DE3543356A1

DE3543356A1 - Gasturbinentriebwerksschubverstaerker und dafuer vorgesehener einsatz

Info

Publication number: DE3543356A1
Application number: DE19853543356
Authority: DE
Inventors: Chester Joseph Mahant Mass. Lamando jun.; John William Marblehead Mass. Vdoviak
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-12-17
Filing date: 1985-12-07
Publication date: 1986-06-19
Also published as: SE8505707L; GB2169696A; GB8530280D0; JPS61155652A; FR2574859A1; CA1256708A; SE458549B; GB2206686A; SE8505707D0; SE8803527D0; US4833881A; IT8523205A0; GB8813184D0; GB2169696B; SE8803527L; IT1200886B; FR2574859B1; GB2206686B

Description

3543355

9717.6-13LN-01533 General Electric Company

Gasturbinentriebwerksschubverstärker und dafür vorgesehener Einsatz

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerksschubverstärker und betrifft insbesondere einen verbesserten Schubverstärkereinsatz, der geringere Mengen an Kühlluft erfordert und verbesserte Quietschunterdrückungseinrichtungen hat.

Gasturbinentriebwerksschubverstärker und dafür vorgesehene Kühleinsätze sind bekannt. Es sind verschiedene Arten von Kühleinsätzen bekannt, die mit verschiedenen Wirkungsgradwerten arbeiten. Ein Kühleinsatz sollte jedoch zumindest so wirksam sein, daß er das tragende Verstärkergehäuse vor heißen Schubverstärkerverbrennungsgasen abschirmt, Kühlluft einer Schubdüse zuführt, die am stromabwärtigen Ende des Schubverstärkers angeordnet ist, und für Quietschunterdrükkung in dem Schubverstärker sorgt.

"Quietschen" (screech) ist ein bekannter Begriff, der einfach intensive, durch die Verbrennung hervorgerufene hochfrequente Druckschwingungen bezeichnet, die unter gewissen Bedingungen in dem Schubverstärker erzeugt werden, vgl.

beispielsweise die US-PS 3 041 836, die eine Einrichtung zum Eliminieren von Quietschen in Strahltriebwerken beschreibt. Unkontrolliertes Quietschen reduziert die Dauerschwingfestigkeit des Schubverstärkers für hochfrequent auftretende Lastspiele, und zwar hauptsächlich aufgrund von drei Moden von durch Quietschen hervorgerufener Vibration, nämlich Radial-, Umfangs- und Axialmoden sowie Kombinationen derselben.

Vorzugsweise sollte der Schubverstärkerkühleinsatz das Gehäuse thermisch abschirmen und zulässige Werte der Metalltemperatur aufrechterhalten, die sich mit Haltbarkeits- und Lebensdauererfordernissen für den Schubverstärker vertragen, und dabei die geringst mögliche Menge an Triebwerkskühlluft benutzen.

Der Schubverstärkerverbrennungswirkungsgrad ist direkt proportional zu der Menge an abgegebenen Gasen, die aus dem Gasturbinentriebwerk verfügbar sind. Demgemäß verringern alle vom Triebwerk abgegebenen Gase, beispielswiese Fanmantelstromluft, die zum Kühlen des Schubverstärkereinsatzes und nicht für den Schubverstärkerverbrennungsprozeß benutzt werden, die Temperaturleistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad des Schubverstärkers. Es ist daher offensichtlich, daß das Verringern der Kühlluftmenge, die in dem Schubverstärker benötigt wird, den Schubverstärkerwirkungsgrad entsprechend vergrößert.

Schubverstärker sind jedoch im allgemeinen im Vergleich zur Triebwerksgröße lange Gebilde und müssen relativ hohe Verbrennungsgastemperaturen aushalten, und diese beiden Bedingungen erfordern eine beträchtliche Menge an Kühlluft. Es sind Gasturbinentriebwerksschubverstärker bekannt, die relativ gut wirksame Filmkühlgebilde benutzen, wie sie bei-

spielsweise in Triebwerksbrennkammern zu finden sind. Die Filmkühlung erfolgt typisch durch Umfangsfilmkühlwülste, die Schlitze haben, welche in relativ engen axialen Positionen angeordnet sind, so daß die Filmkühlungswirksamkeit von einem Schlitz zum nächsten relativ hoch bleibt.

Außerdem sind Schubverstärker bekannt, bei denen konvektionsgekühlte Einsätze benutzt werden. Konvektionsgekühlte Einsätze sind jedoch nicht so wirksam wie filmgekühlte Einsätze und sie sind, obgleich sie mit weniger Kühlluft arbeiten können, in fortschrittlichen Schubverstärkern, die relativ hohe Verbrennungstemperaturen haben, nicht wirksam genug,

Schubverstärker enthalten typisch auch irgendeine Form einer Quietschunterdrückungseinrichtung. Beispielsweise ist es bekannt, kleine Löcher mit relativ hoher Dichte in dem vorderen Abschnitt eines Einsatzes nach dem Schubverstärkerflammenhalter zu benutzen, um Quietschen zu unterdrücken. In einer Ausführungsform sind jedoch diese Quietschunterdrückungslöcher mit einem Schubverstärkerumgehungskanal in Verbindung, der zwischen einem äußeren Gehäuse und dem Einsatz gebildet ist, was deshalb zur Leckage von Kühlluft durch diese Löcher in den Schubverstärker führt. Diese leckende Kühlluft kühlt zwar die Quietschunterdrückungseinrichtung des Einsatzes, ist jedoch weniger wirksam als Filmkühlschlitze.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten Gasturbinentriebwerksschubverstärker zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung ein neuer und verbesserter Schubverstärkereinsatz geschaffen werden, der geringere Mengen an Kühlluft erfordert und so die Schubverstärkerleistung und den Schubverstärkerwirkungsgrad verbessert.

-44 -

Ferner soll durch die Erfindung ein Schubverstärkereinsatz geschaffen werden, der die verfügbare Kühlluft wirksamer aufteilt und ausnutzt.

Außerdem soll durch die Erfindung ein neuer und verbesserter Schubverstärker geschaffen werden, der eine verbesserte Quietschunterdrückungseinrichtung hat.

Beschrieben ist ein neuer und verbesserter Gasturbinentriebwerksschubverstärker mit einem Einsatz (Flammrohr), der einen filmkühlbaren ersten Teil hat, welcher mit einem konvektionskühlbaren zweiten Teil verbunden ist. Ein Kühlgas, wie beispielsweise Fanmantelstromluft, wird dem Einsatz zur Filmkühlung des ersten Teils und zur Schaffung eines Restkühlfilms an dem zweiten Teil zugeleitet. Der zweite Teil ist durch Luft, die über seine äußere Oberfläche hinweggeht, ebenfalls konvektionskühlbar. Die Verwendung dieses ersten und dieses zweiten Einsatzteils erlaubt eine Verringerung der Menge an Kühlluft, die im Vergleich zu einem Einsatz erforderlich ist, welcher auf seiner gesamten axialen Länge nur Filmkühleinrichtungen hat. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung hat der Schubverstärkereinsatz außerdem einen Quietschunterdrückungsteil, der an einem stromaufwärtigen Ende des ersten Teils und stromabwärts von einem Flammenhalter angeordnet ist. Der Quietschunterdrückungsteil hat eine im wesentlichen ungelochte äußere Wand und mit Abstand davon eine innere Wand, die zwischen sich einen Sammelraum begrenzen. Die innere Wand hat mehrere Löcher in Strömungsverbindung mit der Verbrennungszone. Der Sammelraum und die Löcher unterdrücken Quietschen und verhindern im wesentlichen die Leckage von Kühlluft.

Ausführungsbeispiels der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

-45 -

Fig· 1 eine Längsschnittansicht eines Gastur

binentriebwerks mit einem Schubverstärker nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Längsschnittansicht des

Schubverstärkers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine isometrische Schnittansicht eines

filmgekühlten Teils eines in Fig. 1 dargestellten Einsatzes,

Fig. 4 eine isometrische Schnittansicht eines

Quietschunterdrückungsteils des Schubverstärkereinsatzes nach Fig. 1,

Fig. 5 eine isometrische Schnittansicht einer

weiteren Ausführungsform des Quietschunterdrückungsteils des Schubverstärkers nach Fig. 1 und

Fig. 5A eine Teilendansicht des Schubverstär-

kerquietschunterdrückungsteils, der in Fig. 5 dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt ein exemplarisches Gasturbofantriebwerk 10, das mit Fanmantelstromluft arbeitet und einen Schubverstärker oder Nachbrenner 12 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Der Schubverstärker 12 ist an dem stromabwärtigen Ende des Triebwerks 10 durch einen ringförmigen Befestigungsflansch 14 befestigt. Das Triebwerk 10 hat einen Fan 16 an seinem stromaufwärtigen Ende und ein Kerntriebwerk 18, das einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine (nicht dargestellt) enthält, die in Strömungsverbindung mit dem Fan 16 angeordnet sind. Ein Fanmantalstromkanal 20 ist um das Kerntriebwerk 18 angeordnet.

Der Schubverstärker 12 hat ein zylindrisches äußeres Gehäuse 22 mit einem Einlaß 24, der an seinem stromaufwärtigen Ende angeordnet ist, und mit einem Auslaß 26, der an seinem stromabwärtigen Ende angeordnet ist. Eine herkömmliche Schubdüse 28, die mehrere umfangsmäßig angeordnete, verstellbare Klappen aufweist, ist an dem Gehäuseauslaß 26 befestigt.

Der Grundaufbau und die Arbeitsweise des mit Schubverstärker versehenen Mantelstromtriebwerks 10 sind ausführlicher in der US-PS 3 750 402 beschrieben, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.

Die gesamte Triebwerksluftströmung, die durch die gesamte Fanluft 30 dargestellt ist, welche in den Fan 16 eintritt, d.h. 100%,wird geeignet durch das Triebwerk 10 geleitet. Als Beispiel gewählte Anteile von Gasen, die durch das Triebwerk 10 und durch den Schubverstärker 12 strömen, werden im folgenden angegeben, um die Vorteile der Erfindung besser zu verdeutlichen. Etwa 30% der Fanluft 30 werden als Fanmantelstromluft 32 durch den Mantelstromkanal 20 geleitet, und etwa 70% der Fanluft 30 werden durch das Kerntriebwerk 18 geleitet und mit Brennstoff vermischt, um Kerntriebwerksgase 34 zu erzeugen, die von dem Kerntriebwerk 18 abgegeben werden. Die Fanmantelstromluft 32 stellt einen ersten Teil der Gesamttriebwerksluftströmung 30 oder, mit anderen Worten, der gesamten Gase dar, die von dem Triebwerk 10 abgegeben werden, und die Kerntriebwerksgase 34 stellen einen komplementären zweiten Teil der gesamten Triebwerksluftströmung 30 oder, mit anderen Worten, der gesamten Gase dar, die von dem Triebwerk 10 abgegeben werden. Die gesamten von dem Triebwerk abgegebenen Gase (d.h. die Mantelstromluft 32 und die Kerntriebwerksgase 34) werden dann aus dem MantelStromkanal 20 und dem Kerntriebwerk 18 zu dem Schubverstärker 12 geleitet.

Der Schubverstärker 12, der in einer bevorzugten, exemplarischen Ausführungsform der Erfindung in Fig. 2 dargestellt ist, hat mehrere im gegenseitigen Umfangsabstand angeordnete

Brennstoffeinspritzvorrichtungen 36, die in dem Einlaß 24 angeordnet sind. Ein herkömmlicher ringförmiger Flammenhalter 38 ist stromabwärts der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 36 angeordnet. Der Schubverstärker 12 enthält weiter einen ringförmigen Nachbrennerkühleinsatz 40, der eine radial innere Oberfläche 42 und eine radial äußere Oberfläche 4 4 hat. Das Gehäuse 22 und die äußere Oberfläche 44 der Auskleidung 40 begrenzen zwischen sich einen Kühl- oder Schubverstärkerumgehungskanal 46, und die innere Oberfläche 42 des Einsatzes begrenzt eine ringförmige Schubverstärkerverbrennungszone 48,

Der Schubverstärker 12 enthält weiter einen herkömmlichen gelappten Mischer 49, der mit dem Kerntriebwerk 18 verbunden ist und sich zu einem stromaufwärtigen Ende des Einsatzes 40 erstreckt und Abstand von diesem hat. Der Fanmantelstromkanal 20 ist in Strömungsverbindung mit dem Schubverstärkerumgehungskanal 46 und dem Mischer 49 so angeordnet, daß ein Teil der Fanmantelstromluft 32 als Umgehungskanalluft 50 in den Umgehungskanal 46 geleitet wird. Der übrige Teil der Mantelstromluft 32 wird als Schubverstärkerverbrennungsluft 52 durch den Mischer 49 zu dem Flammenhalter 38 in dem Einlaß 24 geleitet.

Lediglich zu Vergleichszwecken sei angegeben, daß Tests gezeigt haben, daß die Erfindung eine geringere Menge an Umgehungskanalkühlluft 50 gestattet, die etwa 10% der Gesamttriebwerksluftströmung 30 darstellt, wobei die Verbrennungsluft 52 etwa 20% der Gesamttriebwerksluft 30 ausmacht. Die Verbrennungsluft 52 wird dem Flammenhalter 38 zugeleitet und vereinigt sich mit den Kerntriebwerksgasen 34, wobei die vereinigten Gase etwa 90% der Gesamttriebwerksluftströmung 30 darstellen. Tests haben außerdem gezeigt, daß bei vergleichbaren Betriebsbedingungen und Schubverstärkereinsatztemperaturen in dem Bereich von etwa 593°C (1100⁰F) bis

etwa 816°C (1500⁰F) eine herkömmliche Schubverstärkerkonstruktion, die hauptsächlich nur Filmkühleinrichtungen hat, Umgehungskanalluft 50 erfordert, die etwa 15% der Luftströmung 30 darstellt, um den Einsatz des Schubverstärkers ausreichend zu kühlen, wogegen nur 15% der Luftströmung 30 als Verbrennungsluft 52 benutzt werden. Als ein direktes Ergebnis der vorliegenden Erfindung haben Tests gezeigt, daß die Umgehungskanalluft 50 von 15% auf etwa 10% reduziert werden kann, also eine Verringerung von 1/3, und daß die Verbrennungsluft 52 von 15% auf etwa 20% vergrößert werden kann, um die Leistung des Schubverstärkers 12 zu steigern und gleichzeitig eine akzeptable Kühlung des Einsatzes 40 innerhalb dieses Einsatztemperaturbereiches aufrechtzuerhalten. Tests haben außerdem gezeigt, daß der Schubverstärkerwirkungsgrad aufgrund einer solchen Verringerung der Umgehungskanalluftströmung 50 um wenigstens etwa 5% gesteigert wird.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 3 hat der Schubverstärkereinsatz 40 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einen ersten Teil 54 mit einer herkömmlichen Filmkühleinrichtung 55, der stromabwärts des Flammenhalters 38 angeordnet ist. Der erste Teil 54 hat ein stromaufwärtiges Ende 56 und ein stromabwärtiges Ende 58. Die Filmkühleinrichtung 55 weist mehrere in gegenseitigem Axialabstand angeordnete und sich in Umfangsrichtung erstreckende Kühlwülste 60 auf, die jeweils Teile haben, welche eine sich in Umfangsrichtung erstreckende ringförmige Tasche 62 begrenzen. Die Wülste 60 haben außerdem mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende Einlaßöffnungen 64, die in Strömungsverbindung mit dem Umgehungskanal 46 sind. Die Wülste 60 sind auf vorbestimmte Weise dimensioniert, so daß sie kollektiv einen ersten Teil 66 der Umgehungskanalluft 50 empfangen und durch einen nach innen weisenden Filmschlitz 68 der Wulst 60 leiten, um eine Kühlluftgrenzschicht 70 längs der inneren Oberfläche 42a des ersten Teils 54 des Einsatzes 40 zu erzeugen.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 hat der Einsatz 40 weiter einen im wesentlichen ungelochten, konvektionskühlbaren zweiten Teil 72, der sich von dem stromabwärtigen Ende 5& zu dem Gehäuseauslaß 26 erstreckt. Der zweite Teil 72 des Einsatzes hat ein stromaufwärtiges Ende 74, das mit dem stromabwärtigen Ende 58 des ersten Teils 54 des Einsätzen 40 verbunden ist, und ein stromabwärtiges Ende 76. Der zweite Teil 72 des Einsatzes hat vorzugsweise mehrere sich umfangsmäßig erstreckende, axialen Abstand aufweisende, insgesamt wellenförmige Versteifungswindungen 78. Das stromabwärtige Ende 76 ist mit Abstand stromaufwärts von der Schubdüse 28 angeordnet und bildet eine ringförmige Auslaßöffnung 80 des Schubverstärkerumgehungskanal 46.

Ein zweiter Teil 82 der Umgehungskanalluft 50, der nach dem ersten Teil 66 verbleibt, wird durch die öffnungen 64 geleitet und strömt über die äußere Oberfläche 44b des zweiten Teils 72 des Einsatzes 40, um diesen durch Konvektion zu kühlen. Der zweite Luftteil 82 wird dann aus der Auslaßöffnung 80 hinausgeleitet, die geeignet angeordnet und dimensioniert ist, um eine Filmkühlung der Klappen der Schubdüse 28 zu erzeugen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung stellt der zweite Teil 82 der Umgehungskanalluft 50 etwa 7% der Gesamttriebwerksluftströmung 30 dar, was zusammen mit dem ersten Teil 66 der Umgehungskanalluft von etwa 3% die Gesamtumgehungskanalluft 50 von etwa 10% darstellt.

Zum wirksamen Kühlen des Einsatzes 40 und der Schubdüse 28 sind die Wulsteinlaßöffnungen 64 und die Umgehungskanalauslaßöffnung 80 auf vorbestimmte Weise dimensioniert, so daß sie gemeinsam im wesentlichen die gesamte Umgehungskanalluft 50 durchlassen. Zusätzliche Kühlluftströme sind nicht erforderlich.

-.ie--

Ein weiteres wichtiges Element der Erfindung ist gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 4 eine Einrichtung zum Unterdrücken von Quietschen in Form eines dritten Einsatzteils 84, der stromabwärts von dem Flammenhalter 38 angeordnet ist und sich stromabwärts zu dem stromaufwärtigen Ende 56 des ersten Teils 54 des Einsatzes 40 erstreckt. Die Quietschunterdrükkungseinrichtung 84 unterdrückt Quietschen in dem Schubverstärker 12 und hat ein stromaufwärtiges Ende 86, das an dem Gehäuse 22 befestigt ist, und ein stromabwärtiges Ende 88, das mit dem stromaufwärtigen Ende 56 des ersten Teils 54 des Einsatzes 40 verbunden ist. Der dritte Teil 84 des Einsatzes hat weiter eine radial nach innen weisende zylindrische innere Wand 90 mit mehreren Löchern 92, die in Strömungsverbindung mit der Verbrennungszone 48 angeordnet und hinsichtlich Größe und Muster ihrer Anordnung so gewählt sind, daß Quietschen unterdrückt wird. Der dritte Teil 84 des Einsatzes hat außerdem eine radial nach außen weisende äußere Wand 94, die Abstand von der inneren Wand 90 aufweist, so daß diese Wände zwischen sich einen vorzugsweise leeren Sammelraum 96 begrenzen, und hat zur Bildung eines Teils des Umgehungskanals 46 Abstand zu dem Gehäuse 22. Der dritte Einsatzteil 84 ist durch die über ihn hinwegleitbare Umgehungskanalluft 50 wirksam konvektionskühlbar. Der Sammelraum 96 und die Löcher 92 sind auf vorbestimmte Weise dimensioniert, um Quietschen in dem Schubverstärker 12 zu reduzieren.

Die äußere Wand 94 des Einsatzquietschunterdrückungsteils 84 ist vorzugsweise ungelocht und gestattet deshalb keine Leckage der Umgehungskanalluft 50 aus dem Umgehungskanal 46 und in die Verbrennungszone 48. Das Eliminieren der Luftströmungsleckage durch den Quietschunterdrückungsteil 84 verbessert den Schubverstärkerwirkungsgrad.

Die äußere Wand 94 kann zwar im wesentlichen ungelocht sein, trotzdem jedoch eine Anzahl von im wesentlichen kleinen Be-

- yr -

lüftungslöchern 98 gemäß der Darstellung in Fig. 4 aufweisen, die einen Rückstrom von Gasen aus der Verbrennungszone 48 in den Sammelraum 96 verhindern. Ein Rückstrom ist unerwünscht, weil er beispielsweise gestatten würde, daß sich ein Brennstoff/Luft-Gemisch in dem Sammelraum 96 samirfelt und darin unerwünschte Ablagerungen bildet, die die Quietschunterdrückungsleistung verschlechtern würden. Demgemäß sind die Belüftungslöcher 98 so bemessen, daß sie eine im wesentlichen kleine Strömungsmenge, d.h. einen dritten Teil 100 der Umgehungskanalluft 50 liefern, der etwa 0,5% der Gesamttriebwerksluftströmung 30 darstellt.

Der Schubverstärker 12 nach der Erfindung hat also neue Elemente, und die neuen Elemente und deren Zusammenwirkung führen zu einer Verringerung der Luftmenge, die zum Kühlen des Einsatzes 40 benötigt wird, und bilden dabei die verbesserte Quietschunterdrückungseinrichtung 84. Während herkömmliche Quietschunterdrückungseinrichtungen typisch mehrere Löcher aufweisen, durch die hindurch Umgehungskanal luft ;",n die Brennkammer lecken kann, reduziert der Quietschunterdrückungseinsatzteil 84 nach der Erfindung diese Strömung auf ein Minimum oder überhaupt auf null. Es ist festgestellt worden, daß die Kühlwirkung der durch die herkömmliche Quietschunterdrückungseinrichtung hindurchgehenden Luft, welche in Fällen hoher Temperatur erforderlich ist, in denen die Einsatztemperaturen auf Werten unterhalb von etwa 816⁰C (1500⁰F) gehalten werden müssen, bei dem Quietschunterdrükkungseinsatzteil 84 nicht erforderlich ist. Es wird angenommen, daß deshalb, weil der Quietschunterdrückungsteil 84 unmittelbar stromabwärts des Flammenhalters 38 und stromaufwärts des mittleren Teils der Verbrennungszone 48 angeordnet ist, er nicht relativ hohen Temperaturen ausgesetzt ist, weshalb die Konvektionskühlung der äußeren Wand 94 zum Aufrechterhalten von akzeptabler Metalltemperatur des Einsatzteils 84 ausreichend ist.

Durch Vorsehen eines filmkühlbaren Einsatzteils 54 und eines ungelochten, konvektionskühlbaren Einsatzteils 72 in der vorbestimmten Zusammenwirkung der Elemente, die beschrieben worden ist, können die Luftströme reduziert werden. Es wurden Anfangstriebwerkstests von zwei Schubverstärkereinsatzkonstruktionen ausgeführt, um deren Leistung in einem besonderen Mantelstromtriebwerk mit Schubverstärkung wie dem Triebwerk 10 auszuwerten.

In einem Test wies ein nur filmgekühlter Einsatz mit Quietschunter drückungs löchern gute Quietschunterdrückungseigenschaften auf.

In dem anderen Test wurde ein gewundener, konvektionsgekühlter Einsatzteil (wie der Einsatzteil 72) an einem stromaufwärtigen Ende des Einsatzes angeordnet, und ein filmgekühlter Einsatzteil (wie der Einsatzteil 54) wurde stromabwärts davon angeordnet. Dieser konvektions- und filmgekühlte Einsatz war für dieses Triebwerk unakzeptabel, da Quietschen und unerwünschte heiße Schlieren auftraten.

Aus diesen Tests wurde geschlossen, daß richtig positionierte Filmkühlwülste Quietschen wirksam reduzieren und daß ein Kombinationseinsatz aus einem stromaufwärtigen filmgekühlten Teil und einem stromabwärtigen konvektionsgekühlten Teil das Quietschen reduzieren, für eine akzeptable Kühlung des Einsatzes ohne heiße Schlieren sorgen und die erforderlichen Kühlluftströmungsmengen reduzieren kann.

Demgemäß ist durch die Verwendung des Quietschunterdrückungseinsatzteils 84 zur zusätzlichen Reduzierung des Quietschens mit sich daran anschließenden filmkühlbarem Teil 54 und konvektionskühlbarem Teil 72 festgestellt worden, daß eine bessere Leistung des Schubverstärkers 12 mit geringeren Kühlluftmengen erzielt werden kann.

Ζδ

Da der filmkühlbare Teil 54 in dem Schubverstärker 12 mittig angeordnet und auf die Mitte der Verbrennungszone 48, die die höchste Strahlungswärmebelastung hat, insgesamt radial ausgerichtet ist (d.h. dieselbe axiale Position wie diese hat), wird die relativ hohe Kühlwirksamkeit der Filmkühlung am wirksamsten ausgenutzt. Durch Anordnen des konvektionskühlbaren Einsatz teils 72 am stromabwärtigen Ende des Schubve::- stärkers 12 ist die Konvektionskühlung, die im Vergleich zu der Filmkühlung relativ weniger wirksam ist, für die relativ geringere Strahlungswärmebelastung, die in diesem Gebiet auftritt, ausreichend.

Weiter ist dadurch der Einsatzteil 72 auch dort angeordnet, wo der Druck des zweiten Teils 82 der Umgehungskanalluft relativ größer ist als der der Verbrennungsgase in der Verbrennungszone 48, der in stromabwärtiger Richtung abnimmt. Da die Konvektionswärmeübertragung bei größerem Differenzdruck größer ist, wird demgemäß dem Einsatzteil 72 in der stromabwärtigen Position wirksamer gekühlt als wenn er an einem stromaufwärtigen Ende des Einsatzes 40 und stromaufwärts des filmkühlbaren Teils 54 angeordnet wäre. Bei dem Einsatzteil 72 wird außerdem eine Restkühlluftgrenzschicht aus dem stromaufwärts von ihm angeordneten Einsatzteil 54 zu seiner zusätzlichen Kühlung vorteilhaft ausgenutzt (vgl. die Filmkühlluft 70 in Fig. 2).

Die Fig. 5 und 5A zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform 84a des Quietschunterdrückungseinsatzteils 84 nach den Fig. 2 und 4 r die mehrere in axialem Abstand angeordnete und sich in ümfangsrichtung erstreckende Trennwände 102 aufweist, die sich zwischen der inneren und der äußeren Wand 90a bzw. 94a erstrecken und mehrere gegenseitigen axialen Abstand aufweisende Sammelraumkammern 96a begrenzen. In dieser Ausführungsform hat die äußere Wand 94a eine im wesentlichen kleine, ringförmige Einlaßöffnung 98a in Form eines Schlitzes. Die Wand 94a hat vorzugsweise mehrere im Umfangs-

abstand angeordnete Vertiefungen 104 an ihrem stromaufwärtigem Ende, die das stromabwärtige Ende einer benachbarten Wand 94a berühren und die schlitzförmige öffnung 98a in mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende Teile unterteilen. Da sich der Differenzdruck, der an dem in Fig. 2 gezeigten Einsatz 40 wirkt, in axialer Richtung verändert, können die Sammelraumkammern 96a auf vorbestimmte Weise in Verbindung mit den öffnungen 92a und 98a bemessen werden, um axiale Variationen im Druckabfall an dem Quietschunterdrückungseinsatzteil 84a zu kompensieren und die Leckage von Luft durch die öffnungen 92a unter Aufrechterhaltung eines ausreichenden Rückstroms weiter zu minimieren.

Es sind zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden, weitere Ausführungsformen sind jedoch möglich. Beispielsweise wird zwar Fanmantelstromluft benutzt, es könnte jedoch auch ein Kühlgas zum Kühlen des Schubverstärkereinsatzes 40 benutzt werden, das den Kerntriebwerksgasen 34 entnommen wird. Weiter können auch andere Arten von film- und konvektionskühlbaren Einsatzteilen benutzt werden.

-is-

Leerseite -

Claims

Patentansprüche

Schubverstärker für ein Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:

ein äußeres Gehäuse (22) , das einen Einlaß (24) zum Empfangen von von dem Triebwerk abgegebenen Gasen und einen Auslaß (26) hat;

eine Brennstoffeinspritzvorrichtung (36), die in dem Gehäuseeinlaß (24) angeordnet ist;

einen Flammenhalter (38), der in dem Gehäuseeinlaß (24) und stromabwärts der Brennstoffeinspritzvorrichtung (36) angeordnet ist; und

einen ringförmigen Schubverstärkereinsatz (40), der radiax innere und äußere Oberflächen (42, 44) hat und in radialem Abstand einwärts von dem Gehäuse (22) angeordnet ist, wobei die äußere Oberfläche (44) des Einsatzes und das Gehäuse (22) zwischen sich einen Umgehungskanal (46) begrenzen, wobei die innere Oberfläche (42) des Einsatzes eine ringförmige Schubverstärkerverbrennungszone (48) begrenzt und wobei der Umgehungskanal (46) einen ersten Teil der vom Triebwerk abgegebenen Gase als Umgehungskanalgase (50) von dem Gehäuseeinlaß (24) zu dem Gehäuseauslaß (26) leitet, wobei der Einsatz
einen ersten Teil (54) aufweist, der eine filmkühlbare Ein-

richtung (55) hat und stromabwärts des ιiammenhalters (38) angeordnet ist; und

einen ungelochten,konvektionskühlbaren zweiten Teil (72), der sich von einem stromabwärt igen F.nae. des ersten Teils (54) zu dem Gehäuseauslaß (26) ersti. :kt .
2. Schubverstärker nach Anspruch 1, dedurch gekennzeichnet,

da3 die Filmkühleinrichtung (55) des ersten Teils (54) des Einsatzes (40) mehrere in axialem Abst ·.-id angeordnete Kühlwülste (60) aufweist, die jeweils eine sich radial nach außen erstreckende ringförmige Tasche ir ·) enthalten, weiche mehrere im Umfangsabstand angeordnete Einlaßöffnungen (b4i hat, die in Strömungsverbindung mit der Umgehungskanal (46) angeordnet sind, wobei die Wülste (60) &.-■ bemessen sind, daß sie einen ersten Teil 16 6) der Umg<'■■>. ..iigskan^lTase -SO} empfangen, um eine Kühlgrenzschicht (Vi"-,· von Gas längs de.i inneren Oberfläche (42) des eisten Tei¹- ί 5 4 > ces Einsatzes (40) zu erzeugen; und

daß der zweite Teil (12) cv-ö· Einsatzes · i»j mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende, axialen />':: fand aufweisende Windungen (78) hat und die ^ffre Ober '"1 ?rhe (44b) des zweiten Teils des Einsatzes darrK Konvekti<\ durch die darüber hinwegleitbaren UmgehungsKanalgase (50) kühlbar ist.
3. Schubverstärker nach Anspruch 2, da dürr· h gekennzeichnet, daß eine Schubdüse (28) vorgesehen itt, die an dem Gehäuseauslaß (26) angeordnete Klappen aufweist und mit diesem in Strömungsverbindung ist, und daß c-i zweite TejJ- (72) des Einsatzes (40) ein strornabwärtiges E<--.ie (76) mit Abstand stromaufwärts von der Schubdüse (28) aufweist, das eine ringförmige Auslaßöffnung (80) des Schubver si. Mrkerumge-ύ angskanals (46) bildet, wobei die Auslaßöffnung so angeordnet und bemessen ist, daß sie einen zweiten TeiL 182) der Umgehungskanalgase (50) empfängt und eine Kühlgivr.zschicht von Gas längs der Schubdüsenklappen erzeugt.

BAD ORIGINAL
4. Schubverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wulsteinlaßöffnungen (64) und die Kanalauslaßöffnung (80) so bemessen sind, daß sie gemeinsam im wesentlichen sämtliche Umgehungskanalgase (50) durchlassen.
5. Schubverstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Umgehungskanalgase (50) aus Fanmantel s tr omluft (32) aus dem Gasturbinentriebwerk (10) bestehen.
6. Schubverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubverstärkereinsatz (40) eine Einrichtung (84) zum Unterdrücken von Quietschen aufweist, die zwischen dem Flammenhalter (38) und dem ersten Teil (54) des Einsatzes oder Flammrohres (40) angeordnet ist.
7. Schubverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubverstärkereinsatz (40) einen dritten Teil (84) zum Unterdrücken von Quietschen aufweist, der stromabwärts des Flammenhalters (38) angeordnet ist und sich stromabwärts zu einem stromaufwärtigen Ende des ersten Einsatzteils (54) erstreckt, um Quietschen in dem Schubverstärker (12) zu unterdrücken.
8. Schubverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Quietschunterdrückungsteil (84) eine radial nach innen weisende Wand (90) aufweist, die mehrere öffnungen (92) hat, welche mit der Verbrennungszone (48) in Strömungsverbindung und so dimensioniert sind, daß Quietschen unterdrückt wird.
9. Schubverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Quietschunterdrückungsteil (84) des Einsatzes (40) eine radial äußere Wand (94) mit Abstand von der inneren Wand (90) aufweist, so daß zwischen ihnen ein Sammelraum

(96) vorhanden ist, wobei der Sammelraum (96) und die Öffnungen (92) so bemessen sind, daß Quietschen unterdrückt wird.
10. Schubverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (92) der inneren Wand (90) kreisförmig sind und im wesentlichen radial nach innen gewandt sind.
11. Schubverstärker nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand (94) ungelocht ist.
12. Schubverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand (94) nur eine Anzahl im wesentlichen kleiner Belüftungslöcher (98) aufweist, die so bemessen sind, daß sie Gase aus dem Umgehungskanal (46) empfangen, um einen Rückstrom von Gasen aus der Verbrennungszone (48) in den Sammelraum (96) zu verhindern.
13. Schubverstärker nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Quietschunterdrückungsteil (84a) des Einsatzes (40) mehrere axialen Abstand aufweisende und sich in Umfangsrichtung erstreckende Trennwände (102) aufweist, die sich zwischen der inneren und der äußeren Wand (90a, 94a) erstrecken und mehrere ringförmige Sammelraumkammern (96a) begrenzen, welche axiale Veränderungen im Druckabfall an dem Quietschunterdrückungsteil (84a) kompensieren.
14. Schubverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubverstärkereinsatz (40) eine Einrichtung (84) zum Unterdrücken von Quietschen aufweist, mit einem stromabwärts des Flammenhalters (38) angeordneten stromaufwärtigen Endteil (54) des Einsatzes (40), der eine innere und eine äußere Wand (90, 94) aufweist, die gegenseitigen Abstand haben und zwischen sich einen Sammelraum (96) begrenzen, wobei die innere Viand (90) mehrere

kreisförmige Löcher (92) hat, die im wesentlichen radial einwärts gerichtet und mit der Verbrennungszone (48) in Strömungsverbindung sind, und wobei der Sammelraum und die Löcher so bemessen sind, daß Quietschen unterdrückt wird; und

daß die äußere Wand (94) mehrere im wesentlichen kleine Belüftungslöcher (98) aufweist, die so bemessen sind, daß sie eine Rückströmung von Gasen aus der Verbrennungszone (48) in den Sammelraum (96) verhindern.
15. Gasturbinentriebwerksschubverstärker, gekennzeichnet durch:

ein äußeres Gehäuse (22) , das einen Einlaß (24) und einen Auslaß (26) hat, wobei der Einlaß von dem Triebwerk abgegebene Gase empfängt;

eine Brennstoffeinspritzvorrichtung (36) die in dem Gehäuseeinlaß (24) angeordnet ist;

einen Flammenhalter (38), der in dem Gehäuseeinlaß (24) uud stromabwärts der Brennstoffeinspritzvorrichtung (36) angeordnet ist; und

einen ringförmigen Schubverstärkereinsatz (40), der eine radial innere und eine radial äußere Oberfläche (42, 44) hat und radial einwärts von dem Gehäuse (22) angeordnet ist, wobei die äußere Oberfläche (44) des Einsatzes und das Gehäuse (22) zwischen sich einen Umgehungskanal (46) begrenzen, wobei die innere Oberfläche (42) eine ringförmige Scnubverstärkerverbrennungszone (48) begrenzt und wobei der Umgehungskanal (46) einen ersten Teil der von dem Triebwerk abgegebenen Gase als Umgehungskanalgase (50) von dem Gehäaseeinlaß (24) zu dem Gehäuseauslaß (26) leitet, mit: einem ersten Teil (54), der eine filmkühlbare Einrichtung (55) hat und stromabwärts des Flammenhalters (38) angeordnet ist;

einem ungelochten,konvektionskühlbaren zweiten Teil (72), der sich von einem stromabwärtigen Ende des ersten Teils (54) zu dem Gehäuseauslaß (26) erstreckt; und

™· b —

einen) dritten Teil (84) zum Unterdrücken von Quietschen» der stromabwärts des Flammenhalters (38) angeordnet ist und sich stromabwärts zu einem stromaufwärtigen Ende des ersten Teils (54) des Einsatzes erstreckt, wobei der Quietschunterdrückungsteil eine radial nach innen gewandte zylindrische Wand (90) aufx/eist/ die mehrere Löcher (92) in Strömungsverbindung mit der Verbrennungszone (48) hat, und eine im wesentlichen ungelochte radial äußere Wand (94) im Abstand von der inneren Wand, so daß zwischen den Wänden ein Sammelraum (96) gebildet ist, wobei der Sammelraum (96) und die Löcher (9Γ-;) so bemessen sind, daß Quietschen in dem Schubverstärker (12) unterdrückt wird.
16. Schubverstärker nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

daß die Filmkühleinrichtung (55) des ersten Teils (54) des Einsatzes (40) mehrere axialen Abstand voneinander aufweisende Kühlwülste (60) hat, die jeweils eine sich radial nach außen erstreckende ringförmige Tasche (62) enthalten, weiche mehrere Umfangsabstand aufweisende Einlaßöffnungen (64) in Strömungsverbindung mit dem Umgehungskanal (46) hat, wobei die Wülste so bemessen sind, daß sie einen ersten Teil (66) der Umgehungskanalgase (50) empfangen, um eine Kühlgrenzschicht (70) von Gas längs der inneren Oberfläche⁵ (4 2) des ersten Teils (54) des Einsatzes zu erzeugen; daß der Schubverstärker (12) eine Schubdüse (28) mit Klappen aufweist, die an dem Gehäuseauslaß (26) und in Strömungsverbindung mit diesem angeordnet ist;

daß der zweite Teil (72) des Einsatzes (40) ein stroinabwärtiges Ende (76) mit Abstand stromaufwärts von der Schubdüse (28) hat, das eine ringförmige Auslaßöffnung (80) des Schubverstärkerumgehungskanals (46) bildet, wobei die Auslaßöffnung so angeordnet und so bemessen ist, daß sie einen zweiten Teil (82) der Umgehungskanalgase (50) empfängt und eine Kühlgrenzschicht von Gas längs der Schubdüsenklappen erzeugt; und

BAD ORIGINAL

daß die Wulsteinlaßöffnungen (64) und die Kanalauslaßöffnung (80) so bemessen sind, daß sie gemeinsam im wesentlichen sämtliche Umgehungskanalgase (50) durchlassen.
17. Schubverstärker nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungskanalgase (50) aus Fanmantelstromlu^t (32) aus dem Gasturbinentriebwerk (10) bestehen.
18. Gasturbinentriebwerksschubverstärker, gekennzeichnet durch:

ein äußeres Gehäuse (22), das einen Einlaß (24) und einen Auslaß (26) hat, wobei der Einlaß die gesamte Triebwerksluftströmung empfängt;

eine Schubdüse (28) mit Klappen, die an dem Gehäuseauslaß (26) und in Strömungsverbindung mit diesem angeordnet ist; eine Brennstoffeinspritzvorrichtung (36), die in dem Gehäuseeinlaß angeordnet ist;

einen Flammenhalter (38), der in dem Gehäuseeinlaß (24) und stromabwärts der Brennstoffeinspritzvorrichtung (36) angeordnet ist; und

ein ringförmiges Schubverstärkerflammrohr (40), das eine radial innere und eine radial äußere Oberfläche (42, 44) hat und in radialem Abstand einwärts von dem Gehäuse (22) angeordnet ist, wobei die äußere Oberfläche (44) des Flammrohres und das Gehäuse (22) zwischen sich einen Umgehungskanal (46) begrenzen, wobei die innere Oberfläche (42) des Flammrohres (40) eine ringförmige Schubverstärkerverbrennungszone (48) begrenzt und wobei der Umgehungskanal (46) die Fanmantelstromluft von dem Gehäuseeinlaß (24) zu dem Gehäuseauslaß (26) leitet und wobei das Flammrohr (40) weiter aufweist:

einen ersten Teil (54), der eine filmkühlbare Einrichtung (55) hat und stromabwärts des Flammenhalters (38) angeordnet ist, mit mehreren im axialen Abstand angeordneten Kühlwülsten (60), die jeweils eine sich radial nach außen erstreckende ringförmige Tasche (62) enthalten, welche mehrere

im Umfangsabstand angeordnete Einlaßöffnungen (64) in Strömungsverbindung mit dem Umgehungskanal (46) hat, wobei die Wülste (60) so bemessen sind, daß sie einen ersten Teil (66) der Umgehungskanalluft (50) empfangen, um eine Kühlluftgrenzschicht (70) längs der inneren Oberfläche (42) des ersten Teils (54) des Flammrohres (40) zu erzeugen;

einen ungelochten,konvektionskühlbaren zweiten Teil (72), der sich von einem stromabwärtigen Ende des ersten Teils (54) zu dem Gehäuseauslaß (26) erstreckt und mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende und im axialen Abstand angeordnete Windungen (78) aufweist, wobei die äußere Oberfläche (44b) des zweiten Teils des Flammrohres durch die Umgehungskanalluft (50) konvektionskühlbar ist; wobei der zweite Teil des Flammrohres ein stromabwärtiges Ende (76) mit Abstand stromaufwärts von der Schubdüse (28) zum Bilden einer ringförmigen Auslaßöffnung (80) des Schubverstärkerumgehungskanals (46) hat, wobei die Auslaßöffnung so bemessen ist, daß sie einen zweiten Teil (82) der Umgehungskanalluft (50) empfängt und eine Kühlluftgrenzschicht längs der Schubdüsenklappen erzeugt, wobei die Wulsteinlaßöffnungen (64) und die Kanalauslaßöffnung (80) so bemessen sind, daß sie gemeinsam im wesentlichen sämtliche Umgehungskanalluft (50) durchlassen; und einen dritten Teil (84) zum Unterdrücken von Quietschen, der stromabwärts des Flammenhalters (38) angeordnet ist und sich stromabwärts zu einem stromaufwärtigen Ende des ersten Teils (54) des Flammrohres erstreckt, mit einer radial nach innen weisenden Wand (90), die mehrere öffnungen (92) in Strömungsverbindung mit der Verbrennungszone (48) hat, und mit einer radial äußeren Wand (94) im Abstand von der inneren Wand (90), so daß zwischen den Wänden ein Sammelraum (96) gebildet ist, wobei der Sammelraum (96) und die öffnungen (92) so bemessen sind, daß Quietschen in dem Schubverstärker (12) unterdrückt wird,

und wobei die radial äußere Wand (94) mehrere im wesen :- liehen kleine Belüftungslöcher (98) aufweist, die so bemessen sind, daß sie einen Rückstrom von Gasen aus der Verbrennungszone (48) in den Sammelraum (96) verhindern.
19. Einsatz für einen Gasturbinentriebwerksschubverstärker zum Begrenzen einer Verbrennungszone, mit einem in radialem Abstand außerhalb von dem Einsatz angeordneten und mit dem Einsatz einen zwischen ihnen angeordneten Umgehungskanal begrenzenden Gehäuse und mit einem Flammenhalter, der an einem Einlaß des Gehäuses angeordnet ist, gekennzeichnet durch:

einen Quietschunterdrückungsteil (84) , der stromabwärts des Flammenhalters (38) positionierbar ist und eine Einrichtung zum Unterdrücken von Quietschen in dem Schubverstärker hat;

einen ersten Teil (54), der eine Einrichtung (55) zum Filmkühlen des ersten Teils hat, fest mit dem Quietschunterdrückungsteil (84) verbunden und stromabwärts desselben angeordnet ist; und

einen ungelochten, konvektionskühlbaren zweiten Teil (72) , der mit dem ersten Teil (54) fest verbunden und stromabwärts desselben angeordnet ist.
20. Einsatz nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Quietschunterdrückungsteil (84) eine radial nach innen gewandte zylindrische Wand (90) aufweist, die mehrere Löcher (92) in Strömungsverbindung mit der Verbrennungszone (48) hat, und eine radial nach außen gewandta Wand (94) im Abstand von der inneren Wand (90), so daß zwischen ihnen ein Sammelraum (96) vorhanden ist, wobei der Sammelraum (96) und die Löcher (92) so bemessen sind, daß Quietschen unterdrückt wird;

daß die Filmkühleinrichtung (55) des ersten Teils (54) mehrere gegenseitigen axialen Abstand aufweisende Kühlwülste (60) aufweist, die jeweils eine sich radial nach

außen erstreckende ringförmige Tasche (62) enthalten, welche mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Einlaßöffnungen (64) in Strömungsverbindung mit dem Umgehungskanal (46) hat; und

daß der zweite Teil (72) mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende und axialen Abstand voneinander aufweisende Windungen (78) hat.
21. Schubverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Triebwerk abgegebenen Gase (32) die gesamte Triebwerksluftströmung (30) umfassen und daß der Umgehungskanal (46) so bemessen ist, daß er etwa 10% der Gesamttriebwerksluftströmung als Umgehungskanalgase (50) führt.
22. Schubverstärker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgehungskanal (46) so bemessen ist, daß er etwa 10% der Gesamttriebwerksluftströmung (30) als Umgehungskanalgase (50) führt.
23. Schubverstärker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Teil (66, 82) der Umgehungskanalluft (50) etwa 3% bzw. 7% der Gesamttriebwerksluftströmung (30) betragen.