WO2023285298A1 - Combustion chamber assembly comprising a nozzle head of a fuel nozzle for injecting fuel in the direction of a combustion chamber head - Google Patents

Combustion chamber assembly comprising a nozzle head of a fuel nozzle for injecting fuel in the direction of a combustion chamber head Download PDF

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WO2023285298A1
WO2023285298A1 PCT/EP2022/069000 EP2022069000W WO2023285298A1 WO 2023285298 A1 WO2023285298 A1 WO 2023285298A1 EP 2022069000 W EP2022069000 W EP 2022069000W WO 2023285298 A1 WO2023285298 A1 WO 2023285298A1
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combustion chamber
nozzle
head
fuel
air
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PCT/EP2022/069000
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Carsten Clemen
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Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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    • F23R3/18—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants
    • F23R3/20—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants incorporating fuel injection means
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • Combustion chamber assembly with a nozzle head of a fuel! Nozzle for injecting fuel in the direction of a combustion chamber head
  • the proposed solution relates to a combustion chamber assembly for an engine, in particular for a hydrogen fueled engine.
  • the fuel and air are injected into a combustion chamber of the combustion chamber via at least one fuel nozzle in order to provide an ignitable fuel-air mixture.
  • the fuel nozzle comprises a nozzle head with outflow openings on an end face of the nozzle head.
  • this front face faces a combustion space of the combustion chamber.
  • the fuel is injected here via a first outflow opening which appears circular on the end face. The first outflow opening for the fuel is thus designed in the manner of an annular gap.
  • a second outflow opening for air to be injected which is located radially on the inside, with respect to a main flow direction of the fuel to be injected, also typically has a circular course on the end face.
  • the several different outflow openings for fuel and air are thus typically circular in cross section kind of annular gaps formed. This is then regularly accompanied by a circular-cylindrical design of the nozzle head of the fuel nozzle.
  • the proposed combustor assembly provides a remedy.
  • a proposed combustion chamber assembly for an engine comprises at least one fuel nozzle with a nozzle head for injecting fuel into the combustion chamber in addition to a combustion chamber with a combustion chamber head via which air can flow into the combustion chamber along a flow direction.
  • the nozzle head is arranged downstream of the combustion chamber head in relation to the direction of flow and has at least one nozzle opening for injecting fuel in the direction of the combustion chamber head.
  • a nozzle opening is thus provided on the nozzle head, through which fuel is injected toward the combustion chamber head.
  • a fuel flow in the direction of the combustion chamber head can consequently be generated via the at least one nozzle opening of the nozzle head.
  • the proposed combustion chamber assembly also deviates from a conventional design and arrangement of a nozzle head of a fuel nozzle in that the nozzle head is arranged downstream of the combustion chamber head at a distance from the combustion chamber head and fuel is injected in a targeted manner in the direction of the combustion chamber head and not in the direction of flow of the inflowing air.
  • a fuel flow is consequently generated via the nozzle head, which is directed at least partially in the opposite direction to the flow direction of the air flowing into the combustion chamber.
  • an improved mixture of the fuel with the air can be achieved before the resulting fuel-air mixture is then conveyed further along the (main) flow direction into the combustion chamber via the air flow.
  • the nozzle head with the at least one nozzle opening is therefore set up and arranged in such a way that fuel flowing out via it is injected into the nozzle head in the direction of the combustion chamber head and thus with a directional component opposite to the flow direction of the air. It is consequently ensured in this way that fuel flowing out of the nozzle head is directed via the at least one nozzle opening in a targeted manner towards an air flow from the combustion chamber head or encounters such an air flow.
  • the at least one nozzle opening is provided on an outer lateral surface of the nozzle head that is curved, in particular convexly curved, in the direction of the combustion chamber head.
  • the nozzle head can also be hemispherical or spherical.
  • a curved lateral surface on which the at least one nozzle opening is provided offers the advantage of aligning the nozzle opening more easily with certain areas of the combustion chamber head lying upstream. In particular, this can have the advantage of providing a plurality of nozzle openings on the curved outer lateral surface of the nozzle head and already specifying a certain outflow direction for the fuel flowing out via the nozzle openings via their position on the curved outer lateral surface.
  • one variant provides for the formation of the at least one nozzle opening at one end of a sleeve-shaped extension on the nozzle head.
  • This sleeve-shaped extension then protrudes from an outer lateral surface of the nozzle head in the direction of the combustion chamber head.
  • Physical guidance for the fuel to be injected is thus provided via the sleeve-shaped extension, in particular with the aim of generating a discrete fuel jet at the nozzle opening in the direction of a specific area of the combustion chamber head.
  • a plurality of corresponding sleeve-shaped extensions can then also be used, for example, to generate a plurality of corresponding fuel jets spatially separated on the nozzle head.
  • the length by which the sleeve-like extension protrudes from the outer lateral surface of the nozzle head corresponds to at least twice the diameter of the nozzle opening.
  • the proposed relationship between a length of the sleeve-shaped extension and a diameter of the nozzle opening provided at the end of the extension allows fuel to be guided more precisely in the direction of a specific section of the upstream combustion chamber head, and thus, for example, in the direction of a specific one Area of the combustion chamber head where an air opening is provided for generating an air flow in the direction of the nozzle head.
  • the nozzle head (arranged downstream of the combustion chamber head) can have a plurality of nozzle openings each provided for injecting fuel in the direction of the combustion chamber head.
  • Several (at least two) nozzle openings on the nozzle head allow fuel to be injected in a more targeted manner into different areas of a space in the combustion chamber between the combustion chamber head and the nozzle head, in which space the fuel is to be mixed with the inflowing air and from which the resulting fuel Air mixture is promoted further into the combustion chamber under the effect of the incoming air.
  • at least 6 nozzle openings, in particular for example 9 or 17 nozzle openings, are provided on the nozzle head.
  • the plurality of nozzle openings can be distributed (uniformly or unevenly) on a section of an outer lateral surface of the nozzle head that faces the combustion chamber head.
  • this includes a variant in which a plurality of nozzle openings is provided on a corresponding number of sleeve-like extensions on the outer lateral surface of the nozzle head.
  • At least one air opening for guiding air in the direction of the nozzle head is provided on the combustion chamber head.
  • Such an air opening can in principle be provided at one end of an air nozzle that protrudes into the combustion chamber.
  • at least one air nozzle is consequently provided on the combustion chamber head in order to direct air (which flows, for example, from a compressor of the engine in the direction of the combustion chamber) on the combustion chamber head in a targeted manner in the direction of the nozzle head arranged within the combustion chamber.
  • An air nozzle of the combustion chamber head can form a nozzle sleeve, at the end of which protruding into the combustion chamber the nozzle opening is formed.
  • the nozzle sleeve can extend into the combustion chamber in the direction of the nozzle head with a length which is less than a length with which the nozzle sleeve protrudes upstream on the combustion chamber head.
  • a at the combustor head upstream The protruding (first) end of the nozzle sleeve then forms at least one inflow opening in order to direct air into the nozzle sleeve, which then flows into the combustion chamber via the other (second) end.
  • a larger part of a nozzle sleeve of the air nozzle of the combustion chamber head is outside the combustion chamber is present.
  • a ratio of a length by which the nozzle sleeve projects upstream on the combustion chamber head to a length by which the nozzle sleeve projects downstream into the combustion chamber is considered advantageous.
  • the nozzle sleeve protrudes into the combustion chamber with three quarters ( 3 L) of its total length upstream, while the nozzle sleeve downstream of the combustion chamber head projects into the combustion chamber with only one quarter (%) of its total length.
  • an overall length of the nozzle sleeve can correspond to at least twice the diameter of the air opening.
  • a corresponding minimum length-diameter ratio is ideal for (more) efficient guidance of the air into the combustion chamber and in particular in the direction of the nozzle head.
  • a plurality of air openings each provided for guiding air in the direction of the combustion chamber head can also be present on the combustion chamber head.
  • the air openings and nozzle openings are then assigned to one another in combination with a nozzle head having a plurality of nozzle openings.
  • one nozzle opening of the nozzle head is then assigned, for example, to exactly one air opening of the combustion chamber head, and a respective nozzle opening is set up and arranged in such a way that fuel flowing out here in the direction of the respectively assigned air opening and thus opposite to the flow direction of the air flowing into the combustion chamber from the assigned air opening is injected.
  • a plurality of air flows from the combustion chamber head specifically meet fuel flows flowing in opposite directions from a nozzle head of a fuel nozzle during operation of the engine.
  • the nozzle head, which has a plurality of nozzle openings, and the combustion chamber head, which has a plurality of air openings, are thus matched to one another in such a way that (in each case radial) air flows and Fuel flows meet in the combustion chamber and thus in a combustion chamber within the combustion chamber.
  • the combustion chamber head can comprise a plurality of segments which are arranged next to one another along a circumference of the combustion chamber. In this case, there can also be several air openings on each individual segment of the combustion chamber head.
  • a plurality of nozzle heads can of course also be provided, of which one nozzle head is assigned (precisely) to one segment of the combustion chamber head. In such an embodiment variant, a nozzle head is then arranged downstream of a respectively assigned segment.
  • a fuel nozzle with more than one nozzle head, ie providing at least two nozzle heads on a nozzle stem of the fuel nozzle integrated in a fuel supply line.
  • a fuel nozzle of a proposed combustion chamber assembly can basically be set up and provided for injecting gaseous fuel, in particular for injecting hydrogen.
  • Part of the proposed solution is also an engine with an embodiment variant of a proposed combustor assembly.
  • Figure 1 shows an embodiment of a proposed solution
  • a combustor assembly comprising a spherical nozzle head on a fuel nozzle spaced downstream from a combustor head;
  • FIG. 2A shows a front view of a fuel nozzle with the spherical nozzle head of FIG. 1;
  • FIG. 2B is a sectional view of the fuel nozzle of Figure 2A;
  • FIG. 3 shows a front view of a segment of a combustion chamber head of the combustion chamber assembly of FIG. 1 with a fuel nozzle located behind it;
  • FIG. 4 shows a plan view and diagrammatically of an aircraft with two engines, each of which has at least one combustion chamber assembly of the proposed solution;
  • FIG. 5 shows diagrammatically the structure of one of the engines of the aircraft of FIG. 9, each of which is operated with hydrogen;
  • FIG. 6 shows a combustion chamber assembly known from the prior art, in which a conventional fuel nozzle is provided for injecting kerosene into a combustion chamber.
  • FIG. 4 shows an airplane 101, for example a passenger airplane, in a plan view.
  • the aircraft 101 has a fuselage 102 with two wings, on each of which an engine 103, for example a turbofan engine, is provided.
  • a hydrogen storage tank 104 is accommodated in the fuselage 102 of the aircraft 101 .
  • hydrogen is held available as a fuel for the engines 103, for example in liquid form.
  • the hydrogen from the hydrogen storage tank 104 is made available to the engines 103 via a fuel supply system 201 (cf. FIG. 5) and is used here for combustion in a respective core engine 105 in order to drive a fan of the respective engine 103 .
  • the block diagram in FIG. 5 illustrates the structure of the core engine 105 of an engine 103 in more detail.
  • hydrogen is made available as fuel from the hydrogen storage tank 104 via the fuel supply system 201 to the respective core engine 105 .
  • the core engine 105 has a low-pressure compressor 202, a high-pressure compressor 204, a diffuser 205, a fuel injection system 206, a combustion chamber 207, a high-pressure turbine 208, a low-pressure turbine 209 and a Outlet nozzle 210 on.
  • the low-pressure compressor 202 and the high-pressure compressor 204 are connected to one another via a connecting duct 203 in the block diagram in FIG.
  • the high-pressure compressor 204 is driven by the high-pressure turbine 208 via a first shaft 211, while the low-pressure compressor 203 is driven by the low-pressure turbine 209 via a second shaft 212 is driven.
  • a three-shaft design can of course also be provided.
  • the low-pressure turbine 209 drives a fan 213 of the engine 103 via a (reduction) gear unit 214 .
  • the transmission unit 214 is connected to the second shaft 212 on the input side and is coupled to the fan 213 via a fan shaft 215 on the output side.
  • gear unit 214 includes an epicyclic reduction gear.
  • a planetary gear can be part of the gear unit 214, although alternative gear designs are of course also possible.
  • a gear unit 214 can also be omitted, so that the second shaft 212 driven by the low-pressure turbine is coupled directly to the fan 213 .
  • FIG. 6 shows a configuration, known from the prior art, of a combustion chamber assembly with the fuel injection system 206 and the combustion chamber 207, via which the turbine stages of the high-pressure turbine 208 and the low-pressure turbine 209 can be driven.
  • the combustion chamber 207 defines a combustion chamber bounded by a combustion chamber wall 1 .
  • the exhaust gas produced during combustion in the combustion chamber is guided in the main flow direction s via a turbine guide wheel, in particular a so-called turbine inlet guide wheel 8, to the high-pressure turbine 208.
  • the combustion chamber 207 has a combustion chamber head 11 and downstream therefrom a heat shield 12, in which a nozzle head of a fuel nozzle 7* of the fuel injection system 206 is accommodated.
  • the heat shield 12 and the combustion chamber head 11 are often joined together as a welded construction.
  • the combustion chamber 207 is further arranged between a (radially) outer casing 2 and a (radially) inner casing 3 of the combustion chamber assembly.
  • An air flow is guided from the high-pressure compressor 205 through the diffuser 205 and finally through a pre-diffuser 6 into a housing space accommodating the combustion chamber 207 .
  • the air flow coming from the pre-diffuser 6 is divided here. Part of the air flow is conducted via the combustion chamber head 11, cooling air bores 10 provided in the heat shield 12 and the nozzle head of the fuel nozzle 7* into the combustion chamber in order to provide an ignitable fuel-air mixture there.
  • Another part of the air from the pre-diffuser 6 flows into two (outer and inner) flow spaces 4 and 5, which are formed between an outer lateral surface of the combustion chamber wall 1 and the housings 2 and 3.
  • the air entering the inner and outer flow spaces 4 and 5 serves to cool the combustion chamber wall 1.
  • Air is guided through cooling air bores 10 for more efficient cooling of the combustion chamber wall 1 and in particular combustion chamber shingles 1a provided thereon on the combustion chamber side from the outside into the combustion chamber.
  • the combustion chamber wall 1 has additional admixture air holes 9 in order to conduct part of the air from the flow spaces 4 and 5 into the combustion chamber as admixture air.
  • air from the flow spaces 4 and 5 downstream of the combustion chamber 207 can also be used to cool the turbine guide wheel 8 .
  • the combustion chamber tiles 1a are fixed to the combustion chamber wall 1, for example, via screw connections 1b.
  • the fuel provided by the fuel injection system 206 is mixed with air in the fuel nozzle 7 * in the area of the heat shield 12 to provide the flammable fuel-air mixture.
  • a nozzle head of the fuel nozzle 7* is accordingly arranged on the combustion chamber head 11 of the combustion chamber 207 for this purpose.
  • the nozzle head of the fuel nozzle 7* is provided on an end of a nozzle stem 70 of the fuel nozzle 7* that protrudes radially inwards and is fixed to the outer housing 2 or a housing wall of this outer housing 2.
  • the nozzle stem 70 protrudes through a through-hole 13 in the housing wall of the (outer) housing 2 and is fastened to the housing wall of the housing 2 in a sealing manner via a fastening flange 14 .
  • the fastening flange 14 is connected to the housing 2 via screws 16, for example.
  • the feed-through hole 13 on the housing wall of the housing 2 is sealed off via a seal 15 on the fastening flange 14 .
  • FIGS. 1 to 3 illustrate different possible design variants by way of example. ok
  • FIG. 1 shows a sectional view of an embodiment variant of a proposed combustion chamber assembly.
  • a fuel nozzle 7 is provided in the embodiment variant in Figure 1, which injects fuel in a targeted manner in the direction of the combustion chamber head 11 and thus in the present case into an area of the combustion chamber 207 that lies between the combustion chamber head 11 and a nozzle head 71 of the fuel nozzle 7 is present.
  • the nozzle head 71 is spherical and thus has a convexly curved lateral surface running around the circumference.
  • a (front) section of this convex lateral surface assigned to the upstream combustion chamber head 11 is provided with a plurality of nozzle openings 710 - in this case at least 6 nozzle openings, e.g .
  • the individual nozzle openings 710 are supplied with fuel from a central fuel supply line 701 located in the nozzle stem 70 of the fuel nozzle 7 .
  • gaseous hydrogen is supplied to the nozzle head 71 via the fuel supply line 701 .
  • a plurality of air nozzles 7 is provided on the combustion chamber head 11 in the embodiment variant in FIG.
  • the air nozzles 17 are distributed and aligned on the combustion chamber head 11 in such a way that air flowing in through them flows in a targeted manner onto the nozzle head 71 of the fuel nozzle 7 located downstream.
  • air flows out of an air opening of an air nozzle 17 which is formed at one end of a nozzle sleeve 170 which projects into the combustion chamber 207 .
  • This nozzle sleeve 170 protrudes upstream on the combustion chamber head 11 with a large part of its total length, for example three quarters of its total length.
  • the overall length of the nozzle sleeve 170 also corresponds to at least twice the (opening) diameter of the air opening at the end of the nozzle sleeve 170 protruding into the combustion chamber 207 an associated nozzle opening 710 of the nozzle head 71 is directed.
  • the nozzle openings 710 of the nozzle head 71 are also aligned with the air openings of the air nozzles 17 of the combustion chamber head 11, so that again discrete Fuel flows k can be generated in the direction of an associated air opening. In this way, during operation of engine 103, opposing air flows I and force flows k are generated via air nozzles 17 and nozzle head 71 of fuel nozzle 7; lead mixture.
  • the nozzle openings 710 of the nozzle head 71 are provided on sleeve-like extensions 710A, which protrude on the outer lateral surface of the nozzle head 71 (radially in relation to a center point of the spherical shape of the nozzle head 71).
  • These sleeve-shaped extensions 710A support the generation of directed jet-shaped fuel flows k in the direction of the associated air openings on the combustion chamber head 11.
  • a length has a sleeve-shaped Extension 710A corresponds to at least twice a (nozzle) diameter of a nozzle opening 710.
  • the sleeve-shaped extensions 710A are also provided in the present case in the manner of hedgehog spines and are thus distributed in a hedgehog shape on the outer lateral surface of the nozzle head 71, but only on a section of the outer lateral surface facing the combustion chamber head 11.
  • the number of air openings and thus air nozzles 17 on the combustion chamber head 11 corresponds to the number of nozzle openings 710 on the nozzle head 71 of the fuel nozzle 7.
  • Air and fuel flows in the combustion chamber 207 are generated in a targeted manner towards one another.
  • the air openings on the combustion chamber head 11 and the nozzle openings 710 on the nozzle head 71 are also distributed evenly in order to support the formation of a fuel-air mixture that is as homogeneous as possible in the front region of the combustion chamber 207 .
  • each segment 110 is assigned to exactly one nozzle head 71. Accordingly, in such an embodiment variant, each segment 110 then also has a number of air nozzles 17 which corresponds to a number of nozzle openings 710 on the associated nozzle head 71 . For example, around the perimeter of the combustion chamber 207 are nine, ten, sixteen or twenty segments 110 are foreseen. At least six air nozzles 17, for example nine or seventeen air nozzles 17, are then provided per segment 110 in order to generate radial air flows I in the direction of a corresponding number of nozzle openings 710 of an associated nozzle head 71.
  • a proposed combustion chamber assembly with a fuel nozzle is described above as particularly suitable for injecting hydrogen, a proposed combustion chamber assembly is of course also suitable for injecting other liquid or gaseous fuels, eg for injecting methane.
  • the plurality of nozzle openings 710 can thus also be provided for another fuel to be injected.

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Abstract

The invention relates to a combustion chamber assembly for an engine (103), comprising - a combustion chamber (207) with a combustion chamber head (11), via which air can flow into the combustion chamber (207) along a flow direction (s), and - at least one fuel nozzle (7) with a nozzle head (71) for injecting fuel into the combustion chamber (207). The nozzle head (71) is arranged downstream of the combustion chamber head (11) with respect to the flow direction (s) and has at least one nozzle opening (710) for injecting fuel in the direction of the combustion chamber head (11).

Description

Brennkammerbaugruppe mit einem Düsenkopf einer Kraftstoffe! üse zum Eindüsen von Kraftstoff in Richtung eines Brennkammerkopfes Combustion chamber assembly with a nozzle head of a fuel! Nozzle for injecting fuel in the direction of a combustion chamber head
Beschreibung description
Die vorgeschlagene Lösung betrifft eine Brennkammerbaugruppe für ein Triebwerk, insbesondere für ein mit Wasserstoff betriebenes Triebwerk. The proposed solution relates to a combustion chamber assembly for an engine, in particular for a hydrogen fueled engine.
Bei bisher in der Praxis üblichen, mit zum Beispiel Kerosin als Kraftstoff betriebenen Triebwerken werden an einer Brennkammer der Kraftstoff und Luft über mindestens eine Kraftstoffdüse in einen Brennraum der Brennkammer eingedüst, um ein entzündliches Kraftstoff-Luft-Gemisch bereitzustellen. Die Kraftstoffdüse umfasst zur Bereitstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches einen Düsenkopf mit Ausströmöffnungen an einer Stirnseite des Düsenkopfes. Diese Stirnseite ist dabei im bestimmungsgemäß eingebauten Zustand der Kraftstoffdüse einem Brennraum der Brennkammer zugewandt. Typischerweise wird der Kraftstoff hierbei über eine an der Stirnseite kreisringförmig erscheinende erste Ausströmöffnung eingedüst. Die erste Ausströmöffnung für den Kraftstoff ist somit nach Art eines Ringspalts ausgestaltet. Auch eine, bezogen auf einer Hauptströmungsrichtung des einzudüsenden Kraftstoffes, radial innenliegende zweite Ausströmöffnung für einzudüsende Luft weist an der Stirnseite typischerweise einen kreisringförmigen Verlauf auf. Gleiches gilt für wenigstens eine zusätzliche, dritte Ausströmöffnung an der Stirnseite des Düsenkopfes oder an einer den Düsenkopf aufnehmenden Durchgangsöffnung in einem Hitzeschild der Brennkammer. Die mehreren unterschiedlichen Ausströmöffnung für Kraftstoff und Luft sind somit typischerweise jeweils im Querschnitt kreisringförmig nach Art von Ringspalten ausgebildet. Damit geht dann auch regelmäßig eine kreiszylindrische Ausbildung des Düsenkopfes der Kraftstoffdüse einher. In the case of engines which have been used to date and which are operated with kerosene as fuel, for example, the fuel and air are injected into a combustion chamber of the combustion chamber via at least one fuel nozzle in order to provide an ignitable fuel-air mixture. In order to provide the fuel-air mixture, the fuel nozzle comprises a nozzle head with outflow openings on an end face of the nozzle head. When the fuel nozzle is installed as intended, this front face faces a combustion space of the combustion chamber. Typically, the fuel is injected here via a first outflow opening which appears circular on the end face. The first outflow opening for the fuel is thus designed in the manner of an annular gap. A second outflow opening for air to be injected which is located radially on the inside, with respect to a main flow direction of the fuel to be injected, also typically has a circular course on the end face. The same applies to at least one additional, third outflow opening on the end face of the nozzle head or on a through-opening in a heat shield of the combustion chamber that accommodates the nozzle head. The several different outflow openings for fuel and air are thus typically circular in cross section Kind of annular gaps formed. This is then regularly accompanied by a circular-cylindrical design of the nozzle head of the fuel nozzle.
Während sich die vorstehend beschriebene Gestaltung eines Düsenkopfes einer Kraftstoffdüse für einzudüsenden flüssigen Kraftstoff, zum Beispiel Kerosin, bewährt hat, besteht mit Blick auf mit einem gasförmigen Kraftstoff, z.B. Wasserstoff, betriebene Triebwerke und damit gasförmig einzudüsenden Kraftstoff weiterer Verbesserungsbedarf für Kraftstoffdüsen zur Nutzung an einem Triebwerk. While the above-described design of a nozzle head of a fuel nozzle for liquid fuel to be injected, for example kerosene, has proven itself, there is a need for fuel nozzles for use on an engine with a view to engines operated with a gaseous fuel, e.g. hydrogen, and thus fuel to be injected in gaseous form .
In dieser Hinsicht schafft die vorgeschlagene Brennkammerbaugruppe Abhilfe. In this regard, the proposed combustor assembly provides a remedy.
Hierbei umfasst eine vorgeschlagene Brennkammerbaugruppe für ein Triebwerk neben einer Brennkammer mit einem Brennkammerkopf, über den Luft in die Brennkammer entlang einer Strömungsrichtung einströmen kann, mindestens eine Kraftstoffdüse mit einem Düsenkopf zum Eindüsen von Kraftstoff in die Brennkammer. Der Düsenkopf ist, bezogen auf die Strömungsrichtung, stromab des Brennkammerkopfes angeordnet und weist mindestens eine Düsenöffnung zum Eindüsen von Kraftstoff in Richtung des Brennkammerkopfes auf. Here, a proposed combustion chamber assembly for an engine comprises at least one fuel nozzle with a nozzle head for injecting fuel into the combustion chamber in addition to a combustion chamber with a combustion chamber head via which air can flow into the combustion chamber along a flow direction. The nozzle head is arranged downstream of the combustion chamber head in relation to the direction of flow and has at least one nozzle opening for injecting fuel in the direction of the combustion chamber head.
Im Zuge der vorgeschlagenen Lösung wird somit am Düsenkopf eine Düsenöffnung vorgesehen, über die Kraftstoff auf den Brennkammerkopf zu eingedüst wird. Über die mindestens eine Düsenöffnung des Düsenkopfes ist folglich eine Kraftstoffströmung in Richtung des Brennkammerkopfes erzeugbar. Die vorgeschlagene Brennkammerbaugruppe weicht insoweit dann auch von einer konventionellen Ausbildung und Anordnung eines Düsenkopfes einer Kraftstoffdüse ab, indem der Düsenkopf stromab des Brennkammerkopfes beabstandet zu dem Brennkammerkopf angeordnet ist und Kraftstoff gezielt in Richtung des Brennkammerkopfes und nicht in Strömungsrichtung der einströmenden Luft eindüst. Über den Düsenkopf wird folglich bei einer vorgeschlagenen Brennkammerbaugruppe eine Kraftstoffströmung erzeugt, die zumindest teilweise entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der in die Brennkammer einströmenden Luft gerichtet ist. Gerade bei gasförmig einzudüsenden Kraftstoffen lässt sich hierüber eine verbesserte Mischung des Kraftstoffs mit der Luft erreichen, bevor das entstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch dann über die Luftströmung weiter entlang der (Haupt-) Strömungsrichtung in die Brennkammer hinein gefördert wird. In the course of the proposed solution, a nozzle opening is thus provided on the nozzle head, through which fuel is injected toward the combustion chamber head. A fuel flow in the direction of the combustion chamber head can consequently be generated via the at least one nozzle opening of the nozzle head. The proposed combustion chamber assembly also deviates from a conventional design and arrangement of a nozzle head of a fuel nozzle in that the nozzle head is arranged downstream of the combustion chamber head at a distance from the combustion chamber head and fuel is injected in a targeted manner in the direction of the combustion chamber head and not in the direction of flow of the inflowing air. In a proposed combustion chamber assembly, a fuel flow is consequently generated via the nozzle head, which is directed at least partially in the opposite direction to the flow direction of the air flowing into the combustion chamber. Especially with fuels to be injected in gaseous form, an improved mixture of the fuel with the air can be achieved before the resulting fuel-air mixture is then conveyed further along the (main) flow direction into the combustion chamber via the air flow.
In einer Ausführungsvariante ist der Düsenkopf mit der mindestens einen Düsenöffnung folglich eingerichtet und derart angeordnet, dass hierüber ausströmender Kraftstoff aus dem Düsenkopf in Richtung des Brennkammerkopfes und damit mit einer Richtungskomponente entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Luft eingedüst wird. Derart ist folglich gewährleistet, dass aus dem Düsenkopf ausströmender Kraftstoff über die mindestens eine Düsenöffnung gezielt auf eine Luftströmung aus dem Brennkammerkopf zu geleitet wird respektive auf eine solche Luftströmung trifft. In one embodiment variant, the nozzle head with the at least one nozzle opening is therefore set up and arranged in such a way that fuel flowing out via it is injected into the nozzle head in the direction of the combustion chamber head and thus with a directional component opposite to the flow direction of the air. It is consequently ensured in this way that fuel flowing out of the nozzle head is directed via the at least one nozzle opening in a targeted manner towards an air flow from the combustion chamber head or encounters such an air flow.
Beispielsweise ist die mindestens eine Düsenöffnung an einer in Richtung des Brennkammerkopfes gewölbten, insbesondere konvex gewölbten äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes vorgesehen. Insbesondere kann der Düsenkopf hierbei auch halbkugelförmig oder kugelförmig ausgebildet sein. Eine gewölbte Mantelfläche, an der die mindestens eine Düsenöffnung vorgesehen ist, bietet dabei den Vorteil, die Düsenöffnung leichter auf bestimmte Bereiche des stromauf liegenden Brennkammerkopfes auszurichten. Insbesondere kann hiermit der Vorteil verbunden sein, mehrere Düsenöffnungen an der gewölbten äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes vorzusehen und an den Düsenöffnungen bereits über ihre Position an der gewölbten äußeren Mantelfläche eine bestimmte Ausströmrichtung für den hierüber ausströmenden Kraftstoff vorzugeben. For example, the at least one nozzle opening is provided on an outer lateral surface of the nozzle head that is curved, in particular convexly curved, in the direction of the combustion chamber head. In particular, the nozzle head can also be hemispherical or spherical. A curved lateral surface on which the at least one nozzle opening is provided offers the advantage of aligning the nozzle opening more easily with certain areas of the combustion chamber head lying upstream. In particular, this can have the advantage of providing a plurality of nozzle openings on the curved outer lateral surface of the nozzle head and already specifying a certain outflow direction for the fuel flowing out via the nozzle openings via their position on the curved outer lateral surface.
Um das Führen des an der Düsenöffnung ausströmenden Kraftstoffs entlang einer vorgegebenen Ausströmrichtung zu verbessern, sieht eine Ausführungsvariante die Ausbildung der mindestens einen Düsenöffnung an einem Ende eines hülsenförmigen Fortsatzes an dem Düsenkopf vor. Dieser hülsenförmige Fortsatz steht dann von einer äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes in Richtung des Brennkammerkopfes vor. Über den hülsenförmigen Fortsatz wird somit eine körperliche Führung für den einzudüsenden Kraftstoff bereitgestellt, insbesondere mit dem Ziel, hierüber an der Düsenöffnung einen diskreten Kraftstoff strahl in Richtung eines bestimmten Bereichs des Brennkammerkopfes zu erzeugen. Über eine Mehrzahl entsprechender hülsenförmiger Fortsätze lassen sich dann auch beispielsweise mehrere entsprechende Kraftstoffstrahlen räumlich separiert an dem Düsenkopf erzeugen. In order to improve the guidance of the fuel flowing out at the nozzle opening along a predetermined outflow direction, one variant provides for the formation of the at least one nozzle opening at one end of a sleeve-shaped extension on the nozzle head. This sleeve-shaped extension then protrudes from an outer lateral surface of the nozzle head in the direction of the combustion chamber head. Physical guidance for the fuel to be injected is thus provided via the sleeve-shaped extension, in particular with the aim of generating a discrete fuel jet at the nozzle opening in the direction of a specific area of the combustion chamber head. A plurality of corresponding sleeve-shaped extensions can then also be used, for example, to generate a plurality of corresponding fuel jets spatially separated on the nozzle head.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Länge, mit der der hülsenförmigen Fortsatz von der äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes vorsteht, wenigstens dem Zweifachen eines Durchmessers der Düsenöffnung entspricht. Das hierbei vorgeschlagene Verhältnis zwischen einer Länge des hülsenförmigen Fortsatzes und einem Durchmesser der am Ende des Fortsatzes vorgesehenen Düsenöffnung erlaubt eine gezieltere Kraftstoffführung in Richtung eines bestimmten Abschnittes des stromauf liegenden Brennkammerkopfes, und damit zum Beispiel in Richtung eines bestimmten Bereichs des Brennkammerkopfes, an dem eine Luftöffnung für die Erzeugung eine Luftströmung in Richtung des Düsenkopfes vorgesehen ist. In a further development it is provided that the length by which the sleeve-like extension protrudes from the outer lateral surface of the nozzle head corresponds to at least twice the diameter of the nozzle opening. The proposed relationship between a length of the sleeve-shaped extension and a diameter of the nozzle opening provided at the end of the extension allows fuel to be guided more precisely in the direction of a specific section of the upstream combustion chamber head, and thus, for example, in the direction of a specific one Area of the combustion chamber head where an air opening is provided for generating an air flow in the direction of the nozzle head.
Alternativ oder ergänzend kann der (stromab des Brennkammerkopfes angeordnete) Düsenkopf mehrere, jeweils zum Eindüsen von Kraftstoff in Richtung des Brennkammerkopfes vorgesehene Düsenöffnungen aufweisen. Mehrere (mindestens zwei) Düsenöffnungen an dem Düsenkopf erlauben das gezieltere Eindüsen von Kraftstoff in unterschiedliche Bereiche eines zwischen dem Brennkammerkopf und dem Düsenkopf bestehenden Raumes der Brennkammer, in dem eine Mischung des Kraftstoffs mit der einströmenden Luft erfolgen soll und aus dem dann das entstehende Kraftstoff-Luft- Gemisch unter Wirkung der einströmenden Luft weiter in die Brennkammer hinein gefördert wird. Beispielsweise sind mindestens 6 Düsenöffnungen, insbesondere zum Beispiel 9 oder 17 Düsenöffnungen, an dem Düsenkopf vorgesehen. Alternatively or additionally, the nozzle head (arranged downstream of the combustion chamber head) can have a plurality of nozzle openings each provided for injecting fuel in the direction of the combustion chamber head. Several (at least two) nozzle openings on the nozzle head allow fuel to be injected in a more targeted manner into different areas of a space in the combustion chamber between the combustion chamber head and the nozzle head, in which space the fuel is to be mixed with the inflowing air and from which the resulting fuel Air mixture is promoted further into the combustion chamber under the effect of the incoming air. For example, at least 6 nozzle openings, in particular for example 9 or 17 nozzle openings, are provided on the nozzle head.
Die mehreren Düsenöffnungen können dabei grundsätzlich an einem dem Brennkammerkopf zugewandten Abschnitt einer äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes (gleichmäßig oder ungleichmäßig) verteilt angeordnet sein. Dies schließt insbesondere eine Variante ein, bei der eine Mehrzahl von Düsenöffnungen an einer entsprechenden Anzahl hülsenförmiger Fortsätze an der äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes vorgesehen ist. In principle, the plurality of nozzle openings can be distributed (uniformly or unevenly) on a section of an outer lateral surface of the nozzle head that faces the combustion chamber head. In particular, this includes a variant in which a plurality of nozzle openings is provided on a corresponding number of sleeve-like extensions on the outer lateral surface of the nozzle head.
Um die in die Brennkammer einströmende Luft gezielt in Richtung des Düsenkopfes führen zu können, ist in einer Ausführungsvariante an dem Brennkammerkopf mindestens eine Luftöffnung für das Führen von Luft in Richtung des Düsenkopfes vorgesehen. Eine solche Luftöffnung kann grundsätzlich an einem Ende in die Brennkammer ragenden Ende einer Luftdüse vorgesehen sein. In einer derartigen Variante ist folglich an dem Brennkammerkopf mindestens eine Luftdüse vorgesehen, um Luft (die zum Beispiel von einem Verdichter des Triebwerks in Richtung der Brennkammer strömt) an dem Brennkammerkopf gezielt in Richtung des innerhalb der Brennkammer angeordneten Düsenkopfes zu leiten. In order to be able to guide the air flowing into the combustion chamber in a targeted manner in the direction of the nozzle head, in one embodiment variant, at least one air opening for guiding air in the direction of the nozzle head is provided on the combustion chamber head. Such an air opening can in principle be provided at one end of an air nozzle that protrudes into the combustion chamber. In such a variant, at least one air nozzle is consequently provided on the combustion chamber head in order to direct air (which flows, for example, from a compressor of the engine in the direction of the combustion chamber) on the combustion chamber head in a targeted manner in the direction of the nozzle head arranged within the combustion chamber.
Eine Luftdüse des Brennkammerkopfes kann eine Düsenhülse ausbilden, an deren in die Brennkammer ragenden Ende die Düsenöffnung ausgebildet ist. An air nozzle of the combustion chamber head can form a nozzle sleeve, at the end of which protruding into the combustion chamber the nozzle opening is formed.
Die Düsenhülse kann sich hierbei in Richtung des Düsenkopfes mit einer Länge in die Brennkammer hinein erstrecken, die geringer ist als eine Länge, mit der die Düsenhülse stromauf an dem Brennkammerkopf vorsteht. Ein an dem Brennkammerkopf stromauf vorstehendes (erstes) Ende der Düsenhülse bildet dabei dann wenigstens eine Einströmöffnung aus, um Luft in die Düsenhülse zu leiten, die dann über das anderen (zweiten) Ende in die Brennkammer einströmt. In this case, the nozzle sleeve can extend into the combustion chamber in the direction of the nozzle head with a length which is less than a length with which the nozzle sleeve protrudes upstream on the combustion chamber head. A at the combustor head upstream The protruding (first) end of the nozzle sleeve then forms at least one inflow opening in order to direct air into the nozzle sleeve, which then flows into the combustion chamber via the other (second) end.
Mit Blick auf die in der Brennkammer im Betrieb des Triebwerks herrschenden hohen Temperaturen, gegebenenfalls aber auch mit Blick auf eine effiziente(re) Führung der in die Brennkammer zu leitenden Luft ist es von Vorteil, dass ein größerer Teil einer Düsenhülse der Luftdüse des Brennkammerkopfes außerhalb der Brennkammer vorliegt. Beispielsweise wird ein Verhältnis von einer Länge, mit der die Düsenhülse stromauf an dem Brennkammerkopf vorsteht, zu einer Länge, mit der die Düsenhülse stromab in die Brennkammer hinein ragt, von wenigstens 3:1, insbesondere von 4:1 als vorteilhaft angesehen. Im letzteren Fall stellt somit beispielsweise die Düsenhülse mit dreiviertel (3L) ihrer Gesamtlänge stromauf an dem Brennkammerkopf vor, während die Düsenhülse stromab des Brennkammerkopfes nur mit einem Viertel (%) ihrer Gesamtlänge in die Brennkammer hineinragt. With a view to the high temperatures prevailing in the combustion chamber during engine operation, but possibly also with a view to (more) efficiently guiding the air to be guided into the combustion chamber, it is advantageous that a larger part of a nozzle sleeve of the air nozzle of the combustion chamber head is outside the combustion chamber is present. For example, a ratio of a length by which the nozzle sleeve projects upstream on the combustion chamber head to a length by which the nozzle sleeve projects downstream into the combustion chamber of at least 3:1, in particular 4:1, is considered advantageous. In the latter case, for example, the nozzle sleeve protrudes into the combustion chamber with three quarters ( 3 L) of its total length upstream, while the nozzle sleeve downstream of the combustion chamber head projects into the combustion chamber with only one quarter (%) of its total length.
Alternativ oder ergänzend kann eine Gesamtlänge der Düsenhülse wenigstens dem Zweifachen eines Durchmessers der Luftöffnung entsprechen. Ein entsprechendes Mindest-Längen-Durchmesser-Verhältnis bietet sich für eine effiziente(re) Führung der Luft in die Brennkammer und insbesondere in Richtung des Düsenkopfes an. Alternatively or additionally, an overall length of the nozzle sleeve can correspond to at least twice the diameter of the air opening. A corresponding minimum length-diameter ratio is ideal for (more) efficient guidance of the air into the combustion chamber and in particular in the direction of the nozzle head.
Grundsätzlich können an dem Brennkammerkopf auch mehrere jeweils für das Führen von Luft in Richtung des Brennkammerkopfes vorgesehene Luftöffnungen vorhanden sein. In einer hierauf basierenden Weiterbildung sind dann in Kombination mit einem mehrere Düsenöffnungen aufweisenden Düsenkopf die Luftöffnungen und Düsenöffnungen einander zugeordnet. Jeweils eine Düsenöffnung des Düsenkopfes ist dann beispielsweise genau einer Luftöffnung des Brennkammerkopfes zugeordnet und eine jeweilige Düsenöffnung ist eingerichtet und derart angeordnet, dass hierüber ausströmender Kraftstoff in Richtung der jeweils zugeordneten Luftöffnung und damit entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der aus der zugeordneten Luftöffnung in die Brennkammer einströmenden Luft eingedüst wird. Bei einer derartigen Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Brennkammerbaugruppe treffen somit im Betrieb des Triebwerks gezielt mehrere Luftströmungen aus dem Brennkammerkopf auf entgegengesetzt strömende Kraftstoffströmungen aus einem Düsenkopf einer Kraftstoffdüse. Der mehrere Düsenöffnungen aufweisende Düsenkopf und der mehrere Luftöffnungen aufweisende Brennkammerkopf sind somit derart aufeinander abgestimmt, dass im Betrieb des Triebwerks aufeinander ausgerichtete (jeweils strahlenförmige) Luftströmungen und Kraftstoffströmungen in der Brennkammer und damit in einem Brennraum innerhalb der Brennkammer aufeinandertreffen. In principle, a plurality of air openings each provided for guiding air in the direction of the combustion chamber head can also be present on the combustion chamber head. In a further development based on this, the air openings and nozzle openings are then assigned to one another in combination with a nozzle head having a plurality of nozzle openings. In each case one nozzle opening of the nozzle head is then assigned, for example, to exactly one air opening of the combustion chamber head, and a respective nozzle opening is set up and arranged in such a way that fuel flowing out here in the direction of the respectively assigned air opening and thus opposite to the flow direction of the air flowing into the combustion chamber from the assigned air opening is injected. In such an embodiment variant of a proposed combustion chamber assembly, a plurality of air flows from the combustion chamber head specifically meet fuel flows flowing in opposite directions from a nozzle head of a fuel nozzle during operation of the engine. The nozzle head, which has a plurality of nozzle openings, and the combustion chamber head, which has a plurality of air openings, are thus matched to one another in such a way that (in each case radial) air flows and Fuel flows meet in the combustion chamber and thus in a combustion chamber within the combustion chamber.
Grundsätzlich kann der Brennkammerkopf mehrere Segmente umfassen, die entlang eines Umfangs der Brennkammer nebeneinander angeordnet sind. Hierbei können an jedem einzelnen Segmente des Brennkammerkopfes auch mehrere Luftöffnungen vorhanden sein. Bei einem segmentierten Brennkammerkopf kann selbstverständlich auch eine Mehrzahl von Düsenköpfen vorgesehen sein, von denen jeweils ein Düsenkopf (genau) einem Segment des Brennkammerkopfes zugeordnet ist. In einer derartigen Ausführungsvariante ist dann folglich jeweils ein Düsenkopf stromab eines jeweils zugeordneten Segments angeordnet. Hiervon unabhängig ist die grundsätzliche Möglichkeit eine Kraftstoffdüse auch mit mehr als einem Düsenkopf auszubilden, also an einem eine Kraftstoffzuleitung integrierten Düsenstamm der Kraftstoffdüse mindestens zwei Düsenköpfe vorzusehen. In principle, the combustion chamber head can comprise a plurality of segments which are arranged next to one another along a circumference of the combustion chamber. In this case, there can also be several air openings on each individual segment of the combustion chamber head. In the case of a segmented combustion chamber head, a plurality of nozzle heads can of course also be provided, of which one nozzle head is assigned (precisely) to one segment of the combustion chamber head. In such an embodiment variant, a nozzle head is then arranged downstream of a respectively assigned segment. Independent of this is the fundamental possibility of designing a fuel nozzle with more than one nozzle head, ie providing at least two nozzle heads on a nozzle stem of the fuel nozzle integrated in a fuel supply line.
Eine Kraftstoffdüse einer vorgeschlagenen Brennkammerbaugruppe kann grundsätzlich für das Eindüsen von gasförmigem Kraftstoff, insbesondere für das Eindüsen von Wasserstoff eingerichtet und vorgesehen sein. A fuel nozzle of a proposed combustion chamber assembly can basically be set up and provided for injecting gaseous fuel, in particular for injecting hydrogen.
Teil der vorgeschlagenen Lösung ist ferner ein Triebwerk mit einer Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Brennkammerbaugruppe. Part of the proposed solution is also an engine with an embodiment variant of a proposed combustor assembly.
Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung. The attached figures illustrate exemplary possible embodiment variants of the proposed solution.
Hierbei zeigen: Here show:
Figur 1 eine Ausführungsvariante einer vorgeschlagenenFigure 1 shows an embodiment of a proposed
Brennkammerbaugruppe mit einem kugelförmigen Düsenkopf an einer Kraftstoffdüse, der stromab beabstandet zu einem Brennkammerkopf angeordnet ist; A combustor assembly comprising a spherical nozzle head on a fuel nozzle spaced downstream from a combustor head;
Figur 2A eine Vorderansicht auf eine Kraftstoffdüse mit dem kugelförmigen Düsenkopf der Figur 1; FIG. 2A shows a front view of a fuel nozzle with the spherical nozzle head of FIG. 1;
Figur 2B eine geschnittene Ansicht der Kraftstoffdüse der Figur 2A; Figur 3 eine Vorderansicht auf ein Segment eines Brennkammerkopfes der Brennkammerbaugruppe der Figur 1 mit dahinterliegender Kraftstoffdüse; Figure 2B is a sectional view of the fuel nozzle of Figure 2A; FIG. 3 shows a front view of a segment of a combustion chamber head of the combustion chamber assembly of FIG. 1 with a fuel nozzle located behind it;
Figur 4 in Draufsicht und schematisch ein Flugzeug mit zwei Triebwerken, die jeweils mindestens eine Brennkammerbaugruppe der vorgeschlagenen Lösung aufweisen; FIG. 4 shows a plan view and diagrammatically of an aircraft with two engines, each of which has at least one combustion chamber assembly of the proposed solution;
Figur 5 schematisch den Aufbau eines der Triebwerke des Flugzeugs der Figur 9, die jeweils mit Wasserstoff betrieben werden; FIG. 5 shows diagrammatically the structure of one of the engines of the aircraft of FIG. 9, each of which is operated with hydrogen;
Figur 6 eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennkammerbaugruppe, bei der eine konventionelle Kraftstoffdüse für das Eindüsen von Kerosin in eine Brennkammer vorgesehen ist. FIG. 6 shows a combustion chamber assembly known from the prior art, in which a conventional fuel nozzle is provided for injecting kerosene into a combustion chamber.
Die Figur 4 zeigt in Draufsicht ein Flugzeug 101, beispielsweise ein Passagierflugzeug. Das Flugzeug 101 weist einen Rumpf 102 mit zwei Tragflächen auf, an denen jeweils ein Triebwerk 103, beispielsweise ein Turbofan-Triebwerk, vorgesehen ist. Im Rumpf 102 des Flugzeugs 101 ist ein Wasserstoffspeichertank 104 untergebracht. In diesem Wasserstoffspeichertank 104 wird Wasserstoff als Kraftstoff für die Triebwerke 103 vorgehalten, beispielsweise in flüssiger Form. Der Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeichertank 104 wird über ein Kraftstoffzuführsystem 201 (vgl. Figur 5) den Triebwerken 103 zur Verfügung gestellt und hier zur Verbrennung in einem jeweiligen Kerntriebwerk 105 genutzt, um einen Fan des jeweiligen Triebwerks 103 anzutreiben. FIG. 4 shows an airplane 101, for example a passenger airplane, in a plan view. The aircraft 101 has a fuselage 102 with two wings, on each of which an engine 103, for example a turbofan engine, is provided. A hydrogen storage tank 104 is accommodated in the fuselage 102 of the aircraft 101 . In this hydrogen storage tank 104, hydrogen is held available as a fuel for the engines 103, for example in liquid form. The hydrogen from the hydrogen storage tank 104 is made available to the engines 103 via a fuel supply system 201 (cf. FIG. 5) and is used here for combustion in a respective core engine 105 in order to drive a fan of the respective engine 103 .
Das Blockdiagramm der Figur 5 veranschaulicht den Aufbau des Kerntriebwerks 105 eines Triebwerks 103 näher. Gemäß der Figur 5 wird aus dem Wasserstoffspeichertank 104 über das Kraftstoffzuführsystem 201 dem jeweiligen Kerntriebwerk 105 Wasserstoff als Kraftstoff zur Verfügung gestellt. Das Kerntriebwerk 105 weist dabei entlang einer Hauptströmungsrichtung s, die mit einer Mittelachse des Triebwerks 103 zusammenfällt, axial aufeinanderfolgend einen Niederdruckverdichter 202, einen Hochdruckverdichter 204, einen Diffusor 205, ein Kraftstoffeinspritzsystem 206, eine Brennkammer 207, eine Hochdruckturbine 208, eine Niederdruckturbine 209 und eine Auslassdüse 210 auf. Der Niederdruckverdichter 202 und der Hochdruckverdichter 204 sind im Blockdiagramm der Figur 5 über einen Verbindungskanal 203 miteinander verbunden. Der Hochdruckverdichter 204 wird von der Hochdruckturbine 208 über eine erste Welle 211 angetrieben, während der Niederdruckverdichter 203 von der Niederdruckturbine 209 über eine zweite Welle 212 angetrieben wird. Anstelle der in der Figur 5 ersichtlichen zweiwelligen Ausführung für die Kopplung kann selbstverständlich aber auch eine dreiwellige Ausführung vorgesehen sein. The block diagram in FIG. 5 illustrates the structure of the core engine 105 of an engine 103 in more detail. According to FIG. 5, hydrogen is made available as fuel from the hydrogen storage tank 104 via the fuel supply system 201 to the respective core engine 105 . The core engine 105 has a low-pressure compressor 202, a high-pressure compressor 204, a diffuser 205, a fuel injection system 206, a combustion chamber 207, a high-pressure turbine 208, a low-pressure turbine 209 and a Outlet nozzle 210 on. The low-pressure compressor 202 and the high-pressure compressor 204 are connected to one another via a connecting duct 203 in the block diagram in FIG. The high-pressure compressor 204 is driven by the high-pressure turbine 208 via a first shaft 211, while the low-pressure compressor 203 is driven by the low-pressure turbine 209 via a second shaft 212 is driven. Instead of the two-shaft design for the coupling shown in FIG. 5, a three-shaft design can of course also be provided.
Im Betrieb des Triebwerks 103 treibt die Niederdruckturbine 209 einen Fan 213 des Triebwerks 103 über eine (Untersetzungs-) Getriebeeinheit 214 an. Die Getriebeeinheit 214 ist antriebsseitig mit der zweiten Welle 212 verbunden und ist abtriebsseitig über eine Fanwelle 215 mit dem Fan 213 gekoppelt. Beispielsweise weist die Getriebeeinheit 214 ein epizyklisches Untersetzungsgetriebe auf. Alternativ oder ergänzend kann ein Planetengetriebe Teil der Getriebeeinheit 214 sein, wobei aber selbstverständlich auch alternative Getriebeausführungen möglich sind. Grundsätzlich kann auch eine Getriebeeinheit 214 ausgespart werden, sodass die von der Niederdruckturbine angetriebene zweite Welle 212 unmittelbar mit dem Fan 213 gekoppelt ist. When the engine 103 is in operation, the low-pressure turbine 209 drives a fan 213 of the engine 103 via a (reduction) gear unit 214 . The transmission unit 214 is connected to the second shaft 212 on the input side and is coupled to the fan 213 via a fan shaft 215 on the output side. For example, gear unit 214 includes an epicyclic reduction gear. Alternatively or additionally, a planetary gear can be part of the gear unit 214, although alternative gear designs are of course also possible. In principle, a gear unit 214 can also be omitted, so that the second shaft 212 driven by the low-pressure turbine is coupled directly to the fan 213 .
Die Figur 6 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Konfiguration einer Brennkammerbaugruppe mit dem Kraftstoffeinspritzsystem 206 und der Brennkammer 207, über die die Turbinenstufen der Hochdruckturbine 208 und der Niederdruckturbine 209 antreibbar sind. Die Brennkammer 207 definiert einen durch eine Brennkammerwand 1 berandenden Brennraum. Das bei der Verbrennung in dem Brennraum entstehende Abgas wird in Hauptströmungsrichtung s über ein Turbinenleitrad, insbesondere ein sogenanntes T urbinenvorleitrad 8 zu der Hochdruckturbine 208 geführt. Stromauf weist die Brennkammer 207 einen Brennkammerkopf 11 und sich hieran stromab anschließend ein Hitzeschild 12 auf, in dem ein Düsenkopf einer Kraftstoffdüse 7* des Kraftstoffeinspritzsystems 206 aufgenommen ist. Das Hitzeschild 12 und der Brennkammerkopf 11 sind in der Praxis häufig als Schweißkonstruktion miteinander gefügt. Die Brennkammer 207 ist ferner zwischen einem (radial) äußeren Gehäuse 2 und einem (radial) inneren Gehäuse 3 der Brennkammerbaugruppe angeordnet. FIG. 6 shows a configuration, known from the prior art, of a combustion chamber assembly with the fuel injection system 206 and the combustion chamber 207, via which the turbine stages of the high-pressure turbine 208 and the low-pressure turbine 209 can be driven. The combustion chamber 207 defines a combustion chamber bounded by a combustion chamber wall 1 . The exhaust gas produced during combustion in the combustion chamber is guided in the main flow direction s via a turbine guide wheel, in particular a so-called turbine inlet guide wheel 8, to the high-pressure turbine 208. Upstream, the combustion chamber 207 has a combustion chamber head 11 and downstream therefrom a heat shield 12, in which a nozzle head of a fuel nozzle 7* of the fuel injection system 206 is accommodated. In practice, the heat shield 12 and the combustion chamber head 11 are often joined together as a welded construction. The combustion chamber 207 is further arranged between a (radially) outer casing 2 and a (radially) inner casing 3 of the combustion chamber assembly.
Von dem Hochdruckverdichter 205 wird eine Luftströmung durch den Diffusor 205 und zuletzt durch einen Pre-Diffusor 6 in einen die Brennkammer 207 aufnehmenden Gehäuseraum geführt. Die aus dem Pre-Diffusor 6 kommende Luftströmung wird hier aufgeteilt. Ein Teil der Luftströmung wird über den Brennkammerkopf 11, in dem Hitzeschild 12 vorgesehene Kühlluftbohrungen 10 und den Düsenkopf der Kraftstoffdüse 7* in den Brennraum geleitet, um dort ein entzündliche Kraftstoff-Luft-Gemisch bereitzustellen. Ein weiterer Teil der Luft aus dem Pre-Diffusor 6 strömt in zwei (äußere und innere) Strömungsräume 4 und 5, die zwischen einer äußeren Mantelfläche der Brennkammerwand 1 und den Gehäusen 2 und 3 gebildet sind. Ein Teil der Luftströmung strömt dabei in den (äußeren) Strömungsraum 4 zwischen der Brennkammerwand 1 und dem äußeren Gehäuse 2, in dem die Brennkammer 207 vollständig aufgenommen ist. Ein weiterer Teil Luftströmung strömt in den (inneren) Strömungsraum 5 zwischen der Brennkammerwand 1 und dem radial innenliegenden Gehäuse 3. Die in die inneren und äußeren Strömungsräume 4 und 5 gelangende Luft dient der Kühlung der Brennkammerwand 1. So kann beispielsweise insbesondere (Kühl-) Luft durch Kühlluftbohrungen 10 zur effizienteren Kühlung der Brennkammerwand 1 und insbesondere hieran brennraumseitig vorgesehener Brennkammerschindeln 1a von außen in den Brennraum geführt werden. Darüber hinaus weist die Brennkammerwand 1 zusätzliche Zumischluftlöcher 9 auf, um einen Teil der Luft aus den Strömungsräumen 4 und 5 in den Brennraum als Zumischluft zu leiten. Darüber hinaus kann Luft aus den Strömungsräumen 4 und 5 stromab der Brennkammer 207 auch zur Kühlung des Turbinenleitrads 8 genutzt werden. Die Brennkammerschindeln 1a sind dabei beispielsweise über Schraubverbindungen 1b an der Brennkammerwand 1 festgelegt. An air flow is guided from the high-pressure compressor 205 through the diffuser 205 and finally through a pre-diffuser 6 into a housing space accommodating the combustion chamber 207 . The air flow coming from the pre-diffuser 6 is divided here. Part of the air flow is conducted via the combustion chamber head 11, cooling air bores 10 provided in the heat shield 12 and the nozzle head of the fuel nozzle 7* into the combustion chamber in order to provide an ignitable fuel-air mixture there. Another part of the air from the pre-diffuser 6 flows into two (outer and inner) flow spaces 4 and 5, which are formed between an outer lateral surface of the combustion chamber wall 1 and the housings 2 and 3. Part of the air flow flows into the (outer) flow space 4 between the combustion chamber wall 1 and the outer housing 2, in which the combustion chamber 207 is completely accommodated. Another part of the air flow flows into the (inner) flow space 5 between the combustion chamber wall 1 and the radially inner housing 3. The air entering the inner and outer flow spaces 4 and 5 serves to cool the combustion chamber wall 1. For example, in particular (cooling) Air is guided through cooling air bores 10 for more efficient cooling of the combustion chamber wall 1 and in particular combustion chamber shingles 1a provided thereon on the combustion chamber side from the outside into the combustion chamber. In addition, the combustion chamber wall 1 has additional admixture air holes 9 in order to conduct part of the air from the flow spaces 4 and 5 into the combustion chamber as admixture air. In addition, air from the flow spaces 4 and 5 downstream of the combustion chamber 207 can also be used to cool the turbine guide wheel 8 . The combustion chamber tiles 1a are fixed to the combustion chamber wall 1, for example, via screw connections 1b.
Für die Bereitstellung des entzündlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches wird der durch das Kraftstoffeinspritzsystem 206 bereitgestellte Kraftstoff in der Kraftstoffdüse 7* im Bereich des Hitzeschildes 12 mit Luft gemischt. Ein Düsenkopf der Kraftstoffdüse 7* ist hierfür dementsprechend am Brennkammerkopf 11 der Brennkammer 207 angeordnet. Der Düsenkopf der Kraftstoffdüse 7* ist hierbei an einem radial nach innen ragendem Ende eines Düsenstamms 70 der Kraftstoffdüse 7* vorgesehen, der an dem äußeren Gehäuse 2 respektive einer Gehäusewandung dieses äußeren Gehäuses 2 fixiert ist. Hierbei ragt der Düsenstamm 70 durch ein Durchführloch 13 in der Gehäusewandung des (äußeren) Gehäuses 2 und ist über einen Befestigungsflansch 14 an der Gehäusewandung des Gehäuses 2 dichtend befestigt. In der Figur 6 ist der Befestigungsflansch 14 exemplarisch über Schrauben 16 mit dem Gehäuse 2 verbunden. Über eine Dichtung 15 an dem Befestigungsflansch 14 ist das Durchführloch 13 an der Gehäusewandung des Gehäuses 2 abgedichtet. The fuel provided by the fuel injection system 206 is mixed with air in the fuel nozzle 7 * in the area of the heat shield 12 to provide the flammable fuel-air mixture. A nozzle head of the fuel nozzle 7* is accordingly arranged on the combustion chamber head 11 of the combustion chamber 207 for this purpose. The nozzle head of the fuel nozzle 7* is provided on an end of a nozzle stem 70 of the fuel nozzle 7* that protrudes radially inwards and is fixed to the outer housing 2 or a housing wall of this outer housing 2. In this case, the nozzle stem 70 protrudes through a through-hole 13 in the housing wall of the (outer) housing 2 and is fastened to the housing wall of the housing 2 in a sealing manner via a fastening flange 14 . In FIG. 6, the fastening flange 14 is connected to the housing 2 via screws 16, for example. The feed-through hole 13 on the housing wall of the housing 2 is sealed off via a seal 15 on the fastening flange 14 .
Während die Ausbildung und Positionierung einer Kraftstoffdüse 7* entsprechend der Figur 6 für die Einspritzung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches bei flüssigem Kraftstoff durchaus Vorteile bietet, hat sich bei einem wasserstoffbetriebenen Triebwerk 103, bei dem als Kraftstoff gasförmiger Wasserstoff in die Brennkammer 207 einzudüsen ist, eine solche Kraftstoffdüse als nachteilig herausgestellt. Hier stellt eine vorgeschlagene Brennkammerbaugruppe mit alternativ angeordneter Kraftstoffdüse eine erhebliche Verbesserung dar. Die Figuren 1 bis 3 illustrieren hierbei exemplarisch unterschiedliche mögliche Ausführungsvarianten. io While the design and positioning of a fuel nozzle 7* according to FIG. 6 offers advantages for the injection of a fuel-air mixture with liquid fuel, in a hydrogen-operated engine 103, in which gaseous hydrogen is to be injected into the combustion chamber 207 as fuel, such a fuel nozzle turned out to be disadvantageous. A proposed combustion chamber assembly with an alternatively arranged fuel nozzle represents a significant improvement here. FIGS. 1 to 3 illustrate different possible design variants by way of example. ok
Die Figur 1 zeigt in geschnittener Ansicht eine Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Brennkammerbaugruppe. Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Brennkammerbaugruppe ist bei der Ausführungsvariante der Figur 1 eine Kraftstoffdüse 7 vorgesehen, die Kraftstoff gezielt in Richtung des Brennkammerkopfes 11 eindüst und damit vorliegend in einen Bereich der Brennkammer 207, der zwischen dem Brennkammerkopf 11 und einem Düsenkopf 71 der Kraftstoffdüse 7 vorhanden ist. FIG. 1 shows a sectional view of an embodiment variant of a proposed combustion chamber assembly. In contrast to the combustion chamber assembly described above, which is known from the prior art, a fuel nozzle 7 is provided in the embodiment variant in Figure 1, which injects fuel in a targeted manner in the direction of the combustion chamber head 11 and thus in the present case into an area of the combustion chamber 207 that lies between the combustion chamber head 11 and a nozzle head 71 of the fuel nozzle 7 is present.
Vorliegend ist der Düsenkopf 71 kugelförmig ausgebildet und weist somit umfangsseitig umlaufend eine konvex gewölbte Mantelfläche auf. An einem dem stromauf angeordneten Brennkammerkopf 11 zugeordneten (Front-) Abschnitt dieser konvex gewölbten Mantelfläche sind mehrere Düsenöffnungen 710 - vorliegend wenigstens 6 Düsenöffnungen, z.B. 9 - vorgesehen, über die Kraftstoff gezielt entlang unterschiedlicher Strömungsrichtungen auf den Brennkammerkopf 11 zu aus dem Düsenkopf 71 ausströmen kann. Die einzelnen Düsenöffnungen 710 werden von einer in dem Düsenstamm 70 der Kraftstoffdüse 7 liegenden, zentralen Kraftstoffzuleitung 701 mit Kraftstoff versorgt. Über die Kraftstoffzuleitung 701 wird hierbei gasförmiger Wasserstoff dem Düsenkopf 71 zugeführt. In the present case, the nozzle head 71 is spherical and thus has a convexly curved lateral surface running around the circumference. A (front) section of this convex lateral surface assigned to the upstream combustion chamber head 11 is provided with a plurality of nozzle openings 710 - in this case at least 6 nozzle openings, e.g . The individual nozzle openings 710 are supplied with fuel from a central fuel supply line 701 located in the nozzle stem 70 of the fuel nozzle 7 . In this case, gaseous hydrogen is supplied to the nozzle head 71 via the fuel supply line 701 .
An dem Brennkammerkopf 11 ist bei der Ausführungsvariante der Figur 1 eine Mehrzahl von Luftdüsen 7 vorgesehen, über die Luft aus dem Hochdruckverdichter 204 in die Brennkammer 204 einströmen kann. Die Luftdüsen 17 sind dabei an dem Brennkammerkopf 11 derart verteilt angeordnet und ausgerichtet, dass über sie einströmende Luft jeweils gezielt auf den stromab liegenden Düsenkopf 71 der Kraftstoffdüse 7 strömt. Hierbei strömt Luft jeweils aus einer Luftöffnung einer Luftdüse 17, die an einem Ende in die Brennkammer 207 ragenden Ende einer Düsenhülse 170 ausgebildet ist. Diese Düsenhülse 170 steht mit einem Großteil ihrer Gesamtlänge, beispielsweise dreiviertel ihrer Gesamtlänge, an dem Brennkammerkopf 11 stromauf vor. Die Gesamtlänge der Düsenhülse 170 entspricht ferner mindestens dem Zweifachen eines (Öffnung-) Durchmessers der Luftöffnung an dem in die Brennkammer 207 ragenden Ende der Düsenhülse 170. Derart wird über jede Düsenhülse 170 einer Luftdüse 17 des Brennkammerkopfes 11 eine Luftströmung I erzeugt, die gezielt auf eine zugeordnete Düsenöffnung 710 des Düsenkopfes 71 gerichtet ist. A plurality of air nozzles 7 is provided on the combustion chamber head 11 in the embodiment variant in FIG. The air nozzles 17 are distributed and aligned on the combustion chamber head 11 in such a way that air flowing in through them flows in a targeted manner onto the nozzle head 71 of the fuel nozzle 7 located downstream. In this case, air flows out of an air opening of an air nozzle 17 which is formed at one end of a nozzle sleeve 170 which projects into the combustion chamber 207 . This nozzle sleeve 170 protrudes upstream on the combustion chamber head 11 with a large part of its total length, for example three quarters of its total length. The overall length of the nozzle sleeve 170 also corresponds to at least twice the (opening) diameter of the air opening at the end of the nozzle sleeve 170 protruding into the combustion chamber 207 an associated nozzle opening 710 of the nozzle head 71 is directed.
Die Düsenöffnungen 710 des Düsenkopfes 71 sind ferner auf die Luftöffnungen der Luftdüsen 17 des Brennkammerkopfes 11 ausgerichtet, sodass wiederum diskrete Kraftstoffströmungen k in Richtung einer zugeordneten Luftöffnung erzeugbar sind. Derart werden im Betrieb des Triebwerks 103 über die Luftdüsen 17 und den Düsenkopf 71 der Kraftstoffdüse 7 zueinander entgegengesetzte Luftströmungen I und Kraftströmungen k erzeugt, die innerhalb eines (vorderen) Bereichs der Brennkammer 207 aufeinandertreffen und damit zu einem vergleichsweise homogenen, turbulenten Kraftstoff-Luft-Gemisch führen. The nozzle openings 710 of the nozzle head 71 are also aligned with the air openings of the air nozzles 17 of the combustion chamber head 11, so that again discrete Fuel flows k can be generated in the direction of an associated air opening. In this way, during operation of engine 103, opposing air flows I and force flows k are generated via air nozzles 17 and nozzle head 71 of fuel nozzle 7; lead mixture.
Wie anhand der vergrößerten Darstellungen der Figuren 2A und 2B veranschaulicht ist, sind die Düsenöffnungen 710 des Düsenkopfes 71 an hülsenförmigen Fortsätzen 710A vorgesehen, die an der äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes 71 (bezogen auf einen Mittelpunkt der Kugelform des Drüsenkopfes 71 radial) vorstehen. Diese hülsenförmigen Fortsätze 710A unterstützen die Erzeugung gerichteter strahlenförmiger Kraftstoffströmungen k in Richtung der zugeordneten Luftöffnungen an dem Brennkammerkopf 11. Mit Blick auf die gerichtete Führung des Kraftstoffs und die Erzeugung eines gerichteten Kraftstoffstrahls wird es in der dargestellten Ausführungsvariante als vorteilhaft erachtet, wenn eine Länge eine hülsenförmigen Fortsatzes 710A wenigstens dem Zweifachen eines (Düsen-) Durchmessers einer Düsenöffnung 710 entspricht. Die hülsenförmigen Fortsätze 710A sind vorliegend ferner nach Art von Igelstacheln und damit igelförmig an der äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes 71 verteilt vorgesehen, hierbei jedoch lediglich an einem dem Brennkammerkopf 11 zugewandten Abschnitt der äußeren Mantelfläche. As illustrated by the enlarged representations of Figures 2A and 2B, the nozzle openings 710 of the nozzle head 71 are provided on sleeve-like extensions 710A, which protrude on the outer lateral surface of the nozzle head 71 (radially in relation to a center point of the spherical shape of the nozzle head 71). These sleeve-shaped extensions 710A support the generation of directed jet-shaped fuel flows k in the direction of the associated air openings on the combustion chamber head 11. With regard to the directed guidance of the fuel and the generation of a directed fuel jet, it is considered advantageous in the illustrated embodiment if a length has a sleeve-shaped Extension 710A corresponds to at least twice a (nozzle) diameter of a nozzle opening 710. The sleeve-shaped extensions 710A are also provided in the present case in the manner of hedgehog spines and are thus distributed in a hedgehog shape on the outer lateral surface of the nozzle head 71, but only on a section of the outer lateral surface facing the combustion chamber head 11.
Bei der dargestellten Ausführungsvariante entspricht die Anzahl der Luftöffnungen und damit Luftdüsen 17 an dem Brennkammerkopf 11 der Anzahl an Düsenöffnungen 710 an dem Düsenkopf 71 der Kraftstoffdüse 7. Hierdurch werden gezielt aufeinander zu ausgerichtete Luft- und Kraftstoffströmungen in der Brennkammer 207 erzeugt. Die Luftöffnungen an dem Brennkammerkopf 11 und die Düsenöffnungen 710 an dem Düsenkopf 71 sind in einer Ausführungsvariante zudem gleichmäßig verteilt, um in dem vorderen Bereich der Brennkammer 207 die Bildung eines möglichst homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischs zu unterstützen. In the embodiment variant shown, the number of air openings and thus air nozzles 17 on the combustion chamber head 11 corresponds to the number of nozzle openings 710 on the nozzle head 71 of the fuel nozzle 7. Air and fuel flows in the combustion chamber 207 are generated in a targeted manner towards one another. In one embodiment variant, the air openings on the combustion chamber head 11 and the nozzle openings 710 on the nozzle head 71 are also distributed evenly in order to support the formation of a fuel-air mixture that is as homogeneous as possible in the front region of the combustion chamber 207 .
Ist der Brennkammerkopf 11 entlang einer Umfangsrichtung mit mehreren Segmenten 110 entsprechend der Vorderansicht der Figur 3 ausgebildet, ist jedes Segment 110 genau einem Düsenkopf 71 zugeordnet. Dementsprechend weist dann auch jedes Segment 110 bei einer derartigen Ausführungsvariante eine Anzahl von Luftdüsen 17 auf, die einer Anzahl von Düsenöffnungen 710 am zugeordneten Düsenkopf 71 entspricht. Beispielsweise sind über den Umfang der Brennkammer 207 neun, zehn, sechzehn oder zwanzig Segmente 110 vorhergesehen. Pro Segment 110 sind dann beispielsweise mindestens sechs Luftdüsen 17, beispielsweise neun oder siebzehn Luftdüsen 17 vorgesehen, um strahlenförmige Luftströmungen I in Richtung einer entsprechenden Anzahl von Düsenöffnungen 710 eines zugeordneten Düsenkopfes 71 zu erzeugen. If the combustion chamber head 11 is formed along a circumferential direction with a plurality of segments 110 in accordance with the front view of FIG. 3, each segment 110 is assigned to exactly one nozzle head 71. Accordingly, in such an embodiment variant, each segment 110 then also has a number of air nozzles 17 which corresponds to a number of nozzle openings 710 on the associated nozzle head 71 . For example, around the perimeter of the combustion chamber 207 are nine, ten, sixteen or twenty segments 110 are foreseen. At least six air nozzles 17, for example nine or seventeen air nozzles 17, are then provided per segment 110 in order to generate radial air flows I in the direction of a corresponding number of nozzle openings 710 of an associated nozzle head 71.
Gleichwohl vorstehend eine vorgeschlagene Brennkammerbaugruppe mit einer Kraftstoffdüse insbesondere als geeignet für das Eindüsen von Wasserstoff beschrieben ist, eignet sich eine vorgeschlagene Brennkammerbaugruppe selbstverständlich auch für das Eindüsen anderer flüssiger oder gasförmiger Kraftstoffe, z.B. für das Eindüsen von Methan. Die mehreren Düsenöffnungen 710 können somit auch für einen anderen einzudüsenden Kraftstoff vorgesehen sein. Although a proposed combustion chamber assembly with a fuel nozzle is described above as particularly suitable for injecting hydrogen, a proposed combustion chamber assembly is of course also suitable for injecting other liquid or gaseous fuels, eg for injecting methane. The plurality of nozzle openings 710 can thus also be provided for another fuel to be injected.
Bezugszeichenliste Reference List
1 Brennkammerwand 1 combustion chamber wall
10 Kühlluftbohrung 10 cooling air hole
101 Flugzeug 101 plane
102 Rumpf 102 hull
103 (T urbofan-)T riebwerk 103 (turbofan) engine
104 Wasserstoffspeichertank104 hydrogen storage tank
105 Kerntriebwerk 11 Brennkammerkopf 110 Segment 12 Hitzeschild 105 core engine 11 combustor head 110 segment 12 heat shield
13 Durchführloch 13 through hole
14 Befestigungsflansch 14 mounting flange
15 Dichtung 15 seal
16 Schraube 17 Luftdüse 170 Düsenhülse 1a Brennkammerschindel 1b Schraubverbindung 2 Äußeres Gehäuse 16 Screw 17 Air nozzle 170 Nozzle sleeve 1a Combustion chamber clapboard 1b Screw connection 2 Outer housing
201 Kraftstoffzuführsystem 201 fuel delivery system
202 Niederdruckverdichter 202 low-pressure compressor
203 Verbindungskanal 203 connection channel
204 Hochdruckverdichter 204 high-pressure compressor
205 Diffusor 205 diffuser
206 Kraftstoffeinspritzsystem206 fuel injection system
207 Brennkammer 207 combustion chamber
208 Hochdruckturbine 208 High Pressure Turbine
209 Niederdruckturbine 209 low-pressure turbine
210 Auslassdüse 211 Erste Welle 212 Zweite Welle 210 outlet nozzle 211 first wave 212 second wave
213 Fan 213 fans
214 (Untersetzungs-) Getriebeeinheit214 (reduction) gear unit
215 Fanwelle 3 Inneres Gehäuse 215 fan wave 3 Inner Case
4 Äußerer Strömungsraum4 Outer flow space
5 Innerer Strömungsraum5 Inner flow space
6 Pre- Diffusor 6 pre-diffuser
7, 7* Kraftstoffdüse 7, 7 * fuel nozzle
70 Düsenstamm 701 Kraftstoffzuleitung 70 nozzle trunk 701 fuel supply line
71 Düsenkopf 710 Düsenöffnungen 710A (hülsenförmiger) Fortsatz 8 Turbinenleitrad 71 Nozzle head 710 Nozzle openings 710A (sleeve-shaped) extension 8 Turbine nozzle
9 Zumischluftloch k Kraftstoffströmung9 proportioning air hole k fuel flow
Luftströmung s Hauptströmungsrichtung Air flow s Main flow direction

Claims

Ansprüche Expectations
1. Brennkammerbaugruppe für ein T riebwerk (103), mit einer Brennkammer (207) mit einem Brennkammerkopf (11), über den Luft in die Brennkammer (207) entlang einer Strömungsrichtung (s) einströmen kann, und mindestens einer Kraftstoffdüse (7) mit einem Düsenkopf (71) zum Eindüsen von Kraftstoff in die Brennkammer (207), dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (71), bezogen auf die Strömungsrichtung (s), stromab des Brennkammerkopfes (11) angeordnet ist und mindestens eine Düsenöffnung (710) zum Eindüsen von Kraftstoff in Richtung des Brennkammerkopfs (11) aufweist. A combustion chamber assembly for an engine (103), having a combustion chamber (207) with a combustion chamber head (11) via which air can flow into the combustion chamber (207) along a flow direction (s), and at least one fuel nozzle (7). a nozzle head (71) for injecting fuel into the combustion chamber (207), characterized in that the nozzle head (71) is arranged downstream of the combustion chamber head (11) in relation to the flow direction (s) and at least one nozzle opening (710) for Injecting fuel in the direction of the combustion chamber head (11).
2. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (71) mit der mindestens einen Düsenöffnung (710) eingerichtet und derart angeordnet ist, dass hierüber ausströmender Kraftstoff aus dem Düsenkopf (71) in Richtung des Brennkammerkopfes (11) und damit mit einer Richtungskomponente entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Luft eingedüst wird. 2. Combustion chamber assembly according to Claim 1, characterized in that the nozzle head (71) is equipped with the at least one nozzle opening (710) and is arranged in such a way that fuel flowing out of the nozzle head (71) in the direction of the combustion chamber head (11) and thus with is injected with a directional component opposite to the flow direction of the air.
3. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düsenöffnung (710) an einer in Richtung des Brennkammerkopfes (11) gewölbten äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes (71) vorgesehen ist. 3. Combustion chamber assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one nozzle opening (710) is provided on an outer lateral surface of the nozzle head (71) that is curved in the direction of the combustion chamber head (11).
4. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (71) halbkugelfömig oder kugelfömig ausgebildet ist. 4. Combustion chamber assembly according to claim 3, characterized in that the nozzle head (71) is designed hemispherically or spherically.
5. Brennkammerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düsenöffnung (710) an einem Ende eines hülsenförmigen Fortsatzes (710A) an dem Düsenkopf (71) ausgebildet ist, der von einer äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes (71) in Richtung des Brennkammerkopfes (11) vorsteht. 5. Combustion chamber assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one nozzle opening (710) is formed at one end of a sleeve-shaped extension (710A) on the nozzle head (71), which extends from an outer lateral surface of the nozzle head (71) in the direction of the combustion chamber head (11).
6. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge, mit der der hülsenförmige Fortsatz (710A) von der äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes (71) vorsteht, wenigstens dem Zweifachen eines Durchmessers der Düsenöffnung (710) entspricht. 6. Combustion chamber assembly according to claim 5, characterized in that a length with which the sleeve-shaped extension (710A) protrudes from the outer lateral surface of the nozzle head (71) corresponds to at least twice a diameter of the nozzle opening (710).
7. Brennkammerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (71) mehrere, jeweils zum Eindüsen von Kraftstoff in Richtung des Brennkammerkopfs (11) vorgesehene Düsenöffnungen (710) aufweist. 7. Combustion chamber assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzle head (71) has a plurality of nozzle openings (710) each for injecting fuel in the direction of the combustion chamber head (11).
8. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Düsenöffnungen (710) an einem dem Brennkammerkopf (11) zugewandten Abschnitt einer äußeren Mantelfläche des Düsenkopfes (71) verteilt angeordnet sind. 8. Combustion chamber assembly according to claim 7, characterized in that the plurality of nozzle openings (710) are distributed on a section of an outer lateral surface of the nozzle head (71) facing the combustion chamber head (11).
9. Brennkammerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Brennkammerkopf (11) mindestens eine Luftöffnung für das Führen von Luft in Richtung des Düsenkopfes (71) vorgesehen ist. 9. Combustion chamber assembly according to one of the preceding claims, characterized in that at least one air opening for guiding air in the direction of the nozzle head (71) is provided on the combustion chamber head (11).
10. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Luftöffnung an einem in die Brennkammer (207) ragenden Ende einer Luftdüse (17) vorgesehen ist. 10. Combustion chamber assembly according to claim 9, characterized in that the at least one air opening is provided on an end of an air nozzle (17) protruding into the combustion chamber (207).
11. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Brennkammer (207) ragende Ende der Luftdüse (17) durch eine an dem Brennkammerkopf (11) vorgesehene Düsenhülse (170) gebildet ist. 11. Combustion chamber assembly according to claim 10, characterized in that the end of the air nozzle (17) protruding into the combustion chamber (207) is formed by a nozzle sleeve (170) provided on the combustion chamber head (11).
12. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düsenhülse (170) in Richtung des Düsenkopfes (70) mit einer Länge in die Brennkammer (207) hinein erstreckt, die geringer ist als eine Länge, mit der die Düsenhülse (170) stromauf an dem Brennkammerkopf (11) vorsteht. 12. Combustion chamber assembly according to claim 11, characterized in that the nozzle sleeve (170) extends into the combustion chamber (207) in the direction of the nozzle head (70) with a length which is less than a length with which the nozzle sleeve (170) upstream of the combustor head (11).
13. Brennkammerbaugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtlänge des Düsenhülse (170) wenigstens dem Zweifachen eines Durchmessers der Luftöffnung entspricht. 13. Combustion chamber assembly according to one of claims 10 to 12, characterized in that an overall length of the nozzle sleeve (170) corresponds to at least twice a diameter of the air opening.
14. Brennkammerbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Brennkammerkopf (11) mehrere jeweils für das Führen von Luft in Richtung des Brennkammerkopfes (71) vorgesehene Luftöffnungen vorhanden sind. 14. Combustion chamber assembly according to one of claims 9 to 13, characterized in that on the combustion chamber head (11) there are a plurality of air openings each provided for guiding air in the direction of the combustion chamber head (71).
15. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 7 oder 8 und nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Düsenöffnung (710) des Düsenkopfes (71) genau einer Luftöffnung des Brennkammerkopfes (11) zugeordnet ist und eine jeweilige Düsenöffnung (710) eingerichtet und derart angeordnet ist, dass hierüber ausströmender Kraftstoff in Richtung der jeweils zugeordneten Luftöffnung und damit entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der aus der zugeordneten Luftöffnung in die Brennkammer (207) einströmenden Luft eingedüst wird. 15. Combustion chamber assembly according to claim 7 or 8 and according to claim 14, characterized in that one nozzle opening (710) of the nozzle head (71) is assigned to exactly one air opening of the combustion chamber head (11) and a respective nozzle opening (710) is set up and arranged in this way that about this outflowing fuel is injected in the direction of the associated air opening and thus in the opposite direction to the direction of flow of the air flowing into the combustion chamber (207) from the associated air opening.
16. Brennkammerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammerkopf (11) mehrere Segmente (110) umfasst, die entlang eines Umfangs der Brennkammer (207) nebeneinander angeordnet sind. 16. Combustion chamber assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the combustion chamber head (11) comprises a plurality of segments (110) which are arranged alongside one another along a circumference of the combustion chamber (207).
17. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 14 oder 15 und nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Segment (110) mehrere Luftöffnungen vorhanden sind. 17. Combustion chamber assembly according to claim 14 or 15 and according to claim 16, characterized in that there are a plurality of air openings on each segment (110).
18. Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsenköpfe (71) vorgesehen sind, von denen jeweils ein Düsenkopf (71) einem Segment (110) des Brennkammerkopfes (11) zugeordnet. 18. Combustion chamber assembly according to claim 16 or 17, characterized in that several nozzle heads (71) are provided, of which one nozzle head (71) is assigned to a segment (110) of the combustion chamber head (11).
19. Brennkammerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffdüse (7) für das Eindüsen von gasförmigen Kraftstoff, insbesondere für das Eindüsen von Wasserstoff eingerichtet und vorgesehen ist. 19. Combustion chamber assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel nozzle (7) is set up and provided for injecting gaseous fuel, in particular for injecting hydrogen.
20. Triebwerk mit einer Brennkammerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 19. 20. An engine having a combustor assembly according to any one of claims 1 to 19.
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