DE2245464A1 - Verbrennungseinrichtung, insbesondere fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Dr. Ing. H. !tagend«* 22 A 5464

WpI Ing. H. Heudc - Dipl Phyt. W. Schmitt DIpI. Ing. E. Graalft - DIpI. !~g. W. V.'annmtt

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TeUfcn 5550516

Societe Nationale d»Etude
¹ et de Construction de Moteurs

d'Aviation

150, Boulevard Haussmann Anwaltsakte: M-2321

!75-Paria, France 13. September 1972

ι ·

; Verbrennungseinrichtung, insbesondere für ein

Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem Verbrennungsraum, der von mindestens einer Begrenzungswand mit einer dem Inneren des Verbrennungsraumes zugewandten Innenseite und einer nach außen gerichteten Außenseite begrenzt wird, einer Brennstoffquelle zum Zuführen flüssigen Brennstoffs, einer Luftquelle und mindestens einem Vorverdampfer für den Brennstoff, der ein von der Begrenzungswand in den Verbrennungsraum vorstehendes Hohlgebilde mit einem an der Brennstoff- und Luftquelle angeschlossenen ι Einlaßabschnitt und mindestens einem Auslaßabschnitt aufweist, ,wobei der Aulaßabschnitt in einer gegen die Innenseite der Begrenzungswand gerichteten Auslaßöffnung endet, wobei ferner das Hohlgebilde im Betrieb von einem aus Luft und verdampften Brennstoff bestehenden Gemisch durchströmt wird, das sich bei Austritt aus der Auslaßöffnung entzündet, um einen Gasstrom hoher Temperatur zu bilden, der gegen eine heiße Stauzone der Innenseite der Begrenzungswand gerichtet ist, und wobei die Begrenzungswand

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schließlich auf ihrer Außenseite der Wirkung eines Kühlmittels aus-

!gesetzt ist. ' ■ ' ~ ''■''·■-■·■

Die Verbrennungeeinrichtung läßt sich insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, bei einem Gasturbinentriebwerk wie einem Strahltriebwerk verwenden. '

Die in Frage stehende Begrenzungswand bildet allgemein Teil der "Haube", die den Verbrennungsraum an seinem bezüglich der allgemeinen Strömungsrichtung der Verbrennungsgase stromaufwärtigen Abschnitt begrenzt.

Unter gewissen Betriebsbedingungen befinden sich die Mengen des Brennstoff· und Sauerstoffs, die in dem genannten Gemisch ent-

! I

!halten sind, im wesentlichen im stöchiometrischen Verhältnis, so j daß die Temperatur des Gasstroms, der auf die Innenseite der ;

Begrenzungswand (beispielsweise der Innenseite der "Haube") auf- ί tritt, beträchtliche Werte (beispielsweise in der Größenordnung von 2.000⁰C) annehmen kann, bei denen die Gefahr einer starken

Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit der Anlage besteht.

Ein in dieser Hinsicht besonders empfindlicher Bereich ist, ; wie ohne weiteres einleuchtet, die oben erwähnte heiße Stauzone. ;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den thermischen Schutz ! einer Verbrennungseinrichtung der angegebenen Art zu verbessern, intern die genannte heiße Stauzone durch besondere Mittel wirksam j gekühlt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die -3-

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Begrenzungswand an ihrer Außenseite, zumindest gegenüber der
heißen Stauzone, mit Wärmetauscherrippen versehen ist, die von
dem Kühlmittel umströmt sind. . ;

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran- '< Sprüchen angegeben. . i

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung, näher erläutert. Es zeigen: . i

. ι

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen Teil einer erfin- ·

dungsgemäßen Verbrennungseinrichtung; ,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil der Verbrennungseinrichtung :

in der Blickrichtung des Pfeils II in Fig. 1; ■

Fig. 3 einen Querschnitt längs der.Linie III-III in Fig. 2i

Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V in Fig. 3;

Fig. 6 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht einer etwas anderen

Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine Ansicht in Blickrichtung der Pfeile VII-VII in Fig. 6;

Die Figuren 2,4 und 7 haben einen kleineren Maßstab als die
Fig. 1,3,5 und 6.

In den Figuren ist mit dem Bezugszeichen 1 eine Verbrennungsein- ;

richtung gezeichnet, die beispielsweise Teil eines Gasturbinentriebwerks, insbesondere eines Strahltriebwerks, bildet. ^:

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Die Verbrennungseinrichtung weist eine Ringbrennkammer mit der Achse X'-X auf, die von zwei koaxialen Gehäusen 2a, 2b begrenzt wird. Die beiden Gehäuse bilden gemeinsam einen Ringraum, der j mittels zweier koaxial zu den Gehäusen angeordneter ringförmiger Wände 3a, 3b in drei Ringräume 4, 5, 6 unterteilt ist. Der Ringraua 4 bildet ein Flammrohr bzw. den eigentlichen Verbrennungsraum. Der Verbrennungsraum wird in seinem stromaufwärtigen Abschnitt bezogen auf die allgemeine Strömungsrichtung der Verbrennungsgase : in diesem Raum (Pfeil G in Fig. D- von einer etwa ringförmigen vorderen Begrenzungswand 7 begrenzt, die die hintere Stirnwand dieses Raumes bildet und Teil der sogenannten "Haube" des Ver- ' brennungsraumes ist.

Die Begrenzungswand 7 weist eine in das Innere des Verbrennungs- ; raunies gerichtete Innenseite 7a und eine nach außen gerichtete Außenseite 7b auf. Die Begrenzungswand 7 ist aus mehreren unabhängigen Wandplatten 8 zusammengesetzt (Fig. 2), die jeweils von einem ringförmigen Segment gebildet werden. Die ringförmigen Segmente sind mit einer Hülse 9 verbunden, die eine Bohrung 10 aufweist.

Die "Haube" weist einen ringförmigen Profilabschnitt 11 auf, an ; dem außerhalb des Verbrennungsrauines U eine in Segmente unterteilte Hilfswand 12 befestigt ist, die insbesondere zum Abstützen der vorderen Begrenzungswand 7 (mittels nicht dargestellter Mittel) dient.

Die Hilfswand 12 und die vordere Begrenzungswand 7 begrenzen ge-

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meinsam eine ringförmige HiUskammer 13. In der gleichen Weise 'bilden die Hilfswand 12 und der Profilabschnitt 11 gemeinsam einen¹ .Ringraum I¹+, der über eine Reihe von öffnungen 15 mit einer Luft- , quelle in Verbindung steht .., und zwar mit einem Kanal 16, der !

beispielsweise von einem Verdichter (nicht gezeigt) mit Luft versorgt wird. Die Ringräume 5 und 6 werden ebenfalls über den [Kanal 16 mit Luft versorgt und stehen mit dem Verbrennungsraum 4 j über öffnungen 17a, 17b, 18a, 18b in Verbindung.

[Die Hilfswand 12 ist mit mehreren öffnungen 19 versehen, die •jeweils in der Verlängerung der Bohrungen 10 angeordnet sind, derart,daß Vorverdampfer 20 zum Verdampfen flüssigen Brennstoffs ,eingebaut werden können.

Jeder Vorverdampfer 20 weist ein Hohlgebilde auf, das von der I vorderen Begrenzungswand 7 in den Verbrennungsraum 4 vorsteht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieses Hohlgebilde ! ivon einem etwa T-förmigen Leitungskörper gebildet, der einen 'Rohrkörper 21 aufweist, der sich in zwei Querarme 22, 2 3 verzweigtί

¹ ' i

■ Der Rohrkörper 21 verläuft im wesentlichen parallel zur Brenn- < jkammerachse X'.-X*md er^weist einen Einlaßabschnitt 24 auf, j

durch den er in die Bohrung 10 der Hülse 9 und in eine öffnung 19 der Hilfswand 12 eingesetzt ist. Dieser Einlaßabschnitt 24 ist ' Über eine Leitung 25 mit einer Brennstoffquelle 26 zum* Zuführen J flüssigen Brennstoffs verbunden» Er ist ferner über den Ringraum ; 14 und öffnungen 15 mit der Luftquelle 16 verbunden. Jeder der Querarme 22, 23 weist einen Auslaßabschnitt 27, 28 auf j der in einer gegen die Innenseite 7a der Begrenzungswand 7 gerichteten

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Auslassöffnung 29, 30 endet. Mit dem Bezugszeichen B wurden diejenigen Bereiche der Innenseite bezeichnet, die den Auslaßöffnungert gegenüberliegen.

I ι

Im Betrieb tritt aus der Brennstoffquelle 26 kommender flüssiger
Brennstoff zur gleichen Zeit, zu der Primärluft f. von der Luft- · quelle 16 abgegeben wird, in die Vorverdampfer 20 ein, deren ', iWände auf ihrer Außenseite der Wirkung der Flamme ausgesetzt sind. |

I i

Ueder der Vorverdampfer 20 wird somit von einem Gemisch aus j

Luft und Brennstoff durchströmt, das sich bei Austritt aus den :

[Auslaßöffnungen 29, 30 entzündet, um sich in der Anfangsphase der _|

Verbrennung befindliche Gasstrahlen A (Fig. 1 und 3} zu bilden, '

die gegen die Innenseite 7a der vorderen Begreηzungewand 7 gerichtet sind. !

Die Offnungen 17a, 17b erlauben die Bildung zweier Gruppen von ' im wesentlichen radial und entgegengesetzt gerichteter Sekundärluft-

strahlen fj» die sich im Bereich der Auslaßöffnungen 29, 30
treffen. Ein Teil der Sekundärluftmenge f₂ strömt entgegen der all-

,gemeinen Strömungsrichtung zurück - hierbei unterstützt von den

in der gleichen Richtung strömenden Gasstrahlen A «- derart, daß ■,

im Nachbarbereich der "Haube" eine Wirbelzone zur Stabilisierung
und Aufrechterhaltung der Verbrennung hervorgerufen wird, während
der andere Teil der Sekundärluftmenge unmittelbar stromabwärts in
Richtung des Pfeils G, beispielsweise zu einer Turbine (nicht ge- ' zeigt) strömt.

Berücksichtigt man, daß die Mengen des in dfen Gasstrahlen A ent-

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haltenen Sauerstoffs und Brennstoffs ein Verhältnis in der Nähe de? stöchiometrisehen Verhältnisses annehmen können,, so kann die j

Temperatur dieser Gasstrahlen sehr hohe Werte annehmen, beispiels-i weise in der Größenordnung von 2.000⁰C. Dies hat zur Folge, daß j

¹ . ' j

die vordere Begrenzungswand 7 erheblichen thermischen Spannungen j ausgesetzt ist, und zwar insbesondere in den Bereichen B der

Innenseite 7a der Begrenzungswand, in denen die Gasstrahlen A ■

' I

unmittelbar auf die Begrenzungswand auftreffen und die im folgende^ als "heiße Stauzonen "B* bezeichnet werden. i

Um den thermischen Schutz der Begrenzungswand zu erhöhen und die
Gefahr einer Überhitzung zu verringern, werden erfindungsgemäß
besondere Maßnahmen getroffen, um auf die Begrenzungs^and durch Konvektion und Stauwirkung - eine besonders wirksame Kühlwirkung auszuüben.

Zu diesem Zweck ist die vordere Begrenzungswand 7 auf ihrer ! Außenseite 7b, zumindest gegenüber der heißen Stauzonen B, mit ; Wärmetauscherrippen 31 versehen, die mit einem Kühlmittel zusammeniwirken, Die Wärmetauscherrippen - die beispielsweise in das !

Material eingearbeitet sind (vgl. Fig. 3) - erstrecken sich vor- ! teilhafterweise über die gesamte radiale Höhe der Begrenzungswand j 7 (vgl. Fig. 2 und 5) und stehen.in die Hilfskammer 13 vor. i

Die Hilfskammer 13 ist mit einer Kühlmittelquelle - beispielsweise! der Luftquelle 16 - über Einlasse 32 (Fig. 1 - 5) bzw. 132 j (Fig. 6 und 7) verbunden, die die Hilfswand 12 durchdringen. Die

Durchlässe 32 (132) sind jeweils gegen die Außenseite 7b der

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!vorderen Begrenzungewand 7 gerichtet, und sie stoßen somit jeweils

einen Kuhlmittelstrahl C (beispielsweise einen Luftstrahl) aus, _: ^: i

der gegen einen - mit den Wärmetauscherrippen 31 versehenen - :

Bereich 0 der Außenseite gerichtet ist. Jede der Bereiche D bildet somit eine "kalte Stauzone", und die Anordnung und Dimensionierung der Durchlässe 32 (132) sind so gewählt, daß jede j "kalte Stauzone" D einer "heißen Stauzone" B gegenüber angeordnet list. Wie in Fig. 1 und 5 gezeigt, steht die Hilfskammer 13 mit idem Verbrennungsraum Ί Über Auslaßschlitze 33 in Verbindung. \

Das Ausfuhrungsbeispiel nach den Fig. 1-5 einerseits und das !

Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 andererseits unterschei-J

den sich allein durch die Anzahl und Dimensionierung der Durch- '·, lasse für die Kühlmittel, die einer Stauzone D gegenüber angeord- j net sind: Im einen Fall ist ein einziger Durchlaß 32 großen Quer- '■ schnitte und im anderen Fall sind mehrere Durchlässe 132 kleinen Querschnitts vorgesehen.

Im Betrieb treffen zunächst die Luftstrahlen C (oder Strahlen aus einem anderen Kühlmittel) auf die Stauzonen D auf, die gegenüber Iden Stauzonen B angeordnet sind, auf die die Gasstrahlen A auf- \ treffen. Das Kühlmittel strömt dann an den Wärmetauscherrippen j 31 entlang und tritt durch die Auslaßöffnungen 33 in den Verbrennungsraum ·+ aus. Auf diese Weise wird ein Wärmeaustausch ^: durch Konvektion erzielt, der besonders wirksam ist, da er in den den HeilJgasen am meisten ausgesetzten Stauzonen B, D - , durch einen Staueffekt verdoppelt wird. Die durch das Kühlmittel entnommene Wärmeenergie wird im übrigen wieder in den Vertrcrmiings-

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raum 4 zurückgeführt, und sie ist somit nicht verloren. i

Durch die Erfindung lassen sich somit unter zufriedenstellenden ^; wirtschaftlichen Bedingungen Brennkammern hoher Leistung her- '' stellen, ohne daß hierbei auf spezielle Werkstoffe zurückgegriffen; !werden müßte, die vorher einer kostspieligen Oberflächenbearbeitung zu unterwerfen wären, um sie wideetandsfähiger gegen Über- j hitzungen zu machen. :

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T t \.

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Claims (1)

1. Dr. Ing. H. N»g#ndank

   j Wpl. Ing. H. Hauck - DIdI Fhys. V/. Schmitz

   CHpI. ing. E. Grealfs - DIpI [ng. W. Wehnert

   Societe Nationale d »Etude · Which·· 2, Moiartrtr··· 21

   T*i«fon 5 St HS 16

   et de Construction de Moteurs
   id»Aviation

   150, Boulevard Haussmann Anwaltsakte: M-2 321

   5-Paris, France 13. September 197 2

   ; Patent ans prüche

   fl ./Verbrennungseinrichtung, insbesondere für ein Gasturbinentrieb-! werk, mit einem Verbrennungsraum, der von mindestens einer Begrenzungswand mit einer im Inneren des Verbrennungsraumes züge-] wandten Innenseite und einer nach außen gerichteten Außenseite begrenzt wird, einer Brennstoffquelle zum Zuführen flüssigen Brennstoffs, einer Luftquelle und mindestens einem Vorverdampfer für den Brennstoff, der ein von der Begrenzungswand in den Verbrennungsraum vorstehendes Hohlgebilde mit einem an der Brennstoff- und Luftquelle angeschlossenen Einlaßabschnitt und mindestens einem Auslaßabschnitt aufweist, wobei der Auslaßabschnitt in einer gegen die Innenseite der Begrenzungs- I

   wand gerichteten Auslaßöffnung enuet, wobei ferner das Hohlgebilde im Betrieb von einem aus Luft und verdampfendem Brenn-

   stoff bestehenden Gemisch durchströmt wird, das sich bei Austritt aus der Auslaßöffnung entzündet, um einen Gasstrom hoher ^: Temperatur zu bilden, der gegen eine heiße Stauzone der Innenseite der Begrenzungswand gerichtet ist, und wobei schließlich die Begrenzungswand auf ihrer Außenseite der Wirkung eines _ii_

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   ^ -.ι*- 2245ASA

   Kühlmittels ausgesetzt ist, dadurch" gekennzeichnet, daß die Begrenzungswand (7) an ihrer Außenseite C7b) _% zumindest gegen- ·_; über der heißen Stauzone (B), mit Wärmetauscherrippen (31) ver-! sehen ist, die von dem Kühlmittel umströmt sind* . ■ . ■

   2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1,· dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Verbrennungsraumes (4) eine Hilfswand (12) angeordnet ist, die mit der Begrenzungswand (7) eine Hilfskammer

   i (13)begrenzt, in die die Wärmetauscherrippen (31) vorstehen,

   ^; und daß die Hilfskammer über einen Durchlaß (32£132} mit einer I

   ■ ■ " - - ■ - . ■ - ■ Ί.

   Kühlmittelquelle (16) verbunden ist.

   3. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet>

   daß der Kühlmittel-Durchlaß (32;132) gegen die Außenseite der : Begrenzungswand (7b) gerichtet ist, so daß er einen Kühlmittelstrahl gegen eine kalte Stauzone (D) der Begrenzungswand (7) ausstößt.

   U. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Stauzone (D) gegenüber der heißen Stauzone (B) angeordnet ist.

   I ■ ί

   5. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche^ dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel aus von der Luft- ! quelle (16) abgegebener Luft besteht.

   6. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprücne 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskammer (13) mit dem

   Verbrennungsraum (4) durch Kühlmittel-Auslaßschlitze bzw. , öffnungen (33) verbunden ist.

   7. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche^ dadurch gekennzeichnet, daß die BegrenzungsWand (7) Teil der ! Haube (11) bildet, die den Verbrennungsraum (H) an seinem
   -bezüglich der allgemeinen Strömungsrichtung der Verbrennungs-

   ^! gase - stromaufwärtigen Abschnitt begrenzt. ;