DE3881640T2

DE3881640T2 - Rahmenkonstruktion für ein Strahltriebwerk.

Info

Publication number: DE3881640T2
Application number: DE88310426T
Authority: DE
Inventors: John William Vdoviak
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-11-05
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2008-11-05
Also published as: JPH01187323A; EP0315486A3; DE3881640D1; US5020318A; EP0315486A2; EP0315486B1; CA1306872C; JP2675361B2

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf den Gegenstand der EP 88 310 425, die gleichzeitig hiermit angemeldet wurde und den Titel "Gas-cooled Flameholder Assembly" hat. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rahmenkonstruktion mit Mitteln zum Ausstoßen von Kühlluft zum Kühlen eines stromabwärtigen Teils.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Gasturbinentriebwerkstyp, der im wesentlichen konzentrische zylindrische Gehäuse aufweist, die einen Bypass-Luftkanal und einen Turbinen-Auslaßkanal und eine Halterungsstruktur bilden, die stromabwärts von dem Turbinen-Auslaßkanal angeordnet ist.
Die DE-A-768 041 beschreibt ein Gasturbinentriebwerk mit einem Turbinen-Auslaßkanal, der zwischen im allgemeinen zylindrischen Gehäusen gebildet ist.
Das Triebwerk hat auch einen im Bypass zu den Flammenhaltern angeordneten Kanal, der dem Innenraum von Verkleidungen in dem Turbinen-Ablaßkanal Luft zuführt. Die so zugeführte Luft wird in Kanäle innerhalb der Gehäuse geleitet, die den Turbinen-Auslaßkanal bilden.
Die US-A-2 789 416 beschreibt ein Gasturbinentriebwerk, in dem kalte Luft von der Außenseite des äußeren Triebwerksgehäuses geschöpft wird. Die kalte Luft wird über hohle Verkleidungen durch den Turbinen-Auslaßkanal zu dem Lager der Leistungsturbine geleitet, um das Lager zu kühlen.
Die DE-A-1 923 150 beschreibt ein Gasturbinentriebwerk mit einem Nachbrenner. Luft wird von einem Bypasskanal in Verkleidungen in dem Turbinen-Auslaßkanal abgeleitet. Die Verkleidungen enthalten Brennstoffdüsen und sind in Richtung auf die Nachbrennerkammer offen.
Eine Form des Gasturbinen-Strahltriebwerkes ist das Turbofan, das gelegentlich das "Bypass"-Triebwerk genannt wird. Derartige Triebwerke enthalten einen ringförmigen Bypass- Luftdurchlaß, oder einfach Bypasskanal, zwischen einer inneren Verkleidung und dem Gehäuse des Strahltriebwerks. Die Austrittsluft aus einem Niederdruck-Verdichter wird typisch zwischen der Bypasskanalluft und einem Gasgenerator geteilt, der einen Hochdruckverdichter, eine Brennkammer und wenigstens eine Turbine aufweist. Heiße Turbinenabgase und die kalte Bypassluft werden stromabwärts von der Turbine wieder verbunden oder gemischt durch eine ringförmige Vorrichtung, die Mischer genannt wird. Zusätzlich zu der vorstehenden Beschreibung ist es bei Strahltriebwerken bekannt, eine Vorrichtung zur Schubverstärkung zu verwenden, die typisch als ein Nachbrenner bezeichnet wird. Somit ist es bekannt, daß, nachdem das Brennstoff/Luft-Gemisch durch die Brennkammer und die Turbine hindurchgeströmt ist, ein gewisses zusätzliches Schubpotential in den heißen Turbinenabgasen verbleibt, da nicht der gesamte verfügbare Sauerstoff verbraucht worden ist. Deshalb kann mit dem Zusatz von mehr Brennstoff und dem Anordnen von Mitteln zum Zünden des angereicherten Brennstoff/Gasgemisches in dem Nachbrenner zusätzlicher Schub realisiert werden.
Höhere Turbineneinlaßtemperaturen von fortgeschritteneren Triebwerken haben höhere stromabwärtige Temperaturen an dem Turbinenauslaß zur Folge, die sich Turbineneinlaßtemperaturen von einigen gegenwärtigen Triebwerken annähern können. Es ist deshalb wichtig, für eine verbesserte Kühlung von strukturellen Rahmenteilen und auch anderen Vorrichtungen in der heißen Abgasströmungsbahn zu sorgen und im Falle von Nachbrenner-Triebwerken eine Umgebung zu schaffen, um die Tendenz zum Auftreten von Flammenrückschlag zu verkleinern. Flammenrückschlag ist die Bewegung der Nachbrenner-Flammenfront in stromaufwärtiger Richtung vorbei an ihrer vorgesehenen Lage an dem Flammhalter. Die Tendenz zum Flammenrückschlag kann zunehmen, wenn die Flammenhalter-Einlaßtemperaturen sich selbst Zündungswerten annähern und diese überschreiten, so daß die hohe Ausgangstemperatur nicht nur ein Problem bezüglich der Flammhalter-Dauerhaftigkeit darstellt, sondern auch eine Rückschlag-Betriebsgrenze. Schließlich ist es bezüglich dieser Probleme wichtig, keine zusätzlichen Druckverluste durch Blockierungen oder Strömungsstörungen in dem Diffusorabschnitt des Nachbrenners hervorzurufen, die die Gesamtleistungsfähigkeit des Triebwerks verschlechtern würden.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein erhöhtes Triebwerks-Leistungsvermögen zu sorgen, indem eine verbesserte Halterungsstruktur für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen wird, die für eine verbesserte Kühlung von sich selbst und von Triebwerksteilen stromabwärts von der Halterungsstruktur sorgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerkstyp geschaffen, der im wesentlichen zylindrische Gehäuse enthält, die konzentrische Bypass- und Turbinenauslaßkanäle bilden und die ferner eine Halterung innerhalb des Turbinenauslaßkanals enthält, die einen äußeren Ring und eine inneren Ring aufweist, die durch mehrere radial verlaufende Teile verbunden sind zur Bildung eines Strömungskanals für Turbinenabgase, wobei jedes der Teile eine Halterungsstrebe aufweist, die von einer hohlen Verkleidung umgeben ist zur Bildung einer hohlen Innenkammer; eine Einrichtung zum Zuführen von kalter Luft zu der hohlen Innenkammer von jedem der radialen Teile, und gekennzeichnet durch eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Ausgangsrinne, die an wenigstens einer der Verkleidungen angebracht ist, mit der hohlen Innenkammer ihres entsprechenden radialen Teils in Strömungsverbindung steht und wenigstens einen Strömungskanal aufweist zum Abgeben von Kühlluft in stromabwärtige Richtung zur Ausbildung eines ringförmigen Stromungsmusters von Kühlluft zum Kühlen eines stromabwärtigen Triebwerksteils.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jede Verkleidung mit einer Ausgangsrinne in ihrer Hinterkante vesehen, wobei die Ausgangsrinne im allgemeinen senkrecht zu der Verkleidung ist. Die Halterungsstruktur ist in dem Turbinen-Ausgangskanal angebracht, und jede Verkleidung wird mit Niederdruck-Verdichterausgangs- oder Bypassluft in ihrer hohlen Innenkammer versorgt durch wenigstens eine Luftschöpfeinrichtung, die in dem Bypasskanal angebracht ist und mit dem hohlen Innenraum von jeder Verkleidung in Strömungsverbindung steht. Somit wird Kühlluft in den hohlen Innenraum von jeder Verkleidung eingeleitet und aus der Rinne abgegeben. Die Rinnen sind in einer ringförmigen Konfiguration angeordnet und bilden dadurch eine ringförmige geschichtete (stratifizierte) Strömung von Kühlluft zu stromabwärtigen Triebwerksteilen, die mit der Strömung der Kühlluft ausgerichtet sein können. Zusätzlich kann die Halterungsstruktur in einem Diffusorabschnitt des Triebwerks angeordnet sein, und die Verwendung von Ausgangsrinnen sorgt für eine kontrollierte Diffusionsgeschwindigkeit, die für ein verbessertes Diffusor-Leistungsvermögen sorgt. Die Kühlung wird auch durch den niedrigen statischen Druck an der Ausgangsebene der ringförmigen Anordnung von Ausgangsrinnen verbessert, der die Kühlströmung aufgrund des hohen Druckunterschiedes in Bezug auf den Kühllufteinlaß der Streben vergrößerht. Die Dauerhaftigkeit der stromabwärtigen Nachbrennerkomponenten wird verbessert aufgrund der lokalisierten Kühlluft und weil die Tendenz für ein Auftreten von Flammenrückschlag und Selbstzündung vermindert wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zusammen mit ihren verschiedenen Vorteilen wird in der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert:
Figur 1 ist eine Seitenansicht von einem Gasturbinentriebwerk ist, dessen Hauptkomponenten im Schnitt gezeigt sind.
Figur 2 ist eine Endansicht von einer Halterungsstruktur, wobei von der Nachbrenner-Einlaßstation stromaufwärts in das Triebwerk geblickt ist.
Figur 3 ist eine geschnittene und teilweise aufgeschnittene Darstellung von einer Strebe und einer Verkleidung der Halterungsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figuren 4A und 4B sind Ansichten der Strebe und der Verkleidung von nahe ihrer Vorderseite und ihrer Rückseite.
Figuren 5A bzW. 5B sindeine Draufsicht der Strebe und der Verkleidung, wobei der obere Abschnitt entfernt ist, und eine Endansicht von einem Teil der Ausgangsrinne der Verkleidung.
Figuren 6A bis 6C zeigen in einer schematischen Darstellung und in einem Kurvenbild die verbesserten dynamischen Strömungsvorgänge in einem Diffursor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 1 ist ein Schnittbild von einem Gasturbinentriebwerk 11. Das Triebwerk 11 ist ein Axialströmungs-Triebwerk, das als ein Bypass- oder Turbofantriebwerk bezeichnet wird, obwohl darauf hingewiesen sei, daß die Erfindung auch auf andere Triebwerkstypen angewendet werden könnte. Das Triebwerk 11 enthält eine Lufteinströmung 13 und einen Abgasauslaß 15, wodurch die allgemeine Strömungsrichtung durch das Triebwerk festgelegt ist. Die Einströmung 13 enthält einen üblichen Niederdruckverdichter (LPC) 17 an dem vorderen oder stromaufwärtigen Ende des Triebwerks. Stromabwärts von dem LPC 17 ist das Triebwerk 11 in zwei im allgemeinen zylindrische Gehäuse geteilt, die ein radial inneres Gehäuse 19 und ein dieses umgebendes äußeres Gehäuse 21 aufweisen. Ein Teil der LPC Ausgangsströmung wird in einen ringförmigen Bypassluft-Durchlaß- oder -Kanal 23 gerichtet. Das Innengehäuse 19 weist eine üblichen Gasgenerator 25 auf, der, in einer Reihenverbindung, einen Hochdruckverdichter (HPC) 27, eine Brennkammer 29, eine Hochdruckturbine (HPT) 30 und eine Niederdruckturbine (LPT) 31 aufweist. Die HPT 30 treibt den HPC 27 an, wogegen die LPT 31 den LPC 17 über koaxiale erste und zweite Wellen 32 bzw. 34 antreibt. Der Brennkammer 29 wird Brennstoff durch Brennstoffleitungen 33 zugeführt. Das Volumen stromabwärts von dem Gehäuse 19 kann als der Turbinenausgangskanal oder -auslaß 35 betrachtet werden.
Eine ringförmige Halterungsstruktur oder einfach Halterung 37 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an dem Turbinenauslaß 35 angeordnet und wird nachfolgend in Verbindung mit den anderen Figuren mit näheren Einzelheiten beschrieben. Ein äußeres Halterungsteil 39 mit üblichem Aufbau ist in dem Bypasskanal 23 angeordnet. Ein üblicher Mischer 41, der eine ringförmige oder gewellte (radiale Keule) Konfiguration haben kann, ist zwischen dem Bypasskanal 23 und dem Turbinenauslaß 35 angeordnet zum Mischen von kalter LPC Ausgangsluft mit heißen Turbinenabgasen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Triebwerk 11 einen üblichen Nachbrenner 151 mit mehreren Nachbrenner- Brennstoffleitungen 43 zum Zuführen von Brennstoff zum Nachbrenner 151. Wenigstens ein ringförmiger Flammhalter 45 ist stromabwärts von den Nachbrenner-Brennstoffleitungen 43 angeordnet. Aber für die Halterungsstruktur 37 ist der Rest des Triebwerks 11 üblich aufgebaut einschließlich einer verstellbaren Abgasdüse 51 und eines Mittelkörpers 53, der in dem Turbinenauslaß 35 und dem Nachbrenner 151 angeordnet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zunächst in Verbindung mit Figur 2 beschrieben. Figur 2 zeigt primär die Halterung 37, wobei die Blickrichtung von dem Nachbrenner 151 stromaufwärts in das Triebwerk 11 ist, wie es durch die Linie 2-2 in Figur 1 gezeigt ist. Die Halterungsstruktur 37 weist einen radial inneren Ring 61 und einen radial äußeren Ring 65 auf, die durch mehrere radiale Teile oder Verkleidungen 67 miteinander verbunden sind, die sich dazwischen erstrecken. Der innere Ring 61 haltert ein übliches rückwärtiges Triebwerkslagergehäuse 71 (Figur 1), wobei der äußere Ring 65 das Gehäuse 19 lagert. Die Halterung 37 ist in dem Turbinenauslaß 35 auf der stromabwärtigen Seite der LPT 31 angeordnet. Jede Verkleidung 67 weist einen Flügel oder eine Mischrinne 75 auf, die nachfolgend näher erläutert wird.
Figur 3 ist eine geschnittene Seitenansicht von einem Teil der Halterung 37 und zeigt insbesondere eine der Verkleidungen 67. Die Verkleidung 67 ist teilweise aufgeschnitten gezeigt, um so verschiedene Strömungspfade darzustellen. Die Verkleidung 67 ist mit dem Gasausgang der LPT 31 ausgerichtet und in dem Turbinenauslaß 35 angeordnet. Das innere Gehäuse 19 und das äußere Gehäuse 21 sind so gezeigt, daß sie den ringförmigen Bypasskanal 23 bilden. Die Verkleidung 67 selbst wird in Verbindung mit den Figuren 3, 4A, 5A und 5B näher beschrieben, um ihre Struktur voll zu erläutern. Die Verkleidung weist eine äußere Oberfläche 81 in der Form eines Flügels auf, der sich radial zwischen den inneren und äußeren Ringen 61, 65 der Halterung 37 erstreckt. Wie am besten aus Figur 4A deutlich wird, kann jede Verkleidung 67 einen radial inneren Kragen 83 und einen radial äußeren Kragen 85 aufweisen, die Strukturen zum Befestigen der Verkleidung an den inneren bzw. äußeren Ringen 61, 65 bilden.
Figuren 5A und 5B zeigen in Verbindung mit Figuren 3, 4A und 4B am besten, daß die Verkleidung 67 eine hohle Innenkammer 89 aufweist. Die Kammer 89 erstreckt sich über die gesamte axiale Breite der Verkleidung von einer Vorderkante 91 bis zu einer Hinterkante 93 der Verkleidung. Ein hohles strukturelles Innenteil oder eine Halterungsstrebe 95 ist in der Kammer 89 angeordnet und an Ringen 61 und 65 befestigt, um für die strukturelle Halterung zu sorgen. Die Strebe 95 weist eine innere Strömungsbahn 97 auf, durch die Kühlluft (in ausgezogenen Pfeilen gezeigt) in üblicher Weise hindurchgeleitet werden kann zu inneren Triebwerksteilen, wie beispielsweise dem hinteren oder stromabwärtigen Lager 71. Diese Strömungsbahn 97 kann auch als ein Kanal für Schmiermittelleitungen (nicht gezeigt) verwendet werden, die aus der kühlenden Luftströmung ebenfalls Nutzen ziehen.
Die Kammer 89 der Verkleidung 67 weist auch zwei Leitanordnungen auf, die Kühlluft von der Vorderkante 91 zur Hinterkante 93 der Verkleidung 67 richten. Einer stromaufwärtigen Leitanordnung 101 folgt eine stromabwärtige Leitanordnung 103 in Bezug auf die Richtung der Strömungsmittelströmung durch die Verkleidung. Eine stromaufwärtige Leitanordnung 101 erstreckt sich von dem radial äußeren Rand der und teilweise in die Verkleidung 67, wogegen eine stromabwärtige Leitanordnung 103 sich von dem radial inneren Rand der und teilweise in die Verkleidung 67 erstreckt, um auf diese Weise eine gewundene Strömungsbahn von der Vorderkante 91 der Verkleidung 67 zur Hinterkante 93 innerhalb der Verkleidung 67 hervorzurufen, wie es am besten in Figur 3 gezeigt ist. Die gewundene Strömungsbahn kann als ein Dreiwege-Kühlpfad innerhalb der Verkleidung 67 betrachtet werden. Wie deutlich in Figur 4B in Verbindung mit Figur 3 gezeigt ist, wird ein relativ kleiner Teil der Kühlströmung aus der Hinterkante 93 des stromlinienförmigen Teils durch mehrere Luftabzapföffnungen 107 ausgestoßen, um eine Strömung von Kühlluft durch die Verkleidung 67 für deren Kühlung sicherzustellen.
Jede Verkleidung 67 ist mit Mitteln zum Ausstoßen von Kühlluft in stromabwärtiger Richtung versehen, wobei die Mittel die Rinne 75 aufweisen, wie es in Verbindung mit Figuren 4A und 4B ausgeführt wurde und die insbesondere in den Figuren 5A und 5B gezeigt ist. Figur 5A ist eine Draufsicht auf die Verkleidung 67, wobei der radial äußere Kragen 85 der Klarheit halber entfernt ist. Zusätzlich geht insbesondere aus Figur 5B hervor, daß die Rinne 75 eine Breitendimension, in Umfangsrichtung, aufweist, die wesentlich größer als ihre Höhendimension in radialer Richtung ist. Die Rinne 75 hat die Form eines Delta-Flügels, der Teil der Verkleidung 67 ist. Die Rinne 75 ist ein Kühlluftauslaß, der mit der Verkleidung 67 gebildet und im wesentlichen senkrecht dazu ist. Die seitliche Hinterkante der Rinne 75 ist vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu einer radialen Achse ausgerichtet, und die Hinterkanten von benachbarten Rinnen sind in einer einzigen axialen Ebene angeordnet, d.h. entlang einem gemeinsamen Umfang. Diese Anordnung trägt dazu bei, den bevorzugten Kühlluftring zu erhalten, wie er nachfolgend beschrieben wird, ungeachtet dessen, daß die Verkleidung 67 selbst typisch schräg zur axialen Mittellinie des Triebwerks verläuft für eine Anpassung des Ausgangswirbelwinkels der Gasströmung aus der LPT 31.
Die Rinne 75 kann mit mehreren Strömungskanälen versehen sein, die ein Paar lateral äußerer kreisförmiger Kanäle 111, die von der Verkleidung 67 am weitesten entfernt sind, ein Paar lateral innerer langgestreckter Kanäle 113, die der Verkleidung 67 am nähesten liegen, und ein Paar mittlerer langgestreckter Kanäle 115 zwischen den äußeren und inneren Kanälen 111 und 113 aufweisen. Ein erstes Paar Trennwände 119 trennt einen äußeren Kanal 111 von seinem benachbarten mittleren Kanal 115, wogegen ein zweites Paar Trennwände 121 einen inneren Kanal 113 von seinem benachbarten mittleren Kanal 115 trennt. Ein stromaufwärtiger Satz von Löchern 131 in der Verkleidung 67 sorgt für eine Fluidverbindung zwischen der inneren Kammer 89 der Verkleidung und den zwei äußeren Kanälen 111; ein mittlerer Satz von Löchern 133 in der Verkleidung 67 sorgt für eine Fluidverbindung zwischen der Innenkammer 89 der Verkleidung und den zwei mittleren Kanälen 115; und ein stromabwärtiger Satz von Löchern 135 in der Verkleidung 67 sorgt für ein Fluidverbindung zwischen der Innenkammer 89 der Verkleidung und den zwei inneren Kanälen 113. Die stromaufwärtigen Löcher 131 sind stromaufwärts von der stromaufwärtigen Leitanordnung 101 angeordnet, und die mittleren Löcher 133 sind zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Leitanordnungen 101, 103 angeordnet. Die stromabwärtigen Löcher 135 sind auf der stromabwärtigen Seite der stromabwärtigen Leitanordnung 103 angeordnet.
Die vorstehend beschriebene Anordnung sorgt für die Erzeugung einer optimalen Fluidströmung und Strömungsteilung und um die Erzeugung eines ringförmigen Strömungsmusters stromabwärts von dem Halterungsteil sicherzustellen, wie es nachfolgend beschrieben wird. Figur 5B gibt am besten das Auslaßende der Rinne 75 an und zeigt die Strömungskanalpaare 111, 113 und 115. Die Löcher 131, 133 und 135 und die Kanäle 111, 115 und 113 sind bemessen für ein Zumessen und Leiten der Luftströmung zur Hinterkante der Rinne 75, um einen im wesentlichen gleichförmigen Austritt von Luft entlang ihrer Breite sicherzustellen, um zusammen mit benachbarten Rinnen 75 einen Ringraum von Kühlluft zu erzeugen. Zwar ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Rinne 75 beschrieben, aber es können auch andere verwendet werden, um einen Austritt von Luft aus der Rinne sicherzustellen.
Gemäß Figur 3 ist eine Luftschöpfeinrichtung 141 in dem Bypasskanal 23 angeordnet, um einen Teil der LPC Ausgangsluft abzuziehen und in die Verkleidungen 67 zu liefern. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine Luftschöpfeinrichtung für jede Verkleidung 67 vorgesehen sein. Die Schöpfeinrichtung 141 ist in Strömungsverbindung mit einer Kammer 145 und führt der Kammer Luft zu, die ihrerseits mit der Innenkammer 89 der Verkleidung in Strömungsverbindung ist und dieser Luft zuführt, wie es durch die umrandeten Strömungspfeile gezeigt ist. Die Kühlluft strömt dann aus und radial nach innen entlang der Vorderkante 91 der Verkleidung 67 um und radial nach oben entlang der stromaufwärtigen Leitanordnung 101 und dann um die stromabwärtige Leitanordnung 103 zur Hinterkante in einer Dreiwege-Strömungsbahn, bis sie aus den Luftabzweiglöchern 107 der Hinterkante und aus der Rinne 75 austritt, um stromabwärtige Teile zu kühlen, die noch zu beschreiben sind.
Es ist nicht notwendig, daß jede Verkleidung 67 seine eigene Luftschöpfeinrichtung hat. Deshalb können weniger Schöpfeinrichtungen 141 als Verkleidungen 67 verwendet werden, und die Kammer 145 kann in Umfangsrichtung bis zu einem Ausmaß verlängert werden, daß sie benachbarten Verkleidungen 67 oder allen Verkleidungen 67 Luft zuführt. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Kühlluft für die innere Strömungsbahn 97 der Strebe 95 von anderen geeigneten Mitteln oder ähnlichen Schöpfeinrichtungen (nicht gezeigt) abgeleitet wird, die um den Umfang der Halterung 37 herum angeordnet sind. Es sei auch bemerkt, daß die Luftströmung in die innere Kammer 89 der Verkleidung 67 zwischen der Vorderkante 91 und der Hinterkante 93 der Verkleidung 67 unabhängig geteilt sein könnte, so daß die Kühlluft der Vorderkante aus dem radial inneren Teil der Halterung 37 herausgeleitet wird, was eine alternative Anordnung zu der beschriebenen Dreiwege-Strömungsbahn ist.
Aus den Figuren 2, 4B und 5B wird deutlich, daß das Austrittsmuster der Kühlluft aus der Halterung 37 und ihren befestigten Ausgangsrinnen 75 überwiegend die Form eines geschichteten bwz. stratifizierten Ringraums oder Ringes von Kühlluft hat. Dies wird sichergestellt, wenn jede Verkleidung 67 mit einer Rinne 75 versehen ist, wie es vorstehend beschrieben ist, und wenn die Rinne 75 sich in beiden Umfangsrichtungen erstreckt, so daß jede Hälfte der Rinne 75 sich auf etwa einem Drittel der Strecke zwischen benachbarten Verkleidungen 67 erstreckt. Somit sind etwa zwei Drittel der Strecke zwischen benachbarten Verkleidungen 67 von benachbarten Rinnenteilen eingenommen, wogegen ein Drittel der Strecke offen ist.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal wird die aus den Rinnen 75 austretende Luft dazu verwendet, stromabwärtige Teile in dem Flugzeugtriebwerk zu kühlen. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird die aus den Rinnen 75 austretende Luft dazu verwendet, die Möglichkeit eines Flammenrückschlages in dem Nachbrenner 151 zu verkleinern. Wenn noch einmal Figur 1 betrachtet wird, so enthält der Nachbrenner 151 des Triebwerkes im allgemeinen eine Brennkammerauskleidung 153. Brennstoff, der durch die Brennstoffleitungen 43 des Nachbrenners zugeführt wird, wird mit den Turbinenabgasen und der LPC Ausgangsluft in dem Bereich unmittelbar stromabwärts von der Halterung 37 gemischt. Der Flammhalter 45 ist eine ringförmige Struktur, die eine eine ausreichend geringe Geschwindigkeit aufweisende Tasche bildet, damit der Brennstoff des Nachbrenners zünden kann und die Nachbrennerflamme stabil bleibt. Wenn jedoch die Turbinenabgastemperaturen aufgrund der höheren Turbinen-Einlaßtemperaturen ansteigen, wird die Rückschlaggrenze oder die Tendenz der Flamme, in geeigneter Weise stromabwärts zu bleiben, verkleinert. Wenn die Temperaturen in dem Bereich des Flammenhaltereinlasses in der Tendenz ansteigen, hat die Zündung des Brennstoff/Gas-Gemisches die Tendenz, stromaufwärts in den Bereich vor dem Flammhalter 45 zu wandern, wo es zu einer Beschädigung an dem Flammhalter 45 kommen kann. Zusätzlich wird die Tendenz in Richtung auf eine Selbstzündung oder eine spontane Verbrennung gesteigert, wenn die Turbinenausgangstemperaturen ansteigen.
Gemäß der Erfindung ist die Halterung 37 mit Mitteln versehen zum Ausstoßen von Kühlluft aus den Rinnen 75 in einem ringförmigen Strömungsmuster in stromabwärtiger Richtung, wie es vorstehend beschrieben ist. Die Rinnen 75 sind auf den Verkleidungen 67 radial positioniert, um so einen kühlenden Ringraum von Luft entlang den Turbinenabgas- Strömungslinien zu bilden, die mit dem Flammhalter 45 ausgerichtet sind. Dies sorgt für eine Absenkung der Temperatur der Luft in der Nähe des Flammhalters 45, wodurch die Rückschlaggrenze erhöht und verhindert wird, daß sich die Flammenfront in unerwünschter Weise bis nahe zu dem Flammhalter 45 bewegt. Dies sorgt auch für eine Kühlung des stromabwärtigen Teils, beispielsweise des Flammhalters 45, was zu dessen Dauerhaftigkeit beiträgt, weil er bei einer niedrigeren Temperatur arbeitet.
Somit wird eine Strömung von Kühlluft stromabwärts von der Halterung 37 geschaffen, um stromabwärtige Teile zu kühlen und auch die Gastemperaturen in dem Bereich des stromabwärtigen Teils zu senken. Im letztgenannten Fall vergrößern die tieferen Temperaturen die Rückschlaggrenzen und verkleinern die Möglichkeit einer Selbstzündung.
Es ist weiterhin wichtig, darauf hinzuweisen, daß das stromabwärtige Teil vorzugsweise mit dem ringförmigen Strömungsmuster der Kühlluft ausgerichtet sein sollte, wie es vorstehend beschrieben ist, um die Kühlwirkung zu maximieren, und daß deshalb das stromabwärtige Teil ebenfalls mit den Ausgangsrinnen des Halterungsteils ausgerichtet ist, insoweit ihre radiale Position betroffen ist. Die aus den Ausgangsrinnen 75 austretende Kühlluft ist in einer schmalen Ringzone geschichtet bzw. stratifiziert, die mit dem Flammhaltereinlaß ausgerichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel senkte diese Ausrichtung die Gastemperatur am Flammhaltereinlaß des Nachbrenners in der Größenordnung von 26,5ºC (80ºF).
Selbstverständlich könnten auch andere stromabwärtige Teile (andere als Flammenhalter) gekühlt werden, wie beispielsweise andere Triebwerkshalterungsteile, deren Dauerhaftigkeit durch die erhöhten Temperaturen beeinträchtigt werden könnte. Es ist auch ein Teil dieses Ausführungsbeispieles der Erfindung, daß die Temperatur von einigen stromabwärtigen Teilen zu dem Zweck abgesenkt wird, daß deren Verwundbarkeit durch Infrarot(IR)-Abtastung verkleinert wird.
Das Triebwerk 11 enthält auch einen Diffusor 175 (Figur 3), der der Strömungskanal ist, der sich von der LPT 31 zum Flammhalter 45 erstreckt. Da die Turbinenabgase auf einer relativ hohen Geschwindigkeit sind, muß diese Geschwindigkeit durch den Diffusor verkleinert werden, um eine richtige Verbrennung in dem Nachbrenner 151 zu gestatten. Dies geschieht in dem Diffusor 175, wo der Strömung gestattet wird, sich zu verlangsamen, um die Strömungsgeschwindigkeit zu senken, die anderenfalls eine Flammeninstabilität in dem Nachbrenner hervorrufen würde. Eine Diffusorwirkung muß bei relativ kleinen Geschwindigkeiten erfolgen, um eine unerwünschte Strömungsablösung an seinen Wänden zu vermeiden. Die Verkleidungen 67 sind in dem Diffusor 175 angeordnet, und da sie stromlinienförmige Teile mit einer divergenten/konvergenten Form sind, beeinflussen sie die Diffusionsgeschwindigkeit. Der Hinterkantenteil der Verkleidung 67, d.h. der konvergente Abschnitt, vergrößert die lokale Diffusionsrate aufgrund seiner konvergenten Form. Jedoch vergrößert die Verwendung der Rinnen 75, die an dem Hinterkantenteil der Verkleidungen 67 befestigt sind, die die Strömung blockierende Fläche, um somit die anderenfalls lokale Vergrößerung in der Diffusionsrate auszugleichen, und dadurch wird die Diffusionsrate gesteuert. Weiterhin wirken die Rinnen 75 als Strömungsteiler, um die gesamte Diffusorrückgewinnung zu verbessern. Die Strömungsteiler oder Rinnen 75 verkleinern den äquivalenten Wandwinkel des Diffusors und verbessern dadurch dessen Leistungsvermögen. Mit anderen Worten, ein typischer Diffusor hat im Abstand angeordnete erste und zweite Wände, die jeweils unter einem gewählten Winkel divergieren. Durch Verwendung eines Strömungsteilers zwischen den Wänden werden zwei Kanäle ausgebildet, und der äquivalente Wandwinkel von jedem Kanal ist kleiner als der gewählte Winkel, weil der Wandwinkel des Strömungsteilers null ist. Diese Verkleinerung des Wandwinkels verkleinert die Diffusionsrate, was gewünscht ist. Zusätzlich bildet die Ausströmung aus der Rinne 75 die Strömung aus dem Diffusor weiter stromlinieförmig aus gemäß üblichen Kriterien eines gewellten Mischers.
Die Vorteile der Diffusorströmungsteilung, der gesteuerten Diffusionsgeschwindigkeit und der Rinnenblockierung wird weiterhin aus den Figuren 6A, 6B und 6C verständlich. Figur 6A zeigt eine typische Diffusorform, beispielsweise den Diffusor 175, mit dem Zusatz von typischen stromlinienförmigen Halterungenstreben. Es wird auf einfache Weise deutlich, daß die Diffusionsrate (oder Gasverlangsamung) relativ gleichförmige sein würde, abgesehen von dem Einsatz der Halterungsstreben. Die Hinzufügung der Halterungsstreben bewirkt eine lokale Gasströmungsblockierung und folglich eine Verkleinerung in der Diffusionsrate bis zu dem Punkt der maximalen Dicke der Halterungsstruktur (d.h. axiale Station (c)). In dem Strebenabschnitt von dem Punkt der maximalen Dicke (c) zu der Strebenhinterkante (d) wird deutlich, daß die Flächenänderung abrupt groß ist. Eine derartige lokal hohe Diffusionsrate kann eine Strömungsablösung und demzufolge einen Verlust an Leistungsvermögen unterstützen aufgrund von erhöhten Druckverlusten. Die Diffusionsrate ist unerwünscht hoch, weil der Strömungsbereich in zwei Richtungen auseinanderläuft aufgrund der divergenten inneren und äußeren Wände und weil zusätzlich die Querschnittsfläche radial zwischen den Streben kleiner wird, wie es in der Draufsicht von Figur 6A gezeigt ist.
Bei der vorgeschlagenen Konfiguration in Figur 6B kann die Hinzufügung der Rinnen 75 die lokale übermäßige Diffusion (Strömungsverlnagsamung) im wesentlichen eliminieren aufgrund der axial geformten Blockierung der Rinnen 75 in dem Bereich zwischen (c) und (d). Dann füllt die Einführung der Kühlströmung aus den Rinnen 75 den Bereich stromabwärts von den Rinnen 75, um die Rinnen 75 aerodynamisch stromlinienförmig zu machen. Das heißt, die abrupte Vergrößerung in der Strömungsfläche an der Ausgangsebene der Rinne kann auf wirksame Weise aufgehoben werden durch den Kühlluftaustritt, der den Bereich füllt. Die Einführung dieser Kühlluft ist analog zu einer verlängerten Rinne 75, wie es in gestrichelten Linien in Figur 6B gezeigt ist.
Es kann deshalb beobachtet werden und es ist in Figur 6C dargestellt, daß die Hinzufügung der Rinnen 75 eine Diffusorteilerfunktion (Strömungen 1 und 2 in Figur 6B) ausübt und die physikalische Form der Rinnen 75 die übermäßige Diffusionsrate in dem hinteren bzw. stromabwärtigen Abschnitt der Halterung 37 verkleinert. Figur 6C stellt die Strömungsfläche über der axialen Strecke mit dem Diffusor 175 gemäß Figur 6A mit und ohne Verkleidungen/Streben dar. Ohne die Streben wird eine lineare Diffusionsrate zwischen den Punkten (a) und (e) erhalten. Mit den Streben wird die Diffusionsrate zwischen den Punkten (b) und (d) entsprechend den Vorder- und Hinterkanten beeinflußt. Die Hinzufügung von Rinnen 75 zu den Streben hat die in Figur 6B dargestellte Struktur und die gesteuerte Diffusionsgeschwindigkeit zur Folge, die in Figur 6C dargestellt ist. Dies vermeidet die übermäßige Diffusionsgeschwindigkeit zwischen den Punkten (c) und (d), wie es in Figur 6C dargestellt ist.
Dies vermeidet auch eine zusätzliche stromlinienförmige Struktur, die den Rinnen 75 gegeben sein würde (z.B. gestrichelte Linien in Figur 63), die den Diffusor in axialer Richtung verlängern würde, wenn die Strömung nicht in anderer Weise vorhanden sein würde. Auf diese Weise kann die Rinne 75 als ein Analogon zu einem gewellten Mischer betrachtet werden, das die relativ kalte Verdichterausgangsluft mit Turbinenausgangsgangs kombiniert.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß eine verbesserte Triebwerksleistung ermöglicht wird durch ein luftgekühltes hinteres Triebwerkshalterungsteil, das aerodynamische Teile aufweist, die das aerodynamische Leistungsvermögen des Diffusors verbessern, in dem das Halterungsteil angeordnet ist, während es durch Luftkühlung auch dauerhafter gemacht wird. Darüberhinaus wird die Luftströmung durch das Halterungsteil weiterhin dazu verwendet, vorzugsweise stromabwärtige Gase und auch stromabwärtige Teile zu kühlen, um so die Dauerhaftigkeit der stromabwärtigen Teile zu verbessern, ihr IR Profil zu verkleinern und auch die Rückzündungsgrenze eines Nachbrenners zu erhöhen.
Zwar wurde beschrieben, was als bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung betrachtet wird, aber es sind für den Fachmann noch weitere Abwandlungen möglich. Die beigefügten Ansprüche sollen alle diese Abwandlungen einschließen, die in den Schutzbereich der Erfindung, wie sie beansprucht ist, fallen.

Claims

1. Gasturbinentriebwerk (11) enthaltend im wesentlichen zylindrische Gehäuse (19, 21), die konzentrische Bypassluft- und Turbinenauslaßkanäle (23, 35) bilden, und ferner enthaltend eine Halterung (37) innerhalb des Turbinenauslaßkanals (35), die einen äußeren Ring (65) und einen inneren Ring 61) aufweist, die durch mehrere radial verlaufende Teile (67) verbunden sind zur Bildung eines Strömungskanals (175) für Turbinenauslaßgase, wobei jedes der Teile (67) eine Halterungsstrebe (95) aufweist, die von einer hohlen Verkleidung (67) umgeben ist zur Bildung einer hohlen Innenkammer (89); eine Einrichtung (141) zum Zuführen von kalter Luft zu der hohlen Innenkammer (69) von jedem der radialen Teile (67), gekennzeichnet durch eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Ausgangsrinne (75), die an wenigstens einer der Verkleidungen (67) angebracht ist, mit der hohlen Innenkammer (89) ihres entsprechenden radialen Teils (67) in Strömungsverbindung steht und wenistens einen Stömungskanal (111, 113 oder 115) aufweist zum Abgeben von Kühlluft in stromabwärtiger Richtung zur Ausbildung eines ringförmigen Strömungsmusters von Kühlluft zum Kühlen eines stromabwärtigen Triebwerksteils (45).

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen von Kühlluft zu der hohlen Innenkammer (89) von jedem der radialen Teile (67) wenigstens eine Schöpfeinrichtung (141) aufweist, die in dem Bypassluftkanal (23) angeordnet ist zum Leiten von Luft zu den hohlen Innenkammern (89) von jedem der radialen Teile.

3. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Triebwerksteil ein Nachbrenner (151) ist, der stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit der Halterung (37) angeordnet ist, wobei der Nachbrenner (151) einen ringförmigen Flammhalter (45) aufweist, der radial mit dem Kühlluft-Ringraum ausgerichtet ist, der von den Rinnen (75) abgebbar ist.

4. Triebwerk nach Anspruch 1, wobei das radiale Teil dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ausgangsrinne (75) im wesentlichen senkrecht zu der Verkleidung (67) ist.

5. Triebwerk nach Anspruch 1, wobei die Verkleidung dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens eine Leitanordnung (101 oder 102) in der hohlen Innenkammer (89) angeordnet ist zum Richten von Kühlluft durch die Innenkammer (89) zu der Ausgangsrinne (75).

6. Triebwerk nach Anspruch 1, wobei die Verkleidung (91) dadurch gekennzeichnet ist, daß eine stromaufwärtige Leitanordnung (101) und eine stromabwärtige Leitanordnung (103) in der Innenkammer (89) angeordnet sind zum Richten von Kühlluft durch die Innenkammer (89) zur Ausgangsrinne (75), wobei die Rinne ferner mehrere Ausgangskanäle (111, 113, 115) aufweist, die mit der Innenkammer (89) in Strömungsverbindung stehen zum Ausbilden einer seitlichen Verteilung der Kühlluft.

7. Triebwerk nach Anspruch 6, wobei die Rinne (75) dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ausgangskanäle ein Paar seitlich äußerer Kanäle (111) am weitesten entfernt von der Verkleidung (67), ein Paar innerer Kanäle (113) nächstgelegen zu der Verkleidung (67) und ein paar mittlere Kanäle (115) zwischen den äußeren und inneren Kanälen aufweist, und wobei die äußeren Kanäle (111) in Strömungsverbindung mit der Luft zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Leitanordnungen sind und die inneren Kanäle in Strömungsverbindung mit der stromabwärtigen Seite der stromabwärtigen Leitanordnung sind.

8. Triebwerk nach Anspruch 7, wobei die Verkleidung (91) dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Hinterkante (93) der Verkleidung (67) mehrere Abzapflöcher (107) ausgebildet sind, die mit der stromabwärtigen Seite der stromabwärtigen Leitanordnung (103) in Strömungsverbindung sind.

10. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidungen (67) jeweils eine Vorderkante (91) mit einem weiten Abschnitt maximaler Breite (unnummeriert) und eine Hinterkante (93) aufweisen und die Rinne (75) zwischen dem weiten Abschnitt und der Hinterkante (93) angeordnet ist zum Verkleinern der Ausbreitungsgeschwindigkeit von dem weiten Abschnitt zur Hinterkante (93).

11. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (75) dreieckförmig ist und eine Umfangsbreite aufweist, die in stromabwärtiger Richtung zunimmt und wesentlich größer als die radiale Höhe ist.

12. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärtigen Enden der Rinnen sich auf jeder Seite der Verkleidungen auf einem Drittel des Abstandes zwischen benachbarten Verkleidungen erstrecken.

13. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsstrebe (95) eine innere Strömungsbahn (97) aufweist, die mit dem Bypasskanal (23) in Strömungsverbindung ist zum Leiten von Kühlluft zu den inneren Triebwerksteilen (71).