DE2606005B2

DE2606005B2 - Gekühlte Drosselanordnung für Heißgase, insbesonderezur Nachschaltung hinter der Brennkammer eines Strahltriebwerkes

Info

Publication number: DE2606005B2
Application number: DE2606005A
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Hermann 8047 Karlsfeld Bayerl
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1976-02-14
Filing date: 1976-02-14
Publication date: 1981-03-12
Also published as: DE2606005A1; FR2341043A1; DE2606005C3; GB1507817A; JPS5912853B2; FR2341043B1; JPS52145609A; SE431775B; US4121611A; SE7700538L

Description

Gekühlte Drosselanordnung für Heißgas, insbesonde re zur Nachschaltung hinter der Brennkammer eines Strahltriebwerkes, mit einem Drosselelement in einem Leitungsteil, der zur Hindurchführungeines Kühlmittels,

2(i vorzugsweise Wasser, doppelwandig ausgeführt ist.

Drosselanordnungen der eingangs genannten Art werden z. I). zur Brennkammererprobung von Gasturbinenstrahltriebwerken eingesetzt, wobei die schwenkbare Drosselklappe als .Simulator einer der Brennkammer

2". nachgeschalteten Turbine fungiert. Demgemäß sind derartige Drosselanordnungen relativ hohen sowie auch häufig wechselnden Temperaturen ausgesetzt.

Hierzu, ist grundsätzlich bekannt, die temperaturbelasteten Bauteile zu kühlen, und zwar unter Verwendung

w von Luft oder Wasser als Kühlmittel.

Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß trotz Kühlung der temperaturbelasteten Bauteile einer Drosselanordnung erhebliche Schwierigkeiten bestehen, die bei neuzeitlichen Gasturbinentriebwerken auftretenden Temperatu-

ii rcn, z. B. eint Turbincncintriltstcmpcratur von 1200⁰C oder darüber, zu beherrschen; unterschiedliche Matcrialanhäufungen an den temperaturbelasteten Bauteilen haben zu Wärmcspanmingen und Materialrissen geführt.

ι» Weiter haben sich trotz Kühlung der temperaturgelahrdeten Bauteile schon hei Temperaturen von etwa 800"C" relativ starke Ver/undenmgen ergeben.

Insbesondere bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel bereitet es nach wie vor Schwierigkeiten,

i"> virtschaftliche Maßnahmen zur Beherrschung der geforderten hohen Teinperatiirbelastungen sowie Temperaturschwankiingen zu finden. Dies gilt insbesondere auch für das Orosselelement, wobei neben der besonderen Tempcralurgefährdung der Drosselklappe

in selbst auch die des .Schwenkmechanismus bzw. der .Schwenklager zu berücksichtigen wären.

Bei einer aus der CII-PS I Jh 738 bekannten Drosselanordnung ist ein quer zur Hauptsirömungsrichlung der Anordnung betäligbarcs Absperrventil zwi-

^r>^r> sehen zwei angrenzenden rohrartigen Bauteilen eingebaut. Hierbei ist das Gehäuse des Abspert ventils für sich zu Kühlzwecken doppelwandig ausgebildet.

In diesem bekannten Fall ist keine gezielte, direkte Kühlung des den Heißgasen stets unmittelbar ausge-

wi setzten Venlilkörpcrs möglich. Der Kühlkanal ist mit Abstand vom Ventilkörper nur durch das Ventilgehäuse geführt.

Besonders mit Rücksicht auf verhältnismäßig hohe lleißgastemperaluren dürfte somit die aus diesem

i'^r> bekannten Fall cntiu*hmbare Ventil- und Kühlanordnung einen verhältnismäßig frühzeitigen Verschleiß oder gar ein Durchbrennen des Ventils bei langer anhaltendem Betrieb nicht verhindern können.

Ferner dürfte die vorgenannte bekannte Ventilanordnung nicht geeignet sein, die Anforderungen an mechanische Einfachheit und damit verhältnismäßig geringe Störanfälligkeit und an geringe Ströniungsverluste bei geöffneter Stellung zu erfüllen. Die Ausbildung des Absperrventils selbst sowie die durch die Ventilausbildung und -anordnung erzwungene »verschlungene« Gestaltung des Strömungsweges im Ventilgehäuse dürften im bekannten Fall also stets verhältnismäßig hohe Strömungsverluste verursachen.

Aus der DE-AS 10 90 525 ist eine vornehmlich für senkrecht startende und landende Flugzeuge einsetzbare Steuerungs- und Ablenkvorrichtung für den Schubstrahl bekannt, bei der u. a. innerhalb eines vom Abgasstrom eines Turbinenstrahltriebwerkes beaufschlagbaren Strahlrohrs eine stromaufwärtig einer Verstellschubdüse angeordnete, um eine quer /ur Strahlrohrlängsachse verlaufende Drehachse verschwenkbare Drosselklappe vorgesehen ist, mit der neben einer kontinuierlichen Drosselung der Abgasströmung ferner die Abgasströmung zur Vei Stellschubdüse gänzlich absperrbar (vertikale Stellung) oder gänzlich freilegbar sein soll (horizontale Stellung). Dieser bekannten Lösung sind keinerlei Kühlvorkehrungen entnehmbar; ferner vermittelt diese bekannte Lösung keinerlei Hinweis bzw. Anregung im Hinblick auf eine Warnings- bzw. reparaturfreundliche sowie hinsichtlich unterschiedlicher Einsatzforderungen verhäln smäßig einfach umgestaltbare Drosselanordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu bekannten vorgebrachten Nachteile zu beseitigen itnd eine Drosselanordnung der eingangs genannten Art /u schaffen, welche den Anforderungen hinsichtlich einer optimalen Kühlung, insbesondere des Drossclelements, auch bei relativ starken lleiDteniperaturschwankungen besser gerecht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch I gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

— leichte Austauschbarkeit der Drosselklappe einschließlich des zugehörigen Kühlsysiems;

— hohe Temperaturbelasibarkeit infolfr unmittelbarer, gezielter Kühlung der Drosselklappe;

— von den übrigen Rohrabschnitten unbeeinflußter Kühlwasserdurchsatz für den Kühlkreislauf der Drosselklappe;

— Gestallung der Kühlmittclfi'ihriing an der Drosselklappe unabhängig von denjenigen an den Rohrabschnitten;

— gesondert voneinander steuerbare Kühlmitieliltirchsät/c für die jeweils voneinander unabhängigen Kiiltlmittelkreisliiiifc der Rohrabschnitte der Drosselanordnung sowie der Drosselklapoe;

— kontinuierliche Drosselbarkeit des Meißgasstroms über einen verhältnismäßig großen Bctrieb.ibereich;

- verhältnismäßig geringe Strömungsverlust der Meißgase bei geöffneter Drosselklappe infolge gerader Strömungswege;

— Austauschbarkeit der Rohrabschnitte im Hinblick auf unterschiedliche Betriebsbedingungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen iiiis den Patentansprüchen 2 bis 8 hervor.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Ausführungsicispielen weiter erläutert: in der Zeichnung ist

Fig. .1 die »chematische Darstellung der entlang der l.ängsmittelehene aufgeschnittenen Drosselanordnung.

F i g. 2 die Rückansicht der Drosselklappe, teilweise aufgeschnitten dargestellt,

Fig. 3 die Seitenansicht der Drosselklappe in Blickrichtung χ der F i g. 2, teilweise aufgeschnitten > dargestellt,

Fig.4 ein Teillängsschniti des stromaufwärtig der Drosselklappe anzuordnenden Rohrabschnitts,

F i g. 5 eine Ausführungsform für einen der Drosselklappe nachzuordnenden Rohrabschnitt, teilweise als in Seitenansicht sowie als Längsschnitt dargestellt und

F i g. 6 eine Ansicht des Rohrabschnitts nach der Linie 4-ßderFig.5.

F i g. 1 zeigt eine scheinatisch wiedergegebene Drosselanordnung für Heißgas, welche zwecks Hini". durchleitung eines Kühlmittels, vorzugsweise Wasser, doppelwandig ausgebildet ist und eine Drosselklappe 2 aufweist, die um eine quer zur Strahlrohrlängsachse 3 verlaufende Drehachse 4 verschwenkbar ist. Die Drosselanordnung ist in der Ebene der Drehachse 4 der in Drosselklappe 2 teilbar, wobei den vor und hinter der Teilungsebene liegenden Rohrabschnitten 5,6 sowie der Drosselklappe 2 selbst jeweils voneinander gesonderte Kühlwasserkreisläufe zugeordnet sind.

Die Drosselklappe 2 befindet sich hier in waagere.;h-

!'. tor Stellung, in welcher der Strömungsweg für d-is Ikißgas (Pfeile G) vom Rohrabschnitt 5 i'ber dl·; Drosselklappe 2 hinweg zum Rohrabschnitt 6 gänzlich freigegeben ist.

Der jeweilige Kühlwasserkreislauf ist der Reihe nach ι» für den Rohrabschnitt 5, die Drosselklappe 2 sowie für den Rohrabschnitt 6 durch die Pfeile K_u K₂, K₁ scheinatisch angezeigt.

Die Drosselklappe 2 besteht im wesentlichen aus einem Klappenkern 7 und einem lenselben unter ii Belussung eines Kühlmittclspullcs 8 gleichförmig umhüllenden Außenmantel 9.

Wie dann weiter besser aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, sollen die Drehzapfen 10, 11 der Drosselklappe 2 als hohlzylindrische Kühlmittelführungen an in diesen Kühlmiüelsp lit 8 angeschlossen sein.

Um .'u erreichen, daß vor allen Dingen auch in einer

quer /ur Clasströmungsrichtung (7(F i g. 1) eingestellten Schwenk- bzw. Drosselstellung der Drosselklappe 2 eine möglichst gleichförmige Kühlwasserverteilung im

ι ί Kiihlmiltelspalt 8 gewährleistet bleibt, ist der Kern 7 der Drosselklappe 2 mit im wesentlichen sich über die gesamte Oberfläche erstreckenden Führungsrippen 12, H versehen, die den Kühlmittelspalt 8 in quer zur (iasströniungsrichtung verlaufende Kühlmittelsektoren

ι" aufteilen.

Innerhalb der zwischen der jeweiligen Innen- und Außenwand 15, 14 bzw. 17, 16 eines Rohrabschnittes 5 (F i g. 4) b/w. 6 (F i g. 5) gebildeten Kühlkanäle 18 bzw. 19 können in Rohrlängsrichtung sich erstreckende Γι Zwisthenstege 20 bzw. 21 angeordnet sein. Diese Maßnahme soll eine optimale Kühlwasserverteilung über den jeweiligen Rohrumfang, und damit eine gleichförmige Temperaturverteilung beim Kühlprozeß gewährleisten. Hierzu ist es gemäß Fig. 4 und 5 weiter -in vorgesehen, daß die Zwischenstege 20 bzw. 21 an der jeweiligen Außenwand 14 bzw. 16 des jeweiligen Rohrabschnitts 5 bzw. 6 befestigt und gegenüber der jeweils zugehörigen Innenwand 15 bzw. 17 radial beabsiandet angeordnet sind.

Vi Wie weiter aus den F i g. 4 und 5 ersichtlich ist, soll den Rohrahschnitten 5 bzw. 6 jeweils ein ringförmig um deren Außcnw:indc 14 bzw. 16 verlaufendes Zuflußrohr 22 b/w. 21 und ein Abflußrohr 24 bzw 25 für das

Kühlmittel zugeordnet sein, von denen jedes über einen eigenen, die zugehörige Außenwand 14 bzw. 16 zumindest über einen Teil der gesamten Rohrlänge ummantelnden Ringraum 26, 27 bzw. 28, 29 mit dem zwischen Außen- und Innenwand gebildeten Kühlkanal 18 bzw. 19 in Verbindung steht, in welchen das Kühlmittel entgegen der Gasströmungsrichtung einbringbar ist, um so den Kühlcffekl weiter zu intensivieren.

Für eine gezielte Kühlung der tcmperaturgefährdelen Rohraustrittskantc wird das hintere Ende des hinter der Drosselklappe 2 angeordneten Rohrabschnitts 6 von einem rotationssymmetrischen, kragenförmig nach außen gewölbten Abschnitt der Innenwand 17 (Fi g. 5) gebildet, der zusammen mit dem zugeordneten Einlaßrohr 23 den für die Kühlmiüeibeaufschlagung des Kühlkanals 19 vorgesehenen Ringraum 28 bildet, in welchen der von dem nach außen abgebogenen Ende der Außenwand 16 begrenzte Kühlkanal 19 hineinragt.

Die Zu- und Abflußrohre 22, 23 und 24, 25 können mehrere gleichförmig über deren Umfang verteilt angeordnete Rohrstutzen für eine gleichförmige Kühlmittelzuführung bzw. -abführung aufweisen, wie dies z. Ii. in F i g. 6 durch die am Zu- und Abflußrohr 23 und 25 angeordneten Rohrstutzen 30,31 verdeutlicht ist.

Wie weiter aus den Fig.4 und 5 ersichtlich ist, kann jedes Zu- bzw. Abflußrohr 22, 23 bzw. 24, 25 mit mindestens einem Entlüftungsventil 32, 33 bzw. 34, 35 versehen sein.

Mit 36, 37 und 39 sind in den Fig.4, 5 und 6 Lagerklötze bezeichnet, die einem Verbindungsflansch 38 aufweisen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gekühlte Drosselanordnung für Heißgas, insbesondere zur Nachschaitung hinter der Brennkammer eines Strahltriebwerkes, mit einem Drossel element in einem Leitungsteil, der zur Hindurchführung eines Kühlmittels, vorzugsweise Wasser, doppelwandig ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Drosselelement eine Drosselklappe (2) vorgesehen ist, die um 3tne quer zur Rohrlängsachse (3) verlaufende Drehachse (4) in der Teilungsebene zwischen einem ersten (5) und einem zweiten Rohrabschnitt (6) schwenkbar ist, wobei die Rohrabschnitte als getrennte Bauteile mit jeweils eigenen Kühlmittelkreisläufen ausgebildet sind, und daß die Drosselklappe (2) ebenfalls an einer eigenen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist und einen Spalt (8) zur Hindurchführung des Kühlmittels zwischen einem Kern (7) und einem denselben umhüllenden Außenmantel (9) der Drosselklappe (2) aufweist, wobei der Mantel (9) mit hohlzylindrischen seitlichen Drehzapfen (10, 11) verbunden ist, die als Kühlmittelführungen an den Spalt (8) angeschlossen sind.

2. Drosselanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (7) der Drosselklappe (2) mit im wesentlichen sich über die gesamte Oberfläche erstreckenden Führungsrippen (12, 13) versehen ist, die den zwischen dem Kern (7) und dem Außenmantel (9) gebildeten Kühlmittelspalt (8) in quer zur Gasströmungsrichumg (G) verlaufende Kühlmittelscktoren aufteilen.

3. Drosselanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des zwischen der jeweiligen Innen- und Außenwand (15, 14) eines Rohrabschnitts (5) gebildeten Kiihlkanals (18) sich in Rohrlängsrichtung erstreckende Zwischenstege (20) angeordnet sind.

4. Drosselanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenslege (20) an der jeweiligen Außenwand (14) eines Kohrabschnitts (5) befestigt und gegenüber der jeweils zugehörigen Innenwand (15) radial beabstandei angeordnet sind.

5. Drosselanordnung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem stromaufwärtig sowie dem stromabwärtig der Drosselklappe (2) angeordneten Rohrabschnitt (5 bzw. 6) jeweils ein ringförmig um deren Außenwände (14 bzw. 16) verlaufendes Zufluß- (22 bzw. 23) und ein Abflußrohr (24 bzw. 25) für das Kühlmittel zugeordnet ist, von denen jedes über einen eigenen, die zugehörige Außenwand (14 bzw. 16) zumindest über einen Teil der gesamten Rohrlänge ummantelnden Ringraum (26, 27 bzw. 28, 29) mit dem zwischen Außen- und Innenwand gebildeten Kühlkanal (18 bzw. 19) in Verbindung steht, in welchen das Kühlmittel entgegen der Gasströmungsrichtung einbringbar ist.

6. Drosselanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim hinter der Drosselklappe (2) angeordneten Rohrabschnitt (6) das Rohrende von einem rotationssymmetrischci, kragenförmig nach außen gewölbten Abschnitt der Innenwand (17) gebildet ist, der zusammen mit dem zugeordneten Einlaßrohr (23) den für die Kiihlmittelbeaufschlagung des Kiihlkanals (19) vorgesehenen Ringraum (28) bildet, in welchen der von dem nach außen abgebogenen F.nde der Außenwand (16)

begrenzte Kühlkanal (19) hineinragt

7. Drosselanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abflußrohre (23, 25) mehrere gleichförmig über deren Umfang verteilt angeordnete Rohrstutzen (30, 31) für eine gleichförmige Kühlmittelzuführung bzw. -abführung aufweisen.

8. Drosselanordnung nach einem der Ansprüche ! bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zu- bzw. Abflußrohr (22,23 bzw. 24,25) mit mindestens einem Entlüftungsventil (32,33 bzw. 34,35) versehen ist.