DE2338673C2 - Nachbrenneranordnung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nachbrenneranordnung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Nachbrenneranordnung ist in der FR-PS 21 23 034 beschrieben.

Es ist bei Strahltriebwerken für die Verwendung in Flugzeugen für den Flug bei Überschallgeschwindigkeit üblich, einen Nachbrenner zur Schubsteigerung zu

verwenden. Es ist bekannt, daß nach dem Durchgang des heißen Brennstoff-Luftgemisches durch den Hauptbrenner noch ein gewisses zusätzliches Schubpotential verbleibt, da nicht der gesamte verfügbare Sauerstoff verbraucht worden ist Daher kann ein zusätzlicher Schub dadurch erhalten werden, daß noch weiterer Brennstoff zugeführt wird, um das angereicherte Brennstoff-Luftgemisch in dem Strahlrohr des Triebwerkes zu zünden.

Bei einem Triebwerk mit Bypass oder Turoogebläse bietet jedoch diese Schubsteigerung durch Strömungsmischung gewisse Probleme für den Triebwerkskonstrukteur. Beispielsweise erschwert die Anwesenheit von konzentrischen Doppelströmungen hoher Geis schwindigkeit die Gewährleistung der ausreichenden Verbrennung für beide Ströme mit geringen Druckverlusten, der Schaffung einer ausreichenden Druckmischung und Verbrennungsstabilität, sowie einer optimalen Anpassung der Strömungen aneinander und bezüglich des Druckausgleichs. Obwohl andere Strömungsmischungsprinzipien auf das Mischen im Abgas von Bypass- oder Turbogebläsetriebwerken angewendet wurden, wie beispielsweise axial verlaufende längliche perforierte Kanaleinrichtungen zur Aufteilung der beiden Ströme, ist es bekannt daß die Schubsteigerung bei einem Bypass-Triebwerk gesteigert werden kann durch die Verwendung eines Mischers, wie er in der eingangs genannten FR-PS 21 23 034 beschrieben ist Dort ist ein kreisförmiger Teil vorgesehen mit gewellten Innenwänden, dessen Wellungen abwechselnd von heißen und kalten Gasströmungen durchströmt sind. Die Verwendung eines derarigen Mischers kann jedoch ernsthafte Probleme bezüglich einer Gewichtserhöhung und der Gasdruckverluste ergeben, wenn er in den Abgasstrom eingefügt wird Diese Probleme können so schwerwiegend sein, daß sie die Anwendung des Mischers im Hinblick auf die Leistung und das Betriebsverhalten des Triebwerkes verbieten. Wenn daher der aerodynamischen Konstruktion des Mischers in einer Nachbrcnner&rcrdnung keine genügende Aufmerksamkeit geschenkt wird und beispielsweise nicht gewährleistet ist öaß die Länge und das Gewicht der Einrichtung auf einem Minimum gehalten wird, dann können sich dadurch unzulässige Druckverluste oder ein geringer Wirkungsgrad bei der Verbrennung ergeben. Dieses Konstruktionsproblem kann weiterhin in den Fällen kompliziert werden, wo die Nachbrenneranordnung den folgenden zusätzlichen Anforderungen genügen soll: Die Schubkraft muß von

so einem anfänglichen Zündvorgang mit geringem Temperaturanstieg zwecks Verhinderung eines Strömungsabrisses des Bläsers bis zu maximaler Leistung kontinuierlich verändert werden können, d. h. es dürfen dann keine plötzlichen Sprünge in der Schubkraft auftreten, welche in einem ernsthaften Falle zu einer Beschädigung des Triebwerkes oder des Flugzeuges führen können.

Es ist zwar aus der GB-PS10 84 916 für ein Triebwerk ohne einen Mischer der vorstehend beschriebenen Art bekannt daß an den Brennstoff einspritzenden Sprühstäben V=förmige Flammenhalter angebracht sein können, um die Flammen zu stabilisieren; aber die Flammenstabilisierung allein vermag die in Verbindung mit dem Mischer auftretenden Probleme nicht zu lösen. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Nachbrenneranordnung der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß mit einem Mischer kurzer axialer Länge ein breiter, stetiger Nachbrenner-Betriebsbe-

reich mit optimiertem Wirkungsgrad erhalten wird

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet ■>

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Brennstoffeinspritzung im Verhältnis zum Mischer und dessen Form optimiert ist, um eine günstige Brennstoff-Ausnutzung zu gewährleisten. Ferner kann der Nachbrenner kurz und leicht in gebaut werden, wodurch ebenfalls der Wirkungsgrad verbessert wird

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von AusfübruDgsbeispielen näher erläutert

Fig. 1 zeigt eine axiale Schnittansicht eines Bypass- oder Turbogebläsestrahltriebwerkes unter Verwendung von einer Ausführungsf orm der Erfindung.

Fig.2 ist eine perspektivische Teilansicht der Ausführungsfonn der Einrichtung zur Schubsteigerung für gemischte Strömungen und der in Stufen unterteilten Brennstoff-Einspritzeinrichtungen nach F i g. 1.

Fig.3 zeigt eine Ansicht längs der Linie 3-3 der Fig. 1. Die

F i g. 4a, 4b und 4c sind vergrößerte Teilschnitiansichten der Nachbrenneranordnung mit gemischten Strö- r> mungen in schematischer Form und zeigen auch vorbekannte Einrichtungen, welche zu Vergleichszwekken aufgenommen sind Die

F i g. 5a und 5b sind teilweise schematische Darstellungen der benachbarten Bypass- und Heißgasgenera- jo torkanäle des verbesserten »Gänseblumenmischers« und zeigen insbesondere die Form der gemeinsamen Kanalwände dieses Mischers und die Anordnung der radialen Flammenhalter bezüglich der »Konturebene«.

Fig.6 zeigt eine Kurve zur Darstellung des Strömungsquerschnittes in den Kanälen der Ausführungsform eines »Gänseblumenmischers« nach F i g. 1 und zeigt weiterhin die Auswirkung der Anordnung des radialen Flammenhalters gemäß den F i g. 5a und 5b.

Fig.7 zein eine schematische Darstellung der Anordnung der Brennstoff-Einspritzeinrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform.

F i g. 8 zeigt eine Kurve zur Darstellung des gesamten Brennstoffstromes in Zeiteinheiten in der Nachbrenneranordnung gemäß der Erfindung und zeigt verschiedene Kombinationen des aufeinanderfolgend additiven Systems gemäß den F i g. 1,2 und 7.

F i g. 1 zeigt im Schnitt ein Axialströmungs-Gasturbinenstrahltriebwerk des Bypass- oder Turbobläsertyps. Selbstverständlich kann die Nachbrenneranordnung auch für andere Arten von Strahltriebwerken angewendet werden bei denen ein Erfordernis für die Mischung von zwei Strömungen des Arbeitsmittels besteht Das Triebwerk umfaßt einen äußeren oder Bypasskanal 1 mit einem vorderer. Einlaßbereich 2 und einem Auslaß- oder Schubdüsenbereich 3.

Im Innern des Bypasskanals und unmittelbar stromabwärts von dem Einlaßbereich 2 ist ein vorderer oder Niederdruckverdichter 4 angeordnet, der sich über den gesamten äußeren Einlaßbereich 2 erstreckt und daher den Druck und die Temperatur der gesamten in das Triebwerk eintretenden Luft vergrößert Der vordere Verdichter 4 ist auf einer Welle 5 befestigt, welche bei 6a, 6b und 6c durch Lager gestützt ist An dem rückwärtigen, d. h. stronwbwärtigen Ende des ND-Verdichters 4 ist ein innerer Gasgeneratorkanal 7 angeordnet, welcher die j^ere Wand des stromabwärtigen Strömungskanals 0 ftir die Bypass-Strömung bildet.

Ein Teil der verdichteten Luft vom ND-Verdichter 4 tritt in den Eiiüaßbereich 9 des Gasgeneratorkanals ein und wird dort durch den Gasgeneratorverdichter 10 weiter verdichtet Die stark verdichtete Luft tritt dann in den Brennkammerbereich 11 ein und wird dort mit Brennstoff verbrannt, welcher durch geeignete Hauptbrennstoffinjektionseinrichtungen 12 eingespritzt wird Das Heißgasgemisch durchströmt anschließend die Leistungsturbine 13, welche ebenfalls an der Welle 5 befestigt ist Durch die Leistungsturbine wird dem Heißgasstrom die Leistung zur Drehung der Verdichter entnommen. Diese Turbine kann drei Stufen oder Räder gemäß der Darstellung enthalten; es können jedoch auch in Abhängigkeit von den Anforderungen an das Triebwerk mehr oder weniger als drei Räder verwendet werden. Die Gase des Heißgasgenerators treten aus der Leistungsturbine aus, wobei sie um die Streben oder Rahmenteile 15 herum strömen, wekhe die Lager 6c halten. Diese Streben 15 sind ein TeU der rückwärtigen Rahmenstrsktur der Turbine, weiche sich über den Bypasskanal und auch über den Heiße igene^atorstrom erstreckt und deshalb besitzen die Streben eine aerodynamische Form. Andere Streben oder Rahmenteile 16 und 17 sind im Bereich der Lager 6b. 6a angeordnet und unterstützen die Halterung der umlaufenden Teile und des inneren Gasgeneratorkanals in bekannter Weise. Der Querschnitt der Schubdüse 3 wird typischerweise variabel gemacht durch eine geeignete Düseneinrichtung, welche allgemein bei 18 angedeutet ist Es kann außerdem erwünscht sein, eine kreisringförmige odei mit einem Einsatz versehene Schubdüse mit einem inneren, birnenförmigen Teil 19 zu verwenden. Der Einsatz kann auch durch eine lange Welle oder Verlängerung 20 gehaltert sein, welche an dem rückwärtigen Turbinenrahmen befestigt ist In einem Diffusorabschnitt 21 wird die Schubgasgeschwindigkeit in beiden Luftströmen gleichzeitig vermindert, wobei sich ein Anstieg des statischen Drucks ergibt, und in dem auch die Nachbrenneranordnung für genaschte Strömungen gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung angeordnet ist

F i g. 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der Nachbrenneranordnung. Die großen voll ausgezogenen Pfeile veranschaulichen dabei den Strömungsweg des Heißgasgeneratorstromes. Die großen schraffierten Pfeile zeigen den Strömungsweg aus dem kalten Bypasskanal. Aus F i g. 3 und F i g. 2 ist ersichtlich, daß die heißen und kalten Ströme in Umfangsrichtung um die Achse des Strahltriebwerks abwechselnd angeordnet sind Die Heißgasgeneratorkanäle und die Kanäle für die kalte Bypass-Strömung werden dadurch gebildet daß ein durchgehendes, gewelltes Wandteil 21 vorgesehen ist welches eine gemeinsame Kanalwand 24 zw'schvT. benachbarten heißen und kalten Strömen besitzt welche durch seitlich verlaufende Wandabschnitte 25 am äußeren Umfang des Wandteils 22 und ähnliche Wandabschnitte 26 am inneren Umfang desselben miteinander verbunden sind. Dadurch ergeben sich Reihen von abwechselnd »kalten« und »heißen« Kanälen 27 oder 28, die in gewisser Weise ähnlieh dem vorstehend beschriebenen sogenannten »Gänseblumenmischer« sind. Dabei tritt die By'passluft in die Kanäle 27 durch einen stromaufwärtigen Einlaß 29 ein, welcher in Strömungsmittelverbindung mit dem Bypasskanal 8 ist Ardererseits tritt die Strömung des Heißgasgeneratorstroms in den Mischer 22 am offenen stromaufwärtigen Bereich 32 ein, und der heiße und der kalte Strom treten am stromabwärtigen Endt des

Mischers an dessen Lippe oder Kante 35 aus. Die hier beschriebene Ausfuhrungsform sieht auch einen äußeren Kreisring für einen Kühlluftstrom Ober die äußere Seitenwand 25 vor, welcher durch kleine schraffierte Pfeile angedeutet ist. Dieser Luftstrom dient zum s Kühlen der seitwärts verlaufenden Wand, welche die Verbrennungsgase einschließt, und des angrenzenden Abschnittes des Diffusorgehäuses. Im Inneren der seitwärts verlaufenden Wandabschnitte 26 an der inneren Peripherie des Teils 22 ist ein ringförmiger Heißgasstrom vorgesehen, welcher durch die kleinen vollen Pfeile angedeutet ist. Diese Anordnung ist zweckmäßig für eine zunächst kleine Schubverstärkung, welche noch nachstehend erläutert wird.

Um die erwünschte Nachverbrennung oder Schubverstärkung zu erhalten, müssen Einrichtungen vorgesehen sein, um zusätzlichen Brennstoff stromabwärts von dem Hauptgasgenerator einzuspritzen und zu zünden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein dreistufige« Brennstoff-Einspritzsystem mit mehreren radial verlaufenden Flammenhaltern 40 vorgesehen, die vollständig im Innern der Kanäle 28 für den Heißgasgeneratorstrom angeordnet sind. Die radialen Flammenhalter 40 stehen in Strömungsmittelverbindung mit einer umkreisförmigen oder kreisringförmigen Flammenhaltereinrichtung 42, welche in dem inneren ringförmigen Heißgasstrom (dieser ist durch kleine volle Pfeile dargestellt) für die Zwecke einer Kreuzzündung angeordnet ist Die Flammenhalter 40 und 42 umfassen typischerweise divergierende, im wesentlichen ebene Wandteile 44 und 46, die an einem stromaufwärts gelegenen Scheitel 47 zusammenlaufen, um bei 48 eine Rezirkulationszone zu schaffen, welche im wesentlichen durch die divergierenden Wandteile eingeschlossen ist Das in Stufen unterteilte Brennstoff-Einspritzsystem weist erste Sprühstäbe 50 auf, die unmittelbar stromaufwärts vom Scheitel des Flammenhalters 42 angeordnet sind und sich radial nach innen erstrecken, um Brennstoff lokal, d.h. unmittelbar stromaufwärts vom Scheitel des umkreisförmigen oder kreisringförmigen Flammenhalters 42 einzuspritzen. Zweite Sprühstäbe 52 verlaufen im wesentlichen parallel zu den ersten Sprühstäben 50 und auf der Innenseite (stromabwärts von dem Scheitel) der radialen Flammenhalter 40. Der durch die zweiten Sprühstäbe 52 eingespritzte Brennstoff bestimmt daher das Brennstoff/Luftverhältnis in der Rezirkulationszone 48 des radialen Flammenhalters. Die ersten Sprühstäbe 50 könnten auch anders angeordnet werden als in der dargestellten Lage, d.h. sie könnten beispielsweise unmittelbar vor den radialen Flammenhaltern 40 angeordnet seH, aber in der dargestellten Lage ist die Blockierung oder Hemmung des Heißgasgeneratorstroms im wesentlichen unbeeinflußt Diese Anordnung vereinfacht auch die Verbindung der ersten und zweiten Sprühstäbe 50, 52 mit ringförmigen Brennstoffverteilern 53 und 54, weiche um den Bypasskanal 1 herum am Diffusorabschnitt 21 angeordnet sind. Unmittelbar benachbart zu diesen Brennstoffverteilern 53,54 ist ein dritter Verteiler 55 angeordnet, welcher dritten «> Sprühstäben 56 des dreistufigen Brennstoff-Einspritzsystems Brennstoff zuführt Diese dritten Sprühstäbe 56 sind im wesentlichen stromaufwärts von den radialen und ringförmigen Flammenhaltern 40, 42 angeordnet d. h. sie befinden sich am Eingang des Mischers 22. Diese Anordnung gestattet eine gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Brennstoffs in dem Heißgasgeneratorkanal für höhere Leistungen des Triebwerks. Schließlich ist noch eine Zündeinrichtung 60 in Form eines Zünders oder einer Zündkerze vorgesehen. In der Anordnung nach Fig. 1, bei der eine kreisringförmige mu einem Einsatz versehene Schubdüse verwendet wird, kann die Trägerwelle 20 für diesen Einsatz durch ein Ringteil 62 von den Auswirkungen des Heißgasstromes abgeschirmt werden.

Fig.3 zeigt die relative Lage und die seitliche Anordnung der heißen und kalten Strömungen. Es ist zu beachten, daß der ringiörmige Flammenhalter 42 zur Kreuzzündung der radialen Flammenhalter 40 betrieben werden kann. Weiterhin ist die Breite der kalten Strömung im wesentlichen gleich der Breite der heißen Strömung, wodurch eine bessere Durchmischumg gefördert und damit die Leistung bei höheren Bypassverhältnissen (d. h. das Verhältnis der Strömungsmasse der kalten Luft zur Strömungsmasse des Gasgemisches vom Gasgenerator) verbessert wird.

Einige Vorteile der erfindungsgemäßen Nachbrenneranordnung gegenüber vorbekannten Einrichtungen bestehen in der Verbrennungsstabiiitat bei einem Turbogebläse-Nachbrennersystem, einer Verminderung des Gewichtes und der Kompliziertheit der Mischereinrichtung und einer größeren Kontrolle über das Diffusionsverhältnis des Gasgeneratorstromes. Sie sind verdeutlich durch die schematischen Abbildungen und Kurven der F i g. 4 und 6. Wie bereits ausgeführt, soll eine Nachbrenneranordnung mit Strömungsmischun* unter Verwendung eines verbesserten Mischers des »Cjänseblumcntyps« mit kompakter Konstruktion ausgestaltet werden zur Verminderung der Druckverluste gegenüber bekannten Konstruktionen, beispielsweise durch eine Anordnung welche eine Verminderung der Länge des Mischers gestattet F i g. 4a bis 4c zeigen die Bereiche der Verbesserung durch die Gegenüberstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung in Fig.4a und bestimmten Anordnungen, welche eine oder mehrere bekannte Einrichtungen aufweisen und in den F i g. 4b und 4c dargestellt sind, insbesondere zeigen die Figuren die genaue Lage der radialen Flammenhalter 40 bezüglich des Endes oder der Lippe 35 des Mischers 22. Es ist bekannt daß man Vorteile bei der Einfügung von flammenstabilisierendcn Einrichtungen im Heißgasstrom allein durch eine Mischereinrichtung mit Doppelströmung (Bypass-Strom und Heißgasgeneratorstrom) erhält zur Erzielung eines geringen Druckverlustes, einer stabilen Verbrennung (besonders bei niedrigen Betriebsdrücken) und einer wirksamen Steuerung bei niedrigem Leistungsbedarf. Der Grund hierfür besteht darin, daß das Ausmaß der Blockierung oder Hemmung des Stromes durch den Flammenhalter, welches für eine Stabilisierung benötigt wird umgekehrt proportional zur Einlaßtemperatur und direkt proportional zum Druckabfall ist, d.h. es können kleinere und leichtere Teile verwendet werden, wenn diese in den Hochtemperaturstrom eingefügt werden. Weiterhin können nach den vorstehenden Ausführungen Mischer vom »Gänseblumentyp« eine relativ hochwirksame Durchmischung über eine relativ kurze Länge leisten. Trotzdem besitzen jedoch die vorbekannten Einrichtungen dieser Art bestimmte Nachteile. Beispielsweise trennt die Anordnung nach F i g. 4b nicht die Bypass- und Gasgeneratorströmungen bis zum Mischerauslaß wie bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach der Fig.4a. Daher gestattet die bekannte Einrichtung eine vorzeitige Verdünnung der heißen und kalten Strömungen vor dem Einspritzen des Brennstoffes und diese beeinflußt die Verbrennungsstabilität

nachteilig. Dieser Effekt wird bei der erfindungsgemä-Ben Anordnung nicht zugelassen. Weiterhin ergibt die Anordnung nach Fig.4a durch Einfügung der Flammenhalter innerhalb des Mischers eine wirksamere Strömungsverteilung über die gesamte radiale Höhe des s Mischers, welche mit den Konstruktionen nach F i g. 4b und 4c nicht möglich ist.

Der w'fhtigste Gesichtspunkt besteht jedoch darin, daß die erfindungsgemäße Anordnung es gestattet, den statischen Druck des Gebläse· und Gasgeneratorstroms ι ο bei der maximalen aerodynamischen Breite der Flammenhemmung auszugleichen. Diese liegt geringfügig hinter der maximalen rtumlichen Breite des Flammenhalters, d. h. unmittelbar stromabwärts vom Mischerauslaß. Hierdurch wird eine bedeutend besser is definierte Anpassungsebene erreicht als dies bisher möglich war. Die verbesserte Strömungsanpassung, d. h. der Ausgleich des statischen Druckes der beiden Ströme (hierbei bezieht sich der statische Druck auf den Druck im Innern der Ströme ausschließlich des Druckes. welcher der Strömung durch die Geschwindigkeitskomponente ihrer Moleküle vermittelt wird), bringt den Rückdruck oder Staudruck, insbesondere auf den Gebläse- oder Bypass-Strom auf ein Minimum. Dies steigert wiederum die Wirksamkeit der Durchmischung und die wirksame Steuerung oder Beherrschung der Betriebsgrenzen des Bläsers oder des vorderen Verdichters. Dies wird durch die erfindungsgemäße Anordnung dadurch ermöglicht, daß bei der Anordnung gemäß Fig.4a die Strömungsanpassung vor dem Eintreten der Wärmezusatzverluste in den Gasströmen infolge der Verbrennung erfolgt Das heißt, es findet nur eine sehr geringe oder überhaupt keine wirksame Verbrennung in dem Heißgasstrom statt vor dem Erreichen der Austrittsebene des Mischen durch diesen Strom und im Bereich der maximalen aerodynamischen Strömungshemmung. Weiterhin ist zu beachten, daß die bekannte Anordnung nach Fig.4b einen öffcnsichuichen Nachteil des vergrößerten Gewichtes und der Druckverluste infolge der Beabstandung des Mischers <o vom inneren Kanal zur Bildung des ringförmigen stromaufwärtigen Mischspaltes besitzt Von größerer Wichtigkeit ist jedoch die Tatsache, daß die bekannte Anordnung nach Fig.4b nachteilig ist, weil der statische Druck an zwei Stellen auszugleichen ist d. h. « an dem Ringspalt und am Mischerauslaß. Wie bereits zuvor aufgezeigt werden sich bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten die Strömungsverhältnisse für den Bypass-Strom und den Gasgeneratorstrom ändern. Beispielsweise wird bei höheren Machzahlen das so Bypassverhältnis größer sein als bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten. Die Anpassung an zwei Stellen würde daher eine Verschiebung der Strömungen am Mischereinlaß erfordern, und es müssen größere Verluste in Kauf genommen werden, da diese Strömungsverschiebung Trennverluste verursacht

Andererseits zeigt die Anordnung nach Fig.4c eine Einrichtung, durch welche ein statischer Druckausgleich des Bypassstroms und des Gasgeneratorstroms an oder unmittelbar stromabwärts des Mischerauslasses erfolgt Dies ist jedoch, wie gezeigt, ebenfalls unerwünscht, da im Idealfall keine Verdünnung des Heißgasstroms am Flammenhalter- oder Flammenhemmungsbereich erfolgen oder eine schlechte Verbrennung auftreten würde. Insbesondere werden die aus dem Mischer auftretenden Gase eine Umlenkung in einem Strömungsfeid erfahren infolge der Richtung, welche von den Wänden des »Gänseblumenmischers« gegeben wird, und infolge der Hemmungswirkung der Strömungsstabilisierungseinrichtung. Die Einstellung des erwünschten statischen Druckausgleichs für ein solches Strömungssystem ist schwierig, wenn nicht ganz unmöglich, insbesondere unter wechselnden Flugverhältnissen. Um daher ein gewisses Maß an Kontrolle zu erhalten, war es üblich, die Flammenhalter nach rückwärts zu verlegen (vgl. die in ausgezogenen Linien dargestellte Stellung in F i g. 4c). Dies erfordert jedoch eine größere Länge des Diffusors und Mischers, da ein zusätzlicher Bereich für den Gasgeneratorstrom erforderlich ist, um den notwendigen statischen Druckausgleich zu erzielen; hierdurch ergibt sich jedoch ein größerer Gesamtströmungsbe reich oder Strömungsquerschnitt in der Ebene des statischen Druckausgleiches. Wenn man andererseits die Flammenstabilisierungseinrichtungen über eine beträchtliche Entfernung stromabwärts von dem Mischer versetzt, dann sind sie in einem Bereich angeordnet, in dem die Ströme im wesentlichen miteinander vermischt sind. An diesem Punkt ist jedoch keine oder nur eine geringe Kontrolle über die Nachverbrennungsstabilität möglich infolge der Tatsache, daß diese Vermischung gewöhnlich begleitet wird von einem gewissen Grad an Turbulenz, wenn man nicht den Mischkanal übermäßig lang gestaltet. Sogar in diesem letzteren Falle, in dem möglicherweise die kalten und heißen Strömungen wieder einen laminaren Zustand in dem Strömungsbereich des Abgaskanals annehmen, ist es sehr schwierig, den Versuch zu unternehmen, die Stabilisierungseinrichtung im Innern bestimmter Schichten dieser Strömung anzuordnen, insbesondere dann, wenn das Triebwerk unter verschiedenen Flugbedingungen und mit wechselnden Bypassverhältnissen arbeiten muß. Daher ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung in vorteilhafter Weise der Bereich für die maximale aerodynamische Strömungshemmung nicht nur stromaufwärts vom Mischer sondern auch in gleicher Ebene wie die Ebene des statischen Druckausgleiches angeordnet wobei diese bei der dargestellten Anordnung bezüglich ihrer Lage ebenfalls äußerst gut beherrscht werden kann.

Fig.5a, 5b und 6 verdeutlichen die besondere Formgebung der heißen und kalten Strömungskanäle im Mischer 22. Ausgehend von einer »Konturebene« sind die gemeinsamen Kanalwände 24 so um die Flammenhalter 40 herum in ihrem Verlauf gestaltet daß maximale Diffusionsgeschwindigkeiten, d. h. eine kürzere Diffusorlänge, in dem Mischer erhalten werden. Die radialen Flammenhalter 40 sind stromabwärts von dieser Konturebene und im Bereich der gemeinsamen Diffusion angeordnet d.h. in dem Bereich des Strönungskanals, in dem die gemeinsame Wand 24 auseinanderläuft oder divergiert oder den Nennströmungsquerschnitt des Heißstromkanals 28 um den Flammenhalter herum vergrößert und dabei gleichzeitig bezüglich der kalten oder Bläserluft konvergiert bzw. den Strömungsquerschnitt des Kanals 27 vermindert Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht daher in einer Verminderung der erforderlichen Strömungsquerschnittsvergrößerung für den Gasgeneratorstrom, da der Gesamt- oder Nennquerschnitt des Gasgeneratorstroms in der Umgebung der Flammenhalter schnell vergrößert wird. Diese Anordnung sorgt auch für eine aerodynamische Beschleunigung des Gasgeneratorstroms und vermindert weiterhin das Gesamtdiffusionsverhältnis des Mischers.

Bekanntlich kann die Steuerung der Geschwindigkeit

des Gasstroms im Bereich des Flammenhalters oder Stabilisierungsteils zu einer verbesserten Verbrennungsstabilität führen. Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, bei denen der statische Druckausgleich zwischen dem Bypass-Strom und dem Gasgeneratorstrom vor dem Flammenhalter auftritt (obwohl der Flammenhalter selbst stromaufwärts von der Stelle liegen kann, an dem der Beginn der Durchmischung des heißen und küten Stroms liegt, beispielsweise Fig.4c), wird jedoch bei der erfindungsgemäßen Anordnung die ι ο Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit am Flammenhalter leichter erreicht. Mit anderen Worten kann gezeigt werden, daß die Strömungsgeschwindigkeit am Flammenhalter davon abhängt, wie gut der statische Druckausgleich verwirklicht worden ist. Die vorbekannten Einrichtungen zeigen daher eine weniger direkte Steuerung der Geschwindigkeit an der Flammenhalterlippe, da in den bekannten Anordnungen diese Lippengeschwindigkeit vollständig von dem statischen Druckausgleich abhängig ist. Wie bereits aufgezeigt. wird daher bei wechselnden Flugbedingungen eine geringere Steuerung der Verbrennungsstabilität vorhanden sein, d. h. eine weniger wirksame Ausnutzung des Nachbrennerbrennstoffes für die Schubverstärkung. Es ist daher ersichtlich, daß bei dem maximalen Durchmesser der Strömungsschleppe eines Flammenhalters, welcher gemäß Fig.5 angeordnet ist. d.h. unmittelbar in der Austrittsebene des Mischers infolge der Anordnung der Flammenhalter nach den Fig. 1, 2 und 5a, ein bedeutend leistungsfähigeres Schubverstärkungssystem erhalten wird, als es bisher möglich war.

F i g. 6 zeigt den Aufbau des verbesserten Mischers. Insbesondere zeigt die Kurve, daß sich der Nennwert des Strömungsquerschnittes des Heißgasgeneratorkanals 28 stromaufwärts und auch stromabwärts von der Konturebene vergrößert (obwohl sich effektiv die Querschnittsfläche bis zu dieser Konturenebene erhöht und dann infolge Hemmung der Strömung durch die Flammenhaltereinrichtung vermindert) und daß der Strömungsquerschnitt der Bypass- oder Bläserkanäle 27 *o sich bis zur Konturebene vergrößert und danach (mit Ausnahme einer unbedeutenden Vergrößerung) verkleinert Die vereinigte »der Gesamtquerschnittsfläche beider Ströme vergrößert sich selbstverständlich. Diese Anordnung, welche hier als »gemeinsame Diffusion« <s bezeichnet wird, ist sehr wirksam zur Verhinderung einer übermäßigen Diffusion und des damit einhergehenden Druckverlustes, welche in vorbekannten Mischern auftreten können, bei denen die Kontur oder der Verlauf der Wände so beschaffen ist, daß sich der tatsächliche Strömungsquerschnitt für den Heißgasgeneratorstrom kontinuierlich bis zum Mischerauslaß vergrößert und auch der Strömungsquerschnitt für den Bläserstrom konstant (steigend) ist gemäß den in F i g. 6 schraffierten IJtSreichen. Ein weiterer Vorteil der Kontur der gemeinsamen Kanalwand 26 besteht in einer größeren mechanischen Stabilität im Mischer. Dies ist wichtig, da ein Turbostrahltriebwerk mit hoher Machzahl starken Schwingungsbelastungen unterliegen kann, wenn die Mischerwände auf ihrer gesamten axialen Länge eben sind.

Fig.7 zeigt eine andere Ausführungsform der dreistufigen Brennstoff-Einspritzeinrichtung gemäß der Erfindung. In diesem Falle sind sowohl die Zünd-Sprühstäbe als auch die radialen Sprühstäbe außerhalb der radialen Flammenhalter 40 angeordnet. So sind erste Sprühstäbe 70 unmittelbar stromaufwärts vom Scheitel des radialen Flammenhalters 40 so angeordnet, daß sie sich nach innen zum Ringraum erstrecken, welcher von dem umkreisförmigen Flammenhalter 42 eingenommen wird. Zweite Sprühstäbe 71 sind unmittelbar stromaufwärts vom Scheitel der radialen Flammenhalter und entlang der ersten Sprühstäbe 70 angeordnet Dritte Sprühstäbe 73 sind stromaufwärts von dem Mischer angeordnet und so ausgestaltet, daß sie eine gleichförmige Brennstoffeinspritzung in den Mischer liefern. Ein äußerer Abschnitt 74 der dritten Sprühstäbe 73 kann dazu verwendet werden, um Brennstoff in den Bläserstrom zusammen mit oder nach dem Brennstoff einzuspritzen, der in den Gasgeneratorstrom durch einen inneren Abschnitt 75 eingespritzt wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß man herausgefunden hat, daß bei Bypassverhältnissen bis etwa 1,25 der gesamte Brennstoff mit vorteilhafter Wirkung zur Vereinfachung des Brennstoffsystems in den Gasgeneratorstrom allein eingespritzt werden kann. Es wurde jedoch bei Bypassverhältnissen oberhalb 1,25 als vorteilhaft befunden, auch dem Bläserstrom Brennstoff zuzusetzen, um die Geschwindigkeii der Durchmischung von Brennstoff und Luft zu verbessern.

Die F i g. 8 zeigt eine Kurve für die Gesamtbrennstoffströmung in kg/h in der dreistufigen Anordnung gemäß den F i g. 1 und 2. Das anfängliche Zünden des Nachbrenners wird durch die untere Lipje angedeutet und die Brennstoff-Einspritzung in den Gasgeneratorstrom ist durch die zweite Linie angezeigt Schließlich steigt der Gesamtbrennstoffzufluß noch weiter gemäß der dritten Linie an, wenn ein Brennstoffstrom aus den dritten Sprühstäben zugeführt wird. Die dreistufige Brennstoff-Einspritzung kann aufeinanderfolgend oder selektiv in gewünschter Weise betrieben werden, außer daß Zündströmung aus den ersten Sprühstäben immer verwendet wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Nachbrenneranordnung for ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Bypass-Strömungskanal und einem sich an eine Brennkammer anschließenden Heißgas-Strömungskanal, deren Strömungen stromabwärts eines mit in Umfangsrichtung um die Triebwerksachse verlaufenden Wellungen versehenen Mischers mischbar sind, dessen Wellungen abwechselnd heiße und kalte Gasströmungen zugeführt sind und wobei im Bereich der Wellungen in jedem Heißgas-Teilstrom ein zur Triebwerksachse radial angeordneter Sprühstab zur Einspritzung von Brennstoff vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühstäbe (50) jeweils unmittelbar stromaufwärts je eines mit dem Scheitel der Strömung entgegengerichteten, im Querschnitt etwa V-förmigen und radial zur Triebwerksachse angeordneten Flammhalters (40) angeordnet sind, dessen Fbene maximaler aerodynamischer Strömungsheiamung in der Ebene des statischen Druckausgleichs der Bypass- und Heißgas-Strömungen liegt, daß zweite Sprühstäbe (52) unmittelbar stromabwärts vom und parallel zum Scheitel der Flammhalter (40) angeordnet sind und daß die Brennstoffzufuhr zu den ersten und zweiten Sprühstäben (50, 52) selekiV steuerbar ist für eine stetige Schubänderung über einem breiten Betriebsbereich.

2. Nachbrenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dritte Sprühstäbe (56; 73) stromaufwärts der ersten Sprühstäbe (50, 71) am Eingang des Mischers (22) "jdial zur Triebwerksachse angeordnet sind.

3. Nachbrenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die dritten Sprühstäbe (73) jeweils einen radial inneren Abschnitt (75) und einen radial äußeren Abschnitt (74) aufweisen, welch letzterer sich durch den Bypass-Strömungskanal (29) erstreckt und zum Einspritzen von Brennstoff in diesen bei Bypassverhältnissen über etwa 1.25 eingerichtet ist

4. Nachbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsquerschnitte sowohl der von heißen als auch der von kalten Gasen durchströmten Wellungen (28) des Mischers (22) in Stromabwärtiger Richtung zunächst kontinuierlich zunehmen bis zu einer »Konturebene«, von der ab in stromabwärtiger Richtung der Querschnitt der von heißen Gasen durchströmten Wellungen schneller zunimmt als stromaufwärts der »Konturebene« und der Querschnitt der von kalten Gasen durchströmten Wellungen direkt proportional dazu abnimmt, wobei die Flammhalter (40) stromabwärts von der »Konturebene« angeordnet sind.