DE3023900A1

DE3023900A1 - Diffusorvorrichtung und damit ausgeruestetes gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3023900A1
Application number: DE19803023900
Authority: DE
Inventors: Mario Eugene Abreu; Jacob Sherman Hoffman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-06-28
Filing date: 1980-06-26
Publication date: 1981-01-22
Also published as: FR2460390A1; US4272955A; CA1141973A; JPS5623525A; NL8003399A; IL59999A; BE884021A; IT8022694A0; GB2054047B; GB2054047A; IT1131298B; JPS6343648B2; FR2460390B1

Description

Diffusorvorrichtung und damit ausgerüstetes Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diffusor- oder Leitvorrichtung und betrifft insbesondere zwischen dem Verdichterabschnitt und dem Verbrennungsabschnitt eines Gasturbinentriebwerks angeordnete Diffusoreinrichtungen.

Gasturbinentriebwerke enthalten typischerweise einen Verdichterabschnitt, der unter inneren überdruck gesetzte Luft an einen Dauerdurchflußbrenner abgibt. Diese unter Druck gesetzte Luft wird mit Brennstoff in dem Brenner vermischt und verbrannt, und die gasförmigen Verbrennungsprodukte werden dann von dem Brenner an eine Turbine abgegeben, die den Gasen Energie entzieht. Die Erfindung ist bei Gasturbinentriebwerken am anwendbarsten, in denen ein Ringbrenner einen inneren und einen äußeren Brennereinsatz oder eine innere und eine äußere

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Auskleidung die zwischen sich eine Brennkammer oder einen VerbrennungsStrömungsweg begrenzen, sowie eine innere und eine äußere Wand mit Abstand von dem inneren bzw. von dem äusseren Einsatz aufweist. Die Wände begrenzen mit ihrem zugeordneten Einsatz jeweils einen Strömungsweg neben dem Verbrennung sströmungsweg. Diese drei Strömungswege sind ringförmig und insgesamt konzentrisch zu einander. Unter Druck gesetzte Luft, die von dem Verdichter abgegeben wird, wird durch einen divergenten, ringförmigen Durchlaß geleitet, der üblicherweise als Diffusor bezeichnet wird. Der Luftstrom aus dem Diffusor wird aufgeteilt und in die vorgenannten Strömungswege geleitet. Die Verbrennung v/ird in dem zentralen Strömungsweg zwischen den Brennereinsätzen aufrechterhalten, während die äußeren Strömungswege Luft zur Kühlung der Brennereinsätze und Zusatz- oder Verdünnungsluft zum Verbessern der Verbrennung innerhalb des Verbrennungsströmungsweges liefern.

Der vorgenannte Diffusor dient dem Zweck, den dynamischen Druck oder Staudruck von unter Druck gesetztem Fluid, das in Form von Luft aus dem Verdichter austritt, in statischen Druck umzuwandeln. Ideal wünschenswert ist es, den Staudruck in statischen Druck umzuwandeln, ohne daß es zu irgendeinem Verlust an Gesamtdruck kommt. Der Wirkungsgrad oder die Wirksamkeit von bekannten Diffusoren ist jedoch geringer als zufriedenstellend. Diffusoren werden allgemein in zwei grundsätzliche Kategorien eingeteilt, nämlich in Stufendiffusoren und gesteuerte Diffusoren. Typische bekannte Stufendiffusoren haben einen Teil mit allmählicher Expansion, in welchem ungefähr 60% des Staudruckes in statischen Druck umgewandelt werden, und einen Teil mit plötzlichem Sturz (dump), in welchem nur 25% des übrigen Staudruckes wiedergewonnen werden. In heutigen Gasturbinentriebwerken, in denen der Staudruck am Auslaß des Verdichters 6% des Gesamtdruckes ausmacht, würde der Teil mit allmählicher Expansion des Stufendiffusors ungefähr 3,6% des Staudruckes wiedergewinnen, während der Sturzteil des Diffusors ungefähr 0,40% des Staudruckes wiedergewinnen würde. Damit würden ungefähr 2,0% des Gesamtdruckes verlorengehen. In heutigen Triebwerken ist dieser Grad an Gesamtdruckverlust jedoch als mehr oder we-

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niger zufriedenstellend angesehen worden.

In einigen moderneren Gasturbinentriebwerken der nächsten Generation ist der Staudruck von unter Druck gesetzter Luft, die aus dem Verdichter austritt, beträchtlich größer als der Staudruck bei heutigen Triebwerken. In einigen moderneren Triebwerken kann der Staudruck ungefähr 12% bis 18% des Gesamtdrukkes betragen. Systeme mit fester Geometrie und ohne Abzapfung halten typischerweise ein konstantes Verhältnis ΔΡ/Q aufrecht, was somit zu einem Verlust zwischen 4,0% und 6,0% an Gesamtdruck führt. Mit herkömmlichen Stufendiffusoren kann der Verlust an Gesamtdruck in moderneren Triebwerken dann ungefähr 2- bis 3-mal so groß sein wie der Verlust an Gesamtdruck bei heutigen Triebwerken. Bekannte Stufendiffusoren werden daher die Bedürfnisse der nächsten Generation von Gasturbinentriebwerken nicht erfüllen können.

Bekannte gesteuerte Diffusoren sind nicht geeignet, die Anforderungen der nächsten Generation von Gasturbinentriebwerken zu erfüllen, die hohe dynamische Fluiddrücke an dem Kompressorauslaß haben, und zwar insbesondere wegen der Bildung einer Grenzschicht an den Wänden des Diffusors. Da der Grad der Divergenz der Wände relativ festgelegt ist, um eine Fluidablösung zu vermeiden, erfordert der größere dynamische Druck eine größere Diffusorlänge, die zu einer Zunahme der Dicke der Grenzschicht längs der Wand führt, wenn das Fluid über die zusätzliche Länge des Diffusors strömt. Eine zunehmende Grenzschichtdicke verringert den Wirkungsgrad des Diffusors.

Die Erfindung befaßt sich mit diesen Schwierigkeiten, die mit den in herkömmlichen Diffusoren auftretenden Grenzschichtverlusten verbunden sind. Die Erfindung befaßt sich außerdem mit dem Problem, das mit dem Umlenken des Stroms von unter Druck gesetztem Fluid aus dem Diffusor in die vorgenannten konzentrischen Strömungswege verbunden ist.

Diese Ziele sowie weitere Vorteile, die sich aus den folgenden

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Darlegungen ergeben werden, werden, kurz gesagt, durch die Erfindung in einer Ausgestaltung derselben dadurch erreicht, daß eine Diffusorvorrichtung zum Umwandeln des Staudruckes eines strömenden Fluids, das von einem Verdichter abgegeben wird, in statischen Druck vorgesehen wird. Erste Diffusoreinrichtungen empfangen Fluid aus dem Verdichter und verzögern das Fluid von einer ersten Geschwindigkeit auf eine zweite Geschwindigkeit. Eine Beschleunigungseinrichtung ist stromabwärts der ersten Diffusoreinrichtungen angeordnet, um das Fluid auf eine dritte Geschwindigkeit zu beschleunigen, deren Größe größer ist als die der zweiten Geschwindigkeit. Zweite Diffusoreinrichtungen sind stromabwärts der Beschleunigungseinrichtung vorgesehen, um das Fluid von der dritten Geschwindigkeit auf eine vierte Geschwindigkeit zu verzögern, deren Größe kleiner als die der zweiten Geschwindigkeit ist. Eine Einrichtung kann stromabwärts der zweiten Diffusoreinrichtungen zum plötzlichen Expandieren des Fluids vorgesehen sein, um die Geschwindigkeit des Fluids auf eine fünfte Geschwindigkeit zu verringern, deren Größe kleiner als die der vierten Geschwindigkeit ist. Eine Stufeneinrichtung kann zwischen den ersten Diffusoreinrichtungen und der Beschleunigungseinrichtung angeordnet sein, um den Fluidstrom aus einer ersten Richtung in eine zweite Richtung zu drehen und um die Grenzschichtdicke zu verringern, die sich durch das Fluid während des Strömens in den ersten Diffusoreinrichtungen angesammelt hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gas

turbinentriebwerks, bei dem die Erfindung anwendbar ist, und

Fig. 2 eine vergrößerte schematische Darstel

lung eines Teils des in Fig. 1 gezeigten Triebwerks.

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In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk insgesamt mit 10 bezeichnet und hat oin äußeres Gehäuse 11, das ein Einlaßende 12 aufweist, welches Luft empfängt, die in einen mehrstufigen Axialverdichter 14 eintritt. Der Verdichter 14 hat mehrere Kränze von Laufschaufeln 16, zwischen denen mehrere Kränze von Leitschaufeln 18 angeordnet sind. Die Leitschaufeln 18 sind an einem Ende an der Innenoberfläche des Gehäuses 11 befestigt. Am stromabwärtigen Ende des Verdichters 14 ist ein Kranz von Verdichterauslaßleitschaufeln 20 angeordnet, an den sich ein insgesamt mit 22 bezeichneter ringförmiger Diffusor 22 anschließt. Der Diffusor 22 gibt die unter Druck gesetzte Luft an einen insgesamt mit 30 bezeichneten Brenner ab, aus welchem die erhitzten Gase mit hoher Geschwindigkeit austreten und dann durch die Arbeitsturbine 32 hindurchgehen. Die Arbeitsturbine 32 entzieht Arbeit zum Antreiben des Verdichters 14 über eine Verbindungswelle 34, auf der sowohl die Arbeitsturbine 32 als auch der Verdichter 14 befestigt sind. Der Strom heißen Gases, der die Turbine 32 verläßt, wird über eine Düse 38 in die Atmosphäre abgegeben und liefert somit den Triebwerksschub. Jede weitere Beschreibung des Gesamtaufbaus und der Betriebweise des in Fig. 1 gezeigten Gasturbinentriebwerks dürfte zum vollen Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sein, da der Gesamtaufbau und die Betriebsweise dem Fachmann geläufig sind. Weiter ist das Triebwerk zwar als ein Turbinenluftstrahl-Triebwerk dargestellt, es ist jedoch klar, daß die Erfindung bei jedem Gerät anwendbar ist, welches mit einem Verbrennungssystem mit Dauerflui<^durchfluß arbeitet, wie beispielsweise Flugzeug-Turbofan-, -Turboprop-, -Turbowellen-Triebwerke und bodengebundene Triebwerke und dgl.

Es sei angemerkt, daß die Elemente des in Fig. 1 gezeigten Gasturbinentriebwerks 10, d.h. der Verdichter 14, der Diffusor 22, der Brenner 30 und die Turbine 32 eine insgesamt ringförmige Konfiguration haben und sich in Umfangsrichtung um die Triebwerksachse oder Triebwerksmittellinie X-X erstrecken, so daß der Strom von Luft und später der Strom von heißen Verbrennungsgasen einen ringförmigen Weg nehmen, der die Achse X-X um-

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gibt. Demgemäß soll der Begriff "radial", wenn er hier benutzt wird, eine zu der Triebwerksmittellinie X-X insgesamt radiale Richtung bedeuten. Der Begriff "axial" soll eine Richtung insgesamt längs der Triebwerksmittellinie X-X bedeuten, und der Begriff "umfangsmäßig" oder "in Umfangsrichtung" soll eine Richtung bedeuten, die sich insgesamt in Umfangsrichtung um die Mittellinie X-X erstreckt.

Fig. 2 zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung, in welcher Diffusoreinrichtungen aus dem Diffusor 22 und einem Teil des Brenners 30 bestehen. Eine erste Diffusoreinrichtung in Form eines ersten Diffusorabschnittes 40 empfängt ein unter Druck gesetztes Fluid, nämlich Druckluft, aus einem Verdichter 14 über einen Einlaß 42, der am vorderen Ende des Diffusorabschnittes 40 angeordnet ist. Der erste Diffusorabschnitt 40 weist einen inneren Wandteil 44 und einen äußeren Wandteil 46 auf, die sich axial und in Umfangsrichtung erstrecken, radialen Abstand voneinander haben und in der Richtung der Fluidströmung divergieren, um zwischen sich einen ersten, ringförmigen, sich axial erstreckenden Diffusorströmungsweg 48 zu begrenzen, der die Triebwerksmittellinie X-X umgibt. Unter Druck gesetztes Fluid, das von dem Verdichter 14 abgegeben wird, weist.eine extrem hohe Fluidgeschwindigkeit auf, weshalb der Staudruck oder, mit anderen Worten, der dynamische Druck des Fluids, der der Geschwindigkeit des Fluids zugeordnet werden kann, beträchtlich ist. Aus diesem Grund wird unter Druck gesetztes Fluid, das in den Einlaß 42 mit einer ersten Geschwindigkeit eintritt, in einem ersten Diffusorabschnitt 40 aufgrund der Divergenz des Strömungsweges 48 verzögert oder expandiert, bis die Geschwindigkeit des Fluids an einer Stelle in der Nähe des Auslasses 50 des Diffusorabschnittes 40 in der Größe auf eine zweite Geschwindigkeit verringert worden ist.

Unter Druck gesetztes Fluid, das durch den Diffusorabschnitt 40 strömt, führt zur Ansammlung einer Fluidgrenzschicht auf den Wänden 44 und 46. Die Dicke der Grenzschicht nimmt beim Durchqueren des Diffusorabschnittes 40 in stromabwärtiger Richtung

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fortschreitend zu. Die Ansammlung der Fluidgrenzschicht verringert den effektiven Strömungsquerschnitt des Diffusorabschnittes 40, so daß am Auslaß 50 die Grenzschichtdicke und der verringerte effektive Strömungsquerschnitt eine weitere Umwandlung des Fluidstaudruckes in statischen Druck beträchtlich blockieren. Gemäß der folgenden Beschreibung befaßt sich ein Aspekt der Erfindung mit der Schaffung von Einrichtungen zum Verringern der Dicke der Grenzschicht, die sich auf den Wänden des Diffusors 40 an dem Auslaß 50 ansammelt.

Stromabwärts des ersten Diffusorabschnittes 40 schafft die Erfindung eine Einrichtung in Form eines Fluidbeschleunigungsabschnittes 52 zum Beschleunigen des unter Druck gesetzten Fluids und eine zusätzliche Diffusoreinrichtung in Form eines zweiten Fluiddiffusorabschnittes 54 zum weiteren Verzögern und Ausbreiten des unter Druck gesetzten Fluids. Der Beschleunigungsabschnitt 52 und der zweite Diffusorabschnitt 54 werden durch Elemente des Brenners 30 in einer im folgenden beschriebenen Weise gebildet.

Der Brenner 30 besteht aus einem inneren Wandteil 44 und einem äußeren Wandteil 46 des ersten Diffusorabschnittes 40, die sich umfangsmäßig und axial erstrecken. Der Brenner 30 besteht weiter aus zwei gegenseitigen Abstand aufweisenden Einsatzteil' i, die sich umfangsmäßig und axial erstrecken, nämlich einem inneren Einsatzteil 60 und einem äußeren Einsatzteil 62, welche zwischen Brennerwandteilen 56 und 58 angeordnet sind. Die Wandteile 56 und 58 und die Einsätze 60 und 62 bilden gemeinsam drei konzentrische Strömungswege 64, 66 und 68, die den Strom von unter Druck gesetztem Fluid aus dem ersten Diffusorabschnitt 40 empfangen. Der radial innere Strömungsweg 64 und der radial äußere Strömungsweg 68 liefern Luft zur Kühlung der"Einsatzteile 60 und 62 sowie über Einsatzlöcher 79 und 81 Verdünnungsluft zum Unterstützen der vollständigen Verbrennung innerhalb des zentralen Strömungsweges oder der Brennkammer 66 des Brenners 30. Die Einsätze 60 und 62 sind in dem Brenner abgestützt und an ihren vorderen Enden durch ein sich insgesamt radial erstreckendes Ringteil 70 miteinan-

der verbunden, das mehrere zentral und in gegenseitigem Abstand angeordnete öffnungen 72 aufweist, die mehrere Brennstoff düsen 74 aufnehmen, von denen in Fig. 2 nur eine gestrichelt gezeigt, ist. Die Düsen 74 werden in herkömmlicher Weise, mit Brennstoff zum Unterhalten der Verbrennung versorgt. Die vorderen, stromaufwärtigen Enden der Einsätze 60 und 62 endigen in Lippen 77 bzw. 78, die in gegenseitigem radialem Abstand angeordnet sind. Der hier dargestellte und beschriebene Brenner 30 ist ein Ringbrenner, es ist jedoch klar, daß die Erfindung gleichermaßen bei Brennern mit Rohrbrennkammern oder Ringrohrbrennkammern anwendbar ist.

Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf das Umlenken eines Teils des durch den Auslaß 50 des ersten Diffusors 40 strömenden Fluids in die Strömungswege 64 und 68. Dieser Aspekt wird nun zusammen mit dem vorher erwähnten Merkmal erläutert, das sich auf die Verringerung oder Eliminierung der durch das unter Druck gesetzte Fluid angesammelten Grenzschichtdicke bezog. Die Beschreibung dieser Aspekte der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf den Strömungsweg 68. Es ist jedoch klar, daß dieselben Prinzipien und der mit Bezug auf den Strömungsweg 68 beschriebene Aufbau bei dem Strömungsweg 64 anwendbar und anzutreffen sind.

Der Einsatz 62 begrenzt, wie weiter oben erwähnt, zusammen mit dem äußeren Wandteil 58 den ringförmigen Strömungsweg 68. Der Strömungsweg 68 ist insgesamt so ausgerichtet, daß er Luft für Kühl- und Verdünnungszwecke von dem Einsatz 62 radial nach aussen richtet, und für diesen Zweck ist er so ausgerichtet, daß der Abstand des Strömungsweges 68 von der Triebwerksmittellinie X-X zunimmt, wenn der Strömungsweg in der Richtung der Fluidströmung durchquert wird. Diese Ausrichtung erfordert ein Umlenken des Fluids, wenn dieses aus dem ersten Diffusorabschnitt 40 austritt. Darüber hinaus muß das Fluid seine Grenzschicht abstreifen, damit eine zusätzliche Umwandlung von Fluidstaudruck in statischen Druck am wirksamsten erfolgen kann. Zur Erfüllung dieser Zwecke sind abgestufte Einrichtungen vorgesehen,

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um den Fluidstrom aus einer ersten Richtung in eine zweite Richtung umzulenken und um die Grenzschichtdicke des Fluids zu verringern. Genauer gesagt, der Brenneraußenwandteil 58, der axial neben dem Wandteil 46 des Diffusorabschnittes 40 angeordnet ist, ist mit dem Wandteil 46 durch eine sich radial erstreckende Stufe 76 verbunden. Die Stufe 76, die zwischen dem ersten Diffusorabschnitt 4 0 und dem Beschleunigungsabschnitt 52 angeordnet ist, weist axial in die Richtung der Fluidströmung und bildet einen örtlich sehr begrenzten Unterdruckbereich unmittelbar neben der Stufe 76. Der Druck in dem örtlich begrenzten Bereich ist niedriger als der Druck des unter Druck gesetzten Fluids an von der Wand 46 entfernten Stellen. Infolgedessen wird das Fluid zu dem örtlich begrenzten Bereich verringerten Druckes gedrängt oder umgeleitet und das Umlenken des Fluids zu dem Strömungsweg 68 hin wird dadurch erleichtert. Außerdem bildet das Vorhandensein der Stufe 76 einen örtlich begrenzten Bereich, in welchem das unter Druck gesetzte Fluid vorübergehend außer Berührung mit der Wand 58 ist, die den Strömungsweg 68 begrenzt. In diesem örtlich begrenzten Bereich hat das Grenzschichtfluid keinen Kontakt mit den Reibungskräften, die der Strömungswegwand 58 zugeordnet sind. Das Grenzschichtfluid ist zwar außer Kontakt mit der Wand 58, es wird jedoch durch viskosen Kontakt mit dem Hauptstrom von unter Druck gesetztem Fluid beeinflußt, wodurch eine Verringerung der Dicke der Grenzschicht erzielt wird. Das Ausmaß der Verringerung der Grenzschichtdicke ist von verschiedenen Strömungsparamatern abhängig, und in vielen Situationen kann durch das Vorhandensein der Stufe 76 die Fluidgrenzschicht vollständig eliminiert werden. Es sei betont, daß die Stufe 76 gegenüber der radialen Höhe des in den Durchlaß 68 eintretenden Stroms klein ist, um sicherzustellen, daß eine plötzliche wesentliche Zunahme im Strömungsquerschnitt nicht auftritt und daß eine beträchtliche momentane Verringerung des Staudruckes an dieser Stelle nicht hervorgerufen wird.

Unmittelbar stromabwärts der Stufe 76 begrenzen der Einsatz und der äußere Wandteil 58 gemeinsam einen Fluidbeschleunigungs-

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abschnitt 52 zum Beschleunigen des unter Druck gesetzten Fluids von der zweiten auf eine dritte Geschwindigkeit. Genauer gesagt, der Einsatz 62 und der Wandteil 58 begrenzen einen sich axial erstreckenden Ringteil des Strömungsweges 68 und konvergieren aufeinander zu in der Richtung der Fluidströmung, um die Querschnittsfläche des Strömungsweges 68 fortschreitend zu verringern, bis ein minimaler Verengungsbereich 80 erreicht ist. Infolgedessen wird durch den konvergierenden Abschnitt des Strömungsweges 68 strömendes Fluid beschleunigt, bis die Geschwindigkeit des Fluids eine dritte Geschwindigkeit in dem Verengungsbereich 80 erreicht. Die Größe der Geschwindigkeit des Fluids in der Verengung 80 ist größer als die der vorgenannte) zweiten Geschwindigkeit des Fluids an dem Auslaß 50 des ersten Diffusorabschnittes 40. Da die Beschleunigung des Fluids in dem Beschleunigungsabschnitt 52 die Dicke der Grenzschicht des unter Druck gesetzten Fluids weiter verringert, ist der Fluidstrom in einem Zustand, in welchem eine zusätzliche Ausbreitung und eine zusätzliche Umwandlung des Staudruckes in statischen Druck erreicht werden können.

Unmittelbar stromabwärts des Verengungsbereiches 80 des Beschleunigungsabschnittes 52 bilden der Einsatz 62 und der äussere Wandteil 58 gemeinsam einen zweiten Diffusorabschnitt 54. Genauer gesagt, der Einsatz 62 und der Wandteil 58 begrenzen einen sich axial erstreckenden Ringteil des Strömungsweges 68 und divergieren voneinander weg in der Richtung der Fluidströmung, um die Querschnittsfläche des Strömungsweges 68 fortschreitend zu vergrößern. Infolgedessen wird das Fluid von der vorgenannten dritten Geschwindigkeit auf eine vierte Geschwindigkeit an dem Auslaß 82 des Diffusorabschnittes 52 verzögert. Die Größe der vierten Geschwindigkeit ist kleiner als die der vorgenannten zweiten Geschwindigkeit des Fluids an dem Auslaß 50.

Die Fluidgeschwindigkeit an dem Auslaß 82 wird wesentlich niedriger sein als die Geschwindigkeit des den Verdichter 14 verlassenden Fluids, und das Fluid wird demgemäß in einem Zu-

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stand für eine plötzliche Expansion zur Umwandlung eines Teils des übrigen Staudruckes in statischen Druck sein. Zu diesem Zweck hat der äußere Wandteil 58 eine Einrichtung zur plötzlichen Expansion in Form einer großen augenblicklichen Zunahme in der Querschnittsfläche des Strömungsweges 68 stromabwärts des zweiten Diffusorabschnittes 54.

Der große augenblickliche Anstieg in der Querschnittsfläche wird erzielt, indem eine große, sich radial erstreckende Stufe 84 in dem äußeren Wandteil 58 vorgesehen wird, wobei groß in dem Sinne zu verstehen ist, daß die Stufe 84 wesentlich größer als die Stufe 76 ist. Das Vorhandensein der Stufe 84 gestattet eine plötzliche Expansion des aus dem Auslaß 82 ausströmenden Fluids und dadurch eine Verringerung der Geschwindigkeit des Fluids auf eine fünfte Geschwindigkeit, deren Größe kleiner als die der vorgenannten vierten Geschwindigkeit ist.

Beispielsweise kann ein typisches modernes Gasturbinentriebwerk unter Druck gesetztes Fluid aus seinem Verdichter mit einer Mach-Zahl von ungefähr 0,43 abgeben. Die Erfindung eignet sich gut zum Umwandeln des Staudruckes, der dieser hohen Fluidanfangsgeschwindigkeit zugeordnet ist, in statischen Druck. In dem ersten Diffusorabschnitt 40 empfangenes Fluid wird auf eine zweite Geschwindigkeit an dem Auslaß 50 verzögert, die eine Mach-Zahl von ungefähr 0,23 hat. Bei vorhandener Stufe 76 wird ein Teil des Fluids umgelenkt und ein Teil seiner Grenzschicht, wenn nicht die gesamte Grenzschicht, wird abgestreift. Das Fluid wird dann in dem Beschleunigungsabschnitt 52 auf eine dritte Geschwindigkeit in der Verengung 80 beschleunigt, die eine Mach-Zahl von ungefähr 0,3 hat. Der zweite Diffusorabschnitt 54 breitet dann das Fluid weiter aus und verzögert die Geschwindigkeit des unter Druck gesetzten Fluids am Auslaß 82 des zweiten Diffusorabschnittes 54 auf ungefähr 0,12 Mach. Daraufhin erfährt das Fluid einen raschen Sturz (dump) oder eine rasche Expansion, wie oben beschrieben.

Es wird nun ein weiterer Aspekt der Erfindung erläutert. Die

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Stufe 76 erleichtert, wie oben dargelegt, das Umlenken des Fluidstroms in den Strömungsweg 68. Es ist wichtig, daß der Wandteil 58 unmittelbar stromabwärts der Stufe 76 die richtige Krümmung aufweist, um eine Strömungsablosung des unter Druck gesetzten Fluids von dem Wandteil 58 zu vermeiden. Die Strömungsablosung würde zu Turbulenz führen, die die Wirksamkeit des Diffusors 22 verringert. Es hat sich gezeigt, daß, wenn der Krümmungsradius des Wandteils 52 unmittelbar stromabwärts der Stufe 76 größer als das 1,72-fache der Höhe des umzulenkenden Fluids ist, eine Strömungsablosung nicht auftritt.

Die Erfindung ist, wie weiter oben erwähnt, unter Bezugnahme auf den Strömungsweg 68 beschrieben worden, sie ist aber gleichermaßen bei dem Strömungsweg 64 anwendbar. Die Prinzipien der Erfindung werden zwar mit Bezug auf den Strömungsweg 64 nicht wiederholt, es ist jedoch klar, daß eine Stufe 88, ein Beschleunigungsabschnitt 90, ein Verengungsgebiet 92, ein Diffusorabschnitt 94, ein Auslaß 96 und eine Stufe 98, die dem Strömungsweg 64 zugeordnet sind, der Stufe 76, dem Beschleunigungsabschnitt 52, dem Verengungsgebiet 80, dem Diffusorabschnitt 54, dem Auslaß 82 bzw. der Stufe 84, die dem Strömungsweg 68 zugeordnet sind, entsprechen.

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Claims

Patentansprüche :

Diffusorvorrichtung zum Umwandeln des Staudruckes eines von einem Verdichter abgegebenen Fluidstroms in statischen Druck, gekennzeichnet durch:

eine erste Diffusoreinrichtung (40), die das Fluid aus dem Verdichter (14) empfängt, zum Verzögern des Fluids von einer ersten Geschwindigkeit auf eine zweite Geschwindigkeit; eine Einrichtung (52; 90), die stromabwärts der ersten Diffusoreinrichtung angeordnet ist,zum Beschleunigen des Fluids auf eine dritte Geschwindigkeit, deren Größe größer als die der zweiten Geschwindigkeit ist; und

eine zweite Diffusoreinrichtung (54; 94), die stromabwärts der Beschleunigungseinrichtung (52) angeordnet ist, zum Verzögern des Fluids von der dritten Geschwindigkeit auf eine vierte Geschwindigkeit, deren Größe kleiner als die der dritten Geschwindigkeit ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (84; 98), die stromabwärts der zweiten Diffusoreinrichtung (54; 94) angeordnet ist, zum plötzlichen Expandieren des Fluids, um die Geschwindigkeit des Fluids auf eine fünfte Geschwindigkeit zu verringern, deren Größe kleiner als die der

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vierten Geschwindigkeit ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (76; 88), die zwischen der ersten Diffusoreinrichtung (40) und der Beschleunigungseinrichtung (52; 90) angeordnet ist, zum Drehen des Fluidstroms aus einer ersten Richtung in eine zweite Richtung und zum Verringern der Grenzschichtdicke, die sich durch das Fluid während des Strömens in der ersten Diffusoreinrichtung angesammelt hat.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (84; 98), die stromabwärts der zweiten Diffusoreinrichtung (54; 94) angeordnet ist, zum plötzlichen Expandieren des Fluids, um die Geschwindigkeit des Fluids auf eine fünfte Geschwindigkeit zu verringern, deren Größe kleiner als die der vierten Geschwindigkeit ist.
5. Diffusorvorrichtung zum Umwandeln des Staudruckes eines von einem Verdichter abgegebenen Fluidstroms in statischen Druck, gekennzeichnet durch:

eine erste Diffusoreinrichtung (40), die das Fluid aus dem Verdichter (14) empfängt, zum Verzögern des Fluids von einer ersten Geschwindigkeit auf eine zweite Geschwindigkeit; eine zweite Diffusoreinrichtung (54; 94), die stromabwärts der ersten Diffusoreinrichtung angeordnet ist, zum Verzögern des Fluids auf eine Geschwindigkeit, deren Größe kleiner als die der zweiten Geschwindigkeit ist; und

eine Stufeneinrichtung (76; 88), die zwischen der ersten Diffusoreinrichtung und der zweiten Diffusoreinrichtung angeordnet ist, zum Drehen des Fluidstroms aus einer ersten Richtung in eine zweite Richtung, um die Grenzschichtdicke zu verringern, die sich durch das Fluid während des Strömens in der ersten Diffusoreinrichtung angesammelt hat.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (84; 98), die stromabwärts der zweiten Diffusoreinrichtung (54; 94) angeordnet ist, zum plötzlichen Expandieren des Fluids.

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7. Gasturbinentriebwerk mit einem Ringdiffusor zum Empfangen von unter Druck gehetztem Fluid aus einem Verdichter, und mit einem Ringbrenner, der eine Ringbrennkammer enthält, in die das Fluid aus dem Diffusor zum Unterstützen der Verbrennung geleitet wird, wobei der Diffusor und der Brenner sich jeweils umfangsmäßig um eine axiale Mittellinie erstrecken, die dem Triebwerk zugeordnet ist, gekennzeichnet durch: eine erste Diffusoreinrichtung (40) , die das Fluid aus dem Verdichter (14) empfängt, um das Fluid von einer ersten Geschwindigkeit auf eine zweite Geschwindigkeit zu verzögern; eine Einrichtung (52; 90), die stromabwärts der ersten Diffusoreinrichtung angeordnet ist, um das Fluid auf eine dritte Geschwindigkeit zu beschleunigen, deren Größe größer als die der zweiten Geschwindigkeit ist; und

eine zweite Diffusoreinrichtung (54; 94), die stromabwärts der Beschleunigungseinrichtung (52; 90) angeordnet ist, zum Verzögern des Fluids von der dritten Geschwindigkeit auf eine vierte Geschwindigkeit, deren Größe kleiner als die der zweiten Geschwindigkeit ist; und

Einrichtungen (81; 79) zum Einlassen des von der zweiten Diffusoreinrichtung abgegebenen Fluids in die Brennkammer (66).
8. Triebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diffusoreinrichtung (40) einen sich axial erstreckenden und die Mittellinie (X-X) umgebenden Strömungsweg (48) aufweist, dessen Querschnittsfläche in der Strömungsrichtung des Fluids zunimmt.
9. Triebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtung (52; 90) einen sich axial erstrekkenden und die Mittellinie (X-X) umgebenden Strömungsweg aufweist, dessen Querschnittsfläche in der Strömuncsrichtung des Fluids abnimmt.
10. Triebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diffusoreinrichtung (54; 94) einen sich axial er-

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streckenden und die Mittellinie (X-X) umgebenden Strömungsweg (68) aufweist, dessen Querschnittsfläche in der Strömungsrichtung des Fluids zunimmt.
11. Triebwerk nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine stromabwärts der zweiten Diffusoreinrichtung (54; 94) angeordnete Einrichtung (84; 98) zum plötzlichen Expandieren des Fluids, um die Geschwindigkeit des Fluids auf eine fünfte Geschwindigkeit zu verringern, deren Größe kleiner als die der vierten Geschwindigkeit ist.
12. Triebwerk nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (76; 88), die zwischen der ersten Diffusoreinrichtung (40) und der Beschleunigungseinrichtung (52; 90) angeordnet ist, zum Drehen des Fluidstroms aus einer ersten Richtung in eine zweite Richtung und zum Verringern der Grenzschichtdicke, die sich durch das Fluid während des Strömens in der ersten Diffusoreinrichtung angesammelt hat.
13. Triebwerk nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (84; 98), die stromabwärts der zweiten Diffusoreinrichtung (54; 94) angeordnet ist, zum plötzlichen Expandieren des Fluids, um die Geschwindigkeit des Fluids auf eine fünfte Geschwindigkeit zu verringern, deren Größe kleiner als die der vierten Geschwindigkeit ist.
14. Gasturbinentriebwerk mit einem Ringdiffusor zum Empfangen von unter Druck gesetztem Fluid aus einem Verdichter, und mit einem Ringbrenner, der eine Ringbrennkammer enthält, in die das Fluid aus dem Diffusor zum Unterstützen der Verbrennung geleitet wird, wobei der Diffusor und der Brenner sich jeweils umfangsmäßig um eine axiale Mittellinie erstrecken, die dem Triebwerk zugeordnet ist, gekennzeichnet durch: eine erste Diffusoreinrichtung (40) , die das Fluid aus dem Verdichter (14) empfängt, zum Verzögern des Fluids von einer ersten Geschwindigkeit auf eine zweite Geschwindigkeit; eine zweite Diffusoreinrichtung (54; 94), die stromabwärts der ersten Diffusoreinrichtung angeordnet ist, zum Verzögern des

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Fluids auf eine Geschwindigkeit, deren Größe kleiner als die der zweiten Geschwindigkeit ist; und

eine Stufeneinrichtung (76; 88), die zwischen der ersten Diffusoreinrichtung und der zweiten Diffusoreinrichtung angeordnet ist, zum Drehen des Fluidstroms aus einer ersten Richtung in eine zweite Richtung, um die Grenzschichtdicke zu verringern, die sich durch das Fluid während des Strömens in der ersten Diffusoreinrichtung angesammelt hat; und Einrichtungen (81) zum Einleiten des von der zweiten Diffusoreinrichtung abgegebenen Fluids in die Brennkammer (66).
15. Triebwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diffusoreinrichtung (40) einen sich axial erstrekkenden und die Mittellinie (X-X) umgebenden Strömungsweg (48) aufweist, dessen Querschnittsfläche in der Strömungsrichtung des Fluids zunimmt.
16. Triebwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diffusoreinrichtung (54; 94) einen sich axial erstreckenden und die Mittellinie (X-X) umgebenden Strömungsweg ( 68) aufweist, dessen Querschnittsfläche in der Strömungsrichtung des Fluids zunimmt.
17. Triebwerk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreh- und Grenzschichtverringerungseinrichtung (76; 88) eine Stufe aufweist, die zwischen der ersten Diffusoreinrichtung (40) und der zweiten Diffusoreinrichtung (54; 94) angeordnet ist.
18. Gasturbinentriebwerk mit einem Ringdiffusor zum Empfangen von unter Druck gesetztem Fluid aus einem Verdichter und mit einem Ringbrenner, in den das Fluid aus dem Diffusor zum Unterstützen der Verbrennung geleitet wird, wobei der Diffusor und der Brenner sich jeweils umfangsmäßig um eine axiale Mittellinie erstrecken, die dem Triebwerk zugeordnet ist, gekennzeichnet durch:

einen ersten Diffusorabschnitt (40) , der durch den Verdichter (14) strömendes Fluid empfängt und einen radial inneren sowie

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einen radial äußeren Wandteil (44, 46) aufweist, die sich axial erstrecken, radialen Abstand voneinander aufweisen und in der Strömungsrichtung des Fluids divergieren, um zwischen sich einen ersten Diffusorströmungsweg (48) ^zu begrenzen; einen inneren und einen äußeren Brennerwandteil (56, 58), die axial neben dem inneren bzw. äußeren Wandteil des ersten Diffusorabschnittes angeordnet sind;

eine sich radial erstreckende Stufe (76; 88), die einen der Brennerwandteile mit einem der Diffusorwandabschnitte verbindet; und

zwei gegenseitigen Abstand aufweisende Einsätze (60, 62), die zwischen den Brennerwandteilen angeordnet sind und drei konzentrische Strömungswege (64, 66, 68) begrenzen, wobei einer der Einsätze zusammen mit einem der Brennerteile einen zweiten Diffusorabschnitt (54, 94) in einem der konzentrischen Strömungswege stromabwärts des ersten Diffusorabschnittes begrenzt.
19. Triebwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Brennerwände (58) und der eine der Einsätze (62) außerdem gemeinsam einen Beschleunigungsabschnitt (52; 90) stromaufwärts des zweiten Diffusorabschnittes (54; 94) begrenzen.

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