DE2452178C3 - Brennkammer für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs.

Bei Brennkammern für Gasturbinentriebwerke vorgesehene Brennstoffeinspritz- und Aufbereitungssysteme, bei denen der Brennstoff mittels Brennstoffeinspritzdüsen direkt oder über Verdampferrohrkörper in die Primärzone der Brennkammer eingebracht werden soll, führen in der Regel zu verhältnismäßig lang bauenden Brennkammern, um eine gleichförmige Verbrennung mit einem gleichförmigen Temperaturprofil am Brennkammeraustritt zu erzielen; um im Interesse der Schaffung einer möglichst kurz bauenden Brennkammer eine gleichmäßige Verbrennung schon in der Primärzone zu erzwingen, sind verhältnismäßig stark ausgeprägte Primärzonenwirb 1 von Brennstoff- und Luftanteilen erforderlich, die zu er

höhten Druck- und damit Leistungsverlusten führen.

Die Erfindung geht von einer bekannten Brennkammer für Gasturbinentriebwerke nach der DE-PS 853535 gemäß eingangs genannter Art aus.

Im vorliegenden bekannten Fall soll auch schon eine sogenannte »Vorverdampfung« des der Brennkammer zuzuführenden Brennstoffs gewährleistet werden können, wobei dem verdampfenden Brennstoff Verbrennungsluft beigemischt und somit ein gasförmig aufbereitetes Brennstoff-Luftgemisch für den Verbrennungsprozeß bereitgestellt werden soll.

Hierzu weist die bekannte Brennkammer eine stromaufwärtig in das Flammrohr eingebaute sogenannte »Verdampferhülse« auf, deren Kontur genau derjenigen der Flammrohrkopfpartie entspricht, wobei zwischen Hülse und Flammrohr der gegen die in die Brennkammer einströmende Verdichterluft geöffnete Verdampferringkanal gebildet sein soll.

Dieser Verdampferringkanal weist einen über die gesamte Länge der Verdampferhülse gleichförmigen Durchströmquerschnitt auf und ist weiter mittels entlang der gesamten Hülse sich erstreckender Leitbleche in einzelne umfangsseitig gleichförmig beabstandete Sektoren aufgeteilt, wobei in jeden dieser Sektoren eine gesonderte Brennstoffdüse hineinragt.

Über eine am Ende des Verdampferringraums angeordnete ringförmige Mischkammer soll im vorliegenden bekannten Fall das Brennstoff-Luftgemisch mittels öffnungen am Hülsenende schräg gegen die Hauptströmung dem Brennraum zugeführt werden.

Darüber hinaus weist die bekannte Brennkammer eine das vordere Ende der Verdampferhülse achsmittig begrenzende, durchlöcherte Platte auf, welche hier offensichtlich zur Entstehung etwaiger Primärzonenwirbel entscheidend beitragen soll.

Insbesondere im Hinblick auf die vorgesehene Vielzahl von Einzeldüsen dürfte das bei der bekannten Brennkammer nach der DE-PS 853 535 vorgesehene Verdampfungs- und Verbrennungsprinzip sowie der Kammeraufbau selbst den in der Praxis gegebenen Anforderungen aus folgenden Gesichtspunkten kaum hinreichend genügen können:

Bei kleinen Brennstoffmengen und kalter Brennkammer (Startfall) ist ein gleichmäßiges Füllen aller Einspritzdüsen kaum oder gar nicht möglich. Durch die fehlende Wärmedehnung der Verdampferhülse, die innerhalb des Flammrohrs angeordnet ist, kann eine eindeutige Abschottung durch Trennwände in Ringraumsektoren nicht gegeben sein; hieraus kann eine unkontrollierte Brennstoffansammlung auf Grund der Schwerkraft im unteren Flammrohrbereich resultieren. Die Folgen wären u. a. eine schlechte Zündung, eine einseitige Verbrennung und Überhitzung des Flammrohrs und der Turbine.

Bei großen Brennstoffmengen, d. h. hohen Einspritzdrücken ist eine gleichmäßige Benetzung mit Brennstoff in den einzelnen Sektoren nicht gewährleistet, da die hohe Geschwindigkeit der großen Tropfen des jeweiligen Brennstoffstrahls sowohl eine Vermischung mit der gleichsinnig strömenden Luft als auch die notwendige Verdampfungszeit nicht oder in nur äußerst unzureichender Weise gewährleisten dürfte.

Im Hinblick auf einen optimalen Verdampfungsprozeß ist aber gerade die Verweilzeit des Brennstoffs ein wesentlicher und im vorliegenden bekannten Fall offensichtlich nicht berücksichtigter Faktor.

Ferner hat sich in der Praxis gezeigt, daß Mehrdüsensysteme im Sinne des vorliegenden bekannten

Brennkammerfalles wegen zu großer zu verarbeitender Brennstoff mindestmengen oder wegen zu geringer Einspritzdrücke zur Abdeckung der üblicherweise verlangten verhältnismäßig weiten FurJctionsbreiten von Gasturbinentriebwerken, z. B. für Flugzeuge, nicht geeignet sind.

Der im bekannten Fall vorgesehene »Wandverdampfer« in Form einer »inneren Hülse«, und zwar innerhalb des Flammrohrs, kann als eine konstruktive Einheit in der beschriebenen Form keine Wärmedehnungen aufnehmen, so daß in der Praxis Deformationen bzw. Zerstörungen des Flammrohrs brw. der Brennkammer zu erwarten sein dürften.

Das Kühlungsprinzip der in das Rammrohr eingesetzten Hülse wird im wesentlichen durch die Brennstoffverdampfung dargestellt, d. h. Lastwechsel wie z. B. Schnellverzögerung (kleinste Brennstoffmengen in kürzester Zeit) können zu örtlichen Überhitzungen und in der weiteren Folge zum Durchbrennen der eingesetzten Hülse führen.

Die im bekannten Fall weiter vorgesehene stete Geschwindigkeitsabnahme des brennbaren Gemisches im Verdampferringkanal bis in den »Mischraum« kann bei Brennstoffverringerung zur Selbstzündung, d. h. zum Erlöschen und auch zur Zerstörung der Brennkammer führen.

Ferner kann die hierbei am Ende des Verdampferringkanals angeordnete ringförmige Mischkammer zu Wirbel- bzw. sogenannten »Totwassergebieten« der Strömung, und damit zur Gefahr von Selbstzündungen führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine Brennkammer der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß insbesondere sowohl bei relativkleinen als auch bei relativ großen zu verarbeitenden Brennstoffmengen eine optimale gasförmige Aufbereitung des dem Brennraum zuzuführenden Brennstoff-Luftgemisches für eine gleichförmige, räumlich kurze Verbrennung möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in der Kombination folgender Merkmale:

a) Die Flammrohrrückwand der Brennkammer hat die Form eines sich in Richtung der Hauptströmung erweiternden Kegelstumpfes, wobei der Abspritzkegel einer stromaufwärtig der geschlossenen Flammrohrrückwand angeordneten Brennstoffzerstäuberdüse rotationssymmetrisch entlang der Kegelmantelfläche der Rückwand verläuft;

b) der hülsenförmige Körper ist dem Flammrohr stromaufwärtig in der Weise zugeordnet, daß er die Brennstoffzerstäuberdüse, die Flammrohrrückwand sowie einen unmittelbar daran anschließenden, mit Zuströmöffnungen versehenen Abschnitt des Flammrohrs ummantelt und hierbei einen entlang der Kegelmantelfläche der Flammrohrrückwand sich zunehmend verjüngenden Verdampferringkanal bildtt;

c) der hülsenförmige Körper schirmt mit seinem t stromabwärtig radial gegen das Flammrohr abgebogenen Ende die Zuslrömöffnungen etwa zur Hälfte gegenüber der im Ringraum zwischem dem Flammrohr und dem Außengehäuse enthaltenen Mischluftströmung ab. t

Hierdurch wird eine ungestörte, räumlich optimal genutzte Verdampfungsoberfläche gebildet und ferner die im Hinblick auf hohe Einspritzdrücke für einen einwandfreien Verdampfungsprozeß gleichförmige Benetzung der Kegelmantelfläche der Flammrohrrückwand gewährleistet.

Auch bei kleinsten Brennstoffeinspritzmengen werden keine unkontrollierten Brennstoffansammlungen im stromaufwärtigen Flammrohrbereich zu erwarten sein.

Fernerhin soll die für einen einwandfreien Verdampfungsprozeß erforderliche Verweilzeit des Brennstoffs gewährleistet werden können.

Im Zusammenwirken mit dem außerhalb des Flammrohrs angeordneten bzw. außen die Flammrohrrückwand ummantelnden hülsenförmigen Körper in Verbindung mit der Strömungsführung im Verdampfungsringkanal wird weiter erreicht, daß auch bei relativ kleinen zu verarbeitenden Brennstoffmengen nicht die Gefahr etwaiger Selbstzündungen im Verdampferringkanal besteht, die zum Erlöschen der Brennkammer, wie auch zu deren Zerstörung führen > können.

Insbesondere für eine gleichförmige, räumlich kurze Verbrennung ist weiter die Ausbildung und Anordnung des stromabwärtig radial gegen das Flammrohr abgebogenen Endes des hülsenförmigen Körpers vorteilhaft in Verbindung mit der Lage der Zuströmöffnungen des Flammrohrs.

Hierdurch wird zum einen das gasförmige Brennstoff-Luftgemisch strömungsgünstig sowie radial gegen die Brennkammermitte hin abgelenkt, wo die über die Zuströmöffnungen zugeführten gegeneinander gerichteten Gemisch-Strahlen aufeinanderprallen und in Richtung der Flammrohrrückwand rezirkulieren.

Nicht nur herstellungsseitig, sondern auch strömungstechnisch günstig soll sich hierbei weiter die unmittelbar vor dem Hülsenende oberhalb der Durchströmöffnungen gegebene Aufteilung des Strömungsverlaufs in den gasförmigen Brennstoff-Luftgemischanteil und in den Zumischluftanteil auswirken.

Die mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit zugeführte Zumischluft soll stromab des abgekröpften Hülsenendes die Entstehung etwaiger Turbulenzwirbel verhindern, sie soll weiter eine klar definierte Aufteilung der Strömungsverhältnisse gewährleisten, d. h. u. a. auch die örtlich gezielte Eindämmung der Primärzonenwirbel hauptsächlich in den von der Flammrohrrückwand umschlossenen Bereich unterstützen und zugleich die gewünschte Vergleichsmäßigung des Temperaturprofils über den gesamten Flammrohrquerschnitt erzielen lassen.

Abgesehen von dem strömungs- und verbrennungstechnischen Gesichtspunkten bietet der hülsenförmige Körper den Vorteil, daß insbesondere aus wechselnden Kammerbelastungen resultierende Temperatur- und damit Wärmedehnungen weitestgehend unabhängig gegenüber dem Flammrohr kompensiert werden können.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Mittellängsschnitts einer Brennkammer beispielhaft erläutert.

Die dargestellte Brennkammer besteht aus einem Außengehäuse 1 mit einem achsmittig darin angeordneten Flammrohr 2, verbunden mit einem hülsenförmipen Körper 3, in welchen stromaufwärtig eine Brennstoffzerstäuberdüse 4 zentral hineinragt. Die Brennkammer wird in Pfeilrichtung A mit Verdichterluft eines in der Zeichnung nicht weiter dargestellten Gasturbinentriebwerks beaufschlagt. Die züge-

führte Verdichterluft teilt sich auf in Verbrennungsluft (Pfeile ß), zugeführt über den hülsenförmigen Körper 3 und in Mischluft (Pfeile C), innerhalb des zwischen Außengehäuse 1 und Flammrohr 2 gebildeten Sekundärkanals 5.

Der aus der Brennstoffzerstäuberdüse 4 austretende Abspi itzkegel 6 benetzt die kegelförmige Flammrohrrückwand 7 außen gleichmäßig über deren gesamten Umfang, bzw. der Brennstoffabspritzkegel 6 verläuft rotationssymmetrisch entlang der Kegelmantelfläche der Rückwand.

Da die Verbrennung - durch die radiale Einbringung des Brennstoff-Luftgemisches - hauptsächlich innerhalb des von der Flammrohrrückwand 7 umschlossenen Bereichs, bzw. im Brennkammerkopf stattfinden soll, dürfte in der Praxis mit einer Wandtemperatur an der Flammrohrrückwand von 900° C und darüber zu rechnen sein. Die große Kegeloberfläche der Flammrohrrückwand 7 und die relativ hohe Wandtemperatur führen somit zu einer optimalen Verdampfung des Brennstoffs. Gleichzeitig bewirkt die Verdampfung des Brennstoffes eine Kühlung der FlammrohiTÜckwand 7.

Die stromaufwärtig der geschlossenen Flammrohrrückwand 7 des Flammrohrs 2 angeordnete Brennstoffzerstäuberdüse 4 ermöglicht es, daß kleinste Brennstoffmengen (Brennstoffdrücke <1 atü) noch gleichmäßig am Umfang über die hier jeweils zur Hälfte vom hülsenförmigen Körper 3 gegenüber dem Sekundärkanal 5 abgeschirmten Zuströmöffnungen 8 in den Seitenwandungen des Flammrohrs 2 der Brennzone zugeführt werden können. Bereits vor dem Eintritt in das Flammrohr 2 vermischt sich also der gasförmige Brennstoff intensiv mit der über den hülsenförmigen Körper 3 zugeführten Primärluft (Pfeile B) und führt so zu einer räumlich kurzen, gleichförmigen Verbrennung eines homogenen Gemisches von Gasen, das besonders schadstoffarme Abgase liefert.

Die relativ hohe Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches beim Einströmen in die Verbrennungszone sowie der Aufbau und die Zuordnung des hülsenförmigen Körpers 3 in Verbindung mit der strömungsgünstigen Gemischführung im Verdampferringkanal verhindern u. a. ein Entzünden des Gasgemisches außerhalb des Brennraums.

Die aus dem gasförmigen Brennstoff-Luftgemisch bestehenden Primärzonenwirbel sind durch die Pfeile P gekennzeichnet und entstehen im wesentlichen infolge der etwa in Flammrohrmitte mit relativ hoher Geschwindigkeit zusammentreffenden Brennstoff-Luftstrahlen.

Die Primärzonenwirbel P füllen die im wesentlichen innerhalb der Flammrohrrückwand 7 befindliche Primärzone nahezu vollständig aus und verhindern somit weiterhin Verkokungen von Brennstoffresten an der Flammrohrrückwand 7 und damit etwaige Rußbildung.

Über die von dem hülsenförmigen Körper 3 jeweilig freigelassene Querschnittshälftc der Zuströmöffnungen 8 wird ein Teil der den Sekundärkanal 5 durchströmenden Mischluft C in Richtung auf die Flammrohrmitte zugeführt (Pfeile O), und zwar zur Vergleichsmäßigung des Temperaturprofils über den gesamten Flammrohrquerschnitt.

Ein übriger Anteil der Mischluft C wird gemäß Pfeilrichtung E über stromabwärtig im Flammrohr 2 angeordnete weitere öffnungen 9 zugeführt, um die Brennkammeraustrittstemperatur etwas herabzusetzen und um zusammen mit den von der Flammrohrmitte gegen den Brennkammeraustritt hin divergierenden, zuvor erwähnten Mischluftstrahlen D ein gleichförmiges Temperaturprofil am Brennkammeraustritt zu erzielen.

Das Ausführungsbeispiel nach der Zeichnung stellt eine Einzelbrennkammer bzw. Rohrbrennkammer dar. Die Erfindung eignet sich durchaus aber auch für anderweitige Brennkammertypen, so z. B. kombinierte Ring-ZRohrbrennkammern, bei denen das Brennkammeraußengehäuse koaxial zur Längsachse eines Gasturbinentriebwerks verlaufend angeordnet ist und innerhalb des Außengehäuses mehrere Flammrohre in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.

Ferner ist die Erfindung auch bei reinen Ringbrcnnkammcrn anwendbar, wobei dann der hülscnförmige Körper 3 ebenfalls ringförmig und koaxial zur Triebwerkslängsachse anzuordnen wäre.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, die aus einem Außengehäuse und einem achsmittig darin angeordneten Flammrohr besteht, das zusammen mit einem stromaufwärtig zugeordneten hülsenförmigen Körper einen koaxialen, gegen die der Brennkammer zugeführte Verdichterluftströmung geöffneten Verdampferringkanal bildet, in welchen Brennstoff eingespritzt und zusammen mit einem Teil dieser Verdichterluft gasförmig aufbereitet und vom stromabwärtigen Ende des Verdampferringkanals aus in die Verbrennungszone im Flammrohr geführt wird, während ein weiterer Teil der in die Brennkammer einströmenden Verdichterluft von einem zwischen dem Flammrohr und dem Außengehäuse gebildeten Ringraum aus dem Flammrohr als Mischluft zuführbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) Die Flammrohrrückwand (7) der Brennkammer hat die Form eines sich in Richtung der Hauptströmung erweiternden Kegelstumpfes, wobei der Abspritzkegel (6) einer stromaufwärtig der geschlossenen Flammrohrrückwand (7) angeordneten Brennstoffzerstäuberdüse (4) rotationssymmetrisch entlang der Kegelmantelfläche der Rückwand verläuft;

   b) der hülsenförmige Körper (3) ist dem Flammrohr (2) stromaufwärtig in der Weise zugeordnet, daß er die Brennstoffzerstäuberdüse (4), die Flammrohrrückwand (7) sowie einen unmittelbar daran anschließenden, mit Zuströmöffnungen (8) versehenen Abschnitt des Flammrohrs (2) ummantelt und hierbei einen entlang der Kegelmantelfläche der Flammrohrrückwand sich zunehmend verjüngenden Verdampferringkanal bildet;

   c) der hülsenförmige Körper (3) schirmt mit seinem stromabwärtig radial gegen das Flammrohr (2) abgebogenen Ende die Zuströmöffnungen (8) etwa zur Hälfte gegenüber der im Ringraum (5) zwischen dem Flammrohr (2) und dem Außengehäuse (1) enthaltenen Mischluftströmung ab.