DE1277639B - Zusatzverbrennungsvorrichtung fuer die Aufheizung der Gase eines Turbinenstrahltriebwerkes - Google Patents

Zusatzverbrennungsvorrichtung fuer die Aufheizung der Gase eines Turbinenstrahltriebwerkes

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Zusatzverbrennungsvorrichtung für die Rufheizung 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, d a d u r c h gekennzeichnet, 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.
  2. 2. Zusatzverbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Brennstoffeinspritzmittel aus ringförmig oder strahlenförmig verlaufenden Einspritzrohren (16, 17, 19). bestehen, denen zusätzliche Einspritzsegmente (21, 22) mit gesondert steuerbaren Brennstoffzufuhren zugeordnet sind, wobei die zusätzlichen Einspritzsegmente (21, 22) denjenigen Bereichen der Haupteinspritzrohre (16, 17, 19) zugeordnet sind, die in der Nähe des äußeren Krümmungsradius der Strahlablenkvorrichtung (1, 2, 3) liegen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1192 876, 1156 611, 1153 215, 1150 879, 1066 428; französische Patentschrift Nr. 1343 296.
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