DE1156611B - Brennstoffverteilungseinrichtung fuer den Nachverbrenner eines Strahltriebwerks - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

G 27382Ia/46g

ANMELDETAG: 27. JUNI 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 31. OKTOB ER 1963

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffverteilungseinrichtung für den Nachverbrenner eines Strahltriebwerks, mit einer Anzahl von radial verlaufenden Sprühstangen, die im wesentlichen in einer quer zur Längsachse des Nachverbrennungsabschnitts liegenden Ebene angeordnet sind, und mit Brennstoffregeleinrichtungen, die den Sprühstangen die richtige Brennstoffmenge zumessen.

Bei bekannten Nachverbrennen! dieser Art kann die Brennstoffzufuhr zu sämtlichen Sprühstangen nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden. Dies hat jedesmal eine sprungartige Erhöhung bzw. Verminderung der erzeugten Schubkraft und eine ebenso plötzliche Temperaturänderung zur Folge. Diese sprungartigen Änderungen sind aus verschiedenen Gründen sehr unerwünscht.

Um diese plötzliche Steigerung des Schubes zu verhindern, ist es bereits bekannt, den Brennstoff dem Nachverbrenner in allmählich gesteigerten Mengen zuzuführen. Bei einigen Systemen dieser Art sind konzentrische Ringverteiler vorgesehen, durch die der Brennstoff im allgemeinen der Reihe nach, vom inneren Ring beginnend zum äußeren Ring, eingespritzt wird. Bei diesem System treten jedoch Schwierigkeiten auf, zu denen unter anderem die Erscheinung gehört, daß der Brennstoff innerhalb der Ringe infolge der Temperatur, der die Ringe ausgesetzt sind, verdampft. Bei anderen Systemen werden einzelne Düsen oder Brennstoffinjektoren verwendet, die in einer vorherbestimmten Weise derart betätigbar sind, daß die eingespritzte Brennstoffmenge und somit der Schub allmählich steigerbar sind. Hier bietet jedoch die Aufrechterhaltung des korrekten Verhältnisses zwischen Brennstoff und Luft zum Erzielen einer befriedigenden Zündung innerhalb des gesamten Betriebsbereiches Schwierigkeiten.

Schließlich sind auch Nachverbrennungseinrichtungen für Strahltriebwerke bekannt, bei denen die Sprühstangen in Tandemanordnung hintereinanderliegen, wobei jede Sprühstangengruppe über einen Verteiler mit der Brennstoffregeleinrichtung verbunden ist, so daß die hintereinanderliegenden Sprühstangengruppen nacheinander mit Brennstoff versorgt werden. Diese Einrichtungen weisen jedoch im wesentlichen die gleichen Nachteile wie die bereits zuvor erwähnten Nachverbrenner mit konzentrischen Ringen auf, weil ein Teil der Sprühstangen den Verbrennungsgasen anderer Sprühstangen ausgesetzt ist.

Andrerseits ist es bekannt, die Brennstoffdüsen für die Hauptbrennkammern einer Gasturbine in zwei Gruppen aufzuteilen, von denen die eine Gruppe aus zwei einander diametral gegenüberliegenden Düsen Brennstoffverteilungseinrichtung für den
Nachverbrenner eines Strahltriebwerks

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz

und Dr. rer. nat. G. Hauser, Patentanwälte,

München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Milton Howard Shackelford, Cedar Grove, N. J., Walter Stanley Bertaux, Cincinnati, Ohio,

und Hans Bollenbacher, Greenhills, Ohio (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

besteht, während die zweite Gruppe die übrigen Düsen enthält, die im wesentlichen ringförmig über den ganzen Umfang verteilt sind.

Ein gemeinsames Brennstoffsteuerventil bestimmt die Brennstoffzufuhr zu allen Düsen entsprechend der geforderten Antriebsleistung. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei Drosselung der Brennstoffzufuhr unter einem bestimmten Wert die eine Düsengruppe ganz ausgeschaltet wird, während die beiden Düsen der anderen Gruppe normal weiterarbeiten. Dadurch soll einerseits verhindert werden, daß die Flamme vollständig erlischt, damit beim Wiedereinschalten der anderen Düsengruppe eine sofortige Zündung gewährleistet ist, und andrerseits soll der Kompressor auch bei völlig gedrosselter Brennstoffzufuhr mit der Mindestleistung angetrieben werden, die zur Aufrechterhaltung des für eine einwandfreie Zerstäubung benötigten Druckes erforderlich ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, in der Nachverbrennungseinrichtung eines Strahltriebwerks eine allmähliche Schubsteigerung in der Weise zu erzielen, daß stets eine richtige Verbrennung des zusätzlich eingesprühten Brennstoffs gewährleistet ist und plötzliche Schubstöße vermieden werden.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Sprühstangen in Gruppen unterteilt sind, die jeweils einen Sektor des Querschnitts des Nachverbrennungsabschnitts einnehmen, daß jede Sprühstangengruppe über einen Verteiler mit der Brenn-

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Stoffregeleinrichtung verbunden ist und daß wenig- überlappen sich die Sektoren teilweise. Diese Anord-

stens einem Verteiler ein Brennstoffwählventil züge- nung ist jedoch nicht zwingend; je nach den Betriebs-

ordnet ist, mit dem die Brennstoffzumessung zu der bedingungen können sich die einzelnen Sektoren über

angeschlossenen Sprühstangengruppe steuerbar ist. größere oder kleinere Winkel erstrecken. Ferner ist Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die 5 eine Aufteilung in noch mehr Sektoren möglich, die

sektorförmigen Sprühstangengruppen nacheinander jeweils wieder an besondere Verteiler angeschlossen

eingeschaltet. Es hat sich herausgestellt, daß damit sind. Voraussetzung ist dabei jedoch in jedem Fall,

eine sehr gleichmäßige und sichere Regelung der daß die Brennstoffzufuhr in der nachstehend noch

Schubkrafterhöhung möglich ist. Dies ist in erster beschriebenen Weise sektorweise gesteuert wird. Linie darauf zurückzuführen, daß in allen Betriebs- io Bei der Anordnung von Fig. 2 erfolgt die Steue-

bereichen die Sprühstangen unter gleichen Bedingun- rung des Brennstoffs in der Weise, daß zunächst über

gen arbeiten, da keine davon den Verbrennungsgasen den Verteiler 22 Brennstoff zu den Sprühstangen-

der anderen ausgesetzt ist. gruppen 20 und 21 geführt wird. Dieser Brennstoff

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegen- wird zunächst in zwei einander diametral gegenüberstandes bestehen darin, daß ein druckabhängiges 15 liegenden Sektoren in das Abgasrohr eingespritzt.

Strömungsteilerventil zwischen der Brennstoffregel- Bei stärkerem Brennstoffbedarf wird auch noch den

einrichtung und den Verteilern vor dem Brennstoff- Sprühstangengruppen 17 und 18 Brennstoff über den

wählventil liegt, wobei gegebenenfalls das druck- Verteiler 19 zugeführt. Die beschriebene Anordnung

abhängige Strömungsteilerventil die Brennstoffregel- ergibt also grundsätzlich die Wirkung, daß die Brenneinrichtung mit einer primären und einer sekundären 20 stoffemspritzung zunächst in einem Sektormuster

Brennstoffverteilungseinrichtung verbindet. Diese beginnt und dann über das ganze Abgasrohr aus-

Maßnahmen sind zwar bei Nachverbrennern, deren gebreitet wird. Durch richtige Bemessung der ein-

Sprühstangengruppen in Tandemanordnung hinter- zelnen Sektoren kann je nach den Betriebsbedingun-

einanderliegen, an sich bekannt, ergeben aber in Ver- gen erreicht werden, daß sich der Schub bei der bindung mit der erfindungsgemäßen sektorförmigen 25 Inbetriebnahme des Nachverbrenners ganz allmählich

Anordnung der Sprühstangen besonders vorteilhafte steigert.

Wirkungen. Es ist ferner wichtig, daß das Brennstoff-Luft-Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Verhältnis in den von den Sprühstangengruppen 20 Zeichnung dargestellt. Darin zeigt und 21 eingenommenen Sektoren beim Übergang Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Strahl- 3° vom sektorweisen zum gleichförmigen Nachverbrentriebwerks mit einem Nachverbrenner nach der nerbetrieb nicht örtlich zu fett ausfällt. Dies wird Erfindung, gleichfalls durch die nachstehend noch beschriebene

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht des Brennstoffregeleinrichtung erreicht. Nachverbrenners mit den nach der Erfindung ange- Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung der Sprühordneten Sprühstangen, 35 Stangengruppen mit der zugehörigen Brennstoff-Fig. 3 eine schematische Darstellung der Brenn- verteilungseinrichtung. Die von den Sprühstangenstoffverteilungseinrichtung für den Nachverbrenner gruppen eingenommenen Sektoren sind schematisch von Fig. 2, durch die Dreiecke 23 und 24 veranschaulicht. Wenn Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen die allgemeine Aufteilung von Fig. 2 vorausgesetzt Ausführungsform der Brennstoffverteilungseinrich- 40 wird, entsprechen die Sektoren 24 den Sprühstangentung und gruppen 20 und 21, die mit dem Verteiler 22 verbun-Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Brenn- den sind, und die Sektoren 23 entsprechen den Sprühstoffverteilungseinrichtung für eine abgeänderte An- Stangengruppen 17 und 18, die mit dem Verteiler 19 Ordnung der Sprühstangen. verbunden sind.

Fig. 1 zeigt ein Turbostrahltriebwerk mit einem 45 Durch die Größe der Sektoren ist in Fig. 3 ferner Lufteintritt 10, einem Axialstromverdichter 11, den angedeutet, daß jede Sprühstangengruppe etwa einen Brennkammern 12, einem Turbinenabschnitt 13 und Quadrant des Querschnitts des Abgasrohres 14 eineinem Abgasrohr 14, das einen Nachverbrenner ent- nimmt.

hält und in einer Düse 15 endet. Der zusätzliche Der Brennstoff wird aus einem Brennstoffbehälter Brennstoff für den Nachverbrennerbetrieb wird durch 50 mittels einer Pumpe 25 einer Brennstoffregeleinrich-Spriihstangen 16 eingespritzt, die in der Strömungs- tung 26 zugeführt. Diese Brennstoffregeleinrichtung richtung hinter der Turbine in einer zum Abgasrohr 26 kann je nach der Ausführung und den Anwen-14 querliegenden Ebene angeordnet sind. dungsbedingungen des Triebwerks in verschieden-Die Sprühstangen des Satzes 16 können ent- artiger Weise ausgeführt sein; sie enthält Einrichtunsprechend der Darstellung von Fig. 2 angeordnet sein. 55 gen, denen verschiedene für die Brennstoffzufuhr Der Sprühstangensatz ist der Querschnittsform des wichtige Größen oder Signale zugeführt werden und Abgasrohres 14 angepaßt, bei dem gezeigten Beispiel auf Grund dieser Signale die richtige Brennstoffmenge also kreisförmig. Die einzelnen Sprühstangen sind in berechnen, welche über die Leitung 27 zu einem Gruppen 17, 18, 20, 21 unterteilt, die jeweils einen Verzweigungspunkt gefördert wird, an den die VerSektor einnehmen. Die beiden einander diametral 60 teiler 19 und 22 angeschlossen sind, gegenüberliegenden Gruppen 17 und 18 sind an einen Als Beispiel ist in Fig. 3 angenommen, daß der gemeinsamen Brennstoffverteiler 19 und die beiden Brennstoffregeleinrichtung 26 als Signale der Druck anderen Gruppen 20 und 21 an einen gemeinsamen an der Austrittsseite des Verdichters über die Lei-Brennstoffverteiler 22 angeschlossen. tung 28 und die Stellung des Gashebels 30 über die

Bei dem Beispiel von Fig. 2 erstrecken sich die 65 Stellerleitung 29 zugeführt werden.

Gruppen 17 und 18 über einen wesentlich größeren Das Einschalten des Nachverbrenners, das in den

Sektorwinkel als die Gruppen 20 und 21, und sie Sektoren 24 beginnt, kann von Hand oder automa-

enthalten entsprechend mehr Sprühstangen. Ferner tisch mit Hilfe des Gashebels 30 erfolgen, der über

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die Steuerleitung 29 ein entsprechendes Signal an die weise das Strömungsteilerventil 34 das Verhältnis der Brennstoffregeleinrichtung 26 übermittelt. Sobald Aufteilung des Brennstoffs derart ändern, daß die dieses Signal eintrifft, wird von der Brennstoffregel- Sektoren 23 einen größeren Anteil als die Sektoren 24 einrichtung 26 die errechnete Brennstoffmenge über empfangen. Dadurch wird ein überfettes Treibstoffden Verteiler 22 den Sektoren 24 zugeführt und durch 5 Luft-Gemisch in den Sektoren 24 vermieden, wenn die zugehörigen Sprühstangen in das Abgasrohr ein- dort bei erhöhter Brennstoffzufuhr nahezu ein stöchiogespritzt. Diese anfängliche sektorweise Einspritzung metrisches Gemisch erreicht ist. gewährleistet das richtige Treibstoff-Luft-Verhältnis Abgesehen von der zusätzlichen Wirkung des Strö-

für die Zündung mit einem maximalen Verbrennungs- mungsteilerventils 34 entspricht der Betrieb der Anwirkungsgrad und einer sehr geringen Steigerung des io Ordnung von Fig. 4 völlig dem zuvor beschriebenen Schubs beim Einschalten. Betrieb der Anordnung von Fig. 3.

Der vom Brennstoffregler 26 abgegebene Brennstoff In Fig. 5 ist eine Brennstoffverteilungseinrichtung

würde auch in die Leitung 31 eintreten, über welche dargestellt, welche den Brennstoff gemäß dem zuvor der Verteiler 19 angeschlossen ist. Damit zunächst beschriebenen Prinzip auf eine noch größere Anzahl eine Brennstoffzufuhr zu den Sektoren 23 verhindert 15 von Sektoren verteilt. Dies läßt besonders gut die Anwird, ist zwischen dem Verteiler 19 und dem Brenn- passungsfähigkeit der beschriebenen Anordnung an stoffregier 26 ein Brennstoffwählventil 32 eingefügt. verschiedenartige Betriebsbedingungen erkennen. Dieses Brennstoffwählventil 32 ist zunächst geschlos- Zusätzlich zu den bereits früher vorhandenen Sek-

sen, so daß den Sektoren 23 kein Brennstoff züge- toren 23 und 24 sind zwei weitere Sektorenpaare 38 führt wird. Eine Steuerleitung 33 verbindet das 20 und 39 vorgesehen, welche jeweils an einen gemein-Brennstoffwählventil 32 mit dem Gashebel 30 in der samen Verteiler 36 bzw. 37 angeschlossen sind. Diese Weise, daß das Brennstoffwählventil bei stärkerer beiden Verteiler sind über eine Leitung 35 mit dem öffnung des Gashebels geöffnet wird, so daß Brenn- einen Ausgang des Strömungsteilerventils 34 verbunstoff zu den Sektoren 23 gelangt. Natürlich kann das den, während die beiden Verteiler 19 und 22 an den öffnen des Brennstoffwählventil über die Leitung 33 25 anderen Ausgang des Strömungsteilerventils 34 angewahlweise automatisch oder von Hand erfolgen. Eine schlossen sind. Dem Verteiler 36 ist ein Brennstoffautomatische Steuerung ergibt den Vorteil, daß der wählventil 40 vorgeschaltet, das über eine Steuer-Pilot nicht auf das richtige Einschalten der zusatz- leitung 41, ebenso wie das Brennstoffwählventil 32 liehen Sprühstangengruppen zu achten braucht. des Verteilers 19, mit dem Gashebel 30 verbunden

Bei der Anordnung von Fig. 3 wird also der für 30 ist. Das Brennstoffwählventil 40 steuert die Brennden jeweiligen Betriebszustand errechnete Brennstoff stoffzufuhr zu den Sektoren 38 unter der Wirkung des zunächst nur über die Sektoren 24 eingespritzt. Wenn Gashebels 30.

noch stärkere Anforderungen an die Schubkraft ge- Man hat somit bei der Anordnung von Fig. 5 ein

stellt werden, erhöht die Brennstoffregeleinrichtung 26 primäres Sprühstangensystem, das aus den Sektoren zunächst die Brennstoffzufuhr zu diesen Sektoren, 35 23 und 24 besteht, und ein sekundäres Sprühstangen- und bei einem bestimmten Punkt erfolgt schließlich system, zu dem die Sektoren 38 und 39 gehören. Daeine zusätzliche Einspritzung über die Sektoren 23, bei ist zu bemerken, daß die Sektoren in den beiden so daß dann eine weitere Erhöhung der Brennstoff- Systemen verschieden ausgebildet sein können und zufuhr über den gesamten Querschnitt des Abgas- sich auch verschiedenartig überlappen können, wie in rohres wirksam wird. Dadurch wird erreicht, daß der 40 Fig. 5 durch die verschiedene Form der Dreiecke Brennstoff stets unter den günstigsten Bedingungen schematisch angedeutet ist. Der zugeführte Brennstoff vollständig verbrannt wird und daß der zusätzliche wird durch das Strömungsteilerventil 34 auf die beiSchub sehr allmählich ansteigt. den Systeme aufgeteilt.

Fig. 4 zeigt eine etwas andere Ausführungsform Beim Einschalten des Nachverbrenners wird zu-

der Sprühstangensektoren und der zugehörigen 45 nächst Brennstoff nur zu den Sektoren 24 gefördert. Brennstoffverteilungseinrichtung. In diesem Fall ist Bei Erhöhung der Brennstoffzufuhr zweigt das Ströangenommen, daß die Sektoren 23 sich über einen mungsteilerventil einen zuvor festgelegten Anteil des größeren Winkel als die Sektoren 24 erstrecken und Brennstoffs zu der Leitung 35 ab, von welcher er zudaß sich die Sektoren gegenseitig überlappen. Der nächst nur zu den Sektoren 39 gelangt. Wie aus der Vorteil dieser Anordnung, die etwa der Darstellung 50 schematischen Darstellung erkennbar ist, ergeben die von Fig. 2 entspricht, beruht darin, daß der ein- Sektoren 39 eine Verbreiterung des wirksamen Sekgespritzte Treibstoff breiter gestreut wird als bei dem torquerschnitts. Bei weiterer Steigerung der Brenn-Ausführungsbeispiel von Fig. 3. Ferner ist bei der stoffzufuhr wird das Ventil 32 geöffnet, so daß zuAnordnung von Fig. 4 zwischen der Brennstoffregel- sätzlich die Sektoren 23 in Tätigkeit treten, und einrichtung 26 und den Verteilern 19 und 22 ein 55 schließlich können durch Öffnen des Ventils 40 noch druckabhängiges Strömungsteilerventil 34 eingeschal- die Sektoren 38 eingeschaltet werden. Somit ergibt tet, das den Brennstoff in einer zuvor festgelegten sich bei allmählicher Steigerung der Brennstoffzufuhr Weise auf die beiden Verteiler verteilt. Das Strö- eine sehr allmähliche Verbreiterung der wirksamen mungsteilerventil 34 kann ein an sich bekanntes Sektorquerschnitte.

druckabhängiges Ventil sein, das derart einstellbar 60 Die in Fig. 5 dargestellte weitere Aufteilung der ist, daß die zugeführte Brennstoffmenge in einem be- Sprühstangen ermöglicht eine noch bessere Anpassung stimmten Verhältnis an den beiden Ausgängen abge- an extreme Betriebsbedingungen, insbesondere dann, geben wird. Darüber hinaus ist es möglich, das Brenn- wenn die zuzuführende Brennstoffmenge in einem stoffteilerventil 34 derart druckabhängig auszubilden, sehr großen Bereich veränderlich ist. In diesem Fall daß sich das Verhältnis der Aufteilung in Abhängig- 65 müssen die Sprühstangen so ausgelegt sein, daß sie keit von der zugeführten Brennstoffmenge ändert. bei der Zufuhr des Minimums der Brennstoffmenge

Wenn also bei voll eingeschalteten Sprühstangen- noch richtig arbeiten. Bei Verwendung von nur zwei gruppen die Brennstoffzufuhr ansteigt, kann beispiels- Sektorenpaaren gemäß Fig. 3 und 4 kann es dann

sein, daß die maximale Brennstoffmenge mit dem verfügbaren Druck nicht mehr durch diese Sprühstangen eingespritzt werden kann. In diesem Fall empfiehlt sich die Hinzufügung eines sekundären Sprühstangensystems gemäß Fig. 5; in entsprechender Weise kann durch noch weitere Aufteilung ein tertiäres Sprühstangensystem hinzugefügt werden.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Brennstoff verteilungseinrichtung für den Nachverbrenner eines Strahltriebwerks, mit einer Anzahl von radial verlaufenden Sprühstangen, die im wesentlichen in einer quer zur Längsachse des Nachverbrennungsabschnitts liegenden Ebene angeordnet sind, und mit Brennstoffregeleinrichtungen, die den Sprühstangen die richtige Brennstoffmenge zumessen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühstangen in Gruppen (17, 18, 20, 21) unterteilt sind, die jeweils einen Sektor (23, 24) des Querschnitts des Nachverbrennungsabschnitts (14) einnehmen, daß jede Sprühstangengruppe (17, 18, 20, 21) über einen Verteiler (19, 22) mit der Brennstoffregeleinrichtung (26) verbunden ist und daß wenigstens einem Verteiler (19) ein Brennstoffwählventil (32) zugeordnet ist, mit dem die Brennstoffzumessung zu der angeschlossenen Sprühstangengruppe (23) steuerbar ist.

2. Brennstoffverteilungseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Sprühstangengruppen gebildeten Sektoren sich gegenseitig überlappen.

3. Brennstoffverteilungseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Sprühstangengruppen gebildeten Sektoren etwa Quadranten des Querschnitts des Nachverbrennungsabschnitts entsprechen.

4. Brennstoffverteilungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein druckabhängiges Strömungsteilerventil (34) zwischen der Brennstoffregeleinrichtung (26) und den Verteilern (19, 22) vor dem Brennstoffwählventil (32) liegt.

5. Brennstoffverteilungseinrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das druckabhängige Strömungsteilerventil (34) die Brennstoffregeleinrichtung (26) mit einer primären (19, 22) und einer sekundären (36, 37) Brennstoffverteilungseinrichtung verbindet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1 075 220,

012 336;
britische Patentschriften Nr. 777 960, 776 672,

577 062.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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