DE2158215A1 - Treibgaserzeuger fur Gasturbinen triebwerke - Google Patents

Description

Patentanwalt Dipl.-lng,K.WaWher

1 BERLIN It BotivaraÜee 9 TeU £04428$

W/Vh-2809 19.11.71

General Motors Corporation, D et r ο i t, Mich., V,St.A,

Treibgaserzeuger für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf einen Treibgase'rzeuger für Gasturbinentriebwerke mit einem Gehäuse zur Aufnahme von unter Druck stehender luft, in dem eine Brennkammer mit Mantel und Dom angeordnet ist, wobei neben dem Don eine primär3 Yerbrennungszone und zwischen dieser und einem dem Dom abgewandten Auslass für die Treibgase eine Zumischzone für luft vorgesehen ist, und die Brennkammer am Mantel einen unmittelbaren lufteinlass aufweist.

Bei richtiger Auslage des Treibgaserzeugers enthalten die erzeugten Treibgase nur geringe Anteile an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenoxid. Da jedoch die

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Verbrennung in der Brennkammer bei verhältnismässig hohen Temperaturen erfolgt, tritt eine Dissociation der Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle ein, die sich anschliessend zu Stickoxiden vereinen. Diese sind unerwünscht, da sie die Atmosphäre verunreinigen. Das Auftreten von Stickoxiden ±z±±± bei Gasturbinentriebwerken, die einen Regenerator zum Vorwärmen der Brennluft durch die Abgase der Turbine aufweisen, ist stärker, da sich in der Brennzone des Treibgaserzeugers höhere Temperaturen ergeben.

Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die Tatsaohe, dass Stickoxid während des Verbrennungsprozesses durch die Verbindung von Stickstoff mit Überschüssigem Sauerstoff bei erhöhten Reaktionstemperaturen gebildet iiiird, und dadurch unterstützt wird, dass in der Brennzone eine Sauerstoffanreicherung über das sto€chiometrische Verhältnis hinaus vorliegt. E» kann durch Betrachtungen der chemischen Gleichgewichte nachgewiesen werden, dass die Konzentration an Stickoxiden verringert werden kann, wenn die verfügbare überschüssige Sauerstoffkonzentration oder die Reaktionstemperatur verringert werden.

Das Zufügen eines gekühlten inerten Verdünnungsr mittels als Ersatz für den überschüssigen Sauerstoff im Verbrennungsvorgang sollte daher zu einer Verringerung der Stickoxidkonzentration führen.

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Um dies zu erzielen, ist bei einem Treibgaserzeuger der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss vorgesehen, dass der unmittelbare Lufteinlass zur Brennkammer über deren Mantel in Umfangsrichtung verteilte Rückläufe enthält, die einen dem Dom abgewandten Einlass der Brenngase und einen radial nach innen in die Brennzone gerichteten Auslass aufweisen und federn Rücklauf eine Luftdüse zugeordnet ist, der über einen ä Einlass Druckluft aus dem Gehäuse zuströmt und über einen Auslass im Bereich des Einlasses des Rücklaufs Brenngase mitnimmt und mit diesen vermischt in die Brennzone gelangt· Es werden hierdurch Brenngase aus dem stromabwärtigeη Ende der Brennzone durch die nach Art eines Injektors wirkende luftdüse in die Brennzone zurückgeleitet, wodurch sowohl die Sauerstoffkonzentration als auch die Reaktionstemperatur in der Brennzone verringert werden, wodurch der Bildung von Stickoxiden entgegengewirkt wird.

Es ist hierbei nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zweckmässig, wenn die Rückläufe und die zugeordneten Luftdüsen am stromabwärtigen Ende der Brennzone in der Brennr kammer angeordnet sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen

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Pig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einem Treibgaserzeuger nach der Erfindung,

Pig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die Brennkammer des TreiÜJgaserzeugers gemäss Pig.l und Pig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig.2.

Das in Pig. I dargestellte Gasturbinentriebwerk ist von üblichem Aufbau mit Ausnahme der Brennkammer. Das Triebwerk enthält einen Verdichter 2, der über eine Leitung 3 Luft in einen Hochdruckluftteil 4 eines Regenerators 6 fördert, in dem die verdichtete Luft erhitzt wird. Die erhitzte verdichtete Luft wird durch eine Leitung 7 in einen Treibgaserzeuger 8 geleitet, der aus einem Gehäuse 10 besteht. In dem Gehäuse ist durch einen von der verdichteten Luft durchströmten Raum 11 getrennt eine Brennkammer 12 angeordnet. Die Brennkammer 12 sitzt auf einem Stutzen 14» über den die gebildeten Treibgase einem ringförmigen Turbinendüsenring 15 zugeleitet werden. Die Treibgase v/erden durch diesen auf die Schaufeln am Umfang eines Turbinenrades 16 geleitet. Das Turbinenrad 16 treibt über eine Welle 18 den Verdichter 2 an und ist ferner mit einer Ausgangswelle 19 verbunden. Die Treibgase strömen nach dem Durchfluss durch das Turbinenrad in ein Abgasgehäuse 20, aus dem sie über eine Leitung 22 und den Heissgasteil 23 des Regenerators 6 zu

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einer Auspuffleitung 24 abströmen. Der Regenerator kann als Rekuperator ausgebildet sein oder als rotierender Regenerator, Jedoch sind die baulichen Einzelheiten des Regenerators für die Erfindung unwesentlich. Die Erfindung ist in gleicher Weise auch für Gasturbinentriebwerke nützlich, die keinen Regenerator aufweisen, jedoch ist sie wegen der höheren Temperatur in der Brennzone von mit Regeneratoren versehenen Gasturbinentrieb- " werken von grösserem Vorteil.

Die Gasturbine selbst kann von beliebiger Ausbildung sein. Anstelle der im Ausführungsbeispiel dargestellten Bauart können auch zwei voneinander unabhängige Turbinen strömungsmässig ineinandergeschaltet sein, von denen die eine als Yerdichterturbine den Verdichter 2 antreibt, während die zweite mit der Ausgangswelle 19 verbundene Turbine aas Arbäitsturbine dient.

Die Brennkammer 12 (Pig. 2 und 3) hat einen zylin- ä drischen Mantel 26, der am oberen Ende von einem schwach konischen Dom 27 verschlossen ist. In der Mitte des Domes 27 ist ein Anschlußstück 28 vorgesehen, das durch das Gehäuse 10 ragt und mit einer Mutter 30 festgelegt ist. Das Anschlußstück 28 enthält eine nicht dargestellte Brennstoffdüse, der der Brennstoff über eine Leitung 32 zugeleitet wird. Die Brennstoffdüse, die in der Mitte des Domes liegt, ragt etwas in die Brennkammer und spritzt Brennstoff in einem kegligen Strahl in bekannter

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- 6 Weise in die Brennkammer.

Ein Zünder 34 dient der Einleitung der Verbrennung und ist in einem loch 35 im Dom 27 angeordnet. Der Dom 27 besteht aus einer äusseren Wand 36 und einer inneren Wand 38, die beide miteinander durch Punktschweissung verbunden sind. Die innere Wand 38 enthält Schlitze zur Bildung von abgewinkelten Wirbelblechen 39, die in einer äusseren Reihe liegen. Diese zwölf Wirbelbleche erteilen der durch den Dom eintretenden L_uft einen Drall in einer Richtung in Bezug zur Längsachse der Brennkammer, während eine innere Reihe von sechs Wirbelblechen 40 einen Drall der Luft in entgegengesetzter Richtung veranlassen. Die Luft tritt durch die äussere Wand 36 durch Löcher 42 in den Bereich der Wirbelbleche. Die in dieser Weise der Brennkammer zugeführte Luft dient der Spülung des Domes und liefert einen Teil der Brennluft.

Am äusseren Rand des Domes ist ein flacher Ring 43 vorgesehen, der mit den Rändern der Wände 36 und 38 verschweisst ist. Grleichmässig verteilt über den Umfang sind in dem Ring 43 kleine Eöcher 44 vorgesehen, durch die der Dom mit dem Mantel 26 verbunden werden kann. Der Mantel 26 der Brennkammer enthält zehn gleichmässig längs des oberen Randes verteilte Schlitze 46, in deren Bereich der Mantel nach innen verformt ist, so dass sich eine abgesetzte Stütze 47 an Jedem Schlitz bildet. Löcher 48 in den Schlitzen 47 sind zu den Löchern 44 in dem Rand 43 des

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Doms ausgerichtet vorgesehen. Diese Zuordnung wird durch Schrauben o.dgl. gesichert.

Im Ausführungsbeispiel ist der G-esaratdurchmesser des Domes 179 mm, während der Innendurchmesser des Mantels 190,5 mm "beträgt, so dass sich ein Spalt von nahezu 6 mm zwischen dem Rand des Domes und der Innenwand der Brennkammer 26 ergibt. Ein kräftiger luftstrom tritt durch diesen Spalt % und fliesst längs der Innenfläche des Mantels. Er stellt einen Kühlfilm dar, der die Brennkammerwandung von den sehr heissen Brenngasen in der Brennzone schützt, obwohl ein Teil dieser luft in die Treibgase übergeht.

Das stromabwärt ige Endejdes Mantels 26 ist mit einem nach aussen erweiterten Rand 50 versehen, der Schlitze 51 enthält,und mit einem Kranz von Lappen 52 versehen ist, die längs der einen Kante im Bereich der Schlitze 51 angeschweisst sind. Diese Lappen dienen der Ausrichtung der Brennkammer zum g Stutzen 14. Unmittelbare Brennluftzufuhr zur Brennkammer erfolgt durch eingebaute Rückläufe 54, die kreisförmigen Querschnitt

haben und eine Einlassöffnung/und eine Auslassöffnung 56 aufweisen. Wie sich aus den Zeichnungen ergibt, sind die Einlassöffnungen 55 von dem Dom abgewandt in axialer Richtung angeordnet, während die Auslassöffnungen 56 radial einwärts auf die Achse der Brennkammer zugerichtet sind. Die Rückläufe 54 sinö durch Punktschweissen mit dem Hantel 26 verbundene Die

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Auslassöffnungen 56 ersetzen die üblichen Brennlufteinlässe "bisher "bekannter Bauarten, die durch die Erfindung verbessert wird, wobei bei den bekannten Bauarten diese Lüfteinlassöffnungen in der gleichen axialen Höhe wie die Auslassöffnmngen 56 vorgesehen waren.

Die eigentlichen Lufteinlassöffnungen 5β sind bei der erfindungsgemässen Bauweise weiter stromabwärts angeordnet. Diese Lufteinlassöffnungen 53 sind an einem rechtwinklig abgebogenen Rohr 59 kreisförmigen Querschnitts vorgesehen, das ebenfalls durch Punktschweissen an dem Mantel 26 befestigt ist. Jedes Pohr 59 hat einen konvergierenden Auslass, so dass eine Luftdüse 60 gebildet wird, die im Bereich der Einlassöffnung 55 der Rückläufe 54 liegt. Infolge der Druckdifferenz zwischen der Aussen- und der Innenseite der Brennkammer tritt verdichtete Luft durch die Lufteintrittsöffnungen 5^ ein und wird durch die Düsen 60 beschleunigt in die Rückläufe 54 geleitet. Diese Luft nimmt Brenngase mit und bewirkt deren Umwälzung innerhalb der Brennkammer, wobei sich die zurückgeführten Brenngase mit der frisch zugeführten Luft mischen, um durch die Auslassöffnungen 56 in die Brennzone der Brennkammer zurückzukehren,, Der in entgegengesetzter Richtung fliessende Kühlluftstrom längs der Innenwand der Brennkammer lässt diese LuCt nicht in die Rückläufe eintreten.

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Venn auch eine genaue Begrenzung des Endes

der Brennzone in der Brennkammer nicht möglich ist, so ist es aber zweckraässig, das stromabwärtige Ende der Rückläufe 54 etwa in diesem Bereich anzuordnen. Gewisse Schwankungen in der Länge der Brennzone ergeben sich aus der eingestellten Leistung "bzw. der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer. Die Anordnung der Luftdiisen 60 sollte so vorgenommen werden, dass Brenngase mit geringstem Sauerstoffgehalt angesaugt werden, d.h. voll verbrannte Brenngase,denen jedoch noch keine Zuluft beigemischt ist.

Die Mischung aus der zugeführten Luft und den rückgeführten Brenngasen, die durch die Rückläufe 54 strömt, wird durch Wärmeleitung zum Hantel 26 in gewissem Umfange gekühlt, da sich deren Aussenwand in der verdichteten Luft befindet. In grösserem Ausmasse erfolgt eine Kühlung durch Konvektion zu dem Kühlluftfilm, der an der Innenwand des Mantels % 26 strömt.

Durch die Rückläufe und die Luftdüsen erfolgt also v/ie bei bekannten Bauarten eine Luftzufuhr, jedoch mit der Ausnahme, dass Brenngase eingemischt Bind und die Mischung beträchtlich abgekühlt ist. Die zugeleitete Brennluft v/ird durch Brenngase verdünnt, wodurch die Sauerstoffkonzentration in der Brennzone herabgesetzt v/ird und gleichzeitig eine geringere Temperatur in diesem Bereich erreicht wird.

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Der unterhalb der Brennzone in der Brennkammer befindliche Teil ist die Zumischzone, in der verhältnismässig grosse Luftmengen, die vom Yerdichter geliefert und im FaIIe eines Regenerators vorgewärmt "bereitgestellt v/erden. Durch die Zumischluft v/ird die Temperatur der Brenngase auf einen Wert gesenkt, der der Turbine zuträglioh ist. Die Zumischung dieser Zumischluft erfolgt durch einen Kranz von acht grossen Löchern 62 im Mantel 26 der Brennkammer.

Die Verbesserung gemäss der Erfindung wird ohne wesentliche und kostspielige Abänderung bisheriger Brennkammerkonstruktionen erreicht, da lediglich die Lufteinlassöffnungen 58 tiefer an dem Brennkammermantel angeordnet sind und die durch Punktschweissen leicht zu befestigenden Rückläufe 54 und Luftdüsen 59 vorzusehen sind.

Die Verhältnisse der Luft, die in den einzelnen Teilen des Treibgaserzeugers zugeleitet v/ird, hängen von der Auslage ebenso ab wie von der Betriebstemperatur der Turbine, dem Vorliegen oder Fehlen eines Regenerators und auch v/eiteren Betriebsparametern ab, so dass ein Anhaltspunkt über diese Verhältnisse zweckmässig erscheint. Bei der besonderen Ausführungsform gelangen etwa 9 - 10 $ der gesamten Fördermenge des Verdichters 2 durch die Wirbelbleche im Dom 27 in die Brennkammer, Etwa 5$ der Fördermenge des Verdichters wird durch die Lufteinlassöffnungen 58 zugeleitet. Etwa 58$ der

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gesamten Luft tritt durch den Spalt an den Rändern des Domes und des Mantels 26 ein, wobei dieser Teil vorwiegend zur Bildung des kühlenden Iiuftfilms dient, obwohl etwa 1/8 dieser Luftnenge, alno etwa 5,5/ί der Fördermenge des Verdichters in die Brennlui't übergeht. Im Ausführungsbeispiel werden also 13 - 19/0 der gesamten Fördermenge des Verdichters als Brennluft

verwendet. Etwa 58^ der gesamten luft werden durch die Zu- ™ niischlöcher 62 zugeleitet.

D_er Betrag der durch die Luftdüsen 60 zurückgeführten Brenngase ist abhängig von der Konvergenz der Düsen und den anderen Abmessungen der zugeordneten Teile.Im Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der zurückgeleiteten Gase sur eintretenden Luft etwa 6/10. Es sind jedoch auch andere Verhältnisse im Einzelfalle möglich.

Die erfindungsgemässe Bauweise ist einfach und

äus3erst wirksam, um die Brenntemperaturen und die Sauerstoff- ύ konzentration in der Brennzone des Treibgaserzeugers zu verringern und da :it die Bildung übermflosiger Anteile von Sticko:cid zu unterbinden. Die Erfindung int bei ringförmigen Brennkammern oder nii-leren Formen von Brennkammern in gleicher Weise verwendbar.

Claims (2)

1. Pate nt atisprüche

   Treibgaserzeuger für Gasturbinentriebwerke mit einem Gehäuse zur Aufnahme von unter Druck stehender Luft, in detJi eine Brennkammer mit Mantel und Dom angeordnet ist, wobei neben dem Dom eine primäre Verbrennungszone und zwischen dieser und einem dem Dom abgewandten Auslass für die Treibgase eine Zumischzone für Luft vorgesehen ist, und die Brennkammer am Mantel einen unmittelbaren Lufteinlass aufweist, d a d u r ch gekennzeichnet, dass der unmittelbare Lufteinlass zur Brennkammer über deren Mantel (26) in Umfangsrichtung verteilte Bückläufe (54) enthält, die einen dem Dom (27) abgewandten Einlass (57) für Brenngase und einen radial nach innen in die Brennzone gerichteten Auslass (56) aufweisen und jedem Rücklauf eine Luftdüse (59) zugeordnet ist, der über einen Einlass (58) Druckluft aus dem Gehäuse (10) zuströmt und über einen Auslass (60) im Bereich des Einlasses (55) des Rücklaufs (54) Brenngase mitnimmt und mit diesen vermischt in die Brennzone gelangt.
2. 2. Treibgaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückläufe (54) und die zugeordneten Luftdüsen (59) am stromabwärtigen Ende der Brennzone in der Brennkammer (26) angeordnet.

   BAD ORIGIN»· 209824/0677

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