DE2845619C2 - Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Brennkammer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Eine solche Brennkammer ist aus der DE-AS 96 682 bekannt. Bei dieser bekannten Brennkammer erstrecken sich die Drallschaufeln ziwschen dem Außengehäuse der Vorkammer und einer Nabe, die die Brennstoffzuführung bildet Innerhalb der Vorkammern wird der Brennstoff mit der unter Drall gesetzten Luft vermischt, die einerseits axial über die Drallschaufeln und andererseits radial über Löcher des Vorkammergehäuses eintritt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine noch bessere Verbrennung unter Verringerung der Umweltbelastung zu gewährleisten, indem eine noch bessere Durchmischung von Brennstoff und Luft bewirkt wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Dadurch, daß ein weiterer Ringluftstrom mit Drall

gebildet wird, der den Brennstoffluftgemisoh-Strom umgibt erfolgt eine nochmalige Verdünnung und Verbesserung der Brennstoffluftverteilung innerhalb der Vorkammer, bevor das Gemisch in die Brennkam mer eintritt. Diese Wirkung wird auch durch die unterschiedliche Drallrichtung der zueinander konzentrisch verlaufenden Ströme begünstigt.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7.

ίο Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer gemäß der Erfindung ausgebilde- ten Brennkammer,

Fig.2 in größerem Maßstab eine perspektivische Ansicht einer Vorkammer;

F i g. 3 und 4 in größerem Maßstab perspektivische Ansichten von zwei weiteren Ausführungsfonnen von

Vorkammern;

Fig.5 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausiührungsforrn eines Brennstoffinjektors,

Das in F i g. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk weist in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß 10, einen Kompressor 12, eine Brennkammer 14, eine Turbine 16, ein Strahlrohr 18 und eine Abgasdüse 20 auf.

Die Brennkammer 14 weist ein ringförmiges Flammrohr 22 auf, an dessen stromaufwärtigem Ende zwei

JO Gruppen von Vorkammern 24 und 26 angeordnet sind,

von denen jede Gruppe in Umfangsrichtung um die stromaufwärtige Wand des Flammrohres 22 herum verteilt ist

Eine der Vorkammern 24 ist im einzelnen in Fig.2

dargestellt. Sie besteht aus einem Vorkammergehäuse in Gestalt eines konischen Körpers dessen breiteres Ende sich in das Flammrohr 22 öffnet und aus einem Brennstoffinjektor in Form eines Brennstoffzuführungsrohres 29, das am stromaufwärtigen schmaleren Ende des Vorkammergehäuses 28 angeordnet ist Das Brennstoffzuführungsrohr 29 wird von einer Verwirbelungseinrichtung 30 umgeben, die schraubenlinienförmige Drallschaufeln 32 aufweist, die zwischen dem Brennstoffzuführungsrohr 29 und einer Hülse 31 verlaufen. Radialdiisen 34, die im Ende des Rohres 29 ausgebildet sind, injizieren Brennstoff radial nach außen unmittelbar stromab der Drallschaufeln 32.

In dem Vorkammergehäuse 28 sind mehrere Schlitze 36 angeordnet, die Luft gerichtet in die Vorkammer

eintreten lassen. Diese Schlitze sind tangential zu dem Gehäuse 28 angeordnet. Die Schlitze 36 begünstigen die Vermischung von Luft und Brennstoff und dienen dazu, den Brennstoff von der inneren Oberfläche des Gehäuses 28 fernzuhalten und dem Gemisch, das in die Brennzone des Flammrohres 22 austritt, eine gewisse Verwirbelung aufzuprägen. Die gegensinnigen Drallrichtungen, die durch die Drallschaufeln 32 bzw. die Schlitze 36 erzeugt werden, verzögern die Ausbreitung des Brennstoffs in genügender Weise innerhalb der

so Vorkammer, um eine brennstoffreiche Kernströmung in der Mitte des konischen Gehäuses 28 zu erhalten, die zu reich für Vollastbedingungen des Triebwerks wäre, jedoch eine Region einer stabilen Verbrennung innerhalb der Vorkammer 28 bei sehr magerem

Gemisch liefert.

Um diese Kernverbrennung zu erreichen, stehen Brennstoffzuführungsrohr 29 und Hülse 31 in das Innere der Vorkammer bis etwa über den halben Durchmesser

der Hülse 31 ein, um zu verhindern, daß die Luftströmung durch das Brennstoffzuführungsrohr an den inneren Überflächen des Vorkammergehäuses 28 anhaftet Eine Gleitdichtung in Form eines von der Hülse 31 nach außen in eine Nut des Gehäuses 28 einsteckenden Flansches 38 ermöglicht, differentielle Ausdehnungen des Flammrohres 22 relativ zu dem Brennstoffinjektor.

Die durch die Schütte 36 hindurchtretenden Luftstrahlen dringen in das Innere der Vorkammer sin und werden auf allen Seiten dem brennstoffreichen Gemisch ausgesetzt Jeglicher Brennstoff, der sich auf den innenwinden des Vorkammergehäuses 28 abgesetzt hat wird von den Rändern der Schlitze 36 wieder versprüht

Die Anordnung verhindert wirksam die Bildung brennstoffreicher Taschen in der Brennstoff-Luftmischung, die Bildung von Kohlenmonoxiden bei Schwachl'astbedingungen des Triebwerks und demgemäß auch unerwünschte Abgasemissionen.

Fig.3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem die Schlitze 36 wach F i g. 2 durch kreisförmige Löcher 40 ersetzt sind Die durch die Lfcher 40 strömende Luft begünstigt eine schnelle Vermischung infolge der ausgedehnten Scheroberflächen der Luftstrahlen, die durch die Luftströmung durch die Löcher 40 erzeugt wird, die in die Vorkammer eintritt. Die Löcher 40 sind so geformt, daß den Luftstrahlen eine Tangentialkomponente aufgeprägt wird, wie dies auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 der Fall ist Die Zahl der Löcher wird derart optimiert, daß eine korrekte stöchiometrische Mischung in der Primärzone des Flammrohres 22 erreicht wird. Allgemein liefert eine Winkelanstellung zwischen 18° und 30° eine zufriedenstellende Brennstoffdispersion. Der Durch- j5 messer der Löcher muß groß genug sein, um eine ordnungsgemäße Strahldurchdringung zu erreichen und beträgt im typischen Fall 5% des Auslaßdurchmessers des Vorkammergehäuses 28. Da die Luftrichtung durch den Lochdurchmesser und die Dicke des Vorkammergehäuses 28 bestimmt wird, würde ein übermäßig großer Luftstrahldurchmesser einen dicken, schweren, konischen Gehäuseteil erfordern, was bei der Anwendung in Flugtriebwerken ungünstig wäre.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche wie bei dem Ausführungsbeipsiel nach F i g. 2.

F i g. 4 zeig; ein konisches Vorkammorgehäuse 28 mit zwei Gruppen von Schlitzen 42 und 44, und diese Schlitze sind tangential zu dem Gehäuse 28 angeordnet. Um eine entgegengesetzte Drehung innerhalb der Vorkammer zu erlangen, wird bei dieser Ausführungsform die Primärzonenströmung, die in das Flammrohr 22 eintritt, durch Reduktion des Drehimpulses des Ausflusses der Vorkammer modifiziert Die Rezirkulation der Mischung kann aufgehoben werden, ohne die Flamme zu löschen, weil eine extrem hohe Turbulenz erzeugt wird. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, eine gute Flammrohr-Primärmischzone zu schaffen, die eine geringe Verweilzeit ergibt, mit einer hieraus resultierenden Reduktion in der Erzeugung von Oxiden des Stickstoffs. Es ist gewöhnlich nicht möglich, eine Kernverbrennung bei mageren Mischungen mit dieser Ausführungsform zu erlangen und die Hülse 31 steht nicht in das Innere des konischen Bauteils 28 vor.

Eine Kombination einer Gruppe von Vorkammern gemäß Fig.2 und 3 und einer Gruppe von Brennern gemäß F i g 4 ermöglicht eine Stufenverbrennung, bei "⁴ der die erste Type von Vorkammern ine Verbrennung bei Schwächtest bewirkt, und die zweite Gruppe von Vorkammern die Verbrennung bei Hochlastbedingungen des Triebwerks übernimmt mit einer hieraus resultierenden Reduktion der Emission von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden.

Die Erfindung ist auch anwendbar für Verbrennungseinrichtungen, die aus mehreren getrennten, in Umfangsrichtung angeordneten Flammrohren bestehen.

F i g. 5 zeigt eine gegenüber den F i g. 1 bis 4 abgewandelte Ausführungsform eines Brennstoffzuführungsrohres 29. Der Durchmesser eines Einsatzkörpers 50 des Brennstoffzuführungsrohres 29 steigt graduell nach dem stromabwärtigen Ende an, und der Körper 50 wird von einer Hülse 52 umgeben, deren Innendurchmesser ebenfalls nach dem stromabwärtigen Ende zunimmt. Der ringförmige Luftkanal 54 zwischen dem Körper 50 und der Hülse 52 ist demgemäß konisch und schwach konvergent. Der Körper 50 und die Hü_:'se 52 sind durch axiale Schaufeln 54 verbunden.

Diese Ausbildung erlaubt eine noch gleichförmigere Vert· ilung der Brennstoff/Luftmischung in der Vorkammer als durch die Verwirbelungsvorrichtung der anderen Ausführungsbeispiele erreicht wird, wodurch ein Mischungskonus erzeugt wird, dessen Richtung genau gesteuert werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche;

1. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit einem ringförmigen Flammrohr mit mehreren an dessen Kopf in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Vorkammern mit sich in Strömungsrichtung erweiterndem Querschnitt und mit Luftzuführungsöffnungen in ihrer Wand, wobei die Vorkammern an ihrem stromaufwärtigen Ende Drallschaufeln zur Luftzuführung und eine zentral angeordnete Brennstoffzuführung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallschaufeln (32) zwischen der Brennstoffzuführung (29) und einer in die Vorkammer einstehenden Hülse (31) angeordnet sind, und daß die Luftzuführungsöffnungen (36; 40; 42; 44) in den Vorkammerwänden derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie die Luft mit einem Drall zuführen, der dem von den Drallschaufsln (32) erzeugten Drall entgegengerichtet ist

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (31) und die als Rohr (29) ausgebildete Brennstoffzuführung in das Innere der Vorkammer etwa über die Länge des halben Durchmessers der Hülse (31) einstehen.

3. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffzuführungsrohr (29) radial gerichtete Düsen (34) unmittelbar stromab der Drallschaufeln (32) aufweist

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strornaufwärtige Ende der Hülse (31) an dem stromaufwärtigen Ende des Vorkammergehäuses (28) abgedichtet (38) befestigt ist.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 1 «iftzuführungsöffnungen als Schlitze (36) ausgebildet sind.

6. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungsöffnungen als Löcher (40) ausgebildet sind, die eine Winkelanstellung zwischen 18° und 30° aufweisen.

7. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungsöffnungen (42, 44) in zwei in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Gruppen aufgeteilt sind, die eine gegensinnige Drallerzeugung bewirken.