DE2623471A1

DE2623471A1 - Brennkammer

Info

Publication number: DE2623471A1
Application number: DE19762623471
Authority: DE
Inventors: Jacques Emile Jules Caruel; Guy Daniel Stora
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1975-05-28
Filing date: 1976-05-25
Publication date: 1976-12-16
Also published as: GB1506191A; DE2623471C2; FR2312654B1; FR2312654A1; US4085581A

Description

^D'P'. /no ' ε ^^h

no ε ^ ^D'"P/. /no ι*' ,w^raa/fs

^ö Münch

en a

Societe Nationale d¹Etude et de

Construction de Moteurs d¹Aviation

150, Boulevard Haussmann München, 13. April 1976

Anwaltsakte: M-3886

Brennkammer

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an durch einen Luftfilm gekühlten Brennkammern der Bauart, die einen domförmigen Boden aufweist, der in seinem mittigen Abschnitt zur Aufnahme eines Brenners oder mehrerer Brenner durchbrochen ist, wobei der Verbrennungsraum auf der Seite des domförmigen Bodens durch eine Schale begrenzt ist, die ein Wärmeschutzschild zum Schutz des Bodens der Brennkammer darstellt.

In den französischen Patentanmeldungen 70 20243 und 71 33401 ist ein solcher Brennkammertyp beschrieben, der insbesondere für Strahltriebwerke von Flugzeugen oder andere Gasturbinentriebwerke bestimmt ist, bei denen die Verbrennung eines Brennstoffes in einem Luftstrom hohen Druckes sichergestellt werden muß und bei dem sich das Problem der wirksamen Kühlung des domförmigen Bodens in großer Schärfe stellt.

609851/0320

-2- 26? 3 ■': 7 i

In den Fign. 1 und 2 der beiliegenden Zeichnung ist der wesentliche Aufbau einer derartigen Brennkammer 1 gezeigt, bei der Vorverdampferrohre 2 verwendet werden und die einen domförmigen Boden 3 aufweist. Der letztere ist durch Schalen 4 geschützt. Die Brennkammer 1 ist in üblicher Weise durch koaxiale, ringförmige Wände 5 begrenzt, in denen durchgehende seitliche Öffnungen 6 vorgesehen sind, durch die von dem unter hohem Druck stehenden Strom stammende Verdünnungsluft in transversaler Richtung eintreten kann. Es sei kurz daran erinnert, daß die Schalen 4 dazu dienen, den domförmigen Boden 3 der Brennkammer als Wärmeschutzschilde zu schützen, ohne daß sie selbst mechanischen Beanspruchungen erfahren. Die Schalen 4 sind ferner durch auf sie auftreffende Luftstrahlen wirksam gekühlt, die von kalibrierten Öffnungen 7 gegen die Rückseite der Schalen 4 gerichtet werden. Nach dem Auftreffen bildet die Luft dann einen Kühlfilm, der mit kleiner Geschwindigkeit in dem zwischen den Schalen 4 und dem domförmigen Boden 3

liegenden Raum/abströmt, um dann durch Auslaßschlitze 9 auszutreten. Hierdurch wird der Schutz des Kopfes der Brennkammer 1 durch Filmkühlung ("film cooling") sicher gestellt.

Erst jetzt wurde festgestellt, daß sich im Betrieb bei geringen Drehzahlen insbesondere im Fall der in den Fign. 1 und 2 gezeigten Einspritzung durch Vorverdampferrohre 2 einige Nachteile einstellen, die auf die geringe Temperatur der der Brennkammer 1 zugeführten Luft zurückzuführen sind: Ein Teil des Brennstoffes rieselt auf den Boden 3 der Brennkammer oder auf die Schalen 4

; und nimmt nicht an der Verbrennung teil. Darüber hinaus findet

-3- ;

^: 609851/0320

INSPECTED

bei diesen Drehzahlen die Verbrennung lokalisiert in der unmittelbaren Nachbarschaft der kalten Wände des Bodens der Brennkammer statt, gleich welche Art der Einspritzung des Brennstoffes

reaktionen
verwendet wird, und die Gas werden rasch stabilisiert,bevor die

Verbrennung vollständig abgelaufen ist.

Durch die vorliegende Erfindung kann der Wirkungsgrad der Verbrennung bei niederen Drehzahlen (insbesondere bei Leerlaufdrehzahl) verbessert werden, indem der gesamte Brennstoff, der
sonst über den Boden der Brennkammer rieselt, zerstäubt wird und die Turbulenz lokal erhöht wird, wodurch eine bessere Verbrennung begünstigt wird. Durch diese Verbesserung des Wirkungsgrades der Verbrennung bei Leerlaufdrehzahl kann das Ausmaß der
Umweltverschmutzung durch Kohlenstoffmonoxid und nicht ver- , brannte Kohlenwasserstoffen erheblich vermindert werden.

Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht darin, daß durch die _; Schale eine große Anzahl kleiner Abmessung aufweisender Öffnun- [ gen durchgeführt wird, durch welche Strahlen mit großer Geschwindigkeit erzeugt werden, die einerseits den über die Schale!

rieselnden flüssigen Brennstoff zerstäuben und andererseits :

durch Erhöhung der lokalen Turbulenz eine raschere Verbrennung j ermöglichen. I

zwei
Erfindungsgemäß weist die Schale / Wände auf, die an dem Boden

der Brennkammer derart abgestützt sind, daß der zwischen der
Schale und dem Boden der Brennkammer liegende Raum in drei Zonen unterteilt wird: Eine zentrale Zone und zwei seitliche Zonen,

-4-

609851/0320

ORiGlNAt INSPECTED

die auf der einen und der anderen Seite der zentralen Zone liegen.! Darüber hinaus sind durch die Schale auf der Höhe der zentralen : Zone Öffnungen kleiner Abmessung durchgeführt, die nach außen hin geneigt verlaufen, während der Boden der Brennkammer seinerseits ebenfalls auf der Höhe dieser zentralen Zone mit durchgehenden Öffnungen größerer Abmessung versehen ist, deren gesamter Querschnitt um ein Vielfaches größer ist als der gesamte Querschnitt der zuvor erwähnten Öffnungen. Auf der Höhe der beiden seitlichen Zonen sind im Boden der Brennkammer darüber hinaus kleine Abmessung aufweisende öffnungen vorgesehen, die zum Kühlen der Enden der Schale durch auf diese auftreffende Luftstrahlen dienen.

Anders gesagt liegt der wesentliche Zug der vorliegenden Erfindung im Vorsehen von Wänden, die den zwischen der Schale und dem Boden der Brennkammer liegenden Raum zum einen in einen doppelten seitlichen Bereich, in dem nacheinander das Kühlen der Enden der Schale durch auftreffende Luftstrahlen und das Filmkühlen des ; Kopfes der Brennkammer erfolgt, und zum anderen in einen mitti- ; gen Bereich unterteilen,in dem die Schale die schräg nach außen : verlaufenden Öffnungen aufweist, deren Abmessung so gewählt ist, daß eine Vielzahl von Strahlen geringer Abmessung und hoher Geschwindigkeit erhalten wird.

'. Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. !

. In dieser zeigen: j

I ■ ■■'■'■

609851/032Q"

ORIGINAL INSPECTED

262347!

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine herkömmliche Brennkammer, wie sie oben-stehend schon beschrieben worden ist;

Fig. 2 einen transversalen Schnitt durch die in Fig. 1 gezeigte herkömmliche Brennkammer;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkammer; und

Fig. 4 einen transversalen Schnitt durch die in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Brennkammer.

In den Fign. 3 und 4 sind Bauelemente, die in den Fign. 1 und 2 ' gezeigten Bauelementen entsprechen, mit den gleichen Bezugsζeichen! versehen.

Erfindungsgemäß weist die Schale 4 zwei Wände 10, 11 auf, die am Boden 3 der Brennkammer abgestützt sind und den zwischen der Schale 4 und dem Boden 3 der Brennkammer liegenden Raum in drei Zonen unterteilen: Eine zentrale Zone 8a und zwei seitliche Zonen 8b, 8c.

Die zentrale Zone 8a wird über Öffnungen 12 beschickt, deren Abmessung ausreichend groß gewählt ist, damit der dort erfolgende Druckverlust der Luft klein ist. Durch die Schale 4 sind Öffnunger 13 kleiner Abmessung durchgebohrt, wobei deren gesamter Quer-

6 0 9 8 5 1/0320 ~⁶~

ORIGINAL INSPECTED

■ -⁶- 262347]

schnitt ungefähr gleich einem Drittel des Querschnittes der die Luft zuführenden Öffnungen 12 ist. Der an diesen Öffnungen auftretende Druckabfall führt somit zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten (größenordnungsmäßig 70 bis 100 m/sec), was die Zerstäubung des Brennstoffes sicherstellt und zu starker Wirbelbildung in der Nachbarschaft der Schale 4"führt. Die Öffnungen 13 sind mit ausreichend großem Anstellwinkel vorgesehen, so daß jeglihes Eindringen von Brennstoff in den hinter der Schale 4 liegenden Raum verhindert wird.

Die beiden seitlichen Zonen 8b und 8c werden über kleine Abmessung aufweisende Öffnungen 16 versorgt, über die die Enden der Schale 4 gekühlt werden. Diese Kühlung erfolgt durch die aus den Öffnungen 16 auf die Schale 4 auftretenden Luftstrahlen, die dann zwei Ströme 14 und 15 verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit ; bilden, welche zur Filmkühlung dienen.

Versuche an ein und derselben Brennkammer einmal mit herkömmlichen Schalen, wie sie in den Fign. 1 und 2 gezeigt sind, und das ] andere mal mit erfindungsgemäß verbesserten Schalen, wie sie in den Fign. 3 und 4 gezeigt sind, haben ergeben, daß bei hohen

j Werten der aerodynamischen Füllung, die niederen Triebwerksdrehzahlen entsprechen, der Wirkungsgrad der Verbrennung von 90 auf ι 97 % anwächst.

-7-609851 /0320

ORIGINAL INSPECTED

Claims

PATENTANSPRÜCHE

[1./ Brennkammer, deren sich vom stromauf gelegenen Ende bis zum stromab gelegenen Ende erstreckender Raum durch Wände begrenzt ist, die am stromauf gelegenen Ende durch einen domförmigen Boden geschlossen sind, der eine Verlängerung der Wände darstellt und diese miteinander verbindet und durch den sich Vorverdampferrohre hindurch erstrecken, die zum stromauf gelegenen Ende hin in Richtung des domförmigen Bodens offen sind, wobei dieser Boden durch eine dazwischen gestellte Schale geschützt ist, die vor ihm zum Inneren des Raumes der Brennkammer hin angeordnet ist, um dem Boden als Wärmeschutzschild zu dienen* ohne selbst mechanische Belastungen zu erfahren, und die durch auf sie auftreffende Strahlen gekühlt ist, die von in dem domförmigen Boden ausgebildeten kalibrierten Öffnungen auf ihre Rückseite geschickt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ^; durch die Schale (4) eine Vielzahl von öffnungen (13) kleiner Ab- ' messung hindurchgeführt sind, durch welche Strahlen großer Ge-! schwindigkeit erzeugt werden, welche einerseits etwa auf der ' Schale rieselnden flüssigen Brennstoff zerstäuben und anderer-j seits die lokale Turbulenz erhöhen, wobei der Zwischenraum (8) zwischen dem domförmigen Boden (3) und der Schale (4) unter- ί teilt ist, damit die aus den Öffnungen (13) austretenden Strahlen ausgehend von der durch die kalibrierten Öffnungen (12) eingeführten Luft erzeugt werden können.

6098 5 1/0320 ~⁸~

ORIGINAL INSPECTED

j - 8 - j

! 2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die | , Schale (4) zwei Wände (10, 11) aufweist, die an dem domförmigen Boden (3) derart abgestützt sind, daß der zwischen dem domförmigen Boden (3) und der Schale (4) liegende Raum in drei Zonen unterteilt wird: Eine zentrale Zone (8a) und zwei seit- ; liehe Zonen (8b, 8c) die auf einer Seite und der anderen Seite der zentralen Zone liegen.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Abmessung aufweisenden Öffnungen (13) auf der Höhe der i zentralen Zone (8a) durchgeführt sind und nach außen geneigt verlaufen, während die kalibrierten Öffnungen (12) im domför-

, migen Boden (3) ebenfalls auf der Höhe der zentralen Zone (8a) ' ausgebildet sind und einen Gesamtquerschnitt aufweisen, der ' ein Vielfaches größer ist als der Gesamtquerschnitt der kleine

Abmessung aufweisenden Öffnungen (13). '

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ; Gesamtquerschnitt der kleine Abmessung aufweisenden Öffnungen : (13) etwa ein Drittel des Gesamtquerschnittes der kalibrierten)

öffnungen (12) ist. j

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der domförmige Boden (3) auf der Höhe der beiden seitlichen Zonen (8b,8c) mit durchgehenden Öffnungen (16) kleiner Abmessung versehen ist, die zum Kühlen der Enden der Schale (4) durch auftreffende Luftstrahlen dienen.

609851/0320

.3.

Leerseite