DE69724054T2

DE69724054T2 - Brennstoffeinspritzsystem für eine Brennkammer

Info

Publication number: DE69724054T2
Application number: DE69724054T
Authority: DE
Inventors: Denis Roger Henri Ansart; Gilles Gerard Claude Lepretre; Denis Jean Maurice Sandelis
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: EP0828115A1; CA2207831C; DE69724054D1; JPH1089688A; EP0828115B1; CA2207831A1; JP3954165B2; FR2752917A1; US5941075A; FR2752917B1

Description

Diese Erfindung betrifft die Versorgung einer Brennkammer, insbesondere von Turbotriebwerken, mit Brennstoff und Primärluft.
Bei Flugzeug-Turbotriebwerken führen die große Funktionsbandbreite und die immer strengeren Spezifikationen hinsichtlich der verschiedenen Leistungen der Brennkammer zu Kompromissen, die immer schwieriger zu verwirklichen sind.
Ein typisches Beispiel für gegensätzliche Leistungen ist das der Stabilität der Flamme im Leerlauf und die Notwendigkeit, Rauch und den Ausstoß von Stickoxiden bei Vollgas zu vermeiden. So muss das Einspritzsystem von Brennstoff und Luft eine korrekte Verbrennung bei sehr unterschiedlichen Drehzahlen und Bedingungen gewährleisten.
Es ist daher absolut notwendig, die Verbrennung so gut wie möglich zu homogenisieren und dabei zugleich das radiale Profil der Temperaturen am Ausgang der Kammer zu wahren, um unakzeptable thermische Belastungen des Turbinenrads zu vermeiden.
In der Schrift FR-A-2 596 102 ist in 18 eine mechanische Einspritzvorrichtung, die eine Nut mit einer geraden Anzahl von Rippen aufweist, die eine gleiche Anzahl von Lufteinlassdurchgängen abgrenzen, wobei jeder zweite Durchgang einen radialen Einlass hat, um einen Luftstrom um den Brennstoffeinspritzkanal herum abzugeben, um in einer Kammer, die von einer Hülse mit konvergierend/divergierender Innenkontur gebildet wird, ein erstes Gemisch herzustellen, wobei die anderen Durchgänge einen axialen Einlass haben und einen Luftstrom an der hinteren Außenumfangslinie der Hülse abgeben.
Durch diese abwechselnd angeordneten Luftzufuhrkanäle wird die Durchlässigkeit der Vorgemisch-Nut eingeschränkt.
Diese Erfindung ermöglicht die Herstellung einer mechanischen Einspritzvorrichtung, die mit Vorgemisch-Nuten mit hoher Durchlässigkeit verbunden ist und es ermöglicht, die den Herstel lern von Triebwerken auferlegten Verschmutzungs- und Leistungskriterien in den verschiedenen Drehzahlbereichen zu erfüllen.
Die Erfindung betrifft also eine Einspritzvorrichtung für Luft und Brennstoff in eine Brennkammer, insbesondere in die eines Turbotriebwerks, wobei diese Vorrichtung von vorn nach hinten eine Brennstoffeinspritzdüse mit einer Achse A, eine ein Venturirohr bildende Hülse, die koaxial zur Achse A angeordnet ist und eine konvergierend/divergierende Innenkontur aufweist, die eine Vormischkammer umgrenzt, in die der Brennstoff eingespritzt wird, eine Schüssel, die sich nach hinten erweitert und vorn einen Stutzen für ihre Befestigung auf der Hülse aufweist, sowie Mittel zum Einspritzen der Zerstäubungsluft für den Brennstoff umfasst.
Erfindungsgemäß ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einspritzen der Zerstäubungsluft für den Brennstoff aus einer ersten Radialnut mit hoher Durchlässigkeit, die vor der Hülse angeordnet ist und es ermöglicht, ein erstes Luft-Brennstoff-Gemisch in der Vormischkammer herzustellen, aus einer zweiten Radialnut mit einer Vielzahl von Kanälen, die im vorderen Teil der Hülse ausgeführt sind und in der konvergierenden Innenkontur münden, wobei diese zweite Nut dazu bestimmt ist, in dem Venturirohr eine homogene Verbrennung zu gewährleisten, und aus einer dritten Axialnut, die am Außenumfang des hinteren Teils der Hülse angeordnet ist, bestehen, und dass die axialen Ausgänge der dritten Nut auf der Umfangslinie abwechselnd mit den radialen Ausgängen der zweiten Nut angeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Eingänge der dritten Nut durch radiale Durchgänge, die im vorderen Teil der Hülse ausgeführt und mit den Durchgängen der zweiten Nut abwechselnd angeordnet, mit Luft versorgt werden.
Vorteilhafterweise besteht die dritte Nut aus Rillen, die in der Außenwand der Hülse ausgeführt sind, wobei diese Rillen von dem Befestigungsstutzen der Schüssel überdeckt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen näher aus der folgenden Beschreibung hervor, die als Beispiel gilt und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
1 eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung in einer Schnittansicht in Ebenen, die durch die Achse der Brennstoffeinspritzdüse verlaufen, zeigt, wobei der über der Achse A gelegene Teil in einem Halbschnitt in einer Ebene, die durch einen Durchgang der zweiten Nut verläuft, dargestellt ist, und der unter der Achse A gelegene Teil in einem Halbschnitt in einer Ebene, die durch einen Durchgang der dritten Nut verläuft, dargestellt ist,
2 die abwechselnde Anordnung der Ausgänge der zweiten und der dritten Nut zeigt,
3 eine Abwicklung des Umfangs der Einspritzvorrichtung darstellt, in der die tangentialen Verschiebungen der drei Nuten zueinander und der tangentiale Einfallwinkel der von jeder Nut abgegebenen Ströme gezeigt werden,
4 eine Ausführungsvariante der in 1 dargestellten Vorrichtung zeigt, 5 einen Schnitt entlang der Linie V–V von 4 zeigt, und
6 perspektivisch die ein Venturirohr bildende Hülse der Vorrichtung von 4 zeigt.
In den Zeichnungen ist eine mechanische Einspritzvorrichtung für Luft und Brennstoff 1 zum Einspritzen in eine nicht dargestellte Brennkammer eines Turbotriebwerks dargestellt.
Diese Vorrichtung 1 weist eine Brennstoffeinspritzdüse 2 mit einer Achse A auf, die Brennstoff nach hinten in eine Vormischkammer 3 einspritzt, die am Boden des Verbrennungsraums vor dem Primärverbrennungsbereich 4 angeordnet ist.
Die Vormischkammer 3 wird durch die Innenkontur 5 einer koaxial zur Achse A liegenden Hülse 6 gebildet. Diese Innenkontur 5 setzt sich nach hinten in eine sich erweiternde Wand 7 einer herkömmlichen Schüssel 8 fort. Die Schüssel 8 weist vor der sich erweiternden Wand 7 einen Stutzen 9 für ihre Befestigung an der Hülse 6 auf. Die Schüssel 8 ist in bekannter Weise in einer Öffnung angebracht, die am Boden des Verbrennungsraums vorgesehen ist.
Wie in den 1 und 4 zu erkennen ist, ist zwischen dem vorderen Ende der Hülse 6 und dem hinteren Ende der Brennstoffeinspritzdüse 2 eine erste Radialnut 10 angeordnet, die von einem Zentrierring 11 der Brennstoffeinspritzdüse 2 getragen wird.
Die Innenkontur 5 der Hülse 6 verläuft von vorn nach hinten konvergierend/divergierend und bildet ein Venturirohr.
In dem vorderen Teil 12 der Hülse 6, der sich vor dem konvergierenden Bereich der Kontur 5 befindet, sind zwei Reihen von Durchgängen ausgeführt, die sich abwechseln und durch Rippen 13 begrenzt werden.
Die Durchgänge 14a, 14b der ersten Reihe von Durchgängen verlaufen radial von einer Seite zur anderen den vorderen Teil 12 der Hülse 6 und münden vor dem Hals 15 des Venturirohrs.
Die Durchgänge 16a, 16b der zweiten Reihe von Durchgängen, die sich mit den Durchgängen 14a, 14b abwechseln, erstrecken sich von der Umfangslinie des vorderen Teils 12 der Hülse 6 bis zu einem Bereich, der sich radial innerhalb des Stutzens 9 der Schüssel 8 befindet, wo sie sich axial nach hinten neigen.
An der Umfangslinie des hinteren Teils 17 der Hülse 6, die sich vor der divergierenden Innenkontur der Kontur 5 befindet, und radial innerhalb des Stutzens 9 der Schüssel 8 sind Axialnuten 18a, 18b mit rechtwinkeligem Querschnitt ausgeführt, die die Durchgänge 16a, 16b der zweiten Reihe von Durchgängen verlängern und an der hinteren Umfangslinie der Hülse 6 münden.
Die Durchgänge 14a, 14b bilden eine zweite Radialnut, die dazu bestimmt ist, Luft in die Vormischkammer 3 einzuspritzen, und die Nuten 18a, 18b, die durch den Stutzen 9 der Schüssel 8 überdeckt werden, bilden eine dritte Axialnut.
Der Aufbau ist, wie auch in 2 deutlich dargestellt, dergestalt, dass die Ausgänge der dritten Axialnut sich auf der Umfangslinie mit den Ausgängen der zweiten Radialnut abwechseln.
Die Anzahl der Durchgänge 14a, 14b gleicht der Anzahl der Durchgänge 16a, 16b. Vorzugsweise ist die Anzahl der Durchgänge der ersten Nut 10, wie in 3 zu sehen, gleich der Gesamtzahl der Durchgänge 14a, 14b; 16a, 16b im vorderen Teil 12 der Hülse 6. Die erste Nut 10 besitzt also eine hohe Durchlässigkeit.
Die Rippen 13 sind tangential in einem Winkel α von 30° bis 40° zur Achse A der Brennstoff einspritzdüse 2 eingestellt. Die Achsen der Ausgangsöffnungen der Durchgänge 14a, 14b der zweiten Nut sind desgleichen um einen Winkel β zur Radialen an diesen Punkten geneigt. Die zweite Nut erzeugt damit in dem Venturirohr eine Verwirbelungsbewegung.
Die Rippen 20 der ersten Radialnut 10 sind ebenfalls radial eingestellt, und vorzugsweise sind die erste Nut 10 und die zweite Nut gegenläufig.
Die erste Radialnut 10 ermöglicht es, am Boden der Vormischkammer 3 ein erstes Vorgemisch herzustellen. Außerdem dient sie zur Entleerung.
Die zweite Radialnut, die tangential und auch radial eingestellt ist, gewährleistet eine homogene Vergasung in dem Venturirohr. Dazu muss der tangentiale Einfallwinkel der zweiten Radialnut einen Winkel von 60° bis 90° zu der tangentialen Komponente des ersten Gemischs bilden.
Die Einstellung der dritten Axialnut ist durch die an ihrem Ausgang befindliche axiale Beschaufelung bestimmt, d. h. durch den Winkel der Seitenwände der Rillen 18a, 18b zu der Achse A.
Der Ausgang der dritten Axialnut kann mitlaufend oder gegenläufig zu der tangentialen Komponente des Wirbels in dem Venturirohr sein, abhängig von dem gewünschten vergasten Strom.
Zudem hängt die tangentiale Neigung der dritten Nut von der technischen Ausführung der Schüssel ab, ob es sich um eine Schüssel mit herkömmlichen Öffnungen, um eine Schüssel mit mitlaufend oder gegenläufig wirbelbildenden Öffnungen oder um eine Schüssel ohne Öffnungen handelt.
Das Verhältnis der Geschwindigkeiten der durch die dritte Nut eingespritzten Luft und des Gemischs am Ausgang des Venturirohrs muss zwischen 0,8 und 1,6 betragen, wobei dieses Verhältnis von der technischen Ausführung der Schüssel abhängt.

Claims

Einspritzvorrichtung für Luft und Brennstoff in eine Brennkammer, insbesondere in die eines Turbotriebwerks, wobei diese Vorrichtung von vorn nach hinten eine Brennstoffeinspritzdüse (2) mit einer Achse A, eine ein Venturirohr bildende Hülse (6), die koaxial zur Achse A angeordnet ist und eine konvergierend/divergierende Innenkontur (5) aufweist, die eine Vormischkammer (3) umgrenzt, in die der Brennstoff eingespritzt wird, eine Schüssel (8), die sich nach hinten erweitert und vorn einen Stutzen (9) für ihre Befestigung auf der Hülse (6) aufweist, sowie Mittel zum Einspritzen der Zerstäubungsluft für den Brennstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einspritzen der Zerstäubungsluft für den Brennstoff aus einer ersten Radialnut (10) mit hoher Durchlässigkeit, die vor der Hülse (6) angeordnet ist und es ermöglicht, ein erstes Luft-Brennstoff Gemisch in der Vormischkammer (3) herzustellen, aus einer zweiten Radialnut mit einer Vielzahl von Kanälen (16a, 16b), die im vorderen Teil (12) der Hülse (6) ausgeführt sind und in der konvergierenden Innenkontur (5) münden, wobei diese zweite Nut dazu bestimmt ist, in dem Venturirohr eine homogene Verbrennung zu gewährleisten, und aus einer dritten Axialnut (18a, 18b), die am Außenumfang des hinteren Teils (17) der Hülse (6) angeordnet ist, bestehen, und dass die axialen Ausgänge der dritten Nut (18a, 18b) auf der Umfangslinie abwechselnd mit den radialen Ausgängen der zweiten Nut angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge der dritten Nut (18a, 18b) durch radiale Durchgänge (16a, 16b), die im vorderen Teil (12) der Hülse (6) ausgeführt und mit den Durchgängen (14a, 14b) der zweiten Nut abwechselnd angeordnet sind, mit Luft versorgt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Nut aus Rillen (18a, 18b) besteht, die in der Außenwand der Hülse (6) ausgeführt sind, wobei diese Rillen (18a, 18b) von dem Befestigungsstutzen (9) der Schüssel (8) überdeckt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Nut (10) und die zweite Nut (14a, 14b) gegenläufig sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der tangentiale Einfallwinkel der von der zweiten Nut (14a, 14b) in die Vormischkammer (3) eingespritzten Luft einen Winkel zu der tangentialen Komponente des ersten Gemischs bildet, der zwischen 60° und 90° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Nut (14a, 14b) tangential und radial eingestellt ist.