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Zusatzverbrennungsvorrichtung für die Aufheizung der Gase eines Turbinenstrahltriebwerkes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zusatzverbrennungsvorrichtung für die Aufheizung
der Gase eines Turbinenstrahltriebwerks in einer zur Ablenkung der Triebwerksgase
aus der horizontalen in eine vertikale Strömungsrichtung kontinuierlich verstellbaren
Strahlablenkvorrichtung, die im wesentlichen bogenförmig von den Gasen durchströmt
wird, wobei die Zusatzverbrennungsvorrichtung in der Strömungsrichtung der Triebwerksgase
fest vor der Strahlablenkvorrichtung angeordnet ist und mehrere Brennstoffeinspritzmittel
mit voneinander gesonderten Brennstoffzufuhren aufweist.
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Eine Zusatzverbrennungseinrichtung der Gase eines Turbinenstrahltriebwerkes
mit einer dieser nachgeschalteten Strahlablenkvorrichtung ist beispielsweise durch
die deutsche Auslegeschrift 1 150 879 bekanntgeworden. Die darin offenbarte Strahlablenkvorrichtung
besteht im wesentlichen aus einem festen, hinten abgeschrägten Rohrzylinder, der
sich in horizontaler Lage mit seiner Einlaßöflnung an die Zusatzverbrennungseinrichtung
des Triebwerks anschließt. Über den festen Rohrzylinder ist hierbei ein mit einer
Schubdüse versehener Rohrkrümmer schwenkbar, wodurch die Triebwerksgase eine horizontale
Austrittsrichtung aus der Schubdüse erfahren, während zur Erzeugung einer nach hinten
unten geneigten Austrittsrichtung der Gase der Rohrkrümmer mit seiner Einlaßöffnung
an das abgeschrägte hintere Ende des festen Rohrzylinders sich anschließt.
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Es sind aber auch Strahlablenkvorrichtungen, beispielsweise bestehend
aus gegeneinander verdrehbaren Rohrabschnitten oder übereinander schiebbaren Krümmersegmenten,
bekanntgeworden, um die mittels einer Zusatzverbrennungsvorrichtung nachverbrannten
Gase eines Triebwerkes aus einer horizontalen vorzugsweise in eine vertikale Strömungsrichtung
abzulenken.
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Alle genannten Strahlablenkvorrichtungen werden von den Gasen zu deren
Ablenkung aus der horizontalen und eine nach hinten unten geneigte oder vertikale
Strömungsrichtung im wesentlichen bogenförmig durchströmt.
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Bei Einschaltung der Zusatzverbrennungsvorrichtung zur Nachverbrennung
der Triebwerksabgase hat es sich als äußerst schwierig herausgestellt, die hierbei
sich einstellenden hohen Temperaturen innerhalb der Strahlablenkvorrichtung zu beherrschen.
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Insbesondere eine Endstellung der Strahlablenkvorrichtung für den
Vertikalflug und deren damit verbundene, im wesentlichen bogenförmige Durchströmung
hat ergeben, daß der bei gleichmäßiger Brennstoffeinspritzung über den gesamten
Querschnitt sich ausbildende Verbrennungskern zum Bereich der inneren Scheitellinie
der gekrümmt verlaufenden Strömung innerhalb der Strahlablenkvorrichtung verlagert
wird, so daß bei länger anhaltendem Nachbrennerbetrieb mit einer örtlichen Überhitzung
und mit einem Durchbrennen in diesem Bereich der Strahlablenkvorrichtung gelegener
Elemente, beispielsweise des Hitzeschildes oder gar deren Rohrwandung, gerechnet
werden muß.
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In der deutschen Patentschrift 1066 428 wurde bereits vorgeschlagen,
in einem zur Beaufschlagung mit Triebwerksabgasen vorgesehenen, im wesentlichen
zylindrischen und schwenkbar angeordneten Strahlrohr die Vorrichtung zur Nachverbrennung
der Triebwerksabgase fest anzuordnen.
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Hierbei findet jedoch die Nachverbrennung nach erfolgter Umlenkung
der Abgase stets in dem zylindrischen Strahlrohrteil statt, so daß die der Erfindung
zugrundeliegende Problemstellung einer Zusatzverbrennung innerhalb einer ausschließlich
zur Ablenkung der Gase bogenförmig durchströmten Gasablenkvorrichtung hier nicht
gegeben ist.
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Auch die deutsche Patentschrift 1192 876 bezieht sich auf eine Brenneranordnung
in dem geraden Strahlrohr eines Turbinenstrahltriebwerkes. Hierbei ist die Brennkammer
von einem Wärmetauscher umgeben, um den durch diesen hindurchströmenden Kraftstoff
zu verdampfen. Der Kraftstoff wird hierbei im wesentlichen gleichförmig über den
gesamten Querschnitt der Brennkammer eingespritzt.
Die Erfindung
geht vielmehr von einer fest in der Abströmrichtung der Gase eines Triebwerkes angeordneten
Zusatzverbrennungsvorrichtung aus, der in. an sich bekannte Weise eine Strahlablenkvorrichtung
nachgeschaltet ist, um die Triebwerksgase aus der horizontalen in eine nach hinten
unten geneigte oder eine vertikale Strömungsrichtung abzulenken.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Zusatzverbrennungsvorrichtung
zu schaffen, mit deren Wirkung bei im wesentlichen bogenförmiger Durchströmung der
Strahlablenkvorrichtung keine örtliche überhitzung wandnaher Gebiete der Ablenkvorrichtung,
insbesondere im Bereich der inneren Scheitellinie der gekrümmt verlaufenden Strömung,
stattfindet.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung bei einer
Vorrichtung der eingangs genannten Gattung vor, daß durch eine Steuereinrichtung
die bei horizontaler Strömungsrichtung der Gase über den gesamten Querschnitt in
an sich bekannter Weise im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Brennstoffmenge
auf die Einspritzmittel bei Betätigung der Strahlablenkvorrichtung in Abhängigkeit
vom jeweiligen Ablenkwinkel derart geändert wird, daß bei zunehmender Ablenkung
der Gase die Brennstoffmenge im Bereich der äußeren Scheitellinie der gekrümmt verlaufenden
Strömung stetig zunimmt und im Bereich der inneren Scheitellinie der Strömung stetig
abnimmt.
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Die Erfindung ermöglicht somit, daß bei Ablenkung der aufgeheizten
Triebwerksgase über den gesamten Querschnitt der Strahlablenkvorrichtung mittels
eines ungleichförmigen Brennstoffeinspritzprofils ein gleichmäßiges Temperaturprofil
erzielbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes bestehen
in an sich bekannter Weise die Brennstoffeinspritzmittel aus ringförmig oder strahlenförmig
verlaufenden Einspritzrohren, denen zusätzliche Einspritzelemente mit gesondert
steuerbaren Brennstoffzufuhren zugeordnet sind, wobei die zusätzlichen Einspritzsegmente
denjenigen Bereichen der Haupteinspritzrohre zugeordnet sind, die in der Nähe des
äußeren Krümmungsradius der Strahlablenkvorrichtung liegen.
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Es besteht somit die Möglichkeit, daß im Zustand der Strahlablenkung
die Brennstoffzufuhr zu den Haupteinspritzrohren gedrosselt ist und die zusätzlichen
Einspritzsegmente mit Brennstoff gespeist sind, während im geraden, nicht abgelenkten
Zustand der Strahlablenkvorrichtung die Zusatzeinspritzsegmente abgeschaltet und
die Haupteinspritzrohre mit Brennstoff versorgt sind.
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Es ist zwar durch die deutsche Patentschrift 1156 611
bekannt, bei einer Schubregelanlage für den geraden Nachbrenner eines Turbinenstrahltriebwerkes
in den einzelnen Brennebenen einzelne strahlenförmige Brennstoffeinspritzsegmente
mehr oder weniger von der Brennstoffmengenregelung auszuschließen, um ein Wiederanzünden
bei erloschener Brennerebene erzielen zu können. Diese nicht geregelten Segmente
übernehmen hierbei jedoch die Aufgabe der bei Ölfeuerungen üblichen Pilotflammen.
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Schließlich ist durch die deutsche Auslegeschrift 1133185 eine Nachverbrennungsvorrichtung
bekannt, bei der unter anderem kreisförmige Einspritzrohre zur Anwendung kommen,
die unabhängig voneinander mit Brennstoff beschickbar sind. Ferner sind bei dieser
Vorrichtung Einspritzrohre vorgesehen, die zur Förderung zweier verschiedener Brennstoff-Iiefermengen
doppelt ausgebildet sind und eine solche Lage zueinander haben, daß die Brennstoffeinspritzung
des einen oder des anderen Einspritzrohres im Gegenstrom erfolgen kann. Diese
Nachverbrennungsvorrichtung dient insbesondere dazu, die Stabilität und den Wirkungsgrad
der Verbrennung auch in großen Höhen aufrechtzuerhalten und ist somit in ihrer Wirkung
nicht identisch mit der Verbrennungsvorrichtung nach der Erfindung, mit deren Hilfe
eine ungleichmäßige Brennstoffverteilung erzielt und das Temperaturprofil in der
Strömung dahingehend beeinflußt wird, daß durch das Drosseln oder Abschalten der
Brennstoffzufuhr zu einzelnen Einspritzsegmenten brennstoffärmere Zonen geschaffen
werden, wodurch in den wandnahen Gebieten einer mit einer Verbrennungsvorrichtung
nach der Erfindung ausgestatteten, bogenförmig durchströmten Strahlablenkvorrichtung
die Temperatur wesentlich gesenkt werden kann.
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An Hand einiger Ausführungsformen in den Zeichnungen ist die Erfindung
im einzelnen weiter erläutert. In den Zeichnungen ist F i g. 1 die Seitenansicht
einer Verbrennungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform mit einer Strahlablenkvorrichtung,
schematisch dargestellt, F i g. 2 die Schnittansicht nach der Linie II-II der F
i g. 1, jedoch in vergrößerter Darstellung, F i g. 3 eine Schnittansicht nach der
Linie II-II durch einen festen Strahlrohrteil gemäß F i g. 1, jedoch mit einer Verbrennungsvorrichtung
in einer zweiten Ausführungsform, F i g. 4 eine Schnittansicht nach der Linie II-II
durch einen festen Strahlrohrteil gemäß F i g. 1, jedoch mit einer Verbrennungsvorrichtung
in einer dritten Ausführungsform, F i g. 5 eine Schnittansicht nach der Linie II-II
durch einen festen Strahlrohrteil gemäß F i g. 1, jedoch mit einer Verbrennungsvorrichtung
in einer vierten Ausführungsform, F i g. 6 die Strahlablenkvorrichtung nach F i
g. 1 in einer ersten Stellung und einem zugeordneten ersten Brennstoffeinspritzprofil,
F i g. 7 die Strahlablenkvorrichtung nach F i g. 6 in einer zweiten Stellung und
einem zugeordneten zweiten Brennstoffeinspritzprofil und F i g. 8 die Strahlablenkvorrichtung
nach den F i g. 6 und 7 in einer dritten Stellung und einem zugeordneten dritten
Brennstoffeinspritzprofil.
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In F i g. 1 ist eine stromabwärts an einem hier nicht weiter dargestellten
Turbinenstrahltriebwerk befindliche Strahlablenkvorrichtung dargestellt, die im
wesentlichen aus drei gegeneinander verdrehbaren Rohrabschnitten 1, 2 und 3 besteht,
deren Drehrichtung durch Pfeile angedeutet ist und deren Aufgabe es ist, die Triebwerksabgase,
welche zunächst durch eine in einem festen Strahlrohr 4 befindliche Verbrennungsvorrichtung
5 aufgeheizt werden, aus der horizontalen Richtung vorzugsweise in eine vertikale
Richtung gemäß F i g. 1 abzulenken, zur Erzeugung einer vertikalen Schubkomponente.
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Die Strahlablenkvorrichtung kann auch in anderer Form ausgeführt sein,
beispielsweise als festes gekrümmtes Strahlrohr. Sie kann aber auch aus einzelnen,
gegeneinander verdrehbaren Rohrzylindern oder aus übereinander verschieblich angeordneten
Rohrteilen zusammengesetzt sein, um die nachverbrannten
Gase des
Triebwerks aus der horizontalen Richtung in eine andere gewünschte Richtung, vorzugsweise
zur Erzeugung einer vertikalen Schubkomponente, abzulenken.
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F i g. 2 zeigt Einzelheiten der Verbrennungsvorrichtung 5, welche
in diesem Falle eine Nachverbrennung der Triebwerksabgase bewirkt und mit deren
Ausgestaltung die wesentliche Wirkung der Erfindung erzielbar ist. Die Verbrennungsvorrichtung
5 besteht aus mehreren kreisförmigen, konzentrisch zur Mittel-Längsachse des Strahlrohres
4 mit Abstand zueinander angeordneten Einspritzrohren, welche in einzelne Einspritzrohrsegmente
6, 7, 8 und 9 aufgeteilt sind, die jeweils gesonderte Brennstoffzufuhren
10, 11, 12
und 13 aufweisen. Das innerste kreisförmige Einspritzrohr 14 ist
wegen seines geringen Durchmessers nicht weiter in Segmente unterteilt und weist
lediglich eine Brennstoffzufuhr 15 auf. Durch Abschalten oder Drosseln einzelner
Brennstoffzufuhren und gleichzeitiger Vergrößerung der Brennstoffzufuhr zu weiteren
Einspritzsegmenten können, jeweils nach den Umständen erforderlich, brennstoffärmere
oder -reichere Zonen geschaffen werden, so daß ein gleichmäßiges Temperaturprofil
in dem festen Strahlrohr 4 und den Rohrteilen 1, 2 und 3 erzielt wird.
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Eine weitere Ausführungsform einer Verbrennungsvorrichtung ist in
F i g. 3 dargestellt, bestehend aus zwei kreisförmigen Haupteinspritzrohren 16,
17 mit einer gemeinsamen Brennstoffzufuhr 18 und einem innersten kreisförmigen Haupteinspritzrohr
19, welches eine von den übrigen Einspritzrohren gesonderte Brennstoffzufuhr 20
aufweist.
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Den beiden Haupteinspritzrohren 16, 17 sind Zusatzeinspritzsegmente
21, 22 zugeordnet, die in Umfangsrichtung der Einspritzrohre 16, 17 über deren obere
Hälfte hinaus verlaufen und ebenfalls eine gemeinsame Brennstoffzufuhr 23 aufweisen.
Im abgelenkten Zustand der Strahlablenkvorrichtung gemäß F i g. 1 sind die Zusatzeinspritzsegmente
21, 22 mit Brennstoff beschickt, wobei die Brennstoffzufuhr zu den Haupteinspritzrohren
16, 17 und 19 gedrosselt ist. In Abhängigkeit vom Schwenkwinkel der Strahlablenkvorrichtung
und der damit notwendigen Lageveränderung des heißen Verbrennungskerns sowie in
Abhängigkeit vom erforderlichen Schub können die Brennstoffmengen zu den verschiedenen
Einspritzmitteln 16, 17, 19, 21, 22 variiert werden. Die Zusatzeinspritzsegmente
21, 22 können auch in mehrere Einzelsegmente mit gesonderter Brennstoffzufuhr aufgeteilt
sein.
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In F i g. 4 ist eine Verbrennungsvorrichtung dargestellt, bestehend
aus den Rohrsegmenten 24, 25,
26, 27. Die Segmente 25, 27 werden von einer
gemeinsamen Brennstoffzuleitung 28 gespeist, die Segmente 24, 26 weisen verschiedene
Brennstoffzufuhren 29, 30 auf. Die Drücke in den Zuleitungen zu den Segmenten
24, 25, 26, 27 können in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel der Strahlablenkvorrichtung
eingestellt werden.
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Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform sind die Einspritzrohre
31 als gerade Rohrstücke ausgebildet, welche strahlenförmig von der Mitte des Strahlrohres
4 in Richtung auf dessen äußere Wandung hin verlaufend angeordnet sind. Jedes Einspritzrohr
31 weist Rohransätze 32 gleicher Form und Größe auf, die mit zusätzlichen Einspritzöffnungen
versehen sind. Jeweils zwei der Einspritzrohre 31 sind durch gemeinsame Zuleitungen
33, 34 mit Brennstoff beschickt. Die übrigen Einspritzrohre 31 sind gemeinsam mit
Brennstoff beschickt. Schließlich besteht die Möglichkeit, in einer weiteren, hier
nicht dargestellten Ausführungsform einer Verbrennungsvorrichtung, die Einspritzrohre
31 wahlweise einzeln oder in Gruppen unabhängig voneinander mit Brennstoff zu beschicken.
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Im übrigen kann bei den Verbrennungsvorrichtungen nach der Erfindung
die Zahl der kreisförmigen Einspritzrohre und deren Unterteilung in einzelne Einspritzrohrsegmente
jeweils nach den Anforderungen der Praxis gewählt werden.
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Die F i g. 6, 7 und 8 zeigen die Strahlablenkvorrichtung nach F i
g. 1 in verschiedenen Endstellungen. Für diese Ausführungsbeispiele ist angenommen,
daß die insgesamt eingespritzte Brennstoffmenge Q, Q1 und Q2 in Abhängigkeit vom
Schubbedarf im wesentlichen stets die gleiche ist.
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In der Stellung nach F i g. 6 der Strahlablenkvorrichtung, beispielsweise
für den Horizontalflug eines Flugzeugs, wird der Brennstoff mittels der Zusatzverbrennungsvorrichtung
5 nach F i g. 2 gleichmäßig verteilt über den gesamten Querschnitt der Strahlablenkvorrichtung
eingespritzt, entsprechend dem skizzierten Brennstoffeinspritzprofil Q.
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F i g. 7 veranschaulicht in einer Stellung der Strahlablenkvorrichtung
zur Erzeugung einer nach hinten unten geneigten Schubkomponente das zugehörige Einspritzprofil
Q1, welches bei zunehmender Ablenkung der Gase im Bereich der äußeren Scheitellinie
der gekrümmt verlaufenden Strömung stetig zunimmt und im Bereich der inneren Scheitellinie
der Strömung stetig abnimmt, bis es die in F i g. 8 wiedergegebene Konfiguration
Q2 erreicht hat, in der die Triebwerksgase zur Erzeugung einer vertikalen Schubkomponente
die Strahlablenkvorrichtung verlassen.