DE8915860U1

DE8915860U1 - Strahltriebwerk

Info

Publication number: DE8915860U1
Application number: DE8915860U
Authority: DE
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1989-02-08
Publication date: 1991-12-05
Anticipated expiration: 1999-02-09
Also published as: GB9002858D0; GB2231092A; FR2642793A1; DE3903713A1

Description

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH

Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.

München, den 25. Juli

Strahltriebwerk

Die Neuerung betrifft ein Strahltriebwerk bestehend aus einer Gasturbine und einem dahinter angeordneten Nachbrenner.

Derartige Strahltriebwerke werden zum Antrieb militärischer Flugzeuge verwendet, wobei diese auf die Erzielung einer möglichst hohen Leistung bei geringem Gewicht und geringem Brennstoffverbrauch konzeptioniert sind. Die bekannten Strahltriebwerke haben jedoch den Nachteil eines extrem hohen Fluglärmes, der auch bei abgeschaltetem Nachbrenner nicht wesentlich vermindert ist. Bei Starts und Landungen sowie bei Tiefflügen tritt so eine hohe Lärmbelästigung der Umwelt auf, was sich in Friedenszeiten als besonders störend erweist.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Neuerung ein gattungsgemäßes Strahltriebwerk derart zu verbessern, daß der Triebwerkslärm bei ausgeschaltetem Nachbrenner signifikant reduziert ist.

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Neuerungsgemäjß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Neuerung ist, daß die Baulänge und damit das Gewicht des Triebwerkes im wesentlichen unverändert bleiben gegenüber herkömm-liehen Triebwerken. Durch die relativ große Länge üblicher Nachbrenner ist ein guter Mischungs-/Wirkungsgrad und damit eine erhebliche Lärmreduktion erzielbar. Die Lärmreduzierung wird dabei dadurch erzielt/ daß zu den Gasturbinenaustrittsgasen mit einer relativ hohen Machzahl Sekundärluft zugemengt wird, wobei durch die Vermengung der beiden Luftströme eine Verringerung der Strahlgeschwindigkeit bei einer gleichzeitigen Erhöhung des Massenstromes erzielt wird. Dabei wird eine erforderliche intensive Vermischung des Primärluftstrahles (Gasturbine) und des Sekundärluftstrahles dadurch erreicht, daß der Primärluftstrahl in einer Primärdüse in kleine Teilströme aufgespalten wird und durch die direkt hinter der

Primärdüse angeordneten Sekundärluftöffnungen die zugeführte Sekundärluft sich gut mit den Einzelprimärluftströmen vermengen kann.

Je nach den konstruktiven Gegebenheiten wie hauptsächlich

der Länge des Nachbrennerrohres kommen dabei verschiedene Ausführungen für die Primärdüse in Frage. Eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Primärdüse besteht darin, daß diese in den Strömungskanal einfahrbar und wieder zurückziehbar ist, so daß sie bei Nachbrennerbetrieb kein

Strömungshindernis darstellt und durch die dabei auftreten-

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den hohen Temperaturen nicht beschädigt wird. Alternativ ist es möglich, daß die Primärdüse fest im Triebwerk installiert ist, beispielsweise als Mischerdüse an einer Nachbrennereinspritzvorrichtung. Dabei ist es denkbar, diese an den Einspritzdüsen oder an den stromab davon angeordneten Flammhaltern anzubringen oder in diese zu integrieren.

Eine weitere alternative Primärdüsenausführung sieht vor, daß diese im Querschnitt blütenförmig oder sternförmig ausgebildet ist, wobei der Sekundärstrom direkt außerhalb der blütenförmigen Düsenwandung konisch nach innen zugeführt wird. Insbesondere kann eine derartige Düse als Faltdüse ausgestaltet sein, so daß der sternförmige Querschnitt verstellbar ist.

Bei einer ausreichenden Nachbrennerrohrlänge ist es auch denkbar, die Primärdüse kreisrund konvergent oder konvergent-divergent auszuführen, was die geringsten Strömungsverluste mit sich bringt. Diese Ausführung bedingt jedoch eine längere Mischzone.

Eine weitere alternative Ausführung der Neuerung sieht vor, daß die Primärdüse alsjVielfachdüse ausgebildet ist. Die Sekundarluf töff nungen sind dabei so ausgebildet, daß die Sekundärluft die Düsen umströmen kann und so eine gute Vermischung gewährleistet wird.

Die Sekundärluft, die über die Sekundärluftöffnungen eingeblasen wird, kann entweder von radial außen durch entsprechende verschließbare Öffnungen in der Triebwerks- oder Flugzeugaußenwand angesaugt werden und etwa radial nach innen geleitet werden. Alternativ ist es auch möglich, daß Sekundärluftkanäle vom Triebwerkseinlauf in axialer Richtung zu den Sekundärluftöffnungen führen.

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Zur Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände des Triebwerks ist es vorteilhaft, die (eingeschwenkte) Primärdüse in ihrem Querschnitt veränderbar zu gestalten.

Vorzugsweise beträgt die Luftmenge des Sekundärstromes etwa das 0,6 bis 1,1-fache der Menge des Primärstromes.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Neuerung sind die für die Einspritzung von Brennstoff bei Nachbrennerbetrieb notwendigen Einspritzvorrichtungen und die Flammhalter entfernbar. Auf diese Weise ist es möglich, ein für Übungstieffluge geeignetes Triebwerk mit fest installierter Primärdüse zu erhalten, die erforderlichenfalls relativ schnell durch Ausbau der Primärdüse und Montage der Einspritzvorrichtungen in ein zum Nachbrennerbetrieb geeignetes Triebwerk umgerüstet werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der .Neuerung sieht vor, daß die Innenseite des Nachbrennergehäuses mit schallabsorbierendem Material ausgekleidet ist (Lochblende)

welches gleichzeitig als Hitzeschild verwendet werden kann.

Die Neuerung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert: Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein

Strahltriebwerk,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres Strahltriebwerk,

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-b-

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine Primärdüse,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Primärdüse,

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht der Primärdüse von Fig. 4.

In Fig. 1 ist schematisch im Längsschnitt ein Strahltriebwerk la dargestellt, das im wesentlichen aus einer Gasturbine und einem dahinter angeordneten Nachbrenner 3 besteht. Die Gasturbine 2 weist dabei einen Niederdruckrotor 4 mit der Beschaufelung eines Niederdruck- und eines Mitteldruckverdichters 5 auf. Ein Hochdruckrotor 6 mit einer Hochdruckverdichterbeschaufelung 7 sind dahinter angeordnet. Hinter einer Ringbrennkammer 8 sind mehrere Turbinenstufen 9 vorgesehen, hinter denen eine ringförmige Nachbrennereinspritzvorrichtung 10 und ringförmige Flammhalter 11 nachgeordnet sind. Dieses Kerntriebwerk ist von einem Bypasskanal 12 umgeben derart, daß ein Teil des Gasstromes hinter dem Niederdruckverdichter 5 abgezweigt und unter Umgehung des Kerntriebwerkes diesem dahinter wieder zugemischt wird.

Die Nachbrennereinspritzvorrichtung 10 und der Flammhalter 11 gehören funktionell bereits zum Nachbrenner 3, der weiters ein Nachbrennerrohr 13 und eine verstellbare Schubdüse 14 aufweist.

Stromab der Gasturbine 2 ist im Strömungskanal 16 eine schwenkbare Primärdüse 17 angebracht, die in Fig. 1

in eingeschwenkter Stellung dargestellt ist. Diese Prijnärdüse (17) besteht im wesentlichen aus einzelnen mit kleinen Düsen versehenen Kegelsegmentabschnitten, die im Nachbrennergehäuse 15 über Gelenke 18 ein- bzw. ausschwenkbar sind.

Im eingeschwenkten Zustand "verschließt" diese Primärdüse im wesentlichen den gesamten Strömungskanal 16, so daß der Primärstrom, der durch das Kerntriebwerk und den Bypasskanal 12 anströmt, durch die Löcher 19 der Primärdüse 17 treten muß.

Der Sekundärluftstrom tritt durch verschließbare Öffnungen 20 in der Flugzeugaußenhaut 21 in die Sekundärluftkanäle 22 ein, und gelangt über die möglichst am gesamten Umfang des Nachbrennergehäuses 15 verteilten Sekundärluftöffnungen 23 in den Strömungskanal 16, wo er sich mit dem durch die Löcher 19 durchgetretenen Primärluftstrom vermengt. Die Vermengung erfolgt dabei entlang der Erstreckung des Nachbrennerrohres 13, so daß im Bereich der Schubdüse 14 ein homogener Gasstrom mit einer etwa einheitlichen Gasgeschwindigkeit vorhanden ist. Durch die Zumischung der Sekundärluft ist es möglich, die Gasströmungsgeschwindigkeit am Austritt der Schubdüse 14 und damit die Schallemission bei der Vermenung des Strahls mit der Außenluft wesentlich zu reduzieren.

Die in Fig. 2 gezeigte weitere Ausführung eines Strahltriebwerkes Ib ist im wesentlichen wie das Strahltriebwerk la ausgeführt. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß die Sekundärluft, die über die Sekundärluftöffnungen 23b dem Primärstrom zugemischt wird, nicht mehr im wesentlichen radial zugeführt wird, sondern über axial verlaufende Sekundärluftkanäle 22b aus dem Bereich des Triebwerkseinlaufes 24 herangeführt wird. Dabei ist es denkbar, einen einzigen ringförmigen Sekundärluftkanal 22b auszubilden.

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Die Primärdüse 17b ist in derin Fig.2 gezeigten Ausführung im Querschnitt blütenförmig ausgebildet, wodurch sich unter geringeren Strömungsverlusten eine gute Vermengung der beiden Luftströme erreichen läßt. Diese blütenförmige Ausbildung der Primärdüse 17b ist im Querschnitt im Fig. 3 dargestellt.

Die Ausführung der Primärdüse 17c als Vielfachdüse ist in Fig. 4 zu sehen. Der Durchmesser der Düsen 25 wird dabei so groß gewählt, daß sich unter bestmöglicher Vermischung der beiden Luftströme die Strömungsverluste minimiert werden. Diese Ausführung der Primärdüse 17c kann auch, wie durch gestrichelte Linien angedeutet, in einzelne Abschnitte aufgeteilt sein, die mittels der Gelenke 18 - wie in Fig. 1 dargestellt - verschwenkbar befestigt sind.

Fig. 5 zeigt diese Ausführung der Primärdüse im Längsschnitt.

Fig. 6 und 7 zeigen als weitere Ausführungsform der Primärdüse eine Faltdüse 17e, die aus Blechen 26 besteht, welche mittels Scharnieren 27 miteinander verbunden sind. Im eingefalteten Zustand , _wi_e dargestellt, gibt die Düse einen sternförmigen Strömungsquerschnitt frei, im ausgefalteten Zustand liegen die Faltenelemente an der Innenwand des Nachbrenners an bzw. verschließen die Sekundärluftöffnungen 23.

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Claims

ra/si MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. München, den 25. Juli 1991 Schutzansprüche

1. Strahltriebwerk mit einer Gasturbine und einem Nachbrennergehäuse dadurch gekennzeichnet, daß stromab

der Gasturbine (2) eine Primärdüse (17) für den Hauptstrom der Gasturbine (2) vorgesehen ist, und im Nachbrennergehäuse (15) Sekundärluftöffnungen (23) vorgesehen
sind, durch welche Umgebungsluft in das Nachbrennergehäuse (15) geführt werden kann, wobei die Primärdüse
(17) und die Sekundärluftöffnungen (23) zur Erzielung
einer intensiven Luftvermengung aufeinander abgestimmt
sind.

2. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachbrennereinspritzvorrichtung(10)
und ein Flammhalter (11) entfernbar im Nachbrennergehäuse (15) angeordnet sind.

3. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärdüse (17) an einer Nachbrennereinspritzvorrichtung (10) bzw. einem Flammhalter (11) befestigt oder in diese integriert ist.

4. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärdüse (17) im Querschnitt blütenförmig oder sternförmig ausgebildet ist.

5. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärdüse (17) in ihrem Querschnitt veränderbar ist.

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6. Strahltriebwerk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärdüse (17) aus faltbaren Elementen besteht.

7. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftöffnungen verschließbar sind.

8. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärdüse (17d) kreisrung konvergend ausgeführt ist.

9. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärdüse (17c) als Vielfachdüse

ausgebildet ist.

10. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärdüse (17c) aus Kegelsegmentabschnitten besteht, die am Umfang des Nachbrenner-

gehäuses (15) nach innen schwenkbar befestigt sind.

11. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Sekundärluftöffnungen (23) Sekundärluftkanäle (22) etwa radial bis zur Triebwerks-

oder Flugzeugaußenhaut (21) geführt sind.

12. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Sekundärluftöffnungen (23) Sekundärluftkanäle (22) axial bis zum Triebwerkseinlauf (24) ge-

führt sind.

13. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachbrennergehäuse innen mit schallabsorbierendem

Material beschichtet ist.
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