DE60215589T2

DE60215589T2 - Aeromechanisches Einspritzsystem mit Primärverwirbelungs- und Rückschlagvorrichtung

Info

Publication number: DE60215589T2
Application number: DE60215589T
Authority: DE
Inventors: Christophe Baudoin; Patrice-Andre Commaret; Christophe Viguier
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2022-07-13
Also published as: UA76709C2; CN1407280A; FR2827367A1; FR2827367B1; JP4066241B2; DE60215589D1; EP1278012A2; CN1230650C; CA2393082A1; RU2002118252A; US6959551B2; ES2272650T3; CA2393082C; US20030010034A1; EP1278012A3; EP1278012B1; JP2003042452A; RU2295645C2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das spezifische Fachgebiet der Turbomaschinen, und sie richtet sich im Genaueren auf das Problem, welches durch die Einspritzung von Brennstoff in die Brennkammer einer Turbomaschine aufgeworfen wird.
Stand der Technik
Klassischerweise wird in einer Strahlturbine oder einem Turbotriebwerk, wie veranschaulicht durch die 4, die Einspritzung von Brennstoff in die Brennkammer 50 ausgehend von mehreren Einspritzsystemen 52 bewirkt, welche jeweils einerseits eine Brennstoffeinspritzdüse 54, die die Zerstäubung des Brennstoffs in der Brennkammer sichert, und andererseits eine Mischer/Deflektor-Anordnung 56, die die Mischung Sauerstoffträger/Brennstoff durchführt und sie in der Brennkammer verteilt, umfaßt. Diese Mischer/Deflektor-Anordnung umfaßt eine erste Wirbelvorrichtung oder Primärverwirbelung (Verwirbler 58), welche verschiebbar auf der Brennstoffeinspritzdüse 54 (über eine Muffe 60) montiert ist, eine Venturi-Vorrichtung 62, eine zweite Wirbelvorrichtung oder Sekundärverwirbelung 64 und einen Deflektor 66, fest angebracht auf dem Boden der Verbrennungskammer 68. Die französische Patentanmeldung Nr. 2 728 330 und das U.S.-Patent Nr. 5 490 378 sind zwei perfekte Beispiele für diesen Stand der Technik. Man wird bemerken, daß in allen bis heute offenbarten Einspritzsystemen, wie veranschaulicht in der 5, die innere Fläche des Venturi 62A, auf welcher der von der Einspritzdüse 54 zerstäubte Brennstoff aufprallen wird, immer eine stetige Oberfläche (ohne Neigungsunstetigkeit) bis zum Luftauslaß der Primärverwirbelung aufweist.
Diese herkömmliche Architektur des Einspritzsystems hat allerdings den Hauptnachteil, bei gewissen besonderen Anwendungsbedingungen ein Risiko der Selbstentzündung aufzuzeigen, welches derartig beschaffen ist, daß eine Zerstörung der Brennkammer hervorgerufen wird. Tatsächlich führt der Aufprall des Brennstoffs auf der inneren Fläche des Venturi, notwendig zum Erhalten eines Brennstoffilms, dessen Fragmentierung in feine Tröpfchen durch die Scherwirkungen sichergestellt wird, die von der Primärverwirbelung und Sekundärverwirbelung erzeugt werden, manchmal zu Wiederaufstiegen des Brennstoffs in den Schaufeln der Primärverwirbelung. Aufgrund der Tatsache, daß die Aufprallzone des Brennstoffs auf dieser inneren Fläche nicht genau lokalisiert ist, kann sich darüber hinaus auch gegebenenfalls eine Brennstoffeinspritzung im Gegenstrom in dieser Primärverwirbelung ausbilden. Jedoch kann eine solche Rückkehr des Brennstoffs in der Primärverwirbelung dazu beitragen, diesen Brennstoff zum Äußeren des Flammrohrs zu führen und somit die Gefahr der Zerstörung des Brenners der Brennkammer der Turbomaschine mit sich bringen.
Ziel und Definition der Erfindung
Die vorliegende Erfindung behebt diese Unzweckmäßigkeiten durch Vorsehen eines Einspritzsystems einer Turbomaschine, umfassend einerseits eine Brennstoffeinspritzdüse, die die Zerstäubung des Brennstoffs in der Brennkammer sichert, und andererseits eine Mischer/Deflektor-Anordnung, die koaxial mit der Einspritzdüse angeordnet ist, und die die Mischung Sauerstoffträger/Brennstoff durchführt und sie in der Brennkammer verteilt, wobei die Mischer/Deflektor-Anordnung eine erste Wirbelvorrichtung (oder Primärverwirbelung) und mindestens eine zweite Wirbelvorrichtung (oder Sekundärverwirbelung) umfaßt, welche axial mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet und durch eine Venturi-Vorrichtung getrennt sind, die koaxial mit der Einspritzdüse angeordnet ist, wobei die erste Wirbelvorrichtung mit der Einspritzdüse fest verbunden ist und sie von ihr mit einem konstanten radialen Abstand getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Venturi-Vorrichtung eine innere Fläche umfaßt, die auf einem stromaufwärtigen Teil eine Neigungsunstetigkeit aufweist.
Vorzugsweise ist die zweite Wirbelvorrichtung relativ zur Einspritzdüse mittels eines Kreisrings verschiebbar montiert, der mit der zweiten Wirbelvorrichtung fest verbunden und in der Lage ist, sich senkrecht zu einer Drehachse der Einspritzdüse in einer ringförmigen Aufnahme der Venturi-Vorrichtung zu bewegen.
Mit diesem System der verschiebbaren Verbindung auf der Ebene der einzigen Sekundärverwirbelung wird die Brennstoffeinspritzung im Gegenstrom in die Primärverwirbelung eliminiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der stromaufwärtige Teil der inneren Fläche der Venturi-Vorrichtung eine konkave Stufe oder eine konvexe Stufe umfassen.
Mit dieser spezifischen Architektur des Venturi kann die Einspritzung von Brennstoff durch Kapillarität in der Primärverwirbelung eingeschränkt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung, welche lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung vorgesehen ist, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen verstehen, in welchen:
die 1 eine schematische Ansicht eines axialen Querschnitts eines Einspritzungsbereichs einer Turbomaschine gemäß der Erfindung ist,
die 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist,
die 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist,
die 4 eine schematische Ansicht eines axialen Querschnitts eines Einspritzungsbereichs einer Turbomaschine ist, welche ein Einspritzsystem nach dem Stand der Technik beinhaltet, und
die 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der 4 ist.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Die 1 zeigt im axialen Querschnitt einen Einspritzungsbereich einer Turbomaschine, umfassend:

– eine äußere ringförmige Hülle (oder äußere Wanne) 12 mit der Längsachse 10,
– eine koaxiale innere ringförmige Hülle (oder innere Wanne) 14,
– einen ringförmigen Raum 16, eingefaßt zwischen den zwei Hüllen 12 und 14,

18

18a

16

20

12

18

22

Die ringförmige Brennkammer wird von einer äußeren axialen Wand 24 und einer inneren axialen Wand 26 gebildet, welche beide koaxial zur Achse 10 sind, und von einer Quer-Wand 28, welche den Boden der Kammer bildet und mit einer Vielzahl von Öffnungen 30 für die Fixierung von Einspritzsystemen ausgestattet ist. Die verschiedenen Verbindungen zwischen den Extremitäten stromaufwärts der axialen Wände der Kammer 24, 26, gegebenenfalls die Aufsätze 32, 34, welche sich stromaufwärts dieser Extremitäten der Wände erstrecken, und die vom Boden der Kammer 28 her umgeschlagenen Extremitäten werden durch jedwedes herkömmliche Befestigungsmittel (nicht gezeigt), zum Beispiel durch Schraubverbindungen mit Schrauben mit konischem Kopf, vorzugsweise vom Typ mit Stiftmutter, ausgeführt.
Jedes Einspritzsystem der Einspritz-Anordnung umfaßt einerseits eine Brennstoffeinspritzdüse 36, die die Zerstäubung des Brennstoffs in der Brennkammer sichert, und andererseits eine Mischer/Deflektor-Anordnung 38, die koaxial mit der Einspritzdüse angeordnet ist und die die Mischung Sauerstoffträger/Brennstoff durchführt und sie in der Brennkammer verteilt. Diese Mischer/Deflektor-Anordnung umfaßt mindestens eine erste Verwirbelungseinrichtung oder Primärverwirbelung (Swirler 40) und eine zweite Wirbelvorrichtung oder Sekundärverwirbelung 42, die axial mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet und durch eine Venturi-Vorrichtung 44 getrennt sind. Die Sekundärverwirbelung ist durch einen Deflektor 46 verlängert, der mit dem Boden der Kammer 28 fest verbunden ist und der sich durch die Öffnung 30 in die Brennkammer 22 erstreckt.
Gemäß der Erfindung ist die Primärverwirbelung 40 fest verbunden mit der Einspritzdüse 36, beispielsweise mittels einer Muffe 48, von welcher sie daher durch einen konstanten radialen Abstand getrennt ist. Dieser Abstand wird so festgelegt, daß welche Betriebsweisen der Turbomaschine auch immer (Autorotation, Verzögerung, Vollgas) vorliegen, der von der Einspritzdüse zerstäubte Brennstoff in keiner Weise auf der Primärverwirbelung aufprallen kann. Somit kann man jedwede eventuelle Einspritzung des Brennstoffs im Gegenstrom in dieser Primärverwirbelung vermeiden, welche aus Brennstoff-Zerstreuungen resultiert, die natürlicherweise von einer Einspritzvorrichtung zur anderen (aufgrund von Einspritzwinkeln, der Umfangs-Homogenität etc.) als Rückprall von Brennstoff auf der Venturi-Vorrichtung existieren.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, welche in 2 veranschaulicht wird, umfaßt die Venturi-Vorrichtung unter anderem auf ihrer inneren Fläche 44A einen stromaufwärtigen Teil, der bei P eine Neigungsunstetigkeit derartig aufweist, um jedes Risiko eines Wiederaufstiegs des Brennstoffs durch Kapillarität in die Primärverwirbelung 40 des Einspritzsystems 20 zu verhindern oder wenigstens im wesentlichen zu verringern. Diese Neigungsunstetigkeit, ausgeführt stromaufwärtig der äußeren Fläche E des Brennstoff-Einspritzkegels, kann zum Beispiel durch eine konkave Stufe gebildet werden. Im Beispiel der Ausführungsform von 3 wird diese Neigungsunstetigkeit hingegen von einer konvexen Stufe gebildet.
Damit ein ausreichender Federweg zwischen der Einspritzdüse 36, die mit der Außenhülle 12 fest verbunden ist, und der Mischer/Deflektor-Anordnung 38 (insbesondere zur Führung von thermischen Ausdehnungen) belassen wird, ist ferner die Sekundärverwirbelung 42 verschiebbar relativ zu dieser Einspritzdüse montiert, senkrecht auf/zu einer Drehachse S der Düse, zum Beispiel mittels eines Kreisrings 47, der auf dieser Sekundärverwirbelung fest verbunden und in der Lage ist, sich in einer ringförmigen Aufnahme 49 der Venturi-Vorrichtung 44 zu bewegen. Hierzu wird ein ausreichendes Spiel zwischen dem Innenumfang dieser ringförmigen Aufnahme und dem Außenrand des Kreisrings gelassen.
Mit der vorgeschlagenen Konfiguration der verschiebbaren Verbindung wird die Einspritzdüse in konstanter Weise zentriert bezüglich der Primärverwirbelung und der Venturi-Vorrichtung, wodurch jegliches Einspritzen von Brennstoff im Gegenstrom vermieden wird, und die Neigungsunstetigkeit dieses Venturi gestattet weiterhin jeden Wiederaufstieg des Brennstoffs durch Kapillarität zu vermeiden. Somit wird mit der besonderen Struktur gemäß der Erfindung eine gute Zerstäubung des Brennstoffs in allen Flugzuständen und vor allem in den stärker belastenden besonderen Zuständen des erneuten Zündens in Autorotation bei niedriger Mach-Zahl, Zuständen, in denen die Auslastungsverluste der Lufteinspeisung zu schwach sind, um eine ausreichende Fragmentierung des Brennstoffs zu garantieren und so einen breiten Bereich des erneuten Zündens zu erreichen.

Claims

Einspritzsystem einer Brennkammer einer Turbomaschine, umfassend einerseits eine Brennstoffeinspritzdüse (36), die die Zerstäubung des Brennstoffs in der Brennkammer (22) sichert, und andererseits eine Mischer/Deflektor-Anordnung (38), die koaxial mit der Einspritzdüse angeordnet ist und die die Mischung Sauerstoffträger/Brennstoff durchführt und sie in der Brennkammer verteilt, wobei die Mischer/Deflektor-Anordnung eine erste Wirbelvorrichtung (oder Primärverwirbelung 40), die mit der Einspritzdüse fest verbunden ist und die von ihr mit einem konstanten radialen Abstand getrennt ist, und mindestens eine zweite Wirbelvorrichtung (oder Sekundärverwirbelung 42) umfaßt, die axial mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet und durch eine Venturi-Vorrichtung (44) getrennt sind, die koaxial mit der Einspritzdüse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Venturi-Vorrichtung eine innere Fläche (44A) umfasst, die auf einem stromaufwärtigen Teil eine Neigungsunstetigkeit P aufweist.
Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wirbelvorrichtung relativ zur Einspritzdüse verschieblich montiert ist mittels eines Kreisrings (47), der mit der zweiten Wirbelvorrichtung fest verbunden und in der Lage ist, sich senkrecht auf einer Drehachse S der Einspritzdüse in einer ringförmigen Aufnahme (49) der Venturi-Vorrichtung zu bewegen.
Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärtige Teil der inneren Fläche der Venturi-Vorrichtung eine konkave Stufe umfaßt.
Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärtige Teil der inneren Fläche der Venturi-Vorrichtung eine konvexe Stufe umfaßt.