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Vorzugsweise als Nachbrenner ausgebildete Austrittsdüse für ein Flugzeugtriebwerksbündel
Die Erfindung betrifft eine vorzugsweise als Nachbrenner ausgebildete Austrittsdüse
für ein Flugzeugtriebwerksbündel, die an einem Gerüst zur Halterung einer Mehrzahl
von achsparallelen Gasturbinentriebwerken befestigt ist, wobei das Gerüst aus zwei
von zur Luftdurchführung rohrförmig ausgebildeten Verbindungselementen im Abstand
gehaltenen Tragwänden quer zu den Triebwerksachsen besteht.
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Es ist bekannt bei dem Bau von immer leistungsfähigeren Triebwerken
mit einem größeren Verhältnis von Schub zu Gewicht, daß es oberhalb eines bestimmten
Schubwertes für ein gegebenes Triebwerk vorteilhafter und wirksamer ist, statt eines
einzigen größeren Triebwerkes mehrere kleinere Triebwerke in einem Bündel zu verwenden,
um einen Schub zu erhalten, welcher den gleichen Wert aufweist wie der Schub des
größeren Einzeltriebwerkes. Der Vorteil einer bündelförmigen Anordnung kleiner Triebwerke
gegenüber einem größeren Einzeltriebwerk liegt in der Hauptsache darin, daß für
einen gegebenen, geforderten Schubwert eine beträchtliche Einsparung an Gesamtgewicht
erzielt wird.
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Zu diesem Zweck ist eine Austrittsdüserikonstruktion bekanntgeworden,
die im wesentlichen aus einem Rohr, von zylindrischem oder anders geformtem Querschnitt
besteht. Sämtliche Einzeltriebwerke münden mit ihren Auslaßenden in dieses Rohr.
Dabei hat sich gezeigt, daß die Rohrwandung außerordentlichen Wärmebeanspruchungen
ausgesetzt ist. Durch die erheblichen Temperaturunterschiede während des Betriebes
und beim Stillstand der Triebwerke traten in den Rohrwandungen, insbesondere beim
schnellen Hochfahren der einzelnen Triebwerke, erhebliche Spannungen auf. Die Lebensdauer
dieser Austrittsdüsen war somit sehr begrenzt.
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Weiterhin machte die Lösung des Problems, die Austrittsdüse im Flugzeugrahmen
aufzuhängen, große Schwierigkeiten, eben weil die Wandungstemperatur 'während des
Betriebes der Triebwerke außerordentlich hohe Werte annehmen konnte.
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Für einen Betrieb der Triebwerke mit Nachverbrennung in der gemeinsamen
Austrittsdüse werden die obengenannten Schwierigkeiten noch weiter erhöht, und es
hat sich gezeigt, daß die Verbrennungsendtemperaturen nicht hinsichtlich des optimalen
Wirkungsgrades, wie es wirtschaftlich wäre, gewählt werden konnten, sondern daß
die Materialfestigkeit der Austrittsdüse der für die Wahl der Verbrennungsendtemperatur
maßgebender Faktor war.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, die obengenannten Nachteile zu vermeiden,
und insbesondere den Mantel der Austrittsdüse während des Betriebes auf wesentlich
geringeren Temperaturen zu halten, als sie dem normalen Wärmedurchgang infolge Strahlung,
Konvektion und Leitung entsprechen würden.
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Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß
die Austrittsdüse doppelwandig ausgeführt ist, wobei der Ringraum zwischen der Innenwand
und der Außenwand als Kühlluftkanal ausgebildet ist, der mit den Luft zuleitenden,
rohrförmigen Verbindungselementen des Gerüstes in Verbindung steht. An der Innenwand
der Austrittsdüse sind mehrere der hinteren Tragwand des Gerüstes benachbarte Verteilungszonen
zur Verteilung der Kühlluft in dem Ringraum ausgebildet, in welche die rohrförmigen
Verbindungselemente münden. Der ringförmige Kanal ist an diesen Stellen derart aufgeweitet,
daß diese Stellen eine Verlängerung des durch die rohrförmigen Verbindungselemente
in dem Gerüst zwischen der vorderen und der hinteren Tragwand gebildeten Kanals
darstellen. Um diese Aufweitung zu erreichen, kann entweder nur die Innenwand an
diesen Stellen aufgebogen sein, während die Außenwand ihre ursprüngliche Form beibehält,
es kann jedoch auch nur die Außenwand entsprechend verformt sein, und es können
beide Wände symmetrisch weggebogen
sein, um diese Verteilungszonen
zu bilden. Die Luft strömt aus dem Raum vor dem Triebwerksgerüst, d. h. vor der
vorderen Tragwand in die rohrförmig ausgebildeten Verbindungselemente zwischen der
vorderen und der hinteren Tragwand und wird dann in den Verteilungszonen der Austrittsdüse
so verteilt, daß sich eine konstante Umströmung der Austrittsdüse in dem Ringkanal
ergibt.
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Erfindungsgemäß ist die Innenwand mit einer Anzahl im wesentlichen
gleichmäßig am Umfang verteilter Öffnungen zur Durchführung von Kühlluft aus dem
Ringraum in das Innere der Austrittsdüse versehen. Dadurch wird eine außerordentlich
wirksame Kühlung der Austrittsdüseninnenwand erreicht, da die Öffnungen in der Innenwand
als Lufthauben ausgebildet sind, so daß die hindurchtretende Luft nicht in den mittleren
Bereich der Austrittsdüse strömt, was keinen besonderen Effekt hätte, sondern nach
Art einer Grenzschicht an der Innenseite der Innenwand entlanggeführt wird. Da jedoch
nicht alle Luft durch die Lufthauben aus dem Ringraum in das Innere der Austrittsdüse
strömt, bewegt sich noch genügend Luft in dem Ringraum zwischen der äußeren Wand
und der inneren Wand ins Freie. Damit wird weiterhin eine erhebliche Wärmemenge
von der Außenseite der Innenwand abgeführt, so daß die Außenwand während des Betriebes
der Triebwerke auf nur wenig gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhter Temperatur
gehalten werden kann.
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Zweckmäßig werden zwischen den rohrförmigen Verbindungselementen des
Gerüstes und den Verteilungszonen im Ringraum der Austrittsdüse Rückschlagklappen
vorgesehen, um eine der Luftströmung entgegengerichtete Strömung der verbrannten
Gase infolge Rückstaues bei bestimmten Flugbedingungen zu verhindern.
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Bei besonderen Hochleistungstriebwerken könnte sich die Notwendigkeit
ergeben, auch die Außenwand der Austrittsdüse und die dieser Austrittswand gegenüberliegende
Wand des Flugzeugrahmens zu kühlen. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß hinter
mindestens einigen der rohrförmigen Verbindungselemente in der Außenwand der Austrittsdüse
Ableitungskanäle zur Kühllufteinführung in die zwischen der Außenwand und dem Flugzeugrahmen
gebildete Zone vorgesehen.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt, die an Hand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden soll.
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Fig. 1 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht des
Traggerüstes für die Einzeltriebwerke, an welches die erfindungsgemäß gestaltete
Austrittsdüse angeschraubt ist; Fig. 2 stellt eine teilweise geschnittene Seitenansicht
entlang der in Fig. 1 angedeuteten Ebene 2-2 dar; Fig. 3 zeigt eine teilweise geschnittene
Seitenansicht eines Teiles der in Fig. 2 gezeigten Anordnung, die allerdings eine
Abwandlung dieser Anordnung darstellt: Fig. 4 zeigt eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht,
welche eine weitere Abwandlung eines Teils der in Fig. 2 gezeigten Anordnung darstellt,
und Fig.5 zeigt schließlich eine Draufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Abwandlung.
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In den Fig. 1 und 2 sind ein Gerüst zum Lagern und Tragen von fünf
EinzeIgasturbinentriebwerken in Form eines Bündels und eine an dem Gerüst befestigte
gemeinsame Austrittsdüse dargestellt. Bei dieser Anordnung wurde aus Gründen der
Vereinfachung und Verdeutlichung lediglich ein allgemein mit dem Bz zugszeichen
1 bezeichnetes Triebwerk gezeigt. Es ijedoch klar, daß die folgende Beschreibung,
welche dieses Triebwerk betrifft, in gleicher Weise auch auf die verbleibenden Triebwerke
zutrifft. Das Gerüst weist eine vordere Tragwandgruppe, im allgemeinen mit
10 bezeichnet, und eine hintere Tragwandgruppe. im allgemeinen mit 30 bezeichnet,
auf. Eine mit 40 bezeichnete Baugruppe dient der starren Verbindung der vorderen
und der hinteren Tragwand. An das aus den einzelnen Baugruppen bestehende Gerüst
schließt sich eine gemeinsame Austrittsdüse bzw. ein gemeinsamer Nachbrenner 50
an, in die bzw. in den die Abgase aus den einzelnen Triebwerken ausgestoßen werden.
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Ein Triebwerk 1 besitzt einen Einlaßabschnitt 2 und einen Kompressorabschnitt
3 (Fig. 2), die beide an einem Flansch 4 zusammentreffen. Ein jedes Triebwerk ist
nahe seinem Einlaßende starr mit der vorderen Tragwand 10 verbunden und an seinem
Auslaßende 5 in der hinteren Tragwand 30 gleitbar gelagert. Selbstverständlich kann
die gleitbare Lagerung mit kleinen Abwandlungen an dem Einlaßende und die starre
Befestigung an dem Auslaßende des Triebwerkes vorgesehen sein, oder es können bei
einem oder bei mehreren Triebwerken die gleitbare und die starre Befestigung gegenüber
den entsprechenden Befestigungen der verbleibenden Triebwerke vertauscht sein. Das
Triebwerk 1 ist an der vorderen Tragwand 10 lösbar befestigt. Die vordere Tragwand
10 besteht aus einem sternförmigen Gebilde 11, dessen Mittelteil 12 mit einer Bohrung
zur Aufnahme eines später zu beschreibenden, länglichen, geschlossenen Gliedes
41 versehen ist. Von dem Mittelteil 12 erstrecken sich radiale, sich nach
außen verbreiternde Schenkel nach außen, von denen drei mit 13, 14 und 15 bezeichnet
sind. In der vorderen Tragwand 10 werden auf diese Weise von außen her offene, nach
innen abgerundete Ausnehmungen vorgesehen, so daß die einzelnen Triebwerke radial
eingeschoben werden können. Nach Einbau der Triebwerke werden die außen offenen
Ausnehmungen mit umgekehrt ausgesparten Elementen abgeschlossen, indem letztere,
von denen zwei mit 17 und 18 bezeichnet sind, durch Schrauben 19 od. dgl. an den
radialen Schenkeln 13, 14 und 15 befestigt werden.
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Auf Grund der Lage und der Anordnung des Triebwerkflansches 4 wird
das Triebwerk 1 in gleicher Weise wie die anderen Triebwerke durch das lösbare Element
17 oder 18 daran gehindert, sich axial nach hinten zu bewegen. Wahlweise kann der
Flansch 4 an das feststehende Gebilde 11 anstoßen, um das Triebwerk an einer
axialen Bewegung nach hinten zu hindern. Um das Triebwerk gegen eine axiale Bewegung
nach vorn zu sichern und um es gegen eine Drehung um seine eigene Achse zu sichern,
sind Klemmeinrichtungen vorgesehen, von denen eine bei 20 gezeigt ist. Selbstverständlich
sind vielerlei andere Enrichtungen denkbar, um das Triebwerk sowohl gegen eine axiale
Bewegung als auch gegen eine Drehung zu sichern. Beispielsweise können solche Einrichtungen
die Form einer Reihe von zusätzlichen, bogenförmigen Platter. aufweisen, welche
mittels Schrauben od. dgl. an der stromabwärts gelegenen Seite des feststehenden
Gebildes 11 befestigt sind und Verriegelungseinrichtungen besitzen, die mit dem
Flansch 4 in Berührung treten
können, um eine Drehung des Triebwerkes
zu verhindern.
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Die vordere Tragwand 10 dient, wenn sie mit der erforderlichen Zahl
von Triebwerken zusammengebaut ist, einer doppelten Funktion. Zusätzlich dazu, daß
sie das Einlaßende eines jeden Triebwerkes trägt, schafft sie auch eine Feuerwand,
welche die vorderen, kühlen Teile eines jeden Triebwerkes von denjenigen Teilen
isoliert, welche sich in der Hauptverbrennungszone befinden.
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Die hintere Tragwand 30 weist mehrere, die Triebwerkauslässe aufnehmende
Öffnungen 31 auf, welche sich in Ausfluchtung mit den die Triebwerke aufnehmenden
Öffnungen 16 der vorderen Tragwand 10 befinden. Jede der Öffnungen 31 hat einen
solchen Durchmesser, daß sie den Auslaßabschnitt 5 des Triebwerkes 1 gleitbar aufnimmt.
Die hintere Tragwand 30 isoliert zusätzlich dazu, daß sie den hinteren Träger für
die Triebwerke bildet, auch die heißen Auslaßteile der Triebwerke von den stromauf
gelegenen Teilen der Triebwerke und erfüllt die Funktion einer Feuerwand.
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Die Baugruppe 40 befindet sich zwischen der vorderen Tragwand
1.0 und der hinteren Tragwand 30. Sie hat die Aufgabe, die beiden Tragwände
zu verbinden und diese, axial ausgefluchtet, im Abstand zu halten. Diese Baugruppe
weist ein zentral liegendes, großes, längliches, rohrförmiges Glied 41 mit strömungsgünstig
abgerundeten Enden auf, welches sowohl mit der vorderen als auch mit der hinteren
Tragwand in irgendeiner geeigneten Weise verbunden ist und sich stromaufwärts von
der Wand 10 und stromabwärts von der Wand 30 in den Nachbrenner oder die Austrittsdüse
erstreckt. Mehrere im Abstand um den Umfang herum angeordnete, enge, rohrförmige
Verbindungselemente, von denen drei bei 42, 43 und 44 gezeigt sind, sind sowohl
an der vorderen Tragwand 10 als auch an der hinteren Tragwand 30 starr befestigt.
Die rohrförmigen Verbindungselemente sind vorzugsweise mit den Öffnungen in den
radialen Stegen der beiden Tragwände ausgefluchtet und an jedem Ende an den Tragwänden
angeschweißt. Es sind natürlich auch andere Arten der Befestigung der Verbindungselemente
möglich. Zur Verstärkung der baulichen Festigkeit der Baugruppe und darüber hinaus
zur Unterteilung des Gerüstes in mehrere getrennte Sektoren, sind radiale Versteifungswände,
von denen zwei bei 45 und 46 gezeigt sind, zwischen einem jeden der um den Umfang
herum im Abstand verteilten, engen, rohrförmigen Verbindungselemente und dem in
der Mitte liegenden, länglichen, rohrförmigen Glied 41 angeordnet. Die vorangegangene
Beschreibung dient dem Verständnis des allgemeinen Aufbaus, ist jedoch noch nicht
auf die eigentliche Erfindung gerichtet. Das Wesen der Erfindung liegt in der Ausbildung
der Austrittsdüse oder des Nachbrenners, die bzw. der im folgenden Abschnitt beschrieben
werden soll.
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Eine Austrittsdüse oder ein Nachbrenner 50, welcher bzw. welche in
Fig. 1 und in größeren Einzelheiten in Fig. 2 dargestellt ist, ist stromab der hinteren
Tragwand 30 angeordnet und mit der hinteren Tragwand oder Feuerwand mittels des
Flansches 51 und mittels Verbindungsbolzen 51a verbunden. Der Nachbrenner
50 besitzt innere und äußere im Abstand befindliche Wände 52 bzw. 53, welche eine
ringförmige Kammer 54 bilden, die als Kanal für ein kühlendes Medium geeignet ist.
Jedes der um den Umfang herum im Abstand angeordneten rohrförmigen Verbindungselemente
der Baugruppe 40 ist so gestaltet, daß eine Rohrleitung geschaffen wird, von denen
eine bei 55 gezeigt ist, welche von dem vorderen Ende des Gerüstes in den Ringraum
54 für das kühlende Medium führt. An der Innenwand 52 sind in Strömungsrichtung
sich verengende Verteilungszonen 56 mit eingeformt, welche das kühlende Medium aus
den Rohrleitungen 55 in den den Nachbrenner umgebenden Kühlmedium-Ringraum 54 verteilen.
Darüber hinaus befinden sich in der Innenwand 52 des Nachbrenners eine Vielzahl
von Durchlässen oder Lufthauben 57, durch welche das kühlende Medium aus dem Kühlmedium-Ringraum
54 in das Innere des Nachbrenners strömt. Die Durchlässe 57 sind im wesentlichen
um die ganze Oberfläche der Innenwand 52 herum angeordnet, um diese Wand von den
heißen Gasen freizuhalten, die sowohl in den Triebwerken als auch in dem Nachbrenner
entwickelt werden. In dem Nachbrenner können zum Einspritzen von Brennstoff in den
gemeinsamen Nachbrennabschnitt getrennte Düseneinrichtungen, die nicht gezeigt sind,
vorgesehen sein. Es ist selbstverständlich, daß die Verteilungszonen 56 anstatt
in der Innenwand auch in der Außenwand mit eingeformt sein können, wie es auch möglich
ist, daß beide Wände gleichzeitig verformt sind, um eine sich verengende Verteilungszone
zu bilden. Die Lufthauben 57 besitzen eine solche Form, daß die hindurchstreichende
Kühlluft nicht ungerichtet in das Innere der Austrittsdüse strömt, sondern sich
nach Art einer Grenzschicht unmittelbar an der Innenseite der Innenwand entlang
bewegt. Es findet also sowohl eine Strömung an der Innenseite der Innenwand als
auch in dem Ringraum zwischen Innenwand und Außenwand statt.
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Unter bestimmten Flugbedingungen, während welchen die Drücke an den
Enden der Rohrleitung 55 derart niedrig sind, daß kein kühlendes Medium in den Nachbrenner
strömt, kann es notwendig sein, Einrichtungen zum Verhindern einer entgegengesetzt
gerichteten Strömung infolge Rückstaus aus dem Nachbrenner durch die Rohrleitung
vorzusehen. Die in Fig. 3 gezeigte Abwandlung kann für diesen Zweck verwendet werden.
Bei dieser Abwandlung ist eine Rückschlagklappe 58 mittels eines Scharniers oder
Gelenkes 59 schwenkbar an einem Ende der Rohrleitung 55 anmontiert. Sollte der Druck
im Nachbrenner den Druck an der Einlaßseite der Rohrleitung übersteigen, so schwenkt
die Rückschlagklappe 58 infolge des Druckunterschiedes in ihre geschlossene Stellung
gegen einen Anschlag 59a, um eine umgekehrte Strömung heißer Gase aus der
Austrittsdüse bzw. dem Nachbrenner durch die Rohrleitung zu verhindern. Eine weitere
Abwandlung der Luftkanalführung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Bei dieser
Abwandlung sind zusätzliche, mit den Rohrleitungen 55 in Verbindung stehende Leitungseinrichtungen
dafür vorgesehen, ein kühlendes Medium an die Außenseite des Nachbrenners zu führen,
damit die Zone zwischen der Außenwand 53 des Nachbrenners und dem umgebenden Flugzeugrahmen
56 b gekühlt wird. Wie in den Figuren gezeigt ist, wurde die sich in Strömungsrichtung
verengende Diffusionszone durch einen Ableitungskanal 56a ersetzt, welcher zu der
Außenwand 53 des Nachbrenners führt und der in einer elliptischen Öffnung 53a endet,
welche in der Außenwand gebildet ist. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß
diese Abwandlung gleichzeitig bei
einer Gerüstanordnung mit der
vorher beschriebenen Ausführungsform verwendet werden kann, indem einige der rohrförmigen
Verbindungselemente 42, 43, 44 für die Zuführung von Kühlluft an den Innenraum des
Nachbrenners und andere für die Zuführung von Kühlluft in den Raum zwischen dem
Nachbrenner und dem Flugzeugrahmen verwendet werden.
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Die aus dem die Einzeltriebwerke tragenden Gerüst und der an der hinteren
Tragwand des Gerüstes befestigten Austrittsdüse bestehende Gesamtanordnung wird,
wie aus Fig. 1 hervorgeht, an drei Punkten am Flugzeugrahmen in der Weise aufgehängt,
daß die Gesamtanordnung sich sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung frei
ausdehnen kann, wodurch die drei Aufhängungsstellen von jeglichen Spannungen infolge
Wärmedehnung freigehalten werden.