DE4012756A1 - Einrichtung und verfahren zum reduzieren der differenzdruckbelastung in einem mit schubverstaerker versehenen gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf mit Schubverstär­ ker versehene Turbofan- oder Mantelstromtriebwerke und be­ trifft insbesondere eine Einrichtung und ein Verfahren zum Reduzieren der Differenzdruckbelastung an einem Nachbren­ nerflammrohr in einem mit Schubverstärker versehenen Man­ telstromtriebwerk.

Ein herkömmliches, mit Schubverstärker versehenes Mantel­ stromtriebwerk weist einen Fan auf, der einen Teil der Fan­ luft an ein Grundtriebwerk zum Erzeugen von Verbrennungsab­ gasen abgibt. Das Grundtriebwerk ist von einem Mantelstrom­ kanal umgeben, der einen weiteren Teil der Fanluft emp­ fängt, welcher das Grundtriebwerk umgeht. Der Nachbrenner oder Schubverstärker ist stromabwärts des Grundtriebwerks und des Mantelstromkanals angeordnet und enthält ein Flamm­ rohr, welches die Grundtriebwerksabgase und einen Teil der Mantelstromkanalluftströmung, der mit Brennstoff zur Ver­ brennung in dem Nachbrenner vermischt wird, empfängt. Der Nachbrenner enthält außerdem einen ringförmigen Sammelraum, welcher das Flammrohr umgibt und den übrigen Teil der Man­ telstromkanalluftströmung zum Kühlen des Nachbrenners, ins­ besondere von dessen Flammrohr, empfängt.

Ein Mischer ist an einem stromabwärtigen Ende des Grund­ triebwerks angeordnet, um die Mantelstromkanalluftströmung mit den Grundtriebwerksabgasen an dem stromabwärtigen Ende zu vermischen, welches eine Anpaßebene (match plane) bil­ det, wo die Mantelstromkanalluftströmung und die Grund­ triebwerksabgase einander schneiden.

Diese Triebwerke haben ein Anpaßebenendruckverhältnis, das als das Verhältnis des Mantelstromkanalluftströmungsgesamt­ druckes zu dem statischen Grundtriebwerksabgasdruck in der Anpaßebene definiert ist. Die Anpaßebenendruckverhältnisse variieren während des Betriebes eines Triebwerks über einem Bereich von Minimal- bis Maximalwerten. In einem exemplari­ schen Mantelstromtriebwerk mit Schubverstärker variiert das Anpaßebenendruckverhältnis von einem Minimalwert von etwa 1,04 bis zu einem Maximalwert von etwa 2,8 während des Be­ triebes des Triebwerks. Während des Nachverbrennungsbetrie­ bes des Triebwerks, d.h. während des Betriebes des Nach­ brenners hat das Anpaßebenendruckverhältnis bei dem exem­ plarischen Triebwerk Werte innerhalb des Bereiches von etwa 1,04 bis 1,5. Während des Trockenbetriebes des Triebwerks, d.h., wenn der Nachbrenner nicht in Betrieb ist, kann sich das Anpaßebenendruckverhältnis 2,8 nähern.

Da das Anpaßebenendruckverhältnis eine Korrelation zwischen dem Druck der Mantelstromkanalluftströmung und dem Druck des Grundtriebwerksabgases ist, ist es auch eine Angabe über die Differenzdruckbelastung, die an dem Nach­ brennerflammrohr auftritt. Zu der Differenzdruckbelastung kommt es, weil die Mantelstromkanalluftströmung in den Sammelraum an der radial äußeren Oberfläche des Flammrohres geleitet wird und weil die Grundtriebwerksabgase in den Schubverstärker geleitet und durch die radial innere Oberfläche des Flammrohres begrenzt werden.

In dem exemplarischen Mantelstromtriebwerk mit Schubver­ stärker wird die Mantelstromkanalluftströmung direkt in den Schubverstärkersammelraum geleitet, ohne daß sie irgendei­ nen nennenswerten Druckverlust erfährt. Druckverluste sind unerwünscht, da sie den aerodynamischen Wirkungsgrad des Triebwerks verringern. In einem solchen Triebwerk nimmt je­ doch die Differenzdruckbelastung an dem Flammrohr aufgrund der Differenz im Druck zwischen der Mantelstromkanalluft­ strömung in dem Sammelraum und dem Druck der Grundtrieb­ werksabgase innerhalb des Flammrohres zu, wenn die Anpaße­ benendruckverhältnisse zunehmen. Demgemäß tritt der maxi­ male Differenzdruck, der an dem Flammrohr wirksam ist, bei dem maximalen Anpaßebenendruckverhältnis auf, welches bei dem Triebwerkstrockenbetrieb auftritt.

Eine Differenzdruckbelastung ist eine Knickbelastung für das Flammrohr, und bei einigen Konstruktionen von Mantel­ stromtriebwerken mit Schubverstärker kann diese Belastung beträchtlich sein, weshalb sie einen geeigneten Aufbau zum Aufnehmen der Belastung erforderlich macht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues und verbessertes Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das eine Einrichtung und ein Verfahren zum Verringern der Differenzdruckbelastung an einem Nachbrennerflammrohr aufweist.

Weiter soll durch die Erfindung ein Gasturbinentriebwerk geschaffen werden, das einen vorbestimmten Druckverlust in der Kühlluft hat, die dem Nachbrennerflammrohr zugeführt wird, um die Differenzdruckbelastung an dem Flammrohr zu verringern und die Knickbelastungen, die auf das Flammrohr ausgeübt werden, zu reduzieren.

Schließlich soll durch die Erfindung ein Gasturbinentrieb­ werk geschaffen werden, das eine reduzierte Differenzdruck­ belastung an dem Nachbrennerflammrohr bei hohen Anpaßebe­ nendruckverhältnissen hat, ohne daß unerwünschte Druckver­ luste bei niedrigen Anpaßebenendruckverhältnissen erzeugt werden.

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren und eine Einrichtung zum Reduzieren von Knickbelastungen in einem Nachbrenner­ flammrohr durch Hervorrufen von vorbestimmten Druckverlu­ sten in der Mantelstromkanalluftströmung, die zu dem Flamm­ rohr geleitet wird. Das Verfahren beinhaltet die Schritte, die Mantelstromkanalluftströmung zu beschleunigen, um dem Nachbrenner eine beschleunigte Mantelstromkanalluftströmung zuzuführen, und dann die beschleunigte Mantelstromkanal­ luftströmung abzubremsen, um Druckverluste in der Mantel­ stromkanalluftströmung in dem Sammelraum zu erzeugen und den auf das Flammrohr einwirkenden Differenzdruck zu redu­ zieren.

Die Erfindung beinhaltet außerdem eine Einrichtung zum Be­ schleunigen und Abbremsen der Mantelstromkanalluftströmung zum Erzeugen von Druckverlusten zur Verringerung des auf das Nachbrennerflammrohr einwirkenden Differenzdruckes.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines mit Schubver­ stärker versehenen Mischströmung-Mantel­ stromtriebwerks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 1 mit 2-2 bezeichneten Bereiches, die eine bevor­ zugte Ausführungsform einer Einrichtung zum Reduzieren von Differenzdruckbelastungen zeigt,

Fig. 3 eine Endansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 2, welche aber eine weitere Ausführungsform der Erfin­ dung zeigt, die eine Strömungsleitvorrich­ tung hat, welche durch ein Triebwerksgehäuse gebildet wird,

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 2, die aber eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem gelappten (daisy) Mischer zeigt,

Fig. 6 eine Endansicht nach der Linie 6-6 in Fig. 5, und

Fig. 7 eine Ansicht ähnlich der in den Fig. 2 und 5, die aber noch eine weitere Ausfüh­ rungsform der Erfindung mit einem größeren gelappten Mischer zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Mischströmung-Mantelstrom-Gastturbinen­ triebwerk 10. Das Triebwerk 10 hat ein äußeres Gehäuse 12, in welchem ein herkömmlicher Fan 14 angeordnet ist, der Um­ gebungsluft 16 über einen Triebwerkseinlaß 18 empfängt, welcher mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Einlaßleitschaufeln 20 aufweist.

Das Triebwerk 10 enthält außerdem ein herkömmliches Grund­ triebwerk 22, das ein ringförmiges Gehäuse 24 aufweist, in welchem ein Verdichter 26, eine Brennkammer 28 und eine Hochdruckturbine 30, die den Verdichter 26 antreibt, ange­ ordnet sind. Das Grundtriebwerk 22 enthält außerdem eine Niederdruckturbine 32, die den Fan 14 antreibt.

Im Betrieb wird die Umgebungsluft 16 in dem Fan 14 unter Druck gesetzt, und ein erster Teil 34 der Fanluft wird in das Grundtriebwerk 22 über den Verdichter 26 geleitet, in welchem er verdichtet und dann mit Brennstoff versehen und in der Brennkammer 28 verbrannt wird, um Grundtriebwerksab­ gase 38 zu erzeugen. Die Abgase 38 werden zuerst durch die Hochdruckturbine 30 geleitet, um den Verdichter 26 anzu­ treiben, und dann durch die Niederdruckturbine 32, um den Fan 14 anzutreiben, und dann aus dem Grundtriebwerk (22) über einen Auslaß 40 abgegeben, der an einem stromabwärti­ gen Ende 42 des Grundtriebwerks zwischen dem Gehäuse 24 und einem Abgasmittelkörper 36, welcher sich von der Turbine 32 aus nach hinten erstreckt, gebildet ist.

Das Kern- bzw. Grundtriebwerk 22 ist in radialem Abstand einwärts von dem äußeren Gehäuse 12 angeordnet, um einen ringförmigen Mantelstromkanal 44 zu bilden, der sich über die Länge des Grundtriebwerks 22 erstreckt. Ein zweiter Teil der Luft 16, der durch den Fan 14 unter Druck gesetzt wird, wird durch den Mantelstromkanal 44 als Mantelstromkanalluftströmung 46 geleitet, die das Grundtriebwerk 22 umgeht und aus dem Man­ telstromkanal 44 über einen Mantelstromkanalauslaß 48 abge­ geben wird, der an dem stromabwärtigen Ende 42 des Grund­ triebwerks 22 gebildet ist.

Das Triebwerk 10 weist weiter einen Nachbrenner oder Schub­ verstärker 50 auf, der sich von dem Grundtriebwerk 22 und dem Mantelstromkanal 44 aus stromabwärts innerhalb des äu­ ßeren Gehäuses 12 erstreckt. Der Schubverstärker 50 enthält ein Flammrohr 52, das in radialem Abstand einwärts von dem äußeren Gehäuse 12 angeordnet ist, um einen ringförmigen Sammelraum 54 zu bilden, der sich über die Länge des Flamm­ rohres 52 erstreckt. Der Sammelraum 54 steht in Strömungs­ verbindung mit dem Mantelstromkanal 44, um die Mantel­ stromkanalluftströmung zum Kühlen des Schubverstärkers zu empfangen, insbesondere zum Kühlen des Flammrohres 52 und einer herkömmlichen Schubdüse 56, die am hinteren Ende des Triebwerks 10 angeordnet ist.

Der Schubverstärker 50 enthält außerdem mehrere in gegen­ seitigem Umfangsabstand angeordnete herkömmliche Brenn­ stoffeinspritzvorrichtungen 58, die zwischen dem Grund­ triebwerk 22 und dem Schubverstärkerflammrohr 52 angeordnet sind und dem Grundtriebwerksabgas 38 sowie der Mantel­ stromkanalluftströmung 46 Brennstoff zuführen, die in eine Verbrennungszone 60 geleitet werden, welche einwärts der radial inneren Oberfläche des Flammrohres 52 gebildet ist, um zusätzlichen Schub während des Nachverbrennungsbetriebes des Triebwerks 10 zu erzeugen, wenn der Schubverstärker 50 mit Brennstoff versorgt wird.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Teil des Gebiets zwischen dem Grundtriebwerk 22 und dem Schubverstärker 50 und aus­ führlicher eine Einrichtung zum Reduzieren der Differenz­ druckbelastung an dem Flammrohr 52. Außerdem ist in den Fig. 2 und 3 ein ringförmiger Zusammenströmungsmischer 62 dargestellt, der durch das hintere Ende des Gehäuses 24 ge­ bildet wird. Der Mischer 62 wird durch eine hintere radial äußere Oberfläche 64 des Gehäuses 24 gebildet, welche die Mantelstromkanalluftströmung 46 in den Mantelstromkanal 44 begrenzt. Der Mischer 62 hat außerdem eine hintere radial innere Oberfläche 66 des Gehäuses 24, welche die Grund­ triebwerksabgase 38 begrenzt. Die äußere Oberfläche 64 und die innere Oberfläche 66 konvergieren zu dem stromabwärti­ gen Ende 42 des Grundtriebwerks 22, das alternativ auch als das stromabwärtige Ende 42 des Mischers 62 bezeichnet wer­ den kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ent­ hält das Triebwerk 10 eine ringförmige Strömungsleitvor­ richtung 68, die sich von dem äußeren Gehäuse 12 aus radial einwärts sowohl in den Mantelstromkanal 44 als auch in den Sammelraum 54 erstreckt. Die Strömungsleitvorrichtung 68 hat einen ersten Teil 70, der von dem äußeren Gehäuse 12 aus nach hinten und radial einwärts geneigt ist und Abstand von der äußeren Oberfläche 64 des Mischers 62 hat und in Zusammenwirkung mit dieser Oberfläche einen Hals 72 mit ei­ nem minimalen Strömungsquerschnitt an dem Mantelstromkanal­ auslaß 48 und eine konvergierende Düse oder einen konver­ gierenden Kanal 74 in dem Mantelstromkanal 44 zum Beschleu­ nigen der Mantelstromkanalluftströmung 46 in dem konvergie­ renden Kanal 74 zu dem Hals 72 bildet.

Die Strömungsleitvorrichtung 68 hat außerdem einen zweiten Teil 76, der in stromaufwärtiger Richtung und radial ein­ wärts von dem äußeren Gehäuse 12 aus geneigt ist, Abstand von einem stromaufwärtigen Ende 77 des Flammrohres 52 hat und in Zusammenwirkung mit diesem stromaufwärtigen Ende einen Einlaß 78 des Sammelraums 54 und einen ersten diver­ gierenden Kanal 80 in dem Sammelraum 54, der nach Art eines Diffusors die Mantelstromkanalluftströmung in den Einlaß 78 einleitet, bildet.

Alternativ kann der zweite Teil 76 der Strömungsleitvor­ richtung 68 stromabwärts des Einlasses 78 abgestumpft sein, und der Kanal 80 kann konvergieren oder ein Kanal konstan­ ten Querschnittes sein, da angenommen wird, daß dieser Teil 76 und der Kanal 80 stromabwärts des Einlasses 78 die Lei­ stungsfähigkeit der Einrichtung und des Verfahrens nach der Erfindung nicht nennenswert beeinflussen.

Außerdem hat in der bevorzugten Ausführungsform der Mischer 62 axialen Abstand von dem Sammelraumeinlaß 78, um einen axialen Spalt 82 zu bilden. Die Strömungsleitvorrichtung 68 hat einen dritten Teil 84, der sich zwischen dem ersten Teil 70 der Strömungsleitvorrichtung an dem Hals 72 zu dem zweiten Teil 76 der Strömungsleitvorrichtung an dem Sammel­ raumeinlaß 78 über die axiale Ausdehnung des axialen Spalts 82 erstreckt.

Aufgrund des oben beschriebenen Aufbaus wird die Mantel­ stromkanalluftströmung 46 durch den Mantelstromkanalauslaß 48 geleitet und in einen ersten Teil 86 der Mantelstromka­ nalluftströmung, welcher in die Verbrennungszone 60 inner­ halb des Flammrohres 52 geleitet wird, und in einen zweiten Teil 88 der Mantelstromkanalluftströmung aufgeteilt, der in den Sammelraum 54 geleitet wird, um den Schubverstärker 50 zu kühlen. Der Mischer 62, der an dem stromabwärtigen Ende 42 des Grundtriebwerks angeordnet ist, dient zum Vermischen der Abgase 38 aus dem Grundtriebwerksauslaß 40 und des er­ sten Teils 86 der Mantelstromkanalluftströmung aus dem Man­ telstromkanalauslaß 48. Bei dem einfachen Mischer 62, der in Fig. 2 dargestellt ist, wird das durch die radial ein­ wärts geneigte äußere Oberfläche 64 erreicht, die schräg zu der inneren Oberfläche 66 angeordnet ist, so daß der erste Teil 86 der Mantelstromkanalluftströmung so geleitet wird, daß er die Grundtriebwerksgase 38 in dem axialen Spalt 82 schneidet, der an dem stromabwärtigen Ende 42 des Mischers 62 beginnt.

Weiter zeigt Fig. 2, daß das Triebwerk 10 eine Anpaßebene 90 aufweist, welche als die Ebene definiert ist, die sich durch den Grundtriebwerksauslaß 40, das stromabwärtige Ende 42 des Mischers und den Mantelstromkanalauslaß 48 er­ streckt. In der Anpaßebene 90 wird ein Anpaßebenendruckver­ hältnis definiert, das aus dem Gesamtdruck der Mantelstrom­ kanalluftströmung 46 in der Anpaßebene 90 dividiert durch den statischen Druck der Abgase 38 in der Anpaßebene 90 ge­ bildet wird.

Das Triebwerk 10 ist über einem Bereich von Anpaßebenen­ druckverhältnissen von minimalen bis maximalen Anpaßebenen­ druckverhältnissen und in der dargestellten exemplarischen Ausführungsform in einem Bereich betreibbar, der von einem minimalen Anpaßebenendruckverhältnis von etwa 1,04 bis zu einem maximalen Anpaßebenendruckverhältnis von etwa 2,8 reicht. Im Nachverbrennungsbetrieb des Triebwerks 10, bei dem Brennstoff aus den Brennstoffeinspritzvorrichtungen 58 mit den Grundtriebwerksabgasen 38 und dem ersten Teil 86 der Mantelstromkanalluftströmung vermischt und in der Ver­ brennungszone 60 verbrannt wird, reicht das Anpaßebenen­ druckverhältnis von etwa 1,04 bis etwa 1,5. Während des Trockenbetriebs des Triebwerks 10, wenn in der Verbren­ nungszone 60 des Schubverstärkers 50 keine Verbrennung stattfindet, erreichen die Anpaßebenendruckverhältnisse den Maximalwert von etwa 2,8.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Einrichtung nahe dem stromabwärtigen Ende 42 des Grundtriebwerks 22 vorgesehen, um die Mantelstromkanalluft­ strömung 46 zu beschleunigen, vorzugsweise auf eine Ge­ schwindigkeit von mehr als Mach 1 bei dem maximalen Anpaße­ benendruckverhältnis, um dem Schubverstärker 50 eine be­ schleunigte Mantelstromkanalluftströmung zuzuführen. Die Beschleunigungseinrichtung umfaßt den konvergierenden Kanal 74 und den Hals 72, die durch den ersten Teil 70 der Strö­ mungsleitvorrichtung 70, gebildet sind, welcher mit der äu­ ßeren Oberfläche 64 des Mischers 62 zusammenwirkt, um die Luftströmung 46 auf Geschwindigkeiten bis zu Mach 1 in dem Hals 72 zu beschleunigen.

Die Beschleunigungseinrichtung umfaßt weiter einen zweiten, divergierenden Kanal 92 zum weiteren Beschleunigen der Man­ telstromkanalluftströmung 46 auf Überschallgeschwindigkei­ ten von mehr als Mach 1 bei Anpaßebenendruckverhältnissen die über einem Schallanpaßebenendruckverhältnis liegen. Das Schallanpaßebenendruckverhältnis ist dasjenige Druckver­ hältnis, welches sich in einer Schallströmung bei Mach 1 der Mantelstromkanalluftströmung 46 in dem Hals 72 ergibt und bei der dargestellten exemplarischen Ausführungsform etwa 1,9 beträgt. Außerdem wird bei der exemplarischen Aus­ führungsform die Mantelstromkanalluftströmung in dem diver­ gierenden Kanal 92 auf Mach 1,3 bei dem maximalen Anpaßebe­ nendruckverhältnis von 2,8 beschleunigt.

Der divergierende Kanal 92 wird durch eine Seite des drit­ ten Teils 84 der Strömungsleitvorrichtung und auf der ent­ gegengesetzten Seite durch den Abgasmittelkörper 36 gebil­ det und begrenzt und erstreckt sich über die Länge des axialen Spalts 82. Der divergierende Kanal 92 einschließ­ lich des dritten Teils 84 der Strömungsleitvorrichtung und des axialen Spalts 82 ist so bemessen und ausgebildet, daß er die Mantelstromkanalluftströmung 46 weiter auf Über­ schallgeschwindigkeiten oberhalb von Schallanpaßebenen­ druckverhältnissen beschleunigt und die Mantelstromkanal­ luftströmung 46 unter Schallanpaßebenendruckverhältnissen abbremst. Die Länge des divergierenden Kanals 92 ein­ schließlich der Länge des axialen Spalts 82 wird für beson­ dere Ausführungsformen so gewählt, daß eine ausreichende Expansion der Mantelstromkanalluftströmung 46 in dem Kanal 92 gewährleistet ist, um die Überschallgeschwindigkeiten zu erzielen, und das Ausmaß der Divergenz des dritten Teils 84 der Strömungsleitvorrichtung wird ebenfalls so gewählt, daß die abgebremste Unterschallströmung erzielt wird.

Demgemäß umfassen die Beschleunigungseinrichtung und die Abbremseinrichtung beide den divergierenden Kanal 92, um den zweiten Teil 88 der Mantelstromkanalluftströmung bei Anpaßebenendruckverhältnissen zu beschleunigen oder abzu­ bremsen, die Überschall- bzw. Unterschallanpaßebenendruck­ verhältnisse sind.

In der Ausführungsform, die in Fig. 2 dargestellt ist, er­ streckt sich eine Fluidgrenze 94 in dem divergierenden Ka­ nal 92 während der Überschallströmung von dem stromabwärti­ gen Ende 42 des Mischers 62 durch den axialen Spalt 82 zu dem Flammrohr 52. Die Fluidgrenze 94 repräsentiert die Grenzfläche zwischen der Mantelstromkanalluftströmung 46 und den Abgasen 38. Die Überschallmantelstromkanalluftströ­ mung 46, die oben beschrieben worden ist, wird zwischen dem dritten Teil 84 der Strömungsleitvorrichtung und der Fluid­ grenze 94 auftreten.

Wenn die Mantelstromkanalluftströmung 46 auf eine Geschwin­ digkeit, die größer als Mach 1 ist, durch den konvergieren­ den Kanal 74 und den divergierenden Kanal 92 beschleunigt wird, erfährt der zweite Teil 88 der Mantelstromkanalluft­ strömung Druckverluste und wird mit einer Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 in den Sammelraumeinlaß 78 geleitet. Das stromaufwärtige Ende 77 des Flammrohres wird dann Stoß­ wellen in dem zweiten Teil 88 der Mantelstromkanalluftströ­ mung erzeugen, welche zusätzliche Druckverluste darin her­ vorrufen werden, um eine im Druck verminderte Mantelstrom­ kanalluftströmung 96 in dem Sammelraum 54 zum Reduzieren des Differenzdruckes, der auf das Flammrohr 52 einwirkt, zu liefern.

Mit anderen Worten, die Strömungsleitvorrichtung 68 und der axiale Spalt 82 sind wie oben beschrieben vorgesehen, um eine Einrichtung zu schaffen, die Druckverluste in der Man­ telstromkanalluftströmung 46 hervorruft, bevor diese in den Sammelraum 54 geleitet wird. Die Konstruktionen sind in dem Zustand maximalen Anpaßebenendruckverhältnisses vorzugs­ weise so bemessen und ausgelegt, daß das Hervorrufen eines maximalen Druckverlustes in dem zweiten Teil 88 der Mantel­ stromkanalluftströmung, der in den Sammelraum 54 geleitet wird, gewährleistet ist. Das maximale Anpaßebenendruckver­ hältnis würde ohne die Einrichtung und das Verfahren nach der Erfindung gewöhnlich zu einem gewissen Differenzdruck führen, der auf das Flammrohr 52 einwirkt, wobei der Druck der Luftströmung 96 wesentlich größer als der Druck der Gase in der Verbrennungszone 60 innerhalb des Flammrohres 52 sein würde. Das erfindungsgemäße Hervorrufen der vorbe­ stimmten Druckverluste in der Luftströmung 88 reduziert den Druck innerhalb des Sammelraums 54, um den Differenzdruck zu reduzieren, der an dem Flammrohr 52 wirksam ist, und deshalb Knickbelastungen zu verringern.

Durch Bemessen und Auslegen der Strömungsleitvorrichtung 68 und des axialen Spalts 82 zum Erzielen von Überschallge­ schwindigkeit der Mantelstromkanalluftströmung 46 stromab­ wärts des Halses 72 werden beträchtliche zusätzliche Druck­ verluste durch die Stoßwellen erzeugt, die auftreten, wenn der zweite Teil 88 der Mantelstromkanalluftströmung in den Einlaß 78 eintritt, was erwünscht ist, um die Druckdiffe­ renz an dem Flammrohr 52 zu reduzieren. Die Konstruktion von konvergenten/divergenten Düsen zum Erzielen von Über­ schallströmung ist Stand der Technik und eine Funktion der Druckverhältnisse und der Querschnittsverhältnisse. Der konvergente Kanal 74 und der divergente Kanal 92 sind her­ kömmlichen konvergenten/divergenten Düsen direkt analog, und die Bemessung und Auslegung zum Erzielen von Über­ schallströmung können durch den Fachmann für jeden besonde­ ren Triebwerkszweck bestimmt werden.

Bei Anpaßebenendruckverhältnissen unter dem maximalen Ver­ hältnis von 2,8 für die dargestellte Ausführungsform wird die Geschwindigkeit der Mantelstromkanalluftströmung 46 in dem divergierenden Kanal 92 entsprechend abnehmen, und bei dem Schallanpaßebenendruckverhältnis wird die Mantelstrom­ kanalluftströmung 46 auf eine maximale Geschwindigkeit von etwa Mach 1 an dem Hals 72 beschleunigt. Bei niedrigeren Werten des Anpaßebenendruckverhältnisses wird die Mantel­ stromkanalluftströmung 46 in dem konvergierenden Kanal 74 auf Werte unter Mach 1 an dem Hals 72 beschleunigt, z.B. auf Mach 0,24 bei dem minimalen Anpaßebenendruckverhältnis von 1,04. Der zweite Teil 88 der Mantelstromkanalluftströ­ mung wird, statt weiter beschleunigt zu werden, in dem di­ viergierenden Kanal 92 abgebremst. Diese Beschleunigung und Abbremsung der Mantelstromkanalluftströmung 46 erzeugt Druckverluste, die für die Erfindung bevorzugt werden.

Die bevorzugten Druckverluste, die in dem zweiten Teil 88 der Mantelstromkanalluftströmung 46 hervorgerufen werden, reichen von maximalen Werten bei den maximalen Anpaßebenen­ druckverhältnissen bis zu beträchtlichen, aber kleineren Werten bei Anpaßebenendruckverhältnissen, die sich zur Beschleunigung des zweiten Teils 88 der Mantelstromkanalluftströmung 46 nahe bei, aber unterhalb von Mach 1 ergeben. Die Druckverluste reichen weiter bis zu relativ niedrigen Werten bei niedrigen Anpaßebenendruckver­ hältnissen.

Die Druckverluste, die durch die Erfindung hervorgerufen werden, nehmen bei relativ niedrigen Mach-Zahlen des zwei­ ten Teils 88 der Mantelstromkanalluftströmung 46 beträcht­ lich ab, was bevorzugt wird, da Druckverluste gewöhnlich unerwünscht sind, weil sie den Tiebwerkswirkungsgrad ver­ ringern und zu verringerter Luftströmung 96 in den Sammel­ raum 54 zum Kühlen des Flammrohres 52 unter Bedingungen niedriger Mach-Zahlen führen. Zum Beispiel ist während des Nachverbrennungsbetriebes des Triebwerks 10, bei dem die Anpaßebenendruckverhältnisse bei den minimalen und niedri­ gen Werten im allgemeinen etwa 1,04 bis 1,5 bei der exem­ plarischen Ausführungsform entsprechen, das Flammrohr 52 relativ geringen Differenzdrücken ausgesetzt, und die Not­ wendigkeit zum Reduzieren dieser Differenzdrücke besteht nicht. Das Hervorrufen von Druckverlusten würde während des Nachverbrennungsbetriebes unerwünscht sein, da sie den ae­ rodynamischen Wirkungsgrad verringern und die Flammrohrküh­ lung des Triebwerks reduzieren. Die Erfindung ruft jedoch relativ geringe Druckverluste in dem zweiten Teil 88 der Mantelstromkanalluftströmung 46 bei den relativ niedrigen Mach-Zahlen hervor, die während des Nachverbrennungsbetrie­ bes auftreten. Deshalb ist die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit, relativ niedrige Druckverluste bei niedrigen Anpaßebenendruckverhältnissen und relativ hohe Druckverlu­ ste bei hohen Anpaßebenendruckverhältnissen hervorzurufen, erwünscht.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die mit der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform über­ einstimmt, mit der Ausnahme, daß sie eine Strömungsleitvor­ richtung 98 aufweist, die mit der in Fig. 2 dargestellten Strömungsleitvorrichtung 68 identisch ist, mit der Aus­ nahme, daß die Strömungsleitvorrichtung 98 als ein Teil des äußeren Gehäuses 12 und nicht als ein unabhängiges und ge­ sondertes Bauteil ausgebildet ist.

Fig. 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfin­ dung, die mit der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform im wesentlichen übereinstimmt, mit der Ausnahme, daß sie einen herkömmlichen gelappten Mischer 100 statt des Zusam­ menströmungsmischers 62 aufweist. Gemäß der deutlicheren Darstellung in Fig. 6 hat der Mischer 100 eine gefaltete äußere Oberfläche 102, die auf einer Seite die Mantelstrom­ kanalluftströmung 46 begrenzt, und außerdem eine gefaltete innere Oberfläche 104, die auf einer Seite die Grundtrieb­ werksabgase 38 begrenzt. Der gelappte Mischer 100 ist her­ kömmlich und arbeitet auf herkömmliche Weise beim Vermi­ schen der Mantelstromkanalluftströmung 46 mit den Grund­ triebwerksabgasen 38. Ebenso wie in der Ausführungsform, die in Fig. 2 dargestellt ist, bildet der erste Teil 70 der Strömungsleitvorrichtung mit der äußeren Oberfläche 102 des Mischers 100 einen konvergierenden Kanal 106. Die Anpaße­ bene ist an dem stromabwärtigen Ende 108 des Mischers 100 gebildet, und der axiale Spalt 82 erstreckt sich von dem stromabwärtigen Ende 108 bis zu dem Flammrohr 52.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die mit der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungs­ form im wesentlichen übereinstimmt, jedoch mit der Aus­ nahme, daß sie einen wesentlich größeren herkömmlichen ge­ lappten oder gewellten Mischer 110 und eine Vielzahl von Brennstoffein­ spritzvorrichtungen 112 aufweist, die an einem stromaufwär­ tigen Ende des Mischers 110 angeordnet sind.

Gemäß Fig. 2 beinhaltet die Erfindung außerdem ein Verfah­ ren zum Erhöhen des Widerstands des Schubverstärkerflamm­ rohres 52 des Triebwerks 10 gegen Verziehen oder Knicken, das folgende Schritte beinhaltet:
Beschleunigen der Mantelstromkanalluftströmung 46, um eine beschleunigte Mantelstromkanalluftströmung, d.h. den ersten Teil 86 und den zweiten Teil 88 der Mantelstromkanalluft­ strömung dem Schubverstärker 50 zuzuführen, und
Abbremsen der beschleunigten Mantelstromkanalluftströmung, z.B. des zweiten Teils 88 der Mantelstromkanalluftströmung, um Druckverluste hervorzurufen und dem Sammelraum 54 eine im Druck verminderte Mantelstromkanalluftströmung 96 zum Reduzieren des Differenzdrucks, der an dem Flammrohr 52 wirksam ist, zuzuführen.

Das Verfahren beinhaltet außerdem das Beschleunigen der Mantelstromkanalluftströmung 46 auf eine Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 stromabwärts des Halses 72 in dem zwei­ ten, divergierenden Kanal 92 während des Beschleunigungs­ schrittes und dann das Abbremsen der beschleunigten Mantel­ stromkanalluftströmung, d.h. des zweiten Teils 88 der Man­ telstromkanalluftströmung auf eine Geschwindigkeit unter Mach 1 an dem Einlaß 78 des divergierenden Kanals 80, um Druckverluste zu erzielen, die zum Teil auf Stoßwellen an dem Einlaß 78 zurückzuführen sind.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erhöhen der Knickfestigkeit des Schubver­ stärkerflammrohres eines Gasturbinentriebwerks, das einen Fan, ein Grundtriebwerk zum Erzeugen von Verbrennungsabga­ sen und einen Mantelstromkanal zum Leiten einer Mantel­ stromkanalkühlluftströmung aus dem Fan über das Grundtrieb­ werk hat, wobei das Flammrohr des Schubverstärkers ringför­ mig ist und die Abgase sowie einen Teil der Mantelstromkanalluftströmung empfängt und wobei ein ring­ förmiger Sammelraum das Flammrohr umgibt und einen zweiten Teil der Mantelstromkanalluftströmung zum Kühlen des Schub­ verstärkers empfängt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Beschleunigen der Mantelstromkanalluftströmung, um dem Schubverstärker eine beschleunigte Mantelstromkanalluft­ strömung zuzuführen; und
Abbremsen der beschleunigten Mantelstromkanalluftströmung, um Druckverluste in dem zweiten Teil der Mantelstromkanal­ luftströmung hervorzurufen, der dem Sammelraum zugeführt wird, und den Differenzdruck zu reduzieren, der auf das Flammrohr einwirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelstromkanalluftströmung auf eine Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 während des Beschleunigungsschrittes beschleunigt wird und daß die beschleunigte Mantelstromka­ nalluftströmung auf eine Geschwindigkeit von weniger als Mach 1 abgebremst wird, um Druckverluste aufgrund von Stoß­ wellen zu erzielen.

3. Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:
einen Fan (14);
ein Grundtriebwerk (22) zum Erzeugen von Verbrennungsabga­ sen (38);
einen Mantelstromkanal (44) zum Leiten einer Mantelstromka­ nalkühlluftströmung (46) aus dem Fan (14) über das Grund­ triebwerk (22);
einen Schubverstärker (50) mit einem ringförmigen Flammrohr (52) zum Empfangen der Abgase (38) und eines ersten Teils (86) der Mantelstromkanalluftströmung (46) und mit einem ringförmigen Sammelraum (54), der das Flammrohr (52) um­ gibt, zum Empfangen eines zweiten Teils (88) der Mantel­ stromkanalluftströmung (46) zum Kühlen des Schubverstärkers (50);
eine Einrichtung (72, 74) zum Beschleunigen der Mantel­ stromkanalluftströmung (46), um dem Schubverstärker (50) eine beschleunigte Mantelstromkanalluftströmung zuzuführen;
und
eine Einrichtung (76, 80) zum Abbremsen der beschleunigten Mantelstromkanalluftströmung (46), um Druckverluste in dem zweiten Teil (88) der Mantelstromkanalluftströmung zu er­ zeugen, der dem Sammelraum (54) zugeführt wird, um die auf das Flammrohr (52) einwirkende Druckdifferenz zu vermin­ dern.

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtung (72, 74) die Mantelstromkanalluftströmung (46) auf eine Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 beschleunigt und daß die Abbremsein­ richtung (76, 80) die beschleunigte Mantelstromkanalluft­ strömung (46) abbremst, um Druckverluste aufgrund von Stoß­ wellen zu erzielen.

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3 oder 4, gekenn­ zeichnet durch:
einen ersten Auslaß (40) zum Abgeben der Abgase (38) aus dem Grundtriebwerk (22);
einen zweiten Auslaß (48) zum Abgeben der Mantelstromkanal­ luftströmung (46) aus dem Mantelstromkanal (44);
einen Mischer (62), der an einem stromabwärtigen Ende des Grundtriebwerks (22) angeordnet ist, zum Vermischen der Ab­ gase (38) aus dem ersten Auslaß (40) und des ersten Teils (86) der Mantelstromkanalluftströmung (46) aus dem zweiten Auslaß (48);
wobei die Beschleunigungseinrichtung (72, 74) eine Strö­ mungsleitvorrichtung (68) aufweist, die einen ersten Teil (70) hat, der in Zusammenwirkung mit dem Mischer (62) einen Hals (72) an dem zweiten Auslaß (48) und einen konvergie­ renden Kanal (74) in dem Mantelstromkanal (44) zum Be­ schleunigen der Mantelstromkanalluftströmung (46) in dem konvergierenden Kanal (74) zu dem Hals (72) bildet; und
wobei die Strömungsleitvorrichtung (68) einen zweiten Teil (76) hat, der in Zusammenwirkung mit dem Flammrohr (52) einen Einlaß des Sammelraums (54) und einen divergierenden Kanal (80) in dem Sammelraum (54) bildet.

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mischer (62) axialen Abstand von dem Sam­ melraumeinlaß hat, um einen axialen Spalt (82) zu bilden, in welchem sich der erste Teil (86) der Mantelstromkanal­ luftströmung (46) mit den Abgasen (38) vereinigt, um mit diesen zu dem Schubverstärker (50) zu strömen, und daß die Strömungsleitvorrichtung (68) einen dritten Teil (84) auf­ weist, der sich zwischen dem ersten Teil (70) der Strö­ mungsleitvorrichtung an dem Mischer (62) zu dem zweiten Teil (76) der Strömungsleitvorrichtung an dem Sammelrau­ meinlaß über die axiale Ausdehnung des axialen Spalts (82) erstreckt.

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch:
eine Anpaßebene (90), die an einem stromabwärtigen Ende des Mischers (62) gebildet ist, wobei in der Anpaßebene ein An­ paßebenendruckverhältnis definiert ist, das aus dem Gesamt­ druck der Mantelstromkanalluftströmung (46) in der Anpaße­ bene (90) dividiert durch den statischen Druck der Abgase (38) in der Anpaßebene (90) gebildet wird, wobei das Trieb­ werk (10) über einem Bereich von Anpaßebenendruckverhält­ nissen von minimalen bis maximalen Anpaßebenendruckverhält­ nissen betreibbar ist; und
wobei die Beschleunigungseinrichtung (72, 74) so bemessen und ausgebildet ist, daß sie die Mantelstromkanalluftströ­ mung (46) auf eine Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 bei dem maximalen Anpaßebenendruckverhältnis beschleunigt.

8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtung (72, 74) und die Abbremseinrichtung (76, 80) weiter beinhalten, daß der dritte Teil (84) der Strömungsleitvorrichtung (68) und der axiale Spalt (82) so bemessen und ausgebildet sind, daß sie einen divergierenden Kanal (92) bilden, um die Mantelstrom­ kanalluftströmung (46) auf eine Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 bei Anpaßebenendruckverhältnissen, die größer als ein Schallanpaßebenendruckverhältnis sind, zu beschleu­ nigen und um die Mantelstromkanalluftströmung (46) bei An­ paßebenendruckverhältnissen, die kleiner als das Schallan­ paßebenendruckverhältnis sind, abzubremsen.

9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Grundtriebwerk (22) ein äußeres Gehäuse (24) aufweist und daß der Mischer (62) ein Zusammenströ­ mungsmischer ist, der durch eine hintere radial äußere Oberfläche des Gehäuses (24), die die Mantelstromkanalluft­ strömung (46) begrenzt, und durch eine hintere radial in­ nere Oberfläche des Gehäuses (24), die die Grundtriebwerks­ abgase (38) begrenzt, gebildet ist, wobei die innere und die äußere Oberfläche zu dem stromabwärtigen Ende des Mi­ schers (62) hin konvergieren.

10. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mischer ein gelappter Mischer (100) ist, der eine gefaltete äußere Oberfläche (102) hat, welche die Mantelstromkanalluftströmung (46) begrenzt, und eine gefal­ tete innere Oberfläche (104), welche die Grundtriebwerksab­ gase (38) begrenzt.