DE2518771C2

DE2518771C2 - Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff für Strahltriebwerke von Luftfahrzeugen

Info

Publication number: DE2518771C2
Application number: DE2518771A
Authority: DE
Inventors: Roland Robert Charles Levallois-Perret Beyler; Jacques Emile Jules Dammarie-Les-Lys Caruel; Jacques Eloi Paris Pidebois; Herve Alain Issy-Les-Moulineaux Quillevere; Michel Bernard Paris Schenher
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1974-04-30
Filing date: 1975-04-28
Publication date: 1985-08-22
Also published as: DE2518771A1; FR2269646B1; FR2269646A1; US4023351A; CH606789A5; GB1472015A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff für Strahltriebwerke von Luftfahrzeugen, mit einer zentralen rohrförmigen Luftleitung, der eine Verwirbelungsbeschaufelung zugeordnet ist und um die herum eine ringförmige Brennstoffleitung angeordnet ist, die an einer Erweiterung der zentralen Luftleitung in diese mündet und deren Außenwand sich über ihren Auslaß hinaus axial erstreckt und die äußere Begrenzung der erweiterten zentralen Luftleitung bildet, und mit einer äußeren ringförmigen Luftleitung, in der eine Verwirbelungsbeschaufelung angeordnet ist, wobei am Auslaß der zentralen Luftleitung der Brennstoffstrom als Schicht zwischen dem inneren und dem äußeren Luftstrom vorhanden ist.
^! Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (FR-PS 21 759) ist über die Art und Weise, in welcher das Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, nichts gesagt. Wenn bei einer solchen bekannten Vorrichtung zum Zünden des Gemisches, wie an sich üblich, eine Zündkerze verwendet wird, ergibt sich der Nachteil, daß Wirbelströme in der Gasströmung in der Verbrennungskammer erzeugt werden. Außerdem müssen Zündinjektoren vorgesehen sein, die wiederum von einer Startpumpe mit Brennstoff gespeist werden. Eine solche Ausführung ist zusätzlich kompliziert

Es ist auch eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Zündfunken für ein gasgespeistes Strahlheizrohr bekannt (DE-AS 15 01 972), wobei das Strahlheizrohr ein zentrales Brenngaszufuhrrohr aufweist, um weiches herum ein Luftzufuhrrohr angeordnet ist Im Jereich des Endes des Brenngaszufuhrrohres erstrecken sich von der Innenwand des Luftzufuhrrohres auf dem Umfang gleichmäßig verteilte Bleche radial nach innen, von deren radial innerer Kante Funken zu dem Ende des Brenngaszufuhrrohres üDerspringen, wenn elektrische Cpannung angelegt wird. Durch die Zündung im Zentrum können Instabilitäten im Flammenrohr auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art so auszuführen, daß die Zündung vereinfacht ist Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß axial in der zentralen Luftleitung unter Belassup.g eines ringförmigen Strömungskanals eine Elektrode angeordnet ist, daß der Strömungskanal am freien Ende der Elektrode verengt ist und

daß eine Einrichtung vorgesehen ist durch die ein unterschiedliches elektrisches Potential an die Elektrode und die äußere Begrenzu.ig der erweiterten zentralen Luftleitung derart anlegbar ist, daß die erzeugten Funken den inneren Luftstrom und den Brennstoffstrom durchqueren.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal durch ein Ablenkorgan am freien Ende der Elektrode verengt ist

Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform strömt der zur ringförmigen Brennstoffleitung strömende Brennstoff durch einen stromauf der zentralen Luftleitung die Elektrode teilweise umgebenden Raum, wodurch eine Kühlung Vr Elektrode und des Bodens der zentralen Luftleitung erreichbar ist.

Mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wird eine gleichmäßige Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches auf relativ großem Umfang erzielt, ohne daß sich Störungen der Gasströmung in der Verbrennungskammer ergeben, wobei die Zündfunken von dem rotierenden inneren Luftstrom in die ringförmige Zone der Gemischbildung bewegt werden. Dies bedeutet, daß durch das Vorhandensein der zentralen Elektrode die Funktion der Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff in keiner Weise gestört wird, wobei außerdem die Ausführung vergleichsweise einfach ist Weiterhir ist es durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung möglich, die Ausbreitung der Flamme in der Verbrennungskammer beträchtlich zu verbessern und die Grenzen der Stabilität der Verbrennung beträchtlich auszudehnen. Dabei kann das Zünden der verschiedenen Zerstäubungsvorrichtungen beispielsweise dauernd oder nur bei gewissen Betriebszuständen erfolgen. Das Zünden der verschiedenen Zerstäubungsvorrichtung kann getrennt oder in einer gewissen Folge gesteuert werden durch einen sehr einfachen Verteiler, beispielsweise durch einen Verteiler, wie er verwendet wird, um die ί Zündkerzen eines Kraftfahrzeugmotors mit Strom zu versorgen. Schließlich wird durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung bei großer Stabilität eine höhere Beschleunigung ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert

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F i g. 1 ist eine Längsschnittansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

F i g. 2 ist eine der F i g. 1 analoge Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

Bei der in F i g. 1 wiedergegebenen Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff befindet sich ein ringförmiger Brennstoffstrom 1 zwischen einem inneren Luftstrom 2 und einem äußeren Luftstrom 3, die mittels Verwirbelbeschaufelungen derart in Drehung versetzt sind, daß sie auf den Brennstoffstrom 1 eine Scherwirkung ausüben, wodurch die Zerstäubung und die Verdampfung des Brennstoffs beschleunigt werden. Der innere Luftstrom 2 wird in einer zentralen Luftleitung 4 erzeugt die an ihrem stromaufwärtigen Ende durch einen Boden 5 verschlossen ist Der innere Luftstrom 2 wird mittels einer Zentripetalbeschaufelung 6 in Drehung versetzt deren Austritt in die zentrale Luftleitung 4 stromauf einer ringförmigen Brennstoffleitung 7 mündet die mit Brennstoff gespeist ist und die ihrerseits an ihrem stromabwärtigen Ende in die zentrale Luftleitung 4 mündet und in dieser eine plötzliche E^veiterung aufweist daß ein Vorgemisch aus Luft und Brennstoff durch den inneren Luftstrom 2 in Stromabwärtsnchtung entlang der Wandung der zentralen Luftleitung 4 vorwärtsbewegt und danach zwischen den inneren Luftstrom 2 und den äußeren Luftstrom 3 gebracht wird, der rund up.i die zentrale Luftleitung 4 strömt Bei der dargestellten Ausführungsform wird der äußere Luftstrom 3 mittels einer Axialbeschaufelung 8 in Drehung versetzt und die ringförmige Brennstoffleitung 7, die sich zwischen einer zylindrischen Wand 9 und einem Ringteil 10 befindet, der im wesentlichen dreieckförmigen axialen Querschnitt hat, wird von einer Ringkammer 11 aus über Kanäle 12 mit Brennstoff versorgt die tangential in die Brennstoffleitung 7 münden derart, daß dem >n dieser Brennstoffleitung 7 befindlichen Brennstoff eine Drehbewegung um die Achse A-A'der Vorrichtung erteilt wird. Die Ringkammer 11 wird ihrerseits von einem Raum 13 des Bodens 5 über die Beschaufelung 6 durchsetzende Kan?'e 14 mit Brennstoff gespeist

Bei einer solchen Vorrichtung ist es ermöglicht eine kraftvolle Scherwirkung an dem Brennstoffstrom 1 zwischen dem inneren Luftstrom 2 und dem äußeren Luftstrom 3 zu erhalten, ohne die Gefahr eines Rückströmens von Brennstoff in Stromaufwärtsrichtung. Weiterhin ist der Brennstoff dazu bestimmt ir einer Strömung heißer Gase zu verbrennen, und der durch die Verwirbelbeschaufelungen in der aus der Vorrichtung austre tenden Strömung erzeugte Wirbel kann in dieser Strömung eine Unterdruckzon» hervorrufen, die einen Ansaugkegel für die heißen Gase bildet, der für die Verdampfung des Brennstoffs günstig ist. Die Erhitzung, die sich durch das Phänomen der Ansaugung ergibt, führt nicht zu einer Gefahr einer Beschädigung der Vorrichtung zufolge der Tatsache, daß der Boden 5 durch den Brennstoff wirksam gekühlt wird, der in dem Raum 13 fließt. Durch diese Kühlung wird weiterhin die Bildung von Kohlenstoffablagerungc-n in der Mitte der Vorrichtung verhindert, und zwar im Zusammenwii ken mit dem Vorhandensein des inneren Luftstroms 2, der aus der zentripetalen Beschaufelung 6 austritt. • Der Boden 5 umfaßt eine Scheibe 15, deren Vorderfläche an der Beschaufelung 6 befestigt ist. Die Wände des Raumes 13 sind durch einen inneren zylindrischen . Mantel 16, der gleichachsig zur Vorrichtung angeordnet und mit der Hinterfiäclie der Scheibe 15 verschweißt ist, und einen äußeren Mants¹ 17 gebildet, der vorn an der Hinterfläche der Scheibe 15 und hinten an dem Innen-

50 mantel 16 durch Schweißen befestigt ist. Der Außenmantel 17 ist mit einer Öffnung versehen, an die das Ende eines Erennstoffzufuhrrohres 18 angeschweißt ist Eine keramische Isolierhülse 19, die eine Metallstange 20 schützt erstreckt sich durch den Innenrrrantel 16 und durch ein Loch 21 hindurch, welches in der Scheibe 15 gebildet ist. Ein Ende der Metallstange 20 erstreckt sich jenseits der keramischen Isolierhülsc 19 in das Innere der zentralen Luftleitung 4 und es ist mit einer Vergrößerung 22 in Form eines Rotationskörpers versehen, die bzw. der ein Ablenkorgan für den inneren Luftstrom 2 bildet und auf der Höhe des stromabwärtigen Endes der zylindrischen Wand 9 angeordnet ist Die Stange 20 und ihre keramische Isolierhülse 19 bestimmen im Inneren der Rohrleitung 4 einen ringförmigen Strömungskanal 23, der sich im Bereich der Vergrößerung 22 verengt und zwischen dieser und der zylindrischen Wand 9 einen Ringspalt 24 bildet der entlang seines Umfanges gleichmäßige Größe hat. Das hintere Ende der Metallstange 20, welches außerhalb der Vorrichtung angeordnet ist, ist mit einer Scheibe 25 versehen, die ■ einer Bohrung 26 der keramischen Isolierhülse 19 angeo^rdnet ist und sich gegen den Boden 27 dieser Bohrung 26 legt. Das Hinterende der keramischen Isolierhülse 19, in welchem die Bohrung 26 gebildet ist und das Hinterende des Innenmar eis 16 sind in einem Block 28 aus synthetischem Harz derart angeordnet daß ein Steckteil gebildet ist, der dazu bestimmt ist, ein nicht dargestelltes bekanntes Verbindungsstück aufzunehmen, welches mit einer Quelle elektrischer Hochspannung verbunden ist.

Die Verwirbelbeschaufelungen 6 und 8 sind durch Metallschaufeln gebildet die einerseits zwischen der Scheibe 15 und einem mit der zylindrischen Wand 9 verbundenen Ringteil 29 und andererseits zwischen diesem Ringteil 29 und einer metallenen Abdeckhülse 30 verschweißt sind, weiche die äußere Begrenzung für den äußeren Luftstrom 3 bildet und weiche sich geringfügig über den Ringteil 10 hinaus erstreckt. Der Ringteil 10 ist bei 31 und 32 mit dem Ringteil 29 derart verschweißt, daß die Bauteile 15, 6, 29, 9, 10, 8 und 30 unter sich und mit den Bauteilen 16, 17 und 18 elektrisch verbunden sind und ein leitendes Gebilde bilden, welches von der Metallstange 20 durch die Keramikhülse 19 isoliert ist Die Abdeckhülse 30 ist auf der Außenseite mit einem Flansch 33 versehen, mittels welchem sic rnit dem Vorderteil einer nicht dargestellten Verbrennungskammer derart verbunden werden kann, daß die Vorrichtung im Betrieb in einer axialen Luftströmung angeordnet ist, die in die Verwirbelbeschaufelung 6. um den inneren Luftstrom 2 zu bilden, der als Wirbelstrom in den Ringkanal 23 eintritt, und in die Verwirbelbeschaufelung 8 eintritt, um den äußeren Luftstrom 3 zu bilden, der als Wirbelstrom um den inneren Luftstrom 2 herum aus den. Riiigkanal austritt, der zwischen den Teilen 10 und 30 gebildet ist. Das leitende Gebilde gemäß vorstehender Beschreibung, weiches auf die beschriebere Weise an der Verbrennungskammer befestigt ist, liegt an Masse, wie es bei 34 schematisch dargestellt ist. Ein nicht dargestellter Verbln^ungsteil bewirkt eine elektrische Verbindung zwischen der Metallscheibe 25 und der nicht dargestellten Quelle elektrischer Hochspannung. Diese elektrische Verbindung ist bei 35 schsm'atisch dargestellt. ,

Um in der Verbrennungskammer eine Zündung hervorzurufen, wird zunächst ein nicht dargestellter Starter betätigt, wodurch die nicht dargestellte Quelle elektrischer Hochspannung zur Wirkung gebracht wird und das Rohr 18 durch nicht dargestellte Mittel mit Brenn-

stoff gespeist wird. Das Arbeiten des Starters bewirkt, daß in der Verbrennungskammer eine Luftströmung hervorgerufen wird, durch welche die Luftströme 2 und 3 erzeugt werden, wie es bereits beschrieben ist. Das Wirksamwerden der Quelle elektrischer Hochspannung führt dazu, daß zwischen der mittleren Elektrode, die durch die Scheibe 25, die Stange 20 und das Ablenkorgan 22 gebildet ist, und der Masse 34 ein großer Potentialunterschied angelegt wird derart, daß in dem Ringspalt 24 zwischen dem Ablenkorgan 22 und der Metaliwand 9 Funken überspringen. Das auf diese Weise erzeugte Plasma wird durch den inneren Luftstrom 2 mitgenommen, der ihm Wirbelbewegung um die Achse X- X erteilt und es zum stromabwärtsseitigen Teil der Vorrichtung treibt (wobei sich die Funken unter Krümmung verlängern und auf den Ringteil 10 auftreffen, wie es bei 36 dargestellt ist) und damit in einen Bereich zwischen dem Ablenkorgan 22 und dem Ringteil 10 bringt, wo es eine ruhige Zone findet, die sein Verweilen begünstigt. Eine solche Anordnung ist für die Verbrennung bei gewissen Betriebszuständen (Beschleunigung der Verdampfung) günstig und sie führt zu einer Verbesserung der Stabilität bei Dauerbetrieb und ermöglicht eine höhere Beschleunigung. Wenn das Rohr 18 mit Brennstoff versorgt wird, strömt dieser in die ringförmige Brennstoffleitung 7 und wird durch den inneren Luftstrom 2 aus der ringförmigen Brennstoffleitung 7 mitgenommen, wobei der Brennstoffstrom 1 gebildet wird, der als Schicht zwischen dem inneren Luftstrom 2 und dem äußeren Luftstrom 3 vorhanden ist. Durch die Scherwirkung, die sich aus dieser Anordnung ergibt, ergibt sich eine Beschleunigung der Zerstäubung und der Verdampfung des Brennstoffs, und der Brennstoff wird durch Funken 36 gezündet, die durch den inneren Luftstrom 2 und den Brennstoffstrom 1 hindurchgehen, wie es aus der Zeichnung ersichtlich ist.

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jenigen Bauteile, welche die gleiche Funktion wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 haben, mit gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines kleinen a bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform umfaßt der Ringteil 10a, der die ringförmige Brennstoffleitung 7a außen begrenzt, eine zylindrische Wand 37, die mit einem Körper 38 verbunden ist, in welchem die Ringkammer 11a und die Kanäle 12a gebildet sind. Der äußere Luftstrom 3a strömt zwischen diesem Ringteil 10a und einem anderen Ringteil 39. der einen ersten zylindrischen Teil 40, der den Körper 38 umgibt, einen ringförmigen Verbindungsteil 41. der rechtwinklig zur Achse X-X' verläuft und mittels der als Zentripetalbeschaufelung ausgebildeten Verwirbelbeschaufelung 8a an dem Körper 38 befestigt ist, und einen zweiten zylindrischen Teil 42 aufweist, dessen Durchmesser etwas größer als der Durchmesser des zylindrischen Teils 37 ist und der sich in Stromabwärtsrichtung weiter als der Teil 37 erstreckt Dieser zylindrische Teil 42 stellt die innere Begrenzung einer zweiten ringförmigen Brennstoffleitung 43 dar, die außen durch einen Ringteil 44 begrenzt ist, der dem Teil 10 gemäß F i g. 1 ähnlich ist jnd in dem eine zweite Ringkammer 45 gebildet ist, welche mit der eo Brennstoffleitung 43 über Kanäle 46 in Verbindung steht, die tangential in die Brennstoffleitung 43 münden. Ein dritter Luftstrom 47, der durch eine dritte Verwirbelbeschaufelung 48 in Drehung versetzt ist, strömt zwischen dem Ringteil 44 und der Abdeckhüise 30a. Das Gebilde aus den Teilen 15a, 6a, 29a, 10a, 8a, 39, 44, 48 und 30a ist ein elektrisch leitendes Gebilde, welches bei 34a an Masse geschaltet und über die Keramikhülse 19a von der mittleren Stange 20a isoliert ist. Die mittlere Stange 20a ist bei 35a an eine Quelle elektrischer Hochspannung geschaltet, die nicht dargestellt ist. Der Raum 13a wird über ein Rohrleitungssystem 49 mit Brennstoff versorgt, und ein zweites Kanalsystem 50 speist die Ringkammer 45 über einen Kanal 51 mit Brennstoff, der durch die Verwirbelbeschaufelung 8a und durch den Körper 38 des Teiles 10a verläuft.

Die dargestellte Zerstäubungsvorrichtung ist für eine Verbrennungskammer eines Strahltriebwerkes eines Luftfahrzeuges (nicht dargestellt) bestimmt, wobei, wenn das Triebwerk langsamer arbeiten soll, dem Rohrleitungssystem 49 Brennstoff in einer Menge entsprechend der Verlangsamung zugeführt wird. Die Vorrichtung arbeitet dann, wie es in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden ist. wobei sich der Brennstoffstrom la zwischen dem inneren Luftstrom 2a und dem äußeren Luftstrom 3a befindet. Die Zündung erfolgt ebenfalls auf die bereits beschriebene Weise, wobei die Funken, die zwischen dem Ablenkorgan 22a der mittleren Elektrode und der Wand 9a der zentralen Luftleitung 4a überspringen, sich verlängern und sich gemäß den angedeuteten Linien 36a krümmen und auf den zylindrischen Teil 37 des Ringteiles 10a auftreffen, wobei sie den Brennstoffstrom la durchqueren und dabei Zündung des Brennstoffs gewährleisten. Um das Triebwerk in anderen Betriebszuständen arbeiten zu lassen, wird die Brennsto.imenge erhöht, jedoch wird sie zwischen dem Rohrleitungssystem 49 und dem Rohrleitungssystem 50 aufgeteilt. Der durch das Rohrleitungssystem 50 eingespritzte Brennstoff gelangt über aen Kanal 51 in die Ringkammer 45, fließt von dort über die Kanäle 46 in die zweite ringförmige Brennstoffleitung 43 und tritt aus dieser aus, wobei er einen zweiten Brennstoffstrom 52 bildet, der als Schicht zwischen dem äußeren Luftstrom 3a und dem dritten Luftstrom 47 vorhanden ist. Der

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stäubt und verdampft, und es erfolgt eine Zündung bei Berührung mit der Flamme, die durch die Verbrennung des ersten Brennstoffstromes la erzeugt ist. Die Verbrennung erfolgt demgemäß in zwei Stufen, wodurch es ermöglicht wird, gleichmäßige Verbrennungstemperaturen zu erhalten, woraus sich wiederum eine Verringerung der Erzeugung von Stickstoffoxid ergibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff für Strahltriebwerke von Luftfahrzeugen, mit einer zentralen rohrförmigen Luftleitung (4 bzw. 4a), der eine Verwirbelungsbeschaufelung (6 bzw. 6a) zugeordnet ist und um die herum eine ringförmige Brennstoffleitung (7 bzw. 7a) angeordnet ist, die an einer Erweiterung der zentralen Luftleitung in diese mündet und deren Außenwand sich über ihren Auslaß hinaus axial erstreckt und die äußere Begrenzung der erweiterten zentralen Luftleitung bildet, und mit einer äußeren ringförmigen Luftleitung, in der eine Verwirbeiungsbeschaufelung (8 bzw. 8a) angeordnet ist, wobei am Auslaß der zentralen Luftleitung der Brennstoffstrom (1 bzw. IaJ als Schicht zwischen dem inneren und dem äußeren Luftstrom (2,3 bzw. 2a, 3a) vorhanden ist dadurch gekennzeichnet, daß axial in der zentralen Luftleitung (4 bzw. 4s,¹ unter Bslassiing eines ringförmigen Strömungskanals (23 bzw. 23a; eine Elektrode (20,22,25 bzw. 20a, 22a, 25a) angeordnet ist, daß der Strömungskanal am freien Ende der Elektrode (bei 24 bzw. 24a./ verengt ist und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, durch die ein unterschiedliches elektrisches Potential an die Elektrode (20,22,25 bzw. 20a, 22a, 25a,J und die äußere Begrenzung (10 bzw. 37) der erweiterten zentralen Luftleitung derart anlegbar ist, daß die erzeugten Funken den inneren Luftstrom (2 bzw. 2a) nd den Brennstoffstrom (1 bzw. \a) durchqueren.

2. Vorrichtung nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömuiigsksna! (23 bzw. 23a) durch ein Ablenkorgan (22 bzw. ila) am freien Ende der Elektrode (20,22,25 b?w. 20a. 22a, 25a) verengt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur ringförmigen Brennstoffleitung (7 bzw. 7a; strömende Brennstoff durch einen stromauf der zentralen Luftleitung (4 bzw. 4a; die Elektrode (20, 22, 25 bzw. 20a, 22a, 25a; teilweise umgebenden Raum (13 bzw. 13a; strömt.