WO2009138068A1 - Mischdüsenaufbau - Google Patents

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WO2009138068A1
WO2009138068A1 PCT/DE2009/000661 DE2009000661W WO2009138068A1 WO 2009138068 A1 WO2009138068 A1 WO 2009138068A1 DE 2009000661 W DE2009000661 W DE 2009000661W WO 2009138068 A1 WO2009138068 A1 WO 2009138068A1
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flow
mixing
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English (en)
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Olivier Seité
Josef Liebl
Thomas Weltrowski
Joachim Kutz
Uwe Vogel
Stefan Erhard
Original Assignee
Mtu Aero Engines Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K1/00—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto
    • F02K1/46—Nozzles having means for adding air to the jet or for augmenting the mixing region between the jet and the ambient air, e.g. for silencing
    • F02K1/48—Corrugated nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K1/00—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto
    • F02K1/38—Introducing air inside the jet
    • F02K1/386—Introducing air inside the jet mixing devices in the jet pipe, e.g. for mixing primary and secondary flow

Definitions

  • the present invention relates to a mixing nozzle assembly according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention relates to an engine with such a mixing nozzle assembly.
  • two-circuit jet engines are known in which a mixing nozzle in its interior a hot fluid stream, the so-called core jet, passes and flows along the outer surface of a cold fluid flow, the so-called side stream.
  • Document DE 10 145 489 A1 discloses a mixing nozzle structure having the features of the preamble of claim 1.
  • the mixing nozzle has the shape of a constricting in the flow direction truncated cone.
  • the mantle surface of this mixing nozzle has openings through which the hot core jet into the cold
  • the object of the present invention is to make the mixture of the two separately guided fluid streams more advantageous.
  • the mixing nozzle has an approximately circular cross-section at the flow inlet and a non-circular cross-section at the flow outlet.
  • the internal hot fluid stream is trapped in the mixing nozzle. Only after the mixing nozzle, the fluid streams meet each other.
  • the mixing nozzle at the flow outlet has an approximately rectangular cross section or an oblong cross section, the longitudinal sides of which are convex.
  • a ratio L / H of the longitudinal side length L to the height H at the exit cross section may be between 2 to 30, with 5 to 20 being preferred, and 10 being particularly preferred.
  • the mixing nozzle on the lateral surface at the flow outlet Aus.wellungen (wavy flowers), the wave trough and shaft top in the flow direction. This promotes the mixing between the two fluid streams.
  • the outflow corrugations are oriented so that the cold outer flow is directed to components located downstream.
  • These downstream components may be blades or struts.
  • these components can be cooled specifically.
  • the mixing nozzle is a secondary nozzle, which is arranged within a main nozzle, the cross section of which goes from approximately circular to non-circular in the flow direction.
  • the hot gas does not come into contact with the main nozzle. Therefore, additional cooling of the nozzle wall of the main nozzle is not required.
  • the mixing nozzle is shorter at the flow end than the main nozzle
  • the shaft portions facing the main nozzle are so spaced at the flow end portion of the discharge corrugations from the inner wall of the main nozzle that the hot flow does not come into direct contact with the inner wall of the main nozzle.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an engine with a mixing nozzle assembly according to the invention.
  • Fig. 2 shows a sectional view of a mixing nozzle assembly according to the invention.
  • Fig. 3 shows a partially cutaway perspective view of a mixing nozzle assembly according to the invention.
  • Fig. 4 shows a mixing nozzle according to the invention.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of the mixing nozzle according to the invention.
  • FIG. 6 shows a perspective view, partially cut away, for illustrating directional cooling of blades.
  • Fig. 1 shows a sectional view of an engine with a mixing nozzle assembly according to the invention
  • Fig. 2 shows a sectional view of the mixing nozzle assembly according to the invention.
  • the engine has a main nozzle 10 behind the gas turbine.
  • a mixing nozzle 20 which acts as a secondary nozzle and is shorter than the main nozzle 10 at the flow end.
  • the hot gases A i. the so-called core jet
  • a cold fluid flow B the so-called bypass or bypass flow
  • the cold fluid stream B and the hot fluid stream A are mixed downstream of the mixing nozzle 20.
  • the mixing of the two fluid streams is in one so-called mixer region 30 prepares, which forms the downstream end of the mixing nozzle 20.
  • mixer region 30 of the mixing nozzle 20 the actual fluidic mixing process takes place within the main nozzle 10.
  • the mixing process thus takes place in the area shown in white, which lies in the flow direction after the mixing nozzle 20 shown in gray tone.
  • the mixed fluid streams are then passed on to a nozzle 50, which in this exemplary embodiment is designed as a so-called rectangular nozzle with a rectangular flow cross-section.
  • the main nozzle 10 has a circular inlet cross-section, as is known in the art.
  • the outlet cross section is not designed circular.
  • the exit cross-section is designed approximately rectangular. The longer side of the rectangular shape forms the horizontal side in the installation position.
  • the mixing nozzle 20 also has the circular inlet cross-section and a non-circular outlet cross-section.
  • the outlet cross section is also designed approximately rectangular.
  • the change in cross section of the nozzles 10 and 20 is designed to be gentle.
  • the rectangular shape of the nozzles is advantageously designed so that there is a medium to very high ratio of the horizontal length or longitudinal side length L to the height H at the outlet cross section, as can be seen in FIG. 5.
  • This ratio L / H of the horizontal length L to the height H at the outlet cross-section may in the embodiment be between 2 to 30, with 5 to 20 being preferred, and 10 being particularly preferred.
  • the mixing nozzle 20 has the mixer region 30 at its end of flow.
  • outflow corrugations 22, ie so-called flowers or praise, are formed in this region.
  • the flowers 22 are formed wave-like, with the main nozzle 10 facing away Wellenab- To form sections of wave troughs and to make the main nozzle 10 facing shaft sections wave tops.
  • the troughs and wave tops are in the flow direction.
  • the beginning of these flowers is indicated by the vertical continuous line below the left end of the curly bracket of the mixer region 30.
  • the flowers 22 are aligned so that they direct the fluid flow B targeted to blades 40, as shown in FIG. 6 can be seen.
  • the blades 40 are usually located downstream of the mixing nozzle 20.
  • the hot fluid stream A Since the hot fluid stream A is trapped in the mixer nozzle 20 prior to mixing and is virtually shielded, it does not come into contact with the main nozzle 10. In addition, since the hot fluid stream A strikes the wall of the main nozzle 10 only in or after the area in which the mixing takes place, and thus in which its temperature is reduced, additional cooling, e.g. by cooling air at the main nozzle 10 is not necessary.
  • the flowers 22 at the outlet cross section of the mixer nozzle 20 promote the mixing process.
  • the flowers 22 may be oriented to selectively cool downstream blades 40. An internal cooling of the blades 40 is thus unnecessary or can be reduced.
  • the present invention is not limited to the preferred embodiment described above.
  • the mixing nozzle 20 at the flow outlet may have an oblong cross section whose longitudinal sides are convex.
  • the cross-sectional shape at the flow outlet may also be a parallel long oval.
  • For the flow output of the nozzles can also be selected a shape that is adapted to the surface shape of an aircraft cell (wing).
  • wing aircraft cell
  • other components located downstream of the mixing nozzle 20 can also be cooled.
  • struts can be cooled.

Abstract

Ein Mischdüsenaufbau zum Vermischen von zwei ursprünglich getrennt geführten Fluidströmen (A, B) in einem Zweikreis-Strahltriebwerk ist offenbart. In dem Mischdüsenaufbau ist eine einen heissen Fluidstrom (A) leitende Mischdüse (20) vorgesehen, an dessen äusserer Mantelfläche ein kalter Fluidstrom (B) entlangströmt. Die Mischdüse (20) weist am Strömungseingang einen annähernd kreisartigen Querschnitt und am Strömungsausgang einen nicht kreisartigen Querschnitt auf. Die Fluidströme (A, B) treffen nach der Mischdüse (20) aufeinander.

Description

Mischdüsenaufbau
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mischdüsenaufbau gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Triebwerk mit einem solchen Mischdüsenaufbau.
Im Stand der Technik sind Zweikreis-Strahltriebwerke bekannt, bei denen eine Mischdüse in ihrem Inneren einen heissen Fluidstrom, den sogenannten Kernstrahl, leitet und an dessen äusserer Mantelfläche ein kalter Fluidstrom, der sogenannte Nebenstrom, entlangströmt.
Die Druckschrift DE 10 145 489 Al offenbart einen Mischdüsenaufbau, der die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist. Die Mischdüse hat die Form eines in Strömungsrichtung sich verengenden Kegelstumpfes. Darüber hinaus weist die Mantel- fläche dieser Mischdüse Öffnungen auf, durch die der heiße Kernstrahl in den kalten
Nebenstrom tritt, wobei somit beide Fluidströme vermischt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Mischung der beiden getrennt geführten Fluidströme vorteilhafter zu gestalten.
Diese Aufgabe ist durch einen Mischdüsenaufbau gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ein Triebwerk ist Gegenstand des Anspruchs 12.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist die Mischdüse am Strömungseingang einen annähernd kreisartigen Querschnitt und am Strömungsausgang einen nicht kreisartigen Querschnitt auf. Somit ist der innere heiße Fluidstrom in der Mischdüse eingeschlossen. Erst nach der Mischdüse treffen die Fluidströme aufeinander. Vorteilhafterweise weist die Mischdüse am Strömungsausgang einen annähernd rechteckigen Querschnitt oder einen länglichen Querschnitt, dessen Längsseiten konvex sind, auf.
Ein Verhältnis L/H der Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt kann zwischen 2 bis 30 liegen, wobei 5 bis 20 bevorzugt werden, und 10 besonders bevorzugt wird.
Vorteilhafterweise weist die Mischdüse an der Mantelfläche am Strömungsausgang Ausflusswellungen (wellenartige Blüten) auf, deren Wellental und Wellenoberseite in Strömungsrichtung verlaufen. Dadurch wird die Vermischung zwischen beiden FIu- idströmen gefördert.
Vorteilhafterweise sind die Ausflusswellungen so ausgerichtet, dass die kalte Außenströmung auf stromabwärtig befindliche Bauteile gerichtet ist. Diese stromabwärtig befindlichen Bauteile können Schaufeln oder Streben sein. Somit können diese Bauteile gezielt gekühlt werden.
Vorteilhafterweise ist die Mischdüse eine Sekundärdüse, die innerhalb einer Hauptdüse angeordnet ist, deren Querschnitt von annähernd kreisartig zu nicht kreisartig in Strömungsrichtung übergeht. Somit kommt das heiße Gas nicht mit der Hauptdüse in Kontakt. Daher ist eine zusätzliche Kühlung der Düsenwand der Hauptdüse nicht erforderlich. Die Mischdüse ist am Strömungsende kürzer als die Hauptdüse
Vorteilhafterweise sind die zur Hauptdüse gewandten Wellenabschnitte am Strömungsendabschnitt der Ausflusswellungen zu der Innenwand der Hauptdüse so beabstandet, dass die heiße Strömung nicht unmittelbar in Berührung mit der Innenwand der Hauptdüse kommt.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile sind in der nachstehend dargelegten Beschreibung des Ausführungsbeispiels aufgezeigt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Triebwerks mit einem erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbau.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbaus.
Fig. 3 zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbaus.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Mischdüse.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Mischdüse.
Fig. 6 zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung zur Veranschau- lichung eines gerichteten Kühlens von Schaufeln.
Ausführliche Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Triebwerks mit einem erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbau und Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbaus. Das Triebwerk weist hinter der Gasturbine eine Hauptdüse 10 auf. In der Hauptdüse 10 sitzt angeschlossen an die Gasturbine eine Mischdüse 20, die als eine Sekundärdüse fungiert und am Strömungsende kürzer als die Hauptdüse 10 ist. Im Innern der Mischdüse 20 werden die heißen Gase A, d.h. der sogenannte Kernstrahl, von der Brennkammer der Gasturbine geführt. Von einem sogenannten Fan am Triebwerkseingang kommend wird zwischen dem Außenmantel der Mischdüse 20 und der Hauptdüse 10 ein kalter Fluidstrom B, der sogenannte Nebenstrom oder Bypassstrom, geführt.
Der kalte Fluidstrom B und der heiße Fluidstrom A werden stromabwärtig nach der Mischdüse 20 vermischt. Dabei wird die Vermischung der beiden Fluidströme in einem sogenannten Mischerbereich 30 vorbereitet, der das strömungsabwärtige Ende der Mischdüse 20 ausbildet. Nach diesem Mischerbereich 30 der Mischdüse 20 findet der eigentliche strömungstechnische Mischvorgang innerhalb der Hauptdüse 10 statt. In Fig. 2 findet der Mischvorgang somit in dem weiß dargestellten Bereich statt, der in Strömungsrichtung nach der in Grauton dargestellten Mischdüse 20 liegt.
Die vermischten Fluidströme werden dann in eine Düse 50 weitergeleitet, die bei diesem Ausfuhrungsbeispiel als sogenannte Rechteckdüse mit rechteckigem Strömungsquerschnitt ausgebildet ist.
Wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, weist die Hauptdüse 10 einen kreisartigen Eintrittsquerschnitt auf, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Der Austrittsquerschnitt ist jedoch nicht kreisartig gestaltet. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ist der Austritts- querschnitt annähernd rechteckig gestaltet. Die längere Seite der Rechteckform bildet dabei in Einbaulage die horizontale Seite.
Wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, weist analog zur Hauptdüse 10 auch die Mischdüse 20 den kreisartigen Eintrittsquerschnitt und einen nicht kreisartigen Austrittsquerschnitt auf. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ist daher der Austrittsquerschnitt ebenfalls annähernd rechteckig gestaltet.
Die Querschnittsänderung der Düsen 10 und 20 ist dabei sanft übergehend gestaltet. Die Rechteckform der Düsen ist dabei vorteilhafterweise so ausgelegt, dass sich ein mittleres bis sehr hohes Verhältnis der Horizontallänge oder Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt ergibt, wie dies auch aus Fig. 5 entnehmbar ist.
Dieses Verhältnis L/H der Horizontallänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt kann beim Ausführungsbeispiel zwischen 2 bis 30 liegen, wobei 5 bis 20 bevorzugt werden, und 10 besonders bevorzugt wird.
Wie bereits vorstehend erläutert, weist die Mischdüse 20 an ihrem Strömungsende den Mischerbereich 30 auf. Wie dies in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, sind in diesem Bereich Ausflusswellungen 22 d.h. sogenannte Blüten oder Lobes ausgebildet. Die Blüten 22 sind wellenartig ausgebildet, wobei von der Hauptdüse 10 weggewandte Wellenab- schnitte Wellentäler bilden und zur Hauptdüse 10 gewandte Wellenabschnitte Wellenoberseiten bilden. Die Wellentäler und Wellenoberseiten verlaufen in Strömungsrichtung. In der Darstellung von Fig. 2 ist der Beginn dieser Blüten durch den senkrechten durchgehenden Strich unterhalb des linken Endes der geschweiften Klammer des Mi- scherbereichs 30 angedeutet.
Im Ausfuhrungsbeispiel sind die Blüten 22 so ausgerichtet, dass sie den Fluidstrom B gezielt zu Schaufeln 40 lenken, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist. Die Schaufeln 40 sind üblicherweise stromabwärtig der Mischdüse 20 angeordnet.
Nachstehend sind die Effekte und Vorteile des Ausführungsbeispiels beschrieben.
Da der heiße Fluidstrom A in der Mischerdüse 20 vor dem Vermischen eingeschlossen ist und quasi abgeschirmt wird, kommt er nicht mit der Hauptdüse 10 in Kontakt. Da außerdem der heiße Fluidstrom A erst im bzw. nach dem Bereich, in dem der Mischvorgang stattfindet und in dem somit seine Temperatur vermindert wird, auf die Wand der Hauptdüse 10 trifft, ist eine zusätzliche Kühlung z.B. durch Kühlluft bei der Hauptdüse 10 nicht nötig.
Die Blüten 22 am Austrittsquerschnitt der Mischerdüse 20 fördern den Vermischungsvorgang. Außerdem können die Blüten 22 so ausgerichtet werden, dass sie gezielt stromabwärtig angeordnete Schaufeln 40 kühlen. Eine innere Kühlung der Schaufeln 40 wird somit entbehrlich oder kann vermindert werden.
Alternativen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt.
In einem anderen Ausfuhrungsbeispiel kann die Mischdüse 20 am Strömungsausgang einen länglichen Querschnitt aufweisen, dessen Längsseiten konvex sind. Die Querschnittsform am Strömungsausgang kann auch ein paralleles langes Oval sein. Für den Strömungsausgang der Düsen kann außerdem eine Form gewählt werden, die an die Oberflächengestalt einer Luftfahrzeugzelle (Tragfläche) angepasst ist. Anstelle der Schaufeln 40 oder zusätzlich zu ihnen können auch andere stromabwärtig der Mischdüse 20 befindliche Bauteile gekühlt werden. Beispielsweise können Verstrebungen gekühlt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Mischdüsenaufbau zum Vermischen von zwei ursprünglich getrennt geführten FIu- idströmen (A, B) in einem Zweikreis-Strahltriebwerk, in dem eine einen heissen FIu- idstrom (A) leitende Mischdüse (20) vorgesehen ist, an dessen äusserer Mantelfläche ein kalter Fluidstrom (B) entlangströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) am Strömungseingang einen annähernd kreisartigen Querschnitt und am Strömungsausgang einen nicht kreisartigen Querschnitt aufweist, wobei die Fluidströme (A, B) nach der Mischdüse (20) aufeinandertreffen.
2. Mischdüsenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) am Strömungsausgang einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist.
3. Mischdüsenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) am Strömungsausgang einen länglichen Querschnitt aufweist, dessen Längsseiten konvex sind.
4. Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis L/H der Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt der Mischdüse (20) zwischen 2 bis 30 liegt.
5. Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis L/H der Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt der Mischdüse (20) zwischen 5 bis 20 liegt.
6. Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis L/H der Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt der Mischdüse (20) 10 beträgt.
7. Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) an der Mantelfläche am Strömungsausgang Ausflusswellun- gen (22) aufweist, in denen von der Hauptdüse (10) weggewandte Wellentäler bildende Wellenabschnitte und zur Hauptdüse (10) gewandte Wellenoberseiten bildende Wellen- abschnitte in Strömungsrichtung verlaufen.
8. Mischdüsenaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausflusswellungen (22) so ausgerichtet sind, dass die kalte Außenströmung auf stromabwärtig befindliche Bauteile gerichtet ist.
9. Mischdüsenaufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtig befindlichen Bauteile Schaufeln (40) und/oder Streben sind.
10. Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) eine Sekundärdüse ist, die innerhalb einer Hauptdüse (10) angeordnet ist, deren Querschnitt von annähernd kreisartig zu nicht kreisartig in Strö- mungsrichtung übergeht, wobei die Mischdüse (20) am Strömungsende kürzer als die Hauptdüse (10) ist.
11. Triebwerk mit einem Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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