DE69202012T2 - Umweltschützende Brenner für Staustrahltriebwerk. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Staustrahltriebwerk mit einem Gasausströmkanal, der durch mindestens eine Wand umgrenzt ist und in den ein Sauerstoffträger eindringt, mit Mitteln zum Zerstäuben von Brennstoff in dem genannten Kanal sowie mit Brennstoffzuführmitteln.
• Es werden Ausführungsbeispiele für Brenner von Staustrahltriebwerken insbesondere in den Schriften FR-2 634 005, FR-1 605 526, US-2 840 990 und US-2 931 175 dargestellt.
• FR-2 634 005 zeigt ein Unterschall-Staustrahltriebwerk mit Steuerbrennstoffeinspritzdüsen und mit dahinter angeordneten zusätzlichen Einspritzdüsen. Die Steuerbrennstoffeinspritzdüsen weisen eine Unterschallumwälzzone auf, in der der Brennstoff stöchiometrisch verbrannt wird.
• FR-1 605 526 zeigt ein Staustrahltriebwerk, bei dein die Verbrennung mit Überschallausströmen vor einem Diffusor erfolgt.
• Bei US-2 840 990 ist die Verbrennung auf Brenner verteilt, die in mehreren Stufen angeordnet sind.
• US-2 931 175 beschreibt ein Staustrahltriebwerk, dessen Brenner mit zwei Einspritzdüsen ausgerüstet sind.
• Bei allen bekannten Konstruktionen von Staustrahltriebwerken sind keine Mittel vorgesehen, um die Erzeugung umweltverschmutzender Abgase und insbesondere die Erzeugung von Stickoxid zu verringern. Dieses Stickoxid entsteht hauptsächlich, wenn der Brennstoff stöchiometrisch verbrannt wird.
• Dafür ist es bekannt, daß die Erzeugung von Stickoxid verringert werden kann, indem eine erste Verbrennung eines fetten Brennstoffgemischs in einer Verbrennungskammer durchgeführt wird und die aus dieser Verbrennungskammer austretenden heißen Gase mit einem zweiten Sauerstoffträgerstrom rasch verdünnt werden, um ein mageres Gemisch herzustellen. Es wird damit ein Phänomen analog zu einem "thermischen Härten" erzeugt, bei dem die chemischen Reaktionen, die Stickoxid erzeugen, abrupt abgebrochen werden. Dieses Konzept wurde bereits bei Turbotriebwerken angewendet, es wurde jedoch noch nie bei Staustrahltriebwerken angewendet. Diese letzteren Antriebsinittel werden nun bei der Ausrüstung von Flugzeugen verwendet, die mit großer Geschwindigkeit (5 Mach) und in sehr großer Höhe (25 000 m) fliegen, wo die Umweltverschmutzung ein kritisches Problem ist.
• Diese Erfindung hat zur Aufgabe, ein Staustrahltriebwerk vorzuschlagen, dessen Brenner eine geringere Umweltverschmutzung erzeugt.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Staustrahltriebwerk die folgenden Merkmale aufweist:
• a) die Zerstäubermittel für den Brennstoff sind an mehreren Einspritzmodulen vorgesehenl die in dein Gasausströmkanal und in regelmäßigen Abständen voneinander in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zu der Bahn der Gase liegt,
• b) die genannten Module weisen jeweils einen sich in Strömungsrichtung der Gase erweiternden Schlag auf, in dessen vorderem Teil Eintrittsöffnungen für einen ersten Sauerstoffträgerstrom ausgeführt sind, und sie sind dergestalt angeordnet, daß zwischen den genannten Schlägen ein Zwischenraum entsteht, durch den ein zweiter Sauerstoffträgerstrom zirkuliert,
• c) die Zerstäubermittel für den Brennstoff spritzen Brennstoff in den ersten Sauerstoffträgerstrom, so daß ein sehr fettes Gemisch entsteht, das in dem von den genannten Schlägen umgrenzten Raum einer ersten Verbrennung unterzogen wird,
• d) die genannten Schläge weisen eine Außenform auf, durch die eine rasche Verdünnung der aus der ersten Verbrennung hervorgegangenen Gase in dem zweiten Sauerstoffträgerstrom bei sofortigem Austritt aus den genannten Schlägen stattfinden kann, um ein mageres Gemisch herzustellen, das hinter den genannten Modulen verbrannt wird.
• Vorteilhafterweise weist jedes Einspritzmodul Mittel, mit denen die Flamme an die angrenzenden Module übertragen werden kann, Mittel zum thermischen Schutz der Gasausströmwand sowie Mittel zur Gewährleistung von deren Kühlung auf.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
• Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Staustrahltriebwerks gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt,
• Fig. 2 eine Vorderansicht längs der Linie II-II von Fig. 1 zeigt,
• Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Brennstoffeinspritzmoduls von Fig. 1 zeigt,
• Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Staustrahltriebwerks gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt,
• Fig. 5 eine Vorderansicht längs der Linie V-V von Fig. 4 zeigt,
• Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Brennstoffeinspritzmoduls von Fig. 4 zeigt,
• Fig. 7 einen Schnitt in Achsrichtung des Einspritzmoduls von Fig. 4 zeigt.
• Die Zeichnungen zeigen ein Staustrahltriebwerk 1 mit einem Gasausströmkanal 2, in den ein Sauerstoffträger eindringt, mit Mitteln 3 zum Zerstäuben von Brennstoff in dem Kanal 2 sowie mit Brennstoffzuführmitteln, die in den Zeichnungen nicht dargestellt sind. Der Kanal 2 ist ringförmig und umgibt einen Kern 4. Er ist außen durch mindestens eine Wand 5 umgrenzt.
• Die Mittel 3 zum Zerstäuben des Brennstoffs sind an mehreren Einspritzmodulen 6 angebracht, die an der Wand 5 befestigt und in regelmäßigen Abständen voneinander in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur Geometrieachse 7 des Kanals 2 liegt.
• Jedes Modul 6 besteht im wesentlichen aus einem sich in Strömungsrichtung der Gase im Kanal 2 erweiternden Schlag 8. Der Schlag 8 hat an der in Ströinungsrichtung gesehen vorderen Seite des Kanals 2 Eintrittsöffnungen 9 für einen ersten Sauerstoffträgerstrom F1. Die Module 6 sind in dem Kanal 2 dergestalt angeordnet, daß zwischen den Schlägen 8 ein Zwischenraum 10 entsteht, durch den ein zweiter Sauerstoffträgerstrom F2 zirkuliert. Die Brennstoffzerstäubermittel 3 spritzen Brennstoff in den ersten Sauerstoffträgerstrom F1, so daß in dem von den Schlägen 8 umgrenzten Raum ein sehr fettes Brennstoffgemisch entsteht, das in dem genannten Raum einer ersten Verbrennung unterzogen wird.
• Beim Austritt aus den Schlägen 8 werden die aus der ersten Verbrennung hervorgegangenen Gase in dem zweiten Sauerstoffträgerstrom F2 verdünnt, so daß ein inageres Gemisch entsteht, das hinter den genannten Modulen 6 verbrannt wird. Um eine rasche Verdünnung zu begünstigen, weisen die Schläge 8 an ihrer Außenseite Rippen 11 auf. Durch diese Anordnung kann das Volumen der stöchiometrischen Zonen, die Stickoxid erzeugen, verringert werden.
• Um die Übertragung der Flammen von einem Modul 6 auf das nächste zu begünstigen, weist jeder Schlag 8 Rinnen 12 auf, die zur Gasaustrittseite hin offen sind und sich in Richtung der angrenzenden Module erstrecken, wobei jede Rinne 12 eines Moduls 6 an die entsprechende Rinne des angrenzenden Moduls anschließt.
• Das Modul 6 weist ferner Stege 13 mit Mitteln zur Befestigung an der Wand 5 auf. Der flüssige oder gasförmige Brennstoff, der den Zerstäubermitteln 3 zugeführt werden soll, wird durch Leitungen 14 übergeführt, die in den Stegen 13 und der Wand des Schlags 8 vorgesehen sind, wodurch die Kühlung der Module 6 gewährleistet werden kann. Aus Sicherheitsgründen ist jedes Modul 6 von seinen Nachbarmodulen mechanisch und hydraulisch unabhängig.
• Um die Wand 5 vor der bei der Verbrennung freigesetzten Wärme zu schützen, ist an jedem Modul 6 eine Wärmeschutzhülle 15 vorgesehen, die parallel zu der Wand 5 verläuft.
• Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein Staustrahltriebwerk, das mit Einspritzmodulen 6 des Typs mit Flammenhalter ausgerüstet ist.
• Die Figuren 4 bis 7 zeigen ein Staustrahltriebwerk, das mit Einspritzmodulen des aerodynamischen Typs ausgerüstet ist und bei dem die Eintrittsöffnungen 9 für den ersten Sauerstoffträgerstrom F1 mit einem Turbulenzinduktor 16 versehen sind.
• Bei den beiden oben beschriebenen Ausführungsarten werden bevorzugt die folgenden Parameter gewählt:
• - der Prozentsatz der in die Module 6 übergeführten Luft F1 im Verhältnis zu der gesamten in den Kanal 2 eintretenden Luft liegt im Bereich von 25 %,
• - das Aquivalenzverhältnis des sehr fetten Gemischs liegt im Bereich von 2,
• - der Prozentsatz der für die Kühlung der Wand 5 vorgesehenen Luft liegt im Bereich von 5 %,
• - der Prozentsatz der für die rasche Verdünnung der aus der ersten Verbrennung hervorgegangenen Gase verwendeten Luft F2 liegt im Bereich von 70 %.
• Mit diesen Parametern liegt das allgemeine Aquivalenzverhältnis im Bereich von 0,45.
• Bei einer Flughöhe von 25000 m und einer Fluggeschwindigkeit von 5 Mach ist festgesetzt, daß am Einlaß des Brenners die Luftgeschwindigkeit 0,3 Mach beträgt, die Temperatur 1 300 K beträgt und der Druck 5 Bar beträgt. Die Temperatur der Gase am Auslaß des Brenners beträgt dann 2 300 K.

Claims (7)

1. Staustrahltriebwerk mit einem Gasausströmkanal (2), der durch mindestens eine Wand (5) umgrenzt ist und in den ein Sauerstoffträger eindringt mit Mitteln (3) zum Zerstäuben von Brennstoff in dem genannten Kanal (2) sowie mit Brennstoffzuführinitteln, welcher die folgenden Merkmale aufweist:

a) die Zerstäuberinittel (3) für den Brennstoff sind an mehreren Einspritzmodulen (6) vorgesehen, die in dem Gasausströmkanal (2) und in regelmäßigen Abständen voneinander in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zu der Bahn der Gase liegt,

b) die genannten Module (6) weisen jeweils einen sich in Strömungsrichtung der Gase erweiternden Schlag (8) auf, in dessen vorderem Teil Eintrittsöffnungen (9) für einen ersten Sauerstoffträgerstrom (F1) ausgeführt sind, und sie sind dergestalt angeordnet, daß zwischen den genannten Schlägen (8) ein Zwischenraum (10) entsteht, durch den ein zweiter Sauerstoffträgerstrom (F2) zirkuliert,

c) die Zerstäubermittel (3) für den Brennstoff Spritzen Brennstoff in den ersten Sauerstoffträgerstrom, so daß ein sehr fettes Gemisch entsteht, das in dem von den genannten Schlägen (8) umgrenzten Raum einer ersten Verbrennung unterzogen wird,

d) die genannten Schläge (8) weisen eine Außenform auf, durch die eine rasche Verdünnung der aus der ersten Verbrennung hervorgegangenen Gase in dem zweiten Sauerstoff trägerstrom (F2) bei sofortigem Austritt aus den genannten Schlägen (8) stattfinden kann, um ein inageres Gemisch herzustellen, das hinter den genannten Modulen (6) verbrannt wird.

2. Staustrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (6) Mittel aufweisen, mit denen die Flamme von einem Modul (6) an die anderen übertragen werden kann.

3. Staustrahltriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Flammenübertragungsmittel aus Rinnen (12) bestehen, die in den genannten Schlägen (8) vorgesehen sind und zur Gasaustrittseite hin offen sind.

4. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (6) Wärmeschutzmittel für die Wand (5) des Gasausströmkanals (2) aufweisen.

5. Staustrahltriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Wärmeschutzinittel eine Schutzhülle (15) aufweisen, die parallel zu der genannten Wand (5) angeordnet ist.

6. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (6) Kühlungsinittel für die Schläge aufweisen.

7. Staustrahltriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kühlungsmittel aus den Brennstoffzuführleitungen (14) bestehen.