DE1929259A1

DE1929259A1 - Verbrennungseinrichtung

Info

Publication number: DE1929259A1
Application number: DE19691929259
Authority: DE
Inventors: Bryce William Dean
Original assignee: SECRETARY TECHNOLOGY BRIT
Current assignee: SECRETARY TECHNOLOGY BRIT
Priority date: 1968-06-10
Filing date: 1969-06-10
Publication date: 1969-12-18
Also published as: US3605407A; GB1213215A; FR2010612A1

Description

PATS HTA. WALT Dipl. ing. B. HOLZEB

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T»A«M u ■ η·*·

M. 480

Augsburg, den 9. Juni 1969

Der Minister für Technologie in der Regierung Ihrer Majestät der Königin der Vereinigten Königreiche von Großbritannien und Nordirland, Millbank Tower, Millbank, London S.W.l,

England

Verb rennungs e i-nri ch t ung

Die Erfindung betrifft Verbrennungseinrichtungen, bei welchen eine Plammenstabilisierungszone innerhalb einer schnellen Gasströmung dadurch erreicht wird, daß von einem in dieser Gasströmung angeordneten Körper die Grenzschicht¹ Strömung entsprechend abgelöst wird.

Bei Turbinenstrahltriebwerken für Plugzeuge kann man

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^bekanntlich zusätzliche Schubkraft dadurch erzeugen, daß man in einem Nachbrenner zusätzlich Brennstoff verbrennt. Bei derartigen Einrichtungen verwendet man seit langem feststehende Leitbleche, welche an ihren Ablaufkanten stabile Turbulenz= zonen oder Rückströmungszonen erzeugen, in welchen sich stabile Flammen von selbst erhalten. Derartige Leitbleche stellen jedoch während der Zeiträume, während welcher der Nachbrenner nicht in Betrieb ist, einen unerwünschten Strömungswiderstand dar. Eine der gebräuchlicheren Formen feststehender Leitbleche besteht in einer im Querschnitt V-förmigen Rinne, deren Scheitel in dem Strömungsmittelstrom stromaufwärts weist, wobei die·außerordentliche Einfachheit dieses Aufbaues gewisse Nachteile offenbar zurücktreten läßt. Durch Einstellen der beiden Schenkel des V-Profiles auf einen von ihnen eingeschlossenen Winkel von etwa 45° oder je nach der Strömungsgeschwindigkeit etwas weniger, kann ein ver= nünftiger Kompromiß zwischen Strömungswiderstand und Schaffung einer geeigneten Rückströmungszone erzielt werden.

Dennoch kann der Leitblechwiderstand kritische Werte annehmen, wenn die gesamte zur Verfügung stehende Nachbrenner= energie eingesetzt wird. Ferner ist ein Nachbrennersystem sehr erwünscht, welches während seines Nichtbetriebes einen geringen Druckverlust aufweist, vorausgesetzt, daß die sich

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aus anderen Gründen ergebendea Nachteile nicht zu schwer= wiegend sind.

Es ist bekannt, daß, wenn ein Strömungsmittel über eine Oberfläche strömt, in welcher sich eine Oberflächenunter= brechung befindet, dann die Strömung sich an dieser Stelle von der Oberfläche ablöst und eine Turbulenzzone entsteht. Hat die Oberflächenunterbrechung die Form einer Nische, dann j kann durch entsprechende Gestaltung dieser Nische die Turbulenz= zone in die Nische hineingezwungen werden, so daß sich eine ' im wesentlichen stabile Ruckströmungszone ergibt und die über die Oberfläche wegströmende Strömung sich,stromab der Nische wieder an die Oberfläche anlegt. Eine bestimmte Form einer solchen Anordnung nennt man "Wirbellager¹', bei welcher eine im wesentlichen im Querschnitt kreisförmige Nische gebildet ist, welche in Form zweier in Strömungsrichtung einander gegenüberliegender Umkehrstellen in die betreffende Oberfläche übergeht, so daß sich innerhalb der Nische eine Zone bildet, f innerhalb welcher das Strömungsmittel im wesentlichen kreis= förmig umläuft, wobei der Umfang dieses kreisförmig umlaufenden Strömungsmittelwirbels eine Grenzschicht bildet, welche die Stelle der Oberflächenunterbrechung einnimmt und zur Wirkung hat, daß das Strömungsmittel längs der Oberfläche genauso wie längs einer ununterbrochenen Oberfläche entlangströmt.

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ORIGINAL

Vernachlässigt man die Reibung und Grenzschichtwirkungen, so ergibt sich an der Ablösungsstelle keine Geschwindigke.its = unstetigkeit und folglich legt sich die Strömung stromab der Umkehrstelle ohne merkliche Nachströmung wieder an die Oberfläche an.

Bei dieser bekannten Anordnung ist die Geschwindigkeit der Strömung am Umfang des im wesentlichen innerhalb der Nische kreisförmig rotierenden Strömungsmittelwirbels unge= fähr von gleicher Größenordnung wie diejenige der freien Strömung. Eine solche Strömungsgeschwindigkeit ist jedoch zu groß, um eine vollständige Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches in der Wirbelzone zu ermöglichen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, diese bekannten Nischenwirbelströmungen für die Verbrennung von Brennstoff-Luftgemischen brauchbar zu machen.

Die Erfindung beinhaltet den Gedanken, die Längsaus= dehnung einer derartigen Nische so zu verändern, daß der Nischenquerschnitt eine im wesentlichen elliptische Form annimmt. Dadurch verringern sich in bestimmten Ellipsen-Umfangszonen die Umlaufgeschwindigkeiten, was eine gute Gemischbildung begünstigt. Weiterhin beinhaltet die Erfindung

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ORlGiNAL INSPECTED

die Erfindung den Gedanken, die Übergangsstellen zwischen der Nische und der betreffenden Oberfläche so zu gestalten, daß ebenfalls eine Verbesserung im Sinne der Lösung der dieser Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe erzielt wird.

Da die stromab der Nische gelegene Oberfläche im Falle einer Verbrennung im Nischenbereich mit Sicherheit heißen Gasen ausgesetzt ist, wäre es von Vorteil, in diesen Bereichen (| eine Kühlwirkung erzielen zu können. Durch die Erfindung soll auch dieses Problem gelöst werden.

Im Sinne der Lösung der dargelegten kombinierten Aufgabe= stellung ist eine Verbrennungseinrichtung nach der Erfindung durch einen aerodynamisch günstig gestalteten Körper gekenn=

destens eine Nische gebi]

det

aufrechterhalten wird, dqren

zeichnet, in dessen Oberfläche mir ist, in welcher eine Kehrströmung

Form eine Abtrennung der längs deif Körperoberfläche strömenden

Strömung von dieser Oberfläche un4 eine mindestens teilweise Durchmischung derselben mit diesel? Kehrströmung bewirkt.

Vorzugsweise verläuft die genannte Kehrströmung nur zum Teil innerhalb der genannten Nische bzw. Nischen und diese Nische bzw. Nischen sind so bemessen, daß die Umfangs= geschwindigkeit dieser Kehrströmung niedriger als die

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Geschwindigkeit der frei längs der Körperoberfläche strömenden Strömung ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der genannte Körper die Form einer Schaufel von symmetrischem Tragflügelprofil und an diesem Körper sind Nischen an einander gegenüberliegenden Stellen im Bereich der größten Schaufeldicke gebildet.

In Weiterbildung der Erfindung kann außerdem eine Ein= richtung zur Wärmeabführung aus dem Körper vorgesehen sein.

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter Bezug auf die anliegende Zeichnung beispielsweise be= schrieben, in welcher

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine

erfindungsgemäße Schaufel von symmetrischem Tragflügelprofil zeigt,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine.

andere Ausführungsform einer solchen erfindungsgemäßen Schaufel wiedergibt und

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Pig. 3 eine Abwandlung der in Fig. 2

gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaufel dar= stellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaufel hat im Querschnitt ein symmetrisches Tragflügelprofil und kann beispielsweise im Nachbrennerkanal zwischen dem Austritt einer Gasturbine und der Eintrittsseite einer Schubdüse eines Flugzeuges ange- ^ ordnet sein, wobei die Richtung der Gasströmung längs des SchaufelprofilB durch Pfeile B angedeutet ist.

An den voneinander abgewandten Oberflächen der Schaufel sind im Bereich von deren größter Dicke Nischen 2, 3 von teil= elliptischem Querschnitt in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise ausgespart. Die Randkanten dieser Nischen verlaufen längs der Schaufel quer zur Richtung der Gasströmung und sind so hinterschnitten, daß in Gasströmungsrichtung in einem ■

bestimmten Abstand voneinander angeordnete Umkehrstellen M, 5 gebildet werden. Von der längs der Schaufeloberfläche strömenden Gasströmung wird sich an der stromab gelegenen Umkehrstelle 5 ein Teilstrom abzweigen und an der stromauf gelegenen Umkehrstelle 4 sich wieder mit der Hauptströmung vereinigen. Das Schaufelprofil ist so gewählt, daß im hinteren Schaufelteil keine oder nur eine sehr geringe Nachströmung

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ORIGINAL INSPECTED ♦

erzeugt wird. Infolge dieser Strömungsablösung tritt innerhalb der Nischen eine Rezirkulation- bzw. Rückströmung ein, wobei » bei einem Achsenverhältnis des Nischenquerschnitts von 3 s oder größer die Geschwindigkeit am Umfang dieser in der Nische stattfindenden Rückströmung geringer ist als die Geschwindigkeit der frei über die Schaufeloberfläche hinwegströmenden Strömung.' Wird also in die Strömung in bekannter Weise Brennstoff eingeführt und gezündet» so entstehen in den Nischen Flammenstabilisierungszonen und der Geschwindigkeitsunterschied zwischen der umfänglichen Rückströmung und der freien Strömung gestattet eine Mischung zwischen dem ankommenden, noch unver= brannten Luft-Brennstoffgemisch und den heißen Verbrennungs= produkten aus der Rückstromzone.

Pig. 2 zeigt eine Schaufel 6, bei welcher die Umkehr= stellen 4, 5 der Schaufelnischen weggelassen sind, so daß an den Trennstellen allmähliche übergänge vorgesehen sind, welche folglich eine größere Turbulenz und dadurch eine noch bessere Durchmischung ergeben. Die Innenflächen 9·, 10 der Nischen sind im wesentlichen eben, während an der stromab gelegenen Umkehrstelle geneigte Flächen 11, 12 vorgesehen sind, welche zu den Ebenen der eben verlaufenden Nischenflächen 9, 10 unter einem Winkel von etwa 30° geneigt sind. Um beste Ergebnisse erzielen zu können, sollte der Staupunkt

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der sich wieder anlegenden Strömung an oder in der Nähe der stromab gelegenen Kanten der Flächen 11, 12 liegen unü damit dies erreicht wird, ist die Schaufeldicke so gewählt, daß sie von der Nischenvorderkante bis zu der stromauf gelegenen Abstufung der Nischen ständig zunimmt.

Die Nischenflächen und die hinter den Nischen gelegenen Teile der Schaufeln sind heißen Gasen ausgesetzt und folglich ist es wünschenswert, eine Kühlung dieser Flächen vorzusehen.

Fig. 3 der Zeichnung zeigt eine Schaufel von gemischter Konstruktion, deren Hinterteil 13 massiv ausgeführt ist, während ihr Vorderteil 14 hohl ausgeführt ist. Der Schaufelvorderteil ist so geformt, daß wiederum Nischen 7, 8 wie bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform der Erfindung gebildet werden, wobei diese Nischen wiederum ebene Nischenflächen 9, 10 und geneigte Nischenflächen 11, 12 aufweisen. In der Schaufelnase ist eine stromauf mündende Eintrittsöffnung 15 vorgesehen, während zwischen den die Nischen bildenden Schaufelwandungen und dem massiven Schaufelhinter= teil 13 Austrittskanäle 16, 17 gebildet sind. Folglich tritt Gas durch die an der Schaufelnase angeordnete Eintrittsöffnung ein, welches von der Hauptströmung B abgezweigt wird. Dieser

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"Zweigstrom E streicht an den Innenflächen der Wandungen der Nischen 7» 8 entlang, bevor er über die Austrittskanäle 16, in Pfeilrichtung austritt. Diese Austrittsströmung ist durch Pfeile 0 angedeutet und wird so ausgestoßen, daß sie im wesentlichen tangential über die Oberfläche des Schaufel= hinterteils abströmt. Folglich wird aus den Nischen Wärme abgeführt und es bildet sich außerdem auch noch ein Kühlfilm um die Oberfläche des Schaufelhinterteils herum. .Die Kühlung der außenliegenden Nischenflächen durch einen ähnlichen Kühl= film ist nicht möglich, da sonst die in den rückströmenden Gasen stattfindende Verbrennung abgewürgt würde. Diese äußeren Nischenflächen sind folglich aus feuerfestem Material her= gestellt, beispielsweise aus Keramikmaterial und vorzugsweise aus Siliziumnitrid.

Zerstäubter Brennstoff wird vorzugsweise so in die Hauptströisung eingesprüht, daß er stromab der Eintritts = Öffnung 15» jedoch stromauf der Nischen 7» 8 auf die Schaufel= oberfläche auftrifft, was beispielsweise durch Einspritz= düsen 18, 19 geschehen kann. In Abwandlung dessen kann die Öffnung 15 weggelassen werden und über einen von einer brennstoffreien Kanalzone abzweigenden Zuführungskanal Kühlgas in das Innere des Schaufelvorderteils eingebracht werden.

Die Leistung eines solchen erfindungsgemäßen Flammen= .

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Stabilisators ist mit Hinblick auf den Verbrennungswirkungsgrad mit derjenigen einer Rinne ¥on V-förmigem Querschnitt ver= gleichbar, welche etwa eine Rinnenbreite gleich der Summe der Tiefen der erfindungsgemäßen Nischen hat. Der betreffende Strömungskanalquerschnitt wird also in der Größenordnung des Zwei- bis Dreifachen verkleinert als dies der Fall bei Anordnung ©iner solchen_e im Querschnitt V-förmigen Rinne der Fall wäre₀ Es ist jeöoch zu beachten* daß durch den erfindungs=

gemäßen Körper kein so großer Naehstrom hervorgerufen wird wie von der erwähnten V-förmigen Rinne _a so daß die Druckvers luste in dem Strömungskanal bei ausgeschaltetem Nachbrenner wesentlich geringer sind» »

Flammenstabilisatoren der soeben beschriebenen Art sind hinsichtlich ihrer Anwendung nicht nur auf Nachbrenner be= schränkt, sondern können außerdem beispielsweise auch in Nebenstromkanälen von Turbogebläsen Anwendung finden, wenn es erwünscht ist, zwischendurch durch Verbrennung in solchen Nebenstromkänälen zusätzliche Leistung zu erzeugen.

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Claims

At

Patentansprüche

1J Verbrennungseinrichtung, gekennzeichnet durch einen aerodynamisch günstig gestalteten Körper (1 bzw. 6 bzw. 13» in dessen Oberfläche mindestens eine Nische (z.B. 2, 3 bzw. 7, 8) gebildet ist, in welcher eine Kehrströmung auf= α rechterhalten wird, deren Form eine Abtrennung der längs der Körperoberfläche strömenden Strömung (B) von dieser Oberfläche und eine mindestens teilweise Durchmischung derselben mit dieser Kehrströmung bewirkt.

2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kehrströmung nur zum Teil innerhalb der genannten Nische bzw. Nischen (z.B. 2, 3 bzw. 7» 8) verläuft und daß diese Nische bzw. Nischen so bemessen sind, daß die Umfangsgeschwindigkeit dieser Kehr=

^ strömung niedriger als die Geschwindigkeit der frei längs der Körperoberfläche strömenden Strömung (B) ist.

3. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Körper die Form einer Schaufel (1 bzw. 6 bzw. 13, 14) von symmetrischem Tragflügelprofil hat und daß Nischen (2, 3 bzw. 7, 8) an

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voneinander abgewandten Stellen im Bereich der größten Schaufeldicke gebildet sind.

4. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nische bzw, Nischen (2, 3) im wesentlichen teilelliptischen Querschnitt haben und durch Kanten (4, 5) begrenzt sind, welche in Schaufel= richtung quer zu der an der'Schaufeloberfläche herrschenden Gasströmung (B) verlaufen (Pig. I).

5. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nischenkanten so hinterschnitten sind, daß in Richtung der freien Gasströmung (B) einander gegen= überliegende Umkehrstellen (4, 5) gebildet werden (Fig. 1).

6. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Nische bzw. Nischen (7> 8) eine im wesentlichen parallel zur freien Gasströmung (B) verlaufende, im wesentlichen ebene Nischenfläche (9,· 10) aufweisen (Fig. 2 und 3). ' ■

7. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen ebene Nischen= fläche (9, 10) stromab über eine geneigte, im wesentlichen

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stromab verlaufende Fläche (11, 12) in die Oberfläche des aerodynamisch günstig gestalteten Körpers (6 bzw. 13> 1*0 übergeht (Fig. 2 und 3).

8. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 7_S dadurch gekennzeichnet, daß die geneigte Fläche (11, 12) mit Bezug auf die Ebene der im wesentlichen ebenen Nischenfläche (9, 10) unter einem Winkel in der Größenordnung von 30° geneigt ist (Fig. 2 und 3).

9. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen ebene Nischenfläche (9, 10) an feuerfestem Material gebildet ist (Fig. 2 und 3).

10. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen ebene Nischen= fläche (9, 10) an Keramikmaterial gebildet ist (Fig. 2 und 3).

11. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen ebene Nischen= fläche (9, 10) an Siliziumnitridmaterial gebildet ist (Fig. und 3)·

12. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche

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bis 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (15, 16, 17) zur Wärmeabführung aus dem genannten Körper (13, I¹O (Fig. 3).

13. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Wärmeabführung aus dem genannten Körper (13, I¹O die Form eines durch den Körper hindurchgeführten Kühlmittelkanal (15, 16, 17) hat (Fig. 3).

li|. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 12 und %

Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (13, 14) im Bereich der größten Schaufeldicke einen Hohlraum aufweist, der einen Kühlmitteleintritt (15) und einen Kühlmittelaus= tritt (16, 17) besitzt (Fig. 3).

15· Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch ' gekennzeichnet, daß der Kühlmitteleintritt die Form einer stromauf in die Schaufeloberfläche ausmündenden öffnung (15) und daß der Kühlmittelaustritt die Form von stromab von den λ Nischen (9, 10) in die Schaufeloberfläche ausmündenden öffnungen (16, 17) hat (pig. 3).

16. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (16, 17) so geformt sind, daß sie das Kühlmittel stromab in tangentialer

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Richtung (O) auf die Schaufeloberfläeiie ausstoßen (Fig. 3).

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