DE2722449C2 - Zündeinrichtung einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, insbesondere für Gasturbinenstrahltriebwerke von Flugzeugen - Google Patents

Description

a) die Zündeinrichtung weist in an sich bekannter Weise zwei in einer Axialebene im Flammrohr (2) in Richtung der Hauptströmung in der Brennkammer aufeinanderfolgende, gleichzeitig betätigbare Hochleistungszündkerzen (3, 4) auf, von denen der einen (3) — wie ebenfalls für sich bekannt — eine Zündbrennstoffdüse (5) zugeordnet ist;

b) die eine Hochleistungszündkerze (3) mündet zusammen mit der Zündbrennstoffdüse (5) in eine für die Primär- und Mischluftzufuhr vorgesehene Bohrung (13) des Flammrohrs (2) quer zur Flammrohrachse so ein, daß ihre Zündfunkenzone (6) einen in Richtung der Hauptströmung, seitlich in Nachbarschaft der Flammrohrbewandung abfließenden, mit Brennstoff angereicherten Primärluftanteil tangiert, während die zweite Hochleistungszündkerze (4) in der Flammrohrmittelebene (14) durch die Flammrohrrückwand (9) so ins Flammrohr einmündet, daß ihre Zündfunkenzone (7) im Totwassergebiet zwischen den seitlich nach außen abfließenden, bzw. gegen die Flammrohrrückwand rezirkulierenden Strömen der Primärzonenwirbel fliegt;

c) die stromab der Hochleistungszündkerze (3) liegende Zündbrennstoffdüse (5) ist mit einem solchen Spritzwinkel ausgeführt, daß der Zündbrennstoffkegel (8) gleichzeitig die Zündfunkenzonen (6, 7) beider Hochleistungszündkerzen (3,4) erfaßt.

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, insbesondere für Gasturbinenstrahltriebwerke von Flugzeugen, wobei die Brennkammer aus einem Außengehäuse mit mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, welches über zwischen diesem und dem Außengehäuse befindliche Ringräume mit Kompressorluft beaufschlagbar ist, die u. a. als Primär- und Mischluft über seitlich im Flammrohr einander gegenüberliegende, stromab der Flammrohrrückwand angeordnete Bohrungen des Flammrohrs so zugeführt wird, daß die im wesentlichen im rechten Winke! zur Flammrohrachse zugeführten und in der Flammrohrmitte zusammentreffenden Luftstrahlen sich einerseits in gegen die Flammrohrrückwand rezirkulierende Primärzonenwirbel und andererseits in einen in Hauptströmungsrichtung abfließenden zentralen Mischluftanteil aufspalten,

ίο wobei ferner die Primärluft mit dem für die Verbrennung benötigten Hauptbrennstoff angereichert wird.

Bei einer derartigen, aus der US-PS 39 68 644 bekannten Brennkammer stellen insbesondere der Anlaßfall »Kaltstart« und der Anlaßfall »Wiederzünden in großer Flughöhe« erhebliche technische Anforderungen an ein einwandfreies Zündverhalten sowie an die betreffende Zündeinrichtung, und zwar speziell im Hinblick auf eine in den genannten Fällen örtlich unterschiedliche aerodynamische Beladung der Brennkammer, die wiederum in der Primärzone der Brennkammer in verschiedenen Zonen zu verhältnismäßig stark voneinander abweichenden Brennstoffanreicherungen des Brennstoff-Luft-Gemisches führen kann.

Für den Anlaßfall »Kalt-Start« sollten in der Regel Anlaßdrehzahlen von ca. 10% der Nenndrehzahl ausreichend sein. Das erfordert seitens der Brennkammer gutes Zünd- und Wärmefreisetzungsverhalten. Erfahrungsgemäß sollte das Verhältnis der Austrittszur Eintrittstemperatur (in Kelvin) der Brennkammer nach dem Zündvorgang bei 2 bis 3 liegen. Damit werden sowohl Überhitzungen als auch thermische Verstopfungen der Turbine, und damit Verdichterpumpstöße vermieden. Bekannterweise führen bei mangelnder Zündwilligkeit der Brennkammer die dann auftretenden großen Zündverzugszeiten einerseits zu unzulässig hohen Starttemperaturen, andererseits zum Fehlstart (Zeitabhängige Brennstoffabschaltung durch Sicherheitseinrichtung).

Das Wiederzünden der Brennkammer in großen Flughöhen stellt höchste Anforderungen an die Zündwilligkeit der Brennkammer sowie der Zündeinrichtungen. Die Problematik des Anlaßfalles »Kaltstart« gilt hier sinngemäß, als erschwerend aber wirken sich die niedrigen Luft- und Brennstofftemperaturen sowie der niedrige Luftdruck und die erhöhten Luftgeschwindigkeiten im Bereich der Brennkammerzündzone aus. Ein schlechtes Höhenzündverhalten kann gegebenenfalls ein Absenken des Flugzeuges in eine geringere Flughöhe erzwingen und so u. U. auch noch zu unzulässig hohen Zündtemperaturen führen (Abregelung, Fehlstart).

Bei einer im Sinne der eingangs genannten Art ausgebildeten bekannten Brennkammer sind somit für den Kalt- bzw. Bodenstartfall verhältnismäßig kleine Volumenströme der über die Primärzonenbelochung ins Flammrohr einzuführenden Primärluft, d. h. also demgemäß kleine Brennkammerdruckverluste und Locheinströmungsgeschwindigkeiten zugrunde zu legen, wodurch die für den Normalfall angestrebte aerodynamisch stabile Luftrezirkulationen gegen die Flammrohrrückwand verhältnismäßig schwach ausgeprägt bzw. gestört ist, d. h. der sich hierbei einstellende Luftmangel führt in der gesamten Rezirkulationszone zu einer derart starken Brennstoffanhäufung, daß eine einwandfreie Zündung in diesem Gebiet bzw. von diesem Gebiet aus, insbesondere aber in unmittelbarer Nachbarschaft der Flammrohrrückwand, nicht mehrgewährleistet

werden kann.

Für den Anlaßfall »Wiederzünden in großer Höhe« ist gegenüber dem Kalt- bzw. Bodenstartfall bei der vorliegenden bekannten Brennkammer aufgrund der vergleichsweise wesentlich größeren Volumenströme und hierbei wesentlich höheren Locheinströmgeschwindigkeiten der der Primärzone zuzuführenden Verbrennungs- und Mischluft mit vergleichsweise hohen Abströmgeschwindigkeiten und Luftüberschüssen innerhalb des Flammrohrs in den Regionen der Primär- und Miscbluftbelochung bzw. in mittelbarer Nachbarschaft derselben zu rechnen, wodurch ein einwandfreies Wiederzünden von diesen genannten Flammrohrgebieten aus erheblich erschwert wird. Für diesen Anlaßfall wäre im übrigen davon auszugehen, daß die sich hierbei verhältnismäßig stabil ausbildenden und gegen die Flammrohrrückwand zirkulierenden Primärzonenwirbel zwischen den beidseitig entgegengesetzt nach außen abfließenden Wirbelteilen und den angrenzenden Partien der Flammrohrrückwand ein sogenanntes »Totwassergebiet« entstehen lassen.

Ausgehend von der vorstehend umrissenen Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine für eine Brennkammer nach der eingangs genannten Art geeignete Zündeinrichtung zu schaffen, die trotz unterschiedlicher aerodynamischer Beladung und örtlich stark wechselnder Hauptbrennstoffanreichungen des Brennstoff-Luftgemisches bei extrem differierenden Betriebs- und Zündbedingungen (Anlaßfälle: »Kaltstart«, »Wiederzünden in großer Flughöhe«) ein optimales Zündverhalten gewährleisten soll.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Zündeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches gelöst.

Die Anordnung der einen zusammen mit der Zündbrennstoffdüse in eine seitliche Luftzufuhrbohrung des Flammrohrs einmündende Hochleistungszündkerze gewährleistet somit in Kombination mit dem überlagerten Zündbrennstoffabspritzkegel ein optimales Zündverhalten für den Anlaßfall »Kaltstart« bzw. »Bodenstart«, weil in der Region dieser betreffenen Zündzone infolge vergleichsweise niedrigenergetischer, kleinvolumiger Luftströme die Gefahr einer Flammausblasung äußerst gering ist und weil hierbei die betreffenden Zonen örtlich vergleichsweise großer Brennstoffanhäufungen (Hauptbrennstoff) in dem örtlich davor liegenden, normalerweise als Rezirkulationszone dienenden Gebiet des Flammrohrs, insbesondere an oder in unmittelbarer Umgebung der Flammrohrrückwand, zu erwarten sind.

Aufgrund der sich bei diesem Anlaßfall relativ schwach ausbildenden Primärzonenwirbel gelangt der zugeführte Zündbrennstoff somit vornehmlich in die in stromabwärtiger Richtung abfließenden Brennstoff-Luft-Anteile, also in den zwecks optimalen Zündens günstigen Bereich der Zündfunkenzone dieser einen Hochleistungszündkerze.

Die Anordnung der anderen Hochleistungszündkerze gewährleistet in Kombination mit dem überlagerten, weitflächig gegen die Flammrohrrückwand ausmündenden Zündbrennstoffabspritzkegel ein optimales Zündverhalten in großer Höhe; unter Zugrundelegung einer für diesen Betriebsfall weitestgehend aerodynamisch stabilen Beladung der Brennkammer, die im wesentlichen durch vergleichsweise hohe Locheinströmgeschwindigkeiten und große Volumenströme gekennzeichnet ist, befindet sich die Zündfunkenzone der zweiten Hochleistungszündkerze im Totwassergebiet zwischen den seitlich nach au3en bzw. gegen die Flammrohrrückwand rezirkulierenden Primärzonenwirbeln. Die Gefahr einer Flammenausblasung in diesem aerodynamisch beruhigten Gebiet ist weitestgehend ausgeschlossen; mit unzulässig hohen Hauptbrennstoffanreicherungen ist in diesem Gebiet nicht zu reclinen, da der Hauptbrennstofi überwiegend von den hochenergetischen Rezirkulationsluftstrahlen mitgerissen wird bzw. in diese eingebettet ist, so daß in

so Verbindung mit der Zündbrennstoffzufuhr ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch im Bereich der zentrischen Zündzone gewährleistet ist.

Aus der DE-OS 25 58 756 ist es für sich bekannt, zwei axial beabstandete Zündkerzen radial ins Flammrohr einer Strahltriebwerkshauptbrennkammer hereinragen zu lassen, um bei Ausfall einer dieser Zündkerzen mit der noch verbleibenden Zündmöglichkeit der anderen Zündkerze eine Zündung einleiten zu können. Speziell im Hinblick auf eine im Sinne der eingangs angegebenen Art ausgebildete bekannte Brennkammer vermittelt jedoch dieses bekannte Zündsystem keinerlei Anregung, wie als Folge der beiden extrem unterschiedlichen Anlaß- und Zündzustände, die insbesondere aus der zu erwartenden unterschiedlichen aerodynamischen Beiadung resultieren, zwecks Optimierung des Zündverhaltens zu verfahren wäre, zumal fernerhin dem zuletzt genannten bekannten Fall nichts bezüglich einer gemeinsamen Zündbrennstoffkegelerfassung von örtlich verschiedenen Zündfunkenzonen entnehmbar ist.

Vielmehr behandelt die bekannte Lösung nach der DE-OS 25 58 756 eine besondere elektrische bzw. elektronische Schaltung und Anordnung von elektrischen Bauelementen, wobei bei dieser Schaltung die Drehzahl der Turbinenwelle ein wesentliches Kriterium für eine automatische und zuverlcssige Erfassung des gewünschten Zündzeitpunktes sein soll. Eine derartige Schaltung ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Aus der DE-OS 14 76 843 ist bei einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke eine Zündeinrichtung bekannt, die aus der Kombination einer Zündbrennstoffdüse mit einer Zündkerze besteht, wobei die bekannte Einrichtung zur Vermeidung einer andauernden Hochtemperaturbelastung im Außenmantel der Brennkammer, und zwar stromauf des mit einer Wirbeleinrichtung kombinierten Primärluftdurchganges angeordnet ist, in den eine Hauptbrennstoffdüse am Flammrohrkopf zentrisch hereinragt.

Dem vorliegenden bekannten Fall ist demnach weder aufgaben- noch lösungsseitig eine Anregung bezüglich eines optimierten Zündverhaltens bei einer Brennkammer nach der eingangs genannten Art unter Berücksichtigung der erwähnten extrem unterschiedlichen Betriebszustände und deren Folgen entnehmbar.

In der Zeichnung ist ein Auslührungsbeispiel der Erfindung erläutert, und zwar anhand einer als Axialschnitt schematisch dargestellten Ringbrennkammer eines Gasturbinenstrahltriebwerks.

Die dargestellte Ringbrennkammer besteht aus einem Außengehäuse 1 mit einem darin eingesetzten Flammrohr 2, wobei über einen Axiaidiffusor 10 am Außengehäuse 1 zwischen dem Flammrohr 2 und dem Außengehäuse 1 befindliche Ringräume U, 12 mit Kompressorluft (Pfeile V) beaufschlagbar sind, die u. a.

als Primär- und Mischluft über seitlich im Flammrohr 2 einander gegenüberliegende, stromab der Flammrohrrückwand 9 angeordnete Bohrungen 13 des Flammrohrs so zugeführt wird, daß die im wesentlichen im rechten

Winkel zur rotationssymmetrischen Flammrohrmittelebene 14 (Flammrohrachse bei einer Rohrbrennkammer) zugeführten und in der Flammrohrmittelebene 14 zusammentreffenden Luftstrahlen 5 sich einerseits in gegen die Flammrohrrückwand 9 rezirkulierende Primärzonenwirbel R und andererseits in einen in Hauptströmungsrichtung abfließenden zentralen Mischluftanteil M aufspalten. Die Primärluft wird mit dem für die Verbrennung benötigten Hauptbrennstoff angereichert.

Obwohl die Erfindung an die Art und Weise des der Verbrennungszone zuzuführenden Hauptbrennstoffs nicht gebunden ist, sei hierzu erwähnt, daß die Brennstoffzuführung und -aufbereitung z. B. gemäß der durch die US-PS 39 68 644 bekannten Lösung erfolgen kann; d. h, der Hauptbrennstofi kann beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels in die Luftzufuhrbohrungen 13 des Flammrohrs 2 mündender Brennstoffröhrchen so zugeführt werden, daß er von dem über die Bohrungen 13 zugeführten Primärluftanteil mitgerissen und in die später sich ausbildenden Primärzonenwirbel R eingebettet wird. Der für die Verbrennung benötigte Hauptbrennstoff könnte z. B. aber auch schon vor dem Eintritt ins Flammrohr mit der für die Verbrennung benötigten Luft vermischt werden, wie dies z. B. bei einer bekannten Brennkammer nach der DE-OS 24 52 178 vorgesehen ist.

Gemäß der Zeichnung weist die Zündeinrichtung zwei in einer Axialebene im Flammrohr 2 in Richtung der Hauptströmung in der Brennkammer aufeinanderfolgende, gleichzeitig betätigbare Hochleistungszündkerzen 3, 4 auf, von denen der einen, 3, eine Zündbrennstoffdüse 5 zugeordnet ist; die Hochleistungszündkerze 3 mündet zusammen mit der Zündbrennstoffdüse 5 in eine für die Primär- und Mischluftzufuhr vorgesehene Bohrung 13 des Flammrohrs quer zur rotationssymmetrischen Flammrohrmittelebene so ein, daß ihre Zündfunkenzone 6 einen in Richtung der Hauptströmung, seitlich in Nachbarschaft der Flammrohrbewandung abfließenden, mit Brennstoff angereicherten Primärluftanteil tangiert, während die zweite Hochleistungszündkerze 4 in der rotationssymmetrischen Flammrohrmittelebene 14 durch die Flammrohrrückwand 9 so ins Flammrohr 2 einmündet, daß ihre Zündfunkenzone 7 im Totwassergebiet zwischen den seitlich nach außen abfließenden, bzw. gegen die Flammrohrrückwand rezirkulierenden Strömen der Primärzonenwirbel R liegt Die stromab der Hochleistungszündkerze 3 liegende Zündbrennstoffdüse 5 ist mit einem solchen Spritzwinkel ausgeführt, daß der Zündbrennstoffkegel 8 gleichzeitig die Zündfunkenzonen 6,7 beider Hoch'.cistür.gszür.dkerzer. 3,4 erfaßt.

Man erkennt hieraus, daß die beiden Hochleistungszündkerzen 3, 4 mit ihren Zündfunkenzonen 6, 7 in Zonen unterschiedlicher Luftgeschwindigkeit liegea Der Winkel χ in der Zeichnung kennzeichnet den Neigungswinkel der über die Luftfuhrbohrungen 13 zugeführten Luftstrahlen 5 zur Flammrohrwand. Dieser Neigungswinkel α kann im Rahmen der später noch näher erläuterten unterschiedlichen Betriebsverhältnisse (Kalt- bzw. Bodenstart/Höhenwiederstart) variabel sein.

Zur Wirkungsweise der Erfindung im wesentlichen folgendes.

Typische Brennkammerbetriebsbedingung beim Bodenstartfall sind durch kleine Volumenströme, d. h. kleine Brennkammerdruckverluste gekennzeichnet. Dadurch ergeben sich Einströmwinkel ä kleiner 90° der in die Primärzone eintretenden Luftstrahlen S, und damit verschieden große Luftmengen, die rezirkulieren bzw. abströmen. Bei verhältnismäßig kleinen Abströmwinkeln α. (z. B. Oi =* 70°) wird die gesamte Rezirkulationszone wegen Luftmangels zu stark mit Brennstoff angereichert, was inbesondere in der Zündzone 7 der Hochleistungszündkerze 4 zu ungünstigen Zündbedingungen führt. Die Hochleistungszündkerze 3 befindet sich hierbei aber in dem Gebiet des in stromabwärtiger Richtung abströmenden Brennstoff-Luftgemisches. Für den Betriebsfall der Brennkammer mit kleinem Druckverlust addieren sich die Effekte der geringen Geschwindigkeit in der Rezirkulationszone durch den oben erwähnten verhältnismäßig kleinen Abströmwinkel oi mit dem für den Bodenstartfall typischen kleinen Druckverlust, d. h. kleinen Locheinströmungsgeschwin-

digkeiten. Beide Effekte führen durch Überlagerung in dem Bereich der Zündzone 6 der Hochleistungszündkerze 3 zu günstigen Zündbedingungen.

Typische Brennkammerbetriebsbedingungen beim Wiederzünden in großen Höhen bedeuten für die Rezirkulationszone der Brennkammer eine wesentlich größere aerodynamische Aufladung. Der größere Volumenstrom bewirkt einen höheren Brennkammerdruckverlust und damit, wegen des größeren Impulses der einströmenden Luftstrahlen 5, einen größeren Abströmwinkel λ(* ~ 80 bis 90°). Der Winkel λ ist in der Zeichnung mit 90° eingezeichnet. Die Aufrichtung der Luftstrahlen 5 und höhere Einströmungsgeschwindigkeiten führen gleichzeitig im Bereich der Hochleistungszündkerze 3 für die Zündwilligkeit zu unzulässig hohen Abströmgeschwindigkeiten. Die größere aerodynamische Aufladung für diesen Betriebsfall führt im Bereich der Zündzone 7 der Hochleistungszündkerze 4 aufgrund der gegen den Brennkammerkopf bzw. gegen die Flammrohrrückwand 9 sich verlagernden Rezirkulationswirbel R zu verhältnismäßig günstigen Zündbedingungen.

Im folgenden wird die Aufbereitung des Zündbrennstoffes für die beiden Betriebsbedingungen »Kalt- bzw. Bodenstart/Wiederzünden in großer Höhe« beschrieben. Für den Kalt- bzw. Bodenstartfall gelangt der Zündbrennstoff (Zündbrennstoffkegel 8) aufgrund der verhältnismäßig geringen Energie der Primärzonenwirbel im wesentlichen in die in Nachbarschaft der Flammrohrinnenwand stromabwärts abströmenden Teilströme der Luft-Brennstoffwirbel, und damit in die Zündzone 6 der Hochleistungszündkerze 3.

Für das Wiederzünden in großen Höhen bewirkt die höhere Luftgeschwindigkeit ein vermehrtes Mitreißen des Hauptbrennstoffes über die in die Rezirkulationszone einfließenden Ströme der Primärzonenwirbel R. Dies führt in Verbindung mit dem überlagerten Zündbrennstoffkegel 8 im Bereich der im erwähnten Totwassergebiet liegenden Zündzone 7 der Hochleistungszündkerze 4 zu einem optimal zündfähigen Brennstoff-Luftgemisch.

Die Erfindung ist im übrigen bei anderweitigen Brennkammertypen als der dargestellten Ringbrennkammer anwendbar, so z. B. bei reinen Rohrbrennkammern oder bei kombinierten Ring-Rohr-Brennkammern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch:

Zündeinrichtung einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, insbesondere für Gasturbinenstrahltriebwerke von Flugzeugen, wobei die Brennkammer aus einem AuBengehäuse mit mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, welches über zwischen diesem und dem Außengehäuse befindliche Ringräume mit Kompressorluft beaufschlagbar ist, die u. a. als Primär- und Mischluft über seitlich im Flammrohr einander gegenüberliegende, st^romab der Flammrohrrückwand angeordnete Bohrungen des Flammrohrs so zugeführt wird, daß die im wesentlichen im rechten Winkel zur Flammrohrachse zugeführten und in der Flammrohrmitte zusammentreffenden Luftstrahlen sich einerseits in gegen die Flammrohrrückwand rezirkulierende Primärzonenwirbel und andererseits in einen in Hauptströmungsrichtung abfließenden zentralen Mischluftanteil aufspalten, wobei ferner die Primärluft mit dem für die Verbrennung benötigten Hauptbrennstoff angereichert wird, g e kennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: