DE2412120C2

DE2412120C2 - Brennkammer

Info

Publication number: DE2412120C2
Application number: DE2412120A
Authority: DE
Inventors: Jacques Emile Jules Dammarie-Les-Lys Caruel; Herve Alain Issy-les Moulineaux Quillevere
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1973-03-13
Filing date: 1974-03-13
Publication date: 1983-05-05
Also published as: US3934409A; DE2412120A1; GB1458066A; FR2221621B1; FR2221621A1

Description

dadurch gekennzeichnet.

C) daß der erste Brennraum (6) eine Primärzone (25) und eine Sekundärzone (29) aufweist,

a) in der Primärzone (25) sind vorgesehen:

aa) eine Leerlauf-Brennstoffeinspritzvorrlchtung (24), über weiche Brennstoff in der für Leerlauf erforderlichen Menge eingespritzt wird,

bb) eine Zündeinrichtung (30) und
cc) Mittel (23, 27) zum Zuführen von Verbrennungsluft in solcher Menge, daß zusammen mit cjr Leerlaufbrennstoffmenge ein It.ι wesentlichen stöchlomeirisches Gemisch erhaf in wird,

b) die Sekundärzone (29) ist mit Mitteln (26, 28) zum Zuführen von Beimischluft versthen,

D) daß der nach dem Vormlschprinzip arbeiienclc zweite Brennraum (8) aufweist:

a) eine Leitung zur Zufuhr von Verbrennungsluft mit einer Zusatzelnsprltzvorrichiung (40; 140), über welche der dem zweiten Brennraum (8) zugeführten Verbrennungsluft eine Brennstoffmenge zugesetzt werden kann, welche zusammen mit der durch die Leerlaufeinspritzvorrichtung (24) zugeführten Brennstoffmenge den Lauf der Turbine bei Höchstleistung gewährleistet,

b) Mittel (44) zum Zünden des Brennstoff-Luftgemisches und

c) eine Vorrichtung (45) zur Flammenstabilisierung,

E) daß am Austritt mindestens eines der Brennräume (6 bzw. 8) eine Drosseleinrichtung (37, 38) angeordnet Ist.

2. Brennkammer nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verringern der Menge des der Zusatzeinspritzvorrichtung (140) zugeführlen Brennstoffes und durch eine Einrichtung (54-57), die es ermöglicht, in einen der Vorrichtung (45) zur Flam= menstablllslerung benachbarten begrenzten Bereich des zweiten Brennraumes (8) eine Brennstoffmenge einzuspritzen, welche zusammen mit der Leerlaufbrennstoffmenge und der durch die Zusatzelnsprltzvorrichtung (140) eingespritzten verminderten Brennstoffmenge den Lauf der Gasturbine bei Vollast Im Dauerbetrieb sicherstellt.

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3. .Brennkammer nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung (31, 51) für Vollast Im Dauerbetrieb, durch die in die Sekundärzone (29) das ersten Brennraumes (6) eine zusätzliche Brennstoffmenge eingespritzt wird, welche die durch die Leerlaufeinspritzvorrichtung (24) zugeführte Brennstoffmenge ergänzt.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen (31) der Brennstoffeinspritzvorrichtung für Vollast im Dauerbetrieb In Eintrittsöffnungen (28) für Beimischluft angeordnet sind.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Brennräumen (6, 8) Luft unterschiedlichen Drucks zuführbar ist.

6. Brennkammer nach Anspruch 5 mit einem Verbindungskanal zwischen den beiden Brennräumen als Zündeinrichtung für den zweiten Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der dem ersten Brennraum (6) zugeführten Luft größer Ist als der Druck der dem zweiten Brennraum (8) zugeführten Luft, und

■ daß der Verbindungskanal (44) von der Primärzone (25) des ersten Brennraumes (6) ausgeht und gegenüber der Vorrichtung (45) zur Flammenstabilisierung in den zweiten Brennraum (8) einmündet.

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Brennkammer ist aus der GB-PS 6 20 270 bekannt. Bei dieser Brennkammer bestehen die beiden Brennräume aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten, in Strömungsrichtung divergierend verlaufenden Kammern Im Prinzip gleichen Aufbaus, die am stromabwärtigen Ende in die gemeinsame Mischkammer übergehen. Die die Brennräume begrenzenden kegelstumpfförmigen Wände sind über ihrer C'isamten Länge mit Durchbrechungen versehen, über die die Brennräume aus seitlicher RiLhtung mit Verbrennungsluft versorgt werden. Zwischen dem ersten Brennraum und dem zweiten Brennraum Ist ein Verbindungskanal vorgesehen, der als Zündeinrichtung für den zweiten Brennraum dient. Die beiden Brennräume werden über den gesamten Betriebsbereich in gleicher Weise mit Brennstoff und Verbrennungsluft beaufschlagt.

Da eine solche Brennkammer üblicherweise für Vollast im Dauerbetrieb (Relseflug im Fall eines Flugzeugantriebes) ausgelegt wird, dürfte der Wirkungsgrad der Verbrennung im übrigen Betriebsbereit zu wünschen übrig lassen. Auch dürfte bei Leerlauf und bei Höchstleistung (z. B. Start) eine beträchtliche Schadstoffemission unvermeidlich sein.

Aus der FR-PS 21 12 339 ist bereits eine Brennkammer mit nur einem Brennraum bekannt, bei der der Brennstoff in eine Primärzone des Brennraumes eingespritzt wird, auf die eine Sekundärzone mit Zuführung von BeI-mlschluft folgt. Die Primärzone ist so ausgestaltet, daß sich bei Vollast im Dauerbetrieb (Reiseflug) ein ungefähr slöchlometrlsches Verhältnis von Brennstoff zu Luft ergibt, und daß ihr Volumen mindestens gleich dem Wert Ist, der benötigt wird, um das Triebwerk Im Flug bei einer gegebenen Höhe wieder zu zünden. Diese Brennkammer hat jedoch folgende Nachtelle:

a) im Leerlauf, wenn das Flugzeug steht oder am Boden rollt. Ist der Wirkungsgrad der Verbrennung

wegen der Im Mittel schwachen Anreicherung In der Hegt hierbei Im allgemeinen etwas Ober der stöchiometrl-

Prlmärzone nicht sehr gut, und es wird eine große sehen Anreicherung, wodurch in ihm eine hohe Tempe-

Menge von Kohlenmonoxid und nicht verbrannten ratur herrscht und möglicherweise eine stärkere Bildung

Kohlenwasserstoffen In der Nähe des Bodens ausge- von Stickstoffoxiden stattfindet als bei Leerlaui oder stoßen; 5 Höchstleistung.

b) wenn auch bei Vollast im Dauerbetrieb (Reiseflug;) Um dennoch die Bildung von Stickstoffoxiden bei

und bei Höchstleistung (Start) der Wirkungsgrad der Vollast Im Dauerbetrieb weitgehend zu unterbinden.

Verbrennung nahe Im Optimum Hegt, bedingt die kann dafür Vorsorge getroffen werden, daß die ergän-

Bauart der Brennkammer jedoch eine beträchtliche zende Brennstoffmenge nicht in die Sekundärzone des Verweilzelt der Gase in den Zonen, in denen die ^I0 ersten Brennraumes, sondern in den zweiten Brennraum

Anreicherung des Gemlschs im wesentlichen stö- eingespritzt wird. Die mittlere Gemischanreicherung im

chiometrlsch und in denen die erreichte Temperatur zweiten Brennraum Ist dann geringer als bei Höchstlei-

sehr hoch ist, und zwar aufgrund dieser Anreiche- stung und liegt möglicherweise sogar unter dem Grenz-

rung und der hohen Temperatur- und Druckwerte ^wert f^{Qr eine} magere Verbrennung. Um In diesem Fall

am Eingang der Brennkammer, was die Bildung ver- ^{!5 d}'^e Verbrennung Im zweiten Brennraum sicherzustellen,

schledener Stickstoffoxide begünstigt. kann die Menge des den Einspritzdüsen für Leerlauf

zugeführten Brennstoffes bei Vollast im Dauerbetrieb

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenn- vermindert werden, um in gleichem Maße die Menge des

kammer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe- in den zweiten Brennraum einzuspritzenden Kraftstoffes

nen Gattung so weiterzubilden, daß ein möglichst guter 20 zu erhöhen.

Wirkungsgrad der Verbrennung über den gesamten Eine andere Möglichkeit besteht d^-,η, das Luft-Betriebsbereich erzielt wird und eine Belastung der Brennstoff-Gemisch im zweiten Brennraum iokal anzu-Umwelt durch Schadstoffe, insbesondere bei Leerlauf reichern, indem man die bei dieser Drehzahl einge- und bei Höchstleistung (z. B. Stan) weitgehend vermie- spritzte Brennstoffmenge zwischen der Zusatzeinsprftzden wird. 25 vorrichtung (für Höchstleistung) und einer weiteren Ein-Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekenn- spritzvorrichtung aufteilt. Zu diesem Zweck ist eine weizeichnete Erfindung gelöst. tere Ausführungsform der Erfindung gekennzeichnet Läuft die Gasturbine im Leerlauf, wird nur die Leer- durch eine Einrichtung zum Verringern der Menge des laufeinsprltzvorrichtung in der Primärzone des ersten der Zusatzeinspritzvorrichtung zugeführten Brennstoffes Brennraumes verwendet. Da die Anreicherung des Luft- 30 und durch eine Einrichtung, die es ermöglicht, in einen Brennstoff-Gemisches in der Primärzone des ersten der Vorrichtung zur Flammenstabilisierung benachbarten Brennraumes im wesentlichen stöchiometrisch ist, laufen begrenzten Bereich des zweiten Brennraumes eine Brenndie chemischen Verbrennungsreaktionen unter günstige- stoffmenge einzuspritzen, welche zusammen mit der ren Bedingungen ab als bei den oben beschriebenen her- Leerlaufbrennstoffmenge und der durch die Zusatzeinkömmlichen Brennkammern, und folglich wird die 35 spritzvorrichtung eingespritzten verminderten Brenn-Menge der Kohlenoxide und nicht verbrannten Kohlen- stoffmenge den Lauf der Gasturbine bei Vollast im Dauwasserstoffe im Leerlauf wesentlich vermindert. erbetrieb sicherstellt.

Bei Höchstleistung (beim Starten) wird darüber hinaus Es sei hler angemerkt, daß der gefahrlose Betrieb des

eine große Brennstoffmenge in den zweiten Brennraum zweiten Brennraumes mit Gemisch-Vormischung, d. h.

eingespritzt, in dem die Bildung von Stickstoffoxiden 40 mit Einspritzung des Brennstoffes in einen Luftstrom

wegen der großen Strömungsgeschwindigkeit der Gase weit vor der Vorrichtung zur Flammenstabilisierung,

sehr klein Ist. Die aus dem zweiten Brennraum austre- deshalb möglich ist, well der Brennstoff nur bei Höchst·

tenden Gase werden darüber hinaus sofort in der Misch- leistung oder Vollast im Dauerbetrieb eingespritzt wird,

kammer in engen Kontakt mit den kälteren Gasen aus d. h. dann, wenn der den zweiten Brennraum durchque-

dem ersten Brennraum gebracht und unterliegen deshalb 45 _rende Luftstrom sehr schnell Ist. Die Anwendung der

In der Mischkammer einem zu einerr thermischen Gemisch-Vormischung wäre In einer herkömmlichen

Abschrecken analogen Prozeß, durch welchen die Stick- Brennkammer gefährlich, da beim Starten der Gasturbine

stoffoxide erzeugenden chemischen Reaktionen sofort möglicherweise Flammen zurückschlagen könnten,

zum Stillstand gebracht werden. Verglichen mit her- durch die die Maschine beschädigt würde. Ganz allge-

kömmlichen Brennkammern Ist deshalb die Bildung von so _mein wäre es darüber hinaus schwierig, in einer Brenn-

Stickoxlden erheblich vermindert. kammer mit herkömmlichem Aufbau nur die über das

Bei Vollast im Dauerbetrieb (Reiseflug) wird die Leer- Flammrohr in den ersten Brennraum eintretende Luft zu

^einspritzvorrichtung in der Primärzone des ersten verbrennen, ohne gleichzeitig die Beimischluft und die

Brennraumes weiterhin mit Brennstoff versorgt, während Luft zur Ilüiilung durch »film cooling« zu verbrennen,

die restliche Brennstoffmenge, die offensichtlich kleiner 55 Bei den In der Luftfahrt gebräuchlichen Strahltriebwer-

ist als die bei Höchstleistung zusätzlich erforderliche ken ist die Verwendung der Gemlsch-Vormischu.ig auf

Brennstoffmenge, an einem geeigneten Ort der Brenn- Nachbrenner beschränkt.

kammer eingespritzt wird. Gemäß einer Ausführungs- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese-

form der Erfindung Ist eine Brennstofielnspritzvorrich- hen, daß den beiden Brennräumen Luft unterschiedli-

tung für Vollast Im Dauerbetrieb vorgesehen, durch die 60 _cnen Drucks zuführbar ist. Eine Brennkammer, bei der

In die Sekundärzone des ersten Brennraumes eine zusatz- vom Verdichterauslaß aus der Brennkammer zwei kon-

llche Brennstoffmenge eingespritzt wird, welche die zentrische Luftströme unterschiedlichen Drucks zuge-

durch die Leerlaufeinspritzvorrichtung zugeführte Brenn- führt werden, Ist bereits aus der US-PS 34 40 818

stoffmenge ergänzt. Vorzugsweise sind hierbei die Ein- bekannt.

sprltzdüsen der Brennstoffeinspritzvorrichtung für Voll- ^M In weiterer Ausgestal'ung der Erfindung ist dne

last Im Dauerbetrieb In Eintrittsöffnungen für Belmlsch- brennkammer mit einem Verbindungskanal zwischen

luft angeordnet. Die mittlere Anreicherung des Luft- den beiden Brennräumen als Zündeinrichtung für den

Brennstoff-Gemisches Im ersten Brennraum insgesamt zweiten Brennraum dadurch gekennzeichnet, daß der

Druck der dem ersten Brennraum zugeführten Luft grö-I.I'.t ist als der Druck der dem /weiten Brennraum zugeführten Luft, und daß der Ver! mdungskanal von der l'rimärzone des ersten Brennraumes ausgeht und gegenüber der Vorrichtung /ur Flammenstabilisierung in den zweiten Brennraum einmündet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausfuhrungsbeispielen erläutert. F.s zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch die obere Hälfte einer erfindungsgemäßen Brennkammer;

Fig. 2 einen Teil der Fig. 1 in größerem Maßstab, in dem eine Kraftstoffeinsprltzdüse geneigt Ist. welche sich durch eine Öllnung für Uelmlschlul't erstreckt:

Fit;. 3 einen anderen Teil der Fig. !. In dem die Befestigung ties Flammrohrs des ersten Brennraumes ,im ιϊ Gehäuse der Brennkammer gezeigt ist:

Fly 4. 4 a. 4 b Schnitte durch drei verschiedene, im zweiten Brennraum der Fig. 1 verwendbare I insprit/leitunaen:

Brennraiimes 8 stromabwärts fort bis in die Nahe des dem Ausgang zugewandten Fndes des Gehäuses 2. wo sie mit diesem durch ein Teil 14 verbunden ist. Die Teile I.'' bzw. 14 schließen an dem Stromabwärligen Ende zwei ringförmige, außerhalb der Wand In bzw. innerhalb der Wand 9 gelegene Räume 15 und 16 ab. welche stromaufwärts zum Auslaß des lloehdruckveidichters 3 hin völlig offen sind.

Der von dem Hochdruckverdichter 3 gelieferte Luftstrom wird durch eine ringförmige Trennwand 19 in zwei ringförmige, koaxiale Ströme 17, 18 geteilt. F)Ie ringförmig·? Trennwand ist «stromabwärts mit der rohrförmigen Wand 10 verbui ' ίι. und ihr stromaufwärtiges F.nde. welches eine labyrinthdichtung aufweist, endet gegenüber einer Wand 21). welche durch e'wa in der Mitte der Schaufeln des Laufrades in der let/ten Stule ties Hochdruckvcrdichters angebrachte Rippen gebildet wird. Die Schaufeln ties Uochdruckverdk liters siml derart gestaltet, daß der äußere Luftstrom 17 einen höheren Druck

I I t. .' 11 IIUII (1 I IU'. ' Cl I It-M Ut. ! I IL f . W ' /11'_ I JIt C I IIL I [ [ ,

Schnitt liings der linie V-V von L i g 5 a eine andere Auslührungslorm eines Teiles tier Mischkammer gezeigt

Fig. 5a eine Aufsicht auf einen Teil des in F'ig. 5 gezeigten Mischkamnierteiles: 2-

F ig. 6 einen der Fig. I entsprechenden Schnitt durch eine andere Auslührungstorm tier erlindungsgemäßen Brennkammer.

In F i g 1 ist eine Brennkammer I gezeigt, welche u einem Flugzeug.strahltriebwerk gehört, da.s ·η se ir, er l' Gesamtheit nicht gezeigt ist Die Brennkammer 1 ist in einem ringförmigen Gehäuse 2 mit der Achse X-X¹ untergebracht, welches vorne mit dem Ausgang eines Hochdruckverdichter 3 und hinten mit einer Hoehdruekturbine 4 verbunden ist. welche den Hochdruck*er- ti dichter 3 durch eine Welle 5 anireiV. Die durch der, Hochdruckserdichter 3 der Brennkammer 1 zugeführte Luft dient in ^h> hinter Weise dazu, einen Brennstoff /u verbrenne·!. >n dal! heiße Ga«e erzeugt werden, die sich :n der llochdruckturbine 4 unti daraufhin in einer nicht -»o gezeigten Niederdruckturbine entspannen und hinter der letzteren einen Strahl bilden, welcher für den Vortrieb des nicht gezeigten Flugzeuges, an dem das Tur^K,'^-.-iebwerk befestigt ist. sorgt

Der SIrOnIaLJIwartige Teil des von dem Gehäuse 2 '·'■ umschlossener, ringförmigen Raumes ist in zwei getrennte koa\;.iie. parallel mit durch den Hochdruckverdichter 3 zugeführter Luft versorgte Brennräume unterteilt, nämüch einen ringförmigen äußeren Brennraum 6 mit ein-em Flammrohr 7 und einen inneren rir.t- '-'■ formigen Brennraum 8 mit zwei koaxialen, rohrförm-g·..:-. Wänden 9. 10. wc,;>ei jeder der beiden Brennräume ungefähr die Hälfte des geradlinig verlaufenden Abschnittes des Gehäuses 2 ausfüllt. Das Flammrohr 7 hat J ie klassische Forn^- eines ringförmigen Flammrohres und weist zwei koaxiale, rohrförmig!? Wände la. lh auf. die stromaufwärts durch einen ringfömigen Boden Il verbunden sind. Die innere ring^förmige Wand Ib ist stromabwärts durch ein U-förmlges Wandstück 11 mit der äußeren, rohrförmigen Wand 10 des Brennraumes 8 verbunden. und der zwischen den Wänden lh und 10 befindliche ringförmige Raum 12 ist stromaufwärts zum Ausgang des Hochdruckverdichters 3 hin völlig offen. Die äußere rohri'örmige Wand la setzt sich in Strömungsrichtung gesehen unterhalb des Flammrohrs 7 bis in die Nähe des 65 te sirornabwänieen Endes des Gehäuse? 2 fort, wn $\p rr,jt diesem durch ein ringförmiges Tel: 13 verbunden ist. ■\hn!ich setzt sich die innere rohrförmige Wand 9 des Wand 9 des Brennraiimes 8 ist stromaufwärts mit einer Trennwand 21 verbunden, und die ^; rennwände 19 untl 21. .lie jede eine doppelte Wand 19,,. 19Λ bzw 21k. 2ΙΛ aulweisen, weisen eine solche Form auf. dall tier zwischen den Wanden Ι9Λ ind l\a gelegene, ringförmige Lulteintrittskanal zum Brennraum 8 von stromaufwärts nach stromabwärts einen konvergenten Abschnitt 22«. einen Abschnitt mit gleichbleibendem Qt. :rschnitt Hh untl ei; ..i divergenten Abschnitt ZIt. welcher eine Diffusor darstellt, aufweist.

Der Boden Ii des Flammrohrs 7 ist durch eine Reihe von Offnungen 23 durchbrochen, in deren jede eine Einspritzdüse 24 einmündet. Die Gesamtheit der Einspritzdüsen 24 bildet eine l.eerlaufeinspntzvurrichiung. die in einer Priniärzone 25 die bei Leerlaul erforderliche Brennstoffmenge zerstäuben kann. Die Einspritzdüsen 24 arbeiten mit Vorzerstäubung.

Die rohrförmigen Wände la und lh werden jede durch eine Mehrzahl von Ringen gebildet, derart, daß zwischen ihnen Durchlässe 26 für den Eintritt von Luft zur Kühlung durch »film cooling« freibleiben, jnd sie werden durch Eintrittsiiffnungen 27 jnd 28 für den Eintritt von Beimisch'uft durchsetzt, welche in die Priniärzone 25 bzw. in die Sekundärzone 29 des Brennraumes 6 einmünden. Die äußere, rohrförmige Wand la wird darüber hinjus durch eine Zündeinrichtung in Form von Zündkerzen 3D. welche in die Priniärzone 25 hineinragen, und durch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Form von Einspritzdüsen 31 durchsetzt, welche in die Sekundär-•one 29 durch einige der Eintrittsöffnungen 28 für Beimischlult hindurch hineinragen. Fig. 2 zeigt im einzelnen den Aufbau einer der Einspritzdüsen 31. welche bei 31i/ durch eine nicht gezeigte Schraube an einer Erhebung la des Gehäuses 2 befestigt ist und durch eine Bohrung lh derselben verläuft, so ds3 sie den ringförmigen Raum 15 durchquert derart, daß ihr Einspriizkopf 31c koa.xia! in aer Einiritlsöffnung 28 für Beimischluft steht. Die Einspritzdüse 31 weist einen Anschluß 3\b auf. über den sie mit einer Kraftstoffzuführleitung (nicht gezeigt), welche das Gehäuse 2 umgibt, verbunden wird.

Der an dem stromabwärtigen Ende der Sekundärzone 29 angebrachte Ring 33 ist an dem Gehäuse 2 durch Mittel befestigt, die im einzelnen in Fig. 3 gezeigt sind. Bei 33ft ist an dem Ring 33 ein äußeres Ringteil 33o angenietet, welches in der Nähe seines stromaufwärtigen Endes durch eine Mehrzahl von kranzförmig angeordneten Bohrungen 33c durchbrochen ist. in deren jede eine Scheibe eingelötet ist. die ihrerseits an einen Stift 34a angelö-

tet ist, welcher an eine Mutter 34Λ angeformt lsi, die In einer In einer Erhebung 2c des Gehäuses 2 angebrachten Ausnehmung 2i/ geführt wird und In dieser durch eine Schraube 34c gehaltert wird. In Fig. .1 Ist auch die Verbindung des Rings 33 mit dem unmittelbar stromaufwärts benachbarten Ring 32 unier Verwendung eines Stückes 35 gezeigt, wobei das Stück 35 zwischen den beiden Rlni<en 32 und 33 den Durchgang 26 für Kühlluft vorsietu. Wie In Fig I gezeigt. Ist auf die innere Oberfläche des Rings 33 der äußere Rand eines ringförmigen Bleches 37 aufgeschweißt, dessen innerer Rand auf den das U-fOrmige Wandteil 11 bildenden Reifen aufgeschweißt Ist. Das Blech 37 ist durch Öffnungen 38 durchbrochen, die die Drosselung des aus der Sekundilr/one 29 ties ersten Brennraumes 6 ausströmenden Gasstromes herbeiführen und diesen aufteilen, damit er in einem hinteren, eine Mischkammer 39 bildenden Teil der Brennkammer I wirksam mit dem aus dem /weiten Brenni.nim 8 ausströmenden Ciasstrom verwirbelt wird.

In dem gleichbleibenden (Querschnitt aulweisenden Abschnitt 22Λ des ringförmigen Lufteinlasses 22 des Brennruiimes 8 ist eine kreisförmige Zusatzeinsprit/vorrlchtung 4(1 angebracht, die durch eine Leitung 41 beschickt wird, welche die Trennwand 19 und den Luftstrom 17 durchquert, so daß sie mit einer Sammelleitung für die Brennstoffzufuhr (nicht gezeigt) verbunden werden kann. Die Zusatzelnsprltzvorrichlung 40 ist in Fig. 4 genauer dargestellt; sie ist durch Einspritzöffnungen 4Oi/. 40/i durchbrochen, welche dazu dienen, in transversaler Richtung in ilen Luftstrom 18 Strahlen von Brennstoff 42fl bzw. 42Λ einzuspritzen, welche durch den Luftstrom abgelenkt und zerstäubt werden und zusammen mit diesem ein Luft-Brennstoff-Gemisch bilden, welches stromabwärts in dem Brennraum 8 strömt. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Zusatzeinsprit/vorrichtung 40 durch eine in Fig. 4 a gezeigte Zusatzeinspritzvorrichtung 40' ersetzt werden, welche durch Öffnungen 4O'<7 durchbrochen ist. die jeweils einen Strahl von Brennstoff 42'« in Strömungsrichtung des Luftstroms 18 einspritzen, oder sie kann durch eine in Fig. 4 b gezeigte Zusatzeinspritzvorrichtung 40" ersetzt werden, welche durch Öffnungen 40'V durchbrochen ist. von denen jede In Gegenrichtung zum Luftstrom 18 einen Brennstoffstrahl gegen einen ringförmigen Zerstäuber 43 ausstößt, der diesen, wie bei 42"fl und 42"6 gezeigt, in transversaler Richtung ablenkt. Bei einer anderen, nicht gezeigten Ausführungsform wird üie Einspritzung durch getrennte Einspritzdüsen vorgenommen.

Der ringförmige Raum 12 wird durch eine Mehrzahl von kranzförmig angeordneten Verbindungskanälen 44 durchsetzt, wjlche die rohrförmige Wand Ib durchquerend von der Primärzone 25 ausgehen und die ringförmige Wand 10 durchquerend in den Brennraum 8 gegenüber einer Vorrichtung 45 zur Flammenstabilisierung einmünden. Die Verbindungskanäle 44 sind auf einer nicht gezeigten, freitragenden Hülse angebracht, durch die die bei Ausdehnung erfolgenden Bewegungen der beiden Brennräume gegeneinander aufgenommen wird. Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Vorrichtung 45 zur Flammenstabilisierung zwei koaxiale Ringe 45ö. 456 mit V-förmigem Querschnitt auf. welche durch eine Vorrichtung 46 gehaltert werden, die an die Trennwand 19 durch eine Mehrzahl von kranzförmig angeordneten Armen 47 angebracht ist. Die rohrförmigen Wände 9 und 10 sind jede stromabwärts der Vorrichtung 45 zur Flammensiabiiisienjng mit Einlassen 48 bzw. 49 für Luft zur Kühlung durch »film cooling« versehen.
Fig. 1 zeigt, daß der erste Brennraum 6 mit dem

Flammrohr 7. mit den Öffnungen 23 und 27, die In die Prlmär/.one 25 einmünden, mit den Eintrittsöffnungen 28 für Beimischluft, die In die Sekundälrzone 29 einmünden und mit den Einlassen 26 für Luft zur Kühlung den bekannten Aufbau einer Brennkammer aufweist. Der zweite Brennraum 8 hat dagegen den Aufbau einer Kammer mit Gemischvormischung (welcher dem Aufbau einer Nachbrennerkammer entspricht), die zum Einlaß hin vollständig offen Ist. so daß durch den ringförmigen Lufteinlaß 22 der Luftstrom 18 eintreten kann, mit dem zusammen der durch die Zusatzeinspritzvorrichtung 40 eingespritzte Brennstoff ein Gemisch bildet, das durch clic von der Prinvlrzone 25 durch die Verblndungskanille 44 kommenden heißen Gase ne/ündet wird, wobei die bei der Verbrennung gebildeten Flammen an der \ orrlchtung 45 zur Flammcnstabillsierung festgehalten werden. Der Brennraum 8 mit Gemischvorniischung befindet sich zwischen den rohrförmigen Wänden 9 und II). deren In Stromrlchtung unterhalb der Vorrichtung 45 zur llammenstabliisierung gelegener Abschnitt ein Flammrohr bildet, welches durch die aus den ringförmigen Räumen 16 und 12 über die Einlasse 48 und 49 eintretende Luft gekühlt wird. Der Brennraum 8 mündet frei in die Mischkammer 39 ein, welche stromabwärts In eier Brennkammer 1 angebracht ist und sich zwischen den Verlängerungen der rohrförmigen Wände la und 9 befindet. In der Mischkammer 39 wird der aus dem Brennraum 8 ausströmende Gasstrom, wie beschrieben, mit dem aus dem Brennraum 6 durch die Öffnungen 38 ausströmenden Gasstrom vermischt. Bei bestimmten Betriebsbedingungen läuft, wie später erläutert wird, die Verbrennung in der Mischkammer 39 weiter, und die Verlängerungen der rohrförmigen Wände la und 9 bilden ein Flammrohr, welches durch »film cooling« mittels der Luftfilme gekühlt wird, welche aus den Räumen 15 und 16 durch die Einlasse 26 und 48 zugeführt werden.

Die Einspritzvorrichtungen 24, 31 und 40 werden getrennt durch Regelventile 50 bzw. 51 bzw. 52 (Fig I) mit der erforderlichen Brennstoffmenge versorgt. Im Leerlauf werden nur die Einspritzdüsen 24 versorgt, und ihnen wird eine Brennstoffmenge a_H zugeführt, durch die der Lauf des Turbotriebwerkes im Leerlauf sichergestellt wird. Die Öffnungen 23 und 27 sind so bemessen, daß «Me in die Primärzon». 25 den Anteil der von dem Hochdruckverdichter 3 bei Leerlauf gelieferten Luftmenge ein treten lassen, der in der Primärzone 25 zu einer im Mittel im wesentlichen stöchiometrischen Gemischanreicherung führt. Die Zündkerzen 30 werden mit elektrischem Strom versorgt, so daß das im wesentlichen stöchiomeirische Luftkraftstoff-Gemisch sich entzündet und mit einem sehr guten Wirkungsgrad der Verbrennung verbrennt, wobei die in der Primärzone 25 eingeleitete Verbrennung sich in die Sekundärzone 29 fortsetzt, da durch die Eintrittsöffnungen 28 für Beimischluft zusätzliche, aus den Räumen 12 und 15 stammende Luft zugeführt wird. Dies führt zu einer sehr geringen Emission von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Die bei der Verbrennung entstehenden heißen Gase werden durch die Öffnungen 38 in die Mischkammer 39 geleitet, wo sie mit dem Luftstrom vermischt werden, der bei 18 in den zweiten Brennraum eingetreten Ist und diese ohne Umwege zur Mischkammer 39 hin verlassen hat.

Bei Höchstleistung (Starten) wird darüber hinaus die Zusatzeinspritzvorrichtung 40 des zweiten Brennraumes 8 mit einer zusätzlichen Brennstoffmenge q'_s versorgt:

i's = 1s- Qb-

wobei q_s die gesamte bei Höchstleistung erforderliche Brennstoffmenge Ist. Wie schon ausgeführt, wird das Luftbrennstoff-Gemlsch, welches Im Einlaßkanal 22 durch Zerstäuben des Brennstoffes im Luftstrom 18 erzeugt worden Ist, durch die In den Brennraum 8 über die Verbindungskanäle 44 eintretenden heißen Gase gezündet, und es verbrennt stromabwärts der Vorrichtung 45 zur Flammenstabilisierung. Durch die Verbrennung werden d!: Gase auf eine für einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad ausreichende Flammentemperatur gebracht, welche jedoch nicht zu hoch Ist. Wegen der großen Geschwindigkeit des dutch den sich verengende und sich erweiternde Abschnitte aufweisenden Elngangskaiidl 22 ungehindert In die Kammer 8 eintretenden Luftstrom 18 wird die Verbrennungszone von den Gasen sehr schnell durchquert. Darüber hinaus vermischen sich die aus dieser Gegend kommenden Gase In der Mischkammer 39 sehr schnell und innig mit den weniger warmen Gasen, welche durch die Öffnungen 38 aus dem Brennraum 6 austreten. Daher Ist die Bildung von Stickstoffoxiden sehr gering.

Die mit Öffnungen versehene, als ringförmiges Blech gezeigte Trennwand 37 Jrosselt den aus dem ersten Brennraum 6 austretenden Luftstrom, so daß er In eine Mehrzahl von Strahlen geteilt wird, die tief In die Masse der warmen, vom zweiten Brennraum 8 herkommenden Gase eindringen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Mischkammer so arbeiten, daß sie den aus dem Brennraum 8 kommenden Gasstrom drosselt oder beide Gasströme drosselt. Bei den In den Fig. 5 und 5 ;i gezeigten Ausführungsformen Ist die mit Löchern ν ehene Trennwand 37 durch ein ringförmiges, gewelltes Leitblech 53 ersetzt, welches hinten an dem U-förmigen Wandteil 11, welches den Brennraum 8 von der Sekundärzone 29 des Brennraumes 6 trennt, befestigt ist. Die Wellung des Leitbleches 53 weist eine von ihrem vorderen Rand 53a, welcher an das Wandteil 11 angeschweißt ist, zu ihrem hinteren, freien Rand 53i> zunehmende Amplitude auf. Durch diese Vorrichtung werden die zwei Gasströme In radial verlaufende Teile zerlegt, welche ineinander verschachtelt sind, wodurch ihre Vermischung gefördert wird.

Bei Vollast im Dauerbetrieb (Reisegeschwindigkeit) wird die Zusatzeinspritzvorrichtung 40 nicht mehr mit Brennstoff versorgt, die Einspritzdüsen 24 \ erden jedoch immer noch mit der Brennstoffmenge q_B versorgt und die Einspritzdüsen 31 werden mit einer Brennstoffmenge q'_R versorgt, welche aus der Gleichung

Q'r = Qr- Ib

bestimmt wird, wobei q_R die Brennstoffmenge ist, die den Lauf des Turbotriebwerkes bei Vollast im Dauerbetrieb sicherstellt. Das Zerstäuben des durch die Einspritzdüsen 31 eingespritzten Brennstoffes erfolgt auf pneumatische Weise durch die Geschwindigkeit der Strahlen der Beimischluft, welche durch die Eintrittsöffnungen 28 eintritt. Die in der Primärzone 25 eingeleitete Verbrennung setzt sich in die Sekundärzone 29 fort, aber wie bei einem später beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigt wird, kann die mittlere Gemischanreicherung im ersten Brennraum 6 insgesamt (Primärzone 25 und Sekundärzone 29) oberhalb der stöchiometrischen Gemischanreicherung liegen. Die Verbrennung setzt sich dann in die Mischkammer 39 fort, wobei dort Luft zugeführt wird, die den zweiten Brennraum 8 durchquert hat.

Die Einlaßöffnungen 23 und 27 in die Primärzon^ 25 (Fig. 1) werden z. B. so bemessen, daß sie in die Primärzone 25 ungefähr 8,5% der insgesamt vom Hochdruckverdichter 3 zugeführten Luftmenge eintreten lassen; damit ist man sicher, daß das Gemisch in der Primärzone 25 bei Leerlauf I.'.i wesentlichen stöchiometrlsch ist. Die Öffnungen 28 für Beimlschlufl werden so bemessen, daß sie in die Sekundärzone 29 ungefähr 10'V der insgesamt zugeführten Luftmenge eintreten lassen, durch die ein für den vollständigen Ablauf der Reaktion günstiges Welterlaulen der Verbrennung bei Leerlauf sichergestellt wird. Die Öffnungen 26. 48 und 49 für den Eintritt von Luft zum Kühlen werden so bemessen, daß sie In die drei Räume 6, 8 und 39 ungefähr 45% der Insgesamt zugeführten Luftmenge eintreten lassen. Damit ist die Menge des den zweiten Brennraum 8 durchsetzenden Luftstroms 18 der Rest, d. h ungefähr 36,5h, der Insgesamt vom Verdichter gelieferten Luftmenge.

Werden bei Höchstleistung (Starten), wie erläutert, die Einspritzdüsen 24 und 40 mit Kraftstoffmencn ,_IH bzw q's versorgt, so arbeitet die Primärzone 25 der Kammer 6 mit einem leicht abgemagerten Gemisch, z. B. a = 0,7. da die Luftzufuhr zum ersten Brennraum großer ist als hei Leerlauf. Eine vom Fachmann leicht ausführbare Rechnung ergibt, daß die Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Gemisches Im Brennraum 8 dann etwa bei 0,75 liegt. Man kann natürlich das Arbeiten der Kammer 8 dahlngehend zu verbessern suchen, daß die Bildung von Stickstoffoxiden soweit irgend möglich vermindert wird, z. B. deren Konzentration dadurch herabzusetzen, daß die Menge der der Primärzone 25 zugeführten Luftmenge verringert wird (wodurch die Gemischanreicherung In der Primärzone erhöht wird), und indem man die Menge der zur Kühlung zugeführten Luft vermindert oder indem man gerade entgegengesetzt die Gemischanreicherung im Brennraum 8 auf einen oberhalb der stöchiometrischen Gemischanreicherung gelegenen Wert erhöht (jedoch nicht zuviel, um Rauchbildung zu vermeiden), indem man die Menge des Luftstroms 18 vermindert, was gestattet, die Menge der Beimischluft und die Menge der zur Kühlung zugeführten Luft zu vergrößern.

Die Rechnung zeigt, daß bei Vollast im Dauerbetrieb

•to (Reisegeschwindigkeit) die mittlere Anreicherung des Luft-Brennstoff-Gemisches im Brennraum 6 insgesamt (Verbrennungszonen 25 und 29) ungefähr bei 1,27 liegt, da die Zusatzeinspritzvorrichtung 40 nicht mehr mit Brennstoff versorgt wird und den Einspritzdüsen 24 und 31 die Brennstoffmengen q_B und q'_R zugeführt werden.

Die Anreicherung im Brennraum 8 läge möglicherweise nahe an der Grenze für eine magere Verbrennung, wenn man bei Vollast im Dauerbetrieb die Brennstoffmenge q'_R nicht mehr in die Sekundärzone 29, sondern über die Zusatzeinspritzvorrichtung 40 in den Brennraum 8 einspritzen würde. Eine leicht durchführbare Rechnung zeigt, daß die Anreicherung in diesem Fall etwa 0,39 betragen würde.

Greift man zu dem Kunstgriff, der darin besteht, die den Einspritzdüsen 24 zugeführte Brennstoffmenge bis auf einen Wert q'_B zu vermindern, derart, daß die Gemischanreicherung in der Primärzone 25 etwa 0,5 beträgt, und die restliche Brennstoffmenge q_R - q'_h durch die Zusatzeinspritzvorrichtung 40 einzuspritzen, so ergibt die Rechnung für die Gemischanreicherung im Brennraum 8 gleichermaßen einen Wert von 0,5.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Brennkammer, bei welcher im zweiten Brennraum eine spezielle Einspritzvorrichtung für Vollast im Dauerbetrieb vorgesehen ist. In Fig. 6 sind der Fig. 1 entsprechende Teile mit den gleichen, jedoch um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen. Die Einspritzvorrichtung weist je einen Brennerring 54 bzw. 54' von bekannter Bauart mit je einer

ringfömigen Einspritzleitung 54« bzw. 54V/ auf, die in einem Ring mit V-förmigem Querschnitt 54Λ. 54'ή. an dem die !'lammen festgehalten werden, angeordnet sind. Durch eine mit einem Ventil 57 versehene Leimr?! 56 werden die Einsprltzlellungen mit Brennslolf versorgt, und ist das Ventil 57 geöffnet, so treten aus den Öffnungen der Ringbrenner 546, 54'Λ Strahlen von Brennstoff entgegen der Richtung des Luftstromes gegen ringförmigen Zerstäuber 55, 55' aus. Durch diese Vorrichtung wird der Brennstoff in dem den Ringbrenner 54 und 54' benachbarten Teil des Brennraumes 108 zerstäubt. Du hei Vollast im Dauerbetrieb das Ventil t ?2 teilweise geschlossen ist und die Hnspritzlcilungen 54i/ und S4'<; mit einer geeigneten Brennstoffmenge versorgt werden, ist die Anreicherung ties Luft-Brennstoff-Gemisches in

diesem Abschnitt des Brennraumes 108 ausreichend, ui.i die Verbrennung sicherzustellen. Beim Starten Ist das Ventil 57 geschlossen, und die liinspritzleitung 140 wird mit Jine Kraflstoflm. ' ü'j :,_s i/_H -,i.i sorgt.
% t.i versteht sich, daß die beschriebenen Ausführungsformen nur Beispiele sind. So kann der zv/elf; Brennraum mit Luft von höherem Druck beaufschlagt werden als der erste Brennraum, oder die beiden Brennräume können mit gleichem Druck beaufschlagt werden. Im zweiten Brennraum kann eine Zündvorrichtung vorgesehen werden, und die Verhlndungskanüle 44 oder 144 können entfallen. Auch IaIM sich dl··· Lage der beiden Brennraume veMausehen, d. Ii der erste Brennraum kann nach innen und der /weite Brennraum nach aul.ien ,erl.mert werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

25 Patentansprüche:

1. Brennkammer für eine Gasturbine, Insbesondere für ein Flugzeug-Strahltriebwerk,

A) mit zwei getrennten Brennräumen,

a) die Im stromaufwärtlgen Abschnitt der Brennkammer angeordnet sind,

b) die parallel mit Verbrennungsluft beaufschlagt _|0 werden,

c) und die jeweils mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung und einer Zündeinrichtung versehen sind,

B) und einer Mischkammer, _!5

a) die von dem stromabwärtlgen Abschnitt der Brennkammer gebildet wird und

b) In welcher die aus dem ersten und dem zweiten Brennraum ausströmenden Gase vermischt werden, _2Q