DE10145489B4

DE10145489B4 - Anordnung zum Vermischen von zwei ursprünglich getrennt geführten Fluidströmen in einem Zweikreis-Strahltriebwerk

Info

Publication number: DE10145489B4
Application number: DE10145489A
Authority: DE
Inventors: Karl Katheder
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2021-09-15
Also published as: DE10145489A1; US7299635B2; EP1425504A2; JP4148893B2; JP2005502819A; US20050022502A1; CA2460549A1; CA2460549C; WO2003025378A3; WO2003025378A2

Abstract

Anordnung zum Vermischen von zwei ursprünglich getrennt geführten Fluidströmen (16, 18) in einem Zweikreis-Strahltriebwerk, wobei ein den ersten Fluidstrom – heißer Kernstrahl (16) – umfassendes Mischrohr (10) vorgesehen ist, an dessen äußerer Mantelfläche (12) der zweite Fluidstrom – kalter Nebenstrom (18) -entlangströmt, wobei das Mischrohr (10) in Form eines in Strömungsrichtung (S) sich verengenden Kegelstumpfes ausgebildet ist und im Bereich seines stromabwärtigen Endes über den Umfang des Mischrohrmantels (12) verteilt angeordnete Öffnungen (20) aufweist, durch die ein Teil des das Mischrohr (10) durchströmenden, heißen Kernstrahls (16) in den den Mischrohrmantel (12) umströmenden, kalten Nebenstrom (18) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (20) einreihig in einer senkrecht zur Längsachse (14) des Mischrohrs (10) liegenden Querschnittsebene angeordnet sind, dass die Öffnungen (20) in Strömungsrichtung (S) länglich ausgeführt sind und dass die Öffnungen (20) an der Außenseite des Mischrohrmantels (12) einen Lochkragen (28) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Vermischen von zwei ursprünglich getrennt geführten Fluidströmen in einem Zweikreis-Strahltriebwerk, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Hierzu werden bekanntlich in Zweikreis-Strahltriebwerken sogenannte Blütenmischer eingesetzt, um den heißen Kernstrahl des Strahltriebwerks und den kalten Nebenstrom vor dem Austritt aus der Strahltriebwerksdüse zu mischen. Dabei wird der heiße Kernstrahl des Strahltriebwerks durch ein sogenanntes Mischrohr geführt, während der kalte Nebenstrom an der Außenseite der Mischrohrmantelfläche entlang strömt. Durch eine spezielle Formgebung der stromabwärtigen Mantelfläche des Mischrohrs wird die Mischung der beiden Fluidströme erzwungen. Die stromabwärtig geformte Mantelfläche des Mischrohrs weist dafür sogenannte Blüten (Lobes) auf, die sich radial nach außen erstrecken. Nach erfolgter Durchströmung bzw. Umströmung des stromabwärtigen Teilstücks des Mischrohrs leiten diese Blüten (lobes) dabei sowohl den heißen Kernstrahl in den kalten Nebenstrom, als auch den kalten Nebenstrom in den heißen Kernstrahl. Zum bekannten Stand der Technik wird beispielsweise auf die GB 2 160 265 A verwiesen.
Nachteilig bei diesen bekannten Blütenmischern ist dabei der Umstand, dass die Blütenmischer aufgrund der großen radialen Erstreckung der Blüten (lobes) am stromabwärtigen Ende zu Schwingungen neigen und zudem Deformationen durch Materialaufheizung und Druckdifferenzen auftreten. Man hat daher versucht, diese Nachteile durch sogenannte Rippen (struts) zu beheben, die den Blütenmischer auf dem Austrittskonus oder dem Düsengehäuse des Strahltriebwerks abstützen. Diese Rippen (struts) stellen jedoch eine zusätzliche Gewichtsquelle dar.
Aufgrund der großen radialen Erstreckung der Blüten (lobes) des Blütenmischers kann es zudem vorkommen, dass im Bereich der Triebwerksaufhängung Interferenzen zwischen den Blüten des Blütenmischers und der Triebwerksaufhängung auftreten. Zur Vermeidung solcher Interferenzen werden die betroffenen Blüten des Blü tenmischers, die so genannten Pylon-Lobes, anders gestaltet. Dies hat jedoch den Nachteil, dass mit der Umgestaltung der "Pylon-Lobes" ein Rückgang des Mischwirkungsgrades verbunden ist.
Die DE 40 28 259 A1 betrefft eine Mischeranordnung für ein Bypass-Gasturbinentriebwerk mit Nachbrenner, d. h. für ein militärisches Triebwerk. Die Mischeranordnung hat dabei die Aufgabe, die Abgasaustrittstemperatur einschließlich der Bauteiltemperaturen zu reduzieren, um eine Infrarotortung, insbesondere durch gegnerische Lenkflugkörper, zu erschweren. Die Abgaskühlung kann jedoch den Nachbrennerbetrieb negativ beeinflussen (Stabilitätsprobleme, Erlöschen der Flamme), so dass eine diesbezüglich modifizierte Mischeranordnung vorgeschlagen wird. Diese Anordnung basiert ebenfalls auf dem Prinzip des Blütenmischers, mit einem entsprechend gewellten und zerklüfteten Austrittsbereich. Zusätzlich ist ein sogenannter Vormischer vorhanden, welcher aus hutzenartigen Gaskanälen in den Vertiefungen auf der Außenseite des Mischrohres besteht, durch die Heißgas stromaufwärts der „Blütenmischzone" aus dem Mischrohr austritt und etwa in Axialrichtung umgelenkt wird. Eine derartige Anordnung besitzt alle vorgenannten mechanischen und konstruktiven Nachteile eines Blütenmischers mit dem weiteren Nachteil einer erhöhten Komplexität durch die Vormischerhutzen. Für Triebwerke ohne Nachbrenner d. h. für fast alle zivilen Triebwerke, macht eine solche Anordnung ohnehin wenig Sinn.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen durch eine neue Gestaltung der Anordnung zum Vermischen des heißen Kernstrahls des Strahltriebwerks mit dem kalten Nebenstrom.
Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Mischrohr in Form eines in Strömungsrichtung von Kernstrahl und Nebenstrom sich verengenden Kegelstumpfes ausgebildet ist und im Bereich seines stromabwärtigen Endes über den Umfang des Mischrohrmantels verteilt angeordnete Öffnungen aufweist, durch die ein Teil des das Mischrohr durchströmenden heißen Kernstrahls in den den Mischrohrmantel umströmenden, kalten Nebenstrom austritt.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Mischrohrs führt zu wesentlichen Vorteilen. Durch das Anbringen der Öffnungen in der Mischrohrmantelfläche entfallen Blütenmischer mit der großen radialen Erstreckung ihrer Blüten. Damit wird die Schwingungsneigung wesentlich reduziert, sodass die bisher notwendigen Rippen (struts) entfallen. Damit entfällt auch die Gefahr einer eventuellen Interferenz mit der Triebwerksaufhängung. Die geringere radiale Erstreckung hat zudem den Vorteil, dass das neue, erfindungsgemäße Mischrohr auch für beengten Einbau geeignet ist.
Ferner führt der geschlossene Ringmantel am stromabwärtigen Ende des Mischrohrs zu einer stabilen, schwingungsarmen Konstruktion, sodass Störungen aufgrund von Betriebsdruck- und Temperaturschwankungen auf das Mischrohr wenig Einfluss haben. Da Stützrippen zur Fixierung des Mischrohrs nicht mehr notwendig sind, bedeutet dieser Wegfall der Stützrippen auch gleichzeitig eine leichtere Konstruktion und somit ein geringeres Gewicht des Strahltriebwerks.
Die vereinfachte Form des Mischrohrs führt ferner zu einer kostengünstigeren Fertigung, da die zur Herstellung der Blüten notwendigen aufwendigen Tiefzieh-Vorgänge entfallen.
Nach einem weiterem Merkmal der Erfindung weisen die Öffnungen im Mischrohrmantel elliptisch geformte Durchtrittsflächen mit einer Hauptachse und einer Nebenachse auf. Die Hauptachse der elliptischen Durchtrittsflächen verläuft dabei auf dem Mischrohrmantel in Strömungsrichtung des heißen Kernstrahls und des kalten Nebenstroms, die Nebenachse ist senkrecht dazu angeordnet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine Kombination des neuen, erfindungsgemäßen Mischrohrs mit hinlänglich bekannten konventionellen Blütenmischern ist möglich. Auch der Ersatz von existierenden Mischern durch erfindungsgemäße Mischer ist denkbar, da sich die Änderungen des neuen Mischers bezüglich Mischerwirkungsgrad (kleiner) und Gesamtdruckverlust (kleiner) hinsichtlich des Schubgewinns neutral verhalten.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines Mischrohrs eines Zweikreis-Strahltriebwerk in Form eines Kegelstumpfes mit über den Umfang des Kegelstumpfes verteilten Öffnungen und
2 eine vergrößerte Darstellung einer Öffnung aus 1.
Ein in 1 insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnetes Mischrohr zum Vermischen von zwei ursprünglich getrennt geführten Fluidströmen in einem Zweikreis-Strahltriebwerk umfasst eine Mantelfläche 12 und eine Längsachse 14. Die Strömungsrichtung der zu mischenden Fluidströme, also eines heißen Kernstrahls 16 und eines kalten Nebenstrom 18, ist durch die Pfeile S angedeutet.
Das Mischrohr 10 weist dabei die Form eines sich in Strömungsrichtung S verengenden Kegelstumpfes auf. Die neben dem Mischrohr 10 weiteren Komponenten eines Strahltriebwerks sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Am stromabwärtigen Ende des Mischrohrs 10 sind in Umfangsrichtung des Mischrohrmantels 12 in einer senkrecht zur der Längsachse 14 des Mischrohrs 10 liegenden Querschnittsfläche mehrere Öffnungen 20 in den Mischrohrmantel 12 eingebracht.
Eine vergrößerte Darstellung eines der am stromabwärtigen Ende des Mischrohrs 10 liegenden Öffnungen 20 ist in 2 dargestellt.
Die Öffnungen 20 weisen dabei eine elliptisch geformte Durchtrittsfläche 22 mit einer Hauptachse 24 und einer Nebenachse 26 auf. Während die Hauptachse 24 der Durchtrittsflächen 22 auf der Mischrohrmantelfläche 12 in Strömungsrichtung S verläuft, ist die Nebenachse 26 senkrecht dazu angeordnet.
An der Außenseite der Mischrohrmantelfläche 12 weisen die elliptischen Durchtrittsflächen 22 zudem einen Lochkragen 28 auf.
Wie 2 zeigt, ist die Höhe des Lochkragens 28 so ausgeführt, dass sich die maximale Höhe des Lochkragens 28 an dem stromaufwärtigen Scheitel 30 der Hauptachse 24 der elliptischen Durchtrittsflächen 22 befindet und von dort in Strömungsrichtung S abnimmt. Ein Bereich des stromabwärtigen Scheitels 32 der Hauptachse 24 der elliptischen Durchtrittsflächen 22 ist ohne Lochkragen 28 ausgebildet. Er kann alternativ (relativ zum Mischrohrmantel 12) nach innen gebogen sein.
Der Übergang von der Außenseite der Mischrohrmantelfläche 12 zu dem Lochkragen 28 ist im vorliegendem Ausführungsbeispiel konkav ausgeführt, auch andere kontinuierliche verlaufende Formgebungen sind möglich.
Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung ist folgende:
Während der vom Strahltriebwerk kommende heiße Kernstrahl 16 durch das kegelförmige Mischrohr 10 hindurchströmt, umströmt der kalte Nebenstrom 18 den Mischrohrmantel 12. Durch die am stromabwärtigen Ende des Mischrohrs 10 vorliegenden Öffnungen 20 dringt der das Mischrohr 10 durchströmende heiße Kernstrahl 16 in den den Mischrohrmantel 12 umströmenden kalten Nebenstrom 18 ein. Infolge der Gestaltung der Durchtrittsfläche 22 und des Lochkragens 28 wird bei geringen Druckverlusten eine gute Durchmischung der beiden Fluidströme erzielt, die der der bekannten Blütenmischer weitestgehend entspricht.

10: Mischrohr in Form eines Kegelstumpfes
12: Mischrohrmantelfläche
14: Längsachse des Mischrohrs
16: heißer Kernstrahl
18: kalter Nebenstrom
20: Öffnungen
22: elliptische Durchtrittsfläche
24: Hauptachse der elliptischen Durchtrittsfläche
26: Nebenachse der elliptischen Durchtrittsfläche
28: Lochkragen
30: stromaufwärtiger Scheitel der elliptischen Durchtrittsfläche
32: stromabwärtiger Scheitel der elliptischen Durchtrittsfläche
S: Strömungsrichtung

Claims

Anordnung zum Vermischen von zwei ursprünglich getrennt geführten Fluidströmen (16, 18) in einem Zweikreis-Strahltriebwerk, wobei ein den ersten Fluidstrom – heißer Kernstrahl (16) – umfassendes Mischrohr (10) vorgesehen ist, an dessen äußerer Mantelfläche (12) der zweite Fluidstrom – kalter Nebenstrom (18) -entlangströmt, wobei das Mischrohr (10) in Form eines in Strömungsrichtung (S) sich verengenden Kegelstumpfes ausgebildet ist und im Bereich seines stromabwärtigen Endes über den Umfang des Mischrohrmantels (12) verteilt angeordnete Öffnungen (20) aufweist, durch die ein Teil des das Mischrohr (10) durchströmenden, heißen Kernstrahls (16) in den den Mischrohrmantel (12) umströmenden, kalten Nebenstrom (18) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (20) einreihig in einer senkrecht zur Längsachse (14) des Mischrohrs (10) liegenden Querschnittsebene angeordnet sind, dass die Öffnungen (20) in Strömungsrichtung (S) länglich ausgeführt sind und dass die Öffnungen (20) an der Außenseite des Mischrohrmantels (12) einen Lochkragen (28) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (20) elliptisch geformte Durchtrittsflächen (22) aufweisen mit einer Hauptachse (24) und einer Nebenachse (26), wobei die Hauptachse (24) der Durchtrittsflächen (22) auf der Mantelfläche (12) des Mischrohrs (10) in Strömungsrichtung (S) der Fluide (16, 18), die Nebenachse (26) der Durchtrittsflächen (22) senkrecht dazu verläuft.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der Außenseite des Mischrohrmantels (12) zu dem Lochkragen (28) der Durchtrittsflächen (22) konkav ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Lochkragens (28) in Bezug auf den Mischrohrmantel (12) derart unterschiedlich ist, dass sich die maximale Höhe des Lochkragens (28) an dem stromaufwärtigen Scheitel (30) der Hauptachse (24) der elliptischen Durchtrittsfläche (22) befindet und von dort in Strömungsrichtung (S) abnimmt, wobei der Bereich des stromabwärtigen Scheitels (32) der Hauptachse (24) der elliptischen Durchtrittsfläche (22) ohne Lochkragen (28) ausgeführt ist, oder dass die Höhe des Lochkragens derart unterschiedlich ist, dass sie zum stromabwärtigen Scheitel der Hauptachse der elliptischen Durchtrittsfläche hin „negativ" wird, d. h. der Lochkragen am stromabwärtigen Ende in das Innere des Mischrohrs ragt.