DE816038C

DE816038C - Combustion chamber arrangement for gas turbines

Info

Publication number: DE816038C
Application number: DEP38697D
Authority: DE
Inventors: Sidney Allen; Morris Amos Stokes
Original assignee: Armstrong Siddeley Motors Ltd
Current assignee: Armstrong Siddeley Motors Ltd
Priority date: 1948-07-31
Filing date: 1949-04-03
Publication date: 1951-10-08
Also published as: CH300385A

Description

Brennkammeranordnung für Gasturbinen Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen für die Durchführung der Verbrennung bei Gasturbinen.Combustion Chamber Assembly for Gas Turbines The invention relates to Arrangements for carrying out combustion in gas turbines.

In einer Form, die im nachstehenden als die erste Form bezeichnet werden soll, wird die Verbrennung in einem Kranz langgestreckter Brennkammern durchgeführt, von denen jede aus einer eigentlichen Feuerkammer besteht, in der die Verbrennung im wesentlichen durchgeführt wird und die von einem Ringraum umgeben ist, durch den kühlende Verdünnungs-oder Mischluft hindurchströmt. Der zugeführte Brennstoff kann zerstäubt oder durch Vorerhitzung verdampft werden.In a form which will hereinafter be referred to as the first form the combustion is carried out in a ring of elongated combustion chambers, each of which consists of an actual fire chamber in which the combustion takes place is essentially carried out and which is surrounded by an annulus the cooling dilution or mixed air flows through it. The fuel supplied can be atomized or vaporized by preheating.

Nach einer anderen Ausführungsweise, die im nachstehenden als die zweite Form bezeichnet werden soll, besteht eine derartige Anlage aus einer Ringkammer, bei welcher die im wesentlichen gleichförmige ringartige Feuerkammer an ihrem inneren und äußeren Umfang durch ringförmige Durchflußquerschnitte für die kühlende Mischluft wärmegeschützt ist.According to a different mode of execution, which is described below than that the second form is to be referred to, such a system consists of an annular chamber, in which the substantially uniform ring-like fire chamber at its interior and outer circumference through annular flow cross-sections for the cooling mixed air is insulated.

Die Erfindung hat sich in erster Linie die Aufgabe gestellt, die Verbrennung in einfacher und wirkungsvoller Weise einzuleiten und insbesondere eine gute Zündung unter allen in Frage kommenden Verhältnissen der Luftströmung durch die Anlage sicherzustellen.The invention has primarily set itself the task of the combustion initiate in a simple and effective manner and in particular a good ignition to ensure the air flow through the system under all relevant conditions.

An anderer Stelle wurde eine Anordnung in Verbindung mit der ersten Form vorgeschlagen, bei welcher wenigstens eine der Feuerkammern mit einer Zerstäubungsvorrichtung für den Brennstoff und einer zugehörigen elektrischen Zündkerze oder sonstigen Zündvorrichtung ausgerüstet ist. Solche Zündvorrichtungen wurden als Fackel- oder Brennerzünder bezeichnet. Dabei wurden alle übrigen Feuerkammern, die eine solche Zündvorrichtung nicht aufweisen, mit einem Brennstoffzerstäuber versehen, der unter verhältnismäßig hohem Druck arbeitet und so angeordnet ist, daß der von ihm zerstäubte Brennstoff in der Kammer durch das brennende Gemisch gezündet wird, das durch seitliche Durchtrittsöffnungen, die sämtliche Feuerkammern miteinander verbinden, von einer benachbarten Kammer, in der die Zündung bereits erfolgt ist, zutritt. Eine solche Anordnung arbeitet unter normalen Anlaßbedingungen mit einem außerordentlich guten Wirkungsgrad; wenn jedoch sehr hohe Luftgeschwindigkeiten mitspielen, beispielsweise wenn ein durch eine solche Anlage angetriebenes Flugzeug Sturzflüge ausführt, können Zündungsschwierigkeiten auftreten.Elsewhere an arrangement was made in conjunction with the first Proposed form in which at least one of the fire chambers with an atomizing device for the fuel and an associated electric spark plug or other Ignition device is equipped. Such ignition devices were called torch or burner igniters designated. Thereby all remaining fire chambers that have such an ignition device do not have, provided with a fuel atomizer that is below proportionately works at high pressure and is arranged so that the fuel it atomizes is ignited in the chamber by the burning mixture, which is passed through lateral openings, which connect all the fire chambers with each other, from an adjacent chamber, in which the ignition has already occurred. Such an arrangement works under normal starting conditions with an extremely good efficiency; if However, very high air velocities play a role, for example when a Such a system-powered aircraft performs nosedive flights, can cause ignition difficulties appear.

Gegenstand der Erfindung ist eine Brennkammeranordnung, bei welcher eine Feuerkammer, in welcher die Verbrennung im wesentlichen bis zum Ende durchgeführt wird, von einem von kühlender :Mischluft durchströmten Ringraum umgeben ist; dieser Raum steht vor der Feuerkammer mit einem abgeschirmten Bereich in Verbindung, in welchem sich die Luft verhältnismäßig in Ruhe befindet und an den zum Anlassen ein Brennstoffhilfszerstäuber angeschlossen ist, der von der Hauptbrennstoffversorgung der Feuerkammer unabhängig ist.The invention relates to a combustion chamber arrangement in which a fire chamber in which the combustion is carried out essentially to the end is surrounded by an annular space through which cooling: mixed air flows; this Space communicates with a screened area in front of the fire chamber which the air is relatively calm and which one to start Auxiliary fuel atomizer is connected to that from the main fuel supply the firebox is independent.

Bei Anlagen der ersten Form besitzt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wenigstens eine der Brennkammern eine dem Hilfsbrennstoffzerstäuber zugeordnete elektrische Zündkerze, der auf diese Weise einen sogenannten Brennerzünder bildet, innerhalb des abgeschirmten Bereichs, während diese abgeschirmten Räume benachbarter Kammern gleichzeitig untereinander durch seitliche Übertritte miteinander verbunden sein können.In the case of systems of the first form, the Invention at least one of the combustion chambers is assigned to the auxiliary fuel atomizer electric spark plug, which in this way forms a so-called burner igniter, within the shielded area, while these shielded rooms are adjacent Chambers connected to one another at the same time by side crossings could be.

Ein Hauptvorteil einer solchen Anordnung ist darin zu erblicken, daß seitliche Verbindungsöffnungen zwischen den eigentlichen Feuerkammern nicht mehr erforderlich sind.A major advantage of such an arrangement is that Lateral connection openings between the actual fire chambers no longer exist required are.

Bei einer Anlage der zweiten Form wird erfindungsgemäß eine Anzahl von Hilfsbrennstoffzerstäubern in Abständen voneinander an den abgeschirmten Raum angeschlossen, der ebenfalls ringförmig ist, und auch dabei wird wenigstens einem der Hilfsbrennstoffzerstäuber eine Zündkerze zugeordnet.In the case of a system of the second form, according to the invention, a number of auxiliary fuel atomizers at a distance from one another to the shielded room connected, which is also ring-shaped, and also at least one the auxiliary fuel atomizer is assigned a spark plug.

Sobald die Zündung erfolgt ist, muß der Zutritt des Brennstoffs zu den Hilfszerstäubern abgeschaltet werden, um ein Ausbrennen des vor der Feuerkammer liegenden Teiles der Brennkammeranordnung zu verhindern. Zu diesem Zweck kann man sich eines Zeitschalters, eines Zentrifugalschalters oder eines auf Temperaturänderung ansprechenden Schalters bedienen.As soon as the ignition has taken place, the fuel must be allowed to enter the auxiliary atomizers are switched off to burn out the front of the fire chamber to prevent lying part of the combustion chamber assembly. For this purpose one can a timer, a centrifugal switch or a temperature change operate the appealing switch.

Die Erfindung ist beispielsweise in der Zeichnung veranschaulicht.The invention is illustrated for example in the drawing.

Fig. i ist die Seitenansicht eines Teils einer Gasturbine mit einer Brennkammeranordnung nach der ersten Form mit sechs Brennkammereinheiten nach der Erfindung; Fig. 2 ist eine Teilansicht in den Hauptumrißlinien der ringförmigen Halteanordnung der Brennkammereinheiten nach der Linie 2-2 in Fig. i ; Fig. 3 ist ein Teilschnitt in vergrößertem Maßstab durch eine Ausführungsform einer Feuerkammer nach der Erfindung im wesentlichen nach der Linie 3-3 in Fig. 2 ; Fig.4 ist ein Querschnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 3 ; Fig. 5 veranschaulicht in noch größerem Maßstab einen Teilschnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 2 ; Fig. 6 zeigt einen schematischen Teilschnitt durch eine ringförmige Feuerkammer nach der zweiten Form, während Fig. 7 ein Schnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 6 ist. Fig. i und 2 zeigen die Umrißlinien eines Ringteils io, der die Austrittsseite des bei ii angedeuteten Verdichters bildet. Das Brennkammersystem besteht aus sechs langgestreckten in einem Kranz um die Achse der Anordnung angeordneten Kammereinheiten 13, 13. Wie Fig. 2 und 3 zeigen, sind alle diese Kammern im wesentlichen untereinander gleich. Jede besitzt ein Außengehäuse 14 und ein die eigentliche Feuerkammer bildendes Innengehäuse, beide von kreisförmigem Querschnitt. Das Innengehäuse ist aus einer Anzahl von Ringen aufgebaut, die unter Belassung radialer Zwischenräume einander überlappen. In den Fig. 3 und 4 sind beispielsweise nur drei solcher Ringe 1s, 16 und 17 gezeigt. Die Brennkammereinheiten geben ihre Gase an die Turbine ab, die bei 12 angedeutet ist.Fig. I is a side view of part of a gas turbine having a combustor arrangement of the first form with six combustor units according to the invention; Fig. 2 is a fragmentary view, in major outline, of the annular support structure of the combustor assemblies taken along line 2-2 in Fig. I; Fig. 3 is a partial section, on an enlarged scale, through an embodiment of a fire chamber according to the invention taken substantially along line 3-3 in Fig. 2; Figure 4 is a cross-sectional view taken on line 4-4 in Figure 3; Fig. 5 illustrates, on an even larger scale, a partial section along the line 5-5 in Fig. 2; FIG. 6 shows a schematic partial section through an annular fire chamber according to the second form, while FIG. 7 is a section along the line 7-7 in FIG. FIGS. I and 2 show the outlines of a ring part io which forms the outlet side of the compressor indicated at ii. The combustion chamber system consists of six elongated chamber units 13, 13 arranged in a ring around the axis of the arrangement. As shown in FIGS. 2 and 3, all of these chambers are essentially identical to one another. Each has an outer housing 14 and an inner housing forming the actual fire chamber, both of circular cross-section. The inner housing is made up of a number of rings which overlap each other leaving radial spaces. In FIGS. 3 and 4, for example, only three such rings 1s, 16 and 17 are shown. The combustion chamber units emit their gases to the turbine, which is indicated at 12.

Jede Feuerkammer ist an ihrer Eintrittsseite durch eine Stoßwand i9 verschlossen, in der sich ein Kranz von vier Löchern zur Aufnahme der Eintrittsöffnungen )-förmiger Rohre 2o befindet. Die Austrittsenden 21 dieser Rohre sind wieder auf die Stoßwand i9 zu gerichtet. Die Luft strömt auf ihrem Wege vom Verdichter ii zur Turbine i2 in Fig. i und 3 von links nach rechts. Die Primärluft für die Verbrennung tritt in die Eintrittsöffnungen der )-förmigen Rohre 2o ein und mischt sich hier mit Brennstoff, der durch Leitungen 22, 22 bei einem verhältnismäßig niedrigen Druck (aufwärts bis zu etwa 0,7 kg/cm2) zugeführt wird.Each fire chamber is closed on its entry side by a shock wall 19, in which there is a ring of four holes for receiving the entry openings) -shaped pipes 2o. The outlet ends 21 of these pipes are directed again towards the impact wall i9. The air flows on its way from the compressor ii to the turbine i2 in FIGS. I and 3 from left to right. The primary air for the combustion enters the inlet openings of the) -shaped tubes 2o and mixes here with fuel, which is supplied through lines 22, 22 at a relatively low pressure (up to about 0.7 kg / cm2).

In der Stoßwand i9 befindet sich ein weiterer Lochkreis zur Aufnahme zylindrischer becherförmiger Teile 24, 24. Jedes dieser Teile besitzt einen Schlitz 25 zur Bildung einer Düse für Sekundärluft, die sich mit dem Gemisch von Brennstoff und Primärluft vermischt, das aus den Austrittsöffnungen 21 der ,l-förmigen Rohre austritt. Auf diese Weise wird die vollständige Durchführung der Verbrennung in der Feuerkammer sichergestellt. Zusätzliche Luft strömt durch die beiden Ringspalte 26, 26 zu, die sich zwischen den Ringteilen 15 und 16 bzw. 16 und 17 und den Distanzstücken 27, 27 bilden. Diese zusätzliche Luft dient ebenfalls der Kühlung der Ringe 16, 17 und ihrem Schutz gegen die Feuergase innerhalb der Feuerkammer.In the shock wall i9 there is another hole circle for receiving cylindrical cup-shaped parts 24, 24. Each of these parts has a slot 25 to form a nozzle for secondary air, which mixes with the mixture of fuel and primary air that emerges from the outlet openings 21 of the, L-shaped pipes exiting. In this way, the complete combustion in the firebox is ensured. Additional air flows in through the two annular gaps 26, 26 which are formed between the ring parts 15 and 16 or 16 and 17 and the spacers 27, 27. This additional air also serves to cool the rings 16, 17 and protect them against the fire gases within the fire chamber.

Misch- und Kühlluft strömt durch den die Feuerkammer umgebenden Ringraum 29 und mischt sich schließlich mit den Brenngasen, die aus dem in Fig. 3 nicht gezeichneten Austrittsende der Feuerkammer austreten.Mixed and cooling air flows through the annulus surrounding the fire chamber 29 and finally mixes with the fuel gases from that not shown in FIG Exit the exit end of the fire chamber.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Gehäuse 31 (Fig. 3 und 5) an das Eintrittsende jeder Feuerkammer innerhalb des Teils io nach vorn angeschlossen. Am Vorderende jedes Gehäuses 31 befindet sich ein nach innen umgebogener Flansch 32, durch den die Primärluft und die Sekundärluft für die Schlitzdüsen 25 sowie die Hauptbrennstoflleitung 33, an die die Einzelleitungen 22 angeschlossen sind, hindurchtreten. Auf diese «'eise wird innerhalb der Gehäuse 31 ein den Flansch 32 umgebender Ringraum 34 gebildet, innerhalb dessen sich die Luft unter allen Betriebsbedingungen in einem verhältnismäßig ruhenden Zustand befindet. Der Raum wird durch ein Armkreuz o. dgl. 35 abgeschlossen, das in seiner Mitte die Leitungen 22 und 33 trägt. Diesem Raum 34 sind der Brennerzünder 36 in Fig. 3 und der Hilfsbrennstoffzerstäuber 39 in Fig. 5 zugeordnet. Der Brennerzünder besteht aus einer Zündkerze, von der ein Teil bei 37 angedeutet ist, und einem Hilfszerstäuber für den Brennstoff, von dem ein Teil bei 38 angedeutet ist. Außerdem sind an diese Räume 34 die seitlichen Verbindungsleitungen 40, 4o angeschlossen, die jede Brennkammereinheit mit ihren beiden benachbarten Einheiten verbinden.In the present embodiment, a casing 31 (Figs. 3 and 5) to the entry end of each fire chamber within part io connected to the front. At the front end of each housing 31 is a after inside bent flange 32 through which the primary air and the secondary air for the slot nozzles 25 and the main fuel line 33 to which the individual lines 22 are connected, pass through. In this way it is within the housing 31 formed an annular space 34 surrounding the flange 32, within which the Air is in a relatively dormant state under all operating conditions. The room is closed by a cross or the like 35, which in its middle the Lines 22 and 33 carries. This space 34 is the burner igniter 36 in Fig. 3 and associated with the auxiliary fuel atomizer 39 in FIG. The burner lighter exists from a spark plug, part of which is indicated at 37, and an auxiliary atomizer for the fuel, part of which is indicated at 38. Also are attached to this Spaces 34 the side connecting lines 40, 4o connected to each combustion chamber unit connect with their two neighboring units.

Sobald beim Starten der Gasturbine mit Hilfe eines Brennerzünders 36 die Zündung bewirkt ist, tritt der größte Teil der brennenden Gasmischung im Ringraum 34 durch das Armkreuz 35 und dann durch die Schlitze 25 für die Sekundärluft in die Feuerkammer und zündet dort die Mischung, die aus den Austrittsöffnungen 21 der J-förmigen Rohre austritt. Gleichzeitig werden diese Rohre erhitzt und dadurch die Verdampfung der Brennstoffteilchen in der die Rohre durchströmenden Mischung gefördert. Ein kleiner Anteil der in dem Raum 34 gezündeten Mischung wird wahrscheinlich auch in die Eintrittsöffnungen der l-förmigen Rohre eintreten, doch ist die Mischung aus Brennstoff und Primärluft in diesen Rohren zu fett, als daß es wahrscheinlich wäre, daß auch schon innerhalb dieser Rohre eine Vorzündung stattfindet. Gleichzeitig tritt ein Teil der im Ringraum 34 gezündeten Mischung durch die seitlichen Verbindungsleitungen 40 zu den Hilfsbrennstoffzerstäubern in den Ringräumen 34 der benachbarten Brennkammereinheiten, zündet den zerstäubten Brennstoff in diesen und so fort.As soon as when starting the gas turbine with the help of a burner igniter 36 the ignition is effected, most of the burning gas mixture occurs in the Annular space 34 through the spider 35 and then through the slots 25 for the secondary air into the fire chamber and ignites the mixture that comes out of the outlet openings 21 of the J-shaped tubes exits. At the same time, these pipes are heated and thereby the evaporation of the fuel particles in the mixture flowing through the pipes promoted. A small portion of the mixture ignited in space 34 becomes likely also enter the inlet openings of the L-shaped tubes, but the mixture is of fuel and primary air in these pipes too rich for it to likely would be that a pre-ignition already takes place within these tubes. Simultaneously some of the mixture ignited in the annular space 34 passes through the lateral connecting lines 40 to the auxiliary fuel atomizers in the annular spaces 34 of the adjacent combustion chamber units, ignites the atomized fuel in these and so on.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung erhalten zweckmäßig zwei sich diametral gegenüberliegende Kammereinheiten Brennerzünder 36. Diese doppelte Anordnung verhindert ein Versagen der Zündung, falls zufällig eine der Zündvorrichtungen versagen sollte. Die übrigen Kammereinheiten, in dem beschriebenen Beispiel vier, besitzen lediglich Hilfsbrennstoffzerstäuber 39.In practicing the invention, two are expediently obtained diametrically opposite chamber units burner igniter 36. This double Arrangement prevents ignition failure if one of the ignition devices happens to be should fail. The remaining chamber units, four in the example described, only have auxiliary fuel atomizers 39.

Die in den Fig.6 und 7 dargestellte ringförmige Feuerkammer besteht in der Hauptsache aus drei Außenringen i5a, 16a und 17a, die sich gegenseitig überlappen und in radialer Richtung mit Hilfe wehförmiger Streifen 26a getrennt sind. In gleicher Weise ist die ringförmige Innenfläche der Feuerkammer aus frei sich überlappenden Ringteilen 15b, i66 und i76 aufgebaut, die in radialer Richtung voneinander mit Hilfe wellförmiger abgesetzter Ringe 26b getrennt gehalten werden. Die Eintrittsöffnungen 2o° der !-förmigen Rohre sind in einer ringförmigen Stoßwand iga gelagert, in der gleichfalls versetzt zu den Austrittsöffnungen 21a der J-förmigen Rohre Schlitzdüsen 24a für die Zuführung von Sekundärluft angeordnet sind. 31a (Fig. 6) ist ein nach vorn gerichtetes Außengehäuse, das einen ringförmigen Bereich 34a abschirmt, in welchem sich die Luft verhältnismäßig in Ruhe befindet und an welchen der Brennerzünder 3611 oder mehrere über den Umfang verteilte Brennerzünder angeschlossen sind.The ring-shaped fire chamber shown in Figures 6 and 7 consists Mainly made up of three outer rings i5a, 16a and 17a which mutually overlap and are separated in the radial direction with the aid of tidal strips 26a. In the same Way, the annular inner surface of the fire chamber is made up of freely overlapping Ring parts 15b, i66 and i76 built, which in the radial direction from each other with With the help of wavy stepped rings 26b are kept separate. The inlets 2o ° of the! -Shaped pipes are supported in an annular abutment wall iga in which also displaced to the outlet openings 21a of the J-shaped tubes slot nozzles 24a are arranged for the supply of secondary air. 31a (Fig. 6) is an after front-facing outer housing shielding an annular region 34a in FIG which the air is relatively at rest and which the burner igniter 3611 or several burner igniters distributed over the circumference are connected.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Combustion chamber system for gas turbines with a fire chamber in which the combustion is carried out essentially completely and which is surrounded by an annular flow cross-section for cooling and mixed air, characterized in that a screened space (34) is provided in front of the fire chamber in which the Air is relatively at rest and with which an auxiliary fuel atomizer is connected for the purpose of starting, which is independent of the main fuel supply of the firebox. z. Combustion chamber arrangement for gas turbines with a number of combustion chamber units designed according to claim i and arranged in the form of a ring, characterized in that at least one of the chamber units has a spark plug (37) associated with the auxiliary atomizing device (38) of the shielded space (34) of this unit and that, furthermore, the shielded rooms (34) of adjacent units are connected to one another by lateral crossings (40). 3. Combustion chamber for gas turbines according to claim i, which is annular and in which an annular fire chamber is surrounded on its inside and outside by annular flow cross-sections for the mixed air, characterized in that a number of spaced apart auxiliary fuel atomizer with the shielded space in connection stands, which is also annular, and that at least one of the auxiliary fuel atomizer is assigned a spark plug. 4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel is fed to the auxiliary fuel atomizers under a relatively high pressure. 5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized by an automatic device for switching off the fuel supply to the auxiliary atomizers as soon as the turbine is started.