DE1162135B - Brennkammer fuer Gasturbinenanlagen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: F 02 c

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 46 f-7/03

1162 135
P25230Ia/46f 23.Juni 1960 30. Januar 1964

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für Gasturbinenanlagen mit einer drehbar gelagerten Brennstoffverteilerscheibe, die auf ihrer Stirnseite eine koaxiale Ausnehmung und Mittel zum Zuführen flüssigen Brennstoffes in die Ausnehmung aufweist, wobei S der flüsige Brennstoff über die Kante dieser Ausnehmung auf die Stirnfläche getrieben wird.

In den herkömmlichen Brennkammeranlagen wird Brennstoff kontinuierlich in eine Brennkammer geleitet, der Druckluft zugeführt wird. Das auströinende Gas wird nach Verbrennung des Brennstoffes in einer Gasturbine expandiert. Es sind verschiedene Einrichtungen vorgeschlagen worden, um Brennstoff in die Brennkammer einzuleiten, von denen eine derartige Einrichtung eine im Innern der Kammer angeordnete drehbare Scheibe zur Verteilung des Brennstoffes umfaßt sowie eine Einrichtung zum Einführen von flüssigem Brennstoff auf eine Stirnfläche der Scheibe, so daß beim Drehen derselben der Brennstoff als Flächenstrahl abgeschleudert wird. Dieser Brennstoffstrahl wird durch einen Luftstrom von hoher Geschwindigkeit beim Verlassen der Stirnfläche zerstäubt. Diese Anordnung bildet den Gegenstand eines anderen älteren Vorschlages.

Eine derartige Anordnung hat Vorteile bei kontinuierlichen Verbrennungsanlagen, insbesondere bei Gasturbinen, indem z. B. der normalerweise vorgesehene Diffusorabschnitt von Brennkammern fortgelassen werden kann, so daß sich eine verringerte axiale Gesamtlänge der Anlage ergibt.

Um jedoch eine genügende Zerstäubung des Brennstoffes in einem solchen System zu bekommen, sollte der Hauptteil des Brennstoffes vom Umfang der Brennstoffverteilerscheibe in einer zusammen-Brennkammer für Gasturbinenanlagen

Anmelder:

Power Jets (Research and Development) Limited, London

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Harold Clare,

Pyestock, Farnborough, Hampshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 23. Juni 1959 (Nr. 21449)

30 ringförmigen Rand vorzusehen, wobei der Brennstoff über diesen Rand hinweg auf die ringstufenartig ausgebildete Stirnfläche der Scheibe getrieben und dort verdampft oder zerstäubt wird. Der weitaus größte Teil des Brennstoffes löst sich dabei, bedingt unter hängenden Fläche abgeschleudert werden, die der 35 anderem durch die Stufenform der Scheibenoberzerstiebenden Wirkung eines Hochgeschwindigkeits- fläche, unmittelbar von dieser und kann nicht zum luftstromes ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck ist es Rand der Scheibe gelangen, zumal auch die zugeerforderlich, daß der Brennstoff auf der Stirnfläche führte Luft im wesentlichen axial unmittelbar auf der rotierenden Scheibe radial nach außen strömt, diese Scheibenfläche trifft. Eine gleichmäßige und und im Interesse der Wirksamkeit ist es unbedingt 40 intensive Mischung von Luft und Brennstoff läßt sich wünschenswert, daß diese Strömung so gleichmäßig auf diese Weise nicht erzielen,
verläuft, wie es zweckmäßig ist. Eine Schwierigkeit Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, innerhalb

hat sich beim Anstreben dieses wünschenswerten der sich mit der Scheibe drehenden Ausnehmungen Strömungszustandes herausgestellt, da beim Zufüh- Wirbelerzeuger vorzusehen, den flüssigen Brennstoff ren von Brennstoff auf die Scheibenstirnfläche durch 45 über Versorgungsleitungen und durch die Wirbeleine axial eingearbeitete Öffnung ein Teil des Brenn- erzeuger in die Ausnehmung einzuführen, und die

stoffes das Bestreben hatte, sich axial in den Brennraum zu bewegen, anstatt auf die Scheibenstirnfläche zu strömen und die Drehbewegung der Scheibe anzunehmen.

So ist beispielsweise bekannt, in der Mitte einer drehbaren Scheibe einen Sammelraum mit einem Wirbelerzeuger derart zu gestalten, daß der durch sie austretende Brennstoff eine Wirbelbewegung um die Rotationsachse der Scheibe relativ zu dieser erfährt. Auf diese Weise kann der Brennstoff an der Scheibe entlang radial nach außen geführt werden, ohne sich von dieser abzulösen, und wird als zusam-

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menhängender Flächenstrahl abgeschleudert, wobei er durch einen am Rand der Scheibe entlang senkrecht zu dieser geführten Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit beim Verlassen der Scheibe äußerst gleichmäßig zerstäubt wird. Durch die Wirbelerzeuger wird dem Brennstoff eine solche Wirbelbewegung übermittelt, die sich der Drehbewegung der Scheibe derart überlagert, daß der Brennstoff eine bestimmte tangentiale Bewegungskomponente relativ zur Scheibe

den Rotor des Kompressors über die Welle 4 antreibt.

Die Brennzone in der Brennkammer 2 ist außen durch die äußere Wand 5 eines Flammrohres be-5 grenzt, das im Abstand von der äußeren Gehäusewand 6 der Brennkammer angeordnet ist und mit diesem einen Strömungsmitteldurchtritt 7 bildet. Die Verbrennungszone hat eine radial innere Begrenzung mit zwei Wänden 8 und 9, die im Abstand vonein-

erhält. Jedenfalls wird die axiale Bewegungskompo- io ander angeordnet sind und einen Durchtritt 10 für nente so weit herabgesetzt, daß dieser sich nicht von ein Kühlströmungsmittel bilden. Die in Strömungsder Stirnfläche der Scheibe abheben kann. richtung vorn liegende Wand der Brennzone ist durch

Dem flüssigen Brennstoff kann beispielsweise eine die in Strömungsrichtung zeigende Stirnfläche der Wirbelbewegung im Sinne der Drehrichtung erteilt Brennstoffverteilerscheibe 11 gebildet, die um die werden, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit ver- 15 Achse des Aggregates drehbar gelagert ist, wobei ihr größert und das Abfließen des Brennstoffes über die Umfang an den Lufteinlaß der Brennkammer anStirnfläche der Scheibe beschleunigt wird. Die Ver- grenzt und ihre Stirnfläche sich quer zur Richtung weilzeit des Brennstoffes soll in jedem Fall dem er- der Luftströmung durch den Einlaß erstreckt. Die forderlichen Verdampfungsgrad des Brennstoffes auf Scheibe 11 ist von einer Hülse 12 getragen, die an der Scheibe angepaßt werden, damit die Betriebs- 20 der Welle 4 befestigt ist, so daß sie sich in dem in temperatur der Scheibe auf einem brauchbaren Wert F i g. 3 durch den Pfeil A angegebenen Sinne dreht, gehalten wird. Bisweilen ist es daher angebracht, den Die Stirnwand der Scheibe 11 weist eine koaxiale Brennstoff entgegen der Drehrichtung der Scheibe ringförmige Ausnehmung 13 auf, deren radial äußere zu verwirbeln. Im Vergleich zur vorgenannten Aus- Wand an die Stirnfläche der Scheibe 11 angrenzt, führung ergibt sich dabei ein verlängerter Strömungs- 25 wobei der Übergang zwischen beiden Flächen durch weg. einen Damm mit leicht gekrümmter Oberfläche 13 a

Nach einer besonderen Ausführungsform der Er- gebildet ist.

findung trägt die Scheibe Schaufelblätter, die dem Die Scheibe 11 und die Hülse 12 begrenzen zwi-

den Wirbelerzeugern zufließenden Brennstoff ein sehen sich einen ringförmigen Tunnel 14 (s. Fig. 2), zentrifugales Druckgefälle erteilen. Die Verbindung 30 und zwischen beiden Teilen ist ein ringförmiger zwischen der radial äußeren Wand der Ausnehmung Wirbelerzeuger 15 eingespannt. Der Tunnel 14 steht und der Stirnseite der Scheibe kann als Damm aus- mit der Ausnehmung 13 durch eine Reihe von Kagebildet sein, der eine leicht gekrümmte Oberfläche nälen 16 in der Hülse, eine Ringkammer 17 und eine hat. Die äußere Wand der Ausnehmung läßt sich da- Reihe Durchgangsöffnungen XSa in dem Wirbelbei mit einer ringförmigen Vertiefung zwischen dem 35 erzeuger in Verbindung, wobei diese Durchgangs-Wirbelerzeuger und dem Damm versehen. Öffnungen gegenüber der radialen Richtung geneigt

Auf diese Weise fließt der Brennstoff über den verlaufen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Der Tunnel 14 Damm mit einer Wirbelbewegung in bezug auf die ist mit einer Reihe von Schaufelblättern 18 versehen, Rotationsachse der Scheibe, haftet an der Stirnfläche die am Umfang zwischen den öffnungen 16 angeordder Scheibe und nimmt deren Drehbewegung an, so 40 net sind.

daß er von deren Umfang als kohärenter Flächen- Die Brennstoffzuführung zu der Brennkammer

umfaßt eine Brennstoffleitung 20, die sich quer durch
den ringförmigen Lufteinlaßkanal la erstreckt und
in einen ringförmigen Tunnel 21 mündet, der durch
45 einen ringförmigen Kanalteil 22 und eine teilweise
konische Wand 23 begrenzt ist. Die Wand 23 bildet
mit einer weiteren teilweise konischen Wand 24
einen Kanal 25, der mit dem Tunnel 21 über Öffnungen 26 und mit dem ringförmigen Tunnel 14 über

strahl abgeschleudert wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein axialer Querschnitt einer Gasturbinenbrennkammer, der Endstufe eines axialen Durchflußkompressors und eines Abschnittes der Gasturbine mit der Verbindungswelle;

F i g. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teiles 50 öffnungen 17 in Verbindung steht,

von Fig. 1; Im Betrieb leitet der Kompressor 2 Druckluft

Fig. 3 ist ein Querschnitt nach der LinieIII-III durch den ringförmigen Einlaßkanl 2a im wesent-

inFig. 2; liehen ohne Diffusor durch eine Flammenstabilisier-

Fig. 4 ist eine Ansicht im axialen Querschnitt einrichtung 30 (die nicht Gegenstand der Erfindung

einer abgeänderten Bauart eines Teiles der Brenn- 55 ist) in axialer Richtung über den Rand der Scheibe

Stoffverteilerscheibe gemäß Fig. 2; in die Verbrennungszone der Brennkammer 2. Der

Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie V-V in Brennstoff strömt durch die Brennstoffleitung 20 in

Fig. 4; den ringförmigen Tunnel 21 und durch die öffnun-

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Gasturbinenanlage. gen 26 weiter in den ringförmigen Kanal 25. Von

Die Anlage umfaßt einen axialen Kompressor 1, eine 60 diesem Kanal strömt der Brennstoff durch öffnungen

ringförmige Brennkammer 2 und eine axiale Gas- 27 in den Tunnel 14. Die Scheibe wird mit der Ge-

turbine 3, wobei die Rotoren des Kompressors und schwindigkeit der Welle 4 gedreht, und der von den

der Turbine auf einer gemeinsamen zweiteiligen Schaufeln 18 eingefangene Brennstoff wird unter

Welle 4 angeordnet sind. Der Kompressor soll Wirkung der Zentrifugalkraft bei erhöhtem Druck

Druckluft durch einen ringförmigen Lufteinlaßkanal 65 durch die Öffnungen 16 und die Kammer 17 in die

2 α in die Brennkammer 2 leiten, von der die Ver- Wirbeldurchtritte 15 a des Teiles 15 gedrückt. Die

brennungsprodukte in die Turbine 3 entweichen, wo- geneigten Durchgänge 15 a erteilen dem Brennstoff

durch deren Rotor angetrieben wird, der zugleich eine radial nach außen gerichtete Wirbelbewegung in

dem der Scheibe 11 entsprechenden Drehsinn. Am Ausgangsende an der in Strömungsrichtung hinteren Seite der Durchgänge 15 a überquert der verwirbelte Brennstoff den Damm 13 a und ist wegen seiner Wirbelbewegung bestrebt, an der Stirnfläche der Scheibe 11 anzuhaften und deren Drehbewegung anzunehmen und tritt dabei nicht in axialer Richtung in die Brennzone ein. Wie bei bekannten Anordnungen wird der Brennstoffdurchsatz in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Scheibe so bemessen, daß der Brennstoff vom Rand der Scheibe als zusammenhängender Flächenstrahl abgeschleudert wird (im Gegensatz zu einem zerstäubten Nebel), der durch den in die Verbrennungszone eintretenden Luftstrom zerrissen wird.

Bei einer abgeänderten Bauart wird die Rotationskomponente dem Brennstoff in der in den Fig. 4 und 5 erläuterten Weise aufgezwungen, in denen ein Teil der Brennstoffverteilerscheibe 11 in der Umgebung der Ausnehmung 13 und des Dammes 13 a gezeigt ist, wobei die Scheibe 11 in diesem Fall mit der Stützhülse 12 ein Teil bildet. Der Brennstoff wird der stromabwärts liegenden Stirnfläche der Scheibe über einen Ringtunnel 31 zugeleitet, dem er wie im vorherbeschriebenen Beispiel durch einen Ringkanal 25 und Öffnungen 27 in der Nabe der Scheibe 11 zugeführt wird. Die Umfangsfläche des Tunnels 31 ist durch ein Einsatzstück 32 in der Brennstoffscheibe begrenzt, die eine Reihe im Abstand angeordneter Schaufelblätter 33 trägt, wobei die Zwischenräume mit einer Anzahl sich axial erstreckender Leitungen 34 in Verbindung stehen, die sich innerhalb der Scheibennabe in die Ausnehmung 13 erstrecken. Die Leitungen 34 stehen mit einer Reihe von Wirbelkanälen 35 a in Verbindung, die an der äußeren Umfangsfläche eines Ringteiles 35 vorgesehen sind, der innerhalb der Ausnehmung an der Scheibe befestigt ist. Zwischen dem Teil 35 und dem Damm 13 a ist die radial nach innen zeigende Wand der Ausnehmung mit einer flachen ringförmigen Vertiefung 36 von z. B. 0,5 mm Tiefe versehen. Die Kanäle 35 α sind gegen die axiale Richtung geneigt und vorzugsweise teilweise schraubenförmig gestaltet.

Beim Betrieb wird Brennstoff durch die Öffnungen 27 in den Tunnel 31 geleitet, wobei die Schaufelblätter 33, die zusammen mit der Scheibe 11 umlaufen, dem Brennstoff ein zentrifugales Druckgefälle verleihen und ihn durch Leitungen 34 und von da durch Verwirbelungskanäle 35 α leiten. Diese erteilen dem Brennstoff eine Wirbelbewegung in dem mit der Scheibe übereinstimmenden Drehsinn, und diese Wirbelbewegung bleibt bestehen, wenn der Brennstoff die Kanäle verläßt und auf die geneigte Fläche der Vertiefung 36 auftritt, die die schädliche Wirkung verringern soll, die auftreten könnte, wenn der Brennstoff direkt von den Verwirbelungskanälen auf die ebene Oberfläche der Wand auftrifft, d. h. auf eine Zylinderfläche. Von der Vertiefung 36 fließt der Brennstoff über den Damm 13 α und nach Annahme einer Drehbewegungskomponente mit einem Mindestmaß an Störung glatt auf die Stirnfläche der Scheibe 11.

Bei beiden Ausführungsbeispielen wird der Brennstoff in Richtung des Drehsinnes der Scheibe 11 verwirbelt. Der Brennstoff kann jedoch auch an der Scheibe haftenbleiben, wenn man ihn in der entgegengesetzten Richtung verwirbelt, wobei die Schlitze 15 α bzw. die Kanäle 35 α entgegengesetzt zu der in den Zeichnungen gezeigten Neigung geneigt sind.

Wenn der Brennstoff im entgegengestezten Sinne zur Drehrichtung der Scheibe verwirbelt wird, wird der Strömungsweg des Brennstoffes quer über die Strinfläche der Scheibe merklich größer sein (möglicherweise um den Faktor 1,5) gegenüber einem Strömungsweg, der sich bei Verwirbelung des Brennstoffes in Richtung der Rotation ergibt. Durch Anbringen einer geeigneten Verwirbelungseinrichtung kann die Verweilzeit des Brennstoffes auf der Stirnfläche der Scheibe an den erforderlichen Verdampfungsgrad des Brennstoffes auf der Scheibe angepaßt werden. Dies ist wichtig, um die Betriebstemperatur der Scheibe auf einem annehmbaren Wert zu halten.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen ein Kühlsystem zum Kühlen der Doppelwände 8 und 9 der Brennkammer, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, wobei Luft über die Zuführungsleitung 28 und die Öffnungen 29 in der Hülse 12 dem Durchtritt 10 zugeleitet wird. Die Brennstoffverteilerscheibe ist schwach konisch ausgebildet, um die Brennstoffverteilung zu unterstützen, und trägt Schaufeln 19, um die Turbulenz in der Brennzone zu vergrößern. Das Brennstoffversorgungssystem kann nach Belieben abgewandelt werden und ist nicht Gegenstand der Erfindung. Beispielsweise kann der Brennstoff über eine in der hohlen Rotorwelle angeordnete Brennstoffleitung an die Scheibe geleitet werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Brennkammer für Gasturbinenanlagen mit einer drehbar gelagerten Brenstoffverteilerscheibe, die auf ihrer Stirnseite eine koaxiale Ausnehmung und Mittel zum Zuführen flüssigen Brennstoffes in die Ausnehmung aufweist, wobei der flüssige Brennstoff über die Kante dieser Ausnehmung auf die Stirnfläche getrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß Wirbelerzeuger (15) innerhalb der sich mit der Scheibe (11) drehenden Ausnehmungen (13) vorhanden sind und Versorgungsleitungen (14, 15 a, 16, 17; 34, 35 a) für den flüssigen Brennstoff diesen durch die Wirbelerzeuger (15) in die Ausnehmung (13) einführen und die Wirbelerzeuger (15) derart gestaltet sind, daß der durch sie austretende Brennstoff eine Wirbelbewegung um die Rotationsachse der Scheibe (11) relativ zur Scheibe erfährt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelerzeuger dem flüssigen Brennstoff eine Wirbelbewegung in Richtung der Drehachse der Scheibe erteilen.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelerzeuger dem flüssigen Brennstoff eine zur Drehrichtung der Scheibe entgegengesetzte Wirbelbewegung erteilen.

4. Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe Schaufelblätter (18, 33) trägt, die dem den Wirbelerzeugern zufließenden Brennstoff ein zentrifugales Druckgefälle erteilen.

5. Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der radial äußeren Wand der Ausnehmung (13) und der Stirnseite

der Scheibe (11) als Damm (13 a) ausgebildet ist, welcher eine leicht gekrümmte Oberfläche besitzt.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand der Ausnehmung (13) mit einer ringförmigen Vertiefung

(36) zwischen dem Wirbelerzeuger (15) und dem Damm (13 a) versehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 686 350.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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