DE2255306C3

DE2255306C3 - Aerodynamische Flammenhalterung für luftatmende Strahltriebwerke

Info

Publication number: DE2255306C3
Application number: DE2255306A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Dr. 8000 Muenchen Bergt
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1972-11-11
Filing date: 1972-11-11
Publication date: 1975-06-12
Also published as: FR2206442A1; FR2206442B1; GB1451354A; DE2255306B2; US3938325A; DE2255306A1

Description

Die Erfindung betrifft eine aerodynamische Flammenhalterung für luftatmende Strahltriebwerke, mit an der Ober- und an der Unterseite eines Flammenhalterkörpers, der den Querschnitt eines Laminarprofils aufweist und einen Mischraum umschließt, angebrachten Austrittsöffnungen, durch die das mit dem gesamten Treibstoff zündfähig aufbereitete Treibstoff-Luft-Gemisch in den Verbrennungskanal gelangt

Eine Schubsteigerung moderner luftatmender Strahltriebwerke wird gegenwärtig unter anderem erreicht durch folgende zwei Maßnahmen:

1. Nachverbrennung der Turbinenabgase in einem im Strahlrohr des Triebwerks stromab der Turbine angeordneten Nachbrenner;

2. Zusatzverbrennung von Treibstoff in dem Bypass-Kanal von Zweistromtriebwerken durchströmenden Kaltluftstrom.

Da in beiden Fällen die Anströmgeschwindigkeit des Gasstromes viel zu hoch ist, um eine stabile Verbrennung aufrechterhalten zu können, ist es notwendig, zur Aufrechterhahung der Verbrennung Stabilisatoren vorzusehen, hinter denen sich bei der Umströmung durch den Gasstrom eine Rezirkulationszone des Strömungsmediums ausbildet, auf Grund derer eine stabile Verbrennung ermöglicht wird.

Diese Stabilisatoren werden im allgemeinen in Form von aus V-Profilen gefertigten Ringen angewendet und fest im Brennraum eingebaut. Zusammen mit der für die gewünschte Nach- oder Zusatzverbrennung nach nötigen Treibstoffeinspritzvorrichtung verursachen solche Stabilisatoren jedoch einen nicht unbeträchtlichen Gesamtdruckverlust, dies besonders auch dann, wenn für bestimmte Flugphasen eine Nach- bzw. Zusatzverbrennung nicht erforderlich ist. Dies ist um so bedeutsamer, als die Einsatzdauer von Nachbrennern eines Flugsystems im Vergleich zu dessen Gesamtflugzeit relativ kurz ist.

Um den Gesamtdruckverlust, der sich letztlich als Leistungsverlust äußerst, zu reduzieren, wurde die sogenannte »aerodynamische Flammenhalterung« entwickelt. Hierbei handelt es sich um den Ersatz herkömmlicher V-Stabilisatoren durch im Profil symmetri-■%he Körper möglichst minimalen Strömungiwider-.Itandes. Aus, 4iesen wild T>ei Bedarf, d.h. sobald die

# hjach-oder die Zusaizverbreflnung«rforderiicb ist, An- ^apfluft aus dem Hochdruckverdichter schräg oder

^senkrecht zur Hauptstromrichtung in den Hattptstrom lebläsen. Diese Luft bildet im Hauptstrom eine schirm-Jrtige Verblockungszone, hinter der das für eine stabile !»Verbrennung notwendige Rezirkulationsgebiet entsteht Auch hier muß der für die Verbrennung nötige

Treibstoff durch zusätzliche Düsen in die Rezirkulationszone eingespritzt werden. Die hierfür im Brennraum anzubringenden Brennstoffeinspritzvorrichtun- :gen ergeben jedoch ihrerseits wiederum einen erneuten Gesamtdruckverlust, wodurch der Vorteil des strömungsgünstigen Flammenhalterungsproffls teilweise wieder zunichte gemacht wird.

Bei der Verwendung solcher Flammenhalterungen kommt es häufig zu Zündschwierigkeiten, da der nach der Brennstoffeinspritzung einsetzende Gemischbil-

dungsvorgang vielfach zu einem nur sehr unvollständig aufbereiteten Gemisch führt das sehr inhomogen und nur an wenigen Stellen zündfähig ist Dies ist besonders bei der Verwendung dieser Flammenhalterungen im Kaltluftstrom von Bypass-Kanälen der Fall, da durch

die relativ kühle Luftströmung dort der Gemischbildungsvorgang noch erschwert wird. Um die hier aufgezeigten Schwierigkeiten der Gemischbildung zu verringern, wurde eine Flammenhalterung bekannt, bei der innerhalb der Flammenhalterung der Stabilisierungsluft bereits etwas Treibstoff zugeführt wird, ohne daß jedoch auf eine zusätzliche Treibstoffeinspritzung außerhalb der Flammenhalterung verzichtet werden konnte. Bekannt ist auch ein aerodynamischer Flammenhalter mit den eingangs genannten gattungsgemäßen Merkmalen — und von dieser Lösung nach der US-PS 3 328 958 geht die Erfindung insbesondere aus —, bei dem die Zumischung des Treibstoffes zu der Verbrennungsluft in einer Leitung erfolgt durch die die mit dem Treibstoff angereicherte Verbrennungsluft in den sogenannten Mischraum gelangt der von dem Flammenhalterkörp(T mit dem Querschnitt eines Laminarprofils und Austrittsöffnungen an der Ober- und Unterseite umschlossen ist Bei dieser Lösung wird es jedoch als nachteilig angesehen, daß an der Einmündung der Leitung in den Mischraum wegen der damit verbundenen Querschnittserweiterung eine Verzögerung der Strömung eintritt, während die verhältnismäßig großen Treibstofftröpfchen zunächst mit unverminderter Geschwindigkeit weiterfliegen und unter Umständen so-

gar auf der der Einmündung der Leitung gegenüberliegenden Wand (des Mischraumes auftreffen. Das bedeutet aber, daß der Mischraum die Aufbereitung des in der Zuleitung gebildeten Treibstoff-Luft-Gemisches nicht nur nicht begünstigt sondern durch Entmischen von Treibstoff und Luft der Bildung eines gut zündfähigen Gemisches entgegenwirkt. Der sogenannte Mischraum ist also im Grunde nichts anderes als ein Raum, mit dem das über eine Leitung zugefuhrte Treibstoff-Luft-Gemisch auf die Vielzahl der auf der Ober- und Unterseite des ringförmigen Flammenhalterkörpers mit dem Querschnitt eines Laminarprofils verteilt und in den den Flammenhalter umströmenden Kaltluftstrom eingebracht wird; er ist dagegen kein Raum, in dem die Verteilung des Treibstoffes in der Luft, also die Bildung eines homogenen und deshalb gut ;cündfähigen Treibstoff-Luft-Gemisches begünstigt wird.

Bei einem anderen bekannten aerodynamischen Flammenhalter (DT-AS 1 246 325) wird ebenfalls in

einem Luftzuführrohr der Verbrennungsluft Treibstoff zugemischt, und das so gebildete Treibstoff-Luft-Gemisch tritt am Ende des Rohres in den Strömungskanal •des Triebwerkes ein. Um die Ztmischung des Treibstoff-Luft-Gemisches z» der Luft im Strömungskanal 5 des Triebwerkes zu begünstigen, ist vor dem Austrittsquerschnitt des Luftzuführrohres eine wie eine Prallfläche wirkende Umlenkfläche angeordnet, die den austretenden Strom des Treibstoff-Luft-Gemisches auffächert. Die Prallfläche könnte zwar als eine das Rohr zur Mischkammer unter Bildung seitlicher Auslässe schließende Wand betrachtet werden, sie hat aber auf jeden Fall ähnliche Wirkungen wie die der Luftzuführungsleitung gegenüberliegende Wand der Mischkammer bei der vorher besprochenen Lösung: ein erheblir eher Teil der Treibstofftröpfchen wird auf der Prallfläche aufschlagen, es Findet eher eine Entmischung als eine Begünstigung der Vermischung zwischen Luft und Treibstoff statt

Demgegenüber ist es zwar bekannt, den gesamten zur Verbrennung notwendigen Treibstoff erst in der Mischkammer einer Einspritzvorrichtung mit Luft zu vermischen (US-PS 2 946 185), es handelt sich aber bei dieser Lösung um einen Brenner, bei dem es um eine günstige Gemischeinbringung in den Verbrennungskanal geht. Wenngleich eine flammstabilisierende Wirkung dieses Brenners nicht ausgeschlossen werden kann, so ist doch ein die Flammstabilisierung angehendes Problem erkennbar nicht behandelt.

Es liegt daher die Aufgabe vor, eine aerodynamische Flammenhalterung der eingangs umrissenen Art so zu verbessern, daß bei relativ kleinem baulichen Aufwand jederzeit eine zuverlässige Zündung des Systems gewährleistet ist und daß im gezündeten wie im nicht gezündeten Betriebszustand nur ein minimaler Gesamtdruckverlust und damit Leistungsverlust auftritt, wobei eine gute Aufbereitung eines zündfähigen Treibstoff-Luft-Gemisches ohne die Gefahr einer Entmischung gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Mischraum zylindrisch — gegebenenfalls als gekrümmter Zylinder — ausgebildet ist, den Flammenhalterkörper senkrecht zur Längsachse des Laminarprofils durchdrinf und daß die Einbringung des Treibstoffs im den Mischraum in Richtung der Längsachse dieses Raums mittels einer Zerstäuberdüse erfolgt, die unmittelbar am Mischraumeintritt vom Führungskanal für die zur Gemischaufbereitung erforderliche Luft konzentrisch umgeben angeordnet ist.

Auch bei der Lösung nach der Erfindung wird also der ganze zur Verbrennung nötigt Treibstoff der Stabilisierungsluft in dem Mischraum vor dem Austritt aus der Flammenhalterung zugesetzt. Dabei findet nicht nur eine einfache Eindüsung des Treibstoffes in den Stabilisierungsluftstrom statt, sondern es erfolgt in dem Mischraum eine Aufbereitung des Treibstoff-Luft-Gemisches zu einem zündfähigen, homogenen Gemisch. Es ist dabei gewährleistet, daß dem Treibstoff-Luft-Gemisch die zu seiner vollständigen zündfähigen Aufbereitung notwendige Aufbereitungszeit sowie di·* für eine homogene Gemischverteilung erforderliche Verwirbelung und Durchmischung zur Verfugung steht. Auf Grund der Tatsache, daß vom Mischraum aus über die Austrittsöffr.ungen ein zündfähiges Gemisch die Flammenhalterung verläßt, ist eine zuverlässige Zündung des Gemisches jederzeit sicher gewährleistet.

Gegenüber herkömmlichen Systemen weist die Lösung nach der Erfindung weiterhin den Vorteil einer reduzierten Baulänge des ,Nachbrejiners auf, da bei den bekannten Systemen mit Treibstofi-Einspri*zvorriehtungen außerhalb der Flammenhalterung ein bestimmter minimaler, der Treibstoff-Luft-Aufbereitouig dienender Abstand zwischen Treibstoff-Einspritzvorrichtimg und Flammenhalterung nicht unterschritten werden darf. Des weiteren weist die erfindungsgemäße Lösung wegen des Fortfalles von ayßenliegenden, die Hauptströmung störenden Treibstoff-Einspritzvorrichtungen den zusätzlichen Vorteil auf, daß durch geeignete Wahl von Geometrie, Verteilung und Orientierung der Auslaßöffnungen die Verteilung des austretenden zündfähigen Gemisches optimal den Erfordernissen des jeweiligen Triebwerkes angepaßt und die jeweils gewünschte Form des aus der Verbrennung resultierenden Temperaturprofils weitgehend erreicht werden kann.

Zusätzlich weist die Erfindung den Vorteil auf, daß der für eine bestimmte Eindringtiefe des Stabilisierungsmediums in den Gasstrom notwenige Druckluftbedarf entsprechend dem im Stabiiisierungsmedium enthaltenen TreibstoffanteiS vermindert wird. Als weiterer Vorteil kann dabei das Druckniveau der Stabüisierungsluft relativ niedrig sein, d.h., der notwendige Luftbedarf kann aus dem Niederdruck- oder Mitteldruckteil des Verdichters gedeckt werden. Da die zur Flammenstabilisierung nötige Luftmenge sowie deren Druckniveau im Hinblick auf die praktische Anwendung vielfach außerordentlich wichtige oder gar ausschlaggebende Bewertungsdaten darstellen, sind auch die beiden letztgenannten Vorteile von größter Bedeutung.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen aerodynamischen Flammenhalterung sind in der Zeichnung teilweise schematisch dargestellt; es zeigt

F i g. 1 im Querschnitt eine Flammenhalterung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

F1 g. 2 die Flammenhalterung aus F i g. 1 in der Draufsicht,

Fig.3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eine sternförmige Anordnung von Flammenhalterkörpern in einem Nachbrenner (Längsschnitt),

F i g. 4 eine Darstellung entsprechend der Schnittlinie I-I aus Fig.3,

F i g. 5 als weiteres Beispiel eine sternförmige Anordnung von Flammenhaherungen im Bypass-System (Längsschnitt) eines Zweistromtriebwerks,

F i g. 6 eine Darstellung entsprechend der Schnittlinie H-II aus F i g. 5,

F i g. 7 als letztes Ausführungsbeispiel eine ringförmige Anordnung von Flammenhaherungen im Nachbrenner (Längsschnitt) und

F i g. 8 eine Darstellung entsprechend der Schnittlinie HI-IH aus F i g. 7.

Der als Körper minimalen Strömungswiderstandes mit dem Querschnitt eines Laminarprofils — in der Zeichnung als symmetrisches Profil mit einer relativen Dickenrücklage von 50% - ausgebildete Flammenhalterkörper 1 (F i g. 1 und 2) umschließt den als Bohrung quer zur Anströmrichtung angeordneten Mischraum 2, der sich über die gesamte Spannweite der Flammenhaiierung erstreckt (F i g. 2). Dem Mischraum 2 wird über die seitlich an der Flammenhalterung angeordneten Führungskanäle 3 und 4 Luft zugeführt, in die der zur Verbrennung notwendige Treibstoff 5 mittels der Zerstäuberdüsen 6 und 7 eingestäubt wird. Die Treibstoffzuführung erfolgt insbesondere durch Dralldüsen. Es besteht dabei die Möglichkeit, die Treibstoffzuführung mit der Luftzuführung in einem Bauteil zu-

sammenzufassen. ζ. B. in Form einer luftunterstützten Düse. In F ig.2 ist eine beidseitige Luft-Treibstoff-Zuführung in den Mischraum dargestellt Es ist jedoch für bestimmte Anwendungsfälle ebenso möglich, nur eine einseitige Luft-Treibstoff-Zuführung vorzusehen.

. Infolge der speziellen Position der Einrichtung für die Treibstoffzuführung wird der Treibstoff schon bei Eintritt in den Mischraum 2 mit der zugeführten Luft vorgemischt. Das zur Verfügung stehende Volumen des Mischraumes ermöglicht die Fortführung des bereits «ingeleiteten Mischprozesses und darüber hinaus die Homogenisierung des Treibstoff-Luft-Gemisches, das sodann in zündfähigera Zustand über die Austrittsöffnungen 8 an der Ober- und ander Unterseite des Flammenhalterkörpers unter Oberdruck aus der Flammen- halterung austritt Die Geometrie der Austrittsöffnungen 8, wie deren Anordnung und Orientierung 8a, Sb, ist dem jeweiligen Einsatzzweck anzupassen. Das den Flammenhalterkörper 1 verlassende zündfähige Gemisch 9 dringt aus den Austrittsöffnungen 8 in die Außenströmung ein und verursacht in der Nähe der Wandung der Flammenhalterung die zur Ausbildung des Rezirkulationsgebietes 10 notwendige Ablösung der Profflströraung (F i g. 1). Die Existenz dieser Rezirkulationsströmun« ist die Voraussetzung für eine stabi- Ie Verbrennung. Ober eine Zündvorrichtung U innerhalb dieser Rezirkulationszone wird das Gemisch gezündet

In den F i g. 3 und 4 ist eine sternförmige Anordnung von Flammenhalterungen in einem Nachbrenner 15 dargestellt Das die Leitapparate 12 der Turbine verlassende Abgas 13 strömt den zwischen Diffusor 14 und Nachbrenner 15 sternförmig im Strömungsquerschnitt angeordneten Flammenhalterkörpern 16 zu (Fig.3). Das die Mischkammern 17 dieser Flammenhalterkörper verlassende zündfähige Treibstoff-Luft-Gemisch erzeugt dann die für eine stabile Verbrennung notwendige Rezirkulationszone. Die Stabilisierungsluft sowie der gesamte Treibstoff werden den Flammenhalterungen über Zerstäuberdüsen und Führungskanäle 17' und 18 zugeleitet. Die nachverbrannten Abgase verlassen den Nachbrenner durch die Schubdüse 19 (F i g. 3).

Eine sternförmige Anordnung von Flammenhalterungen im Bypass-Kanal 20 eines Zweistromtriebwerks ist in den F i g. 5 und 6 dargestellt Die den Flammenhalterkörpern 21 zuströmende Kaltluft 22 wird im Bypass-Kanal aufgeheizt und den Turbinenabgasen zugemischt (F i g. 5). Der für die zur Aufheizung notwendigen Verbrennung erforderliche Treibstoff sowie die Stabilisierungsiufi wird den Flammenhalterungen über Zerstäuberdüsen und Führungskanäle 23 einseitig zugeleitet (F i g. 6). Die endgültige Aufbereitung zu einem zundfähigen Treibstoff-Luft-Gemisch erfolgt in den Mischkammern 24.

Eine ringförmige Anordnung von Flammenhalterun· gen in einem Nachbrenner ist in den F i g. 7 und 8 gezeigt Das die Leitapparate der Turbine verlassende Abgas 25 strömt den zwischen Diffusor und Nachbrenner 26 ringförmig im Strömungsquerschnitt angeordneten Flammenhalterkörpern 27 zu (F i g. 7 bzw. 8). Die Stabilisierungsluft wie der einzuspritzende Treibstoff werden den einzelnen Flammenhalterungen über die Stützstreben 28 zugeführt Die Bohrungen 29 im Gehäuse 30 dienen der Zufuhr der Stabilisierungsluft zu den Stützstreben 28. Durch die Austrittsöffnungen 31 verlaßt das zündfähige, in den Mischräumen 32 aufbereitete Gemisch die Flammenhalterungen.

Die Strömungsrichtung des Gasstromes im Strahltriebwerk wird in den F i g. 1 bis 8 durch Pfeile gekennzeichnet.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

- r~ ί-ί s_T Λ*- *·

25&306

Patentanspruch:

' * Aerodynamische ElaimnenhdteBing für Juftiuv - inende Strahltriebwerke, mit an der Ober- und an ',"-der Unterseite eines Flammenbaltekörpers, der den Querschnitt eines Laminarprofils aufweist und einen Mischraum umschließt, angebrachten Austrittsöffnungen, durch die das mit dem gesamten Treibstoff zündfähig aufbereitete Treibstoff-Luft-Gemisch in den Verbrennungskanal gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischraum (2) zylindrisch — gegebenenfalls ^ gekrümmter Zylinder — ausgebildet ist, den RaWnenhalterkörper (1) senkrecht zur Längsachse des Larainarprofils durchdringt und daß die Einbringung des Treibstoffs in den Mischraum (2) in Richtung der Längsachse dieses Raumes (2) mittels einer Zerstäuberdüse (6, 7) erfolgt, die unmittelbar am Mischraumeintritt vom Führungskanal (4) für die zur Gemischaufbereitung erforderliche Luft konzentrisch umgeben angeordnet ist.