Verbrennungseinrichtung in Gasturbinenanlage. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Verbrennungseinrichtung in einer Gasturbinenanlage, in welcher beim Betrieb ein heisser Gasstrom hoher Geschwindigkeit durch Verbrennen von Brennstoff im Gas strom weiter erhitzt wird.
Es ist bekannt, in Gasturbinenanlagen, besonders wenn sie als Flugzeugtriebwerk ausgebildet sind, in den Abgasen der Turbine der Anlage Brennstoff zu verbrennen, zum Beispiel um den durch die Abgase beim Aus strömen aus der Anlage durch eine Schubdüse erzeugten Schub zu erhöhen. Ferner ist es bekannt, das Arbeitsmedium gewisser indu strieller oder Schiffsantriebszwecken dienen der Gasturbinenanlagen zwischen einzelnen Stufen der Turbine der Anlage wieder aufzu heizen, zu welchem Zweck ebenfalls eine Ver brennungseinrichtung vorgesehen sein muss, in welcher im raschströmenden Gasstrom zwi schen den genannten Turbinenstufen Brenn stoff verbrannt werden kann.
In Verbrennungseinrichtungen der ge nannten Art müssen die Druckverluste nicht nur während des Betriebes der Einrichtung, das heisst, wenn darin Brennstoff verbrannt wird, so klein wie möglich sein, sondern auch wenn die Einrichtung ausser Betrieb ist. Der Druckverlust in der ausser Betrieb befind lichen Einrichtung sollte klein sein, um den Wirkungsgradabfall der ganzen Anlage bei ausser Betrieb befindlicher Verbrennungsein- rielrtung so gering wie möglich zu machen.
Handelt es sich bei der Gasturbinenanlage um ein Flugzeugtriebwerk, so ist die als Nach verbrennungseinrichtung bezeichnete Ein richtung stets nur kurzzeitig in Betrieb, da der zusätzlich durch sie erzeugte Schub nor malerweise nur im Notfall gebraucht wird.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Verbrennungseinrichtung der genannten Art mit möglichst geringem Druckverlust bei ab gestellter Nachverbrennung zu schaffen, und in welcher eine stabile Verbrennung im rasch- ström.enden Gasstrom leichter aufrechtzuer halten ist, als dies bisher möglich war.
Es ist bekannt, zur Erzielung einer stabilen Verbrennung Stabilisierungselemente in die den Heissgasstrom führende Leitung einzu bauen, und die Stabilität der Verbrennung wird normalerweise um so grösser, je grösser die quer im Gasstrom stehende Fläche dieser Elemente ist. Eine Vergrösserung dieser Fläche bringt aber normalerweise auch eine Vergrösserung des Druckverlustes bei abge stellter Verbrennung. Somit war man bisher gezwungen, Stauelemente zu verwenden, deren Wirkungsfläche zwar nicht den kleinst möglichen Druckverlust, aber auch nicht die grösstmögliche Stabilität der Verbrennung ergab.
Die erfindungsgemässe Verbrennungsein richtung besitzt eine Flammenstabilisierungs- vorrichtung mit Mitteln zur Einführung von Gasstrahlen in den Gasstrom quer zur Strö mungsrichtung des letzteren, um stromab- wärts der Gaseinführstelle im Gasstrom eine Turbulenzzone zu schaffen, die zur Aufrecht erhaltung der Verbrennung von stromauf wärts der Gaseinführstelle dem Gasstrom zu geführten Brennstoffes beiträgt.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen standes dargestellt; es zeigen: Fig.1 schematisch eine Gasturbinenanlage mit einer erfindungsgemässen Verbrennungs einrichtung, Fig. 2 in grösserem Massstab einen Teil der Verbrennungseinriehtung aus Fig. 1, Fig.3 schaubildlieh eine Einzelheit der Einrichtung gemäss Fig. 2, Fig. 4 eine Detailvariante der Einrichtung gemäss den Fig. 2 und 3, Fig. 5 schaubildlich eine Einzelheit der in Fig. 4 gezeigten Variante, Fig. 6 ein weiteres Beispiel der erfin dungsgemässen Verbrennungseinrichtung, und Fig. 7 ein drittes Beispiel der erfindungs gemässen Verbrennungseinrichtung.
Die in Fig. 1 gezeigte Anlage ist eine Gas turbinenanlage für Rüekstossantrieb, welche mit einer Nachverbrennungseinrichtung zur Wiederaufheizung der vom Turbinensystem einer Schubdüse zuströmenden Abgase ver sehen ist. Die Nachverbrennungseinrichtung dient zur Erhöhung des Antriebselubes der Anlage.
Die Anlage besitzt einen Kompressor 10 zur Förderung komprimierter Luft in eine Hauptv erbrennungseinrichtung 11, aus w el- cher die Verbrennungsprodukte durch eine Turbine 12 strömen, die dem Antrieb des Kompressors 10 dient. Die Turbinenabgase durchströmen eine Abgasleitung, die durch eine äussere Wand 13 und eine innere Konus wand 14 begrenzt ist, zwischen welchen ein Ringkanal gebildet ist, der in ein Strahlrohr 15 mündet. Im letzteren ist eine Nachverbren nungseinrichtung 17 angeordnet, und am Auslassende des Strahlrolres ist eine Schub düse 16 vorgesehen. Wie dies bei Gasturbinen anlagen mit Nachverbrennungseinrichtung üblich ist, besitzt die Schubdüse 16 veränder baren Auslassquerschnitt.
Das Strahlrohr 15 besitzt kreisförmigen Querschnitt und ist an der Einbaustelle der Nachverbrennungseinrichtung lokal erweitert.
Die gezeichnete Nachverbrennungseinrich tung 17 besitzt Brennstoffzuführmittel übli- eher Bauart, die eine Mehrzahl von Haupt brennstoffzufuhrrohren 18 aufweisen, welche radial von einer Nabe 19 wegragen. Letztere ist zentral im Innern des Strahlrohres 15 an geordnet und auf diametral verlaufenden Rohren 20, 21 abgestützt. Das Rohr 20 dient der Brennstoffzufuhr zur Bohrung 22 der Hohlnabe 19, die mit den innern Enden der Rohre 18 verbunden ist. Das Rohr 21 dient der Brennstoffzufuhr zu einer Bohrung 23, die in eine Hilfsbrennstoffzufuhrvorrichtung 24 mündet, welche stromabwärts der Rohre 18 zentral im Innern des Strahlrohres 15 an geordnet ist.
Die Vorriehtung 24 dient der Zufuhr von Brennstoff in ein annähernd konisches Stauelement 25, in welchem eine Brennstoffzündvorrichtung 26, zum Beispiel eine elektrische Funkenstrecke, vorgesehen ist. Die Vorrichtung 24 dient zusammen mit dem konischen Stauelement 25 zur Erzeugung einer stabilen Zündflamme, welche das Ent zünden des den Rohren 18 entströmenden Hauptbrennstoffes erleichtert und die Ver brennung dieses Brennstoffes aufrechterhält. Stromaufwärts der Rohre 18 ist eine weitere Brennstoffdüse 27 vorgesehen, welche eben falls aus der Bohrung 23 gespeist wird, wobei die an dieser Düse erzeugte Flamme ebenfalls zur Gewährleistung der Entzündung des aus den Rohren 18 austretenden Brennstoffes beiträgt.
Stromabwärts der Brennstoffzuführmittel sind Mittel zur Stabilisierung der Verbren- nung des durch die Rohre 18 dein Si ralilrolir 1.5 zugeführten Brennstoffes vorgesehen. Diese Stabilisierungsmittel. besitzen einen oder ineli- rere Ringe 28, die an der Wand des Strahl rohres 15 mittels Streben 29 abgestützt und in zur Stralilroilraelise senkreeliten Ebenen gehalten sind.
Der mittlere Durchmesser der Stabilisierungsringe 28 ist annähernd gleich dem Durchmesser, auf welchem. die Öffnun gen 18a der Rohre 18 liegen, durch welche Brennstoff in das Strahlrohr 16 austreten kann. So ist zum Beispiel gemäss Fig.2 der Durchmesser des einen der beiden Ringe 28 etwas kleiner als der Durchmesser des Kreises, ruf dem die Öffnungen 18a liegen, während der Durchmesser des andern Ringes 28 etwas grösser als dieser Kreisdurchmesser ist. Beim Betrieb der Einrichtung sind stromabwärts der Ringe 28 im Gasstrom Turbulenzzonen uebildet, welche zur Aufrechterhaltung der Verbrennung im Strahlrohr 15 beitragen.
Die radiale Dicke der Ringe 28 ist dabei kleiner, als dies zur Erzielung einer stabilen Verbren nung erforderlich wäre; zur Vergrösserung der Wirkungsfläche dieser Ringe sind die folgenden Mittel vorgesehen: Die Ringe 28 sind als Rohre ausgebildet mit zwei Wänden 28a, 28b, welche in Strö mungsrichtung der Abgase auseiandrlaufen, ard einer ebenen stromabwärtsliegenden Ab- sehlusswand 28e. Das Innere der Ringe 28 ist durch eine oder mehrere der hohlen Streben 29 mit einem Druckluftzuführrohr 30 ver bunden, aus welchem Druckluft durch die Streben 29 in die rohrförmigen Ringe 28 strömen kann.
In der Nähe der Verbindungs stelle der Wand 28e mit den beiden Wänden 28a, 28b sind in den Ringen mehrere Schlitze 31 vorgesehen, die sich in Umfangsrichtung des Ringes erstrecken und der dem Ring zu geführten Druckluft als Auslass dienen.
Der Druck der genannten Druekluft ist so gewählt, dass die aus den Schlitzen 31 aus tretende Luft annähernd Schallgeschwindig- leit besitzt. Da die Schlitze 31 nur durch schmale Stege 28d voneinander getrennt sind, bilden die aus den Schlitzen austretenden Luftstrahlen eine annähernd geschlossene Fläche. Diese scheibenförmigen Luftstrahlen bewirken dabei eine Vergrösserung der wirk samen Fläche der Stabilisierungsringe, da sie euer zur Strahlrohrachse in den Gasstrom austreten, und somit auch eine Vergrösserung der Turbulenzzone, was eine Verbesserung der Stabilität der Verbrennung bewirkt.
Die Luftzufuhr zum Rohr 30 kann in be liebiger Art erfolgen; zum Beispiel kann wie in Fig. 1 gezeigt das Rohr 30 an den Kom- pressor auslass angeschlossen sein, wobei im Rohr 30 ein Ventil 32 vorgesehen ist zur Steuerung der Zufuhr komprimierter Luft zu den Ringen 28.
Im Betrieb der Anlage ist das Ventil 32 nur offen, wenn auch die Nachverbrennungs einrichtung in Betrieb ist, das heisst, wenn durch die Brennstoffzufuhrmittel 18, 24, 27 dem Strahlrohr 15 Brennstoff zugeführt wird. Wird diese Brennstoffzufuhr unterbrochen, wird auch die Luftzufuhr zu den Ringen 28 abgestellt. Auf diese Weise kann der Druck verlust im Strahlrohr, wenn keine Nachver brennung stattfindet, kleiner gehalten werden, als wenn die Ringe 28 selbst so dick ausge bildet würden, dass eine Stabilisierung der Verbrennung gewährleistet würde.
In den Fig. 4 und 5 ist eine weitere Aus- Führung der Flammenstabilisierungsmittel dargestellt, in welcher die Ringe 28 an ihren Wänden 28a, 28b mit Schlitzen 33 versehen sind, die unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung der Abgase im Strahlrohr 15 geneigt sind. Zufolge der genannten Aus bildung der Ringe 28 werden im Betrieb eine Mehrzahl von Luftstrahlen gebildet, die zu sammen einen annähernd scheibenförmigen Luftstrahl bilden.
Beim Beispiel gemäss Fig. 6 sind die Brennstoffzuführmittel und die Stabilisie rungsmittel der Einrichtung am verjüngten Ende der konischen Innenwand 14 der Ab gasleitung angeordnet: Die Brennstoffzuführmittel besitzen eine Ililfsbrennstoffdüse 31 am verjüngten Ende der konischen Wand 14, welche Düse von einem, zylindrischen Schirm.
35 umgeben ist, sowie eine Mehrzahl von mit Öffnungen ver sehenen Hauptbrennstoffzuführrohren 36, die radial von der konischen Wand 14 ummittel bar stromaufwärts des Schirmes 3<B>,</B>5 wegrageri. Die Hilfsbrennstoffdüse 34 wird aus einer Speiseleitung 37 gespeist, während den Roh= ren 30 Brennstoff aus einer Speiseleitung 38 zugeführt wird. Innerhalb des Schirmteils 35 ist. eine elektrische Zündvorrichtung 39 an geordnet zum Entzünden von der Düse 34 entströmendem Brennstoff.
Die Stabilisierungsmittel dieser Ausfüh rung besitzen eine Mehrzahl im Querschnitt halbkreisförmiger Ringe 40, die von axial sich erstreckenden Stützen 41 getragen sind, wel che am verjüngten Endteil der konischen Wand 14 befestigt sind. Die Ringe 40 besitzen einen bedeutend kleineren Durchmesser als die Kreise, auf welchen die Brennstoffauslass öffnungen 36a der Rohre 36 liegen. Ferner besitzen die Stabilisierungsmittel Organe zur Erzeugung einer Mehrzahl von quer zur Strö mungsrichtung der Abgase in der Abgasein richtung 13, 14 gerichteten Luftstrahlen. Diese Organe weisen eine Kammer 42 auf, welche innerhalb der konischen Wand 14 durch eine Wand 43 begrenzt ist und die aus einer Leitung 44 mit Druckluft gespeist wer den kann.
Zweckmässig ist letztere analog der Leitung 30 des Beispiels gemäss den Fig.2 und 3 an den Kompressorauslass angeschlos sen. In der Wand 14 ist ein Kranz von Öffnungen vorgesehen, und zwar unmittelbar stromaufwärts des Schirmes 35, welche Öff nungen in die Kammer 42 münden. Der Druck der der Kammer 42 zugeführten Luft ist so gewählt, dass die durch diese Öffnungen austretende Luft ännähernd Schallgeschwin digkeit erreicht, um eine Turbulenzzone zu schaffen, die zur Stabilisierung der Verbren nung beiträgt. Wie beim Beispiel gemäss den Fig.2 und 3 erfolgt die Luftzufuhr zur Kammer 42 nur, wenn die Nachverbrennungs einrichtung im Betrieb ist, das heisst, wenn in der Abgasleitung 13, 14 und im Strahlrohr 15 Brennstoff verbrannt wird.
Bei jedem der vorangehend beschriebenen. Beispiele kann die den Stabilisierungsmitteln zugeführte Luft vorgewärmt werden, wobei jedoch zu erwähnen ist, dass, wenn diese Luft wie beschrieben vom Kompressor geliefert wird, sie durch die Kompression bereits er wärmt wurde. Es können aber auch zusätz liche Luftheizungsmittel vorgesehen sein. So kann zum Beispiel ein Wärmeaustausch zwi schen der Luft und den heissen Gasen in der Hauptverbrennungseinrichtung 11 oder zwi schen der Luft und den Abgasen im Strahl rohr vorgesehen sein, indem die Luft zum Beispiel durch einen in der Einrichtung 17 oder im Strahlrohr 15 angeordneten, ein fachen Röhrenwärmeaustauscher geleitet wird. Anderseits oder zusätzlich kann zur Erwär mung der Luft in dieser auch Brennstoff verbrannt werden, bevor sie den Stabilisie rungsmitteln zugeführt wird.
In Fig.7 ist eine Nachverbrennungsein- richtung ähnlich der in Fig. 12 gezeigten dar gestellt mit dem Unterschied, dass hier die Stabilisierungsmittel mit. den Mitteln zur Er zeugung der Hilfsflamme kombiniert sind.
Bei diesem Beispiel ist. das konische Stau element 25 an seinem stromabwärts liegenden Ende durch eine Platte 4'6 abgeschlossen, wobei in der so gebildeten Kammer ein Flammrohr 47 angeordnet ist, in welchem Brennstoff aus der Hilfsbrennstoffdüse 24 verbrannt wird. Dem Innern des konischen Stauelementes 25 wird dabei durch eine Lei tung 48 Luft zugeführt, die an das verjüngte Ende des Elementes angeschlossen ist. Der Auslass der im Element 25 gebildeten Kammer wird durch eine :Mehrzahl von in Umfangs richtung mit Abstand voneinander angeord neten Schlitzen 49 gebildet, die so angeordnet.
sind, dass durch diese Schlitze Heissgase quer zur Strömungsrichtung der Abgase im Strahl rohr 15 ausströmen und so die zur Stabilisie rung der Verbrennung erwünschte Stauwir kung ausüben. Wie bei den vorangehend be schriebenen Beispielen wird der Kammer im Stauelement 25 nur dann komprimierte Luft zugeführt, wenn die Naehverbrennungsein- richtung in Betrieb ist, während bei ausser Betrieb befindlicher Einrichtung die genannte Stauwirkung nicht vorhanden ist und somit der Druekverlust gegenüber Einrichtungen mit rein mechanischen Stabilisierungsmitteln klein gehalten werden kann.