DE2517947C3 - Zylindrische Brennkammer für pulsierende Verbrennung, zur Verwendung in einem Strahltriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zylindrische Brennkammer für pulsierende Verbrennung, zur Verwendung in einem Strahltriebwerk, mit einer einen Stator und einen Schieber umfassenden zylindrisch ausgebildeten Ventileinrichtung, deren Schieber mit regelbarer Drehzahl angetrieben ist und radiale Durchtrittsöffnungen für der Brennkammer zuzuführende Luft aufweist.

In derartigen Brennkammern erreichen die Verbrennungsgase relativ hohe Temperaturen, wenn die Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad erfolgt Zur Erlangung eines guten Wirkungsgrades ist eine genaue Steuerung der für die Verbrennung zugeführten Luftmenge erforderlich, insbesondere dann, wenn das Triebwerk in einem regelbaren Lastbereich gefahren werden soll.

Mit bekannten Flatterventilen, die vo·¹ oder an der Brennkammer angeordnet sind, läßt sich die Zufuhr der erforderlichen Verbrennungsluftmenge nur angenähert für einen Lastbereich und nur mit geringer Genauigkeit einstellen. Derartige aus federndem Material bestehende Ventile, die selbsttätig öffnen und schließen sowie, durch Konstruktion bedingt, den Eintrittsquerschnitt nur teilweise freigeben, sind zudem wegen der hohen Wärmebelastung, der sie ausgesetzt sind, störanfällig, und sie stellen beim Betrieb des Triebwerks eine erhebliche Lärmquelle dar. Zur Beseitigung dieses Mangels wurden in der DE-PS 8 97 771 rotierende Brennkammern vorgeschlagen, die als Schieber eines Ventils ausgebildet sind, dessen Stator vor bzw. hinter der Brennkammer in einem diese umgebenden Rotor angeordnet ist. Derartige Triebwerke sind insbesondere wegen der großen zu bewegenden Masse der Brennkammer ungünstig. Da unterschiedliche Wärmedehnungen der das Ventil bildenden Teile, nämlich der Brennkammer einerseits und des Ventilstators andererseits nicht zu vermeiden sind, lassen sich auf diese Weise funktionsfähige Ventile und damit Triebwerke nur unter Überwindung relativ hoher technischer Schwierigkeiten erstellen.

Ferner sind Triebwerke aus der FR-PS 8 09 596 und der US-PS 25 79 321 bekannt, bei denen konzentrisch um ein Rotationsventil mehrere Brennkammern angeordnet sind. Die Ventileinrichtung ist hierbei nicht im Inneren der Brennkammern, sondern an deren Wandungen angeordnet, wobei für jede Brennkammer neben einem gesteuerten Lufteinlaßventil auch ein Luftauslaßventil erforderlich ist. Während bei Triebwerken nach der US-PS 25 79 321 der Nachteil einer relativ inhomogenen Gemischbildung in den Brennkammern durch einseitig zuströmende Luft in Kauf genommen wird, erfordern Triebwerke nach der FR-PS 8 09 596 zusätzliche aufwendige Einrichtungen zur Erzeugung eines Treibstoffgemisches, die vor den Brennkammern angeordnet sind.

Andere, z.B. aus der DE-AS 16 26 042 bekannte Triebwerke, weisen ebenfalls mehrere Brennkammern auf, bei denen an einer stirnseitigen Brennkammerwand

ein Rotalionsventil angeordnet ist, mit dem der Lufteinlaß und der -auslaß gesteuert sind. Der Lufteinlaß erfolgt hier ebenfalls nur an einer einzigen Stelle der Brennkammer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zylindrische Brennkammer für pulsierende Verbrennung, zur Verwendung in einem Strahltriebwerk, mit einer einen Stator und einen Schieber umfassenden zylindrisch ausgebildeten Ventileinrichtung, d-^ren Schieber mit regelbarer Drehzahl angetrieben ist und radiale Djrchtrittsöfrnungen für der Brennkammer zuzuführende Luft aufweist, so auszubilden, daß die anhand bekannter Triebwerksausführungen beschriebenen Mangel beseitigt werden. Insbesondere ist ein hoher Wirkungsgrad des Triebwerkes in einem relativ weiten Lastbereich gefordert, d. h. es ist eine dem jeweiligen Betriebszustand des Triebwerkes entsprechende und gut regelbare Gemischbildung in der Brennkammer zu gewährleisten.

Für die zylindrische Brennkammer oben genannter Art ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ventileinrichtung im Innern der Brennkammer und koaxial zu ihr angeordnet ist, sich angenähert über die ganze Brennkammerlänge erstreckt, die radialen Durchtrittsöffnungen über die ganze Länge der Ventileinrichtung verteilt angeordnet sind und daß die Luftzufuhr in das Innere des Schiebers axial gerichtet ist. Durch diese Ausbildung und Anordnung der Ventileinrichtung in der Brennkammer sind bei relativ niedrigen und gleichmäßigen Wärmebeanspruchungen der durch die zugeführte Verbrennungsluft gekühlten Ventileinrichtung und mit Hilfe eines motorischen Antriebes der Ventileinrichtung die Voraussetzungen für eine genaue Regelbarkeit der Verbrennungsluftmenge geschaffen, die zur Erlangung eines guten Wirkungsgrades in allen Teillastbereichen unerläßlich sind.

Gemäß einer Weilerbildung der Erfindung sind die Durchtrittsöffnungen der Ventileinrichtung am Schieber und am Stator als Schlitze ausgebildet, die in Umfangsrichtung verlaufen, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Durchtrittsöffnungen Dichtringe angeordnet sind. Durch diese Maßnahme ist bei geeigneter Dimensionierung der Durchtrittsöffnungen erreicht. daß über die ganze Länge der Brennkammer eine gute Gemischbildung in sehr kurzen Zeiten mit dem in -15 bekannter Weise der Brennkammer zugeführten Kraftstoff erfolgen kann. Die in jeder Phase einströmende Luftmenge ist u. a. abhängig vom Ventil-Öffnungsquerschnitt, der sich ergibt aus der Anzahl der Schlitze sowie deren Länge und Breite und dem Druck der Verbrennungsluft. Von der Arbeitsfrequenz, die ein Merkmal der pulsierenden Verbrennung ist und die von der Länge des Brennraumes mitbestimmt wird, wird die Drehgeschwindigkeit des Schiebers der Ventileir.richtung beeinflußt. Bei Pulsogasturbinen lassen sich Frequenzen von 250 bis 500 Hz einstellen; für das Zündverhalten bei diesen Frequenzen ergeben sich keine Schwierigkeiten, sofern die selbsttätige Zündung vorgesehen ist.

Um auch noch einen" aus'aßseitig und hinter der Ventileinrichtung liegend?«- H: _,,.-kammerabschnitt geregelte Luftmengen zuzuführen, ist die Ventileinrichtung topfförmig ausgebildet und weist am Topfboden zusätzliche sektorförmige Durchtrittsöffnungen auf. Der Schieber der Ventileinrichtung ragt einlaßseitig aus f>5 der Brennkammer heraus und ist vor der Brennkammer drehbar gelagert. Durch diese Maßnahme wird die Wärmebeanspruchung des Lagers in erträglichen Grenzen gehalten. Grundsätzlich ist auch die Anordnung eines innenliegenden Stators mit außenliegendem Schieber möglich.

Zur Kühlung der Brennkammer und zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Triebwerkes ist die Brennkammer in bekannter Weise von einem ringspaltförmigen Luft-Bypass umgeben.

Im Hinblick auf eine Erhöhung des Brennkammerdruckes ist es möglich, mit Hilfe einer bekannten mechanischen Vorrichtung das hintere Brennkammerende mit einer Phasenverschiebung gegenüber der Ventileinrichtung periodisch zu öffnen und zu schließen.

Insbesondere für Strahltriebwerke ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, den Schieber der Ventileinrichtung starr mit einem Einlaufzylinder zu verbinden, an den ein in seiner Drehzahl regelbarer motorischer Antrieb angreift Vom motorischen Antrieb und einem we'teren, den Einlaufzylinder umgebenden Lager für den Schieber der Ventileinrichtung ist bei dieser Anordnung eine Wärmebeanspruchung durch heiße Triebwerksteile ferngehalten.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Schieber der Ventileinrichtung auf einer die Brennkammer in der Längsachse durchdringenden Welle befestigt, an der eingangsseitig, d h. vor der Brennkammer, über ein Getriebe ein Verdichter angeschlossen ist und die von einer ausgangsseitig, d. h. hinter der Brennkammer angeordneten Turbine angetrieben ist. Vorzugsweise sind dabei zwischen der Turbine und der Brennkammer ein Radialejektor und eine Ausgleichskammer angeordnet. Die Verbrennung in der Brennkammer erfolgt nahezu stöchiometrisch, d. h. ohne Luftüberschuß bei sehr hohen Temperaturen, die kurzzeitig erheblich über den Temperaturen bei einer Gleichdruckverbrennung liegen. Durch die nachfolgende Zumischung von Frischluft zu den Brennkammergasen wird deren Temperatur vor ihrem Eintritt in die Turbine so weit erniedrigt, daß gegenüber vergleichbaren konventionellen Triebwerken die Turbine und insbesondere deren Schaufeln nur einer relativ niedrigen thermischen Beanspruchung ausgesetzt sind. Weiterhin werden durch die im By-pass gegebenenfalls regelbar zugeführte Luftmenge die von der pulsierenden Arbeitsweise der Brennkammer herrührenden Druckschwankungen erheblich gemindert. Insbesondere für die TurbinenscJiaufeln entfallen nach Obigem die Gefahren einer Zerstörung durch zu hohe Erwärmung und durch hohe Wechselbeanspruchung. Bei dieser Ausführungsform kann die das Triebwerk durchdringende Welle zur Übertragung ungleicher Drehzahlen für den Ventilschieber bzw. den Verdichter aus mehreren koaxial ineinander angeordneten Wellen bestehen. Die letztbeschriebene Triebwerksausbildung ist vornehmlich für die Abgabe von Leistung an einer Welle der Turbine vorgesehen und sowohl für stationären als auch mobilen Einsatz geeignet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisch vereinfacht in schräger Parallelprojektion und teilweise aufgeschnitten dargestelltes Triebwerk zur Schuberzeugung mit einer zylindrischen Brennkammer,

F i g. 2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus dem in der F i g. 1 gezeigten Triebwerk im Längsschnitt,

Fig.3 einen der Fig.2 entsprechenden Querschnitt III-1II des Triebwerks,

Fig.4 ein zur Abgabe von Leistung an einer Welle geeignetes Triebwerk mit einer zylindrischen Brenn-

kammer, im Längsschnitt schematisch vereinfacht dargestellt.

Das in der Fig. 1 gezeigte Strahltriebwerk 1 für pulsierende Verbrennung weist eine koaxial in einer Brennkammer 2 angeordnete und zylindrisch ausgebildete Ventileinrichtung 3 auf, die vornehmlich radial gerichtete Durchtrittsöffnungen 4 für die der Brennkammer intermittierend zugeführte Verbrennungsluft hat und deren Schieber 5 mit regelbarer Geschwindigkeit motorisch angetrieben ist. Die offene Stirnseite 6 der Ventileinrichtung 3 ist dem Lufteinlaß 7 des Triebwerkes 1 zugewendet. Der Antrieb des Schiebers 5 erfolgt über Zahnräder 16 und 17 mit Hilfe eines in seiner Drehzahl regelbaren Elektromotors 9, der am Triebwerksmantel 20 in nicht in Einzelheiten bezeichneter Weise gelagert ist. Mit dem Schieber 5 ist ein Einlaufzylinder 10 verbunden, der mit dem Schieber 5 rotiert und der in Lagern 21 und 22 gelagert ist, die am Triebwerksmantel 20 befestigt sind. Beide Lager befinden sich in kalten Zonen des Triebwerkes und sind somit nur geringen Wärmebeanspruchungen ausgesetzt. Das auslaßseitige Ende des Schiebers 5 ist mit einem Zapfen 19 versehen, der in einem weiteren hitzefesten Lager 23 läuft, das mit Streben 24 in der Brennkammer 2 befestigt ist, an denen auch zusätzlich der mit einer einlaßseitigen Brennkammerwand 25 fest verbundene Stator 11 der Ventileinrichtung 3 befestigt ist.

Die Kraftstoffversorgung der Brennkammer 2 erfolgt in bekannter Weise stetig oder intermittierend mit Hilfe einer Ringleitung 26, von der Verteilerleitungen 27 jo ausgehen, die mit Einspritzdüsen 30 versehen sind.

Zum Betrieb des Triebwerks wird mit Hilfe des motorischen Antriebes 9 der Einlaufzylinder 10 und der mit ihm verbundene Schieber 5 der Ventileinrichtung 3 mit einer für den Anlaßvorgang geeigneten Drehzahl angetrieben und dabei Kraftstoff durch die Düsen 30 in der Brennkammer 2 zerstäubt, der mit Hilfe einer Zündkerze 28 gezündet wird. Durch eine geregelte Kraftstoffzufuhr und durch eine Regelung der Drehzahl des Ventilrotors werden dann für eine verlangte Triebwerksleistung die günstigsten Betriebsbedingungen eingestellt. Vornehmlich durch die geregelte Zufuhr von Verbrennungsluft mit Hilfe der beschriebenen Ventileinrichtung wird in der Brennkammer eine intensive Gemischaufbereitung in der kurzen, während der öffnung der Ventileinrichtung 3 zur Verfügung stehenden Zeit praktisch über die gesamte Länge der Brennkammer 2 erreicht, worauf die nachfolgende Verbrennungsphase mit anschließendem Ausströmen der Treibgase folgt, wobei sich ein hoher Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes ergibt. Die Verbrennung läßt sich nach Abschaltung der Zündkerze 28 selbständig aufrechterhalten. Beim Ausströmen der Treibgase wird die Brennkammer 2 für den nachfolgenden Arbeitszyklus durch öffnen der Ventileinrichtung 3 bei gleichzeitiger Zufuhr neuer Verbrennungsluft vorbereitet. Ein Luft-Bypass, der zwischen dem Einlaufzylinder 10 und der Brennkammer 2 einerseits und dem Triebwerksmantel 20 andererseits gebildet ist, trägt dazu bei, die Triebwerkstemperatur zu senken und vornehmlich örtlichen Überhitzungen der Brennkammerwand vorzubeugen. Zur Erlangung einer gleichmäßigen Verteilung der Verbrennungsluft in der Brennkammer 2 sind zwischen dem Schieber 5 und dem Stator 11 der Ventileinrichtung 3 Dichtringe 29 (F i g. 2) vorgesehen, die in Nuten 31 (Fig. 1) des Schiebers 5 und des Stators 11 gelagert sind. Die Fig.2 zeigt die Anordnung dieser Dichtringe und Nuten zwischen benachbarten radialen Durchtrittsöffnungen 4 der Ventileinrichtung 3. Weitere sektorförmige Durchtrittsöffnungen 14 (Fig. 3) am Boden 15 der Ventileinrichtung 3 dienen dazu, die Betriebstemperatur des in der Brennkammer 2 angeordnet en Lagers 23 in erträglichen Grenzen zu halten und am auslaßseitigen Ende der Brennkammer zusätzliche Verbrennungsluft zur Verfugung zu stellen.

Ein weiteres in der Fi g. 4 dargestelltes Triebwerk 40 dient vornehmlich zur Abgabe von Leistung an einer Welle 50. Wie beim vorherbeschriebenen Triebwerk befindet sich in einer Brennkammer 42 eine analog ausgebildete und angeordnete Ventileinrichtung 49, deren Schieber 45 abweichend vom vorherbeschriebenen Beispiel an einer die Brennkammer 42 in axialer Richtung durchdringenden Welle 41 befestigt ist. Abweichend vom vorherbeschriebenen Beispiel sind ferner die Anordnung eines Radialejektors 47, einer Druckausgleichskammer 48 und einer Turbine 46 am auslaßseitigen Ende der Brennkammer 42 und die Anordnung eines Getriebes 43, das als Wechselgetriebe für wählbare Drehzahlbereiche ausgebildet sein kann und eines Verdichters 44 am einlaßseitigen Ende der Brennkammer. Bei einer Ausführung als Niederdruck-Pulsogasturbine erfolgt die Frischluftversorgung unmittelbar durch Selbstansaugung; der Verdichter 44 kann dabei entfallen. Bei diesem für stationären und mobilen Betrieb geeigneten Triebwerk werden von der zur Abgabe von Leistung an einer Welle 50 vorgesehenen Turbine 46 über eine weitere Welle 41, die als koaxiale Welle mit unterschiedlichen Drehzahlen vom Wellenmantel 41a und Wellenkern 41 b ausgebildet ist, über das Getriebe 43 der Verdichter 44 und der Schieber 45 der Ventileinrichtung 49 angetrieben. Die Kraftstoffversorgung der Brennkammer 42 erfolgt ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel mittels einer Ringleitung 51, nicht dargestellten Verteilerleitungen und Einspritzdüsen 52. Ein Luft-Bypass 53 zwischen der Brennkammer 42 und der Triebwerksummantelung 54 verhindert eine zu hohe Erwärmung der genannten Teile und bewirkt durch die Luftzumischung zu den Brennkammergasen eine wesentliche Senkung der Turbineneintrittstemperatur. Weitere nicht näher beschriebene Einzelheiten entsprechen dem vorhergehend behandelten Beispiel. Pfeile zeigen in sämtlichen Figuren die Richtung der das Triebwerk durchsetzenden Luft an.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Zylindrische Brennkammer für pulsierende Verbrennung, zur Verwendung in einem Strahltriebwerk, mit einer einen Stator und einen Schieber umfassenden zylindrisch ausgebildeten Ventileinrichtung, deren Schieber mit regelbarer Drehzahl angetrieben ist und radiale Durchtrittsöffnungen für der Brennkammer zuzuführende Luft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (3) im Innern der Brennkammer (2) und koaxial zu ihr angeordnet ist, sich angenähert über die ganze Brennkammerlänge erstreckt, die radialen Durchtrittsöffnungen (4) über die ganze Länge der Ventileinrichtung (3) verteilt angeordnet sind und daß die Luftzufuhr in das Innere des Schiebers (5) axial gerichtet ist.

2. Zylindrische Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Durchtrittsöffnungen (4) als in Umfangsrichtung am Schieber (5) und Stator (11) der Ventileinrichtung (3) sich erstreckende Schlitze (12) oder entsprechende Reihen von Bohrungen ausgebildet sind.

3. Zylindrische Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schieber (5) und dem Stator (11) der Ventileinrichtung (3) zwischen in Richtung der Längsachse aufeinanderfolgenden radialen Durchtrittsöffnungen (4) Dichtringe (13) angeordnet sind.

4. Zylindrische Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventileinrichtung (3) am auslaßseitigen Ende der Brennkammer (2) topfförniig ausgebildet ist und weitere sektorförmige Durchtrittsöffnungen (14) am Topfboden (15) aufweist.

5. Zylindrische Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (5) lufteinlaßseitig außerhalb der Brennkammer (2) drehbar gelagert ist. to

6. Zylindrische Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (2) in bekannter Weise von einem ringspaltförmigen Luft-Bypass (8) umgeben ist.

7. Zylindrische Brennkammer nach Anspruch 6, ·" dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (5) von einem einlaßseitigen vor der Brennkammer (2) angeordneten motorischen Antrieb (9) angetrieben ist.

8. Zylindrische Brennkammer nach einem der so vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (5) starr mit einem Einlaufzylinder (10) verbunden ist, an den ein motorischer Antrieb (9) angreift.

9. Zylindrische Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (45) auf einer die Brennkammer (42) in der Längsachse durchdringenden Welle (41) befestigt ist, an der einlaßseitig über ein Getriebe (43), das auch als Wechselgetriebe für wählbare Drehzahlbereiche ausgebildet sein kann, ein Verdichter (44) angeschlossen ist und die von einer auslaßseitig angeschlossenen Turbine (46) angetrieben ist.

10. Zylindrische Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Turbine

(46) und der Brennkammer (42) ein Radialejektor

(47) und eine Ausgleichskammer (48) angeordnet sind.

11. Zylindrische Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer an sich bekannten Vorrichtung zum öffnen und Schließen des Brennkammerausgangs, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung mit gleicher Periode wie das Ventil und einer zeitlich abgestimmten Phasenverschiebung angetrieben ist.