DE2606005C3

DE2606005C3 - Gekühlte Drosselanordnung für Heißgase, insbesonderezur Nachschaltung hinter der Brennkammer eines Strahltriebwerkes

Info

Publication number: DE2606005C3
Application number: DE2606005A
Authority: DE
Inventors: Hermann Ing.(Grad.) 8047 Karlsfeld Bayerl
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1976-02-14
Filing date: 1976-02-14
Publication date: 1981-10-22
Also published as: SE431775B; FR2341043A1; SE7700538L; JPS5912853B2; FR2341043B1; DE2606005B2; GB1507817A; DE2606005A1; JPS52145609A; US4121611A

Description

Gekühlte Drosselanordnung für Heißgas, insbesondere zur Nachschaltung hinter der Brennkammer eines Strahltriebwerkes, mit einem Drosselelement in einem Leitungsteil, der zur Hindurchführung eines Kühlmittels, vorzugsweise Wasser, doppelvandig ausgeführt ist

Drosselanordnungen der eingangs genannten Art werden z. B. zur Brennkammererprobung von Gasturbinenstrahltriebwerken eingesetzt, wobei die schwenkbare Drosselklappe als Simulator einer der Brennkammer nachgerchalteten Turbine fungiert Demgemäß sind derartige Drosselanordnungen relativ hohen sowie auch häufig wechselnden Temperaturen ausgesetzt

Hierzu is* grundsätzlich bekannt, die temperaturbelasteten Bauteile zu kühlen, und zwar unter Verwendung von Luft oder Wasser als Kühlmittel.

Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß trotz Kühlung der temperaturbelasteten Bauteile einer Drosselanordnung erhebliche Schwierigkeiten bestehen, die bei neuzeitlichen Gasturbinentriebwerken auftretenden Temperaturen, z. B. eine Turbineneintrittstemperatur von 1200⁰C oder darüber, zu beherrschen; unterschiedliche Materialanhäufungen an den temperaturbelasteten Bauteilen haben zu Wärmespannungen und Materialrissen geführt.

Weiter haben sich trotz Kühlung der temperaturgefährdeten Bauteile schon bei Temperaturen von etwa 800° C relativ starke Verzunderungen ergeben.

Insbesondere bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel bereitet es nach wie vor Schwierigkeiten, wirtschaftliche Maßnahmen zur Beherrschung der geforderten hohen Temperaturbelastungen sowie Temperaturschwankungen zu finden. Dies gilt insbesondere auch für das Drosselelement, wobei neben der besonderen Temperaturgefährdung der Drosselklappe selbs! auch die des Schwenkmechanismus bzw. der Schwenklager zu berücksichtigen wären.

Bei einer aus der CH-PS 1 36 738 bekannten Drosselanordnung ist ein quer zur Hauptströmungsrichtunjj der Anordnung betätigbares Absperrventil zwisehen zwei angrenzenden rohranigen Bauteilen eingebaut. Hierbei ist das Gehäuse des Absperrventils für sich zu Kühlzwecken doppelwandig ausgebildet.

In diesem bekannten Fall ist keine gezielte, direkte Kühlung rl ι s den Heißgasen stets unmittelbar ausgeset/ten Wntiikrirpers möglich. Der Kühlkanal ist mit Abstand vom '·ηι -iknrpei nur d ^rih das Ventilgehäuse geführt

Besonders mit Rucksicht auf verhältnismäßig hohe Heißgastemperaturen dürfte somit die aus diesem bekannten Fall entnehmbare Ventil- und Kühlanordmg einen verhältnismiißig frühzeitigen Verschleiß ier gar ein Durchbrennen de·· Ventil¹· bei langer anhaltendem Betneb nicht verhindern können.

Ferner dürfte die vorgenannte bekannte Ventilanordnung nicht geeignet sein, die Anforderungen an mechanische Einfachheit und damit verhältnismäßig geringe Störanfälligkeit und an geringe Strömungsverluste bei geöffneter Stellung zu erfüllen. Die Ausbildung des Absperrventils selbst sowie die durch die Ventilausbildung und -anordnung erzwungene ^verschlungene« Gestaltung des Strömungsweges im Ventilgehäuse dürften im bekannten Fall also stets verhältnismäßig hohe Strömungsverluste verursachen.

Aus der DE-AS 10 90 525 ist eine vornehmlich für senkrecht startende und landende Flugzeuge einsetzbare Steuerungs- und Ablenkvorrichtung für den Schubstrahl bekannt, bei der u.a. innerhalb eines vom Abgasstrom eine?. Turbinenstrahltriebwerkes beaufschlagbaren Strahlrohrs eine stromaufwärtig einer Verstellschubdüse angeordnete, um eine quer zur Strahlrohrlängsachse verlaufende Drehachse verschwenkbare Drosselklappe vorgesehen ist mit der neben einer kontinuierlichen Drosselung dt/ Abgasströmung ferner die Abgasströmung zur Verstellschubdüse gänzlich absperrbar (vertikale Stellung) oder gänzlich freilegbar sein soll (horizontale Stellung). Dieser bekannten Lösung sind keinerlei Kühlvorkehrungen entnehmbar; ferner vermittelt diese bekannte Lösung keinerlei Hinweis bzw. Anregung im Hinblick auf eine Wartungs- bzw. reparaturfreundliche sowie hinsichtlich unterschiedlicher Einsatzforderungen verhältnismäßig einfach umgestaltbare Drosselanordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu bekannten vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine Drosselanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche den Anforderungen hinsichtlich einer optimalen Kühlung, insbesondere des Drosselelements, auch bei relativ starken Heißtemperaturschwankungen besser gerecht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

— leichte Austauschbarkeit der Drosselklappe einschließlich des zugehörigen Kühlsystems;

— hohe Temperaturbelastbarkeit infolge unmittelbarer, gezielter Kühlung der Drosselklappe;

— von den übrigen Rohrabschnitten unbeeinflußter Kühlwasserdurchsatz für den Kühlkreislauf der Drosselklappe;

— Gestaltung der Kühlmittelführung an der Drosselklappe unabhängig von denjenigen an den Rohrabschnitten;

— gesondert voneinander steuerbare Kühlmitteldurchsätze für die jeweils voneinander unabhängigen Kühlmittelkreisläufe der Rohrabschnitte der Drosselanordnung sowie der Drosselklappe;

— kontinuierliche Drosselbarkeit des Hußgasstroms über einen verhältnismäßig großen Betnebcbereich;

— verhältnismäßig geringe Strömungsverluste der Heißgase bei geöffneter Drosselklappe infolge gerader Strömungswege;

— Austauschbarkeit der Rohrabschnitt^ im Hinblick auf unterschiedliche Betriebsbedingungen

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erlmdung gehen aus den Patentansprüchen 2 bis 8 hervor.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen weiter erläutert; in der Zeichnung ist

F ι g. 1 die schematische Darstellung der entlang der Längsmitteleberie aufgeschnittenen Drosselanordnung, F i g. 2 die Rückansicht der Drosselklappe, teilweise aufgeschnitten dargestellt,

F i g. 3 die Seitenansicht der Drosselklappe in Blickrichtung χ der Fig.2, teilweise aufgeschnitten dargestellt,

F i g. 4 ein Teillängsschnitt des stromaufwärtig der Drosselklappe anzuordnenden Rohrabschnitts,

F i g. 5 eine Ausführungsform für einen der Drosselklappe nachzuordnenden Rohrabschnkt, teilweise als

ι ο Seitenansicht sowie als Längsschnitt dargestellt und

F i g. 6 eine Ansicht des Rohrabschnitts nach der Linie Λ-ßderFig. 5.

F i g. 1 zeigt eine schematisch wiedergegebene Drosselanordnung für Heißgas, welche zwecks Hindurchleitung eines Kühlmittels, vorzugsweise Wasser, doppelwandig ausgebildet ist und eine Drosselklappe 2 aufweist, die um eine quer zur Strahlrohrlängsachse 3 verlaufende Drehachse 4 verschwenkbar ist. Die Drosse.'anordnung ist in der Ebene der Drehachse 4 der Drosselklappe 2 teilbar, wobei den vor und hinter der Teiiungsebene liegenden Rohrabschnitten 5,6 sowie der Drosselklappe 2 selbst jeweils voneinander gesonderte Kühlwasserkreisläufe zugeordnet sind.

Die Drosselklappe 2 befindet sich hier in waagerechter Stellung, in welcher der Strömungsweg für das Heißgas (Pfeile G) vom Rohrabschnitt 5 über die Drosselklappe 2 hinweg zum Rohrabschnitt 6 gänzlich freigegeben ist.

Der jeweilige Kühlwasserkreislauf ist der Reihe nach für den Rohrabschnitt 5, die Drosselklappe 2 sowie für den Rohrabschnitt 6 durch die Pfeile Ku K₂, K_s schematisch angezeigt.

Die Drosselklappe 2 besteht im wesentlichen aus einem Klappenkern 7 und einem denselben unter Belassung eines Kühlmittelspaltes 8 gleichförmig umhüllenden Außenmantel 9.

Wie dann weiter besser aus den F i g. 2 und 3 hervorgeht, sollen die Drehzapfen 10, 11 der Drosselklappe 2 als hohlzylindrische Kühlmittelführungcn an diesen Kühlmittelspalt 8 angeschlossen sein.

Um zu erreichen, daß vor allen Dingen auch in einer quer zur Gasströmungsrichtung C (F i g. 1) eingestellten Schwenk- bzw. Drosselstellung der Drosselklappe 2 eine möglichst gleichförmige Kühlwasserverteilung im Kühlmittelspalt 8 gewährleistet bleibt ist der Kern 7 der Drosselklappe 2 mit im wesentlichen sich über die gesamte Oberfläche erstreckenden Führungsrippen 12, 13 versehen, die den Kühlmittelspalt 8 in quer zur Gasströmungsrichtung verlaufende Kühlmittelsektoren aufteilen.

Innerhalb der zwischen der jeweiligen Innen- und Außenwand 15, 14 bzw. 17, 16 eines Rohrabschnittes 5 (F i g. 4) bzw. 6 (F i g. 5) gebildeten Kühlkanäle 18 bzw. 19 können in Rohrlängsrichtung sich erstreckende Zwischenstege 20 bzw. 21 angeordnet sein. Diese Maßnahme soll eine optimale Kühlwasserveneiiung über den jeweiligen Rohrumfang, und damit eine gleichförmige Temperaturverteilung beim Kühlprozeß gewahrleisten. Hierzu ist es gemäß F i g. 4 und 5 weiter vorgesehen, daß die Zwischenstege 20 bzw. 21 an der jeweiligen Außenwand 14 bzw. 16 des jeweiligen Rohrabsihnitts 5 bzw. 6 befestigt und gegenüber der jeweils zugehörigen Innenwand 15 bzw. 17 radial beabstandet angeordnet sind.

μ Wie weiter aus den Fig.4 und 5 ersichtlicn im soll den Rohrabschnitten 5 b/w. 6 jeweils ein ringförmig um deren Außenwände 14 bzw. 16 verlaufendes Zuflußrohr 22 bzw. 23 und ein Abflußrohr 24 b?u 25 f>r das

Kühlmittel zugeordnet sein, von denen jedes über einen eigenen, die zugehörige Außenwand 14 bzw. 16 zumindest über einen Teil der gesamten Rohrlänge ummantelnden Ringraum 26, 27 bzw. 28, 29 mit dem zwischen Außen- und Innenwand gebildeten Kühlkanal 18 bzw. 19 in Verbindung steht, in weichen das Kühlmittel en'gegen der Gasströmungsrichtung einbringbar ist, um so den Kühieffekt weiter zu intensivieren.

Für eine gezielte Kühlung der temperaturgefährdeten Rohraustrittskante wird das hintere Ende des hinter der Drosselklappe 2 angeordneten Rohrabschnitts 6 von einem rotationssymmetrischen, kragenförmig nach außen gewölbten Abschnitt der Innenwand 17 (Fig.5) gebildet, der zusammen mit dem zugeordneten Einlaßrohr 23 den für die Kühlmittelbeaufschlagung des

Kühlkanals 19 vorgesehenen Ringraum 28 bildet, in welchen der von dem nach außen abgebogenen Ende der Außenwand 16 begrenzte Kühlkanal 19 hineinragt.

Die Zu- und Abflußrohre 22, 23 und 24, 25 können mehrere gleichförmig über deren Umfang verteilt angeordnete Rohrstutzen für eine gleichförmige Kühlmittelzuführung bzw. -abführung aufweisen, wie dies z. B. in F i g. 6 durch die am Zu- und Abflußrohr 23 und 25 angeordneten Rohrstutzen 30,31 verdeutlicht ist.

Wie weiter aus den Fig.4 und 5 ersichtlich ist, kann jedes Zu- bzw. Abflußrohr 22, 23 bzw. 24, 25 mit mindestens einem Entlüftungsventil 32, 33 bzw. 34, 35 versehen sein.

Mit 36, 37 und 39 sind in den Fig.4, 5 und 6 Lagerklötze bezeichnet, die einem Verbindungsflansch 38 aufweisen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gekühlte Drosselanordnung für Heißgas, insbesondere zur Nachschaltung hinter der Brennkammer eines Strahltriebwerkes, mit einem Drosselelement in einem Leitungsteil, der zur Hindurchführung eines Kühlmittels, vorzugsweise Wasser, doppelwandig ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Drosselelement eine Drosselklappe (2) vorgesehen ist, die um eine quer zur Rohrlängsachse (3) verlaufende Drehachse (4) in der Teilungsebene zwischen einem ersten (5) und einem zweiten Rohrabschnitt (6) schwenkbar ist, wobei die Rohrabschnitte als getrennte Bauteile mit jeweils eigenen Kühlmittelkreisläufen ausgebildet sind, und daß die Drosselklappe (2) ebenfalls an einen eigenen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist und einen Spalt (8) zur Hindurchführung des Kühlmittels zwischen einem Kern (7) und einem denselben umhüllenden Außenmantel (9) der Drosselklappe (2) aufweist, wobei der Mantel (9) mit hohlzylindrischen seitlichen Drehzapfen (10,11) verbunden ist, die als Kühlmittelführungen an den Spalt (8) angeschlossen sind.

2. Drosselanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (7) der Drosselklappe (2) mii im wesentlichen sich über die gesamte Oberfläche erstreckenden Führungsrippen (12, 13) versehen ist, die den zwischen dem Kern (7) und dem Außenmantel (9) gebildeten Kühlmittelspalt (8) in quer zur Gasströmungsrichtung (G) verlaufende Kühlmittelsektoren aufteilen.

3. Drosselanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dab innerhalb des zwischen der jeweiligen Innen- und Außenwand (15,14) eines Rohrabschnitts (5) gebildeten Kühlkanals (18) sich in Rohrlängsrichtung erstreckende Zwischenstege (20) angeordnet sind.

4. Drosselanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstege (20) an der jeweiligen Außenwand (14) eines Rohrabschnitts (5) befestigt und gegenüber der jeweils zugehörigen Innenwand (15) radial beabstandet angeordnet sind

5. Drosselanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem stromaufwärtig sowie dem stromabwärtig der Drosselklappe (2) angeordneten Rohrabschnitt (5 bzw. 6) jeweils ein ringförmig um deren Außenwände (14 bzw. 16) verlaufendes Zufluß- (22 bzw. 23) und ein Abflußrohr (24 bzw. 25) für das Kühlmittel zugeordnet ist, von denen jedes über einen eigenen, die zugehörige Außenwand (14 bzw. 16) zumindest über einen Teil der gesamten Rohrlänge ummantelnden Ringraum (26, 27 bzw. 28, 29) mit dem zwischen Außen- und Innenwand gebildeten Kühlkanal (18 bzw. 19) in Verbindung steht, in welchen das Kühlmittel entgegen der Gasströmungsrichtung einbringbar ist.

6 D^rosselanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß beim hinter der Drosselklappe (2) angeordneten Rohrabschnitt (6) das Rohrende von einem rotationssymmetrische'i, kragenförmig nach außen gewölbter, \bschnilt der Innenwand (17) gebildet ist, de> zusammen mit dem zugeordneten EinlaHrohr (23) Jen für die Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlkanal (19) vorgesehenen Ringraum (28) bildet, in welche-i der von dem nach außen abgebogenen Ende de*· 4ii£tenwanc! (16)

begrenzte Kühlkanal (19) hineinragt

7. Drosselanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abflußrohre (23, 25) mehrere gleichförmig über deren Umfang verteilt angeordnete Rohrstutzen (30, 3 s) für eine gleichförmige Kühlmittelzuführung bzw. -abführung aufweisen.

8. Drosselanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zu- bzw. Abflußrohr (22,23 bzw. 24,25) mit mindestens einem Entlüftungsventil (32,33 bzw. 34,35) versehen ist