DE2412242A1

DE2412242A1 - Gasturbinentriebwerk fuer stroemungsdeflektor im fankanal

Info

Publication number: DE2412242A1
Application number: DE2412242A
Authority: DE
Inventors: Paul Joseph Hess; Hans Peter Mehr
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-03-19
Filing date: 1974-03-14
Publication date: 1974-09-26
Also published as: GB1468726A; DE2412242C2; FR2222541B3; FR2222541A1; BE812501A; JPS5025920A; US3881315A; JPS5922062B2; CA1002765A

Description

Gasturbinentriebwerk mit Strömungsdeflektor im Pankanal

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen-Triebwerke und insbesondere auf Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Schubdüsen von Turbofan-Triebwerken.

Turbofan-Triebvrerke beinhalten die Ausnutzung von koaxialen Gasströmungen bei dem Versuch, den durch das Triebwerk erzeugten ausnutzbaren Schub möglichst groß zu machen. Das typische Turbofan-Triebxtferk enthält koaxiale Kernkanal- und Fankanal-Ausströmungen, die der Reihe nach oder im wesentlichen gleichzeitig in die das Triebwerk umgebende Atmosphäre strömen. Der Fankanal ist im allgemeinen am radialen Außenraum des Kernkanals angeordnet und die

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Panströmung umgibt im allgemeinen die Kernströmuhg. Somit bildet die Panströmung die Umgebung, die die Kernströmung umgibt und in die die Kernströmung eintreten muß. Infolgedessen beeinflußt die Panströmung den Rückdruck auf die Kernströmung.

Der Betrieb von Turbofan-Triebwerken hat gezeigt, daß die Unterdrückung der Kernströmung durch die Fanströmung (d. h. die Ausübung von großen Rückdrucken' durch die Panströmung auf die Kernströmung) zu ineffizienten Kernaustrittsströmungscharakteristiken und desgleichen erhöhten Kerntemperaturen und zu einer unerwünschten Verschiebung in der Relation der Rotationsgeschwindigkeiten der Niederdruck- und Hochdruck-Rotoren des Triebwerkes führen kann. Keine dieser Erscheinungen ist wünschenswert. Zusätzlich wurde gefunden, daß die Unterdrückung besonders nachteilig bei der Abhebeleistung ist, bei der das Triebwerk nahe seiner maximal erzielbaren Ausgangsleistung arbeitet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ,besteht deshalb darin, Mittel zur wesentlichen Verkleinerung der Unterdrückung der Kernströmung durch die Fanströmung und weiterhin zur wesentlichen Verbesserung des Düsenwirkungsgrades zu schaffen.

Weiterhin sollen Mittel geschaffen werden, um die nachteiligen Einflüsse der Panströmung auf den Rückdruck der aus der Kerndüse emittierten Kernströmung zu vermindern und gleichzeitig den Düsenwirkungsgrad bei hohen Leistungen eines Turbofan-Triebwerkes. zu verbessern«

Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben, die aus der folgenden Beschreibung deutlich werden, weist ein Turbofan-Triebwerk gemäß der Erfindung koaxiale Kern- und Pandüsen mit einer Haube bzw. Verkleidung auf, die in axialer Richtung zwischen dem Fankanal und dem Kerntriebwerk verläuft und diese in radialer Richtung voneinander trennt. Die Verkleidung weist einen Strömungsdeflektor an ihrem stromabwärtigen Ende auf, der durch einen

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Teil der äußeren Oberfläche der Verkleidung gebildet wird, die in stromabwärtiger Richtung radial nach außen gewölbt bzw. gekrümmt ist. Der Strömungsdeflektor hat die Wirkung, die Fanströmüng nahe der Kerndüse radial nach außen umzuleiten bzw. zu drehen, um die oben beschriebene Unterdrückung zu vermindern. Mit der Umleitung der Strömung "radial nach außen", wie es hier beschrieben wird, ist gemeint, daß die radial nach innen gerichteten Geschwindigkeitskomponenten des beeinflußten Teiles der Fanströmung verkleinert werden sollen. Somit kann der beeinflußte Teil der den Strömungsdeflektor verlassenden Panströmung sich tatsächlich radial nach außen bewegen oder die Strömung kann trotzdem radial nach innen gerichtete Geschwindigkeitsvektoren enthalten, oder, in einer dritten alternativen Situation, könnte der beeinflußte Teil der Panströmung sich im wesentlichen axial bewegen, wenn sie den Strömungsdeflektor verläßt. In jedem dieser Fälle ist die Strömung "radial nach außen" gedreht, obwohl in gewissen Fällen nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponenten weiterhin bestehen können, die dann aber verkleinert sind.

Zusätzlich enthält die Verkleidung eine radial innere Oberfläche, .die eine konvergierende-divergierende Düse aufweist (deren innere Oberfläche radial nach innen und dann nahe der Kerndüse radial nach außen gebogen ist), die zur Beschleunigung der Kernströmung durch die Kerndüse hindurch und weiterhin zur Erhöhung des Düsenwirkungsgrades dient. Ähnlich der "Biegung radial nach außen" kann eine "radiale Außenkrümmung" eine abnehmende, nach innen gerichtete Steigung der vorstehend beschriebenen inneren Oberfläche der Haube beinhalten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

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Pigur 1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht von einem typischen Turbofan-Triebwerk gemäß der Erfindung.

Figur 2 zeigt einen vergrößerten Teil eines Figur 1 ähnlichen Turbofan-Triebwerkes, das aber eine bekannte Düsenanordnung aufweist.

Figur 3 zeigt einen vergrößerten Teil eines Figur 2 ähnlichen Turbofan-Triebwerkes, die aber die Applikation der vorliegenden Erfindung darstellt.

In Figur 1 enthält das vereinfachte Gasturbinen-Triebwerk, das insgesamt mit der Bezugszahl 10 versehen ist, eine äußere Gondel 11, die das gesamte Triebwerk für einen Teil seiner axialen Länge umgibt. Das Triebwerk umfaßt im allgemeinen ein mit 12 bezeichnetes Kerntriebwerk und ein Gebläse bzw. Fan und den Fankanal umgebende Teile, die mit Ik bzw.. 15 bezeichnet sind. Eine innere Verkleidung 16 umgibt das Kerntriebwerk 12 und erstreckt sich in axialer Richtung, um das Kerntriebwerk von dem Fankanal 15 zutrennen, zwischen denen sie radial angeordnet ist. Das Kerntriebwerk enthält im allgemeinen einen Kompressor 17₃ einen Brenner 18, eine Hochdruckturbine 20 und eine Niederdruckturbine 21. Ein einzelner ringförmiger Einlaß 22 ist stromaufwärts von dem Fan bzw. Gebläse Ik zwischen der äußeren Gondel 11 und einer "Geschoßnase¹¹ 24 gebildet.

Ein Paar im wesentlichen koaxialer Austrittsdüsen ist nahe dem stromabwärtigen Ende des Triebwerkes gebildet, durch die hindurch die Arbeitsmittel strömen, um für einen Schub zu sorgen. Zwischen einem Mittelkörper oder einem Schubdüsenkegel 26 und einem stromabwärtigen Teil 28 der Verkleidung 16 ist eine Kerndüse 30 gebildet, durch die hindurch Strömungsmittel aus dem Kerntriebwerk austritt. Radial außen von der Kerndüse 30 1st eine Fandüse 32 angeordnet, die zwischen einem zweiten Teil der Verkleidung 16 und einem stromabwärtigen Teil J>k der Gondel 11 gebildet ist.

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Dieses Triebwerk arbeitet in einer Weise, die typischen Triebwerken in ihrer gesamten Vielfalt ähnlich ist. Atmosphärische Luft tritt in den Einlaß 22 bei den in Figur 1 gezeigten Relationen von links ein, um durch das Gebläse bzw. Pan 14 verdichtet zu werden. Ein Teil der Strömung wird zum radialen Innenraum der -Verkleidung und in das Kerntriebwerk-geleitet, um durch einen Kompressor 17 weiter verdichtet, mit Brennstoff vermischt und in einem Brenner 18 verbrannt zu werden, aus dem die Verbrennungsgase dann auf die Turbinen 20 und 21 ausgestoßen werden. Ein Teil der kinetischen Energie des aus dem Brenner 18 austretenden Gases wird durch die Turbine 20 zum Antrieb des Kompressors 17 verbraucht, und ein weiterer Teil dieser Energie wird durch die Turbine 21 verbraucht, um das Gebläse bzw. Fan 14 (und gelegentlich einen Teil des Kompressors) anzutreiben« Die verbleibende Kernströmung tritt durch die Kerndüse 30 hindurch aus, um bei den in der Figur dargestellten Relationen einen Schub nach links zu erzeugen.

Gleichzeitig wird ein zweiter Teil der durch das Fan 14 komprimierten Luft auf den radialen Außenraum der Verkleidung und durch einen Fankanal 15 geleitet. Diese Fanströmung verläßt den Fankanal 15 über die Fandüse 32 und strömt an dem Außenraum der Verkleidung l6 entlang und fließt stromabwärts von der Düse 30 mit der Kernströmung zusammen. Dies sorgt für einen weiteren Schub nach links bei den in Figur 1 dargestellten Relationen.

Wie bereits aus ge führt ^s¹JnS die Probleme aufgrund der Wirkungen der Fanströmung auf die Kernströmung nahe der Kerndüse aufgetreten. Figur 2 zeigt eine bekannte Düsenkonfiguration und wird zur Erläuterung dieses Problems verwendet. Aus Figur 2 wird deutlich, daß wenigstens ein Teil der Fanströmung, die durch die Fandüse 32' aus dem Fankanal 15' austritt, mit einer radial nach innen gerichteten Geschwindigkeitskomponente versehen wird und diese Geschwindigkeit beibehält, wenn !die Strömung stromabwärts

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von der Düse weiterströmt. Auf diese Weise wird die Fanströmung in den Verlauf der aus der Kerndüse 30' austretenden Kernströmung geleitet, wobei die Fanströmung an diesem Punkt eine.konvergierende oder radial nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufweist, die einen Übergriff der Panströmung auf den Strömungsbereich der Kernströmung stromabwärts von der Düse 30' zur Folge hat. Dieser Übergriff führt zu einer Unterdrückung der Kernströmung durch die Fanströmung, und zu einem dabei auftretenden Anstieg im Rück- bzw. Gegendruck auf die Kernströmung. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß dies seinerseits zu einem Anstieg der im Kern herrschenden. Temperaturen und zu einer Verkleinerung des Wirkungsgrades der Kernaustrittsdüse - führt. Diese nachteiligen Auswirkungen können den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes und die ausnutzbare Lebensdauer wesentlich vermindern und werden deshalb wünschenswerterweise vermieden.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung erzielt eine wesentliche Eliminierung dieser Erscheinungen, indem zwischen der Kerndüse und der Fandüse angeordnete Mittel geschaffen werden, die die Fanströmung radial nach außen zu lenken (so daß die Fanströmung in eine weniger nach innen gerichtete oder leicht radial nach außen gerichtete Richtung zurückgeleitet wird), um den Rückdruck auf die Kernströmung zu verkleinern. Ferner werden gemäß der Erfindung Mittel geschaffen, um die Kernströmung durch die Kerndüse hindurch zu beschleunigen, wobei diese letztgenannten Mittel zusammen mit den vorgenannten Mitteln dazu dienen, die Fanströmung zu drehen bzw. umzulenken.

In Figur 3 ist eine vergrößerte Ansicht von demjenigen Teil des Triebwerkes gemäß Figur 1 gezeigt, der durch die Applikation der vorliegenden Erfindung beeinflußt wird. Figur 3 stellt die Verkleidung Ib, die das Kerntriebwerk teilweise umgibt, in der V/eise dar, daß sie einen Abschnitt nahe dem stromabwärtigen Ende 30a aufweist, der insgesamt mit 28 bezeichnet ist. Die Verkleidung

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weist eine radial äußere Oberfläche 40 und eine radial innere Oberfläche 42 auf. Die innere Verkleidungsfläche 42 nahe dem rückwärtigen Ende des Verkleidungsabschnittes 28 bildet teilweise zusammen mit dem Mittelkörper 26 eine Kerndüse 30.

In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung krümmt sich die radiale Außenfläche 40 der Verkleidung in Stromabwärtsrichtung radial nach außen, wie es in Figur 3 'gezeigt ist. Weiterhin krümmt sich die radial innere Verkleidungsfläche 42 radial nach innen stromaufwärts von dem stromabwärtigen Ende der Kerndüse 30 und krümmt sich anschließend radial nach außsn nahe dem stromabwartigeη Ende der Kerndüse. Diese Kombination von Krümmungen dient dazu, eine konvergierende-divergierende Düsenkonfiguration für die Kerndüse zu bilden.

Wie bei dem bekannten Triebwerk verläuft der Verkleidungsabschnitt 28 axial zwischen der Pandüse 32 und der Kerndüse 30. Im Gegensatz zur bekannten Anordnung bildet jedoch die äußere Krümmung der radial äußeren Verkleidungsfläche 40 nahe dem stromabwärtigen Ende der Verkleidung einen Strömungsdeflektor 44, der als Umlenkeinrichtung dient, um die Panströmung vor ihrem Zusammenfluß mit der Kernströmung radial nach außen zu drehen. Das Ausmaß der Drehung hängt von der Größe der radial äußeren Krümmung der Oberfläche 40 ab. Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche 40 so gekrümmt, daß ihr stromabwärtiges .Ende im wesentlichen axial verläuft, d. h. parallel zur. axialen Mittellinie des Triebwerkes. Somit richtet dieser Strömungsdeflektor 44 die Fanströmung hinter der Kerndüse 30 im wesentlichen in axiale Richtung.

Das Ausmaß, in dem die Fanströmung gedreht wird, kann unter anderen Umständen auf Wunsch größer oder kleiner sein als es bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist. Wenn beispielsweise die Strömung noch weiter radial nach außen gedreht, würde, würde dies dazu führen, daß die Fanströmung einen

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Niederdruckbereich hinter der Kerndüse 30 hervorruft, der zur Beschleunigung der Kernströmung hinter ihrem Austritt aus der Düse 30 nützlich sein könnte. Derartige Adaptionen können von dem Fachmann ohne weiteres vorgenommen werden.

Eine weitere Punktion der Kerndüse 30 in der vorliegenden Konfiguration besteht darin, daß die Kernströmung durch die Düse beschleunigt wird, wodurch deren Strömungscharakteristiken erhöht werden. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird diese Beschleunigung durch ein kleines Flächenverhältnis der konvergierenden-divergierenden Düsenkonfiguration erreicht, d. h. durch das Verhältnis der Strömungsfläche an der Ebene des stromabwärtigen Endes 30a der Kerndüse zur Strömungsfläche des "Halses" 30b, der die kleinste Strömungsfläche in der Düse darstellt. Das bestimmte Flächenverhältnis hängt von der Optimierung unter den Umständen einer gegebenen Applikation der vorliegenden Erfindung ab.

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Claims

Ansprüche

Turbofän-Gasturbinentriebwerk mit einem Kerntriebwerk, das eine Kernaustrittsdüse und einen Fankanal mit einer Fanaustritt sdüse aufweist, die radial außen von der Kerndüse angeordnet ist, wobei die Fanströmung aus der Fandüse die Kernströmung aus der Kerndüse im wesentlichen umgibt, d a d u rcc h gekennzeichnet, daß Mittel (44) zwischen der Kerndüse (30) und der Fandüse (32) angeordnet sind, die zur Verminderung des Rückdruckes auf die Kernströmung die Fanströmung radial nach außen lenken.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

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zeichnet , daß die Mittel/zum Drehen der_%Fanströmung ferner Mittel zur Beschleunigung der durch die Kerndüse (30) hindurchtretenden Kernströmung umfassen.
3. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Kerntriebwerk (30) teilweise von einer Verkleidung (l6) umgeben ist und die Mittel zum Drehen der Fanströmung einen Strömungsdeflektor (44) umfassen, der einen Abschnitt (28) der Verkleidung (16) bildet und in stromabwärtiger Richtung eine radial nach außen gerichtete Krümmung aufweist.
4. Triebwerk nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsdeflektor (44) einen in axialer Richtung stromabwärts gelegenen Teil der Verkleidung (16) bildet.
5. Triebwerk nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsdeflektor (44) einen Teil der radial äußeren Oberfläche (40) der Verkleidung (16) bildet und die Verkleidung (16) ferner eine radial innere

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Oberfläche (42) aufweist, die die Kerndüse (30) teilweise umgibt und die eine radial nach außen gerichtete Krümmung in stromäbwärtiger Richtung aufweist.
6. Triebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Kerntriebwerk eine Kernaustrittsdüse (30) zum Ausstoß einer Kernströmung aufweist, ein Fankanal (15) eine Fanaustrittsdüse (32) zum Ausstoß einer Fanströmung aufweist, die die Kernströmung im wesentlichen umgibt, und der Strömungsdeflektor (44) radial zwischen der Kerndüse (30) und der Fandüse (32) angeordnet ist und eine radial äußere Oberfläche (40) aufweist, die in stromäbwärtiger Richtung radial nach außen gekrümmt ist, so daß die Fanströmung nach außen drehbar und der Rückdruck auf die Kernströmung verkleinert ist.
7. Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch -gekennzeichnet , daß eine axial verlaufende Verkleidung (l6) vorgesehen ist, die das Kerntriebwerk (12) teilweise umgibt, wobei der Strömungsdeflektor (44) einen Teil der Verkleidung (16) bildet.
8t Triebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Verkleidung (16) eine radial innere Oberfläche (42) aufweist, die stromaufwärts von der Kerndüse (30) radial nach innen und nahe dem stromabwärtigen Ende (30a) der Kerndüse radial nach außen gekrümmt ist.
9. Triebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Fandüse (32) stromaufwärts von der Kerndüse (30) angeordnet ist und die Verkleidung (ΐβ) axial zwischen den Düsen (30, 32) verläuft, wobei der Deflektor (44) einen Teil (28) der Verkleidung (ΐβ) nahe dem strornabwärtigen Ende (30a) der Verkleidung '(l6) bildet.

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