DE10062253A1 - Gas turbine for aircraft has mesh of heat-resistant material, e.g. ceramic, in its combustion chamber - Google Patents
Gas turbine for aircraft has mesh of heat-resistant material, e.g. ceramic, in its combustion chamberInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluggasturbine mit zumin dest einer Brennkammer.The invention relates to an aircraft gas turbine with at least least a combustion chamber.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Ausgestal tungen von Brennkammern vorbekannt. Die bauliche Ausgestaltung der Brennkammern erfolgt dabei zum einen im Hinblick auf kon struktive Vorgaben, zum anderen, um den Brennvorgang zu opti mieren und dabei insbesondere bei hohem Wirkungsgrad eine ge ringe Schadstoffemission zu verursachen.A wide variety of configurations are from the prior art previously known from combustion chambers. The structural design the combustion chambers takes place on the one hand with regard to con structural specifications, on the other hand, to optimize the burning process Mieren and a ge especially with high efficiency rings to cause pollutant emissions.
Es erweist sich bei bekannten Brennkammern jedoch als nachtei lig, dass im Teillastbereich und im Leerlauf relativ hohe Emissionen an CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen vorlie gen. Weiterhin kann sich in Abhängigkeit von der Brennkammer konfiguration und dem Betriebszustand eine nicht unerhebliche Rußbildung ergeben. Weiterhin kann es zur Flammenverlöschung kommen, wenn das Luft-Brennstoffgemisch zu mager ist.However, it proves to be a disadvantage in known combustion chambers lig that relatively high in part load and idle Emissions of CO and unburned hydrocarbons exist Furthermore, depending on the combustion chamber configuration and the operating state a not inconsiderable Soot formation. It can also extinguish the flame come when the air-fuel mixture is too lean.
Ein weiterer Nachteil bekannter Brennkammern liegt darin, dass diese unter bestimmten Umständen Resonanzschwingungen ausbil den können, die sowohl akustisch störend sind als auch insbe sondere bei hoher Intensität zum Flammenrückschlag führen kön nen.Another disadvantage of known combustion chambers is that they develop resonance vibrations under certain circumstances those who are both acoustically disturbing and especially can lead to flashback especially at high intensity NEN.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluggasturbine so auszubilden, dass in der Brennkammer optimierte Verbren nungsbedingungen bei geringem Schadstoffausstoß realisierbar sind.The invention is based, an aircraft gas turbine to be designed so that combustion is optimized in the combustion chamber conditions can be realized with low pollutant emissions are.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche zeigen weitere vor teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. According to the invention, the object is characterized by the features of Main claim solved. The subclaims show more partial embodiments of the invention.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass in dem Brennraum ein Festkörpergerüst angeordnet ist.According to the invention it is therefore provided that in the combustion chamber a solid framework is arranged.
Wie bekannt, werden Brennkammern von Fluggasturbinen in Strö mungsrichtung in mindestens drei Abschnitte unterteilt. In dem ersten Abschnitt erfolgt die Verdampfung des Brennstoffs sowie eine Mischung und Vergleichmäßigung. Auf diesen ersten Ab schnitt folgt als zweiter Abschnitt der eigentliche Brennraum. An diesen anschließend ist eine Beruhigungsstrecke vorgesehen. Beim Betrieb der Fluggasturbine wird der Brennstoff mit Luft vorgemischt und vollständig vorverdampft und in den ersten Ab schnitt der Brennkammer (Mischkammer) eingedüst. Der Stand der Technik beschreibt zu diesem Zwecke entsprechende, der Brenn kammer vorgeschaltete Bauelemente, wie etwa bei Verwendung von Flüssigbrennstoffen so genannte LPP-Module.As is known, combustion chambers of aircraft gas turbines in Strö direction divided into at least three sections. By doing first section takes place the evaporation of the fuel as well a mixture and equalization. On this first ab The actual combustion chamber follows as the second section. A calming section is then provided. When operating the aircraft gas turbine, the fuel is mixed with air premixed and completely pre-evaporated and in the first Ab section of the combustion chamber (mixing chamber) injected. The state of the Technology describes for this purpose, the Brenn chamber upstream components, such as when using Liquid fuels so-called LPP modules.
Um eine optimierte Verbrennung unter unterschiedlichsten Be
triebsbedingungen zu erzielen, ist erfindungsgemäß somit vor
gesehen, dass in dem Brennraum ein Festkörpergerüst angeordnet
ist. Hierdurch ergeben sich eine Reihe von erheblichen Vortei
len:
Erfindungsgemäß ist bevorzugterweise der gesamte Brennraum mit
dem Festkörpergerüst ausgefüllt. Hierdurch erfolgt eine voll
ständige Verbrennung in dem Brennraum, in welchem sich das
Festkörpergerüst befindet. Hierbei ist ein Ausbrand von < 95%
zu erzielen.In order to achieve an optimized combustion under a wide variety of operating conditions, the invention provides that a solid body structure is arranged in the combustion chamber. This results in a number of significant advantages:
According to the invention, the entire combustion chamber is preferably filled with the solid framework. This results in a complete combustion in the combustion chamber in which the solid framework is located. A burnout of <95% can be achieved here.
Das Festkörpergerüst besteht bevorzugterweise aus einer Viel zahl von Verstrebungen und Verästelungen, die an Knotenpunkten zusammenlaufen oder sich dort verzweigen. The solid framework preferably consists of a lot number of struts and ramifications at nodes converge or branch there.
Durch das Festkörpergerüst kann ein starker Temperaturanstieg auf das in den Brennraum eintretende Gasluftgemisch aufgeprägt werden. Es erfolgt eine gute Durchzündung des durch das Injek tormodul (LPP-Modul) eingebrachten, vorverdampften und mit Luft vorgemischten Brennstoffs. Hieraus ergibt sich eine nied rige Temperatur in der Nähe der adiabaten Verbrennungsbedin gungen (bei gleichzeitig hohem Luft- zu Brennstoffverhältnis).The solid-state framework can cause a sharp rise in temperature stamped on the gas air mixture entering the combustion chamber become. There is a good ignition of the injek door module (LPP module) introduced, pre-evaporated and with Air premixed fuel. This results in a nied temperature near the adiabatic combustion conditions conditions (while maintaining a high air to fuel ratio).
Um die Durchströmung des Brennraumes optimal zu gestalten, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Festkörpergerüst so ausge führt wird, dass es nicht mehr als 15% des Leervolumens des Brennraums ausfüllt. Zusätzlich kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Verstrebungen und Verästelungen des Festkörper gerüsts als aerodynamische Stromlinienkörper mit optimiertem Druckverlust ausgeführt sind. Der zusätzliche Druckverlust dp/p des eingebauten Festkörpergerüsts beträgt dabei weniger als 5%.To optimize the flow through the combustion chamber, it is particularly advantageous if the solid framework is so out will result in no more than 15% of the void volume of the Fills the combustion chamber. In addition, it can be particularly beneficial be when the struts and ramifications of the solid as an aerodynamic streamlined body with optimized Pressure loss are executed. The additional pressure loss dp / p of the installed solid framework is less than 5%.
Zur Kühlung der Wandung der Brennkammer kann es sich als be sonders vorteilhaft erweisen, wenn das Festkörpergerüst zu der Wandung der Brennkammer einen Abstand aufweist. Somit kann Kühlluft ungehindert entlang der Brennkammerwandung geleitet werden.To cool the wall of the combustion chamber, it can be as prove to be particularly advantageous if the solid framework to Wall of the combustion chamber has a distance. So can Cooling air is passed freely along the combustion chamber wall become.
Das erfindungsgemäße Festkörpergerüst wirkt in mehrfacher Hin sicht. Zum einen hält es die Flamme in Brennraum, zum anderen transportiert es durch seine Wärmestrahlung Wärme gegen die Durchströmungsrichtung und wärmt somit das eintretende Gas. Es ist deshalb besonders vorteilhaft, wenn die physikalische Oberflächenbeschaffenheit des Festkörpergerüsts so ausgebildet ist, dass sie weitgehend der eines dunklen, grauen Strahlers entspricht (Emissivität < 0,8). Weiterhin ist es dabei vor teilhaft, wenn die Verstrebungen und Verästelungen des Fest körpergerüsts konstruktiv so ausgeführt werden, dass eine möglichst große strahlungswirksame Oberfläche erzielt wird. Dabei können beispielsweise Werte von mehr als 100 m2 an Oberfläche des Festkörpergerüsts pro m3 Brennraumleervolumen realisiert werden.The solid-state framework according to the invention acts in several points of view. On the one hand it keeps the flame in the combustion chamber, on the other hand it transports heat against the direction of flow through its heat radiation and thus warms the incoming gas. It is therefore particularly advantageous if the physical surface structure of the solid framework is designed so that it largely corresponds to that of a dark, gray emitter (emissivity <0.8). Furthermore, it is advantageous if the struts and ramifications of the solid body structure are designed such that the largest possible radiation-effective surface is achieved. For example, values of more than 100 m 2 on the surface of the solid framework per m 3 of empty combustion chamber volume can be realized.
Das erfindungsgemäße Festkörpergerüst wirkt somit insbesondere als Strahler und hält die Flammen. Es bildet somit keinen Ka talysator und dient auch nicht lediglich zur Beeinflussung der Gasströmung.The solid-state framework according to the invention thus acts in particular as a spotlight and holds the flames. It therefore does not form a Ka and does not only serve to influence the Gas flow.
Als Vorteil ergibt sich erfindungsgemäß, dass die Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe, CO und Ruß deutlich gesenkt werden. Weiterhin wird die Mager-Flammenverlöschgrenze deut lich verschoben. Ein weiterer vorteilhafter Effekt besteht in der akustischen Dämpfung, wodurch Resonanzschwingungen vermie den oder gemildert werden.The advantage according to the invention is that the emissions unburned hydrocarbons, CO and soot significantly reduced become. Furthermore, the lean flame extinguishing limit becomes clear Lich postponed. Another advantageous effect is in acoustic damping, which avoids resonance vibrations or be mitigated.
Durch die mittels des Festkörpergerüsts erzielte Flammenstabi lität kann in Zusammenhang mit NOx-armen Feuerungskonzepten (z. B. LPP-Modulen) auf Pilotbrenner gänzlich verzichtet wer den. LPP-Module bewirken eine nahezu vollständige Vorverdamp fung des Flüssigbrennstoffs (Kerosin).Due to the flame stabilization achieved by means of the solid framework lity can be associated with low-NOx combustion concepts (e.g. LPP modules) who do not have pilot burners the. LPP modules result in an almost complete pre-evaporation liquid fuel (kerosene).
Da die erfindungsgemäß ausgestaltete Fluggasturbine Sich durch einen sehr hohen Ausbrand (< 95%) auszeichnet, ist es möglich, die gesamte Länge der Brennkammer deutlich zu verkürzen, da geringere Aufenthaltszeiten der Gase in der Brennkammer erfor derlich sind, um den Brennstoffausbrand zu erreichen. Die niedrigeren Aufenthaltszeiten der Gase minimieren zudem die thermischen NOx-Emissionen.Since the aircraft gas turbine designed according to the invention is characterized by is characterized by a very high burnout (<95%), it is possible shorten the entire length of the combustion chamber significantly, because shorter residence times of the gases in the combustion chamber are necessary to achieve the fuel burnout. The shorter residence times of the gases also minimize the thermal NOx emissions.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Temperaturverteilung am Brennkammeraustritt sehr gleichmäßig ist und nur eine sehr ge ringe Varianz vom Mittelwert hat. In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Festkör pergerüst aus einem hoch wärmebeständigen Material besteht. Dieses kann beispielsweise eine hoch warmfeste, nicht zur Oxi dation neigende Keramik sein, bevorzugterweise beispielsweise Zirkonoxid ZrO2 oder Aluminiumoxid Al2O3. In einer alternati ven, vorteilhaften Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass das Festkörpergerüst in Form einer Keramik- Faserverbundstruktur oder einer Keramikmantel-Metallträger- Struktur ausgebildet ist. Insgesamt sind die Verstrebungen und Verästelungen des Festkörpergerüstes so ausgebildet, dass sie der adiabaten Flammtemperatur des eintretenden Brennstoff- Luftgemisches standhalten (Temperaturen < 1000°C).It is also advantageous that the temperature distribution at the combustion chamber outlet is very uniform and has only a very slight variance from the mean. In a particularly favorable embodiment of the invention it is provided that the solid body structure consists of a highly heat-resistant material. This can be, for example, a highly heat-resistant ceramic that is not prone to oxidation, preferably, for example, zirconium oxide ZrO 2 or aluminum oxide Al 2 O 3 . In an alternative, advantageous embodiment, it can also be provided that the solid structure is designed in the form of a ceramic-fiber composite structure or a ceramic jacket-metal support structure. Overall, the struts and branches of the solid framework are designed so that they can withstand the adiabatic flame temperature of the incoming fuel-air mixture (temperatures <1000 ° C).
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbei spiele in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention is based on two embodiments games described in connection with the drawing. there shows:
Fig. 1 eine schematische, stark vereinfachte Darstellung einer gestuften Brennkammer unter Verwendung des er findungsgemäßen Festkörpergerüstes, und Fig. 1 is a schematic, greatly simplified representation of a stepped combustion chamber using the solid framework according to the invention, and
Fig. 2 eine weitere Ausgestaltungsform einer erfindungsge mäßen Brennkammer. Fig. 2 shows a further embodiment of a combustion chamber according to the invention.
In den Figuren werden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszif fern bezeichnet.In the figures, the same components with the same reference number referred to distant.
Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine schematisch darge stellte, stark vereinfachte Brennkammer 1 mit einer Brennkam merwandung 6. Die Form und Ausgestaltung der Brennkammern ent spricht dabei im Wesentlichen dem Stand der Technik, so dass auf die Beschreibung weiterer Details verzichtet werden kann. Figs. 1 and 2 each show a schematic Darge set, greatly simplified combustion chamber 1 with a merwandung Brennkam. 6 The shape and design of the combustion chambers corresponds essentially to the prior art, so that the description of further details can be omitted.
Bei den beiden Ausführungsbeispielen ist jeweils ein Injektor modul (LPP-Modul) 4 vorgesehen, mit Hilfe dessen der Brenn stoff eingespritzt und vergast wird.In the two embodiments, an injector module (LPP module) 4 is provided, with the aid of which the fuel is injected and gasified.
An das LPP-Modul 4 schließt sich eine Mischkammer 3 an. In Strömungsrichtung hinter der Mischkammer 3 ist erfindungsgemäß ein Festkörpergerüst 2 angeordnet, welches aus einer Vielzahl von Verstrebungen und/oder Verästelungen besteht, welche an Knotenpunkten zusammenlaufen und/oder sich dort verzweigen. Zum Zwecke der vereinfachten Darstellung wurden die einzelnen Verästelungen und Verstrebungen nicht im Einzelnen gezeigt.A mixing chamber 3 connects to the LPP module 4 . According to the invention, a solid-state framework 2 is arranged in the flow direction behind the mixing chamber 3 , which consists of a large number of struts and / or branches which converge at branch points and / or branch there. The individual ramifications and struts have not been shown in detail for the purpose of simplified representation.
Das Festkörpergerüst 2 weist einen Abstand zu der Wandung 6 auf, um den Durchtritt von Kühlluft zur Kühlung der Wandung zu ermöglichen.The solid framework 2 is at a distance from the wall 6 in order to allow the passage of cooling air for cooling the wall.
Anschließend an das Festkörpergerüst 2 ist in der Brennkammer eine Beruhigungsstrecke 5 ausgebildet.Subsequent to the solid framework 2 , a calming section 5 is formed in the combustion chamber.
Das Festkörpergerüst 2 füllt, wie in den Fig. 1 und 2 darge stellt, im Wesentlichen den gesamten Brennraum der Brennkam mer. Hinsichtlich der Dimensionierung wird auf die vorherge henden Ausführungen verwiesen. The solid framework 2 fills, as shown in Figs. 1 and 2 Darge, essentially the entire combustion chamber of the Brennkam mer. With regard to the dimensioning, reference is made to the preceding explanations.
11
Brennkammer
combustion chamber
22
Festkörpergerüst
Solid structure
33
Mischkammer
mixing chamber
44
Injektormodul/LPP-Modul
Injector module / LPP module
55
Beruhigungsstrecke
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Wandung
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