DE849628C - Turbo-Strahlantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nachverbrennungs- oder Wiedererhitzungssystem für die Austrittsgase eines Turbo-Strahlantriebes.

Bei einem gewöhnlichen Turbo-Strahlantrieb 5 ohne Nach- oder Neuerhitzung der Austrittsgase strömen diese durch einen Austrittsdiffusor, ein Strahlrohr und eine Strahldüse, die so konstruiert sind, daß Strömungsverluste auf ein Minimum herabgesetzt und optimale Bedingungen für den Strahlantrieb geschaffen werden. Ein so konstruierter Diffusor, Strahlrohr und Strahldüse sollen im nachstehenden als normal dimensioniert bezeichnet werden.

Wenn 'die Austrittsgase eines Turbo-Strahlantriebes zeitweilig neu erhitzt werden sollen, bedient man sich üblicherweise eines längeren Austrittsdiffusors und eines Strahlrohres von größerem als normalem Durchmesser, um (bei Zuführung des Nacherhitzungsbrennstoffes im Bereich des Eintrittsendes dieses Rohres) die Axialgeschwindigkeit der Hauptströmung in dem Strahlrohr auf einen Wert herabzusetzen, der sicherstellt, daß die Ausbrennurig des Nacherhitzungsbrennstoffes innerhalb der Länge des Düsenrohres fortgesetzt und vollständig zu Ende geführt wird. Die Strahldüse selbst ist verstellbar, so daß der Düsenquerschnitt um einen ausreichenden Betrag vergrößert werden kann, um die größere wiedererhitzte Gasmasse durchzulassen, bzw. andererseits verkleinert werden kann, wie es notwendig ist, wenn keine Nacherhitzung stattfindet.

Mit der Benutzung eines solchen Diffusors, Strahlrohres und verstellbarer Strahldüse ist, wenn man ohne Nacherhitzung arbeitet, ein Verlust von

etwa 3 °/o gegenüber der Benutzung eines normal dimensionierten Diffusors, Strahlrohres und Strahldüse verbunden. Außerdem ist es ziemlich schwierig, die verstellbare Strahldüse ordnungsgemäß zu kühlen, besonders wenn ein« Nacherhitzung der Gasmasse stattfindet. Des weiteren sind die mechanischen Mittel zur Verstellung der Strahldüse der Gefahr einer Verbiegung und Verformung ausgesetzt. Auch die Kühlung des Strahlrohres hat bisher Schwierigkeiten mit sich gebracht infolge der hohen Gastemperatur, wenn eine Wiederaufheizung stattfindet. Eines der Hauptprobleme hierbei ist eine angemessene thermische Isolierung des Strahlrohres während einer Nacherhitzung, um schädigende Aus-Wirkungen auf ein Flugzeug, in das die Antriebsanlage eingebaut ist, zu vermeiden.

Die Erfindung hat sich an erster Stelle die Aufgabe gesetzt, eine Nacherhitzungsordnung zu schaffen, bei welcher die geschilderten Nachteile vermieden werden.

Erfindungsgemäß findet ein Turbo-Strahlantrieb mit normal dimensioniertem Austrittsdiffusor, Strahlrohr und Strahldüse Anwendung, wobei dem Strahlrohr Nacherhitzungsbrennstoff in irgendeiner üblichen Weise zugeführt werden kann. Erfindungsgemäß wird hiermit ein das Strahlrohr umgebender Ringkanal vereinigt, der in einer Strahldüse endet, die die normale Strahldüseumgibt, wobei eine Steueranordnung vorgesehen ist, mit deren Hilfe, wenn eine Wiederaufheizung der Gasmasse stattfindet, eine ausreichende Menge der austretenden Gasmasse aus dem Strahlrohr in den Ringkanal abgezweigt werden kann, um innerhalb der Länge des Strahlrohres die Aufrechterhaltung und Beendigung des Verbrennungsvorganges des Nacherhitzungsbrennstoffes sicherzustellen und die Strahldüsenfiäche so weit zu vergrößern, wie es mit Rücksicht auf die Gesamtströmungsmasse erforderlich ist. Während der Neuaufheizung der Austrittsgase wird der Gasanteil, der aus dem Strahlrohr abgezweigt wird, durch die Querschnittsfläche der ringförmigen Strahldüse am Ende des Ringkanales gesteuert.

Die Erfindung ist beispielsweise auf der Zeichnung veranschaulicht.

Fig. ι ist die Ansicht eines Turbo-Strahlmotores nach der Erfindung;

Fig. 2 ist ein sdhematischer Schnitt in vergrößertem Maßstab durch den Austrittsdiffusor, das Strahlrohr und die Strahldüse mit den damit in Verbindung stehenden Teilen, wobei sich die erfindungsgemäße Steuerhülse in der Stellung befindet, die sie 1>ei einer Nacherhitzung der Austrittsgase einnimmt;

Fig. 3 ist ein Teilschnitt in gleicher Darstellung wie Fig. 2 und zeigt die Stellung der Steuerhülse in einer Lage, die sie einnimmt, wenn keine Nacherhitzung der Austrittsgase stattfindet; Fig. 4 ist in vergrößertem Maßstab ein Schnitt

nach der Linie 4-4 der Fig. 3 und veranschaulicht eine Ausführungsmöglichkeit für die Zuführung des Nacherhitzungsbrennstoffes und eines Teiles der Betätigungsvorrichtung für die Steuerhülse; Fig. 5 ist in noch mehr vergrößertem Maßstab ein Teilschnitt durch einen Teil der Antriebsvorrichtung für die Steuerhülse, deren voll ausgezogen gezeichnete Lage der Stellung der Hülse bei einer Nacherhitzung der austretenden Gase entspricht;

Fig. 6 veranschaulicht als Teilschnitt die Verbindung einer Antriebsschraube in Fig. 5 mit der Steuerhülse;

Fig. 7 ist ein schematischer Grundriß der beiden nebeneinanderliegenden Austrittsdiffusoren, Strahlrohre und Strahldüsen eines Zwilling-Turbo-Strahlmotors nach der Erfindung, und

Fig. 8 ist eine schematische Ansicht des Stirnprofils dieser Anordnung von der rechten Seite der Fig. ,7 her.

Fig. ι zeigt einen Axialverdichter 11, eine Brennkammeranordnung 12, in der vom Verdichter verdichtete Luft durch die Verbrennung von Brennstoff Wärme aufnimmt, und eine Turbine 13, deren Rotor durch die aus der Brennkammer austretenden Verbrennungsprodukte angetrieben wird und den Rotorteil des Verdichters in an sich bekannter Weise antreibt. Die Austrittsgase aus der Turbine gelangen zu einem Diffusor 15 (Fig. 2 und 3), der aus einem äußeren konvergierenden Wandungsteil 16 und einem inneren Austrittskonus 17 besteht. Der Diffusor steht an seinem Austrittsende mit einem Strahlrohr 18 in Verbindung, das in einer Strahldüse 19 endet. Wie bereits einleitend bemerkt, sind der Austrittsdiffusor 15, das Strahlrohr 18 und die Strahldüse 19 sämtlich normal dimensioniert.

Die Art und Weise, in welcher der Wiedererhitzungsbrennstoff der Eintrittsseite des Düsenrohres 18 zugeführt wird, bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung. In der Zeichnung ist eine . Zündvorrichtung in der Form eines Hohlkonus 21 dargestellt, der (Fig. 4) durch Streben 22 getragen ist und dessen Innenseite über eine Leitung 23 ein Zündbrennstoff zugeführt wird, der in irgendeiner geeigneten Weise gezündet wird. Die Hauptbrennstoffmenge für die Wiedererhitzung kann von den strömungsabgewandten Seitenkanten radial angeordneter Rohre 24 zugeführt werden.

Fig. 5 zeigt eine Brennstoffringleitung 25, von der Brennstoff den Leitungen 23, 24 mit Hilfe von Verbindungsleitungen, wie beispielsweise 26, zugeführt wird.

Erfindungsgemäß ist das Strahlrohr 18 von einem Mantelgehäuse 28 in einem gewissen radialen Abstand umgeben, um dadurch einen Ringkanal 29 zu schaffen. Das Gehäuse 28 endet in einer Strahldüse 30. An der Eintrittsseite des Strahlrohres 18 befindet sich ein Steuerglied in Form einer Hülse 31, die gleitend und abgedichtet durch einen zylindrischen Ansatz 32 an dem strömungsabgekehrten Ende des konvergierenden Wandungsteiles 16 geführt ist. Fig. 3 zeigt, wie das der Strömung der Gasmasse zugewandte Ende des Ringkanales 29 mit Hilfe der Steuerhülse 31 geschlossen werden kann, wenn die Austrittsgase nicht noch einmal nacher.hitzt werden sollen; in dieser Arbeitsstellung bestehen normale optimale Bedingungen für die Ausbildung des Strahles. Wenn jedoch die Austrittsgase nacherhitzt werden sollen, wird die Steuerhülse,

wie Fig. 2 zeigt, zurückgezogen und gibt dadurch das Eintrittsende des Ringkanales 29 frei. Infolgedessen kann ein entsprechender Anteil der Austrittsgase an der Eintrittsseite des Düsenrohres 18, wo sie noch eine verhältnismäßig niedrige Temperatur besitzen, in den Ringkanal 29 übertreten, diesen durchströmen und dadurch das Strahlrohr auf seiner ganzen Länge kühlen und die Außenwandung des Gehäuses 28 gegen die hohe Innentemperatur schützen. Zusätzlich erzeugt diese abgezweigte Gasmenge auch noch einen gewissen Anteil des Vorschubes, wenn sie aus dem Ringkanal und aus der Ringdüse, die die Hauptstrahldüse 19 umgibt, austritt.

Auf diese Weise kann die Nacherhitzung befriedigenderweise mit gutem Wirkungsgrad durchgeführt werden. Der Wirkungsgrad ist gegenüber den bisher für diesen Zweck benutzten Anordnungen auch erhöht, wenn keine Nacherhitzung stattfindet.

Ein anderer Vorteil der Erfindung zeigt sich, wenn der Pilot mit leer laufender Maschine landet, wobei die leer laufende Maschine häufig noch einen erheblichen und unerwünschten Schub erzeugt. Dadurch jedoch, daß mau die Öffnung zu dem Ringkanal 29 öffnet, wie es sonst nur geschieht wenn eine Nacherliitzung stattfinden soll, kann der Schub des Motores verringert werden.

In ähnlicher Weise ist der Schub, der daraus resultiert, daß der Motor beim Starten auf Leerlaufgeschwindigkeit beschleunigt wird, gewöhnlich nicht erwünscht, besonders dann, wenn das Strahlrohr besonders lang ist. Auch solche Schuberzeugung kann dadurch verringert werden, daß man die öffnung zum Ringkanal öffnet.

Eine Möglichkeit, die Steuerhülse 31 zu verstellen, bestellt darin, daß an dieser (Fig. 5 und 6) eine Anzahl von axial gerichteten Schrauben 34 befestigt ist, die mit drehbaren Muttern 35 im Eingriff stehen. Die Muttern 35 sind in einem Tragring30 in axialerRichtung unverschiebbar gelagert, der außen um das Ende des zylindrischen Gehäuseteiles 32 befestigt ist. Ein Dichtungsring 37, der von dem Tragring 36 gehalten wird, legt sich gegen den äußeren Umfang der Steuerhülse. Die Befestigung jeder Schraube an der Steuerhülse erfolgt mit Hilfe eines Schenkelgliedes 38. Jede Mutter trägt ein Zahnrad 39, und alle Zahnräder sind miteinander und mit einem Antriebsritzel 41, das durch einen umschaltbaren elektrischen Motor angetrieben wird, durch eine endlose Kette 40 (Fig. 4) verbunden. Durch Anlaufenlassen des Motores in der einen oder anderen Richtung kann man die Steuerhülse entsprechend verschieben, um die Öffnung zu dem Ringkanal 29 zu öffnen oder zu schließen, wobei das Reaktionsmotnent der Schrauben von dem Tragring aufgenommen wird. Natürlich sind auch viele andere Anordnungen denkbar, um die Steuerhülse zu verschieben.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Flugzeugkonstrukteur die Außenhaut des Flugzeuges dem wirklichen Durchmesser der Strahldüse genau anpassen kann, ohne einen übergroßen Wirbelwiderstand zu erzeugen.

Ein solcher ist zwangsläufig mit den bisher benutzten Nacherhitzungssystemen verbunden, bei welchen die Strahldüse veränderlich ist; dabei muß die Differenz zwischen dem jeweils wirksamen Düsendurchmesser und der freien öffnung in der Flugzeugkonstruktion, die erforderlich ist, um die Einrichtung zur Veränderung der Düsenöffnung unterzubringen, notwendigerweise groß sein. Fig. 5 deutet einen Teil einer solchen Verkleidung durch die strichpunktierten Linien 42 an.

Dieser Vorteil ist von besonderer Wichtigkeit, wo hohe Vorausgeschwindigkeiten des Flugzeuges in Frage kommen, und macht sich noch mehr geltend, wenn zwei Düsenrohre mit erfindungsgemäßen Nacherhitzungssystemen dicht nebeneinander angeordnet werden, wie es in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist. Bei dieser Anordnung können die normale und ringförmige Düse jedes Strahlrohres im wesentlichen D-Form besitzen, wobei sich die geraden Seiten des D der beiden Düsen berühren. In den Fig. 7 und 8 sind die Hauptstrahldüsen mit 19" bezeichnet. Die die Hauptstrahlrohre umgebenden Ringkanäle sind mit 29" bezeichnet. Eine Umkleidung 43 ist durch strichpunktierte Linien angedeutet.

Zweckmäßig erfolgt die Auslegung der einzelnen Teile so, daß bestimmte vorteilhafte Gasgeschwin- go digkeiten erzielt werden. Es sei hierzu noch einmal auf Fig. 2 Bezug genommen. Eine typische Antriebsanlage wird unmittelbar strömungsabwärts vom Austrittsdiffusor 115, d. h. bei Punkt A, eine Gasgeschwindigkeit besitzen, die eine Machzahl von beispielsweise 0,41 ergibt. Zur Verringerung von Verlusten wird diese Geschwindigkeit durch den divergierenden Teil der Steuerhülse 31, wenn eine Nacherhitzung stattfindet, auf eine Geschwindigkeit herabgesetzt, die unmittelbar an dem der Strömung zugekehrten Eintrittsende des Strahlrohres 18, d.h. bei B eine Machzahl von etwa 0,245 ergibt. Das Eintrittsende des Strahlrohres ist, wie man sieht, leicht divergierend ausgebildet, um die Geschwindigkeit noch weiter herabzusetzen, beispielsweise auf eine Machzahl von 0,2, bevor eine Verbrennung des Nacherhitzungsbrennstoffes einsetzt, was bei C geschieht. Andererseits verengt sich der Querschnitt des Ringkanales 29 zunächst ein wenig von der Eintrittsseite aus, um auf diese Weise die Strömungsgeschwindigkeit der Gasmasse auf eine Machzahl von beispielsweise 0,32 über die Hauptlänge des Ringkanales, d. h. bei D zu erhöhen. Das Verhältnis der Massenströmung in dem Ringkanal 29 zu dem der Massenströmung in dem Eintrittsende des Strahlrohres kann zweckmäßig etwa bei 1 zu 1,62 liegen, d.h. etwa 0,617 betragen.

Claims (3)

1. Patentansprüche.·

   i. Turbo-Strahlmotqr mit einer Vorrichtung zur Zuführung von Nacherhitzungsbrennstoff zum Strahlrohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsdiffusor (1*5), Strahlrohr (18) und die damit verbundene Strahldüse (19) normal dimensioniert sind und ein Ringkanal (29) vorgeseilen ist, der in einer Strahldüse (30) endet und

   das Strahlrohr (i8) mit der zugehörigen Strahldüse (19) umgibt, wobei mit Hilfe eines Steuergliedes (31) ein Teil der Austrittsgase bei der Arbeitsstellung für Nacherhitzung aus dem Düsenrohr (18) nach dem Ringkanal (29) abgezweigt werden kann, um auf diese Weise die Durchführung der Verbrennung des Nacherhitzungsbrennstoffes über die Länge des Strählrohres (18) sicherzustellen und eine kombinierte vergrößerte Stra'hldüsenfläche zu schaffen, die für die Gesamtströmungsmasse ausreicht.
2. 2. Turbo-Strahlmotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (31) aus einer axial verschiebbaren und abgedichtet im strömungsabgewandten Ende des Austrittsdiffusors (15) geführten Hülse besteht, die bei der Einstellung der Teile auf Nichtnacherhitzung das der Strömung zugewandte Ende des Strahlrohres (18) so berührt, daß das der Strömung zugewandte Ende des Ringkanales (29) völlig geschlossen ist.
3. 3. Turbo-Strahlmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslegung der Teile so erfolgt, daß die strömende Gasmasse unmittelbar an der strömungsabgewandten Seite des Austrittsdiffusors (15) eine Machzahl von 0,41 und unmittelbar an dem der Strömung zugewandten Ende des Strählrohres (18) eine Machzahl von etwa 0,245 besitzt, während die Geschwindigkeit in dem Strahlrohr (18), bevor die Verbrennung des Nacherhitzungsbrennstoffes einsetzt, weiter auf eine Machzahl von etwa 0,2 herabgesetzt, dagegen in dem Ringkanal (29) auf eine Machzahl von etwa 0,32 erhöht wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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