DE1925135B2 - Nacherhitzungseinrichtung für Nebenstrom-Gasturbinenstrahltriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nacherhitzungseinrichtung für Nebenstrom-Gasturbinenstrahltriebwerke gemäß Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs 1.

Derartige Einrichtungen dienen zur noch weiteren Erhitzung des Triebwerksschubstrahles. Die Nacherhitzungseinrichtung erfüllt dabei zwei Aufgaben, nämlich einerseits die Verbrennung zusätzlichen Brennstoffes mindestens im Hauptstrom und andererseits die Durchmischung des Hauptstromes mit dem Nebenstrom. Je nachdem, in welcher Reihenfolge diese beiden Vorgänge im Strömungsverlauf stattfinden, kann man drei grundsätzliche Bauarten unterscheiden.

Bei der ersten Bauart findet zuerst die Nachverbrennung und anschließend das Mischen des Hauptstromes mit dem Nebenstrom statt. Beispiele dieser Bauart zeigen die US-PS 31 50 484 und die GB-PS 9 28 475. Bei den aus diesen Druckschriften bekannten Einrichtungen wird jeweils zuerst zusätzlicher Brennstoff in den Hauptstrom eingespritzt und verbrannt und die Mischung des Hauptstromes mit dem Nebenstrom findet in einer hinter der Verbrennungszone gelegenen Ebene statt.

Bei der zweiten Bauart erfolgt zuerst die Mischung des kalten Nebenstromes mit dem heißen Hauptstrom und anschließend die Nachverbrennung. Einrichtungen dieser Bauart sind beispielsweise aus der US-PS 34 65 525 und der DT-AS 11 18 538 bekannt. Bei diesen Anordnungen sind stromab einer Mischeinrichtung Brennstoffeinspritzer und Flammenhalter angeordnet.

Die beiden eben beschriebenen Bauarten weisen beide den Nachteil auf, daß die beiden in verschiedenen axial hintereinanderliegenden Ebenen stattfindenden Vorgänge des Mischens und des Verbrennens eine verhältnismäßig große Strahlrohrlänge bedingen. Während bei der ersten Bauart dafür Sorge getragen werden muß, daß die kalte Nebenstromluft die Flammenbereiche nicht nachteilig beeinflußt und dadurch den ^; Verbrennungsvorgang stört, weshalb die Mischung erst axial hinter der Brennzone stattfinden darf, kommt es bei der zweiten Bauart darauf an, daß der heiße Hauptgasstrom und der kalte Nebenstrom gut miteinander vermischt werden, bevor die Verbrennung beginnt. Die verhältnismäßig große erforderliche Strahlrohrlänge ist also bei der ersten Bauart durch die notwendige Mindestbrennzonenlänge und bei der zweiten Bauart durch die Mindest-Mischkanallänge bedingt.

Um eine Verkürzung der Strahlrohrlänge zu erreichen, wird deshalb von der dritten Bauart Gebrauch gemacht, bei welcher die Mischung des Hauptstromes mit dem Nebenstrom und die Verbrennung in der gleichen Ebene stattfinden. Nacherhitzungseinrichtungen dieser dritten Bauart, auf welche sich gemäß dem Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs 1 auch die vorliegende Erfindung bezieht, sind aus der GB-PS 8 71 842 und der GB-PS 10 29 900 bekannt. Bei der in der GB-PS 8 71842 dargestellten und beschriebenen Anordnung besteht die Strömungsmischeinrichtung aus mehreren sternförmig angeordneten Mischtrichtern, die jeweils mehrere, auf verschiedenen Radien mit Bezug auf die Triebwerksachse angeordnete Austrittsöffnungen aufweisen und daher die Nebenstromluft in Form von einzelnen Strahlen in den Hauptstrom einleiten. Radial zwischen den Trichteraustrittsöffnungen sind mehrere konzentrische Flammenstabilisatoren angeordnet. Der zusätzliche Brennstoff wird stromauf der Misch- und Brennebene in den Hauptstrom eingespritzt. Die aus der GB-PS 10 29 900 bekannte Anordnung weist eine sehr ähnliche Konstruktion auf, wobei der wesentliche Unterschied zum Gegenstand der GB-PS 8 71 842 darin liegt, daß der zusätzliche Brennstoff nicht nur in den heißen Hauptgasstrom, sondern auch in den Nebenstrom eingespritzt wird.

Bei den beiden eben erwähnten bekannten Anordnungen befinden sich die Flammenhalter nur im heißen Hauptgasstrom, während die Nebenstromluft jeweils an den Flammenhaltern vorbeigeleitet wird. Obwohl also bei den bekannten Anordnungen der Hauptstrom mit dem Nebenstrom gemischt wird, findet die Verbrennung nur im Heißgasstrom statt. Da außerdem die Nebenstromluft in axialer Richtung in den Hauptstrom eingeleitet wird, ist zum Erreichen einer wirksamen Durchmischung der heißen Abgase mit der kalten Nebenstromluft immer noch ein verhältnismäßig langes Strahlrohr erforderlich. Die Forderung nach guter Durchmischung innerhalb eines axial kurzen Bereiches steht im Widerspruch zu der Forderung nach einem möglichst gleichmäßigen Verbrennungsbild, da der Verbrennungsvorgang durch die kalte Nebenstromluft beeinträchtigt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nacherhitzungseinrichtung nach dem Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs 1 im Sinne der Erzielung eines möglichst gleichförmigen Verbrennungsbildes so zu verbessern, daß gegenüber der bekannten Ausführung eine noch weitergehende axiale Verkürzung des Strahlrohres ohne Beeinträchtigung des Verbrennungsvorgangs durch die kalte Nebenstromluft erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des vorstehenden Patentanspruchs 1 angegebene Merkmale gelöst.

Die Erfindung bringt den technischen Fortschritt, daß innerhalb eines Strahlrohres mit verhältnismäßig kurzer Länge eine sehr wirksame Durchmischung des Neben-

Stroms mit dem heißen Hauptgasstrom stattfindet und die Nebenstromluft an der Nachverbrennung teilnimmt, wobei ein gleichförmiges Verbrennungsbild gewährleistet ist und der Verbrennungsvorgarig durch die kalte Nebenstromluft nicht beeinträchtigt wird. Die Ausbildung des Flammrohrs veranlaßt den Nebenstrom, in Form schräg radial einwärts verlaufender Strahlen durch die Schlitze der Flammrohrwand hindurch in den Hauptstrom einzutreten. Die zwischen den Schlitzen verlaufenden Flammrohrwandungsstege bilden Strömungshindernisse für die Nebenstromluft und dienen der Erzeugung von stabilisierten Wirbelzonen, in welche die mittels der weiteren Brennstoffeinspritzvorrichtung mit Brennstoff angereicherte Nebenstromluft einströmt und verbrennt. Außerdem schirmen diese Flammrohrwandungsstege die hinter ihnen gebildeten Verbrennungszonen gegen den unmittelbaren Zutritt der kalten Nebenstromluft ab. Bei der erfindungsgemäßen Nacherhitzungseinrichtung bilden sich also einerseits hinter den im Hauptstromkanal angeordneten Flammenhaltern stabilisierte Flammenbereiche zur Nacherhitzung des Hauptstromes und andererseits am Flammrohrumfang hinter den Flammrohrwandungsstegen ebenfalls stabile Flammenzonen zur Verbrennung von Brennstoff in der Nebenstromluft aus. Gleichzeitig findet innerhalb des Flammrohres eine sehr intensive Durchmischung der beiden Ströme statt.

Das konische Flammrohr der erfindungsgemäßen Nacherhitzungseinrichtung bringt außerdem den Vorteil, daß Druckrückwirkungen aus dem Nacherhitzungsbereich in den Nebenstromkanal verhindert werden. Außerdem berücksichtigt die erfindungsgemäße Anordnung die Tatsache, daß die Verbrennungsbedingungen im heißen Hauptstrom und im kalten Nebenstrom voneinander verschieden sind, indem zwei Verbrennungsbereiche geschaffen werden, nämlich ein Verbrennungsbereich für den Hauptstrom und ein Verbrennungsbereich am Flammrohrumfang für den Nebenstrom. Damit weicht die Erfindung wesentlich von bekannten Anordnungen ab, bei welchen versucht wird, in einer einzigen Verbrennungszone Hauptstrom- und Nebenstromluft gleichzeitig am Verbrennungsvorgang zu beteiligen.

Das stromabwärtige Ende der Flammrohrwandung kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung V-förmig nach innen umgebogen sein. Dadurch ergibt sich ein weiterer Flammenstabilisierungsbereich.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch ein Nebenstrom-Gasturbinenstrahltriebwerk mit einer Nacherhitzungseinrichtung nach der Erfindung und

Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Nacherhitzungseinrichtung.

Das in F i g. 1 dargestellte Nebenstrom-Gasturbinentriebwerk weist einen Niederdruckverdichter 1, einen Hochdruckverdichter 2, eine Brennkammeranordnung 3, eine über eine Hochdruckwelle 6 mit dem Hochdruckverdichter gekuppelte Hochdruckturbine 4 und eine über eine Niederdruckwelle 7 mit dem Niederdruckverdichter gekuppelte Niederdruckturbine 5 auf. Ein Teil der vom Niederdruckverdichter 1 geförderten Luft gelangt als Nebenstrom durch einen Nebenstromkanal 10. Stromab der Niederdruckturbine 5 ist eine Nacherhitzungseinrichtung 20 angeordnet, an welche sich ein Strahlrohr 8 anschließt.

Nachstehend wird auf F i g. 2 Bezug genommen, welche die Nacherhitzungseinrichtung 20 im einzelnen zeigt. ■ ■ ■ ■ ■ ■'

Die Nacherhitzungseinrichtung weist ringförmige, als Rippen 21 mit V-förmigem Querschnitt ausgebildete Flammenhalter auf, welche mittels Radialstreben 22 im heißen Hauptstrom gehalten werden. Stromauf dieser Flammenhalter 21 wird mittels Brennstoffeinspritzvorrichturigcn 23 Brennstoff in den Heißgasstrom eingespritzt. Die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 23 werden von einem Verteilerrohr 24 aus mit Brennstoff gespeist und mittels einer Radialstrebe 25 im Heißgasstrom gehalten.

Außerdem weist die Nacherhitzungseinrichtung ein kegelstumpfförmiges Flammrohr 30 auf, welches vom stromabwärtigen Ende der Innenwandung des Nebenstromkanals 10 zum stromabwärtigen Ende der äußeren Nebenstromkanalwandung stromabwärts divergiert. Die Flammrohrwandung ist mit sich über den größten Teil der Flammrohrlänge erstreckenden, gleichmäßig am Flammrohrumfang geteilten Schlitzen versehen, zwischen welchen Wandungsstege 31 verlaufen. Das stromabwärtige Flammrohrende ist mittels einer Ringleiste 32 am stromabwärtigen Ende der äußeren Nebenstromkanalwandung befestigt und das stromaufwärtige Flammrohrende 33 ist mit Hilfe einer Gleitdichtung relativ zur inneren Nebenstromkanalwandung verschieblich gelagert. Am Flammrohrumfang ist mit gegenseitigen Umfangsabständen eine Vielzahl von weiteren Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 36 angeordnet, welche über ein Brennstoffverteilerrohr 35 gespeist werden. Mittels dieser weiteren Einspritzvorrichtungen 36 kann Brennstoff in die zwischen den Flammrohrwandungsstegen 31 verlaufenden Schlitze eingespritzt werden.

Das den Nebenstromkanal abschließende Flammrohr 30 läßt aufgrund seiner Konstruktion die Nebenstromluft in Form von schräg radial einwärts gerichteten Strahlen durch die Flammrohrwandungsschlitze hindurch in den Hauptstrom einströmen. Die zwischen den Schlitzen verlaufenden Wandungsstege 31 bilden Strömungshindernisse für die Nebenstromluft und erzeugen dadurch hinter sich stabilisierte Wirbelzonen, in welche ein Teil der Nebenstromluft hineingelangt und in welchen der am Flammrohrumfang eingespritzte Brennstoff verbrannt wird. Die Wandungsstege 31 wirken daher als Flammenhalter und erzeugen ein gleichförmiges stabilisiertes Verbrennungsbild am Flammrohrumfang. Die Wandungsstege 31 schützen die stabilisierten Kaltluftbrennzonen vor dem unmittelbaren schädlichen Zutritt der kalten Nebenstromluft.

Das stromaufwärtige Ende 33 der Flammrohrwandung ist V-förmig nach innen umgebogen und erzeugt daher hinter sich eine weitere Wirbelzone, in welche ein Teil des heißen Hauptstromes radial nach außen hineinströmt, wodurch die Mischung der beiden Ströme unterstützt und eine weitere Flammenzone zur Verbrennung von Brennstoff in den beiden Strömen geschaffen wird. Es kann auch Brennstoff in diesen vom umgebogenen Flammrohrende erzeugten stabilen Bereich eingespritzt werden.

Die Nacherhitzungseinrichtung kann während des Betriebs des Triebwerks wahlweise durch Zuführen von Brennstoff oder Absperren der Brennstoffzufuhr betrieben oder außer Betrieb gehalten werden. Bei abgeschalteter Nacherhitzungseinrichtung wirkt das Flammrohr 30 als Mischgerät zur intensiven Durchmischung der verhältnismäßig kalten Nebenstromluft mit dem heißen

Hauptstrom, wodurch der Vortriebsschub erheblich verbessert wird, ■·.■.-: : ., ■ ■ ' -.-:.■. ■ .■ _:. ■.■

Im Betrieb berücksichtigt die Nacherhitzungseinrichtung die aufgrund der verschiedenen Temperaturen des Hauptstromes und des Nebenstromes gegebenen unterschiedlichen Verbrennungsbedingungen, indem durch die im Hauptstrom angeordneten Flammhalter 21 stabilisierte Verbrennungszonen für den Hauptstrom und durch die Wandungsstege 31 stabilisierte Verbrennungszonen für den verhältnismäßig kalten Nebenstrom erzeugt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Nacherhitzungseinrichtung für Nebenstrom-Gasturbinenstrahltriebwerke, mit einer am stromabwärtigen Ende des Nebenstromkanals angeordneten Vorrichtung zum Mischen des Nebenstromes mit dem heißen Hauptstrom bei gleichzeitiger Herstellung stabilisierter Flammenbereiche, weiterhin mit einer im Hauptstromkanal angeordneten Brennstoffeinspritzvorrichtung und stromab davon im Hauptstrom ^:ian|eofilneten:_;JFfammenhaltern, ,d aid u rc h g"e k^i:'e n«n z'e-i c^;h riet; daß die Str'ömüngsmisch- und Flammenstabilisierungsvorrichtung ein kegelstumpfförmiges, vom" stromabwärtigen Ende der inneren Nebenstromkanalwandung zum stromabwärtigen Ende der äußeren Nebenstromkanalwandung stromabwärts divergierendes Flammrohr (30) aufweist, wobei die Flammrohrwandung mit sich über den größten Teil der Flammrohrlänge erstrekkenden, am Flammrohrmantel gleichmäßig verteilten Schlitzen versehen ist, und daß eine weitere Brennstoffeinspritzvorrichtung (36) an der Außenseite des Flammrohres zur Einspritzung von Brennstoff in die, die Schlitze durchströmende Luft aus dem Nebenstromkanal angeordnet ist. ...

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stromaufwärtige Ende (33) der Flammrohrwandung V-förmig nach innen umgebogen ist.