DE3317722C2 - Ringförmige Diffusoreinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ringformige Diffusoreinrich­ tung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Diffusoreinrichtung ist aus der US 39 78 664 bekannt. Sie enthält im stromabwärtigen Bereich hinter dem Ringdiffusor Streben zum Übertragen einer Belastung über den Gasweg, die auch als Durchführungen für Öl- und andere Triebwerksbetriebsleitungen verwendet werden könnten. Die bekannte Diffusoreinrichtung dient dazu, die Geschwindig­ keit der aus dem Verdichter austretenden Luft in Druck um zusetzen, d. h. den Staudruck der aus dem Verdichter aus­ tretenden Luft in statischen Druck umzusetzen, bevor die Luft in das Flammrohr der Brennkammer eingeleitet wird. Bei einer solchen bekannten Diffusoreinrichtung ist übli­ cherweise die Anzahl der Brennstoffdüsen in dem Kopf des Flammrohres ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Streben. Sie hat also mehr Brennstoffdüsen als Streben. Weiter werden bei den Streben der bekannten Diffusorein­ richtung zwar die aerodynamischen Eigenschaften und der Festigkeitsverband berücksichtigt, die Expansion der Strö­ mung in der Umfangsrichtung hat bislang in der Praxis aber keine Beachtung gefunden. Weil die Streben überdies in re­ lativ großem gegenseitigen Abstand angeordnet und nur am stromabwärtigen Ende der Diffusoreinrichtung und zwischen den Brennstoffdüsen vorgesehen sind und außerdem weniger Streben als Brennstoffdüsen und diesen zugeordnete Luft­ durchlässe vorhanden sind, werden ungleichmäßige Strö­ mungseigenschaften der Luft erzeugt, die aus dem Ringdif­ fusor austritt und in die sich mit einer stufenartigen Querschnittserweiterung daran anschließende übrige Diffu­ soreinrichtung eintritt. Solche Strömungsstörungen lassen sich bei der bekannten Diffusoreinrichtung nur vermeiden, indem dieser eine relativ große axiale Länge gegeben wird.

Aus der US 27 11 072 ist eine Brennkammer mit vorgeschal­ teter Diffusoreinrichtung bekannt, in der Streben vorgese­ hen sind. Die Diffusoreinrichtung hat aber keinen Ringdif­ fusor, denn es ist keine stufenartige Querschnittserweite­ rung vorhanden. Die Brennstoffdüsen sind auch nicht zwi­ schen benachbarten Streben angeordnet. Es hat sich ge­ zeigt, daß bei bekannten Konstruktionen, denen die Kon­ struktion nach der US 27 11 072 ähnelt, bei der Streben in der Diffusoreinrichtung stromaufwärts der Brennkammer an­ geordnet sind, die Streben normalerweise Wirbelschleppen an ihren stromabwärtigen Enden erzeugen, welche die Druck­ verteilung nachteilig beeinflussen und dadurch zu einer ungleichmäßigen Verbrennung in der Brennkammer und zu lo­ kalen heißen Stellen in den Brennkammerwänden führen. Die Wirbelschleppen gehen dabei von den stromabwärtigen Enden der Streben aus.

Aus der US 26 82 363 ist ein Gasturbinentriebwerk mit ei­ ner Diffusoreinrichtung bekannt, diese weist aber auch keinen Ringdiffusor und demgemäß auch keine stufenartige Querschnittserweiterung auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer ringförmigen Dif­ fusoreinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art die Strömungseigenschaften unter Beibehal­ tung einer geringen axialen Länge zu verbessern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Pa­ tentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß bei der Diffusoreinrichtung nach der Erfin­ dung die Anzahl der Streben gleich der Anzahl der Brenn­ stoffdüsen ist, die bezüglich der Durchlässe zwischen den Streben mittig angeordnet sind, ergeben sich bessere Strö­ mungseigenschaften. Dadurch und durch die Lage der Streben zwischen den sich radial erweiternden zweiten Teilen der ringförmigen Wände des Ringdiffusors und durch die am stromabwärtigen Ende der Streben vorgesehene stumpfe Hin­ terkante, die in der Ebene des stromabwärtigen Endes des Ringdiffusors liegt, kann die radiale Abmessung der Durch­ lässe der Diffusoreinrichtung größer gemacht werden, so daß das Vermischen der aus der erfindungsgemäßen Diffusor­ einrichtung austretenden Strömung schneller erfolgt als bei den bekannten Diffusoreinrichtungen. Dadurch werden Nachströmungen, Wirbelschleppen und Strömungsverzerrungen reduziert oder minimiert, und es gelangt eine gleichmäßi­ geres Strömungsprofil zu der Brennkammer, wodurch das Auf­ treten von örtlichen heißen Stellen an den Brennkammerwän­ den minimiert wird. Die Breite der Hinterkante der Streben wird dabei ausreichend groß gemacht, damit eine vorbe­ stimmte Expansion der aus der Diffusoreinrichtung austre­ tenden Luft in der Umfangsrichtung erzielt wird.

Weitere Vorteile, die sich mit der erfindungsgemäßen Dif­ fusoreinrichtung erzielen lassen, sind:

• 1) Eine geringere Verzerrung sowohl für das stromaufwär­ tige Potentialfeld als auch für die stromabwärtige Nachströmung aufgrund der verringerten Umfangsteilung der Streben;
• 2) ein höheres Diffusorladepotential und gleiche oder niedrigere Verluste;
• 3) die Richtwirkung im Streben/Diffusoreinrichtung-Be­ reich ist ungefähr eindimensional;
• 4) ein ausreichender Strebenquerschnitt für Öl- oder Entlüftungsleitungen; und
• 5) ein steifer Aufbau und eine gleichmäßigere Verteilung von Belastungen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Diffusoreinrichtung nach der Erfindung bildet den Gegenstand des Anspruchs 2.

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

Fig. 1 eine Teillängsschnittansicht einer ring­ förmigen Diffusoreinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine abgewickelte Teilansicht, die die Beziehung zwischen Einlaß­ leitschaufeln und Streben in der Diffusoreinrichtung zeigt,

Fig. 3a eine abgewickelte Vorderansicht des Einlasses der Diffusoreinrichtung und

Fig. 3b eine abgewickelte Rückansicht der Diffusoreinrichtung.

Die im folgenden beschriebene ringförmige Diffusoreinrichtung 22 eignet sich besonders für ein Gasturbinentriebwerk, um einer Ringbrennkammer Verdichterluft zuzuführen. Die Diffusoreinrichtung 22 steht über einen Ringdiffusor 20 in direkter Verbindung mit dem Auslaß des Verdichters. Die ringförmige Diffusoreinrichtung 22 wird über den Ringdiffusor 20 versorgt, ist unmittelbar stromaufwärts der Ringbrennkammer angeordnet und versorgt in dem Kopf eines Flammrohres 24 angebrachte Brennstoffdüsen 54.

Die Fig. 1 bis 3b zeigen die ringförmige Diffusoreinrichtung 22 als Teil eines Gasturbinentriebwerks 10, das nur teilweise dargestellt ist, um Einzelheiten der Diffusoreinrichtung zu verdeutlichen. Das dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 enthält einen Zweiwellen-Axialverdichter, dessen Wellen 12 und 14 koaxial um die Triebwerksmittellinie 16 angeordnet sind. Jede Welle 12, 14 trägt eine Turbine und einen Axialverdichter am einen bzw. anderen Ende, wobei die eine Welle eine Hochdruckturbine und einen Hochdruckaxialverdichter trägt, wogegen die andere Welle eine Niederdruckturbine und einen Niederdruckaxialverdichter trägt. Von dieser Ausführungsform ist nur ein Teil der letzten Stufe des Hochdruckaxialverdichters 18 gezeigt. Die von dem Hochdruckaxialverdichter 18 abgegebene Luft, wird über den Ringdiffusor 20 der übrigen Diffusoreinrichtung 22 und dem Flammrohr 24 zugeführt.

Gemäß Fig. 1 ist der Ringdiffusor 20 an dem Ende eines Gas­ weges 26 angeordnet und hat eine ringförmige innere Wand mit einem ersten Teil 28 und einem mit diesem zusammenwirkenden und sich von diesem aus axial erstreckenden zweiten Teil 30 sowie eine ringförmige äußere Wand mit einem ersten Teil 32 und einem mit diesem zusammenwirkenden und sich von diesem aus axial erstreckenden zweiten Teil 34. Der vordere Bereich oder Leitschaufelabschnitt, wo die innere und die äußere Wand insgesamt parallel sind, trägt mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Einlaßleitschaufeln 36, und der Ringdiffusor 20 trägt, wo die innere und die äußere Wand radial divergieren, Streben 38, die weiter unten ausführlicher beschrieben sind. An den Ringdiffusor 20 schließt sich die übrige Diffusoreinrichtung 22 mit einer stufenartigen Querschnittserweiterung an. Der Ringdiffusor 20 ist durch einen ringförmigen Mantel 40 abgestützt, der um die Triebwerksmittellinie 16 herum angeordnet und einstückig mit einer äußeren Gehäusewand 42 ausgebildet ist. Ein innerer Brennkammermantel 44 erstreckt sich radial nach innen und axial nach hinten, begrenzt die übrige Diffusoreinrichtung 22 und bildet eine Abstützung für eine insgesamt mit der Bezugszahl 46 bezeichnetes Lager. Eine insgesamt mit der Bezugszahl 50 bezeichnete Labyrinthdichtung bildet zusammmen mit dem Mantel 40 eine Abdichtung gegenüber der aus dem Verdichter austretenden Luft, so daß im wesentlichen sämtliche verdichtete Luft durch den Ringdiffusor 20 hindurchgeleitet wird.

Der Ringdiffusor 20 versorgt, wie oben erwähnt, die übrige Diffusoreinrichtung 22, die ihrerseits das ringförmige Flammrohr 24 versorgt. Ein Teil der Luft wird über mehrere Löcher 52 eingelassen, die in dem Kopf des Flammrohres 24 und in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnet sind. Eine Brennstoffdüse 54 mit zugeordnetem Halter ist für jedes Loch 52 vorgesehen, und in einem typischen Gasturbinentriebwerk beträgt die Anzahl der Brennstoffdüsen vierundzwanzig.

Bei der hier beschriebenen Diffusoreinrichtung ist die Anzahl der Brennstoffdüsen 54 gleich der Anzahl der Streben 38. Damit sind in dem be­ sonderen Triebwerk vierundzwanzig Brennstoffdüsen und vier­ undzwanzig Streben 38 vorhanden. Darüber hinaus sind die Brennstoffdüsen 54 so angeordnet und ausgerichtet, daß sie jeweils bezüglich des Durchlasses 58 zwischen be­ nachbarten Streben mittig angeordnet diesem zugewandt sind, wie es durch die gestrichelte Linie A in Fig. 3b dargestellt ist.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 3a und 3b tritt die verdichtete Luft in den ringförmigen Einlaß des Ringdiffusors 20 ein und wird durch die im Querschnitt rechteckigen Durchlässe 58 geleitet, bevor sie in die übrige Diffusoreinrichtung 22 abgegeben wird.

Weiter sind bei der Diffusoreinrichtung die Streben 38 als keilförmige Körper ausgebildet, die ein stromaufwärts schmaleres Ende 60 haben, eine Hinterkante 62 an dem stromabwärtigen Ende haben und parallel zu der Strömung angeordnet sind. Die Hinterkante 62 ist gemäß Fig. 2 stumpf und liegt in der Ebene 21 des stromabwärtigen Endes des Ringdiffusors 20. Die stumpfe Ausbildung der Hinterkante 62 dient zum Verbessern der Strömung in der Umfangsrichtung mit einer sich dadurch ergebenden Verbesserung des Druckprofils, was zu einer verbesserten Kühlwirkung an dem Flammrohr 24 führt.

Claims (2)

1. Ringförmige Diffusoreinrichtung für ein Gasturbinen­ triebwerk mit einem Axialverdichter (18) und einem ring­ förmigen Flammrohr (24), die in einem Triebwerksgehäuse um die Triebwerksmittellinie (16) angeordnet sind, wobei ein Brennkammermantel (44) das Flammrohr (24) in radialem Ab­ stand umgibt und Teil der Diffusoreinrichtung (22) ist, wobei ein Ringdiffusor (20) nach dem Verdichter in axialem Abstand vor dem Flammrohr (24) angeordnet ist und zwei in radialem Abstand voneinander angeordnete ringförmige Wände (28, 30; 32, 34) hat, die einen ringförmigen Durchlaß be­ grenzen, der die aus dem Verdichter austretende Luft durch den Ringdiffusor (20) und in das Flammrohr (24) leitet, wobei erste Teile (28, 32) der ringförmigen Wände in bezug aufeinander konzentrisch sind und einen Leitschaufelab­ schnitt bilden, in welchem Leitschaufeln (36) zwischen den ringförmigen Wänden befestigt sind, und wobei zweite Teile (30, 34) der ringförmigen Wände sich radial nach innen bzw. außen in bezug aufeinander erweitern und den Ringdif­ fusor (20) bilden, an den sich die übrige Diffusoreinrich­ tung (22) mit einer stufenartigen Querschnittserweiterung anschließt, wobei in gegenseitigem Umfangsabstand angeord­ nete Streben (38) am Ende offene Durchlässe (58) begrenzen und die Mittellinien von in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Brennstoffdüsen (54) des Flammrohres (24) je­ weils mit den Mittellinien der am Ende offenen Durchlässe (58) zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Streben (38) zwischen den sich radial erweiternden zweiten Teilen (30, 34) der ringförmigen Wände des Ringdiffusors (20) erstrecken und am stromabwärtigen Ende eine stumpfe Hinterkante (62) aufweisen, die in der Ebene (21) des stromabwärtigen Endes des Ringdiffusors (20) liegt, und daß die Anzahl der Streben (38) gleich der Anzahl der Brennstoffdüsen (54) ist.

2. Diffusoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Streben (38) keilförmig sind, wobei sich das schmalere Ende (60) stromaufwärts von der stumpfen Hinterkante (62) befindet, und in Richtung der Luftströ­ mung in dem Ringdiffusor (20) angeordnet sind.