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Flammenstabilisierungseinrichtung, insbesondere für Strahltriebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, insbesondere für Strahltriebwerke,
zum Halten und Stabilisieren der Flamme in einer von einem Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit
durchströmten Brennkammer mit Hilfe eines gasförmigen Schirmes, der von quer in
den Gasstrom eindringenden Hilfsgasstrahlen gebildet wird, die aus einer oder mehreren
düsenartigen Öffnungen austreten, welche durch eine Leitung mit einer Quelle eines
verdichteten Hilfsgases, dessen Druck größer als der in der Brennkammer herrschende
Druck ist, verbunden sind und welche in einer in bezug auf die Strömungsrichtung
des Hauptgasstromes stromaufwärts geneigten Richtung in die Brennkammer münden,
wobei Mittel vorgesehen sind, welche die Speisung der düsenartigen Öffnungen zu
regeln und diese Speisung zu unterbrechen gestatten, um den gasförmigen Schirm zum
Verschwinden zu bringen, wenn er nicht mehr erforderlich ist.
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Zweck der Erfindung ist, eine Einrichtung der vorgenannten Art, die
beispielsweise als Nachbrennkammer bei Strahltriebwerken Verwendung finden kann,
derart auszubilden, daß sie eine bessere Verbrennung als bekannte Einrichtungen
gewährleistet und dadurch die nachfolgend erläuterten Vorteile zu erzielen gestattet.
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Gemäß der Erfindung ist bei einer Einrichtung der vorgenannten Art
in der die Hilfsgasquelle mit den düsenartigen Öffnungen verbindenden Leitung eine
Vorrichtung vorgesehen, die in das Hilfsgas Brennstoff einspritzt.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die in der
Verbindungsleitung vorgesehene Vorrichtung so ausgebildet, daß die in das Hilfsgas
eingespritzte Brennstoffmenge die gesamte Menge oder der größere Teil des in dem
Hauptgasstrom zu verbrennenden Brennstoffes ist.
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Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt ist aus den
nachfolgenden Ausführungen erkennbar.
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In der Brennkammer sind ein oder mehrere Injektoren angeordnet, durch
die in den durch die Brennkammer mit hoher Geschwindigkeit hindurchströmenden Gasstrom
Brennstoff eingespritzt werden kann, um eine Flamme zu erzeugen (wobei unter der
hohen Geschwindigkeit dieses Gasstromes eine solche zu verstehen ist, die größer
als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme ist). Der aus den Injektoren austretende
Brennstoff wird in dem Gasstrom rasch in Stromabwärtsrichtung mitgenommen, und zwar
in Form eines konzentrierten konischen Strahles, dessen Konzentrierung (Zusammendrängung)
um so größer ist, je höher die Strömungsgeschwindigkeit des Gases ist. Daraus ergibt
sich ein schlechtes Vermischen des Brennstoffes mit dem mit hoher Geschwindigkeit
durch die Brennkammer hindurchströmenden Gas, weil sich einerseits von den Injektoren
ausgehende konzentrierte Kernzonen, die sehr reich an Brennstoff sind, und andererseits
diese umgebende Zonen bilden, die sehr arm an Brennstoff sind. Diese schlechte Verteilung
des Brennstoffes bewirkt eine nur sehr mäßige Querausbreitung der Flamme, d. h.,
die Flamme erstreckt sich weit in Längsrichtung, und aus diesem Grund ist es erforderlich,
eine längere Brennkammer vorzusehen, wenn vermieden werden soll, daß sich die Verbrennung
über den Brennkammerauslaß hinaus erstreckt und so ein großer Teil der Verbrennung
unausgenutzt bleibt. Die längere Brennkammer bedingt aber eine Erhöhung des Gewichtes,
des Strömungswiderstandes und der Verluste.
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Wenn dagegen gemäß der Erfindung Brennstoff in das den gasförmigen
Schirm erzeugende Hilfsgas eingespritzt wird, welches im Gegensatz zu dem Hauptgasstrom
in der Brennkammer eine sehr geringe Geschwindigkeit, aber einen hohen Druck hat
und beispielsweise aus Druckluft besteht, dann wird ein Luft-Brennstoff-Gemisch
erhalten, welches aus den düsenartigen Öffnungen in die Brennkammer in Form von
Strahlen eindringt, die eine große Geschwindigkeitskomponente in Querrichtung der
Brennkammer haben. Der aus dem Luft-Brennstoff-Gemisch gebildete Schirm nimmt daher
mit seiner Bildung praktisch
den ganzen Querschnitt der Brennkammer
ein und befindet sich in einer Wirbelzone, so daß auch die Verbrennung sofort in
fast dem ganzen Querschnitt der Brennkammer beginnt. Es sind daher die günstigsten
Bedingungen für die Querausbreitung der Flamme vorhanden, und es wird praktisch
das ganze Volumen der Brennkammer ausgenutzt, was gestattet, die Länge und damit
das Gewicht der Brennkammer zu vermindern und den Strömungswiderstand und die Verluste
herabzusetzen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, daß die in
der Verbindungsleitung zwischen der Hilfsgasquelle und den düsenartigen Öffnungen
vorgesehene Vorrichtung die gesamte Menge des in dem Hauptgasstrom zu verbrennenden
Brennstoffes in das Hilfsgas einspritzen°kann, so daß die in der Brennkammer angeordneten
Injektoren in Fortfall kommen können, wobei die in der Verbindungsleitung befindliche
Einspritzvorrichtung gegen die durch die Brennkammer hindurchströmenden heißen und
korrodierend wirkenden Gase geschützt ist und von dem kalten Hilfsgas umspült wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an einigen Beispielen
näher erläutert.
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F i g. 1 ist eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform einer
Flammenstabilisierungseinrichtung gemäß der Erfindung; F i g. 2 ist eine Längsschnittansicht
einer weiteren Ausführungsform einer Flammenstabilisierungseinrichtung gemäß der
Erfindung; F i g. 3 ist eine Querschnittansicht nach der Linie III-III der F i g.
2; F i g. 4 ist eine Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Flammenstabilisierungseinrichtung
gemäß der Erfindung.
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Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in einer
Brennkammer 3 ein Injektor 1 angeordnet, der in einen durch die Brennkammer mit
hoher Geschwindigkeit (von links nach rechts gemäß F i g. 1) hindurchströmenden
Gasstrom Brennstoff in Gegenstromrichtung einspritzt, um in ihm eine Flamme zu erzeugen.
Stromab des Injektors 1 ist ein stromlinienförmig gestalteter hohler Ring 4 angeordnet,
der durch Arme 5 an der Wandung der Brennkammer 3 abgestützt ist. Das Innere des
Ringes 4 ist durch eine mit einem Hahn 7 versehene Leitung 6 mit einer Quelle eines
verdichtenden Hilfsgases. verbunden, dessen Druck größer als der in der Brennkammer
herrschende Druck ist. Der hohle Ring 4 ist an seiner Innenseite mit einer gegen
den Hauptgasstrom geneigten düsenartigen Öffnung in Form eines durchgehenden Schlitzes
8 versehen, der sich um die Achse a-a des Ringes erstreckt. Wenn der Ring
ein Umdrehungskörper ist, liegt der Schlitz 8 auf einem Kreis, dessen Ebene rechtwinklig
zur Achse a-a steht.
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Wenn der in der Leitung 6 angeordnete Hahn 7 geöffnet wird, strömt
Hilfsgas aus dem düsenartigen Schlitz 8 gegen die Achse a-a des Ringes 4 aus und
erzeugt so einen gasförmigen Schirm innerhalb des Ringes, wie dies in F i g. 1 durch
die Pfeile f angedeutet ist. Dieser gasförmige Schirm bildet für den Hauptgasstrom
ein Hindernis, welches hinter sich eine Wirbelzone entstehen läßt, durch welche
die Flamme festgehalten und stabilisiert wird, die sich gemäß einer konischen Front
entwickelt, wie dies in F i g. 1 durch die gestrichelten Linien f 1 angedeutet ist.
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In der .die Hilfsgasquelle mit dem Hohlraum des Ringes 4 verbindenden
Leitung 6 ist eine Vorrichtung 1 a angeordnet, die in das durch die Leitung 6 bei
geöffnetem Hahn 7 hindurchgehende Hilfsgas Brennstoff in einer Menge einspritzt,
die einen größeren Teil des in dem Hauptgasstrom zu verbrennenden Brennstoffes bildet,
dessen restlicher Teil durch den in der Brennkammer 3 angeordneten Injektor 1, eingeführt
wird. Jedoch kann gegebenenfalls die Vorrichtung la auch so ausgebildet sein, daß
sie die Gesamtmenge des in dem Hauptgasstrom zu verbrennenden Brennstoffes in das
Hilfsgas einspritzt, so daß der Injektor 1 in Fortfall kommen kann.
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Der von dem Schlitz 8 erzeugte, aus mit Brennstoff versetztem Hilfsgas
bestehende Schirm kann, wenn er nicht mehr erforderlich ist, durch einfaches Schließen
des Hahnes 7 zum Verschwinden gebracht werden.
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Bei dem in F i g. 2 und 3 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel weist
die Flammenstabilisierungseinrichtung eine Reihe von profilierten radialen Hohlarmen
10 auf, deren innere Enden mit einem stromlinienförmig gestalteten Körper 11 verbunden
sind. Die Arme 10 können gegen die Achse a-a der Brennkammer 3 geneigt sein und
von einem Arm zum anderen eine verschiedene Neigung besitzen. Die Arme
10
sind über den stromlinienförmigen Körper 11 und ein oder mehrere mit Hähnen
7 versehene Leitungen 6 mit einer Quelle für verdichtetes Hilfsgas verbunden. Die
Speisung der Arme mit dem unter Druck stehenden Hilfsgas kann auch über einen am
Umfang liegenden ringförmigen Verteilerraum erfolgen.
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Jeder Arm 10 ist auf seiner Länge mit einer düsenartigen Öffnung
in Form eines durchgehenden Schlitzes 8 versehen, der gegen den Hauptstrom gerichtet
ist. Die beiden Kanten des Schlitzes können parallel zueinander verlaufen. Es ist
aber vorzuziehen, daß die Breite des Schlitzes mit größer werdendem Abstand von
der Achse der Brennkammer zunimmt, um dadurch das Volumen der hinter dem Schlitz
erzeugten Wirbelzone entsprechend der Zunahme des Radius anzupassen.
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Für die Zufuhr von Brennstoff sind in der Brennkammer 3 Injektoren
1 und in der Hilfsgasleitung 6 Injektoren la angeordnet.
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Es ist von Vorteil, die die Hilfsgasschirme erzeugenden düsenartigen
Schlitze 8 der Arme 10 vor dem äußeren Ende der Arme endigen zu lassen. Auf diese
Weise wird am Umfang der Brennkammer eine wirbelfreie ringförmige Strömungszone
erhalten, wie sie in F i g. 2 bei 12 angedeutet ist, in welche sich die Flamme nur
schwer ausbreiten kann. Dadurch wird eine am Umfang liegende isolierende Gashülle
von verhältnismäßig niedriger Temperatur aufrechterhalten, welche einen Wärmeschutz
für die Wandung der Brennkammer 3 bildet.
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Bei dem in F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in dem
Endteil der Wandung einer Brennkammer 3, der einem Injektor 1 zum Einspritzen von
Brennstoff in den Hauptgasstrom (Pfeile 2) zugekehrt ist, eine oder mehrere aufeinanderfolgende
Reihen kleiner düsenartiger Öffnungen 8 von zweckentsprechender Gestalt vorgesehen,
denen aus einer mit einer Hilfsgasquelle verbundenen und mit einem Hahn 7 versehenen
Leitung 6 über einen ringförmigen Verteilerraum 16 bei geöffnetem Hahn verdichtetes
Hilfsgas zugeführt wird, welches am Eingang der Brennkammer 3 einen aus einer Vielzahl
von fächerförmigen Hilfsgasstrahlen gebildeten Schirm erzeugt, der bewirkt, daß
sich eine konische Flammenfront entwickelt, wie dies in F i g. 4 durch die Pfeile
f 1 angedeutet
ist. In der Leitung 6 ist wieder eine Vorrichtung
1 a angeordnet, mittels deren ein Teil oder die Gesamtmenge des in dem Hauptgasstrom
zu verbrennenden Brennstoffes in das Hilfsgas eingespritzt werden kann.
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Die Brennkammer 3 ist von einem Außenmantel 18 umgeben, der mit der
Brennkammer durch Streben 19 verbunden ist und gestattet, aus dem Hauptgasstrom
bei 20 einen Teilstrom abzuzweigen, der durch den Zwischenraum zwischen dem Mantel
18 und der Brennkammer 3 hindurchgeht und sich bei 21 wieder mit dem Gasstrom vereinigt.
Dieser äußere Gasumlauf, der zum Kühlen der Brennkammer dient, geht auf Grund des
thermischen Druckabfalls zwischen dem vorderen und hinteren Ende der Brennkammer
von selbst vor sich.