DE3132074C2 - Vorrichtung zur Mischung des Turbinenabgasstroms mit dem Mantelstrom bzw. der Umgebungsluft eines Gasturbinentriebwerks - Google Patents

Abstract

Bei einem Turbofan-Gasturbinen-Flugtriebwerk ist stromab des Kerntriebwerkes ein Mischer vorgesehen, der die Abgase des Kerntriebwerks mit den umgebenden Luftstrom aus dem Mantelstromtriebwerk dadurch vermischt, daß lange Berührungsoberflächen gebildet werden. Die beiden zu vermischenden Ströme, die unterschiedliche Geschwindigkeit und Temperatur haben, strömen entlang von Leitschaufeln, die umfangsmäßig benachbart zueinander angeordnet sind und eine Verdrillung zwischen dem vorderen und hinteren Ende aufweisen. Die Verdrillung zweier umfangsmäßig benachbarter Schaufeln erfolgt gegensinnig. Zwischen den Schaufeln können Luftspalte vorhanden sein (Fig. 2), oder es können dazwischen Verkleidungsabschnitte angeordnet werden. Der Mischer kann auch dazu benutzt werden, die Abgase einer Schubdüse mit dem Umgebungs-Luftstrom zu vermischen.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Eine solche Mischvorrichtung ist aus der US-PS 40 77 206 bekannt. Hierbei ist das stromabwärtige Ende des Mischrohres in Umfangsrichtung wellenförmig derart ausgebildet, daß die Wellentäler gegenüber dem Mischrohrdurchmesser nach innen versetzt sind, während die Wellenberge sich nach außen allmählich erhöhen, so daß die Turbinenabgase im Inneren der Wellenberge radial nach außen geleitet werden, während die Mantelstromluft bzw. die Umgebungsluft in den Wellentälern radial nach innen abfließt. Hierdurch wird gegenüber einem ungewellten Mischrohrende eine vergrößerte Fläche für die in Berührung kommenden Gase erzielt, so daß die Vermischung der beiden Gasströme verbessert wird. Es hat sich gezeigt, daß durch eine innige Vermischung der beiden Ströme einerseits ein verbesserter Schub und andererseits eine geringere Lärmabstrahlung erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von diesem Stand der Technik sowohl eine Verbesserung des Schubes als auch des Lärmschutzes dadurch zu erreichen, daß die Wirksamkeit der Vermischung zwischen dem Turbinenabgasstrom und dem Mantelstrom bzw. der Umgebungsluft verbessert wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die radial schräg nach innen bzw. außen abströmenden Gase auf diesem Wege noch einer Drallbewegung unterworfen werden, die bei benachbarten Gasströmen gegensinnig verläuft Hierdurch wird eine noch günstigere Vermischung gewährleistet und es tritt ein praktisch homogener Strahl aus dem stromabwärtigen Ende der Schubdüse aus bzw. kann sich ein solcher homogener Strahl bei Vermischung der Turbinenabgase mit der Umgebungsluft bilden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen de^r Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Teilschnittansicht eines Gasturbinen-Flugtriebwerkes mit hohem Nebenstromverhältnis,

F i g. 2 eine perspektivische Teildarstellung der Mischvorrichtung für Abgase und Mantelstrom,

Fig.3 eine axial Rückansicht des Triebwerks bzw. des Abgasmischerf;

Fig.4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV gemäß F ig. 3;

F i g. 5 eine der F i g. 2 entsprechende Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 1 zeigt ein Gasturbinen-Flugtriebwerk 1 mit einem Kerntriebwerk 3, einem Mantelstromkanal 5, der durch ein Mantelstromgehäuse und eine Gondel 7 definiert wird, die das Kerntriebwerk 3 umschließt und mit einem Abgassystem 9, welches einen Zentralkörper 10, ein Mischrohr 11 und eine Abgasschubdüse 13 aufweist. Der Mantelstromkanal wird mit Mantelstromluft, d. h. mit Gebläseluft von einem Frontfan 15 gespeist, der auch das Kerntriebwerk 3 speist und von einer nicht dargestellten Turbine des Kerntriebwerks 3 angetrieben wird. Der Mantelstrom-Abgasstrom 17 und der Abgasstrom 19 des Kerntriebwerks, d.h. der Turbine werden in dem Abgassystem 9 gemischt, um einen kombinierten Ausfluß zu erzeugen, der durch die Schubdüse 13 in die Atmosphäre austritt.

Das Triebwerk 1 wird von der Unterseite des Tragflügels 2 eines nicht dargestellten Flugzeugs über einen Pylon 4 getragen, der durch die Oberseite der Gondel und das Mantelstromgehäuse und über den oberen Sektor des Mantelstromkanals 5 verläuft. Der Pylon 4 ist am Kerntriebwerk 3 festgelegt Jener Abschnitt 6 des Pylon, der durch den Mantelstromkanal 5 verläuft, ist aus F i g. 2 am deutlichsten ersichtlich.

Im Triebwerk 1 hat der Mantelstrom 17 eine niedrige Temperatur, eine geringe Strömungsgeschwindigkeit, während der Abgasstrom 19 des Kerntriebwerks eine hohe Temperatur und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Wenn diese beiden Ströme aus der Schubdüse 13 austreten, ohne zuvor innerhalb des Triebwerks einer Zwangsvermischung unterworfen zu werden, dann erfolgt die Vermischung natürlich in einem Abstand von mehreren Düsendurchmessern stromab des Triebwerks, und die unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Temperaturen zwischen dem Abgasstrom 19 des Kerntriebwerks und dem umgebenden Mantelstrom 17 erzeugen einen beträchtlichen Strahllärm über die gesamte Mischzone. Der Einbau des Mischrohres 11 innerhalb des Triebwerks 1 gewährleistet, daß zu der Zeit, zu der der kombinierte Strom aus der Düse 13 austritt, der lauteste Teil des Mischprozesses bereits vollendet ist und der Ausfluß eine größere Homogenität aufweist. Durch die Benutzung eines inneren Mischrohres 11 wird eine Absorption der Mischgeräusche beim Entstehen mittels der Schallabsorptionsauskleidungen (nicht dargestellt) der Mantelstromwand 22 ermöglicht.

Im folgenden wird auf die Fig.2, 3 und 4 Bezug genommen. Fig.2 zeigt das Mischrohr 11 und einen Teil 6 des Trägerpylons, der innerhalb der Gohdel 7 angeordnet ist welche nur strichliert angedeutet ist. Fig.3 zeigt das Mischrohr 11 und den Pylon getrennt von dem anderen Aufbau. Die Konturen der Mischrohrströmungsoberflächen sind mit Schatteniinien versehen. Die Fig.3 zeigt nur das Mischrohr* 11 und seine Verbindung mit dem Kerntriebwerk 3.

Das Abgasmischrohr 11 besteht aus einer ringförniigen Anordnung erster und zweiter Gruppen von verdrillten bzw. verwundenen, langgestreckten Schaufeln bzw. Strömungsleitblechen 27 bzw. 29, welche Strömungskörper bilden und eine Verwindung zwischen ihrem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ende aufweisen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Strömungsleitbleche eine konstante Breite zwischen ihrem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ende, jedoch ist dies nicht wesentlich. Die erste Gruppe von Leitblechen 27 ist im Uhrzeigersinn verwunden, und die zweite Gruppe von Leitblechen 29 ist im Gegenuhrzeigersinn verwunden Die stromaufwärtigen Enden der Leitbleche sind am Umfang dem Strom der Turbinenabgase ausgesetzt und sie sind bei 30 mit einem Flanschring 23 verbunden, der seinerseits mit dem stromabwärtigen Ende des Kerntriebwerksgehäuses 25 verbunden ist. Die Leitbleche stehen von dem Ring 23 und demgemäß vom hinteren Ende des Kerntriebwerksgehäuses 25 in Richtung stromab vor, aber die Verwindung der Leitbleche bewirkt, daß ihre stromabwärtigen Enden quer zu dem Mantelstrom und dem Kerntriebwerksabgasstrom 17 bzw. 19 verlaufen.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Leitbleche 27 der ersten Gruppe mit den Leitblechen 29 der zweiten Gruppe umfangsmäßig derart abwechseln, daß Leitbleche entgegengesetzter Verwindung umfangsmäßig benachbart zueinander liegen. Die Gestalt der benachbarten Leitbleche ist daher komplementär derart, daß sie so zusammenwirken, daß eine erste Gruppe von Strömungskanälen 32 bis 35 (Fig. 3) gebildet wird, die Teile des Turbinenabgasstroms 19 nach außen richten, während eine zweite Gruppe von Strömungskanälen 36 bis 38 Teile des Mantelstroms nach innen richten, so daß die beiden Ströme veranlaßt werden, ineinander zu verlaufen und sich zu vermischen.

Wie aus Fig.3 ersichtlich, bildet das Mischrohr vier innere Strömungskanäle 32 bis 35, weiche von einer gemeinsamen Zentralfläche radial nach außen vorstehen, wobei zwischen diesen inneren Strömungskanälen äußere Strömungskanäle 36 bis 38 gebildet sind. Die Zahl der Strömungskanäle liegt im Ermessen des Konstrukteurs. Um den Trägerpylon 4 einbauen zu können, liegen die obersten Leitbleche 27 und 29 umfangsmäßig im Abstand zueinander und definieren einen Spalt 39 dazwischen, so daß die Gebläseluft unter die Ansatzfläche des Pylons durch die komplementäre Verwindung des obersten Leitblechpaares gelangt.

Wie außerdem aus F i g. 3 ersichtlich ist, stehen die Leitbleche 27 und 29 nicht direkt vom Kerntriebwerk vor, sondern sie sind etwas nach innen nach der Mitte des Mischrohres hin gerichtet, d. h. die Längsmittellinien der Strömungsflächen der Leitbleche verlaufen nicht exakt parallel zur Achse des Triebwerks, sondern schneiden die Achse stromab des Mischrohres. Hierdurch wird gewährleistet, daß die äußeren Strömungskanäle 36 bis 38 die Gebläseluft ein langes Stück in das Innere des Turbinenabgasstro.ns eintreten lassen, wodurch eine schnelle und wirksame Vermischung zustande kommt In Kombination mit der Tatsache, daß in den Kanälen 36 bis 38 die Ränder der Leitbleche aufeinander zu um gleiche Beträge verwunden sind, gewährleistet die Einstellung der Leitbleche nach innen, daß in den Kanälen die umfangsmäßig benachbarten Ränder der Leitbleche weitgehend ineinander übergehen. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Leitblechränder in den Kanälen 32 his 35 nicht aneinanderstoßen, da sie voneinander weg verwunden sind.

Die Vermischung wird weitgehend durch die Wirbelkomponente verbessert, die durch die ineinander dringenden Strömungen durch die Verwindung der Leitbleche induziert werden, und dies ist insbesondere deshalb der Fall, weil die Wirbel entgegengesetzt gerichtet und benachbart zueinander in jedem Strömungskanal erzeugt werden. Dies hat zur Folge, daß weitere Nebenstromluft in die Kanäle 36 bis 38 und weitere Turbinenabgase in die Kanäle 32 bis 35 eingesaugt werden. Außerdem hängt die Wirksamkeit, mit der die beiden Gasströme vermischt werden, von der Wirksamkeit der Scherwirkung und dem Ausmaß der Turbulenz an der Berührungsfläche der Gasströme ab, und die Wirbelströme erhöht diese Scherwirkung und das Ausmaß der Turbulenz.

Die Wirksamkeit der Leitbleche 27 und 29 im Hinblick auf eine Ablenkung der Gasströme und eine fortschreitende schnelle Vermischung von Mantelstromluft und Kerntriebswerksabgasen zur Erzeugung eines kombinierten Strahlausflusses, ist eine Folge des Coandaeffekts. Durch Ausnutzung des Coandaeffekts werden die Strömungen veranlaßt, ihre Strömungsrichtungen zu ändern, indem geeignete Strömungsoberflächen in den Strömungspfaden eingebaut werden, wobei die Strömungen an den Oberflächen, über die sie abfließen, anhaften. Bei dem Mischrohr 11 tritt kein Teil oder nur ein ganz geringer Teil der Mantelstromluft oder des Kerntriebwerksabgasstromes durch das Mischrohr hindurch, ohne in beträchtlichem Maße abgelenkt zu werden, da diese Strömungen nicht nur dem Einfluß des Coandaeffektes bei Abfließen über den Leitblechen ausgesetzt werden, sondern die Strömungen auch durch die sich ergebenden Wirbel beeinflußt werden.

Es wird nunmehr auf Fig. 5 Bezug genommen. Hier ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Mischrohres 11 dargestellt, bei dem zur Gewährleistung eines besseren Stromlinienflusses der Fanluft über die äußeren Strömungsoberflächen des Mischrohres, die Strömungsoberflächen im Bereich der Kanäle 41 bis 44 ineinander übergehen, d. h. im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3 sind die Spalte zwischen benachbarten Leitblechen 27, 29 in den radial äußeren Abschnitten der Kanäle 32 bis 35 durch Überbrückungsabschnitte 45 bis 48 verkleidet, die den Rand eines schraubenförmig verwundenen Abschnitts der Strömungsoberfläche mit dem benachbarten Rand eines anderen Abschnitts der Strömungsoberfläche verbinden, die im Gegensinne schraubenlinienförmig verwunden ist. Dies bedeutet, daß die Kanäle 41 bis 44 durch die Strömungsoberflächen der Leitbleche voll definiert und verbunden sind.

Bei den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Leitbleche über einen Schraubenwinkel von etwa 70° zwischen stromaufwärtigem und stromabwärtigem Ende verwunden. Dieser Winkel kann jedoch gemäß den erwünschten Charakteristiken des Mischrohres verändert werden. Bei den beiden dargestellten

Ausführungsbeispielen haben, wie aus F i g. 3 ersichtlich, die inneren Strömungskanäle 32, 33, 34, 35 eine rechteckige Querschnittsgestalt, und die äußeren Strömungskanäle 36,37,38,39 haben einen dreieckigen Querschnitt am Auslaß.

Die vorbeschriebenen Abgasmischer sind so ausgebildet, daß ein Pylon in den Mantelstromkanal des Triebwerks einstehen kann. Bei gewissen Mantelstrom-Triebwerken ist jedoch ein solcher Pylon nicht vorhanden. Beim Fehlen eines Pylons im Nebenstromkanal kann der Mischer ohne den umfangsmäßig verlaufenden Spalt zwischen zwei verwundenen Strömungsoberflächen ausgebildet werden.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit der Vermischung heißer Turbinenabgase und kühler Nebenstromluft beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar in Fällen, wo Brennstoff in der Mantelstromluft verbrannt wird, um einen zusätzlichen Schub zu erzeugen. In diesem Fall ist die Mantelströmung ebenfalls heiß und besitzt eine erhöhte Geschwindigkeit, wenn sie über dem Mischrohr abfließt.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen Abgasmischrohre, jedoch können verwundene Strömungsleitflächen auch bei Strahlschubdüsen mit Lärmunterdrückung benutzt werden, wobei der Luftstrom, der die Düse umschließt, von dem Umgebungsluftstrom gebildet wird, der eine Folge des Vorwärtsfluges ist und die Funktion der Mantelstromluft einnimmt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Mischung des Turbinenabgasstromes mit dem Mantelstrom bzw. der Umgebungsluft eines Gasturbinentriebwerks, wobei ein den Turbinenabgasstrom aufnehmendes Mischrohr vorgesehen ist, an dessen Außenseite der Mantelstrom bzw. die Umgebungsluft entlangströmt und dessen stromabwärtiges Ende derart geformt ist, daß in Umfangsrichtung gesehen abwechselnd Abschnitte des Turbinenabgasstromes von der Mischrohrachse weg und Abschnitte des Mantelstromes bzw. der Umgebungsluft zur Mischrohrachse hin ablenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende des Mischrohres (11) Strömungsleitflächen (27, 29) aufweist, deren stromaufwärtige Er.den das Mischrohr (11) fortsetzen und die

in Umgebungsrichtung des Mischrohres (11) gesehen abwechselnd in Strömungsrichtung im Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn verwunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitflächen von Leitblechen (27, 29) gebildet sind und daß zwischen den axial verlaufenden Kanten benachbarter Strömungsleitbleche (27,29) Spalte gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitbleche (27, 29) in Strömungsrichtung zur Mischrohrachse geneigt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwindung der Strömungsleitbleche (27,29) nicht größer als 90° ist.