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Brennkammer für Gasturbinen Die Erfindung bezieht sich allgemein auf
Triebwerke und insbesondere auf Brennkammern für Gasturbinen.
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Die Erfindung ist in erster Linie, wenn auch nicht ausschließlich,
zur Verwendung mit Gasturbinentriebwerken geeignet, wie sie in Flugzeugen zum Antrieb
einer Luftschraube, eines Stromerzeugers oder zur Lieferung des Treibmittels für
den Strahlvortrieb des Flugzeuges verwendet werden. Ein solches Triebwerk besteht
vorzugsweise aus einem rohrförmigen Gehäuse in Stromlinienform, in dem in der Nähe
des vorderen oder Eintrittsendes axial ein Verdichter und in der Nähe des hinteren
oder Austrittsendes eine Turbine angeordnet ist, wobei zwischen de&n Verdichter
und der Turbine eine Brennkammer zur Erhitzung der verdichteten Luft angeordnet
ist, welche die heißen Gase mit einer geeigneten Temperatur und geeignetem Druck
zur Turbine fördert. Diese Gase treten nach dem Verlassen der Turbine durch eine
am hinteren Ende des Gehäuses vorgesehene Düse aus, so daß sie den Vortrieb des
Flugzeuges unterstützen können. Wegen der Notwendigkeit, die Abmessungen und das
Gewicht eines solchen Triebwerkes möglichst klein zu halten, muß die Brennkammer
klein gehalten werden und mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten und hoher Wärmebelastung
in der Größenordnung von etwa 267 X zoll kcal/cbm je Stunde arbeiten.
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Für den Einbau des Triebwerkes in eine Gondel oAer in einen Tragflügel
muß die Stirnfläche des Triebwerkes so klein wie möglich bemessen werden, um den
Profilwiderstand
in der Flugzeugzelle zu vermindern, was hohe Geschwindigkeiten
der aus der Brennkammer austretenden heißen Gase bedingt.
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Ein Triebwerk der beschriebenen Art arbeitet über einen weiten Bereich
von Kraftstoff-Luft-Verhältnis, da der Kraftstoffanteil bei Höchstlast, beispielsweise
beim Start, zehnmal so hoch sein kann wie beim Flug in großen Höhen. Ferner muß
die Brennkammer zur Verbrennung des Kraftstoffes und zur Erhitzung der durch den
Verdichter.gelieferten Luft auf eine Höchsttemperatur, die bei 8i5° C oder noch
höher liegen kann, geeignet sein, ohne daß dabei die Gefahr einer Verwerfung der
Wände, übermäßige Dehnung oder Korrosion der Brennkammerwände auftritt.
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Der Druckabfall durch die Brennkammer sollte möglichst niedrig gehalten
werden, da ein Druckabfall die Leistung, die von der durch die aus der Brennkammer
austretenden heißen Gase angetriebenen Turbine entwickelt werden kann, herabsetzt.
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Die vorerwähnten Merkmale, Beschränkungen und Anforderungen an dieBrennkammereines
Gasturbinentriebwerkes für Flugzeuge treffen auch, wenn auch vielleicht nicht in
einem so kritischen Maße; auf Gasturbinentriebwerke für kleine Schiffe von hoher
Leistung und.Geschwindigkeit zu, insbeondere für Marinefahrzeuge oder Anlagen, wo
es auf geringe Raumbeanspruchung und geringes Gewicht ankommt.
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Hauptgegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten
Brennkammer insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Flugzeuggasturbinen,
bei welchen die vorerwähnten Anforderungen in besonders wirksamer Weise erfüllt
sind.
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Die Erfindung besteht demgemäß in der Ausbildung der Brennkammer,
bestehend aus einem Kern, der zentral in einem Gehäuse angeordnet ist und mit diesem
einen ringförmigen Strömungskanal begrenzt, und einer in diesem Strömungskanal angeordneten
Innenwand, die den letzteren in mehrere voneinander in Abstand befindliche, ringförmige
Brennräume und letztere ummantelnde Lufträume unterteilt. Die erwähnte Innenwand
besteht aus zwei konzentrisch angeordneten kegelförmigen Wandelementen, deren vordere
Enden sich voneinander in Abstand befinden und durch eine Zwischenwandung verbunden...
sind, wobei diese kegelförmigen Wandelemente eine Brennkammer begrenzen, deren Querschnitt
sich vom vorderen zum hinteren Ende erweitert, und die erwähnte Zwischenwandung
ein zentrales spitzwinkeliges Teil bildet, der die Brennkammer in zwei Brennräume
unterteilt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die
Brennkammer für eine Gasturbine od. dgl. aus einem Kern, der zentral in einem Gehäuse
angeordnet ist und mit diesem einen ringförmigen Kanal begrenzt, sowie einer in
diesem ringförmigen Kanal angeordneten Wandung, die jenen in zwei Brennräume und
drei diese ummantelnde Lufträume unterteilt, wobei die erwähnte Wandung aus einem
ersten Paar kegelförmiger Wandelemente besteht, die an ihren vorderen Enden verbunden
sind, und einen ersten Brennraum begrenzen, dessen Querschnitt vom vorderen zum
hinteren Ende sich erweitert, und aus einem zweiten Paar kegelförmiger Wandelemente,
die radial einwärts des ersten Paares angeordnet sind und an ihren vorderen Enden
zur Begrenzung eines zweiten Brennraumes verbunden sind, und wobei das innere Wandelement
des ersten Paares und das äußere Wandelement des zweiten Paares an ihren hinteren
Enden verbunden sind, wobei die Wände des ringförmigen Strömungskanals ohne Öffnungen
sind, während die die Brennräume begrenzende Wandurig für den Durchtritt von Luft
aus den drei Lufträumen in die von diesen ummantelten zwei Brennräume mit Öffnungen
versehen ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung soll diese an Hand einer bevorzugten
Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben werden.
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Fig. i ist ein Seitenriß teilweise im Schnitt eines Triebwerkes, bei
welchem die Erfindung Anwendung gefunden hat; Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt der
schematisch in Fig. i dargestellten Brennkammer in vergrößertem Maßstab; Fig. 3
zeigt einen Querschnitt nach der Linie III-III der Fig. i, gesehen in Richtung der
Pfeile; Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3, gesehen
in Richtung der Pfeile; Fig. 5 zeigt eine Einzeldarstellung im Schnitt nach der
Linie V-V der Fig. 3 ; Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch einen der in Fig. i und
2 dargestellten Brennrohre in vergrößertem Maßstab und Fig. 7 einen Teilschnitt
nach der Linie VII-VII der Fig. 2.
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Das in Fig. i gezeigte und in seiner Gesamtheit mit io bezeichnete
Triebwerk ist für den Ein- oder Anbau in oder an den Rumpf oder Flügel eines Flugzeuges
geeignet, wobei das linke oder Eintrittsende ii, wie aus dieser Figur ersichtlich,
in Flugrichtung zeigt.
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Das Triebwerk besteht aus einem äußeren Mantel oder Gehäuse 12, das
einen ringförmigen Kanal 13, der sich mit Bezug auf das Flugzeug von vorn nach hinten
erstreckt, einschließt. In diesem Gehäuse ist in Richtung seiner Längsachse ein
Axialverdichter 15, eine allgemein mit 16 bezeichnete Brennkammer, eine den Verdichter
antreibende Turbine 17 und eine Düse 18 angeordnet, die durch den Gehäuseeinsatz
14 und ein Schwanzstück i9 gebildet wird, wobei das letztere konzentrisch im Gehäuse
angeordnet ist und mit dem Gehäuseeinsatz zur Bildung einer Vortriebsdüse zusammenarbeitet.
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Die Luft tritt am Eintrittsende ii ein und strömt im wesentlichen
geradlinig durch das Triebwerk und dabei durch den Verdichter 15, wo sie verdichtet
wird, und in die Brennkammer 16, wo sie erhitzt wird. Die heißen Gase, die aus den
Verbrennungsprodukten und überschüssiger, durch die Verbrennung erhitzte Luft bestehen,
werden beim Austreten aus der Brennkammer durch geeignete Leitschaufeln oder Düsen
21 gegen die Schaufeln 22 der Turbinenscheiben 23 gerichtet und dann durch die Vortriebsdüse
18 für den Vortrieb des Flugzeuges nach außen geleitet.
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Die Erfindung ist nicht auf die besonderen Einzel, heiten und die
beschriebene Anordnung beschränkt,
sondern bezieht sich in erster
Linie auf die Brennkammer, die die von dem Verdichter gelieferte verdichtete Luft
erhitzt, ohne die geradlinige Strömung durch das Triebwerk zu stören, die eine Konstruktion
mit geringem Maximaldurchmesser ermöglicht.
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Aus Fig. i ist ersichtlich, daß der Verdichterläufer und der Turbinenläufer
miteinander durch eine Welle 25 verbunden sind, die in geeigneten (nicht gezeigten)
Lagern gelagert und von einem den Kern der Brennkammer bildenden inneren Hauptgehäuse
26 eingeschlossen ist, das die Welle und die Lager gegen hohe Temperaturen schützt
und außerdem den Teil des ringförmigen Luftströmungskanals 13 begrenzt, in welchem
die Brennkammer 16 angeordnet ist. Zwischen der Welle 25 und dem Innengehäuse 26
können zusätzliche Innenwände 27 und 28 vorgesehen sein zur Begrenzung der ringförmigen
Kammern für die Aufnahme von Leitungen für das Schmier- und Kühlmittel (Fis. 3).
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Um die Brennkammer und das Außengehäuse auf einem kleinen Maximaldurchmesser
zu halten, ist die Brennkammer durch eine Wandung in Lufträume 29 unterteilt, die
in Richtung zum Austrittsende eines Diffusorkanals offen sind, der vom Verdichter
kommt, und die die Brennräume, welche in Richtung zu einem zu den Turbinenleitschaufeln
21 führenden Kanal 32 offen sind, ummanteln.
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Wie in Fig. 1, 2 und 6 dargestellt, besteht die die Brennräume 31
begrenzende Innenwand aus vier kegelförmigen Wandelementen 35, 36, 37 und 38, die
ineinander von außen nach innen in der genannten Reihenfolge angeordnet sind und
in Längsrichtung der Brennkammer im wesentlichen die gleiche Ausdehnung haben. Die
äußere kegelförmige Wand 35 ist mit ihrem Scheitelteil in bezug auf die Luftströmung
durch den ringförmigen Kanal stromaufwärts angeordnet, während die benachbarte kegelförmige
Wand 36 mit ihrem Fußende stromaufwärts angeordnet ist und mit dem benachbarten
Ende der Wand 35 durch eine ringförmige Endwand 39 mit umgebogenen Rändern verbunden
ist. In ähnlicher Weise ist die dritte ringförmige Wand 37 mit ihrem Scheitelende
stromaufwärts angeordnet, während die vierte, innerste ringförmige Wand 38 mit ihrem
Fußende stromaufwärts liegt und mit dem benachbarten Ende der Wand 37 durch eine
ringförmige Endwand 40 mit umgebogenen Rändern verbunden ist. Die beiden Wände 36
und 37 stoßen mit ihren stromabwärts gelegenen Enden zusammen und sind bei 41 miteinander
verbunden, um den dazwischen befindlichen Raum an dieser Stelle völlig abzuschließen.
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Wie ersichtlich, werden durch diese Anordnung der vier kegelförmigen
Wände 35, 36, 37 und 38 zwei voneinander in Abstand befindliche Brennräume 31 und
314 gebildet, die von den Lufträumen 29, 294 und 29" ummantelt und getrennt werden,
wobei die Lufträume in ihrem Querschnitt in Richtung der Luftströmung der Wände
sich verringern und die Brennräume in der Strömungsrichtung der Luft und der Gase
im Querschnitt zunehmen.
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Die stromabwärts gelegenen Enden der äußersten und der innersten kegelförmigen
Wand 35 bzw. 38 sind mit zylindrischen @@'andteilen 43 bzw. 46 verbunden, welche
eine ringförmige Brennkammerverlängerung 44 begrenzen, die in einen konvergierenden
Austrittsteil 47 endet, der mit dem Turbineneintrittskanal 32, in welchem die Turbineneintrittsschaufeln
oder Düsen 21 angeordnet sind, sich in Ausfluchtung befindet.
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Wie am besten aus Fig. 6 ersichtlich, sind die kegelförmigen Wände
35, 36, 37 und 38 mit sich in Längsrichtung erstreckenden Reihen von Öffnungen 49
versehen. Diese Öffnungen 49 können von den stromaufwärts zu den stromabwärts gelegenen
Enden in ihrer Größe zunehmen, so daß die mengenmäßig geringste Luftzufuhr in die
Brennräume 31 und 3i4 aus den sie ummantelnden Lufträumen in der Nähe der Brennstoffdüsen
stattfindet, während die zugeführten Luftmengen sich in Strömungsrichtung erhöhen,
bis am stromabwärts gelegenen Ende im wesentlichen die ganze durch den Verdichter
15 gelieferte Luft Zutritt in die Brennkammer gefunden hat. Die größeren an oder
in der Nähe des stromabwärts gelegenen Endes der Brennräume durch die großen Öffnungen
an dieser Stelle eintretenden Luftmengen ermöglichen eine geeignete Kühlung der
Verbrennungsgase vor ihrem Eintritt in und ihrem Durchtritt durch die Turbinenbeschaufelung.
Der Flansch 424 in der Nähe des stromabwärts gelegenen Endes des zylindrischen Wandteiles
43 der Brennkammerverlängerung 44 ist in geringem Abstand von der benachbarten Gehäusewand
12 angeordnet, so daß durch den so gebildeten Spalt eine beschränkte Luftströmung
an dieser Wand entlang stattfindet, um die Temperatur des Gehäuses 12 innerhalb
sicherer Grenzen zu halten.
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Der Kraftstoff tritt in die stromaufwärts gelegenen Enden der Brennräume
31 durch eine Reihe von im Kreise angeordneten Düsen 51 (Fis. 3) ein, die sich durch
die ringförmigen, mit umgebogenen Rändern versehenen Endwände 39 und 4o erstrecken
und durch die Düsenhalter 52 gehalten werden, die vor den Endwänden 39 und 4o angeordnet
sind. Der Kraftstoff wird den Düsen aus den Kraftstoffverteilerleitungen 53 und
54 (Fis. 4) zugeführt, die ihrerseits durch die Leitungen 55 bzw. 56 versorgt werden.
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Die Kraftstoffverteilerleitungen 53 und 54 sind in stromlinienförmigen
Abdeckungen 57 bzw. 58 untergebracht und werden durch radiale Verstrebungen 59 gehalten,
die sich zwischen den inneren und äußeren Wänden des Diffusorkanals 30 erstrecken.
Jede Verstrebung 59 ist durch ein stromlinienförmiges Gehäuse 6o eingeschlossen,
wobei eines dieser Gehäuse zur Unterbringung der Zufuhrleitungen 55 und 56 (Fis.
3, 4 und 5) dient.
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Die Entzündung des aus den Düsen 51 austretenden Kraftstoff-Luft-Gemisches
geschieht mittels Zündkerzen 62, von denen in Fig. 3 zwei dargestellt sind. Vorzugsweise
ist die eine etwa 45° über der waagerechten Mittellinie und die andere in gleichem
Abstand unterhalb der 'Mittellinie angeordnet. Diese Zündkerzen erstrecken sich
durch das äußere Gehäuse 12 und die erste o3er äußerste kegelförmige Wand 35 derart,
daß die Elektroden derselben sich in das stromaufwärts gelegene Ende des äußeren
Brennraumes 31 erstrecken. Die Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird vom
äußeren Brennraum 31 zum inneren Brennraum 31° durch Verbindungskanäle 63 weiter
getragen, die
sich radial zwischen den kegelförmigen Zwischenwänden
36 und 37 erstrecken.
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Bei der dargestellten Anordnung sind vier solcher Verbindungskanäle
vorgesehen, wobei zwei derselben sich annähernd in radialer Ausfluchtung mit den
Zündkerzen 62 befinden, um eine sofortige Entzündung des Kraftstoffes im inneren
Brennraum zu gewährleisten.
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Innerhalb des ringförmigen Luftströmungskanals 13 ist vorzugsweise
ein ringförmiges Sieb 65 am stromaufwärts gelegenen Ende der Brennräume vorgesehen,
das eine gleichmäßige Luftströmung zu allen Teilen des ringförmigen Strömungsweges
13 begünstigt.
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Gegebenenfalls können die kegelförmigen Wandelemente 35, 36, 37 und
38 und alle anderen zylindrischen oder kegelförmigen Wandelemente, wie z. B. das
Gehäuse 27, durch geeignete ringförmige Glieder 66 von winkeligem oder einem anderen
Querschnitt verstärkt werden.