DE1929370A1

DE1929370A1 - Verbrennungseinrichtung

Info

Publication number: DE1929370A1
Application number: DE19691929370
Authority: DE
Inventors: Bryce William Dean
Original assignee: SECRETARY TECHNOLOGY BRIT
Current assignee: SECRETARY TECHNOLOGY BRIT
Priority date: 1968-06-10
Filing date: 1969-06-10
Publication date: 1969-12-11
Also published as: GB1212746A; FR2011022A1; US3618318A

Description

Der Minister für Technologie in der Regierung Ihrer Majestä⁴: der Königin der Vereinigten Königreiche von Großbritannien und Nordirland, Millbank Tower, Millbank, London S.W.l, England

Verb rennungs einri chtung

Die Erfindung betrifft Verbrennungseinrichtungen, bei welchen eine Flammenstabilisierungszone innerhalb einer schnellen Gasströmung dadurch erreicht wird, daß von einem in dieser Gasströmung angeordneten Körper die Grenzschicht strömung entsprechend abgelöst wird.

Bei Turbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge kann man bekanntlich zusätzliche Schubkraft dadurch erzeugen, daß

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man in einem Nachbrenner zusätzlich Brennstoff verbrennt. Bei derartigen Einrichtungen verwenden man ;;eit lan _:~eui feststehende Leitbleche, welche an ihren Ablaufkasten staoile Turbulenzzonen oder Rückströmun^szonen er^eu^en, in welchen sich stabile Flammen von selbst erhalten. Derartige Leitbleche stellen jedoch während der Zeiträume, während welcher der Nachbrenner nicht in Betrieb ist, einen unerwünschten Strömungswiderstand dar. Eine der gebräuchlicheren Formen feststehender Leitbleche besteht in einer im Vuerschnitt V-förmigen Rinne, deren Scheitel in dem Srrömungsmittelstrom stromaufwärts v/eist, wobei die außerordentliche Einfachheit dieses Aufbaues gewisse Nachteile offenbar zurücktreten läJ3t. Durch Einstellen der beiden Schenkel des Y-Profiles auf einen von ihnen eingeschlossenen Winkel von etwa 45° oder je nach der Strömungsgeschwindigkeit etwas weniger, kann ein vernünftiger Kompromiß zwischen Strömungswiderstand und Schaffung einer geeigneten Rückströjnungszone erzielt werden .

Dennoch kann der Leitblechwiderstand kritische Werte annehmen, wenn die gesamte zur Verfugung stehende Hachbrenner- - energie eingesetzt wird. Ferner ist ein Naehbrennersystem sehr erwünscht, welches während seines Nichtbetriebes einen geringen Druckverlust aufweist, vorausgesetzt, daß die sich aus anderen Gründen ergebenden Nachteile nicht zu schwerwiegend sind.

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Durch die -,rfinduns soll die Aufgabe gelöst werden, bei Verbrennungseinrichtungen der eingangs erwähnten Art eine ausreichende Flammenstabilisierung und gleichzeitig geringstmögliche Druckverluote zu erzielen, ohne hierbei andere Nachteile in Kauf nehmen zu nüssen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine Verbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung durch mindestens ein in einem Gasströnaungskanal angeordnetes Element, ferner durch einen mit Abstand zu diesem Element angeordneten Strömungsteiler und durch Mittel zur beliebigen Beeinflussung der an der Außenfläche des genannten Elementes vorhandenen Grenzschichtströmung in der Weise, daß mindestens ein Teil der Haupüströmung des Gasströmungskanales abgelenkt und eine Kachströmung mit einer stabilen Turbulenzzone erzeugt wird, gekennzeichnet.

Vorzugsweise sind gemäß der Erfindung zwei der genannter. Elemente vorgesehen und mit Abstand zueinander angeordnet ^„ vind vorzugsweise befindet sieh der Strömungsteiler zwischen diesen beiden Elementen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbr.enn.un3seinrichtung sind die genannten Elemente und der Strömungsteiler als ringförmige Anordnung konzentrisch zueinander angeordnet.

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Ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennüngseinriehtung nach der Erfindung wird nun mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben/ in welcher schematisch im Axialschnitt ein Teil eines Nachbrennerkanales mit einer in diesem angeordneten erfindungsgemäßen Flammenhaltungseinrichtung dargestellt ist.

Der in der Zeichnung schematisch dargestellte Nachbrennerkanal weist ein zylindrisches Gehäuse 1 auf, welches sich zwischen einem nicht dargestellten Turbinenauslaß und einer ebenfalls nicht dargestellten Schubdüse erstreckt, wobei die durch Pfeile angedeutete Richtung des Gasstromes mit Bezug auf die Zeichnung von links nach rechts verläuft. Innerhalb dieses Kanales 1 sind zwei ringförmig verlaufende Rohre 2, > und ein zwischen diesen beiden Rohren vorgesehener, ringförmiger Strömungsteiler 4 konzentrisch zueinander, angeordnet. Der Strömungsteiler 4 weist einen im Querschnitt beispielsweise keilförmigen Ring auf, dessen Keilspitze entgegen der Strömungsrichtung etwas über die Profilvorderkanten der beiden Rohre 2 und > hinausragt und dessen Schmalseite etwa in der Ebene der Rohrmitten liegt.

In dem mit Bezug auf die Kanalachse und die Strötnungsrichtung durch diesen Kanal hinteren, inneren Quadranten des Rohres 2 sind zwei in Rohrrichtung verlaufende Reihen, mit geringem Abstand zueinander angeordnet^ radial gebohrte

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•Durchtrittsöffnungen 5, 6 gebildet, wobei die beiden öffnungsreihen mit Bezug auf die Rohrachse unter einem Winkel von etwa 30° zueinander angeordnet sind. In gleicher Weise sind in dem rückwärtigen, äußeren Quadranten des Rohres 3 In zwei in Rohrrichtung verlaufenden Reihen öffnungen 7 und 8 gebohrt, so daß die in den beiden Rohren 2 und 3 gebildeten öffnungen 5, 6 und 7, 8 an den einander gegenüberliegenden Seiten des zwischen diesen, beiden Rohren gebildeten Strömungsweges angeordnet sind.

Unter normalen Betriebsbedingungen bewirken die von der Gasströmung des Nachbrennerkanales 1 umströmten Rohre und 3 und der Strömungsteiler 4 nur eine geringe Störung dieser Gasströmung, wie dies im unteren Teil der Zeichnung dargestellt ist. Wenn eine Nachbrennung erforderlich ist, wird das Innere der Rohre 2 und 3 mit Unterdruck beaufschlagt, wodurch über die öffnungen 5, 6, 7 und 8 die Grenzschicht der über diese Rohre hinwegströmenden Gasströmung abgezogen | wird, was zur Folge hat, daß die Gasströmung an den Außenflächen derjenigen Rohrquadranten haftet, die mit Bezug auf die normale Grenzschichtablösungsstelle stromab liegen, wodurch diese Gasströmung abgelenkt und eine Turbulenz hervorgerufen wird* was in der im oberen Teil der Zeichnung dargestellten Weise stabile Rezirkulationszonen bzw. Rückströmungszonen zur Folge hat, wobei der Strömungsteiler kleineStrömungsdiffusion verhindert. Stromauf der Rohre 2,

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in den Nachbrennerkanal 1 eingespritzter Brennstoff kann in bekannter Weise gezündet v/erden, wobei sich die so gezündete Nachbrennerflamme in der Rückströmun^szone so lange von selbst erhält, wie die Gasströmung des Nachbrennerkanal.es aufgrund der vorstehend genannten Saug- "bzw. Untierdruckwirkung abgelenkt wird.

Eine Steuerung bzw. Regelung der Grenzschichtströrnun.^ kann auch dadurch erreicht werden, daß über die Au3enflächen der Rohre 2 und 3» über welche bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der genannte Unterdruck zur Wirkung kam, Gas- bzw. Luftströme hinweggeblasen werden, zu welchem Zwecke in den Rohren 2 und 3 anstelle der Rohröffnungen 5, 6, 7 und δ an den gleichen Stellen enge, in Rohrrichtung verlaufende Schlitze gebildet sein können. Bei der gleichen Steuerströmungsmenge sind die bei Anwendung der genannten Saug- bzw. Unterdruckwirkung auftretenden Verluste aufgrund der niedrigeren Drücke und demzufolgende höheren Strömungsgeschwindigkeiten größer als die bei der nunmehr zu beschreibenden Ausführungsform auftretenden Verluste, bei welcher über die Rohröffnungen Gas. bzw. Luft ausgestoßen wird. Dieser-Vorteil wird jedoch zumindestens teilweise durch die Energie wieder aufgehoben, die zum Verdichten der über die Rohr- ^: Öffnungen in den Nachbrennerkanal 1 auszustoßenden Luft erforderlich ist, während die Unterdruck- bzw. Saugwirkung der erstgenannten Ausführungsform nach der Erfindung -leiefit

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dadurch erreicht werden kann, daß man die Rohre mit Bereichen niedrigeren Druckes des Triebwerkes verbindet.

Eine Nebenwirkung ist beim Einblasen von Luft dadurch gegeben, daß die Gemisehstärke in der Ruckströmungszone geschwächt wird. Andererseits wird jedoch bei Anwendung der genannten Unterdruck- bzw. Saugwirkung zusammen mit der abgezogenen Luft der Grenzschichtströmung jeweils auch etwas Brennstoff mit abgezogen. ^

Der erreichbare Querschnitt der Ruckströmungszone entspricht etwa dem Gesamtquerschnitt der Flammenhaltungseinrichtung, d. h. dem Abstand zwischen dem radial innersten Punkt des Rohres 3 und dem radial äußersten Punkt des Rohres 2, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Dieser Rückströmungsbereieh entspricht dem mit einem V-förmigen Leitblech gleicher radialer Weite erzielbaren Ruckstromungsquerschnxtt, wobei bei einem solchen V-förmigen Leitblech jedoch der Strömungswiderstand der freien Strömung etwa um das I,j5-fache größer ist. Zusätzlich hierzu verstopft die Einrichtung nach der Erfindung mit Bezug auf das bekannte Leitblech den Gasströmungskanal 1 nur etwa zur Hälfte, da die erfindungsgemäße Einrichtung, halbiert ist, wodurch.Einrichtungen, die bis zu 30 % des Querschnittes des Gasströmungakanales 1 einnehmen können, gemäß der Erfindung einen Verlustkoeffizienten des Gasströmungskanales zur Folge haben, der nur etwa

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zwei Drittel so groß wie der mit einem vergleichbaren Leitblech der genannten Art erzielbare Verlustkoeffizient ist, wodurch der gemäß der Erfindung erzielbare Druckverlust,

• wenn der Nachbrenner nicht in Betrieb ist, nur etwa zwei

• Drittel so groß wie der sich bei Verwendung eines üblichen Leitbleches ergebende Druckverlust ist.

Dem Fachmann ergeben sich anhand der Beschreibung, der Patentansprüche und der Zeichnung selbstverständlich weitere im Rahmen der Erfindung liegende Äbwandlungsmöglichkeiten. Beispielsweise können die genannten Rohre zwei parallel zueinander angeordnete Rohre sein, die quer durch den Gasströmungskanal 1 hindurchverlaufen, in welchem Falle dann der Strömungsteiler ebenfalls ein geradliniges, zwischen den beiden parallelen Rohren angeordnetes Element ist. Je nach Ausführungsform können diese Rohre wiederum entweder mit Unterdruck oder mit—Überdruck beaufschlagt werden, so daß aus dem Gaskanal entweder Gas abgezogen oder über die Rohre ein Gasstrom eingeblasen wird.

Nötigenfalls kann über den ganzen Querschnitt des Gasstromungskanales 1 hinweg eine Vielzahl solcher Rohrpaare angeordnet sein.

In einigen Fällen kann es auch ausreichen, wenn nur ein einziges Rohr und ein mit Abstand zu diesem angeordneter

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. Strömungsteiler verwendet werden..

Anstelle eines kreisrunden Querschnittes können die ^N Rohre selbstverständlich auch einen anderen Querschnitt haben, durch welchen der von diesen Rohren auf die freie Gasströmung ausgeübte Widerstand verringert wird. Abweichend hiervon können die Rohre auch eine widerstandsverringernde Verkleidung aufweisen.

Erfindungsgemäße Plammenhaltungseinrichtungen der vorstehend beschriebenen Art sind selbstverständlich nicht auf ihre Verwendung in Nachbrennern beschränkt, sondern können beispielsweise auch in Beipaßkanälen von Turbogebläsen Anwendung finden, bei welchen es erwünscht ist, durch die Brennstoffverbrennung in diesen Beipaßkanälen intermittierend zusätzliche Energie zu erzeugen.

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Claims

Patentansprüche

\ \.JVerbrennungseinrichtung, gekennzeichnet durch mindestens ein in einem Gasströmungskanal (1) angeordnetes Element (2, 3), ferner durch einen mit Abstand zu diesem Element angeordneten Strömungsteiler (4) und durch Mittel (zu 5, 6, 7, 8) zur beliebigen Beeinflussung der an der Außenfläche des genannten Elementes vorhandenen Grenzschichtströmung in der V/eise, daß mindestens ein Teil der Hauptströmung des Gasströmungskanales abgelenkt und eine Nachströmung mit einer stabilen Turbulenzzone erzeugt wird.
2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der genannten Elemente (2, 3) vorgesehen und mit Abstand zueinander angeordnet sind, daß ferner beide Elemente in der genannten Weise jeweils Mittel zur Beeinflussung ihrer Grenzschichtströmung aufweisen und daß der ^tr^murigstetlei?-(Al__zwi sehen diesen beiden Elementen angeordnet ist. ' -------
3. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die genannten Elemente jeweils die Form von Rohren (2, J5) haben oder solche Rohre aufweisen, daß ferner diese Rohre aus ihnen herausführende Öffnungen (5, 6, 7, 8) aufweisen und daß das Innere des bzw. der Rohre mit Unterdruck als Mittel zur Beeinflussung der

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Grenzschichtströmung beaufschlagbar ist.
4. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringförmig verlaufende, konzentrisch angeordnete Rohre (2, 3) und eirv zwischen diesen, angeordneter Strömungsteiler (4) vorgesehen sind und daß die genannten Rohröffnungen mit Bezug auf die Kanalströmung in den rückwärtigen einander gegenüberliegenden Rohrquadranten zu beiden Seiten des zwischen den beiden Rohren gebildeten Strömungsweges liegen.
5. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Rohr (2, 3) zwei in Rohrrichtung verlaufende Reihen Öffnungen (5, 6, 7/-8.) gebildet sind. .
6. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Öffnungsreihen der ei"nzelnenr-^önre~^27~3) mit der Achse des jeweils zugehörigen Rohres in der Rohr-Querebene einen Winkel von etwa 30° einsehließen.
7. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten beiden Elemente die Form von Rohren (2, 3) haben oder solche Rohre aufweisen, daß ferner in den mit Bezug auf die Kanalströmung rückwärtigen

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zu beiden Seiten des zwischen den beiden Rohren gebildeten Strömungsweges einander gegenüberliegenden Rohrquadranten in Rohrrichtung verlaufende, enge Durchtrittsschlitze gebildet sind und daß aus den Durchtrittsschlitzen heraus Gas, beispielsweise Luft, als Mittel zur Beeinflussung der Grenzschichtströmungen über die Außenflächen der Rohre hinweg ausstoßbar ist.
8. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohr (2, J5) zwei Reihen Durchtrittsschlitze aufweist und daß die beiden Schlitzreihen mit der Achse des zugehörigen Rohres in der Rohr-Querebene einen V/inkel von etwa j50° einschließen.
9. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsteiler (4) im Querschnitt etwa .keilförmig und derart angeordnet ist, daß die Keilspitze mit Bezug auf die Kanalströmung stromauf gerichtet ist.

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