DE102008023816A1

DE102008023816A1 - Mischdüsenaufbau

Info

Publication number: DE102008023816A1
Application number: DE200810023816
Authority: DE
Inventors: Stefan Erhard; Joachim Kutz; Josef Liebl; Olivier Seité; Uwe Vogel; Thomas Weltrowski
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-11-19
Also published as: WO2009138068A1

Abstract

Ein Mischdüsenaufbau zum Vermischen von zwei ursprünglich getrennt geführten Fluidströmen (A, B) in einem Zweikreis-Strahltriebwerk ist offenbart. In dem Mischdüsenaufbau ist eine einen heißen Fluidstrom (A) leitende Mischdüse (20) vorgesehen, an dessen äußerer Mantelfläche ein kalter Fluidstrom (B) entlangströmt. Die Mischdüse (20) weist am Strömungseingang einen annähernd kreisartigen Querschnitt und am Strömungsausgang einen nicht kreisartigen Querschnitt auf. Die Fluidströme (A, B) treffen nach der Mischdüse (20) aufeinander.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mischdüsenaufbau gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Triebwerk mit einem solchen Mischdüsenaufbau.
Im Stand der Technik sind Zweikreis-Strahltriebwerke bekannt, bei denen eine Mischdüse in ihrem Inneren einen heissen Fluidstrom, den sogenannten Kernstrahl, leitet und an dessen äusserer Mantelfläche ein kalter Fluidstrom, der sogenannte Nebenstrom, entlangströmt.
Die Druckschrift DE 10 145 489 A1 offenbart einen Mischdüsenaufbau, der die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist. Die Mischdüse hat die Form eines in Strömungsrichtung sich verengenden Kegelstumpfes. Darüber hinaus weist die Mantelfläche dieser Mischdüse Öffnungen auf, durch die der heiße Kernstrahl in den kalten Nebenstrom tritt, wobei somit beide Fluidströme vermischt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Mischung der beiden getrennt geführten Fluidströme vorteilhafter zu gestalten.
Diese Aufgabe ist durch einen Mischdüsenaufbau gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ein Triebwerk ist Gegenstand des Anspruchs 12.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist die Mischdüse am Strömungseingang einen annähernd kreisartigen Querschnitt und am Strömungsausgang einen nicht kreisartigen Querschnitt auf. Somit ist der innere heiße Fluidstrom in der Mischdüse eingeschlossen. Erst nach der Mischdüse treffen die Fluidströme aufeinander.
Vorteilhafterweise weist die Mischdüse am Strömungsausgang einen annähernd rechteckigen Querschnitt oder einen länglichen Querschnitt, dessen Längsseiten konvex sind, auf.
Ein Verhältnis L/H der Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt kann zwischen 2 bis 30 liegen, wobei 5 bis 20 bevorzugt werden, und 10 besonders bevorzugt wird.
Vorteilhafterweise weist die Mischdüse an der Mantelfläche am Strömungsausgang Ausflusswellungen (wellenartige Blüten) auf, deren Wellental und Wellenoberseite in Strömungsrichtung verlaufen. Dadurch wird die Vermischung zwischen beiden Fluidströmen gefördert.
Vorteilhafterweise sind die Ausflusswellungen so ausgerichtet, dass die kalte Außenströmung auf stromabwärtig befindliche Bauteile gerichtet ist. Diese stromabwärtig befindlichen Bauteile können Schaufeln oder Streben sein. Somit können diese Bauteile gezielt gekühlt werden.
Vorteilhafterweise ist die Mischdüse eine Sekundärdüse, die innerhalb einer Hauptdüse angeordnet ist, deren Querschnitt von annähernd kreisartig zu nicht kreisartig in Strömungsrichtung übergeht. Somit kommt das heiße Gas nicht mit der Hauptdüse in Kontakt. Daher ist eine zusätzliche Kühlung der Düsenwand der Hauptdüse nicht erforderlich. Die Mischdüse ist am Strömungsende kürzer als die Hauptdüse
Vorteilhafterweise sind die zur Hauptdüse gewandten Wellenabschnitte am Strömungsendabschnitt der Ausflusswellungen zu der Innenwand der Hauptdüse so beabstandet, dass die heiße Strömung nicht unmittelbar in Berührung mit der Innenwand der Hauptdüse kommt.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile sind in der nachstehend dargelegten Beschreibung des Ausführungsbeispiels aufgezeigt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Triebwerks mit einem erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbau.
2 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbaus.
3 zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbaus.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Mischdüse.
5 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Mischdüse.
6 zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung eines gerichteten Kühlens von Schaufeln.
Ausführliche Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Triebwerks mit einem erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbau und 2 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Mischdüsenaufbaus. Das Triebwerk weist hinter der Gasturbine eine Hauptdüse 10 auf. In der Hauptdüse 10 sitzt ange schlossen an die Gasturbine eine Mischdüse 20, die als eine Sekundärdüse fungiert und am Strömungsende kürzer als die Hauptdüse 10 ist. Im Innern der Mischdüse 20 werden die heißen Gase A, d. h. der sogenannte Kernstrahl, von der Brennkammer der Gasturbine geführt. Von einem sogenannten Fan am Triebwerkseingang kommend wird zwischen dem Außenmantel der Mischdüse 20 und der Hauptdüse 10 ein kalter Fluidstrom B, der sogenannte Nebenstrom oder Bypassstrom, geführt.
Der kalte Fluidstrom B und der heiße Fluidstrom A werden stromabwärtig nach der Mischdüse 20 vermischt. Dabei wird die Vermischung der beiden Fluidströme in einem sogenannten Mischerbereich 30 vorbereitet, der das strömungsabwärtige Ende der Mischdüse 20 ausbildet. Nach diesem Mischerbereich 30 der Mischdüse 20 findet der eigentliche strömungstechnische Mischvorgang innerhalb der Hauptdüse 10 statt. In 2 findet der Mischvorgang somit in dem weiß dargestellten Bereich statt, der in Strömungsrichtung nach der in Grauton dargestellten Mischdüse 20 liegt.
Die vermischten Fluidströme werden dann in eine Düse 50 weitergeleitet, die bei diesem Ausführungsbeispiel als sogenannte Rechteckdüse mit rechteckigem Strömungsquerschnitt ausgebildet ist.
Wie dies in 3 dargestellt ist, weist die Hauptdüse 10 einen kreisartigen Eintrittsquerschnitt auf, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Der Austrittsquerschnitt ist jedoch nicht kreisartig gestaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Austrittsquerschnitt annähernd rechteckig gestaltet. Die längere Seite der Rechteckform bildet dabei in Einbaulage die horizontale Seite.
Wie dies in 4 dargestellt ist, weist analog zur Hauptdüse 10 auch die Mischdüse 20 den kreisartigen Eintrittsquerschnitt und einen nicht kreisartigen Austrittsquerschnitt auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher der Austrittsquerschnitt ebenfalls annähernd rechteckig gestaltet.
Die Querschnittsänderung der Düsen 10 und 20 ist dabei sanft übergehend gestaltet. Die Rechteckform der Düsen ist dabei vorteilhafterweise so ausgelegt, dass sich ein mittleres bis sehr hohes Verhältnis der Horizontallänge oder Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt ergibt, wie dies auch aus 5 entnehmbar ist.
Dieses Verhältnis L/H der Horizontallänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt kann beim Ausführungsbeispiel zwischen 2 bis 30 liegen, wobei 5 bis 20 bevorzugt werden, und 10 besonders bevorzugt wird.
Wie bereits vorstehend erläutert, weist die Mischdüse 20 an ihrem Strömungsende den Mischerbereich 30 auf. Wie dies in den 4 und 5 dargestellt ist, sind in diesem Bereich Ausflusswellungen 22 d. h. sogenannte Blüten oder Lobes ausgebildet. Die Blüten 22 sind wellenartig ausgebildet, wobei von der Hauptdüse 10 weggewandte Wellenabschnitte Wellentäler bilden und zur Hauptdüse 10 gewandte Wellenabschnitte Wellenoberseiten bilden. Die Wellentäler und Wellenoberseiten verlaufen in Strömungsrichtung. In der Darstellung von 2 ist der Beginn dieser Blüten durch den senkrechten durchgehenden Strich unterhalb des linken Endes der geschweiften Klammer des Mischerbereichs 30 angedeutet.
Im Ausführungsbeispiel sind die Blüten 22 so ausgerichtet, dass sie den Fluidstrom B gezielt zu Schaufeln 40 lenken, wie dies aus 6 ersichtlich ist. Die Schaufeln 40 sind üblicherweise stromabwärtig der Mischdüse 20 angeordnet.
Nachstehend sind die Effekte und Vorteile des Ausführungsbeispiels beschrieben.
Da der heiße Fluidstrom A in der Mischerdüse 20 vor dem Vermischen eingeschlossen ist und quasi abgeschirmt wird, kommt er nicht mit der Hauptdüse 10 in Kontakt. Da außerdem der heiße Fluidstrom A erst im bzw. nach dem Bereich, in dem der Mischvorgang stattfindet und in dem somit seine Temperatur vermindert wird, auf die Wand der Hauptdüse 10 trifft, ist eine zusätzliche Kühlung z. B. durch Kühlluft bei der Hauptdüse 10 nicht nötig.
Die Blüten 22 am Austrittsquerschnitt der Mischerdüse 20 fördern den Vermischungsvorgang. Außerdem können die Blüten 22 so ausgerichtet werden, dass sie gezielt stromabwärtig angeordnete Schaufeln 40 kühlen. Eine innere Kühlung der Schaufeln 40 wird somit entbehrlich oder kann vermindert werden.
Alternativen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Mischdüse 20 am Strömungsausgang einen länglichen Querschnitt aufweisen, dessen Längsseiten konvex sind. Die Querschnittsform am Strömungsausgang kann auch ein paralleles langes Oval sein. Für den Strömungsausgang der Düsen kann außerdem eine Form gewählt werden, die an die Oberflächengestalt einer Luftfahrzeugzelle (Tragfläche) angepasst ist.
Anstelle der Schaufeln 40 oder zusätzlich zu ihnen können auch andere stromabwärtig der Mischdüse 20 befindliche Bauteile gekühlt werden. Beispielsweise können Verstrebungen gekühlt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10145489 A1 [0003]

Claims

Mischdüsenaufbau zum Vermischen von zwei ursprünglich getrennt geführten Fluidströmen (A, B) in einem Zweikreis-Strahltriebwerk, in dem eine einen heissen Fluidstrom (A) leitende Mischdüse (20) vorgesehen ist, an dessen äusserer Mantelfläche ein kalter Fluidstrom (B) entlangströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) am Strömungseingang einen annähernd kreisartigen Querschnitt und am Strömungsausgang einen nicht kreisartigen Querschnitt aufweist, wobei die Fluidströme (A, B) nach der Mischdüse (20) aufeinandertreffen.
Mischdüsenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) am Strömungsausgang einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist.
Mischdüsenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) am Strömungsausgang einen länglichen Querschnitt aufweist, dessen Längsseiten konvex sind.
Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis L/H der Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt der Mischdüse (20) zwischen 2 bis 30 liegt.
Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis L/H der Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt der Mischdüse (20) zwischen 5 bis 20 liegt.
Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis L/H der Längsseitenlänge L zur Höhe H am Austrittsquerschnitt der Mischdüse (20) 10 beträgt.
Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) an der Mantelfläche am Strömungsausgang Ausflusswellungen (22) aufweist, in denen von der Hauptdüse (10) weggewandte Wellentäler bildende Wellenabschnitte und zur Hauptdüse (10) gewandte Wellenoberseiten bildende Wellenabschnitte in Strömungsrichtung verlaufen.
Mischdüsenaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausflusswellungen (22) so ausgerichtet sind, dass die kalte Außenströmung auf stromabwärtig befindliche Bauteile gerichtet ist.
Mischdüsenaufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtig befindlichen Bauteile Schaufeln (40) und/oder Streben sind.
Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüse (20) eine Sekundärdüse ist, die innerhalb einer Hauptdüse (10) angeordnet ist, deren Querschnitt von annähernd kreisartig zu nicht kreisartig in Strömungsrichtung übergeht, wobei die Mischdüse (20) am Strömungsende kürzer als die Hauptdüse (10) ist.
Triebwerk mit einem Mischdüsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 10.