DE2838258C2 - Ringbrennkammer für ein Strahltriebwerk - Google Patents
Ringbrennkammer für ein StrahltriebwerkInfo
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- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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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
40
45
50
60
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
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 (1)
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,
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,
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