DE1926295A1

DE1926295A1 - Verbrennungskammer fuer Strahltriebwerke

Info

Publication number: DE1926295A1
Application number: DE19691926295
Authority: DE
Inventors: Pierce Lowell Jackson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-05-24
Filing date: 1969-05-22
Publication date: 1969-12-04
Also published as: US3512359A; BE733540A; DE1926295B2; DE1926295C3; FR2009294A1; GB1260557A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskammer zur Brennstoffverbrennung in einem Strahltriebwerk, die eine Turbulenzluftströmung zur Erzeugung eines gesonderten Luftstromes verwendet und die mit einer Steuerung für die Verbrennung innerhalb dieses Strömungsverlaufes versehen ist. Die Erfindung bezieht sich besonders auf eine ringförmige Verbrennungskammer, die eine kreisförmig angeordnete Reihe von Luftturbulenzgeneratoren im geschlossenen Ende derselben enthält. Der Brennstoff wird in einige, Jedoch nicht in alle Turbulenzgeneratoren eingeführt, während eine begrenzte Luftmenge allen Turbulenzgeneratoren zugeführt wird, um die Zündung zu beginnen. Die übrige Luft, die zur Verbrennung notwendig ist, wird durch öffnungen in der ringförmigen Verbrennungskammer eingeleitet. Die Anordnung erzeugt einen Luftstrom und einen Verbrennungsverlauf, wobei an den Wänden der ringförmigen Verbrennungskammer ein FiIi* bestehend aus Kühlluft vorhanden ist und wobei durch den Turbulenzgenerator ein gesteuerter Verlauf des verbrennenden

Lufttreibstoffgemisches um einen zentralen Niederdruckkern erzeugt wird.

Eine Verbrennungskammer, die besonders für Strahltriebwerke oder für andere Anwendungsbereiche bei Flugkörpern für hohe Geschwindigkeiten geeignet ist. ist den verschiedensten Umgebungsbedingungen unterworfen und muß daher den unterschiedlichsten Problemen, die mit diesen Bedingungen verbunden sind, genügen. Die Verbrennungskammer befindet sich im allgemeinen in einem sich schnell bewegenden Gasstrom und muß nicht nur für die Zündung des Brennstoffes in einem sich schnell bewegenden Gasstrom sorgen, sondern muß auch einen kontinuierlichen Verbrennungsprozeß und eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes in einer relativ kurzen Obergangszeitspanne ermöglichen.

Mit dem Aufkommen nochhöherer Pluggeschwindigkeit mit Strahltriebwerken und dem Bestreben, die Ausgangsleistung pro Volumeneinheit der Verbrennungskammer zu erhöhen, wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um dabei eine wirtschaftliche Betriebsweise zu erreichen. Die grundlegenden Probleme der Luftzuführung und der Brennstoffverbrennung werden jedoch komplizierter wegen der Notwendigkeit, bei einer optimalen Anfangsverbrennung und optimalen Kühlcharakteristiken größere Luftmengen bei höheren Geschwindigkeiten in der Verbrennungskammer vorzusehen. Dies wiederum erfordert eine Steuerung der einströmenden Luft durch einen regulierten Luftstromverlauf und durch Gebiete geringerer Geschwindigkeit. Eine ringförmige Verbrennungskammer, wie sie im folgenden beschrieben wird, besitzt ein weit größeres Verbrennungskammervolumen als eine entsprechende Kanisteranordnung, aber die Zündung und die allgemeine Verbrennungssteuerung ist weitaus schwieriger, da eine geringere Fläche für die Entzündung zur Verfügung steht und eine weitaus größere überlagerung des gesonderten Luftströmungsverlaufs und des Verbrennungsprozesses vorhanden ist.

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BeI der Lösung einiger dieser Probleme, die mit der Zündung und der Verbrennungssteuerung verbunden sind., ist es bereits bekannt, zur Erzielung einer besseren Mischung, Verbrennung und Steuerung der Verbrennung in einer ringförmigen Verbrennungskammer in einer solchen eine kreisförmig angeordnete Reihe von Luftturbulenzgeneratoren am geschlossenen Ende vorzusehen, die aus Figur 2 der Zeichnung zu e -nehmen sind. Danach wird allen Turbulenzgeneratoren Brennstoff zugeführt und mit einer begrenzten Menge Luft gemischt, um eine Zündung zu ermöglichen, wobei die verbleibende Luft, die zur Verbrennung notwendig ist, durch öffnungen in der Kammer gewonnen wird. Besonders in Figur 2 ist ein Schnitt und ein Aufriß einer ringförmigen Verbrennungskammer gezeigt, die mehrere Turbulenzgeneratoren 20 besitzt, die am Kopfende des Gehäuseoberteils 11 in gleichen Abständen um den Kreisumfang desselben angeordnet sind. Die Brennstoffversorgung erfolgt bei dieser Anordnung mit Hilfe von Brennstoffdüsen 16, die sich in jeder öffnung 15 eines jeden Generators 20 befinden. Die Brennstoffdüse 16 kann von herkömmlicher Art sein, die eine konische Versprühung des Brennstoffs axial in die Verbrennungskammer ermöglicht. In einem Brenner für hohe Luftgeschwindigkeiten, wo die Übergangszeit verringert ist, muß eine schnelle Brennst offluftmischung bei einer höhen Verbrennungsrate in der Nähe des Kopfes der Verbrennungskammer erfolgen. Die Brennstoffeinspritzung in die Wirbelströmung der Luft vom Wirbelgenerator aus bewirkt, daß Brennstoffpartikel durch die Wirbelströmung der Luft für die Mischung und Verteilung durch die turbulente wirbelnde Luftmasse herausgerissen werden. Die Zündung des Brennstoffes wird durch anjsich bekannte Zündeinrichtungen, wie beispielsweise Zündkerzen, die sich im allgemeinen innerhalb einer Höhlung des geschlossenen Endes befinden, durchgeführt. Nach sorgfältigen Untersuchungen wurde jedoch festgestellt, daß zwischen den Wirbelbereichen und dem von den Wirbelbereichen entfernten Einflußfeld die Luftströmung nach unten gezwungen wird. Dieser Teil der Strömung, der in Figur durch den Buchstaben B bezeichnet ist, enthält einen hohen Prozentsatz reinen Brennstoffs, der nicht mit den umgewälzten,

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Gasen entsprechend vermischt worden ist. Demzufolge verläßt ein Teil des Brennstoffs die Verbrennungskammer, ohne zur ..Verbrennung beizutragen. Demzufolge entsteht hierdurch ein schlechter Verbrennungswirkungsgrad, ein ungleiches Temperaturprofil, hohe Haubenmetalltemperaturen und hohe Spltzentemperaturfaktoren.

Als Folge dieser obengenannten Nachteile ergibt sich, daß bei den Verbrennungskammern bekannter Art der eingeführte Brennstoff keine maximale Verbrennung erzielt. Bei der vorliegenden Erfindung werden diese Mängel vermieden und der Luftstrom wird mit dem Brennstoff angemessen vermischt, wobei der Luftstromverlauf, der sich in dem Brenner ergibt, gesteuert wird, um einen wirksamen Betrieb zu ermöglichen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf eine kreisförmig angeordnete Reihe von Luftturbulenzgeneratoren, um die eine ringförmige Verbrennungskammer angeordnet ist. Um eine maximale Mischung der Luft mit dem Brennstoff herzustellen und den Luftströmungsverlauf, der sich im Brenner ergibt, zu steuern, wird der Brennstoff nur in einen Teil der vorhandenen Turbulenzeinrichtungen eingeführt. Die Turbulenzeinrichtungen, die keine Brennstoffdüsen besitzen, dienen primär als Steuer- und Mischeinrichtung zur Steuerung des Luftströmungsverlaufes, der sich in dem Brenner einstellt, uia eine ataximale Mischung der Luft mit dem Brennstoff sicherzustellen.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mehrere Luftzuführungeturbulenzgeneratoren in einer ringförmigen Verbrennungskammer vorzusehen, mit denen eine bessere Gemischverbrennung und Verbrennungssteuerung möglich ist.

Der Erfindung liegt fernen die Aufgabe zugrunde, eine Kombination eines gesteuerten Luftströmungsverlaufes mit einem Verbrennungsprozeß innerhalb einer Verbrennungskammer vorzusehen.

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Die Lösung dieser Aufgaben besteht darin, daß bei einem mit Öffnungen versehenen Verbrennungskammergehäuseteil, das ein geschlossenes Kopfstück, ein offenes Auslaßteil and mehrere Luftwirbelgeneratoreinrichtungen zur Erzeugung eines Lufteinlaßstromes besitzt, Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16 in einigen, Jedoch nicht in allen, der Turbulenzgeneratoren 20', 20'' vorhanden sind, um Brennstoff in die Kammer zu sprühen, wobei der Luftturbulenzgenerator so ausgelegt ist, daß die Luftwirbelbewegung eine vollständige Mischung des versprühten Brennstoffes mit der einströmenden Luft bewirkt. Anhand der folgenden Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Zum besseren Verständnis wird in der Zeichnung auch der Stand der Technik dargestellt. Hierbei zeigen:

Figur 1 einen Teilquerschnitt der bevorzugten Ausführungsform einer ringförmigen Verbrennungskammer die einen Turbulenzgenerator besitzt;

Figur 2 einen Teilaufriß und Querschnitt einer anjsich bekannten Verbrennungskammer;

Figur 3 einen Teilaufriß und Querschnitt der Verbrennungskammer nach Figur 1 entlang der Linien 3-3» die eine bevorzugte Ausführungsform derErfindung wiedergibt;

Figur 4 einen Teilquerschnitt der kreisförmig angeordneten Reihe der Luftturbulenzgeneratoren bekannter Art,

und
Figur 5 einen Tel!querschnitt einer kreisförmig angeordneten Reihe von Luftturbulenzgeneratoren gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist eine ringförmige Verbrennungskammer 10 wiedergegeben, die im allgemeinen eine mit Öffnungen versehene ringförmige Verkleidung 11 besitzt, das innerhalb eines ringförmigen Gehäuses 12 konzentrisch angeordnet ist. Die

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ringförmlge Verkleidung 11 umschließt ein geschlossenes Kopfende 13 und ein offenes Austrittsende 14 und 1st so angeordnet, daß ein Luftstrom durch das Gehäuse 12 von dem Kopfende 13 der Verkleidung il zum Austrittsende 14 geführt wird. Das Kopfende 13 umfaßt eine kreisförmig angeordnete Reihe von Turbulenzgeneratoren 20, von denen einige mit öffnungen 15 versehen sind, die Brennstoff düsen 16 aufnehmen, um die Kammer mit Brennstoff versorgen zu können. Dem Strömungskanal 17 wird von einem nicht-dargestellten Kompressor Luft zugeftührt, die in die mit öffnungen versehene Verkleidung einströmt, um sich mit dem Brennstoff zu vermischen.

Der Turbulenzgenerator 20 besitzt einen kappenförmlgen Körper oder eine Schale 21. Turbulenzgeneratoren sind im weitesten Sinne bekannt; sie können die verschiedensten Formen, wie etwa der Körper 21 annehmen, und können konisch, kegelstumpfförmig oder sphärisch sein. Von dort können ebene, gekrümmte oder konkavgewölbte LeitVIeehe auslhen. Dem Turbulenzgenerator kommt hinsichtlich seiner örtlichen Anordnung und seiner Verwendung eine größere Bedeutung zu, als seiner besonderen Struktur.

In Figur 3 sind mehrere Turbulenzgeneratoren 20 wiedergegeben, die im Kopfende der Verkleidung 11 in gleichen Abständen um die Peripherie desselben angeordnet sind. Innerhalb einiger der Turbulenz generatoren 20 sind abwechselnd Brennstoffdüsen 16 vorgesehen. Die Brennstoffdüse 16 kann von beliebiger und bekannter Art sein, um eine konische Brennstoffversprühung axial in die Verbrennungskammer zu ermöglichen. Die Brennst offdüsen sind abwechselnd angeordnet, wobei die Turbulenzgeneratoren «fco*·»- 20, die keine Brennstoffdüsen besitzen, sich auf beiden Selten einer solchen befinden, die eine Brennstoffdüse besitzt. Der Turbulenz generator 20 ist mit einer Brennstoffdüse 16 ausgerüstet. Im Rahmen dieser Erfindung kann Irgendeine allgemeine Brennstoffanordnung vorgesehen sein, vorausgesetzt, dal zwei Turbulenzgeneratoren 20, die kreisförmig nebeneinan-

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der Eingeordnet sind, nicht beide eine Brennstoffdüse 16 besitzen. Die Brenn- oder Yerbrennungscharakteristiken der Verbrennungskammer 10 gemäß Figur 1 sind von dem Vorhandensein eines diskreten LuftStromverlaufes abhängig, der durch die Verbrennung der Luft, die durch die Turbulenzgeneratoren und öffnungen in der Verkleidung gelangt, erzeugt wird. Wie bereits gesagt wurde, umfaßt die Verkleidung Ü ahrere kreisförmig um die äußere Peripherie angeordnete Reihen von öffnungen 2k und öffnungen 26,. die sieh um die Peripherie der Verkleidung erstrecken. Diese öffnungen 24 und 26 sind mit Rändern oder Kanalflächen 28 versehen, die der durchströmenden Luft eine Richtungsstabilität verleihen. Die Turbulenzgeneratoren 20 sorgen für eine Wirbelbewegung des Brennstoffes und der Luft in der Verkleidung.

Aus Figur 5 ist der gesteuerte Luftströmungsverlauf und die Nischcharakteristik der Erfindung zu entnehmen. Alle drei Turbulenzvorrichtungen 20* und 20»* gemäß Figur 5 besitzen Öffnungen JO als Lufteinlaß. Die Turbulenzvo-rrichtungen 20' haben darin eingebaute Brennstoffdüsen 16, die Brennstoff in die Verbrennungskammer einsprühen. Der gesteuerte Luftströmungsverlauf, der durch die Pfeile angezeigt ist, mischt wegen der Turbulenzvorrichtungen 20** den Brennstoff vollständig, der durch die Brennstoff düsen 16 eintritt mit der Luft, die durch die öffnungen 30 gelangt. Die Luftströmungen, die aus den Turbulenzvorrichtungen ausströmen, werden so geleitet, daß sie mit einer großen Scherwirkung aufeinanderstoßen, wodurch die Mischung bewirkt wird.

Danach wird es verständlich, daß mit Hilfe der Erfindung eine optimale Ausnutzung einer Verbrennungskammer, die einen Turbulenzgenerator zur Luftversorgung verwendet, erreicht wird«

Durch die Kombination «iner luftliefernden Turbulenzvorrichtung mit einer Turbulenzvorrichtuog, die Luft und Brennstoff liefert, wird eine optimale Wirkung and eine gesteuerte Verbrennung in einer diskreten Luftbrennstoffströmung erzielti

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Wichtlg ist noch die Bemerkung, daß der Turbulenzverlauf, der durch die Pfeile in Figur 5 dargestellt ist, zur Brennst off verbrennung erzeugt wird und daß dieser Verlauf nicht bloße rotierende wirbelnde Massen darstellt. Ferner ist noch wichtig zu bemerken, daß mit dieser Kombination auch ein vollständiger Verbrennungsprozeß gewonnenjwird, der dichter am Kopfende verläuft. Daher steht, falls die Übergangszeit sehr kurz bemessen ist, dem Verbrennungsprozeß eine größere Zeit für eine vollständigere Verbrennung zur Verfügung.

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Claims

Ansprüche

l./Eine mit öffnungen versehene Verbrennungskammer, die ein !geschlossenes Kopfstück, ein offenes Ausströmende und mehrere Turbulenzgeneratoren besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Turbulenzgeneratoren zur Lufteinströmung derart angeordnet sind, daß eine turbulente Luftbewegung zur vollständigen Durchmischung des eingespritzten Brennstoffes mit der einströmenden Luft erreicht wird.
2. Verbrennungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einigen, jedoch nicht allen, Turbulenzgeneratoren (20', 20* ·) Brennstoffe'inspritzvorrichtungen (16) zur Einspritzung von Brennstoff in die Verbrennungskammer vorgesehen sind, wobei die Luftturbulenzgeneratoren so ausgebildet sind, daß eine turbulente Luftbewegung zur vollständigen Durchmischung des versprühten Brennstoffes mit der einströmenden Luft erreicht wird.
3. Verbrennungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinspritzvorrichtungen sich in räumlich abwechselnder Weise in den Luftturbulenzgeneratoren befinden.

¹I. Verbrennungskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftturbulenzerzeuger in dem geschlossenen Ende des Gehäuses angeordnet sind.

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