DE1751861A1

DE1751861A1 - Einrichtung zur Flammenhaltung in Brennern

Info

Publication number: DE1751861A1
Application number: DE19681751861
Authority: DE
Inventors: Wigg Leslie Desmond
Original assignee: SECRETARY TECHNOLOGY BRIT
Current assignee: SECRETARY TECHNOLOGY BRIT
Priority date: 1967-08-10
Filing date: 1968-08-09
Publication date: 1971-05-19
Also published as: GB1184379A; US3504491A; FR1582610A

Description

Der Minister für Technologie in der Regierung Ihrer Majestät der Königin der Vereinigten Königreiche von Großbritannien und Nordirland, Millbank Tower, Millbank,

London S.W.1, England

Einrichtung zur Plaminenhaltung in Brennern

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur I'lammenhaltung in Brenneranordnungen, bei welchen eine Elammenstabilisierungszone innerhalb einer schnellen Gasströmung dadurch erzeugt wird, daß in die Gasströmung quer zu ihrer ßtrömungsrichtung ein Stabilisierungsgasstrom in IOrm eines flachen 8trömungsvorhänges eingeblasen wird.

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Hierfür geeignete Einrichtungen sind allgemein als aerodynamische Flammenhai tiuigs einrichtungen bekannt und insbesondere für Fälle geeignet, in welchen nur gelegentlich eine Verbrennung stattfinden soll.

Bei Turbostrahltriebwerken für Flugzeuge kann man bekanntermaßen zusätzliche Schubkraft dadurch erzeugen, daß man zusätzlich Brennstoff in einer auslaßseitigen Brennereinrichtung, dem sogenannten Nachbrenner, verbrennt» Bei Einrichtungen dieser Art verwendet man seit langem feststehende Leitbleche, welche an ihren Ablaufkanten stabile Turbulenzzonen oder Rückstromzonen erzeugen, in welchen eine stabile Flamme unterhalten werden kann* Derartige Leitbleche stellen aber während der Zeiträume, in welchen der Nachbrenner nicht in Betrieb ist, einen unerwünschten Strömungswiderstand bezüglich des durch den Nachbrennerabschnitt zur Schubdüse geführten Strömungsmittelstromes dar. Eine der gebräuchlicheren Formen feststehender Leitbleche besteht in einer im Querschnitt V-förmigen Rinne, deren Scheitel in dem StrÖmungsmittelström nach aufwärts weist, wobei die außerordentliche Einfachheit dieses Aufbaues gewisse Nachteile offenbar zurücktreten läßt. Durch Einstellung der beiden Schenkel des V-Profiles auf einen von ihnen eingeschlossenen Winkel von etwa 4-5° oder Je nach der Strömungsgeschwindigkeit etwas weniger, kann ein

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vernünftiger Kompromiß zwischen Strömungswiderstand und Schaffung einer geeigneten Rückströmungszone erzielt werden.

Es ist auch "bereits eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, welche darauf abzielen, aerodynamische fflammenhalter in Nachbrennern zu verwenden, um die gewünschten Ruckströmungszonen zu erzeugen, wobei Luftströme quer zur Strömungsrichtung in den betreffenden Leitungsabschnitt eingeführt werden, doch führten diese· Vorschläge aus einer Vielzahl von Gründen nicht zum Erfolg, unter anderem auch deshalb nicht, weil es Schwierigkeiten bereitet, die erforderlichen Luftmengen bereitzustellen und weil die auftretende Verdünnung des Gasstromes nachteilig erscheint.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Nachbrennerflamme in ausreichendem Maße stabilisieren zu können und gleichzeitig die Druckverluste in dem betreffenden Systemabschnitt niedrig zu halten.

Die Erfindung besteht im wesentlichen in einer Kombination der aerodynamischen Flammenhaltung mit feststehenden Leitblechen.

Die angegebene Aufgabe wird durch zwei in einem

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ßtrömungskanal zueinander konzentrisch, angeordnete ringförmige Leitbleche, deren Leitflächen derart mit Bezug auf einen durch den Strömungskanal hindurchgeführten Strömungsmittelstrom entgegengesetzt geneigt sind, daß sie einen sich erweiternden Kanalabschnitt bilden, sowie durch stromauf dieses sich erweiternden Abschnittes angeordnete Einrichtungen zur Abgabe eines im wesentlichen quer zu dem Strömungsmittelkanal gerichteten Gasstromes gelöst, welcher den Strömungsmittelstrom aus dem sich erweiternden Kanalabschnitt weg um diese Leitbleche herum ablenkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Einrichtungen zur Abgabe des quer zum Strömungskanal gerichteten Gasstromes ein hohles, im Querschnitt tragflügeiförmiges Schaufelelement auf, welches im Weg des durch den Strömungskanal geführten Strömungsmittelstromes angeordnet ist und zumindestens an einer Oberfläche öffnungen aufweist, durch welche das Gas austreten kann, das eine Trennung des Strömungsmittelstromes von der Oberfläche des Schaufelelementes bewirkt.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung * von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden

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Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Teil

eines Nachbrenner-Kanalabschnittes mit einer erfindungsgemäßen Flammenhaltung, und

Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen

Teil einer anderen Form einer Flammenhaltung nach der Erfindung.

Der Nachbrenner-Kanalabschnitt nach Fig. 1 der Zeichnungen weist ein zylindrisches Gehäuse 1 auf, welches sich zwischen einem nicht dargestellten Turbinenauslaß und einer ebenfalls nicht dargestellten Schubdüse erstreckt, wobei die durch Pfeile angedeutete Richtung des Gasstromes von links nach rechts verläuft. Ein koaxial innerhalb des Kanales 1 gehalterter Leitblechring 2 enthält zwei zueinander konzentrische ringförmige Leitbleche 3 und 4·, welche jeweils die Form von Kegelstumpfmantelabschnitten haben und deren Flächen in entgegengesetztem Sinne geneigt sind. Die Oberfläche des äußeren Leitbleches 3 ist in Richtung stromabwärts nach außen geneigt, während die Fläche des inneren Leitbleches 4 entsprechend nach innen geneigt ist. Die Leitbleche ergeben daher zwischen sich, einen ringförmigen,

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sich, erweiternden Kanalabschnitt des Kanales 1. Unmittelbar stromauf dieses Leitblechringes und zu diesem koaxial ^% ' ist ein ringförmiges ßchaufelelement 5 angeordnet, von welchem zwei Teile dargestellt sind, die zwei alternative Ausführungsformen darstellen. Das Schaufelelement hat die Form eines hohlen Ringes von zylindrischem Tragflügelquerschnitt bzw. im wesentlichen zylindrischem Tragflügelquerschnitt. Dem Schaufelelement kann Druckluft zugeführt werden. Wie im oberen Teil bzw. im unteren Teil von Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt ist, kann das Schaufelelement entweder zusammengesetzt oder einstückig ausgebildet sein. Im ersteren Falle ist das Schaufelelement durch Zusammensetzen einer im Querschnitt kreisförmigen Höhre 5& mit einer rückwärtigen Verkleidung 5*> hergestellt. Der Durchmesser des Schaufelelementes 5 ist so gewählt, daß seine Querschnittsachse in der Mitte zwischen den Leitblechen 3 und 4 verläuft, wie dies in Fig. Λ durch den Abstand L angedeutet ist.

Durch die radial innere und äußere Wandung des Schaufelelementes sind umfangsmäßige Reihen von in geringem Abstand voneinander angeordneten Bohrungen 6 und 7 bzw. 8 und 9 hindurchgeführt, welche entweder radial zu dem Kanal 1 ausgerichtet sind, wie dies bei 6 und 7 angedeutet ist, oder von dem Schaufelelementinneren aus in Stromaufwärts-

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richtung de ver gier end, geneigt sind, wie dies in Fig. 1 bei 8 und 9 gezeigt ist.

Unter normalen Bedingungen verläuft ein durch den Kanal 1 hindurchgeführter Gasstrom um das Schaufelelement 5 herum und an den Leitblechen 3 und 4 vorbei, wobei nur eine geringe Störung auftritt, wie dies im unteren Teil von Fig. 1 angegeben ist. Soll der Nachbrenner in Betrieb genommen werden, so wird dem Inneren des Schaufelelementes unter hohem Druck stehende Luft zugeführt, welche durch die in den Wandungen des Schaufelelementes vorgesehenen Bohrungen austritt. Der durch den Strömungskanal geführte Gasstrom wird daher veranlaßt, von seinem normalerweise verfolgten Weg über das Schaufelelement hinweg abzuweichen, d.h. er wird durch den vorhangartigen Luftstrom in Richtung zu den Leitblechen 3 und 4· hin abgelenkt, wie im oberen Teil von Fig. 1 dargestellt ist. Diese Wirkung führt zur Bildung eines Flammenhalters, welcher einer massiven Flammenhaltungsrinne bzw. einem massiven Flammenhaltungsring ■ entspricht j an der jeweiligen Ablauf kante kommt es zu einer Rückströmung. Der in den Kanal 1 stromauf der Plammenhaltung eingespritzte und in herkömmlicher Weise gezündete Brennstoff kann daher verbrennen und die entstehende Flamme unterhalt sich während der Zeitspanne selbst, während welcher weiterhin »

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Luft über die Bohrungen des Schaufelelementes abgegeben wird.

Die einzublasende Luftmenge ist bei der soeben beschriebenen erfindungsgemäßen Einrichtung beträchtlich geringer als die Luftmenge, welche notwendig wäre, um eine entsprechende Stabilisierungszone ausschließlich durch aerodynamische Flammenhaltung zu unterhalten. Die erforderliche Luft kann daher leicht von dem Verdichter eines dazugehörigen Turbostrahltriebwerkes abgeleitet oder von einer äußeren Luftquelle bezogen werden, ohne daß ein nennenswerter zusätzlicher Leistungsbedarf entsteht. Auch ist der Einfluß der Luft auf das in dem Nachbrenner verbrennende Gasgemisch weniger ausgeprägt.

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Der von den Flächen der Leitbleche eingeschlossene Winkel liegt bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung in der Größenordnung von etwa JO⁰. Mit diesem Winkel wurden bereits erfolgversprechende Versuche ausgeführt und für die Zwecke der Flammenhaltung erscheinen durchaus auch Winkel im Bereich von 20° oder dgl. geeignet, in welch letzterem Falle sich offensichtliche Vorteile hinsichtlich eines bei nicht in Betrieb befindlicher Einrichtung geringeren Strömungswiderstandes ergeben.

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Bei der Ausführungsform nacli IFig. 2 der Zeichnungen wirkt ein erfindungsgemäßes Schaufelelement mit einem Leitblechring zusammen. Ein äußeres Leitblech 3 hat genau dieselbe Aufgabe wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Erfindung und ein entsprechend geneigtes, dem Leitblech 4- der zuvor beschriebenen Ausführungsform entsprechendes radial inneres Leitblech 10 ist nach vorwärts verlängert und bildet die radial innere Wandung eines hohlen, ringförmigen Schaufelelementes 11, welches wiederum tragflügelartigen Querschnitt aufweist und dessen andere Wandung sich durch den sich erweiternden Kanalabschnitt hindurch erstreckt, welcher zwischen den soeben erwähnten Leitblechen so gebildet ist, daß diese Wandung andern stromab gelegenen Rand des Leitbleches 10 mit diesem zusammentrifft. Am Umfang der radial äußeren Wandung des Schaufelelementes 11 ist eine Reihe von Bohrungen 12 vorgesehen, durch welche Luft austreten kann, die den über die betreffende Fläche hinweggeführten Strömungsmittelstrom in Richtung auf das Leitblech J hin ablenkt. Normalerweise tritt nur eine geringe Störung des über das Schaufelelement hinweggeführten Stromes auf, doch wird eine ausreichende Rückströmung erzeugt, sobald der Strömungsmittelstrom in der soeben angegebenen Weise abgelenkt wird.

Bei den beschriebenen Aueführungsformen dar Erfindung

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kann eine Vielzahl von Abänderungen vorgenommen werden, ohne daß die grundsätzliche Wirkungsweise hierdurch beeinflußt wird. Beispielsweise kann die von den Schaufelelementen abgegebene Luft anstelle durch Eeihen von in geringem Abstand voneinander angeordneter Bohrungen auszutreten, auch durch Schlitze hindurch austreten. Ferner können die einzelnen Leitbleche im Querschnitt statt der dargestellten flachen Ausführung gekrümmt ausgebildet sein oder sie können stromlinienförmigen Querschnitt besitzen.

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Claims

Pat ent ansprüche

1. Einrichtung zur Flammenhaltung, welche innerhalb einer schnellen Gasströmung eine Flammenstabilisierungszone erzeugt, gekennzeichnet durch zwei in einem Strömungskanal (1) zueinander konzentrisch angeordnete ringförmige Leitbleche (3, 4 bzw. 3,10), deren Leitflächen derart mit Bezug auf einen durch den Strömungskanal hindurchgeführten Strömungsmittelstrom entgegengesetzt geneigt sind, daß sie einen sich erweiternden Kanalabschnitt bilden, sowie durch stromauf dieses sich erweiternden Kanales angeordnete Einrichtungen (5 bzw. 11) zur Abgabe eines im wesentlichen quer zu dem Strömungskanal gerichteten Gasstromes, welcher den Strömungsmittelstrom aus dem sich erweiternden Kanalabschnitt weg um diese Leitbleche herum ablenkt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Abgabe eines quer zu dem Strömungskanal (1) gerichteten Gasstromes ein im Querschnitt trag- flügeiförmiges, hohles Schaufelelement (5 bzw. 11) aufweisen, welches im Weg des durch den Strömungskanal geführten Strömungsmittelstromes angeordnet ist und dessen Oberfläche

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zumindestens eine Öffnung (6, 7 bzw. 8, 9 bzw. 12) aufweist, durch welche hindurch der Gasstrom ausblasbar ist, der eine Ablösung des Strömungmittelstromes von der Oberfläche dieses Schaufelelementes bewirkt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsachse des ringförmig ausgebildeten Schaufelelementes (5) mit der Querschnittsachse des sich erweiternden Kanalabschnittes (3_} 4) zusammenfällt (U¹Xg. 1).

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß die in der bzw. in den Überflächen des Schaufelelementes (5) vorgesehene Öffnung bzw. vorgesehenen öffnungen (6, 7) im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Strömungskanales (1) ausgerichtet sind*

5· Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Achse bzw. die Achsen der in der Oberfläche bzw. den Oberflächen des Schaufeleleinentes (5) vorgesehenen Öffnung bzw. öffnungen (8, 9) von dem Schaufelelementinneren aus in Stromaufwärtsrichtung divergierend geneigt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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BAD

daß die Einrichtungen zur Abgabe eines quer zu dein ötrÖLiungskanal (1) gerichteten Gasstromes ein im Querschnitt tragflügeiförmiges, hohles, ringförmiges Schaufelelement (11) aufweisen, das stromabwärts von den Leitblechen (3, 4) koaxial f.u diesen angeordnet und mit in radial inneren und radial äußeren Flächen gebildeten öffnungen (6, 7 bzw. 8, 9) versehen ist, durch welche hindurch ein G-asstrom abgegeben werden kann, welcher eine Ablösung des durch den Strömungskanal (1) geführten StrömungsEiittelstromes von den betreffenden i'läohe— dieses Schaufeleleraentes (5) und dadurch eine Herumführung ies otrönungsmittelstromes um diese Leitbleche herum herbeiführt .

7· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, •lcC eines der Leitbleche (3, 10) einen Teil (IC)de:-; sohlen ;>c sauf feie lern ent es (11) billet (±lg. 2).

ο. x,.Lnricht"ong nach Anspruch 7₅ dadurch gei/^nvL:"-:·;-^ -.^ne:- ■;.a.5 dar: einen Teil des xiohlon Schaufeielementes \^y·'^} bil-■xerx.e Leitblech (10) in Kichtung stromauf wt l Is ve:V^:r ,^'i *-"ν·:- 'jjri daß eine weitoi't ^/andung dieses öcj^;.aufo. 1 ele::.^n".'-^o ■''■■■■.■-'■'■L Ί::/α ;..icu orwei ^irnden Kanulabschnii/t ?.v:j..:c:jvj_ d;^.

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Leitblechen (3, 10) hindurch verläuft und mit öffnungen (12) versehen ist, aus weichen der Gasstrom ausblasbar ist, welcher den Stromungsmittelstrom innerhalb des Strömungskanales (1) um eines der Leitbleche (3) herum ablenkt (Fig. 2).

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