DE913485C - Process for the operation of combustion chambers for jet engines or the like. - Google Patents

Description

Verfahren zum Betrieb von Brennkammern für Strahltriebwerke od. dql. Bei Brennkammern für Ölfeuerungen, Gasturbinen, Strahltriebwerke od. dgl. mit forcierter Luftführung besteht die Gefahr, daß die Flamme bei höheren Geschwindigkeiten ausgeblasen und die Betriebssicherheit dadurch empfindlich herabgemindert wird. Die Störung rührt daher, daß die Zündgeschwindigkeit der gas- oder dampfförmigen oder flüssig zerstäubten Brennstoffe häufig kleiner als die Strömungsgeschwindigkeit der Gebläseluft ist, so daß die Flamme abreißt.Method for operating combustion chambers for jet engines od. Dql. In combustion chambers for oil firing, gas turbines, jet engines or the like. With forced Air ducting there is a risk that the flame will be blown out at higher speeds and the operational safety is thereby significantly reduced. The disorder stems from the fact that the ignition rate of the gaseous or vaporous or liquid atomized fuels are often less than the flow rate of the forced air so that the flame breaks down.

Besondere Schwierigkeiten bestehen bei den Strahltriebwerken von Luftfahrzeugen od. dgl., wo die Flamme auf kürzeste Länge zu beschränken ist und hohe Luftgeschwindigkeiten unumgänglich sind. Ein Ausblasen der Flammen kann hier zum Verlust des ganzen Flugzeugs führen.The jet engines of aircraft are particularly difficult Od. Like. Where the flame is to be limited to the shortest length and high air velocities are inevitable. Blowing out the flames can result in the loss of the entire aircraft to lead.

Bei gewissen Raketen hat man diese Gefahr durch Anwendung von flüssigem Sauerstoff gebannt, der gewichtsmäßig fünfmal konzentrierter wirkt als Luft und außerdem in flüssigem Zustand nur ein verschwindendes Volumen einnimmt, so daß die Verbrennung schon an und für sich auf engstem Raum stattfindet.With certain missiles you have this danger by using liquid Oxygen banned, which is five times more concentrated by weight than air and also occupies only a negligible volume in the liquid state, so that the Combustion takes place in and of itself in a very confined space.

Die Erfindung für Luftbetrieb beruht auf einem Paradoxon, daß der Erfinder an. Brausen für Duschzwecke beobachtet hat. Hält man eine solche feinlöcherige Brause über Wasser, so wird eine von den Strahlen getroffene Fläche abgestoßen, hält man die Brause aber unter Wasser, so wird eine in genügend naher Entfernung gehaltene nicht zu große Fläche, z. B. die Oberfläche eines Fingergliedes, entgegen den Impulsen der Strahlen angesaugt.The invention for air operation is based on a paradox that the Inventor. Has observed showers for showering purposes. If you hold such a fine-holed If you shower over water, a surface hit by the rays is repelled, but if you hold the shower under water, one will be at a sufficiently close distance held not too large area, z. B. the surface of a phalanx opposite sucked in by the impulses of the rays.

Die Erwartung, daß diese Erscheinung sinngemäß ähnlich auch bei entsprechenden Luft- oder Gasstrahlen eintritt und sogar auf angesaugte Gasmassen sich erstreckt, hat @sich bewahrheitet; es besteht eine gewisse Verwandtschaft mit dem bekannten Spielzeug, bei dem eine geeignet geformte Platte oder eine Kugel durch Gegenblasen eines einzelnen starken. Luftstrahles in einen entsprechenden Hohlraum hineingesaugt wird.The expectation that this phenomenon will be similar in the corresponding Air or gas jets enter and even extend to sucked gas masses, has @saved true; it there is a certain relationship with the known toy in which a suitably shaped plate or ball passes through Counter-blowing a single strong. Air jet into a corresponding cavity is sucked into it.

Bringt man (Bild i) erfindungsgemäß z. B. eine längere Gasflamme genügend nahe an eine mit hinreichend kleinen Blaslöchern i durchsetzte, schirmartige Platte 2, so verkürzt sich die Flamme und schmiegt sich in die Räume 3 nahe der Platte; dort widersteht sie stärksten Steigerungen der Geschwindigkeit sowohl der einzelnen Luftstrahlen als auch der Außenströmung um den Schirm 2, ohne abzureißen.If you bring (Fig. I) according to the invention z. B. a longer gas flame is sufficient close to an umbrella-like plate interspersed with sufficiently small blowholes 2, the flame is shortened and nestles in the spaces 3 near the plate; there it withstands the greatest increases in the speed of both the individual Air jets as well as the external flow around the screen 2 without tearing off.

Daraus folgt die grundlegende .Möglichkeit, die heute üblichen blechernen Brennkammern, die zur strengen Trennung zwischen schneller Außenströmung und langsamer innerer Flammenströmung dienen, ganz zu vermeiden und dadurch der Gefahr schnellen Ausglühens und der Notwendigkeit häufigen Ersatzes zu entziehen, außerdem Baulänge, Gewicht und kostbare Legierungsstoffe zu sparen und die Betriebssicherheit wesentlich zu erhöhen. Gegebenenfalls kann auch eine zusätzliche Gebläsestufe gespart werden.From this follows the basic possibility, the tinny one that is customary today Combustion chambers, which are used for the strict separation between faster external flow and slower serve to avoid the internal flow of flames and thereby accelerate the danger Overheating and the need for frequent replacements, as well as the overall length, To save weight and precious alloy materials and to increase operational safety significantly to increase. If necessary, an additional fan level can also be saved.

Bemerkt sei, daß die beschriebene Erscheinung bei flüssigem Sauerstoffträger in dieser Weise nicht eintritt. Das vorliegende Verfahren bezieht sich daher nicht auf Brennkammern mit flüssigem Sauerstoff oder Sauerstoffträger, wie z. B. bei gewissen Raketen. Wohl aber kann der Brennstoff gas- oder dampfförmig oder flüssig oder staubförmig fest sein.It should be noted that the phenomenon described in the case of a liquid oxygen carrier in this way does not occur. The present proceedings are therefore not related on combustion chambers with liquid oxygen or oxygen carriers, such as. B. with certain Missiles. However, the fuel can be in gaseous or vaporous or liquid or dust form be firm.

Die Theorie dieses Ansaugvorganges zeigt, daß der wirksame Druckunterschied d p außer dem Staudruck q der Strahlgeschwindigkeit auch dem Verhältnis a des Strahlquerschnittes F, zum zugehörigen erweiterten Querschnitt des Strahlausbreitungsfeldes F (Bild 2, schraffiert) proportional ist. Es ist allgemein a = FSIF und Den Verlauf von f (a) über a zeigt Bild 3. Der optimale Ansaugdruck d p ergäbe sich daraus für a = o,5 oder F, = o,5 F und wäre dann gleich o,5 q; doch beobachtet man auch bei viel kleineren Querschnittsverhältnissen a noch günstige Ansaugung, wenn nur der Staudruck q der Strahlen genügend hoch ist.The theory of this suction process shows that the effective pressure difference dp, in addition to the dynamic pressure q of the jet velocity, is also proportional to the ratio a of the jet cross-section F to the corresponding expanded cross-section of the jet propagation field F (Fig. 2, hatched). It is generally a = FSIF and Figure 3 shows the course of f (a) over a . The optimal intake pressure dp would result from this for a = 0.5 or F, = 0.5 F and would then be equal to 0.5 q; but one still observes favorable suction even with much smaller cross-sectional ratios a, if only the dynamic pressure q of the jets is sufficiently high.

Die kleinen Einzelöffnungen i in der Schirmplatte 2 können nach Bild i als zylindrische oder rechteckige Löcher, als Diffusoren 5 zur Verminderung der Geschwindigkeit und Umsetzung derselben in Druck (Venturidüsen) oder als ringförmige feine Schlitze oder gewölbt wie feine Turbinenleitschaufeln oder Turbinendiffusoren ausgeführt werden.The small individual openings i in the faceplate 2 can according to Fig i as cylindrical or rectangular holes, as diffusers 5 to reduce the Speed and implementation of the same in pressure (venturi nozzles) or as ring-shaped fine slots or arched like fine turbine guide vanes or turbine diffusers are executed.

Die öffnungen können parallel oder gegeneinan@dergeneigt oder unter gemeinsamer Schräge z. B. zur Erzeugung von Drall oder einer sonstwie divergierenden Strömung liegen.The openings can be parallel or inclined to one another or below common slope z. B. to generate a twist or an otherwise divergent one Current lie.

Der Schirm 2 selbst kann eben (Bild i) oder gewölbt, z. B. als Zylindermantel oder Kugelabschnitt (Bild q.), oder ringförmig oder als Kegel oder sonstwie ausgebildet sein, um einen günstigeren Abfluß der Außenströmung zu erzielen. Zur Erleichterung der Eintritte der letzteren in die Verteilungslöcher i können bei seitlicher Anströmung Querrippen oder die bekannten vorsegelartig gestaff elten Leitflächen 6, entsprechend z. B. Bild 4., angeordnet «-erden.The screen 2 itself can be flat (picture i) or curved, e.g. B. as a cylinder jacket or spherical section (Fig. q.), or ring-shaped or as a cone or in some other way be in order to achieve a more favorable discharge of the external flow. To make things easier the entry of the latter into the distribution holes i can with a lateral flow Cross ribs or the well-known staggered baffles 6, accordingly z. B. Fig. 4., arranged «- earth.

Die Ansaugung der Flamme kann unterstützt werden durch geradlinige, ringförmige, spiralige oder sich kreuzende Furchen (grabenartige Vertiefungen, Bild 5) zwischen den Lochreihen. Diese Furchen bringen den weiteren Vorteil, die Wärmespannungen in der Lochplatte beträchtlich zu verringern.The suction of the flame can be supported by straight, annular, spiral or intersecting furrows (trench-like depressions, fig 5) between the rows of holes. These furrows bring the further advantage, the thermal stress to reduce considerably in the perforated plate.

Eine günstige Fertigung ergibt sich nach Bild 6, wenn die Furchen und die ganzen Lochplatten aus Wellblech g mit eingestanzten Löchern hergestellt werden. Die Zuführung -des gasförmigen oder flüssigen Brennstoffes kann durch eine oder mehrere getrennte Leitungen in oder über der Schirmplatte geschehen (7 in Bild q. oder 14 iin, Bild 6).A favorable production results according to Fig. 6, if the furrows and the whole perforated plates made of corrugated iron g with punched holes will. The supply of the gaseous or liquid fuel can be through a or several separate lines in or above the shield plate (7 in Fig q. or 14 iin, Fig. 6).

In jedem Falle muß aber darauf geachtet werden, daß mindestens ein Teil des unmittelbaren Austrittes i i des Brennstoffes (Bild 7), d. h. auch der Ansatzteil der Flamme, nicht sofort von einem der kleinen Teilluftstrahlen getroffen wird, sondern in einer der freien Gassen 3 oder der Furchen 8 zwischen den Luftstrahlen oder sonstwie, z. B. durch einen kleinen ebenen oder zylindrischen Schirm 15 (Bild 7) vor dem letzteren geschützt, liegt.In any case, care must be taken to ensure that at least one Part of the immediate exit i i of the fuel (Fig. 7), d. H. also the Attachment part of the flame, not immediately hit by one of the small partial air jets is, but in one of the free lanes 3 or the furrows 8 between the air jets or otherwise, e.g. B. by a small flat or cylindrical screen 15 (Fig 7) protected from the latter, lies.

Die Verlangsamung der äußeren Zuströmgeschwindigkeit bis zur genügend niedrigen Geschwindigkeit der Einzelluftstrahlen kann in den schon erwähnten Diffusoröffnungen 5 (Bild i) erfolgen; es können aber auch in oder vor oder hinter den zylindrischen Strahlöffnungen i irgendwelche Drosselhindernisse (Siebe, Gleichrichter, gewundene Bleche, Blenden, scharfe Kanten, Gewindegänge, Rauhigkeiten od. dgl.) angeordnet oder mit Diffusoröffnungen kombiniert werden.The slowing down of the external inflow speed to sufficient low speed of the individual air jets can be in the already mentioned diffuser openings 5 (picture i); but it can also be in or in front of or behind the cylindrical Jet openings i any throttling obstacles (sieves, rectifiers, winding Sheets, panels, sharp edges, threads, roughness or the like.) Arranged or combined with diffuser openings.

Erfindungsgemäß kann auch die äußere Umströmung der Schirmplatten durch Anordnung von geeigneten Leitblechen oder Leitschaufeln diszipliniert werden; z. B. können schraubenförmig gewundene Leitorgane 12 (Bild q.) dazu dienen, um statt der unregelmäßigen (statistischen) Wirbelbildungen hinter der Platte - ein regelmäßiges Schraubenwirbelgebilde von gewünschter Steigung und Gangzahl zu erzeugen, das die Flamme (Brennzone) hinter dem Schirm einhüllt und weiter stromabwärts in beherrschbarer Entfernung eine genügend starke Mischbewegung zwischen den Verbrennungsgasen und der kühlenden Außenluft vermittelt. Statt dessen kann jede andere Führung der Außenluft durch Schaufeln, Rinnen oder sonstige feste Leitorgane oder durch umlaufende Propeller zur Disziplinierung der äußeren Wirbelbewegung in gewünschtem Sinne (kleine oder geringe Mischung der Kühlluft mit der Flammenzone, starke Mischung hinter der Flamme) angewendet werden.According to the invention, the external flow around the face plates be disciplined by the arrangement of suitable baffles or vanes; z. B. helically wound guide elements 12 (Fig. Q.) Serve to take place of the irregular (statistical) eddy formations behind the plate - a regular one To generate screw vortices of the desired pitch and number of threads that the Flame (burning zone) envelops behind the screen and further downstream in controllable Remove a sufficiently strong mixing movement between the combustion gases and the cooling outside air. Instead, any other way of guiding the outside air by blades, gutters or other fixed guide elements or by rotating propellers to discipline the external vortex movement in the desired sense (small or low mixing of the cooling air with the flame zone, strong mixing behind the flame) be applied.

Die erforderliche Mischbewegung kann auch durch die Wahl des Dralles der Flammenströmung beeinflußt werden, indem z. B. der einen Flamme ein Linksdrall, der jeweils benachbarten ein Rechtsdrall oder allen Flammen ein gleichsinniger Drall erteilt wird. Die zwischen den,Schirmen weiter ab von den Flammen vorbeiströmende Frischluft kann zusätzlich durch getrennte, z. B. schaufelähnliche Leitorgane in die gewünschte Richtung hineingelenkt werden. Auch diese Leitorgane liegen hier im Kühlen, außerhalb des Bereiches der Verbrennungsgase von i6oo bis 2ooo'° C. Die Schirmplatten werden beim vorliegenden Verfahren schon weitgehend durch die vorbei- und hindurchstreichende Luft gekühlt, insbesondere bei der Bauart nach Bild 6 mit welligen Furchen. Nötigenfalls kann aber auch zusätzlich eine Kühlung durch Flüssigkeit erfolgen, wofür sich besonders flüssiger Brennstoff eignet, der z. B. in Ringnuten entlang geführt und dabei teilweise verdampft werden kann.The required mixing movement can also be achieved through the choice of twist the flame flow can be influenced by z. B. the one flame a Left-hand twist, the neighboring one right-hand twist, or all flames have the same direction Twist is granted. The one between the screens, farther away from the flames Fresh air can additionally through separate, z. B. shovel-like guide elements in be steered in the desired direction. These governing bodies are also here in cooling, outside the range of combustion gases from 160 to 200 ° C. The In the present process, shield plates are already largely due to the and air passing through it is cooled, especially with the type shown in Figure 6 wavy furrows. If necessary, however, liquid cooling can also be used take place, for which liquid fuel is particularly suitable, the z. B. in ring grooves can be guided along and partially evaporated.

Die gesamte Brennzone z. B. eines .Strahltriebwerkes kann in bekannter Weise in einzelne getrennte Flammen und Schirme aufgelöst werden, aber auch als zusammenhängender Ring betrieben werden.The entire burn zone z. B. a .jet engine can be known in Way to be resolved into individual separate flames and screens, but also as connected ring can be operated.

Außer den genannten Vorteilen des vorliegenden Verfahrens ist von Bedeutung, daß hier die Flammen, auch wenn örtlich eine kleine Zone durch einen Teilstrahl ausgeblasen wird, sich doch immer wieder an ihrer Nachbarschaft unter dem Schirm entzünden.In addition to the stated advantages of the present process, from Meaning that here the flames, even if locally a small zone through one Partial beam is blown out, but again and again in their neighborhood ignite the screen.

Zusammenfassend beruht die Wirkung des Verfahrens auf der neuartigen vollen Beherrschung der Turbulenz, und zwar der Kleinturbulenz im Innern der Brennzonen (durch die feinen Teilstrahlen) wie der Großturbulenz außen, welche durch die Art der Randwirbel den Mischvorgang stromabwärts bedingt.In summary, the effect of the process is based on the novel full control of the turbulence, namely the small turbulence inside the combustion zones (through the fine partial jets) as well as the great turbulence outside, which is caused by Art the tip vortex causes the mixing process downstream.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Betrieb von Brennräumen für Strahltriebwerke, Gasturbinen od. dgl. mit Luft als Sauerstoffträger, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammen, ohne Benutzung voll ummantelter Brennkammern, getrennt oder ringförmig hinter plattenartigen Schirmen erzeugt werden, die von so feinen und zahlreichen Einzelluftstrahlen durchsetzt sind, daß in deren Zwischenräumen ein genügendes Vakuum entsteht, um den Flammenansatz bis an die Schirmplatten heranzusaugen und so die Flammen weitestgehend zu verkürzen. PATENT CLAIMS: i. Procedure for the operation of combustion chambers for jet engines, Gas turbines or the like with air as the oxygen carrier, characterized in that the flames, without the use of fully jacketed combustion chambers, separate or ring-shaped behind plate-like screens that are so fine and numerous Individual air jets are penetrated so that there is a sufficient vacuum in the spaces between them arises in order to draw the flame up to the faceplate and so the Shorten the flames as much as possible. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelluftstrahlen im Bereich der Schirmplatten durch diffusorartige Bohrungen oder Schlitze verzögert werden und dadurch solchen Unterdruck an der Platte erzeugen, daß die Flamme bis in die Diffusoren hineingesaugt wird. 2. The method according to claim i, characterized in that that the individual air jets in the area of the faceplate through diffuser-like holes or slots are delayed and thereby create such negative pressure on the plate, that the flame is sucked into the diffusers. 3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammen durch Anordnung von Furchen (8) bis in die Tiefe der Schirmplatten hineingesaugt werden. q.. 3. The method according to claim i, characterized in that the flames by arranging grooves (8) to in the depth of the faceplates are sucked in. q .. Verfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansatzbezirke (io und i i) der Flammen durch besondere kleine Teilschirme (i5) vor der Blaswirkung der Einzelluftstrahlen geschützt sind (Bild 7). Method according to claim i to 3, characterized in that the approach areas (io and i i) of the flames through special small partial screens (i5) protected from the blowing effect of the individual air jets are (picture 7). 5. Verfahren nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelluftstrahlen vor dem Eintritt in die Flammen durch Drosselhindernisse vor, in oder hinter den Schirmplatten verzögert werden. 5. The method according to claim i to q., Characterized in that the individual air jets before entering the flames through throttle obstacles in front of, in or behind the faceplates. 6. Verfahren nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß schräg zuströmende Luft durch gestaffelte Leitflächen (6) od. dgl. möglichst normal auf die Schirmplatten gelenkt wird. 6. The method according to claim i to 5, characterized in that air flowing in at an angle through staggered guide surfaces (6) or the like is directed as normally as possible onto the faceplate. 7. Verfahren nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmung der äußeren Kühlluft durch Leitorgane diszipliniert, insbesondere durch Bildung vorgeschriebener Wirbelformen zu einer beherrschten Mischbewegung hinter der Flamme gebracht wird. B. 7. Procedure according to Claims i to 6, characterized in that the outflow of the external cooling air disciplined by leading organs, in particular through the formation of prescribed vortex shapes is brought to a controlled mixing movement behind the flame. B. Verfahren nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe geeigneter fester Leitorgane (i2) an den Schirmen (2) Systeme von Schraubenwirbeln erzeugt werden, welche die Flammen umgeben. procedure according to claims i to 7, characterized in that with the aid of suitable fixed guide elements (i2) systems of screw vortices are generated on the screens (2), which the Surrounded by flames. 9. Verfahren nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schraubenwirbel durch umlaufende Propeller erzeugt werden. io. Verfahren nach Anspruch i bis 9 zur Beeinflussung der Mischung der Flammenabgase mit der Kühlluft durch den Drall der Flammengase, dadurch gekennzeichnet, dä.ß benachbarte Einzelflammen jeweils entgegengesetzten Drall erhalten.9. The method according to claim i to 7, characterized in that these vortices are generated by rotating propellers. ok Procedure according to Claims i to 9 for influencing the mixture of the flame exhaust gases with the cooling air by the swirl of the flame gases, characterized in that adjacent individual flames each received opposite twist.