aus dem Bypass und dem Gasgenerator bis zum Mischerauslass wie bei der erfindungsgemässen Anordnung nach der Fig.4a. Daher gestattet die bekannte Einrichtung eine vorzeitige Verdünnung der heissen und kalten Ströme vor der Injektion des Brennstoffes und diese beeinflusst die Verbrennungsstabilität nachteilig. Dieser Effekt wird bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung nicht zugelassen. Weiterhin ergibt die Anordnung nach Fig. 4a durch Einfügung der Flammenhaltereinrichtung im Innern des Mischers eine wirksamere Strömungsverteilung über die gesamte radiale Höhe des Mischers, welche mit den Konstruktionen nach Fig. 4b und 4c nicht möglich ist.

Der wichtigste Gesichtspunkt besteht jedoch darin, dass die erfindungsgeraässe Anordnung es gestattet, den statischen Druck des Gebläse- und Gasgeneratorstroms bei der maximalen aerodynamischen Breite der Flammenblockierungseinrichtung auszugleichen. Diese liegt geringfügig hinter der maximalen räumlichen Breite des Flammenhalters, d.h. unmittelbar stromabwärts vom Mischerauslass. Hierdurch wird eine bedeutend besser definierte Ebene dieser Anpassung erreicht als dies bisher möglich war. Die verbesserte Strömungsanpassung, d.h. der Ausgleich des statischen Druckes der beiden Ströme (hierbei bezieht sich der statische Druck auf den Druck im Innern der Ströme ausschliesslich des Druckes, welcher der Strömung durch die Geschwindigkeitskomponente ihrer Moleküle vermittelt wird),

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bringt den Rückdruck oder Staudruck, insbesondere auf den Gebläse- oder Bypasstrom auf ein Minimum. Dies steigert wiederum die Wirksamkeit der Durchmischung und die wirksame Steuerung oder Beherrschung der Betriebsgrenzen des Gebläses oder des vorderen Verdichters. Dies wird durch die erfindungsgemässe Anordnung dadurch ermöglicht, dass nach der Anordnung der Fig. 4a der Ausgleich zwischen den beiden Strömen vor dem Eintreten der Wärmezufügungsverluste in den Gasströmen infolge der Verbrennung erfolgt. Das heisst, es findet nur eine sehr geringe oder überhaupt keine wirksame Verbrennung in dem Heissgasstrom statt vor dem Erreichen der ^ustrittsebene des Mischers durch diesen Strom und im Bereich der maximalen aerodynamischen Strömungshemmung. Weiterhin ist zu beachten, dass die bekannte Anordnung nach Fig. 4b einen offensichtlichen Nachteil des vergrösserten Gewichtes und der Druckverluste infolge der Beabstandung des Mischers vom inneren Kanal zur Aufnahme der kreisringförmigen stromaufwärts gelegenen Mischstrecke besitzt. Von grösserer Wichtigkeit ist jedoch die Tatsache, dass die konventionelle Anordnung nach Fig. 4b Nachteile infolge der Anforderung besitzt, den statischen Druck an zwei Stellen auszugleichen, d.h. an dem kreisringförmigen Spalt und am Mischerauslass. Wie bereits zuvor aufgezeigt, werden sich bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten die Strömungsverhältnisse für den Bypasstrom und den Gasgeneratorstrqm ändern. Beispielsweise wird bei höheren Machzahlen des Fluges das Bypassverhältnis grosser sein als bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten. Die Anpassung an zwei Stellen würde daher eine Verschiebung der Strömungen am Mischereinlass erfordern, und es müssen grössere Verluste in Kauf genommen werden, da diese Strömungsverschiebung Trennverluste verursacht.

Andererseits zeigt die Anordnung nach Fig. 4c eine Einrichtung, durch welche ein statischer Druckausgleich des Bypassstroms und des Gasgeneratorstroms an oder unmittelbar stromabwärts des Mischerauslasses erfolgt. Dies ist Jedoch wie gezeigt ebenfalls unerwünscht, da im Idealfalle keine Verdünnung des Heissgasstroms am Flammenhalter oder Flammenhemmungsbereich vorhanden sein sollte, da sich hierdurch eine unwirk-

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same Verbrennung ergibt. Insbesondere werden die aus dem Mischer austretenden Gase eine Umlenkung in einem Strömungsfeld erleiden infolge der Richtung, welche von den Wänden des "Gänseblumenmischers'· gegeben wird, und infolge der Hemmungswirkung der Strömungsstabilisierungseinrichtung. Die Einstellung des erwünschten statischen Druckabgleichs für ein solches Strömungssystem ist schwierig, wenn nicht ganz unmöglich, insbesondere unter wechselnden Flugverhältnissen. Um daher ein gewisses Mass an Kontrolle zu erhalten, war es üblich, die Flammenhalter nach rückwärts zu verlegen (vgl. die mit vollausgezogenen Linien dargestellte Stellung in Fig. 4c). Dies erfordert jedoch eine grössere Länge des Diffusors und Mischers, da ein zusätzlicher Bereich für den Gasgeneratorstrom erforderlich ist, um den notwendigen statischen Druckausgleich zu erzielen; hierdurch ergibt sich jedoch ein grösserer Gesamtströmungsbereich oder Strömungsquerschnitt in der Ebene des statischen Druckausgleiches. Wenn man andererseits die Flammenstabilisierungseinrichtungen über eine beträchtliche Entfernung stromabwärts von dem Mischer versetzt, dann sind sie in einem Bereich angeordnet, in dem die Ströme im wesentlichen miteinander vermischt sind. An diesem Punkt ist jedoch keine oder nur eine geringe Kontrolle über die Nachverbrennungsstabilität möglich infolge der Tatsache, dass diese Vermischung gewöhnlich begleitet wird von einem gewissen Grad der Turbulenz, wenn man nicht den Mischkanal übermässig lang gestaltet. Sogar in diesem letzteren Falle, in dem möglicherweise die kalten und heissen Strömungen wieder einen laminaren Zustand in dem Strömungsbereich des Abgaskanals annehmen, ist es sehr schwierig, den Versuch zu unternehmen, die Stabilisierungseinrichtung im Innern bestimmter Schichten dieser Strömung anzuordnen, insbesondere dann, wenn das Triebwerk unter verschiedenen Flugbedingungen und mit wechselnden Bypassverhältnissen arbeiten muss. Daher ist bei der erfindungsgemässen Anordnung in vorteilhafter Weise der Bereich für die maximale aerodynamische Strömungshemmung nicht nur stromaufwärts von dem Mischbereich sondern auch in gleicher Ebene wie die Ebene des statischen Druckausgleiches angeordnet, wobei

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dieser letztere mit der hier offenbarten Gestaltung bezüglich seiner Lage ebenfalls äusserst gut beherrscht werden kann.

Die Fig. 5a, 5b und 6 verdeutlichen die einzigartige Formgestaltung des heissen und kalten Strömungskanals in dem verbesserten Mischer 22 des erfIndungsgemässen Schubverstärkungsoder Nachbrennersystems. Es ist zu beachten, dass ausgehend von einer "Konturenebene"(oder Schichtebene) die gemeinsamen Kanalwände 24 so um die Flammenhalter 40 herum in ihrem Verlauf gestaltet sind, dass man maximale Diffusionsgeschwindigkeiten, d.h. eine kürzere Diffusorlänge in dem Mischer erhält. Die radialen Flammenhalter sind stromabwärts von dieser Konturenebene und im Bereich der gemeinsamen Diffusion angeordnet, d.h. in dem Bereich des Strömungskanals, in dem die gemeinsame Wand 24 auseinanderläuft oder divergiert oder den Nennströmungsquerschnitt des Heissstromkanals 28 um den Flammenhalter herum vergrössert und dabei gleichzeitig konvergiert bzw. den Strömungsquerschnitt des Kanals 27 für die kalte oder Gebläseluft vermindert. Ein zusätzlicher Gewinn oder Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung besteht daher in einer Verminderung der Anforderung bezüglich der Aufweitung des Strömungsquerschnittes für den Gasgeneratorstrom, da der Gesamtquerschnitt oder Nennquerschnitt des Gasgeneratorstroms in der Umgebung der Flammenhalter schnell vergrössert wird. Diese Anordnung ergibt auch eine aerodynamische Beschleunigung des Gasgeneratorstroms und vermindert weiterhin das Gesamtdiffusionsverhältnis für den Mischer.

Es ist bekannt, dass die Beherrschung oder Steuerung der Geschwindigkeit des Gasstroms im Bereich des Flammenhalters oder stabilisierenden Teils zu einer verbesserten Verbrennungsstabilität führen kann. Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, bei denen der statische Druckabgleich zwischen dem Bypass t rom und dem Gasgeneratorstrom vor dem Flammenhalter auftritt, (obwohl der Flammenhalter selbst stromaufwärts von der Stelle liegen kann, an dem der Beginn der Durchmischung des heissen und kalten Stroms liegt, beispielsweise Fig. 4c) wird

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bei der erfindungsgemässen Anordnung die Steuerung oder Beherrschung der Strömungsgeschwindigkeit beim Vorbeigang am Flammenhalter leichter erreicht. Mit anderen Worten kann gezeigt werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit über dem Flammenhalter davon abhängen wird, wie gut der statische Druckausgleich verwirklicht worden ist. Die vorbekannten Einrichtungen zeigen daher eine weniger direkte Kontrolle der Geschwindigkeit über der Lippe des Flammenhalters, da in den bekannten Anordnungen diese Lippengeschwindigkeit vollständig von dem statischen Druckausgleich abhängig ist. Wie bereits aufgezeigt, wird daher bei wechselnden Anforderungen durch die Flugbedingungen eine geringere Kontrolle über die Verbrennungsstabilität vorhanden sein, doh. eine weniger wirksame Ausnutzung des Nachbrennerbrennstoffes für die Schubverstärkung. Es ist daher ersichtlich, dass bei maximalem Durchmesser des Einflussbereiches (wake) des Flammenhalters, welcher gegemäss Fig. 5 angeordnet ist, d.h. unmittelbar in der Austrittsebene des Mischers, als Ergebnis der Anordnung der Flammenhalter nach den Fig. 1, 2 und 5a ein bedeutend leistungsfähigeres Schubverstärkungssystem erhalten wird, als es bisher möglich war·

Die Fig. 6 zeigt den Aufbau des verbesserten Mischers. Insbesondere zeigt die Kurve, dass sich der Nennwert des Strömungsquerschnittes des Heissgasgeneratorkanals 28 stromaufwärts und auch stromabwärts von der Konturenebene vergrössert (obwohl sich effektiv die Querschnittsfläche bis zu dieser Konturenebene erhöht und dann infolge der Hemmung der Strömung durch die Flammenhaltereinrichtung vermindert) und dass der Strömungsquerschnitt der Bypass- oder G-ebläsekanäle 27 sich bis zur Konturenebene erhöht und danach (mit Ausnahme einer unbedeutenden Erhöhung) abnimmt. Die kombinierte oder Gesamtquerschnittsfläche beider Ströme erhöht sich selbstverständlich. Diese Anordnung, welche hier als "gemeinsame Diffusion" ("shared diffusion") bezeichnet wird, ist sehr wirksam zur Verhinderung einer ubermägsigen Diffusion und des damit einhergehenden Druckverlustes, welche in vorbekannten Mischern

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auftreten können, bei denen die Kontur oder der Verlauf der Wände so beschaffen ist, dass sich der tatsächliche Strömungsquerschnitt für den Heissgasgeneratorstrom kontinuierlich bis zum Mischerauslass vergrössert und auch der Strömungsquerschnitt für den Gebläsestrom konstant (steigend) ist gemäss den in Fig. 6 angedeuteten Bereichen. Ein weiterer Vorteil aus der in ihrem Verlauf oder ihrer Kontur gestalteten gemeinsamen Kanalwand 26 besteht in einer grösseren mechanischen Stabilität in der Mischereinrichtung. Dies ist wichtig, da ein Turbostrahltriebwerk mit hoher Machzahl schwerwiegenden Vibrationsbelastungen unterliegen kann, wenn die Mischerwän-, de über ihre gesamte axiale Länge eben sind.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der dreistufigen | Brennstoffinjektionseinrichtung gemäss der Erfindung. In die- | sem Falle sind die Brennstoffinjektionseinrichtungen für die Zündung oder die anfängliche Schubverstärkung und die radia- ■ len Brennstoff fin j ektions einrichtungen ausserhalb der radialen Flammenhalter 40 angeordnet. So wird eine erste Injektionseinrichtung 70 unmittelbar .stromaufwärts vom Scheitel des radialen Flammenhalters 40 so angeordnet, dass sie sich nach innen zu dem ringförmigen Raum erstreckt, welcher von dem umkreisförmigen Flammenhalter 42 eingenommen wird· Eine zweite Brennstoffinjektionseinrichtung 71 wird unmittelbar stromaufwärts vom Scheitel der radialen Flammenhalter und entlang der ersten Einrichtung 70 angeordnet. Eine dritte Brennstoffinjektionseinrichtung ist allgemein bei 73 angedeutet und stromaufwärts von dem Mischer angeordnet und so ausgestaltet, dass sie eine gleichförmige Brennstoffinjektion in dem Mischer ergibt. Ein äusserer Teil 74 der Nachbrennerbrennstoffinjektionseinrichtung 73 kann dazu verwendet' werden, um Brennstoff in dem G-ebläsestrom im Zusammenwirken oder nachfolgend zu dem Brennstoff zu injizieren, welcher in den Gasgeneratorstrom durch einen inneren Teil 75 eingegeben wird. Der Grund hierfür besteht darin, dass man herausgefunden hat, dass bei Bypassverhältnissen bis etwa 1,25 der gesamte Brennstoff mit vorteilhafter Wirkung zur Vereinfachung des Brennstoffsystems in den

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Gasgeneratorstrom allein eingespritzt oder injiziert werden kann. Es wurde jedoch bei Bypassverhältnissen oberhalb 1,25 als vorteilhaft befunden, auch dem Gebläsestrom Brennstoff zuzusetzen, um die Geschwindigkeit der Durchmischung von Brennstoff und Luft zu verbessern.

Die Figo 8 zeigt eine Kurve für das Brennstoffzuführungsprogramm und stellt den Gesamtbrennstoffzufluss in kg/h (pounds per hour) in dem dreistufigen System gemäss den Figuren 1 und 2 dar. Daher wird das anfängliche Zünden des Nachbrenners durch die untere Linie angedeutet, und die Brennstoffinjektion zum Gasgeneratorstrom ist durch die zweite Linie angezeigte Schliesslich steigt der Gesamtbrennstoffzufluss noch weiter gemäss der dritten Linie an, wenn ein Brennstoffstrom von der dritten Brennstoffinjektionseinrichtung für gleichförmige Zuführung zugeführt wird. Die dreistufige Brennstoffinjektionseinrichtung kann entweder in Sequenz oder selektiv in gewünschter Weise betrieben werden; die Ausnahme besteht darin, dass stets die Anfahr- oder Zündströmung von der ersten Brennstoffinjektionseinrichtung verwendet werden wird.

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Claims

Patentansprüche

Schubsteigerungs- oder Nachbrennersystem mit gemischten Strömungen für ein Reaktionstriebwerk mit einer Bypasskanaleinrichtung und einer Heissgasgeneratoreinrichtung, welche beabstandet im Innern der Bypasskanaleinrichtung angeordnet ist, wobei eine erste Vielzahl von Strömungskanälen in Strömungsmittelverbindung mit diesem Bypasskanal und eine zweite Vielzahl von Strömungskanälen in Strömungsmittelverbindung mit dem Heissgasgeneratorkanal steht und diese ersten und zweiten Kanäle stromabwärts gelegene Öffnungen besitzen, die am Umfang abwechselnd um die Triebwerksachse herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine · Vielzahl von radial verlaufenden Flammenhaltern (40) Strömungshemmungsteile bilden und vollständig im Innern der Strömungskanäle (28) dieser zweiten Vielzahl von Kanälen stromaufwärts von den Öffnungen derselben angeordnet sind und ein am Umkreis verlaufender Flammenhalter (42) eine Strömungshemmungseinrichtung in Strömungsmittelverbindung mit den inneren dieser radial verlaufenden Teile (40) bildet und in dem Laufweg eines Teils des Heissgasgeneratorstroms angeordnet ist, die Ebene der maximalen aerodynamischen Strömungshemmung dieser Teile koplanar mit der Ebene des statischen Druckabgleiches zwischen den Arbeitsmittelströmen im Bypasskanal (8) und Heissgasgeneratorkanal dieser ersten und zweiten Vielzahl von Strömungskanäletfi (27»28) ist zur Steigerung einer Durchmischung der Ströme und der Verbrennungsstabilität in diesem Nachbrennersystem mit gemischten Strömen, und gestufte Brennstoffinjektionseinrichtungen (50, 52, 56) für den Heissgasgeneratorstrom mindestens benachbart zu den Flammenhaltern (40) vorgesehen sind, welche Injektionseinrichtungen für die erste Vielzahl von Strömungskanälen stromaufwärts von dem Auslassende derselben enthalten können und weiterhin noch Zündeinrich-

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tungen (60) vorhanden sind.
2. Schubsteigerungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Planimenhalter (40) stromabwärts von einer Konturenebene in diesen beiden Vielzahlen-von Strömungskanälen (27,28) angeordnet sind und die für beide Vielzahlen von Kanälen gemeinsamen Wände (24,25,26) so räumlich gestaltet sind, dass stromaufwärts von dieser Konturenebene der Strömungsquerschnitt jedes Kanals beider Vielzahlen von Kanälen sich kontinuierlich in Richtung stromabwärts erhöht und stromabwärts von dieser Konturenebene der Nennwert des Strömungsquerschnittes jeder dieser zweiten Vielzahl von Kanälen mit einer grösseren Steigerung pro Längenstück als stromaufwärts erhöht und der Strömungsquerschnitt jeder dieser ersten Vielzahl von Kanälen sich im wesentlichen direkt proportional zur Änderung des Querschnittes dieser zweiten Vielzahl vermindert, so dass das gesamte Strömungsdiffusionsverhältnis des Schubsteigerungssystems mit gemischten Strömen vermindert ist und die Länge der Vielzahl von Strömungsmittelkanälen ein Minimum beträgt durch "Diffusionsaufteilung¹¹ ("gemeinsame Diffusion") zwischen benachbarten Kanälen der ersten und zweiten Vielzahl von Kanälen.
3. Schubsteigerungssystem nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die gestuften Brennstoffinjektionseinrichtungen (50, 52, 56) erste Einrichtungen (50) ^ur Injektion von Brennstoff am Ort des umkreisförmigen Fiammenhalters (42) zur Zündung des Nachbrenners enthalten sowie zweite Einrichtungen (52) zur Injektion von Brennstoff am Ort der radialen Flammenhalter (4^υ) für Zwischenwerte der vom Triebwerk geforderten Leistungen und diese ersten und zweiten Brennst offinjektionseinrichtungen in Sequenz betätigbar sind zu einer glatten Schubänderung über einen weiteren Bereich der Betriebsdrehzahlen des Triebwerkes.

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Schubsteigerungssystem nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass eine dritte Einrichtung (56) zur Injektion von Brennstoff gleichmässigerweise im wesentlichen stromaufwärts von der Ebene der radialen Flammenhalter in diesen gekrümmten oder mit Kontur versehenen Diffusionskanälen vorgesehen ist, wobei diese dritte Einrichtung den Brennstoff in diese zweite Vielzahl von Kanälen nur bei Bypass-Verhältnissen des TFleibwerkes bis etwa 1,25 einführt und den Brennstoff bei Bypass-Verhältnissen oberhalb von 1,25 in die zweite und erste der Vielzahl von Kanälen injiziert und weiterhin diese erste, zweite und dritte Brenninjektionseinrichtung in Sequenz betätigbar sind zu einer stufenlosen Schubänderung über einen weiten Bereich der Betriebsdrehzahlen des Triebwerkes

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