DE3826438A1

DE3826438A1 - Mantelstrom-gasturbinentriebwerks-duesen

Info

Publication number: DE3826438A1
Application number: DE3826438A
Authority: DE
Inventors: Anthony Braithwaite
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1987-08-26
Filing date: 1988-08-03
Publication date: 1989-03-09
Also published as: FR2619858A1; GB2209054A; JPS6469761A; GB8720113D0; US4813230A; FR2619858B1; GB2209054B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mantelstrom-Gasturbinentrieb werk und befaßt sich mit den Mischdüsen für die Abgasströme der artiger Triebwerke. Die Mischdüsen sind vorgesehen, um eine Zwangsvermischung der heißen Turbinenabgase mit der relativ kühlen Mantelströmung zu verbessern, um den Wirkungsgrad des Triebwerks zu verbessern und den spezifischen Brennstoffver brauch zu senken. Es sind Mischdüsen bekannt, die eine wellen förmige oder trichterförmige Gestalt besitzen, um eine ver größerte Zwischenfläche zur Vermischung der beiden Gasströ mungen zu erzielen und um so den Mischvorgang zu intensivieren.

Um eine spezielle Bauart bekannter Anordnungen im einzelnen zu beschreiben, ist es üblich ein Mantelstrom-Gasturbinentrieb werk vorzusehen, welches einen heißen Angasauslaß besitzt, in dem eine innere Mischdüse angeordnet ist, um die Abgasströmungen von den Turbinenkanälen und dem Mantelstromkanal zu vermischen, wobei Turbinenkanäle und Mantelstromkanal durch eine im wesent lichen im Querschnitt kreisringförmige Begrenzung getrennt sind und die Mischdüse eine Wellenform besitzt, um die Vermischung der Gasströmungen zu verbessern und die Mischdüse über ihre Länge einen progressiven Übergang von der kreisringförmigen Begrenzung nach der Wellenform aufweist. Es ist weiter bei einer Mischdüse bekannt, einen Hauptdüsenkörper zu benutzen, der aus einem einzigen Metallblech-Fabrikationsteil besteht und Wellenform aufweist, der sich in der Längsrichtung des Düsenkörpers erstreckt und dessen Tiefe von vorn nach hinten zunimmt. Die Mischdüse ist unter verschiedenen Flugbedingungen beträchtlichen Druckdifferenzen ausgesetzt und insbesondere bei einem mit einer Schubumkehrvorrichtung ausgrüsteten Triebwerk ergeben sich beträchtliche Druckdifferenzen, wenn die Schub umkehrvorrichtung in Betrieb gesetzt wird. Diese Druckdifferen zen belasten den Düsenaufbau und haben ihre maximale Wirkung am Vorderende bzw. am Einlaufende der Düse. Jedoch muß am Eintrittsende die Wellengestalt, die eine beträchtliche Steiheit besitzt unterdrückt werden, um eine Vermischung mit den im wesentlichen ringförmigen Gaskanälen zu bewirken, die unmittel bar stromauf der Düse vorhanden sind. Die Folge davon ist, daß obgleich es erwünscht ist, die Düse einstückig aus Gewichts gründen herzustellen, es unmöglich oder unzweckmäßig sein kann, einen solchen Aufbau wegen der Ablenkungen zu benutzen, die dann im vorderen Bereich unter Bedingungen maximaler Druckdifferenzen auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Düsenaufbau zu schaffen, der diese Schwierigkeit vermeidet, so daß der Haupt körper der Düse als einzelner Blech-Fabrikationsteil hergestellt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wellen über die gesamte Länge des Düsenkörpers verlaufen so daß sie ein relativ flaches, aber dennoch beträchtliches Querschnittsprofil am Vorderende aufweisen, das der Düsenkörper am Turbinenauslaß über ein ringförmiges Verbindungsglied mon tiert ist, das radial im Abstand zueinander liegende innere und äußere Flächen besitzt, an denen der Düsenkörper über innere und äußere Bereiche der Wellungen am Vorderende festgelegt ist und daß eine Verkleidung zwischen dem Verbindungsglied und dem Düsenkörper vorgesehen ist, um einen Übergang zwischen der ringförmigen Begrenzung am Einlaufende der Düse und der Wellen form des Düsenkörpers weiter stromab herzustellen.

Zweckmäßigerweise hat das Verbindungsglied einen U-förmigen Querschnitt, wobei die jeweiligen Ringflansche die innere und äußere Fläche bilden. In diesem Fall ist vorzugsweise die Quer schnittsform der Wellen am Vorderende des Düsenkörpers so ab gewandelt, daß innere und äußere Stege gebildet werden, deren Radien dem Innenflansch und dem Außenflansch des Verbindungs gliedes angepaßt sind und über die der Düsenkörper am Verbin dungsglied festgelegt ist.

Gemäß einer bevorzugten Konstruktion umfaßt die Verkleidung Platten, die sich aulegerartig von den inneren und äußeren Flächen des ringförmigen Verbindungsgliedes erstrecken. Es ist möglich, derartige Platten auf einfache Weise als getrennte Verkleidungselemente für die einzelnen Wellen der Mischdüse herzustellen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Mantelstrom- Gasturbinentriebwerks, das mit einer erfindungsgemäß ausge bildeten Mischdüse versehen ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wellengestalt an der Rückseite der Mischdüse betrachtet in Richtung des Pfeiles II-II gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht der Mischdüse;

Fig. 4 in größerem Maßstab eine Ansicht, die im einzelnen die Verbindung zwischen dem Verbindungsglied und dem Hauptkörper der Düse und die Lagerung der inneren Verkleidungsplatten erkennen läßt;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht der Mischdüse und ihre Befestigung an der Rückseite des Triebwerks.

In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Gastur binentriebwerk herkömmlicher Bauart dargestellt. Die Luft strömt durch den vorderen Einlaß (2) eines äußeren Gehäuses (4) und hinter dem Einlaß teilt ein inneres Gehäuse (6) die einströmende Luft in einen inneren Kanal (8) und einen äußeren Kanal (10) auf. Innerhalb des Innengehäuses (6) läuft der Kanal (8) durch den Kompressor (12), die Verbrennungseinrichtung (14) und die Turbinen (16). Der Ringkanal (10) zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse enthält eine Mantelströmung, die sich mit den heißen Abgasen an einer inneren Mischdüse (20) vereinigt. Die kombinierten Strömungen treten dann durch einen Abgasab schnitt (22) des Außengehäuses aus, der auch den hintersten Teil der Triebwerksgondel (24) bildet.

Die Mischdüse (20) ist am Innengehäuse (6) aufgehängt. Sie geht von einer kreisrunden Form am Einlaßende im Querschnitt progres siv in eine mit tiefen Wellungen versehene Form über, wie dies am deutlichsten aus Fig. 2 ersichtlich ist, wobei 18 Wellen (26) im gleichen Abstand um den Hauptteil des Umfangs herum angeord net sind. Dieses Muster wird an der Oberseite der Düse unter brochen, wo sich eine breitere flache Welle (28) befindet, die sich den oberen Gehäuseteilen (30 und 31) anpaßt, die ein rück wärtiges Lager des Triebwerks umschließen. Die Hauptgruppe der Wellen definiert innere und äußere Gruppen (32 a, 32 b) von sich progressiv vertiefenden Rinnen für die beiden Gasströmungen. Die äußere Gruppe von Rinnen (32 b) wechselt mit flacheren und tieferen Profilen an der Rückseite ab, wie aus Fig, 2 ersicht lich, und wie aus Fig. 3 bis 5 hervorgeht, sind die Rinnen zwischen abwechselnden Paaren von Wellen (26) relativ kurz und enden an Hinterrändern (34), die von den benachbarten Wellen paaren abgeschrägt sind. Im Gegensatz dazu erstrecken sich die tieferen Rinnen über ihr benachbartes Paar von Wellen mit nach hinten abgeschrägten Rändern (36), die nach innen verjüngt sind. Die Wellengestalt wird in einem Hauptkörper (40) der Mischdüse gebildet, die als einzelner Bauteil aus einem 1,2 mm dicken hitzebeständigen Nickel-Stahl-Preßling gefertigt ist, deren Teile miteinander verschweißt sind. Die Wellen (26) er strecken sich über die volle Länge dieses verschweißten Aufbaus, obgleich sie einen abgewandelten, ziemlich flachen Abschnitt am Vorderende besitzen. An diesem Ende gehen, wie am besten aus Fig. 4 und 5 ersichtlich, die gekrümmten Erhebungen und Rinnen der Wellen in trapezförmige Wellungen über, die innere und

äußere Stege (44, 46) aufweisen, welche bogenförmige Oberflächen besitzen, die konzentrisch zur Mittelachse der Düse verlaufen.

Der verschweißte Aufbau des Düsenhauptkörpers (40) wird an einem bearbeiteten Titanverbindungsring (48) am Vorderende der Mischdüse befestigt. Der Ring besteht aus einem vorderen radialen Flansch (50), der am Innengehäuse (6) am rückwärtigen Flansch (52) des Niederdruckturbinenausgangs angeschraubt ist, und er weist einen nach hinten stehenden Steg (56) auf, der mit den Flanschen (50 und 52) von den Turbinenabgasen durch eine Austrittshülse (58) abgeschirmt wird. Weiter besitzt der Ring einen am weitesten hinten liegenden im Querschnitt U-förmigen Abschnitt (6) mit radial inneren und äußeren Flanschen (62, 64).

Das Vorderende des Hauptkörpers (40) ist in den U-förmigen Abschnitt eingesteckt und die inneren und äußeren Stege (44, 46) liegen in diesem Bereich des Hauptkörpers den inneren Oberflächen der Flansche (62, 64) an und der Adapterring und der Hauptkörper sind in diesen Bereichen, in denen sie sich berühren, miteinander verschraubt.

Die Starrheit in diesem Bereich der Mischdüse wird sowohl durch die aufrechterhaltene gewellte Gestalt des aus einem Blech bestehenden Hauptkörpers (40), die von vorn bis hinten durchgeht, und außerdem durch die Verstärkung erlangt, die von dem U-förmigen Abschnitt (60) des Verbindungsrings herrührt. Das verschweißte Werkstück benachbart zu der Verbindung hat demgemäß ein großes Widerstandsmoment durch die Wellen und ihre Verbindung mit den Flanschen (62, 64) des Verbindungsringes, ob gleich ein relativ dünnes Blechmaterial bei der Konstruktion Anwendung findet. Es ist außerdem darauf hinzuweisen, daß die Befestigung an den im Abstand zueinander liegenden inneren und äußeren Stegen (44, 46) mit dem Verbindungsring eine relative thermische Expansion zwischen dem Düsenhauptkörper und dem Ring ermöglicht.

Um eine Störung der Gasströmungen in den inneren und äußeren Kanälen (8, 10) zu vermeiden, wenn sie das gewellte Werkstück erreichen, sind als Preßlinge erzeugte Verkleidungen aus dem gleichen Material wie der Hauptdüsenkörper an den Verbindungs bereichen mit den Verbindungsflanschen (62, 64) ausgerichtet auf die Rinnen der Welldüse am Vorderende angeordnet. Abgesehen von dem Bereich der breiten flachen Wellung (28) an der Ober seite der Mischdüse haben diese Verkleidungen die Gestalt von Platten, und zwar jeweils eine für jede Rinne des Wellenquer schnitts. In der Zeichnung sind innere und äußere Platten (66 bzw. 68) der Hauptgruppe dieser Platten für jene Rinnen dar gestellt, die durch die Wellen (26) gebildet sind. In geeig neter Weise abgewandelte weitere Platten sind für die unter schiedlich gestalteten Rinnen vorgesehen, die auf der Innen seite der breiteren oberen Welle (28) und für die beiden Rinnen (28 a) auf jeder Seite dieser Welle ausgebildet sind.

Die Platten sind nur an ihren Vorderrändern, wo sie die Ver bindungsringflansche (62, 64) in den Spalten überlappen, die auf jeden Flansch zwischen aufeinanderfolgenden Stegen (44, 46) des Hauptkörpers durch Schrauben und Nieten (72, 74), die durch diese Flansche greifen, befestigt. Der innere Flansch (62) ist radial nach außen vom benachbarten Rand des Steges (56) ge stuft, so daß die inneren Platten (66), die auf der radial inneren Fläche des Flansches (62) montiert sind, eine im wesent lichen kontinuierliche Oberfläche mit der radial inneren Seite des Steges bilden. Jede der inneren Platten (66) besitzt, wie aus Fig. 4 ersichtlich, einen Überlappungsstreifen (76), der auf der Rückseite an einem Rand angeschweißt ist, um seitlich von jenem Rand vorzustehen und um den benachbarten Rand der daran anstoßenden Platte (66) zu überlappen. An den Berührungs flächen zwischen den Platten (66) und den Überlappungsstreifen (76) kann es zweckmäßig sein, eine metallische Oberfläche, z.B. aus Wolfram, Carbid/Kobalt aufzubringen. Weil der äußere Flansch (64) des Verbindungsringes von dem rückwärtigen Ende des Innen gehäuses (6) überlappt wird, sind die äußeren Platten (68) durch die Wellen (26) an jener Stelle voneinander getrennt, an der sie der Mantelstromluft ausgesetzt sind. Sie erfordern daher keine Überlappungsstreifen, aber eine oder beide der be nachbarten Oberflächen zwischen ihnen und dem Hauptkörper (40) können gleiche Hartmetallauflagen aufweisen.

Die Fig. 3 bis 5 veranschaulichen insbesondere wie die inneren Platten im Querschnitt mit einer Krümmung ausgestattet sind, die sich kontinuierlich nach ihren Hinterenden vergrößert, so daß jede Platte sich nach außen krümmt und in die innere Rinne übergeht, die durch die zugeordnete Welle (26) gebildet ist, während die Seitenränder radial nach innen geneigt sind, um den Füßen der Welle zu folgen, die die benachbarte äußere Rinne bildet. Diese Figuren zeigen auch wie die äußeren Platten (68), die anfänglich durch das Innengehäuse des Triebwerks ab geschirmt sind, mit einem zunehmend gekrümmten querverlaufenden Querschnitt nach ihrem hinteren Ende versehen sind, um einen Übergang zwischen der äußeren Oberfläche des Innengehäuses und den Außenflächen der Rinnen zwischen den Wellen (26) zu schaffen.

Die ringsum laufenden Verbindungsstellen (82, 84), die in Fig. 2 angedeutet sind, veranschaulichen wie die Mischdüse aus einer Reihe von vier verschiedenen Formen von Preßstücken hergestellt werden kann, nämlich einem breiten Wellenpreßling für die Ober seite der Düse zwischen den Verbindungen (82) links und rechts, einem rinnenartigen Preßling zwischen den Verbindungen (82 und 84), die beidseitig an die weite Welle anschließen und sich bis zum Scheitelwert der ersten Gruppe von Wellen auf beiden Seiten erstrecken, sowie eine Gruppe von 17 gleichen Rinnen-Wellen- Preßlingen, jeweils zwischen einem Paar benachbarter Verbin dungen (84) der Scheitelwerte der Wellen für die Hauptgruppe von Wellen, wobei neun dieser Preßlinge tief und nach hinten nach dem Ende an den Rändern (36) der Düse abgeschrägt sind, während acht flach und nach vorn nach dem Ende der rückwärtigen Ränder (34) angestellt sind.

Es können auch andere Fabrikationsstücke benutzt werden, bei spielsweise ist es möglich, die beschriebenen Teile dadurch zu modifizieren, daß in Umfangsrichtung eine weitere Unter teilung in größere Reihen kleinerer Preßlinge erfolgt, so daß auch Schweißverbindungen längs der Seiten der Rinnen zwischen den Wellen und/oder getrennte vordere und hintere Teile für jeden Preßling vorhanden sind, so daß vordere und hintere Untereinheiten aufgebaut und miteinander durch eine Umfangs schweißnaht verbunden sind. Es ist natürlich auch möglich die Wellform anders als dargestellt auszubilden. Welche Ausbildung auch gewählt wird, es ist wichtig zu gewährleisten, daß ein guter Sitz an der Zwischenfläche erlangt wird, wo die Düse mit dem Adapterringflanschen verbunden ist, um die Befestigungs belastungen dort kontrollieren zu können.

Claims

1. Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk mit einem Heißgasauslaß in dem eine innere Mischdüse (20) angeordnet ist, um die Abgasströmungen aus den Turbinenkanälen (16) und dem Mantel stromkanal (30), der die Turbinenkanäle umschließt zu ver mischen, wobei Turbinenkanäle und Mantelstromkanal durch eine im Querschnitt im wesentlichen kreisringförmige Begrenzung (6) getrennt sind und die Mischdüse (20) eine wellenförmige Gestalt besitzt, um die Vermischung der Gasströmungen zu begünstigen und wobei die Mischdüse über ihre Länge einen progressiven Übergang von der kreisringförmigen Begrenzung nach der wellen förmigen Begrenzung bildet und die Mischdüse einen Hauptdüsen körper (40) aufweist, der aus einem einzigen Blech wellen förmiger Gestalt besteht, das sich in Längsrichtung des Düsen körpers erstreckt und in Richtung nach hinten in der Tiefe ver größert, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (26) sich über die Gesamtlänge des einzigen Blechfabrikationsteils erstrecken, aber an ihrem Vorderende eine relativ flache Form besitzen, daß der Düsenkörper (40) auf dem Turbinenauslaß über ein ring förmiges Verbindungsglied (48) montiert ist, das radial im Abstand zueinander liegende innere und äußere Flächen besitzt, an denen der Düsenkörper (40) über innere bzw. äußere Bereiche (44, 46) der Wellen (26) am Vorderende befestigt ist, und daß eine Verkleidung (66, 68) zwischen dem Verbindungsglied (48) und dem Düsenkörper (40) vorgesehen ist, um einen Übergang zwischen der ringförmigen Begrenzung am Eintrittsende der Düse und der Wellenform des Düsenkörpers (40) weiter stromab zu bilden.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied (48) aus einem im Querschnitt U-förmigen Teil besteht, wobei die jeweiligen Ringflansche (62, 64) die erwähnte innere und äußere Oberfläche bilden.

3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorderende der Querschnittsform der Wellen radial innere und äußere Stege (44, 46) bildet, die an die Radien von innerem und äußerem Flansch (62, 64) des ringförmigen Verbindungsgliedes (48) angepaßt sind und über die der Düsenkörper (40 an dem Verbindungsglied festgelegt ist.

4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (66, 68) ausleger artige Teile umfaßt, die von der inneren und äußeren Ober fläche des Verbindungsgliedes vorstehen.

5. Triebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Hartmetallflächen in Bereichen der Verkleidung (66, 68) vorgesehen sind, die hinter den inneren und äußeren Flächen des Verbindungsgliedes in Kontakt mit be nachbarten Oberflächen der Düsen liegen.

6. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wellen (26) der Düse mit getrennten Verkleidungselementen (66, 68) versehen sind.

7. Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der Düse wenigstens einige der Verkleidungselemente (66) sich gegen seitig überlappen.

8. Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine von innerer und äußerer Oberfläche des Verbindungsgliedes durch einen rück wärtigen Abschnitt der Begrenzung (6) überlappt ist, und daß die Verkleidungselemente voneinander an wenigstens einer Fläche im Abstand liegen.

9. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (40) aus Metall blechpreßlingen besteht, die mit Verbindungen (82, 84) mit einander verschweißt sind, welch letztere sich in Längsrich tung der Düse am äußeren Durchmesser der Wellen (26) oder in der Nähe hiervon erstrecken.

10. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (40) aus Metall blechpreßlingen zusammengesetzt ist, die an einer Umfangsver bindung zwischen der Länge der Düse miteinander verschweißt sind.