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Brennkammer, insbesondere für Strahltriebwerke Die Erfindung bezieht
sich auf eine Brennkammer, insbesondere für Strahltriebwerke mit einem in einem
festen äußeren Gehäuse gelagerten Flammrohr, dessen stromoberseitiges Ende mit einer
Einlaßöffnung ausgestattet ist und mit einem an dem äußeren Gehäuse festgelegten
Wandabschnitt, der innerhalb des Einlasses liegt und in diesem einen ringförmigen
Spalt konzentrisch zur Achse des Flammrohres bildet, um die Kühlluftströmung nach
der gesamten inneren Wandoberfläche des Flammrohres zu leiten.
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Ein Problem bei der Kühlung solcher Flammrohre besteht darin, daß
die benötigte Kühlluftmenge abhängig ist von der jeweils vom Triebwerk aufgebrachten
Leistung. Wenn die Brennkammern bei hoher Triebwerksleistung, z. B. beim Start,
unter hohen Temperaturen arbeiten, werden große Mengen von Kühlluft benötigt. Wenn
das Flugzeug jedoch in großen Höhen und mit wirtschaftlicher Reisegeschwindigkeit
fliegt, ist der Brennstoffverbrauch und deshalb die Temperatur innerhalb der Brennkammern
wesentlich niedriger als beim Start. Wenn aber unter diesen Betriebsbedingungen
weiterhin die für den Start benötigten großen Kühlluftmengen gefördert werden, bewirkt
dies eine örtliche Abkühlung der Flamme und infolgedessen einen Abfall der Verbrennungsleistung.
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Zur Anpassung der Kühlluftströmung an die verschiedenen Leistungsbedingungen
des Triebwerkes sind bereits Ventileinrichtungen bekanntgeworden, die die auf den
Kammermantel gerichtete Kühlluftströmung in Abhängigkeit von der Temperatur zu verändern
gestatten. Hierbei wird im allgemeinen zusammen mit der Kühlluftströmung jeweils
auch gleichzeitig die Menge der Verbrennungsluft geändert, was den Nachteil hat,
daß bei Erhöhung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses und der daraus resultierenden
Erhöhung der Temperatur des Mantels die Kühlluftströmung nicht in dem erforderlichen
Maße erhöht werden kann. Wenn nämlich eine höhere Flammtemperatur erzielt werden
soll, muß weniger Verbrennungsluft zugeführt werden, was bei den bekannten Einrichtungen
gleichzeitig zu einer geringeren Kühlung führt, während bei einem höheren Anteil
von Verbrennungsluft, d. h. Absinken der Flammtemperatur, auch gleichzeitig die
Kühlwirkung erhöht wird.
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Es ist ferner bereits eine Verbrennungskammeranordnung vorgeschlagen
worden, bei welcher eine Verbindung der Innenwände einer Ringbrennkammer mittels
einer Achse erfolgt, welche an das vordere Innenblech angeschweißt ist und sich
bei Erwärmung in einem Loch verstellen kann, das in der Innenwandung angebracht
ist, die pilzförmig gestaltet ist und die Zufuhr der hinteren Primärluft und Sekundärluft
bewirkt. Hierdurch wird jedoch nur diese Innenwand von der Kühlung ausgesetzt, während
die Außenwand durch diese Kühlluftregelvorrichtung in keiner Weise beeinflußt wird,
so daß an der Außenwand unter bestimmten Betriebsbedingungen unerwünschte Temperaturverhältnisse
auftreten können. Im übrigen ist dieser Vorschlag in Verbindung mit Flammrohren
kreisförmigen Querschnitts nicht anwendbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gesamte innere Oberfläche
der rohrförmigen Wandung einer Brennkammer in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen
des Triebwerkes bzw. den herrschenden Temperaturverhältnissen wirksam zu kühlen,
wobei die zur Regelung der Kühlluft vorgesehene Vorrichtung einen störungsfreien
Betrieb gewährleistet, von geringem Gewicht ist und mit relativ geringen Kosten
hergestellt werden kann.
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Zu diesem Zweck ist eine Brennkammer der eingangs genannten Bauart
gemäß der Erfindung in der Weise ausgebildet, daß das stromunterseitige Ende des
Flammrohres gegenüber dem äußeren Gehäuse festgelegt ist und daß das stromoberseitige
Ende des Flammrohres infolge seiner axialen Beweglichkeit gegenüber dem äußeren
Gehäuse und gegenüber dem Wandabschnitt bei der thermischen Ausdehnung bzw. Zusammenziehung
des Flammrohres die Größe des Ringspaltes vergrößert bzw. vermindert. Damit wird
in der gewünschten Weise- die Kühlluftströmung
nach der gesamten
inneren Wandoberfläche des Flammrohres vergrößert und vermindert. Weitere Vorteile
und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 einen Axialschnitt einer
erfindungsgemäßen Brennkammer, F i g. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht einesTeils der in F i g. 1 dargestellten Brennkammer, F i g. 3 eine schematische
Darstellung eines Gasturbinenstrahltriebwerkes mit der in den F i g. 1 und 2 gezeigten
Brennkammer, F i g. 4 einen Schnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 5 eine Teilschnittansicht der F i g. 4 in größerer Darstellung.
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Gemäß F i g. 3 weist das Gasturbinenstrahltriebwerk eines Flugzeuges
einen Kompressor 10, Brennkammern 11 (von denen nur eine gezeigt ist),
eine Turbine 12 und ein Strahlrohr 13 auf.
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In den F i g. 1 und 2 ist im einzelnen eine der Brennkammern
11 dargestellt. Diese Brennkammer weist ein Flammrohr 14 auf, das
in einem Raum liegt, dessen Wände von dem Maschinengehäuse 15 und einer innerhalb
des Maschinengehäuses befestigten Scheidewand 16 gebildet werden. Zwischen
den Wandungen und dem Flammrohr 14 liegt ein sich in Achsrichtung erstreckender
kreisringförmiger Zwischenraum 17.
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Das Flammrohr 14 wird von vier in Achsrichtung aufeinander folgenden
Teilen 18 bis 21 gebildet. Die rückwärtigen Enden der Teile
18 bis 20 ragen in die vorderen Enden der Teile 19 bis
21 unter Zwischenschaltung eines Reifens 22 ein. Die Reifen
22 weisen axiale Wellungen auf, so daß durch den Ringraum 17 strömende
Luft zwischen den Wellungen hindurch in das Flammrohr eintreten kann.
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Das Gehäuse 15 und die Scheidewand 16 weisen Vorderabschnitte
23 bzw. 24 auf, innerhalb welcher ein Rohr 25 am äußeren Abschnitt 23 befestigt
ist. Zwischen dem Rohr 25 und den Teilen 23 und 24
ist ein Ringraum
26 vorgesehen, welcher mit dem Ringraum 17 in Verbindung steht. Etwa
am rückwärtigen Ende des Rohres 25 ist ein sich nach außen erweiternder Trichter
27 befestigt, der somit innerhalb des Einlasses in die Brennkammer einen an dem
äußeren Gehäuse 14 festgelegten Wandabschnitt bildet.
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Das Rohr 25 wird dabei von Streben 28 getragen, die an dem
Gehäuseteil 23 befestigt sind. An ihren hinteren Enden tragen die Streben
28 einen Ring 30,
der gleitend innerhalb eines Ringes 31 liegt,
welcher am Vorderende des Flammrohrabschnitts 18 angeordnet ist.
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Von demTrichter 27 erstrecken sich Stege 33 nach außen, welche
einen Ring 32 tragen, der gleitend innerhalb eines Ringes 34 liegt.
Der Ring 34 ist am Vorderende eines im wesentlichen kegelstumpfförmigen Teiles
35 befestigt, welches sich innerhalb des Flammrohrabschnitts 18 befindet.
Zwischen dem Trichter 27 einerseits und den Ringen 32, 34 andererseits befindet
sich ein ringförmiger Zwischenraum 36.
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Das rückwärtige Ende des Flammrohres 14 ist mittels einer Zapfenverbindung
37 derart an dem Gehäuse 15 befestigt, daß es gegenüber dem letzteren festgelegt
ist. Da jedoch die Ringe 30, 31 und 32, 34
gegeneinander gleiten können,
verursachen unterschiedliche Ausdehnungen oder Zusammenziehungen von Gehäuse
15 und Flammrohr 14 gleitende Relativbewegungen zwischen den Ringen
30 und 31 bzw. den Ringen 32 und 34 und demgemäß eine Änderung der Größe des ringförmigen
Zwischenraumes 36.
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In dem Rohr 25 ist ein Verwirbler 38 angeordnet, welcher mit sich
in Axialrichtung erstreckenden Kanälen 39 (F i g. 2) ausgestattet ist, welche derart
ausgebildet sind, daß sie eine Wirbelbildung der durch sie und das Flammrohr hindurchtretenden
Luft bewirken. Innerhalb des Diffusors 38 ist eine Sprühdüse 40 angeordnet,
welcher über eine Rohrverzweigung 41 und ein Rohr 42 flüssiger Brennstoff
zugeführt werden kann.
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Ein gekrümmtes Blech 43, welches mit Löchern 44 ausgestattet
ist, verbindet die rückwärtigen Enden des Rohres 25 und der Streben
28.
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F i g. 1 zeigt die Teile der Brennkammer beim Start oder anderen Betriebsbedingungen
mit hohen Temperaturen. Im Betrieb wird Luft durch den Kompressor 10 in das
Rohr 25 und in den Ringraum 26 und den Ringraum 17 gepreßt.
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Die durch das Rohr 25 hindurchtretende Luft tritt in die Primärzone
der Brennkammer ein, die innerhalb des Flammrohrabschnitts 18 liegt, und
trägt die Verbrennung des durch die Düse 40 in die Brennkammer eingespritzten
Brennstoffs.
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Die durch den Ringraum 17 strömende Luft kühlt den Außenmantel
des Flammrohres, und ein Teil dieser Luft tritt durch die Wellungen der verschiedenen
Reifen 22 hindurch und schafft benachbart zur Innenwand der Flammrohrabschnitte
19 bis 21 einen Mantel aus Kühlluft.
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Ein Teil der durch den Ringraum 26 hindurchtretenden Luft strömt
durch die Löcher 44 und den Ringraum 36 in den Flammrohrabschnitt
18, um dessen Mantel innen zu kühlen.
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Wenn das Flugzeug jedoch in großer Höhe und mit wirtschaftlichen Reisegeschwindigkeiten
fliegt, so daß die Brennstoffzuführung zur Brennkammer und infolgedessen die Temperatur
der Brennkammer vermindert wird, tritt eine Zusammenziehung des Flammrohres
14 auf. Das vordere Ende des Flammrohres wird sich deshalb nach hinten bewegen
und die Größe des Ringspaltes 36 und damit die Kühlluftströmung hierdurch vermindert.
Auf diese Weise wird eine übermäßige Kühlung der Innenwand des Abschnittes
18 bei Flügen in großer Höhe und wirtschaftlichen Reisegeschwindigkeiten
vermieden.
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Eine andere Ausführungsform ist in den F i g. 4 und 5 dargestellt,
in welchen der Verwirbler 38 weggelassen ist und die Primärluft über einen
thermisch steuerbaren Ringspalt 50 zwischen dem Trichter 51
und dem
Rohr 52 hindurchgeführt wird.
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Die Größe des Ringspaltes 50 wird als Ergebnis der Bewegung
des stromaufwärts liegenden Endes 53
des Flammrohrabschnitts 54 gegenüber
dem äußersten Punkt 55 des Trichters 51 bewirkt. Eine solche Bewegung
tritt bei der Ausdehnung und Zusammenziehung des Flammrohres auf, und zwar in gleicher
Weise wie dies unter Bezugnahme auf die vorhergehenden Figuren beschrieben wurde.
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Der ringförmige thermisch gesteuerte Spalt 50
steuert hier nicht
nur die Kühlung, sondern sucht auch große Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
zu vermindern, welche sonst in der Primärbrennzone auftreten könnten.
Bei
einer praktischen Ausführung der Erfindung wurde der Ringspalt 36 oder 50 derart
gewählt, daß die Breite x seines stromabwärts liegenden Endes Null wurde, wenn die
Brennkammer kalt war. Unter Bedingungen jedoch, die in 12000m Höhe über Meereshöhe
herrschen, öffnet sich die Spaltbreite x auf annähernd 1 mm, wenn die Drosselklappe
in der Einstellung für kleinste Reisegeschwindigkeit gehalten wird. Es ergab sich
eine bedeutende Verbesserung des Ausbrandgrades. Bei Startbedingungen in Seehöhe
ist die Brennkammer sehr viel heißer, und der Spalt beträgt dann ungefähr 2,7 mm.
Dies entspricht dem üblichen Spalt. bildet, um die Kühlluftströmung nach der gesamten
inneren Wandoberfläche des Flammrohres zu leiten, dadurch gekennzeichn e t, daß
das stromunterseitige Ende (21) des Flammrohres (14) gegenüber dem äußeren Gehäuse
(15) festgelegt ist und daß das stromoberseitige Ende (18, 35) des Flammrohres
(14) infolge seiner axialen Beweglichkeit gegenüber dem äußeren Gehäuse (15) und
gegenüber dem Wandabschnitt (27) bei der thermischen Ausdehnung bzw. Zusammenziehung
des Flammrohres (14) die Größe des Ringspaltes (36) vergrößert bzw. vermindert.