DE2153085A1

DE2153085A1 - Brennkammer, insbesondere Ringbrenn kammer

Info

Publication number: DE2153085A1
Application number: DE19712153085
Authority: DE
Inventors: Stanley Joseph East Hart ford Conn Markowski (V St A) F02c 9-04
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1970-10-26
Filing date: 1971-10-25
Publication date: 1972-04-27
Also published as: CA954313A; AU451788B2; SE7401957L; US3788065A; FR2112339A1; SE389893B; GB1314970A; FR2112339B1; AU3177971A

Description

DR.-PHIL. G. NICKLL · DR.-ING. J. DORNLR

8 MÖNCHEN 15 LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104

TEL. (0811) 555719

München, den 19.Oktober 1971 Anwaltsaktenz.: 14 - Pat. 98

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford, Connecticut 06108, Vereinigte Staaten von Amerika

Brennkammer, insbesondere Ringbrennkammer.

Die Erfindung bezieht sich auf die Beeinflussung der Vermischung mindestens zweier in thermodynamischer und aerodynamischer Hinsicht unterschiedlicher Strömungsmittel und insbesondere auf die Ausnutzung einer Drallströmung zwischen zwei unterschiedlichen Strömungsmitteln in einer Ringbrennkammer, beispielsweise im Bereich des Brenners oder des Nachbrenners von Turbinentriebwerken, um auf diese Weise sowohl den Verbrennungsvorgang als auch die Temperaturverminderung der Verbrennungsprodukte im Verdünnungs- oder Mischungsabschnitt der Brennkammer zu beschleunigen.

Im Brennkammer- und Brennerbau ist es bekannt, die Verbrennung in einer zylindrischen Kammer durchzuführen, indem ein Strahl fein zerstäubten Brennstoffs in der Mitte der Brennkammer abgegeben wird, während die Luft um den Sprühstrahl herum durch ein Schaufelgitter mit einer Tangentialgeschwindigkeit V₊ eingeführt wird, so daß sich aus dem zerstäubten Brennstoff und dem Luft-Wirbelstrom eine Rezirkulationszone zur besseren Durchmischung ergibt. Diese Rezirkulationszone entsteht, weil der Drehimpuls oder Drall der Luft proportional zum Produkt aus der Tangentialgeschwindigkeit V₊₁ und dem Radius des be- · treffenden Luftteilchens mit Bezug auf die Mittelachse des

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Brenners ist. Luftteilchen, die sich, daher nahe oder in der Brennerachse befinden, besitzen einen minimalen oder keinen Abstand von dieser Achse mehr, so daß für einen bestimmten Drallwert die Tangentialgeschwindigkeit gegen Unendlich strebt, was die Wirkung hat, das nicht rotierende oder wirbelnde Sekundärluft um die Rezirkulation'szone herum zur Vermischung mit der zirkulierenden Brennstoff-Luft-Mischung stromabwärts von der Rezirkulationszone eingebracht wird und zur Kühlung der Brennkammerwände dient, wie beispielsweise der US-Patentscarift 3 498 055 zu entnehmen ist.

Die bekanntermaßen verwendeten Brenner können als Topfbrenner bezeichnet werden, da sie zylindrische Gestalt besitzen oder man kann die betreffenden Brennkammern als Topf-Ringbrennkammern bezeichnen, da sie eine Reihe topffö'rmiger Einlaßabschnitte besitzen, die sich in einen ringförmigen Hauptabschnitt öffnen. Das Drallsystem zur Erzeugung einer Rezirkulationszone wird in beiden Brennkammerkonstruktionen ausgenützt.

Das Prinzip der Ausnützung des Dralls zur Erzeugung einer Rezirkulationszone läßt sich aber in Ringbrennkammern nicht verwenden, da sämtliche Abschnitte des Verbrennungsbereiches beträchtlichen Radius besitzen, weshalb erfindungsgemäß, was hier vorausgeschickt sei, zu dem entsprechenden Zweck, eine Ineinanderführung mit Drall strömender Schichten unterschiedlicher Strömungsmittel vorgesehen wird.

Aus den US-Patentschriften 3 030 773 und 2 473 347 ist es bekannt, eine Wirbelströmung oder Drallströmung in Brennkammern vorzusehen, doch handelt es sich hier um zylindrische Brennkammern oder topfartige Brennkammern und aus den genannten Schriften ist nicht die Lehre zu entnenmen, eine unstabile Trennfläche zwischen zwei jeweils einem Drall besitzenden unterschiedlichen Strömungsmittelströmen zum Zwecke der beschleunigten Mischung und Verbrennung zu erzeugen, indem jeweils eine solche Dichte und Tangentialgeschwindigkeit V^ des Strömungsmittelstromes erzeugt und/oder eingestellt wird,"

_ 2 —

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daß sich unterschiedliche Parameter der beiden Strömungsmittel-

2 ströme entsprechend den Produkten ^ . V-fc ergeben. Übliche topfartige oder zylindrische Brenner als Nachbrenner sind beispielsweise der US-Patentschrift 2 934 894 zu entnehmen-s-

Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Art der Drallströmung zur Erzeugung einer Rezirkulationszone in einem zylindrischen Brenner oder einem topfartigen Brenner oder auch in einer Eingbrennkammer mit einer Vielzahl im wesentlichen zylindrischer, am Umfang aufgereihter Brennertöpfe mit Brennstoffdüsen entsprechend der Ausführung nach der US-Patentschrift 3 000 183 wird bei anderen normalen Brennkammern eine Drallströmung im allgemeinen verhindert und zu diesem Zwecke sind eine geradlinige Strömung erzwingende Leitbleche vorgesehen.

Eine Drallströmung für Brennkammern wurde allerdings manchmal schon vorgeschlagen, unter anderem in der US-Patentschrift 2 755 623, welcher die Lehre zu entnehmen ist, ein

in Brennstoff-Luftgemisch zur Verbesserung der Verbrennung?einer Drallströmung oder einem Wirbel durch eine Brennkammer zu führen. Es handelt sich bei diesem bekannten Vorschlag aber nur um einen einzigen Wirbelstrom und die verbesserte Mischung und beschleunigte Verbrennung, wie sie erfindungsgemäß entsprechend der vorstehenden Andeutung erzielt wird, kann daher nicht erreicht werden.

Aus der US-Patentschrift 3 078 672 ist eine Konstruktion bekannt, bei welcher ein Luftwirbel durch einen Topfbrenner geführt wird und eine dichte Schicht oder ein Film des Brennstoffs längs der Innenfläche der Brenneraußenwandung läuft, um zu verdampfen und zusammen mit der wirbelnden Luft an der Außenwandung zu verbrennen. Die Verbrennung findet an der Trennfläche zwischen der Luft un dem Brennstoff an der Außenwandung der Brennkammer statt und die Verbrennungsprodukte bewegen sich zur Mischung nach einwärts und zirkulieren in einem Kanal. Eine Mischung und beschleunigte Verbrennung zweier unterschiedlicher Strömungsmittelströme durch Beeinflussung der die genannten Parameter bildenden Produkte ist

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bei der bekannten Konstruktion nicht vorgesehen. Die US-Patentschrift 3 393 516 zeigt schließlich eine Strömung längs eines gekrümmten Weges im Abgasstrahl-Ablenker eines Turbinen-Gebläsetriebwerkes, doch ist festzustellen, daß hier keine Mischung und Verbrennung im gekrümmten Strömungsmittelstrom stattfindet, da solches hier als nachteilig anzusehen wäre.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Mischung zwischen zwei unterschiedlichen Strömungsmittelströmen in einer Brennkammer, insbesondere einer Ringbrennkammer zu verbessern. Eine Verbesserung der Mischung in der Verbrennungszone der Brennkammer soll die Verbrennung durch Erhöhung der Mischungsgeschwindigkeit zwischen dem Brennstoff-Luft-G-emiseh " und den heißen Gasen beschleunigen und eine Verbesserung der Mischung in der Verdünnungszone oder Beimischzone einer Brennkammer soll die Mischung in diesem Bereich zwischen den Verbrennungsprodukten und der kühlenden Luft beschleunigen, um die Herabsetzung der Temperatur in kürzerer Zeit zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfinüungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strömungsmittel als aneinandergrenzende, mindestens abschnittsweise jeweils einen Drall aufweisende Strömungsmittelströme durch einen Strömungskanal hindurchführbar sind und

2
daß ein vom Parameter 9i"^t1 ^^{es e}i^nen Strömungsmittel stromes verschiedener Parameter ^ 2 anderen Strömungsmittelstromes zur besseren Mischung der Strömungsmittel erzeugbar ist, worin fy* und ?£ ρ ^^e jeweilige Dichte des einen bzw.· des anderen Strömungsmittels und V^ und V.ο die jeweilige Tangentialgeschwindigkeit des einen bzw. des anderen Strömungsmittelstromes bedeuten.

Bekanntlich ist eine begrenzende Größe für die Verbrennung die jeweilige Mischung. Die Zeitdauer oder die Brehnkammerlänge, welche zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung erforderlich ist, kann durch die Brennkammerlänge beeinflußt werden, welche notwendig ist, um die heißen Gase und das kühle Brennstoff-Luft-Gemisch miteinander zu vermischen.

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Eine beschleunigte Vermischung sowohl im Verbrennungsabschnitt als auch in dem Verdünnungsabschnitt bewirkt eine Verkürzung der Brennkammerlänge und damit eine Verringerung von Länge und Gewicht des gesamten Triebwerkes.

Die vorstehend erwähnten Produkt-Parameter können unterschiedlich gewählt, eingestellt und/oder verändert werden, um eine unstabile Trennfläche zwischen den mindestens zwei aneinandergrenzenden, wirbelnden oder einen Drall aufweisenden Stromungsmittelströmen zu erzeugen.

Vorzugsweise wird der oder jeder Produkt-Parameter der oben angegebenen Art so gewählt oder eingestellt und/oder verändert, daß der Produktparameter des Strömungsmittels, das in geringerem radialen Abstand zur Brennkammerachse strömt, größer ist als der Produkt-Parameter des Strömungsmittels, das mit größerem radialen Abstand zur Brennkammerachse strömt, so daß die Mischungsgeschwindigkeit in der Brennkammer durch

das Verhältnis 2 , \

η V-^ (innere Strömung)

H V^ (äußere Strömung) gegeben ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Trennfläche zwischen ungleichen, wirbelnden Strömungsmitteln in einer Brennkammer so vorgesehen oder eingestellt werden, daß in der Brennkammer eine Verbrennung von außen nach innen stattfindet.

Die erfindungsgemäße beschleunigte Vermischung für die anschließende Verbrennung oder die beschleunigte Vermischung für die Verdünnung läßt sich in verschiedenen Brennkammerkonstruktionen verwirklichen, beispielsweise bei Brennkammern, deren Mischungsabschnitt eine konzentrische Strömung aufweist, bei Brennkammern mit einem sogenannten Barberpole-Mischer und bei gebogenen Rohrbrennkammern oder sogenannten zusammengefalteten Brennkammerkonstruktionen.

Entsprechend bestimmten Ausführungsformen der Erfindung

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kann deren Grundgedanke auf Brennkammern mit einer Verbrennungszone und einer Verdünnungszone angewendet werden, wobei entweder eine oder beide Zonen eine konzentrische Mischerkonstruktion, eine 'Barberpole"-Mischerkonstruktion oder einen Mischer entsprechend einem gebogenen Rohr aufweisen und diese ,Mischerkonstruktionen können jeweils in Verbindung mit einer in üblicher Weise ausgebildeter Verbrennungszone oder Verdünnungszone verwendet werden.

Ferner ist darauf hinzuweisen, daß bei den erfindungsgemäßen Brennkammern mit den zuvor erwähnten Mischerkonstruktionen oder Kombinationen von Mischerkonstruktionen die Verbrennung sowohl nach dem Prinzip der Vormischung als auch nach dem Diffusionsprinzip stattfinden kann.

Durch die Erfindung werden auch bauliche Einrichtungen zur Wahl, Einstellung oder Veränderung der Richtung zweier zueinander konzentrisch geführter Strömungsmittelströme unterschiedlicher thermodynamischer und aerodynamischer Zustände geschaffen, derart, daß der oben definierte Produkt-Parameter des radial weiter innen strömenden Strömungsmittelsiromes größer als der entsprechende Parameter des außen strömenden Strömungsmittelstromes ist.

. Die Erfindung umfaßt auch den Vorschlag, in einer Ring-

brennkammer, bei welcher die Verbrennungszone und die Verdünnungszone in axialer Richtung aufeinanderfolgen, die einzelnen Teilströme in radialer Richtung parallel zueinander abgestuft zu vermischen, was sowohl in der Verbrennungszone als auch in der Verdünnungszone durchgeführt werden kann, wodurch die Gesamtlänge der Brennkammer und damit Länge und Gewicht des Triebwerkes vermindert werden.

Je nach den an die Brennkammerkonstruktion zu stellenden Forderungen lassen sich ferner verschiedene Formen von Zünd-Verbrennungsbereichen in einer konzentrischen Mischeranordnung für eine primäre Verbrennungszone ausbilden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden zur

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Störung der bereits unstabilen Trennfläche zwischen den beiden Wirbelströmen oder Drall-Strömen Aulösemittel verwendet, um die Mischung zwischen den Strömen und damit die Verbrennung oder die Kühlung zu beschleunigen.

Bei einer Ausführungsform ist eine Kombination aus Auslösemitteln und/oder Plammenlialter in einer Ringbrennkammer mit Wirbelströmung oder Drallströmung vorgesehen, um die Vermischung und Verbrennung der .um den Plammenhalter strömenden Brennstoff-Luft-Mischung mit den Verbrennungsprodukten aus der Rezirkulationszone zu beschleunigen, welche stromabwärts vom Plammenhalter erzeugt wird.

Insbesondere haben die Einrichtungen zur Auslösung der Störungen in der Trennfläche zwischen äen einen Drall aufweisenden Strömungsmittelströmen die Form gewellter und abgeschrägtor Ringe, welche zur Geräuschdämpfung und zur Kühlung der Auslöseeinrichtungen mit Bohrungen oder Vertiefungen versehen sind.

Wie bereits angedeutet, können bei den erfindungsgemäßen Brennkammern die Verbrennungszone und die Verdünnungszone, welche hintereinander liegen, so ausgebildet sein, daß in beiden Zonen die Mischung an zueinander parallel strömenden Radialbereichen vor sich geht.

Die Störung der unstabilen Trennfläche zwischen den beiden, einen Drall aufweisenden Strömungsmittelströmen kann durch eine Vielzahl von Auslösemechanismen gestört oder unterbrochen werden. Demgegenüber werden die Bedingungen für eine stabile Trennfläche zwischen einem als Oberflächenschutz für die Brennkammer dienenden Kühlluftstrom und den Verbrennungsprodukten geschaffen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Drallströmung in einer Ringbrennkammer läßt die Verwendung einer Plammenhalterkonstruktion und einer Vielzahl von Brennstoff-Einspritzeinrichtungen zu.

Eine Reihe von Ausführungsbeispielen wird nachfolgend

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unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung zweier unterschiedlicher Strömungsmittelströme, welche mit einem Drall oder als Wirbel in gesonderten, zueinander koaxialen Kanälen strömen und sich dann in einem einzigen Ringkanal vereinigten und gegenseitig durchmischen,

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung der in Figur 1 gezeigten Anordnung,

Figur 3 ein Vektordiagramm der Strömungsmittelströme, welche mit Drall in den in Figur 1 und Figur gezeigten Anordnungen und auch in anderen Anordnungen der hier beschriebenen Art anzutreffen sind,

Figur 4 eine Darstellung der Verteilung des statischen Druckes über die äußere und innere Wirbelströmung oder Drallströmung der Anordnung nach Figur 1 und Figur 2 hin,

Figur 5 eine schematische Darstellung des Mischungsvorganges, welcher zwischen zwei Strömungsmittelströmen vor sich geht, die aneinandergrenzend verlaufen und einen Drall durch Stroll mung durch ein gebogenes Rohr erhalten,

Figur 6 eine schematische Schnittdarstellung einer

"Barberpole"-Wirbelmischerkonstruktion ( als "Barberpole" wird hier eine zylindrische oder ringartige Form mit schräggestellten Linien auf der Mantelfläche bezeichnet, ähnlich dem in verschiedenen Ländern gebräulichen Geschäftszeichen von Friseurläden),

Figur 7 eine Stirnansicht von der in Figur 6 durch die Linie 7-7 angedeuteten Ebene aas,

Figur 8 einen konzentrischen Mischabschnitt einer Hingbrennkammer, bei welchem das Vormischprinzip zur Anwendung kommt, im Schnitt,

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Figur 9 eine ähnliche Darstellung wie Figur 8, jedoch von einer Konstruktion, bei der das Diffusions-Brennerprinzip zur Anwendung kommt,

Figur 10 einen Schnitt durch die "Barberpole"-Mischerkonstruktion in der Verbrennungszone einer Ringbrennkammer unter Verwendung des VQrmischungs-Brennerprinzips,

Figur 11 eine ähnliche Darstellung wie Figur 10, jedaah unter Verwendung des Diffusions-Brennerprinzips,

Figur 12 einen Vormischungsbrenner in einer Mischerkonstruktion mit einem gebogenen Strömungskanal in einer sogenannten gefalteten Brennkammer, welche vorzugsweise eine Ringbrennkammer ist,

Figur 13 eine Abbildung eines Turbo-Strahltriebwerkes für neuzeitliche Luftfahrzeuge, bei welchem die Erfindung Verwendung findet,

Figur 14 eine Schnittdarstellung einer Ringbrennkammer mit einer konzentrischen Mischerkonstruktion sowohl in der Verbrennungszone als auch in der Verdünnungszone,

Figur 15 eine einzelne Schaufel eines Leitschaufelkranzes und eines zugehörigen Betätigungsmechanismus, um den Winkel des Schaufelgitters verändern zu können, um so den Winkel zu verändern, mit welchem das die Schaufeln durchströmende Gas austritt,

Figur 16 eine Schnittdarstellung einer Ringbrennkammer, welche sowohl im Verbrennungsabschnitt als auch im Verdünnungsabschnitt eine "Barberpole"-Mischerkonstruktion aufweist,

Figur 17 einen Schnitt entsprechend der in Figur 16 angedeuteten Schnittebene 17-17»

Figur 18 eine vergrößerte Abwicklung der Außenwandung der Brennkammer bzw. des Flammrohres gemäß der Darstellung nach Figur 16 zur Verdeutli-

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chung der Orientierung der spiraligen oder schrägen Schlitze in der Flammrohraußenwandung zur Bildung der "Barberpole"-Mischerkonstruktion in der Verdünnungszone,

Figur 19 einen Schnitt zur Verdeutlichung der mit Leitblechen versehenen, schräggestellten Schlitze, die in der radial inneren Wandung der Mischerkonstruktion für die Verdünnungszone in der Anordnung nach Figur 16 vorgesehen sind, entsprechend der in Figur 16 angedeuteten Schnittlinie 19-19,

Figur 20 eine Abwandlung der schräggestellten oder

spiraligen Schlitze aus Figur 18 zur Verwendung in einer "Barberpole"-Mischeranordnung entweder für die Verbrennungszone oder die Verdünnungszone einer Hingbrennkamraer,

Figur 21 einen Schnitt durch eine Ringbrennkammer mit axial hintereinander liegenden Verbrennungsund Verdünnungszonen, wobei eine konzentrische Mischeranordnung in der Verbrennungszone und eine "Barberpole"-Mischeranordnung in der Verdünnungszone vorgesehen ist,

Figur 22 einen Schnitt durch eine Ringbrennkammer mit

einer in üblicher Weise ausgebildeten Ver-" brennungszone und einer Verdünnungszone,

die in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildet ist und nach Art eines gefalteten Flammrohres oder eines gebogenen Rohres konstruiert ist,

Figur 23 eine gegenüber Figur 14 abgewandelte Form des Primär-Verbrennungsabschnitt'es in der Mischeranordnung der Verbrennungszone,

Figur 24 eine Ausführungsform der konzentrischen

Miseheranordnung für die Verbrennungszone einer Ringbrennkammer, wobei diese Ausführungsform anstelle der entsprechenden Konstruktion' in der Anordnung nach Figur 14 verwendbar ist, .

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Figur 25 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht längs der in Figur 24 angedeuteten Schnittlinie 25-25 zur Verdeutlichung eines Flammenhaiterteiles,

Figur 26 eine gegenüber Figur 24 abgewandelte Ausführungsform der Brenner- und Mischerkonstruktion,

Figur 27 eine Figur 25 entsprechende Teil-Schnittdarstellung entsprechend der in Figur 26 angedeuteten Schnittebene 27-27,

Figur 28 eine zu Figur 27 gehörende Darstellung zur Verdeutlichung der Sekundärströmung zwischen den spiraligen Leitschaufeln,

Figur 29 eine wieder andere Form des Primär-Verbrennungsabschnittes für die Brennkammerkonstruktion nach Figur I4»

Figur 30 eine schematische Darstellung zweier jeweils einen Drall besitzender Strömungsmittelströme, welche durch Ringkanäle strömen, wobei eine Unterteilungswandung vorgesehen ist, an deren stromab gelegenen Ende sich eine Auslöseeinrichtung befindet,

Figur 31 eine Rückansicht der in Figur 30 gezeigten Konstruktion,

Figur 32 einen Schnitt durch eine Auslöseeinrichtung, welche anstelle des Auslösemechanismus entsprechend den Figuren 14 und 30 vorgesehen werden kann,

Figur 33 eine Darstellung des Auslösemechanismus gemäß Figur 32 an der zur besseren Darstellung abgewickelt wiedergegebenen Unterteilungswandung ,

Figur 34 eine andere Ausführungsform der Auslöseeinrichtung für die Konstruktion nach Figur 14»

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Figur 35 eine wieder andere Ausführungsform der Auslöseeinrichtung mit mehreren Reihen oder Anordnungen schräggestellter Schlitze an oder nahe der hinteren Kante der Trennwandung,

Figuren 36 und 37 eine Aufsicht bzw. eine Rückansicht •einer nochmals anderen Form der Auslöseeinrichtung in einer Bauart, bei welcher die Trennwandung sowohl schräggestellte oder spiralige Schlitze als auch schräg oder spiralig verlaufende Wellungen am stromabwärts gelegenen Ende aufweist, um die Auslösefunktion an der Trennfläche zwischen den wirbelnden Strömungsmittelströmen zu erfüllen,

Figur 38 wieder eine andere Form einer Auslöseeinrichtung mit einer Kombination· aus schräggestellten oder spiraligen Schlitzen und damit zusammenwirkenden, Ausnehmungen aufweisenden VprSprüngen am stromabwärts gelegenen Ende der Trennwandung zur Beschleunigung des Mischungsvorganges,

Figur 39 eine Darstellung einer unregelmäßigen Auslöse-WeHmg zum Zwecke der Geräuschunterdrückung,

Figuren 40 und 41 Ausbildungen der Ringbrennkammerwandungen, wie sie aufgrund der Drallströmung durch die Brennkammer verwendet werden können, um

eine Grenzschichtablösung an der Diffusorwand zu verzögern oder zu verhindern,

Figuren 42A und 42B Abbildungen einer Ringbrennkammer, welche mit bestimmtem Drall durchströmt wird und bei welcher ein Leichtschaufelkranz am Brennkammereinlaß vorgesehen ist, um die Stärke des Dralls oder der Wirbelung an verschiedenen radialen Stellen über das Schaufelgitter hin so einzustellen, daß eine Grenzschichtablösung vermieden wird und kürzere Diffusorabschnitte in der Brennkammer möglich

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sind, um die Länge der Brennkammer herabzusetzen,

Figuren 43 und 44 Geschwindigkeitsprofile der Axialgeschwindigkeit und der Tangentialgeschwindigkeit der Luft unmittelbar stromabwärts des Leitschaufelgitters gemäß den Figuren 42,

Figur 45 einen Schnitt einer mit einer Öffnung versehenen Vertiefung, wie sie als Auslöseeinrichtung für eine Brennkammerkonstruktion nach Figur verwendbar ist und schließlich

Figuren 46 bis 48 verschiedene Ringbrennkammerkonstruktionen mit einer radial abgestuften Verbrennung zur Verminderung von Brennkammerlänge und Triebwerkslänge und zur Verbesserung der Leistungsregelung des Triebwerks.

Zum besseren Verständnis scheint es wünschenswert, zunächst auf die der Erfindung zugrunde liegende Theorie kurz einzugehen.

Die im Zusammenhang mit der Erfindung gemachten Beobachtungen bezüglich des dynamischen Verhaltens zueinander konzentrischer, ungleicher Wirbelströme oder Drall-Strömungen haben gezeigt, daß an der Trennfläche zwischen den Strömungen eine Instabilität auftritt, welche zur Erhöhung der Mischgeschwindigkeit zwischen den betreffenden, ungleichen Strömungsmitteln verwendet werden kann und welche daher für den Brennkammerbau außerordentlich interessant ist, da hierdurch die Verbrennung durch Erhöhung der Mischgeschwindigkeit und damit die effektive Flammengeschwindigkeit beschleunigt werden kann und da außerdem die Mischung beschleunigt wird, welche in der Verdünnungszone stattfindet, in welcher die Verbrennungsprodukte durch Vermischung oder Verdünnung mit Kühlluft abgekühlt werden, bevor sie in die Turbine eintreten. Der hier verwendete Ausdruck '"ungleiche Strömungsmittel" soll solche Strömungsmittel bezeichnen, welche in thermodynamischer und aerodynamischer Hinsicht ungleich sind.

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Anhand der Zeichnungsfiguren 1 und 2 soll die zuvor erwähnte Instabilitätserscheinung zusammen mit ihren kennzeichnenden Eigenschaften erläutert werden. In diesen Zeichnungen sind zwei ungleiche Strömungsmittelströme gezeigt, welche zueinander konzentrisch als Wirbelströme oder Drall-Strömungen ausgebildet sind umd zunächst" durch eine zylindrische Trennwandung 10 voneinander isoliert sind, wobei diese Trennwandung zwischen zylindrischen Wandungen 12 und 14 angeordnet ist, so daß die Wandungen 10, 12 und 14 sämtlich konzentrisch zur Mittellilie oder Mittelachse 16 gelegen sind und konzentrische Ringkanäle 18 und 20 "begrenzen. Während der radial äußere Strömungsmittelstrom als der heiße Strömungsmittelstrom und der radial innere Strom als der kalte Strömungsmittelstrom bezeichnet werden, muß dies nicht unbedingt der Fall sein.

Wenn die wirbelnden Strömungsmittelströme stromabwärts über das Ende 22 der Trennwandung 10 hinauswandern, entsteht zwischen den Strömen eine Trennfläche 24· Wie am besten aus Figur 3 zu ersehen ist, kann die Geschwindigkeit jedes Strömungsmittelstromes durch ein Vektordiagramm aufgezeichnet werden, worin V die Axialgeschwindigkeit, V-^ die Tangentialgeschwindigkeit und V die tatsächliche Geschwindigkeit in der angezeigten Richtung bedeuten. Auf ein Strömungsmittel, das sich in dieser Weise bewegt, wirken in erster Linie zwei Arten von Kräften beträchtlicher Größe, nämlich die Zentrifugal-P kräfte und die Kräfte aufgrund des Druckgradienten, welcher in dem Kanal herrscht, den das betreffende,. Strömungsmittel durchströmt. Für einen gegebenen Radius ist die Zentrifugalkraft F_n proportional zur Masse des Strömungsmittels und damit zur Dichte ^ des Strömungsmittels sowie auch zum Quadrat der Tangentialgeschwindigkeit oder Tangentialgeschwindigkeitskomponente V-j. des Strömungsmittels. Die auf dem Druckgradienten beruhende Kraft F ist proportional zum radialen Druckgradient und beruht auf dem radialen Unterschied des statischen Druckes an der in radialer Richtung projizierten Fläche eines Strömungsmittelelementes. Während des Durchganges der beiden Strömungsmittelströme durch die Ringkanäle 20 und 18 sind die genannten Kräfte im Gleichgewicht, wie in Figur 1 bezüglich

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der Strömungsmittelelemente 26 und 28 angedeutet ist und die Strömungsmittel folgen ihrem spiraligen Strömungsweg.

Stromabwärts von der Trennwandung 10 treten die beiden Strömungsmittelströme in den gemeinsamen Ringkanal 30 ein und ge'langen in unmittelbare Berührung miteinander, so daß sie sich nun gegenseitig beeinflussen können. Aus der Betrachtung von Figur 1 und Figur 4 erkennt man, daß das Verteilungsprofil 32 des statischen Druckes für die äußere, im allgemeinen heiße Wirbelströmung oder Drall-Strömung bedeutend weniger steil verläuft, als das Verteilungsprofil 34 des statischen Druckes im inneren, kälteren Strömungsmittelstrom und dies wirkt sich auf die Größe der auf dem Druckgradienten beruhenden Kraft F+ aus, die , wie aus Figur 1 zu erkennen, auf das im äußeren Strömungsmittelstrom eingezeichnete Strömungsmittelelement 28 und auf das im inneren Strömungsmittelstrom eingezeichnete Strömungsmittelelement 26 einwirkt. Diese auf dem Druckgradienten beruhenden, auf die Elemente 28 und 26 einwirkenden Kräfte stehen im Gleichgewicht mit der Zentrifugalkraft F_ , welche auf die betreffenden Elemente einwirkt, da sich an jeder Radialstelle innerhalb der einzelnen Ströme ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat.

Versuche im Zusammenhang mit der Erfindung haben aber gezeigt, daß die Trennfläche 24 zwischen den beiden unterschiedlichen Strömungsmittelströmen unstabil ist, wenn der von dem

ρ
Produkt <} . V.J. gebildete Parameter,d.h. , das Produkt aus der Dichte ο des Strömungsmittels und dem Quadrat der Tangentialgeschwindigkeit V+ des Strömungsmittels des radial äußeren Strömungsmittelstromes kleiner als der entsprechende Parameter des radial inneren Strömungsmittelstromes ist. Diese Instabilität läßt sich aufzeigen, indem in die Trennfläche 24 eine solche Störung eingeführt wird, daß sich eine örtliche Trennflächenausbuchtung 36 radial nach auswärts in den Bereich des radial äußeren Strömungsmittelstromes hinein erstreckt. Das Strömungsmittelelement 26* innerhalb dieser Ausbuchtung 36 ist der Kraft F , entsprechend dem verhältnismäßig kleinen radialen Druckgradient im Bereich des radial äusseren Strömungs-.mittelstromes ausgesetzt, doch wirkt auf dieses Element immer

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noch die hohe Zentrifugalkraft F₀₀. Dies bewirkt ein Ungleichgewicht der Kräfte an dem Strömungsmittelelement 26' und daher eine Beschleunigung oder Ausweitung der Störung radial nach auswärts, so daß die größtem der Ausbuchtung und die Eindring-" tiefe in den radial äußeren Strömungsmittelstrom zunimmt und sich eine Erhöhung der Mischungsgeschwindigkeit zwischen den beiden Strömungsmittelströmen einstellt. In entsprechender Weise bewirkt eine Ausbuchtung 38 der Trennfläche 24"in radialer Richtung nach einwärts ein Ungleichgewicht der Kräfte an dem Strömungsmittelelement 28', welches weiterhin verhältnismäßig kleinen Zentrifugalkräften ¥_Q^ ausgesetzt ist, jedoch unter den Einfluß der bedeutend größeren Kraft F aufgrund

pe

des Druckgradienten kommt und folglich radial nach einwärts beschleunigt wird, so daß sich ein rasches Wachstum der Ausbuchtung 38 nach einwärts und eine Beschleunigung der Mischung zwischen den beiden Strömungsmittelströmen einstellt.

Die relative Größe des Ungleichgewichtes der Kräfte entsprechend den obigen Ausführungen kann noch vergrößert werden, indem man den radial äußeren Strömungsmittelstrom als das Abgas einer Brennkammer betrachtet, so daß die Dichte um einen Faktor von etwa vier relativ zu dem unbeeinflußten , radial inneren Strömungsmittelstrom erniedrigt wird. Da die Tangentialgeschwindigkeit des Gases in einer Zünd-Verbrennungszone sich verhältnismäßig um einen geringeren Betrag ändert, ergibt sich ein -Ungleichgewicht der Kräfte von etwa drei Vierteln oder mehr der maximalen Zentrifugalkraft in den beiden Strömungsmittelströmen. Diese Größe des Ungleichgewichtes der Kräfte ist jedenfalls der Einflußfaktor erster Ordnung und ergibt eine sehr starke Beschleunigung zur Erzeugung einer Radialbewegung der beiden konzentrischen Strömungsmittelströme, so daß sich gleichsam eine Strömung entsprechend einer Spiralfläche einstellt.

Die Erfindung macht sich diese Erscheinung zunutze, um die Mischung zwischen zwei ungleichen, einen Drall aufweisenden Strömungsmittelströmen in Ringbrennkammern, wie sie

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in Turbo-Strahltriebwerken Verwendung finden, zu beschleunigen, um damit sowohl die Verbrennung als auch die Verdünnung der heißen Verbrennungsprodukte mit Kühlluft vor dem Eintritt in die Turbine zu beschleunigen.

Zwar wurde vorstehend die Mischerscheinung anhand der Zeichnungsfiguren 1 und 2 am Beispiel koaxialer, ungleicher, einen Drall aufweisender Strömungsmittelströme erläutert, doch ist zu beachten, daß dieselbe Beschleunigung des Mischvorganges auch in anderen Anordnungen erreicht werden kann, beispielsweise in gebogenen Strömungswegen oder Rohren gemäß Figur 5, wobei die beiden ungleichen Strömungsmittelströme durch einen Kanal 66 geführt sind, der einen geradlinigen Abschnitt 68 und einen gebogenen Abschnitt "70 besitzt, dessen Krümmungsmittelpunkt bei 79 gelegen ist. Im stromaufwärts gelegenen Teil befindet sich eine Trennwandung 72, welche mit dem Kanal 66 zusammenwirkt und zwei Strömungskanäle 74 und 76 voneinander abteilt, durch welche die beiden ungleichen Strömungsmittelströme geführt werden, wobei das Strömungsmittel

2 im äußeren Strömungskanal 74 ein geringeres Produkt <£ . V^ aufweist als das Strömungsmittel in dem inneren Kanal 76. Wenn sich also die beiden Strömungsmittelströme in dem Kanal 78 treffen, so bilden sie eine unstabile Trennfläche aus und die anhand der Zeichnungsfiguren 1 und 2 erläuterte, beschleunigte Mischung findet statt, wemn die Ströme zu konzentrischen Drall-Strömungen oder Wirbelströmen beim Eintreten in den gebogenen Kanalabschnitt 70 werden, da folgende Beziehung der Produkt-Parameter herrscht:

Sh · ^Vth²<^c ^Vtc ² ,

worin?, und Q die Dichte des heißen, äußeren Wirbelstromes ¹ h * c

bzw. des inneren, kalten Wirbelstromes bedeuten und V^ und V. die Tangentialgeschwindigkeiten der betreffenden Strömungsmittelströme sind, wobei es sich im vorliegenden Falle um die Durchstromgeschwindigkeiten der betreffenden Ströme im gebogenen Kanalabschnitt handelt.

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Die beschleunigte Mischung kann ferner durch Verwendung des in den Figuren 6 und 7 gezeigten "Barberpole"-Drallmischers 80 verwirklicht werden. Der Ausdruck "Barberpole" ist zur Beschreibung dieser Mischerform gewählt, da bei diesem MischBr die beiden unterschiedlichen Strömungsmittelströme in Form einer Reihe ineinandergreifender, einen Drall aufweisender Strömungsschichten zusammengeführt werden. Der Mischer 80 besteht aus einer Außenwand 82 und einer Innenwand 84, welche vorzugsweise zur Bildung eines divergierenden oder sich erweiternden Strömungskanales 86 auseinanderlaufen, durch welchen die wirbelnde Hauptströmung verläuft, wobei die Wandungen in bestimmter Weise orientierte Spiralschlitze 88 und 90 besitzen, welche durch die Wandungen hindurchreichen und ^ durch welche die Sekundär-Strömungsmittelströme geleitet sind, ™ welche parallel zum Haupt-Strömungsmittelstrom eintreten. V/ie man aus Figur 7 am besten erkennt, haben die schräggestellten oder spiraligen Schlitze 88 und 90 solche Richtung, daß sie örtlich jeweils parallel zur Richtung des mit Drall strömenden Haupt-Strömungsmittelstromes verlaufen. Durch Verwendung geeigneter Leitbleche und durch Wahl bestimmter Einlaßbedingungen für die Sekundärströme werden folgende Bedingungen für die Produkt-Parameter erreicht:

\ 2

λ V.J. (innerer Sekundärstrom)^ *? t (Hauptstrom)

und

2 /2.

eV. (äußerer Sekundärstrom)^^ V^ (Hauptstrom) .

Bei der Wahl dieser Strömungsbedingungen dringen die einzelnen Blätter oder Strömungsschichten der Sekundärströmung rasch in den Hauptstrom ein, weil dieselbe Mischungserscheinung, die zuvor anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, hier zwischen jeder einen Drall besitzenden Strömungsschicht und den beiden jeweils dazu benachbarten, wirbelnden Strömungsschichten aus jeweils unterschiedlichem Strömungsmittel auftreten. In bestimmten Fällen kann es wünschenswert sein, einen "Barberpole"-Mischer der in Figur 6 und 7 gezeigten Art zu verwenden, bei welchem Spiralschlitze nur in einer der Wandungen 82 und 84 vorgesehen sind. Bei dem "Barberpole"- ·

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Mischer nach, den Figuren 6 und 7 wird der Haupt strom vorzugsweise von heißer Luft gebildet und die Sekundärströme "bestehen aus kühlerer Luft und die Schlitze 88 und 90 sind so gerichtet, daß sie nicht nur eine Spiralströmung erzeugen, sondern eine im wesentlichen parallel zur HauptStrömungsrichtung laufende Spiralströmung.

Die erwähnten Mischerkonstruktionen, nämlich der konzent-.rische Mischer, der "Barberpole'*-Mischer und der Mischer mit gekrümmtem Strömungskanal, können mit Vorteil in der Verbrennungszone einer Brennkammer oder eines Brenners eingesetzt werden, um die Mischungsgeschwindigkeit und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit und die effektive Flammengeschwindigkeit zu erhöhen, so daß die G-esamtlänge des Brennerabschnittes verringert wird, wie anhand der Figuren 8 bis 12 aufgezeigt ist. Um die Gleichheit der Wirkungsweise zu betonen, werden die Bezugszahlen, die in Verbindung mit den Figuren 1,2, 6 und 7 verwendet wurden, bei der Beschreibung der Figuren 8 bis 12 wiederholt.

Praktisch wird bei Verwendung dieser Mischerkonstruktion in der Verbrennungszone einer Brennkammer einer der einen Drall aufweisenden Strömungsmittelströme als ein heißer Zündstrom verwendet, welcher die Verbrennung in dem anderen wirbelnden oder einen Drall aufweisenden Strom, welcher ein Brennstoff-Luft-Gemisch ist, einleitet. Die Verbrennung tritt auf, wenn sich die beiden Ströme vermischen. Es sei nun untersucht, welcher der Strömungsmittelströme als der Zündstrom zu verwenden ist.

Im Falle der konzentrischen Misch- und Verbrennungsräume gemäß den Figuren 8 und 9 und bei der Brennkammer mit gekrümmtem Strömungskanal entsprechend Figur 12 ist offensichtlich der äußere Strömungsmittelstrom als Zündstrom zu wählen, da die Dichteverminderung, welche durch die Erhitzung bewirkt wird, in Richtung der Bedingung

V ² ^V²

t (innerer Strom)-^ ^ t (äußerer Strom)

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wirksam ist, die zu der gewünschten Instabilität der Trennfläche führt. Bei Misch- und Brennerräumen der "Barberpole"-Bauart liegt die Entscheidung, welcher Strom der heiße Zündstrom sein soll, nicht so klar auf der Hand. Aufgrund der Dichteverminderung bei Erhitzung des Strömungsmittels ergibt sich, daß der Zündstrom einer derjenigen Ströme sein soll,

2 welcher einen niedrigen Produktparameter Q . V+ haben soll und daher soll der Zündstrom jedenfalls nicht der Sekundärstrom im radial inneren Strömungskanal 114 sein. Als Zündstrom sollte man vorzugsweise den Hauptstrom im Kanal 112 wählen, um die schwierigen Wandkühlungsprobleme zu vermeiden, welche auftreten würden, wenn man einen heißen Sekundärgasstiom auf die Wandung 82 treffen ließe. Aufgrund der geringen

2 . Dichte des Zündstromes kann man den Produkt-Parameter 9 Ύ+ ' für den äußeren Sekundärstrom dadurch kleiner eis den Pro-

dukt-Parameter £ . V+ für den Zündstrom machen, um die gewünschte rasche Durchmischung zu erreichen, indem man dem äußeren Sekundärstrom nur geringe oder überhaupt keine Tangentialgeschwindigkeit V.J. erteilt, wenn der Strom durch die Schlitze 88 strömt. Die Bedingung für die Instabilität der Trennfläche zwischen dem Zündstrom aus dem Kanal 112 und dem inneren Sekundärstrom aus dem Kanal 114 wird durch Verwendung geeigneter Drehschaufeln oder Leitbleche oder dergleichen erfüllt, um die Tangentialgeschwindigkeit V+ auf solchen Wert einzustellen, daß man eine entsprechende Ungleichung der nachfolgenden Form erzielt:

$ t (innerer Stromr S * (Zündstrom).

Selbstverständlich erniedrigt der Verbrennungsprozeß im Zündstrom die Dichte des Strömungsmittels, wodurch die Erfüllung der vorstehenden Bedingung unterstützt wird.

Figur 8 zeigt einen konzentrischen Mischer in der Brennzone einer Brennkammer, wobei konzentrische Strömungskanäle 18 und 20 zwischen zueinander konzentrischen Kanalwandungen 12, 10 und 14 gebildet sind, wobei die Trennwandung 10 vor den Außenwandungen endet, so daß die Außenwandungen eine Verbrennungszone 30 begrenzen, die stromabwärts von der Trenn-

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wand liegt. In entsprechender Weise angeordnete Einlaß-Leitschaufeln oder andere Vorrichtungen bewirken eine Drall-Strömung durch jeden der Kanäle 18 und 20. Der Strömungsmittelstrom in dem Kanal 20 dient als Zündstrom, wozu ein Zünd-Brennmittel über eine Zünd-Brennstoffdüse 92 eingespritzt wird, welche zerstäubten Brennstoff in das durch den Kanal 20 strömende Strömungsmittel stromaufwärts von einem Flammenhalter 94 einbringt, um auf diese Weise stromabwärts von dem Flammenhalter eine Verbrennungszone auszubilden, in welcher das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt, nachdem in der Verbrennungszone 96 eine Zündung erfolgt ist. Das wirbelnde Strömungsmittel, das den Kanal 20 verläßt, wirkt daher als Zündflamme zur Zündung des wirbelnden Strömungsmittels, das den Kanal 18 verläßt, sowie zur Unterhaltung dieser Verbrennung. Dem durch den Kanal 18 strömenden Strömungsmittel wird Brennstoff mittels einer Sekundär-Brennstoffdüse 98 beigefügt, sodaß sich ein Brennstoff-Luft-Gemisch nut solchen Eigenschaften ergibt, daß das Produkt aus seiner Dichte und dem Quadrat seiner Tangentialgeschwindig-

P
keit, also der Ausdruck ^ .V. größer als der entsprechende Produkt-Parameter des radial äußeren, wirbelnden Zündstromes im Kanal 20 ist, wodurch eine beschleunigte Mischung und nachfolgende Verbrennung zwischen den beiden Strömungsmitteln in der Verbrennungszone 30 stattfindet. Der in Figur 8 gezeigte Brenner ist also nach dem Vormisch-Verbrennungsprinzip gebaut, bei welchem Brennstoff in den Sekundärluftstrom des Kanales 18 eingesprüht wird, bevor dieser Strom die Vermischungs- und Verbrennungszone 30 erreicht und der Strömungsmittelstrom im Kanal 18 wird dadurch ein brennbares Brennstoff-Luft-Gemisch, das bei Vermischung mit den heißen Gasen oder der Flamme des Zündgasstromes im Kanal 20 gezündet und verbrannt wird.

Eine konzentrische Mischerkonstruktion, welche einen Brenner nach dem Diffusions-Verbrennungsprinzip bildet, ist in Figur 9 gezeigt. Das Diffusions-Verbrennungsprinzip ist von dem zuvor beschriebenen Vormischungs-Verbrennungsprinzip verschieden. Beim Diffusions-Verbrennungsprinzip wird der Zündbrennstoff aus der Düse 92 in der Zündbrennzone 96 voll-

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ständig verbrannt und aufgebraucht, so daß wenig oder gar kein Luftsauerstoff mehr in dem betreffenden Strom verbleibt und demgemäß kann jeglicher Brennstoff, welcher dem Strom stromabwärts von der dem vollständigen Sauerstoffverbrauch entsprechenden Grenze 100 zugegeben wird, von den heißen Verbrennungsprodukten der Zündbrennzone 96 nur noch verdampft werden. Diese Erscheinung macht man sich bei dem Diffusions-Verbrennungsprinzip zunutze und demgemäß wird Sekundärbrennstoff dem Strom 20 mittels einer Sekundärbrennstoffdüse zugegeben, doch kann dieser Sekundärbrennstoff so lange nicht verbrennen, bis er mit der Sekundärluft vermischt wird, welche wirbelnd durch den Kanal 18 herangeführt wird. Man sieht also, daß in diesem Falle dem Strom 18 überhaupt kein Brennstoff beigefügt wird und daß der Zünd-Strömungsmittelstrom im Kanal nicht nur die notwendige Wärmemenge zur Auslösung der Verbrennung und Mischung im Kanal 20, sondern auch den notwendigen Brennstoff mit sich führt, um den Verbrennungsprozeß zu unterhalten, wenn die Mischung mit der Luft aus dem Kanal 18 stattfindet.

Die Figuren 10 und 11 zeigen "Barberpole"-Mischerkonstruktionen der in Figur 6 und 7 gezeigten Art, zum Aufbau von Brennkammern, welche nach dem Vormischungs-Verbrennungsprinzip bzw. nach dem Diffusions-Verbrennungsprinzip arbeiten. Bei der Konstruktion nach Figur 10 liegen die ringförmigen Wan- * düngen 102, 104, 106 und 108 konzentrisch zur Mittellinie oder Achse 16 und bilden koaxiale Ringkanäle 110, 112 und jeweils zwischen Paaren von Wandungen. Zur Erzeugung eines Drall-Stromes oder Wirbelstromes in den Ringkanälen 110, 112 und 114 dienen Leitbleche od. dgl., um auf diese Weise eine bestimmte Tangentialgeschwindigkeit V+ zu erreichen oder, was auch bei allen anderen gezeigten Ausführungsformen der Fall sein kann, die entsprechende Strömung wird unmittelbar durch einen Verdichter erzielt, welcher keine auslaßsei- · tigen Leitschaufeln zur Erzielung einer geradlinigen Strömung aufweist. Die Ringwandungen 104 und 106 setzen sich in den Wandungen 82 und 84 fort, welche einen Kanal 86 begrenzen, der vorzugsweise divergiert und die Haupt-Verbrennungszone darstellt. In den Ringkanal 112 wird mittels Zündbrennstoff-

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düsen 92 Brennstoff eingesprüht, um stromabwärts von dem Flammenhalter 94 zur Erzeugung eines Zünd-Strömungsmittelstromes in der Zünd-Verbrennungszone 96 verbrannt zu werden. Sekundärbrennstoff wird in die Ringkanäle 110 und 114 über Sekundär-Brennstoffdüsen 98 zerstäubt eingesprüht, damit sich der Brennstoff mit der durch die betreffenden Kanäle geleiteten Luft vermischt und das Brennstoff-Luft-Gemisch dann • durch die einander gegenüberliegenden Spiralschlitze 88 bzw. 90 hindurchtritt, so daß Brennstoff-Luft-Gemischströme austreten, die im wesentlichen parallel zu dem wirbelnden Zünd-Brennmittelstrom verlaufen, der aus der Zünd-Verbrennungszone 96 kommt. Es findet dann eine beschleunigte Mischung und nachfolgende Verbrennung zwischen den Brennstoff-Luft-Gemischströmen und dem Zünd-Brennmittelstrom in der Verbrennungszone 60 statt. Wie im Falle des zuvor erwähnten "Barberpole"-Mischers wird die Richtung-der Strömung des sekundären Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Schlitze 88 und 90 durch geeignete Leitbleche so eingestellt, daß sich wieder die folgende Bedingung für die instabile Trennfläche einstellt:

3 t (innerer Sekundärstrom)*^ ζ t (Zündstrom)

und

2 2

^t (äußerer Sekundärstrom)^ ^ t (Zündstrom).

Bei den Konstruktionen nach den Figuren 10 und 11 tritt sämtliche Luft, welche dem Ringkanal 112 bzw. der Zünd-Ver-r brennungszone 96 zugeführt wird, in diesen Bereich mit einer bestimmten Tangentialgeschwindigkeit V^. ein. Diese Wirbelung oder dieser Drall der Luft erniedrigt den statischen Druck in dem Zünd-Verbrennungsbereich 96. Das vorbereitete Brennstoff-Luft-Gemisch, das in größerem Abstand von der Achse 16 durch den Kanal 110 geleitet wird, braucht nicht notwendigerweise eine Wirbelung oder einen Drall aufzuweisen. Das Strömungsmittel aus dem Kanal 110 tritt in die Verbrennungszone 60 über die in der Wandung 82 vorgesehenen Schlitze oder Lochreihen in spiraliger Anordnung, 88, ein, wobei die Durchbrüche 88 selber spiralige Gestalt haben können oder

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9»

schräggestellt sein können oder aber Durchbräche oder Schlitze in spiraliger Anordnung vorgesehen sein können. Aufgrund des Abfalles des statischen Druckes an den Durchbrüchen oder Schlitzen wird die Luft oder das Strömungsmittel in radialer Richtung durch die Durchbrüche 88 hindurch beschleunigt und wenn sich das-Strömungsmittel einmal innerhalb der Primäroder Zünd-Verbrennungszone 60 befindet, wird die Luft oder das Strömungsmittel wegen des radialen Druckgradienten, der durch den Drall des Zünd-Strömungsmittels in der Verbrennungszone 96 des Kanals 86 verursacht wird, weiterhin radial nach einwärts beschleunigt. In der Haupt-Verbrennungszone 60 wird durch die Zuführung des Brennstoff-Luft-Gemisches durch schräggestellte oder spiralige Schlitze oder durch Löcher oder Schlitze 88 in spiraliger Anordnung eine außerordentlich rasche Verbrennung der spiraligen Strömungsschichten erreicht. Die Schichten aus Brennstoff-Luft-Gemisch, die in dieser Weise gebildet werden, verbrennen als ineinandergreifende Gemischschichten mit der wirbelnden Luft, die aus dem Zünd-Verbrennungsbereich herbeigeführt wird. Während das Brennstoff-Luft-Gemisch, daB durch die Schlitze 88 eintritt, eine Verbrennung erfährt, wird die Radialbewegung nach einwärts von Ort zu Ort weiter beschleunigt, da die fortschreitende Dichte-

verminderung den Produktparameter ^ . V. noch weiter erniedrigt und der radiale Druckgradient ein kleines Element verbrannten Gases rascher beschleunigt, als ein entsprechendes Element aus unverbranntem Gas.

Derjenige Teil·des Brennstoff-Luft-Gemisches, der durch die Spiralschlitze oder Spiral-Lochanordnungen 90 eintritt, erhält eine Tangentialgescliwindigkeit V₊. ausreichender Größe

2 aufgeprägt, um den Produkt-Parameter £. V", dieses Gasstromes größer als den Produktparameter des verbrannten Zünd-Gasstromes zu machen. Das zugeführte Brennstoff-Luft-Gemisch bildet daher spiralige, blattartige Strömungsschichten, welche in die wirbelnde heiße Luft eingreifen, die von der Zünd-Verbrennungszone 96 in die Verbrennungszone 60 eintritt, und werden radial nach auswärts beschleunigt. Während die Dichte ^ der verbrennenden Oberflächenbereiche der wirbelnden Brenn-

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stoff-Luft-Gemischstromes während des Verbrennens wesentlich abnimmt, bleibt die Tangentialgeschwindigkeit V^ erhalten, da der Drehimpuls durch die Änderung des thermodynamischen Zustandes nicht beeinflußt wird." Eine Folge davon ist, daß der

Produktparameter q . V, der durch die Schlitze 90 eintretenden Strömungsschichten wesentlich vermindert wird und sich die Beschleunigung durch den radialen Druckgradienten- während des Verbrennens der betreffenden Strömungsschicht ebenfalls vermindert. Die noch nicht verbrannten Teile der spiraligen Strömungsschichten werden aber weiter radial nach auswärts beschleunigt, so daß die Flammenfront weiter vorgetrieben wird, bis eine vollständige Verbrennung erfolgt ist.

In Figur 11 ist eine "Barberpole"-Mischerkonstruktion als Brenner gezeigt, bei welchem das Diffusions-Verbrennungsprinzip benutzt ist und wieder konzentrisEhe, vorzugsweise zylindrische Ringwandungen 102, 104, 106 und 108 konzentrisch zu einer Mittellinie oder Achse 16 angeordnet sind, um zueinander koaxiale Ringkanäle 110, 112 und 114 zwischen sich zu bilden, wobei sich die Ringwandungen 104 und 106 in vorzugsweise divergierenden Wandungen 82 und 84 fortsetzen, die den Kanal 86 begrenzen, in welchem sich die Haupt-Verbrennungszone 60 befindet. Ein Zündbrennmittel wird über Düsen 92 stromaufwärts von dem Flammenhalter 94 in den Kanal 112 zerstäubt eingesprüht und in dem Zünd-Verbrennungsbereieh 96 vollständig verbrannt und aufgebraucht, so daß die Verbrennungsprodukte stromaufwärts von einer Grenze 100 vollständig ausreagiert haben. Stromabwärts-von der Grenze 100 wird über Sekundär-Brennstoffdüsen 101 Se.xundärbrennstoff in den Ringkanal 112 eingebracht, welcher erhitzt und zusammen mit den wirbelnden Verbrennungsprodukten aus dem Zünd-Verbrennungsbereich 96 in die Haupt-Verbrennungszone 60 eingeführt wird. Sekundärluft gelangt durch die Eingkanäle 110 und 114 und durch die einander gegenüberliegenden spiraligen Schlitze 88 bzw. 90 in die Misch- und Verbrennungszone 60, um dort mit dem heißen, mit Brennstoff angereicherten Gasstrom aus dem I:anal 112 vermischt zu werden. Beim Fortschreiten des Mischungsvorganges kommt der überschüssige Brennstoff des

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Zünd-Strömungsmittelstromes in Berührung mit den Strömungs- ' schichten aus Sekundärluft, welche durch die Schlitze 88 bzw. 90 eingetreten ist und es findet an einer Vielzahl von Trennflächen zwischen den einzelnen Strömungsschichten eine Verbrennung statt.

Figur 12 zeigt eine Mischerkonstruktion mit gebogenem Strömungskanal für eine sogenannte zusammengefaltete Brennkammer unter Verwendung des Vormischungs-Verbrennungsprinzips. Bei der in Figur 12 gezeigten Ausführungsform wird das erste Strömungsmittel durch den Kanal 74 geleitet und mit zerstäubtem Brennstoff aus der Zünd-Brennstoffdüse 92 versetzt, so daß in dem Zünd-Verbrennungsbereich bei 96 eine Verbrennung stattfindet und ein äußerer Zünd-Strömungsmittelstrom entsteht, welcher den gekrümmten Abschnitt 70 des gebogenen Kanales 66 erreicht und dort als Zündflamme dient, um eine Vermischung und nachfolgende Verbrennung mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch zu erfahren, die über den Kanal 76 in den Vermischungs- und Verbrennungsbereich 30 gelangt. Das den Kanal 76 verlassende Brennstoff-Luft-Gemisch wird dadurch erzeugt, daß Luft durch diesen Kanal geführt und über Sekundär-Brennstoffdüsen 98 zerstäubter Brennstoff dieser Luft beigefügt wird. Aus Figur 12 ist also zu sehen, daß ein heißer Zünd-Strömungsmittelstrom als äußerer, einen Drall aufweisender Strom erzeugt wird, welcher mit radial inneren, kälteren Brennstoff-Luft-Gemischstrom zusammenwirkt, wobei beide Strömungsmittelströme konzentrisch um den Krümmungsmittelpunkt 79 geführt wsind, so daß siäi eine beschleunigte Mischung und Verbrennung zwischen den Strömungsmittelströmen einstellt,

da die Bedingung „2 ^ 2

*J t (innerer Strom^ $ t (äusserer Strom)

erfüllt ist. Der Fachmann sieht ohne weiteres, daß die in Figur 12 gezeigte Konstruktion dadurch auf das Diffusions-Verbrennungsprinzip abgestimmt werden kann, daß die Zünd-Brennstoffdüse 92 und die Flammenhalter 94 weiter stromaufwärts gerückt werden, so daß die Verbrennung in dem Zünd-Verbrennungsbereich 96 vollständig ist und genügend weit

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stromaufwärts vor dem Ende der Trennwand 72 eine Grenze 100 ähnlich der Grenze nach Figur 9 entsteht, welche einem vollständigen Brennstoffverbrauch entspricht, so daß Sekundär-Brennstoff stromaufwärts vom Ende der Trennwand 72 eingespritzt werden kann, um noch unverbrannt in die Verbrennungszone 30 zu gelangen und dort bei Zuführung der aus dem Kanal 76 kommenden Sekundärluft mit dieser gemischt zu werden und zu verbrennen.

Zur Unterstützung der beschleunigten Mischung zwischen zwei wirbelnden oder einen Drall besitzenden Strömungen in konzentrischen Mischeranordnungen und in Mischeranordnungen mit gekrümmtem Strömungskanal ist es manchmal wünschenswert, einen Auslösemechanismus am Ende derjenigen Wandungen zu verwenden, welche als Trennwandung zwischen der Drallströmung zweier unterschiedlicher Strömungsmittel dienen, beispielsweise also die in Figur 14 gezeigten Auslöseeinrichtungen 164 und 166, welche aufgrund ihrer baulichen Gestalt eine Störung der Trennfläche zwischen den wirbelnden Strömungsmittelströmen bewirken. Eine Untersuchung der Theorie der Wirkungsweise solcher Auslöseeinrichtungen dürfte hier zweckmäßig sein, weshalb zunächst auf die Figuren 30 und 31 Bezug genommen "sei. In Figur 30 ist eine Auslöseeinrichtung 166 gezeigt, welche am stromabwärts gelegenen Ende einer Trennwandung 246 angeordnet ist, die ringförmigen Querschnitt besitzt, konzentrisch zur Achse 16 angeordnet ist und mit einer äußeren zylindrischen Wandung 248 und einer inneren zylindrischen Wandung 250 zusammenwirkt, um jeweils einen äusseren Ringkanal 252 und einen inneren Ringkanal 254 voneinander abzuteilen und zu begrenzen. Für die Erläuterungen sei angenommen, daß ein heißes Strömungsmittel, welches das Zünd-Strömungsmittel ist, durch den Kanal 252 geführt werde. Dieser heiße, äussere Strömungsmittelstrom hat eine Dichte O, und eine Tangentialgeschwindigkeit V., . Ein zweites Strömungsmittel, welches vorzugsweise ein kaltes, hohe Dichte aufweisendes, brennbares Gemisch ist, wird durch den inneren Ringkanal 254 geleitet und besitzt eine Dichte ^ und eine Tangentialgeschwindigkeit V+ . Für eine beschleunigte Mischung zwischen diesen beiden Strömungs-

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J I

ie

mittelströmen aus den Ringkanälen 252 und 256 ist es wiederum

2 2 wesentlich, daß die Bedingung ^ -^ . V^ ^ o_Q V+_c erfüllt

ist, um eine unstabile Trennfläche zwischen den beiden wirbelnden Strömungsmittelströmen zu erreichen. Darüberhinaus wird aber eine beschleunigte Mischung und Verbrennung durch die Verwendung der Auslöseeinrichtung 166 erreicht, welche hier als gewellter'Metallblechring dargestellt ist, der am str.omab gelegenen Ende der Trennwand 246 befestigt ist. Die Auslöseeinrichtung 166 bildet Wellen, die spiraligen Wegen folgen und in Richtung stromabwärts in ihrer Amplitude zunehmen, so daß beim Vorbeiströmen der Strömungsmittel aus den Kanälen 252 und 254 ein regelmässiges Muster radialer Strömungsmittelbewegungen radial nach auswärts und nach einwärts auftritt, W was auf der Änderung der Strömungsrichtung beruht, die den Strömungsmittelströmen von der Auslöseeinrichtung 166 jeweils an der betreffenden Stelle erteilt wird. Die auf solche Weise eingeleitete Bewegung nimmt aufgrund der Instabilität der Trennfläche zu. Die vorteilhafte Wirkungsweise einer Auslöseeinrichtung läßt sich beispielsweise, an einem Versuch zeigen, bei welchem als Strömungsmittel Luftströme von 93° C und 427° C verwendet werden.

Die Stärke der tangentialen Mischung, die durch die gegenseitige Verschiebung von Strömungsmittelschichten an der spiraligen Trennfläche verursacht wird, hängt von dem \ Zirkulationsunterschied je Bogeneinheit zwischen den Strömungsmittelströmen in den Kanälen 252 und 254 ab.

Die Verwendung von Auslöseeinrichtungen bietet den Vorteil, daß der Ort, die Größe und die Gestalt von Störungen an der Trennfläche zwischen den beiden Strömungsmittelströmen genau eingestellt werden Kann und man erkennt, daß bei Konstruktionen ohne Auslöseeinrichtungen die Störungen der Trennfläche nur durch Turbulenz hervorgerufen werden und daher statistisch oder zufällig auftreten.

Von besonderem Vorteil ist ein Anwendungsfall einer Zündstrom-Brennereinrichtung mit einer Auslösung der Vermischung zwischen radial innerem und radial äusserem Strö-

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«9

. mungsmittelstrom, wie dies in den Figuren 30 und 31 gezeigt ist. Hier ist der heiße, verbrannte Zünd-Brennmittelstrom der radial äußere Strömungsmittelätrom mit niedrigem Produkt-

2
Parameter (} . V. , während das kalte, brennbare Gemisch der radial innere Strömungsmittelstrom mit dem großen Produkt-Parameter <J .V. ist. Figur 31 stellt einen Schnitt durch die Anordnung im Bereich der primären Verbrennungszone des Zünd-Brennmittelstromes stromabwärts von der Auslöseeinrichtung 166 dar. Die Flammenfront, an welcher eine Verbrennung stattfindet, liegt in den Trennflächen 255 bzw. 253 der ausgelösten, spiraligen Schichten aus heißem Zünd-Strömungsmittel aus dem Kanal 252 und kalten, brennbarem Gemisch aus dem Kanal 254· Wie aus Figur 31 zu erkennen ist, bewegt sich die Flaramenfront mit ihrer Geschwindigkeit F/S gegen den ausgelösten spiraligen Strom des brennbaren Gemisches, welcher sich radial nach auswärts bewegt und in die MaSee des heißen Zünd-Strömungsmittelstromes eindringt. Da die Verbrennung an der Flammenfront auftritt, erfahren Luftteilchen in einem Kraftfeld hoher Zentrifugalkraft eine plötzliche Dichteänderung, wodurch ein plötzliches Beschleunigungspotential freigesetzt und die örtliche Turbulenz erhöht wird, was zu einer Vergrößerung der Flammengeschwindigkeit führt. Diese örtliche Beunruhigungswirkung, d.h. die Erhöhung der Turbulenz überlagert sich der Trennfläche aufgrund der ausgelösten Durchmischung des heißen Zünd-Strömungsmittelstromes und des kalten, brennbaren Gemischstromes. Der ausgelöste heiße Zündgasstrom aus dem Kanal 252, welcher eine radial nach einwärts gerichtete Strömung enthält, bildet an der Trennfläche eine mit der Flammengeschwindigkeit F/S wandernde Flammenfront aus, die sich sowohl in Richtung der Strömung als auch seitlich in das unverbrannte Gemisch hinein bewegt. Auch hier erhöht sich die örtliche Größe der Turbulenz an der Flammenfront durch die plötzliche Dichteänderung der Strömungsmittelelemente in einem starken Zentrifugal-Kraftfeld mit der Folge einer Erhöhung der effektiven Flammen- ;_reschwindigkeit. Der Unterschied der Zirkulation je Bogeneinheit zwischen dem heißen Zünd-Strömungsmittelstrom und dem kalten, brennbaren Gemischstrom bewirkt eine überlagerte

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tangentiale Vermischung aufgrund der Scherbewegung zwischen den Strömungsmittelschichten..

Ein anderer Auslösemechanismus, welcher anstelle der Auslöseeinrichtung 166 in den Konstruktionen nach Figur 14 und Figur 30 verwendbar ist, kann den Zeichnungsfiguren 32 und 33 entnommen werden. Wie man aus Figur 32 erkennt, haben die Trennwand 246 und die Ringwände 248 und 250 gleiche Gestalt wie bei der Ausführungsform nach Figur 30. Ein heißer Strömungsmittelstrom oder heiße Verbrennungsprodukte sind zwischen den Wandungen 246 und 248 geführt, während ein kühleres Strömungsmittel, beispielsweise ein Brennstoff-Luft-Gemisch den Kanal zwischen den Wandungen 246 und 250 durchströmt. Die Auslöseeinrichtung 258 ist am stromabwärts gelegenen Ende der Trennwand 246 gelegen und besteht aus einer Reihe von Paaren jeweils entgegengesetzt orientierter Leitschaufeln 260 und 262, welche als Wirbelgenerator wirksam sind und im Abstand am Umfang um die Trennwand 246 herum angeordnet sind und sich radial von dieser nach auswärts erstrecken, wobei auch eine beliebige Anzahl in axialem Abstand voneinander gelegener Reihen solcher Schaufeln vorgesehen sein kann. 3s sei nochmals darauf hingewiesen, daß es Zweck der Auslöseeinrichtung 258 ist, die Trennfläche zwischen den heißen Verbrennungsprodukten, die auf einer Seite der Trennwand strömen und ^ der kühleren Luft oder des kühleren Brennstoff-Luft-Gemisches, das in dem Kanal auf der anderen Seite der Trennwand strömt, mit Ausbuchtungen zu versehen, so daß die Vorteile der guten Durchmischung aufgrund der Bedingung in Erscheinung treten, gemäß welcher der Produkt-Parameter (f .V₊^² der heißen Gase, die in größerem Abstand von der Achse strömen, kleiner als

2
der Produkt-Parameter © .V₊ der kalten Luft oder des kalten Brennstoff-Luft-Gemisches ist, das in geringerem Abstand von der Achse strömt und über die genannte Trennfläche an den heißen Gasstrom angrenzt. Jede Ausbuchtung der Trennflache erfährt eine Reaktion mit dem jeweils wirksamen Druckgradient in den heißen bzw. kalten Strömungsmittelbereichen, so daß sich zur Vermischung radiale Strömungen einstellen, wobei die

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Strömungen kalter Luft in Form spiraliger Strömungsschichten in den heißen Strömungsmittelstrom hineinwandern und die heißen Strömungen ebenfalls in Form spiraliger Strömungsschichten sich in den kalten Strömungsmittelstrom hinein bewegen. Die Strömung an der Trennfläche stromabwärts von der Ebene der Auslöseeinrichtung ist unstabil und die G-estalt der Auslöseeinrichtungen ermöglicht die Ausbildung von Vermischungs-Strömungsschichten in vielgängiger spiraliger Anordnung. Die Mischung erfolgt von innen ( Stelle mit minimalem Radialabstand) nach außen ( Stelle mit maximalem Radialabstand ) und bewirkt eine Verkürzung der Brennkammerlänge und der Länge des Triebwerkes durch Beschleunigung des Mischvorganges.

Figur 34 zeigt wieder eine andere Ausführungsform einer der Trennwand zugeordneten Auslöseeinrichtung, welche anstelle der Auslöseeinrichtung 166 gemäß Figur .14 verwendbar ist. Die Auslöseeinrichtung nach Figur 34 besteht aus einer Reihe spiralig ausgerichteter und am Umfang verteilt angeordneter Schlitze 260 im stromabwärts gelegenen Ende 140 der Trennwand 246. Die Schlitze verlaufen vorzugsweise parallel zu der durch den Pfeil V angedeuteten Strömungsrichtung entweder des heißen oder des kalten Gasstromes und dienen zur Auslösung oder Störung der unstabilen Trennfläche, welche zwischen dem mit Drall radial außerhalb der Trennwand 246 bzw. 140 strömenden heißen Gasstrom aus dem Verbrennungsbereich und dem mit Drall radial innerhalb der Trennwand 246 bzw. 140 strömenden, kühleren Luftstrom oder Gasstrom existiert, so daß eine beschleunigte Durchmischung zustande kommt.

Eine weitere Ausführungsform einer Auslöseeinrichtung ist in Figur 35 gezeigt, wobei eine Reihe schräg oder spiralig verlaufender und am Umfang verteilter Schlitze 262 stromaufwärts der Schlitze 260 entsprechend Figur 34 der Zeichnungen vorgesehen ist. Man kann also den Mischeffekt der Auslöseeinrichtung durch Verwendung einer oder mehrerer zusätzlicher Reihen von Schlitzen oder Schlitzanordnungen unterstützen. Eine nochmals andere Ausführungsform einer Auslöseeinrichtung ist den Figuren 36 und 37 zu entnehmen. Die hier am Umfang

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38,

des Endes der Trennwand vorgesehenen Spiralschlitze 264 sind langgestreckt und mit den Schlitzen 260 der Ausführungsform nach Figur 34 vergleichbar. Bei der vorliegenden Konstruktion ist aber das hintere Ende der Trennwand 246 bzw. 140 in der aus Figur 37 ersichtlichen Weise gewellt ausgebildet, so daß die Auslöseeinrichtung nach den Figuren 36 und 37 eine Korabination der Schlitz-Auslöseeinrichtung nach Figur 34 und der Well-Auslöseeinrichtung gemäß Figur 30 darstellt.

Abermals eine andere Form der Auslöseeinrichtung ist in Figur 38 wiedergegeben, wobei mit den spiralig oder schräg verlaufenden Schlitzen 268 hutzenartige Teile 266 verbunden sind, welche mit den Schlitzen 26o der Ausführungsform nach den Figuren 34 bzw. 35 vergleichbar sind und dazu dienen, die kalte, wirbelnde Luft aus einem Bereich der Anordnung entsprechend Figur 14, wo die Strömung auf der Außenseite der Trennwand 140 bzw. 246 strömt, in den heißen Bereich radial innerhalb der Trennwand zu befördern, wo die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungszone 60 strömen, so daß der Vermischungsvorgang stromabwärts von der Querschnittsebene der Trennwand ausgelöst wird. Die Konstruktion nach Figur 38 erzeugt sich spiralig bewegende Schichten aus heißer und kalter Luft, die sich stromabwärts von der Trennwand vermischen. Während in Figur 38 nur eine einzige Reihe solcher mit Hutzen versehener Schlitze gezeigt ist, erkennt man, daß auch mehrere solcher Reihen oder Anordnungen verwendet werden können, wie in Figur 35 bezüglich Schlitze ohne Hutzen gezeigt ist.

Zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften und der Verbrennungsvorgänge aufgrund der Wirkung der Auslöseeinrichtung 166 ist es vorteilhaft, diese aus einem Metallblech herzustellen, welches eine Reihe kleiner Öffnungen 257 besitzt, wobei insbesondere, wie aus Figur 45 zu entnehmen ist, den Öffnungen jeweils Hutzen 259 zugeordnet sind, um kleine Strahlen von der kalten Seite der Auslöseeinrichtung zur heißen Seite zu führen, so daß die Auslöseeinrichtung besser gekühlt und auch ein geringes Maß von Turbulenz eingeführt wird, um die Verbrennung weiter zu verbessern.

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Wie schon erwähnt, ist es in akustischer Hinsicht zweckmäßig, Perforationen in der gewellten Auslöseeinrichtung beispielsweise entsprechend Figur 14 ader Figur 30 vorzusehen und dies insbesondere deshalb, weil Geräusch großer Amplitude eine nachteilige Wirkung auf eine gute Verbrennung zeigt. Eine zusätzliche Geräuschunterdrückung kann man dadurch erreichen, daß man die Höhe und Weite bzw. den gegenseitigen Abstand der Wellungen der Auslöseeinrichtung bzw. der anderen Auslöseelemente verändert und auch die räumliche Wiederholungsfrequenz der Triggeranordnung am Umfang variiert, wodurch sich spiralige Strömungsschichten heißer und kalter Gase ergeben, die jeweils unterschiedliches Frequenzverh'alten besitzen. Figur 39 zeigt eine solche Anordnung, in welcher "h" die Höhe oder Amplitude der Wellen und "1" sowie "m" jeweils unterschiedliche Breiten der Wellen bezeichnen.

Figur 13 zeigt einen Anwendungsfall für Brennkammern nach der Erfindung. Ein Turbo-Strahltriebwerk 40 besteht aus einem Verdichterabschnitt 42, einem Brennkammerabschnitt 44» einem Turbinenabschnitt 46 und ggf. einem Nachbrennerabschnitt 48f welcher in einer querschnittsveränderbaren Düse 50 endet. Das Triebwerk 40 hat vorzugsweise im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und ist konzentrisch zur Achse 52 aufgebaut. Der Brennkammerabschnitt 44 enthält ein Außengehäuse 54 und eine ringförmige Brennkammer oder einen Brenner 56, die bzw. der einen Diffusorabschnitt 58» eine Verbrennungszone 60 und eine Verdünnungszone 62 aufweist. In der vorliegenden Beschreibung ist mit Ringbrennkammer eine Brennkammer bezeichnet, welche einen ringförmigen Kanal aufweist, der vom einlaßseitigen oder stromauf gelegenen Ende zum Auslaß oder stromab gelegenen Ende der Brennkammer reicht. Brennstoff wird in die Brennkammer 56 mittels einer Pumpe 64 veränderlicher Förderleistung zugeführt, die entweder von einer Bedienungsperson bzw. dem Piloten von Hand gesteuert wird oder unter einer von der Bedienungsperson eingestellten, automatischen : egelung stent. Der Brennstoff wird also dem Einlaß der .-'renn Kamm er 5 C in einer nachfolgend noch genauer zu beschreioenden /,'eise zugeleitet, um dort mit einem Teil der Druckluft

Vf ^;

aus dem Verdichterabschnitt 42 gemischt zu werden, so daß ein brennbares Brennstoff-Iuft-Genuseh entsteht, das in der Verbrennungszone 60 verbrannt wird. Von hier aus gelangen die Verbrennungsprodukte in die Verdünnungszone 62 und werden dort mit Kühlluft vermischt, die ebenfalls vom Verdichter herbeigeführt wird, um die Temperatur vor dem Eintritt in den Turbinenabschnitt 46 herabzusetzen. Triebwerke ähnlich dem Triebwerk 40 sind in den US-Patentschriften 2 747 367, 2 711 631 und 2 846 841 beschrieben.

Ein Brennkammerabschnitt 44 für ein Turbo-Strahltriebwerk der in Figur 13 gezeigten Art kann aus zwei hintereinander geschalteten Bauteilen aufgebaut sein, nämlich einem Verbrennungsabschnitt oder einer Verbrennungszona 60, welcher Brennstoff in einem Teil der gesamten, vom Verdichter gelieferten Triebwerk-Luftströmung verbrannt wird und einer Verdünnungszone 62, in welcher die restliche Triebwerkluft mit den heißen Verbrennungsprodukten aus der Verbrennungszone gemischt wird, so daß eine beträchtlich kühlere Mischung gegenüber der Temperatur der Verbrennungsprodukte entsteht, welche durch die Turbine 46 geschickt wird. In dem Brennkammerabschnitt 44 kann eine beliebige Kombination konzentrischer Mischer, "Barberpole"-Mischer und Mischer mit gekrümmtem Strömungskanal einerseits zur Erzielung der Mischung und Ver-· brennung in der Verbrennungszone und andererseits zur Erzielung der Mischung und Kühlung in der Verdünnungszone einge-

' setzt werden.

Figur 14 zeigt eine Ringbrennkammer 56, welche einen Außenmantel 54 und ein Innengehäuse 113 besitzt, die vorzugsweise ringförmigen Querschnitt besitzen und konzentrisch zur Achse oder Mittellinie 16 angeordnet sind. "Die vom Verdichterabschnitt 42 des Triebwerks nach Figur 13 austretende Luft gelangt je nach den Abgabebedingungen des Verdichterab-. schnittes 42 mit oder ohne Drall in einen ringförmigen Einlaß 114 und Teile des Luftstromes strömen durch den Zündstromkanal 124, weitere Teile durcii den Kanal 126 zur Bereitung der Brennstoffmischung für die Haupt-Verbrennungszone und

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sr

wieder ein Teil der Luft gelangt als Verdünnixagsluft in den Kanal I30. Weitere Teilströme der Luft strömen durch, die Kanäle 122 und 132 und dienen zur Kühlung der Wandungen der Brennkammer bzw. des Flammrohres. Leitschaufeln oder Leitbleche 116, 118, 120 und 128 können ggf. dazu verwendet werden, die Strömung in dem betreffenden Kanal mit eine?! stärkeren Drall zu versehen oder zu begradigen, so daß die zuvor definierten Bedingungen für die Trennflächen-Instabilität und die gute Durchmischung erfüllt werden können. Die Kanäle 122, 124,-126, 130 und 132 haben jeweils ringförmige Gestalt, da auch die äußere Brennerauskleidung oder Flammrohrwand 134, die innere Flammrohrwand 136 und die Trennwände 138 und 140 jeweils ringförmigen Querschnitt besitzen und konzentrisch zur Achse 16 angeordnet sind. Die Leitschaufeln oder Leitbleche 116, 118, 120 und 128 können feststehend oder teilweise oder sämtlich bezüglich ihres Anstellwinkels veränderlich sein, wie beispielsweise in Figur 15 bezüglich der Leitschaufeln 116 angedeutet ist, wobei diese Leitschaufeln schwenkbar an der Flammrohrwand 134 und dem Außenmantel 54 über Lagerzapfen 146 bzw. 144 gelagert sind. Der Lagerzapfen erstreckt sich durch den Außenmantel 54 der Brennkammer und trägt am äußeren Ende ein Zahnrad 148, das mit einem verdrehbaren Ring oder Zahnkranz 150 in Eingriff steht, der seinerseits durch Bewegung eines von der Steuerstelle aus betätigten Hebels 152 in Umfangsrichtung um die Achse 16 verdreht werden kann, wenn der genannte Hebel 152 in die Zeichenebene hinein oder aus der Zeichenebene herausbewegt wird. Die Leitschaufeln 116 verdrehen sich daher gemeinsam, so daß die Tangentialgeschwindigkeit V. des betreffenden Gses oder Strömungsmittels, das durch die Leitschaufeln hindurchtritt, verändert wird. Zu der wirbelnden Luft, welche in den Kanal 124 eintritt, wird zerstäubter Brennstoff hinzugefügt, der mittels einer Brennstoffeinspritzung 156 beigegeben wird, so daß sich ein Brennstoff-Luftgemisch einstellt, das von einer Zündeinrichtung 158 entzündet werden kann und in dem Zünd-Verbrennungsbereich 160 verbrennt, welch letzterer stromabwärts von einem mit Öffnungen versehenen Flammenhalter 161 gelegen ist, der als geneigte Lochplatte ausgebildet ist, die sich zwischen den Wänden 134 und 138 er-

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streckt. Der heiße, wirbelnde Gasstrom, der aus dem Kanal 124 kommt, dient als Zünd-Gasstrom für den Verbrennungsbereich 60. Der in den Kanal 126 eintretenden, einen Drall aufweisenden Luftströmung wird zerstäubter Brennstoff mittels einer Einspritzvorrichtung 162 beigegeben, wobei die Brennstoffmenge, welche in die Kanäle 124 und 126 abgegeben wird, durch die Größe und Anzahl der Brennstoffdüsen, beispielsweise der Düse 162, sowie durch von der Steuerstelle aus regulierte· Ventile 162 und 165 geregelt werden kann, die in den Brennstoffleitungen zu den Düsen angeordnet sind. Der in den Kanal 126 eingebrachte zerstäubte Brennstoff mischt sich mit der durch diesen Kanal strömenden, wirbelnden Luft und bildet ein brennbares Brennstoff-Luft-Gemisch, das in den Verbrennungsbereich bzw. die Verbrennungszone 60 gelangt und dort eine beschleunigte Mischung mit dem Zünd-Strömungsmittelstrom erfährt, der aus dem Kanal 124 austritt, so daß nun eine Verbrennung,, des Strömungsmittelstromes aus dem Kanal 126 eintritt. Der heiße, wirbelnde Zünd-Strömungsmittelstrom aus dem Kanal 124 mischt sich also und unterhält die Verbrennung indem aus dem Kanal 126 austretenden Brennstoff-Luft-Gemischstrom und die thermodynamischen und aerodynamischen Eigenschaften der beiden Strömungsmittelströme sind so eingestellt, daß die Bedingung 9 ^(innerer Strom)\V_t ²(äueserer Strom) für die rasche Durchmischung erfüllt ist. Diese Bedingung kann durch Einstellung der Tangentialgeschwin-

_k digkeit V₊ in jedem Strom durch geeignete Auswahl des Abgabe-

^w winkeis der Leitschaufeln 118 und 120 erfüllt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß der Verbrennungsprozeß in dem Verbrennungsbereich 124 die Dichte Q des betreffenden Strömungsmittelstromes relativ zu demjenigen in dem Kanal 126 erniedrigt, so daß die Einhaltung der erwähnten Bedingung für die rasche Durchmischung noch erleichtert wird. Die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungszone 60 gelangen dann in den Verdünnungsbereich 62 als wirbelnde Strömung, die zu der Kühlluft konzentrisch verläuft, welche in die Verdünnungszone 62 über den Kanal 130 eintritt, so daß zwischen den mit Drall strömenden Verbrennungsprodukten und der

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mit Drall strömenden Kühlluft die folgende Bedingung für eine unstabile Trennfläche erfüllt ist:

2 2

9^Vt (Kühlluft)^ S ^Vt (Verb.Prod.) ,

um eine beschleunigte Durchmischung und damit eine beschleunigte Temperaturverminderung der Verbrennungsprodukte vor dem Eintritt in den Turbinenabschnitt 46 zu erreichen.

Man erkennt, daß bei der Brennkammerkonstruktion nach Figur 14 die Bedingung für eine unstabile Trennfläche zwischen zwei mit Drall strömenden, ungleichen Strömungsmittelströmen sowohl durch entsprechende Konstruktionsmerkmale im Bereich der konzentrischen Mischeranordnung als auch in der Verdünnungszone der Ringbrennkammer beachtet ist.

Die Einrichtungen und Maßnahmen zur Vorgabe, Einstellung oder Regulierung der Dichte und der Tangentialgeschwindigkeit der mit Drall strömenden Strömungsmittelströme, wie sie anhand von Figur 14 beschrieben worden sind, können auch in Verbindung mit den übrigen Ausführungsbeispielen, wie sie zuvor beschrieben wurden oder nachfolgend noch beschrieben werden, zur Anwendung kommen.

An den stromab gelegenen Enden der Trennwände 138 und 140 sind Auslöseeinrichtungen 164 und 166 befestigt, welche die oben bereits beschriebene Wirkung haben.

Die aus dem Kanal 132 austretende Kühlluft strömt durch Öffnungen 168 und 170 der inneren Brennkammerauskleidung oder Flammrohrwand 136, um diese zu kühlen. Die äußere Flammrohrwand wird durch Kühlluft aus dem Kanal 122 gekühlt, welche durch Leitblechanordnungen oder Leitschaufelgitter 172, und 176 strömen, um die Kühlluft längs der Innenfläche der äusseren Flammrohrwand 134 entlang zu führen. Die Winkelstellung der Leitbleche oder Schaufelgitter ist hier aber so gewählt, daß die Bedingung für eine stabile Trennfläche zwischen der Kühlluft und den heißen Gasen aus der Verbrennungszone erfüllt ist, nämlich :

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Vf

2 2

S ^Vt (Kühlluft) "^ S^Vt (Verb.Prod.).

Die Öffnungen 168 und 170 der inneren Flammrohrwand 136 können auch durch Leitblechanordnungen, wie bei 172 gezeigt, ersetzt werden und eine stabile Trennfläche zwischen der Kahlluft-Strömungsschicht und den Verbrennungsprodukten wird durch solche Stellung der Leitbleche erreicht, daß auch an der radial inneren Plammrohrwand die soeben erwähnte Bedingung erfüllt ist.

In Figur 16 ist eine andere Ringbrennkammer dargestellt, doch werden hier sowohl die Vermischung in der Verbrennungszone als auch die Vermischung in der Verdünnungszone mittels einer ^llBarberpole"-Mischerkonstruktion erreicht. Die Brennkammer 56 besitzt wieder einen Außenmantel 54 und ein Innengehäuse 113· Die Luft tritt von dem Verdichterabschnitt 42 aus in den ringförmigen Einlaßkanal 114 ein und wird nach einem kurzen Strömungsweg mit Brennstoff vermischt und in der Verbrennungszone 60 verbrannt, wonach die Verbrennungsprodukte in der Verdünnungszone 62 verdünnt und die heißen Gase dann durch den Turbinenabschnitt 46 geführt werden. Die in den Einlaß 114 eintretende Luft strömt entweder über die in bestimmter Weise eingestellten Leitschaufeln oder Leitbleche 121 und 123 in Kühlluft-Ringkanäle 121 bzw. 132 oder über ebenfalls in bestimmter V/eise eingestellte Leitschaufeln

' oder Leitbleche 116, 118 und 120 zur Verbrennungszone 60. Die Leitschaufeln oder Leitbleche 116, 118, 120, 121 und 123 können entweder in bestimmter Stellung eingebaut sein oder entsprechend der in Figur 15 gezeigten Bauart einstellbar ausgeführt sein. Der "Barberpole"-Mischer für die Verbrennungszone 60 arbeitet ganz genauso, wie dies zuvor im Zusammenhang mit dem Vormischungs-Verbrenner gemäß Figur 10 beschrieben wurde und entsprechende Teile sind daher auch mit gleichen Bezugszeichen versehen, um die Gleichheit der Wirkungsweise zu betonen. Die Luft, welche an den Leitschaufein 160 und 120 vorbeigeströmt ist, tritt in Ringkanäle 110 bzw. 114 ein und wird mittels Sekundär-Brennstoffdüsen 98 mit Brennstoff versetzt, bevor sie durch die spiraligen Schlitze

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88 und 90 in die divergierende Verbrennungszone 60 gelangt und dort wirbelnde Brennstoff-Luft-Gemischströme bildet, welche eine Tangentialgeschwindigkeit V₊ besitzen, die so gewählt

ist, daß sich, der erforderliche Produkt-Parameter <?.V+. ergibt. Wie man am besten aus Figur 17 erkennt, sind die spiraligen Schlitze 88 und 90 örtlich parallel zur Richtung der Strömung orientiert, welche den Kanal 112 verläßt und laufen gegeneinander. Während in dem hier soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel nur eine einzige Schlitzreihe sowohl in der

ußenwand 82 als auch in der Inenwand 84 gezeigt ist, versteht es sich, daß auch eine andere Zahl von Sclilitzreinen oder Schlitzanordnungen gewählt werden kann. Die übrige Einlaßluft, welche ggf. an den Leitschaufeln 118 vorbeiströmt, wird mittels der Brennstoffdüsen 92 mit Brennstoff versetzt und mittels einer Zündeinrichtung 180 gezündet, um eine wirbelnde Zündflamme in dem Verbrennungsbereich 96 zu unterhalten, welche in die Haupt-Verbrennungszone 60 mit einen bestimmten Produkt-Para-

2
meter ^. V₊ eintritt, derart, daß dieser Produkt-Parameter für die radial innere Brennstoff-Luft-Gemischströmung aus dem Kanal 114 größer als der Produkt-Parameter für die Zünd-Strömungsmittelströmung aus dem Kanal 112 ist, welche ihrerseits wieder einen größeren Produkt-Parameter als die radial äußere Brennstoff-Luft-Gemischströmung aus dem Kanal 110 besitzt. Man erreicht so eine beschleunigte Durchmischung und Verbrennung der einzelnen Teilströme in radialer Abstufung in der Verbrennungszone 60, von wo aus die Verbrennungsprodukte in die Veröünnnungszone 62 einströmen.

Die Kühlluft tritt in die Verdünnungszone 62 von dem Kühlluftkanal 122 her über eine Vielzahl spiraliger Schlitze, beispielsweise 182, ein, die am Umfang der äusseren Flammrohrwand anordnet sind und jeweils Leitbleche 186 aufweisen, die über die Schlitze 182 hinüberreichen und die Strömungsrichtung beim Eintritt zusammen mit den Spiralschlitzen 182 selbst beeinflussen. Figur 18 zeigt eine Abwicklung der äußeren Flammrohrwand 184, aus welcher die Richtung der örtlichen Strömung längs der inneren Flammrohrwand 184 durch den Pfeil 188 angedeutet ist, welcher parallel zur Richtung

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V (siehe Figur 3) verläuft, wobei die Schlitze 182 zu der Achse 16 schräg verlaufen und parallel sur jeweiligen örtlichen Strömungsrichtung V ausgerichtet sind. Die Leitbleche 186 sind so ausgebildet und angeordnet, daß sie den verdünnenden Kühlluftstrom vom dem Kühlluft-Ringkanal 122 in der gewünschten Richtung in die Verdünnungszone 62 einführen, d.h., mit geringer, oder gar keiner Tangentialgeschwindigkeit, so daß die Bedingung für die beschleunigte Mischung erfüllt ist,wonach

2
der Produkt-Parameter § .V^ des verdünnenden Luftstromes aus dem Ringkanal 122 kleiner als der Produkt-Parameter der Verbrennungsprodukte sein muß.

In ähnlicher Weise ist an der inneren Flammrohrwand 192 eine Reihe spiraliger Schlitze 190 vorgesehen, welche rundum am Umfang verteilt angeordnet sind und jeweils Einlaß-Leitbleche 194 aufweisen. Eine Abwicklung der inneren Flammrohrwand 192 zeigt, daß die Spiralschlitze 190 den Schlitzen 182 der äußeren FItmmrohrauskleidung oder Flammrohrwand 184 entsprechen und daß die Leitbleche 194 den Leitblechen 186 an den Schlitzen 182 entsprechen, jedoch mit der Ausnahme, daß die Schlitze 192 und die zugehörigen Leitbleche 196 im Sinne der Erzeugung eines verdünnenden oder kühlenden Luftstromes in die Verdünnungszone 62 hinein mit hoher Tangentialgeschwindigkeit V+ zusammenwirken sollen und daher sind, wie aus Figur 19 zu erkennen ist, an die Leitbleche 194 noch Seitenleitbleche 196 und 198 angesetzt, die eine ge-P wünschte Tangentialgeschwindigkeit V. verursachen, um die Bedingung für die beschleunigte Mischung zu erfüllen, wonach

2
der Produkt-Parameter q . Y, der durch die Schlitze 190 strömenden Verdünnungsluft oder Kühlluft größer als der Produkt-Parameter der Verbrennungsgase in der Verdünnungszone 62 zu sein hat.

Man erkennt also, daß bei der Brennkammerkonstruktion gemäß Figur 16 eine Mischung nach dem "Barberpole"-Prinzip an beiden Wandungen sowohl in der Verbrennungszone als auch in der VErdünnungszone stattfindet. Im einzelnen wird die beschleunigte Mischung in der Verbrennungszone sowohl zwischen dem Brennstoff-Luft-Gemisch aus den Schlitzen 88 als auch derl··

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jenigen aus den Schlitzen 90 und dem Zünd-Strömungsmittelstrom aus dem Kanal 96 durchgeführt. In ähnlicher ¥/eise findet eine Mischung zwischen den Verbrennungsprodukten einerseits und den aus den Schlitzen 182 und-190 austretenden KUhlluftströmen in der Verdünnungszone 62 statt.

Während bei den Konstruktionen nach den Figuren 16 bis bestimmte Arten von mit Leitblechen versehenen Schlitzen gezeigt sind, können auch Mehrfach-Schlitzanordnungen sowohl in der Verbrennungszone als auch in der Verdünnungszone vorgesehen sein, wie am besten aus Figur 20 zu ersehen ist, wo mehrere Reihen mit LeitüLechen versehener, spiraliger Schlitze gezeigt sind.

Wie zuvor im Zusammenhang mit Figur 14 erwähnt, tritt Kühlluft auf die Innenseite der äußeren Flammrohrwand 184 der Brennkammerkonstruktion nach Figur 16 über in bestimmter Weise angeordnete Leitbleche oder Schaufelgitter 172 und 174 ein, so daß die Innenfläche der Flammrohrwand 184 mit einer kühlenden Luftschicht versehen werden kann. In ähnlicher Weise tritt Kühlluft in der Verdünnungszone 62 auch durch Öffnungen 168 und 170 der inneren Flammrohrwand, um diese mit einer Kühlluftschicht abdecken zu können.

Figur 21 zeigt eine weitere Abwandlung einer Ringbrennkammer mit einer konzentrischen Mischerkonstruktion für die Verbrennungszone und einer "Barberpole"-Mischerkonstruktion in der Verdünnungszone. Im Betrieb verhält sich der konzentrische Mischer der Verbrennungszone geiiauso, wie der konzentrische Mischer, der zuvor im Zusammenhang mit der Verbrennungszone der Brennkammer nach Figur 14 beschrieben wurde und der "Barberpole"-Mischer der Verdünnungszone verhält sich genauso, wied der zuvor beschriebene "Barberpole¹¹-Mischer in der Verdünnungszone der Ausführungsform gemäß Figur 16. In Figur 21 sind demgemäß auch die gleichen Bezugszahlen verwendet, wie für die entsprechenden Teile aus Figur 14 und Figur 16 und es wird hier nur eine kurze Beschreibung der Wirkungsweise gegeben, während im übrigen auf

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die Beschreibung der zuvor erwähnten Zeichnungsfiguren verwiesen werden kann. Die vom Verdichter abgegebene verdichtete Luft, welche je nach Abgabebedingungen des Verdichters einen Drall aufweisen kann oder nicht, gelangt in den ringförmigen Einlaßkanal 114 und teilt sich dann auf, so daß sie an den Leitschaufeln 116 und 202 vörbeiströmt und in die ringförmigen Kühlluftkanäle oder Sekundärluftkanäle 122 bzw. 132 eintritt, oder die Luft gelangt durch die Leitschaufeln 118 und 120 und wird mittels der Brennstoff-Einspritzdüsen 162 mit Brennstoff versetzt, so daß in dem Ringkanal 124 ein Zünd-Verbrennungsbereich 160 entstehen kann, von welchem aus die heißen Gase zur Mischung mit dem Brennstoff-Luft-Gemisch

»aus dem Kanal 126 gelangen und die Verbrennung dieses Gemisches unterhalten. Die Verbrennungsprodukte strömen dann in die Verdünnungszone 62 ein und erfahren dort eine beschleunigte Mischung mit den Kühlluftströmen oder Verdünnungsluftströmen aus den Kanälen 122 und 132, wobei diese Luftströme über die zuvor erwähnten Schlitzanordnungen 182 und 190 eintreten und spiralige Strömungsschichten aus Kühlluft bilden, welche in der Verdünnungszone 62 in den Strom der Verbrennungsprodukte eingelagert werden und vor dem Eintritt in den Turbinenabschnitt 46 eine beschleunigte Kühlung bewirken. Im übrigen arbeiten der konzentrische Mischer der Verbrennungszone 60 und der "Barberpd.e"-Misclier der Verdünnungszone 62 bei der Ausführungsform nach Figur 21 genauso, wie der konzentrische || Mischer der Verbrennungszone 60 der Ausführungsform nach Figur 14 bzw. der "Barberpole"-Mischer in der Verdünnungszone 62 der Ausführungsform nach Figur 16, und sind auch genauso aufgebaut.

Es sei hier nochmals betont, daß es von .„ausschlaggebender Bedeutung ist, den Produkt-Parameter ^ . V^.² der V/irbelströme oder Drall-Strömungen so einzustellen oder zu steuern, daß eine beschleunigte Mischung zwischen den einzelnen Strömen in der oben beschriebenen Weise stattfindet, wofür ggf. Leitschaufeln 116, 118, 120 und 202 verwendet werden können.

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Figur 22 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher eine Mischerkonstruktion mit gekrümmtem Strömungsweg zur Bildung der Verdünnungszone in einer sogenannten zusammengefalteten Brennkammer vorgesehen ist. Aus Figur 22 ist zu erkennen, daß die zusammengefaltete Ringbrennkammer 56 mit gekrümmtem Strömungskanal zwischen dem Verdichterabschnitt 42 und dem Turbinenabschnitt 46 gelegen ist und eine Verbrennungszone 60 beliebiger Art aufweist. Es kann sich um eine übliche Verbrennungszone handeln, etwa, wie sie in der US-Patentschrift 3 498 055 gezeigt ist, um eine konzentrische Mischerkonstruktion für die Verbrennungszone, ähnlich wie für die Ausführungsform nach Figur 14 beschrieben, oder um einen der Verbrennungszone angehörenden "Barberpole"-Mischer, wie für Figur 16 beschrieben. Derjenige Teil der verdichteten Luft aus dem Verdichter 42, der nicht in die Primär-Verbrennungszone 60 gelangt, wandert als Kühlluftstrom oder Verdünnungsluftstrom durch den Ringkanal 204 und tritt in die Verdünnungszone 62 zusammen mit den Verbrennungsprodukten aus der Verbrennungszone 60 ein, jedoch mit kleinerem Abstand oder Radius gegenüber dem Krümmungszentrum 79» zu welchem die koaxialen, gebogenen Wandungen 204 und 206 konzentrisch liegen, wie zuvor im Zusammenhang mit Figur 12 bereits angegeben wurde. Der Drall oder die Wirbelbewegung um das Kriimmungszentrum 79 vermittelt dem Kühlluftstrom oder Verdünnungsluftstrom und den Verbrennungsprodukten innerhalb der im gekrümmten Strömungsweg liegenden Verdünnungszone 62 die notwendige Bedingung für die beschleunigte Durchmischung, nämlich:

9 ^Vt (Verdünnungsl. )^ ζ ^Vt (Verb.Prod.),

um eine maximale Durchmischung und damit Kühlung der Verbrennungsprodukte vor dem Eintritt in den Turbinenabschnitt zu erreichen.

Der Fachmann erkennt, daß im Rahmen der Erfindung entweder die Verbrennungszone oder die Verdünnungszone in üblicher Weise, beispielsweise, wie in der US-Patentschrift 3 498 055 beschließen, ausgeführt werden kann, während die in der erfindungsgemäßen Weise auszubildende Zone, also ent-

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weder die Verdünnungszone oder die Verbrennungszone, eine konzenirisclie Misclierkonstruktion oder eine "Barberpole"-Kischerkonstruktion oder eine Misclierkonstruktion mit gekrümmtem Strömungsweg aufweisen kann, wie sie jeweils zuvor im einzelnen beschrieben und erläutert wurden.

Während'bei der Ausführungsform nach Figur 14 eine bestimmte Bauart eines Zündbrenners zur Verwendung im konzentrischen Mischer der Verbrennungszone gezeigt ist, können für den konzentrischen Mischer auch Abwandlungen der Zündbremierkonstruktion vorgesehen sein, die nachfolgend angegeben seien. So kann es bei Ausführungsformen, bei denen das zuvor erwähnte Vormischungs-Verbrennungsprinzip zur Anwendung kommt P und welche Leitschaufeln aufweisen, vorteilhaft sein, die Brennstoffeinspritzung stromaufwärts von den Leitschaufeln vorzunehmen. Die Vorteile einer solchen Ausbildung sind u.a., daß das Vorhandensein der Leitschaufeln zwischen der Brennstoffquelle und der Verbrennungszone ein Kückschlagen der Flamme von der Verbrennungszone zur Brennstoffdüse hin verhindert. Ferner werden in den Durchgängen zwischen den Leitschaufeln Sekundärströme erzeugt, welche die Brennstoffzerstäubung und Verteilung fördern. Ein Beispiel einer solchen Konstruktion ist in Figur 23 hinsichtlich eines Brenners mit konzentrischem Mischer und in Figur 29 hinsichtlich eines Brenners mit "Barberpole"-Mischer gezeigt.

Bei der Ausführungsform nach Figur 23 findet also die Brennstoffeinspritzung vor den die Strömungsrichtung bestimmenden Leitschaufeln statt, wobei der hier gezeigte konzentrische Mischer der Brennkammer anstelle des entsprechenden Teiles gemäß Figur 14 eingesetzt werden könnte. Die übrigen Teile der Brennkammer 56 entsprechen ' dem Ausführungsbeispiel nach Figur 14. Figur 23 zeigt also eine Primär-Verbrennungszone für eine Ringbrennkammer mit Drall-Strömung. Der Zünd-Strömungsmittelkanal 124 wirkt mit einem sekundären Brennstoff-Luft-Gemischstrom zusammen, welcher in dem Kanal 126 bereitet worden ist. Die Leitschaufelgitter 208 und 210 liegen axial wieder an derselben Stelle, doch können sie auch in axialer

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Richtung ggf. verschoben sein. Bei der Ausführungsform nach Figur 23 liegen die Leitschaufelreihen 208 und 210 nahe am Diffusorabschnitt 58, um der eintretenden Luft über den Drall, welcher der Luft von dem Verdichter 42 erteilt wird, hinaus eine zusätzliche Wirbelgeschwindigkeit zu verleihen und gleichzeitig kann die Axialkomponente V der gesamten Gasgeschwindigkeit beeinflußt werden. Die Brennstoffeinspritzung stromaufwärts von den Leitschaufelreihen 208 und 210 geschieht durch mit Öffnungen versehene Sammlerringe 214 und 216, welche den Brennstoff nach vorwärts gegen Prallplattenringe 218 und 220 spritzen, um auf diese Weise eine Zerstäubung zu erreichen, wonach der Brennstoff durch die Leitschaufelgitter 208 und 210 hindurch in die Kanäle 124 und 126 getragen wird. Eine Brennstoffeinspritzung dieser Art kann beispielsweise der US-Patentschrift 3 269 155 entnommen werden. Der Sammlerring 214 der Brennstoffeinspritzung fluchtet vorzugsweise mit einem Flammenhalter 212, um den Strömungswiderstand klein zu halten and die Unterhaltung einer stabilen Flamme am Flammenhalter zu unterstutzen. Es sei darauf hingewiesen, daß bei Verwendung der Leitschaufelgitter 208 und 210 keine Veränderung des statischen Druckes stattfindet und die Axialgeschwindigkeitkomponente V in dem Maße verringert wird, in welchem die Tangentialgeschwindigkeit oder die Drallkomponente V, erhöht wird. Da in der Leitschaufelreihe oder dem Leitschaufelgitter ein kleiner Anstieg des statischen Druckes zugelassen werden kann, stellt bei richtiger Auslegung die Leitschaufelreihe eine wirkungsvollere Maßnahme zur Verringerung der Axialgeschwindigkeitskomponente V dar, als der

jL

Diffusor selbst, wenn man den Bereich betrachtet, innerhalb welchem eine gewünschte Größe der Tangentialgeschwindigkeitskomponente V. des Gases zu erreichen ist. Vorzugsweise sind die einzelnen Leitschaufeln oder Leitbleche des Leitschaufelgitters 208 und 210 in geringem Abstand voneinander angeordnet, so daß gleichzeitig eine Flammenschranke entsteht. Die Gasströmung nöherer Geschwindigkeit durch dxe in geringem Abstand voneinander gelegenen Leitschaufeln oder Leitbleche der Leitschaufelgitter 208 und 210 verhindert ein Rückschlagen der Flamme von der Brennkammer zu den Brennstoffdüsen hin.

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Sin kleiner, trogartiger Flammenhalterring 212 ist konzentrisch, zur Achse 16 angeordnet und stabilisiert eine Rezirkulationszone in dem Zünd-Verbrennungsbereich 160. Die Rezirkulation beeinflußt lediglich die axiale Geschwindigkeit V. und nat keinen Einfluß auf die Tangentialkomponente oder Drallkomponente der G-esiiwindigkeit V". ;

Eine Zündeinrichtung, beispielsweise das in Figur 14 gezeigte Bauteil 158, entzündet das Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Kanal 124 und dieses gezündete Gemisch dient als Zünd-Strömungsmittelstrom für das Brennstoff-Luft-Gemiscn, das aus dem Kanal 126 austritt und in der Verbrennungszone 60 eine beschleunigte Durchmischung und Verbrennung erfanrt. Ggf. kann P wieder eine Auslöseeinrichtung 166 verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil der in Figur 23 gezeigten Konstruktion, welcher sich aus der Anordnung von LeitscLaufein oder Umlenkschäufein 208 zwischen dem Verbrennungsbereich 60 und der Brennstoffeinspritzung 214 erzielen läßt, kann am besten anhand von Figur 28 erklärt werden. Wie man aus i'i^ur 28 erkennt, erzeugen die spiralig angeoidneten üralenka±iaufein oder Leitschaufeln bzw. Leitbleche 208 an ihren radialen Flächen Grenzschichten, welche mit den Druckgradienten in der Gasströmung zwischen den Leitschaufeln oder Leitblechen in Zusammenwirkung kommen und Sekundärströmungen hervorrufen, wie sie in Figur 28 angedeutet sind. Diese Strömungen bewirken eine Durchwirbelung und Durchmischung der Tröpfcrien und des Dampfes des Brennstoff-Luft-Gemisches mit der Wirkung einer gleichförmigeren Mischung sowie einer beschleunigten Verdampfung der Tröpfchen. Stromabwärts von den Leitblechen oder Umlenkachaufeln 208 reagieren die Ablaufbereiche der Leitbleche weiterhin mit dem radialen Druckgradienten und die hieraus resultierende Sekundärströmung bewegt sich spiralig hinter den Leitblechen oder Leitschaufeln stromabwärts. Dieselbe sekundäre Zirkulationsströmung, wie sie in Figur 28 und oben im Zusammenhang mit den Leitschaufeln oder Leitblechen 208 beschrieben wurde, tritt auch zwischen den Leitblechen oder Leitschaufeln 210 der Ausführungsform nach Figur 23 auf.

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In Pi_:r:ur 29 ist eine Ausführungsform gezeigt, welche einen "Barberpole"-lYiischer" enthält und eine Brennstoffeinspritzung stroma.ufw.irts von den ümlenkblechen oder Leitschaufeln aufweist, um die Vorteile einer Flammenschranke und einer brennstoff durchmiscliung durcii Sekundärströmungen zu erzielen.

Figur 29 zeigt eine Abwandlung des "Barberpole"-Mischers des Verbrennungsabschnittes für die Brennkammerkonstruktion nach Figur 15· Bei dieser Abwandlung einer Ringbrennkammerkonstruktion, welche ähnlich arbeitet, wie die Ausführungsformen nach den Figuren 10 und 11 und we.lche weitgehend unter Verwendung entsprechender Bezugszeichen erläutert wird, tritt die Verbrennungsluft, welche den ringförmigen Einlaßkanal II4 praktisch ohne Drall oder Tangentialgeschwindigkeit erreicht, entweder in die Rühlluft-liingkanale 122, 130 und 132 ein und die übrige Luft strömt in den divergierenden Teil 58 bzw. den Diffusor der Brennkammer 56. Während der Vorgänge im Diffusor wird der Luft möglichst früh zerstäubter Brennstoff durch übliche Brennstoffdusen-Sammlerleitungen 224 zugeführt. Die Brennstoffdüsen-Sammlerleitungen sind so angeordnet, daß sie jeweils einzeln oder zu mehreren je einen Kanal beaufschlagen. Sine Reihe oder ein Gitter von Umlenkschaufeln oder Leitblechen 234 ist am Eingang des Ringkanales 124 vorgesehen, welcner den Zünd-Verbrennungsbereich 160 umgrenzt. Bei Durchgang durch die Leitbleche oder Umlenkschaufeln 234 wird die Luft zu einer Drallströmung oder Wirbelströmung veranlaßt, wenn sie in die vorderen Bereiche der in einem Diffusorabschnitt gelegenen Zund-Verbrennungszone 160 eintritt. Ein üblicher Flammenhalterring von trogartigem Querschnitt, 212, welcher V-förmig oder U-förmig oder rund ausgebildet sein kann, ist radial in der Mitte mit Bezug auf das Leitschaufelgitter 234 angeordnet, um die Rezirkulationszone zur Unterhaltung der Verbrennung weiter stromabwärts zu stabilisieren, nachdem das Brennstoff-Luft-Gemisch durch eine geeignete Zündeinrichtung, beispielsweise die Zündkerze 228, gezündet worden ist. Der ringförmige Aufbau des Hanales 124 bewirkt eine Rezirkulationsströmung hinter dem Flammenha.lter 212. Dem vorbereiteten Brennstoff-Luft-Gemisch, das mit größerem Radialabstand von der Achse durch

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den Ringkanal 236 strömt, wird kein Drall vermittelt und eine restliche Wirbelbewegung kann sogar mittels eines Schaufelgitters 235 beseitigt werden. Die Luft aus dem Kanal 236 tritt in den Verbrennungsbereich 160 über die Schlitze Qd ein, Demjenigen Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches, welcher durch das Schauf elgi.tter 240 strömt, wird eine Tangentialgeschwindigkeit V. vermittelt, welche gleich oder größer als diejenige des verbrannten Zmnd-Gasstromes ist und das wirbelnde Brennstoff-Luft-Gemisch, welches von dem Schaufelgitter 240 herkommt, wird Über die spiraligen Schlitze 90 in die Haupt-Verbrennungszone 60 eingeführt, wobei der Produkt-Parameter

ο . V, größer als derjenige der heißen Verbrennungsprodukte ist, welche in die Verbrennungszone 60 aus dem Zünd-Verbrennungsbereich eintreten. Die Wirkungsweise der Ausführungsform nach Figur 29 entspricht derjenigen der Ausführungsform entsprechend den Figuren 10 und 11 mit Ausnahme der Tatsache, daß der Brennstoff stromaufwärts von den Leit-Bchaufeln oder Umlenkblechen eingespritzt wird, um die beiden oben genannten Vorteile zu erzielen.

Eine Abwandlung der konzetrischen Mischerkonstruktion in der Verbrennungszone mit wirbelnden Strömungen gegenüber der Ausführungsform nach Figur 14 istYFigur 24 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind am Eingang des Diffusorabschnittes 58 der Eingbrennkammer 56 die Leitbleche oder Leitschaufeln 118 und 120 vorgesehen, welche der eintretenden Luft den not-P wendigen Drall oder die notwendige Wirbelbewegung erteilen sollen, wenn die aus dem Verdichter austretende Luft nicht schon normalerweise die richtige Wirbelgeschwindigkeit an der betreffenden Stelle besitzt. Der durch den Eingkanal 222 strömenden Luft wird Brennstoff als Sprühstrahl aus üblichen . Brennstoffeinspritz-Sammlerringen, beispielsweise den Bauteilen 224, beigefügt. Anstelle der Verwendung einer Trennwand, beispielsweise der Trennwand 138 gemäß Figur 14, ist bei der Ausführungsform nach Figur 24 ein in bestimmter Weise geformter und angeordneter Plammenhs.lter 226 vorgesehen, welcher eine Kombination aus einem Flammenhaltei" und einer Auslöseeinrichtung darstellt, die mit der Zündkerze 228 zusammenwirkt, so daß das mit Drall durch den Kanal 222

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strömende Brennstoff-Luft-Gemiscn gezündet und die Verbrennung unterhalten werden kann. Wie man am besten aus Figur 25 erkennt, ist der Flammenhalter 226 vorzugsweise als spiralig gewellter Flammenhalterring ausgebildet, der am äußeren Flammrohrgehäuse oder Brennergehäuse 134 befestigt ist. Die spiralige Ausrichtung der Wellen des Flammenhalterringes 226 ist so gewählt, daß diese Richtung im wesentlichen zu dem spiraligen Weg des Brennstoff-Luft-Gemisches entsprechend dem Vektor V nach Figur 3 parallel ist, welcher die Strömungsrichtung im Kanal 222 in der Nähe des Flammenhalterringes angibt.

In dem Flammenhalterring 226 ist eine Vielzahl von Durchbrüchen oder Schlitzen 229 vorgesehen, durch welche ein vorbereitetes und bereits vollständig verdampftes oder teilweise verdampftes Brennstoff-Luft-Gemisch hindurchtritt und auf der Innenseite sowie stromabwärts des Flammenhalterringes 226 verbrennt. Die heißen Verbrennungsgase, welche stromabwärts vom Flammenhalterring aus dessen Bereich austreten, haben aufgrund der Gestalt der Wellungen des Flammenhalterringes und aufgrund des anfänglich aufgeprägten Dralls ebenfalls eine Tangentialgeschwindigkeitskomponente V+. Das Produkt aus der Dichte Q und dem Quadrat der Tangentialge-

2 schwindigkeit V^, nämlich der Produktparameter α V^ des heißen Gemisches stromabwärts vom Flammenhalterring ist dabei kleiner gemacht oder eingestellt ala der entsprechende Produkt-Parameter des Brennstoff-Luft-Gemisches, das außerhalb des Bereiches des Flammenhalterringes strömt und demgemäß ist an der Trennfläehe 227 unmittelbar stromabwärts von dem gewällten Flaramenhalterring 226 zu beobachten, daß sich die heißen Verbrennungsgase und das noch unverbrannte Brennstoff-Luft-Gemisch aufgrund des erwähnten Unterschiedes des Produkt-Parameters rasch vermischen und miteinander verbrennen. In der Verbrennungszone 60 findet also eine rasche Durchmischung und Verbrennung statt, so daß der resultierende Strom gegebenenfalls durch die über dem Kanal 130 einströmende Luft eine Durchmischung und Verdünnung erfahren kann. Bei der Ausfiihrungsform nach Figur 24 dient der spiralig gewellte Flammenhalterring zur Utabilisierung einer Zündflamme und zur Störung der unstabilen Trerinfläche zwischen, den Verbrennungsprodukten

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des Zünd-Strömungsmittelstromes und dem Brennstoff-Luft-Gemiscli, so daß an dieser Trennfläche eine Auslösung zur rascheren Durchmischung und Verbrennung erfolgt.

Eine Abwandlung der in Figur 24 gezeigten Ausführungsform ist aus den Figuren 26 und 27 zu entnehmen Abgesehen von dem abgewandelten Merkmal ist aber die Ausführungsform nach Figur 26 und Figur 27 genauso ausgebildet, wie die Konstruktion nach den Figuren 24 und 25 bzw. 14 und auch die Wirkungsweise ist dieselbe. Dar Vorteil der in den Zeichnungsfiguren 26 und 27 gezeigten Ausfuhrungsform liegt darin, daß dann, wenn einlaßseitige Leitbleche oder Umlenksehäufein er- * forderlich sind, diese mit dem spiralig gewellten Flammenhalterring 226 gemäß Figur 25 in besonderer Weise zusammengebaut werden und zusammenwirken können. Die Leitschaufeln oder Leitbleche 230 sind in spiraliger Anordnung am Eingang der Brennkammer 56 vorgesehen und erzeugen innerhalb der durch die Leitbleche oder Leitschaufeln begrenzten Kanäle die zuvor erwähnten und in Figur 28 gezeigten Sekundärströme, wobei sich diese Sekundärströmung auch noch stromabwärts von den durch die Leitschaufeln begrenzten Kanälen fortsetzt, so daß die Aualösewirkung und Mischwirkung des spiralig gewellten Flammenhalterringes, welcher den Zünd-Verbrennungsbereich abteilt, noch verbessert werden.

ψ Die spiralig ausgerichteten Leitbleche oder Leitsehau-

feln 230 bilden an ihren radial verlaufenden Wandungen Grenzschichten aus, welche mit dem radialen Druckgradienten der durch den Kanal 222 tretenden Gasströmung in Wechselwirkung gelangen und Sekundärströmungen ausbilden, wie sie in Figur 28 gezeigt sind. Durch diese Strömungen werden die Tröpfchen und Dämpfe des Brennstoff-Luft-Gemisches durcheinandergewirbelt, wodurch sich eine noch gleichförmigere Durchmischung sowie eine beschleunigte Verdampfung der Brennstofftröpfehen einstellen. Stromabwärts von den Leitblechen oder Leitscaaufeln 230 wirken die Ablaufwirbel der Schaufeln weiterhin mit dem radialen Druckgradienten zusammen, so daß sich die Lekundärströmungen hinter den Leitschaufein oder Leitblecnen

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in einer spiraligen Strömung fortsetzen. Durch Ausrichtung der spiraligen Leitbleche oder 'Leitschauf ein 230 in solcher Weise, daß ihre radiale Durchdringung mit dem spiralig gewellten und perforierten Flammenhalterring 226 an den Einbuchtungen 232 auftritt, während das hintere Ende der Leitschaufeln stromaufwärts vom hinteren Hand des Flammenhalterringes 226 gelegen ist, wird erreicht, daß die sich ablösenden Sekundär strömungen sich so ausrichten, daß sie die Auslösung des Mischungsvorganges durch den Flammenhalterring 226 unterstützen Die spiralig geformten Umlenksehäufein 230 wirken also mit dem spiralig gewellten Flammenhalterring 226 im Sinne einer weiteren Unterstützung- der Mischung und der Verbrennung zwischen den Verbrennungsprodukten und dem Brennstoff-Luft-Gemisch zusammen.

Versuche mit der Erfindung haben ferner gezeigt, daß mit Drall durchströmte Brennkammern der hier beschriebenen Art eine verbesserte Diffusorwirkung ermöglichen, worauf nachfolgend eingegangen sei.

Wie man aus Figur 40 erkennt, ist zwischen einer Außenwand 268 und einer Innenwand 270 ein bzw. der Diffusorabschnitt 58 der Ringbrennkammer 56 gebildet. Wirbelnde Luft tritt in den divergierenden Diffusorabschnitt 58 ein, wobei die Wirbelung entweder aufgrund des durch den Verdichter erteilten Dralls oder durch nicht dargestellte Leitbleche oder Leitschaufeln erzeugt wird. Es stellt sich hierbei eine Mischbedingung ein, bei welcher die Grenzfläche zur äußeren Grenzschicht an der Außenwand 268 unstabil ist, da der Produkt-Parameter Q V.^ für die Grenzschichtluft kleiner als der Produkt-Parameter <^ V. für den Kaupt-Luftstrom ist. Allein aufgrund dieser Erscheinung ergibt sich an der Außenwand eine größere Vermischungsgeschwindigkeit, so daß größere statische Druckgradienten in axialer Richtung längs der Wand zugelassen werden können, bevor eine Strömungsablösung auftritt. V.ird aber die unstabile Grenzfläche zar Grenzschicht mittels Höckern 272 beunruhigt und ausgelöst, wobei diese Hocker vorzugsweise als im axialen Abstand voneinander in Umfangsrichtung verlaufende Reihen vorgesehen sind, wie man aus den

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Figuren 40 und 41 ersieht, so wird die Mischgeschwindigkeit noch beträchtlich vergrößert und es erhöht sich die Strömungsmittel-Übertragungsgeschwindigkeit vom Hauptstrom zur Grenzschicht hin, so daß noch größere Diffusor-Strömungsgeschwindigkeiten zugelassen werden können, ohne daß eine Strömungsablösung an der äußeren Diffusorwand 268 auftritt.

Wird außerdem die radial innere Diffusorwand 270 des ringförmigen Diffusors 52 so ausgebildet, daß ihr Radialabstand von der Mittellinie 16 des Triebwerks in Richtung der axialen Luftströmung abnimmt, so nimmt auch der statische Druckgradient an der Innenseite der Wand in Axialrichtung ab. Dies wird gemäß Figur 40 dadurch erreicht, daß der Radius T^ kleiner als der Radius r. gemacht wird. Aufgrund der Erhal-■ tung des Drehimpulses oder Dralls ergibt sich dann eine örtliche Vergrößerung der Tangentialkomponente V. der Geschwindigkeit. Man kann daher den axialen statischen Druckgradienten vermindern, welcher bezüglich der Strömungsablösung allein die axiale Gesehwindigkeitskomponente beeinflußt. Längs der radial inneren Diffusorwand ist daher eine raschere Verringerung der axialen Geschwindigkeitskomponente V möglich.

Fernerhin wurde gefunden, daß ein ringförmiges Flammrohr oder eine Ringbrennkammer der hier beschriebenen Art, welche mit Drall durchströmt sind, die VerwaxLung eines sich sehr breit und mit stumpfem Winkel öffnenden Diffusors er- f möglichen, um die Flammrohrlänge oder Brennkammerlänge zu vermindern. Bei einer. Ringbrennkammer mit Drall-Durchströmung kann dies dadurch erreicht werden, daß eine Grenzschichtablösung längs der Diffusorwände verhindert oder verzögert wird. Bekanntermaßen werden Grenzschichten dadurch angetrieben und beaufschlagt, daß man einen Blasstrom über Schlitze in der betreffenden Fläche einbringt, doch wird dadurch zusätzliche Leistung für die Förderung der Blasluft erforderlich. Bei einem Diffusor, welcher mit Drall durchströmt wird, kann eine axiale Grenzschicht ohne die Aufwendung einer äußeren Pumpleistung oder Verdichterleistung erzielt werden. Die wesentliche Maßnahme besteht nicht in der Anregung einer axir.len

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Grenzschicht selbst, sondern darin, daß die Grenzschichtströmung am Diffusoreinlaß geradegerichtet wird und die kinetische Energie der tangentialen Grenzschichtströmung zu derjenigen der axiale Grenzschichtströmung addiert wird. Für die Begradigung der Grenzschichtströmung gibt es zwei Möglichkeiten. Ist die ankommende Strömung bereits axial gerichtet und wird durch Leitbleche oder Leitschaufeln am Diffusoreinlaß in Wirbelung versetzt, so sind diese Leitschaufeln im Bereich der Wandungen des Dif'fusoreinlasses ungekrümmt oder ausgeschnitten, so daß in diesen Bereichen sich die axiale Strömung fortsetzen kann. Ist andererseits die ankommende Strömung bereits eine Wirbelströmung oder Drall-Strömung, so sind am Diffusoreinlaß kurze Schaufeln an die Wandungen angesetzt, um die Strömung nur nahe der Wandung zu begradigen. Diese kurzen Schaufeln sind nicht mit den Wirbelgeneratoren gemäß Figur 33 zu verwechseln, welche den Mischungsvorgang durch Hervorrufen von Turbulenzen weiter stromabwärts aufgrund der Wirbelablösung von ihren Spitzen fördern. In geometrischer Hinsicht sind die hier betrachteten Umlenkschaufeln oder Leitbleche so gekrümmt, daß «ie an der vorderen Kante gegenüber der ankommenden Strömung einen geringen Angriffswinkel aufweisen und eine axiale Strömungsabgabe liefern, während WirBelgeneratoren im allgemeinen Paare von Tragflügelkörpern geringer Krümmung sind, welche gegenüber der ankommenden Strömung einen großen Angriffswinkel darbieten.

Konstruktionen, bei welchen solche Umlenkschaufeln verwendet sind, lassen sich aus den Figuren 42a und 42b entnehmen. Die Bauweise nach Figur 42a wird verwendet, wenn die Luft beim Eintreten in den Diffusorabschnitt 58 einen Drall bekommen soll. Bei dieser Ausführungsform ist am Diffusoreinlaß eine Leitschaufelanordnung oder Leitblechanordnung 274 vorgesehen und so gestaltet, daß die Gasströmung am oberen und am unteren Ende der Schaufeln axial durchströmen kann, so daß eine Luftstrom ohne Wirbelung oder Drall längs der äußeren Diffusorwand 276 und längs der inneren Diffusorwand 278 verläuft, während der Strom in dem mittleren

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Teil des Diffusors 58 einen Drall erhält, derart, daß sich Gesehwindi.vkeitsprofile der Axial-Geschwindigkeitskomponente ■ V_x und der Tangential-Geschwindigkeitskomponente V, ergeben, welche in den Zeichnungsfiguren 43 bzw. 44 gezeigt sind. Die zulässige Diffusorwirkung oder Verzögerung und damit der Ort der Strömungsablösung bestimmt sich im wesentlichen aus der Verteilung der Axial-Geschwindigkeitskomponente V . Der im mittleren Bereich des Diffusoreinlasses gelegene Abschnitt des Geschwindigkeitsprofiles der Axial-Geschwindigkeitskomponente V nimmt den größten Teil des Gesamtprofiles nach Figur 43 ein und bestimmt daher den Anstieg des statischen Druckes im Diffusor. Die Grenzschichten an der ''/and haben aber eine größere Axial-Geschwindigkeitskomponente V als der ^ mittlere Teil der Strömung und besitzen daher eine größere * kinetische Energie, welche es diesen Strömungen gestattet, weiter gegen den entgegengesetzten Druckgradienten anzuströmen, wodurch eine Strömungsablösung verzögert oder sogar vermieden wird. Aus diesem Grunde kann der Öffnungswinkel des Diffusors ohne eine Strömungsablösung hervorzurufen, beträchtlich vergrößert werden.

Figur 42b zeigt eine Sehaufelkonstruktion, wie sie bei Ausführungaformen zu verwenden ist, bei denen die Luft vom Verdichter 42 bereits mit Drall in den Diffusor 58 eintritt. Eine Vielzahl die Strömung begradigender Schaufelelemente 277 und 279 ist am Diffusoreinlaß angeordnet und dient f dazu, dem Luftstrom, soweit er an diesen Schaufelelementen vorbeiströmt, die Tangentialgeschwindigkeitskomponente V^ zu entziehen, so daß längs der Diffusorwand nur axial strömende Luft anzutreffen ist. Ringförmige Schaufelspitzenabdeckungen 281 und 283 sind vorzugsweise konzentrisch zur Achse 16 angeordnet und sind an den freien Enden der Schaufelelemente 277 bzw. 279 befestigt, um die Bildung von Schaufelspitzen mit Wirbeln zu vermeiden. Hier zeigt sich deutlich der Unterschied zwischen der Funktionsweise der zur Strömungsbegradigung dienenden Umlenkschaufeln oder Leitschaufeln 277 und 279 und der Funktion von 'virbelgeneratoron, bei denen gerade Schaufelspitzenwirbel hervorgerufen werden sollen.

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Bei den Ausführungsformen nach den Figuren 42a und 42b wird durch Übergabe eines Teiles der kinetischen Energie der Grenzschicht-Tangentialströmung an die Grenzschicht-Axialströmung ein Mittel zur Beschleunigung der axialen Strömung der Grenzschicht geschaffen, ähnlich zu der Wirkung eines Einblasen's in die Grenzschicht, jedoch ohne die Notwendigkeit einer äußeren .Energiequelle. Ein weiterer Vorteil der Ringbrennkammer mit Drall-Durchstrümung ist es, daß die Länge der Brennkammer und des Triebwerkes verringert werden kann und/ oder daß eine verbesserte. Regulierung der Leistungsabgabe des Triebwerkes durch radial abgestufte Verbrennung möglich ist. Darstellungen von Ringbrennkammern mit radialer Abstufung der Verbrennung finden sich in den Zeichnungsfiguren 46 bis 48 und da diese Bauarten der Ausführungsform nach Figur 14 ähnlich sind, mit der Ausnahme der radialen Abstufung der Verbrennung, werden so weit wie möglich auch entsprechende Bezugszahlen in sämtlichen Darstellungen verwendet.

Wie aus Figur 46 zu erkennen ist, sind innerhalb eines Außenmantels 54 und eines Innengehäuses 113» welche konzentrisch, zur Achse 16 gelegen sind, eine Primär-Verbrennungszone 60 und eine Verdünnungszone 62 hintereinander angeordnet. Die ringförmige Verdünnungszone 62 liegt zwischen einer äußeren Flammrohrwand oder Brennkammerauskleidung 134 und einer inneren Flammrohrwand oder Brennkammerauskleidung 136, welche ebenfalls konzentrisch zur Achse 16 angeordnet sind. Die Wände 138» 140 und 400 haben vorzugsweise ringförmigen Querschnitt und finden sich konzentrisch zur Triebwerksachse 16 innerhalb der äußeren Flammrohrwand oder Brennkammerauskleidung 134» wobei die Wand 140 weiter stromabwärts reicht als die Wand 138 und wobei die Wand 400 weiter stromabwärts reicht als die Wand 140. In dem Kanal 124, der zwischen den Wandungen 136 und 134 gelegen ist, wird eine Zünd-Verbrennungszone 160 errichtet, indem eine Brennstoffeinspritzeinrichtung 156 und ein Fla.mmenhalter 161 zusammenwirken. Von den Wänden 138 und 140 wird ein Ringkanal 402 begrenzt, durch den ein äußerer Jlaupt-Gtrömuiigsmittelstrom in Form eines wirbelnden Brennstoff-Luft-Gemisches strömt, wobei diesem Gtrömungsmittelstrom

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mittels einer Brennstoff-Einspritzeinrichtung 404 zerstäubter Brennstoff "beigegeben wird. Die Ringwände 140 und 400 begrenzen einen Ringkanal 406, in welchem ein innerer Hauptstrom eines wirbelnden Strömungsmittels fließt, wobei zerstäubter Brennstoff in diesen Strömungsmittelstrom mittels einer Brennstoff-Einspritzeinrichtung 408 eingegeben wird. Die Strömungsrichtung ändernde Leitschaufelgitter oder Leitschaufelreihen 116, 118, 120, 410 und 128 liegen im Einlaßbereich 114 der Brennkammer 56 und nehmen die aus dem Verdichter 42 austretende Luft auf, um die Strömungsrichtung erforderlichenfalls so zu beeinflussen, daß sich die gewünschte Tangentialgeschwindigkeit V. des an., der betreffenden Leitschaufelreihe vorbeiströmenden Strömungsmittels ergibt. Die an den Umlenkschaufeln oder Le ,.t schaufeln 116 vorbei strömende Luft vom Ausgang des Verdichters strömt zwischen dem Außenmantel 54 und der äußeren Brennkammerauskleidung oder Flammrohrwand 134 ß -rch, wobei diese beiden Teile gekühlt werden und strömt über die Leitblechreihe 172 und 176 auf die Innenseite der äusseren Flammrohrwand, wie zuvor beschrieben wurde, um diese Brennkammerauskleidung kühlen zu können. Ein Teil der an den Leitschaufeln 128 vorbeiströmenden Luft tritt in den Kühlluftkanal 132 ein, um das radial innere Brennkammergehäuse 113 und die innere Flammrohrwand oder Brennkammerauskleidung 136 zu kühlen und strömt auch durch die Leitblechreihen 168 und 170, um eine Kühlwirkung auf der Innenseite der inneren Flammrohrwand 136 zu entwidceln. Der Rest der Kühlluft, welcher nach Vorbeiströmen an den Leitschaufeln 128 nicht in den Kühlkanal 132 eintritt, gelangt in den Verdünnungsluft-Kanal 130, um mit den Verbrennungsprodulcten aus der Verbrennungszone 60 im Verbrennungsbereich 62 vermischt zu werden. Die an den Leitschaufeln 118 vorbeiströmende Luft wird beim Vorbeiwandern an der Breimstoffeinspritzeinrichtung 156 mit Brennstoff versetzt und gelangt stromabwärts von dem lochplattenartigeii Flammenhalter 161 in einen stabilisierten Bereich, so daß bei Zündung mittels einer Zündeinrichtung 158 gemäß Figur 14 in dem Primär-Verbrennungsbereich 160 eine Flamme entsteht.

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Beim Betrieb der Ausführungsform nach Figur 46 wird •die Primär-Verbrennungszone oder Flamme in dem Bereich 160 stets unterhalten. Wird von Triebwerk dann mehr Leistung gefordert, so beginnt man auch Brennstoff über die Brennstoff-Hinspritzeinrichtung 404 einzuspritzen, so daß das durch den Ringkanal 402 strömende Brennstoff-Luft-G-emisch mittels der Zündflamme aus dem Bereich 160 in einem Teil der Primär-Verbrennungszone, welcher mit 60a bezeichnet ist, gezündet und mit den Verbrennungsprodukten aus dem Bereich 160 vermischt und verbrannt wird. Soll das Triebwerk noch mehr Leistung abgeben, so wird auch in den Ringkanal 406 mittels der Brennstoff-Einspritzeilrichtung 4O8 Brennstoff abgegeben, welcher sich in einer Sekundär-Verbrennungszone 60b an den Verbrennungsprodukten aus der Primär-Verbrennungszone 60a entzündet und zusammen mit diesen Verbrennungsprodukten seinerseits verbrennt. Man erkennt daher, daß es drei Haupt-Leistungsstufen des in Figur 46 teilweise gezeigten Triebwerkes gibt und zwar eine erste, wenn allein die Zündflamme in dem Kanal 124 eingesetzt wird, eine zweite, wenn eine Verbrennung sowohl im Kanal 124» als auch im Kanal 402 stattfindet und eine dritte, wenn eine Verbrennung sowohl im Kanal 124 als auch in den Kanälen 402 und 406 vor sich geht. Da außerdem jeder Brennstoffzustrom im Rahmen des stabilen Betriebsbereiches verändert werden kann, besteht eine außerordentlich große Zahl von Leistungseinstellungen, bei welchen ein Triebwerk mit der Brennkammerkonstruktion nach Figur 46 arbeiten kann. Bie Hinzufügung eines zweiten Brennersystems verdoppelt den stabilen Betriebsbereich der gesamten Anordnung.

Die Verdünnungsluft aus dem Kanal I30 mischt sich mit den Verbrennungsprodukten aus der Priraär-Verbrennungszone 60 in der Verdünnungszone 62 und kühlt die Verbrennungsprodukte ab, bevor sie in den Turbinenabschnitt 46 eintreten. 7,'ie zuvor angegeben, sind die Umlenkadriaufein oder Leitschaufeln 116, 118, 120, 410 und 128 so angeordnet oder ausgebildet, daß die folgende Ungleichung besteht:

t (Verdünnungsluft)^ ^ t ( zweite Verb.Zone 6Ob)J^

₂ 2 ' ^Vt (erste Verb.Zone 6Oa)/f^Vt (Zündflamme bei 160)

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Die Auslöseeinriclitungen 164» 166 und 169 können so aufgebaut sein und arbeiten, wie dies zuvor angegeben worden ist.

Wird in den Kanälen 402 oder 406 der Ausführungsform nah Figur 46 kein Brennstoff eingespritzt, so wirken die entsprechenden Luftströme als Verdünnungsströme, weihe sich rasch mit dem heißen G-as vermischen, das aus dem Kanal radial weiter außen austritt.

Aus Figur 46 ist zu erkennen, daß die hier gezeigte Ausführungsform große Ähnlichkeit zu derjenigen nail Figur besitzt, jedoch mit der Ausnahme, daß der Haupt-Strömungsmittelstrom mit dem vorbereiteten Brennstoffgemisch nun in zwei Hauptströme in den Kanälen 402 und 406 aufgeteilt ist, welche nach Bedarf von der Zündflamme unmittelbar radial außerhalb der Hauptströme gezündet und verbrannt werden können. Der wesentliche Vorteil der in Figur 46 gezeigten Ausführungaform der Erfindung besteht in der verbesserten Leistungssteuerung, gemäß welcher in dem Zünd-Verbrennungsbereich 160 ständig eine Verbrennung stattfindet und allein auf diesen Bereich beschränkt ist, wenn die niedrigen Leistungsstufen eingestellt sind, während die Verbrennung sowohl in dem Zünd-Verbrennungsbereich 160 als auch in der Haupt-Verbrennungszone 60a stattfindet, während die mittleren

" Leistungsbereiche eingestellt sind und wobei schließlich die Verbrennung sowohl in dem Zünd-Verbrennungsbereich 160 als auch in den beiden Haupt-Verbrennungszonen 60a und 60b stattfindet, wenn die hohen Leistunesbereiche gefordert werden. Der Bereich einstellbarer Leistungswerte ist daher etwa das Doppelte des Bereiches der Brennkammerkonstruktion nach Figur 14.

Figur 47 zeigt eine andere konzentrische Brennerkonstruktion mit radialer Abstufung der Verbrennung und diese Ausführungsform ist der in Figur 14 gezeigten Konstruktion ähnlich, jedoch mit der Ausnahme, daß eben die Verbrennungszone eine radiale Abstufung erfahren hat. Die vorstehenden

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Ausführungen bezüglich des Aufbaues der inneren und äußeren Brennkainmerausklei düngen 136 bzw. 134 und der zur Kühlung dienenden Leitschaufel-Reihen 166, 170, 172, 174 und 176 treffen auch auf die Ausführungsform nach Figur 47 zu und aus diesem Grunde wird nur die Konstruktion des konzentrischen Mischers hier beschrieben.

Tatsächlich enthält die Konstruktion nach Figur 47 zwei zueinander konzentrische, in radialer Richtung nebeneinander gesetzte Mischer, wodurch der Vorteil einer Verkürzung der Brennkammer und der Triebwerkslänge durch Verkürzung des Radialabstandes erreicht wird, über welchen hin sich die Flamme während des Verbrennungsvorganges ausbreiten muß. Bei dieser Konstruktion ist der äußere konzentrische Mischer 420a konzentrisch zur Triebwerksachse 16 ausgerichtet und umgibt einen inneren konzentrischen Mischer 420b, der ebenfalls konzentrisch zur Triebwerksachse 16 liegt. Die äußere Mischerkonstruktion 420a enthält die Ringwandungen 134, 138a und 140a, die vorzugsweise kreisringförmigen Querschnitt besitzen, jeweils konzentrisch zur Achse 16 angeordnet sind und miteinander zwischen sich die Ringkanäle 124a und 126a begrenzen. Ein Flammenhalter 161a, welcher vorzugsweise nach Art einer perforierten Platte ausgebildet ist, erstreckt sich üher den Kanal 124a hinweg und begrenzt einen von dem Flammenhalterring aus stromabwärts gelegenen Zünd-Verbrennungsbereich 160a.

Der radial innere konzentrische Mischer 120b enthält die Wandungen 140a, 138b und 140b, die wieder kreisringförmigen Querschnitt besitzen und konzentrisch zur Achse 16 gelegen sind. Die soeben genannten Wandungen begrenzen die Ringkanäle 160b und 126b. Der Flammenhalter 161b erstreckt sich über den Kanal 124b hinweg und teilt einen stromabwärts von ihm gelegenen Zünd-Verbrennungsbereich 160b ab. Umlenkschaufelreihen 116, 118a, 120a, 118b, 120b und 123 dienen in der zuvor beschriebenen Art und Weise dazu, dem vorbeiwandernden Strömungsmittel eine entsprechende Tangential-Geschwindigkeitskomponente V. zu erteilen. Mittels eines Brennstof i-iSinspritzsystems 422 wird Brennstoff in

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die Ringkanäle 124a und 124b eingespritzt und stromabwärts von den Flammenhalterringen 161a und 161b in üblicher Weise gezündet, um die Zünd-Verbrennungsbereiclie 160a und 160b auszubilden, welche die Form zur Achse 16 konzentrischer Ringflammen haben. Die Umlenksehäufein oder Leitschaufeln und die Brennstoff-Einspritzeinrichtungen 424 und 426 erzeugen zusammen ein wirbelndes oder mit Drall strömendes Brennstoff-Luft-Gemisch, das durch die Ringkanäle 126a und 126b strömt und sich mit den Verbrennungsprodukten aus den Zünd-Verbrennungsbereichen 180a bzw. 160b vermischt, eine Zündung erfährt und verbrennt. Die Auslöseeinrichtungen 164, 166 und 169 können wieder einer der zuvor beschriebenen Konstruktionen angehören. Die Richtung der Umlenkschäufein oder Leitsehaufeln ist so

ρ gewählt, daß der Produkt-Parameter ^ V. des vorbereiteten Brennstoff-Luft-Gemisches in den Kanälen 126a und 126b größer als der Produkt-Parameter des Strömungsmittels aus den Zünd-Verbrennungsbereichen 160a bzw. 160b ist, um eine beschleunigte Mischung und Verbrennung zwischen diesen Strömungsmittelströmen zu erreichen und in entsprechender Weise ist der Produkt-

2
Parameter ^ V, der Verdünnungsluft, welche durch den Kanal 130 strömt, größer als der entsprechende Parameter der die Zonen 160a und 160b verlassenden Strömung.

Auch der in Figur 48 gezeigte Aufbau entspricht im wesentlichen der Konstruktion nach Figur Η, jedoch mit der Ausnahme einer radial abgestuften konzentrischen Mischerkonstruk- * tion 43O, welche den vorderen Teil der Brennkammer vor der Verbrennungszone 60 einnimmt. Die Ausführungsform nach Figur 48 besitzt den Vorteil, daß sowohl die Länge der Brennkammer und damit die Triebwerkslänge verringert wird und daß eine Regulierung der Leistungsabgabe des Triebwerks in vielte. Stufen und Einstellungen möglich ist. Eine Beschreibung von Aufbau und Wirkungsweise der inneren und äußeren Brennkammerauskleidungen 136 bzw. 134 erübrigt sich wegen der Ännlieiikeit der Konstruktion zu derjenigen nach Figur 14. Aus diesem Grunde sex hier nur die radial abgestufte, konzentrische Mehrfacli-Hischerkonstruktioxi 4 30 näher beschrieben. Diese ?.üscherkonstruktion entii.ilt im wesentlichen Bauteile, walciie οΐηοα Zünd-Verbromiun^sberöicii begrenzen, wobei Hin.--kanJ.lu, m

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denen ein Brennstoff-Luft-Gemisch. Vorbereitet wird, unmittelbar radial außerhalb Hnd radial innerhalb gelegen sind, um — die entsprechenden Gemischströme mit dem Strömungsmittelstrom aus dem Zünd-Verbrennungsbereich zu mischen, zu entzünden und zu verbrennen. Die Ringwandungen 134, 442, 444 und 446 sind konzentrisch zur Triebwerksachse 16 gelegen und begrenzen zusammen einen Ringkanal 124 zur Bildung des Zünd-Verbrennungsbereiches sowie äußere und innere Ringkanäle 126a bzw. 126b zur Vorbereitung eines Brennstoff-Luft-Gemisches. In den Kanal 124 wird Brennstoff über eine Brennstoff-Einspritzeinrichtung 448 eingeführt und das gebildete Gemisch strömt durch einen Flammenhalter 161, um stromabwärts von diesem den Zünd-Verbrennungsbereich 160 oder eine Zündflamme auszubilden. Mittels einer Brennstoff-ßinspritzeinrichtung wird Brennstoff in den äußeren Ringkanal 126a eingespritzt, während eine weitere Brennstoff-Einspritzeinrichtung 452 zerstäubten Brennstoff in den inneren Ringkanal 126b einführt. Umlenkschaufelreihen 116, 118 und 120 dienen dazu, die erforderliche Tangential-Geschwindigkeitskomponente V+ hervorzubringen, um in den erwähnten Ringkanälen die gewünschte Durchmischung sicherzustellen. Die Umlenkschaufeln 115 und 128 erfüllen eine entsprechende Punktion bezüglich der Kühlluftströme, welche durch die Ringkanäle 122, 130 und 132 hindurchtreten. Zur beschleunigten Vermischung, Zündung und Verbrennung zwischen .der Zündflamme und ihren Verbrennungsprodukten einerseits und den Brennstoff-Luft-Gemischströmen aus den Kanälen 126a bzw. 126b andererseits ist wieder die Bedingung für die unstabile Trennfläche zwischen den Strömungen einzuhalten, welche folgendermaßen lautet:

3^Vt (Kanal 126b)^ ? ^Vt (Zündfl. Verb.Prod. K^^Vt (Kanal

126a).

Die Auslöseeinrichtungen 164 und 166, welche wieder einer der oben beschriebenen Konstruktionen angehören können, bewirken eine Störung der Trennflächen zwischen der Zündflamme und den Brennstoff-Luft-Gemischströmen aus den Kanälen 12Ga und 126b zur beschleunigten Mischung und Verbrennung.

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Die Auslöseeinrichtung 16j erfüllt eine entsprechende Funktion an der Trennfläche zwischen den Verbrennungsprodukten aus der Haupt-Verbrennungszone 60 und der Verdünnungsluft, welche in die Verdünnungszone 62 über den Ringkanal 160 eintritt.

Bei der Ausführungsform nach Figur 48 läßt sich eine Vielfaeh-Leistungseinstellung dadurch erreichen, daß die Zündflamme im Zünd-Verbrennungsbereich 160 ständig unterhalten wird und nur für die niedrigen Leistungsbereiche eingesetzt wird, während für die mittleren Leistungsbereiche eine Brennstoffeinspritzung entweder in den Kanal 126a oder in den Kanal 126b erfolgt. Für die hohen Leistungsbereiche wird Brennstoff sowohl in den Kanal 126a als auch in den Kanal 126b eingespritzt.

Man erkennt also, daß das Prinzip einer Dralldurchströmung oder Wirbeldurchströmung der Brennkammer außerordentliche Vorteile bedingt, und zwar sowohl bezüglich des Misehens des Brennstoff-Luft-Gemisches für die Zündung und Verbrennung in der Verbrennungszone als auch bezüglich der Vermischung der heißen Verbrennungsprodukte und der Kühlluft in der Verdünnungszone zum Zwecke der Abkühlung der Verbrennungsprodukte vor dem Eintritt in den Turbinenabschnitt. Vorstehend sind Beispiele aus der Vielzahl möglicher AbwandLmgsformen des erfindungsgemäßen Gedankens aufgezeigt worden.

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Claims

Patentansprüche

1.)Brennkammer, insbesondere Ringbrennkammer, mit einem Strömungskanal für mindestens zwei miteinander zu vermischende, unterschiedliche Strömungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittel als aneinandergrenzende, mindestens abschnittsweise einen Drall aufweisende Strömungsmittelströme durch, den Strömungskanal (18, 20, 30 bzw. 74, 76, 78 usw.) hindurchführbar sind und daß ein vom Parameter *? ι^-ί-j ^es einen Strömungsmittelstromes verschiedener Parameter j2^Vt2 ^{des anderen} Strömungsmittelstromes zur besseren Mischung der Strömungsmittel er-, zeugbar ist, worin ^₁ und S₂ die jeweilige Dichte des einen bzw* des anderen Strömungsmittels und V... und V.p ^^^e d^eweüig^e Tangentialgeschwindigkeit des einen bzw. des anderen Strömungsmit- ; telstromes bedeuten. ι

2. Brennkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Auslöseein-, richtungen (164, 166 bzw. 226 bzw. 258 bzw. 140) zur Störung der; Trennfläche zwischen den mindestens zwei Strömungsmittelströmen.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit-' tels der Auslöeeeinrichtungen (164, 166 bzw. 226 bzw. 258 bzw. 140) die Gestalt der Trennfläche veränderbar ist. ^:

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- ^; kennzeichnet, daß die jeweiligen Strömungswege der genannten ; mindestens/miteinander zu vermischenden Strömungsmittel ringförmigen Querschnitt haben und konzentrisch ineinanderliegen j (z.B. Figuren 2, 8, 9, H, 25, 24). !

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eine abschnittsweise zwischen den Strömungs- J mittelströmen gelegene Trennwand (10 bzw. 72 dzw, 138, 140 bs'.v. ^;

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104-, 106), hinter welcher die Vermischung der Strömungsini ttelströme stattfindet.

■

6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn-. zeichnet, daß zur Drallerzeugung ein stetig um mindestens 90°
[ gekrümmter Kanalabschnitt (70) vorgesehen ist, in welchem die
! Strömungsmittelströme mit verschiedenem Radialabstand von einem ^: gemeinsamen KrümmungsZentrum (79) strömen.

7. Brennkammer nach Anspruch 5 und Anspruch 6, dadurch gekenn-

, zeichnet, daß die Trennwand (72) stromauf von dem gekrümmten Ka- ^: nalabschnitt (70) angeordnet ist.

8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn-: zeichnet, daß die Dichte -S mindestens eines der Strömungsmittel- ^; ströme zur Einstellung der genannten Parameter veränderbar ist. i

9· Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn-¹ zeichnet, daß die Tangentialgeschwindigkeit V. mindestens eines
der Strömungsmittelströme zur Einstellung der genannten Parame- i ter veränderbar ist. ;

10. Brennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 9 und/oder An- j spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei koaxial ineinander- ; liegende, im wesentlichen zylindrische Ringwände, yon denen die _: innere, als Trennwand dienende Ringwand in Ströinungsrichtung

vor der äußeren Ringwand endet, einen Ringkanal zwischen sich
für ein erstes Strömungsmittel und einen Kanal innerhalb der
ersten Ringwand für das zweite Strömungsmittel begrenzen.

11. Brennkammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß , der genannte Parameter des radial äußeren Strömungamittelstroms ! in dem Ringkanal kleiner als der genannte Parameter des radial ^;

inneren Strömungsmittelstromes ist. ^!

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12. Brennkammer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtungen am hinteren Rand der radial inneren üingwand angeordnet ist. j

13. Brennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 9 und/oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei koaxial ineinanderliegende Ringwände (12, 14) zwischen sich einen Ringkanal (30) bilden, in dem eine weitere Ringwand (10) als Trennwand gelegen ist, die in Strömungsrichtung vor den erstgenannten Ringwänden endet und mit diesen einen radial äußeren (20) und einen radial inneren (18) Zustrom-Ringkanal bildet, und daß der genann'te Parameter des durch den radial äußeren Zustrom-Ringkanal geführten Strömungsraittels kleiner als der Parameter des durch den radial inneren Zustrom-Ringkanal geführten Strömungsmittels ist, so daß hinter der Trennwand eine beschleunigte .«lischung stattfindet.

14. Brennkammer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtungen (164, 166 bzw. 226 bzw. 258 bzw. 140) am hinteren Rand der als Trennwand dienenden Ringwand vorgesehen sind.

15. Brennkammer nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeich-■ net, daß die Auslöseeinrichtungen die Form eines Ringes (164, 16b bzw. 140) haben, welcher am stromabwärt» gelegenen Ende der Trennwand (10 bzw. 158, 140 bzw. 246) befestigt ist und spiralige Wellen besitzt, deren Amplitude in Richtung stromabwärts zunimmt.

16. Brennkammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit spiraligen Wellen versehenen Ring (HO) Durchbrüche (264) vorgesehen sind.

17. Brennkammer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß den Wellen des die Auslöseeinrichtung bildenden Ringes (140) jeweils Hutzen zugeordnet sind, welche im Wege ei..es Strömungsini ütels liegen und dieses durch die genannten Durchbrüche (264)

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I leiten, um die Auslöse einrichtung zu kUhlen und die Mischge-■ schwindigkeit zu erhöhen (Figuren 37 und 38).

j

18. Brennkammer nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeioh-I net, daß die Auslöseeinrichtung eine Vielzahl von Wirbelgenera- ! toren (258) in Form von in bestimmter Weise gestalteten Umlenki schaufeln enthält, welche rundum längs des hinteren Handea der ' Trennwand (246) vorgesehen sind und in mindestens einen der bei- ! den Strömungsmittelkanäle bzw. Zustrom-Ringkanäle hineinragen. !

i :

1 '

19. Brennkammer nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß j jeweils benachbarte Umlenkschaufeln der Wirbelgeneratoren ent- ! gegengesetzte Krümmung (260, 262) besitzen (Figur 33).

j

20. Brennkammer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß j

j in Umfangerichtung mindestens eine Reihe von Wirbelgenerator- ; Ualenkschaufeln (258) vorgesehen ist.

21. Brennkammer nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung von mindestens einer Reihe in Umfangarichtung nebeneinanderliegender, spiraliger Schlitze (260) gebildet wird, die im stromabwärts gelegenen Ende (140) der Trennwand vorgesehen sind (Figur 34)·

22. Brennkammer nach Anspruch 21, dadurch, gekennzeichnet,

sich die spiraligen Schlitze (260) im wesentlichen in Strömungsrichtung mindestens eines der Strömungsmittelströme erstrecken.

23. Brennkammer naoh Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei in Umfangsrichtung verlaufende Reihen .epiraliger Schlitze (260, 262) am stromabwärts gelegenen Bude (HO) der Trennwand vorgesehen aind.

24· Brennkammer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ! die Durchbräche die Form spiralig verlaufender Schlitze (264) j

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; haben, die zusätzlich zu den Wellen vorgesehen sind und ebenso i .wie diese im wesentlichen parallel zur Sichtung mindestens eines j ,der Strömungsjnittelatröme verlaufen (Figuren 36 und 37). !

: j

25. Brennkammer" nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß j den spiraligen Schlitzen (268) jeweils Hutzen (266) zugeordnet i

■ sind, welche in den einen oder anderen der angrenzenden Strö- ·; mungskanäle hineinragen und Strömungsmittel aus diesem durch j den zugehörigen Schlitz leiten (Figur 38). j

26. Brennkammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß _;

die spiraligen Wellen der Auslöseeinrichtung sowohl in der Aiapli4 tude als auch in der Breite veränderlich sind (Figur 39). ;

27. Brennkammer nach Anspruch 10 oder Anspruch 13, dadurch ge- I kennzeichnet, daß in den radial inneren Kanal bzw. den radial ; inneren Zustrom-Ringkanal (18) Brennstoff einspritzbar (98) ist,j so daB ein Brennstoff-Luft-Gemisch in den Bereich hinter der j Trennwand (10) eintritt und daß in dem radial äußeren Ringkanal j bzw. Zuetrom-Ringkanal (20) ebenfalls Brennstoff einspritzbar
(92) und eine Verbrennung uriterhaltbar ist, so daß die heißen j Verbrennangeprodukte eine Zünd-Verbrennungszone (96) bilden, \ welche »tromabwärts von der Trennwand (10) eine Zündung des ge- i nannten Brennetoff-luft-Gremischee bewirkt (z.B. Figur 8). ;

28. Brennkammer nach Anspruch 10 oder Anspruch 13, dadurch ge- \ kennzeichnet, daß in den radial äußeren Ringkanal oder Zustrom- ^: Ringkanal (20) in solchem Abstand von dem stromab gelegenen Bn- : de .der Trennwand (10) Brennstoff einspritzbar (92) und eine Ver-' brennung unterhaltbar ist, daß im wesentlichen eine volletändi- ! g« Verbrennung noch vor dem Stromab gelegenen Ende der Trenn- j wand stattfindet und daß mittels einer weiteren Brennstoffein- j epriteeinrichtung (101) nochmals vor dem stromab gelegenen Ende i der Trennwand Brennstoff einspritzbar ist, welcher von Aen hei- ι ß*n Verbrennungsprodukten erhitzt wird und mit diesen wiederum _ä

j ein brennbares Brennstoff-Verbrennungsprodukt-Cremisch bildet, j

_Λ_ ⁶^D OR.'GINAL ι

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das stromabwärts von dem hinteren Ende der Trennwand bei Zufuhr von Luft aus dem radial inneren Strömungskanal bzw. radial inneren Zustrom-Ringkanal eine durch Mischung und Verbrennung erfährt (Figur 9).

29. Brennkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine radial äußere und eine radial innere Ringwand, die zwischen sich einen Ringkanal bilden, in dem wiederum eine radial äußere und eine radial innere Zwischenwand von jeweils ringförmigem Querschnitt koaxial derart angeordnet ist, daß zwischen der radial äußeren Ringwand und der radial äußeren Zwischenwand ein Ringkanal, zwischen der radial inneren Ringwand und der

ρ radial inneren Zwischenwand ein weiterer Ringkanal und zwischen den beiden Zwischenwänden ein dritter Ringkanal gebildet ist, der mit den beiden genannten Ringkanälen jeweils über in Umfangsrichtung verlaufende Reihen spiraliger Schlitze in der radial inneren bzw. der radial äusseren Zwischenwand, welche in diesen Zwischenwänden insbesondere gegeneinander gerichtet sind, in Verbindung steht, wobei durch den radial äußeren und den radial inneren Ringkanal Strömungsmittel in einer Vielzahl von Spiralströmeii in einen Strömungsmittelstrom im mittleren Ringkanal eindringt und der genannte Parameter der Spiralströme aus dem radial inneren Ringkanal größer als der Parameter des Strömungsmittelstromes im mittleren Ringkanal und

,ν dieser Parameter wiederum größer als derjenige der Spiralströme aus dem radial äußeren Ringkanal ist (Figuren 6, 7» 10, 11, 16 bis 20, 29·).

30. Brennkammer nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Ringkanal(96, 86) divergiert ( z.B. Figuren 10 und 11).

31. Brennkammer nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Tangentialgeschwindigkeit der Spiralströme an den Spiralschlitzen (182, 190) der radial inneren und/oder der radial äusseren Zwischenwand Leitbleche (186, 194)

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vorgesehen sind.

32. Brennkammer nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Ringkanal (96,86 ) von einem Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmt ist, während durch den radial äusseren und den radial inneren Ringkanal (110, 114 ) Sekundärluft geführt ist.

33· Brennkammer nach einem der Ansprüche 29 bis 311 dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Ringkanal mittels einer Brennstoff-Einspritzeinrichtung (92) und einer Flammenhaltereinrichtung (94) eine Zündflamme unterhaltbar ist, während im radial inneien und radial äusseren Ringkanal durch weitere Brennstoff-Einspritzeinrichtungen (98) ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugbar ist.

34· Brennkammer nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwinde (IO4, 106) in Strömungsrichtung zunächst zylindrisch verlaufen, so daß der mittlere Ringkanal einen zunächst nicht divergierenden Abschnitt (96) aufweist, in den Brennstoff einspritzbar (92) und ein Flammenhalter (94) angeordnet ist, daß ferner eine weitere Brennstoffeinspritzung (101) hinter der Grenze (100) der vollständigen Verbrennung des zuerst eingespritzten Brennstoffs ebenfalls noch in dem nicht divergierenden Bereich des mittleren Ringkanals vorgeseiien ist und daß dann eine Sekundärluftzufuhr über den radial inneren Ringkanal (114) und den radial äusseren Ringkanal (110) sowie über die Spiralschlitze vorgesehen ist (Figur 11).

35. Brennkammer nach einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringwände (102, 108) zylindrisch sind and die Zwischenwände (104, 106) derart divergieren, daß sich einerseits die radial innere Ringwand und Zwischenwand und andererseits die radial äussere Ringwand und Zwischenwand stromabwärts von den Spiralschlitzen (8ö, 90) treffen.

36. brennkammer nach einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch /5enennzeich.net, daß die üpiralschlitze in der radial inneren

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Zwischenwand und die Spiralsehlitze in der radial äußeren Zwischenwand aufeinander zu verlaufen.

37. Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsprodukte eines gezündeten Brennstoff-Luft-Gemisches mit größerem Krümmungsradius in den gekrümmten Kanalabschnitt (70) und ein mit diesen Verbrennungsprodukten zu vermischendes und zu verbrennendes Brennstoff-Luft-Gemisch mit geringerem Krümmungsradius in den genannten Kanalabschnitt einführbar ist ( Figur 12).

38· Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Seite der Trennwand (72) ein Brennstoff-Luft-Gemisch ψ zündbar und verhrennbar und nach vollständiger Verbrennung des eingespritzten Brennstoffs nochmals mit Brennstoff versetzbar und dann mit größerem Krümmungsradius in den gekrümmten Kanalabschnitt (70) einführbar ist, während Sekundärluft mit geringerem Krümmungsradius von der jeweils anderen Seite der Trennwand her in den gekrümmten Kanalabschnitt einführbar ist.

39· Brennkammer mit einer mindestens eine Mischeranordnung enthaltenden Verbrennungszone und einer in axialem Abstand davon gelegenen und mindestens eine weitere Mischerkonstruktion enthaltenden Verdünnungszone, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischerkonstruktion bzw. die Mischerkonstruktionen der Verbrennungszone und/oder die Mischerkonstruktion bzw. die Mischerkonstruktionen der Verdünnungszone entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 26 oder 29 bis 32 oder 35 oder 36 ausgebildet ist, wobei die Mischerkonstruktionen jeweils gleichen ( z.B. Figur 14 oder 16) oder unterschiedlichen (z.B. Figur 21) Konstruktionsprinzipien angehören können.

40. Brennkammer nach Anspruch 39, dadurcn gekennzeichnet, daß die Mischerkonstruktion bzw. die Mischerkonstruktionen der Verbrennungszone entsprechend den Ansprüchen 27 oder 28 oder 33 oder 35 bis 38 ausgebildet ist bzw. sind.

41. Brennkammer nach Anspruch 39 oder 40 und Anspruch 9, da-

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durch gekennzeichnet, daß an mindestens einem der Eingänge zu den Ringkanälen der Mischerkonstruktion der Verbrennungszone und/oder der Verdünnungszone Leitschaufelkränze (116, 118, 120, 128, 172, 174 ) zur Einstellung der Tangentialgeschwindigkeit der zugehörigen Strömungsmittelströme und damit zur Einstellung des betreffenden Parameters vorgesehen sind.

42. Brennkammer nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln mindestens.eines Leitschaufelkranzes (116) verstellbar ausgebildet sind (Figur 15).

43· Brennkammer nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischerkonstruktion der Verdünnungszone sich in axialer Richtung überlappende, radialen Abstand aufweisende Ringwandabschnitte ( z.B. 134, 136» 140 ) der radial äußeren und/oder der radial inneren Ringwand besitzt, zwischen denen die Leitschaufelkränze (172, 174, 128) gelegen sind (z.B. Figur 14).

44. Brennkammer nach einem der Ansprüche 29 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungszone und/oder die Verdünnungszone zur radialen Staffelung des Mischungsvorganges jeweils menrere konzentrisch gelegene Mischerkonstruktionen aufweisen, die jeweils gleichen oder unterschiedlichen lionstruktionsprinzipien angehören (z.B. Figuren 46 bis 48)·

45· Brennkammer nach Anspruch 44, gekennzeichnet durch eine axiale Staffelung der Mischerkonstruktionen der Verbrennungszone und/oder der Verdünnungszone in Strömungsrichtung.

46. Brennkammer nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinspritzung in mindestens einem der Ringkanäle der Verbrennungszone stromaufwärts von zugehörigen Leitschaufelkränzen (208, 210 bzw. 235, 234, 240) erfolgt und daß jeweils ein Flammenhalterring (112) stromabwärts der Leitschaufelkränze in denjenigen Ringkanälen gelegen ist, in denen das gebildete Brennstoff-Luft-Gemisch geführt ist.

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47· Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer radial inneren und einer radial äußeren Hingwand ein Ringkanal (222) gebildet ist, durch welchen ein Brennstoff-Luft-Gemisch hindurchführbar ist, daß ferner von der radial äußeren Ringwand ein an dieser mit seinem stromauf gelegenen Rand befestigtes Ringteil (226) sich in Richtung Stromabwärts und von der radial äusseren Ringwand wag erstreckt und mit Durchbrüchen (229) versehen ist, derart, daß von dem Ringkanal zwischen der radial inneren und der radial äußeren Ringwand ein geschützter Zünd-Brennraum abgeteilt ist, welchem ein Brennstoff-Luft-Gemisch über die genannten Durchbrüche zuführbar ist, das zur Erzeugung einer Zündflamme mittels einer Zündeinrichtung (228) zündbar ist, wobei der genannte Produkt-Parameter des aus dem geschützten Zünd-Brennraum austretenden heißen Strömungsmittelstromes kleiner als der-jenige des im übrigen Ringkanal strömenden Brennstoff-Luft-Gemisches ist ( Figuren 24 bis 28)·

48· Brennkammer nach Anspruch 47» dadurch gekennzeichnet, daß das Ringteil (226) eine Wellung von in Strömungsrichtung zunehmender Amplitude aufweist, derart, daß das Ringteil zugleich als Auslöseeinrichtung wirksam ist, wobei die Wellen vorzugsweise in Richtung der Drallströmung des Brennstoff-Luft-Gemisches verlaufen.

49· Brennkammer nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitschaufelkranz (230) von welchem aus stromaufwärts die Brennstoffeinspritzung zur Bildung des Brennstoff-Luft-Gemisches in dem genannten Hingkanal-vorgenommen ist, stromabwärts bis in den Bereich des genannten Ringteiles (226) reicht, wobei die Richtung der Leitschaufeln der Spiralrichtung der Wellen des Ringteiles entspricht und je eine Leitschaufel sich mit einem radial nach einwärts gerichteten Wellental des Ringteiles verschneidet, so daß durch den radialen Druckeradienten in den Räumen zwischen den Leitschaufeln Sekundärstra— mutigen angeregt werden ( Figuren 26 bis 28).

50. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Produkt-Parameter einer Grenzschichtströmung an der

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radial äußeren Wand ( 268) im Diffusorabschnitt (58) vor der .Verbrennungszone größer als derjenige der Hauptströmung in diesem Diffusorabschnitt gemacht ist, um einen höheren Gradienten des statischen Druckes vor Grenzschichtablösung zuzulassen, und daß zur Erhöhung der Mischungsgeschwindigkeit zwischen Grenzschicht und Hauptströmung und der Diffusionsgeschwindigkeit ohne Grenzschichtablösung an der betreffenden Wand kleine Hocker oder Vorsprünge (272) vorgesehen sind (Figur 40).

51. Brennkammer nach Anspruh 50, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker oder Vorsprünge (272) in einer oder mehreren, in axialem Abstand gelegenen, in Umfangsrichtung verlaufende Reihen angeordnet sind ( Figuren 40 und 41)·

52. Brennkammer nach Anspruch 50 oder 51» dadurch gekennzeichnet, daß die radial innere Diffusorwand (270) rasch abnehmenden Durchmesser zur stärkeren Verringerung der Axialgeschwindigkeit der Strömung besitzt ( Figur 40).

53· Brennkammer nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 50 bis 52, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Diffusors zur Vermeidung der Grenzschichtablösung Leitschaufelanordnungen (274 bzw. 277, 279 ) vorgesehen sind, die in radialer Richtung so ausgebildet sind, daß die Grenzschichten eine größere Axialgeschwindigkeitskomponente erhalten, während die dazwischenliegende Hauptströmung eine starke Tangentialgeschwindigkeitskomponente arhält ( Figuren 42a, 42b, 43 und 44).

54- Brennkammer nach Anspruch 53» dadurch gekennzeichnet, dai3 derjenige Bereich der Leitschaufelanordnung, welcher eine starke Tangentialgeschwindigkeitskomponente der Hauptströmung erzeugt bzw. zuläßt, mindestens 50 % der radialen Kanalabmessung einnimmt.

55· Brennkammer nach Anspruch 44 oder 45» dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbrennungszone mehrere Betriebsbereiche durch standLges Aufrechterhalten eines Zünd-VerbrennungsberüichcG innerhalb einer Mischerkonstruktion und wahlweise Zu-

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schaltung der Brennstoff-Einspritzung in weiteren Ringkanälen einstellbar sind.

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