DE2344630A1

DE2344630A1 - AFTERBURNER FLAME HOLDER

Info

Publication number: DE2344630A1
Application number: DE19732344630
Authority: DE
Inventors: Robert Hughes Hufnagel; Lowell Jackson Pierce; Edward Joseph Sabol
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1973-09-05
Publication date: 1974-03-14
Also published as: BE804377A; IT993117B; US3765178A; GB1426784A; JPS4992423A; FR2199062A1; CA958551A

Description

Näehbrenner-FlammenhalterSewing burner flame holder

Im allgemeinen bezieht sich die Erfindung auf einen Nachbrenner-Flammenhalter und insbesondere auf einen solchen Nachbrenner-In general, the invention relates to an afterburner flame holder and especially on such an afterburner

Flammenhalter zur Einfügung im Inneren des Gasstroms eines Gasturbinentriebwerkes für ein Luftfahrzeug als Teil eines Naehbrennersystems, um eine zusätzliche Schubsteigerung zu erhalten.Flame holder for insertion inside the gas flow of a gas turbine engine for an aircraft as part of a sewing system, to get an additional boost in thrust.

Die Nachteile von bekannten Nachbrenner-Flammenhaltern sind zweifacher Art. Erstens ändert sich die Temperatur des Gasstroms in dem Flammenhalter im allgemeinen über dem Umkreis des Flammenhalters. Diese umkreisförmigen Temperaturgradienten werden aufrechterhalten durch das konventionelle System von einzelnen Einlaßöffnungen zur Zuführung eines Gasstroms zu den Pilotbrennstoffdüsen und sie können zu einer örtlichen Übererhitzung des Flammenhalters führen. Diese löst dann einen Zustand aus, der üblicherweise als "Bildung von heißen Streifen" bezeichnet wird und beiThe disadvantages of known afterburner flame holders are twofold Art. First, the temperature of the gas flow in the flame holder changes generally over the perimeter of the flame holder. These circular temperature gradients are maintained through the conventional system of individual inlet ports for supplying a stream of gas to the pilot fuel nozzles and they can lead to local overheating of the flame holder. This then triggers a condition that is usually referred to as "hot streak formation" and at

409811/0518409811/0518

dem dann der Flammenhalter schnell in den überhitzten Bereichen zerstört wird.which then quickly destroys the flame holder in the overheated areas.

Die anderen Nachteile von konventionellen Nachbrenner-Flammenhaltern beziehen sich auf ihre Anfälligkeit für eine Erscheinung, die üblicherweise als "Zurückschlagen der Flamme" ("flashback") und "Vorzündung" ("preignition") bezeichnet wird. "Zurückschlagen der Flamme" kann allgemein als eine Portpflanzung der Flammenfront des Nachbrenners stromaufwärts in das Innere des Flammenhalters und in den Bereich zwischen den Flammenringen bezeichnet werden. Dies kann auftreten, wenn die Geschwindigkeit der Strömung durch den Flammenhalter örtlich begrenzt unterhalb der Mindestgeschwindigkeit absinkt, welche für die Aufrechterhaltung eines Anhaftens der Flamme erforderlich ist. "Vorzeitige Zündung" oder "Vorzündung" ist in ihrer Ursache nicht so gut bekannt wie "das Zurückschlagen der Flamme" und bezeichnet eine plötzliche spontane Entzündung des Gasstroms im Bereich zwischen den Flammenringen des Flammenhalters. Die "vorzeitige Zündung" unterscheidet sich wesentlich von dem "Zurückschlagen der Flamme" darin, daß die vorzeitig gezündete Flamme im Innern des Flammenhalters unabhängig von der stromabwärts gelegenen Flamme besteht, welche dabei weiterhin an den Austrittskanten des Flammenringes anhaftet. Die vorzeitige Zündung kann ein unmittelbares Ergebnis von Temperaturgradienten in der Strömung durch den Flammenhalter sein. Die nachteiligen und schädlichen Auswirkungen durch "Zurückschlagen der Flamme" und "vorzeitige Zündung" sind im wesentlichen die gleichen und führen ,zu einem vorzeitigen örtlich begrenzten Verbrennen der Komponenten des Flammenhalters.The other disadvantages of conventional afterburner flame holders refer to their susceptibility to a phenomenon commonly called "flashback" and "Preignition" is referred to. "Fight back the Flame "can generally be considered a port planting the flame front of the Afterburner upstream in the interior of the flame holder and in the area between the flame rings are referred to. This can occur when the speed of the flow through the flame holder drops locally below the minimum speed, which is necessary for maintaining flame adherence. "Pre-ignition" or "pre-ignition" is in its cause is not as well known as "the flashback of the flame" and refers to a sudden spontaneous ignition of the gas flow in the area between the flame rings of the flame holder. The "early ignition" is very different from that "Repelling the flame" in the fact that the one ignited prematurely Flame inside the flame holder is independent of the downstream flame, which continues to be at the The trailing edge of the flame ring adheres. The premature ignition can be an immediate result of temperature gradients in the flow through the flameholder. The adverse and harmful effects of "flash back" and "Premature ignition" are essentially the same and result in premature localized burning of the components of the flame holder.

"Zurückschlagen der Flamme" und "vorzeitige Zündung" können auch entstehen aus örtlichen Geschwxndigkeitsvariationen der Strömung durch den Flammenhalter. Solche ungleichförmigen Geschwindigkeitsprofile können entstehen aus abrupten Bereichs- oder Querschnittsänderungen oder Diskontinuitäten in dem Strömungsweg durch den Flammenhalter. Sie sind bei konventionellen Flammenhaltern sehr verbreitet und besonders bei solchen Flammenhaltern, welche ein"Flashback of the flame" and "premature ignition" can also arise from local variations in the velocity of the flow through the flameholder. Such non-uniform velocity profiles can arise from abrupt changes in area or cross-section or discontinuities in the flow path through the Flame holder. They are very common with conventional flame holders and especially with those flame holders which have a

409811/0 5 18409811/0 5 18

von einzelnen Einlaßöffnungen zur Speisung jeder einzelnen Pilotbrennstoffdüse verwenden.from individual inlet ports to feed each individual pilot fuel nozzle.

Ks ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Nachbrenner-Flaminenhalter zusammen mit einem System von Pi lotbrennst off düsen zu schaffen, bei dem der Einlaß für den Gasstrom zu den Pilotbrennst off düsen so aufgebaut ist, daß Temperaturgradienten in dem Gasstrom durch den Flammenhalter auf ein Minimum gebracht sind.It is therefore an object of this invention to provide an afterburner flame holder together with a system of pilot burns to create nozzles in which the inlet for the gas flow to the pilot burns off nozzles is constructed so that temperature gradients in the Gas flow through the flame holder are kept to a minimum.

Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, einen Flammenhalter zu schaffen* bei dem der Strömungsweg durch denselben glatt ist und sich gleichmäßig erweitert, ohne abrupte Änderungen oder Diskontinuitäten und hierdurch die Gefahr für das Auftreten des Zurückschlagens der Flamme oder einer vorzeitigen Zündung zu vermindern. It is also an object of the invention to provide a flame holder * in which the flow path through it is smooth and widens evenly, with no abrupt changes or discontinuities and thereby reducing the risk of flashback or premature ignition occurring.

Erfindungsgemäß wird ein Gasturbinentriebwerk des Typs mit einem Verdichter, Brenner und Turbine, welche strömungsmäßig in Reihe geschaltet sind, mit Schubsteigerung durch einen Nachbrenner ausgestattet. Der Nachbrenner enthält einen Flammenhalter mit einem inneren Flammenring und einem äußeren radial außerhalb desselben im Abstand und konzentrisch zum inneren Flammenring angeordneten äußeren Flammenring. Es sind weiterhin Einrichtungen enthalten zur Einführung eines Hauptstroms des Brennstoffes außerhalb der Flammenringe und Einrichtungen zur Befestigung der Flammenringe an dem Triebwerksgehäuse.According to the invention a gas turbine engine of the type with a Compressor, burner and turbine, which flow in series are switched, equipped with an increase in thrust through an afterburner. The afterburner includes a flame holder with a inner flame ring and an outer one arranged radially outside the same at a distance and concentric to the inner flame ring outer ring of flame. Facilities are also included for introducing a main flow of fuel outside the flame rings and means for attaching the flame rings to the engine casing.

Gemäß der Erfindung definiert der äußere Ring im Zusammenwirken mit dem inneren Ring einen kreisringförmigen Einlaß für die Aufnahme des Heißgasstromes von der Turbine zusammen mit einem ringförmigen A"uslaß. Zwischen dem inneren und dem äußeren Flammenring ist eng benachbart zum kreisringförmigen Einlaß ein Einlaßschirm (inlet screen) oder -Sieb oder -Gitter vorgesehen, um die Strömung zwischen den Flammenringen abgemessen einzulassen und eine Turbulenz in dem Gasstrom hinter dem Schirm auszulösen. Die hohe Turbulenz in der Strömung hinter dem Schirm ergibt eine VerringerungAccording to the invention, the outer ring, in cooperation with the inner ring, defines an annular inlet for the receptacle of the hot gas flow from the turbine together with an annular outlet. Between the inner and outer flame rings An inlet screen is provided closely adjacent to the annular inlet to prevent the flow to let in measured between the flame rings and to induce turbulence in the gas flow behind the screen. The high turbulence there is a decrease in the flow behind the screen

A 0 9 811/0518A 09 811/0518

jeglicher umkreisförmiger Temperaturgradienten in dem einströmenden Gas auf ein Minimum. Es sind weiterhin Einrichtungen enthalten, um Pilotbrennstoff in diskreten Strahlen stromabwärts von dem Einlaßschirm einzuleiten. Weiterhin sind stromabwärts von den Pilotbrennstoff-Injektionseinrichtungen zusammen mit Einrichtungen zur Zündung des Pilotbrennstoffes umkreisförmig im Abstand voneinander angebrachte Wirbelleitflächen mit tragflügelähnlicher Gestaltung vorgesehen, welche sich in radialer Richtung zwischen dem inneren und äußeren Flammenring erstrecken. Das Gas- Brennstoffgemisch wird in einer" umkreisförmigen Richtung durch diese Wirbelleitflächen verwirbelt, um eine schnelle Portpflanzung der Flamme um den gesamten Flammenhalter herum zu erhalten.any circumferential temperature gradient in the inflowing Gas to a minimum. Means are also included for directing pilot fuel in discrete jets downstream of the inlet screen initiate. Further are downstream of the pilot fuel injectors together with devices for igniting the pilot fuel in a circle at a distance from one another attached vortex guide surfaces provided with an airfoil-like design, which extends in the radial direction between the inner and outer ring of flame extend. The gas-fuel mixture is in a "circumferential direction through these vortex guide surfaces swirled to a rapid port planting of the flame around the whole Flameholder to get around.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.A better understanding of the invention will be obtained from the following Description of exemplary embodiments in context with the pictures.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, für ein Gasturbinentriebwerk des Turbostrahltyps, welches eine Ausführungsform des Nachbrenner-Flammenhalters gemäß der Erfindung enthält.Fig. 1 is a side view, partly in section, for a gas turbine engine of the turbo jet type which is an embodiment of the afterburner flame holder according to the invention contains.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Nachbrenne r-Flammenhalters nach Fig. 1.Fig. 2 shows an enlarged sectional view of the afterburn r-flame holder according to Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 3-3 der Fig. 2.FIG. 3 is a sectional view taken along section line 3-3 of FIG. 2.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform für die Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Fig. 2.Fig. 4 shows an alternative embodiment for the sectional view along line 3-3 of FIG. 2.

Fig. 1 zeigt ein Turbostrahltriebwerk 10 mit einem Kerntriebwerk 12, welches einen Heißgasstrom zum Antrieb einer Gebläseturbine 14 erzeugt. Diese Turbine 14 ist antriebsmäßig verbunden mit dem Läufer 15 eines Gebläses 16, welches am Einlaßende 17 des Triebwerkes angeordnet ist. Das Kerntriebwerk 12 und die Gebläseturbine 14 sind im Innern eines Gehäuses 18 untergebracht. Eine länglicheFig. 1 shows a turbo jet engine 10 with a core engine 12, which a hot gas flow for driving a fan turbine 14 generated. This turbine 14 is drivingly connected to the Runner 15 of a fan 16, which at the inlet end 17 of the engine is arranged. The core engine 12 and the fan turbine 14 are accommodated in the interior of a housing 18. An elongated one

40981 1 /051 δ40981 1/051 δ

Haube oder äußeres Gehäuse 20 definiert den bei 17 angedeuteten Triebwerkseinlaß und definiert in Kombination mit dem Gehäuse 18 einen Kanal 22, der konzentrisch zum Kerntriebwerk 12 ist.Hood or outer housing 20 defines the engine inlet indicated at 17 and defines in combination with housing 18 a duct 22 that is concentric with the core engine 12.

Beim Betrieb verdichtet das Gebläse 16 einen Luftstrom., dessen äußerer Teil entlang dem Kanal 22 strömt und dessen innerer Teil in das Kerntriebwerk 12 eintritt. Im Kerntriebwerk 12 wird der Luftstrom weiterhin verdichtet durch einen Kerntriebwerkverdichter 24j um einen in starkem Maße verdichteten Luftstrom zur Unterhaltung der Verbrennung des Brennstoffes im Brenner 26 zu erhalten. Der Brennstoff zum Brenner 26 wird geliefert durch eine Brennstoffinjektionseinrichtung 27. Diese erhält einen Strom von unter Druck gesetztem Brennstoff über die Leitung 28 aus einer nicht gezeigten Quelle für unter Druck stehenden Brennstoff. Der auf diese Weise erze„„ugte Heißgasstrom treibt eine Hochdruck-Kerntriebwerksturbine 30, welche mit dem Rotor des Verdichters verbunden ist. Der Heißgasstrom durchsetzt die Gebläseturbine 14 und wird dann vermischt mit einem Teil der By-pass-Luft vom Kanal 22, welcher durch einen ringförmigen Kanal-oder Durchlaß 32 eintritt. In operation, the fan 16 compresses an air stream., Whose outer part flows along the channel 22 and the inner part of which enters the core engine 12. In the core engine 12 is the Airflow further compressed by a highly compressed airflow for entertainment by core engine compressor 24j the combustion of the fuel in the burner 26. The fuel to the burner 26 is supplied by a Fuel injection device 27. This receives a current of pressurized fuel via line 28 from a pressurized fuel source, not shown. Of the In this way, the hot gas flow generated drives a high-pressure core engine turbine 30, which is connected to the rotor of the compressor. The hot gas flow passes through the blower turbine 14 and is then mixed with a portion of the by-pass air from channel 22 which enters through an annular channel or passage 32.

Eine zusätzliche Schubsteigerung kann erhalten werden durch einen allgemein bei 33 gezeigten Nachbrenner. Zusätzlicher Brennstoff wird dem Nachbrenner 33 über Brennstoffeinlaßeinrichtungen 34 zugeführt, welche mit einer nicht gezeigten Quelle für unter Druck stehenden Brennstoff verbunden sind. Die Einrichtungen zum Anhaften der Flamme des Nachbrenners bestehen aus einem Flammenhalter 36, dessen Einzelheiten noch nachstehend näher erläutert werden. An additional boost in thrust can be obtained by an afterburner shown generally at 33. Extra fuel is fed to the afterburner 33 via fuel inlet devices 34, which are connected to a source of pressurized fuel, not shown. The devices for attachment the flame of the afterburner consist of a flame holder 36, the details of which will be explained in more detail below.

Der Heißgasstrom,welcher aus dem Nachbrenner 31 austritt, wird aus einer Enddüse 38 abgegeben, um einen Schub zum Antrieb eines Luftfahrzeuges zu erhalten. Obwohl hier die Erfindung in Beziehung zu einem Turbostrahltriebwerk getrieben wird, könnte sie auch in gleicher Weise und mit gleichem Erfolg auch auf andere Arten von Gasturbinentriebwerken angewendet werden, beispielsweise auf ein Turbostrahltriebwerk.The hot gas flow exiting the afterburner 31 is discharged from an end nozzle 38 to provide a thrust to propel a Obtain aircraft. Although here the invention is driven in relation to a turbojet engine, it could also be shown in can be applied equally and with equal success to other types of gas turbine engines, for example to a Turbojet engine.

40981 1 /051840981 1/0518

Figur 2 zeigt einen Flammenhalter 36, welcher einen inneren Flammenring 40 in Art eines Kegelstumpfes und einen äußeren Flammenring 42 ebenfalls in Form eines Kegelstumpfes zeigt. Der innere und äußere Flammenring 40, 42 sind so allgemein konzentrisch zueinander, daß sie einen kreisringförmigen Einlaß 44 und einen kreisringförmigen Auslaß 46 mit größerem Querschnitt als der Einlaß definieren. Der radiale Abstand zwischen den Flammenringen wird—aufrechterhalten durch eine Vielzahl von umkreisförmig im Abstand voneinander und radial verlaufende Verwirbelungsleitflächen 48, deren Profil am besten aus Figur 3 ersichtlich ist.FIG. 2 shows a flame holder 36 which has an inner flame ring 40 in the form of a truncated cone and an outer flame ring 42 also in the form of a truncated cone. The inner and outer flame rings 40, 42 are so generally concentric with one another that they define an annular inlet 44 and an annular outlet 46 of larger cross-section than the inlet. The radial distance between the flame rings is maintained by a multiplicity of circumferentially spaced apart and radially extending vortex guide surfaces 48, the profile of which can best be seen in FIG.

Der Flammenhalterring 36 ist an dem inneren Gehäuse l8 mit Hilfe einer Vielzahl von am Umkreis im Abstand angebrachten Haltegliedern 50 befestigt. Die äußeren radialen Enden dieser Halteglieder 50 sind drehbar an dem Drehstück 52 mit Planschelementen 54 verstiftet, welche in einer festen Verbindung zwischen dem inneren Gehäuse l8 und dem äußeren Gehäuse 20 stehen. Das radial innere Ende jedes .Haltegliedes 50 ist drehbar an einem Drehteil 55 verstiftet bezüglich einer Gabelanordnung 56, die radial außerhalb eines Kolbens 58 verläuft. Der Kolben 58 ist im Innern einer Hülse 6Ö angeordnet, welche durch die inneren und äußeren Flammenringe 40, 42 allgemein zentrisch ausgerichtet mit einer der Verwirbelungsleitschaufeln 48 verläuft, um eine Drehung des Haltegliedes 50 um den Drehteil 55 aufzunehmen, muß eine Nut 62 durch den äußeren Flammenring 42 vorgesehen sein und das äußere radiale Ende 64 der Hülse 60 muß außerdem unter einem schiefen Winkel relativ zur Längsachse der Hülse stehen. Die Schwenkmoglichkeit der Halteglieder 50 ist vorgesehen, um eine thermische Ausdehnung der Flammenringe 40, 42 aufzunehmen, welche zu einem Ausdehnen oder Wachsen des Flammenhalters 36 radial nach außen führen kann. Die Anzahl der Halteglieder 50 kann abgeändert werden im Hinblick auf bestimmte Anforderungen an die Konstruktion, wobei mindestens 3 Halteglieder erforderlich sind, die in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind.The flame retainer ring 36 is attached to the inner housing 18 by means of a plurality of circumferentially spaced retaining members 50 attached. The outer radial ends of these holding members 50 are rotatable on the rotating piece 52 with splash elements 54 pinned, which are in a fixed connection between the inner housing l8 and the outer housing 20. That radially inner end of each .Haltegliedes 50 is rotatably pinned to a rotating part 55 with respect to a fork assembly 56, the extends radially outside of a piston 58. The piston 58 is arranged inside a sleeve 6Ö, which through the inner and outer flame rings 40, 42 generally centered with one of the swirl vanes 48 to provide a Rotation of the holding member 50 to accommodate the rotating part 55 must a groove 62 must be provided through the outer flame ring 42 and the outer radial end 64 of the sleeve 60 must also be below are at an oblique angle relative to the longitudinal axis of the sleeve. The pivotability of the holding members 50 is provided in order to take up a thermal expansion of the flame rings 40, 42, which leads to an expansion or growth of the flame holder 36 can lead radially outward. The number of retaining members 50 can be varied to meet specific requirements to the construction, whereby at least 3 retaining members are required, which are arranged at the same distance from each other.

409811/0518409811/0518

Benachbart zum kreisringförmigen Einlaß Uh des Flammenhalters ist ein Einlaßschirm oder -Sieb oder -Gitter 68 vorgesehen, urelches Vorzugspreise eine Vielzahl von umkreis formig im Abstand angebrachten und radial verlaufenden hohlen Zylindern 70 umfaßt. Dieser Einlaßschirm 68 mißt einen vorgegebenen Anteil des Gasstroms am Einlaß ab und leitet ihn durch die begrenzten Kanäle des Plammenhalters 36. Obwohl auch andere. Arten von Einlaßschirmen ohne weiteres für die erflndungsgemäße Anordnung brauchbar sind, werden im Abstand voneinander angebrachte Hohlzylinder 70 bevorzugt, da hier die abgemessene Strömung durch den Schirm relativ unempfindlich bleibt gegenüber Schwankungen in der Richtung des einlaßseitigen Gasstromes. Die Hohlzylinder des Einlaßschirmes 68 können außerdem In bequemer Weise hergestellt werden und nehmen leicht ein nach außen radial gerichtetes thermisches V/ach st um auf.Adjacent to the annular inlet Uh of the flame holder, an inlet screen or screen or grid 68 is provided, which includes a plurality of radially extending hollow cylinders 70 which are arranged in a circumferential manner and are spaced apart. This inlet screen 68 measures a predetermined proportion of the gas flow at the inlet and directs it through the limited channels of the plameholder 36. Though others. Types of inlet screens are readily usable for the arrangement according to the invention, hollow cylinders 70 attached at a distance from one another are preferred, since here the measured flow through the screen remains relatively insensitive to fluctuations in the direction of the gas flow on the inlet side. The hollow cylinders of the inlet screen 68 can also be manufactured in a convenient manner and easily accommodate an outwardly radially directed thermal V / ach st um.

Die Brennstoffeinlaßeinriehtung 34 für den Nachbrenner umfaßt eine Vielzahl von HauptbrennstoffeinlaSleitungen 7*1, von denen einige radial durch den Flammenhalter 36 verlaufen. Jede Hauptbrennstoff-EInlaßleitung 74 enthält eine Öffnung 78 eng benachbart zum Ende derselben, so daß Hauptstrahlen des Brennstoffs um die äußeren Oberflächen des Flammenhalters 36 herum abgegeben werden. Die Öffnungen 78 sind radial im Abstand voneinander angeordnet und so orientiert, daß sie die Hauptstrahlen des Brennstoffs in Richtungen abgeben, welche allgemein senkrecht zum Gasstrom liegen. Ein Ansatzteil 72 ist in Abstand um die Haupteinlaßleitungen 74 herum vorgesehen, um eine nach außen gerichtete radiale thermische Ausdehnung des Flammenhalters 36 ohne Störung durch die Hauptbrennstoffeinlaßleitungen zu gestatten.The fuel inlet device 34 for the afterburner includes a variety of main fuel inlet lines 7 * 1 of which some extend radially through the flame holder 36. Any main fuel inlet line 74 includes an opening 78 closely spaced towards the end of the same so that major jets of fuel are emitted around the outer surfaces of the flame holder 36 will. The openings 78 are arranged radially at a distance from one another and oriented so that they emit the main jets of the fuel in directions which are generally perpendicular to the Gas flow. A lug 72 is spaced around the main inlet ducts 74 provided around an outwardly directed radial thermal expansion of the flame holder 36 without Allow interference through the main fuel inlet lines.

Eine Pilotbrennstoffleitung 76 endet zwischen dem inneren und äußeren Flammenring 40 und 42. Jede Pilotbrennstoffleitung 76 enthält zwei umkreismäßig..im Abstand voneinander angebrachte öffnungen 77, 77', welche am besten aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich sind. Die Öffnungen 77, 77* sind so angeordnet, daß sie zwei divergente Strahlen des Pilotbrennstoffes gerichtet abgeben,A pilot fuel line 76 ends between the inner and outer flame rings 40 and 42. Each pilot fuel line 76 contains two circumferentially spaced openings 77, 77 ', which can best be seen in FIGS. The openings 77, 77 * are arranged in such a way that they emit two divergent jets of the pilot fuel in a directional manner,

409811 /0518409811/0518

-S--S-

.wobei jeder dieser beiden Strahlen durch die Düsenöffnung strömt, 'lche durch zwei benachbarte Wirbelleitflachen 48 definiert ist. ^s ist lediglich erforderlich, daß die Pilotbrennstoffleitungen benachbart zu den Eintrittskanten jeder Z'.veiten V/irbelleitf lache angeordnet sind, um einen Strahl von Pilotbrennstoff zu jeder dieser Düsen zu schaffen. Die Zündungseinrichtung 80 stellt eine Funkenquelle dar zur Zündung des Pilotbrennstoffes..where each of these two jets flows through the nozzle opening, 'l which is defined by two adjacent vortex guide surfaces 48. ^ s all that is required is the pilot fuel lines adjacent to the leading edges of each Z'.veiten V / irbelleitf lache are arranged to provide a jet of pilot fuel to each of these nozzles. The ignition device 80 provides a Spark source is used to ignite the pilot fuel.

Figur 3 zeigt die Wirbelleitflächen 48, welche allgemein einen kegelstumpfförmigen Hauptkörper 82 enthalten. Ein integraler Auslaßkanten— oder Endteil 84 erstreckt sich nach rückwärts und umkreisförmlg von dem Hauptkörperteil 82. Die Seitenwände 86, 88 des integralen Endteils 84 konvergieren nach rückwärts von einem tangentialen Schnitt mit dem kegeistumpfförmigen Hauptkörper 32 und haben Schnittstellen an einer Austrittskante der Wirbelleitflächen. Die Mündungsweite "A" jeder der Düsen zwischen den benachbarten Wirbelleitflachen 48 wird so ausgewählt, daß man die Mindestströmungsgeschwindigkeit des Gases durch diese öffnungen erhält, bei der noch ein Flammenanhaften an den Austrittskanten 90 aufrechterhalten wird.FIG. 3 shows the vertebral guide surfaces 48 which generally include a frustoconical main body 82. An integral outlet edge or end portion 84 extends rearwardly and circumferentially from the main body portion 82. The side walls 86, 88 of the integral end portion 84 converge rearwardly from a tangential intersection with the frusto-conical main body 32 and intersect at an exit edge of the vertebral surfaces. The opening width "A" of each of the nozzles between the adjacent vortex guide surfaces 48 is selected in such a way that the minimum flow rate of the gas through these openings is obtained at which flame adherence to the outlet edges 90 is still maintained.

Nachstehend wird die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Struktur für diejenigen Fälle beschrieben, bei denen ein zusätzlicher Schub benötigt wird. Der Nachbrenner wird dadurch gezündet, daß zunächst Pilotbrennstoff über die Leitung 76 eingeleitet und dann der Pilotbrennstoff durch den Zünder 80 durch einen Funken entzündet wird. Das Einlaßsieb oder der Einlaß-r schirm 68 bemißt einen vorgegebenen Anteil des GesamtgasStroms durch den ringkreisförmigen Einlaß 44 in einer solchen Weise, daß das erwünschte stöchiometrische Verhältnis Brennstoff zu Luft erhalten wird. Die hohlen Zylinder oder Stangen 70 ergeben einen in hohem Maße voraussagbaren ungleichförmigen abgemessenen-Strom durch den Flammenhalter.The following describes the operation of the structure described above for those cases where an additional Thrust is needed. The afterburner is ignited by first introducing pilot fuel via line 76 and then the pilot fuel is ignited by the igniter 80 by a spark. The inlet strainer or inlet r Screen 68 measures a predetermined proportion of the total gas flow through the annular inlet 44 in such a manner that the desired stoichiometric ratio is fuel to Air is obtained. The hollow cylinders or rods 70 provide a highly predictable non-uniform metered flow through the flameholder.

40981 1/051840981 1/0518

Wie bereits erörtert, kann die Temperatur des Gasstroms in dem Flammenhalter 36 eine Variation 'bezüglich des tlmfangs des Flammenhalters aufweisen. Solche umfangsmäßigen Temperaturgradienten können heiße Streifen im Innern des Flammenhalters auslösen, welche zu einem schnellen örtlich begrenzten Verfall des Flammenhalters führen. Die Wirbelschleppe (wake) hinter dem Einlaßschirm 68 ergibt jedoch einen hohen Grad an Turbulenz, so daß der here ink ansäende Gasstrom gründlich durchmischt wird. Hierdurch werden die umkreisförmigen Temperaturgradienten auf ein Minimum gebracht, welche zu einem vorzeitigen Verfall des Flammenhalters führen können. Daher ergibt der Gesichtspunkt des kontinuierlichen kreisringförmigen Einlasses des Flammenhalters gemäß der Erfindung zusammen mit dem Einlaßschirm einen ausgeprägten Vorteil gegenüber konventionellen Flammenhaltern» welche individuelle diskrete Einlaßöffnungen zur Zuführung zu jedem Pilotbrennstoff strahl besitzen«As previously discussed, the temperature of the gas stream in the Flame holder 36 a variation 'with respect to the length of the flame holder exhibit. Such circumferential temperature gradients can trigger hot streaks inside the flame holder, which leads to rapid localized deterioration of the flame holder to lead. The wake behind the inlet screen 68, however, results in a high degree of turbulence, so that the here ink sown gas flow is thoroughly mixed. Through this the circumferential temperature gradients on a Minimum brought about premature deterioration of the flame holder being able to lead. Therefore, the aspect of the continuous annular inlet of the flame holder according to FIG of the invention together with the inlet screen a distinct advantage over conventional flame holders »which individual discrete inlet ports for delivery to each pilot fuel own ray "

Die turbulente Wirbelschleppe hinter dem Kinlaßsehirm 68 ergibt auch einen iieoen Grad 4er Durchmisahung und Dispersion des Brennstoffes in dt» heißen hereinkommenden Sas. Dieses in hohem Maße gleichförmig« Gas-Brennatoff-Gemisch strömt stromabwärts »wischen den Wirbelleitflächen ^S aur Flammen*one, welche in erwünschter Weise hinter d#n Austrittskanten 90 der Wirbelleitflächen aufrechterhalte!» wird· Das Sas-Brennstoff-Gemisch wird in umkreisförmiger Richtung verwirbelt, um eint schnelle Fortpflanzung der Flamm« um den gesamten Umkreis des Flammenhalters von de« ursprünglichen Punkt der Funkengab« am Zünder 80 zu erhalten. Der Hauptbrennetoff wird durch die ringförmige Pilotflaron» in einer konventionellen Weise entzündet.The turbulent wake of eddies behind the cinema screen 68 also results in a degree of milling and dispersion of the fuel in the hot incoming water. This largely uniform "gas-fuel mixture flows downstream" between the vortex guide surfaces, which are maintained in the desired manner behind the outlet edges 90 of the vortex guide surfaces! " The Sas fuel mixture is swirled in a circular direction in order to obtain rapid flame propagation around the entire circumference of the flame holder from the original point of sparking on the igniter 80. The main fuel is ignited by the ring-shaped pilot flaron in a conventional manner.

Ein zuvor bei Nachbrenner-Flammenhaltern vorhandenes Problem bezieht sich auf die vorstehend erörterte Erscheinung des "Zurüekschlagens der Flamme¹¹. Diese 1st eine stromaufwärts gerichtete Fortpflanzung der Flaramenfront des Nachbrenners in die inneren Kanäle des Flammenhalters. Das Zurückschlagen der Flamme kannA previous problem with afterburner flame holders relates to the phenomenon of "flashback of the flame ¹¹ discussed above. This is an upstream propagation of the flame front of the afterburner into the internal channels of the flame holder. The flashback of the flame can

409811/0518409811/0518

23U63Ü23U63Ü

dann auftreten, wenn die Geschwindigkeit des Brennstoff-Gas-Gemisches zwischen den iJirbelleltflächen 48 unter die Fllndestgeschwindigkeit absinkt, welche zu einer Aufrechterhaltung des Anhaftens der Flamme an den Austrittskanten 90 der Viirbelleitflachen erforderlich Ist. Ein weiteres, zuvor bereits erörtertes Phänomen ist die vorzeitige Zündung, welche in ihren Ursachen bisher nicht so gut verstanden wird, wie das Zurückschlagen der Flamme. Diese bezieht sich auf eine plötzliche, spontane Entzündung des Brennstoff-Gas-Gemlsches in einem Bereich stromaufwärts von den Austrittskanten 90 der Wirbelleitflächen. Die vorzeitige Zündung unterscheidet sich wesentlich von dem Zurückschlagen der_ Flamme darin, daß die stromaufwärts gelegene vorzeitig gezündete Flamme Im Innern des Flammenhalters getrennt und unterschiedlich ist und unabhängig von der stromabwärts gelegenen Flamme besteht» welche an den Austrittskanten 90 der Wirbelleitfläche anhaftet. Die nachteiligen Auswirkungen vom Rückschlagen der Flamme und der vorzeitigen Zündung sind jedoch Im wesentlichen gleich und führen zu einem vorzeitigen örtlich •beschränkten Verbrennen der Komponenten des Plammenhalters. Die vorzeitige Zündung kann ein unmittelbares Ergebnis der zuvor erläuterten umkreis fönnigen Temperaturgradienten sein. Es wird daher angenoiaaen, daß die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer voraeltigen Zündung bei dem Flammenhalter gemäß der Erfindung verringert wird durch die Auswirkung der gründlichen Durchmischung der in höchstem Maße turbulenten Wirbelschleppe hinter dem Einlaßschirm 68.occur when the speed of the fuel-gas mixture between the vortex surfaces 48 below the residual velocity decreases, which leads to a maintenance of the adhesion of the flame to the trailing edges 90 of the Viirbelleitflachen is required. Another previously discussed phenomenon is premature ignition, which is in its causes not as well understood as the flashing back of the flame. This refers to sudden, spontaneous inflammation of the fuel-gas mixture in an area upstream from the trailing edges 90 of the vortex guide surfaces. The premature Ignition differs significantly from flashing back the flame in that the upstream flame is premature ignited flame Inside the flame holder is separate and distinct and independent of the downstream one There is a flame at the trailing edges 90 of the Vortex conducting surface adheres. However, the adverse effects of flashback and premature ignition are Essentially the same and lead to premature localized burning of the components of the plate holder. the Premature ignition can be a direct result of the previously discussed circumferential temperature gradients. It will hence assumed that the probability of occurrence a previous ignition in the flame holder according to the invention is reduced by the effect of thorough mixing of the extremely turbulent wake vortices behind the inlet screen 68.

örtliche Minderungen der Geschwindigkeit und der Richtung der Strömung können ebenfalls zur vorzeitigen Zündung und zum Zurückschlagen der Flamme beitragen. Es ist daher erwünscht, daß das Geschwindigkeitsprofil gleichförmig und voraussagbar über alle Querschnitte zwischen der Ebene der Pilotbrennstoffeinführung an der Einlaßleitung 76 und der durch die Austrittskanten 90 der Wirbelleitfläche definierten Ebene gehalten wird. Wenn Jedoch die Strömungswege durch den Nachbrenner mit abrupten Querschnittsänderungen oder Diskontinuitäten konstruiert sind,local reductions in speed and direction of the Current can also contribute to premature ignition and flashback of the flame. It is therefore desirable that the velocity profile uniform and predictable across all cross-sections between the plane of pilot fuel introduction at the inlet conduit 76 and that through the trailing edges 90 of the vertebral guide surface defined plane is held. However, if the flow paths through the afterburner are designed with abrupt changes in cross-section or discontinuities,

409811/0518409811/0518

wie dies bei bisher bekannten Machbrennerflammenhaltern der Fall war, dann entv;ickeln sich örtliche Störungen und Wirbel und unterbrechen die Gleichförmigkeit der Geschwindigkeitsprofile. Diese Störungen und Wirbel bewirken, daß die Geschwindigkeit des in Richtung der Austrittskanten 90 der Wirbelleitflächen strömenden Gas-Brennstoff-Gemisches örtlich unter die Mindestgeschwindigkeit absinkt, welche erforderlich ist, um ein Anhaften der Flamme an den Austrittskanten aufrecht zu erhalten. In solchen Füllen wird sich die Flammenfront des TJachbrenners stromaufwärts in die inneren Kanäle des Flammenhalters in diesen Bereichen der Störung der Strömungsgeschwindigkeit fortpflanzen und eine örtliche Überr hitzung und Verbrennung der Komponenten des Flammenhalters verursachen. as is the case with previously known Mach burner flame holders then local disturbances and eddies develop and interrupt the uniformity of the velocity profiles. These disturbances and eddies cause the speed of the in Direction of the outlet edges 90 of the vortex guide surfaces flowing gas-fuel mixture locally below the minimum speed decreases, which is necessary to maintain the flame adhering to the trailing edges. In such abundance the flame front of the torch will move upstream into the Propagate inner channels of the flame holder in these areas of the disturbance of the flow velocity and a local Überr cause the flame holder components to heat up and burn.

Die Strömungskanäle des Flammenhalters gemäß der Erfindung sind jedoch in"besonderer Weise so aufgebaut, daß sie glatt und gleichförmig verbreitert sind und keine plötzlichen Querschnittsänderungen oder Diskontinuitäten in den Durchlaßwegen zwischen der Ebene der Brennstoffeinführung an der Einlaßleitung J6 und der Ebene bestehen, welche durch die Austrittskanten 90 der Wirbelleitfläche definiert ist. Die hohe Turbulenz der Gasströmung oder Wirbelschleppe hinter dem Einlaßschirm 68 erschöpft sich im wesentlichen vor dem Erreichen der Austrittskanten 90 der Wirbelleitflächen, so daß man an den Austrittskanten 90 ein im wesentlichen gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil erhält. Die Wirbelleitflächen 68 besitzen im wesentlichen eine tragflügelähnliche Form mit allmählich verlaufenden Seiten, welche keine scharfen Diskontinuitäten für den durchfließenden Brennstoff-Gasstrom ergeben, die" ein örtliches Zurückschlagen der Flamme oder eine vorzeitige Zündung auslösen könnte. Es ist ersichtlich, daß diese geometrische Ausgestaltung einfach ist und einen leicht voraussagbaren Strömungsverlauf zwischen den Wirbelleitflächen ergibt. Diese Ausgestaltung ist außerdem geeignet für eine wirtschaftliche Herstellung der Werkzeuge und der Form selbst mit geringen Kosten.The flow channels of the flame holder according to the invention are, however, constructed in a "special way" so that they are smooth and uniformly widened and there are no sudden changes in cross-section or discontinuities in the passageways between the plane of the fuel introduction at the inlet conduit J6 and the plane which passes through the outlet edges The high turbulence of the gas flow or wake vortex behind the inlet screen 68 is essentially exhausted before it reaches the outlet edges 90 of the vortex guide surfaces, so that a substantially uniform velocity profile is obtained at the outlet edges 90. The vortex guide surfaces 68 essentially have an airfoil-like shape with gradually tapering sides, which do not result in sharp discontinuities for the flowing fuel-gas flow, which could "cause a local flashback of the flame or a premature ignition. It can be seen that this geometric configuration is simple and results in an easily predictable flow course between the vortex guide surfaces. This configuration is also suitable for economical manufacture of the tools and the mold itself at a low cost.

409811/0518409811/0518

Figur 4 zeigt eine geringe Abwandlung der liirbe!leitflächen 48. Ein scharfer integraler Eintrittskantenteil 92 wurde vor dem Hauptkörper 82 eingefügt und enthält Seitenwände 96, 98, welche vom tangentialen Schnitt mit dem Hauptkörper 82 aus nach vorn konvergieren und dadurch wird das aerodynamische Profil Jeder Wirbelleitflache 48 stromlinienförmig.verbessert. Ebenso ist die Seitenwand 86 des integralen Endteils nach rückwärts und umkreisförmig bei 9k über die Linie des Schnittes 90^f mit den konvergierenden Seitenwänden 86, 88 hinaus verlängert worden. Daher kann der Auslaßwinkel des Gas-Brennstoff-Gemisches von den Wirbelleitflachen 48 besser der umkreisförmigen Richtung angenähert vrerden und hierdurch wird die Gesamtzeit verringert, welche für die Portpflanzung der Flamme um den gesamten umkreisförmigen Flammenhalter herum erforderlich ist. Ebenso wird durch diese Anordnung eine Konvektionskühlung der Austrittskanten der Leitflächen weiter gefördert.Figure 4 shows a minor modification of the vortex guide surfaces 48. A sharp integral leading edge portion 92 has been inserted in front of the main body 82 and includes sidewalls 96, 98 which converge forwardly from the tangential intersection with the main body 82, thereby creating the aerodynamic profile of each vortex guide surface 48 streamlined. Improved. Likewise, the side wall 86 of the integral end part has been extended rearwardly and in a circular manner at 9k beyond the line of the cut 90 ^f with the converging side walls 86, 88. Therefore, the outlet angle of the gas-fuel mixture from the vortex baffles 48 can more closely approximate the circumferential direction, thereby reducing the total time required for porting the flame around the entire circumferential flame holder. This arrangement also promotes convection cooling of the outlet edges of the guide surfaces.

Es können- die verschiedensten Änderungen in den Strukturen gemäß den Figuren 1-4 vorgenommen werden, ohne dabei den Umfang der Erfindung zu verlassen. Die Wirbelleitflächen 48 können jeden geeigneten tragflügelähnlichen Querschnitt aufweisen, wenn nur zwischen diesen Leitflächen ein vorgeschriebener und voraussagbarer Strömungsverlauf erzielt werden kann. Alternativ kann der Einlaßschirm 68 eine rechteckförmige Ausgestaltung besitzen.A wide variety of changes can be made in the structures according to FIGS. 1-4 without changing the scope to leave the invention. The vortex guide surfaces 48 can be anyone have a suitable airfoil-like cross-section, if only a prescribed and predictable one between these guide surfaces Flow course can be achieved. Alternatively, the inlet screen 68 may have a rectangular configuration.

40981 1 /051840981 1/0518

Claims

23U630 claims

1.) Gas turbine engine of the type having an enclosing shell, a compressor, a burner and a turbine which are arranged in series in terms of flow and in which thrust amplification is produced by an afterburner, characterized by:

an inner flame ring ⁽¹ IO), an outer flame ring (42) disposed radially and arranged concentrically with the inner flame ring (40) at a distance outside and together with the inner flame ring (40) an annular inlet (44) for receiving the hot gas stream from the turbine and an annular outlet (46) defines an inlet screen (68) between the inner and outer flame rings in close proximity to the annular inlet for metering the gas flow in the flame rings, the turbulence of the flow behind the screen the circular temperature gradient of the inflowing gas reduced to a minimum, devices (76) for introducing the pilot fuel in discrete jets downstream of the inlet screen (68), aerofoil profile-shaped vortex baffles (48) attached to the circumference at a distance from one another, which radially between the inner and outer flame rings downstream of the pilot fuel device get lost,

a device (80) for igniting the pilot fuel, a device (34) for introducing a main fuel flow outside the flame rings and means (50) for securing the flame rings in a fixed position with respect to of the engine casing.

2. Afterburner according to claim 1, characterized in that the fastening device has a plurality of support members (50) pivotally connected at one end of the engine housing and a plurality of piston (58) radially in connection with the flame rings

409811/0518409811/0518

arranged and pivotally connected to the other ends of the support members (50) to accommodate thermal expansion of the flame rings.

3. Afterburner according to claim I _3, characterized in that the inner and outer flame rings (40, 42) are frustoconical and cooperatively arranged so that they define an annular, backward diverging passage channel.

4. Afterburner according to claim 1, characterized in that the inlet screen (68) has a plurality of circumferentially spaced cylinders (70), which extend in the radial direction between the inner and outer flame rings.

5. Afterburner according to claim 1, characterized in that that each vertebral leading surface has a generally truncated conical main body (82) with an integral End part (84), which extends backwards and shaped like a circle extends from the main body portion (82), the side walls (86, 88) of this integral end portion (84) from the tangential cut with the frustoconical main body from backwards to the cut at the trailing edge (90) of the Converge vortex guide surface.

6. Afterburner according to claim 5, characterized in that that each vortex guide surface (48) have a sharp integral leading edge portion (92) / wherein the rare edges (96, 98) of the integral leading edge part forward from the tangential cut with the frustoconical " fiauptkSrper to a cut at the leading edge of the vertebral guide surfaces converge and a side wall (86) of the integral end portion backward and encircle at (94) extends beyond the line of section (90 ') of the converging side walls of the end portion.

* which extends forward from the main body part,

4 09 811/05184 09 811/0518

7. Kachburner according to claim 1, characterized in that, that the pilot fuel device (76) an inlet conduit, which between the flame rings (40, 42) at a point closely adjacent to the leading edge of a Uirbelleitflache (48) ends, and two at a distance from each other openings (77, 77 ') provided to the direction of individual jets from the pilot fuel on either side of the adjacent ones llirbelleitflache (48) and the main fuel device furthermore has a plurality of inlet lines (7 * 0, which end radially outside and inside both flame rings (40, 42), each line containing an opening (78), for directing a jet of main fuel outside the flame rings.

8. Flairanenhalter, characterized by an inner flame ring (40), an outer flame ring (42) spaced radially outside and concentric to the inside Flame ring is arranged and in cooperation with the inner flame ring an annular inlet (44) and Outlet (46) defined,

an inlet screen (68) between the inner and outer flame rings closely adjacent to the annular inlet for measuring the flow between the flame rings, being behind the screen a turbulence can be generated, which the Umkreisformigen Temperature gradients of the inflowing gas reduced to a minimum,

means (76) for introducing pilot fuel in discrete jets downstream of the inlet screen (6 "), aerofoil profile-shaped mounted in a circle at a distance from one another Vortex baffles (48) radially between the inner and outer flame rings downstream of the Run pilot fuel device and devices (80) for igniting the pilot fuel.

098 11/05 18