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Vorrichtung zur Flammenstabilisierung in Gleichdruck-Brennkammern
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Flammenstabilisierung in Gleichdruck-Brennkammern,
bei der aus der Brennkammerwandung quer zur Strömungsrichtung Hilfsstrahlen in die
Kammer eintreten, deren Druck höher als der in der Brennkammer herrschende statische
Druck ist.
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Einrichtungen dieser Art, die insbesondere bei Nachbrennern das Baugewicht
verringern sollen, sind bereits bekannt. Die bekannten Stabilisierungsvorrichtungen
erzeugen durch eine Vielzahl- von Luftstrahlen möglichst geschlossene Luftschirme;
die ähnlich den mechanischen Flammhaltern hinter sich ein Wirbelgebiet erzeugen.
Es können dabei mehrere derartige Schirme vorgesehen werden, die entgegengesetzte
Neigung besitzen oder in Sektoren unterteilt sind, die sich in Strömungsrichtung
gesehen zu einem vollen Luftschirm ergänzen. Dazu werden entweder Schlitze für den
Austritt der Luft oder zahlreiche dicht nebeneinanderliegende kleine Bohrungen verwendet.
Die Luftschirme werden bei den bekannten Vorrichtungen so erzeugt, daß sie entweder
das Innere eines Ringkörpers bzw. einen Sektor zwischen radialen Streben vollständig
ausfüllen oder von einer Wandung ausgehen.
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Zur Erzeugung der geschlossenen Schirme muß die Luft möglichst kontinuierlich
über den Umfang der Wandung verteilt eingeblasen werden. Wenn dann noch eine große
Eindringtiefe erzielt werden soll, ist eine außerordentlich große Luftmenge erforderlich,
die wirtschaftlich kaum zu vertreten ist bzw. zusätzliche Verdichter bedingt. Außerdem
wird bei von einer Wandung ausgehenden Luftschleiern die Gefahr auftreten, daß die
sich ausbildende Flammenfront zur gegenüberliegenden Wandung abgedrängt wird und
diese unzulässig erwärmt.
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Es ist weiterhin bekannt, zur Stabilisierung Einzelstrahlen vorzusehen,
die entweder aus konvergentdivergenten Düsen, die eine Strahlausbreitung bewirken,
aus Schlitzen oder einer Anzahl dicht nebeneinanderliegender Bohrungen austreten
und hinter dem Luftstrahl im Bereich zwischen dem allmählich in die Hauptströmungsrichtung
umgelenkten Strahl und der Wandung ein Rückströmgebiet erzeugen, in dem die Verbrennung
stabil abläuft. Zur Erzeugung ausreichend großer Stabilisierungsgebiete sind verhältnismäßig
breite Luftstrahlen erforderlich. Der Nachteil dieser Einrichtungen liegt darin,
daß die Verbrennung in unmittelbarer Wandnähe stattfindet.
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Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Flammenstabilisierung,
bei der der Luftbedarf verringert und die Verbrennung von der Wandung entfernt gehalten
wird. Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Hilfsstrahlen
auf paarweise von gegenüberliegenden Wandungen gegeneinandergerichtete Einzellüftstrahlen
beschränkt sind, die stromabwärts einer diesem Strahlenpaar zugeordneten Brennstoffeinspritzdüse
zusammentreffen und an der Stelle des Zusammentreffens durch ihre gegenseitige Lage
Stabilisierungsgebiete willkürlicher Gestalt ergeben.
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Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß durch die Verwendung von einzelnen
Luftstrahlen eine Energiebündelung erzielt wird, die die Eindringtiefe der Strahlen
vergrößert und damit den Luftbedarf verringert. Das Zusammenwirken von je zwei Einzelstrahlen
ermöglicht durch geeignete Anordnung der Lage und Neigung der Austrittskanäle die
Ausbildung von Stabilisierungsgebieten beliebiger Form und an von den Wandungen
entfernten Stellen der Brennkammer.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann den Hilfsluftstrahlen
in an sich bekannter Weise Kraftstoff zugemischt werden.
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Vorzugsweise werden die Hilfsstrahlen nach einem anderen Merkmal unter
einem Winkel von 30 bis 50° gegen eine normal zur Brennkammerachse liegende Ebene
zur Stelle der zugeordneten Brennstoffeinspritzdüse hin eingeblasen.
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Zur Erzielung einer großen Eindringtiefe sollen die Hilfsstrahlen
nach einem weiteren Merkmal in an sich bekannter Weise wenigstens mit Schallgeschwindigkeit
in die Brennkammer eintreten:
Weitere Merkmale der Erfindung gehen
aus der nachstehenden Beschreibung hervor; in der unter Bezug auf die Zeichnungen
mehrere Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen erläutert werden.
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F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Triebwerk mit einem Nachbrenner,
der gemäß der Erfindung ausgebildet ist; F i g. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie
2-2 der Fig.1; F i g. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung auf die Hauptbrennkammern
eines Triebwerks; F i g. 4 ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 durch eine Brennkammer
des Triebwerks nach F i g. 3 in vergrößertem Maßstab; F i g. 5 zeigt eine weitere
Ausführungsform der Erfindung; F i g. 6 ist ein Schnitt nach der Linie 6-6 der F
i g. 5.
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In F i g. 1 ist die Erfindung in ihrer Anwendung auf einen Nachbrenner
eines einfachen Triebwerks dargestellt, das einen Verdichter 1, mehrere um die Verdichterwelle
herum angeordnete Brennkammern 2 mit den üblichen Zünd- und Einspritzorganen sowie
eine Turbine 3 aufweist. An die Turbine schließt sich ein im wesentlichen :zylindrisch
ausgebildeter Nachbrenner 4 an, der in einer Austrittsdüse 5 endet.
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Stromabwärts der Turbine ist eine ringförmige Kraftstoffleitung 6
vorgesehen, die mit stromabwärts weisenden Einspritzdüsen 7 versehen ist und von
einer nicht dargestellten Pumpe mit Kraftstoff versorgt wird. Von einer der letzten
Stufen des Verdichters führt eine Leitung 8 zu einer stromabwärts der Kraftstoffleitung
6 gelegenen Ringleitung 9, die Luftdüsen 10 mit Luft höheren Drucks versorgt. In
diese Leitung kann ein Drosselventil eingeschaltet sein, um den Druck der den Luftdüsen
zugeführten Luft zu regeln. Stromaufwärts der Kraftstoffringleitung 6 ist die Leitung
8 mit einer Abzweigung 11 versehen, die in den Zentralkörper 12 hinter der Turbine
führt und dort weitere Luftdüsen 13 mit Luft versorgt. Wie in F i g. 2 zu erkennen
ist, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier um je 90° versetzte Einspritzdüsen
7 vorgesehen, die zwei zueinander senkrechte Ebenen A und B festlegen, in
denen stromabwärts der Einspritzdüsen in einer gemeinsamen, normal zur Achse des
Triebwerks gelegenen Ebene C die Luftdüsen 10 und 13 angeordnet sind. Die Luftdüsen,
die durch zylindrische Rohre dargestellt werden können, sind unter einem solchen
Winkel zu einer normal zur Längsachse des Triebwerks gelegenen Ebene angeordnet,
daß sich ihre Mittellinien vor den zugehörigen Einspritzdüsen schneiden. Vorzugsweise
beträgt der Winkel 30 bis 50°. Aus konstruktiven Gründen ist ein kreisförmiger
Querschnitt vorzuziehen, jedoch können in bestimmten Fällen andere Querschnittsformen,
etwa längliche Schlitze, von Vorteil sein.
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Die eingeblasenen Luftstrahlen bewirken, insbesondere an der Stelle
ihres Zusammentreffens, eine stark verringerte Geschwindigkeit stromabwärts der
Einspritzdüsen oder sogar eine gewisse Rückströmung. In diesem Gebiet läßt sich
die Verbrennung stabil halten.
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Gezündet wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Nachbrenner mit einer
nicht dargestellten Hochenergiezündeinrichtung in dem auftretenden Wirbelgebiet.
Je nach Ausführung und augenblicklichem Betriebszustand des Triebwerks kann die
Temperatur des Abgases im Austritt aus der Turbine so hoch sein, daß sich eine gesonderte
Zündeinrichtung im Nachbrenner erübrigt und das Luft-Kraftstoff-Gemisch sich am
heißen Abgas entzündet.
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Das erzeugte Wirbelgebiet bzw. die Rückströmung führt natürlich zu
gewissen Druckverlusten, die jedoch wesentlich geringer sind, als es bei mechanischen
Flammhaltern in Form von Störkörpern der Fall ist. Bei einer Versuchseinrichtung
wurden bei eingeschaltetem Nachbrenner am Boden Druckverluste von 4 bis 5 01I9 des
Gesamtdrucks der Strömung gemessen. Wenn der Nachbrenner abgeschaltet wird, wird
gleichzeitig durch eine nicht dargestellte Absperreinrichtung die Zufuhr der Luft
zu den Luftdüsen 10 und 13 unterbrochen, so daß die Strömung stromabwärts der Turbine
nur die unumgänglichen Reibungsverluste an der Wandung erleidet.
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In F i g. 3 und 4 ist die Erfindung in ihrer Anwendung auf die Hauptbrennkammern
eines Triebwerks dargestellt.
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Das Triebwerk ist wieder mit einem Verdichter 14, mehreren zylindrischen
Brennkammern 15, einer Turbine 16 und einem Austrittskonus 17 versehen. Von der
letzten Stufe des Verdichters 14 wird durch einen radial nach innen führenden Kanal
Luft abgezweigt, die in einem auf der Verdichterwelle sitzenden Radialverdichter
18 zusätzlich verdichtet wird. Der Austritt des Radialverdichters 18 ist mit einer
Ringleitung 19 verbunden, die stromabwärts der Einspritzdüsen 21 der Hauptbrennkammern
angeordnete Luftdüsen 20 mit Luft versorgt. Die Luftdüsen 20 sind so angeordnet,
daß sich die unter einem Winkel zur Brennkammerachse stromaufwärts eingeblasenen
Luftstrahlen in Strömungsrichtung hinter den Einspritzdüsen treffen.
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Bei dem in F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im
Gegensatz zu F i g. 1 nur eine Einspritzdüse 22 für die Nachverbrennung vorgesehen,
die am Ende des Zentralkörpers 12 angeordnet ist. In diesem Fall kann die Abzweigung
11 der Leitung 8 entfallen, und die Luftdüsen 23 sind nur im Mantel 24 des Nachbrenners
angeordnet. Die Lage und Anordnung der Luftdüsen 23 relativ zur Einspritzdüse 22
sind wieder so gewählt, daß stromabwärts der Einspritzdüse eine stark verringerte
bzw. negative Axialgeschwindigkeit der Strömung erreicht wird.
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Es kann in bestimmten Fällen zweckmäßig sein, die Anzahl und die Lage
der Luftdüsen relativ zur Einspritzdüse zu ändern, beispielsweise können je zwei
einander gegenüberliegende Düsen in verschiedenen Ebenen angeordnet werden, um die
axiale Erstreckung des Stabilisierungsgebietes zu vergrößern. Vorzugsweise wird
als gasförmiges Medium Luft verwendet, der selbstverständlich auch Kraftstoff zugefügt
sein kann, um die Nachverbrennung zu unterstützen. Andererseits können auch die
heißen Abgase der Hauptbrennkammer des Triebwerks vor dem Druchtritt durch die Turbine
zur Versorgung der Luftdüsen benutzt werden.
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Obwohl die Erfindung nur in ihrer Anwendung als Nachbrenner und als
Flammenstabilisierung in den Hauptbrennkammern eines Turbinen-Luftstrahltriebwerks
beschrieben wurde, kann sie in gleicher Weise auch zur Flammenstabilisierung in
Hauptbrennkammern von stationären Anlagen oder als Brennkammer für Staustrahltriebwerke
verwendet werden.
Es ist weiterhin selbstverständlich, daß der Kraftstoff
auch gasförmig zugeführt werden kann.