DE69402948T2

DE69402948T2 - " Mit einer Gastrennvorrichtung ausgestattete Brennkammer für Turboluftstrahltriebwerke"

Info

Publication number: DE69402948T2
Application number: DE69402948T
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Daniel Alary; Michel Andre Albert Desaulty; Joe Louis Jamet; Denis Jean Maurice Sandelis; Pierre Marie Victor Schroer
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1993-11-10
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: US5528896A; JP2847040B2; DE69402948D1; EP0657699B1; FR2712379B1; JPH07190374A; FR2712379A1; EP0657699A1

Description

Um den Schadstoffausstoß zu verringern, sieht die Konzeption neuer Flugzeug-Turboluftstrahltriebwerke den Einsatz von ringförmigen Brennkammern mit zwei Gruppen von Einspritzköpfen vor, von denen die eine bei langsamer Drehzahl und beide zusammen bei Vollgasdrehzahl in Betrieb sind.
Die Einspritzköpfe der beiden Gruppen sind in zwei getrennten Zonen des Brennkammerbodens angeordnet, die sich zu beiden Seiten einer von einem inneren Mantelring gebildeten Gastrennvorrichtung befinden.
Beim Einsatz dieser Anordnung wurden einige Nachteile festgestellt:
- wenn nur die "langsamen" Einspritzköpfe in Betrieb sind, variieren die Temperaturen am Ausgang der Brennkammer von 900 ºK bis 1800 ºK zwischen dem inneren und äußeren Teil des Austrittsquerschnitts der Kammer oder auch zwischen dem Fuß und dem Kopf der Leitschaufeln, die an diesem Austritt angeordnet sind. Durch diese Temperaturänderung wird der Wirkungsgrad der Gasturbine verschlechtert;
- wenn beide Gruppen von Einspritzköpfen in Betrieb sind, erzeugt die Trennvorrichtung einen vorwiegend zweidimensionalen Wirbel, der sich in Richtung der Gasströmung entwickelt; dieser Wirbel beeinträchtigt die Austrittstemperaturen der Kammer ebenfalls.
Die Erfindung strebt eine Beseitigung dieser Nachteile an und schlägt zu diesem Zweck den Einsatz einer Trennvorrichtung mit einer neuartigen Konstruktion vor.
Die Erfindung bezieht sich also auf eine Brennkammer
mit einer Struktur, die aus einer Außenwand und einer Innenwand von jeweils ringförmiger Gestalt mit einer der Außen- und Innenwand gemeinsamen Symmetrieachse und aus einem die Außen- und Innenwand miteinander verbindenden Boden besteht, wobei die Außen- und Innenwand und der Boden zusammen einen Brennraum begrenzen,
mit Kraftstoffeinspritzdüsen, die in zwei getrennte Gruppen von äußeren und inneren Kraftstoffeinspritzdüsen unterteilt sind, wobei die äußeren Kraftstoffeinspritzdüse vorzugsweise für die Kraftstoffeinspritzung während eines ersten Betriebszustands und die inneren Kraftstoffeinspritzdüse vorzugsweise für die Kraftstoffeinspritzung während eines zweiten Betriebszustands bestimmt ist,
sowie mit einer Gastrenneinheit mit einer axialen Außenfläche und einer axialen Innenfläche, die in gegenseitigem Abstand angeordnet sind und jeweils eine relativ zu der gemeinsamen Symmetrieachse im wesentlichen symmetrische generelle Form, einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, einen stromaufwärtigen Endbereich und einen stromabwärtigen Endbereich haben, wobei die Gastrenneinheit außerdem eine stromabwärtige transversale Stirnfläche besitzt, die die stromabwärtigen Endbereiche der axialen Außenund Innenfläche miteinander verbindet und wobei die Gastrenneinheit zwischen den äußeren Kraftstoffeinspritzdüsen und den inneren Kraftstoffeinspritzdüse angeordnet und an der genannten Struktur befestigt ist.
Erfindungsgemäß sind sowohl in der axialen Außenfläche als auch in der axialen Innenfläche jeweils axiale Nuten angebracht, die zwischen einer Zwischenlinie zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Endbereichen der betreffenden axialen Fläche einerseits und dem stromabwärtigen Endbereich der genannten axialen Fläche andererseits verlaufen und in dieser axialen Fläche und in der stromabwärtigen transversalen Stirnfläche münden.
Es sind ferner vorzugsweise die folgenden vorteilhaften Weiterbildungen vorgesehen,
- daß die Tiefe einer Nut entlang der Nut von der Zwischenlinie aus bis zu dem stromabwärtigen Endbereich der axialen Fläche anwächst,
- daß die Breite einer Nut entlang der Nut von der Zwischenlinie aus bis zu dem stromabwärtigen Endbereich der axialen Fläche anwächst.
- daß die Gastrenneinheit eine Außenwand, eine Innenwand und eine stromabwärtige Stirnwand besitzt, die zusammen einen Hohlkörper begrenzen,
- und daß die genannten Nuten durch Tiefziehen der Innen- und Außenwand hergestellt sind,
- daß die in der axialen Außen- und Innenfläche angebrachten Nuten paarweise in gemeinsamen radialen Ebenen enthalten sind, wobei eine Nut eines Paares in der axialen Außenfläche und die andere Nut des genannten Paares in der axialen Innenfläche angebracht sind,
- daß die in der axialen Außenfläche angebrachten Nuten in radialen Ebenen enthalten sind, die zwischen den radialen Ebenen verschachtelt angeordnet sind, die die in der axialen Innenfläche angebrachten Nuten enthalten und
- daß die Gastrenneinheit ein einziger ringförmiger Block ist.
Die vorangehend definierte neuartige Trennvorrichtung ermöglicht die Erzeugung von Wirbeln, deren Achsen im Wesentlichen parallel zur Hauptrichtung der Gasströmung verlaufen.
Diese Wirbel verhindern in den beiden oben erwähnten Betriebszuständen eine Beeinträchtigung der Temperaturverteilung und erhöhen außerdem die Ausbreitungsfähigkeit der Flamme, was insbesondere beim Übergang vom langsamen Betrieb in den Vollgasbetrieb von Nutzen ist.
Die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen soll zu einem besseren Verständnis der Erfindung und zur Darlegung weiterer Merkmale und ihrer Vorteile führen.
Die Beschreibung und die Zeichnungen betreffen Ausführungsbeispiele auf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
Es wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen.
Fig. 1 zeigt einen Achsialschnitt durch eine Brennkammer gemäß der Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine Ansicht entsprechend dem Schnitt II-II von Fig. 3 der Trennvorrichtung der Brennkammer von Fig. 1,
Fig. 3 und 4 zeigen Schnitte nach den Linien III-III bzw. IV-IV von Fig. 2,
Fig. 5 zeigt einen zur Fig. 2 analogen Schnitt einer Ausführungsvarianten einer Trennvorrichtung gemäß der Erfindung entsprechend der Linie V-V von Fig. 6,
Fig. 6 und 7 zeigen Schnitte nach den Linien VI-VI bzw. VII-VII von Fig. 5,
Fig. 8 zeigt eine dem Pfeil F von Fig. 2 entsprechende Ansicht.
Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbinenbrennkammer besitzt
- eine Achse 1, die etwa der axialen Symmetrielinie entspricht,
- eine zur Achse 1 rotationssymmetrische ringförmige Außenwand 2,
- eine zur Achse 1 rotationssymmetrische ringförmige Innenwand 3,
- einen zur Achse 1 verlaufenden Boden 4, der die Außenwand 2 und die Innenwand 3 miteinander verbindet und mit ihnen einen Brennraum 5 begrenzt,
- zur Achse 1 rotationssymmetrische zweite ringförmige Außen- und innenwände 6 bzw. 7, die einen Raum 8 begrenzen, der mit aus einem Luftverdichter kommende Druckluft gespeist wird (Pfeil G) und den genannten Brennraum 5 enthält,
- einen ersten zur Achse 1 kreisförmig angeordneten Kranz, auf dem Kraftstoffeinspritzdüsen 9 einer ersten Kraftstoffeinspritzdüsengruppe zentriert sind, die jeweils durch eine in dem Boden 4 angebrachte Öffnung 10 dringen und für die Verbrennung des Kraftstoffs mit Durchgängen 11 für Luft oder allgemeiner einen Sauerstoffträger zusammenwirken, die durch den Boden 4 verlaufen, wobei diese der Außenwand 2 am nächsten liegenden Kraftstoffeinspritzdüsen für den Betrieb bei Leerlaufdrehzahl bestimmt sind, in dem allein sie in Betrieb sind,
- einen zweiten zur Achse 1 kreisförmig angeordneten Kranz, der einen kleineren Durchmesser hat als der erste Kranz und auf dem Kraftstoffeinspritzdüsen 12 einer zweiten Kraftstoffeinspritzdüsengruppe zentriert sind, die jeweils durch eine Öffnung 13 in dem Boden 4 dringen, wobei diese Kraftstoffeinspritzdüsen für den Betrieb bei Vollgas oder beim Abheben eines mit der Gasturbine ausgestatteten Flugzeugs bestimmt sind; die Kraftstoffeinspritzdüsen 9 und 12 sind an eine allgemeine Kraftstoffzuführungsvorrichtung 14 angeschlossen;
- eine auf dem Boden 4 befestigte, zur Achse 1 konzentrische ringförmige Gastrenneinrichtung 15, die zwischen den Kraftstoffeinspritzdüsen 9 und 12 der beiden Gruppen angeordnet ist und im Innern des Brennraums 5 aus dem Boden 4 hervorragt;
- von der Außenwand 3 getragene Zündkerzen 16, deren Köpfe 16A im Innern des Brennraums 5 angeordnet sind.
Fig. 2 bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform der Gastrenneinheit 15.
Diese umfaßt eine ringförmige Hülle 22, die von einem zur Achse 1 rotationssymmetrischen ringförmigen äußeren Mantelring 17, einem zur Achse 1 rotationssymmetrischen ringförmigen inneren Mantelring 18, einem stromaufwärtigen transversalen Boden 19, der den äußeren Mantelring 17 und den inneren Mantelring 18 miteinander verbindet, und einer stromabwärtigen transversalen Wand 20 begrenzt wird, die annähernd senkrecht zur Achse 1 verläuft und die stromabwärtigen Enden des äußeren Mantelrings 17 und des inneren Mantelrings 18 miteinander verbindet. Die ringförmige Hülle, die auf dem Boden 4 der Brennkammer mit Schrauben 21 befestigt ist, nimmt außerdem einen komprimierten Sauerstoffträger auf, der aus dem Raum 8 durch in dem Boden 19 angebrachte Öffnungen eintritt.
Die stromabwärtigen Teile 17A und 18A des äußeren bzw. inneren Mantelrings 17 bzw. 18, deren Tiefe zwischen dem 0,3- und 0,5-fachen der Tiefen der betreffenden Mantelringe bis zu ihrem stromabwärtigen Ende liegt, weisen mehrere Löcher 17B, 18B auf, die Multiperforationen bilden und sowohl den Zutritt des Sauerstoffträgers in die Brennkammer 5 als auch die Kühlung dieses Teils der Gastrenneinheit ermöglichen.
Darüber hinaus sind in den Außenflächen 17C, 18C der stromabwärtigen Teile der Mantelringe 17 bzw. 18 von zwischen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Enden der Mantelringe 17, 18 liegenden Linien 17D bzw. 18D ab kleine longitudinale Nuten 23 bzw. 24 angebracht, die in regelmäßigen Abständen auf der Oberfläche jedes Mantelrings angeordnet und jeweils in einer durch die Achse 1 verlaufenden radialen Ebene enthalten sind. Jede Nut 23, 24 mündet auf der einen Seite in der entsprechenden Fläche 17C, 18C und auf der anderen Seite in der Außenfläche 20C der stromabwärtigen transversalen Endwand 20 und wird vorzugsweise durch Tiefziehen des Mantelrings 17, 18 hergestellt.
Es sei noch auf folgende Einzelheiten hingewiesen:
- die Tiefe P23A der Nut 23 ist an ihrem stromaufwärtigen Ursprung kleiner als die Tiefe P23B am stromabwärtigen Ende der Nut, wobei die Tiefe P23 von P23A bis P23B anwächst,
- analog wächst die Tiefe P24 der Nut 24 zwischen dem stromaufwärtigen Wert P24A und dem stromabwärtigen Wert P24B,
- in gleicher Weise nehmen die Breiten L23, L24 der Nuten 23, 24 zwischen den Minimalwerten L23A, L24A an ihrem stromaufwärtigen Ursprung und den Maximalwerten L238, L248 an dem stromabwärtigen Ausgang dieser Nuten in der transversalen Stirnwand 24 zu,
- schließlich besitzen die Nuten 23 und 24 in der in Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform Medianebenen M23/24, die jeweils einer Nut 23 und einer Nut 24 gemeinsam sind und bei denen es sich um Radialebenen handelt, die die Achse 1 enthalten.
Die Ausführungsform von Fig. 5 bis 7 hat den gleichen Aufbau wie die Ausführungsform von Fig. 2 bis 4 mit Ausnahme der Tatsache, daß die Medianebenen M23, M24 der Nuten 23, 24, die auch hier Radialebenen sind, welche die Achse 1 enthalten, voneinander verschieden sind. Jede Ebene M23 liegt zwischen zwei Ebenen M24, und komplementär liegt jede Ebene M24 zwischen zwei Ebenen M23. Diejenigen Vorrichtungen, die den beiden Ausführungsformen gemeinsam, sind sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der funktionelle Hauptvorteil der beschriebenen Einheiten besteht darin, daß von den Nuten 23 und 24 innerhalb der Gasströmung Wirbel erzeugt werden, die die Durchmischung der Gase verbessern und so vor allem eine gute Ausbreitung der Flamme bewirken. Das Resultat ist insgesamt eine Verbesserung der Verbrennung und des Wirkungsgrads sowie eine bessere Temperaturverteilung in dem stromabwärtigen Endbereich der Brennkammer 5.
Die bevorzugten progressiv anwachsenden Formen der Nuten 23, 24 sind besonders geeignet, um die beschriebene Funktionsoptimierung zu erreichen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Realisierungsformen beschränkt sondern umfaßt auch alle Varianten, die an diesen vorgenommen werden können, ohne daß ihr Schutzbereich verlassen wird.

Claims

1. Brennkammer

mit einer Struktur, die aus einer Außenwand (2) und einer Innenwand (3) von jeweils ringförmiger Gestalt mit einer der Außen- und Innenwand gemeinsamen Symmetrieachse (1) und aus einem die Außen- und Innenwand miteinander verbindenden Boden (4) besteht, wobei die Außen- und innenwand und der Boden zusammen einen Brennraum (5) begrenzen,

mit Kraftstoffeinspritzdüsen, die in zwei getrennte Gruppen von äußeren und inneren Kraftstoffeinspritzdüsen (9 bzw. 12) unterteilt sind, wobei die äußeren Kraftstoffeinspritzdüse (9) vorzugsweise für die Kraftstoffeinspritzung während eines ersten Betriebszustands und die inneren Kraftstoffeinspritzdüse (12) vorzugsweise für die Kraftstoffeinspritzung während eines zweiten Betriebszustands bestimmt ist,

sowie mit einer Gastrenneinheit (15) mit einer axialen Außenfläche (17C) und einer axialen Innenfläche (18C), die in gegenseitigem Abstand angeordnet sind und jeweils eine relativ zu der gemeinsamen Symmetrieachse (1) im wesentlichen symmetrische generelle Form, einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, einen stromaufwärtigen Endbereich (19) und einen stromabwärtigen Endbereich (20) haben, wobei die Gastrenneinheit außerdem eine stromabwärtige transversale Stirnfläche (20C) besitzt, die die stromabwärtigen Endbereiche der axialen Außen- und Innenfläche (17C bzw. 18C) miteinander verbindet und wobei die Gastrenneinheit zwischen den äußeren Kraftstoffeinspritzdüsen (9) und den inneren Kraftstoffeinspritzdüse (12) angeordnet und an der genannten Struktur befestigt ist (21), dadurch gekennzeichnet,

daß sowohl in der axialen Außenfläche als auch in der axialen Innenfläche jeweils axiale Nuten (23, 24) angebracht sind, die zwischen einer Zwischenlinie zwischen den stromaufwärtigen (19) und stromabwärtigen (20) Endbereichen der betreffenden axialen Fläche einerseits und dem stromabwärtigen Endbereich (20) der genannten axialen Fläche andererseits verlaufen und in dieser axialen Fläche (17C, 18C) und in der stromabwärtigen transversalen Stirnfläche (20C) münden.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (P23, P24) einer Nut (23, 24) entlang der Nut von der Zwischenline (17D, 18D) aus bis zu dem stromabwärtigen Endbere ich (20) der axialen Fläche anwächst.

3. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (L23, L24) einer Nut (23, 24) entlang der Nut von der Zwischenlinie (17D, 18D) aus bis zu dem stromabwärtigen Endbereich (20) der axialen Fläche anwächst.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Gastrenneinheit eine Außenwand (17), eine Innenwand (18) und eine stromabwärtige Stirnwand (20) besitzt, die zusammen einen Hohlkörper (22) begrenzen,

und daß die genannten Nuten (23, 24) durch Tiefziehen der Innen- und Außenwand hergestellt sind.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in der axialen Außen- und Innenfläche (17C bzw. 18C) angebrachten Nuten (23, 24) paarweise in gemeinsamen radialen Ebenen (M23/24) enthalten sind, wobei eine Nut (23) eines Paares in der axialen Außenfläche (17C) und die andere Nut (24) des genannten Paares in der axialen Innenfläche (18C) angebracht sind.

6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in der axialen Außenfläche (170) angebrachten Nuten (23) in radialen Ebenen (M23) enthalten sind, die zwischen den radialen Ebenen (M24) verschachtelt angeordnet sind, die die in der axialen innenfläche (18C) angebrachten Nuten (24) enthalten.

7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastrenneinheit (15) ein einziger ringförmiger Block ist.