DE69801452T2

DE69801452T2 - Kühlstromregelungseinrichtung für Brennkammern mit hoher Temperatur

Info

Publication number: DE69801452T2
Application number: DE69801452T
Authority: DE
Inventors: Denis Roger Henri Ansart; Denis Jean Maurice Sandelis
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1998-01-15
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: EP0854269A1; FR2758384A1; JPH10205755A; CA2227551A1; FR2758384B1; DE69801452D1; EP0854269B1; JP3714784B2; CA2227551C; US6105371A

Description

Diese Erfindung betrifft die Kühlstromregelungseinrichtung für die Wände von Hochtemperatur-Brennkammern.
Unter den für eine Brennkammer erforderlichen Eigenschaften kann angeführt werden, dass entlang der Wände der Brennkammer nur ein minimaler Druckverlust stattfinden darf, damit die Energie des Kühlfluids so wenig wie möglich reduziert wird und am Eingang der Turbine eine am Umfang und in radialer Richtung möglichst homogene Temperaturverteilung erzielt wird.
Die heute bei Turbotriebwerken der zivilen und der militärischen Luftfahrt eingesetzten thermodynamischen Zyklen bringen am Ausgang der Brennkammer immer höhere Temperaturen mit sich.
Diese hohen Temperaturen ermöglichen es, den spezifischen Verbrauch des Triebwerks verringern.
Die Erhöhung der Temperaturen in der Brennkammer dient dazu, höhere Machzahlen zu erreichen. Diese können stellenweise einen Wert von M = 0,25 erreichen. Zudem ist beiden Brennkammern, die in ihrem hinteren Bereich mit einem verstärkten Mischrohrkopf ausgerüstet sind, insbesondere bei den Brennkammern mit zwei einzelnen Köpfen, die Entwicklung der Machzahl von vorne nach hinten nicht zu vernachlässigen.
Diese Entwicklung wirkt sich auf die Leistungen der Brennkammer und insbesondere auf die Werte der Kühlluftströme aus.
In der Tat bringt eine Erhöhung der Machzahlen in dem Verbrennungsraum von vorne nach hinten eine Verringerung des statischen Drucks in der Brennkammer in der Strömungsrichtung der Gase mit sich. Dies hat entlang der Wände der Brennkammer von vorne nach hinten eine Erhöhung des Druckverlusts zum Ergebnis. Nun hängt bei einer gegebenen Konfiguration einer Kühlungsluft-Zufuhröffnung der Wert des zugeführten Lustroms vom Druckverlust ab und variiert in der gleichen Richtung wie dieser.
Der Druckverlust kann in dem konvergierenden Bereich fast auf seinen doppelten Wertansteigen, woraus folgt, dass der Kühlungsluftstrom stellenweise um 30% zunehmen kann, wenn die Wände der Kammer über ihre gesamte Fläche eine gleichbleibende Durchlässigkeit haben. Durch die Verstärkung der radialen Ausbeute, die man bei Brennkammern mit zwei Köpfen feststellt, vergrößern sich die Werte dieser Druckverlustschwankungen und Kühlleistungsschwankungen.
Nun ist die Erhöhung der Kühlleistung die man am Ausgang der Brennkammer feststellt, mit den am Ausgang der Brennkammer gewünschten Temperaturprofilen unvereinbar. Es kann hier der radiale Temperaturfaktor und der lokale Temperaturfaktor angeführt werden, die den höchsten Punkt des Temperaturprofils kennzeichnen.
Es ist Aufgabe dieser Erfindung eine Optimierung des Temperaturprofils am Ausgang einer mit sehr hoher Temperatur arbeitenden Brennkammer zu erreichen, indem der Kühlungsluftstrom in den hinten befindlichen Wandbereichen der Brennkammer geregt wird.
Die Erfindung betrifft daher eine Brennkammer, insbesondere eine Brennkammer für Turbotriebwerke, die eine Symmertrieachse hat und die von zwei ringförmigen, voneinander beabstandeten Wänden, die jeweils mehrere durchgehende Öffnungen aufweisen, die eine Mehrfachperforierung bilden, die insbesondere für den Durchgang von Kühlungsluft diese Wand vorgesehen ist, sowie von einem quer zu der genannten Symmetrieachse liegenden Boden, der sich bezogen auf die allgemeine Strömungsrichtung der Gase in dieser Brennkammer vorne befindet, umgrenzt wird, und die eine hintere Ausgangsöffnung aufweist, wobei diese Kammer einen Querschnitt hat, der zu dem in ihrem hinteren Bereich befindlichen Ausgang hin konvergiert, was ein Anwachsen der Gasgeschwindigkeit und eine stellenweise Erhöhung des Druckverlusts entlang der axialen Wände in diesem hinteren Bereich, in Annäherung an den Ausgang, nach sich zieht.
Diese Brennkammer ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachperforation dergestalt ausgeführt ist, dass die Durchlässigkeit der axialen Wände sich gegenüber dem Kühlungsluftstrom in diesem hinteren Bereich ändert, indem sie dem hinteren Ende dieser Brennkammer zu abnimmt, damit die Auswirkungen des steigenden Druckverlusts kompensiert werden, wobei die Durchlässigkeit durch den Kühlungsfluidstrom definiert ist, der bei einem gegebenen Druck in der Lage ist, bei einem gegebenen Druckverlust durch eine gegebene Wandfläche zu gelangen.
Diese Veränderung der Durchlässigkeit kann bewirkt werden, entweder indem die Anzahl der Öffnungen pro Flächeneinheit von vorn nach hinten verringert wird, oder indem die Abmessungen der Öffnungen oder ihre Neigungen verändert werden, oder auch indem die Dicke der Wände von vorn nach hinten erhöht wird.
Weitere Vorteile und Merkmale dieser Erfindung gehen aus der folgenden, rein beispielhaften Beschreibung hervor, in der Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird, wobei
Fig. 1 den hinteren Bereich einer heutigen Brennkammer mit zwei Köpfen, die Machwerte M, Druckverluste und Kühlungsluftströme zwischen vorn und hinten zeigt, wobei die Wände dieser Brennkammer eine im wesentlichen homogene Durchlässigkeit haben,
Fig. 2 die Veränderungen der Durchlässigkeit der Wände von vorn nach hinten in einer Brennkammer gemäß dieser Erfindung zeigt,
Fig. 3 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der der Neigungswinkel der Öffnungen sich von vorn nach hinten ändert.
Fig. 4 im Schnitt und im Einzelnen die Neigung einer Öffnung in einer axialen Wand zeigt,
Fig. 5 eine Ausführungsvariante der Erfindung zeigt, bei der die Wände der Brennkammer von vorn nach hinten dicker werden,
Fig. 6 eine Brennkammer zeigt, in der der Druckverlust entlang der axialen Wände durch Verwirbler konstant gehalten wird, welche in den Kühlungsluftkreisläufen vorgesehen sind.
Fig. 1 zeigt den hinteren Teil einer ringförmigen Brennkammer 1 mit zwei Köpfen, mit der Symmetrieachse 2, die von einer inneren axialen Wand 3 und einer äußeren axialen Wand 4 umgrenzt wird, die voneinander beabstandet sind. Die axialen Wände 3 uni 4 bilden hinten einen ringförmigen Ausgang 5, durch den die Verbrennungsgase auf ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes Turbinenleitrad abgegeben werden. Die axialen Wände 3 und 4 sind vorn durch mindestens einen Boden verbunden, der mit zwei Brennstoff-Einspritzvorrichtungen ausgerüstet ist, und sind in radialer Richtung durch einen Separator 6 getrennt. Der hintere Bereich dieser Brennkammer 1 ist zum Ausgang 5 hin stark konvergierend, und die axialen Wände 3 und 4 sind mit einer Mehrfachperforation versehen.
Die axialen Wände 3 und 4 sind jeweils in Abstand zu einem Innengehäuse 7 und einem Außengehäuse 8 angeordnet. Der von dem Innengehäuse 7 und der inneren axialen Wand 3 gebildete ringförmige Zwischenraum 9 dient für die Zirkulation eines Luftstroms der zur Verdünnung der Gase im hinteren Bereich der Brennkammer und zur Kühlung der axialen Wand 3 verwendet wird.
Desgleichen kann durch den von dem Außengehäuse 8 und der äußeren axialen Wand 4 gebildete ringförmige Zwischenraum 10 der hintere Bereich der Brennkammer 1 mit Verdünnungsluft versorgt werden und der axialen Wand 4 Kühlungsluft zugeführt werden.
In Fig. 1 wurden die Werte der stellenweisen Geschwindigkeiten der Gase an mehreren Stellen der Brennkammer, in Machzahlen ausgedrückt, sowie die Werte der Druckverluste entlang der axialen Wände 3 und 4 in Prozent im Verhältnis zu dem in den ringförmigen Zwischenräumen 9 und 10 herrschenden Druck Pt und die Kühlungsluftströme, die pro Quadratmeter der Wände 3 und 4 in verschiedenen Abständen zum Ausgang 5 unter der Voraussetzung, dass die Durchlässigkeit der axialen Wände 3 und 4 von vorn nach hinten homogen ist, in die Brennkammer abgegeben wurden, dargestellt, wobei die Durchlässigkeit durch den Luftstrom mit dem Druck Pt definiert ist, der pro Flächeneinheit und bei einem gegebenen Druckverlust in die Brennkammer 1 eindringen kann.
In Fig. 1 ist zu sehen, dass dar Wert M in einem Verhältnis von 1 zu 5 zwischen vorn und hinten variiert, dass der Druckverlust zum Ausgang 5 hin mit einem Verhältnis von annähernd 2 zwischen dem Druckverlust beim Ausgang 5 und dem Druckverlust vordem hinteren Bereich zunimmt, und dass die Luftströme pro Quadratmeter nach hinten hin anwachsen und zwischen 20 kg/m² und 24 kg/m² variieren.
Diese Veränderung das Lustroms zwischen vorn und hinten ist den Leistungen der Brennkammer abträglich und ergibt sich aus der Abnahme des statischen Drucks Ps der Gase zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende als Folge der steigenden Geschwindigkeit der Gase.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkammer 1, deren axialen Wände 3 und 4 ebenfalls mit einer Mehrfachperforation versehen sind, die das Einführen eines Kühlungsluftstroms in die Kammer 1 ermöglicht.
Gemäß dieser Erfindung lindert sich die Kühlungsluftstrom-Durchlässigkeit Pi der hinter der Brennkammer 1 befindlichen Ringe, die die deren axialen Wände 3 und 4 bilden, indem sie zum Ausgang 5 hin abnimmt.
Bezeichnet man mit P1, P2, P3 die Durchlässigkeiten der drei im hinteren Bereich der Brennkammer 1 von vorne nach hinten hintereinander angeordneten Ringe, dann erhält man P1 > P2 > P3.
Um dafür zu sorgen, dass sich die Durchlässigkeit ändert, kann man die Anzahl der Öffnungen 12 mit konstanten Abmessungen pro Flächeneinheit Andern oder die Abmessungen der Öffnungen 12 ändern.
Eine sich unterscheidende Durchlässigkeit am Umfang kann auch in der Achse und zwischen den Brennstoffeinspritzdüsen in Betracht gezogen werden, um den Wert des Gehalts an bestimmten Stellen zu optimieren. Diese Anordnung durch die Analyse der Ergebnisse einer dreidimensionalen Berechnung bestimmt werden.
Die Änderung der Durchlässigkeit kann auch, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, bei einer homogenen Dichte der Öffnungen der Mehrfachperforation erzielt werden, indem der axiale Neigungswinkel α der Öffnungen 12 geändert wird. Diese Lösung ermöglicht es, den Durchsatzkoeffizienten jeder Öffnung 12 in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Dimension an Länge/Durchmesser (L/D) der Öffnungen 12 einzustellen. Bezeichnet man mit α1, α2, α3 die Neigungswinkel der Öffnungen 12 von drei im hinteren Bereich der Brennkammer 1 aufeinander folgenden Ringen zu den Ebenen, die am Eingang der Öffnungen 12 tangential zu den Ringen liegen, dann erhält man α1 > α2 > α3.
Die Entwicklung des Verhältnisses L/D kann mit konstanten Neigungen der Öffnungen 12 erzielt werden, indem die Dicke der axialen Wände 3 und 4 im hinteren Bereich der Brennkammer verändert wird, wobei diese Dicke 3 von vom nach hinten erhöht wird, wie in Fig. 5 dargestellt.
Wenn mit e1 die Dicke der Wände 3 und 4 hinter dem hinteren Bereich und mit e2 die Dicke der Wände 3 und 4 im Bereich des Ausgangs 5 bezeichnet wird, erhält man zum Beispiel e1 = 0,7e2.
Und schließlich kann in Betracht gezogen werden, wie in Fig. 6 dargestellt, n den Kammergehäusen 7, 8 und den axialen Wänden 3, 4 in den hinteren Abschnitten der ringförmigen Zwischenräume 9 und 10 Verwirbler in Zickzackanordnung oder als Staurand anzubringen, um den Druckverlust entlang der axialen Wände 3, 4 konstant zu halten.
Es ist auch möglich, den Kühlungsluftstrom zu regeln, indem die verschiedenen vorgeschlagenen Lösungen kombiniert werden.

Claims

1. Brennkammer, insbesondere eine Brennkammer für Turbotriebwerke, die eine Symmetrieachse (2) hat und die von zwei ringförmigen, voneinander Wänden (3, 4), die jeweils mehrere durchgehende Öffnungen (12) aufweisen, die eine Mehrfachperforierung bilden, die insbesondere für den Durchgang von Kühlungsluft für diese Wand (3, 4) vorgesehen ist, sowie von einem quer zu der genannten Symmetrieachse liegenden Boden, der sich bezogen auf die allgemeine Strömungsrichtung der Gase in dieser Brennkammer vorne befindet, umgrenzt wird, und die eine hintere Ausgangsöffnung (5) aufweist, wobei diese Kammer einen Querschnitt hat, der zu dem in ihrem hinteren Bereich befindlichen Ausgang, (5) hin konvergiert, was ein Anwachsen der Gasgeschwindigkeit und eins stellenweise Erhöhung des Druckverlusts entlang der axialen Wände (3, 4) in diesem hinteren Bereich, in Annäherung an den Ausgang(S), nach sich zieht,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Mehrfachperforation dergestalt ausgeführt ist, dass die Durchlässigkeit der axialen Wände (3, 4) sich gegenüber dem Kühlungsluftstrom in diesem hinteren Bereich ändert, indem sie dem hinteren Ende dieser Brennkammer zu abnimmt, damit die Auswirkungen des steigenden Druckverlusts kompensiert werden, wobei die Durchlässigkeit durch den Kühlungsfluidstrom definiert ist, der bei einem gegebenen Druck in der Lage ist, bei einem gegebenen Druckverlust durch eine gegebene Wandfläche zu gelangen.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Öffnungen (12) pro Flächeneinheit von vorn nach hinten abnimmt.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Öffnungen (12) nach hinten abnimmt.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) der Öffnungen zu der Ebene, die tangential zu der Wand liegt, von vorn nach hinten abnimmt.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (e) der axialen Wände von vorn nach hinten zunimmt.