[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine, insbesondere ein Triebwerk
eines Flugzeugs, die insbesondere ringförmig umlaufend ausgebildet ist, mit einer
Außenwandung und einer Innenwandung, die bezüglich einer zwischen ihnen verlaufenden
Längsachse angeordnet sind und mit einer eintrittsseitig zwischen der Außenwandung
und der Innenwandung, insbesondere orthogonal zu der Längsachse, verlaufenden Frontplatte,
wobei die Außenwandung, die Innenwandung und die Frontplatte einen, insbesondere ringförmig
umlaufenden, Brennraum begrenzen, wobei sich der Brennraum über eine Länge der Brennkammer,
von einer injektorseitigen Eintrittsseite mit einer eintrittsseitigen Höhe bis zu
einer stromabseitigen Austrittsöffnung mit einer austrittsseitigen Höhe, erstreckt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Triebwerk.
[0002] Eine derartige Brennkammer ist in der
EP 1 522 792 B1 angegeben, welche eine RQL-(Rich-Quench-Lean)-Brennkammer zeigt.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs genannten
Art sowie ein Triebwerk mit einer optimierten Emissionscharakteristik im Betrieb bereitzustellen.
[0005] Die Erfindung wird für die Brennkammer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für
das Triebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
[0006] Bei der Brennkammer ist vorgesehen, dass in einem Längsschnitt durch die Brennkammer
die Außenwandung und/oder die Innenwandung einen sich der Längsachse in (Haupt-) Strömungsrichtung
(bzw. axialer Richtung bezüglich der Längsachse) stetig (ohne Knicke und/oder Sprünge)
und streng monoton (sich kontinuierlich) annähernden Verlauf aufweisen, wobei die
Annäherung an der Eintrittsseite stärker ausgebildet ist als an der Austrittsseite
(mit der Austrittsöffnung).
[0007] Die Annäherung kann im mathematischen Sinne als Steigung bzw. Gradient gegenüber
der Längsachse interpretiert werden. Würde in dem Längsschnitt die Längsachse eine
Abszisse eines kartesischen Koordinatensystems (mit einer z. B. an der Eintrittsseite
positionierten Ordinate) bilden, entsprächen die Schnittkanten der Außenwandung und/oder
der Innenwandung streng monoton verlaufenden, stetigen Kurven, mit einem ausgehend
von der Eintrittsseite in Richtung Austrittsöffnung stetig geringer werdenden Betrag
ihrer Steigung, d. h. der Betrag der Gradienten ist an der Eintrittsseite am größten.
[0008] Die Längsachse verläuft insbesondere mittig durch die insbesondere orthogonal dazu
angeordnete Frontplatte. Vorzugsweise ist auch ein Injektor-Hauptkörper zumindest
eines Injektors der Brennkammeranordnung, der die Brennkammer zugeordnet ist, entlang
und/oder symmetrisch auf und/oder zu der Längsachse angeordnet.
[0009] Die eintrittsseitige Höhe bemisst sich an der axialen Position der Frontplatte (auf
deren in Richtung Brennraum weisenden Seite) von der Außenwandung zu der Innenwandung
orthogonal zu der Längsachse. Die austrittsseitige Höhe bemisst sich an der axialen
Position der Austrittsöffnung von der Außenwandung zu der Innenwandung orthogonal
zu der Längsachse.
[0010] Die Austrittsöffnung ist hier definitionsgemäß in einer orthogonal zu der Längsachse
ausgerichteten Austrittsebene und zwischen den Brennkammerwandungen angeordnet. Die
Austrittsöffnung erstreckt sich von dem stromabseitigen Ende der Außenwandung bis
zu dem stromabseitigen Ende der Innenwandung. Falls die stromabseitigen Enden auf
unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet sind, erstreckt sich die Austrittsöffnung
von dem stromabseitigen Ende derjenigen Brennkammerwandung, die weiter stromauf endet
(Außenwandung oder Innenwandung) bis zu der anderen Brennkammerwandung (Innenwandung
oder Außenwandung), d. h. eine der Brennkammerwandungen kann axial über die Austrittsöffnung
hinausragen.
[0011] Die Frontplatte kann brennkammerseitig einen Hitzeschutz aufweisen und einwandig
und/oder doppelwandig ausgebildet sein.
[0012] Die Außenwandung und/oder die Innenwandung kann einwandig oder doppelwandig ausgebildet
sein.
[0013] Bei einer ringförmig umlaufenden Brennkammer ist der Längsschnitt insbesondere parallel
zu einer zentralen Mittellängsachse geführt, um welche die Brennkammer angeordnet
ist. Vorzugsweise ist dabei die Brennkammer drehsymmetrisch ausgebildet, wobei die
erfindungsgemäße Ausbildung der Außenwandung und/oder der Innenwandung über die gesamte
Umlaufrichtung vorliegt. Die Längsachse bildet umlaufend eine Längsfläche, die insbesondere
(bzgl. der zentralen Mittellängsachse) radial mittig und/oder orthogonal bezüglich
der Frontplatte verläuft.
[0014] Durch die erfindungsgemäße Formgebung der Brennkammerwandungen (der Außenwandung
und/oder der Innenwandung) wird eine vorteilhafte Strömungsführung erreicht, wobei
durch sprunghafte Veränderungen in der Führung der Brennkammerwandungen induzierte
Rückströmgebiete, die mit erhöhter Verweilzeit der Strömung und damit Stickoxid-Bildung
einhergehen, vermieden werden. Auf diese Weise trägt die vorgeschlagene Ausbildung
der Brennkammerwandungen zu geringen Stickoxidemissionen im Betrieb bei.
[0015] Besonders bevorzugt ist der Verlauf der Außenwandung und/oder der Innenwandung im
Längsschnitt ellipsenbogenförmig und/oder auf einem Kreisbogen kreisbogenförmig ausgebildet.
Die Wölbung des Bogens verläuft (ggf. jeweils) dem Brennraum zugewandt. Bei entsprechender
Ausbildung beider Brennkammerwandungen ähnelt in der Gesamtschau die Anordnung der
Brennkammerwandungen in dem Längsschnitt der Form einer bikonkaven Linse.
[0016] Dabei weist vorzugsweise bei kreisbogenförmigem Verlauf der Kreisbogen einen Kreisradius
zwischen 3,5-mal und 10-mal der Länge, insbesondere zwischen 5-mal und 8-mal der Länge,
auf. Bei ellipsenbogenförmigem Verlauf beträgt vorzugsweise ein erster Radius zwischen
80 % und 100 % und ein zweiter Radius zwischen 100 % und 120 % des (vorstehend definierten)
Kreisradius.
[0017] In einer zweckmäßigen Ausbildungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Außenwandung
und die Innenwandung den gleichen Kreisradius und/oder den gleichen ersten Radius
und zweiten Radius aufweisen, und insbesondere bezüglich der Längsachse spiegelsymmetrisch
zueinander angeordnet sind. Möglich ist auch ein unterschiedlicher Kreisradius und/oder
ein unterschiedlicher erster Radius und zweiter Radius.
[0018] Vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn ein Verhältnis der eintrittsseitigen Höhe zu
der austrittsseitigen Höhe zwischen 1,4 und 1,6 (mit 1,4 ≤ h1/h2 ≤ 1,6), vorzugsweise
1,5, beträgt.
[0019] Bevorzugt beträgt ein Winkel α zwischen der Frontplatte und der Außenwandung und/oder
der Innenwandung zwischen 45° und 90° (mit α kleiner 90°, d. h. 45° ≤ α < 90°), insbesondere
zwischen 60° und 90° (60° ≤ α < 90°).
[0020] Vorzugsweise ist die Länge (der Brennkammer) zwischen der eintrittsseitigen Höhe
und der austrittsseitigen Höhe nach der Vorschrift 1 ≤ L/h1 ≤ 3, insbesondere 1,6
≤ L/h1 ≤ 2,3 (für Flüssigtreibstoffe) oder 1 ≤ L/h1 ≤ 2,3 (für wasserstoffhaltige
Treibstoffe), ausgelegt.
[0021] Die Brennkammer kann endseitig (austrittsseitig) montierbar ausgebildet sein, z.
B. mittels Befestigungsmitteln, die näher an der Austrittsseite angeordnet sind als
an der der Eintrittsseite.
[0022] Das Triebwerk weist eine Brennkammeranordnung umfassend zumindest einen Injektor
und eine Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele auf. Die Brennkammeranordnung
ist insbesondere zum Betrieb mit einem kerosinbasierten und/oder einem alternativen
flüssigen Treibstoff ausgebildet und/oder zum Betrieb mit einem gasförmigen, insbesondere
einem wasserstoffhaltigen, Treibstoff ausgebildet.
[0023] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Brennkammeranordnung mit einer kreisbogenförmig
ausgebildeten Innenwandung und einer kreisbogenförmig ausgebildeten Außenwandung im
Längsschnitt.
[0024] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkammeranordnung 100 für eine
Gasturbine, insbesondere ein Triebwerk eines Flugzeuges, in einem Längsschnitt durch
eine Brennkammer 10 entlang einer Längsachse M. Die Brennkammeranordnung 100 ist von
einem Außengehäuse 12 des Triebwerks umgeben, an welchem sie beispielhaft endseitig
mittels Befestigungsmitteln 8, 9 montiert ist. Die Brennkammeranordnung 100 ist insbesondere
für einen RQL(Rich-Quench-Lean)-Betrieb mit flüssigem Treibstoff, z. B. einem kerosinbasierten
und/oder alternativen Treibstoff, und/oder einem gasförmigem Treibstoff, z. B. einem
wasserstoffhaltigen Treibstoff, ausgebildet.
[0025] Die Brennkammeranordnung 100 umfasst zumindest einen Injektor 2 und die Brennkammer
10, in welche der Injektor 2 mit einem Injektorhauptkörper 20 eintrittsseitig mündet.
Der Injektorhauptkörper 20 ist insbesondere entlang der Längsachse M und/oder symmetrisch
zu dieser angeordnet.
[0026] Die Brennkammer 10 ist insbesondere ringförmig um eine (hier nicht gezeigte) Mittellängsachse
umlaufend ausgebildet, wobei sie vorzugsweise zumindest im Wesentlichen drehsymmetrisch
ausgebildet ist. Eintrittsseitig, an einer injektorseitigen Eintrittsseite 13 (an
der in montiertem Zustand der Injektor angeordnet ist), weist die Brennkammer 10 eine
Frontplatte 4 auf, die vorzugsweise orthogonal zu der Längsachse M und/oder zumindest
im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu dieser angeordnet ist. Wie Fig. 1 zeigt, kann
die Frontplatte 4 doppelwandig ausgebildet sein und/oder einen brennraumseitigen Hitzeschutz
5 aufweisen.
[0027] Zudem weist die Brennkammer 10 eine Außenwandung 6 und eine Innenwandung 7 auf, zwischen
welchen in dem Längsschnitt die Längsachse M angeordnet ist, die insbesondere ringförmig
umlaufen. Die Außenwandung 6 und die Innenwandung 7 sind vorliegend beispielhaft einwandig
ausgebildet, können jedoch auch doppelwandig ausgebildet sein, zum Beispiel zu Kühlzwecken.
[0028] Die Frontplatte 4 ist zwischen der Außenwandung 6 und der Innenwandung 7, vorzugsweise
sich von der Außenwandung 6 bis zu der Innenwandung 7 erstreckend, angeordnet, gegebenenfalls
unterbrochen durch Einbauten wie den Injektor 2.
[0029] Die Außenwandung 6, die Innenwandung 7 und die Frontplatte 4 begrenzen eingangsseitig
und mantelseitig einen insbesondere ringförmig umlaufenden Brennraum 1, der sich über
eine Länge L von der injektorseitigen Eintrittsseite 13 bis zu einer Austrittsseite,
mit einer stromabseitigen Austrittsöffnung 14, erstreckt. Die Austrittsöffnung 14
ist hier definitionsgemäß in einer orthogonal zu der Längsachse M ausgerichteten Austrittsebene
und zwischen den Brennkammerwandungen (Außenwandung 6 und Innenwandung 7) angeordnet,
wobei sie sich in Fig. 1 beispielhaft von dem stromabseitigen Ende der Außenwandung
6 an das stromabseitige Ende der Innenwandung 7 erstreckt.
[0030] An der dem Brennraum 1 zugewandten Seite der Frontplatte 4, insbesondere des Hitzeschutzes
5, weist der Brennraum 1 bzw. die Brennkammer 10 eine eintrittsseitige Höhe h1 auf.
Die eintrittsseitige Höhe h1 bemisst sich von der Außenwandung 6 zu der Innenwandung
7 orthogonal zu der Längsachse M. Austrittsseitig, axial auf Position der Austrittsöffnung
14, weist der Brennraum 1 von der Außenwandung 6 zu der Innenwandung 7 eine austrittsseitige
Höhe h2 auf.
[0031] Durch die erfindungsgemäße Formgebung der Außenwandung 6 und/oder der Innenwandung
7 ergeben sich vorteilhafte Auswirkungen auf die Stickoxid-Emissionen im Betrieb.
Dabei weisen die Außenwandung 6 und/oder die Innenwandung 7 in dem Längsschnitt durch
die Brennkammer 10 entlang der Längsachse M einen sich der Längsachse M in Strömungsrichtung
stetig und streng monoton annähernden Verlauf auf. Die Annäherung ist von der Eintrittsseite
13 ausgehend stärker als zu der Austrittseite 14 hin. Würde die Längsachse M eine
Abszisse eines kartesischen Koordinatensystems (mit einer z. B. an der Eintrittsseite
13 positionierten Ordinate) bilden, entsprächen die Schnittkanten der Außenwandung
6 und/oder der Innenwandung 7 Kurven mit einem ausgehend von der Eintrittsseite 13
in Richtung Austrittsöffnung 14 stetig geringer werdenden Betrag ihrer Steigung. Knicke
und/oder Sprünge in der Wandungsführung sind nicht vorhanden.
[0032] Diese Ausbildung der Außenwandung 6 und/oder der Innenwandung 7 ist in Umlaufrichtung
vorzugsweise über die gesamte Außenwandung 6 und/oder Innenwandung 7, bei Ausbildung
als Ringbrennkammer vorzugsweise ringförmig umlaufend, vorgesehen.
[0033] Ein eintrittsseitiger Winkel α, zwischen der Frontplatte 4 mit dem Hitzeschutz 5
(an dessen dem Brennraum 1 zugewandter Seite) und der Außenwand 6 und/oder der Innenwand
7, beträgt zwischen 45° und 90°, insbesondere zwischen 60° und 90°, vorliegend beispielhaft
etwa 84°. Ein austrittseitiger Winkel β, zwischen der Ebene der Austrittsöffnung 14
(orthogonal zu der Längsachse M) und der Außenwand 6 und/oder der Innenwand 7, liegt
näher an 90° und beträgt vorliegend zwischen 85° und 90°, beispielhaft etwa 87°.
[0034] Wie Fig. 1 durch die gestrichelte Darstellung zweier Kreisbögen K verdeutlicht, ist
der Verlauf der Außenwandung 6 und der Innenwandung 7 vorliegend beispielhaft kreisbogenförmig
ausgebildet, wobei die Wölbungen der beiden Kreisbögen nach innen, in Richtung Längsachse
M weisen bzw. die Außenwandung 6 und die Innenwandung 7 nach innen konvex geformt
sind. In der Gesamtschau ähnelt die Anordnung der Brennkammerwandungen (Außenwandung
6, Innenwandung 7) in dem gezeigten Längsschnitt somit der Form einer bikonkaven Linse.
Möglich ist auch eine kreisförmige und/oder ellipsenbogenförmige Ausbildung mit unterschiedlichen
Radien (hier nicht gezeigt).
[0035] Vorliegend weisen die Außenwand 6 und die Innenwand 7 beispielhaft den gleichen Kreisradius
auf und sind bezüglich der Längsachse M spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet.
Möglich sind auch unterschiedliche Kreis- bzw. Ellipsenradien (hier nicht gezeigt).
Der Kreisradius entspricht vorzugsweise zwischen 3,5-mal und 10-mal, insbesondere
zwischen 5-mal und 8-mal der Länge L der Brennkammer 10. Die Länge L ist vorzugsweise
gemäß der Vorschrift 1 ≤ L/h1 ≤ 3, z. B. 1,6 ≤ L/h1 ≤ 2,3 (für flüssige Treibstoffe)
oder 1 ≤ L/h1 ≤ 2,3 (für gasförmige, wasserstoffhaltige Treibstoffe) dimensioniert.
[0036] Ein Verhältnis der eintrittsseitigen Höhe h1 zu der austrittseitigen Höhe h2 beträgt
vorzugsweise zwischen 1,4 und 1,6.
[0037] Die beschriebene kreisbogenförmige und/oder ellipsenförmige Formgebung der Brennkammerwandungen
mit in Richtung der Längsachse M weisender Wölbung führt vorteilhaft zu einem kontinuierlich
konvergierenden Brennraum 1, wobei die Höhe in der axialen Mitte des Brennraums 1
näher an der austrittsseitigen Höhe h2 als an der eintrittsseitigen Höhe h1 liegt.
Auf diese Weise kann gegebenenfalls etwa in diesem Bereich zugegebene Mischluft (hier
nicht gezeigt) verhältnismäßig tief in die Strömung innerhalb des Brennraums 1 eindringen.
Zudem bietet die kontinuierliche Formgebung einen vergleichsweise großen Spielraum
bei der Auslegung der axialen Position gegebenenfalls anzuordnender Mischluftöffnungen
an den Brennkammerwandungen, was ebenfalls zur Optimierung der Emissionscharakteristik
beitragen kann.
[0038] Zusammenfassend führt insbesondere die Kombination der vorstehend genannten Dimensionierungsregeln
zu einer insbesondere hinsichtlich Stickoxidemissionen äußerst vorteilhaften Brennkammer
10, die nicht nur mit flüssigen Treibstoffen, wie Kerosin und/oder synthetischen Treibstoffen,
sondern insbesondere auch mit (alleinigem oder beigemischtem) Wasserstoff als Treibstoff
optimiert betrieben werden kann.
Bezugszeichenliste
[0039]
- 1
- Brennraum
- 10
- Brennkammer
- 100
- Brennkammeranordnung
- 2
- Injektor
- 20
- Injektorhauptkörper
- 3
- Haube
- 4
- Frontplatte
- 5
- Hitzeschutz
- 6
- Außenwandung
- 7
- Innenwandung
- 8
- Befestigungsmittel
- 9
- Befestigungsmittel
- 12
- Außengehäuse
- 13
- Eintrittsseite
- 14
- Austrittsöffnung
- α
- Winkel
- β
- Winkel
- h1
- eintrittsseitige Höhe
- h2
- austrittsseitige Höhe
- K
- Kreisbogen
- L
- Länge
- M
- Längsachse
1. Brennkammer (10) für eine Gasturbine, insbesondere ein Triebwerk eines Flugzeugs,
die insbesondere ringförmig umlaufend ausgebildet ist, mit
einer Außenwandung (6) und einer Innenwandung (7), die bezüglich einer zwischen ihnen
verlaufenden Längsachse (M) angeordnet sind, und
mit einer eintrittsseitig zwischen der Außenwandung (6) und der Innenwandung (7),
insbesondere orthogonal zu der Längsachse (M), verlaufenden Frontplatte (4),
wobei die Außenwandung (6), die Innenwandung (7) und die Frontplatte (4) einen, insbesondere
ringförmig umlaufenden, Brennraum (1) begrenzen, wobei sich der Brennraum (1) über
eine Länge (L) der Brennkammer (10) entlang der Längsachse (M), von einer injektorseitigen
Eintrittsseite (13) mit einer eintrittsseitigen Höhe (h1) rechtwinklig zur Längsachse
(M) bis zu einer stromabseitigen Austrittsöffnung (14) in einer orthogonal zur Längsachse
(M) ausgerichteten Austrittsebene mit einer austrittsseitigen Höhe (h2) rechtwinklig
zur Längsachse (M), erstreckt,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem Längsschnitt durch die Brennkammer (10) die Außenwandung (6) und/oder die
Innenwandung (7) einen sich der Längsachse (M) in Strömungsrichtung stetig und streng
monoton annähernden Verlauf in Form einer Kurve mit einem ausgehend von der Eintrittsseite
bis zur Austrittsseite (14) stetig geringer werdenden Betrag ihrer Steigung aufweisen,
wobei die Annäherung an der Eintrittsseite (13) stärker ausgebildet ist als an der
Austrittsseite.
2. Brennkammer (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verlauf der Außenwandung (6) und/oder der Innenwandung (7) im Längsschnitt ellipsenbogenförmig
und/oder auf einem Kreisbogen (K) kreisbogenförmig ausgebildet ist.
3. Brennkammer (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei kreisbogenförmigem Verlauf der Kreisbogen (K) einen Kreisradius zwischen 3,5-mal
und 10-mal der Länge (L), insbesondere zwischen 5-mal und 8-mal der Länge (L), aufweist,
und
dass bei ellipsenbogenförmigem Verlauf ein erster Radius zwischen 80 % und 100 % und ein
zweiter Radius zwischen 100 % und 120 % des Kreisradius beträgt.
4. Brennkammer (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Außenwandung (6) und die Innenwandung (7) den gleichen Kreisradius und/oder den
gleichen ersten Radius und zweiten Radius aufweisen, und insbesondere bezüglich der
Längsachse (M) spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
5. Brennkammer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Verhältnis der eintrittsseitigen Höhe (h1) zu der austrittsseitigen Höhe (h2)
zwischen 1,4 und 1,6, vorzugsweise 1,5 beträgt.
6. Brennkammer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Winkel (α) zwischen der Frontplatte (4) und der Außenwandung (6) und/oder der
Innenwandung (7) zwischen 45° und 90°, insbesondere zwischen 60° und 90°, beträgt.
7. Brennkammer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Länge (L) zwischen der eintrittsseitigen Höhe (h1) und der austrittsseitigen
Höhe (h2) nach der Vorschrift 1 ≤ L/h1 ≤ 3, insbesondere 1,6 ≤ L/h1 ≤ 2,3 oder 1 ≤
L/h1 ≤ 2,3, ausgelegt ist.
8. Brennkammer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennkammer (10) endseitig montierbar ausgebildet ist.
9. Triebwerk mit einer Brennkammeranordnung (100) umfassend zumindest einen Injektor
(2) und eine Brennkammer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.