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Flammrohr für Gasturbinentriebwerke Die Erfindung bezieht sich auf
ein Flammrohr für Gasturbinentriebwerke mit veränderbaren Zuströmquerschnitten für
die Primärluft.
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Durch die Änderung der Primärluftquerschnitte soll über den gesamten
Betriebsbereich des Gasturbinentriebwerkes ein guter Ausbrenngrad sowie insbesondere
bei Vollast kleinere Druckverluste und für den Anfahrbereich ein günstiges Zündverhalten
erzielt werden, um die Störanfälligkeit des Betriebes des Gasturbinentriebwerkes
herabzusetzen und das Auftreten von Schadstoffen möglichst klein zu halten. Dies
ist seither nicht zufriedenstellend gelöst worden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Mittel am Flammrohr zu
verwenden, mit deren Hilfe ein einwandfreier Betriebsablauf der Turbine sowie eine
wesentlich bessere Beherrschung des gewünschten Ausbrenngrades und demzufolge die
Bildung geringstmöglicher Schadstoffe gewährleistet sind.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Änderung
der Primärluftquerschnitte ein Wirbelkörper auf dem Dom des Flammrohres vorgesehen
ist, der aus einer eine Einspritzdüse umschließenden Abdeckplatte und aus mehreren
zwischen Abdeckplatte und Dom gelegenen, Primärluftkanäle bildenden Radialleitschaufeln
besteht.
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In vorteilhafter Weise bilden erfindungsgemäß die radial innenliegenden
Enden der Radialleitschaufeln einen Kreis am Rande der Brennkammeröffnung.
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Ein derartiger Wirbelkörper bewirkt bei Eindringen der Primärluft
in die Brennkammer eine Rotation der Verbrennungsluft um die Flammrohrachse, wodurch
ein Ringwirbel mit einem ausgeprägten Rückkehrgebiet, in das der Brennstoff eingespritzt
wird, entsteht. In diesem Rückkehrgebiet findet zunächst eine intensive Vermischung
von Luft und Brennstoff und anschließend eine Verbrennung dieses Gemisches in dem
Rückkehrgebiet statt.
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In bevorzugter Ausführungsform gemäß der Erfindung sind die Radialleitschaufeln
am Rande der Brennkammeröffnung schwenkbar angeordnet, um damit die Durchtrittsfläche
der Primärluft im jeweiligen Lastbereich des Gasturbinentriebwerkes wirksam zu verändern.
Wichtig bei dieser Anordnung ist, daß die Eintrittsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft
annähernd konstant bleibt, was sich auf die Aufenthaltszeit des Gemisches in der
Brennzone günstig auswirkt.
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Zur Änderung der Querschnitte der Primärluftkanäle im Wirbelkörper
wird gemäß der Erfindung weiterhin vorgeschlagen, daß die Abdeckplatte höhenverstellbar
ausgebildet und mit radialen Schlitzen versehen ist, durch die die mit dem Dom fest
verbundenen Rádialleitschaufeln hindurchgeführt sind.
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Außerdem können erfindungsgemäß die Abdeckplatte sowie die Radialleitschaufeln
unbeweglich auf dem Dom des Flammrohres und konzentrisch zur Abdeckplatte ein die
Zuströmquerschnitte verändernder Außen- und Innenring höhenverstellbar angeordnet
sein.
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Da in die Verbrennungszone des Flammrohres Primärluft bzw. Sekundärluft
auch durch eine erste Lochreihe einströmen kann, ist zur weiteren Beeinflussung
der Primärluft gemäß der Erfindung vorgesehen, daß eine -koaxial zum Flammrohr liegende,
die erste Lochreihe mit Abstand abdeckende, axial und in Umfangsrichtung verschiebbare
Verstelleinrichtung angeordnet ist, die vor jedem Loch in Umfangsrichtung Ablenkbleche
zur Richtungs- und Mengen-Hinderung der Sekundärluft aufweist.
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Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen Teil eines Flammrohres mit aufgesetztem Wirbelkörper
und mit Verstelleinrichtung im Schnitt Fig. 2 den Wirbelkörper mit kleinen Zuströmquefschnitten
für die Primärluft nach der Linie II - II in Fig. 1 Fig. 3 den Wirbelkörper mit
großen Zuströmquerschnitten für die Primärluft Fig. 4 den Wirbelkörper mit höhenverstellbarer
Abdeckplatte Fig. 5 den Wirbelkörper mit feststehender Abdeckplatte und zwei miteinander
verbundenen Ringen, die in der Höhe verstellbar sind Fig. 6 eine Ansicht der aus
Ablenkblechen bestehenden Verstelleinrichtung in Richtung des Pfeiles "A" in Fig.
1 Fig. 7 das keilförmig ausgebildete Ende des Ablenkbleches nach der Linie VII -
VII in Fig. 6 und Fig. 8 das keilförmige ausgebildete andere Ende des Ablenkbleches
nach der Linie VIII - VIl1 in Fig. 6.
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In Fig. 1 ist der brennkammerseitige Teil eines Flammrohres 1 für
ein Gasturbinentriebwerk gezeigt, auf dessen Dom 2 ein zentral
liegender
Wirbelkörper 3 mit veränderbaren Zuströmquerschnitten für die Primärluft befestigt
ist.
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Der Wirbelkörper 3 besteht aus einer ortsfesten, kreisrund ausgebildeten
Abdeckplatte 4 und aus mehreren zwischen dieser und dem Dom 2 schwenkbar angeordneten
Radialleitschaufeln 5. Die Schwenkachsen 6 liegen auf einem Kreis 7 am Rande der
Brennkammeröffnung 8 (Fig. 2 und 3), auf die eine von der Abdeckplatte 4 umgebene
Einspritzdüse 9 senkrecht gerichtet ist.
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Beim Einblasen der Primärluft in die Brennkammer strömt diese zunächst
durch die Primärluftkanäle bildenden Radialleitschaufeln 5, die je nach Winkel stellung
mehr oder weniger Primärluft durch die Zuströmquerschnitte in die Brennkammer einlassen.
Die in die Brennkammer eintretende Luft wird in eine Rotation um die Rohrachse gebracht,
wodurch sich ein kingwirbel (der durch Pfeile dargestellt ist) im Rückkehrgebiet
10 bildet, in das Brennstoff eingespritzt wird. Um bei zunehmender Drehzahl eine
Anpassung der Primärluftmenge an den höheren Brennstoffbedarf zu erhalten - die
Bildung schädlicher Verbrennungsprodukte hängt stark von diesem Mischungsverhältnis
ab - werden die Radialleitschaufeln 5 des Wirbelkörpers 3 in Öffnungsrichtung (s.
Pfeil B) gemäß Fig. 2 geschwenkt. In Fig. 3 sind die größten Zuströmquerschnitte
bzw.
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ist die größte Winkelstellung der Radialleitschaufeln 5 gezeigt.
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Der Pfeil C gibt die Schließrichtung an.
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Unmittelbar unterhalb des Rückkehrgebietes 10 in Saugrichtung weist
gemäß Fig. 1 das Flammrohr 1 eine Lochreihe 11 für die Sekundärluft (Strömungsrichtung
durch Pfeile D dargestellt) auf. Um das Verbrennungsluftangebot steuern zu können,
ist eine Verstelleinrichtung 12 koaxial zum Flammrohr 1 in Lochreihenhöhe angeordnet,
die sowohl axial als auch in Umfangsrichtung verstellbar ausgebildet ist und aus
jedes Loch abdeckenden Ablenkblechen
13 besteht (Fig. 6). Die auf
einem Ring 14 befestigten Ablenkbleche 13 sind endseitig keilförmig ausgebildet
(Fig. 7,8).
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Mit der zweiseitigen Verstellbarkeit der Verstelleinrichtung ist eine
vorteilhafte Richtungsänderung sowie Mengenänderung der Sekundärluft möglich. Zum
einen kann ein größerer Anteil der an der Flammrohraußenwand vorbeiströmenden Sekundärluft
in das Flammrohrinnere steuerbar geleitet und zum anderen kann ein Teil der in das
Flammrohr einströmenden Sekundärluft so beeinflußt werden, daß sie teilweise in
die Primärzone, also in das ltüc19-kehrgebiet, gelangt. Wirbelkörper und Verstelleinrichtung
wirken im gesamten Drehzahlbereich des Gasturbinentriebwerkes derart zusammen, daß
ein optimaler Ausbrenngrad und demzufolge geringste Mengen Schadstoffe erzielt werden.
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Anstelle der verstellbaren Radialleitschaufeln 5 zur Änderung der
Zuströmquerschnitte wird gemäß Fig. 4 eine Ausführung vorgeschlagen, bei der die
Radialleitschaufeln 5 fest mit dem Dom 2 verbunden sind, während die mit Schlitzen
für die Radialleitschaufeln 5 versehene Abdeckplatte 4 höhenverstellbar angeordnet
ist, wodurch ebenfalls die Zuströmquerschnitte verändert werden können.
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In Fig. 5 sind der Dom 2, die Radialleitschaufeln 5 und die Abdeckplatte
4 untereinander fest miteinander verbunden. Die Zuströmquerschnitte der Primärluft
sind bei dieser Anordnung durch einen in der Iföhe verstellbaren Außenring 15 und
Innenring 16 veränderbar. Beide Ringe 15, 16 sind z.B. durch Speichen 17 miteinander
verbunden.' Der Innenring 16 ist keilförmig ausgebildet, um eine zu schroffe Ablenkung
der Primärluft in die Brennkammer zu vermeiden.