DE2327187A1

DE2327187A1 - Nachverbrennungsvorrichtung fuer einen gasturbinenmotor

Info

Publication number: DE2327187A1
Application number: DE2327187A
Authority: DE
Inventors: Marc Francois Bernard Buisson; Gilbert James Rousseau; Ratko Stakic
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1972-06-01
Filing date: 1973-05-28
Publication date: 1973-12-20
Also published as: FR2188060B1; GB1427197A; US3899883A; FR2188060A1; DE2327187C3; DE2327187B2

Description

PATENTANWXLTE ■ . .......

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN

DR.M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT ?V?71R7

MÖNCHEN HAMBURG C O i. I \ Q I

TElEFON: 395314 2000 HAMB U RG 50,

TELEGRAMME: KARPATENT KDN I GSTRASSE 28

NeuoJToL Nr. ₃₈₁₂
New ι el. No.

W. 25843/73 12/Ru - P 23 27 I87.6

Societe Kationale d¹Etude et de Construction de Moteurs d¹Aviation
Pari s (Frankrei ch)

Nachverbrennungsvorrichtung für einen Gasturbinenmotor.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nachverbrennungsvorrichtung für einen Gasturbinenmotor, der eine Entspannungsturbine aufweist, aus welcher im Betrieb ein Gasstrom hoher Temperatur mit hoher Geschwindigkeit austritt.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Vorrichtungen, bei denen Schub thermisch erzeugt v.^Tix*d und die für die Nachverbrennung in Turbostrahltritbwerken hoher Leistung verwendet werden, die für den Vortrieb von mit hoher Geschwindigkeit fliegenden Luftfahrzeugen und in denen die Temperatur des Stromes des gasförmigen Sauerstoffträgers einen hohen VJert, beispielsweise in der Größenordnung von 850 bis 95o° C, erreichen kann, d.h. einen Wert, der beträchtlich über dem Niveau liegt, welches allgemein in klassischen Maschinen erreicht wird, die für den Vortrieb

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von Luftfahrzeugen bestimmt sind, welche mit niedrigeren Geschwindigkeiten fliegen.

Die Nachverbrennungsvorrichtung ist von einer Ausführung, die einen Nachverbrennungskanal aufweist, der stromab der Entspannungsturbine angeordnet ist und von dem genannten Gasstrom durchströmt wird. Sie umfaßt ferner eine Quelle von Brennstoff für die Nachverbrennung und wenigstens ein hohles Gebilde, welches in dem Nachverbrennungskänal derart angeordnet ist, daß es sich in Wärmeaustauschbeziehung mit dem genannten Gasstrom hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit befindet. Das hohle Gebilde, dessen Inneres mit der genannten Brennstoffquelle verbunden ist, weist einerseits einen Einlaßteil auf, der mit einer Aufnahmeöffnung versehen ist, welche mit Bezui; auf die Strömungsrichtung des Gasstromes in dem Nachverbrennungskanal stromaufwärts gerichtet ist und durch welche hindurch ein Teil des Gasstromes ins Innere des hohlen Gebildes eintreten kann. Der Einlaßteil erstreckt sieh in einer Richtung parallel zur Längsrichtung des Nachverbrennungskanals. Andererseits weist das hohle Gebilde einen Auslaßteil auf, der mit wenigstens einer Austrittsöffnung versehen ist, durch welche hindurch ein aus einem Gemisch von Gas und Brennstoff bestehender Strahl hoher Temperatur aus dem hohlen Gebilde austritt, um in den Nachverbrennungskanal einzutreten, in:-.welchem der Strahl sich spontan entflammt und eine stabilisierte Flammenfront bildet.

Bei klassischen Verbrennungsvorrichtungen werden zum Stabilisieren der Verbrennung des Brennstoffs in einem Gasstrom hoher Geschwindigkeit ein oder mehrere als Plammenstabilisatoren bezeichnete Hindernisse verivendet, die in den Gasstrom derart eingetaucht sind, daß der Gasstrom örtlich verzögert wird und daß in ihrer Spur ein oder mehrere Wirbelzonen von geringer Axialgeschwindigkeit gebildet werden, in

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denen die Verbrennung erfolgen kann. Stromab dieses Hindernisses oder dieser Hindernisse bildet sich eine Verbrennungszone, die in Stromaufwärtsrichtung durch eine Flammenfront begrenzt ist, welche zufolge dieser Hindernisse stabilisiert ist. Es ist im allgemeinen weiterhin eine Zündeinrichtung vorgesehen, um die Zündung der Verbrennung zeitweilig oder dauernd zu gewährleisten.

Es hat sich jedoch ergeben, daß das Vorhandensein von stabilisierenden Hindernissen und einer besonderen Zündeinrichtung im Inneren eines solchen Gasstromes die Ursache ernsthafter Nachteile ist. Diese Organe rufen in der Tat beträchtliche I^adungs Verluste hervor. Weiterhin sind sie insbesondere bei Vorrichtungen mit thermischer Schuberzeugung der oben genannten Art beträchtlichen Uberhitzun'gen ausgesetzt, wodurch ihr Verhalten im Betrieb beeinträchtigt werden kann.

Zweck der Erfindung ist,die oben genannten Nachteile . oder Schwierigkeiten zu beseitigen, indem eine Einrichtung geschaffen wird, die es ermöglicht, die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom gasförmigen Sauerstoffträgers hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit einzuleiten und aufrechtzuerhalten, ohne daß es notwendig ist, Stabilisierungshindernisse und. eine besondere Zündeinrichtung vorzusehen.

Hierfür erstreckt sich bei einer Nachverbrennungsvorrichtung der genannten Art gemäß der Erfindung der Auslaßteil des hohlen Gebildes in einer Richtung quer zur Längsrichtung des Nachverbrennungskanals, und die Austrittsöffnung Cer jede Austrittsöffnung des Auslaßteiles ist mit Bezug Ή& iie Strömungsrichtung des Gasstromes in dem Nachverbrennungskanal stromabwärts gerichtet.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Auslaßteil des hohlen Gebildes unmittelbar hinter dem Einlaßteil des hohlen Gebildes angeordnet.

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Gemäß einer anderen Ausführungsform weist das hohle Gebilde vier Teile auf, die entlang der Seiten eines Vierecks angeordnet sind und in Reihe von dem Gemisch aus Gas und Brennstoff durchströmt werden, nämlich einen ersten Teil, der von dem Einlaßteil des hohlen Gebildes gebildet ist, einen zweiten Teil, der sich in einer Richtung quer zur Längsrichtung des Nachverbrennungskanäls erstreckt, einen dritten Teil, der sich in einer Richtung parallel zur Längsrichtung des Nachverbrennungskanäls stromaufwärts von dem zweiten Teil erstreckt, und einen vierten Teil, der von dem Auslaßteil des hohlen Gebildes gebildet ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das hohle Gebilde auf wenigstens einem Teil seiner Länge eine rohrförmige Struktur auf. Gemäß einer in diesem Fall anwendbaren Anordnung weist diese rohrförmige Struktur auf wenigstens einem Teil ihrer Länge wenigstens zwei rohrförmige Teile auf, die über die gleiche Eintrittsöffnung parallel gespeist werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist derjenige Teil des hohlen Gebildes, der mit der Austrittsöffnung oder den Austrittsöffnungen für das Gemisch aus Gas und Brennstoff versehen ist, mit Bezug auf die Achse des Nachverbrennungskanäls radial ausgerichtet. Gemäß einer in diesem Fall anwendbaren Anordnung verringert sich der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Austrittsöffnungen in radialer Richtung mit zunehmender Entfernung von der Achse des Nachverbrennungskanäls.

- Gemäß einer noch anderen Ausführungsform ist derjenige Teil des hohlen Gebildes, der mit der Austrittsöffnung oder den Austrittsöffnungen für das Gemisch aus Gas und Brennstoff versehen ist, mit Bezug auf den NachVerbrennungskanal tangential ausgerichtet.

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Der Gasturbinenmotor kann ein Einkreisinotor oder Kehrkreismotor, beispielsweise ein Zweikreisnotor, sein, d.h. ein Motor mit einem primären Gasstrom hoher Temperatur und hoher·Geschwindigkeit, der aus der Entspannungsturbine austritt, und mit einem sekundären Gasstrom, der um den Umfang der Turbine- strömt.

Gemäß einer Ausführungsform, die in dem besonderen Fall anwendbar ist, in welchem der Primärstrom und der Sekundärstrom sich in einer Zusammenströmzone vereinigen, die stromab der Entspannungsturbine liegt,' und in welchem der Motor weiterhin eine Hilfsverbrennungskamner aufweist, die in der Zusammenströmeone angeordnet ist, um die Einleitung und die Stabilisierung, einer Verbrennung in dem sekundären Gasstrom zu ermöglichen, ist das hohle Gebilde gemäß der Erfindung derart ausgeführt, daß es die Nachverbrennung des Brennstoffs in dem primären Gasstrom stromab der Entspannungsturbine ermöglicht, und es ist zu diesem Zweck in der Zusammenströmzone derart angeordnet, daß en sich in Wärmeaustauschbeziehung einerseits mit dem primären Gasstrom und andererseits mit der Hilfsverbrennungskammer befindet. Eine solche Ausführung ermöglicht es, aus dem Vorhandensein der Hilfsverbrennungskammer relativ zu dem Sekundärstrom Nutzen zu ziehen, um die Verzögerung der spontanen Entflammung des Gemische aus Sauerstoffträger und Brennstoff in dem primären Gasstrom zu verringern.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 und 2 sind graphische Darstellungen, Vielehe die Bedingungen veranschaulichen, unter denen eine spontane Entflammung eines aus Sauerstoffträger und Brennstoff bestehenden Gemisches stattfindet, welches in einen Strom gasförmigen Sauerstoffträgers hoher Temperatur eingespritzt wird.^

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Fig. 3 ist eine axiale Halbschnittansicht nach Linie III-III der Fig. h einer Nachverbrennungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. H ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 3 nach Linie IV-IV der Fig. 3

Fig. 5 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene ,Schnittansicht einer Einzelheit der Vorrichtung gemäß Fig. 3 nach Linie V-V der

Fig. 3.

Fig. 6 ist eine axiale Halbschnittansicht einer Nachverbrennungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 7 ist eine teilweise weggebrochene schaubildliche Ansicht einer Nachverbrennungsvorrichtung gemäß einer Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 6.

Fig. 8 ist eine axiale Halbschnittansicht einer Nachverbrennungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig» 9 ist eine Querschnittsansicht einer Abwandlung einer Einzelheit der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Der Erfindung ließt das Problem zugrunde, die Einleitung und Aufrechterhaltung der Verbrennung eines Brennstoffs in e.inem Strom gasförmigen Säuerst off trägers hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur (wobei die Temperatur beispielsweise zwischen 850 und 95o° C liegt) zu erhalten, ohne hierfür eine Verzögerung der Strömung in Kauf zu nehmen und ohne eine besondere Zündvorrichtung vorzusehen.

Zur Lösung dieses Problems sind die Bedingungen untersucht worden, unter denen die Diffusion eines Gemischs aus Sauerstoffträger und Brennstoff in einem solchen Strom hoher Temperatur erfolgt, wenn die "Reichheit" des Gemisches bzw.

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das Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoffträger größer als der Grenzwert ist, bei welchem ein Auslöschen der Flamme erfolgt.

Insbesondere wurde die Änderung von Größen, wie '. Druck, Brennstoffkopzentration und Temperatur, in der Diffusionszone betrachtet, und es wurde gefunden - was durch Untersuchungen bestätigt worden ist -, daß diese ■/ Größen in einem gewissen Abstand von der Stelle, an" welcher das Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff in den Gasstrom hoher Temperatur eintritt, einen Wert annehmen, bei dem die Bedingungen _t für die spontane Entflammung des Brennstoffs örtlich erfüllt sind.

Die Verbrennung beginnt demgemäß ohne besondere Zündvorrichtung,, und sie bleibt in dem Gasstrom aufrechterhalten, ohne daß es notwendig ist, Stabilisationshindernisse vorzusehen, um den Strom zu verzögern.

Es ergibt sich daraus das Problem, den Verbrennungswirkungsgrad einer gemäß diesem Prinzip arbeitenden Vorrichtung zu verbessern. Es ist gefunden worden, daß es für eine gegebene Länge oder eine gegebene Geometrie des Verbrennungsraumes von Interesse ist, den Abstand zu verringern, welcher dieFlammenfront (stromaufwärtige Grenze der Verbrennungszone) von der Stelle trennt,.wo das Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff in den Gasstrom hoher Temperatür und hoher Geschwindigkeit eintritt. Dieser Abstand kann als Summe aus dem Abstand, der für die Diffusion des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff in dem Gasstrom notwendig ist, und einem Abstand angesehen werden, welcher der Verzögerung der spontanen Entflammung des Brennstoffs in der genannten Diffusionszene entspricht. Es ist demgemäß vorteilhaft, die Verzögerung der spontanen Entflammung so weit wie möglich zu verringern.

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Es ist gefunden worden, daß in dieser Hinsicht der Hauptfaktor die Temperatur T₁ des Gemische aus Sauerstoffträger und Brennstoff zu dem Zeitpunkt ist, zu welchem das Gemisch in den Gasstrom hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur eintritt. Nachstehend wird mit T die Temperatur des Gasstromes nach den Einspritzen des Brennstoffs bezeichnet.

Die graphischen Darstellungen in Pig. I und 2 zeigen den Einfluß dieser Temperatur T₁ einerseits auf die Verzögerung t (in Sekunden) der spontanen Entflammung und andererseits auf die Geschwindigkeit oder Schnelligkeit

-Tr der spontanen Entflammung, und zwar für eine gleiche

Temperatur (850 C) des Stromes gasförmigen Sauerstoffträgers hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur. Die graphischen Darstellungen zeigen, daß, damit die Verzögerung der spontanen Entflammung so kurz wie möglich ist, es wesentlich ist, daß die Temperatur T. des Gemischs aus. Sauerstoffträger und Brennstoff so hoch wie möglich ist.

Fig. 3 und Ij zeiger, eine erste Ausführungsform der Erfindung, welche es ermöglicht, die oben genannten Bedingungen zu erfüllen.

In diesen Figuren -ist allgemein mit 1 eine Nachverbrennungsvorrichtung bezeichnet, die für einen Gasturbinenmotor, beispielsweise ein Turbostrahltriebwerk, bestimmt ist, das eine Entspannungsturbine 2 enthält, aus welcher im Betrieb ein Strom F gasförmigen Sauerstoffträgers hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur austritt. Die Vorrichtung weist stromab der Turbine 2 einen Nachverbrennungskanal 3 mit einer Achse X¹-X auf, der außen von einer Wand ²I begrenzt ist. An seinem stromaufseitigen Teil hat der Nachverbrennungskanal 3 eine divergierende Gestalt zufolge des Vorhandenseins eines ortsfesten Turbinenkonus 5» der mittels

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profilierter Arme 6 (Fig. k) von der Wand ¹I getragen ist.

Die Nachverbrenhungsvorrichtung weist weiterhin eine Quelle 7 von Brennstoff für die Nachverbrennung auf, und diese. Quelle 7 ist mit einer ringförmigen SammoI- bzw. Verteilerleitung 8 verbunden, die den Nachverbrennungskanal 3 außen umschließt. Der Brennstoff kann flüssiger oder gasförmiger Brennstoff sein.

In dem Nachverbrennungskanal 3 ist ein hohles Gebilde 9 derart angeordnet, daß es sich in V.'ärmeaustauschbeziehung mit dem gasförmigen Strom E■hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur befindet, der aus der Turbine 2 austritt. Das hohle Gebilde 9 (Fig· 3) ist in Gestalt einer L-förmigen rohrförmigen Struktur dargestellt, welche, ausgehend von der Wand 4, mit Hi]fe von nicht dargestellten Tragstangen in seiner Stellung gehalten wird.

Das hohle Gebilde 9 weist einen ersten rohrförmigen Teil 9a, der parallel zur Längsrichtung des Nachverbrennungskanals 3» beispielsweise parallel zur Achse X¹-Xj ausgerichtet ist, und einen zweiten rohrförmigen Teil 9b auf, der mit Bezug auf die Längsrichtung quer und beispielsweise im wesentlichen radial (Fig. h) ausgerichtet ist.

■ An seinem stromaufseitigen Ende ist der erste rohrförmige Teil 9a mit einer Aufnahme- oder Eintrittsöffnung 9aä versehen» welche mit Bezug auf die Strömungsrichtung des Gasstromes F stromaufwärts gerichtet ist und'' durch welche hindurch ein Teil f des Gasstromes mit^ seinem dynamischen Druck ins Innere des hohlen Gebildes 9 eintreten kann.'

Der zweite rohrförmige Teil 9b hat vorzugsweise ein solches Umrißprofil (siehe Fig. 5)> daß der Gasstrom F so wenig wie möglich gestört wird. Er ist mit einer oder mehreren Austrittsöffnungen 9ba verschen, welche vorzugsweise stromabwärts gerichtet sind und durch welche hindurch

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Strahlen des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff aus dem hohlen Gebilde 9 austreten können, um in den Nachverbrennungskanal 3 einzutreten. Wie in Fig. 3 und k dargestellt, sind die Austrittsöffnungen 9ba in radialer Richtung derart gestaffelt angeordnet, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden öffnungen mit zunehmender Entfernung von der Achse X'-X des Kanals 3 kleiner wird.

Im Betrieb hat der Gasstrom P, der aus der Ent- ' Spannungsturbine 2 austritt, eine hohe Temperatur, bei- ' spielsweise im Bereich zwischen 850 und 95o C. Der in das hohle Gebilde 9 eintretende Anteil f des Gasstromes I·' mischt sich mit dom in das Gebilde 9 eingespritzten Brennstoff. Seine Hauptrolle besteht darin, als Träger für den Brennstoff zu dienen und dessen Verkokung zu verhindern. Um die Gefahr einer vorzeitigen Entflammung des Brennstoffs im Inneren des hohlen Gebildes 9 auszuschließen, wird die Menge des Teils f des Gasstromes F derart vorbesti.mmt, daß die Reichheit des aus Sauerstoffträger und Brennstoff bestehenden Gemisches, welches das hohle Gebilde 9 durchströmt, größer als der Grenzwert ist, bei welchem die Flamme erlischt.

Der gasförmige Sauerstoffträger, der ins Innere des hohlen Gebildes 9 eintritt, beginnt bei Berührung mit dem Brennstoff sich abzukühlen, insbesondere wenn-der Brennstoff in flüssigem Zustand eingespritzt wird und in dem hohlen Gebilde 9 verdampft. Da das Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff, welches das hohle Gebilde 9 durchströmt, sich inWärmeaustauschbesiehung mit dem Gasstrom F hoher Temperatur befindet, erhitzt sich das Gemisch nachfolgend auf eine Temperatur nahe der SelbstentflammungGternperatur des Brennstoffs.

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Das auf diese Weise vorerhitzte Gemisch tritt aus den Austrittsöffnungen 9fca in Form von Strahlen hoher Temperatur aus, die in den Nachverbrennungskanal 3 eintreten, in welchem sie sich spontan entflammen. Es bildet sich demgemäß in dem Nachverbrennungskanal 3 eine Verbrennungszone, die stromauf-.von einer stabilisierten Flammenfront S begrenzt ist, die stromab <üer Austrittsöffnungen 9ba liegt. Die in radialer Richtung gestaffelte Anordnung der Austrittsöffnungen 9ba, wie sie in Fig. 3 und k dargestellt ist, begünstigt die Bildung einer Verbrennungszone, die im Quer- -schnitt homogen ist.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, ist der Abstand d, welcher die Flammenfront S von den Austrittsöffnungen 9ba trennt, eine Funktion der Verzögerung der ' spontanen Entflammung des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff, welches in den Gasstrom F eintritt, wobei die Verzögerung ihrerseits eine Funktion der Temperatur T^ dieses Gemisches ist.

Wenn- im übrigen gleiche Bedingungen angenommen werden, hängt die Temperatur T. von der Wirksamkeit des Wärmeaustausches des hohlen Gebildes 9 ab, welches demgemäß zu gestalten und zu dimensionieren ist. Es können ein oder mehrere hohle rohrförmige Gebilde 9 verwendet werden (Fig. ¹O, deren Länge .und Durchmesser unter Berücksichtigung der zu erhaltenden Temperatur T. berechnet sind.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung, bei welcher das Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff durch Wärmeaustausch mit dem Gasstrom F vorerhitzt wird, bevor die Temperatur dieses Gasstromes zufolge der Nachverbrennung in dem'Kanal 3 erhöht wird, ist besonders zweckmäßig, v/enn die Temperatur dieses Stromes am Ausgang der Entspannungsturbine 2 vergleichsweise hoch und beispielsweise höher als 9oo C ist.

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Wenn diese Temperatur niedriger ist, verringert sich die Temperatur T. des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff, welches in den Nachverbrennungskanal 3 eintritt, entsprechend, so daß der Abstand d und damit die Länge des Machverbrennungskanals größer wird.

Wenn dieser Abotand- d verringert werden soll, kann es von Interesse sein, einen Teil der bei der Nachverbrennung freigesetzten Wärme dazu zu verwenden, das Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff, welches das hohle Gebilde 9 durchströmt, vorzuerhitzen.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung, welche es ermöglicht, das Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff durch Wärmeaustausch mit dem gasförmigen Strom P des Sauerstoffträgers hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur vorzuerhitzen, nachdem die Temperatur des Gasstromes F zufolge der Nachverbrennung des Brennstoffs in dem Gastrom P erhöht worden ist.

Hierfür weist das hohle Gebilde 9 vier rohrförmige * Teile 9a, 9b, 9c und 9d auf, die in Reihe hintereinander angeordnet sind. Die Teile 9a und 9c erstrecken sich jeweils im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Nachverbrennungskanals 3, während die Teile 9b und 9d beide mit Bezug auf die genannte Längsrichtung quer angeordnet sind.· .

Das hohle Gebilde 9 ist wie zuvor mit einer Eintrittsöffnung 9aa versehen, die am stromaufseitigen Ende des rohrförmigen Teiles 9a angeordnet ist. Die Austrittsöffnungen 9da sind in dem Teil 9d vorgesehen, d.h. stromauf des übrigen Teiles des hohlen Gebildes 9. Wie die öffnungen 9ba · bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4, sind sie mit. Bezug auf die Strömungsrichtung des Gasstromes F stromabwärts gerichtet.

Im Betrieb entflammen sich die Strahlen des Gemischs aus Sauerstoffträger und Brennstoff, die aus den Austritts-

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öffnungen 9da austreten, spontan in dem Gasstrom F und führen zur Bildung einer Flammenfront S', die in einem Abstand d¹ von den öffnungen 9da für den Austritt des Gemischs aus Sauerstoffträger und Brennstoff liegt. Unter der Wirkung der bei derVerbrennung des Brennstoffs in dem Nachverbrennüngskanal 3 freigesetzten Wärme wird dos Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff, welches das hohle Gebilde 9 durchströmt, einer Temperaturerhöhung unterworfen, die beträchtlich größer als im Fall der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und k ist, so daß die Verzögerung der Entflammung und der Entflammungsabstand d' beträchtlich verringert sind.

Im übrigen ist zu -bemerken, daß zufolge des Umsfcandes, daß der Nachverbrennungskanal 3 an seinem stromaufsei Ligen Teil divergente Gestalt bat, der statische Druck, der in den Kanal 3 am Eingang des divergenten Teiles nahe den Austrittsöffnungen 9da (Fig. 6) herrscht, niedriger als der Drückist _s der bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 am Ausgang des divergenten Teiles nahe den Austrrttsöffnungen 9ba herrscht. Es besteht demgemäß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 zwischen der Eintrittsöffnung 9aaund den Austrittsöffnungen 9da ein Druckunterschied, der größer, ist als der Druckunterschied, der bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 zwischen der Eintrittsöffnung 9aa und den Austrittsöffnungen 9ba vorhanden ist. Dieser größere Druckunterschied ermöglicht infolgedessen, das Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 in einem hohlen Gebilde 9 umlaufen zu fassen, das einen inneren aerodynamischen Widerstand als das hohle Gebilde 9 der Ausführungsform gemäß Fig. 3 hat. Es kann demgemäß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 für das hohle Gebilde 9 ein Rohr verwendet werden, welches länger als bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist. Aus dem gleichen Grunde und unter weiterer Berücksichtigung der Tatsache, daß der das hohle Gebilde 9 umströmende Gasstrom F bei der Ausführungsform

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gemäß Fig. 6 eine höhere Temperatur als im Fall der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 3 hat, ist es möglich, den Durchmesser des Rohres zu verringern, welchen das hohle Gebilde gemäß Fig. 6 darstellt.

Dieser Umstand ist vorteilhaft, weil der Ladungsverlust, der in dem Gasstrom F durch das hohle Gebilde 9 hervorgerufen wird, umso geringer ist., je kleiner der Durchmesser des Rohres ist. Um diesen Ladungsverlust noch weiter zu verringern, können rohrförmige Teile 9b und 9d verwendet'werden, die profiliert sind, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das hohle Gebilde 9 auf wenigstens einem Teil seiner Länge wenigstens zwei rohrfcrmige Teile 9C.-9CL und ^c^-^a aufweist', die aus der gleichen Eintrittsöffnung 9aa parallel gespeist werden und jeweils mit Austrittsöffnungen 9da bzw. 9da„ versehen sind. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß der Durchmesser der radialen rohrförmigen Teile 9d und 9d_? verringert werden kann und demgemäß der Gasstrom F hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur weniger gestört wird.

Fig. 8 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Gemisch aus Säuerstoffträger und Brennstoff durch Wärmeaustausch mit einer Ililfswärmequelle wenigstens teilweise vorerhitzt wird.

In Fig. 8 ist ein Teil eines Zweikreis-Gasturbinenmotors dargestellt, d.h. eines Motors mit einem primären Gasstrom F hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur, der aus einer Entspannungsturbine 22 austritt, und mit einem sekundären Gasstrom oder kalten Strom- Z, der ui;i die Turbine herumstrümt. Die beiden Ströme F und Z vereinigen sich in einer Zusammenströmzone stromab der Turbine 22.

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Eine Hilfsverbrennungskammer 23 ₅ die von Wänden 2 ο und 21 begrenzt und durch V-förmige Stabilisatoren 28 verlängert ist, ist in der vorgenannten Zusammenströmzone angeordnet. Sie wird einerseits mit Brennstoff aus Einspritzorganen 2*1 gespeist, die mit einer Brennstoffsammei- oder -Verteilerleitung 25^verbunden sind, und andererseits mit gasförmigem Sauerstoffträger hoher Temperatur über eine ringförmige öffnung 26 gespeist, die einen Teil der Menge des primären Gasstromes F aufnimmt.

Im Betrieb führt die Hilfsverbrennungskammer 23 durch die Stabilisatoren 28 hindurch Gasstrahlen in den sekundären Gasstrom Z im Verlauf der Verbrennung ein, und sie dient demgemäß alf. Hilfsverbrennungskammer, welche die Einleitung und die Stabilisierung einer Verbrennung in dem Sekundärstrom Z ermöglicht. Diese Verbrennungskainmer 23 dient gleichseitig als Hilfswärmequelle, wie es nachstehend erläutert wird.

Um die Nachverbrennung des Brennstoffe in dem primären Gasstrom F hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur zu ermöglichen, ist gemäß der Erfindung wie bei" den vorhergehenden Ausführungsformen ein hohles Gebilde 29 vorgesehen, welches eine beträchtliche Vorerhitzung eines Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff ermöglicht.

Das hohle Gebilde 29 weist einen Teil 29a von allgemein ringförmiger Gestalt auf, der einerseits von der Wand 2o der Hilfsverbrennungskammer 23 und andererseits von einer Wand *Jo begrenzt ist. Der Teil 29a weist eine Eintrittsöffnung 29aa auf, die ebenfalls ringförmig ist und durch die ein Teil f des primären Gasstroms F ins Innere des hohlen Gebildes 29 eintreten kann.

Ins Innere des gleichen Teiles 29a münden Brennstoffeinspritzorgane 3o, die über Leitungen 31 niit einer Brennstoff sammel- oder -Verteilerleitung 32 verbunden sind, die ihrerseits mit einer nicht dargestellten Brennstoffquelle

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"verbunden ist. Die Leitungen 31 durchqueren die Hilfsverbrennungskammer 23 im Inneren von Profilierten Armen 33·

Der ringförmige Teil 29a des hohlen Gebildes 29 ist an seinem stromabseitigen Ende geschlossen, jedoch ist er durch eine gewisse Anzahl von Rohren 29b verlängert, welche quer in den .primären Gasstrom F hineinragen und deren jedes mit einer oder mehreren Austrittsöffnungen 29ba versehen ist.

Im Betrieb wird das hohle Gebilde 29 von einem Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff durchströmt, welches sich einerseits durch Wärmeaustausch mit dom primären Gasstrom P und andererseits durch Wärmeaustausch mit der von der Hilfsverbrennungskammer 23 gebildeten HiJ f sv.'ärme quelle aufheizt. Die große Intensität der Verbrennung in der HiIfs~ verbrennungskammer 23 trägt dazu bei, die Temperatur der Strahlen des Gemischs aus Sauerstoffträger und Brennstoff beträchtlich zu erhöhen, die durch die Austrittsöffnungen 29ba hindurch in den primären Gasstrom P eintreten. Es wird demgemäß eine sehr kurze Verzögerung der Entflammung für die Nachverbrennung des Brennstoffs in dem primären Gasstrom F erhalten. Es ist zu bemerken, daß die Hilfεverbrennungskammer 23 außer ihrer Funktion, als Hilfswärrnequelle zu wirken, keine andere Rolle in dem vorgenannten Nachverbrennungsvorgafig spielt. Es ist weiterhin zu bemerken, daß im Gegensatz dazu das hohle Gebilde 29, welches von dem Gemisch aus Sauerstcffträger und Brennstoff im Verlauf der Vorerhitzung durchströmt wird, eine Wärmeschutzwirkung für die V/and 2o der Hilf ε verbrennungskammer 23 ausübt.

Bisher wurde angenommen, daß die Austrittsöffnungen 9ba (oder 9da) für die vorerhitzten Strahlen des Gemischs aus Sauerstoffträger und Brennstoff radial angeordnet seien. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht zwingend. Fig. 9 zeigt eine im Detail angewandelte Ausführungshorn, bei welcher der Teil 9b (oder 9c) des hohlen Gebildes 9> der

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mit den Austrittsöffnungen 9ba versehen ist, mit Bezug auf die Achse des Nachverbrennungskanals 3 tangential ausgerichtet ist. ' ■

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Claims

Patentansprüche

1. Nachverbrennungs-vorrichtung für einen Gasturbinenmotor, der eine Entspannungsturbine aufweist, aus welcher im Betrieb ein Gasstrom hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur austritt, wobei die Nachverbrennungsvorrichtung einen stromab der Entspannungsturbine angeordneten und von dem genannten Gasstrom durchströmten Nachverbrennungskanal, eine Quelle von Brennstoff für die Nachverbrennung und wenigstens ein hohles Gebilde aufweist, welches in dem Nachverbrennungskanal derart angeordnet ist, daß es sich in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Gasstrom hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur befindet und welches im Inneren mit der Brennstoffquelle verbunden ist und einen sich parallel zur Längsrichtung des Nachverbrennungslcanals erstreckenden Einlaßteil, der mit einer Eintrittsöffnung versehen ist, die mit Bezug auf die Strömungsrichtung des Gasstromes in dem Nachverbrennungskanal stromaufwärts gerichtet ist und durch die hindurch ein Teil des Gasstromes ins Innere des hohlen Gebildes eintreten kann und einen Auslaßteil aufweist, der mit wenigstens einer Austrittsöffnung versehen ist, durch welche hindurch ein Strahl hoher . Temperatur eines Gemisches von Gas und Brennstoff aus dem hbhlen Gebilde austritt, um in den Nachverbrennungskanal einzutreten, in welchem er sich spontan entflammt und eine stabilisierte Flammenfront bildet ₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßteil (9b; 9d; ^d₁; 9d₂; 29b) des hohlen Gebildes (9; 29) sich mit Bezug auf die Längsrichtung des Nachverbrennungskanals (3) quer erstreckt und daß die bzw. jede . Austrittsöffnung (9ba; 9da; 9da.; 9<*a₂; 29ba) mit Bezug auf die Strömungsrichtung des Gasstromes (F) in dem Nachverbrejinungskanal (3) stromabwärts gerichtet ist.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßteil (9b; 29b) des hohlen Gebildes^; 29) unmittelbar hinter dem Einlaßteil (9a; 29a) •angeordnet ist. _v

3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gebilde (9) vier Teile aufweist, die entlang der Seiten eines Vierecks angeordnet sind und in Reihe von dem Gemisch aus Gas und Brennstoff durchströmt werden, nämlich einen ersten Teil (9a), der von dem genannten .Einlaßteil gebildet ist, einen zweiten Teil (9b), der sich mit Bezug auf die Längsrichtung des Nachverbrennungskanals (3) quer erstreckt, einen dritten Teil(9c), der sich parallel zur Längsrichtung des Nachve-rbrennungskanals stromaufwärts von dem zweiten Teil erstreckt, und einen vierten Teil (9d), der von dem genannten Auslaßteil gebildet ist.

h. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gebilde (9) auf wenigstens einem Teil seiner Länge eine rohrförmige Struktur aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet-, daß·die rohrförmige Struktur auf wenigstens einem Teil ihrer Länge wenigstens zwei rohrförmige Teile (9d., 9d~) aufweist, die über die gleiche Eintrittsöffnung (9aa) parallel gespeist sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil (9b; 9d; 9^₁; 9d~i 29b) des hohlen Gebildes (9; 29), der mit der oder den Aus.- ^trittsöffnungen für das Gemisch aus Gas und Brennstoff versehen ist, mit Bezug auf die Achse des Nachverbrennungskanals (3) radial ausgerichtet ist.

. ' 7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Austrittsöffnungen (9ba) in radialer Richtung eich mit zunehmender Entfernung von.der Achse des Nachverbrennungskanals (3) verringert.

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil (9b) des hohlen Gebildes, der mit der oder den Austrittsöffnungen (9ba) für das Gemisch aus Gas und Brennstoff versehen ist, mit Bezug auf den Nachverbrennungskanal (3) tangential ausgerichtet ist.

- 9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Anwendung bei einem Zweikreis-Gasturbinenmotor, d.h. einem Motor mit einem primären Gasstrom hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit, der aus einer Entspannungsturbine austritt, und mit einem sekundären Gasstrom, der die Entspannurigsturbine umströmt, wobei der Primärstrom und der Sekundärstrom sich in einer Zusanmenströmzone stromab der Entspannungsturbine vereinigen und wobei der Gasturbinenmotor weiterhin eine Hilfsverbrennung.skammer aufweist, die in der Zusammenströmzone angeordnet ist, um die Einleitung und die Stabilisierung einer Verbrennung in dem sekundären Gasstrom zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gebilde (29) derart ausgeführt ist, daß es die Nachverbrennung des Brennstoffs in den primären Casstrom (F) stromab der Entspannungsturbine (22) ermöglicht, und daß das hohle Gebilde in der Zusamirjenströmzone derart angeordnet ist, daß es sich in Wärmeaustauschbeziehung mit dem primären Gassirom (F) und mit der liilfsverbrennungskamir.er (23) befindet .

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