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Verbrennungseinrichtung an Rückstoßtriebwerken, insbesondere zur Nachverbrennung
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung an Rückstoßtriebwerken, insbesondere
zur Nachverbrennung, welche wenigstens einen ringförmigen Flammhalter mit V-förmigem
Querschnitt umfaßt.
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Von Turbostrahltriebwerken für Jagdflugzeuge wird heute verlangt,
daß ihr Schub unter gewissen: Flugbedingungen vorübergehend vergrößert werden kann,
nämlich beim Start zur Verringerung der Rollstrecke, beim Aufstieg zur Erreichung
der Kampfhöhe in. der geringstmöglichen Zeit und im Flug zur Erzielung hoher Geschwindigkeiten.
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Das hierfür benutzte Mittel besteht in der Erwärmung der aus der Turbine
austretenden Gase durch Verbrennung einer gewissen Brennstoffmenge in dem Ausstoßkanal.
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Die hohen Schubkräfte beim Start sowie die immer größeren Flughöhen
und Fluggeschwindigkeiten führen jedoch zu Erwärmungsvorrichtungen, welche in weiten
Grenzen des Gehalts des Brennstoffgemisches arbeiten können müssen.
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Die zu erfüllenden Bedingungen können unter allen Flugbedingungen
dadurch erfüllt werden, daß der Erwärmungskanal mit einer großen Zahl von Einspritzeinrichtungen
versehen wird, welche .mit Brennstoff durch außerhalb des Kanals liegende Zufuhrrdhre
versorgt werden, wobei innerhalb desselben Hindernisse zur Stabilisierung der Flamme
angeordnet werden, deren Abschirmungsverhältnis sehr groß ist.
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Bei abgestellter Erwärmung ergibt die durch die Einspritzeinrichtungen
und die Stabilisatoren. gebildete Anordnung einen hohen GesamtdruckveTlust und somit
einen bedeutenden Schubverlust.
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Da ferner bei Zwischenbetriebszuständen mit gezündeter Erwärmungsvorrichtung
oder bei Vollast in großer Höhe der Einspritzdruck beträchtlich abnimmt, werden
hierdurch der Wirkungsgrad und die Stabilität der Verbrennung erheblich verringert.
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Durch eine entsprechende Regelung können entweder alle Einspritzeinrichtungen
für den höchsten Schub am Boden oder ein Teil derselben für den Betrieb in. .großer
Höhe oder mit geringer Last am Boden in Betrieb gesetzt werden. Dieses Regelsystem,
ist verwickelt, wird aber bei den meisten mit einer Erwärmungsvorrichtung versehenen
Turbostrahltriebwerken benutzt. Es ist schwer und erfordert zur Speisung der Einspritzeinrichtung
eine gleiche Zahl von Rohrleitungen zum Anschluß an. die Speiserohre. Diese Rohrleitungen
sind häufig die Quelle von Brennstoffaustritten entweder durch die Ansehlußteile
oder durch Brüche.
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Ferner sind die EinspritzeinTiahtungen im allgemeinen,radial angeordnet
und erzeugen so reiche und arme Verbrennungszonen, was einen geringen Wirkungsgrad
der Verbrennung, Unstabilitäten und Schwingungen des Kanals zur Folge hat.
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Es ist bekannt, daß in dieser Hinsicht die Brennstoffeinspritzung
durch kreisförmige Rohre vorzuziehen ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt das Ergebnis einer sorgfältigen Erforschung
und Vervollkommnung einer derartigen Verbrennungseinrichtung dar und ist eine Kombination
von teilweise bekannten. Mitteln. Diese Vorbrennungseinrichtung vermeidet die oben
im einzelnen geschilderten Nachteile klassischer Systeme und wird den verschiedenen
gegensätzlichen Bedingungen gerecht, welchen die Triebwerke moderner Jagdflugzeuge
ausgesetzt sind, so daß sie deren Einsatzfähigkeit bemerkenswert verbessert.
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Diese Verbesserungen erreicht die Erfindung durch die Kombination
eines solchen Flammhalters, in dessen Innerem ein kreisförmiges Einspritzrohr angeordnet
ist, welches im Gegenstrom und durch in der Spitze des V angebrachte Öffnungen einspritzt,
mit einem zweiten kreisförmigen Einspritzrohr mit einer besonderen Speisung, welche
strömungsaufwärts von diesem Flammhalter angeordnet ist, der sich in der
Wirbelbahn
dieses zweiten Einspritzrohres befindet, wobei eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung darin liegt, daß das im Inneren des V-förmigen Ringes angeordnete Einspritzrohr
mit Hilfe von schwenkbaren Befestigungselementen, die jeweils um eine zur Achse
des Ringes parallele Achse schwenkbar .gelagert sind, spielfrei getragen wird und
daß das Einspritzrohr in diesen Befestigungselementen gleitend angeordnet ist, um
durch die Gleit- und örtliche Schwenkmöglichkeit Schwingungen des Einspritzrohres
zu verhindern.
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Eine weitere zweckmäßige Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß
wenigstens ,gewisse Einspritzrohre zur Förderung zweier verschiedener Liefermengen
doppelt ausgebildet sind, wobei die Einspritzöffnungen des Einspritzrohres für die
große Liefermenge eine solche Lage haben, daß die Einspritzung im Gegenstrom erfolgt,
während ,das Einspritzrohr für die kleine Liefermenge den Brennstoff entweder im
Gegenstrom oder auch in das Innere des Ringes liefern kann.
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Es ist allerdings bereits bekannt, ein Einspritzrohr stromaufwärts
eines ringförmigen Flammhalters von V-förmigem Querschnitt so anzuordnen, daß sich
der Flannmhalter in er Wirbelbahn dieses Einspritzrohres befindet. Jedoch ist diese
Anordnung nicht mit einem im Inneren des V-förmigen Flammhalters angeordneten Einspritzrohr
verbunden. Erst durch diese zusätzliche Maßnahme erhält die Einrichtung eine deutlich
verbesserte Anpassungsfähigkeit bei einer gegebenen: Stirnfläche. Es ist weiterhin;
bereits bekannt, Kraftstoff gleichzeitig sowohl in den Flamrnhalter als auch in
das Gebiet stromaufwärts des Flammhalters einzuspritzen, jedoch weisen bekannte
Einrichtungen dieser Art keine Vorrichtung auf, durch welche das Einspritzen. im
Gegenstrom durch Öffnungen in der Spitze des V-förmigen Flammhalters ermöglicht
wird. Außerdem ist es bekannt, eine gleitende, mit Spiel behaftete Befestigung eines
kreisförmigen Einspritzrohres vorzusehen. Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht
aber demgegenüber ein spielfreies Gleiten in Verbindung mit einer Schwenkbewegung.
Dadurch werden Spannungen und Schwingungen vermieden, so daß eine sehr einfache
und leicht demontierbare Konstruktion ermöglicht wird.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen einiger Ausführungsbeispiele aus der Beschreibung, hervor.
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Fig.1 ist ein schematischer Axialsahnitt einer Ausführungsform; Fig.
2 ist eine Ansicht der Ausführungsform nach Fig.1 in Achsrichtung; Fig.3 ist ein
Schnitt durch einen Brennerring in vergrößerter Darstellung; Fig.4, 5 und 6 zeigen
schematisch drei verschiedene Ausführungen von Einspritzrohren; Fig. 7 zeigt eine
Ausführung ähnlich der Fig. 3; Fig. 8 bis 12 zeigen verschiedene Beispiele für die
Anordnung von Brennerringen; Fig.13 ist ein Schnitt durch einen; ein doppeltes Einspritzrohr
aufweisenden Ring; Fig.14 ist ein: Schnitt durch ein Einspritzrohr in einer etwas
gegen die Schnittebene der vorhergehenden Figur verschobenen Ebene in vergrößerter
Darstellung; Fig.15 und 16 sind der Fig.14 ähnliche Ansichten von zwei anderen Ausführungsformen,
mit doppeltem Einspritzrohr: In den Fig.1 und 2 ist ein Teil des Ausstoßkanals eines
Turbostrahltriebwerks dargestellt, an dessen Wand 1 eine Vorrichtung mit
Hilfe von Lenkern. 2
oder in Verbindungsstücke 4 auslaufenden Rohrleitungen
3 befestigt ist.
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Diese Vorrichtung enthält zwei konzentrische Ringe 5 und 6, von denen
jeder ein Brennstoffeinspritzrohr 7 und 8 trägt.
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Diese Ringe stellen Flammhalter dar und werden durch Profileisen mit
V-förmigem Querschnitt gebildet, deren Öffnungswinkel die Größe der Hinderniswirkung
der Ringe bestimmt, d. @h. die zur Erzielung einer stabilen Verbrennung bei allen
Strömungszuständen in. dem Kanal erforderliche Wirbelbildung. Dieser Winkel steht
in Beziehung zu demgewünschten. Erwärmungsgrad.
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Die in der Spitze der V-Form der Flammhalter angeordneten Einspritzrohre
7 und 8 enthalten mehrere Öffnungen, deren Durchmesser so bestimmt
ist, daß sie unter dem durch die Pumpe erzeugten Brennstoffdruck die für die Erwärmung
erforderliche Brennstoffmenge gewährleisten.
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Die Vorderkante der Flammhalter 5 und. 6, d. h. die Spitze der V-Form,
enthält Fenster 5 a (Fig. 3), durch welche die in den Einspritzröhren vorgesehenen
Spritzlöcher 7 a den Brennstoff zerstäuben. Die Brennstoffeinspritzung
erfolgt somit im Gegenstrom.
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Die in die Vorderkante eingeschnittenen Fenster 5a
sollen
hauptsächlich Luft in die durch die Ringe erzeugte Spur leiten. Sie können kreisförmig,
länglich oder anders geformt sein.
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Strömungsaufwärts in bezug auf die Flammhalter 5 und 6 sind zwei konzentrische
ringförmige Einspritzrohre 9 und 10 (s. Fig.1) angeordnet, welche, Brennstoffeinspritzöffnungen
besitzen. Sie sollen, in den Gasstrom die zusätzliche Brennstoffmenge einführen.
Diese Öffnungen dieser Einspritzrohre liegen so, daß der Brennstoff im Gegenstrom
eingespritzt wird.
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Der Ringdurchmesser dieser Einspritzrohre 9, 10
kann gleich
dem der Flammhalter 5, 6 oder größer oder kleiner als dieser sein. Im allgemeinen
ist ihr Durchmesser kleiner als der der Flammhaker, da die Restdrehung der Gase
am Austritt aus der Turbine auf den durch die Einspritzrohre eingespritzten Brennstoff
eine Schleuderwirkung ausübt und ihn auf ihren Durchmesser bringt.
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Die Speisung der Einspritzrohre 7, 8, 9 und 10 mit Brennstoff kann
auf drei verschiedene, in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellte Weisen erfolgen.
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Die Fig. 4 zeigt die Speisung eines Einspritzrohres durch eine einzige
Brennstoffzufuhr, wobei dann: das Rohr kontinuierlich verläuft.
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Die Fig. 5 zeigt die Speisung eines Einspritzrohres durch eine einzige
Brennstoffzufuhr zu zwei Rohrhälften. Dies scheint die praktischste Form zu sein.
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Schließlich zeigt die Fig. 6 die Speisung eines Einspritzroteres durch
zweigegenüberliegende Brennstoffzufuhren. Dies ist die beste Lösung, -sie kompliziert
jedoch die außerhalb des Kanals liegenden Rohrleitungen.
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Die Befestigungen der Brennstoffeinspritzrohre 7, 8
in der V-Form
der Flammhaltex 5, 6 ist so ausgebildet, daß während des Betriebs eine freie gegenseitige
Verschiebung des Einspritzrohres und des Flammhalters erfolgen kann. Das Einspritzrohr
wird nämlich beständig von dem Brennstoff oder von der Spülluft gekühlt, während
der Flammhalter der Strahlung der Flamme ausgesetzt ist. Außerdem sind: die Werkstoffe
dieser
beiden Teile verschieden. Die Dehnungen sind daher nicht die gleichen, so,daß sich
diese beiden Teile gegeneinander verstellen können; müssen.
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Die Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform dieser Befestigung. Hierbei
sind Hülsen 11 an verschiedenen Stellen des Umfangs der Vorderkante des Flammhalters
angeschweißt, wobei ringförmige Befestigungsglieder 12 den freien Durchtritt
des Einspritzrohres 7
mit einem sein Gleiten ermöglichenden Spiel ,gestatten.
Die Befestigungsglieder 12 tragen einen Ansatz 13, welcher durch die Hülse
11 hindurchgeht und. die Befestigung des Einspritzrohres 7 mittels einer
Unterlegscheibe 14 und eines Splints 15 ermöglicht.
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Bei dem Ausführungsbeispiel .nach den Fig. 1 und 2 sind zwei je ein
Einspritzrohr 7 bzw. 8 enthaltende Flammhalter 5 und 6 vorhanden und
so zueinander angeordnet, daß sich der innere oder kleinere Flammhalter 6 strömungsaufwärts
von dem äußeren: oder größeren Flammhalter 5 befindet. Die Zahl und die Anordnung
dieser Ringe können jedoch auch anders gewählt werden.
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So zeigen z. B. die Fig. 8, 9, 10 und 11 Anordnungen mit drei Flammhaltern
16, 17, 18 mit inneren Einspritzrohren 19, 20, 21, mit welchen. strömungsaufwärts
angeordnete Einspritzrohre 22, 23, 24 kombiniert sind.
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Die Anordnung nach der Fig. 8 enthält zwei konzentrische, in der gleichen
Querebene liegende Flammhalter 17, 18 und einen Flammhalter 16, dessen Durchmesser
zwischen denen der Flammhalter 17 und 18 liegt und welcher gleichachsig zu
diesen sowie in bezug auf diese strömu ngsaufwärts angeordnet ist. Die strömungsaufwärts
liegenden Einspritzrohre 22,
23 und 24 sind entsprechend angeordnet.
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In der Fig. 9 nehmen die Ringdurchmesser der Flammhalter
16, 17, 18 sowie ihrer strömungsaufwärts angeordneten Einspritzrohre
22, 23, 24 in der Strömungsrichtung zu. In der Fig.10 nehmen dagegen diese
Ringdurchmesser ab. Schließlich liegen in der Fig. 11 die drei Flammhalter in: der
.gleichen Querebene und sind nur mit zwei strömungsaufwärts liegenden Einspritzrohren
22 und 23 kombiniert.
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Die Fig.12 zeigt ebenfalls eine Anordnung mit in ein und derselben
Ebene liegenden Flammhaltern, deren Zahl hier auf zweiherabgesetzt ist.
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Es können auch andere gegenseitige Lagen. der Teile gewählt werden,
wobei die Zahl der Flamm!halter größer als drei sein kann.
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Bei einem Aufstieg des Flugzeugs mit konstanter Machscher Zahl nimmt
die Breanstoinenge in den Einspritzrohren gemäß einer von .der Höhe abhängenden
Gesetzmäßigkeit ab. Der Einspritzdruck des Brennstoffs nimmt wie das Quadrat der
Fördermenge ab. Dies hat zur Folge, daß die Einspritzdrücke in großer Höhe äußerst
klein sind. Die Einfühivmg und die Zerstäubung des Brennstoffs werden dann schlecht,
und die Stabilität und der Wirkungsgrad der Verbrennung nehmen schnell ab.
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Um diesem Abfall der Kenngrößen, der Verbrennung abzuhelfen, hat die
Erfindung eine Weiterbildung des obigen Systems zum Gegenstand, bei welcher die
Brennstoffeinspritzrohre der Flammhalter verdoppelt sind. Jedes Einspritzrohr besitzt
einen besonderen Lieferkoeffizienten. Die beiden Brennstoffeinspritzrohre werden
gleichzeitig gespeist, um den, Schub beim Start bis in eine mäßige Höhe in der Größenordnung
von 12 bis 15 km zu erhalten. Von dieser Höhe an setzt der Naohbrennerregler die
Brennstoffzufuhr zu dem Einspritzrohr mit großem Lieferkoeffizienten allmählich
herab, um sie schließlich in einer bestimmten; Höhe abzustellen. Der Einspritzdruck
des Einspritzrohres mit kleinem Lieferkoeffizienten wird allmählich nach Maßgabe
der Verringerung der Förderung des Einspritzrohres mit großem Lieferkoeffizienten
erhöht.
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Diese Lösung bietet den Vorteil zur Erreichung von Flügen in sehr
großen Höhen.
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Die Fig.13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die beiden Einspritzrohre
25, 26 konzentrisch angeordnet sind und den Brennstoff im Gegenstrom einspritzen.
Das Einspritzrohr 25 mit kleinem Lieferkoeffizienten liegt innerhalb des
Rohres 26 mit großem Lieferkoeffizienten. Die Brennstoffeinspritzung des
Rohres mit kleinem Lieferkoeffizienten erfolgt über Zwischvnstücke 27 (Fig.14),
welche die Befestigung der beiden Rohre aneinander und die erforderliche Abdichtung
an der Stelle der Einspritzöffnungen 28 bewirken. Das Einspritzrohr
26 mit großem Lieferkoeffizienten besitzt seine eigenen Einspritzöffnungen
29.
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Das doppelte Einspritzrohr kann durch Heißdrükken nach einem bekannten
Verfahren in einem einzigen Stück hergestellt werden.
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Die Fig.15 und 16 zeigen: zwei Abwandlungen des doppelten; Einspritzrohres.
Bei diesen beiden Beispielen spritzt das Einspritzrohr 26 mit großem Lieferkoeffizienten
im Gegenstrom ein, während das Rohr 25 mit kleinem Lieferkoeffizienten in
das Innere der Brennerringe spritzt.
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Versuche haben .gezeigt, daß die Einspritzung kleiner Brennstoffmengen
in das Innere der Flammhaher eine sehr gute Stabilität der Verbrennung in großer
Höhe ergibt.