DE3606286A1

DE3606286A1 - Verfahren und einrichtung zum steuern des kuehlmittelstroemungsflusses in einer nachbrennerauskleidung

Info

Publication number: DE3606286A1
Application number: DE19863606286
Authority: DE
Inventors: John Robert Montgomery Ohio Simmons
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1986-02-27
Publication date: 1986-09-04
Also published as: FR2578290B1; JPS61241447A; JPH0656131B2; IT8619626A1; GB2172056B; GB8605215D0; FR2578290A1; GB2172056A; IT8619626A0; IT1188413B

Description

Verfahren und Einrichtung zum Steuern des Kühlmittelströmungsflusses in einer Nachbrennerauskleidung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke mit Nachbrenner und insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern des Kühlmittelströmungsdruckes in einer Nachbrennerauskleidung.

Gasturbinentriebwerke enthalten im allgemeinen einen Verdichter zum Verdichten von durch das Triebwerk strömender Luft, einen Brenner, in dem Brennstoff mit der verdichteten Luft gemischt und gezündet wird zur Bildung einer hochenergetischen Gasströmung, und eine Turbine zum Antrieb des Verdichters. Ein Typ von Gasturbinentriebwerken für Flugzeuge ist ein Turbostrahl- bzw. Turbojettriebwerk, in dem Schub durch die Gasströmung erzeugt wird, die mit hoher Geschwindigkeit aus der Turbine austritt.

Ein zweiter Typ von Gasturbinentriebwerken ist das Turbofan-Triebwerk, in dem ein Fan bzw. Bläser vor dem Verdichter angebracht und durch eine zweite Turbine oder Leistungsturbine angetrieben wird, die stromabwärts von der ersten Turbine angeordnet ist. Der Bläser erzeugt eine Druckluftströmung, die in zwei Teile geteilt wird. Der erste Teil tritt in einen äußeren Bypaßkanal ein, um im Bypaß um das Kerntriebwerk herumzuströmen, und der zweite Teil tritt in den Verdichter des Kerntriebwerks ein. Ein Vorteil des Turbofan-Triebwerks gegenüber dem Turbojet-Triebwerk ist sein Vermögen, große Luftmassen zu bewegen und dadurch den abgegebenen Schub des Triebwerks zu vergrößern.

Eine andere Möglichkeit, die zur Vergrößerung des abgegebenen Schubs eines Gasturbinentriebwerks verwendet werden kann, ist ein Verstärker oder Nachbrenner. In einem Gasturbinentriebwerk mit Nachbrenner ist ein Abgaskanal stromabwärts von der Turbine bzw. den Turbinen angeordnet. Zusätzlicher Brennstoff wird in den Abgaskanal eingeführt und gezündet, um die Energie der Gasströmung zu vergrößern. Die Gasströmung wird durch eine Abgasdüse ausgestoßen, um den abgegebenen Schub des Triebwerks zu erhöhen.

Ein Triebwerkstyp, der die Merkmale des Turbofan-Triebwerks und des Triebwerks mit Nachverbrennung vereinigt, ist ein Mischströmungs-Triebwerk, wo die Bläserluftströmung mit der Gasströmung des Kerntriebwerks hinter der Turbine aber vor dem Nachbrenner gemischt wird. Ein charakteristisches Merkmal von Turbofan-Triebwerken, insbesondere Turbofan-Triebwerken mit hohem Bypaßverhältnis, ist der relativ niedrige spezifische Brennstoffverbrauch bei Unterschallgeschwindigkeiten. Ein Merkmal von Turbojet- und Turbofan-Triebwerken mit relativ kleinem Bypaßverhältnis ist der relativ hohe spezifische Schub bei Überschallgeschwindigkeiten.

Um den Bedürfnissen von Flugzeugen zu genügen, die auf effiziente Weise über einem breiten Bereich von Unterschall-

und Überschallgeschwindigkeiten arbeiten müssen, sind Triebwerke mit einem sogenannten variablen Zyklus entwickelt worden. Derartige Triebwerke mit variablem Zyklus zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, das Bypaßverhältnis des Triebwerks während des Betriebs ändern zu können. Beispielsweise beschreiben die US-Patentschriften 4 010 608 und 4 175 384 Triebwerke mit variablem Zyklus. Danach enthält ein derartiges Triebwerk einen äußeren Bypaßkanal und einen Bypaßinjektor mit variabler Querschnittsfläche zum Steuern der Strömung durch den Bypaßkanal, um dadurch den Triebwerkszyklus zu verändern.

Der Nachbrenner in derartigen Triebwerken mit variablem Zyklus ist normalerweise in dem Abgaskanal des Triebwerks angeordnet. Um den Abgaskanal vor den extrem hohen Temperaturen zu schützen, die aufgrund der Gasströmung in dem Nachbrenner auftreten, kann eine Kühlauskleidung in dem Kanal angeordnet sein, um auf diese Weise dazwischen eine Kühlkammer zu bilden. Ein Teil der Bypaßströmung kann dann in diese Kammer abgeleitet werden, um sie zu kühlen.

Ein Grundproblem bei dem Aufbau einer Nachbrennerauskleidung ist der Druckunterschied, der zwischen der Kühlmittelströmung in der Kammer und der Gasströmung innerhalb der Auskleidung bestehen kann. Dieses Problem wird besonders akut, wenn der Druck auf der Innenseite der Auskleidung plötzlich abfällt. Beispielsweise verlangsamt eine plötzliche Verkleinerung der Brennstoffströmung zum Brenner (plötzliche Gasrücknahme) das Kerntriebwerk und senkt den Druck in dem Brenner schneller als den Druck in der Bypaßluft. Deshalb muß der Aufbau der Auskleidung gewisse Mittel vorsehen, um ein Zusammenfallen der Auskleidung nach innen zu verhindern.

Bisher sind verschiedene Techniken vorgeschlagen worden,

um dieses Problem zu lösen. Beispielsweise kann eine angemessene Halterung, wie beispielsweise Aufhänger oder Kupplungen, vorgesehen sein, um die Auskleidung in dem Kanal zu halten. Jedoch sorgen derartige Lösungen für zusätzliche Komplexität und zusätzliches Gewicht und erhöhen die Fertigungskosten der Auskleidung. Ein anderes Mittel zur Steuerung ist in der US-PS 3 866 417 beschrieben, wo die Kammer in eine Anzahl von einzelnen Kammern unterteilt ist, wobei die Strömung in jede Kammer durch Flansche gesteuert ist, die die Luftströmung begrenzen und den Druck steuern bzw. stabilisieren. Dieses System ist zwar wirksam, erfordert aber besondere strukturelle Te:le, um das Ergebnis zu erreichen. Eine andere Problemlösung ist in der US-PS 4 072 008 beschrieben, wo ein Ventil verwendet wird, um die Luftströmung zu der Nachbrennerauskleidung zu regulieren. Dort ist auch ein wirksames Mittel beschrieben, um den Druck in der Kammer zu steuern bzw. zu regulieren. Jedoch erfordern sowohl die US-PS 3 866 417 als auch die US-PS 4 072 008 eine gewisse zusätzliche Struktur für das Auskleidungssystem, die eine Kostenerhöhung zur Folge hat.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zum Steuern des Kühlströmungsflusses an der Nachbrennerauskleidung in einem Gasturbinentriebwerk zu schaffen.

Weiterhin soll eine billige Einrichtung mit geringem Gewicht geschaffen werden zum Steuern des Kühlströmungsflusses an der Nachbrennerauskleidung in einem Gasturbinentriebwerk .

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Steuern des Bypaßströmungsflusses in einem Mischströmungs-Gasturbinentriebwerk mit variablem Zyklus geschaffen. Das Triebwerk weist eine Bypaßströmung und Mittel zum Verändern des Bypaß-

Strömungsdruckes auf und besitzt einen Nachbrenner und eine Auskleidung, wobei ein Kühlmittel durch einen Teil der Bypaßströmung zugeführt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Druck P₁ des Kühlmittels und der Druck P- in dem Nachbrenner abgetastet, und der Bypaßströmungsdruck wird als eine Funktion von P.., P₂ oder beidem verändert.

Die einzige Figur ist eine schematische Querschnittsansieht von einem Mischströmungs-Gasturbinentriebwerk mit variablem Zyklus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt ein Mischströmungs-Gasturbinentriebwerk 10 mit variablem Zyklus. Das Triebwerk 10 weist ein Kerntriebwerk 12 mit einem Verdichter 14 zum Verdichten hindurchströmender Luft, einen Brenner 16, in dem Brennstoff mit Luft gemischt wird zur Bildung einer Gasströmung mit hoher Energie, und eine Turbine 18 auf, die der Gasströmung Energie entzieht zum Antreiben des Verdichters 14. Das Kerntriebwerk 12 erzeugt eine Gasströmung 20.

Das Triebwerk 10 enthält ferner einen Front-Fan 22, der durch eine zweite Turbine 24 angetrieben ist, die hinter der ersten Turbine 18 angeordnet ist. Der Fan bzw. Bläser 22 ist in einem Einlauf 26 angeordnet und verdichtet in den Einlauf 26 eintretende Luft 28. Ein Aft-Fan 30 ist stromabwärts von dem Front-Fan 22 angeordnet. Der Aft-Fan 30 wird von der Turbine 18 angetrieben. Es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich, und beispielsweise kann er durch eine zweite Turbine 24 oder eine dritte Turbine (nicht gezeigt) angetrieben werden. Der Aft-Fan 30 sorgt für eine weitere Verdichtung hindurchströmender Luft.

Ein äußerer Bypaßkanal 32 leitet eine erste Luftströmung 34 um den Aft-Fan 30 herum. Ein innerer Kanal 36 richtet

eine zweite Luftströmung 38 von dem Aft-Fan 30 in einen Kernbypaßkanal 40. Auf diese Weise wird die zweite Luftströmung 38 mit der ersten Luftströmung 34 gemischt, um dadurch eine Bypaßströmung 42 zu bilden.

Stellmittel zum Verändern des Bypaßströmungsdruckes in dem Bypaßkanal 40 sind bei 44 und 46 gezeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten die Stellmittel ein Umleitventil 46, wie es in der US-PS 4 068 beschrieben ist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können die Stellmittel einen Bypaßinjektor mit variablem Strömungsquerschnitt aufweisen, der ein Doppelbypaß-Wählventil bei 44 und ein Ventil bei 46 für den statischen Druck enthält, wie es in der US-PS 4 175 384 beschrieben ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Stellmittel einen Bypaßinjektor mit variablem Strömungsquerschnitt bei 47 aufweisen, der den Strömungsquerschnitt des Bypaßkanals 40 auf wirksame Weise verkleinert.

Es sind jedoch noch weitere Stell- bzw. Veränderungsmittel möglich. Die wesentlichen Eigenschaften derartiger Stellmittel bestehen darin, daß der äußere Kanal 32 und der innere Kanal 36 voll geöffnet sein können, wodurch eine Turbofan-Betriebsart hervorgerufen wird, und der äußere Kanal 32 oder der innere Kanal 3S voll geschlossen sein kann, während der andere voll geöffnet ist, wodurch eine Turbofan-Betriebsart mit kleinerem Bypaßverhältnis herbeigeführt wird, die sich einem reinen Turbojet-Zyklus nähert. Weiterhin können die Stellmittel in eine Zwischenposition gebracht werden, damit eine Bypaßströmung 42 aufgebaut werden kann, die sich aus Strömungen 34 und 38 zusammensetzt. Demzufolge ist es ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die Strömungsquerschnitte des äußeren Kanals 32 und des inneren Kanals 36 verändert werden können. Ein weiteres Merkmal der Stellmittel besteht darin, daß

das Ventil bei 46 so aufgebaut sein kann, daß durch Verändern des Ströitiungsquerschnittes des Kanals 36 eine abrupte Änderung im Strömungsquerschnitt des Kanals 36 für die hindurchtretende Luftströmung 38 hervorgerufen werden kann. Auf diese Weise tritt ein Druckverlust oder Druckabfall für die hindurchtretende Luftströmung 38 auf. Falls ein hinterer Bypaßinjektor mit variablem Querschnitt verwendet wird, kann er geöffnet werden, wenn die Luftströmung 38 unterbrochen wird oder abfällt, so daß der Druck der Bypaßströmung verkleinert wird, während die Massenströmung im wesentlichen konstant bleibt.

Hinter dem Kerntriebwerk 12 ist ein Nachbrenner 48 angeordnet, der von einem Abgaskanal 50 umgeben ist. Eine Kühlauskleidung 52 ist in dem Kanal 50 angeordnet, um dazwischen eine Kühlkammer 54 zu bilden. Empfangsmittel 56 zum Empfangen eines Teils 58 der Bypaßströmung 42 in die Kammer 54 sind an dem vorderen Ende der Auskleidung 52 angeordnet. Eine Mischeinrichtung 60 zum Mischen der Bypaßströmung 42 mit der Gasströmung 20 ist hinter dem Kerntriebwerk 12 und vor dem Nachbrenner 40 angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Mischer eine variable Geometrie auf, wie es in der US-PS 4 069 661 beschrieben ist.

Eine erste Fühleinrichtung 62 tastet den Druck P₁ in der Kammer 54 ab. Beispielsweise kann die Fühleinrichtung ein Druckwandler oder eine andere bekannte Einrichtung sein. In ähnlicher Weise tastet eine zweite Fühleinrichtung 64 den Druck im Nachbrenner 48 ab. Eine Steuereinrichtung 66 empfängt die Drucksignale P₁ und P„ und sendet ein Signal an die Stelleinrichtung, um das Ventil bei 46 und/oder 44 zu betätigen. Wenn der Druck P₁ den Druck P₂ um einen vorbestimmten Wert überschreitet, kann das Ventil bei 46 in Richtung auf seine Schließstellung bewegt werden. Auf diese Weise durchläuft die Luftströ-

mung 38 vom inneren Kanal 36 zum Bypaßkanal 40 einen Druckabfall. Dieser Druckabfall senkt den Druck P₁ relativ zum Druck P₂, wodurch die radial nach innen gerichteten Kräfte auf die Auskleidung 52 verkleinert werden.

Es ist auch möglich, eine Steuereinrichtung vorzusehen, die nur den Druck P₁ oder den Druck P₂ überwacht. Beispielsweise könnte die Steuereinrichtung 66 auf maximale Werte von P₁ oder plötzliche Änderungen im Wert des Drukkes P₂ ansprechen. Ferner könnte die Steuereinrichtung 66 auch das Ventil bei 44 oder die Ventile bei sowohl als auch 46 steuern, um eine Steuerung des Druckes P₁ durch Veränderung des Bypaßströmungsdruckes im Bypaßkanal 40 zu erreichen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der plötzliche Druckverlust, der in dem vorderen Bypaßkanal hervorgerufen ist, eine Leistungsverbesserung zur Folge haben kann. Der Gesamtschub ist das Produkt von Massenströmung und Strömungsgeschwindigkeit. In Triebwerken, wie sie in der Figur gezeigt sind, ist die Luftströmung durch eine maximale Machzahl durch den Mischer 60 begrenzt. Der Druckverlust, wie er durch das Ventil 46 hervorgerufen wird, hat eine Verkleinerung des Gesamtdruckes der Bypaßströmung 42 zur Folge. Da der Gesamtdruck eine Funktion der Machzahl ist, verkleinert dies auch die Machzahl durch den Mischer 60. Demzufolge kann die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Triebwerks 10 erhöht werden, wodurch die Machzahl der Bypaßströmung durch den Mischer 60 vergrößert wird. Die hohe Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Triebwerks 10 vergrößert die Massenströmung durch das Triebwerk, wodurch der Schub vergrößert wird.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Insbesondere ist die Erfindung in gleicher Weise auf irgendein einen variablen Zyklus aufweisendes Triebwerk mit

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Mitteln anwendbar, um die Bypaßströmung in dem Triebwerk zu verändern.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Abmessungen und proportionalen und strukturellen Relationen, wie sie in der Zeichnung gezeigt sind, nur Ausführungsbeispiele darstellen, und daß die tatsächlichen Abmessungen oder proportionalen und strukturellen Relationen in dem jeweils verwendeten Triebwerk mit variablem Zyklus unterschiedlich sein können.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Steuern des Bypaßströmungsdruckes in einem Mischströmungs-Gasturbinentriebwerk mit variablem Zyklus, das eine Bypaßströmung und Mittel zum Verändern des Bypaßströmungsdruckes und einen Nachbrenner und eine Verkleidung aufweist, dem ein Kühlmittel durch einen Teil der Bypaßströmung zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Druck P- des Kühlmittels und der Druck P₂ des Nachbrenners abgetastet wird und der Bypaßströmungsdruck als eine Funktion von P-, P₂ oder beidem verändert wird.
2.

Verfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Gasturbinentriebwerk mit einem Kerntriebwerk zum Erzeugen einer Gasströmung, einem Front-Fan zum Verdichten von Luft, einem Aft-Fan zum weiteren Verdichten von aus dem Front-Fan austretender Luft, einem äußeren Kanal zum Richten einer ersten Luftströmung um den Front-Fan herum, einem inneren Kanal

zum Richten einer zweiten Luftströmung von dem Aft-Fan in einen Kernbypaßkanal, um dadurch eine Bypaßströmung mit der ersten Luftströmung zu bilden, Mitteln zum Verändern der Bypaßströmung, einem Nachbrenner hinter dem Kerntriebwerk, einem den Nachbrenner umgebenden Abgaskanal, einer Kühlauskleidung, die in dem Kanal angeordnet ist zur Bildung einer Kühlkammer dazwischen, Mitteln zum Empfangen eines Teils der Bypaßströmung in die Kammer und Mitteln zum Mischen der Bypaßströmung mit der Gasströmung,der Druck P₁ in der Kammer und der Druck P« in dem Nachbrenner abgetastet wird und der Strömungsquerschnitt des inneren Kanals, des äußeren Kanals oder beider Kanäle als eine Funktion von P₁, P₂ oder beiden Drucken verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt des inneren Kanals, des äußeren Kanals oder beider Kanäle als eine Funktion von P₁ minus P₂ verändert wird.
4. Gasturbinentriebwerk mit folgenden Merkmalen: einem Kerntriebwerk zum Erzeugen einer Gasströmung,

einem Front-Fan zum Verdichten von Luft, einem Aft-Fan zum weiteren Verdichten von Luft, die aus dem Front-Fan austritt, äußere, innere und Kernbypaßkanäle, wobei der äußere Kanal eine erste Luftströmung um das Aft-Fan herum in den Bypaßkanal richtet und der innere Kanal eine zweite Luftströmung von dem Aft-Fan in den Bypaßkanal richtet,

einen Nachbrenner stromabwärts von dem Kerntriebwerk,

einen Abgaskanal, der den Nachbrenner umgibt, eine Kühlauskleidung, die in dem Abgaskanal angeordnet ist und dazwischen eine Kühlkammer bildet,

Mittel zum Empfangen eines Teils der Bypaßströmung in die Kammer,

Mittel zum Mischen der Bypaßströmung mit der Gasströmung,

gekennzeichnet durch erste Abtastmittel (62) zum Abtasten des Drukkes P₁ in der Kammer,

zweite Abtastmittel (64) zum Abtasten des Drukkes P_? in dem Nachbrenner, und Stellmittel (44,46,47) zum Steuern des Strömungsdruckes in dem Bypaßkanal als eine Funktion von P-, P^ oder beidem.

Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmittel Mittel aufweisen zum Verändern des Strömungsquerschnittes des inneren Kanals (36) und Mittel zum Verändern des Strömungsquerschnittes des äußeren Kanals (32).

Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmittel aufweisen zum Verändern des Strömungsquerschnittes des Bypaßkanals.

Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4 , da durch gekennzeichnet, daß die Stellmittel Mittel aufweisen zum Hervorrufen eines Druckverlustes in dem inneren Kanal (36).