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Verbrennungseinrichtung Das Hauptpatent betrifft eine Einrichtung
zum Verbrennen eines Brennstoffes in einem gasförmigen, mit hoher Geschwindigkeit
strömenden Verbrennungsmedium, insbesondere Brennkammer von Gasturbinenstrahltriebwerken,
mit einem Flammhalter.
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Wie im Hauptpatent ausgeführt, ist die Verwendung eines in verschiedensten
Ausführungen bekannten Flammhalters bei Verbrennung eines Brennstoffs in einem gasförmigen,
mit hoher Geschwindigkeit strömenden Verbrennungsmedium erforderlich, um die Bildung
und das Aufrechterhalten bzw. Stabilisieren der Flamme zu ermöglichen. Die Flamme
nimmt jedoch hinter dem Flammhalter eine konzentrierte, langgestreckte Gestalt an.
Dadurch wird der in der Brennkammer zur Verfügung stehende Querschnitt nur ungenügend
ausgenutzt, so daß zur Erzielung einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung
eine verhältnismäßg lange Brennkammer erforderlich ist.
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Diese Nachteile werden gemäß dem Hauptpatent dadurch beseitigt, daß
stromab des Flammhalters eine Vorrichtung angeordnet ist, die eine Vielzahl von
stark eindringungsfähigen Einzelstrahlen mit einem Druck, der größer als der örtliche
Gesamtdruck des Verbrennungsmediumstromes ist, aus Blasöffnungen in einer quer zu
dem Strom oder schräg gegen den Strom verlaufenden Richtung austreten läßt. Dabei
können die Blasöffnungen beispielsweise in innerhalb der Brennkammer angeordneten
Teilen vorgesehen sein.
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Der der Ausführung gemäß dem Hauptpatent zugrunde liegende Gedanke
besteht darin, hinter dem Flammhalter die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme
quer zur Strömungsrichtung des Verbrennungsmediums zu erhöhen. Die Vielzahl von
stark eindringungsfähigen Einzelstrahlen, die aus den Blasöffnungen quer zu dem
Strom oder schräg gegen den Strom austreten, erzeugen in diesem eine Vielzahl von
Wirbelzonen, in denen sich die Flamme leicht fortpflanzt, so daß die Flammenfront
rasch über den ganzen Querschnitt der Brennkammer ausgebreitet wird.
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Ein durch den Gegenstand des Hauptpatentes erzielter Vorteil besteht
darin, daß die zur Erzielung einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung des
Brennstoffes in dem mit hoher Geschwindigkeit strömenden Verbrennungsmedium erforderliche
Baulänge der Brennkammer erheblich verringert werden kann, wobei gleichzeitig eine
bessere Ausnutzung des verfügbaren Querschnitts erreicht wird. Dies ist insbesondere
bei Luftfahrzeugen von Bedeutung, bei denen ein Interesse dafür besteht, den Raumbedarf
für die Triebwerke auf ein Minimum herabzusetzen und infolgedessen eine vollständige
Verbrennung in möglichst kleinem Volumen zu erreichen.
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Ein weiterer Vorteil des Gegenstandes des Hauptpatentes besteht darin,
daß durch die rasche Ausbreitung der Flamme quer zur Strömungsrichtung die Heftigkeit
der Verbrennung erhöht wird, weil allgemein nur ein kurzer Weg für die Gase vorgesehen
ist, um den ganzen Brennstoff zu verbrennen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine vorteilhafte Weiterbildung
des Gegenstandes des Hauptpatentes. Dabei wird ausgegangen von einer Ausführung
gemäß dem Hauptpatent, bei welcher die Einzelstrahlen aus in innerhalb der Brennkammer
angeordneten Teilen vorgesehenen Blasöffnungen in einer schräg gegen den Strom verlaufenden
Richtung austreten gelassen werden. Eine solche Verbrennungseinrichtung ist gemäß
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Blasöffnungen für die Einzelstrahlen
im Innern der Flammenzone angeordnet sind und die Bewegungsgröße der Einzelstrahlen
so bemessen ist, daß die Einzelstrahlen an der Grenzlinie der Flamme tangential
in den Hauptstrom umbiegen. Bei der Erfindung durchströmen die Einzelstrahlen auf
ihrem Weg eine in voller Verbrennung befindlich
Zone, und die von
ihnen hervorgerufene Wirbelung ist derart, daß die zur Erzielung einer und derselben
Fortschreitungsgeschwindigkeit aufgewandte Energie erheblich kleiner sein kann als
bei der Anordnung gemäß dem Hauptpatent.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die Blasöffnungen
innerhalb der Flammenzone mehrere gestaffelte Gruppen.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
stromab des Flammhalters, aber stromauf der Blasöffnungen, ein Brennstoffinjektor
im Hauptstrom angeordnet. Eine solche Ausführung hat einen sehr günstigen Einfluß
auf die Stabilität der hinter dem Flammhalter entstehenden Zündflamme.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
erläutert, in welcher die F i g.1 bis 5 schematisch gehaltene axiale Teilschnittansichten
von Brennkammern sind, die mit einer Verbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung
versehen sind.
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Bei der Ausführungsform gemäß F i g.1 wird die Brennkammer 3, von
welcher angenommen ist, daß sie ein zylindrischer Umdrehungskörper um die Achse
A -A ist, von einem Sauerstoffträger in der Richtung der Pfeile f
mit großer Geschwindigkeit durchströmt. Der Sauerstoffträger kann ein aus der Turbine
eines Strahltriebwerks kommendes Gemisch von Gas und Luft sein, wobei dann die Kammer
3 eine Nachbrennungskammer ist, in welcher der durch Injektoren 1 zerstäubte Brennstoff
auf einer. möglichst kleinen Strecke verbrannt werden soll.
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In der Achse A -A der Brennkammer 3 ist ein Flammhalter in
Form eines Stabilisierungsschirmes 5 angeordnet, welcher auf Grund der von ihm erzeugten
Stromspur Stabilisierung der Flamme trotz der hohen Geschwindigkeit des Hauptstromes
in der Kammer 3 ermöglicht. Hinter dem Flammhalter 5 ist ein Hohlkörper 31 angeordnet,
welcher ebenfalls einen Umdrehungskörper um die Achse A-A darstellt und mit auf
Parallelkreisen des Körpers 31 liegenden Blasöffnungen 32 versehen ist. Das Innere
des Körpers 31 ist durch eine nicht dargestellte Rohrleitung mit einer Druckluftquelle
verbunden, deren Gesamtdruck größer als der statische Druck des die Kammer 3 durchströmenden
Mediums in der Nähe der Blasöffnungen 32 ist. Diese Druckluftquelle kann z. B. der
Luftverdichter des Strahltriebwerkes sein.
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Der Körper 31 liegt in einer solchen Entfernung hinter dem Flammhalter
5, daß nicht nur der Körper 31 von der sich gemäß einer im wesentlichen konischen
Fläche 33 entwickelnden Flamme vollständig umgeben ist, sondern daß auch die Mündungen
der Blasöffnungen 32 in einem gewissen Abstand von dem Rand der Flamme liegen. Die
aus den Blasöffnungen 32 austretenden Luftstrahlen f, strömen daher durch eine Zone
von in voller Verbrennung befindlichem Gas, wobei sie vom Innern der Flamme nach
außen in Richtung auf die Flammenfront fortschreiten. Offensichtlich suchen die
unter diesen Bedingungen erzeugten Luftstrahlen die Flammenfront zu verbreitern.
Sie reißen aus dem von dem Sauerstoffträger und dem Brennstoff gebildeten Gemisch,
welches noch nicht die Flammenfront erreicht hat, aktive Produkte mit, deren hohe
Temperatur und hoher Reaktionsgrad neue Reaktionen begünstigen. Ferner bewirkt der
Einbruch dieser Frischluftstrahlen in die in Verbrennung befindlichen Gase eine
Beschleunigung von Reaktionen, welche sonst langsam verlaufen würden.
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Es hat sich gezeigt, daß hinter dem Flammhalter 5 eine Wirbelzone
auftritt, in welcher die Gase entsprechend den Pfeilen f2 von hinten nach vorn zurückströmen.
Die Flamme setzt stromabwärts von dieser Zone hinter einem eingeschnürten Teil 34
an. Es ist zweckmäßig, daß die Blasöffnungen 32 hinter dieser Zone münden.
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Der Impuls der aus den Blasöffnungen 32 austretenden Strahlen f1 kombiniert
sich mit dem Impuls des Hauptstromes in der Brennkammer 3, so daß die Bahn der Luftstrahlen
in der Richtung dieser Strömung gekrümmt wird. Diese Bahn erreicht die Flammenoberfläche
33 in einer zu dieser Oberfläche etwa tangential verlaufenden Richtung. Die beiden
Faktoren, welche zur Herbeiführung dieser Wirkung herangezogen werden können, sind
einerseits die Lage der Blasöffnungen 32, welche schräg gegen die Hauptströmung
gerichtet sind, und andererseits der Druck der in dem Hohlkörper 31 eingeführten
Luft zum Bemessen der Bewegungsgröße der Einzelstrahlen.
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Der Flammhalter kann von beliebiger Ausbildung sein.
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Bei den Ausführungsformen gemäß den F i g.1, 4 und 5 hat der Flammhalter
die Form eines konischen Körpers, dessen Achse mit der Achse A -A
der Brennkammer zusammenfällt.
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Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 wird der Flammhalter durch
einen Mediumschirm gebildet, der durch Gasstrahlen erzeugt wird, welche aus Düsen
5 a eines hohlen Rotationskörpers 5 b mit der Achse A-A austreten, wobei
diese Düsen getrennte, auf einem Parallelkreis des Körpers 5 b liegende öffnungen
oder eine kontinuierliche Öffnung in Form eines kreisförmigen Schlitzes darstellen
können.
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Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist der Flammhalter 5 c ein
fester Schirm in Form eines Ringes mit der Achse A -A, wobei der die Düsen
32 tragende Hohlkörper 31 dann ebenfalls die Form eines Ringes gleichen Durchmessers
hat.
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Die Flammhalter und die mit den Blasöffnungen versehenen Körper können
auch durch radiale Arme gebildet werden. In diesen verschiedenen Fällen sind die
geometrischen Formen des Flammhalters und des Blasöffnungsträgers in ihren entsprechenden
Querschnitten einander gleich.
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F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher mehrere mit Blasöffnungen
versehene Körper zur Verbreiterung des Flammensaumes vorgesehen sind. Hinter dem
in der oben beschriebenen Weise ausgebildeten Hohlkörper 31 folgen weitere Hohlkörper
31 a, 31 b mit Blasöffnungen 32 a bzw. 32 b, welche wie die Blasöffnungen
32 des Körpers 31 innerhalb der Flamme und in einem gewissen Abstand von dem Flammensaum
münden. An den Körpern 31 a und 31 b brauchen natürlich die Blasöffnungen 32 a bzw.
32 b nur auf der dem Flammensaum zugewandten Seite vorhanden zu sein.
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Bei dem in F i g. 2 dargestellten Beispiel wird durch mit Hähnen oder
Ventilen 37 versehene Rohrleitungen 36 die Regelung der Speisung der Hohlkörper
5 b und 31 mit Luft gestattet.
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Die Einzelstrahlen können statt durch Luft auch durch ein anderes,
einen reinen Sauerstoffträger darstellendes Gas gebildet werden; sie können auch
durch einen vorher mit Brennstoff gemischten
Sauerstoffträger gebildet
werden, wie dies im Hauptpatent beschrieben ist, so daß diese Strahlen den in der
Verbrennungskammer zu verbrennenden Brennstoff ganz oder teilweise in die Verbrennungskammer
einführen. F i g. 3 zeigt einen derartigen Fall, wo 36 eine Luftzufuhrleitung mit
Regelventil 37 bedeutet und mit 38 ein Brennstoffinjektor bezeichnet ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 ist ein Brennstoffinjektor
35 vorgesehen, welcher unmittelbar hinter dem Flammhalter 5 in dessen Stromspur
liegt. Es hat sich gezeigt, daß diese Anordnung einen sehr günstigen Einfluß auf
die Stabilität der hinter dem Flammhalter entstehenden Zündflamme hat. Hierdurch
läßt sich der Bereich für den Gehalt der Hauptströmung, der mit der Aufrechterhaltung
der Zündflamme vereinbar ist, vergrößern.