DE2851666A1

DE2851666A1 - Brennkammer

Info

Publication number: DE2851666A1
Application number: DE19782851666
Authority: DE
Inventors: Jacques Emile Jules Caruel; Gilles Marie-Jacquesbe Schmitt; Guy Daniel Stora
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1977-11-29
Filing date: 1978-11-29
Publication date: 1979-05-31
Also published as: DE2851666C2; FR2410138A2; GB2008683B; GB2008683A; FR2410138B2; US4241586A

Description

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Di₁:!.-ing. K. ^r;i ■,'.IHV₁V.:-.'/. rl

SOCIETE NATIONALE D'ETUDE ET DE - .-

CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION (S.N.E.C.M.A.)
2, Boulevard Victor
75015 Paris / Prankreich

Brennkammer

Zusatz zu Haujitpatent (Hauptanmeldung P 26 2? 471.9)

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung an Brennkammern und insbesondere eine Weiterentwicklung der im Hauptpatent... (Hauptanmeldung P 26 23 471.9) beschriebenen Vorrichtungen. Diese Verbesserung richtet sich auf die Verbrennungseinbauten zur Ausrüstung insbesondere von Gasturbinentriebwerken, bespielsweise von Turbinenstrahltriebwerken.

Die Einbauten, auf die sich die Erfindung bezieht, umfassen eine Brennkammer, die von ringförmigen Wänden, in
denen seitliche Durchgangsöffnungen für den quergerichteten Luftdurehtritt vorgesehen sind, und von einem domförmigen
Boden begrenzt, wird.

Das Einspritzen des Kraftstoffs erfolgt durch fest mit
dem Boden der Brennkammer verbundene Vorverdampferrohre,
die in die eigentliche Brennkammer hineinragen und eine
hohle Struktur besitzen, wobei sie einen Eintrittsabschnitt, der an Flüssigbrennstoff- und Luftquellen angeschlossen ist, sowie mindestens einen Austrittsabschnitt umfassen, welcher in einer Auslaßöffnung endet, die gegen den domförmigen Boden gewandt ist.

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Um den Boden der Brennkammer gegen den Aufprall der aus den Vorverdampferrohren austretenden heißen Strahlen zu schützen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, im Wege dieser heißen Strahlen Schalen anzuorden, die die Punktion einer thermischen Abschirmung erfüllen und im übrigen keinerlei strukturelle Bedeutung besitzen.

Im Falle ringförmiger Brennkammern ist es vorteilhaft, für jedes der Vorverdampferrohre eine solche Abschirmung vorzusehen, die die Form eines Ringsektors besitzt, wobei die Schalen in ihrer Gesamtheit nach der Montage einen im wesentlichen durchgehenden Ring bilden, der mit dem domförmigen Boden der Brennkammer einen Ringraum begrenzt.

Da die Schalen hohen thermischen Belastungen insbesondere in den Aufprallzonen der aus den Vorverdampferrohren austretenden Strahlen unterworfen sind, hat man nach einer Kühlung für die Schalen gesucht, und zwar durch Einführen von Luft vom domförmigen Boden aus in den Ringraum, der zwischen den Schalen und dem Boden gebildet wird. Verschiedene Lösungen sind vorgeschlagen worden, um die Wirksamkeit der Kühlung zu verbessern, wie dies in der FR-PS 2 152 465 beschrieben wird. Ganz allgemein wurde bei den ersten bekannten Bauformen die Kühlluft durch öffnungen des domförmigen Bodens eingeführt und hinter der Schale zirkuliert, bis sie über den Umfang der Schale gegen die Verbrennungszone der Brennkammer abgezogen wurde.

Diese Art des Vorgehens bringt eine gewisse Anzahl von Nachteilen mit sich. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen rinnt ein Teil des Brennstoffs auf die von der Schale gebildete kalte Wand, ohne sodann an der Verbrennung teilnehmen zu können, und zwar in dem Maße, in dem dieser Brennstoffteil anschließend die eigentlichen Brennkammer-

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wände erreichen kann und von den Brennkammerkühlfxlmen oder -schichten mitgerissen wird. Außerdem werden die Verbrennungsreaktxonen in der Nähe dieser kalten Wand rasch stabilisiert. Als Folge ergeben sich bei diesen Drehzahlen beträchtliche Anteile an luftverschmutzenden Stoffen im Abgas, insbesondere an unverbrannten Kohlen- ■ Wasserstoffen und an CO. .

Zur Verminderung der Abgabe von Verschmutzungsstoffen und demnach zur Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades solcher Brennkammern schlägt das Hauptpatent vor, in den Schalen eine große Anzahl von durchgehenden Löchern mit kleinen Abmaßen anzuordenen, um Luftstrahlen hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, die zum einen den über die Schale rinnenden Brennstoff zerstäuben und zum anderen die lokale Turbulenz verstärken.

Diese Öffnungen werden mit Luft aus einer Versorgungskammer gespeist, die von Wänden in dem Raum zwischen dem domförmigen Boden und den Schalen gebildet wird. Die Wände, die von derjenigen Fläche der Schale getrager werden, welche gegen den domförmigen Boden gewandt ist, stützen sich an letzterem ab und unterteilen den Raum zwischen domförmigem Boden und Schalen zum einen in eine ringförmige, seitliche Doppelregion, in der es schrittweise zu einer Aufprallkühlung der Schalen_enden und zu einer Luftfilmkühlung des Brennkammerkopfes kommt, sowie zum anderen in eine ringförmige zentrale Region, die eine Versorgungskammer bildet, in deren Bereich die Schale die Öffnungen trägt, welche gegen die Außenseiten der Brennkammer geneigt und derart dimensioniert sind, daß sie eine Vielzahl von Luftstrahlen hoher Geschwindigkeit erzeugen.

Wie angegeben, führten diese Anordnungen bei der beschriebenen Brennkammerart zu einer bemerkenswerten Ver-

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besserung des Verbrennungswxrkungsgrades bei niedrigen Drehzahlen.

Der vorliegenden Zusatzerfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit der Vorrichtung nach dem Hauptpatent erzielten Resultate weiter zu verbessern. Hierzu wird der grundsätzliche Aufbau der Schalen beibehalten, insbesondere bleibt es bei den Wänden und den klein:dimensionierten öffnungen, aber es werden erfindungsgemäß außerdem auf derjenigen Fläche der Schale, die stromabwärts zur Brennkammer gewandt ist, Rippen hinzugefügt, die mindestens eine Kante besitzen. Die öffnungen der Schale sind so ausgebildet, daß sie die Luftstrahlen gegen die Rippen, genauer gesagt, gegen deren Kante, richten. Die von den Rippen gebildeten Vorsprünge wirken als Hindernis für die Brennstoff schicht, die auf der Schale zirkuliert. Die Schicht wird folglich aufgebrochen, sei es an einer Kante der Rippen, sei es an dem Anschlußwinkel zwischen Schale und Rippe. Dieses Phänomen wird in Gang gehalten und beschleunigt durch die Luftstrahlen, die aus den klein dimensionierten öffnungen der Schale austreten und den Brennstoff noch mehr zerstäuben. Das Vorhandensein dieser Hindernisse bewirkt andererseits hinter den Hindernissen und sozusagen in deren wirbelstran oder Verwirbelungsbereich einen zusätzlichen Anstieg der Turbulenz. Es ergibt sich also eine Verbesserung der Gesamtheit der Ergebnisse, die bereits mit der Vorrichtung nach dem Hauptpatent erzielt werden.

Die Geometrie und die Anordnung der Rippen sowie die Relativstellung der öffnungen für die Luftzufuhr bezüglich der Rippen können sehr unterschiedlich sein. In allen Fällen jedoch sollten die Rippen derart angeordnet werden, daß die gesamte Brennstoffschicht, die über die Schale laufen könnte, abgesperrt ist, d.h., daß die Rippen eine Umfassung

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der Aufprallzonen der heißen Gase bilden, die aus den ■'Vorverdampferrohren austreten.

Unter diesen Umständen sind die zur Lufteinspritzung dienenden öffnungen der Schale im Inneren des auf diese Weise gebildeten Umrisses nahe den Rippen ausgebildet, wobei die Achsen der; öffnungen gegen die Rippen geneigt liegen. Zu bemerken ist, daß, ebenso wie im Falle des Haupt-, patents, die Neigung dieser öffnungen nicht sehr ausgeprägt sein muß, im Hinblick darauf, daß die aus den öffnungen austretenden Luftstrahlen eine nicht vernachlässigbare Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den Schalen besitzen, um den Luftstrahlen die Punktion zu belassen, denjenigen Brennstoff zu zerstäuben, auf den sie direkt auftreffen.

Es hat sich gleichermaßen als vorteilhaft erwiesen, in den Schalen zusätzliche öffnungen für die Luftzufuhr vorzusehen, die durch die Rippen hindurchgehen und nahe an deren Kante münden, an der sich die Brennstoffschicht bricht. Die zusätzlichen öffnungen besitzen eine Richtung, die mit derjenigen der genannten primären öffnungen der Schale konvergiert, und sie werden mit Luft aus der Versorgungskammer gespeist, welche von den Wänden der Schale zwischen dieser und dem domförmigen Boden begrenzt ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schale, gesehen vom stromabjgelegenen Ende der Brennkammer aus;

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Fig. 2 die andere Fläche der Schale nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Detailschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Llnlr. B - B in Fig. 1;

Fig. 5 schemat'isch eine abgewandelte Anordnung der Rippen;

Fig. 6 schematisch eine weitere abgewandelte Anordnung der Rippen.

Was den grundsätzlichen Aufbau der Schale, ihre Lageanordnung und ihre Befestigung auf dem Boden der Brennkammer anbelangt, so wird insbesondere auf die Figuren 3 und 4' des Hauptpatentes sowie auf die zugehörige Beschreibung Bezug genommen.

Eine erfindungsgemäße Schale 1 stellt einen Sektor eines Kreisrings dar, und jeder :"... Injektor bzw. jedes Vorverdampferrohr ist mit einer solchen Schale ausgerüstet, wie es auch nach dem Hauptpatent der Fall war. Die Gesamtheit der Schalen bildet in montierter Lage einen Kreisring.

Die Schale 1 umfaßt einen Durchgang 2 für ein Vorverdampferrohr sowie nicht dargestellte Einrichtungen zur Befestigung des letzteren. Auf der dem domförmigen Boden 3 der Brennkammer zugewandten Seite (Fig. 4) trägt die Schale Wände 4 und 5, die im wesentlichen in ümfangsrichtung verlaufen und eine Versorgungskammer 6 begrenzen, welche dazu dient, Luft an die durch die Schale führenden öffnungen zu liefern. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist die Schale 1 gleichermaßen in Radialrichtung verlau-

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fende Wände 7 und 8 auf (siehe Fig. 2).

Die gegen den Boden 3 der Brennkammer gerichtete Fläche der Schale ist in den Bereichen 9 und 10 zurückgesetzt (Querschnittsverminderuhg)_a und zwar gegenüber der Aufprallzone der heißen Strahlen, die aus den beiden Armen des T-f örmigen Verdampf errohres austreten. Dies hat den Zweck, den Wärmeaustausch mit den in der Versorgungskammer 6 zirkulierenden Kühlgasen zu verbessern und die Wärmeleitung innerhalb der Schale selbst zu vermindern. Die Versorgungskammer wird nach einer der Anordnungen des Hauptpatentes mit Luft gespeist. Der Boden 3 der Brennkammer besitzt gleichermaßen Durchlässe zur Versorgung der seitlichen Zonen der Schale mit Kühlluft, wie dies im Hauptpatent beschrieben ist, wobei der Strömungsweg dieser Kühlluft durch die Pfeile f (Fig. 4) wiedergegeben wird.

Eine große Anzahl von öffnungen, wie etwa die öffnungen 11, ist in die Schale 1 eingearbeitet, und zwar mit einer derartigen Neigung, daß die aus den öffnungen ausgestoßenen Luftstrahlen gegen die Außenbereiche der Schale gerichtet sind, aber .dennoch eine nicht vernachlässigbare Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Schale besitzen. Der Zweck dieser Luftstrahlen wurde detailliert im Hauptpatent erläutert. Ihre Speisung mit Luft erfolgt ausgehend von der Versorgungskammer 6.

Zur Verbesserung der Effekte dieser Lufteinspritzung sind auf der gegen die Brennkammer gewandten Fläche der Schale Rippen 12 und 13, die auf der Höhe des Durchgangs 2 für den Injektor eine Unterbrechung aufweisen, sowie radiale Rippen l4 und 15 angeordnet. Die Elemente der Rippen 12 und 13 können Sehnen von zwei konzentrischen Kreisen oder Kreissegmente sein, wie es auch für die Wände 4 und 5 zutrifft. Es sei da-

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rauf hingewiesen, daß die öffnungen, wie etwa die öffnungen 11, im Inneren des Umrisses münden, der von den Rippen begrenzt wird, wobei sie die Luftstrahlen gegen die. Rippen richten (Pig. H).

Es sind überdies weitere öffnungen, wie etwa die öffnungen l6, in den Schalen vorgesehen. Sie werden gleichermaßen mit Luft ausgehend von der Versorgungskammer 6 gespeist, münden jedoch auf einer Kante 17 der Rippen. Die öffnungen 16 sind derart geneigt, daß sie die Luftstrahlen in einer Richtung abgeben, die gegen die Richtung der öffnungen 11 konvergiert.

Die relativ zueinander versetzte Anordnung der öffnungen l6 und 11 wurde gewählt, um den größtmöglichen Anteil der Brennstoffschicht absperren zu können.

Fig. 3 zeigt im einzelenen eine radiale Rippe 14, die keine der öffnungen/16 aufweist. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Art der Anordnung für die Gesamtheit der Rippen gewählt werden kann, daß man jedoch einen besseren Wirkungsgrad erzielt, wenn man die beiden Arten von Lufteinspritzung miteinander verbindet, nämlich die öffnungen 11 und 16, um dadurch die sich ergebende Turbulenz zu steigern."

Verschiedene Anordnungen der Rippen können in Betracht gezogen werden, wie es sich auch aus den Figuren 5 und 6 ergibt. Das gemeinsame Merkmal dieser Anordnungen besteht in der Möglichkeit, den gesamten Brennstoff abzusperren oder einzuschließen, der sich auf der Schale befinden kann. Dies bedeute^, daß die Rippen immer eine Umrißlinie definieren müssen, ggf. im Zusammenwirken mit dem Durchlaß 2 für das Vorverdampferrohr, wobei diese Umrißlinie die heißen Aufprallzonen l8 und 19 umgibt, von denen aus sich eine Zirku-

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-Illation des Plussigbrennstoffs entsprechend den Pfeilen f, ausbildet. Die Rippen Bilden" ein Hindernis, das an den Rippenkanten ein Aufreissen der Brennstoffschicht bzw. ein Abreissen der Flüssigkeitsströmung ermöglicht,, wobei die Lufteinblasung gegen diese Kanten die für die Kraftstoffverbrennung erforderliche Zerstäubung und Turbulenz sicherstellt.

Die Turbulenz kann gesteigert werden,wenn man die konvergierende Lufteinblasung vorsieht und hierzu in der Schale die zusätzlichen Öffnungen anordnet, die in der Nähe der Rippenkante münden.

In den folgenden Figuren wurden für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. .

Fig. 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schale, gesehen vom stromabjgelegenen Ende der Brennkammer, wobei auf dieser Schale allein zwei Rippen 20 und 21 vorgesehen sind. Die der Einspritzung oder Einblasung dienenden Öffnungen, etwa die Öffnungen 11, sind derart ausgebildet, daß sie die Luftstrahlen gegen diese Rippen richten. Darüber^hinaus können Öffnungen, wie etwa die Öffnungen 16, in den Rippen 20 und 21 vorgesehen sein. Die Rippen 20 und 21 benachbart angeordneter Schalen bilden also in ihrer Gesamtheit die Umrißlinie, an der die Kraftstoffschicht aufreissen oder abreissen soll, die, ausgehend von den Aufprallzonen 18 und 19, in Richtung der Pfeile f^ auf der Schale zirkuliert. Die Zerstäubung wird von den Luftstrahlen sichergestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Rippen 20 und 21 geradlinige Segmente darstellen, die zwei . Gruppen von Sehnen zweier konzentrischer.Kreise bilden, um ihre maschinelle Bearbeitung zu vereinfachen. Sie können jedoch direkt in Form von Segmenten zweier konzentrischer

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Kreise ausgebildet werden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Variante, bei der jede Aufprallzone l8 und 19 von einer kreisförmigen Rippe umgeben ist, gegen die die Öffnungen 11 die Luftstrahlen großer Geschwindigkeit richten. Man kann ohne weiteres außerden zusätzliche öffnungen, wie etwa die Öffnungen 16 nach Fig. 1, vorsehen, die nahe der Kante der Rippe münden und zweite Luftstrahlen in einer Richtung einblasen, die mit der der ersten Luftstrahlen konvergiert.

Die vorliegende Erfindung gestattet also eine Verbesserung der mit der Vorrichtung nach dem Hauptpatent erzielten Resultate in dem Maße, in dem die gesamte Brennstoffschicht, die sich ausgehend von den heißen Aufschlagbereichen 18 und 19 ausbildet, von den Rippen aufgerissen und sodann von den verschiedenen öffnungen,wie etwa den Öffnungen 11 oder 16, zeistäubt wird, wobei die konvergierenden Luftstrahlen hoher Geschwindigkeit eine beträchtliche Turbulenz erzeugen.

Zusammenfassend schafft die Erfindung eine Verbesserung an Brennkammern nach dem Hauptpatent mit Vorverdampferrohren zur Einspritzung von Brennstoff und mit Schalen, die dazu bestimmt sind, die Funktion von thermischen Abschirmungen zu übernehmen, auf die die aus den Injektoren austretenden heißen Strahlen auftreffen und sich dort brechen. Die Schale 1 trägt Rippen 12, 13, 7, 8, gegen die die Luftstrahlen hoher Geschwindigkeit gerichtet sind, die aus kleinjdimensionierten Öffnungen, wie etwa den Öffnungen 11, austreten. Weitere kleiryiimensionierte Öffnungen, wie etwa die Öffnungen 16, können außerdem an einer Kante dieser Rippen derart münden, daß sie zusätzliche Luftstrahlen bilden, die mit den erstgenannten

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Luftstrahlen konvergieren.

Die Erfindung betriff ferner die Anwendung auf Gasturbinentriebwerke.

De

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Claims

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Dipl.-In₉. H. MITSCHERLICH " D-8000 MÜNCHEN 22

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr.r.r.not. W. KÖRBER ^ ⁽⁰⁸⁹⁾ *^2966M Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE 29, N OV,

SOCIETE NATIONALE D'ETUDE ET DE

CONSTRUCTION DE MOTEURS D¹AVIATION (S.N.E.CM.A.) 2, Boulevard Victor

75015 Paris/Frankreich

P_a_t_e_n_t_a_n_s_Tj_r_ü_c_h_e

1/ Brennkammer nach einem der Ansprüche des Hauptpatents. .....(Patentanmeldung P 26 23 471.9), dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (1) auf ihrer stromabwärts zur Brennkammer gewandten Fläche Rippen (12 bis 15; 20, 21) trägt, die mindestens eine Kante (17) haben und gegen die die Luftstrahlen hoher Geschwindigkeit gerichtet sind, welche aus den klein dimensionierten Öffnungen (11) austreten, die in die Schale (1) nahe den Rippen (12 bis 15; 20, 21) eingearbeitet sind und mit Luft ausgehend von einer Versorgungskammer (6) gespeist werden, die begrenzt ist von den zur Schale (1). gehörenden, sich am Boden der Brennkammer abstützenden Wänden (4, 5).
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche klein dimensionierte Öffnungen (16) derart in die Schale (1) eingearbeitet sind, . daß sie nahe einer Kante (17) der Rippen (12 bis 15; 20, 21) mit einer Neigung münden, die den aus ihnen austretenden Luftstrahlen hoher Geschwindigkeit eine Richtung gibt, die mit der der erstgenannten, gegen die Rippen gerichteten Luftstrahlen konvergiert, wobei auch die zusätzlichen Öffnungen (16) mit Luft ausgehend von einer Versorgungskammer (6) ge-

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speist werden, die begrenzt ist von den zur Schale (1) gehörenden, sich am Boden der Brennkammer abstützenden Wänden (4, 5).
3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (12 bis 15; 20, 21), die eine Umfangslinie definieren, die Aufprallzone (18, 19) der aus den Vorverdampferrohren austretenden Strahlen umgeben.
4. Brennkammer nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schale (1) zwei je zu einer Seite des Durchgangs für das Vorverdampferrohr angeordnete Rippen (12, 13; 20, 21) aufweist, wobei die Rippen der Schalen in ihrer Gesamtheit nach der Montage miteinander zusammenwirken, um zwei konzentrische Polygone oder Kreise zu bilden.
5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schale (1) ferner eine Rippe (7, 8) an jedem ihrer radialen Ränder aufweist.
6. Brennkammer nach einem der Ansprüche-1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Schalen (1) eine kreisringförmige Rippe rund um jede Aufprallzone (18, 19) der aus den Vorverdampferrohren austretenden Strahlen angeordnet ist.

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