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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Belüftung von
Einspritzdüsen für Gasturbinentriebwerke, insbesondere Flugtriebwerke, wobei der
Düsenkopf im Brenner in einer Buchse angeordnet ist.
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Bei einer bekannten Einrichtung der vorstehenden Art sind die Düsen
am Umfang eines ringförmigen Brenners in am Brenner befestigten Buchsen derart angeordnet,
daß sie die Buchsen lediglich durchsetzen und mit den Innenwänden derselben jeweils
einen Ringspalt bilden. Die Düsen müssen zwecks einwandfreier Verbrennung so ausgerichtet
sein, daß sie einen bestimmten Winkel mit der Längsachse des Triebwerks bzw. der
Brennkammer bilden. Die Fixierung der vergleichsweise langen Düsen erfolgt in ihrem
rückwärtigen Teil am Triebwerkskörper. Durch den vorstehend genannten Ringspalt
strömt ein Teil der vom Verdichter zugeführten Luft, wobei dieser durch den Ringspalt
strömende Teil der Verdichterluft einerseits zur Kühlung des Düsenkopfes, andererseits
zur Verbrennung des aus der Düse austretenden Kraftstoffes und darüber hinaus zur
Verhinderung einer Koksbildung am Düsenaustritt dient. Ein anderer Teil der Verdichterluft
wird durch besonders geformte Schlitze und Ausnehmungen im Brenner der Brennkammer
zugeführt.
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Der Zweck dieser Luftführung, wie vor allem auch der oben erwähnten
genauen Ausrichtung der Düsen, besteht im Erreichen einer optimalen Verbrennung
mit bestmöglichem Brennkammerwirkungsgrad bei zugleich minimaler thermischer Belastung
der betreffenden Triebwerkselemente. Die Verbrennung soll stöchiometrisch und in
unmittelbarer Nähe des Brenners erfolgen, d. h., es dürfen keine Flammen hoher Temperatur
aus der Brennkammer austreten. Die bei der Verbrennung entstehenden hohen Temperaturen
von etwa 2000° C sollen von der umgebenden, beim Verbrennungsprozeß nicht erfaßten
vergleichsweise kühlen Luft vermindert werden, wobei diese Luft sich gleichzeitig
erwärmt, so daß das in die Turbine einströmende Verbrennungsgas-Luft-Gemisch nunmehr
Temperaturen von etwa 900° C aufweist, welche von den Schaufelwerkstoffen noch ausgehalten
werden können.
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Diese Forderungen werden von der vorstehend beschriebenen bekannten
Einrichtung nicht erfüllt. So ist es beispielsweise nicht oder nur sehr schwer möglich,
bei der obengenannten Art der Düsenbefestigung in vergleichsweise großem Abstand
vom Düsenaustritt die für einen günstigen Verbrennungsvorgang wesentliche genaue
Ausrichtung der Düsen zu erzielen. Darüber hinaus würde sich eine solche ohnehin
durch die Erschütterungen und Vibrationen beim Betrieb des Triebwerks wieder verändern.
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Die Folge wird eine Verschlechterung des Verbrennungsvorganges sein,
wobei nunmehr lange Flammen entstehen werden, welche örtliche thermische überbelastungen
der Werkstoffe verursachen. Es muß in diesem Fall nach kurzer Zeit mit einem Nachlassen
der Triebwerksleistung bzw. mit einem raschen Verschleiß der thermisch überbelasteten
Triebwerksteile gerechnet werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden
Nachteile zu vermeiden bzw. die obigen Forderungen zu erfüllen sowie darüber hinaus
noch die im folgenden zu beschreibenden Vorteile zu erreichen. Hierzu geht die Erfindung
von einer bekannten Einrichtung zur Belüftung des Düsenkopfes von für Gasturbinentriebwerke
bestimmten Einspritzdüsen aus, wobei der Düsenkopf im Brenner in einer als separater
Teil hergestellten Buchse gelagert und zentriert ist und die Buchse Durchlässe für
die Luft aufweist.
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An diesen Stand der Technik anknüpfend, besteht die Erfindung darin,
a) daß die Durchlässe durch längsnutenartige Ausnehmungen in der Buchseninnenwand
gebildet sind, während die zwischen den Ausnehmungen stehenbleibenden Stege in an
sich bekannter Weise der Lagerung und Zentrierung des Düsenkopfes dienen, und b)
daß im Anschluß an die Durchströmung der Ausnehmungen die Luft in einen Bereich
gelangt, wo sich Buchseninnenwand und Düsenkopfaußenwand berührungsfrei gegenüberliegen
und einen in Umfangsrichtung ununterbrochenen Luftspalt frei lassen.
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Die Erfindung besteht nicht in den Merkmalen a) oder b) als solchen,
wohl aber in deren Vereinigung bei einer Einspritzdüsenbelüftungseinrichtung der
genannten Art.
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Durch das Merkmal a) wird bewirkt, daß die Kühlluft den Düsenkopf
direkt bestreichen kann. Hierdurch wird die Kühlung im Vergleich zu solchen bekannten
Lösungen verbessert, wo die Luft lediglich durch Längsbohrungen in der Buchse strömt.
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Durch das Merkmal b) kann sich ein in Umfangsrichtung ununterbrochener
Luftring ausbilden. Dies ist im Hinblick auf die Erzielung einer eindeutig bestimmten
Ausrichtung der Flamme wesentlich; auch werden hierdurch Verkokungserscheinungen
vermieden.
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Wesentlich ist, daß sich die Ausnehmungen in der Buchse und nicht
etwa bei glatt gelassener Buchse umgekehrt im Düsenkopf befinden. Hierdurch kann
man in erwünschter Weise den Düsenkopf klein halten.
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Selbstverständlich kann der Düsenkopf auch die Düse selbst bilden.
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Durch die an sich bekannte Verwendung der Buchse wird eine genaue
und rasche Ausrichtung der Düse gewährleistet, welche sich auch während des Betriebes
nicht mehr verändern kann.
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Die Ausbildung der Düse bzw. des Düsenkopfes ist grundsätzlich beliebig,
sollte jedoch den konstruktiven Gegebenheiten, insbesondere der Forderung nach geringem
Gewicht, gerecht werden. Für den Fall, daß der Düsenkopf nach Art einer zylindrischen
Überwurfmutter ausgebildet und angeordnet ist, welche am vorderen, dem Düsenaustritt
zugewandten Mantelflächenbereich eine Kerbverzahnung aufweist und am hinteren Mantelflächenbereich
glatt ist, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß zur Lagerung des
Düsenkopfes in der Buchse der glatte Mantelflächenteil dient.
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An sich ist die Lagerung des Düsenkopfes an einer beliebigen Stelle
seiner Mantelfläche möglich. Die im vorstehenden genannte Lagerung am glatten Teil
der Mantelfläche ist jedoch auf Grund der guten Bearbeitbarkeit der korrespondierenden
Teile und der vergleichsweise großen Abmessungen der Berührungsflächen besonders
präzise und dauerhaft.
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Die Fixierung der Buchse am Brenner ist ebenfalls beliebig. Beispielsweise
wäre eine unmittelbare Befestigung derselben am Brenner durch Schweißen
od.
dgl. denkbar. Vorzugsweise wird jedoch vorgeschlagen, daß die Buchse sowohl an ihrer
Mantelfläche als auch an ihrer dem Düsenaustritt zugewandten Stirnfläche von einer
am Brenner befestigten Haltehülse umschlossen ist.
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Der Vorteil dieser bevorzugten Ausführungsform besteht darin, daß
die Haltehülse beispielsweise durch Schweißen am Brenner befestigt werden kann,
wobei die zum Sitz der Buchse erforderliche Bohrung zweckmäßigerweise nachträglich
vorgenommen wird. Die Buchse selbst dagegen, welche zur Lagerung des Düsenkopfes
sehr präzise ausgebildet sein muß, wird als separater Bauteil bearbeitet und fertiggestellt
und braucht anschließend nur noch in die Haltehülse eingesetzt zu werden.
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Zur Ausbildung der Buchse im einzelnen wird vorgeschlagen, daß dieselbe
innen abgesetzt ist, wobei der dem kerbverzahnten Teil der Düsenkopfmantelfläche
zugeordnete Buchseninnendurchmesser der größere ist, so daß sich zwischen der kerbverzahnten
Düsenkopfmantelfläche und dem zugeordneten Buchseninnenwandbereich ein Ringspalt
bildet. Die durch diesen Ringspalt tretende Luft umströmt den kerbverzahnten Teil
des Düsenkopfes am gesamten Umfang und bewirkt dabei eine gute Kühlung des Düsenkopfes.
Dies um so mehr, da die Mantelfläche desselben auf Grund der Kerbverzahnung vergleichsweise
große Abmessungen aufweist.
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Für die Luftführung durch die Buchse wird, wie schon erwähnt, erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß der dem glatten Teil der Düsenkopfmantelfläche zugeordnete und
als Zentrierung für dieselbe dienende Buchseninnenwandbereich mit Längsnuten versehen
ist und daß zur Lagerung der glatten Düsenkopfmantelfläche die zwischen den Längsnuten
stehengebliebenen Stollen dienen.
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Die Luft wird dabei durch die Längsnuten unmittelbar an dem glatten
Teil des Düsenkopfes entlang geführt, so daß dieser Teil des Düsenkopfes gekühlt
wird. Ein besonders hoher Luftdurchsatz, d. h. eine entsprechend gute Kühlung, wird
in Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß der Querschnitt der Längsnuten
gegenüber dem Querschnitt der Stollen vergleichsweise groß ist. Um zugleich die
Berührflächen zwischen Düsenkopf und Buchseninnenwand groß zu halten, wird ferner
vorgeschlagen, daß die Längsnuten einen schwalbenschwanzförmigen, radial nach außen
sich verbreiternden Querschnitt aufweisen.
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Darüber hinaus kann die Gestaltung der Längsnuten beliebig sein. Beispielsweise
können dieselben geradlinig ausgebildet sein. Diese Ausbildung ermöglicht eine vergleichsweise
einfache Fertigung der Längsnuten, beispielsweise durch Stoßen. Besonders rasch
und dabei genau und vorteilhaft - insbesondere bei großen Stückzahlen - kann jedoch
die Einarbeitung der Längsnuten durch Räumen erfolgen. Um dieses Bearbeitungsverfahren
zu ermöglichen, schlägt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung vor, daß
nur der die Längsnuten aufweisende Buchsenteil ein separates Bauelement bildet und
daß der kerbverzahnte Mantelflächenteil des Düsenkopfes unter Bildung eines Ringspaltes
unmittelbar von der Haltehülse umgeben wird.
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Wie aus dem vorstehenden ersichtlich, ist eine geradlinige Ausbildung
der Längsnuten zweckmäßig und vorteilhaft. Grundsätzlich können dieselben aber auch
andersartig gestaltet sein. Beispielsweise kann hierzu vorgeschlagen werden, daß
die Längsnuten nach Art von parallelen und/oder sich kreuzenden Schraubenlinien
ausgebildet sind. Durch diese Schraubenführung der Längsnuten legt die durch dieselben
geführte Luft einerseits einen längeren Weg bis zum Düsenaustritt zurück und kann
infolgedessen vorteilhafterweise mehr Wärme vom Düsenkopf abführen als bei geradliniger
Ausbildung der Längsnuten. Ferner ist es durch die schraubenförmige Ausbildung der
Längsnuten vorteilhafterweise möglich, der Luft einen bestimmten Drall zu verleihen
oder eine gewisse Verwirbelung derselben zu erreichen, wodurch der Verbrennungsvorgang
günstig beeinflußt werden kann.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt F i g. 1 einen Ringbrenner in Ansicht; F i g. 2 und 3 zeigen verschiedene
Ausführungsformen an Hand eines Schnittes längs der Linie A-B in F i g. 1 und F
i g. 4 bis 6 verschiedene Ausführungsformen an Hand von Längsschnitten durch eine
Buchse.
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Der in F i g. 1 gezeigte Ringbrenner 10 einer Triebwerksbrennkammer
ist an seiner der nicht dargestellten Brennkammer zugewandten Stirnfläche mit Haltehülsen
11 bzw. 11 a versehen, welche an demselben in gleichmäßigem Abstand
voneinander durch Schweißen befestigt sind. Die Haltehülsen dienen zur Aufnahme
von in F i g. 1 nicht dargestellten Buchsen. Beidseitig der Haltehülsen 11 - radial
innen sowie außen - weist der Ringbrenner 10
Kanäle 12, 13 auf, welche
der Luftzuführung in die Brennkammer dienen.
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Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist in der Haltehülse 11 eine Buchse
14 angeordnet, welche zur Lagerung und Zentrierung eines Düsenkopfes 15 dient. Der
Düsenkopf 15 ist an seinem vorderen, dem Düsenaustritt zugewandten Mantelflächenbereich
mit einer Kerbverzahnung 16 versehen, welche zum Angriff eines Schraubenschlüssels
od. dgl. bei der Montage des Düsenkopfes 15 am Düsenkörper 17 dient. Die Buchse
14 weist an ihrer Innenwandung in dem der Kerbverzahnung 16 zugeordneten Bereich
gegenüber derselben ein radiales Spiel S auf, so daß sich zwischen Kerbverzahnung
16 und diesem Buchseninnenwandungsbereich ein Ringspalt bildet. Die Lagerung und
Zentrierung des Düsenkopfes 15 erfolgt durch dessen glatten Mantelflächenteil18
und den zugeordneten Buchseninnenwandungsbereich. Wie insbesondere aus F i g. 4
hervorgeht, ist der letztere mit geradlinigen Längsnuten 19 versehen, und die Lagerung
und Zentrierung des Düsenkopfes 15 (in F i g. 4 nicht gezeigt) wird durch die Innenflächen
der zwischen den Längsnuten 19 stehengebliebenen Stollen 20 vorgenommen.
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Die vom nicht dargestellten Verdichter her in Richtung des Pfeils
21 anströmende Luft für die Düsenbelüftung wird durch die Längsnuten 19 und
den Ringspalt S zwischen Düsenkopf 15 und Buchseninnenwand geführt und dient dabei
zur Kühlung des Düsenkopfes sowie zur Verhinderung der Koksbildung am Düsenaustritt.
Unmittelbar nach Austritt aus dem Ringspalt in die Brennkammer vermischt sie sich
mit dem aus der Düse austretenden zerstäubten Kraftstoff und wird dann in den dort
stattfindenden Verbrennungsprozeß einbezogen.
Weitere Verbrennungsluft
zur Erreichung eines stöchiometrischen Mischungsverhältnisses wird der Verbrennungszone
durch die Kanäle 12, 13 zugeleitet. Entscheidend für den erwünschten Ablauf des
Verbrennungsprozesses (d. h. Beschränkung der Brennzone auf einen vergleichsweise
kleinen Raum, um örtliche Überhitzung von einzelnen Triebwerksteilen zu vermeiden)
sind die richtige Zuordnung von Düse und Luftzufuhr. Dabei ist es wesentlich, daß
der Düsenkopf 15 mit Hilfe der Buchse 14 präzise gelagert und zentriert
wird, so daß seine Längsachse 22 zu der Längsachse 23 der Brennkammer
in einem bestimmten Winkel 24 steht, welcher auch durch die beim Hochleistungsbetrieb
des Triebwerks auftretenden Erschütterungen und Vibrationen nicht verändert werden
kann.
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Eine Abwandlungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt in F
i g. 3 die Haltehülse 11 a, welche in diesem Fall mit dem kerbverzahnten Teil des
hier nicht dargestellten, gemäß F i g. 1 ausgebildeten Düsenkopfes selbst den Ringspalt
für die Luftzuführung bildet. Dadurch benötigt die zur Zentrierung und Lagerung
des Düsenkopfes dienende eigentliche Buchse 14 a nunmehr vergleichsweise
geringe Abmessungen. Sie besteht in dieser Ausführungsform lediglich aus dem die
Längsnuten 19
bzw. Stollen 20 aufweisenden Buchsenteil. Die Längsnuten 19
können in diesem Fall vorteilhafterweise durch Räumen eingearbeitet werden.
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In der Ausführungsform nach F i g. 5 ist die Buchse 14 b mit schraubenförmigen
parallelen Längsnuten 19 a versehen. Sich kreuzende schraubenförmige Längsnuten
19 b weist die Buchse 14 c in der Ausführungsform nach F i g. 6 auf.
Durch diese Art der Luftführung nach F i g. 5 und 6 wird auf Grund des längeren
Luftweges bis zum Austritt in die Brennkammer eine bessere Kühlung des Düsenkopfes
erreicht. Darüber hinaus lassen sich damit jedoch auch noch zusätzliche, den Verbrennungsprozeß
günstig beeinflussende Effekte, wie z. B. Links- oder Rechtsdrall, sowie Verwirbelung
der Luft erzeugen.