DE1061134B

DE1061134B - Combustion chamber

Info

Publication number: DE1061134B
Application number: DEU4869A
Authority: DE
Inventors: Vernon Rudolph Miller
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1956-10-19
Filing date: 1957-10-18
Publication date: 1959-07-09

Description

Brennkammer Die Erfindung betrifft HochleistungsVerbrennungseinrichtungen, wie Raketen-, Staustrahltriebwerk- und Strahlturbinen-Nachbrenner, und im besonderen F lammenhalterkonstruktionen, welche die als »Heulen« bekannte Erscheinung unter Kontrolle zu bringen vermögen.Combustion chamber The invention relates to high-performance combustion devices, such as rocket, ramjet, and jet turbine afterburners, and in particular Flame holder constructions, which underlie the phenomenon known as "howling" To bring control.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Flammenhaltervorrichtung besonderer Gestalt, welche die Erscheinung des Heulens in wirksamer Weise vermindert und eine hochwirksame Verbrennung liefert.The object of the invention is to create a flame holder device special shape which effectively diminishes the appearance of howling and provides a highly efficient combustion.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen Fig. 1 und 2 Druckdiagramme für den Zustand der radialen Grundschwingung bzw. deren erster Oberschwingung, Fig. 3, 4, 5 und 6 Druckdiagramme. für den Zustand der tränsversalen GrundschNvingung sowie deren erster bis dritter Oberschwingungen, Fig.7 eine Rückansicht der Flammenhalterkonstruktion nach der Erfindung, Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer Brennkammer, die den Flammenhalter 'nach Fig. 7 enthält, und Fig. 9 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Druckänderung beim Zustand der radialen Grundschwingung bzw. deren erster Oberschwingung mit Bezug auf den Durchmesser der Brennkammer und den Flammenhalter.The invention will now be described with reference to the drawing. Show it Fig. 1 and 2 pressure diagrams for the state of the radial fundamental oscillation and their first harmonic, Figs. 3, 4, 5 and 6 pressure diagrams. for the state of the transversal GrundschNvingung as well as their first to third harmonics, Fig. 7 a rear view of the flame holder construction according to the invention, Fig. 8 is a schematic side view a combustion chamber containing the flame holder of FIG. 7, and FIG. 9 is a graphical representation Representation to illustrate the pressure change in the state of the radial fundamental oscillation or their first harmonic with reference to the diameter of the combustion chamber and the flameholder.

In Hochleistungs-Verbrennungseinrichtungen, wie Raketen-, Staustrahltriebwerk- und Strahlturbinen-Nachbrennern, muß muß die Erscheinung der schwingenden Verbrennung beachtet werden. Diese Art der Verbrennung wird »heulende Verbrennung« genannt, wenn sie in Staustrahl- und Strahlturbinen-Nachbrennern auftritt. Die heulende Verbrennung leitet ihren Namen von dem hörbaren hohen Ton, der die hochfrequenten Druck- und Flamrrienfron,tschwingungen begleitet, ab. Diese Schwingungen treten bei einer bestimmten Resonanzfrequenz des Brennkammerhohl:raumes auf. Die entstehendem Druckschwingungen großer Amplitude und die vergrößerte Wärmeübertragungsgeschwindigkeit infolge der Flammenfrontschwingungen wirken sieh stark zerstörend auf die konstruktiven Bauteile der Brennkammer aus. Es ist bekannt, daß' Brennkammern innerhalb von Sekunden versagen, nachdem heulende Verbrennung aufgetreten ist. Diese destruktive Natur der heulenden Verbrennung macht es erwünscht, Mittel zu ihrer Überwachung zu besitzen.In high-performance combustion systems such as rocket and ramjet engines and jet turbine afterburners, must have the phenomenon of oscillating combustion get noticed. This type of burn is called "howling burn", when it occurs in ramjet and jet turbine afterburners. The howling combustion derives its name from the audible high-pitched tone that the high-frequency pressure and Flamrrienfron, accompanied by vibrations, from. These vibrations occur at a specific Resonance frequency of the combustion chamber cavity: space. The resulting pressure oscillations large amplitude and the increased heat transfer rate due to the Flame front vibrations have a very destructive effect on the structural components the combustion chamber. It is known that 'combustion chambers fail within seconds, after howling burn has occurred. This destructive nature of howling Incineration makes it desirable to have a means of monitoring it.

Während des sogenannten Heulens werden akustische stehende Wellen in dem Brennkammerrohr entwickelt und bilden definierte Bilder oder Strukturen der Druckänderung für jede erregte Resonanzfrequenz. Fig. 1 bis 6 zeigen die Druckdiagramme der vorherrschenden Resonanzfrequenzen, die in einer zylindrischen Brennkammer erregt werden. Die Druckliniert mit der Markierung 1,0 in den Druckdiagrammen kennzeichnen Punkte maximaler Druckänderung. Nur die Schwingungen niedrigerer Frequenz werden in Strahltriebwerk-Nachbrennern erregt, da der Wert der viskosen Dämpfung dieser Schwingungen eine Funktion der Frequenz ist, so daß die Oberschwingungen höherer Frequenz beseitigt werden.During the so-called howling, there are acoustic standing waves developed in the combustion chamber tube and form defined images or structures of the Change in pressure for each excited resonance frequency. Figs. 1 to 6 show the pressure diagrams the prevailing resonance frequencies excited in a cylindrical combustion chamber will. Mark the pressure lines with the 1.0 mark in the pressure diagrams Points of maximum pressure change. Only the lower frequency vibrations will be in jet engine afterburners excited as the value of the viscous damping of these Oscillation is a function of frequency, making the harmonics higher Frequency to be eliminated.

Heulende Verbrennung wird aufrechterhalten, wenn die Flammenhalterlippen oder die Wärmeent wicklülng .sich an Stellen maximaler Druckänderung gemäß dem_ Druckdiagramm des erregten Schwingungszustandes befinden. Die Transversalschwingungszustände werden in zylindrischen Verbrennungseinrichtungen erregt, da die meisten ringförmigen Flammenhalter Lippen haben, die sich in der Nähe der Brennkammerwandungen befinden. Die Anbringung der Flammenhalter in Positionen kleinster Druckänderung vermindert die Druckamplituden -der heulenden Verbrennung. Daher kann die heulende Verbrennung durch Regelung beherrscht oder beseitigt werden, falls die Diagramme von stehenden Druckwellen für alle erwarteten Heulfrequenzen aufgetragen werden und ein Flammenhalter entwickelt wird, um Wärme an Stellen kleinster Druckänderung ztt entbinden.Howling combustion is sustained when the flameholder lips or the heat development occurs at points of maximum pressure change according to the Pressure diagram of the excited vibration state. The transverse vibration states are excited in cylindrical combustion devices, since most are annular Flame holders have lips that are close to the combustion chamber walls. The installation of the flame holder in positions of the smallest pressure change is reduced the pressure amplitudes of the howling combustion. Hence the howling combustion be dominated or eliminated by regulation, in case the diagrams of standing Pressure waves for all expected howling frequencies are applied and a flame holder is developed to release heat at points of the smallest pressure change ztt.

Mit Bezug auf Fig. 1 bis 6 ist auszuführen, daß die dort dargestellten Drücke in dem positiven und auch in dem negativen Bereich nicht Drücke oberhalb oder unterhalb des atmosphärischen Druckes anzeigen sollen, sondern lediglich willkürliche Einheiten. Aus Fig. 1 erkennt man, daß der niedrigste Druck für den Zustand der radialen Grundschwingung an einem Punkt auftritt, der bei 0,635 des Durchmessers der Brennkammer liegt. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, in welcher der Zustand einer radialen Oberschwingung veranschaulicht ist, hat die innerste niedrige Druckposition die Form eines Kreises mit 0,35 des Durchmessers der Brennkammer, während die nächste nach außen folgende niedrige Druckposition bei angenähert 0,75 des Durchmessers der Brennkammer liegt.With reference to FIGS. 1 to 6 it should be stated that the elements shown there Do not press pressures above either in the positive or negative areas or should show below atmospheric pressure, but just arbitrary units. From Fig. 1 it can be seen that the lowest pressure for the fundamental radial oscillation state occurs at a point that is 0.635 the diameter of the combustion chamber. As can be seen from Fig. 2, in which the state of a radial harmonic illustrated has the innermost low pressure position the shape of a circle with 0.35 the diameter of the combustion chamber, while the next outwardly low print position at approximately 0.75 the diameter of the combustion chamber.

Fig. 3 bis 6 zeigen den Zustand der transversalen Grundschwingung sowie deren erste bis dritte Oberschwingungen. Die vierte transversale Oberschwingung hat eine so hohe Frequenz, daß sie gewöhnlich wegen der viskosen Dämpfung beseitigt wird. Infolgedessen ist ein Flammenhalter mit den Eigenschaften, welche die besten Wirkungen erreichen lassen, in Fig. 7 und 8 dargestellt. Zur Veranschaulichung ist der Flammenhalter in Anwendung auf einen Strahltriebwerk-Nachbrenner dargestellt, ist jedoch in gleicher Weise auf andere Brennerarten anwendbar. So ist in Fig. 7 und 8 ein Nachbrenner 10 mit fünf Fingern 12 gezeigt, die sich in einem Abstand von angenähert 72° zueinander von einem mittleren Tragelement radial erstrecken. Dieses mittlere Tragelement kann die Form eines stromlinienförmigen, zentrisch angeordneten Körpers, der eine Flammenfront nicht festhält, oder die Form eines Flammenhalterkegels 14 haben. Wenn ein konischer, zentrisch angeordneter Körper 14 verwendet wird, muß die äußere Lippe des Kegels 14 in der zugehörigen Druckzone liegen, und der Kegel muß einen Außendurchmesser im Bereich zwischen 0,35 und 0,635 des Durchmessers der Brennkammer 10 haben. Wie man aus Fig. 9 erkennt, entspricht dieser Bereich dem Bereich zwischen den Null-Druckpunkten A und Bin dem Zustand der radialen Grund- und Oberschwingung.3 to 6 show the state of the fundamental transverse oscillation as well as their first to third harmonics. The fourth transverse harmonic has such a high frequency that it is usually eliminated because of the viscous damping will. As a result, a flame holder with the properties is what the best Allow effects to be achieved, shown in FIGS. 7 and 8. To illustrate is the flame holder shown in application to a jet engine afterburner, however, it is equally applicable to other types of burners. So is in Fig. 7 and Figure 8 shows an afterburner 10 with five fingers 12 spaced apart extending radially of approximately 72 ° to each other from a central support element. This middle support element can be in the form of a streamlined, centrally arranged Body that does not hold a flame front, or the shape of a flameholder cone 14 have. If a conical, centrally arranged body 14 is used, must the outer lip of the cone 14 lie in the associated pressure zone, and the cone must have an outside diameter in the range between 0.35 and 0.635 of the diameter of the Combustion chamber 10 have. As can be seen from Fig. 9, this area corresponds to Area between the zero pressure points A and Bin the state of the radial basic and harmonic.

Die fünf Flammenhalterfinger 12 liegen in Abständen von 72° zueinander, so daß die Wärmefreigabe von diesen Fingern nicht mit irgendwelchen Transversaldruckmaxima in den Diagrammen der Grund- und ersten bis dritten Obersch-,vingung zusammenfällt. Wie oben erwähnt wurde, hat die vierte transversale Oberschwingung eine so hohe Frequenz, daß sie infolge viskoser Dämpfung gewöhnlich beseitigt wird. Der Kreis, auf dem die äußeren Enden der Finger 12 liegen, kann einen Durchmesser im Bereich von 0,635 bis 0,75 des Brennkammerdurchmessers haben. Dieser Bereich ist zwischen den Punkten B und C der Fig. 9 dargestellt.The five flame holder fingers 12 are at a distance of 72 ° from one another, so that the release of heat from these fingers does not involve any transverse pressure maxima in the diagrams of the fundamental and the first to third harmonic, vibration coincides. As mentioned above, the fourth transverse harmonic is so high Frequency that it is usually eliminated due to viscous damping. The circle, on which the outer ends of the fingers 12 lie can have a diameter in the range from 0.635 to 0.75 of the combustion chamber diameter. This area is between the points B and C of FIG.

Mit einem fünffingerigen Flammenhalter mit V-förmigem oder ähnlichem Fingerquerschnitt in einem zylindrischen Brenner in der beschriebenen Anordnung wird Wärmeentwicklung an Stellen kleinster Druckänderung mit Bezug auf die Druckdiagramme der vorherrschend heulenden Schwingungszustände hergestellt. Wärmeentwicklung in einem Brenner an solchen Stellen ermöglicht eine Beherrschung der Druckamplitude der Heulsch«Tingung.With a five-finger flame holder with a V-shaped or similar Finger cross-section in a cylindrical burner in the arrangement described heat generation at points of smallest pressure change with reference to the pressure diagrams the prevailing howling vibrational states produced. Heat development in a burner at such points enables the pressure amplitude to be controlled the howling «Tinging.

Als Ergebnis der Erfindung zeigt sich offenbar, daß eine hochleistungsfähige Flammenhaltereinrichtung mit den besonderen Abmessungen der Flammenh.alterelemente geschaffen worden ist, die sich im besonderen auf die Verbrennungsart in Hochleistungsbrennkammern beziehen.As a result of the invention, it appears that a high-performance Flame holder device with the special dimensions of the flame holder elements has been created, which focuses in particular on the type of combustion in high-performance combustion chambers relate.

Obgleich nur eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden ist, können selbstverständlich verschiedene Änderungen und Modifikationen im Aufbau und der Anordnung der verschiedenen Teile vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.Although only one embodiment of the invention is illustrated and has been described, various changes and modifications are of course possible in the structure and arrangement of the various parts can be made without the To exceed the scope of the invention.

Claims

PATENT CLAIM (1CHE: 1. Combustion chamber with means for igniting the Fuel gases and flame holder devices to maintain a stable flame front under fluctuating pressure conditions, the flame holder devices having a Cone, which is mounted centrally in the combustion chamber and its walls in the outflow direction diverge, and has five fingers spaced approximately 72 ° from each other : are arranged and extend radially from the downstream end of the cone, characterized in that the circle defined by the outer ends of the fingers a diameter of approximately 0.635 to 0.75 the combustion chamber diameter and the large end of the cone has a diameter of approximately 0.35 to 0.635 of the combustion chamber diameter Has. z. Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that the fingers are V-shaped are. Documents considered: German Patent No. 956 898; British U.S. Patent No. 706,698; "Flight and Aircraft Engineer", Vol. 66, Issue 2388 from October 29, 1954, pp. 641 to 643.