DE1049640B

DE1049640B - Einrichtung zum Verbrennen eines Brennstoffes in einem gasförmigen, mit hoher Geschwindigkeit strömenden Verbrennungsmedium

Info

Publication number: DE1049640B
Application number: DENDAT1049640D
Authority: DE
Inventors: Paris Gilbert Racine
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1953-06-27
Publication date: 1959-01-29
Also published as: GB751013A; GB751098A; CH323717A; NL105199C; FR1063505A

Description

DEUTSCHES

Zahlreiche Einrichtungen erfordern die Verbrennung eines Brennstoffes in einem gasförmigen, mit hoher Geschwindigkeit strömenden Verbrennungsmedium. ■

Dieser Fall trifft insbesondere bei den Brennkammern iür Triebwerke von Luftfahrzeugen (Propellerturbinentriebwerke, Turbinenluftstrahltriebwerke,, Staustrahltriebwerke) und insbesondere bei: Triebwerken mit einer Nachverbrennungseinrichtung: zu, die in der Düse, angeordnet ist, um den Schub zeitweilig zu erhöhen. ■· ■-

Analoge Bedingungen gelten z. B. in dem Fall von Anlagen mit mehreren Gasturbinen, bei denen Einrichtungen zum Wiedererhitzen der Antriebsgase zwischen den Turbinen vorgesehen sind.

Zum Stabilisieren einer Flamme in einem mit hoher Geschwindigkeit strömenden Verbrennungsmedium hat man bisher mit Hilfe von festen Schirmen eine stabile Wirbelzone erzeugt, durch welche die Flamme festgehalten wird. Im Fall von Nachverbrennungseinrichtungen, die in der Düse eines Rückstoßtriebwerkes angeordnet sind und nur dann gezündet werden müssen, wenn eine zeitweilige Schuberhöhung benötigt wird, bewirken jedoch solche festen Schirme eine nachteilige Störung des Gasstromes während der Perioden, in denen die Nachverbrennungseinrichtung nicht im Betrieb ist.

. Um diesen Nachteil zu beheben, hat man bereits vorgeschlagen, Schirme zu verwenden, die in den Perioden des Nichtgebrauchs z. B. durch Verschwenken zum Verschwinden gebracht werden können. Die dafür notwendigen mechanischen Antriebsvorrichtungen sind jedoch kompliziert und in ihrem Arbeiten empfindlich,, und überdies sind diese Antriebsvorrichtuiigen auch in den ohne Nachverbrennung erfolgenden Periöden den sehr heißen Gasen ausgesetzt.

Es ist eine Verbrennungseinrichtung bekannt, bei welcher vor einem Brennstoff injektor ein fester, mit Prallflächen versehener konischer Körper angeordnet ist, der Öffnungen aufweist, durch welche ein Teil des durch die Leitung strömenden Verbrennungsmediums hmdurchtreten kann, um hinter den Prallflächen dieses konischen Körpers eine Wirbelzone zu erzeugen. Dieser feste konische Körper mit seinen Prallflächen verursacht, da er einen beträchtlichen Teil des Querschnitts der Leitung einnimmt, in dem Strom des Verbrennungsmediums einen dauernd vorhandenen großen Strömungswiderstand. Die bekannte Verbrennungseihrichtung, könnte daher im Fall einer Düse mit Nachverbrennung nicht angewendet werden, da, wenn die zur Erzielung einer zeitweiligen Schuberhöhung dienende Nachverbrennung nicht erfolgen soll, die Einrichtung auf Grund ihres hohen Strömungswiderstandes auf den Düsenstrahl sehr nachteilig.einwirken . Einrichtung zum. Verbrennen eines Brennstoffes in einem gasförmigen,

mit hoher Geschwindigkeit strömenden Verbrennungsmedium.

ίο Anmelder:

Societe Nationale d'Etude et de

Construction de Moteurs d'Aviation,

Paris

Vertreter: Dr. E. Wiegand, München 9,

und Dipl.-Ing. W. Niemann, Hamburg 1, Ballmdamm 26,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 20. September 1952

Gilbert Racine, Paris, ist als Erfinder genannt worden

muß, weil sie nicht unwirksam gemacht werden

kann. .

Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Verbrennungseinrichtung, welche einerseits im- Betrieb eine vollkommene Stabilisierung der Flamme in dem Strom des Verbrennungsmediums gewährleistet und andererseits im Nichtbetrieb den Strom praktisch un-

. beeinflußt läßt.

Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zum Verbrennen eines Brennstoffes in einem gasförmigen,: mit hoher Geschwindigkeit strömenden' Verbrennungsmediums, welche eine Anordnung von düsenartigen-Blasöffnungen auf einem Träger in dem Mediumstrom vor der bzw. den Brennstoff einspritzstellen aufweist und bei welcher die aus den düsenartigen Blasöffnungen austretenden Hilfsgasstrahlen hinter sich eine die Brennstoffeinspritzstelle bzw. -stellen umgebende Wirbelzone erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger der düsenartigen Blasöffnungen derartig ausgebildet und angeordnet ist, daß er in dem Mediumstrom einen minimalen Strömungswiderstand verursacht, und daß die düsenartigen Blasöffnungen mit einer sie speisenden besonderen Druckgasquelle ver-

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Sobald der Brenner gelöscht werden soll, wird der Hilfsgasschirm zum Verschwinden gebracht, indem der Hahn 7 geschlossen wird. Es kann jedoch ein geringer; Strahl von dauernd entweichendem Hilfsdruck-

yeriäufenden Ebene erstreckt, so daß die aus dem $.chlitz austretenden Hilfsgasstrahlen einen kontinuierlichen Hilfsgasschirm'bilden, der sich quer durch einen Teil des Mediumstromes- erstreckt.

Gemäß einer weiteren -Ausführungsform können sich die düsenartigen Blasöffnüngen in einer Richtung öffnen, die gegen den' Mediumstrom ' geneigt ist, so daß den aus den Blasöffnungen austretenden Hilfsgas-

schwindigkeit der Hilfsgasstrahlen genügend groß ist, um.die Bildung des in dem Mediumstrom eindringenden Schirm zu ermöglichen.

Die Blasöffnung für das Hilfsgas braucht nicht kontinuierlich zu sein. Sie kann sich auch aus einer Reihe von Löchern zusammensetzen, so daß mehrere Schleier oder Teile von Schleiern erzeugt werden. Diese Schleier oder Teile von Schleiern brauchen auch

bunden sind, welche nach-'Belieben an- und abschalte bar ist. . . .

Bei einer besonderen Ausführungsform der-Erfindung können die düsenartigen Blasöffnungen "die,

Form eines Schlitzes haben, der sich^; in einer im-we- 5 gas aufrechterhalten werden, der dazu dient, auf die sentlichen senkrecht zur Richtung des Mediumstromes dauernd im Strom des heißen Mediums liegenden

' Teile eine gewisse Kühlwirkung auszuüben.

Das Hilfsgas kann z. B. von Luft gebildet werden, und in dem Fall, in welchem das durch die ίο Leitung 3 strömende Medium bereits mit Verbrennungsprodukten beladen ist, was für einen zur Nachverbrennung dienenden Brenner zutrifft, kann der zusätzliche Vorteil erhalten werden, daß der Ort, wo die Flamme erzeugt werden soll, an brennbaren Stoffen strahlen eine anfängliche Geschwindigkeitskomponente 15 angereichert wird. Das Hilfsgas kann auch aus einem erteilt wird, die entgegengesetzt zur Geschwindigkeit Dampf erzeugt werden, wenn ein Dampferzeuger vordes Mediumstromes verläuft. ■ gesehen ist, insbesondere im Fall von D'ampfkesseln.

Vorzugsweise hat der Träger der düsenartigen Blas- für flüssigen Brennstoff. : . . " ■

öffnungen im Längsschnitt einen Umriß, der strom- Es ist natürlich nötig, daß der Druck des Hilfsgases

linienförmig zur Mediumströmung ist. Der Träger 20 genügend hoch ist und den Druck des in der Leikann ringförmig sein und Sich rings um den Brenn- ' tung 3 strömenden Mediums übersteigt, damit die Gestoff injektor herum erstrecken.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer Axialschnitt durch eine 25 ringförmige Rohrleitung mit einer Verbrennüngseinrichtung; gemäß der Erfindung; ·

Fig. 2 stellt eine abgeänderte Ausführungsform der Verbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung dar;

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Strahldüse mit 30 nicht in derselben Ebene zu liegen, und sie können Nachverbrennung, bei welcher am Ort der Nachver- "■' sogar in bezug aufeinander zu dem Zweck geneigt sein; brennung mehrere Verbrennurigseinrichtungen gemäß Hilfsgasschirme mit komplexen Wirkungen zu erzeq-Eig.-.l vorgesehen sind. ■.·'·.- gen. . . ' " .:

In Fig. 1 ist mit ;1 ein Injektor bezeichnet, der Bei der'in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsform

einen Strahl 2 von zerstäubtem Brennstoff in einen 35 ist. angenommen, daß der hohle Ring 4, welcher den brennbare Stoffe enthaltenen Luft- oder Gasstrom aus- Träger der Blasöffnung bildet, in einem gewissen Absprüht, der mit hoher Geschwindigkeit durch eine Lei- stand um den Injektor 1 angeordnet ist, so daß zwitung 3 strömt. Um den Injektor 1 ist ein hohler Ring 4 sehen ihm und dem Injektor ein ringförmiger Zwischenangeordnet, der einen solchen stromlinienförmigen raum geschaffen wird, durch welchen ein Teil des Querschnitt hat, daß er auf den Gasstrom in der Lei- 4° durch die Leitung 3 strömenden Mediums einen untUHg-3-einen geringsten Widerstand ausübt. Das In- mittelbaren Zutritt zu dem aus zerstäubtem Brennnere dieses Ringes 4, der an dem Injektor 1 durch stoff bestehenden Strahl 2 erhält. . ,

kleine radiale Streben 5 befestigt sein kann, ist durch Es können auch andere Ausführungsformen ange-

ein mit einem Hahn 7 versehenes Rohr 6 mit einer wendet werden, bei welchen dieser Zwischenraum Druckgasquelle verbunden. Der Ring kann, wie dar- 45 unterdrückt und die von dem Ring4.gebildete Kamgestellt, einen Umdrehungskörper um die Achse A-A mer in den Injektor eingeschlossen, ist, der dann auf des Injektors 1 bilden und einen durchgehenden
Schlitz 8 aufweisen; der sich ganz um die Achse A-A
des Injektors herum erstreckt und eine kreisförmige
düsenartige Blasöffnung darstellt. Die düsenartige 50
Blasöffnung 8 mündet in einer Richtung aus, die im
wesentlichen senkrecht zur Achse A-A verläuft, jedoch kann er auch vorzugsweise gegen den Mediumstrom in der Leitung 3 geneigt sein.

Wenn der Brenner, der von dem Injektor 1 und dem 55 Träger 4 für die Blasöffnung, die dazu dient, den Träger 4 für die Biasöffnung 8 gebildet wird, außer Hilfsgasschirm zu erzeugen, ist vor dem Injektor 1 Betrieb ist, ist der Hahn 7 geschlossen, und der von angeordnet, um in der Zone, in welche der Injektor dem Brenner auf den Mediumstrom in der Leitung 3 den Brennstoff ausspritzt, eine Wirbelbewegung zu ausgeübte Widerstand ist sehr klein. erzeugen, wie dies durch die Pfeile f_t angedeutet. ^; Wenn der Brenner gezündet werden soll, wird der 60 ist. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 liegt dieser Trä-Hahn 7 geöffnet, und das Druckgas, welches dann ger 4 auf der Achse A-A des Injektors 1 in'der Leidurch die kreisförmige düsenartige Blasöffnung 8 aus- tung 3. , . . tritt, erzeugt einen kontinuierlichen Hilfsgasschirm, In Fig. 3 ist mit 3 die Wandung der Strahldüse der sich quer durch einen Teil des Mediumstromes er- eines Rückstpßtriebwerkes bezeichnet, durch den das. streckt und einen gasförmigen Schleier oder Vorhang 65 Medium hindurchströmt, wobei angenommen ist, daß in Gestalt einer Glocke bildet, die sich in Richtung des dieses von der Hiriterseite zur Vorderseite der Zeichenebene strömt. .

Eine Anzahl von zur Nachverbrennung dienenden Injektoren 1 ist in der Düse um deren Achse 0 ange-70 ordnet, wobei jeder Injektor mit einem hohlen "Ring 4

seinem Umfang mit einem Schlitz oder.mit Öffnungen versehen wird, die dazu dienen, das Hilfsgas auszublasen. . , . . . ,

Die Erfindung ist natürlich auch auf. den Fall anwendbar, bei welchem der Injektor derart angeordnet ist, daß er den Brennstoff im Gegenstrom zu dem durch die Leitung 3 strömenden Medium aussprüht.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform dieser Art. Der

Mediumstromes Öffnet. Hinter diesem Hilfsgasschirm bildet sich eine Wirbelzone, wie dies in der Zeichnung durch die Pfeile f_t angedeutet ist, und an dieser Wirbelzone kann sich die Flamme festhängen..

versehen ist, dei" demjenigen gemäß Fig. 1 analog ist und um den betreffenden Injektor herum einen Hilfsgasschirm erzeugen kann. Durch die gestrichelten Kreise / sind die ungefähren Umrisse von festen Schirmen angedeutet, welche ähnliche Wirkungen wie ■die Hilfsgasschirme gemäß der Erfindung erzeugen würden. Daraus wird der Vorteil augenfällig, welchen die Einrichtung gemäß der Erfindung im Hinblick auf die Ausschaltung von Strömungswiderstände erzeugenden Teilen bei gelöschten Brennern zu erzielen ge- ίο stattet.

Die verschiedenen Ringe 4 um die Injektoren 1 sind untereinander z. B. durch eine kreisförmige Verteilerleitung 9 verbunden, die ihrerseits mit einer mit einem Ventil oder Hahn 7 versehenen gemeinsamen Speiseleitung 6 in Verbindung steht.

ImFaIl eines Turbinenstrahltriebwerkes mit mechanischem Verdichter ist es besonders vorteilhaft, dem Verdichter Luft als Hilfsgas für die Erzeugung der Gasschirme zu entnehmen. Dadurch besteht einerseits die Gewißheit, daß das Hilfsgas den gewünschten statischen Druck auf Grund des Umstandes besitzt, daß die Mediumgase, in welchen die Nachverbrennung stattfindet, bereits eine beträchtliche Entspannung in der Turbine erfahren haben, und andererseits bedeutet, die so bewirkte Luftabzweigung aus dem Verdichter eine Vergrößerung seines Austrittsquerschnittes und vermag infolgedessen den Rückdruck auszugleichen, der sich bei Inbetriebsetzung der Nachverbrennungseinrichtung und der damit verbundenen Pumpneigung ergibt.

Bei Anwendung der Erfindung auf Strahltriebwerke mit einer Nachverbrennungseinrichtung gemäß den Patentanmeldungen S 26672 I a/46g und S 33486 I a/46 g, bei denen zum Regeln des Ausgangsquerschnittes der Düse in den Strahl ein Hilfsgas eingeblasen wird, kann in vorteilhafter Weise eine gemeinsame Druckgasquelle vorgesehen werden, um wahlweise den in der Nähe der Ausgangsöffnung der Düse der Triebwerke nach den vorgenannten Patentanmeldüngen liegenden Blasschlitz (im Normalbetrieb ohne Nachverbrennung) und die Blasöffnung der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (beim Arbeiten mit Nachverbrennung) zu speisen.

Es sei bemerkt, daß auf Grund des Umstandes, daß die von dem Hilfsgas gebildeten Schirme gemäß der Erfindung durch Abschalten der Hilfsgaszufuhr vollkommen zum Verschwinden gebracht werden können, ihnen bei ihrer Einschaltung eine sehr große Wirksamkeit gegeben werden kann. Dies gestattet, die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Leitung 3 strömenden Mediums beträchtlich herabzusetzen, ohne daß es erforderlich ist, dieser Leitung eine merkliche Querschnittserweiterung zu erteilen, wie es bei den insher üblichen Düsen mit Nachverbrennungseinrichtung geschieht. Dadurch wird nicht nur eine Verminderung des durch den Brenner hervorgerufenen Strömungswiderstandes erhalten, sondern es wird außerdem ermöglicht, den Raumbedarf in der Querrichtung des Triebwerkes herabzusetzen, was einen sehr beachtlichen Vorteil in der Aeronautik bedeutet.
. Insbesondere kann die Erfindung mit Vorteil auch bei Gasturbinenanlagen angewendet werden, die mit Einrichtungen zum Wiedererhitzen der Gase mit Hilfe einer Mehrzahl von Brennkammern versehen sind und bei denen die Wiedererhitzung für bestimmte Arbeitszustände unterbrochen werden soll.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Verbrennen eines Brennstoffes in einem gasförmigen, mit hoher Geschwindigkeit strömenden Verbrennungsmedium, mit einer Anordnung von düsenartigen Blasöffnungen auf einem Träger in dem Mediumstrom vor der bzw. den Brennstoffeinspritzstellen, wobei die aus den düsenartigen Blasöffnungen austretenden Hilfsgasstrahlen hinter sich eine die Brennstoffeinspritzstelle bzw. -stellen umgebende Wirbelzone erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger der düsenartigen Blasöffnungen derartig ausgebildet und angeordnet ist, daß er in dem Mediumstrom einen minimalen Strömungswiderstand verursacht, und daß die düsenartigen Blasöffnungen mit einer sie speisenden besonderen Druckgasquelle verbunden sind, welche nach Belieben an- und abschaltbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenartigen Blasöffnungen die Form eines Schlitzes haben, der sich in einer im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Mediumstromes verlaufenden Ebene erstreckt, so daß die aus dem Schlitz austretenden Hilfsgasstrahlen einen kontinuierlichen Hilfsgasschirm bilden, der sich quer durch einen Teil des Mediumstromes erstreckt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenartigen Blasöffnungen sich in einer Richtung öffnen, die gegen den Mediumstrom geneigt ist, so daß den aus den Blasöffnungen austretenden Hilfsgasstrahlen eine anfängliche Geschwindigkeitskomponente erteilt', wird, die entgegengesetzt zur Geschwindigkeit des Mediumstromes verläuft.

^: 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umriß des Längsschnittes des Trägers der düsenartigen Blasöffnungen stromlinienförmig zur Mediumströmung ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ringförmig ist und sich rings um den Brennstoff injektor herum erstreckt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung J 2849 XI/62b (bekanntgemacht am 19. 6. 52);

schweizerische Patentschrift Nr. 275 239;
USA.-Patentschrift Nr. 2 529 506.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen