DE2147113A1 - Verbrennungseinrichtung, insbesondere für Gasturbinenstrahltriebwerke - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE
DIPL.-ING. CURT WALLACH

DR. TINO HAIBACH

8 München 2, 21. September 1971

UNSER ZEICHEN: 13

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, London, England

Verbrennungseinrichtung, insbesondere für Gasturbinenstrahltriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung, insbesondere für Gasturbinenstrahltriebwerke.

Bei einer Bauart von Verbrennungseinrichtungen ist die Anordnung derart getroffen, daß Primärluft durch eine Reihe radial angeord neter Wirbelschaufeln, die in einem ringförmigen Einlaß angeordnet sind, in die Brennkammer eintreten. Hierdurch wird eine Wirbelkomponente auf die Primärluft aufgeprägt, um die Vermischung zwischen Luft und Brennstoff zu verbessern, wobei jedoch der Entladungskoeffizient der Vorrichtung relativ niedrig und die Dicke des entstehenden Luftfilmes relativ dick ist. Eine Vorrichtung mit einem höheren Entladungskoeffizienten müßte eine verbesserte Durchmischung ergeben, weil dann höhere Schergradienten auftreten und außerdem müßte die Zündung verbessert werden, weil die Pilmdicke geringer ist, was wiederum von dem höheren Koeffizienten herrührt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für den Einlaß von Priraärluft zu schaffen, die keine Wirbelschaufeln erfordert und einen höheren Entladungskoeffizienten hat als Verbrennungseinrichtungen mit Wirbelschaufeln.

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Die Erfindung geht aus von einer Brennkammer mit einem ringförmigen Lufteinlaß für die Primärluft und löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Lufteinlaß αμΓοΙι Ablenkmittel in weni-ßgstens zwei Ringkanäle aufgeteilt wird, von denen der eine für den Hauptstrom der Primärluft in die Brennkammer bestimmt ist, während der andere Kanal der Luftströmung dient, die an der innersten Wandung der Ablenkvorrichtung durch den Coanda-Effekt anhaftet, wenn die Brennkammer in Betrieb befindlich ist.

Die Benutzung einer solchen Vorrichtung bedeutet, daß die Wandtemperaturen der Verbrennungseinrichtung vermindert werden, weil das Flammgas in systematischer Weise nach der Wand fortschreitet und ein unstabiler Wechsel von nicht verwirbelter Wandkühlluft und Luft fehlt, die durch die Wirbelschaufeln hindurchgetreten ist.

Die Ablenkeinrichtung kann aus einer ringförmigen Ablenkplatte bestehen, die einen zylindrischen Abschnitt besitzt, der sich in einem Glοckenmundabschnitt in Richtung nach hinten öffnet.

Die Ablenkeinrichtung kann von mehreren Schaufeln getragen werden, die sich zwischen der Brennkammerwand und den Ablenkmitteln erstrecken.

Die Schaufeln können so angeordnet werden, daß eine Wirbelkomponente auf die hindurchtretende Luft ausgeübt wird.

Die Erfindung kann in gleicher Weise für rohrförmige als auch für ringförmige Brennkammern Anwendung finden und auch für solche, bei denen rohrförmige Flammrohre in ringförmiger Anordnung montiert sind.

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Nachstehend wird ein Ausführüngsbeispiel der Erfindung anhand der Zeiohnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Teilseitenansicht einer erfindungsgemäßen Brennkammer,

Fig. 2 eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausgestaltung einer Brennkammer nach der Erfindung.

Die in der Zeichnung dargestellte Brennkammer eines Gasturbinenstrahltriebwerks besitzt ein Flammrohr mit einer Erweiterung am Kopf und einem zylindrischen Abschnitt 12 sowie einer kreisförmigen Ablenkplatte 14, die von der Erweiterung 1Ö über eine Reihe von im gleichen Abstand zueinander liegenden Schaufeln getragen wird, die dazu dienen, eine nicht verwirbelte Strömung zu erzeugen. Am Brennstoffinjektor 20 ist ein Ring 18 vorgesehen und an der Ablenkplatte durch mehrere,im gleichen Abstand angeordnete stromlinienförmige Schaufeln befestigt, die ebenfalls eine nicht verwirbelte Strömung erzeugen sollen, aber so ausgebildet sind, daß sie erforderlichenfalls eine Wirbelkomponente erzeugen können.Die Ablenkplatte 14 besitzt einen zylindrischen Abschnitt 14a und einen stromunterseitigen glockenförmigen Mündungsabschnitt 14b.

Ein ringförmiger Einlaß 22 für die Strömung von Primärluft nach der Brennkammer wird zwischen dem zylindrischen Abschnitt 12 und dem Ring 18 gebildet und der Einlaß 22 ist durch den stromoberseitigen zylindrischen Abschnitt 14a der Ablenkplatte 14 in zwei ringförmige Kanäle 24 und 26 unterteilt.

Um zu gewährleisten, daß die Hauptprimärströmung durch den Kanal 24 an den Wänden der Erweiterung 10 anhaftet, sollten sich die Auslaßlippe 14c der Ablenkplatte über die Außenwand des Kanales 24 hinaus erstrecken. So sollte der Durchmesser A^B sein und der Winkel θ sollte größer oder gleich dem Winkel 0 sein. Es ist außerdem erwünscht, die Fläche des Kanals 24 kontinuierlich in Strömungsrichtung zusammenzuziehen, um die Anhaftung

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der Strömung an der Ecke 28 zu verbessern und den Entladungskoeffizienten auf einem hohen Wert zu halten.

Ein aus Luft gebildeter Film, der durch den Kanal 26 strömt, wird durch den Coanda-Effekt an der gekrümmten innersten Oberfläche der Ablenkplatte angeheftet, um eine Kohlenstoffablagerung und Erhitzung durch die primäre Rezirkulation zu verhindern. Zu Beginn der Krümmung der Ablenkplatte wird die Grenzsehichtströmung durch den Unterdruck,der mit der Krümmung verknüpft ist, beschleunigt und die Strömung bleibt angehaftet, da sie stabil ist. Wenn das Ende der Krümmung erreicht ist, muß die Grenzschicht jedoch einen ungünstigen Druckgradienten überwinden, da der Wancfruck von einem Unterdruck auf den Umgebungsdruck erhöht wird. Der Anstieg des Wanddruckes relativ zu dem dynamischen Kopf hängt in erster Linie von t/R, ab und wenn t/R., kleiner ist als ein bestimmter kritischer Wert, dann genügt die Geschwindigkeit der Energieübertragung von der Hauptströmung nach der Grenzschicht, um dem ungünstigen Druckgradienten zu begegnen und die Strömung angehaftet zu halten. Wenn R, ungefähr Rp und 0 = 90° beträgt der kritische Wert von t/R., etwa 1/5.

Die durch den Coanda-Effekt anhaftende Strömung ist erforderlich, um die Ablenkplatte gegen Berührung mit den heißen, russigen Rez"irkulationsgasen zu schützen und um zu verhindern, daß diese Rezirkulationsgase in die Ablenkplattenwandung eindringen, sollte t/R, größer als der kritische Wert gewählt werden, der mit etwa 1/13 abgeschätzt wird. Daher sollte für einen befriedigenden Betrieb 1/5 > VR₁ > l/l?.

Der Rand E sollte scharf ausgebildet sein, wobeie£-£45° um eine Ablösung gewährleisten und der Abstand a, d.h. der Abstand vom Rand E nach dem Beginn der Krümmung der Ablenkplatte sollte 3t nicht überschreiten. Die Schaufeln 21 haben zweckmäßigerweise

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ein Stromlinienprofil, da die Sogwirkungen, die sogar bei ganz kleinen Ablenkkörpern geliefert werden, eine störende Wirkung auf den Coanda-Effekt ausüben.

Die Stirnfläche l4o der Ablenkplatte soll die anfängliche turbulente Vermischung zwischen dem Hauptprimärstrom und dem benachbarten Rezirkulationsstrom plus verdampften Brennstoff beschleunigen, und zwar in gleicher Weise durch den großen Sog, der sich hinter den Wirbelschaufeln findet.

Die Ränder E2 und E3 sollen scharf ausgebildet und nicht abgerundet sein, um ein Ablösen der Hauptprimärströmung und der durch Coanda-Effekt an der Platte anhaftenden Strömung zu gewährleisten.

Es hat sich gezeigt, daß mit einer solchen Vorrichtung eine beträchtliche Verminderung des Rauches bei hoher Triebwerksleistung und eine verbesserte Zündung insbesondere in größeren Höhen erreicht wird. Außerdem wird die Flammrohrerweiterung besser gekühlt und die normale Filmkühlung, die benutzt wird, um stromunterseitige Abschnitte (nicht dargestellt) der Brennkammer zu kühlen, reißt nicht ab, wie es der Fall ist, wenn das Strömungsmuster durch Wirbelschaufeln erzeugt wird.

Die Erfindung kann in gleicher Weise für rohrförmige oder ringförmige Brennkammer angeordnet werden und Fig.2 zeigt die Erfindung bei einer Ringbrennkammer. In Fig.2 hat die Ringbrennkammer 30 eine ringförmige Ablenkplatte 32, die von mehreren, im gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten Schaufeln 3^ getragen wird. Die Ablenkplatte 32 umfaßt zwei kreisbogenförmige Körper 36 und 38, die zusammen eine Ablenkplatte definieren, welche einen ringförmigen Abschnitt 32a mit geraden Seiten und einen ringförmigen Glockenmündungsabschnitt 32b besitzt.

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Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Gasturbinenstrahltriebwerk beschrieben. Sie iann jedoch auch mit Vorteil bei anderen Brennern für flüssigen Brennstoff Anwendung finden.

Patentansprüche;

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Claims (8)

1. -7- 2U7113

   Patentansprüche:

   Brennkammer mit einem ringförmigen Einlaß für die Primärluftströmung,

   dadurch gekennzei chnet, daß der ringförmige Einlaß durch Ablenkmittel (14) in wenigstens zwei ringförmige Kanäle (16,21) aufgeteilt wird, daß der eine Kanal (16) für die Hauptprimärströmung nach der Brennkammer bestimmt ist, während der andere Kanal (21) der Zuführung der Luftströmung dient, die an der innersten Wandung der Ablenkmittel (14) durch den Coanda-Effekt anhaftet, wenn die Brennkammer in Betrieb befindlich ist.
2. 2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkmittel (14) eine ringförmige Ablenkplatte umfassen, die einen zylindrischen Abschnitt besitzt, der sich nach einem glockenförmigen Mundstück (14b) in Strömungsrichtung öffnet.
3. 3. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß die Ablenkmittel von mehreren Schaufeln (21) getragen werden, die zwischen der Brennkammerwandung und d.en Ablenkmitteln verlaufen.
4. 4. Brennkammer nach Anspruch J, dadurch gekennzei chnet, daß ein Ring (18) über mehrere Schaufeln mit der Ablenkvorrichtung verbunden ist.
5. 5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzei chnet ,

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   daß die Schaufeln (21) so angeordnet sind, daß eine Wirbelkomponente auf die durch den anderen Kanal strömende Luft aufgebracht wird.
6. 6. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzei chnet , daß sie in an sich bekannter Weise rohrförmig ausgebildet ist,
7. 7. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie in an sich bekannter Weise eine ringförmige Anordnung rohrförmiger Brennkammern enthält.
8. 8. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß sie in an sich bekannter Weise ringförmig ausgebildet ist.

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