-
Mechanisch gesteuerte mehrstufige Brennkammern für Flugzeugdüsentriebwerke,
Pulso-Triebwerke oder Gasturbinen Triebwerke mit intermittierender Veränderlichkeit
der Geschwindigkeit :des austretenden. Strahles werden in der Regel mit Steuerungseinrichtungen
gebaut, die wegen der geringen, Druckentwicklung nur kleine Strahlgesch-#viridigke;iten
zulassen und damit nur bei nicht sehr hohen Fluggeschwindigkeiten wirtschaftlich
arbeiten.. Außerdem halben diese Triebwerke einen sehr hohen Kraftstoffverbrauch,
weil die Verbrennung bei verhältnismäßig geringem Luftüberschuß erfolgt, so daß,
bezogen auf den erzielten Impuls, dlie Brennstoffmenge groß ist. Mit der vorliegenden
Anordnung wird es möglich, relativ höhere Austrittsgeschwindigkeiten zu erzielen,
wobei gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch geringer wird.
-
Brennkammern für Düsentriebwerke und Gasturbinen arbeiten vorwiegetd
nach dem Gleichdruckvex!brennungsverfahren. Um die Luft- bzw. Gasmassen, welche
wegen des notwendigen Luftüberschusses sehr groß sind, durch die Brennkammern zu
befördern, sind relativ große Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich, da die baulichen
Abmessungen in tragbaren Grenzen gehalten werden müssen. Die großen Strömungsgeschwindigkeiten
bedingen
iihrersmfis einen erheblichen Druckabfall in der Brennkammer. Die D.ruckdiffe reiz
entsprechend diesem Druckverlust, muß im Verdichter vor der Brennkammer zusätzlich
erzeugt werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch erhöht und die Leistung des Triebwerkesverringert
wird.
-
In der Gleichdruckbrennkammer wird die Verbrennung in einem primären
Teil ungefähr im Bereich des theoretischen 1Vlischungaverhültnisses eingeleitet.
Vor d en Düsen der Gasturbine dürfen wegen der Festigkeitseigenschaften:der verwendeten
Baustoffe Gastemperaturen von 70o bis iooo° C nicht überschritten werden. Deshalb
muß ein Viälfaches der Pnimär-Ver!brennungsluftmenge nachträglich im Sekundärbeil
der Brennkammer als Sekundärluft zugemmscht werden. Durch diesen nachttäglichen
Luftzugang ist eine stamke Ungleichmäßigkeit in der Temperaturverteilung nicht zu
vermeiden.. Eine Verbesserung der Temp:eraturgleichmäßigkeit .durch .stärkere Wi,rbelung
ist wegen des damit verbundenen zusätzlichen Druckverlustes nicht tragbar. Die höchsten
-ruftretenden Temperaturen., die im allgemeinen im Kern der Verbrennungsmasse in
vielen Fällen etwa ioo/o größer aLs die Mitteltemperatur sind, sind maßgebend für
die Beanspruchung der Materialien. Die Leistung, welche in erster Annäherung proportional
der absoluten Temperatur :des Arbeitsgases ist, ergibt sch aus der geringeren Mitteltemperatur
und wicht aus der aus Festigkeitsgründen maßgebenden Höchs,ttemnperatur.
-
Für Glevchdruckbrennkammern ergeben sich damit folgende Nachteibe:
Leisitungsverlust infolge des Druckverlustes, Lesistungsverlust infolge der ungleichmäßigen
Temperaturverteilung.
-
Schon bei der Entwicklung :der ersten Gasturbinenaus,führungen und
auch in der späteren Entwicklung wurde versucht, die leistungs- und verbrauch mäßigen
Vorteile der G'leichraumverbrennung- der Gasturbine nutzbar zu machen. Die Verhrennung'erfolgt
dann intermmttierend, wobei der Verbrennungsraum während daßr Verbrennung ganz oder
unvollständig abgeschlossen ist. Der Abschluß der Verpuffungskammer während der
Verbrennung erfolgt meist durch ventilartige Mechanismen, welche einerseits große
Drosselverluste verursachen., für den, Gaswechesl relativ lange Zeiten benötigen
und andtrerseits - bei dien hohen auftretenden Frequenzen eine .große StöranfäHigkeit
aufivei;s,en. Die L@iistungs:abgab,e erfolgt über die intermittierend biezurfschlagte
Turbine oder über pulsierenden Strahlschub. _.
-
In anderen Vorschlägen wurden de am Umfang angeordneten Brennkammern
durch rotierende Bauteile iin umlaufender Reihenfolge albgesperrt. Die Vexlbrennung
erfolgt bei abgeschlossener Breiüvkamm:er zur Druckentwicklung, da zur Ladung der
Kammer keine oder nur eine sehr geringe Vorverdichtung vorgesehen eist. Weiterhin
ist vorgeschlagen, den Verbrennungs;raum.in einer Aussparung des umlaufenden Rotars
unterzubringen oder die Brennkammer durch urilaufende Steuerorgane abzuschließen,
die von der Hauptwelle aus über ein Geiriebe angetrieben werden. Die Expansion erfolgt
dann .meist in einen Sammelraum, der annähernd auf gleichem Druck gehalten wird.
Bei einer anderen vorgeschlagenen Anordnung erfolgt die Verbrennung in einer Primärbrennkammer.
Anschließend findet eine Vorexpansion in eine Gleichdruckkammer vor dem Düseneintritt
statt, wobei die bei der Verbrennung entstehenden Drücke zum größten Teil ohne Leistungsabgabe
abgebaut werden.
-
Bei der dm Patent beschriebenen Einrichtung wird die Primärverbrennung
in den Primärteilen der Brennkammern durähgeführt, deren Eintrittsöffnungen sowie
de übertrittsöffnumgen zum Sekundärteil der Brennkammern durch rotierende Scheiben
gesteuert sind. Während der Verbrennung ist der Primärteid der Brennkammer ganz
oder zu einem großen Teil abgeschlossen, so daß durch eventuell offenb:leibende
Spalte in den Ein- und Auslaßorganen nur so viel Gas abströmen. kann, d:aß nur ein
tragbarer Abfall des durch :die Verbrennung entstehenden Druckes stattfindet. Der
Ablauf der Verbrennung wird dadurch dien Gleichrauxnverb rennungsverfahren ähnlich.
Aus diesen Primärteilen der Bre'nkammer treten, die nur teilweist oder auch weitgehend
ausgebrannten Verbrennungsgase untere Wi.rbelung in dem. Sekundärheil der Verbrennungskammern,
deren Ein- und Auslaßorgane ebenfalls rotierende Scheiben sind. Aus diesem Sekundärteil
der Brennkammern. strömen .die Gase unter Absinken des Druckes in eine Schubdüse
odeir in --die Leitdüsen einer Gasturbine oder beides. Sobadid der Druck auf den
Eintrittsdruck der Ladeluft gesunken: ist, öffnen die Eintri.ttsscheiben., um den
Eintritt für die Luft in die Sekundärteile- der Brennkammern. freizugeben. Wesentlich
ist vor allem das geeignete Zusammenwirken der Steuerorgane und. die Anordnung der
Primär- und Selcund'ärka=er. Neuartig int hierbei, daß Prünär- und Sekundärkammern
nebeneinander angeordnet sind und unabhängig voneinander gefüllt werden können.
Die vorgesehene Anordnung in Verbindung mit der Scheibensteuerung gestattet eine
sehr wirkungsvolle Spülung der beidem, Brennkammern sowie eine gute Wiederfüllung.
-
Bei feser Brennkamnierausführnng tritt im Gegensatz zur Gleichdruckbrennkammer
nicht nur kein Druckverlust auf, sondern die bei variablen sinkenden Drücken aus
der Brennkammer austretenden Verbronuvngsgasie weisem im Mittel einen wesentlich
höheren Druck auf als der Druck der Verbrennungsluft vor der Brennkammer. -Nur der
Teil -der Gase, der wähnend der Spülperiode aus den Kammern auG.triitt, hat ähnlich
wie das Verbrennungsgas bei der Gleichdruckbremnkammer einen etwas geringeren Druck.
Wegen des im Durchschnitt höheren. Druckens und infolge der wegen des größeren Expansionsverhältnisses
zulässigen höheren Temperatur beim Ausströmen aus der B,Pen nkammer wind die Leistung
dies :mit der im Patent beschriebenen Brennkammer ausgerüsteten
Triebwerkes
um einen bedeutenden Betrag höher als bei Verwendung von G:leichdruokbrennkammern.
-
Beim Überströmen aus dem Primär- in de Sekundärteil der Brennkammern
werden große Energiebeträge in Geschwindigkeit umgesetzt. Die dabei auftretenden
hohen Geschwindigkeiten werden teilweise zur Herstellung einer starken Verwirbelung
in der Sekundärkammer und damit zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung
und zur Beschleunigung der Nachverbrennung benutzt.
-
In der neuen erfindungsgemäßen Brennkammer wird also äie erforderliche
Durchmischung des Gases zur Erzielung gleichmäßiger Temperatur und der notwendigen
Verarmung des Gemisches nicht mittels einer primär für die Leistung maßgebenden
verlorenen Druckdifferenz herbeigeführt, sondern es wird die normalerweise nutzbar
gemachte Energie, die dem Wärmegefällte im Bereich der Spitzendrücke der annähernden
Gleichraumverbrennung entspricht, hierzu verwendet. Es wird somit eine zusätzliche.
Energiiequelle, die durch die Verbrennun.gsdrucksteigerung gegeben ist, ausgenutzt.
-
Die Ausführung -einer Brennkammer gestattet eine Leistungsabgabe des
damit ausgerüsteten Triebwerkes über Schubdüse, Gasturbine mit Schubdü.s,e oder
mechanisch. über Gasturbine. Ein Ausführungsbeispiel wird an Hand der Zeichnungen
beschrieben. Es zeigt Abb. i ein Beispiel für eine mechanisch gesteuerte mehrstufige
Brennkammer für Flugzeugdüsentriebwerke, Pulisotriiebw-erke oder Gasturbinen,
Abb. 2 a ein Beispiel für ein Steuerdiagramm einer Brennkammer entsprechend Abb.
i, Abb. 2 b ein Beispiel für Formgebung der Einlaßsteuerscheiibe bei radialer Brennkammeranord.nung,
Abb. 2 c ein Beispiel für Formgebung der Ein: laßsteuerschei,be bei verwundenem
Überströmkan a1.
-
I,Tach Durchspülen des Primärteiles der Verbrennurngskammern 4 mit
vorverdichteter Luft werden diese auf der Auslaß- und Einlaßseite durch rotierende
Scheiben i und 2 oder andersartige rotierende - Bauelemünte i und 2 verschdoks en,
worauf der Kraftstoff durch die Düse 8 eingespritzt und durch eine oder mehrere
Kerzen 9 gezündet #,vi:nd. Nach dem Durchbrennen des Gemisches wird der Awslaß dies
Primärteiles der Brennkammer durch Steuerorgane 2 freigegeben, und die Verbrennungsgase
strömen unter starker Wirbelbildung in die dann geschlossene Sekundärkammer. Anschließend
wird durch Steuerorgan 3 der Weg der Verbrennungsgase zur Schubdüse bzw. zur Turbine
freigegeben. Der Ablauf der Einzelvorgänge ist im Steuerdiagramm (Abb. 2 a) für
die Einlaßsteuerung von Primärteil a, und Sekundärteil b der Brennkammer dargestellt.
Im zeitlichen Verlauf der Einzelvorgänge sind die Spülung und Füllung der Primärkammer
durch den Kreisausschnitt c, die Verbrennung durch d und die Nachverbrennung mit
dem Auslaß aus der Primärkammer durch e gekennzeichnet. Entsprechend bedeuten für
die Arbeitsweise der Sekundärkammer f das Übertrömen (von der Primärkammer her)
und g den Auslaß zur Strahldüse oder Turbine und eine eventuelle Überladung. Zur
besseren Kenntlichmachung sind die jeweiligen Betriebszustände, für di;e Steuerorgane.
durch varschiedene Schraffuren dargestellt. Für das Einlaß-=organ i in Abb. i bedeutet
h ,in Abb. 2a, daß das Steuerorgan den Gasdurchtritt öffnet, und i, daß dieser geschlossen
ist. Für das Überströmorgan 2 in Abb. i bedeutet k geschlossenen und
l offenen Durchtritt. Entsprechend ist für das Auslaßorgan 3 in Abb. i der
Gasdurchtritt durch die Schraffur m geschlossen und für n geöffnet. Durch die Trägheit
der von dem Primärteil der Brennkammer 4 in den Sekundärteil der Brennkammer 6 überströmenden
Gasmasse kann in der Primärkammer ein Unterdruck erzeugt werden. Dadurch kann der
Primärteil dem Brennkammer schon. vom dem Siekundärteil der Brennkammer zur Spülung.
geöffnet werden, und Spülung und Füllung wird durch diesen Unterdruck beschleunigt.
Bei ringförmiger Anordnung der Primär- und Sekundärteilkammern kann mit ein und
demselben rotierenden Steuerorgan der Arbeitsvorgang in den Kammern in umlaufender
Reihenfolge abgewickelt werden.
-
Ein Beispiel für die Formgebung des Steuerorgans i ist in Abb. 2 b
gezeigt. Dieses Organ läßt sich bezüglich der Zentrifugalbeanspruchung günstig gestalten,
indem der Sekundärteil der Brennkammer gegenüber dem zugehörigen Primärteil in Umfangsrichtung
etwas verschoben angeordnet ist. Die Form des Einlaßsteuerorgans ergibt sich dann
entsprechend Abb. 2;c. Der Auslaß aus dem Primärteil der Brennkammer sowie der Überströmkanal
müssen dementsprechend ausgebildet werden. Bei der in Abb. 2 b und 2 c durch ausgezogene
Linien dargestellten Form der Einlaßsteueromgane sind die Winkel zugrunde gelegt,
die, sich aus dem Steuerdiagramm (Abb. 2 a) für eine sehr schmale Brennkammer ergeben.
Um auch bei in Umfangrichtung breiteren Brennkammern eine Absperrzeit- entsprechend
i in Abb. 2 a zu erzielen, müssen die sperrende Teile der Einlaßsteuerorgane (Abb.
2 b und 2c) um die Breite der Brennkammer vergrößert werden, wie dies durch die
gestrichelten Linien und durch die Fläche o als Beispiel in diesen Abbildungen angedeutet
ist.
-
Die erzielbaren Ein- und Ausströmquerschnitte sind bei der im Patent
beschriebenen Ausführungsform um ein Vielfaches größer als beispielsweise bei Ventilsteuerung
von Verbrennungsräumen, z. B. im Motor.
-
Der Antrieb der Steuerscheiben erfolgt zweckmäßigerweise durch unmittelbare
Befestigung an der Welle.. Die Überströmenergie zwischen Primär-und Sekundärkammer
und die Ausströmenergie aus der Sekundärkammer kann durch düsenähnliche Gestaltung
der überströmkanäle mit einem Anstellwinkel in Drehrichtung und durch entsprechende
schaufelähnliche
Leitbleche auf den rotierenden Steuerelementen mit zum Antrieb der Steuerscheiben
herangezogen werden.
-
Die Formgebung der Steuerelemente ist durch den thermbdynamischen
Ablauf des Arbeitsspieles in der Brennkammer vorgegeben.
-
Die Ausbildung der Steuerorgane 1, a und 3 kann zwecks Kühlung hohl
erfolgen. Die Kühlung erfolgt z. B. durch Luft, welche in Achsennähe in das Steuerorgan
eintreten kann und dann infolge Fliehkraft durch die Kühlkanäle unter Umständeno
mit laderähnlichen Rippen befördert wird. Die erwärmte Luft wird dem Gasstrom wieder
zugeführt. Auf diese Weise wird die durch Kühlung abgegebene Wärme wieder voll dem
System zurückgegeben. Weitere Kühlungsarten, z. B. mit Wasser, kommen je nach Anwendungsart
in Betracht.