Gasturbine mit einem Nachleitkranz und mit einem Mischer

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit mindestens einem von einer Turbine angetriebenen Rotor und mit einem Stator, mit stromabwärts der Turbine oder der hintersten Turbine statorfest angeordneten, einen Nachleitkranz bildenden Streben sowie mit einem am stro- mabwärtigen Ende des Heißgaskanals angeordneten Mischer, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Gasturbinen, welche als Flugtriebwerke zum Einsatz kommen, wird der aus der hintersten Turbinenstufe austretende, in aller Regel drallbehaftete Heißgasstrom üblicherweise mit Hilfe eines statorfesten Nachleitkranzes, auch Nachleitrad genannt, in Axialrichtung umgelenkt. Daraus resultiert eine Erhöhung des Axialschubes, weiterhin wird die Torsionsbelastung der Triebwerksaufhängung und somit der Flugzeugzelle reduziert. Bei Fan- Triebwerken sind derartige Nachleitkränze mit profilierten Streben auch stromabwärts des ggf. den Hauptschubanteil erzeugenden Fans im „kalten" Bypassstrom üblich.

Bekannte Vorrichtungen zur Lärmreduzierung an Flugtriebwerken und sonstigen Gasturbinen sind sogenannten Mischer. Diese mischen dem aus dem Turbinenbereich austretenden, hochenergetischen Heißgasstrom Umgebungsluft mit geringerer Energie, d.h. mit erheblich geringerer Temperatur und geringerer Geschwindigkeit zu. Bei Triebwerken mit einem Nebenstrom/Bypass wird dem Heißgasstrom Bypassluft zugemischt. In der Regel strahlt der entstehende Mischstrom dann weniger Lärm ab, als der ungemischte Heißgasstrom. Bei militärischen Fluggeräten werden Mischer auch zur Reduktion der Infrarotsignatur des Ab- gasstrahls benutzt, um die Ortung des Fluggeräts zu erschweren. Mischer sind in der Regel statische sowie passive Vorrichtungen ohne eigene Energieversorgung. Mit zunehmendem Mischungsgrad steigen in der Regel auch die Strömungsverluste. Ein guter Mischer stellt somit einen Kompromiss zwischen diesen beiden Effekten dar.

Die am meisten verwendete Bauform ist wohl der sogenannte Blütenmischer, benannt nach der blütenähnlichen Geometrie bei Ansicht von hinten. Bei dieser Bauform folgen radiale Erhebungen und Vertiefungen wellenförmig aufeinander und führen in sich geschlossen zumindest näherungsweise zwischen Kreisbahnen um einen Mittelpunkt herum. In den Erhebungen wird Heißgas radial nach Außen gelenkt, in den Vertiefungen wird Umgebungsluft radial nach Innen geführt. Siehe hierzu beispielsweise die Patentschrift US 4,819,425.

Eine weitere Bauform ist nach Art eines Kegelmantels mit über den Umfang verteilten öffnungen gestaltet und wird auch als Lochmischer bezeichnet. Siehe hierzu die Offenle- gungsschrift DE 101 45 489 Al.

Es gibt auch Mischformen zwischen einem Blüten- und einem Lochmischer sowie eine Vielzahl weiterer Bauformen mit sehr unterschiedlich gestalteten und verteilten Strömungskanälen. Das grundlegende Funktionsprinzip bleibt dabei in der Regel erhalten.

Aus den einschlägigen Veröffentlichungen zur Mischer-Thematik wird deutlich, dass der Mischer als konstruktiv und funktional eigenständige Vorrichtung gesehen wird, welche als Zusatzelement an einer Gasturbine bzw. einem Flugtriebwerk installiert wird.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin ,eine Gasturbine mit einem Nach- leitkranz/Nachleitrad stromabwärts der hintersten Turbinenstufe sowie mit einem Mischer am stromabwärtigen Ende des Heißgaskanals in der Weise zu verbessern, dass bei höherem Triebwerkswirkungsgrad Einsparungen an Baulänge, Gewicht und Teilezahl erzielt werden.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.

Die Erfindung besteht darin, dass der Nachleitkranz und der Mischer konstruktiv sowie strömungstechnisch und funktional zusammengefasst sind, wobei die strömungsumlenken- den Streben des Nachleitkranzes im Bereich ihrer radial äußeren Enden mit der Wandstruk-

tur des Mischers verbunden sind. Somit liegt ein Kombinationselement aus Nachleitkranz und Mischer vor, das sich durch geringere Baulänge, weniger Gewicht, weniger Teile und höhere strukturmechanische Belastbarkeit auszeichnet. Durch Verkleinerung der strö- mungsbeaufschlagten Kanaloberflächen ist auch eine Verbesserung des Wirkungsgrades zu erwarten. Die Lösung ist an keine bestimmte Bauform des Mischers gebunden, zielt aber bevorzugt auf Blütenmischer ab. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, mehr schematischer Darstellung:

Figur 1 einen Teillängsschnitt durch eine Gasturbine im Austrittsbereich ihres Heißgaskanals,

Figur 2 eine Teilansicht der Gasturbine gemäß Figur 1 in Axialrichtung von hinten, Figur 3 einen Teilschnitt durch die Gasturbine gemäß dem Schnittverlauf A-A in Figur 1, und Figur 4 einen Teilschnitt durch die Gasturbine gemäß dem Schnittverlauf B-B in Figur 1.

Eine Kombination aus den Strömungsbeeinflussenden Elementen Nachleitkranz 6 und Mischer 8 ist primär für als Flugtriebwerke ausgeführte Gasturbinen von Interesse, bei denen ein optimierter, drallfreier Axialschub sowie eine minimierte Lärmemission von Bedeutung sind. Unter den Flugtriebwerken sind es insbesondere die zivilen Fan-Triebwerke, also Nebenstrom-Triebwerke, welche diesen Kriterien genügen müssen. Das schließt aber nicht aus, dass die Erfindung auch für stationäre Gasturbinen bzw. Nicht-Fluggasturbinen vorteilhaft sein kann.

In den Figuren ist ausschließlich eine Variante mit einem als Blütenmischer ausgeführten Mischer 8 dargestellt. Die Erfindung lässt sich aber auch mit anderen Mischer-Bauformen realisieren, z.B. mit Lochmischern oder Kombinationslösungen aus Blüten- und Lochmischern.

Die Gasturbine bzw. das Flugtriebwerk gemäß Figur 1 umfasst mindestens einen Rotor 1 sowie einen den Rotor 1 aufnehmenden Stator 2. Von der den Rotor 1 antreibenden Turbine 3 ist nur ein Laufschaufelkranz 4 dargestellt. Falls mehrere Turbinen sowie Rotoren vorhanden sind, soll es sich bei der Turbine 3 um die am weitesten stromabwärts positionierte Niederdruckturbine handeln sowie um den am weitesten stromabwärts angeordneten Laufschaufelkranz 4. Der Heißgaskanal 5 wird von links nach rechts durchströmt und endet am stromab wärtigen Ende des Mischers 8. Das mit Drall, d.h. mit einer relevanten Um- fangskomponente, aus dem hintersten Laufschaufelkranz 4 austretende Heißgas wird von den profilierten und gekrümmten, i.w. radial angeordneten Streben 7 des Nachleitkranzes in Axialrichtung umgelenkt und ist somit möglichst drallfrei. Der Nachleitkranz 6 und der Mischer 8 sind zu einer konstruktiven und funktionalen Einheit kombiniert, wobei die radial äußeren Enden der Streben 7 mit der Wandstruktur 9 des Mischers 8 verbunden sind. Der Mischer 8 weist in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend radiale Erhebungen 10 und Vertiefungen 11 auf, welche mäanderförmig zwischen -gedachten- zumindest annähernd rotationssymmetrischen Begrenzungsflächen, z. B. Kegel- oder Zylinderflächen, verlaufen und eine blütenähnliche Geometrie erzeugen. Dabei tauchen die Vertiefungen 11 in den Heißgasstrom, die Erhebungen 10 in den umgebenden Luftstrom/Mantelstrom ein und bewirken stromabwärts die gewünschte Vermischung der Strömungsmedien. Optional können in der Wandstruktur 9 des Mischers 8 Aussparungen 12 (strichpunktiert) und/oder Löcher sowie weitere Kanalelemente vorhanden sein, welche zusätzliche Mischvorgänge bewirkten. Jede Strebe 7 ist an ihrem radial äußeren Ende zumindest großteils mit einer Vertiefung 11 der Wandstruktur 9 verbunden. Die Anzahl der Vertiefungen 11 kann gleich o- der ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Streben 7 sein.

Gemäß Figur 2 stimmt die Anzahl der Vertiefungen 11 - und die Anzahl der Erhebungen 10 - mit der Anzahl der Streben 7 überein, d.h. jeder Vertiefung 11 ist eine Strebe 7 zugeordnet. Hier ist auch gut die Blütengeometrie des Mischers 8 zu erkennen.

Figur 3 ergibt sich durch einen horizontalen Teilschnitt gemäß dem Verlauf A-A in Figur 1. Links ist der Laufschaufelkranz 4 mit seiner Rotationsrichtung 4 und einem Geschwindigkeitsdreieck auf seiner Austrittsseite zu erkennen. Der resultierende Geschwindigkeits-

vektor vs in einem statorfesten Bezugssystem ist von links unten nach rechts oben gerichtet. Die strömungsumlenkende Strebe 7 ist so gekrümmt, dass die Richtung des Geschwindigkeitsvektors vs etwa tangential zur Profilmittellinie der Strebe 7 im Bereich ihrer Eintrittskante verläuft, damit eine günstige, möglichst verlustarme Anströmung erfolgt. Bei der Darstellung gemäß Figur 3 ist zu bedenken, dass im übergangsbereich von der Strebe 7 zur Wandstruktur 9 des Mischers 8 entsprechende übergangsradien vorhanden sind, so dass die Austrittskante der Strebe 7 in dieser radialen Höhe nicht scharfkantig ist.

Figur 4 zeigt einen horizontalen Teilschnitt gemäß dem Schnittverlauf B-B in Figur 1, d.h. in geringerer radialer Höhe. Hier ist gut zu erkennen, dass die Strebe 7 ein strömungsgünstiges Profil mit einer scharfen Austrittskante sowie mit einer axialen, hier horizontalen, Strömungsaustrittsrichtung aufweist. Dies gilt annähernd für die gesamte radiale Höhe jeder Strebe 7.

An ihren radial inneren Enden können die Streben beispielsweise über ein ringartiges Element verbunden bzw. in der innen Statorstruktur befestigt bzw. geführt sein. Dies ist ohne Belang für das Prinzip der Erfindung.