DE2147113C3

DE2147113C3 - Flammrohr für Gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE2147113C3
Application number: DE2147113A
Authority: DE
Inventors: Alan Knight Castle Donington Derbyshire Chesters (Ver. Koenigreich)
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1970-09-26
Filing date: 1971-09-21
Publication date: 1980-04-30
Also published as: DE2147113A1; DE2147113B2; FR2108013A1; US3793828A; FR2108013B1; JPS5310208B1; GB1283827A

Description

Die Erfindung betrifft ein Flammrohr für Gasturbinenstrahltriebwerke der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Gattung. Ein solches Flammrohr ist aus der GB-PS 6 94 484 und der CH-PS 2 88 250 bekannt. Hierbei ist zur Vermeidung von Kohlenstoffablagerungen stromab des Brennstoffinjektors eine Wirbelkammer angeordnet, die mit Wirbelschaufeln ausgestattet ist, die sich zwischen zwei konischen Ringen erstrecken, wobei Luft zwischen den Oberflächen ausgebreitet werden soll, um eine Verrußung auf diesen Oberflächen zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flammrohr der eingangs genannten Gattung derart zu verbessern, daß eine vollständige Verbrennung ohne Erzeugung von Turbulenzen bei einer weitgehend laminaren Strömung erreicht wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs I angegebenen Merkmale. Durch die laminare Luftströmung wird ein dünner Luftfilm auf der inneren Oberfläche der Teilungswand aufrechterhalten, und diese laminare Luftströmung wird durch den langgestreckten Ringkanal gewährleistet.

Durch die Erfindung wird demgemäß eine konische Primärliiftslrömung erzeugt, die von Sog und Turbulenz frei ist, so daß sich eine verbesserte Zündung und eine verbesserte Kühlung des Flammmhrkopfcs ergibt, und ein verbesserter Durchfliiflkocffi/icnt erhalten werden kann. d. h. ein besseres Verhältnis von tatsächlicher Strömung durch die Öffnung zur theoretischen Strömung durch diese Öffnung hindurch. Durch die scharfkantige Ausbildung der Wand wird erreicht, daß die Strömung längs der Oberfläche des Ablenkkörpers, d, h. der Teilungswand verläuft, und es wird verhindert, daß die Luftströmung an der Oberfläche des Ringes anhaftet und dann von dort nach innen wandert.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der

"> Zeichnung zeigt

F i g. I 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 10 am Kopf und einem zylindrischen Abschnitt 12 sowie einer kreisförmigen Ablenkplatte 14, die von der Erweiterung 10 über eine Reihe von im gleichen Abstand zueinander liegenden Schaufeln 16 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 21 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 ctromunterseitigen glockenförmigen Mündungsabschnitt 146.

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 tier Erweiterung 10 anhaftet, sollte sich die Auslaßlippe 14cder 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 Φ sein. Es ist außerdem erwünscht, die Fläche des Kanals 24 kontinuierlich in Strömungsrichtung zusammenzuziehen, um die Anhaftung 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, UiTi eine Kohlenstoff ablagerung und Erhitzung durch die primäre Rezirkulation zu verhindern. Zu Beginn der Krümmung der Ablenkplatte wird die Grenzschicht-

>5 strömung 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

m> Wanddruck von einem Unterdruck auf den Umgebungsdruck erhöht wird. Der Anstieg des Wanddruckes relativ zu dem dynamischen Druck hängt in erster Linie von t/R] ab und wenn l/R\ kleiner ist als ein bestimmter kritischer Wert, dann genügt die Geschwindigkeit der

^h~> Energieübertragung von der Hauptströmung nach der Grenzschicht, um dem ungünstigen Druckgradienten zu begegnen und die Strömung angehaftet zu halten. Wenn R\ ungefähr Ri und '/' = 90" beträgt, ist 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 Rezirkulationsgasen 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 Vu abgeschätzt wird. Daher sollte für einen befriedigenden Betrieb'/5 > t/R\ > Vu sein.

Der Rand £ sollte scharf ausgebildet sein, wobei λ > ι ο 45° um eine Ablösung zu gewährleisten und der Abstand a, d. h. der Abstand vom Rand E nach dem Beginn der Krümmung der Ablenkplatte sollte 3f nicht überschreiten. Die Schaufeln 21 haben zweckmäßigerweise ein Stromlinienprofil, da die Sogwirkungen, die sogar bei ganz kleinen Ablenkkörpern geliefert werden, eine störende Wirkung auf den Coanda-Effekt ausüben.

Die Stirnfläche 14c 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 £2 und £3 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 Triebwerlksleistung 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 Brennkammern angeordnet werden und F i g. 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 34 getragen wird. Die Ablenkplatte 32 umfaßt zwei kreisbogenförmige Körper 36 und 38, die zusammen eine Ablenkplatte definieren, welche einen ringförmigen Abschnitt 32a mit g.-.'iden Seiten und einen ringförmigen Glockenmündüiigfabschnitt 32ö besitzt

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flammrohr für Gasturbinenstrahltriebwerke mit einem ringförmigen, eine Brennstoffeinspritzvorrichtung umgebenden Einlaß für Verbrennungsluft, der von einer inneren und einer äußeren zylindrischen Wand begrenzt ist und von dem aus sich das Flammrohr erweitert, und mit einer sich nach dem Inneren des Flammrohrs hin glockenförmig erweiternden Teilungswand, deren stromabwärtiger Mündungsrand radial außerhalb der äußeren zylindrischen Wand im axialen Abstand zu einer Ecke der äußeren Flammrohrwand zwischen der äußeren zylindrischen Wand und dem sich erweiternden Flammrohrwandabschnitt liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das stromaufwärtige Ende(14a^derTeilungswand (14) zylindrisch gestaltet ist und mit der inneren zylindrischen Wand (18) einen Ringkanal (26) bildet, und daß das stromunterseitige Ende (Ei) der inneren zylindrischen Wand (18) scharfkantig mit einem Winkel («) von wenigstens 45° ausgebildet ist.

2. Flammrohr nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsrand (Ei bzw. £j) der glockenförmigen Erweiterung einen halben Öffnungswinkel (Θ) von etwa 90° aufweist und daß dieser Winkel etwa gleich ist dem halben öffnungswinkel (Φ) am Übergang zwischen äußerer zylindrischer Wand (12) und Brennkammerwand (10).

3. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dali.die Teilungswand (14) von stromlinienförmigen Schaufeln (21) getragen ist, die an der inneren zylindrischen Wpnd (18) befestigt sind.