DE1751990C1

DE1751990C1 - Brennkammer fuer eine kontinuierliche detonationsartige Verbrennung von Brennstoff

Info

Publication number: DE1751990C1
Application number: DE19681751990
Authority: DE
Inventors: Lucien Reingold
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1968-08-19
Filing date: 1968-08-19
Publication date: 1979-05-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine kontinuierliche detonationsartige Verbrennung von Brennstoff in einem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden gasförmigen Sauerstoffträger, insbesondere für Staustrahltriebwerke, mit einem die Gesamtströmung in zwei sich umschließende Teilströme aufspaltenden, zentral angeordneten, zur Vermeidung von Stoßwellen an seinem stromaufwärtigen Ende spitz ausgebildeten und vom inneren Teilstrom durchströmten Strömungsteiler, dessen Verlauf in Strömungsrichtung in bezug auf den Verlauf des Brennkammermantels derart ist, daß die Teilströme unterschiedliche Überschallgeschwindigkeiten erreichen, wobei der Brennstoff in den die größere Überschallgeschwindigkeit aufweisenden Teilstrom eingeführt wird.

Es ist bereits bekannt, daß man eine detonationsartige Verbrennung in einer kontinuierlichen Überschall-Gasströmung ab einer Machzahl von ungefähr 1,2 erhalten kann, wenn man diese Verbrennung in einer Stoßwelle stabilisiert, die ihrerseits in der Überschallströmung stabil ist. Eine solche Brennkammer ist beispielsweise in der FR-PS 10 08 660 beschrieben. Die bekannte Brennkammer enthält gemäß F i g. 1 ein einziges zentrales Rohr, an dessen vorderer Stirnkante sich eine Stoßwelle ausbildet. In einer anderen Ausführungsform, derjenigen gemäß F i g. 3, der bekannten Brennkammer sind zwei hintereinanderliegende Rohre vorgesehen, an deren vorderen Stirnkanten ebenfalls Stoßwellen erzeugt werden. Dabei steht der Verbrennungsbereich mit der Stirnkante der Rohre in Berührung, so daß der thermische Widerstand des Rohres die maximal

ίο zulässige, im Verlauf der Verbrennung erreichbare Temperatur beschränkt.

In Fig.2 der FR-PS 10 08 660 ist dann ein Ausführungsbeispiel einer weiteren Brennkammer dargestellt, die auch zwei hintereinanderliegende Rohre aufweist, von denen das vordere Rohr zur Vermeidung von Stoßwellen an seinem vorderen Ende spitz ausgebildet ist. Von dieser Ausführung geht die Erfindung aus.

Es liegt die Aufgabe vor, die eingangs umrissene Brennkammer so auszubilden, daß die Stoßwellen von den Wänden der Brennkammer im Abstand zu liegen kommen, d. h., daß die Stoßwellen so lokalisiert werden, daß die Wahl der Brennkammerwerkstoffe nicht wegen der relativ hohen Verbrennungstemperatur eingeengt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strömungsteiler nur aus einem einzigen Rohr besteht, wobei im Falle eines derartig gewählten geometrischen Verlaufs der die Teilströme begrenzenden Wände, daß sich die Verbrennungszone im Bereich des äußeren Teilstroms ausbildet, der Brennkammermantel etwa in der Austrittsebene des Rohres aufhört.

Die Verbrennung wird dabei in einer Stoßwelle in Form eines Doppelkegelstumpfs ausgelöst und stabilisiert, wobei sich die Stoßwelle selbst am Austritt des Rohres stabilisiert Die Stoßwelle weist einen ebenen Abschnitt auf, der in einer zur Strömungsrichtung senkrecht liegenden Ebene im Einschnürungsbereich des Doppelkegelstumpfs liegt, und es zeigt sich, daß die Flamme in diesem Abschnitt, ohne mit dem Rohr oder dem Brennkammermantel in Berührung zu gelangen, stabilisiert wird. Diese Stabilisierung der Flamme in der Stoßwelle ist auf eine Mikroturbulenz zurückzuführen, die in der Strömung stromab der Stoßwelle erzeugt wird.

Durch die erfindungsgemäße Brennkammer können wesentlich höhere Temperaturen zugelassen werden, da man auf die Werkstoffe der Brennkammer, die von der Verbrennungszone entfernt sind und die aus üblichen Materialien, wie beispielsweise leichten Legierungen bestehen können, keine Rücksicht zu nehmen braucht.

In gewissen Fällen bildet sich am Ausgang des Rohres, wo die beiden Teilströme unterschiedliche Überschallgeschwindigkeiten haben, eine Stoßwelle aus, die nicht genau die Form eines Doppelkegelstumpfs, sondern eines Doppelkegels hat, der einem Grenzfall des Doppelkegelstumpfs entspricht. In diesem Fall ist die Einschnürungsstelle des Doppelkegelstumpfs auf einen Punkt reduziert. Diese Verbrennung ist nur ein Spezialfall der Verbrennung in Form eines Doppelkegelstumpfs; der letztere Ausdruck soll daher beide Fälle umfassen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkammermantel zylindrisch ausgebildet (Anspruch 2), wobei also das Rohr die Form eines divergenten Kanals hat.

Wird hierbei der innere Teilstrom beschleunigt und der ringförmige äußere Teilstrom entsprechend verzö-

gert, so bildet sich in der Mitte am Ausgang des Rohres die Stoßwelle aus. In diesem Fall erfolgt die Zuführung des Brennstoffs in der Mitte, so daß sich in dem nicht von der Stoßwelle durchsetzten äußeren Teilstrom keine Verbrennung ausbilden kann. Diese Ausführungsform läßt sich insbesondere bei Staustrahltriebwerken verwenden.

Ist dagegen das Rohr konvergent und der Brennkammermantel zylindrisch ausgebildet, so wird der innere Teilstrom verzögert und der ringförmige äußere Teilstrom entsprechend beschleunigt, wobei sich die Stoßwelle nicht in der Mitte, sondern im Bereich des äußeren Teilstroms stromab des Rohres ausbildet. In diesem Fall wird der Brennstoff stromauf des den äußeren Teilstrom aufnehmenden Kanals am Innenumfang des Brennkammermantels verteilt eingeführt. Diese Ausführungsform kann insbesondere bei Einrichtungen zur Oberflächenbehandlung mit sehr hohen Temperaturen verwendet werden; die Oberflächen können unmittelbar mit dem ringförmigen Verbrennungsbereich in Berührung gebracht werden, der von den Bauteilen der eigentlichen Brennkammer trotzdem entfernt liegt. Bei den hohen Temperaturen sind die Gase einer starken Ionisation ausgesetzt, wobei die elektronischen Eigenschaften des sich hierbei bildenden Plasmas in verschiedener Weise ausgenützt werden können.

Weitere Ausgestaltungen gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Brennkammer im folgenden näher erläutert Es zeigen

F i g. 1 bis 3 Ausführungsformen von Brennkammern mit divergentem Rohr,

Fig.4 und 5 jeweils eine Ausführungsform des Brennkammermantels,

Fig.6 und 7 jeweils eine Ausführungsform für die Brennstoffzuführung,

F i g. 8 einen Längsschnitt durch eine konstruktiv durchgebildete Ausführungsform der Brennkammer,

Fig.9 bis 12 verschiedene Schnitte durch die Brennkammer gemäß F i g. 8,

Fig. 13 einen Längsschnitt durch die Brennkammer für ein Staustrahltriebwerk,

F i g. 14 den Einlaß eines Staustrahltriebwerkes mit veränderlichem Eintrittsquerschnitt,

F i g. 15 die Brennkammer mit konvergentem Rohr,

Fig. 16 einen Querschnitt längs der Linie XVI-XVI der F ig. 15,

F i g. 17 die Brennkammer eines ringförmigen Stau-Strahltriebwerks zusammen mit dem Flugkörper und

Fig. 18 und 19 flache Staustrahltriebwerke mit der erfindungsgemäßen Brennkammer in einem Flugzeug.

In F i g. 1 ist ein zylindrischer Mantel 1 einer Brennkammer mit dem Durchmesser D\ gezeigt, in « welchem Mantel Luft oder ein anderer Sauerstoffträger mit Überschallgeschwindigkeit entsprechend einer Machzahl M₁ strömt. Ein Rohr 2 mit der Länge L, das einen Eintrittsdurchmesser d\ und einen Austrittsdurchmesser di aufweist, ist innerhalb des Mantels 1 angeordnet und bildet einen Diffusor, dessen Achse parallel zur Achse des Brennkammermantels 1 verläuft und vorzugsweise mit ihr zusammenfällt.

Im dargestellten Beispiel verläuft das Rohr 2 divergent, was nach den Gesetzen der Überschallströmung eine Beschleunigung der Strömung innerhalb des Diffusors auf eine Machzahl M zur Folge hat, während die Strömung in dem zwischen dem Rohr 2 und dem Mantel 1 gebildeten Ringraum auf eine Machzahl M_e verzögert wird. M, ist also größer als M*

In der Ebene des Austrittsquerschnitts 5b des Diffusors treffen sich die beiden Teilströme und bilden eine Stoßwelle in Form eines Doppelkegelstumpfs (Fig.2); der stromaufwärts liegende Kegelstumpf schließt sich an die Austrittsöffnung des Diffusors an und reicht bis zu einer Ebene AB, die senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft; der stromabwärts liegende Kegelstumpf schließt sich an diese Ebene an, wobei die Ebene AB auf einen Punkt reduziert sein kann.

Wenn die Luft zur Bildung eines entflammbaren Gemisches mit einem Brennstoff gemischt ist und wenn die Stautemperatur 71, die von der Flugmachzahl und der Flughöhe abhängt, der Gesamtströmung genügend groß ist, entzündet sich das Gemisch in Höhe der Ebene AB, und es erfolgt eine kontinuierliche detonationsartige Verbrennung stromab dieser Ebene. Diese detonationsartige Verbrennung stabilisiert sich in einem beschränkten Bereich Z, der vom Diffusor und den Wänden des Brennkammermantels entfernt ist.

Der Diffusor kann, wie in F i g. 2 dargestellt, die Form eines Kegelstumpfes oder, wie in F i g. 3 dargestellt, die Form eines anderen, in Strömungsrichtung divergierenden Rotationskörpers haben, der durch eine nicht mehr geradlinig profilierte Wand begrenzt ist, deren Profil an beiden Enden spitz zuläuft, um die Bildung von Stoßwellen zu verhindern, wie sie bekanntlich in Überschallströmungen durch senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufende Hindernisse erzeugt werden.

Der Brennkammermantel 1 kann, wie in Fig.4 dargestellt, zwischen dem Austrittsquerschnitt des Diffusors und dem Eintrittsquerschnitt einer Leitung 3, die die Verbrennungsgase z. B. der Schubdüse eines Staustrahltriebwerks zuführt, unterbrochen sein, wobei die Verbrennung im freien Strahl zwischen CD bzw. QDi (Bereich Z) erfolgt. Die F i g. 4 zeigt außerdem eine dünne Zwischenwand 4, die quer zur Strömungsrichtung innerhalb des Brennkammermantels angeordnet ist und in der ein Kanal 5 gebildet ist, der zur Zuführung von Brennstoff in Richtung der Diffusorachse dient.

Der Brennkammermantel 1 kann auch, wie in F i g. 5 dargestellt, ohne Unterbrechung bis zur Leitung 3 verlaufen. Die Wände des Brennkammermantels sind vor den Gasen hoher Temperatur, die im Bereich Z strömen, durch den ringförmigen Teilstrom mit der Machzahl M_e geschützt.

Der Abstand Lo der Einspritzstelle vom Eintrittsquerschnitt des Diffusors wird experimentell bestimmt, damit unter Berücksichtigung der Entspannung des Gases vom mittleren Teilstrom nach außen der ringförmige äußere Teilstrom keinen Brennstoff erhält, da er für die Verbrennung verloren wäre und damit außerdem die Ansaugung der Luft am Eingang des Diffusors nicht gestört wird.

Ist die Brennkammer diejenige eines Staustrahltriebwerks, so sind im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 6 die Kanäle 5 für die Brennstoffzuführung in der Zwischenwand 4 im Einlauf 6 des Triebwerks vorgesehen. Demgegenüber zeigt die F i g. 7 die Anordnung der die Brennstoffzuführungskanäle 5 aufnehmenden Zwischenwand 4 am Eintritt des Rohres 2.

In den F i g. 8 bis 12 ist ein konstruktiv durchgebildetes Ausführungsbeispiel für eine Überschallbrennkammer dargestellt, die nach dem in Fig.4 dargestellten Schema arbeitet und die zur Durchführung von Messungen geeignet ist.

Der äußere Brennkammermantel wird hier durch

folgende Elemente gebildet: Durch ein zylindrisches Rohr la zum Zuführen eines Luftstroms mit Überschallgeschwindigkeit entsprechend der Machzahl My, durch ein zylindrisches Rohr \b mit zwei diametral gegenüber angeordneten Nuten 7,8 zur Aufnahme von Ansätzen 9, 10 an den Enden der dünnen Zwischenwand 4, in der der Kanal 5 radial zur Strömungsrichtung verläuft und sich in einem axialen Kanal 5a zur Zuführung von Brennstoff fortsetzt; das Rohr 16 ist mit einem Anschluß 11 für eine Brennstoffleitung 12 versehen; durch ein zylindrisches Rohr ic, das das Rohr 2 umgibt; durch ein zylindrisches Rohr id, das mit diametral gegenüberliegenden Nuten 15, 16 zur Aufnahme von Ansätzen 17, 18 einer Zwischenwand 19 versehen ist, deren stromaufwärts und stromabwärts liegende Enden zugespitzt sind und die zur Abstützung des Rohres 2 dient; ein Bauteil 20 mit einer Beobachtungskammer 21, die mit Sichtfenstern versehen ist, so daß die Flamme beobachtet werden kann und sämtliche erforderlichen Messungen durchgeführt werden können. Die Rohre la, IZj, lcund ldweisen zur gegenseitigen Verbindung in der zitierten Reihenfolge entsprechende Flansche 22, 22a mit Zentrierringen 23 auf. Diese Rohre können, wie auch das Rohr 2 und die Zwischenwände 4 und 19, aus leichten Werkstoffen bestehen, da sie mit der Flamme nicht in Berührung sind.

Beispielshalber werden einige Werte für ein praktisches Ausführungsbeispiel angegeben:

Machzahl der Zuströmung
Stautemperatur der Zuströmung
Strahldurchmesser
Eintrittsdurchmesser des Rohres
Austrittsdurchmesser des Rohres
Länge des Rohres

Brennstoffzuführung: Durchmesser Austritt

Abstand zwischen dem Austritt des Eintritt

Einspritzdruck
Gesamtluftdurchsatz
Luftdurchsatz für das entflammbare Gemisch 0,133 kg/s

Die folgende Tabelle gibt verschiedene Werte für die mit dieser Brennkammer erzielbare Verbrennung an, bei der Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird:

M₁	= 2,5	= 78 mm
Ά	= 1200⁰K	6 kp/cm2
D_x	= 86,4 mm	0,9 kg/s
dx	= 33,2 mm
di	== 49,0 mm
L	= 230 mm
des	Kanals am
5a	= 1,5 mm
Kanals und dem
Lo

Durchsatz H2 in l/s	Verhältnis H2/Luft in
	Volumenprozent
1,14	1,1
2,10	2
3,96	3,9
5,82	5,6
7,55	7,3

Die Fig. 13 zeigt ein Anwendungsbeispiel entsprechend dem Schema der Fig.6, bei dem die Verbrennungsgase einer Schubdüse 24 eines Staustrahltriebwerks zugeführt werden, während der ringförmige äußere Teilstrom durch einen Ringraum 25 abgeführt wird, der zwischen dem Umfang der Schubdüse und dem Brennkammermantel 1 liegt und somit die Wand der Schubdüse kühlt.

Die F i g. 14 zeigt eine Möglichkeit, die Anfangsmachzahl und Menge am Diffusor und Ringkanal vorzugeben. Diese Einrichtung besteht aus einem Nadelkörper 26, der an seinem vorderen Ende E zugespitzt ist und an seinem hinteren Ende durch einen eiförmigen Körper 27 gebildet wird. Durch axiales Verstellen des Nadelkörpers gegenüber dem konvergenten Einlaß 28 des Brennkammermantels 1 läßt sich der Durchsatz und die Machzahl der Zuströmung ändern. Wenn M_v die Flugmachzahl des Flugzeugs ist, verzögert die am Eintritt vorgesehene Einrichtung die Strömung vom Wert Mv entsprechend auf den Wert Μχ.

Der Diffusor kann aber auch konvergent ausgebildet sein, so daß der innere Teilstrom verzögert und der äußere Teilstrom beschleunigt wird. Ausführungsbeispiele hierfür sind in den F i g. 15 und 16 dargestellt. Im konvergenten Rohr 2a wird die Strömung von M auf M-, verzögert, während der äußere ringförmige Teilstrom dagegen auf den Wert M_e beschleunigt wird. Hier ist also Me größer als M₁: Der Brennkammermantel 1 hört bei dieser Ausführungsform mit konvergentem Rohr etwa in der Austrittsebene dieses Rohres auf.

Am Austritt des Diffusors, wo sich die beiden Teilströme vereinigen, bildet sich eine Stoßwelle mit rotationssymmetrischer Oberfläche aus. Diese Stoßwelle weist kegelstumpfförmige Abschnitte auf, die an eine Ringebene AB, ΑχΒχ angrenzen; stromab dieser Ebene bilden sich kegelstumpfförmige Stoßwellen mit einem umgekehrt konischen Verlauf aus. Wenn man, wie dargestellt, stromauf des Rohres 2a eine Reihe von radialen Zwischenwänden 4i, 4₂, 4₃ ... 4„ (F i g. 16) zur Zuführung von Brennstoff durch entsprechende Kanäle 5i ... 5„ anordnet, erfolgt stromabwärts von der Ringebene AB, ΑχΒχ eine kontinuierliche detonationsartige Verbrennung, die sich in einem ringförmigen Bereich Ζχ stabilisiert, in dessen Mitte sich ein freier Luftstrahl mit Überschallgeschwindigkeit befindet.

Bei einer derartigen Anordnung können Bauteile 29, 30, deren Oberflächen GH, GxG₂ wärmebehandelt werden sollen, mit der Flamme in Berührung gebracht werden, wobei gegebenenfalls die elektrischen Ladungen des bei sehr hohen Temperaturen im Verbrennungsbereich Ζχ auftretenden Plasmas ausgenützt werden.

Die vorstehend beschriebene Überschallbrennkammer ist rotationssymmetrisch bezüglich ihrer eigenen Achse. Demgegenüber zeigt die Fig. 17 eine rotationssymmetrische Ausbildung bezüglich einer anderen Achse Χ-Χχ zur Bildung einer ringförmigen Brennkammer 32 eines Flugkörpers, wobei die Achse X-X₁ die Längsachse des für Überschallgeschwindigkeiten vorgesehenen Flugkörpers 31 ist. Die Brennkammer 32 ist von Wandungen 33, 34 gebildet und weist einen kegelstumpfförmigen Diffusor mit Wänden 35, 36 auf. Vor dem durch die Wandungen 33, 34 gebildeten Ringraum befindet sich ein Ansaugkanal 37, der in Strömungsrichtung konvergent verläuft und dem ein divergenter Ausstoßkanal 38 folgt. Die Brennkammer 32 und der Flugkörper sind durch radiale Zwischenwände 39 verbunden, die gleichzeitig Kanäle 40 zur Zuführung von Brennstoff aufnehmen. Der Diffusor wird in der Brennkammer durch radiale Zwischenwände 41 gestützt.

Die Anordnung der Einspritzeinrichtung 40 entspricht derjenigen in F i g. 16.

Genauso wie die Brennkammer zylindrisch ausgebildet sein kann, kann sie auch flach sein, d. h. rechteckigen Querschnitt aufweisen, wie dies aus den Fig. 18 und 19 hervorgeht. Ein solches Staustrahltriebwerk 42 kann z.B. an der Hinterkante 43 des Tragflügels 44 eines Überschallflugzeugs 45 angeordnet sein.

Der Brennkammermantel braucht auch nicht zylindrisch oder mit konstantem Querschnitt ausgebildet

sein, sondern kann konvergente oder divergente Form aufweisen. Entsprechend braucht das Rohr nicht konvergent oder divergent zu sein, sondern kann mit konstantem Querschnitt, z. B. zylindrisch, ausgeführt sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkammer für eine kontinuierliche detonationsartige Verbrennung von Brennstoff in einem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden gasförmigen Sauerstoffträger, insbesondere für Staustrahltriebwerke, mit einem die Gesamtströmung in zwei sich umschließende Teilströme aufspaltenden, zentral angeordneten, zur Vermeidung von Stoßwellen an seinem stromaufwärtigen Ende spitz ausgebildeten und vom inneren Teilstrom durchströmten Strömungsteiler, dessen Verlauf in Strömungsrichtung in bezug auf den Verlauf des Brennkammermantels derart ist, daß die Teilströme unterschiedliche Überschallgeschwindigkeiten erreichen, wobei der Brennstoff in den die größere Überschallgeschwindigkeit aufweisenden Teilstrom eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsteiler nur aus einem einzigen Rohr (2,2a) besteht, wobei im Falle eines derartig gewählten geometrischen Verlaufs der die Teilströme begrenzenden Wände, daß sich die Verbrennungszone im Bereich des äußeren Teilstroms ausbildet, der Brennkammermantel (1) etwa in der Austrittsebene des Rohres (2a) aufhört.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammermantel (1) zylindrisch ausgebildet ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2 für ein Staustrahltriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des die geringere Überschallgeschwindigkeit aufweisenden äußeren Teilstroms stromab der Brennkammer (1, 2) die in die Brennkammer (1,2) einstehende Schubdüse (24) des Triebwerkes außen umströmt.

4. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammermantel (1) stromab vom den Strömungsteiler bildenden Rohr (2) unterbrochen ist.