DE2838258C2

DE2838258C2 - Ringbrennkammer für ein Strahltriebwerk

Info

Publication number: DE2838258C2
Application number: DE2838258A
Authority: DE
Inventors: Jacques Emile Jules Dammarie les Lys Caruel; Philippe Marc Denis Melun Gastebois
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1977-09-02
Filing date: 1978-09-01
Publication date: 1984-02-23
Also published as: GB2003554B; FR2402068A1; US4246758A; DE2838258A1; FR2402068B1; GB2003554A

Description

— daß jedes Flammrohr (5; 15) an seinem stromaufwärtigen Ende einen seine Wände (6, 7; 16,17) verbindenden Boden (10; 18) aufweist, an dem Brennstoff-Einspritzdüsen (9; 19) angebracht sind,

— daß das äußere Flammrohr (15) kürzer als das innere Flammrohr (5) ist,

— daß die Brennstoff-Einspritzdüsen (9) und die Luftzufuhröffnungen (12, 14) des inneren Flammrohrs (5) bemessen sind, um bei niedrigen Triebwerksdrehzahfen Brennstoff und Luft in einem stöchiometrischen Mengenverhältnis in dieses Flammrohr (5) einzulassen,

— daß die Brennstoff-Einspritzdüsen (19) und die Luftzufuhröffnungen (14', 21) des äußeren Flammrohrs (15) bemessen sind, um bei hohen Triebwerksdrehzahlen Brennstoff und Luft in einem stöchiometrischen Mengenverhältnis in dieses Flammrohr (19) einzulassen, und

— daß die Brennstoffzufuhr zum inneren Flammrohr (5) bei hohen Triebwerksdrehzahlen und die Brennstoffzufuhr zum äußeren Flammrohr (15) bei niedrigen Triebwerksdrehzahlen unterbrochen sind.

2. Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft mindestens einem der Flammrohre (5; 15) über in seinem Boden (10; 18) vorgesehene Löcher, die Einspritzdüsen (9,19) und durch Öffnungen (12; 2J) zuführbar ist, die jeweils in einer Ebene senkrecht zur Brennkammerachse regelmäßig verteilt in seinen Wänden (6, 7; 16,17) vorgesehen sind.

3. Ringbrennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen (9) des inneren Flammrohrs (5) an dessen Boden (10) mittels eines sich erweiternden Teils (13) kleinen Volumens gegenüber demjenigen des Flammrohrs

g) befestigt sind, in dem eine große Anzahl an ffnunsen (14) kleinen Durchmessers zum Zuführen eines Teils der zur Verbrennung erforderlicnen Luft angebracht sind

4. Ringbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Flammrohr (5) mit einer Zündvorrichtung versehen ist. die die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches beim Anlassen gewährleistet.

5. Ringbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Verdünnungs- und Mischzone (23) am stromaufseitigen Teil ihrer Wände Öffnungen (24) aufweist, die in einer Ebene senkrecht zur Brennkammerachse regelmäßig verteilt sind.

Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer für ein Strahltriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Ringbrennkammer ist bekannt aus der DE-OS 24 12 120. Der Diffusor erreicht eine Verlangsamung der aus einem Verdichter austretenden Luft auf einem möglichst günstigen Wert. In den Flammrohren finden Verbrennungsreaktionen statt, wobei wesentlich die Aufteilung der Luftmenge in die Verbrennungsluft, die Verdünnungsluft und die Luft ist, die zur Kühlung der Wände erforderlich ist und nicht an den iVerbrennungsvorgängen teilnimmt In Strömungsrichtung sind daher eine Primär- oder Verbrennungszone und eine Sekundär- oder Verdünnungszone unterscheidbar. Stromauf der Primärzone wird Brennstoff auf mechanische oder aerodynamische Weise zerstäubt oder verdampft. In der Ringbrennkammer wird die Menge der Primärluft so bestimmt, daß eine Anpassung an eine vorgegebene Drehzahl, insbesondere d's Nenndrehzah! erreichbar ist Die Anpassung sollte zweckmäßig so sein, daß stöchiometrische Bedingungen in der Verbrennungszone für die jeweilige Nenndrehzahl erreicht werden. Da die Reaktionsgeschwindigkeit unter stöchiometrischen Bedingungen maximal ist wird vollständige Verbrennung begünstigt, da die Abgase dann nur noch geringe bzw. unerhebliche Mengen an Schadstoffen wie Kohlenmonoxid (CO) oder teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe enthalten. Allerdings begünstigt eine Verbrennung unter stöchiometrischen Bedingungen die Bildung von Stickoxiden (NOx) wegen der erreichten hohen Temperaturen, was unerwünscht ist Insbesondere hängt die Umweltbelastung von den unterschiedlichen Betriebsdrehzahlen ab, da eine Anpassung an hohe Drehzahlen hohe Emission an Stickoxiden und schlechte Verbrennungsbedingungen bei niedrigen Drehzahlen zur Folge hat, wobei dann Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe in beträchlichem Umfang emittiert werden.

Zur Überwindung dieses Problems verwendet die bekannte Ringbrennkammer zwei koaxiale Flammrohre, wobei das für höhere Betriebsbereiche bzw. -drehzahlen vorgesehene Flammrohr innen liegt Das für niedrige Drehzahlen vorgesehene Flammrohr liegt somit außen. Im Betrieb wird das äußere Flammrohr ständig betrieben und bei höheren Drehzahlen das innere Flammrohr zusätzlich zugeschaltet in diesem sind Vorrichtungen zur Flammenstabilisierung erforderlich. In der Mischzone erfolgt dann die Vermischung der beiden Gasströme. Das äußere Flammrohr enthält zusätzliche Einspritzdüsen. Bei einer derart ausgebildeten Ringbrennkammer wird zwar eine Verbesserung in Hinblick auf schadstoffarme Verbrennung erreicht jedoch ist eine schadstofffreie Verbrennung über den gesamten Betriebsbereich nicht möglich. Darüber hinaus können die Fußenden der Schaufeln einer der Mischzone nachgeordneten Turbine durch von dem inneren Flammrohr stammenden Gase auf außerordentlich hohe Temperatur erwärmt werden, was uner-

wünscht ist, da die Gefahr von Änderungen der Matcrialeigenschaft besteht.

Die GB-PS 11 50 344 zeigt ebenfalls eine Ringbrennkammer mit zwei koaxialen ringförmigen Flammrohren, v, >bei jedoch beide Flammrohre stets simultan und parallel arbeiten. Damit kann das erwähnte Problem nicht überwunden werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Ringbrennkammer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß über den gesamten Betriebsbereich eine möglichst schadstoffarme Verbrennung erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmaie des Anspruchs I gelöst.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet.

Bei der Erfindung arbeitet das innere Flammrohr in einem Betriebsbereich mit niedriger Drehzahl, weshalb der Kraftstoffdurchsatz und der Luftdurchsatz sowie das Volumen ausgehend davon in Hinblick auf vollständige Verbrennung optimiert werden können. Im BetrieDsbereich mit höheren Drehzahlen arbeitel dagegen das äußere Flammrohr, w-halb auch dort der Kraftstoffdurchsatz und der Luft bsatz sowie das Volumen entsprechend in Hinblick auf schadstofffreie ' Verbrennung optimiert werden können. Darüber hinaus ist das äußere Flammrohr kurzer ais das innere Flammrohr, wodurch die Verweilzeit und damit die Erzeugung von Stickoxiden verringert wird. Vorteilhaft können Maßnahmen vorgesehen sein, um die Verbrennungsreaktion zu stabilisieren und die Gasströme der beiden Flammrohre mit guter Homogenität zu vermischen, was im übrigen für die Lebensdauer der Ringbrennkammer von wesentlicher Bedeutung ist. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung eine übermäßige Erwärmung von Teilen der Schaufeln der Turbine vermieden.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt in Teilansicht einen Schnitt durch eine Axialebene der Ringbrennkammer.

Die koaxialen Wände eines ringförmigen Gehäuses 1 sind durch miteinander verbundene ringförmige Mäntel gebildet, die stromaufwärts einen Diffusor 2 bilden, der die aus einem Verdichter austretende Luft mit optimaler Geschwindigkeit zuführt. Eine feste Schaufel 3 einer ,Leiteinrichtung ist am Eintritt des Diffusors 2 dargestellt. Am stromabseitigen Ende des Gehäuses 1 ist ein ortsfester Turbinenverteiler angeordnet, von dem eine Schaufel 4 dargestellt ist

Die Ringbrennkammer weist zwei ringförmige und koaxiale Flammrohre 5,15 auf, deren radiale Breite im wesentlichen gleich ist und die stromab in eine gemeinsame Verdünnungs- und Mischzone 23 münden. Das innere Flammrohr 5 ist für den Betrieb im Leerlauf, d. h. bei niedrigen Triebwerksdrehzahlen angepaßt und dabei so ausgebildet, daß die Schadstoff-Emissiun bei dieser Drehzahl auf ein Mindestmaß begrenzt ist. Das innere Flammrohr 5 besitzt eine ringförmige innere Wand 6 und eine ringförmige äußere Wand 7. Die Wände 6 und 7 können beispielsweise in an sich üblicher Weise durch eine Folge von Blechringen hergestellt werden, die zwischen sich Durchlässe 8 zun. Einleiten von Luft für Kühlfilme bilden. An ihrem die Wände 6,7 verbindenden stromaufwärtigen Boden 10 sind Einspritzdüsen 9 befestigt, die die aerodynamische Zerstäubung des Brennstoffes gewährleisten, der über eine Rohrleitung 11 zugeführt wird, die mit einer geeigneten Zuführeinrichtung verbunden ist

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65 Die zur Verbrennung notwendige Luft wird in das innere Flammrohr 5 fiber die Einspritzdüse 9 so eingeleitet, daß die Zerstäubung des Kraftstoffes gewährleistet ist, ferner über öffnungen im Boden 10 in der Nähe der Einspritzdüsen 9 sowie durch Luftzufuhröffnungen 12 in Form von Düsen, die in den Wänden 6,7 vorgesehen iind.

Die Luftzufuhröffnungen 12 entsprechen den Primäröffnungen herkömmlicher Brennkammern und sind im allgemeinen in jeder Wand in doppelter Anzahl gegenüber den Einspritzdüsen 9 vorgesehen.

Dis Luftzufuhröffnungen 12 sind in zwei in der gleichen Ebene liegenden Reihen verteilt, je eine in jeder Wand 6,7, wobei der axiale Abstand zwischen der Ebene der Einspritzdüsen & und derjenigen der Luftzufuhröffnungin zwischen dem 0,9fachen bis !^fachen der halben radialen Breite des inneren Flammrohrs 5 liegt

Wie dargestellt, sind die Einspritzdüsen 9 auf einem sich erweiterndem (Zwischen-JTei¹ i3 angeordnet, dessen Volumen gegenüber demjenigen des inneren Flammrohrs 5 gering ist und in dem Öffnungen 14 vorgesehen sind. Ein Teil der Primärluft kann daher in der Nähe der Einspritzdüsen 9 in von Form von Strahlen hoher Geschwindigkeit eingeleitet werden, die örtlich die Verwirbelung verstärken, die die Homogenisierung des Gemisches begünstigen.

Eine Zündvorrichtung herkömmlicher Art (nicht dargestellt) ist im inneren Flammrohr 5 vorgesehen. Die zur Verdünnung notwendige Luft wird stromab des inneren Flammrohrs 5 in die gemeinsame Verdünnungsund Mischzone 23 eingeleitet Die für das innere Flammrohr 5 gewählte Gestaltung führt bei Niederdrehzahlbetrieb zu einer wesentlichen Herabsetzung der Emission von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen v/egen der Länge des inneren Flammrohrs 5 und der stöchiometrischen Bedingungen in dem inneren Flammrohr 5, was erhöhte Verweilzeit und damit den Abschluß der Reaktionen aufgrund der -fortschreitenden Lufteinleitung und der günstigen Verteilung des Brennstoffes bewirkt, die sich aus dem gewählten Einspritzdüsentyp ergibt

Das äußere Flammrohr 15 ist viel kurzer als das innere Flammrohr 5, weshalb sein Volumen ebenfalls geringer ist Es ist ebenfalls so gestaltet, daß eine Verbrennung unter stöchiometrischen Bedingungen mit einer Verweilzeit erzielt wird, die so kurz wie möglich ist, und zwar für die Nenn-Drehzahl, die Reise-Drehzahl bzw. für den Start, d. h. für den Hochdrehzahlbetrieb.

Das äußere Flammrohr 15 besitzt eine äußere Wand 16 und eine innere Wand 17, die stromaufwärts mittels eines Bodens 18 miteinander verbunden sind, an dem Einspritzdüsen 19 regelmäßig verteilt angeordnet sind. Diese können eine aerodynamische Zerstäubung erreichen, wie dargestellt, oder eine Vorverdampfung. Ein Rohrleitungssystem 20 gewährleistet die Verteilung des Brennstoffes ajf die Einspritzdüsen 19 von einer Zuführeinrichtung üblicher Art Die Wände 16 und 17 sind in an sich bekannter Weise aus Blechringen geformt, deren Wärmeschutz durch Kühlfilme sichergestellt ist die über Durchlässe 8' erzeugt werden.

Die zur Verbrennung erforderliche Luft wird in das äußere Flammrohr 15 über die Einspritzdüsen 19 eingeleitet, in denen sie an der Zerstäubung des Brennstoffes teilnimmt, ferner durch öffnungen 14' im Boden und durch in den Wänden 16, 17 vorgesehene Luftzuführöffnungen 21.

Wie dargestellt, 'sind die Einspritzdüsen 19 des

äußeren Flammrohrs 15 ebenso wie diejenigen des inneren Flammrohrs 5 an einem sich erweiternden (Zw1schen-)Teil 13' angeordnet, dessen Volumen gegenüber demjenigen des äußeren Flammrohrs 15 gering ist und in dem Öffnungen 14' kleinen Durchmessers vorgesehen sind

Die Luflzufuhröffnungen 21 entsprechen den Primäröffnungen einer herkömmlichen Brennkammer, so daß hierzu nähere Erläuterungen entbehrlich erscheinen.

Die Luftzufuhröffnungen 21 sind stromaufwärts von der Verdünnungs- und Mischzone 23 vorgesehen, um die Bildung von Bereichen zu hoher Anreicherung zu vermeiden, in denen die erreichten Temperaturen die Bildung von Stickoxiden begünstigen wurden. Um das Einleiten der zur Verbrennung erforderlichen Luft in das äußere Flammrohr 15 noch weiter zu beschleunigen, kann dies durch die Öffnungen 14' des Tails 13' und durch die Einspritzdüsen 19 allein erfolgen, wobei dann keine Luftzufuhröffnungen 21 vorgesehen sind.

Der Aufbau des äußeren Flammrohrs 15 bezv/eckt, die Verweilzeit der Hochtemperaturgase zu verringern aufgrund der kürzeren Länge dieses äußeren Flammrohrs 15 und der Verdünnung, die daher sehr rasch in der gemeinsamen Verdünnungs- und Mischzone 23 ■"eintritt Die Temperatur- und die Drucl'bedingungen in dem äußeren Flammrohr 15 bei hohen Drehzahlen ermöglichen vollständige Reaktionen trotz verringerter Länge und daher das Erreichen niedriger Emissionen an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Die innere Wand 6 des inneren Flammrohrs 5 und die äußere Wand 16 des äußeren Flammrohrs 15 sind über eine Verbindung 22 der äußeren Wand 7 des inneren Flammrohrs 5 bzw. der inneren Wand 17 des äußeren Flammrohrs 15 hinaus stromabseitig verlängert und bilden so die gemeinsame Verdünnungs- und Mischzone 23. An der Verbindungsstelle 22 ist eine Vorrichtung vorgesehen, um dort den Durchtritt von Kühlluft sicherzustellen.

Die Wände der Verdünnungs- und Mischzone 23 sind ebenfalls durch Blechringe gebildet, zwischen denen Durchlässe 8" für den die Kühlungsfilme bildenden Luftdurchtcitt vorgesehen sind.

Öffnungen 24 in Form von Düsen sind für die beiden Wände der Verdünnungs- und Mischzone 23 am stromaufwärtigen Teil regelmäßig verteilt vorgesehen, um Luftströme in diese einzuleiten, die eine starke Verwirbelung verursachen. Es wird eine Verdünnung der die Flammrohre 5 und 15 verlassenden Gasströme unmittelbar stromauf ihrer Mündungen in die Verdünnungs- und Mischzone 23 erreicht Die Öffnungen 24 sind auf zwei kreisförmige Reihen verteilt, je eine Reihe für jede Wand 6, 16, und befinden sich annähernd in einer gleichen Radialebene, wobei ihre Achsen zur Stromaufgelegenen Seite der Verdünnungs- und Mischzone 23 konvergieren. Die Verdünnung, die durch die Luft erzielt wird, die durch die öffnungen 24 tritt, stellt die Homogenisierung der aus den Flammrohren 5 und 15 austretenden Gas^iröme sicher. Dies ist besonders wichtig bei hohen Drehzahlen, bei denen lediglich das äußere Flammrohr 15 arbeitet. Dann verhindert nämlich die starke Verwirbelung, die durch die Verdünnungsluft erzeugt wird, die in die Verdünnungs- und Mischzone 23 eingeleitet wird, eine Schichtenbildung der aus den Flammrohren 5 und 15 austretenden Gasströme, die sonst zu einer übermäßigen Erhitzung der Schaufelspitzen der Turbinenschaufeln 4 bei der für die beiden Flammrohre 5, 15 gewählten relativen Anordnung führen würde.

Der Diffusor 2 kann mit einem ringförmigen profilierten Körper (nicht dargestellt) versehen sein, der

Ό die Verteilung der Luftmenge gewährleistet, die aus dem Verdichter in den Bereich zwischen den Flammrohren 5,15 austritt wobei gleichzeitig das Strömungsverhalten verbessert wird. Die Zwischenschaltung eines Profilkörpers geeigneter Form im Diffusor 2 ermöglicht vor allem die Aufteilung eines Diffusors großen Spitzenwinkels in zv/ei sich überlagernde Diffusoren kleineren Spitzenwinkels, wodurch ein Ablösen der Strömung von den Wänden und eine Wirbelbildung vermieden wird.

Die Verteilung der aus dem Verdichter austretenden Luftströme auf die beiden Flammrohre 5,15 hängt von der Art des Strahltriebwerks ab, das die Ringbrennkammer enthält sowie von den Eigenheiten seines Betriebszyklus. Für ein Strahltriebwerk für ein Überschalltransportflugzeug kann die Verteilung dieses Luftstroms beispielsweise wie folgt geschehen:

35% werden für die Gesamtheit der Kühlvorrichtungen der Wände der Flammrohre 5,15 und der Verdünnungs- und Mischzone 23 durch beispielsweise die Vorrichtungen 8,8', 8" eingeleitet,
5—6% dienen für die Einspritzdüsen 9 des inneren Flammrohrs 5,
15% dienen für die Einspritzdüsen 19 des äußeren Flammrohrs 15 und

der Rest wird im gleichen Verhältnis wie für die Einspritzdüsen 9,19 auf die Primär-Luftzufuhröffnungen 12 bzw. 21 der Flammrohre 5 und 15 aufgeteilt.

Eine erfindungsgemäße Ringbrennkammer vermag daher in zufriedenstellender Weise den Vorschriften entsprechen, die hinsichtlich der Umweltverschmutzung erlassen wurden, wobei das äußere Flammrohr für hohe Betriebsdrehzahlen eine vollständige Verbrennung mit geringen Stickoxid-Emissionen wegen der verringerten Verweilzeit und der frühzeitigen Verdünnung bei Reisebetrieb gewährleistet, während das innere Flammrohr bei niedrigen Drehzahlen die Durchführung der Verbrennungsreaktionen bei Leerlauf wegen der längeren Verweilzeit vor der Verdünnung begünstigt. Die relative Anordnung der Flammrohre ermöglicht ein erleichtertes Einbauen oder Ausbauen der Einspritzdüsen und eine Vereinfachung der Brennstoffzufuhrleitungen. Die Verdünnungsöffnungen in der gemeinsamen Verdünnungs- und Mischzone stellen die Homogenisierung der Gasströme sicher, die aus den beiden Flammrohren austreten, was bei höhen Drehzahlen wesentlich ist da eine Schichtenbildung vermieden wird, die zu einer übermäßigen Erhitzung der Turbinenschaufelspitzen führen würde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 38

1. Ringbrennkammer für ein Strahltriebwerk mit einem ringförmigen Gehäuse, dessen stromaufwärtiger Teil einen Diffusor für die aus einem Verdichter austretende Luft bildet, und
mit zwei koaxialen ringförmigen, mit Luftzufuhröffnungen und Einrichtungen zur Brennstoffzufuhr versehenen Flammrohren von etwa gleicher radialer Breite in dem Gehäuse, bei denen die Außenwand des inneren Flammrohrs und die Innenwand des äußeren Flammrohrs an ihren stromabwärtigen Enden miteinander verbunden sind, bei denen die äußere Wand des äußeren Flammrohrs und die innere Wand des inneren Flammrohrs sich stromab fiber die so gebildete Verbindung hinaus erstrecken zur Bildung einer gemeinsamen Verdünnungs- und Mischzone für aus den beiden Flammrohren austretende Gasströme, dadurch gekennzeichnet,