-
Verbrennungsvorrichtung für einen Gasstrom zu einer Strahltriebwerksbrennkammer,
insbesondere zu einem Nachbrenner Die Erfindung richtet sich auf eine Verbrennungsvorrichtung
für einen Gasstrom zu einer Strahltriebwerksbrennkammer, insbesondere zu einem Nachbrenner,
mit einer quer in den Gasstrom hineinreichenden Brennstoffzufuhrleitung, deren inneres
als Brennstoffdüse wirkendes Ende in ein an beiden Enden offenes Rohr mündet, das
gleichachsig zu dem Gasstrom angeordnet ist.
-
Eines der Probleme, denen sich die Konstrukteure von Strahltriebwerken
gegenübersehen, besteht darin, sicherzustellen, daß flüssiger Brennstoff, der in
einen Gasstrom eingeführt wird, der sich mit hoher Geschwindigkeit durch einen einen
Teil des Triebwerks bildenden Kanal hindurchbewegt, auch unter bestimmten ungünstigen
Bedingungen brennen wird. Wenn z. B. in einem Turbostrahltriebwerk, das in einem
verhältnismäßig hoch fliegenden Flugzeug eingebaut ist, die Flamme erlischt, kann
es wegen der Flugzeuggeschwindigkeit und der verminderten Luftdichte schwierig sein,
das Triebwerk wieder zu zünden. Es wurde jedoch festgestellt, daß das Wiederzünden
in solchen Fällen dadurch erleichtert werden kann, daß sichergestellt wird, daß
bestimmte erwünschte Bedingungen der Vermischung eines brennbaren Gasstroms mit
flüssiaem Brennstoff begünstigt sind.
-
Insbesondere sind verbesserte Mischbedingungen im Falle eines, Strahltriebwerks
wünschenswert, das einen Nachbrenner verwendet. Es hat sich unter solchen Umständen
als vorteilhaft erwiesen, einen oder mehrere Sparbrenner in Verbindung mit mehreren
Hauptbrennern zu verwenden, wobei die Sparbrenner dann üblicherweise unmittelbar
stromaufwärts vom Nachbrenner angeordnet sind. Der Sparbrenner kann einfach aus
einer Einspritzdüse oder einem Hilfsbrennstoffrohr bestehen, die oder das stromaufwärts
von der Hauptbrennstoffeinspritzdüse angeordnet ist, so daß eine Vermischung der
heißen Verbrennungsgase und des flüssigen Brennstoffs stattfindet, bevor der vermischte
Strom in den Nachbrennerbereich eintritt. Wenn das Vormischen optimal geschieht,
wird es die Verbrennung im Nachbrenner wesentlich verbessern.
-
Das Einsetzen eines oder mehrerer Sparbrenner in einen Gasstrom, der
sich in einem Strahltriebwerkkanal bewegt, hat oft schädliche Wirkung auf bestimmte
Triebwerksströmungseigenschaften, z. B. lokale Störungen der Gasströmung und eine
Zunahme der Druckverluste im Bereich der Hilfsbrenner. Es ist deshalb erwünscht,
einen Sparbrenner zu schaffen, der den Verbrennungsprozeß erleichtert, und zwar
insbesondere im Nachbrenner, durch Vormischung des Brennstoffs mit dem Gasstrom,
der aber die optimale Strömung des Gases in dem Strahltriebwerk nicht unzulässig
stört.
-
Durch die Erfindung wird eine Verbrennungsvorrichtung für den oben
bezeichneten Zweck geschaffen, die sich dadurch auszeichnet, daß das gleichachsig
zu dem Gasstrom angeordnete Rohr, in das die Brennstoffzufuhrleitung einmündet,
einen etwa herzförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Einsattelung diametral gegenüber
dieser Einmündung angeordnet ist. Hierdurch wird der in das Rohr eintretende Brennstoff
in zwei divergierende Ströme aufgeteilt, die nach einer ersten Bewegungskomponente
an den Wänden des Rohrs aufwärtsströmen. Infolge der von dem Gasstrom gelieferten
weiteren Bewegungskomponente ergibt sich als resultierende Bewegung ein Paar allmählich
verlaufender spiraliger Wirbel von mit der Gasströmung vermischten Brennstoff, die
der Stromrichtung innerhalb des Kanals folgen.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform
der Erfindung sowie an Hand der Zeichnung. Hierbei zeigt
Fig.
1 eine Querschnittsansicht, die die Lage der Verbrennungsvorrichtung gemäß
der Erfindung in einem Strahltriebwerk mit Nachbrenner darstellt, Fig. 2 eine Querschnittsansicht
einer Sparbrenneranordnung, Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht der
Stromteileinrichtung längs der Linie 3-3 der Fig. 2 und eine Darstellung
der spiraligen Brennstoffstromwege und Fig. 4 eine bildmäßige Ansicht von der Linie
4-4 der Fig. 1 aus stromabwärts zum Triebwerknachbrennerabschnitt hin, die
die Haupteinspritzdüsen und die Sparbrenneranordnung darstellt.
-
Fig. 1 der Zeichnung zeigt die Lage der Verbrennungsvorrichtung
in Bezug zu bestimmten anderen Abschnitten eines Strahltriebwerks, und zwar eines
typischen Axial-Gasturbinenstrahltriebwerks mit Nachbrenner. Ein in einem Gehäuse
11 enthaltendes Turbinenlaufrad 10 kann in üblicher Weise durch einen
Strom heißer Verbrennungsgase, der durch die Pfeile angedeutet ist, betrieben werden,
die aus einem nicht gezeigten Verbrennungsabschnitt der Maschine austreten. Unmittelbar
stromabwärts vom Turbinenabschnitt befindet sich ein Nachbrennerdiffusorgehäuse,
allgemein mit 12 angedeutet, das mit einem äußeren Gehäuse 13 eines Nachbrenners
zur Bildung des Austrittsabschnittes des Triebwerks verbunden werden kann. Koaxial
zum Diffusorgehäuse 12 ist ein Mittelkörper 14 angeordnet, der durch mehrere Streben
15 gehalten wird und der im Zusammenwirken mit dem Gehäuse einen Verbrennungskanal
bilden kann. In das Nachbrennergehäuse 13 ist konzentrisch ein Innenrohr
16 eingesetzt, das von einer in der Nachbrennertechnik bekannten geeigneten
Form sein kann.
-
Unmittelbar stromaufwärts vom Nachbrennerinnenrohr 16 sind
mehrere sich radial erstreckende Hauptbrennstoffrohre mit Haupteinspritzdüsen angeordnet,
von denen eines bei 17 gezeigt ist. Diese Haupteinspritzdüsen sind die primäre
Quelle des flüssigen Brennstoffs, der mit dem Strom im Nachbrennerinnenrohr zur
Bilduno, heißen brennbaren Gases vermischt und verbrannt werden soll.
-
Die Sparbrenneranordnung ist allgemein mit 18
bezeichnet. Die
Anordnung ist mit einem Einlaßrohrverbindungsstück 20 für den flüssigen Brennstoff
versehen, das an ein Brennstoffrohr 21 mit einer Brennstoffdüse 26 angeschlossen
werden kann. Das Rohr 21 hat vorzugsweise einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser,
etwa in der Größenordnung von einem Zehntel oder weniger des Durchmessers des Hauptbrennstoffrohres
17, damit eine Zunahme der Brennstoffgeschwindigkeit sichergestellt und der
Wärmeübergang vermindert wird und damit das Verdampfen und das Kochen im Rohr verhindert
werden. Um das Rohr 21 ist konzentrisch zum Rohr eine äußere Abschirmung 22 mittels
mehrerer elastischer Abstandshalter 23 angeordnet. An die Abschirrnung ist
ein rohrföriniger Teil 24 mit offenen Enden angebaut und parallel zum Strom heißen
Gases, der sich im Triebwerkkanal bewegt, angeordnet. Der rohrförinige, als Prall-
oder Ablenkeinrichtung für den Brennstoff wirkende Teil, der auch aus einem Stück
mit der Abschirmung zusammen ausgebildet sein kann, besitzt eine Öffnung
25 in seiner Wand, die von den Düsen 26 durchsetzt wird, so daß diese
etwas in das Innere des rohrförmigen Teils hineinragen. Die Abstandhalter
23 tragen zusätzlich zur konzentrischen Halterung des Brennstoffversorgungsrohres
21 im Schirm 22 dazu bei, eine optimale Isolation des Rohres zu erzielen, und sie
halten auch die Öffnungen 26 in der erwünschten Stellung mit Bezug auf die
Ablenkeinrichtung 24 und wirken als Dämpfungsglieder gegen Schwingungen. Der Brennstoff
wird dem Brennstoffeinlaßrohrverbindungsstück 20 durch irgendwelche geeignete Einrichtungen,
wie etwa eine bei 27 in Fig. 1 angegebene Einlaßverzweigungsleitung
zugeführt.
-
Die Fig. 3 zeigt die Art, auf welche der rohrförmige, als Ablenkeinrichtung
für den Brennstoff wirkende Teil 24 eine optimale Vermischung des Brennstoffs und
des heißen Gasstroms bewerkstelligt. Wenn der Brennstoff aus der ein wenig hervorragenden
Öffnung 26 austritt, ist er in das Innere des Teils gerichtet. Direkt gegenüber
der Öffnung befindet sich in der abliegenden, Wand des Teils eine Einbuchtung
28, die radial in den Teil zur Öffnung hin hineinragt, so daß ein rohrförmiger
Teil von im wesentlichen herzförmigen Querschnitt geschaffen wird, wobei die Kuppe
oder die abgerundete Einbuchtung 28 als ein Strömungsteiler für den flüssigen
Brennstoff wirkt. Da der rohrförmige Teil gegenüber dem Kanal axial ausgeffuchtet
ist, in dem sich der Strom des heißen Verbrennungsgases bewegt, bewirkt die geometrische
Form des Teiles, daß die Ausströmung des Mediums aus dem Teil eine zwangläufige
Richtung haben wird und mit dem Gasstrom vorgemischt ist.
-
An den Pfeilen 29 in Fig. 3 ist erkennbar, daß die Flüssigkeit
aus der Öffnung 26 durch die Einbuchtung 28 im wesentlichen in zwei
Hälften geteilt ist, wobei die sich ergebenden zwei Ströme voneinander fort zu einem
Punkt hin gerichtet sind, an dem sie die gegenüberliegenden Wände 30-30 des
herzförinigen Abschnitts berühren. Wegen der kurvenfönnigen Ausbildung dieser herzförmigen
Abschnitte versucht der Brennstoff die Wände hinauf und zurück zur Öffnung zu steigen.
Da sich jedoch der Brennstoff im Augenblick des Austritts aus der Düse
26 rechtwinklig zum heißen Gasstrom bewegt, ist das Ergebnis die Bildung
eines Paares allmählich spiralig verlaufender Wirbel von vermischtem Brennstoff
und heißen Gasen, die sich nach außen aus dem Bereich der Ablenkeinrichtung heraus
bewegen, d. h. stromabwärts des Kanals und in den Innenrohrbereich des Hauptnachbrenners
hinein.
-
Um den Verbrennungsprozeß im Kanal zu erleichtern, kann ein Flammenhalter
unmittelbar stromabwärts von der Sparbrenneranordnung vorgesehen sein. Der dargestellte.
Flammenhalter weist die Fonn eines ringförmigen Teils 32 mit vier auf einer
Umfangslinie um das Innere des Nachbrenners angeordneten Abschnitten auf, wobei
selbstverständlich auch andere Arten von Flammenhaltern die gleiche Funktion ausüben
können.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt einem Strom heißer Gase, der
sich in einem Kanal bewegte einen minimalen Profilquerschnitt entgegen, um die gasdynamischen
Belastungen an einer Sparbrenneranordnung zu vermindern und um niedrige Druckverluste
im Sparbrennersystem sicherzustellen. Das kurzzeitige Verweilen des geteilten Stroms
im Bereich des rohrförmigen Teils gibt bei Anwesenheit des heißen Gasstroms dem
erhitzten Brennstoff seine zwangläufige Richtung und ergibt eine optimale Vorinischung,
d. h., die Vormischung wird zu einem günstigeren Zeitpunkt eingeleitet, da
mit der vorgesehenen
Er Vorrichtung unter anderem der Brennstoff
sofort nach dem Verlassen der Brennstoffdüse sich intensiv mit dem Gasstrom zu vermischen
beginnt. Ferner treten der Gasstrom und der Brennstoffstrom aus getrennten, unterschiedlichen
öffnungen in die Bereiche des rohrförmigen Teils ein, und zwar, was besonders wichtig
ist, in an sich bekannter Weise rechtwinklig zueinander. Bei dieser Anordnung ist
festgestellt worden, daß die Druckverluste besonders niedrig sind im Vergleich zu
denen bei einer Ablenkeinrichtung mit einer flachen Form direkt gegenüber der Brennstofföffnung
oder bei einer solchen, die in bezug auf den heißen Gasstrom radial angeordnet ist.
Offenbar würde der rohrförmige Strömungsteiler zur Erleichterung des Verbrennungsprozesses
durch verbessertes Vermischen des Brennstoffs mit einem brennbaren Gasstrom auch
in anderen Abschnitten des Strahltriebwerks nützlich sein.