DE2844349C2 - Nachverbrennungskanal für ein Strahltriebwerk - Google Patents

Description

— daß die anschließenden Wandabschnitte (5) kegelstumpfförmig in Strömungsrichtung der Rauchgase konvergent ausgebildet sind,

— daß die Kegelwinkel der konvergenten Wandabschnitte (5) zwischen 30 und 4Ö¹ Hegen,

— daß die Projektionen der konvergenten Wandabschnitte (5) auf die Kanalachse doppelt so lang sind wie diejenigen der divergenten Wandabschnitte (4),

— daß alle Wandabschnitta (4, 5) etwa gleiche mittlere Durchmesser haben,

— daß die Löcher (6) für Kühlluft in den divergenten Wandabschnitten (4) mit einer Schrittweite verteilt sind, die 4 bis lOmal so groß wie die Lochd^.'chmesser ist, und

— daß die konvergenten W».ndabschnitte (5) nahe ihren stromabwärtigen Enden gleichmäßig verteilte Löcher (7) in dichter * nordnung für Kühlluft aufweisen.

2. Nachverbrennungskanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Löcher (6) in den divergenten Wandabschnitte (4) etwa parallel zu den konvergenten Wandabschnitten (5) verlaufen.

3. Nachverbrennungskanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Löcher (6) in den divergenten Wandabschnitten (4) rechtwinklig zu diesen divergenten Wandabschnitten (4) verlaufen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nachverbrennungskanal nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Nachverbrennungskanal dieser Art ist in der DE-AS 22 02 356 beschrieben und dargestellt.

Für eine zufriedenstellende Funktion eines Nachverbrennungskanals dieser Art müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. Eine wesentliche Bedingung besteht darin, daß die durch die Löcher in das Flammrohr einströmende Kühlluft eine Luftschicht an der inneren Wandung des Flammrohrs bildet, um letzteres wirksam kühlen zu können. Dabei muß die Menge der durch die Löcher in das Flammrohr einströmenden Kühlluft sich in gewissen Grenzen halten, um eine wirksame Nachverbrennung zu gewährleisten. Von nicht unerheblichem Einfluß ist auch die Form der Außenfläche des Flammrohrs, weil diese den Kühlluftstrom zwischen dem Gehäuse und dem Flammrohr wesentlich beeinflußt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß von diesem Kühlluftstrom auch die freie Strömung der Kühlluft durch die Löcher beeinflußt wird.

In der DE-AS 22 02 356 ist ein Nachverbrennungskanal der gattungsgemäßen Art beschrieben und dargestellt Bei dieser bekannten Ausgestaltung besteht das Flammrohr aus abwechselnd angeordneten stromab divergenten Wandabschnitten und hohlzylindrischen Wandabschnitten, wobei in den divergenten Wandabschnitten Löcher angeordnet sind, durch die die Kühlluft

ίο in das Flammrohr eintritt, um die angestrebte Luftschicht zu bilden.

Die bekannte Ausgestaltung ist auf stromab divergente Flammrohre beschränkt und schon deshalb nachteilig, weil sich für einen Nachverbrennungskanal insbesondere größerer Länge zwangsläufig ein vergrößerter Durchmesser ergibt Darüber hinaus ist bei der bekannten Ausgestaltung vorgegeben, daß aufgrund der Durchmesservergrößerung die Dicke der Luftschicht an der Innenseite des Flammrohrs mit zunehmender Länge des Flammrohrs abnimmt, wodurch nicht nur die Kühlung des Flammrohrs sondern auch dessen freie Längenbestimmung beeinträchtigt ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nachverbrennungskanal der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten, daß eine sich im Durchmesser nicht wesentlich vergrößernde Bauart sowie eine befriedigende Kühlung des Flammrohrs und eine befriedigende Luftzufuhr zum Flammrohr möglich sind.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist das Flammrohr abwechselnd angeordnete stromab divergente und konvergente Wandabschnitte auf, durch die eine sich im Durchmesser nicht vergrößernde Bauart erreicht wird. Da ein solches Wellenprofil dazu neigt, in der Luftströmung zwischen dem Gehäuse und dem Flammerohr Wirbelströmungen zu erzeugen, ist dafür zu sorgen, daß diese Luftströmung von der Außenfläche des Flammrohrs nicht abhebt odd abreißt. Diese Forderung wird durch den erfindungsgemäßen Kegelwinkelbereich für den konvergenten Wandabschnitt erfüllt Gleichzeitig ist durch eine Bemessung innerhalb dieses Kegelwinkelbereichs und dem erfindungsgemäßen Längenverhältnis zwischen den konvergenten und divergenten Wandabschnitten in der Projektion auf die Kanalachse gewährleistet, daß in der divergenten Ringzone im Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Flammrohr eine gute Wiederverdichtung des Luftstroms erreicht wird, aufgrund deren nicht nur eine befriedigende Luftströmung durch die Löcher in den divergenten Wandabschnitten sondern auch in den konvergenten Wandabschnitten gewährleistet ist. Infolgedessen wird nicht nur an der Außenseite des Flammrohrs sondern auch an dessen Innenseite eine wirksame Luftschicht zur Kühlung des Flammrohrs herbeigeführt Die erfindungsgemäßen Anordnungen der Löcher für die Kühlluft tragen nicht nur zu letzterem bei, sondern sie gewährleisten auch eine ausreichende Versorgung des Nachverbrennungskanals mit Luft zum Zweck der Nachverbrennung. Einer besonderen Anordnung von Leitblechen zur Bildung der Luftschicht bedarf es nicht.

Durch Variierung der Verteilungsdichte der Löcher

und deren Durchmesser und ggf. auch der Kegelwinkel der konvergenten Wandabschnitte im Bereich der erfindungsgemäßen Grenzen läßt sich ein Nachverbrennungskanal an besondere Erfordernisse Temperatur und Nachverbrennung anpassen.

Es sei noch erwähnt, daß die divergenten und konver-

genten Wandabschnitte ein Wellenprofil des Flammrohrs erzeugen, das wesentlich zu seiner Stabilität beiträgt

Es ist zwar aus DE-AS 11 71 207 ein Nachverbrennungskanal mit einem Flammrohr bekannt, das aus abwechselnd angeordneten divergenten und konvergenten Wandabschnitten besieht, jedoch weist dieses bekannte Flammrohr Löcher für die Kühlluft ausschließlich in den konvergenten Wandabschnitten auf. und es ist auch ein wesentlich größeres Verhältnis der Wandabschnittlängen in der Projektion auf die Kanalachse vorhanden. Aufgrund dieser Profilform mag eine verstärkte Luftströmung durch die einzigen, in den konvergenten Wandabschnitten angeordneten Löcher möglich sein, jedoch besteht bei dieser bekannten Ausgestaltung die Gefahr einer Zerstörung des Flammrohrs durch Wärme an dessen Innenseite des Flammrohrs als auch und zwar insbesondere im Bereich der divergenten Wandabschnitte, zu denen die Luftschicht nicht nur schwierig zu leiten ist, sondern an denen auch ein Abheben der Luftströmung zu erwarten ist

Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 2, läßt sich eine Luftschicht erreichen, die intensiv die Innenwand des Flammrohrs bestreicht

Dagegen führt die Ausgestaltung nach Anspruch 3 zu einer Luftschicht, die zwar ebenfalls in geschlossener Innenhülle die Innenwand des Flammrohrs bestreicht, jedoch zumindest teilweise eine stärkere Vermengung mit den im Flammrohr vorhandenen Rauchgasen eingeht, was aus Gründen der Nachverbrennung vorteilhaft sein kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter in einer schematischen Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäß ausgestaltete Nachbrennkammer;

Fig.2 einen Längs-Teilschnitt der Nachbrennkammer in vergrößerter Darstellung als erstes Ausführungsbeispiel;

Fig.3 efnen der Fig.2 entsprechenden Teilschnitt als zweites Ausführungsbeispiel.

Die in F i g. 1 gezeigte Verbrennungseinrichtung umfaßt ein Gehäuse 1 und ein Flammrohr 2, das aus einem Stück besteht oder auch aus einer Folge von Kreisringen zusammengesetzt ist, die miteinander verschweißt oder auf andere Weise fest verbunden sind. Das aus einer Turbine austretende heiße Gas strömt in Richtung des Pfeils / in das eine Nachbrennkammer bildende Flammrohr 2. Das Flammrohr 2, bei dem die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und die Flammenhalter nicht gezeigt sind, befindet sich im Inneren des Gehäuses 1, wobei das Flammrohr 2 und das Gehäuse 1 koaxial angeordnet sind. Deshalb besteht zwischen den beiden Bauteilen ein Ringjaum 3, in dem Luft in Richtung des Pfeils /'strömt. Diese verhältnismäßig kühle Luft dient zum Kühlen der Flammrohrwände.

Man erkennt, daß das Flammrohr 2 aus einer Aufeinanderfolge von kreisringförmigen Wellenprofilen zusammengesetzt ist Jedes Wellenprofil besteht aus einem im wesentlichen kegelstumpfförmigen, stromab dl· vergenten ersten Wandabschnitt 4 und einem im wesentlichen kegelstumpfförmigen, stromab konvergenten zweiten Wandabschnitt 5, der mit dem vorgenannten ersten Wandabschnitt 4 an seinem den größten Radius RM aufweisenden Ende verbunden ist. In den Figuren sind die Radien am stromauf gerichteten Ende des ersten Wandabschnitts 4 und dem stromab gerichteten Ende des zweiten Wandabschnitts 5 übereinstimmend groß mit einem gemeinsamen Wen Rm gezeichnet. Der Winkel an der Spitze des Kegelstumpfs, der den zweiten Wandabschnitt 5 bildet, liegt zwischen 30 und 40*. Die Projektion der Länge / des zweiten Wandabschnitts auf die Achse des Flammrohrs 2 ist etwa doppelt so groß wie die Projektion /' der Länge des ersten Wandabschnitts 4. Die Länge / wird begrenzt durch die Wirksamkeit der Kühlungsschicht, womit auch die Länge L der WeJIenprofile begrenzt wird.

Löcher 6, deren Durchmesser 03 bis 0,8 mm beträgt und die mit einem Abstand von größenordnungsmäßig vier- bis zehnfachem Durchmesser verteilt sind, befinden sich in dem ersten Wandabschnitt 4 jedes Wellenprofils. Die Löcher 6 liegen in einer oder in mehreren, koaxial mit dem Flammrohr 2 verlaufenden Reihen. In aufeinanderfolgenden Reihen sind die Löcher gegeneinander versetzt

Bei dem in F i g. 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel verlaufen die Achsen der Löcher 6 praktisch parallel zum zweiten Wandabschnitt 5. f>χ durch die Löcher 6 eingeblasene Luft bildet somit eine Schicht die in günstigem Verlauf strömt und ihre Wirkung über eine große Strecke beibehält

Beim in Fig.3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel verlaufen die Achsen der Löcher 6 senkrecht zum ersten Wandabschnitt 4. Eine solche Lösung ist dann vorzuziehen, wenn die Löcher 6 in hoher Verteilungsdichte angeordnet sind und vermieden werden muß, die Festigkeit der Wand durch eine zu hohe Materialentnahme in unzulässiger Weise herabzusetzen. Unter derartigen Umständen kann die Kühlluftschicht in Richtung stromab ihre Wirkung teilweise einbüßen.

Außerdem sind am stromabseitigen Ende des zweiten Wandabschnitts 5 Löcher 7 angeordnet, damit eine gewisse Luftmenge auch in diesem Bereich einzuströmen vermag.

Bei der Wahl der Yerteilungsdichte der Löcher 6,7 ist die Lage des Wellenprofils innerhalb des Strömungskanals zu berücksichtigen, d. h. das Ausmaß der Wärmebelastung, der sie ausgesetzt sind.

Die für den Kegelwinkel des den zweiten Wandabschnitt 5 bildenden Kegelstumpfes gewählten Grenzwerte von 30° und 40° führen in Verbindung mit dem Gehäuse 1 zu einer Divergenzzone, in der der Luftstrom einwandfrei verläuft, d. h. nirgendwo abhebt, wodurch auch die Wirksamkeit der Kühlluftschicht gewährleistet ist. Eine solche einwandfrei fließende Strömung ist im übrigen auch Bedingung dafür, daß die Löcher 7, die ihrerseits nicht dem Gesamtdruck der Strömung sondern nur deren statischem Druck ausgesetzt sind, richtig beaufschlagt werden. Dadurch ist außerdem auch eine geeignete Länge der divergenten Zone bedingt, wenn eine ausreichende Wiederverdichtung der Strömung herbeigeführt werden soll.

Der Kegelwinkel am ersten Wandabsäinitt 4 ist durch die vorstehenden Überlegungen bedingt, nämlich durch den Kegelwinkel an der Spitze des zweiten Wandabschnitts ?>nd das Längenverhältnis zwischen dem ersten und zweiten Wandabschnitt 4,5. Man sucht im übrigen diesen Betrag so hoch wie möglich zu halten, um den Gesamtdruck der Strömung am Ausgang der divergenten Zone für die Versorgung der Löcher 6 auszunützen.

Die Löcher6 und 7 werden durch Elektronenbeschuß hergestellt. Um diesen Vorgang zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, ihn auszuführen, bevor die Wellenprofile in die Ringe eingedrückt werden, die das Flammrohr 2 bilden sollen.

Die Höhe eines Wellenprofils, d. h. der Unterschied zwischen dem größten Radius RM des Wellenprofils an der Stelle, wo die beiden Abschnitte des Profils zusammentreffen, und dem Radius Rm an dem stromauf gelegenen Ende kann je nach der Lage des Wellenprofils variieren, um die Düsenwirkung zu optimieren, die sich zwischen der Spitze jedes Wellenprofils und der Wand des Gehäuses einstellt.

Das beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Flammrohres ist deshalb vorteilhaft, weil es einfach auszuführen ist und mit niedrigen Produktionskosten arbeitet. Es führt zu beträchtlichen Materialeinsparungen ohne daß Verstärkungseinrichtungen vorgesehen werden müssen, nachdem die Wellenprofilform angewandt wird. Es wird die Voraussetzung für eine günstig wirkende Luftschicht erzeugt, ohne daß dazu an sich bekannte Leitbieche, Beruhigungskammern, Blenden oder dgl. erforderlich sind, die den Aufbau erheblich komplizieren.

Die Herstellung aus einem Stück, ausgehend von einer Walzblechtafel, erscheint besonders vorteilhaft insofern, als Schweißungen auf ein Minimum reduziert werden und die Verwendung von sonstigen Befestigungsmitteln, wie sie aus früheren Einrichtungen dieser Art bekannt sind, vermieden werden. Die einstückige Hersteilung ist jedoch nicht die einzig mögliche. Das Flammrohr könnte auch aus einer Aufeinanderfolge von ringförmigen, gewellten Elementen hergestellt werden, die miteinander durch Schweißen, Nieten oder auf andere bekannte Weise verbunden werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

>8 44 349 Patentansprüche:

1. Nachverbrennungskanal für ein Strahltriebwerk mit einem in einem Gehäuse koaxial angeordneten Flammrohr, das abwechselnd kegelstumpfförmige, in Strömungsrichtung der Rauchgase divergente Wandabschnitte (4) mit im wesentlichen auf deren ganzer Fläche gleichmäßig verteilten Löchern mit einem Durchmesser zwischen 0.3 und 0,8 mm zum Einlaß von Kühlluft aus einem zwischen dem Flammrohr und dem Gehäuse gebildeten ringförmigen Luftkanal und daran anschließende Wandabschnitte (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet,