DE69200735T2

DE69200735T2 - Verbrennungsluftzufuhreinrichtung für eine Brennkammer einer Turbomaschine.

Info

Publication number: DE69200735T2
Application number: DE69200735T
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: 1991-03-20
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: FR2674317B1; FR2674317A1; EP0506516A1; US5235805A; EP0506516B1; DE69200735D1

Description

Moderne Turbotriebwerke sind so gebaut, daß sie zwischen Leerlauf und Vollast mit sehr unterschiedlichen Drehzahlen laufen können. Es hat sich als notwendig herausgestellt, den Durchsatz des der Brennkammer zugeführten Sauerstoffträgers zu regeln: FR-A-2 028 599 beschreibt mehrere Varianten von Vorrichtungen zur Regelung des Durchsatzes des Sauerstoffträgers.
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Durchsatzes des Sauerstoffträgers, die sowohl einfach wie auch präzise ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine Brennkammer einer Turbomaschine, bestehend aus: einem Brennraum, der von einer Wandung umgrenzt wird und in dessen Inneren die Verbrennung von Kraftstoff erfolgt; einem Außenraum, der den genannten Brennraum umschließt und der einen unter Druck stehenden Sauerstoffträger enthalten kann; und mehreren Zufuhröffnungen für den Sauerstoffträger, die durch die genannte Wandung hindurchführen und geeignet sind, die Verbindung zwischen dem Außenraum und dem Brennraum herzustellen.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine der genannten Zufuhröffnungen für den Sauerstoffträger mit einem Stutzen verbunden, der durch sie hindurch verläuft und in sie eingepaßt ist; der durch eine Vorrichtung mit Zufuhröffnungen mit dem Außenraum sowie durch eine Vorrichtung mit Verdrängungsöffnungen mit dem Brennraum in Verbindung steht, wobei das Innere des Stutzens die Verbindung zwischen den genannten Vorrichtungen mit Zufuhröffnungen und Verdrängungsöffnungen herstellt; und der eine Drehachse hat, um die herum er drehbar gelagert ist; während mindestens eine der genannten Vorrichtungen mit Zufuhröffnungen und Verdrängungsöffnungen unsymmetrisch bezogen auf die genannte Drehachse angeordnet ist.
Des weiteren werden bevorzugt die folgenden vorteilhaften Anordnungen vorgesehen:
- die Vorrichtung mit Verdrängungsöffnungen des Stutzens weist einen Schnitt des genannten Stutzens in einer Ebene auf, die zu der genannten Drehachse geneigt ist;
- die Vorrichtung mit Zufuhröffnungen des Stutzens weist eine Öffnung auf, die durch die Wand des Stutzens hindurchreicht und bezogen auf die genannte Drehachse nicht symmetrisch angeordnet ist;
- die Vorrichtung mit Zufuhröffnungen weist eine verstellbare Klappe auf, die eine Drosselmembran bildet;
- die Brennkammer weist mehrere Stutzen auf, die mit Zufuhröffnungen für einen Sauerstoffträger versehen sind, während jeder Stutzen an eine Vorrichtung zum Regeln seiner Drehung gekoppelt ist und die einzelnen Vorrichtungen zum Regeln der Drehung mit einer einzigen Steuervorrichtung verbunden sind.
Der Hauptvorteil der Erfindung liegt in der drehzahlabhängigen Modulation der Verteilung des Luftdurchsatzes auf die verschiedenen Öffnungen des Flammrohrs mittels beweglicher Elemente, die die Lösung darstellt, die die größte potentielle Ausbeute bei den verschiedenen Leistungen bietet. Denn es kann dadurch der Gehalt und die Verweildauer in der Primärzone in Abhängigkeit von den thermodynamischen Bedingungen eingestellt werden, um dann so nahe wie möglich an den Punkt des optimalen Betriebs heranzukommen.
Aus der folgenden, als Beispiel geltenden Beschreibung wird die Erfindung besser verständlich und gehen auch Nebenmerkmale und ihre Vorteile hervor.
Selbstverständlich dienen die Beschreibung und die Zeichnungen nur zur Darstellung und sind nicht einschränkend.
Es wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei
Fig. 1 einen axialen Schnitt einer erfindungsgemäßen Brennkammer zeigt,
Fig. 2 und Fig. 3 vergrößerte axiale Schnitte der Einzelheit A von Fig. 1 in zwei verschiedenen Konfigurationen zeigen,
Fig. 4 und Fig. 5 axiale Schnitte analog zu denen der Figuren 2 und 3 von einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung in zwei unterschiedlichen Betriebskonfigurationen zeigen, und
Fig. 6 einen axialen Schnitt analog zu dem von Fig. 2 von einer dritten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt.
Die Brennkammer von Fig. 1 ist ringförmig mit der Achse 1 und weist eine Innenwandung 2 und eine Außenwandung 3 auf, die zwischen sich den Brennraum 4 definieren, sowie ein Gehäuse 5, in dem sich der genannte Brennraum 4 befindet, wobei dieses Gehäuse 5 seinerseits von einem Innenmantel 6 und einem Außenmantel 7 umgrenzt wird.
In klassischer Weise ist der Brennraum 4 an einem seiner Enden mit einer Treibstoffeinspritzvorrichtung 8 versehen, die mit einer Hauptzufuhrvorrichtung 9 für Sauerstoffträger verbunden ist, und weist an seinem anderen Ende eine Auslaßöffnung 10 für die verbrannten Gase auf. Das Gehäuse 5 enthält ferner während des Betriebs der Brennkammer einen komprimierten Sauerstoffträger wie z. B. komprimierte Luft, die von einer mit dem Pfeil F dargestellten Quelle für einen komprimierten Sauerstoffträger stammt, im allgemeinen von einem Luftkompressor.
Durch die Innenwandung 2 und die Außenwandung 3 verlaufen Öffnungen 11 zur zusätzlichen Zufuhr von Sauerstoffträger, die das Gehäuse 5 mit dem Brennraum 4 verbinden, Öffnungen 11 zur Zufuhr von Sekundär- und/oder Verdünnungssauerstoffträger. Weitere Öffnungen 12 stellen ebenfalls eine Verbindung zwischen dem Gehäuse 5 und dem Brennraum 4 her und werden unten näher beschrieben.
Die Öffnung 12 in den Figuren 2 und 3 verläuft durch die Außenwandung 3, die dazu eine Öffnung 13 aufweist.
Eine zylindrische Leitung 14 weist ein erstes, querverlaufendes Ende in Form eines senkrecht zur Achse 16 der genannten Leitung 14 verlaufenden Flanschs 15 auf, das eine Öffnung 26 besitzt, sowie ein zweites querverlaufendes Ende in einer Ebene P, die zur Achse 16 der Leitung 14 geneigt ist und daher eine Art Schnabel 17, im Schnitt betrachtet, und eine Öffnung 36 aufweist. Ein Plättchen 18 als Stützplättchen ist an der Außenseite der Innenwandung 3 festgeschraubt 19 und weist eine Öffnung 20 auf. Ein rohrförmiger Abschnitt 21 ist mit seiner Innenwand 22 ausgerichtet und fest verbunden mit der Außenseite 23 der zylindrischen Leitung 14, ist mit seiner Außenwand 24 drehbar innerhalb der Öffnung 20 des Plättchens 18 angebracht, und ist mit einem Querflansch 25 versehen, der senkrecht zur Achse 16 der zylindrischen Leitung 14 verläuft.
Nach dem Zusammenbau wird die Gesamtanordnung der zylindrischen Leitung 14 und des rohrförmigen Abschnitts 21 praktisch ohne Spiel drehbar zur Öffnung 20 des Plättchens 18, d. h. auch zur Außenwandung 3 angebracht, und die Kante der Öffnung 13 der genannten Außenwandung 3 ist zwischen dem Plättchen 18 und dem Flansch 25 des rohrförmigen Abschnitts 21 praktisch ohne Spiel angeordnet. Auf diese Weise sind die zylindrische Leitung 14 und ihr Innenschnabel 17 um die Achse 16 drehbar.
Wenn sich der Schnabel 17 in Bezug zur Fließrichtung H der Gase innerhalb des Brennraums 4 vor der Achse 16 befindet, strömt der komprimierte Sauerstoffträger gemäß dem Pfeil J durch die Öffnung 12 und gelangt im wesentlichen in der Richtung des Pfeils H in den Brennraum 4 (Fig. 2).
Wenn sich jedoch der Schnabel 17 in Bezug zur Fließrichtung H der Gase hinter der Achse 16 befindet, strömt der komprimierte Sauerstoffträger durch die Öffnung 12 und gelangt, im wesentlichen in Gegenrichtung zum Pfeil H, in der Richtung des Pfeils K in den Brennraum 4 (Fig. 3).
Die Ausführung in den Figuren 4 und 5 gleicht der in den Figuren 2 und 3, abgesehen von folgender Besonderheit: Die zylindrische Leitung 14 wird über den Flansch 15 hinaus aus dem Brennraum 4 austretend durch einen Abschnitt 27 verlängert, dessen Ende einen Verschlußboden 28 dieses Abschnitts bildet und durch dessen zylindrische Wandung eine Verbindungsöffnung 29 zwischen dem Gehäuse 5 und dem Inneren 12 des Abschnitts 27 und der Leitung 14 verläuft.
Der komprimierte Sauerstoffträger wird in das Gehäuse 5 in einem Strom mit der Richtung L eingeführt (im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung H der Gase in dem Brennraum 4) und durchquert die Öffnung 12 der Leitung 14 entweder in Richtung des Pfeils M (Fig. 4), wobei er einerseits in die Öffnung 12 eindringt, indem er direkt durch die Öffnung 29 strömt, die wie der Schnabel 17 in Bezug auf die Strömungsrichtung H der Gase vor der Achse 16 liegt, und andererseits im wesentlichen in gleicher Richtung wie der Richtung H in den Brennraum 4 gelangt, oder aber in Richtung des Pfeils N (Fig. 5), wobei er einerseits um die Wandung des Abschnitts 27 strömt, um in die Öffnung 12 einzutreten, indem er durch die Öffnung 29 strömt, die nun in Bezug auf die Strömungsrichtung H hinter der Achse 16 liegt, und andererseits in Gegenrichtung zur Richtung H in den Brennraum 4 gelangt.
Bei einer Variante dieser Ausführung kann der Schnabel 17 sich auf der von der Öffnung 29 abgewandten Seite befinden.
Schließlich kann bei einer Ausführung analog zu der in den Figuren 4 und 5 mit oder ohne Schnabel 17 eine Büchse zur Regelung des Durchsatzes durch die Öffnung 12 vorgesehen werden. Die Ausführung von Fig. 6, die analog zu der von Fig. 4 ist, jedoch ohne Schnabel 17, weist eine derartige Büchse auf.
Bei dieser Ausführung erstreckt sich der rohrförmige Abschnitt 21 über das Plättchen 18 hinaus bis in die Nähe eines quer verlaufenden Außenrands 31, der den Boden 28 des Abschnitts 27 verlängert. Der rohrförmige Abschnitt 21 enthält eine Öffnung 32, die konstant gegenüber der Öffnung 29 des rohrförmigen Abschnitts 27 angeordnet ist. Die Büchse 30 hat eine Öffung 33, die gegenüber den Öffnungen 29 und 32 angeordnet sein kann. Diese Büchse kann hingegen um die Achse 16 mittels eines Hebels 34 gedreht werden, der fest mit ihr verbunden ist und durch ein Loch 35 hindurch verläuft, das in der Wandung des Abschnitts 27 ausgeführt ist und der Öffnung 32 gegenüberliegt, und kann die Öffnungen 32 und 29 teilweise und bei manchen Ausführungen sogar vollständig verschließen. Auf diese Weise ist eine Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge durch die Öffnung 12 geschaffen, die zu der Möglichkeit des Drehens der Gesamtanordnung der Leitung 14, des rohrförmigen Abschnitts 21 und der Büchse 30 um die Achse 16 hinzukommt. Wie bereits angegeben, läßt die Ausführung von Fig. 6 das Hinzufügen eines Schnabels am inneren Ende der Leitung 14 analog zu dem Schnabel 17 in den Figuren 2 und 3, 4 und 5 zu.
Es ist ebenfalls selbstverständlich, daß die Drehbetätigungsvorrichtungen der verschiedenen zylindrischen Leitungen 14 vorteilhaft, zum Beispiel mit einzelnen Zahnrad-Zahnstangen-Systemen, an eine einzige Antriebsvorrichtung zur gleichzeitigen Regelung der Drehbewegungen aller Leitungen 14 gekoppelt sind. Analog dazu ist eine einzige Antriebsvorrichtung zur gleichzeitigen Regelung der Drehbewegungen aller Büchsen 30 der Ausführung gemäß Fig. 6 an die verschiedenen Hebel 34 zur Regelung der Drehbewegung der genannten Büchsen gekoppelt und ermöglicht die gleichzeitige Regelung der Sauerstoffträger-Durchsätze durch die Öffnungen 12.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Ausführung läßt eine Änderung der Einführrichtung (Pfeile J oder K) des in den Brennraum 4 zugeführten Sauerstoffträgers bezogen auf die allgemeine Strömungsrichtung H der Gase in dem genannten Brennraum 4 zu. Die Dauer der Überführung des Sauerstoffträgers kann also mit diesem Mittel geregelt werden, wobei diese Regelung dazu dienlich ist, daß ein Betrieb bei sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf zufriedenstellende Weise, bisher nahezu unmöglich, erzielt werden kann, wie zum Beispiel ein Vollastbetrieb und ein Leerlaufbetrieb.
Die in den Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführung beinhaltet bereits den Vorteil der gleichen Regelungsweise wie die vorherige. Ferner kann durch die Asymmetrie der Position der Öffnung 29 zur Achse 16 entweder die kinetische Energie des Sauerstoffträgerstroms genutzt werden (Fig. 4), der in der Richtung L in das Gehäuse 5 eingeführt wird, und der Sauerstoffträger gemäß dem Pfeil M einerseits parallel zur Richtung H, andererseits unter einem relativ hohen Druck, der die Summe des statischen Drucks des Sauerstoffträgers und seiner in Druck verwandelten kinetischen Energie ist, in den Brennraum 4 zugeführt werden, oder aber die kinetische Energie des in das Gehäuse 5 eingeführten Sauerstoffträgerstroms nicht genutzt werden (Fig. 5), und stattdessen der Sauerstoffträger in Richtung des Pfeils N, die im wesentlichen entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils H ist, in den Brennraum 4 zugeführt werden.
Der Gradient der Regelung der Überführungsdauer der Gase ins Innere des Brennraums 4 ist höher als der bei der Ausführung in den Figuren 2 und 3.
Bei der Ausführung in Fig. 6 kann ferner der Wert auf den Durchsatz des in den Brennraum 4 eingeführten Sauerstoffträgers geregelt werden. Es wird daran erinnert, daß diese Lösung des weiteren mit denen verträglich ist, die am inneren Ende der zylindrischen Leitung 14 einen Schnabel 17 vorsehen (Figuren 2 bis 5).

Claims

1. Brennkammer einer Turbomaschine, bestehend aus:

- einem Brennraum (4), der von einer Wandung (2-3) umgrenzt wird und in dessen Inneren die Verbrennung von Kraftstoff erfolgt,

- einem Außenraum (5), der den genannten Brennraum (4) umschließt und der einen unter Druck stehenden Sauerstoffträger enthalten kann, und

- mehreren Zufuhröffnungen (12) für den Sauerstoffträger, die durch den genannten Raum führen und geeignet sind, die Verbindung zwischen dem Außenraum (5) und dem Brennraum (4) herzustellen,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der genannten Zufuhröffnungen (12) für den Sauerstoffträger mit einem Stutzen (14) verbunden ist, der durch sie hindurch verläuft und in sie eingepaßt ist; der durch eine Vorrichtung mit Zufuhröffnungen (26, 29) mit dem Außenraum (5) sowie durch eine Vorrichtung mit Verdrängungsöffnungen (36) mit dem Brennraum (4) in Verbindung steht, wobei das Innere (12) des Stutzens die Verbindung zwischen den genannten Vorrichtungen mit Zufuhröffnungen und Verdrängungsöffnungen herstellt; und der eine Drehachse (16) hat, um die herum er drehbar gelagert ist; während mindestens eine der genannten Vorrichtungen mit Zufuhröffnungen und Verdrängungsöffnungen unsymmetrisch bezogen auf die genannte Drehachse (16) angeordnet ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit Verdrängungsöffnungen des Stutzens (14) einen Schnitt (36) des genannten Stutzens in einer Ebene (P) aufweist, die zu der genannten Drehachse (16) geneigt ist.

3. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit Zufuhröffnungen des Stutzens eine Öffnung (29) aufweist, die durch die Wand des Stutzens (14) hindurchreicht und bezogen auf die genannte Drehachse (16) nicht symmetrisch angeordnet ist.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit Zufuhröffnungen eine verstellbare Klappe (30) aufweist, die eine Drosselmembran bildet.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Stutzen (14) aufweist, die mit Zufuhröffnungen für einen Sauerstoffträger versehen sind, während jeder Stutzen an eine Vorrichtung zum Regeln seiner Drehung gekoppelt ist und die einzelnen Vorrichtungen zum Regeln der Drehung mit einer einzigen Steuervorrichtung verbunden sind.