DE69107188T2

DE69107188T2 - Umkehrbrennkammer von kurzer Länge mit reduzierter NOx-Produktion.

Info

Publication number: DE69107188T2
Application number: DE69107188T
Authority: DE
Inventors: Gerard Yves Georges Barbier; Xavier Marie Henri Bardey; Michel Andre Albert Desaulty; Serge Marcel Meunier
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1990-12-19
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2011-12-19
Also published as: FR2670869B1; EP0491625B1; EP0491625A1; FR2670869A1; DE69107188D1; US5209066A

Description

Beispielsweise aus der US-A-4 040 252 ist schon eine Brennkammer, insbesondere für ein Strahltriebwerk, bekannt aufweisend einen ersten Raum, in den die Brennstoffeinspritzvorrichtung mündet, einen zweiten Raum zur Verbrennung und Auslaß teilweiser verbrannter Gase in den ersten Raum, wobei die Stromrichtung des zweiten Raums im Wesentlichen der Stromrichtung des ersten Raums so entgegengesetzt ist, daß die Räume in einer Gegenstromanordnung vorgesehen sind, Öffnungen zum Einlaß eines ersten Verbrennungsmittels (Sauerstoffträgers), die durch die Wand hindurchgehen, die den ersten Raum abgrenzt, Öffnung zum Einlaß eines zweiten Verbrennungsmittels, die zur Verdünnung der verbrannten Gase und zur Beendigung des Verbrennungsvorgangs dienen, und ein Raum zur Verbreitung von Verbrennungsmittel zu den Öffnungen zum Einlaß des ersten Verbrennungsmittels und des Verdünnungsverbrennungsmittels, dessen erster Teil einer ihn begrenzenden Wand die Anordnung bestehend aus dem ersten und dem zweiten Raum umgibt.
Gemäß diesem Stand der Technik geht wenigstens ein Teil der Öffnungen zur Verdünnung der Gase durch die Wand hindurch, die den ersten Raum abgrenzt, was zur Abmagerung der ursprünglichen Mischung Brennstoff/Verbrennungsmittel und zur Verzögerung der Verbrennung beiträgt. Daraus ergeben sich unter anderem Stickstoffoxyd-Schadstoffemissionen.
Weiterhin ist aus der US-A-3 372 541 eine Brennkammer des oben beschriebenen Typs bekannt, bei der die Einlaßöffnungen für ein erstes Verbrennungsmittel ausschließlich in den ersten Raum münden, ebenso wie die Einlaßöffnungen für ein zweites Verbrennungsmittel ausschließlich in den zweiten Raum münden. Indessen ist diese Vorrichtung nicht voll zufriedenstellend, insbesondere dadurch, daß keine Kühlung der Wand des ersten Raums möglich ist.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, die Stickstoffemissionen zu reduzieren oder sogar zu vermeiden, und dazu werden Vorrichtungen vorgeschlagen, die eine anfangs fette Mischung ausführen, den Brennstoff schnell verbrennen, die verbrannten Gase nur nach der Verbrennung mit der fetten Mischung verdünnen und eine wirksame Kühlung des ersten Raumes gestatten.
Die vorliegende Erfindung hat daher eine Brennkammer, insbesondere für ein Strahltriebwerk zum Gegenstand, aufweisend:
- einen ersten Raum, in dem die Brennstoffeinspritzvorrichtung mündet, wobei der erste Raum durch eine Doppelwand mit einer heißen Wand und einer kalten Wand abgegrenzt ist, die die Innen- bzw. Außenseite des ersten Raums bilden und voneinander beabstandet sind;
- einen zweiten Raum zur Verbrennung und zum Auslaß von in dem ersten Raum teilweise verbrannten Gasen, wobei die Stromrichtung des zweiten Raums im wesentlichen der Stromrichtung des ersten Raums so entgegengesetzt ist, daß die Räume in einer Gegenstromanordnung vorgesehen sind;
- Öffnungen zum Einlaß eines ersten Verbrennungsmittels (Sauerstoffträgers), die durch die Wand hindurchgehen, die den ersten Raum abgrenzt und die ausschließlich in diesen münden;
- Öffnungen zum Einlaß eines zweiten Verbrennungsmittels, die zur Verdünnung der verbrannten Gase und zur Beendigung des Verbrennungsvorgangs dienen und die ausschließlich in den zweiten Raum münden;
- ein Raum zur Verbreitung von Verbrennungsmittel zu den Öffnungen zum Einlaß des ersten Verbrennungsmittels und des Verdünnungsverbrennungsmittels, dessen erster Teil einer ihn begrenzenden Wand die Anordnung bestehend aus dem ersten und dem zweiten Raum umgibt; und
- einen zwischen der heißen Wand und der kalten Wand vorgesehenen Durchlaß, der ausschließlich mit dem Verbreitungsraum des Verbrennungsmittels und mit dem zweiten Raum so verbunden ist, daß ein Kühlfluid von der kalten Wand zirkuliert.
Weiterhin sind die folgenden vorteilhaften Vorrichtungen bevorzugt geeignet:
- ein zweiter Teil der den Raum zur Verbreitung des Verbrennungsmittels begrenzenden Wand, die teilweise den ersten Raum umgibt, grenzt miteinhergehend einen Teil des zweiten Raums ab;
- der Raum zur Verbreitung des Verbrennungsmittels weist stromaufwärtsgelegen zwei getrennte Abschnitte auf, wovon ein Teil ausschließlich den zweiten Raum umgibt und ein Teil den ersten Raum umgibt, wobei in dessen Inneren eine Vorrichtung zur Komprimierung des Verbrennungsmittels vorgesehen ist.
Der Hauptvorteil der Effindung besteht in der Bildung eines ersten Raums, in dem die Verbrennung sehr schnell ohne zusätzliche Zugabe eines Verbrennungsmittels (weder zur Verdünnung, noch zur Kühlung der Wand dieses ersten Raumes) erfolgt, und die Mischung fett ist,wobei die Verdünnung nachfolgend zu dieser Verbrennung erfolgt, die ihrerseits schnell verläuft, wodurch die Bildung von Stickstoffoxyden vermieden wird.
Beim Durchgang der Beschreibung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels wird die Erfindung besser verstanden und die weiteren Merkmale und ihre Vorteile werden ersichtlich.
Die Beschreibung und die Zeichnung sind nur beispielshaft gegeben und stellen keinerlei Beschränkung dar.
Es wird auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, in der die einzige Figur ein Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Brennkammer ist.
Die in der Figur dargestellte Brennkammer weist auf:
- eine Doppelwand 1A-1B, die durch eine heiße Wand 1A, die die einen ersten Raum 2 abgrenzende Innenwand ist, und durch eine kalte Wand 1B gebildet ist, die in einem kleinen Abstand D von der heißen Wand vorgesehen ist, und die die Außenwand des Raumes darstellt, wobei ein Durchlaß 3 zwischen der heißen Wand 1A und der kalten Wand 1B vorgesehen ist,
- eine Wand 4, die einen zweiten Raum 5 abgrenzt und mit dem ersten Raum 2 mit einer Art Hals 6 (oder verengten Durchgang) verbunden ist, wobei der Durchlaß 3 in den zweiten Raum 5 durch eine Öffnung 7 mündet, die am Anfang des Verbindungshalses 6 liegt,
- eine Wand 8A, 8B, die die Anordnung aus dem ersten 2 und dem zweiten 5 Raum umgibt, und die, wobei die Wände 1B und 4 diese Räume abgrenzen, einen Raum 11A- 11B zur Verbreitung des Verbrennungsmittels abgrenzt und einen stromaufwärts gelegenen Hals 9 zum Einlaß des Verbrennungsmittels aufweist;
- eine Trennwand 10, die den stromaufwärtsgelegenen Hals 9 bis zur Verbindung der Wand 4 mit der kalten Wand 1B trennt.
Der Teil 8A der Wand 8A-8B umgibt (teilweise) die Wand 4 und den zweiten Raum 5, grenzt mit diesem einen ersten Teil 11A des Raumes zur Verbreitung des Verbrennungsmittels ab und mündet in diesen durch Öffnungen 12 zum Einlaß des Verdünnungsverbrennungsmittels für die heißen verbrannten Gase, die durch die Wand 4 hindurchgehen. Diese Öffnungen 12 münden nur in diesen zweiten Raum 5. Der Teil 8b der Wand 8A-8B grenzt mit der kalten Wand 1B und mit einem Teil der Wand 4 den zweiten Teil 11B des Raums zur Verbreitung des Verbrennungsmittels ab. Weiterhin ist in dem dargestellten Beispiel eine zusätzliche Kompressionsvorrichtung 13 im Inneren des Teils 11B des Raumes zur Steigerung des Drucks des Verbrennungsmittels (allgemeinen Luft) vorgesehen, der den ersten Raum 2 umgibt. Weiterhin kann als Abänderung im Rahmen der Erfindung die Vorrichtung 13 nicht vorgesehen sein.
Dieser erste Raum 2 ist mit dem Raum 11A-11B zur Verbreitung des Verbrennungsmittels nur durch die einzigen Einlaßöffnungen des ersten Verbrennungsmittels 14 verbunden, die die Verbrennstoffeinspritzvorrichtung 15 umgeben. Diese Einspritzung erfolgt im wesentlichen symmetrisch bezüglich der Achse 16 des ersten Raums 2, wobei die Einspritzvorrichtung 15 stromaufwärts des ersten Raums 2 vorgesehen ist, wobei das verbrannte Gas stromabwärts (Pfeil F) in den ersten Raum 2 und danach in Richtung des Halses 6 ausgelassen wird. In den ersten Raum 2 mündet keine Öffnung zur Verdünnung der verbrannten Gase.
Von dem Hals 6, der das stromaufwärts gelegene Ende des zweiten Raums 5 bildet, werden die verbrannten Gase und das im Überschuß vorliegende Verbrennungsmittel mit dem Verbrennungsmittel vermischt, das die Verdünnungsöffnungen 12 durchquert hat und von dem Raum 3 herkommt (wobei es die Öffnung 7 durchquert hat), in Richtung dem stromabwärts gelegenen Ende 17 des zweiten Raums in der allgemeinen Richtung des Pfeiles G folgend der Hauptachse 18 des zweiten Raums 5 abgelassen. Man bemerkt daher, daß die Gasströme im wesentlichen in umgekehrten Richtungen (F und G) in dem ersten und in dem zweiten Raum erfolgen: diese sind in der Gegenstrom genannten Anordnung vorgesehen.
Kleine Perforationen 19 gehen durch die kalte Wand 1B hindurch und gestatten einen kleinen Teil des in dem Teil 11B des Verdünnungsraums enthaltenen Verbrennungsmittels, in den Durchlaß 3 einzudringen, um in Richtung der Öffnung 7 zu strömen, wobei sie zwischenzeitlich die heiße Wand 1A kühlen.
Eine (oder mehrere) Zündkerze(n) 20 hat ihren Zündkopf 20A in dem ersten Raum 2 und gestattet die Zündung der Brennstoff/Verbrennungsmittel-Mischung, die in diesem ersten Raum 2 enthalten ist.
Ebenso ist festzuhalten, daß die erste Wand 4 ebenso gekühlt sein muß, was in dem beschriebenen Beispiel durch das Kühlverbrennungsmittel erfolgt, das die kleinen Perforationen 21 durchquert, die in den Verbindungsteilen der verschiedenen Ringe vorgesehen sind, die die Wand 4 bilden (Pfeil H).
Durch Erfahrung und durch zahlreiche Messungen, die schon durchgeführt wurden, ist bekannt, daß die Stickstoffoxyd-Produktion maximal ist, wenn die Anreicherung der Mischung einem stöchiometrischem Verhältnis entspricht, wobei sich diese Schadstoffproduktion in bemerkenswerter Weise zu beiden Seiten dieses Maximalwerts verringert (Glockenkurve). Wenn daher eine geeignete Verbrennung mit einer Mischanreicherung oberhalb des stöchiometrischen Wertes erfolgt und danach die verbrannten Gase mit einer Mischung abgelassen werden, deren Anreicherung entgegengesetzt unterhalb des stöchiometrischen Zustands sind, wird während diesen beiden Phasen die Stickstoffoxyd-Emission verringert. Dies ist genau das, was in der beschriebenen Brennkammer durchgeführt wird: in dem ersten Raum ist der Einlaß an Verbrennungsmittel 14 mager und die Mischung fett, was eine stabile, an Stickstoffoxyd-Schadstoffen arme Verbrennung auslöst. Nach ihrem Auslaß aus dem ersten Raum werden die verbrannten Gase und das Verbrennungsmittel, das im Überschuß vorliegt, wirksam mit dem Verdünnungsverbrennungsmittel (große Pfeile K) nochmals vermischt, das die Öffnungen 12 durchquert, was den Zustand einer armen, wenig schadstoffreichen Mischung schafft, und es wird ein wirksamer Auslaß der verdünnten Gase durchgeführt.
Die allgemein erhaltene Anordnung trägt weiterhin zur Schaffung eines verringerten Raumbedarfs in Längsrichtung bei: der zweite Raum 5, in dem die Verdünnung durchgeführt wird, ist nicht in der Verlängerung, sondern seitlich des ersten Raums 2 angebracht. Weiterhin bildet der Teil der Wand 4, die gegenüber der Doppelwand angebracht ist, die den ersten Raum 2 bildet, gleichzeitig einen Teil der Wand, die den Teil 11B des Raums zur Verbreitung des Verbrennungsmittels abgrenzt, was zur Verringerung des Raumbedarfs in Querrichtung geeignet ist.

Claims

1. Brennkammer, insbesondere für ein Strahltriebwerk aufweisend:

- einen ersten Raum (2), in den die Brennstoffeinspritzvorrichtung (15) mündet, wobei der erste Raum (2) durch eine Doppelwand (1A-1B) mit einer heißen Wand (1A) und einer kalten Wand (1B) abgegrenzt ist, die die Innen- bzw. Außenseite des ersten Raums bilden und voneinander um einen Abstand (D) beabstandet sind;

- einen zweiten Raum (5) zur Verbrennung und zum Auslaß von in dem ersten Raum teilweise verbrannten Gasen, wobei die Stromrichtung (G) des zweiten Raums (5) im wesentlichen der Stromrichtung (F) des ersten Raums (2) so entgegengesetzt ist, daß die Räume in einer Gegenstromanordnung vorgesehen sind;

- Öffnungen (14) zum Einlaß eines ersten Verbrennungsmittels (Sauerstoffträgers), die durch die Wand (1A-1B) hindurchgehen, die den ersten Raum (2) abgrenzt und die ausschließlich in diesen münden;

- Öffnungen (12) zum Einlaß eines zweiten Verbrennungsmittels, die zur Verdünnung der verbrannten Gase und zur Beendigung der Verbrennung dienen und die ausschließlich in den zweiten Raum (5) münden;

- ein Raum (11A-11B) zur Verbreitung von Verbrennungsmitteln zu den Öffnungen zum Einlaß des ersten Verbrennungsmittels und des Verdünnungsverbrennungsmittels, wobei ein erster Teil (8A-8B) einer ihn begrenzenden Wand die Anordnung bestehend aus dem ersten und dem zweiten Raum umgibt; und

- einen zwischen der heißen Wand (1A) und der kalten Wand (1B) vorgesehenen Durchlaß (3), der ausschließlich mit dem Verbreitungsraum (11B) des Verbrennungsmittels und mit dem zweiten Raum (5) so verbunden ist, daß ein Kühlfluid von der kalten Wand (1A) zirkuliert.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Teil (4) der den Raum (11B) zur Verbreitung des Verbrennungsmittels begrenzenden Wand, die teilweise den ersten Raum (2) umgibt, miteinhergehend einen Teil des zweiten Raums (5) abgrenzt.

3. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zur Verbreitung des Verbrennungsmittels stromaufwärts gelegen zwei getrennte Teile (11A-11B) aufweist, wovon ein Teil (11A) ausschließlich den zweiten Raum (5) umgibt und ein Teil (11B) den ersten Raum (2) umgibt, wobei in dessen Inneren eine Vorrichtung (13) zur Komprimierung des Verbrennungsmittels vorgesehen ist.