DESC011492MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 14. Januar 1953 Bekanntgemacht am 5. Januar 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Triebwerke tndt intermittierender Veränderlichkeit 'der Geschwindigkeit des, auetretenden, Strahles werden in, der Regel mit Steueirungiseinrichtungen gebaut, die wegen der geringem Druckentwiicklung mur kleine Strahilgeschwindigkeiiten zulassen und damit mur bei nicht sehr hohen Fluggeschwindigkeiten wirtschaftlich arbeiten. Außerdem haben diese Triebwerke einen sehr hohen Kraftstoffverbrauch, weil die Verbrennung bei verhältnismäßig geringem Luftüberschuß erfolgt, so< daß, bezogen auf den erzielten Impuis, die Brennistoff menge groß ist. Mit der vorliegenden Anordnung wird- eis möglich, relativ höhere AuBtrittsgesohiwindigkeiten zu erzielen, wobei gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch geringer wird.

Brennkammern für Düsentriebwerke und Gasturbinen arbeiten vorwiegend nach dem Gleichdruckverbrennuingsverfahiren. Um die Luft- bzw. Gasiriassen, welche wegen des notwendigem LuftüberschuiSisBs -sehr groß sind, durch die Brennkammern zu befördern, sind; relativ große Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich, da die baulichen Abmessungen in tragbaren Grenzen gehalten werden müssen. Die großen Strömungsgesohwin-

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digkeiten bedingen ihrer seife einen erheblichen Druckabfall in der Brennkammer. Die Druckdifferenz entsprechend diesem Druckverluist muß im Verdichter vor der Brennkammer zusätzlich erzeugt werden, wodurch dier Kraftstoffverbrauch erhöht und die Leistung dies Triebwerkes verringert wird.

In der Gleichdruckbrennkammer wird die Verbrennung in einem primären Teil ungefähr im Bereich das theoretischen Mischungsverhältnisses eingeleitet. Vor den. Düsen der Gasturbine dürfen wegen der Fas tigke its eigenschaften: der verwendeten Baustoffe Gärtemperaturen von 700 bis iooo⁰ C nicht überschritten werden. Deshalb muß ein Viel-

*5 faches der Primär-VerbrennungSiluftmenge nachträglich im Sekundärteil der Brennkammer als Sekundärluft zugemischt werden. Durch diesen nachträglichen Luiftz.ugang ist eine starke Ungleichmäßigkeit in der Temperaturverteilung nicht zu vermeiden. Eine Verbesserung der Temperaturgleichmäßiigkeiit durch stärkere Wirbelung ist wegen des damit verbundenen zusätzlichen Druckverlustes nicht tragbar. Die höchsten! auftretenden Temperaturen, die im allgemeinen im Kern dar Verbrennuogsmagsie in vielen Fällen.etwa io°/o größer als die Mittel temperatur · sind,, sind maßgebend für die Beanspruchung der Materialien. Die Leistung, welche in erster Annäherung proportional der absoluten Temperatur des Arbeitsgases ist, ergibt sich aus der geringeren Mitteltemperatur und nicht aus der aus Festigkeitsgründen maß gebenden. Höchsttemperatur.

Für Gleichdruakbrennkammern ergeben, sich damit folgende Nachteile: Leistungsverlu'st infolge des Druc'kverlustes, Leiistumgisverlust infolge der ungleichmäßigen Temperaturverteilung.

Schon bei der Entwicklung der ersten, Gas-. turbinenausiführungen. und auch in der späteren Entwicklung wurde versucht, die leistungs- und verhrauchsmäßiigen Vorteile der Gleiehraumverbrennung der Gasturbine nutzbar zu machen. Die Verbrennung erfolgt dann intermittierend, wobei der Verbrennungsraum während der Verbrennung ganz oder unvollständig abgeschlossen, ist. Dar

4-5 Abschluß der Verpuffungskammer während der Verbrennung erfolgt meist durch ventiilartige Mechanismen, welche einerseits große Drosselverl.uste verursachen, für den Gaiswechesl relativ lange Zeiten benötigen und andererseits bei den hohen auftretenden Frequenzen eine große Störanfälligkeit aufweisen. Die Leistungsabgabe erfolgt über die intermittierend; beaufschlagte Turbine, oder über pulsierenden Strahlschufb.

In anderen Vorschlägen wurden die am Umfang angeordneten Brennkammern durch rotierende Bauteile in umlaufender Reihenfolge abgesperrt. Die Verbrennung erfolgt bei abgeschlossener Brennkammer zur Druakentwicklung, da zur Ladung der Kammer keine oder nur eine sehr geringe VoTverdichtung vorgesehen fet. Weiterhin ist vorgeschlagen, den Verbrennungsraum in einer Aussparung des umlaufenden Rotors unterzubringen öder die Brennkammer durch umlaufende Steuerorgane abzuschließen, die von der Hauptwelle aus über ein Getriebe angetrieben werden. Die Expansion, erfolgt dann meist in einen. Sammelraum, der annähernd. auf gleichem Druck gehalten wird. Bei einer anderen vorgeschlagenen Anordnung erfolgt die Verbrennung in einer Primärbrennkammer. Anschließend findet eine Vorexpansion in eine Gleicbdruckkammer vor dem Düseneintritt statt, wobei die bei der Verbrennung entstehenden Drücke zum größten Teil ohne Leistungsabgabe abgebaut werden.

Bei der im Patent beschriebenen Einrichtung wird die Primärverbrennuing in den Primärteilen der Brennkammern durchgeführt, deren Eintrittsöffnungen sowie die Übertrittsöffnungen zum Sekundärteil der Brennkammern durch rotierende Scheiben gesteuert sind. Während der Verbrennung ist der Primärteil der Brennkammer ganz oder zu einem großen Teil abgeschlossen, so daß durch eventuell offenbleibende Spalte in den Ein- und Au SiI aß Organen nur so viel Gas abströmen kann, daß nur ein tragbarer Abfall des durch die Verbrennung entstehenden Druckes stattfindet. Der Ablauf der Verbrennung wird dadurch, dem Gleichraumverbrannungisverfahren, ähnlich. Aus diesen Primärteilen der Brennkammer treten die nur teilweise oder auch weitgehend ausgebrannten Verbrennungsgase untere Wirbelung in den Sekundärteil dar Verbrennungskammern, deren Ein- und Auslaßorgane ebenfalls rotierende Scheiben sind. Aus diesem Sekundärteil der Brennkammern, strömen die Gase unter Absinken, des Druckes in. eine Schubdüse oder in die Leitdüsen einer Gasturbine oder beides. Sobald der Druck auf den Eintrittsdruck der Ladeluft gesunken ist, öffnen die Eintrittsscheiben, Um, den Eintritt für die Luft in die Sekundärteile der Brennkammern freizugeben. Wesentlich ist vor allem das geeignete Zusammenwirken der S teuer organe und. diie Anordnung der Primär- und, Sekuindärkamnier. Neuartig ist hierbei, daß Primär- und Sekundärkammern nebeneinander angeordnet sind und unabhängig voneinander gefüllt werden können. Die vorgeseheine Anordnung in. Verbindung mit der Sciheibensteuerung gestattet eine sehr wirkungsvolle Spülung der beiden Brennkammern sowie eine gute Wiederfüllung.

Bei dieser Brennkammierausfühnung tritt im Gegensatz zur Gileichdruekbreinnkatnmer nicht nur kein Pruckverluist auf, sondern die bei variablen sinkenden Drücken aus der Brennkammer austretenden Verbreninungsgasc weisen: im Mittel einen wesentlich, höheren Druck auf als der Druck der Verbrennungsluft vor der Brennkammer. Nur der Teil der Gase, der während der Spülperiode aus den Kammern austritt, hat ähnlich wie dä,s A^erbrennungsgais bei der Gleichdruckbrennikammer einen etwas ■ geringeren Druck. Wegen des im Durchschnitt höheren Druckes und infolge der wegen des größeren, Expansionsverhältnisses zulässigen höheren Temperatur beim Ausströmen aus der Brennkammer wird die Leistung des mit der im Patent beschriebenen Brennkammer aus-

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gerüsteten Triebwerkes um einen bedeutenden Betrag höher als bei Verwendung von Gteicbdruekb rennkammern.

Beim Überströmen auis dem Primär- im dein Sekundärteil der Brennkammern werden große Energiebeträge in Geschwindigkeit umgesetzt. Die dabei auftretenden hohen Geschwindigkeiten werden teiiweise zur Herstellung' einer starken Verwirbelung in der Sekundärkammer und damit zur

ίο Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung und zur Beschleunigung der Nachverbrennung benutzt.

In der neuen, erfindungsgemäßen Brennkammer wird also die erfoirderlidhe Durchmischung des Gases zur Erzielung gleichmäßiger Teimperator und der notwendigen Verarmung des Gemisches nicht mittels einer primär für die Leistung maßgebenden verlorenen Druckdifferenz herbeigeführt, sondern as wird die normalerweise nutzbar gemachte Energie:, die dem Wärmegefäille im Bereich der Spitzendrüeke der annähernden. Gleichraumverbreninung entspricht, hierzu verwendet. Es wird somit eine: zusätzliche, Energiequelle, die durch die Verbrenniungsdrucksteigeruinig gegeben ist, ausgenutzt.

Die Ausführung einer Brennkammer gestattet eine Leistungsabgabe des damit ausgerüsteten Triebwerkes ■ über Schubdüse, Gasturbine mit Schubdüse oder mechanisch über Gasturbine. Ein Ausführungsbeispiel wird an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Abb. ι ein Beispiel für eine mechanisch gesteuerte mehrstufige Brennkammer für Flug>zeugdüsentriebwerke, Pulsotriebwerke oder Gasturbiiien,

Abb. 2 a ein Beispiel für ein Steuerdiagramni einer Brennkammer entsprechend Abb. 1,

Abb. 2 b ein Beispiel für Formgebung der Einlaß Steuer scheibe bei .radialer B rennkam me ran Ordnung,

Abb. 2 c ein Beispiel für Formgebung der Einlaßsteuerscheibe bei verwundenem Überströmkanal.

Nach Durchspülen des Primärteiles der Verbrennungskammern 4 mit vorverdicbteter Luft werden diese auf der Auslaß- und Einlaßseite durch rotierende Scheiben 1 und 2 oder andersartige rotierende Bauelemente 1 und 2 verschlossen,, worauf der Kraftstoff durch die Düse 8 eingespritzt und durch eine oder mehrere Kerzen, 9 gezündet wird. Nach dem Durchbrennen des Gemisches wird der Auslaß des Primärteiles der Brennkammer durch Steuerorgane 2 freigegeben, und die Verbre-nnungsgase strömen unter starker Wirbelbildung in die dann geschlossene Sekumdärkammer. Anschließend wird durch Steuerorgan 3 der Weg der Verbrennungsgase zur Schubdüse bzw. zur Turbine freigegeben. Der Ablauf der Einzelvorgänge ist im Steuerdiagramm (Abb. 2 a) für die Einlaßsteuerung von Primärteil α und Sekundärteil b der Brennkammer dargestellt. Im zeitlichen Verlauf der Einzelvorgänge sind die Spülung und Füllung der Primärkammer durch den Kreisausschnitt c, die Verbrennung durch d und die Nachverbrennung mit dem Auslaß aus der Primärkammer durch e gekennzeichnet. Entsprechend bedeuten für die Arbeitsweise der Sekundärkammer / das Übertrömen (von der Primärkammer her) und g den Auslaß zur Strahldüse oder Turbine und eine eventuelle Überladung. Zur besseren Kenintlichmaehung sind die jeweiligem BefcrieibiS'ZUStände für die Siteuerorgane durch verschiedene Schraffuren dargestellt. Für das Einlaßorgan ι in Abb. ι bedeutet h in Abb. 2 a, daß das Steuerorgan den Gasdurchtritt öffnet, und i, daß dieser geschlossen ist. Für das Überströmorgan 2 in Abb. ι bedeutet k geschlossenen und / offenen Durchtritt. Entsprechend ist für das Auslaßorgan 3 in Abb. 1 der Gasdurchtritt durch die Schräffur m geschlossen und für η geöffnet. Durch die Trägheit der von dem Primärteil der Brennkammer 4 in den Sekundärteil der Brennkammer 6 überströmenden Gasmasse kann in der Primärkammer ein Unterdruck erzeugt werden. Dadurch kann der Primärteil der Brennkammer schon, vor dem Sekundärteil i^ der Brennkammer zur Spülung geöffnet werden, und Spülung und Füllung wird durch diesen Unterdruck beschleunigt. Bei ringförmiger Anordnung der Primär- und Sekundärteilkammern kann mit ein und demselben rotierenden Steuerorgan der Arbeitsvorgang in den Kammern in umlaufender Reihenfolge abgewickelt werden.

Ein Beispiel für die Formgebung des Steuerorgans ι ist in Abb. 2 b gezeigt. Dieses Organ läßt sich bezüglich der Zentrifugalbeanspruchung günstig gestalten, indem der Sekundärteil der Brennkammer gegenüber dem zugehörigen Primärteil in Umfangsrichtung etwas verschoben angeordnet ist. Die Form des Einlaßsteuerorgans ergibt sich dann entsprechend Abb. 2 c. Der Auslaß aus dem Primärteil der Brennkammer sowie der Überströmkanal müssen dementsprechend ausgebildet werden. Bei der in Abb. 2 b und 2 c durch ausgezogene Linien dargestellten Form der Einlaßsteuerorgane sind die Winkel zugrunde gelegt, die sich aus dem Steuerdiagramm (Abb. 2 a) für eine sehr schmale Brennkammer ergeben. Um auch bei in Umfangrichtung breiteren Brennkammern eine Absperrzeit entsprechend i in Abb. 2 a zu erzielen, müssen die sperrende Teile der Einlaßsteuerorgane (Abb. 2 b und 2 c) um die Breite der Brennkammer vergrößert werden, wie dies durch die gestrichelten Linien und durch die Fläche 0 als Beispiel in diesen Abbildungen angedeutet ist.

Die erzielbaren Ein- und Ausströmquerschnitte sind bei der im Patent beschriebenen Ausführungsform um ein Vielfaches größer als beispielsweise bei Ventilsteuerung von Verbrennungsräumen, z. B. im Motor."

Der Antrieb der Steuerscheiben erfolgt zweckmäßigerweise durch unmittelbare Befestigung an der Welle. Die Überströmenergie zwischen Primär- und Sekundärkammer und die Ausströmenergie aus der Sekundärkammer kann durch düsenähnliche Gestaltung der Überströmkanäle mit einem An-Stellwinkel in Drehrichtung und durch ent-

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sprechende schaufelähnliche Leitbleche auf den rotierenden Steuerelementen mit zum Antrieb der Steuerscheiben herangezogen werden.

Die Formgebung der Steuerelemente ist durch den thermodynamischen Ablauf des Arbeitsspieles in der Brennkammer vorgegeben.

Die Ausbildung der Steuerorgane i, 2 und 3 kann zwecks Kühlung hohl erfolgen. Die Kühlung erfolgt z.B. durch Luft, welche in Achsennähe in

ίο das Steuerorgan eintreten kann und dann infolge Fliehkraft durch die Kühlkanäle unter Umständen mit laderähnlichen Rippen befördert wird. Die erwärmte Luft wird dem Gasstrom wieder zugeführt. Auf diese Weise wird die durch Kühlung abgegebene Wärme wieder voll dem System zurückgegeben. Weitere Kühlumgsarten, z.B. mit Wasser, kommen -je nach Anwandungsiart in Betracht.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE: 20

1. Brennkammer mit drehschiebergesteuertem _: Primär- und Sekundärbrennraum für Turbinenstrahltriebwerke, Pulsotriebwerke und Gasturbinen, bei der nach Ablauf des Hauptteiles des Verbrennungsvorganges im Primärbrennraum das Überströmen in den Sekundärbrennraum durch ein rotierendes Überströmsteuerorgan geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Brennräume parallel geschaltet sind, daß der Sekundärbrennraum durch an sich bekannte rotierende Einströmsteuerorgane unabhängig vom Primärbrennraum gleichzeitig mit oder kurzzeitig nach letzterem mit Luft oder Brenngas aufgeladen wird und daß der Auslaß des Sekundärbrennraumes durch ein rotierendes Ausströmsteuerorgan gesteuert wird. . .

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende! Steuerung«- organ, welches den Übergang vom Primär- zum Sekundärteil der Brennkammer steuert, eine wesentliche Zeit vor dem Öffnen, des ebenfalls rotierenden Au si aß organs der Sekundärkammer öffnet, wobei das Überströmorgan auch während eines Teiles der Auslaßöffnungszeit der Sekun-. därkammer offen bleiben kann.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzeit des Einlaßorgans der Primärkammer so bemessen ist, daß die Öffnung erst erfolgt, wenn infolge der Wirkung der kinetischen Energie der Überströmbewegung ein relativer Unterdruck in der Primärkammer entstanden ist.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Steuerungskörper hohl ausgebildet sind und zum Zwecke der Kühlung von Luft, unter. Umständen mit zusätzlicher Wassereinspritzung, durchströmt werden.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Primärverbrennungsraumes zum Zweck der Kühlung mit Luft, unter Umständen unter Zuhilfenahme weiterer Kühlung, durchströmt werden.

6. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Primärals auch die Sekundiärveirbreinnungskammern ringförmig angeordnet sind.

7. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmig angeordneten Verbrennungskammern jeweils hintereinander durch die gleichen Scheiben gesteuert werden.

8. Brennkammer nach. Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusammenarbeitende Primär- und Sekundärbrennkammern radial angeordnet sind.

9. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Primär- und Sekundärkammern in Umfangsrichtung etwa um den Verschiebungswinkel zwischen EinilaJßbeginn in die. Primärkammer und E in laß beginn in die Sekundärkammer so weit versetzt angeordnet sind¹, daß das Einlaß steuerorgan keine in Umfangsriahtung stehenden . Steuerkanten am äußeren. Steuerungsring besitzt.

10. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal aus der Primärkammer oder aus der Sekundärkammer oder aus beiden, ähnlich Turbinendüsen, schräg in Umfangsrichtung angeordnet ist und daß die rotierenden Steuerungselemente ähnlich Turbinenschaufeln Führungskörper aufweisen, die einen Impuls in Dreh richtung aufnehmen.

Angezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr.. 190 917, 485 386, 724998;

britische Patentschriften Nr. 619 173, 656337; USA.-Patentschriften Nr. 2 557 198.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen