DE1064759B - Brenner fuer Staustrahltriebwerke - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der kontinuierlich durchströmten Verbrennungsmotore und bezieht sich insbesondere auf Strahltriebwerke, in die Brenner eingebaut sind, um die Zündung und Verbrennung des Brennstoffgemisches zu bewirken.

Nach der Erfindung ist ein Brenner für Staustrahltriebwerke dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Vorverdichtung der Strömung durch Stau vor dem Brennereintritt bei eingeschaltetem Brenner der Brennerlängsschnitt gleich dem eines an sich bekannten Unterschallstaustrahltriebwerkes mit verrundetem Einlauf und mit durch verjüngte Wandstärke scharfkantigem Austritt ausgebildet ist und der Brenner in an sich bekannter Weise von einem Gasstrom umgeben ist, dessen Ouerschnittsfläche bedeutend größer ist als die des oder der Brenner.

Die hier für einen Brenner beanspruchte Form ist für Unterschallstaustrahltriebwerke an sich allgemein bekannt. Solche Triebwerke sind jedoch Antriebsvorrichtungen eines besonderen Typs, die dazu bestimmt sind, einen Rückstoß zu erzeugen. Nach der Erfindung ist ein Brenner in der beanspruchten Form in einen kontinuierlich durchströmten Verbrennungsmotor eingebaut. Als Verbrennungsmotore kommen verschiedene Arten in Frage, z. B. Turbinentriebwerke, Staustrahltriebwerke usw.

Es sind Unterschallstaustrahltriebwerke bekannt, bei denen die Eintrittsöffnung profiliert ausgebildet ist und der ein Diffusor nachgeschaltet ist. Bei solchen Vorrichtungen verjüngt sich die Wandstärke des Austrittsteiles, welcher vorteilhaft einen zylindrischen Teil bildet. Zu diesen zwei charakteristischen Merkmalen eines Unterschallstaustrahltriebwerkes kommt als Merkmal für alle eingebauten, schon bekannten Brenner ein drittes wesentliches hinzu: Und zwar muß der Brenner von einem Gasstrom umgeben sein, dessen Querschnittsfläche bedeutend größer ist als die des Brenners, damit die Gasströmung am Brennereintritt von den Verbrennungskammerwandungen möglichst wenig beeinflußt ist. Nur in dem Fall, in dem diese drei Merkmale sich gleichzeitig vorfinden, kann von einem eingebauten Brenner gesprochen werden, der in der Form eines Unterschallstaustrahltriebwerkes ausgelegt ist.

Es sind Gasturbinenbrennkammern für Gleichdruckverbrennung bekannt, bei denen die Eintrittsöffnung des Brenners nicht profiliert ausgebildet ist. Hieraus ergibt sich, daß der Druckanstieg in dem Brennmuffelraum nur innerhalb eines eng begrenzten Geschwindigkeitsgebietes des ausströmenden Mediums stattfindet. Wenn die Geschwindigkeit des Mediums dieses Gebiet verläßt und die obere Grenze überschreitet, treten an der Eintrittsöffnung Wirbel auf, die wie eine Querschnittsverengung wirken. Der

Anmelder:

Helmut Ph. G. A. R. von Zborowski,
St. Antoine de Brunoy, Seine (Frankreich)

Vertreter: Dr.-Ing. R. Meldau, Patentanwalt,
Gütersloh, Langer Weg 34

Beanspruchte Priorität:
Frankreich, vom 6. August 1954

Wilhelm O. Seibold
und Helmut Ph. G. A. R. von Zborowski,
St. Antoine de Brunoy, Seine (Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

Druck wird also in dem Brennmuffelraum nicht mehr erhöht, da von dieser Geschwindigkeit an der größere Durchmesser des Brennmuffelraumes nicht wirksam werden kann. Weiterhin ist die Wandstärke des Ausgangs nicht verjüngt ausgebildet. Der Brennmuffelaustrittsraum ist am Ende mit einem Boden verschlossen. Am Umfang der Wandung des Brennmuffelaustrittsraumes sind gegen die Achse des Bren-

ners schräg verlaufende Schlitze angeordnet. Eine solche Gasturbinenbrennkammer weist nicht die drei charakteristischen Merkmale des erfindungsgemäßen Brenners auf, der in Form eines Unterschallstaustrahltriebwerkes ausgelegt ist.

Weiterhin sind Brennerausführungen bekannt, deren wesentlichster gemeinsamer Bestandteil ein gelochter, konisch ausgebildeter Flammhalter ist, der als entscheidendes Bauglied sicherstellt, daß bei mit größerer als Zündgeschwindigkeit strömender Luft eine Flammenstabilisierung möglich wird. Durch diesen Körper und seinen Einbau wird ein Abreißen der Strömung erzwungen, und es werden Wirbelzonen durch Rücklaufströmungen geschaffen. Hierzu ist darauf hinzuweisen, daß die Strömung in Staustrahltriebwerken ungestört verlaufen soll und daß daher der Konstrukteur von solchen Triebwerken peinlich bemüht ist, ein Abreißen der durchsetzenden Strömungen mit allen Mitteln zu verhindern durch sorgfältige Formgebung. Es ist also widersinnig, in die innere Durchströmung eines Staustrahltriebwerkes einen Flammhalter einzubauen, der die Strömung drosselt, denn die Folge davon ist, daß ein solches

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Triebwerk abnorm hohen Verbrauch aufweist bzw. überhaupt keinen Schub zu liefern imstande ist.

Gegenüber bekannten Ausführungsformen von Brennern in Staustrahltriebwerken oder Turbinentriebwerken oder ähnlichen hat ein Brenner nach der Erfindung die folgenden Vorteile:

1. Der Brenner ist dem strömenden Medium, in das er eingebaut ist, angepaßt, denn insbesondere die Güte von Staustrahltriebwerken hängt äußerst stark von den Brennerwiderständen ab.

2. Die Vorkompression bleibt in einem weiten Gebiet der Strömungsgeschwindigkeit erhalten.

3. Die erfindungsgemäßen Brenner arbeiten bei Strömungsgeschwindigkeiten der Größenordnung von 0,9 Mach, während die bekannten Brenner bei Geschwindigkeiten oberhalb 0,15 Alach versagen.

4. Geringer Widerstand in der Strömung, während der Brenner nicht in Tätigkeit ist.

5. Geringer Brennstoffverbrauch.

6. Selbständige und stetige Anpassung an verschiedene Betriebsztistände und damit stabiles Betriebsverhalten und sehr verminderte Lärmentwicklung.

Der Brenner nach der Erfindung kann durch verschiedene Merkmale vorteilhaft weitergebildet sein. Diese Merkmale sind in den echten Unteransprüchen enthalten.

Verschiedene Ausführungsbeispiele von Brennern nach der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 bis 8 verschiedene Brennerausführungsformen im Axialschnitt und in der Ansicht nach der Erfindung,

Fig. 9 einen weiteren erfindungsgemäßen Brennertyp im Längsschnitt,

Fig. 10 bis 12 Schemazeichnungen verschiedener Ausfithrungsformen von Verbrennungskammern, die mit erfindungsgemäßen Brennern ausgerüstet sind.

Ein kontinuierliches Strahltriebwerk, das wenigstens einen Brenner umfaßt, der in den die Verbrennungskammer des Triebwerkes durchströmenden Gasstrom eingelassen ist, ist nach der Erfindung in folgender Weise aufgebaut:

Das Triebwerk allgemein als Einheit ohne die Brenner kann in irgendeiner bekannten Art ausgebildet sein, und zwar beispielsweise so, daß es ein Turbinen-Lader- oder Propellerturbinen- oder Staustrahl-Triebwerk ist. In einem solchen Triebwerk angebrachte Brenner erhöhen den Widerstand erheblich, woraus sich selbstverständlich eine Verminderung der Triebwerkleistung ergibt.

Der hauptsächliche Zweck der Erfindung besteht darin, den Widerstand des Triebwerkes zu vermindern.

Xach der Erfindung ist daher jeder Brenner in Form eines Unterschallstaustrahltriebwerkes 1 ausgebildet, das eine abgerundete Eintrittskante 1 a aufweist, wobei die Abmessungen dieses Strahltriebwerkes nach bekannten Berechnungen festgelegt sind, so daß sich eine Vorverdichtung des Gasstromes vor dem Brennereintritt bei eingeschaltetem Brenner ergibt. Auf diese Weise wird der durch jeden Brenner verursachte Widerstand außerordentlich verringert, und zwar sowohl dann, wenn der Brenner eingeschaltet ist, als auch, wenn er abgeschaltet ist.

Die Brennstoffmischung kann vor dem Brenner gebildet werden; es scheint in den meisten Fällen jedoch besser zu sein, den Brennstoff unmittelbar vor dem Brenner oder sogar im Innern des Brenners in den Gasstrom einzuspritzen, wobei die in den Brenner gelangende BrennstofFmenge mit Rücksicht auf die

Brennerabmessungen ausreichend sein muß, um während der Verbrennung eine erhebliche Erhitzung zu erzeugen, die etwa gleich derjenigen ist, die sich aus dem Zusammenbringen der beiden Komponenten im stöchiometrischen Verhältnis ergibt.

Nach Fig. 1 wird der Brennstoff in das Innere des Brenners 1 durch Düsen 2 eingespritzt. Nach Fig. 2 wird der für den Brenner bestimmte Brennstoff unmittelbar vor dem Brenner durch eine Düse 2 a eingespritzt, wobei andere Düsen 3 vorgesehen sind, um den außerhalb des Brenners strömenden Gasstrom mit Brennstoff anzureichern. Nach Fig. 3 wird der für den Brenner bestimmte Brennstoff durch in der Eintrittskante la des Brenners vorgesehene, nach innen gerichtete Düsen 2 b eingelassen. In der Eintrittskante 1 a sind weiterhin Düsen 3 vorgesehen, die aber nach außen gerichtet sind und den Zweck haben, den außerhalb des Brenners strömenden Gasstrom mit Brennstoff anzureichern.

Der Brenner nach der Fig. 2 hat in seinem vorderen Teil eine konvergierende Form. Weiterhin wird im" Brenner 1 ein in bekannter Weise ausgeführtes Hindernis 4 vorgesehen, das mit einem Zündmittel, beispielsweise einer Kerze, versehen ist. Dieses Hindernis sichert die Stabilisierung der Flamme nach der Zündung.

Wenn der für den Brenner bestimmte Brennstoff in diesen oder unmittelbar davor eingespritzt wird, kann eine optimale Verbrennungstemperatur erzielt werden, und zwar insbesondere in bezug auf die charakteristischen technischen Parameter der Brennstoffeinspritzung und auf die Brennerabmessung.

Es ist einleuchtend, daß man, beispielsweise gegebene Brennerabmessungen voraussetzend, durch die Wahl der Größe des Einspritz-(Über-)Druckes des Brennstoffes, durch Drall- oder drallose Einspritzung (durch Verwendung von einfachen Lochdüsen oder durch Dralldüsen und Wahl der Größe desJDxalies^" durch Einspritzen in Strömungsrichtung oder gegen die Anströmung, durch kontinuierliche oder intermittierende Einspritzung, kurz also durch die Wahl der technischen Parameter der Brennstoffeinspritzung diese bestens an den gewählten Brenner anpassen kann, so daß das Gesamtsystem »Brenner« + »Brenn-Stoffeinbringung« unter den Betriebsbedingungen optimal arbeitet.

Wenn also der oder die Brenner durch ihre Abmessungen noch nicht festgestellt sind, ist es immer möglich, durch eine Abstimmung der frei wählbaren Brennerabmessungen mit den ebenfalls in weitem Bereich frei wählbaren technischen Parametern der Brennstoffeinbringung optimale Betriebsbedingungen, insbesondere auch hinsichtlich der im Brenner herrschenden Verbrennungstemperatur, zu erzielen.

Ist die Verbrennungskammer des Triebwerkes derart ausgelegt, daß sie sich nicht sehr stark erhitzt, so ist es vorteilhaft, die gesamte Menge des in die Kammer eingespeisten Brennstoffes in die Brenner einzuspritzen. Soll demgegenüber die Gesamterhitzung der Verbrennungskammer gesteigert werden, so ist es vorteilhafter, nur einen Teil des Brennstoffes durch die Brenner zu leiten und den restlichen Teil direkt in den äußeren Strom um den Brenner herum einzuführen. In diesem Fall kann, insbesondere wenn die Wandungen des Brenners dünn sind, lediglich durch die Erhitzung der Wandungen eine Vorwärmung und sogar eine Zündung des Brenngemisches, das außerhalb des Brenners strömt, erreicht werden. Für diese Zwecke ist es jedoch sicherer, besondere Mittel vorzusehen, um die Ausdehnung der im Brenner erzeug-

Claims (2)

ten Flamme und damit die Zündung nach außen zu begünstigen. Danach können entsprechend der Fig. 4 Öffnungen 5 in der Wandung des Brenners vorgesehen sein. Ein anderes Mittel, um eine Zündung des außerhalb des Brenners befindlichen Brennstoffes zu erreichen, besteht darin, daß auf der Endkante des Brenners Längseinschnitte vorgesehen sind, wobei die zwischen den Einschnitten befindlichen Zungen 6 vorzugsweise abwechselnd nach innen und außen eingebogen werden; dadurch ergeben sich Wirbelungserscheinungen, welche die volle Ausbreitung des aus dem Brenner kommenden Flammenstrahles begünstigen (Fig. 5 und 6). Um den gleichen Zweck zu erreichen, kann auch die Endkante des Brenners in Querrichtung gewellt sein, so daß sich eine Anzahl von Reflektoren ausbilden, welche die gleiche Rolle wie die obenerwähnten Zungen 6 spielen (Fig. 7 und 8). Weiterhin oder zusätzlich kann der den Brenner 1 durchlaufende Gasstrom verdünnt werden (Fig. 9). Eine Verdünnung des Gasstromes wird dadurch erreicht, daß in der Verlängerung des Brenners 1 ein Leitstück 8 mit einem kleineren Querschnitt vorgesehen ist, das nur einen Teil des aus dem Brenner austretenden Stromes aufnimmt, während der restliche Strom in eine ringförmige Verdünnungskammer 9 eintritt, die das Leitstück 9 umgibt und am Vorderteil einen ringförmigen Eintritt hat, durch welchen Luft eintritt, die den Brenner nicht durchströmt hat. Jeder Brenner 1 kann durch ein Element gebildet werden, das allgemein zylindrische Form hat (Fig. 1 bis 9). Die Brenner können jedoch auch in Form eines ringförmigen Elementes ausgebildet sein (Fig. 10 bis 12). Die Anzahl der Brennerl ist je nach den Abmessungen der Verbrennungskammer des Triebwerkes und ebenfalls abhängig von der gewünschten Gesamterhitzung verschieden. Dabei können die Brenner in einer Querschnittsebene der Kammer untergebracht werden (Fig. 12) oder, nach einer anderen Ausführungsform, in Richtung der Strömung gestaffelt, wie in Fig. 10 bei einer zylindrischen Kammer und in Fig. 11 für eine ringförmige Kammer gezeigt ist. Die letztgenannte ringförmige Kammer erweitert sich nach hinten, um eine Verbrennung mit möglichst gleichbleibendem Druck zu erzielen. Wenn die Brenner in einer Ouerschnittsebene untergebracht sind, werden sie vorzugsweise, wenn es sich um zylindrische Brenner handelt, gleichmäßig auf den Umfang verteilt, und wenn es sich um ringförmige Brenner handelt, werden sie koaxial zueinander angeordnet. Wenn mehrere Brenner vorgesehen sind, können nach Wunsch verschiedene Stufen für die Gesamterhitzung der Kammer eingestellt werden. Es genügt dabei lediglich, Vorrichtungen vorzusehen, durch die alle oder aber nur ein Teil der Brenner gezündet werden kann. Um den Wirkungsgrad der Verbrennungskammer zu verbessern, ist es auf jeden Fall günstig, die Temperaturen und Durchflußgeschwindigkeiten in den verschiedenen Zonen des oder der Querschnitte, in denen sich die Brenner befinden, auf gleichem Wert zu hal-"^-t-en. Das kann durch eine zweckentsprechende Einspeisung des Brennstoffes, Dimensionierung und Verteilung der verschiedenen Brenner erreicht werden und/oder indem bestimmte Wirbel in der Kammer ausgebildet werden, wie dieses üblicherweise in den Verbrennungskammern der Staustrahltriebwerke durchgeführt wird. Dabei ist allerdings darauf zu achten, daß die zum Zweck der Homogenisierung der Temperaturen erzeugten Wirbel den Nachteil haben, daß sie Druckverluste verursachen, die den Wirkungsgrad ungünstig beeinflussen. Es erscheint also günstiger, lediglich eine zweckentsprechende Anordnung der Brenner vorzunehmen. Für den Fall, daß mehrere koaxial angeordnete Innenbrenner in ein und derselben Querschnittsebene der Verbrennungskammer vorgesehen sind, können die Durchmesser dieser Brenner derartig gewählt werden, daß die verschiedenen von ihnen begrenzten Ringzonen im Mittel die gleiche Wärmeenergie enthalten. Für den allgemeinen Fall, wo η Ringbrenner in einer ebenfalls ringförmigen Kammer mit äußerem DurchmesserD0 und innerem Durchmesser Dn+1 angeordnet sind, zeigt die Rechnung, daß eine gleichmäßige Verteilung der Wärme erreicht wird, wenn für die verschiedenen Brenner der Reihe 1, 2 . . .k . . . n, die Durchmesser D1... Dk ... Dn angenommen werden, wobei die folgenden Formeln gegeben und in der Annahme aufgestellt sind, daß die Brenner gleiche Dicke und gleiche Erwärmung haben. Die nachstehend genannten Formeln können zur Berücksichtigung verschiedener Dicken und/oder Erhitzungen leicht angepaßt werden. DJ = A 1+ /1 1 1 n+1 Ai ' A = ZY+(2tt» —l)iy+l 2 η (n+1) DJ = DJ + ^—^ (DJ - DJ + 1), Dlc = D1- & —1 η — 1 (D1-Dn). Wenn die Verbrennungskammer von der Art ist, daß sie mehrere Gruppen unabhängig voneinander zu zündender Brenner aufweist, also mehrere Erhitzungsstufen ermöglicht, so muß sie derart ausgelegt werden, daß für die verschiedenen Erhitzungsstufen (denen die Inbetriebnahme einer verschiedenen Anzahl Brenner entspricht) die Wärmeverteilung in der Kammer so gleichmäßig wie nur möglich ist. Insbesondere kann in einer Kammer mit drei Erhitzungsstufen, wie in Fig. 12 angedeutet, ein Ringbrenner mit einem solchen Durchmesser vorgesehen sein, daß er allein bei einer niedrigen Stufe eine möglichst gleichmäßige Wärmeverteilung gewährleistet. Zusätzlich können für die hohen Erhitzungsstufen wenigstens zwei weitere Ringbrenner vorgesehen sein, die den Ringbrenner für die niedere Stufe umgeben. Patentansprüche:

1. Brenner für Staustrahltriebwerke, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Vorverdichtung der Strömung durch Stau vor dem Brennereintritt bei eingeschaltetem Brenner der Brennerlängsschnitt gleich dem eines an sich bekannten Unterschallstaustrahltriebwerkes mit verrundetem Einlauf und mit durch Wandstärkenverjüngung scharfkantigem Austritt ausgebildet ist und der Brenner in an sich bekannter Weise von einem Gasstrom umgeben ist, dessen Ouerschnittsfläche bedeutend größer ist als die des oder der Brenner.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff unmittelbar vor dem