DE1601674C - Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für ein Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Flamm- bei einer Brennkammer der eingangs genannten rohr, das an seinem stromaufwärtigen Ende eine Gattung vor, daß die Eintrittsöffnungen für die Stirnwand mit Eintrittsöffnungen für die vom Ver- Primärluft derart tangential gerichtet sind, daß sie dichter zugeführte Primärluft aufweist, und mit über 5 der in das Flammrohr eintretenden Primärluft eine ihre Zuleitung an der Brennkammerwand befestigten, Wirbelbewegung um die Brennkammerlängsachse er- , den Brennstoff stromaufwärts in das Flammrohr ein- teilen, daß die Brennstoffeinspritzdüsen radial außerspritzenden Brennstoffeinspritzdüsen, halb des Flammrohres angeordnet sind, ihre Düsen-Aus der USA.-Patentschrift 2 667 033 ist eine Öffnungen an der Flammrohraußenwand liegen und Brennkammer bekannt, bei der die an der Brenn- io die Brennstoffeinspritzdüsen derart gerichtet sind, kammerwand befestigten Zuleitungen der Brennstoff- daß sie den Brennstoff durch in der Flammrohreinspritzdüsen bis in die Mitte des Flammrohres ragen außenwand vorgesehene Öffnungen entgegen dem und die Düsen dort halten. Dies bringt den Vorteil, Strom der durch die Eintrittsöffnungen eintretenden daß der strömungsaufwärts eingespritzte Brennstoff Primärluft einsprühen.

auf den Kern der eingeblasenen Primärluft trifft, aber 15 Durch das tangentiale Einblasen der Primärluft auch den großen Nachteil, daß die Brennstoffein- mit der damit verbundenen Wirbelbewegung der spritzdüsen der vollen Temperatur der im Flammrohr Primärluft um die Brennkammerlängsachse und das vor sich gehenden Verbrennung ausgesetzt und damit Einsprühen des Brennstoffes im Gegenstrom zu dieser stark gefährdet sind. Die axial symmetrische An- Primärluft werden Luft und Brennstoffpartikeln innig Ordnung sowohl der Zuführung der. Primärluft als 20 und vollständig miteinander vermischt. Die sich auch der Brennstoffeinspritzdüse bringt weiter mit daraus ergebende vollständige Verbrennung des sich, daß sich Primärluft und Brennstoff nur in einem Brennstoffes führt nicht nur zu einem hohen Wirmittleren Bereich des Flammrohres innig miteinander kungsgrad und damit einem geringen spezifischen vermischen und die eingespritzten Brennstoffpartikeln Brennstoffverbrauch des Triebwerkes, sondern verradial weiter außen liegende Bereiche nicht erreichen 25 meidet auch die schwarzen und rußhaltigen Abgas- und dort eingeführte Primärluft wenigstens nicht un- wölken, die bei unvollständiger Verbrennung entmittelbar mit Brennstoffpartikeln angereichert wird stehen.

und daher ungenutzt aus dem Flammrohr austreten Die bei vollständiger Verbrennung auftretenden kann. besonders hohen Temperaturen können die Brenn-Aus der deutschen Auslegeschrift 1043 719 ist es 30 Stoffeinspritzdüsen thermisch gefährden, falls diese bekannt, die in der Stirnwand des Flammrohres aus- im Verbrennungsbereich angeordnet sind. Bei der gebildeten Eintrittsöffnungen für die Primärluft so Erfindung ist diese Gefahr nicht gegeben, da die auszurichten, daß diese tangential in das Flammrohr Brennstoffeinspritzdüsen radial außerhalb des eingeblasen wird. Gegenüber der eben beschriebenen Flammrohres liegen und nur mit ihren Düsenöffbekannten Brennkammer verbessert dies die Durch- 35 mangen an die Flammrohrwand heranreichen und mischung von Brennstoff und Primärluft. von dort den Brennstoff durch die in der Flamm-Es wurde ausgeführt, daß eine im Innenraum eines rohrwand ausgebildeten Öffnungen einspritzen. Damit Flammrohres angeordnete Brennstoffeinspritzdüse entfällt die Gefahr, daß die Brennstoffeinspritzdüsen den hohen Verbrennungstemperaturen unmittelbar oder Teile verbrennen und damit die Turbinenausgesetzt und damit stark gefährdet ist. Zum Ver- 40 schaufeln beschädigen oder zerstören können,
meiden dieser Gefahr ist es aus der USA.-Patent- In zweckmäßiger Ausgestaltung sieht die Erfindung schrift 2 926 495 und der britischen Patentschrift vor, daß die Eintrittsöffnungen schaufelartige Ab-757 871 bekannt, die Brennstoffeinspritzdüsen radial deckungen aufweisen, die derart gerichtet sind, außerhalb des Flammrohres im kühlenden Gebiet der daß sie der durchtretenden Primärluft die in Um-Sekundärluft anzuordnen. Diese Herabsetzung der 45 fangsrichtung verlaufende Wirbelbewegung erteilen, thermischen Belastung der Brennstoffeinspritzdüsen . Weiter sieht die Erfindung vor, daß die Brennwird jedoch mit dem Nachteil einer geringeren Durch- kammer eine Ringbrennkammer ist und aus mehreren mischung von Brennstoff und Primärluft erkauft. einzelnen, zueinander achsparallelen Flammrohren

Auch bei dem in der USA.-Patentschrift 2 979 899 bestehen kann.

beschriebenen Triebwerk sind die Brennstoffeinspritz- 50 Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten zwei

düsen radial außerhalb des Verbrennungsgebietes Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter

angeordnet. Bei diesem bekannten Triebwerk handelt beschrieben. Dabei ist

es sich jedoch nicht um ein Gasturbinentriebwerk, F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer

sondern um ein Staustrahltriebwerk. Der Brennstoff Ringbrennkammer, die teilweise ausgebrochen ist und

wird durch die radial nach einwärts gerichteten 55 bei der um der Übersichtlichkeit willen Teile wegge-

Brennstoffeinspritzdüsen in das Staurohr eingespritzt lassen sind,

und verdampft dort. F i g. 2 ein Schnitt durch den unteren Bereich dieser

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt Ringbrennkammer,

der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brenn- F i g. 3 eine Stirnansicht dieser Ringbrennkammer,

kammer für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei 60 F i g. 4 eine perspektivische Darstellung eines Teils

der einerseits Brennstoff und Primärluft innig mitein- des Eintrittsendes der Brennkammer und

ander vermischt werden, ohne daß dies andererseits Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer

die Anordnung der Brennstoffeinspritzdüsen im anderen Ausführungsform der Brennkammer.

Innenraum des Flammrohres und damit im Zentrum Fig. 1 und 2 zeigen ein Flammrohr 10, das sym-

der Verbrennung bedingt, wo sie wegen der dort 65 metrisch zur Brennkammerlängsachse 12 liegt. Die

herrschenden hohen Temperaturen thermisch bis an Luft wird von links eingeführt. Die Außenwand des

den Rand der Werkstoffzerstörung beansprucht Flammrohres 10 ist mit 14 und die Innenwand mit

werden. 16 bezeichnet. Die nicht dargestellte Hauptwelle des

Triebwerkes würde im Innenraum 18 verlaufen. Dieser wird von einer Ringwand 24 umschlossen, die durch Wände 21 und 23 abgestützt wird, die zur Außenwand 20 der Brennkammer führen und durch den Diffusor 22 laufen. Unmittelbar nach Verlassen des Verdichters trifft die Luft auf das vordere Ende 24 des Diffusors 22, und von dort tritt ein Teil der vom Verdichter kommenden Luft durch die Diffusoröffnungen 26 und 28 in den Diffusorabschnitt ein. Dieser Teil der Luft bildet die Primärluft. Der Rest der vom Verdichter kommenden Luft teilt sich. Ein Teil tritt zwischen der Außenwand 20 der Brennkammer und der Außenwand 30 des Diffusors 22 hindurch. Der andere Teil dieser Luftmasse tritt zwischen der Ringwand 54 und der Innenwand 32 des Diffusors 22 durch.

Eine Primärlufteintrittsplatte 36 erteilt der eintretenden Primärluft eine bestimmte Richtung. Sie ist mit Eintrittsöffnungen 38 versehen, die schaufelartige, hutzenförmige Abdeckungen aufweisen (s. F i g. 4). Die Ausrichtung in Umfangsrichtung erzeugt in der eintretenden Primärluft eine Turbulenz und leitet die Luft weiter im Gegenstrom zum Brennstoff in das Flammrohr 10 ein. Die Brennstoffeinspritzdüsen 40 sind gemäß der Darstellung in F i g. 2 in der Außenwand 20 der Brennkammer angeordnet. Sie ragen mit ihren Spitzen bis an das Flammrohr 14. heran. Sie sind derart ausgerichtet, daß sie einen kegelförmigen Brennstoffsprühstrahl 42 im wesentlichen radial nach innen und strömungsaufwärts gegen die mit hoher Geschwindigkeit eintretende Primärluft richten. Aus F i g. 2 ist auch zu ersehen, daß der kegelförmige Brennstoffsprühstrahl 42 so ausgerichtet ist, daß er über den ganzen Bereich unmittelbar hinter der Primärlufteintrittsplatte 36 versprüht oder verteilt wird.

Sowohl die Außenwand 14 als auch die Innenwand 16 des Flammrohres 10 ist mit radial fluchtenden Reihen von öffnungen 44 versehen. Es sind dies Sekundärluft-Öffnungen, die zum hinteren Ende des Triebwerkes hin kleiner werden. Die durch diese Öffnungen 44 eintretende Sekundärluft bewirkt, daß die Verbrennungsgase nicht zu heiß werden und dadurch das Flammrohr 10 und die Turbinenschaufeln thermisch überbelasten. In der Außenwand 16 des Flammrohres 10 sind weitere Reihen von Öffnungen 46 vorgesehen. Diese öffnungen 46 dienen zur Zufuhr von Kühlluft entlang den Wänden 14 und 16 des Flammrohres 10. Die heißen, expandierenden Verbrennungsgase verlassen das Flammrohr 10 durch den Auslaß 48 und werden den Turbinenschaufeln zugeleitet.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein topfförmiges Flammrohr angewendet ist. Normalerweise sind mehrere dieser topfförmigen Flammrohre rund um den Umfang des Triebwerkes herum verteilt angeordnet. Um der besseren Übersichtlichkeit willen sind diejenigen Teile der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform, die den bei der zunächst mit Bezug auf die F i g. 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsform vorhandenen Teilen unmittelbar entsprechen, mit dem gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines Apostrophs versehen.

In F i g. 5 ist unmittelbar hinter dem nicht dargestellten Diffusor eine gesonderte Primärlufteintrittsplatte 36' vorgesehen. Die Primärlufteintrittsplatte 36' ist .mit in Umfangsrichtung angeordneten Eintrittsöffnungen 38' versehen, die in ihrer Ausrichtung der zuvor beschriebenen Ausführungsform entsprechen. So sind auch die Eintrittsöffnungen 38' derart gestaltet, daß sie der in das vordere Ende des Flammrohres 10' eintretenden Primärluft eine in Uhrzeigerrichtung verlaufende Wirbelbewegung erteilen.

Unmittelbar hinter der Primärlufteintrittsplatte 36' sind in der Außenwand 14' des Flammrohres um den Umfang herum verteilt mehrere Brennstoffdüsen 40' angeordnet. So wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind diese Brennstoffdüsen 40' so ausgerichtet, daß sie einen kegelförmigen Sprühstrahl aus Brennstoff sowohl radial nach innen als auch nach vorne entgegen der einströmenden Luft einspritzen. Der in das Flammrohr eintretenden Primärluft, ist bei ihrem Durchgang durch die in Umfangsrichtung angeordneten Eintrittsöffnungen 38' in der Primärlufteintrittsplatte 36' bereits eine Wirbelbewegung erteilt worden. Die Brennstoffdüsen 40' sind derart ausgerichtet, daß die Brennstoffsprühstrahlen die Fläche der Primärlufteintrittsplatte 36' im wesentlichen gleichmäßig mit zerstäubtem Brennstoff bedecken.

Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind auch bei dieser Ausführungsform die Brennstoffes düsen 40' auf der Außenwand 14' angeordnet, so daß keine Teile der Düsen oder der Brennstoffzuleitung in das Flammrohr 10' hineinragen.

Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind auch hier öffnungen 44' für Sekundärluft unmittelbar hinter den Brennstoffeinspritzdüsen 40' vorgesehen. Unmittelbar strömungsabwärts der Öffnungen 44' sind auf dem Umfang Reihen von öffnungen 46' für Kühlluft in jedem der weiter unten liegenden Abschnitte des · Flammrohres 10' vorgesehen.

Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform ist auch eine Brennstoffverteilerleitung 50' vorge-. sehen, die das Flammrohr 10' umgibt und die einzelnen Brennstoffdüsen 40' mit der nicht dargestellten Hauptbrennstoffleitung verbindet.

Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform zeigt sich, daß die Brennkammer mit etwa 13 Düsen je Flammrohr gut arbeitet. Bei der eingangs beschriebenen Ausführungsform mit einer Ringbrennkammer hat man mit 24 Düsen, die mit im wesentlichen gleichem Abstand um den Umfang der Ringbrennkammer verteilt angeordnet waren, eine gleichmäßige Brennstoff verteilung erreicht.

Gemäß der Darstellung in F i g. 2 ist in einer Muffe 52 eine Zündvorrichtung zum Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches und zur Einleitung der Verbrennung im Triebwerk vorgesehen.

, Die Arbeitsweise wird nun mit Bezug auf die zuerst beschriebene und in den F i g. 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform erläutert. Luft tritt mit hoher Geschwindigkeit aus der letzten Stufe des Verdichters aus und wird unmittelbar auf das vordere Ende.24 des Diffusors 22 gelenkt. Die Luftströmung wird durch dieses vordere Ende 24 im wesentlichen in zwei etwa gleiche Teile geteilt.

Ein Teil des unteren Teils dieser Luftströmung tritt durch die unteren Diffusoröffnungen 26 und ein Teil des oberen Teils der Luftströmung tritt durch die oberen Diffusoröffnungen 28 in den Diffusor 22 ein..

Der Rest des unteren Teils der Luftmasse strömt in Richtung auf das hintere Ende des Flammrohres 10 und tritt in den Raum zwischen dessen Außenwand 14 und der Außenwand 20 ein. Der Rest des oberen

Teils der Luftmasse fließt durch den Raum zwischen der Innenwand 16 des Flammrohres 10 und der Ringwand 54 hindurch.

Die in den Diffusor 22 eintretende Luft trifft auf die Primärlufteintrittsplatte 36. Die in Umfangsrichtung verlaufenden und schaufelartig abgedeckten Öffnungen 38 in der Primärlufteintrittsplatte 36 lassen die Luft dann in das vordere Ende des Flammrohres 10 .eintreten. Die Eintrittsöffnungen 38 bewirken eine Verwirbelung der in das Flammrohr 10 eintretenden Luft. Beim Eintritt der Luft in den vorderen Teil des Flammrohres 10 trifft sie unmittelbar auf den Brennstoffsprühstrahl, der durch die Brennstoffdüsen 40 eingespritzt wird, und zwar praktisch genau in Gegenstromrichtung zu den Brennstoffsprühstrahlen 42.

Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird auch bei dieser Ausführungsform der Brennstoff für die Brennstoffdüsen 40' über eine Brennstoffsammelleitung unter Druck zugeführt.

Durch die Turbulenz der in die Brennkammer eintretenden Luftmasse wird der von den Düsen 40 zerstäubte und in Gegenstromrichtung eingespritzte Brennstoff innig mit dieser Luftmasse vermischt, so daß ein Brennstoff-Luft-Gemisch entsteht, in dem der Brennstoff im wesentlichen gleichmäßig in der ganzen Luft verteilt ist. Zur Einleitung der Verbrennung wird mit dem in der Muffe 52 angeordneten Zünder ein Zündfunke erzeugt.

Ein Teil der zwischen den Wänden 30,14 und 20 fließenden Luftmassc und ein Teil der zwischen den Wänden 32, 16 und 54 fließenden Luftmasse gelangt unmittelbar hinter den Brennstoffdüsen 40 durch die Öffnungen 44 als Sekundärluft in das Flammrohr 10. Diese Sekundärluft kühlt und verdünnt die heißen Verbrcnnungsgase, so daß die Temperatur dieser Gase auf eine Höhe herabgemindert wird, die für die Turbincnschaufeln unschädlich ist.

Desgleichen fließt ein anderer Teil dieser beiden Luftmassen weiter und tritt durch die gemäß der Darstellung in F i g. 1 bis 4 rund um das Flammrohr angeordneten öffnungen 46 als Kühlluft in das Flammrohr 10 ein. Diese durch die öffnungen 46 eingeführte Kühlluft kühlt die Wände des Flammrohres 10, so daß diese nicht zu heiß werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Flammrohr, das an seinem stromaufwärtigen Ende eine Stirnwand mit Eintrittsöffnungen für die vom Verdichter zugeführte Primärluft aufweist, und mit über ihre Zuleitung an der Brennkammerwand befestigten, den Brennstoff stromaufwärts in das Flammrohr einspritzenden Brennstoffeinspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnuhgen (38, 38') derart tangential gerichtet sind, daß sie der in das Flammrohr (10, 10') eintretenden Primärluft eine Wirbelbewegung um die Brennkammerlängsachse (12) erteilen, daß die Brennstoffeinspritzdüsen (40) radial außerhalb des Flammrohres (10,10') angeordnet sind, ihre Düsenöffnungen an der Flammrohraußenwand (14,14') liegen und die Brennstoffeinspritzdüsen (40) derart gerichtet sind, daß sie den Brennstoff durch in der Flammrohraußenwand (14,14') vorgesehene Öffnungen entgegen dem Strom der durch die Eintrittsöffnungen (38, 38') eintretenden Primärluft einsprühen.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (38, 38') schaufelartige Abdeckungen aufweisen, die derart gerichtet sind, daß sie der durchtretenden Primärluft die in Umfangsrichtung verlaufende Wirbelbewegung erteilen.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ringbrennkammer ist.

4. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennnzeichnet, daß die Brennkammer aus mehreren einzelnen, zueinander achsparallelen Flammrohren (10') besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen