DE2842047C2

DE2842047C2 - Vorrichtung zur Verteilung von Kraftstoff in einem Nachverbrennungs-Kanal, insbesondere eines Strahltriebwerks

Info

Publication number: DE2842047C2
Application number: DE2842047A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude-Marius Arliguie; Marc Francois Bernard Le Mee Sur Seine Buisson; Jaques Emile Jules Dammarie Les Lys Caruel
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1977-09-27
Filing date: 1978-09-27
Publication date: 1987-05-07
Also published as: DE2842047A1; US4280324A; FR2404111B1; FR2404111A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer Vorrichtung dieser Art ist die Gestaltung und Anordnung der Injektionsleitungen wesentlich für eine so gleichmäßig wie möglich verteilte und feine Zerstäubung des Kraftstoffs. Gleichzeitig soll der in der Gasströmung hervorgerufene Druckabfall so gering wie möglich sein. Diese Bedienung ist vor allem dann besonders kritisch, wenn im Nachverbrennungs-Kanal eines Strahltriebwerks für Überschallflugzeuge Gasströme mit höheren Machzahlen auftreten.

Eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art ist in der US-PS 29 51 341 beschrieben und dargestellt. Bei dieser Vorrichtung sind zwei ringförmig verlaufende Injektionsleitungen in Richtung der Gasströmung unmittelbar aneinander benachbart angeordnet, wobei die Öffnungen zum Einführen von Kraftstoff in den Nachverbrennungs-Kanal der stromab angeordneten Injektionsleitung sich in Richtung der Gasströmung erstrecken, während die Öffnungen der stromauf angeordneten Injektionsleitung sich entgegen der Richtung der Gasströmung erstrecken, d. h. stromauf gerichtet sind.

Bei der bekannten Ausgestaltung ist zu befürchten, daß ein Großteil des aus der stromauf angeordneten Injektionsleitung austretenden Kraftstoffes an den Injektionsleitungen niedergeschlagen wird, was einer erwünschten gleichmäßigen Feinverteilung des Kraftstoffs in der Gasströmung entgegensteht. Durch die Öffnung der stromab angeordneten Injektionsleitung strömt der Kraftstoff ebenfalls horizontal aus, was dem vorgenannten Ziel ebenfalls entgegensteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art die Zerstäubung und feine Verteilung des Kraftstoffs zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung weisen die Öffnungen in der stromab angeordneten Injektionsleitung entgegen der Strömungsrichtung und die Öffnungen in der stromauf angeordneten Injektionsleitung in Strömungsrichtung. Dabei ist zwischen den Injektionsleitungen ein Abstand vorhanden, und zwischen den Injektionsleitungen ist ein als Ringelement ausgebildetes Aufprallorgan angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird sowohl der aus den Öffnungen der stromab angeordneten Injektionsleitung austretende Kraftstoff als auch der aus dem Öffnungen der stromauf angeordneten Injektionsleitung austretende Kraftstoff gleichmäßig und fein verteilt in den Gasstrom aufgenommen. Dies ist zum einen auf den Pralleffekt zurückzuführen, dem der auf das Aufprallorgan auftreffende Kraftstoff ausgesetzt ist, und zum anderen auf durch das Aufprallorgan gebildete Abrißkanten sowie Strömungsauslenkungen und -beschleunigungen, die die gewünschte feine Zerstäubung und gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs herbeiführen.

Es ist zwar aus der GB-PS 12 55 684 an sich bekannt, stromauf einer ringförmig verlaufenden Injektionsleitung mit stromauf gerichteteten Öffnungen ein ringförmiges Strömungsorgan anzuordnen, jedoch ist die Wirksamkeit dieses Strömungsorgans unzureichend, und es ist auch nur eine Injektionsleitung vorhanden, wodurch aufgrund eines erforderlichen größeren Querschnitts der Injektionsleitung und einer hieraus resultierenden größeren Querschnittsverengung des Nachverbrennungs-Kanals mit einem beträchtlichen und deshalb unerwünschten Druckabfall zu rechnen ist.

Die in den Ansprüchen 2 bis 9 enthaltenen Weiterbildungen der Erfindung umfassen Merkmale, die die Zerstäubung und Feinverteilung weiter intensivieren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand in vereinfachten Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch ein Strahltriebwerk bekannter Bauart mit einem Nachverbrennungskanal;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verteilung von Kraftstoff im Nachverbrennungskanal;
Fig. 3 bis 5 weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung.
In den Figuren ist für den Torusquerschnitt von noch zu beschreibenden Injektionsleitungen wegen der einfacheren Darstellbarkeit jeweils die Kreisform angenommen worden. Natürlich könnten auch andere, beispielsweise längliche Formen gewählt werden. Aus den gleichen Gründen sind die Injektionsleitungen auch mit übereinstimmenden Durchmessern gezeichnet worden.
Das in Fig. 1 dargestellte Strahltriebwerk weist in Strömungsrichtung gesehen mindestens eine Verdichterstufe 1, eine Brennkammer 2, mindestens eine Turbine 3 und den Nachverbrennungs-Kanal 4 auf, in dem das Gas in der durch den Pfeil f angegebenen Richtung strömt. Daran schließt sich die Schubdüse 5 an. Im Kanal 4 befinden sich Vorrichtungen zur Verteilung des Kraftstoffs sowie Flammenhalter-Elemente. Die Vorrichtung zur Verteilung des Kraftstoffs besteht aus einer ringförmigen Injektionsleitung 6, in die Öffnungen geschnitten sind, aus denen Kraftstoffstrahlen entgegen der Strömungsrichtung des Gases ausgestoßen werden, sowie aus einem ringförmigen Aufprallorgan 7, das in Strömungsrichtung oberhalb der Injektionsleitung 6 angeordnet ist und die Kraftstoffstrahlen auffängt und fein verteilt. Der Flammenhalter 7&min; unterhalb der Kraftstoff-Verteilervorrichtung besteht aus einem Ring mit V-Profil.
Zur Erzielung hoher Nachverbrennungsleistungen sind für die erforderliche Kraftstoffzulieferung im Kanal 4 Injektionsleitungen 6 großen Querschnitts erforderlich, was zu erhöhtem Druckabfall im Kanal 4 führt. Außerdem ist es schwierig, die Kraftstoffmenge in größerem Umfange zu variieren, ohne den Zerstäubungseffekt nachteilig zu beeinflussen.
Gemäß der Erfindung sind zwei Verteilerleitungen vorhanden, die nahe beieinander angebracht sind und gleiche Durchmesser besitzen, deren Querschnittsflächen verhältnismäßig klein bemessen werden können.
Die Vorrichtung nach Fig. 2 weist zwei ringförmig koaxial zum Kanal 4 angeordnete Injektionsleitungen 13 und 14 von praktisch gleichem Querschnitt und Durchmesser, sowie ein dazwischen angeordnetes Aufprallorgan 15 auf. Das Aufprallorgan 15 besteht hier aus einem Kranz in Form einer ebenen Ringscheibe. Die stromab gelegene Injektionsleitung 13 besitzt auf ihrer stromauf gerichteten Seite Öffnungen 16, die auf einem koaxialen Teilkreis in gleichmäßigem Abstand verteilt angeordnet sind. Die Achse jeder Öffnung 16 liegt entgegengesetzt parallel zur Richtung der Gasströmung und durchsetzt die Wand der Injektionsleitung 13. Die Injektionsleitung 14 weist auf ihrer stromab gerichteten Seite Öffnungen 17 auf, die sich gleichmäßig verteilt auf einem koaxialen Teilkreis befinden. Die Achse jeder Öffnung 17 liegt parallel zur Richtung der Gasströmung. Die Öffnungen 16 und 17 sind in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt. Mit dieser Anordnung können in dem aus den Öffnungen 16 und 17 ausgespritzten Kraftstoff die beträchtlichen, parallel zu dem Gasstrom gerichteten Geschwindigkeitskomponenten erhalten werden. Die aus den Öffnungen 16 und 17 gespritzten Kraftstoffstrahlen treffen auf das Aufprallorgan 15, wo sie zerstäubt werden.
Die Ausgestaltung nach Fig. 3 ist mit der nach Fig. 2 vergleichbar, jedoch ist das Aufprallorgan abgeändert. Es besteht hier aus einem ebenen, mit der Gasströmung koaxialen Kranz 18, an dessen Innen- und Außenrand zwei Reifen 19 und 20 fest angebracht sind, so daß das Ganze in einer Axialebene einen "I"-Querschnitt aufweist.
Gemäß Fig. 4 besteht das Aufprallorgan aus einem Ringelement 21, das auf seinen den Öffnungen 16, 17 zugewandten Seitenflächen Hohlflächen aufweist. Die Krümmung der Hohlflächen ist so gewählt, daß eine geeignete Verteilung des Kraftstoffs zwischen dem innerhalb und dem außerhalb des Aufprallorgans 21 liegenden Bereich entsteht.
Ganz allgemein stehen die mittleren Durchmesser der Aufprallorgane 15 bzw. 18 bzw. 21 in den Fig. 2 bzw. 3 bzw. 4 und die mittleren Ringdurchmesser der Injektionsleitungen 13, 14 in einem konstanten Proportionalitätsverhältnis zu dem mittleren Durchmesser der Strömung bzw. des Nachverbrennungs-Kanals an den betreffenden Stellen, so daß die Positionen dem Profil der Strömung folgen. Die größte Radialerstreckung jedes der Aufprallorgane 15, 18 und 21 ist von der gleichen Größe wie der größte äußere Ringdurchmesser der Injektionsleitungen 13 und 14.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sind zwischen den Injektionsleitungen 13 und 14 zwei ringförmige Aufprallorgane 22, 23 angeordnet, die im Querschnitt die Form eines zur benachbarten Injektionsleitung offenen U aufweisen und daran besfestigt sind. Auf den einander zugewandten Innenseiten sind die Aufprallorgane 22, 23 eben. Die Öffnungen 16, 17 in den Injektionsleitungen 13, 14 setzen sich als Öffnungen 24 in den Aufprallorganen fort. In jeden Kranz sind in Höhe der Einspritzöffnungen der Verteilerleitung, an der er befestigt ist, Öffnungen, beispielsweise eine Öffnung 24, geschnitten. Die größte Radialerstreckung jedes Aufprallorgans 22, 23 ist von gleicher Größe wie die größte Radialerstreckung der Injektionsleitung, an der es befestigt ist.
Die wirksame Fläche jedes Aufprallorgans ist, wie man sieht, auf den Bereich beschränkt, auf den der Kraftstoff auftrifft. Man kann daher die unwirksamen Abschnitte weglassen und für jede Öffnung einer Injektionsleitung ein besonderes Aufprallorgan vorsehen, das sich zwischen den Öffnungen der gegenüberstehenden Injektionsleitung befindet, wobei jedes dieser Aufprallelemente ein Abschnitt eines Aufprallorgans 22 oder 23 ist.
Es ist im Rahmen der Erfindung auch eine weitere (nicht gezeichnete) Variante möglich, bei der die Öffnungen der beiden Injektionsleitungen nicht in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind (wie dargestellt), sondern sich vielmehr genau gegenüberstehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verteilung von Kraftstoff führt nicht nur eine Herabsetzung der durch bisher übliche Vorrichtungen hervorgerufenen Behinderung der Gasströmung herbei, sondern sie bietet eine erhebliche Verbesserung der Verteilung und Vergleichsmäßigung der Kraftstoffzuführung in der Gasströmung. Sie gestattet außerdem eine größere Variationsbreite bei der Zumessung der zugeführten Kraftstoffmenge.

Claims

1. Vorrichtung zur Verteilung von Kraftstoff in einem Nachverbrennungs-Kanal, insbesondere eines Strahltriebwerks, mit zwei zum Kanal koaxialen, ringförmig verlaufenden Injektionsleitungen, die nahe beieinander in zwei zur Achse senkrechten parallelen Ebene angeordnet und zur Einführung von Kraftstoff in den Gasstrom mit Öffnungen kleinen Durchmessers versehen sind, die gleichmäßig jeweils auf einer Ringlinie im Kanal verteilt sind, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Verhältnisse der Ringdurchmesser zu den in den betreffenden Ebenen gemessenen mittleren Durchmessern des Kanals gleich sind,

b) daß die Öffnungen (16) in der gegenüber dem Gasstrom (f) stromabwärtigen Injektionsleitung (13) stromaufseitig in zum Kanal koaxialer ringförmiger Anordnung vorgesehen sind,

c) daß die Öffnungen (17) in der gegenüber dem Gasstrom (f) stromaufwärtigen Injektionsleitung (14) stromabseitig in zum Kanal koaxialer ringförmiger Anordnung vorgesehen sind, und

d) daß zumindest ein als Ringelement ausgebildetes Aufprallorgan (15, 18, 20, 21, 22-24) zwischen den beiden Injektionsleitungen (13, 14) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (16, 17) der Injektionsleitungen (13, 14) in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Injektionsleitungen (13, 14) einander gegenüberliegen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Radius des Aufprallorgans (15, 18, 20, 21, 22-24) im gleichen Verhältnis mit dem in der gleichen Ebene gemessenen mittleren Durchmesser des Kanals (4) steht wie die mittleren Durchmesser der Injektionsleitungen (13, 14) zu den in den betreffenden Ebenen gemessenen mittleren Durchmessern des Kanals (4), und die weiteste Radialerstreckung des Aufprallorgans gleich groß bemessen ist wie die weiteste Radialerstreckung der Injektionsleitungen (13, 14).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufprallorgan (15) aus einem ebenen Kranz (15) besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz (18) einen I-förmigen Querschnitt aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Seitenflächen des Aufprallorgans (21) Hohlflächen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Injektionsleitung (13, 14) auf ihrer der jeweils anderen Injektionsleitung zugekehrten Seite ein Aufprallorgan (22, 23) in Form eines ebenen Kranzes gleicher maximaler Radialerstreckung wie die betreffende Injektionsleitung (13 bzw. 14) trägt, und daß die Aufprallorgane (22, 23) mit den zugehörigen Öffnungen (16, 17) jeweils fluchtende Öffnungen (24) aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Aufprallorgan durch eine Folge von durch Unterbrechungen getrennten Ringabschnitten gebildet ist, die zwischen den Öffnungen (16 bzw. 17) einer Injektionsleitung (13 bzw. 14) angeordnet sind und die den Öffnungen (17 bzw. 16) der anderen Injektionsleitung (13 bzw. 14) gegenüberliegen.