DE3324347C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Auslaßzentralkörper für ein Turbofan-Triebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Auslaßzentralkörper ist aus der GB 20 31 070 bekannt.

Aus der vorgenannten Druckschrift ist es auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerkstechnik bekannt, daß Verbesserungen der Turbofan-Triebwerksleistung erzielt werden können, wenn die Fanmantelstromluft mit den Kerntriebswerksabgasen wirksam vermischt wird und der vereinigte Strom durch eine einzelne Schubdüse abgegeben wird. Ein Auslaßsystem zum Vermischen der Fanmantelstromluft und der Abgase enthält einen gelappten Mischer, der stromabwärts von dem Kerntriebwerk angeordnet ist. Der gelappte Mischer zwingt die relativ heißen Abgase, sich mit der relativ kalten Fanmantelstromluft zu vermischen, um dadurch die thermodynamische Leistung zu verbessern und den spezifischen Brennstoffverbrauch zu verringern.

Eine verbesserte thermodynamische Leistung des Gasturbinentriebwerks ergibt sich, wenn der vereinigte Fan- und Kerntriebwerksauslaßstrom eine relativ gleichmäßige Temperatur, die wesentlich niedriger ist als die Spitzentemperaturen der unvermischten Ströme, in der Schubdüsenaustrittsebene hat. Verschiedene Parameter der Auslaßsystemgeometrie sind ausgewertet worden, um die Mischwirkung zu steigern, damit gleichmäßigere Temperaturverteilungen erzielt werden. Zu den ausgewerteten Parametern gehören beispielsweise die Anzahl der Lappen des Mischers, die Mischerhöhe, die Mischerlänge, die Mischerquerschnitte, die Mischerformen in der Endansicht und die Auszackungen am Mischerrand. Weitere geometrische Parameter, die ausgewertet worden sind, sind der Durchmesser, die Form und die Mischlänge des Auslaßsystemstrahlrohres.

Es ist jedoch festgestellt worden, daß, obgleich die Mischwirkung gesteigert werden kann, indem diese geometrischen Parameter geeignet verändert werden, parasitäre Druckverluste, die dem Auslaßsystem zugeordnet sind, im allgemeinen ebenfalls zunehmen. Beispielsweise ist in einem Turbofantriebwerk mit hohem Mantelstromverhältnis der dynamische Auslaßdruck im allgemeinen ein großer Anteil des Gesamtauslaßdruckes, wodurch das Triebwerk relativ großen parasitären Druckverlusten ausgesetzt ist. Demgemäß stellen bekannte Auslaßsysteme typisch Kompromißsysteme dar, die in der Mischwirkung durch die parasitären Druckverluste beschränkt sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Auslaßzentralkörper der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine bessere Mischwirkung ohne dementsprechend größere Druckverluste erzielt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Verwendung des in seiner Oberfläche gewellten Zentralkörpers mit den dadurch gebildeten Rillen und Wülsten ein verbessertes Abgassystem ergibt, dessen Mischung beträchtlich größer ist, ohne daß dadurch die parasitären Druckverluste wesentlich größer werden. Das ergibt einen verbesserten spezifischen Brennstoffverbrauch des Triebwerks.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Mischstrom-Gasturbinentriebwerks mit hohem Mantelstromverhältnis,

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung und teilweise im Schnitt das Abgassystem nach Fig. 1, das einen gelappten Mischer und einen verbesserten Auslaßzentralkörper aufweist,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht, die ausführlicher den gelappten Mischer und den Auslaßzentralkörper nach Fig. 2 zeigt,

Fig. 4 eine Endansicht des Mischers und des Auslaßzentralkörpers nach der Linie 4-4 in Fig. 3 und

Fig. 5 eine vergrößerte Endansicht eines Teils des Mischers und des Auslaßzentralkörpers nach Fig. 4, die dessen Durchflußquerschnitte zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Mischstromturbofantriebwerks 10 mit hohem Mantelstromverhältnis, das ein Auslaßsystem 12 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist. Das Turbofantriebwerk 10 hat einen Fan 14, der durch ein Kerntriebwerk 16 angetrieben wird, welches stromabwärts von dem Fan 14 und koaxial um eine Triebwerkslängsachse 18 angeordnet ist. Das Kerntriebwerk 16 enthält einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine (alle nicht dargestellt) und liefert relativ heiße Verbrennungsabgase 20.

Um das Kerntriebwerk 16 herum ist eine Kernverkleidung 22 angeordnet. Ein aerodynamisch stromlinienförmiger Auslaßzentralkörper 24 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die im folgenden beschrieben ist, ist an dem Kerntriebwerk 16 befestigt und erstreckt sich von einem ringförmigen stromabwärtigen Ende 26 der Kernverkleidung 22 aus stromabwärts. Der Auslaßzentralkörper 24 ist in radialem Abstand innen von einer inneren Fläche 28 der Kernverkleidung 22 angeordnet und begrenzt eine ringförmige Kerndüse 30 zum Ausstoßen der Abgase 20 aus dem Kerntriebwerk 16.

Um den Fan 14 und das Kerntriebwerk 16 herum ist eine Gondel 32 angeordnet, die in radialem Abstand außen um die Kernverkleidung 22 angeordnet ist und einen ringförmigen Mantelstromkanal 34 für relativ kalte Fanmantelstromluft 36 stromabwärts von dem Fan 14 begrenzt. Die Gondel 32 begrenzt zusammen mit dem stromabwärtigen Ende 26 der Kernverkleidung 22 eine ringförmige Fandüse 38 zum Ausstoßen der Fanmantelstromluft 36 oder einfach der Fanluft 36 aus dem Mantelstromkanal 34. Die Gondel 32 erstreckt sich von dem stromabwärtigen Ende 26 der Kernverkleidung 22 stromabwärts und begrenzt eine einzelne Abgasdüse 40 zum Ausstoßen sowohl der Fanluft 36 aus der Fandüse 38 als auch der Abgase 20 aus der Kerndüse 30 in einem vereinigten Mischstrom.

Innerhalb der Abgasdüse 40 ist ein gelappter Mischer 42 an dem stromabwärtigen Ende 26 der Kernverkleidung 22 befestigt und in radialem Abstand außen um den Auslaßzentralkörper 24 angeordnet. Der Mischer 42 vermischt die Fanluft 36 aus der Fandüse 38 und die Abgase 20 aus der Kerndüse 30, bevor der vereinigte Strom durch die Abgasdüse 40 ausgestoßen wird. Die Kombination aus dem Mischer 42, dem Auslaßzentralkörper 24, der Fandüse 38, der Kerndüse 30 und der Abgasdüse 40 bildet das Abgas- oder Auslaßsystem 12 des Triebwerks 10.

Ein Beispiel eines geeigneten Mischstromgasturbinentriebwerks mit einem gelappten Mischer ist in der US 41 47 029 beschrieben.

Eine Ausführungsform eines verbesserten Auslaßsystems 12, das einen Mischer 42 und einen verbesserten Auslaßzentralkörper 24 enthält, ist genauer in Fig. 2 gezeigt. Der verbesserte Auslaßzentralkörper 24 hat Vorrichtungen 44, die in Zusammenwirkung mit dem gelappten Mischer 42 die Mischwirkung des Auslaßsystems 12 steigern, ohne die Druckverluste darin nennenswert zu erhöhen.

In einer Ausführungsform umfassen die Vorrichtungen 44 mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Verformungen, die sich in einem Zwischenteil 46 einer radial äußeren Fläche 48 des Zentralkörpers 24 befinden. Gemäß den Fig. 2 und 3 ist der Zentralkörper 24 gewellt oder mit gegenseitigen Abstand aufweisenden Faltungen versehen und hat mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Vertiefungen oder Rillen 50, die sich mit Bezug auf eine nominelle Bezugsfläche 52 seines Zwischenteils 46 radial nach innen erstrecken. Die Bezugsfläche 52 stellt die äußere Oberfläche eines typischen bekannten Zentralkörpers dar, der nicht mit den Verformungen 44 versehen ist. Jede Rille 50 erstreckt sich außerdem im wesentlichen axial in dem Zwischenteil 46 und ist im wesentlichen parallel zu einer Längsachse 54 des Zentralkörpers 24 ausgerichtet. Wenn sich der Zentralkörper 24 in dem Triebwerk 10 befindet, ist seine Längsachse 54 mit der Längsachse 18 des Triebwerks 10 ausgerichtet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Der Zentralkörper 24 hat außerdem mehrere Wülste oder Rippen 56, die sich mit Bezug auf die nominale Bezugsfläche 52 radial nach außen erstrecken. Jede Wulst 56 erstreckt sich ebenfalls im wesentlichen axial in dem Zwischenteil 46 und ist parallel zu und zwischen benachbarten Rillen 50 angeordnet.

In den Fig. 3 und 4 sind der gelappte Mischer 42 und der Zentralkörper 24 genauer dargestellt. Der gelappte Mischer 42 hat mehrere auf den Umfang im Abstand angeordnete und miteinander abwechselnde radial innere Lappen 58 und radial äußere Lappen 60. Die inneren Lappen 58 erstrecken sich von dem stromabwärtigen Ende 26 der Kernverkleidung 22 aus und sind in bezug auf die Strömungsrichtung axial nach hinten bis zu einem kleineren Durchmesser in einer Mischeraustrittsebene 62, die durch die Linie 4-4 angegeben ist, geneigt. Die inneren Lappen 58 sind im Querschnitt insgesamt U-förmig und bilden in Zusammenwirkung mit gegenseitigen Abstand aufweisenden, im wesentlichen parallelen Seitenwänden 64 Kaltgas-Rinnen oder -Kanäle 66. Die Kaltgas-Rinnen 66 stehen mit der Fandüse 38 in Strömungsverbindung.

Die äußeren Lappen 60 erstrecken sich ebenfalls von dem stromabwärtigen Ende 26 der Kernverkleidung 22 aus und sind stromabwärts bis zu einem Durchmesser geneigt, der größer ist als der Durchmesser, bis zu dem die inneren Lappen 58 geneigt sind. Die äußeren Lappen 60 sind ebenfalls im Querschnitt insgesamt U-förmig und bilden in Zusammenwirkung mit den Seitenwänden 64 Heißgas-Rinnen oder -Kanäle 68. Die Heißgas-Rinnen 68 stehen mit der Kerndüse 30 in Strömungsverbindung.

Gemäß Fig. 3 hat die radial äußere Fläche 48 des Zentralkörpers 24 außerdem einen stromaufwärtigen Teil 70 und einen stromabwärtigen Teil 72, zwischen denen der Zwischenteil 46 angeordnet ist. Alle diese Teile sind koaxial um die Längsachse 54 des Zentralkörpers 24 angeordnet. Der stromabwärtige Teil 72 ist in stromabwärtiger Richtung von dem Zwischenteil 46 aus radial nach innen geneigt. Der stromaufwärtige Teil 70 ist in stromaufwärtiger Richtung radial nach innen geneigt und an dem Kerntriebwerk 16 befestigt, um den Zentralkörper 24 daran abzustützen.

Gemäß der genaueren Darstellung in den Fig. 3, 4 und 5 hat der Zentralkörper 24 die nominale Bezugsfläche 52, die benutzt wird, um die Ausrichtung der Rillen 50 und der Wülste 56 des Zentralkörpers 24 zu beschreiben. Die Rillen 50 haben einen insgesamt gekrümmten, konkaven Querschnitt und erstrecken sich von der nominalen Bezugsfläche 52 aus radial nach innen. Jede Rille 50 ist vorzugsweise im wesentlichen axial parallel zu einem äußeren Lappen 60 des Mischers 42 ausgerichtet und liegt diesem direkt gegenüber.

Die Wülste oder Rippen 56 haben einen insgesamt gekrümmten, konvexen Querschnitt und erstrecken sich von der nominalen Bezugsfläche 52 aus radial nach außen. Jede Wulst 56 ist vorzugsweise im wesentlichen axial parallel zu einem inneren Lappen 58 ausgerichtet und liegt diesem direkt gegenüber.

Gemäß den Fig. 3 und 5 wird ein Strömungsquerschnitt 74 der Heißgas-Rinnen 68 in der Mischeraustrittsebene 62 begrenzt und stellt einen Einheitsströmungsquerschnitt dar, durch den die heißen Abgase 20 strömen, nachdem sie die Kerndüse 30 verlassen haben. Die Mischeraustrittsebene 62 ist als diejenige Ebene definiert, die sich durch den Zwischenteil 46 des Zentralkörpers 24 erstreckt und mit einem stromabwärtigen Ende des gelappten Mischers 42 im wesentlichen ausgerichtet ist.

Es ist bekannt, daß der Strömungsquerschnitt 74 der Heißgas-Rinnen 68 eines typischen Mischstromauslaßsystems ein vorbestimmter fester Wert ist, der auf ausgewählten Parametern des thermodynamischen Zyklus des Triebwerks basiert. Die geometrischen Parameter des Auslaßsystems, die oben angegeben sind, werden anschließend ausgewählt, um eine Kompromißkombination aus der Mischwirkung und dem Mischerdruckverlust zu erzielen und gleichzeitig den Strömungsquerschnitt 74 der Heißgas-Rinnen 68 auf dem vorbestimmten Wert zu halten.

Bei einem bekannten Zentralkörper ist der Strömungsquerschnitt 74 der Heißgas-Rinnen 68 typisch als derjenige Strömungsquerschnitt definiert, der durch eine innere Oberfläche des Mischers 42 und die äußere Oberfläche des Zentralkörpers 24, welche durch die nominale Oberfläche 52 dargestellt ist, dividiert durch die Anzahl der inneren Lappen 58 oder der äußeren Lappen 60, begrenzt wird. Typisch gibt es die gleiche Anzahl von inneren Lappen 58 und äußeren Lappen 60, vorzugsweise jeweils achtzehn, obgleich andere Lappenzahlen benutzt werden können.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, sind der Zentralkörper 24 und der gelappte Mischer 42 auf vorbestimmte Weise gegenüber dem Stand der Technik umkonstruiert worden, um die Mischwirkung in dem typischen Mischstromauslaßsystem zu steigern, ohne die Druckverluste darin wesentlich zu erhöhen. Obgleich der Zentralkörper 24 umkonstruiert worden ist, wird bevorzugt, den Strömungsquerschnitt 74 der Heißgas-Rinnen 68 auf demselben Wert wie bei einem bekannten Auslaßsystem zu lassen.

Wenn der verbesserte Zentralkörper 24 vorgesehen wird, kann demgemäß der Strömungsquerschnitt 74 der Heißgas-Rinnen 68 statt dessen als der Strömungsquerschnitt definiert werden, der durch die inneren Oberflächen der Hälfte von benachbarten inneren Lappen 58, des äußeren Lappens 60, der Seitenwände 64 und der radial äußeren Oberflächen der Rille 50 sowie der Hälfte von benachbarten Wülsten 56 des Zentralkörpers 24 begrenzt wird.

Gemäß der Darstellung in Fig. 5 hat jede Wulst 56 des Zentralkörpers 24 eine Wulstquerschnittsfläche 76, die als diejenige Fläche definiert ist, welche durch die konvexe äußere Oberfläche der Wulst 56 und die nominale Bezugsfläche 52 begrenzt wird. Ebenso hat jede Rille 50 eine Rillenquerschnittsfläche 78, die als diejenige Querschnittsfläche definiert ist, welche durch die konkave äußere Oberfläche der Rille 50 und die nominale Bezugsfläche 52 begrenzt wird. Vorzugsweise wird die Wulstquerschnittsfläche 76 gleich der Rillenquerschnittsfläche 78 gewählt, so daß der zusätzliche Durchflußquerschnitt aufgrund der Rillen 50 durch den Verlust an Durchflußquerschnitt aufgrund der Wülste 56 kompensiert wird. Auf diese Weise bleibt der Strömungsquerschnitt 74 der Heißgas-Rinnen 68 auf dem vorbestimmten Wert, der auf den oben beschriebenen Parametern des thermodynamischen Zyklus basiert, selbst wenn die Wülste 56 und die Rillen 50 an dem Zentralkörper 24 vorhanden sind.

Gemäß den Fig. 3 und 4 ist der Radius des Zentralkörpers 24 in bezug auf die Längsachse 54 an den Wülsten 56 oder der Wulstradius R₁ minus dem Radius des Zentralkörpers 24 in den Rillen 50 oder dem Rillenradius R₂ gleich einer Tiefe d, die einen Maximalwert D in der Mischeraustrittsebene 62 hat. Zum Reduzieren der parasitären Druckverluste, die dem Zentralkörper 24 zuzuschreiben sind, gehen die Rillen 50 und die Wülste 56 des Zwischenteils 46 aerodynamisch in den stromaufwärtigen Teil 70 und den stromabwärtigen Teil 72 des Zentralkörpers 24 über.

Die Tiefe d verändert sich von dem Maximalwert D in der Mischeraustrittsebene 62 auf einen Wert von im wesentlichen null an den Verbindungsstellen des Zwischenteils 46 mit dem stromabwärtigen Teil 72 und dem stromaufwärtigen Teil 70 des Zentralkörpers 24. Die Wülste 56 und die Rillen 50 gehen daher aerodynamisch ineinander über, und zwar in stromaufwärtiger Richtung in einem vorderen Übergangsgebiet 80 und in stromabwärtiger Richtung in einem stromabwärtigen Übergangsgebiet 82 des Zentralkörpers 24.

Die Verwendung des verbesserten Zentralkörpers 24, der die Rillen 50 und die Wülste 56, den vorbestimmten Strömungsquerschnitt 74 der Heißgas-Rinnen 68 und das aerodynamische Ineinanderübergehen der Rillen 50 und der Wülste 56 in der äußeren Oberfläche 48 hat, ergibt ein verbessertes Auslaßsystem 12, dessen Mischwirkung beträchtlich größer ist, ohne daß die parasitären Druckverluste gegenüber denen des Standes der Technik wesentlich größer sind. Das ergibt einen verbesserten spezifischen Brennstoffverbrauch des Triebwerks 10.

In einer anderen Ausführungsform des Auslaßsystems 12 kann der Strömungsquerschnitt 74 der Heißgas-Rinnen 68, der in Fig. 5 gezeigt ist, fest bleiben, obgleich der Wulstquerschnitt 76 und der Rillenquerschnitt 78 ungleich gemacht werden. Das kann beispielsweise erreicht werden, indem auf vorbestimmte Weise die Seitenwände 64 des Mischers 42 näher zusammen ober weiter auseinander gebracht werden, um jedwede Strömungsquerschnittsänderungen aufgrund ungleicher Wülste 56 und Rillen 50 zu kompensieren.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsformen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann der Zentralkörper 24 entweder die Rillen 50 oder die Wülste 56 allein aufweisen, wobei die Tiefe d in Fig. 3 die radiale Ausdehnung der Rillen 50 oder der Wülste 56 ab der nominalen Bezugsfläche 52 angibt. Die Wülste 56 und die Rillen 50 sind zwar mit gekrümmtem Profil dargestellt worden, sie können jedoch auch andere Profile haben, beispielsweise V-förmige Profile.

Weiter können auch andere Arten von Mischern 42 für die Zusammenwirkung mit dem Zentralkörper 24 benutzt werden. In einer Ausführungsform kann der Mischer 42 Seitenwände 64 aufweisen, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, die nach stromabwärts gerichteten Auszackungen (nicht dargestellt) am Rand haben.

Claims (5)

1. Auslaßzentralkörper für ein Turbofan-Triebwerk, enthaltend:
einen Fan,
ein Kerntriebwerk und
eine Kernverkleidung, die das Kerntriebwerk umgibt und im Abstand radial außen davon angeordnet ist, wobei sich der Auslaßzentralkörper von dem stromabwärtigen Ende des Kerntriebwerks aus erstreckt und in radialem Abstand innen von der Kernverkleidung angeordnet ist und eine ringförmige Kerndüse begrenzt,
eine Gondel, die den Fan und die Kernverkleidung umgibt und einen ringförmigen Mantelstromkanal und eine stromabwärtige ringförmige Fandüse begrenzt zum Ausstoßen von Fanluft aus dem Mantelstromkanal,
einen gelappten Mischer am stromabwärtigen Ende der Kernverkleidung, der mehrere in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete und abwechselnde innere und äußere Lappen aufweist, die Heißgas-Rinnen für heiße Abgase und Kaltgas-Rinnen für kalte Fanluft bilden, wobei die Gondel eine Abgasdüse stromabwärts von dem Mischer bildet zum Ausstoßen von sowohl Fanluft als auch Abgasen, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßzentralkörper (24) einen Zwischenteil (46) aufweist, der radial innen und gegenüber von dem gelappten Mischer (42) angeordnet ist und mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete und axial verlaufende Rillen (50) aufweist, die sich jeweils von einer nominalen Fläche (52) des Zwischenteils (46) aus radial nach innen erstrecken.

2. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenteil (46) mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete und axial verlaufende Wülste (56) aufweist, die jeweils zwischen zwei Rillen (50) angeordnet sind, um dem Zwischenteil (46) des Auslaßzentralkörpers (24) eine gewellte Form zu geben, und die sich jeweils von der nominalen Fläche (52) des Auslaßzentralkörpers (24) radial nach außen erstrecken, wobei jede Rille (50) auf eine entsprechende Heißgas-Rinne (68) des gelappten Mischers (42) und jeder Wulst (56) auf eine entsprechende Kaltgas-Rinne (66) des gelappten Mischers gerichtet ist.

3. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußeren Oberflächen (48) der Rillen (50) und der Wülste (56) und die radial inneren Oberflächen der Heißgas-Rinnen (68) und der Kaltgas-Rinnen (66) einen Strömungsquerschnitt (74) zwischen sich begrenzen, der einem Strömungsquerschnitt entspricht, welcher von der nominalen Fläche (52) des Zwischenteils (46) begrenzt ist.

4. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßzentralkörper (24) glatte stromaufwärtige und stromabwärtige Oberflächen aufweist und die Rillen (50) und Wülste (56) in axialer Richtung dazwischen Übergangsgebiete (80, 82) bilden, in denen die radiale Ausdehnung jeder Rille und jedes Wulstes verschwindet, um den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Teil der Rillen und Wülste in die nominale Fläche (52) übergehen zu lassen.

5. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Wulst (56) von der nominalen Fläche (52) des Zwischenteils (46) radial nach außen erstreckt und eine Wulstquerschnittsfläche (76) zwischen seiner äußeren Oberfläche und der nominalen Fläche (52) begrenzt und daß sich jede Rille (50) von der nominalen Fläche (52) radial nach innen erstreckt und eine Rillenquerschnittsfläche (78) zwischen ihrer äußeren Oberfläche und der nominalen Fläche (52) begrenzt, wobei die Wulstquerschnittsfläche (76) gleich der Rillenquerschnittsfläche (78) ist.