DE1923150A1

DE1923150A1 - Zweistromturbinenstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE1923150A1
Application number: DE19691923150
Authority: DE
Inventors: Bader Dipl-Ing Eberhard; Kohler Dipl-Ing Gottfried
Original assignee: MAN Turbo GmbH
Current assignee: MAN Turbo GmbH
Priority date: 1968-05-08
Filing date: 1969-05-07
Publication date: 1970-01-15
Also published as: US3595024A; GB1245673A; FR2008096A1

Description

M.A.N. TURBO GHBH.

München, den 5. Mai 1969

. Zweistromturbinenetrahltrlebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zv.eistromturbincnstrahlwerk ..lit Einrichtungen zum Mischen dc3 Mantel- und Kornstronios des Triebwerkes vor dem Austritt aue- der Schubdüse und i^nit Einrichtungen zur Nachverbrennung der Triebwerkab_u-ai,e·.

Dei Triebvierken der ein^an^s genannten Gattung sind die verschiedensten Einrichtungen bekanntgeworden, um den Mantel- und den Kernstrom des Triebwerkes auf möglichst kurzen Mischv.ese und mit niedrigen Druckverlusten miteinander zu vermischen. Jier- | bei sind Anordnungen bekanntgeworden, welche sich sternförmig angeordneter Taschen bedienen, die stromabwärts hinter der Turbine des Triebwerkes in deren heißen Abgasstrom hineinragen.

Weiter siod Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen die Mantelluft durch am Umfang des die Heißgase führenden Gehäuses befindliche Längeschlitze in steilem Winkel zur Längsachse den Jleißßasstromee eingeblasen wird, wobei die Mantelluft durch an den Schlitzen angeordnete, in den Heiflgasstrora ragende Flossen

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oder Hutzen geführt wird, um eine Vermischung der Mantelluft mit dem Kern des Heißgasstromes zu bewirken.

Bei allen diesen bekanntgewordenen Einrichtungen liegt die Mischebene der Mantelluft und der Heißgase, in StrÖmungsrichtung gesehen, In einem größeren Abstand hinter der Ebene der Turbinenaustrittsieltschaufeln.

Das Problem der Vermischung von Mantelluft und Kernstroa des Triebwerkes ist von besonderer Bedeutung bei Anwendung einer Nachverbrennung der Triebwerkabgase hinter der Mlsohzone von Mantel- und Kernstron des Triebwerkes, und zwar wird es bei Anwendung einer Nachverbrennung angestrebt, ein möglichst gleichmäßiges Temperaturprofil in der Flammhalterebene des Nachbrenners zu erhalten.

Bekannte Zweistromturbinenstrahltriebwerke der eingangs genannten Gattung nit Nachverbrennung haben hauptsächlich den Machteil, daß das für die Nachverbrennung sich an die Abgasaustrittsebene der Niederdruckturbine anschließende Strahlrohr eine erheblich· BaulÄnge aufweist, wodurch wiederum das gesamte Triebwerk eine erhebliche ElnbaulBnge beansprucht. Das resultiert vor «Ilen Dingen daraus, daß die bei den bereits bekannten und erwlhiiten Triebwerken vorgesehene Mischung des Mantel- und des Kernstromes in einem erheblichen Abstand hinter der Austrittsebene «Sir Heilgase aus der Niederdruokturbine stattfindet* '

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Die Erfinder haben sieh aonlt die Ausgabe gestellt, ein ZweistroBturblnenstrahltrlebwerk nit Einrichtungen zur Nachverbrennung su schaffen, welches eine gegenüber den bekannten Triebwerken geringere axiale BaulMnge aufweist und welches ferner eine optinale Vermischung und Aufbereitung der für den !Iachverbrenn ungapr öse ß erforderliche Treibeise ermöglicht.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe echligt die Erfindung bei einen Triebwerk der eingangs genannten Gattung vor, άαΰ ein Teil der von Niederdruckverdichter geförderten Hantelluftstroines in hohl auagebildete und an der Hinterkante geöffnete- Turbinenaustrittsleitsohaufeln gelangt, weiche vorzugsweise der letzten Turbinenstufe der Ki ed erdrück tuibine zu£eh(5ri& sind. Die Vermischung des Mantel luft stromes mit dem Kei'iistrom des Trlebwei -kea erfolgt tiierbei direkt hinter den Austrltteleitecliauiein der letsten Turbinenstufe. Der. Übrige Teil des Mantelluftstrooiee, der nicht durch die Turbinenaustriitsleitschaufeln nindurchgefUhrt worden ist, dient zur Kühlung dee Hitzeschildes des Kachbrennerstralilrohres.

Un au erreichen, daO die auch bei nicht eingeschalteter, Nachbrennerbetrieb stets fest in Abgasstiom de ε Triebwerkes angeordneten Turblneiiaustrittsleltsbhaufein keine nennenswerten Ströeungeverluete verursachen, schläft die Erfindung Kelter vor, daß Jede Turbinenauetiitteleitechaufel aue zvei um eihe ^e

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same Achse schwenkbaren Wandteilen besteht« deren hintere, zur Bildung der Austrittsöffnung dienende Abschlußkanten aneinander klappbar sind, wodurch die Austrittsöffnung verschließbar und gleichzeitig ein etrOBiungsgUnetiges Profil der Austritte· leitschaufel erzielbar ist.

Ferner ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Austritte-Öffnungen vom Fuß- bis zum Kopfende einer jeden Turbinenaustrittsleitschaufel hin zunehmend erweitert sind. Dieses Merkmal der Erfindung trägt weiter dazu bei, daß Mantel- und Kernstrom des Triebwerkes gleicnmäflitf über den StröraungsquerBchnitt innig miteinander vermischt werden, bevor unter Zuführung von Brennstoff eine Nachverbrennung stattfindet.

Um zu erreichen, daß die Mantelluft e.uf direktem Wege und mit geringen £tr8raun£evprlueten dem Hcißgasetroti d#s Triebwerkes i.u£,efUhrt wird, schläft die Erfindung weiter vor, daß zur Einführung tines Teiles der Mantelluft in die Turbinenaustrittsleitechaufeln. Mittel zur Strümungaumlenkung bzw. StrömungofUhrung innerhalb des Mantelluftkanals und/oder innerhalb der Tur-"Inenaustrlttsleitschaufeln vorgesehen sind.

I"i»ie besonders zweckmäßige Anordnung für die Vermischung Mangel Stroms und de:, Kernstroms des Triebwerks mit Einrichtungen zur Nachverbrennung ergibt «ich dann, wenn gemäß eint« weiteren

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Merkmal der Erfindung, die zur Aufnahme eines Teile» der Mantelluft dienenden Turbinenaustrittsieitschaufeln gleichzeitig Flammhalter der Nachverbrennungseinrichtung sind.

Durch die gegenüber bekennten Anordnungen mittels der Erfindung wesentlich verringerte Mischstrecke für den Mantelstrom und Kernstrom des Triebwerkes ist es erfindungsgemäß weiter vorteilhaft, daß innerhalb der von den Turbinenaustrittsieitschaufeln gebildeten Flamtnhalter in an sich bekannter Weise Mittel zur Brennstoffeinspritzung vorgesehen sind, aus denen Brennstoff in Strömungsrleitung oder entgegen der Strönrungsiichtung der Triebwerksgase ausblasbar ist.

In zweckmäßiger Ausgestaltung des Ei-iindungsgegenstandes sind die Turbinenaußtrittsleitschaufeln seitlich mit öffnungen versehen, durch welche der innerhalb der Turbinenaustrittsleitschaufeln befindlichen Mantelluit heiße Gase des Triebwerke« zuführbar sind.

Die Turbinenaustrittsleitschaufeln Übernehmen hierbei somit gleichzeitig die Funktion der Vermischung von Mantelstrom- und Kernstromanteilen des Triebwerkes innerhalb der Turbinenaustrittsleitschaufeln und die darin gegebenenfalls" anzuordnenden Brennstoffeinspritzmittel sorgen somit für ein innig mit Brennstoff verwirbeltes Luft-ZCasgeralsch. Diese».mit Brennstoff angereicherte Luft-/Oasgemlsch gelangt erfinäungsgeraäß zu einem

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radialen, kuri.cn Flainmhalter, welcher unmittelbar hinter Jeder als Mischer ausgebildeten Turbinenaustritteleitschaufel angeordnet sein kann und welchem auf Grund der Verwirbelung von Mantelluft- und Kernstromanteilen des Triebwerkes in den Austrittsleitschaufeln die erforderliche Mischluft zuführbar ist.

Unter Verwendung von an sich bekannten, coaxial zur Triebwerkslängsmittelachse angeordneten, rinnenförmigen Flammhaltern, welche einen in Richtung der Hauptströmung sich konisch erweiternden Querschnitt aufweisen, ist schließlich die Erfindung gekennzeichnet durch die Anordnung solcher Flammhalter als kreisförmige Segmente zwischen den Turbinenaustrittsleitschaufeln, wobei zusätzliche Mittel zur Brennstoffeinspritzung stromaufwärts der zur Vermischung des Mantel- und Kernstromes des Triebwerkes dienenden Turbinenaustrittsleitschaufeln vorgesehen sind.

Die als kreisförmige Segmente zwischen den Turbinenaustritts-ψ leitschaufel^ befindlichen Flammhalter können zusätzlich dazu dienen, einen festen Verband der Leitschaufeln untereinander herzustellen«

Die Erfindung ist bei Zweistromturbinenstrahltriebwerken mit fliegend gelagerter Niedtrdruck-Turbinenwelle anwendbar, soll Jedoch nicht auf diese Lagerungsart beschrankt mein_t da bäl

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geeigneter Auslegung der Triebwerkskonstruktion auch bei nioht fliegend gelagerten Turbinen die in den Turbinenaustrlttsleitachaufeln dargebotenen Querschnitte für die Führung der Nebenstroesluft herangezogen werden können.

An Hand einiger AuefUhrungsbeispiele in den Zeichnungen wird die Erfindung im einzelnen weiter erläutert.

In den Zeichnungen ist

Pig. 1 die seitliche Ansicht einet entlang eier MituellKnisachse aufgeüohaittenen Zweistromturbinenetrßhltriebwerkee,

Pig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles des Triebwerkes nach Pig. 1 in seitlicher Ansicht,

Pig. 3 eine Schnittansicht nach der Linie II-II der Pin;. 2,

Pig. 4 eine gegenüber der Fl£. 3 abgewandelte Ausbildung einer zum Triebwerk nach der Erfindung gehörigen Einrichtung, Jedoch In der gleichen Ansicht wie Flg. 3«

Pig· 5 eine perspektivische Darstellung eir.ee Teilet der Einrichtung nach Piö« 4,

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Pig. 6 eine gegenüber der Fig. 2 abgewandelte Einrichtung eines Triebwerkes nach Fig. 1,

Fig. 7 eine zu einen? Triebwerk nach den Figuren 1

und 2 gehörige, jedoch gegenüber den Figuren 1 bis 6 weiter abgewandelte Einrichtung naoh der Erfindung in perspektivischer Ansicht und

Fig. 8 eine Vorrichtung zur Betätigung der in Figur 7

dargestellten Einrichtung, echeraatisch darge- * stellt.

Bei dem in Fig. 1 darceetellten Triebwerk handelt es sich um ein Zweistroaiturbinenstrahltriebwerk an sich bekannter Bauart, bestehend aus einem Niederdruckverdichter 1, einen sich daran anschließenden Hochdruckverdichter* 2, an den sich eine coaxial zur Triebwersj.aiieieraH-telachse 3 angeordnete Ringbrennkammer 4 anschließt. An die Ringbrennkaonier.4 schließen sich dann, in Reihe hint er einander geschaltet, die Hoclidruckturbine 5 und fc die Niederdruckturbine 6 an. Niederdruckturblne 6 und Niederdruckverdichter 1 eiiid gemeinsam auf der Welle 7 angeordnet, die Hochdruckturbine 5 und der Hochdruckverdichter 2 umschlies sen 'mit der Hohlwelle 8 die Welle 7. Hinter der letzten Stufe der Niederdruckturbine setzt eich das Triebwerk in einem Nachbrenner strahl rohr "j i'ort, an dessen Ende eine VerstellschubdÜ8e angeordnet ist. Wie in Flg. 1 dargestellt 1st, strömt hauptsächlich derjenige Teil der vom Iliederdruckverdichter 1

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geförderten Mantelluft, der nicht in den Hochdruckverdichter 2 gelangt ist, in Richtung dee Pfolles 11 duroh die Turbinenaustrittaleitschaufeln 12 hindurch, die sich zwischen dem Abgasaustrittekegel IJ und den Gehäuse lh von Hoch- und Niederdruckturbine des Triebwerks abstützen. Derjenige Teil der Mantelatromluft des Niederdruokverdichters, der hierbei nicht durch die Turbinenaustrittsieltschaufeln 12 hindurchgegangen ist, strömt in Richtung des Pfeiles 15 in das Nachbrenner strahl rohr 9, urn dessen zugehöriges Hitzeschild 16 zu kühlen. Während des Triebwerkbetriebes mischen sich in Richtung des Pfeiles 11 strömende Mantelluft des Verdichters 1 sowie die in Pfellriohtun^ 17 strömenden Abgase des Triebwerkes unmittelbar in einer senkrechten Ebene hinter den Turbinenaustrittsleitschaufeln 12.

Figur 2 veranschaulicht in einem vergrößerten Abschnitt eines Teiles dee Triebwerkes nach Fig. 1 die Ausbildung der Turbinenaus tritt sielt schaufeln 12. Die Turbinenaustrlttsleitschaufeln ßind hierbei gleichzeitig Flammhalter für die Nachverbrennung der Triebwerksäbgaee und weisen in ihrem Inneren Brennstoffeinspritzrohre 18 auf, Vielehe innerhalb der Turbinenaustrittsleitßohaufeln angeordnet sind und deren Brennstoffaustrittsöffnungen 19 an den vorn abgerundeten Anströmkanten 2o der Turblnenaustrittsleitschaufeln 12 vorgesehen sind, so daß der Brennstoff in Richtung der Pfeile 21 entgegen der Strömungsrlohtung der Triebwerksabgase ausgespritzt wird. Im Bereich der Eintritts-

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öffnungen 22 der Turbinenauatrittaleitaehaufeln 12 befinden sich weitere Umlenkschaufeln 23, welche eine aichere atrömungagereohte Führung der Verdichterluft in die Turbinenaustrittsleltschaufeln gewährleisten.

Die Schnittansicht nach der Linie II-II der Pig. 2 gibt in Pig· 3 die Formen der Turblnenauatrlttaleitschaufeln 12 wieder, welche sich im Bereich der Außtrittsöffnungen vom Fuß- bis zum Kopfende einer Jeden Schaufel hin kragenförmig erweitern.

Figur 3 zeigt acht solcher gleichmäßig an Umfang des Austrittskegele 13 verteilt angeordneter Turblnenauatrittsleltachaufeln 12. Es können aber eben so gut Je nach Bedarf mehr oder weniger solcher Austrittsieltschaufeln vorgesehen sein*

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Auaführungsbeispiel sind in Abwandlung der AusfUhrungsforn der Fig. 3 die einzelnen Austritt sleitschaufeln 12 zusätzlich durch coaxial zur Triebwerkalängsachse angeordnete Flammhalterringaaegmente 24 miteinander verbunden, wodurch ein fester Verband der einzelnen Turbinenaustritt sleitschauf ein 12 untereinander gewahrleistet wird. Die Turblnenauatrittsleltechaufeln 12 sind in bekannter Welse gleichzeitig StUtζ·οhäufein zwischen den Gehäuse l4 und dem Abgasaustrittskegel 13.

Fig. 5 veranschaulicht in perapektiviacher Ansicht einen Teil

des in Fig. 4 wiedergegebenen AuefUhrungsbeispiele.

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Figur 6 schließlich zeigt einen weiteren Teilabschnitt eines Triebwerke» nach Flg. 1, wobei jedoch die zur Führung der Mantelstroaluft und die zur Brennstoffeinspritzung und zum Nachbren -nerbetrieb dienenden Mittel gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ein« weitere Abwandlung erfahren haben. Diese Abwandlung besteht hauptsächlich darin, daß in Fig. 6 die Turbinenaustrittsleitsohaufeln 25 an den Seitenwandungen mit Schlitzöffnungen 26 versehen sind, über die ein Teil der Triebwerksabgase während des Triebwerkbetriebes in die Turbinenaustrittsleitsohaufeln 25 gelangt, wodurch bereits innerhalb dieser Austrlttsleitsohaufeln eine innige Verwirbelung von Mantelluft- und Kernstromanteilen des Triebwerks stattfindet. Stromaufwärts befinden sich innerhalb der Turbinenaustritteleitschaufeln Γ5 Brennstoffeinspritzröhre 27 Bit Auetrittsöffnungen 28, um Brennstoff in die Turbinenaustrittsleitschaufeln 25 einzuspritzen. Das mit Brennstoff angereicherte Luft-/Gasgemi&ch gelangt zu radialen, kurzen Flammhaltern 29« die unmittelbar hinter den Austritt sieltschaufein 25 mittels Haltern t>a am Abgasaustrittekegel IJ des Triebwerke befestigt sind. In Abweichung von Fig. ?. sind hierbei ferner StröeungefUhrungsbleche 31 direkt innerhalb des MantelStromkanal 8 32 und oberhalb der Turbinenaustrittsleitsohaufeln 25 angeordnet. Die Ausführungsform der Flammhalter 29 nach Fig. ö ist jedoch dfür die Anwendung des Erfindungsgedankens nicht bindend. Eb können ebensogut Plammhalter konventioneller Bauart, wie beispielsweise durch den Flammhaltcr 3? in Fig. 1 dargestellt, bei der Erfindung Anwendung finäc-n.

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An Hand der Figuren 7 und 8 ist beispielhaft schematisch die erfindungsgemäß gegebene Möglichkeit dargestellt, die TurbinenauGtritteleitachaufeln J>4 bei Triebwerksbetrieb mit eingeschaltetem Nachbrenner für die Durchströmung von Mantelluftanteilen des Triebwerks zu öffnen, gemäß den in durohgezogenen Linien dargestellten Ivandteilen 35* Ί&* Bei nicht eingeschaltetem NaohbrenncT des Triebwerkes befinden sich die Wandteile 35» 36 in der f-GGtrichelt dargestellten Lage, in der die Abschlußkanten der Schaufeln aneinandergeklappt und deren hintere Austrittsöffnungen " εbeesperrt sind, wobei aufgrund dieser Maßnahme die Turbinenaustrifctsleitschaufeln geschlossene, strömungsgünstige Profile darstellen.

Die Wandteile 35, ^6 der Turbinenaustrittsleitschaufeln J4 umßciilieöen hierbei in der Art eines Scharnierbandes den gemeinsamer. Lagerzapfen 37 (Fic"· 7)» der gleichzeitig zur Aufnahme eines ürermstoffzuführungarohres 3δ innen hohl ausgebildet sein kann.

ist Dia ctrömungsrichtunc der Triebwerksabgase in-Fig. 7 durch den

k I'feii 5 bezeichnet.

"ir uie Detfitiguiie dea öffnens und Verschließens sind die Turbinenaustrittelcitschaufeln J4 in Fig. 8 der Einfachheit halber in der Ansicht von oben und in Reihe hintereinander angeordnet, dargestellt. Beispielsweise v?irö zum Verschließen der Turbinenr austrittsleitschaufeln 34 ein erster Schieber 39 in Richtung des

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Pfeiles 4o bewegt bei gleichzeitiger Bewegung eines zweiten Schiebers 4l in Richtung des Pfeiles 42. .Sovfohl am Schieber 29 al3 auch am Schieber 4-1 sind Verstellhebel drehbar gelagert, von denen die einen, 4j5, mit den Schaufelwandungen 35 und die anderen, 44, mit den Sohaufelwandun£en J56 fest verbunden sind. Zum öffnen der Turbinenauatrittsleitschaufeln ?4 werden die Schieber j59, 4l in umgekehrter Folge betätigt, d.h. in Riohtung in durchbrochen dargestellten Pfeils 45 und 46.

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Claims

Patentansprüche

02weistromturDinenstrahltrlebwerk mit Einrichtungen zum _w Mischen deß Mantel- und des Kerns t-romes des Triebwerkes vor dem Austritt aus der Schubdüse und mit Einrichtungen" z\xv Nachverbrennung der Triebwerkabgase, dadurch gekennzeichnet, daB ein Teil dss vom Niederdruckverdichter geförderten Mantellaftstromes in hohl ausgebildete und an der Hinterkante geöffnete Turbinenaistrittsleltschaufeln (12) gelangt, v.elche vorzugsweise der letzten Turbinenstufe der Niederdruckturbine (6) zugehörig sind.
2. Svieistromturbinenstrahltrlebv/erk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 jede TurbinenauBtrittsleitschaufel aus zwei um eine gemeinsame Achse schwenkbaren Schaufelwandtellen (35, J>6) besteht, deren hintere, zur Bildung der Austrittsöffnung dienende Abschlußkanten aneinanderklappbar sind, wodurch die Austrlttßöffnung verschließbar und gleichzeitig ein strömungsgünstiges Profil der Austrittsleitschaufel erzielbar ist (Pie:. S).

BADORiGIlMAL

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3· Zweistromturbinenatrahltriebwerk, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die AustrittsÖffnungen vom Fuß- bis zum Kopfende einer Jeden Turbinenauatrittoleitßchaui'el sich zunehmend erweitern. (Fig. J und Fig. h).
4. Z*fei«tromturbinen3trahltriebwerk nach den Ansprüchen 1, 7: und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einführung einen Teiles der Mantäluft in die Turbinenaustrittsleitschaufeln Mittel (2J>) zur Strümungsumlenkung bzw. StrürnuneßfUhrung innerhalb des Mantelluftkanals und/oder innerhalb der 'fur bin cn austritt sleitechauf ein vorgesehen sind.
5« Zwei st romturbinenstrahl triebwerk nach den Ansprüchen 1 bic ^l*, dadurch gekennzeichnet, daß öle zur Aufnahme eines Teiles der Mantelluft dienenden Turbinenauetrittßleitcchtufeln (12) gleichzeitig Flararahalter der Nachverbrennunriseinrichtung ■ind. (Fig. 2 ).
6. Zweistromturbinenstrahltriebwerk nach den Ansprüchen 1 M? 5# dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der von den Turbinenauetrittsleitcchaufeln gebildeten Flanrmhalter in an sich bekannter Weise Mittel (18) zur Brennstoffeinspritzung vorgesehen sind, aus denen Brennstoff in StrbmungErichtung oder entgegen der Strömungerichtung der Triebwerksgase ausblasbar ist.

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7· Zweistromturbinenstrahltriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turblnenaustritteleitsehaufeln (25) seitlich mit öffnungen (26) versehen sind, durch/ Vielehe der innerhalb der Turblnenaustrittsleitechaufein befindlichen Mantelluft heiße Gase des Triebwerks zuführbar sind. (pig. 6).
8. Zweistromturbinenstrahltriebwerk nach den Ansprüchen j bisj_r dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter jeder Turbi«» nenaustrittslettschaufel (25) sin radialer, kurzer Flammhalter (29) angeordnet ist, dem Rufgrund der Verwirbelung von Mantelluft- und Kerfastromanteilen des Triebwerkes in den Austrittsleitßohaufcln Mischluft"zuführbar-ist. -
9. Zv.'cistromturbinciict**aiiltrieö^T..-erk nach den Ansprüchen 1 bis 8, mit coaxial zur '"/^icbvierkslanGsnittelachce angeordneten, rinnenförmigen Flannnhaltern, welche einen in Richtung der Hauptströmung sich konisch erweiternden Querschnitt aufwei» ficn, gekenn^lciuii-t durcli die-Anordnung solcher Flaimnhalter (2h) als. ki'Oisriirui^e Segmente: zwischen den TurbinenauEtrltts leitachaufelii (12), v/obei" auciltziiche Mittel zur Brennstoffeinfjpi-'itcur^ stroni»;ufv/ä*rts der zur Vermischung des Hantel- und Kernstroaee its Ä'iebv/erks dienenden Turbinenaustrittsleitechaufein voj^eseheR- cind." ' ' '

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