DE2808051A1 - Brennkammer fuer eine gasturbine o.dgl. - Google Patents

Description

^Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

Frankfurt am Main. .. . . . Staufenstrasse 36

In Sachen:

GUIDAS S.A.

Rue Lamartine

CHAZELLES SUR LYON (Loire)

Frankreich

Brennkammer für eine Gasturbine o.dgl.

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine o.dgl. mit zwei einander koaxial umschließenden Gehäusen aus Blech, die zwischen sich einen Ringraum zur Hindurchleitung von verdichteter Verbrennungsluft in Richtung auf das geschlossene eine Ende der Brennkammer begrenzen, sowie mindestens einer Düse zum Einspritzen von zerstäubtem flüssigen Brennstoff in das mit Öffnungen zum Durchtritt der Verbrennungsluft versehene Innere der beiden Gehäuse.

Aus der FR-PS 1 592 591 ist beispielsweise eine Brennkammer für eine Gasturbine bekannt, bei welcher unter Druck stehende Verbrennungsluft von einem Zentrifugalverdichter zugeführt und zwischen die beiden einander koaxial umschließenden Blechgehäuse der Verbrennungskammer in Richtung der Gehäuseböden geleitet wird. Eine im Zentrum der Verbrennungskammer angeordnete Düse spritzt einen zerstäubten flüssigen Brennstoff in das innere Gehäuse ein, wo dieser sich mit der Luft vermengt, die durch verschiedene Öffnungen innerhalb des inneren Gehäuses in die Verbrennungskammer eintritt, und das Verbrennungsgas wird im Gegenstrom zu der Verbrennungsluft von dort ausgestoßen und gegen ein Hochdruck-

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Turbinenrad gerichtet.

In einer solchen bekannten Verbrennunoskammer entwickelt sich die Flamme in Längsrichtung, und es ist schwierig, die Turbine hierzu richtig zu placieren, insbesondere wenn sie sich unter der Haube eines Lastkraftwagens befindet, wo der Platz beschränkt ist. Es ist auch bereits eine Verbrennungskammer bekannt, in der die Flamme gegen das geschlossene Ende mit nachfolgender Umlenkung in entgegengesetzte Richtung gerichtet wird. Diese Anordnunn erlaubt eine Verminderung der Längsausdehnung der Kammer, aber Beobachtungen im Betrieb zeigen, daß die den Boden der Kammer bildenden Metallteile durch Schmelzung und Partikelbeaufschlagungen zu Bruch gehen, da die Temperatur dort außerordentlich hoch ist. Man begrenzt deshalb unter allen Umständen die Temperatur der. Verbrennungsluft auf etwa 2oo C, um zu vermeiden, daß die Gastemperatur zu hoch wird, was die Verwendung von Wärmetauschern verbietet, die die Temperatur der Verbrennungsluft auf 58o°C durch Rückgewinnung eines Teils der Abgaswärme bringen könnten. Der Wirkungsgrad der Turbine ist deshalb begrenzt, und die Abgase enthalten unverbrannte Bestandteile, die eine Quelle atmosphärischer Verschmutzungen ebenso wie von Stickoxyden bilden.

Aufgabe der Erfindungsist es, eine Brennkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der keine Gefahr der Verschmutzung durch ihre Abgase besteht, die weniger ausgedehnt in der Länge ist und die den Wirkungsgrad der Turbine verbessert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Düse bzw. die Düsen durch die Seitenwandung des inneren Gehäuses in die Brennkammer mit Abstand zu deren geschlossenem Ende einmünden und daß die öffnungen im inneren Gehäuse dergestalt angeordnet sind, daß

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(a) ein primärer Luftstrom zur Versorgung des Verbrennunqsvorgangs mit Verbrennungsluft gebildet wird, der die Flamme zum geschlossenen Ende der Brennkammer hin richtet und sie dabei an der Wandung des inneren Gehäuses in hohlzylindrischer Gestalt entlangführt, und.

(b) ein sekundärer Luftstrom gebildet wird, der von dom geschlossenen Ende der Verbrennungskammer zur Versorgung des Verbrennungsvorgangs mit Verbrennungsluft ausgeht und dabei die Flamme entgegengesetzt zum qeschlossenen Brennkamnerende in das Zentrum der Prennkammer umlenkt und in der Nähe ihrer Achse weiterführt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer perspektivischer Darstellung den Gesamtaufbau einer Gasturbine mit zwei Brennkammern,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Gasturbine nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch die eine der Brennkammern,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch nur das äußere Gehäuse dieser Brennkammer,

Fig. 5 einen entsprechenden Axialschnitt durch nur das innere Gehäuse der in Fig. 3 gezeigten Brennkammer,

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Fig, 6 einen Querschnitt nach Linie VI-VI in Fig. 3 und

Fig. 7 einen Querschnitt nach Linie VII-VII in Fig.

Die in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Gasturbine ist in ihrer Gesamtheit identisch mit derjenigen, die in der FR-PS 1 592 591 beschrieben ist. Diese Turbine enthält einen Gaserzeuger mit einem Zentrifugalverdichterrad 2, welches die Verbrennungsluft in zwei Verbrennungskammern 3 bläst, welche parallel nebeneinander in derselben Ouerebene mit Bezug auf die von der Turbinenwelle 5 bestimmte Richtung 4 angeordnet sind. Die unter Druck stehenden heißen Verbrennungsgase, die aus den Brennkammern 3 austreten, bewirken die Drehung eines Hochdruck-Turbinenrades 6. Stromabwärts des Turbinenrades 6 kann die Turbine mehrere bekannte Elenente, insbesondere einen oder mehrere Leitschaufelapparnto sowie ein oder mehrere Niederdruck-Turbinenräder aufweisen.

Die Erfindung betrifft die besondere Gestaltung der Brennkammern, von denen eine in ihren Einzelheiten in den Fig. 3 bis 7 dargestellt ist.

Diese Brennkammer weist zwei einander koaxial umschließende Gehäuse aus Blech auf, nämlich ein inneres Gehäuse 7 und ein äußeres Gehäuse B. Das innere Gehäuse 7 besteht aus einem Schalenteil 9 und einem Rohrteil 1o, zwischen denen eine ringförmige Trennfuge 11 gebildet ist. Der Rohrteil 1o trägt in Höhe der Trennfuge einen ringförmigen Abweiser 12 und enthält zwei Gruppen von öffnungen 13, die längs seiner Wandung in der Nähe der Trennfuge 11 herausgebrochen sind. Weiterhin ist eine öffnung 14 im Zentrum des Bodens der Schale 9 angeordnet, welche außerdem an ihrer Innenseite einen zum Schaleriboden gerichteten zylindrischen Kragen 15 aufweist, der einen ringzylindrischen Zwischenraum 16 gegenüber der Längswandung der Schale begrenzt. Eine Anzahl

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öffnungen 17 verbinden den Zwischenraum 16 mit dem P.ingraum 18, der zwischen den beiden Gehäusen 7, 8 gebildet ist.

Das äußere Gehäuse 8 besteht im Bereich der Schale 9 aus zwei Wandungen 19 und 2o, die einen Ringkanal 21 zwischen sich begrenzen. Dieser Ringkanal 21 steht mit dem Ringraum 18 am Eoden der Schale 9 über vier Löcher 22 in Verbindung, die in der inneren Wandung 19 des äußeren Gehäuses 8 angeordnet sind.

Die Brennkammer ist mit sechs Einspritzdüsen 23 ausoeri'stet-, Diese Einspritzdüsen sind mit gleichen Umfangsabst^nden verteilt, und ihre geometrischen Achsen befinden sich in ein- und derselben Ebene 24 lotrecht zur Achse der Brennkammer. Die Ebene 24 befindet sich zwischen dem Kragen 15 und der ringförmigen Trennfuge 11 dergestalt, daß eine jede P'inspritzdüse 23 aufeinanderfolgend die Wandunaen 11 und ?o

und '

des äußeren Gehäuses 8 den/Schalen^eil 9 d<»s inneren Gehäuses 7 durchsetzt. Eine in gleicher Weise wie die Einspritzdüsen angebrachte Zündkerze 25 befindet sich zwischen zwei Einspritzdüsen mit Anordnung ihrer Achse ebenfalls in der Ebene 24.

Vorzugsweise werden einfache Geradstrahldüsen verwendet.

Die Wirkungsweise der vorbeschriebenen Brennkammer ist folgende:

Die vom Zentrifugalverdichterrad 2 ankommende Luft gelangt zwischen die Gehäuse 7 und 8 in Richtung zum Boden der Brennkammer, wie dies durch die Pfeile 26 in Fig. 3 angedeutet ist. Ein Teil dieser Verbrennungsluft tritt in das Innere des inneren Gehäuses 7 durch die ringförmige Trennfuge 11 als primärer Luftstrom ein (Pfeile 27). Dieser primäre Luftstrom speist die Verbrennung des

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flüssigen Brennstoffs, den die Einspritzdüsen 23 in das Innere des inneren Gehäuses 7 zerstäuben, wobei dieser Verbrennur.gsvorgang durch die Zündkerze 25 eingeleitet wird. Der ringförmige Abweiser 12 richtet den Luftstrom 27 gegen den Poden der Brennkammer, und der Luftstrom 27 hat eine ausreichende Größe, um auf seinem Weg die gebildete Flamme gegen den Poden der Brennkammer in unmittelbare Kachbarschaft von der Innenwand des inneren Gehäuses 7 zu richt-en.

Ein anderer Teil der Verbrennungsluft strömt aus dem Rinaraum 18 durch die zentrale öffnung 14 in die Brennkammer und bildet dort einen Sekundärluftstrom (Pfeile 28), der in aleicher Weise die Verbrennung speist und dabei die Flanne entgegengesetzt zum Poden der Brennkammer in deren Zentrum umlenkt.

Fin geringer Teil der Verbrennungsluft strömt aus dem Ringraun 18 durch die öffnungen 17 in den Ringspalt 16 und verläßt diesen wieder als eine ringförmige Strömung (Pfeile 29), die an der Innenwand der Schale 9 anhaftet und oeaen den Boden der Brennkammer gerichtet ist, wo dieser Luftstrom 2^Q sich mit dem Sekundärluftstrom 28 vermischt. Der Luftstrom 29 schützt die Innenwand der Schale 9 v/irksam gegen die Flamme.

Noch ein weiterer Teil der Verbrennungsluft strömt durch die öffnungen 13 in die Brennkammer ein und bildet einen tertiären Luftstrom (Pfeile 3o), der sich mit den Verbrennungsgasen vermischt und diese kühlt.

Die der Brennkammer zugeführte Luft kommt vorzugsweise von einem Wärmetauscher, in welchem die Verbrennungsluft vorher auf etwa 58o° mit Hilfe von Abgas aufgewärmt wird.

Ein Kühlluftstrom wird in den zwischen den Wandungen 19 und 2o des äußeren Gehäuses 8 gebildeten Rincrspalt ge-

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leitet (Pfeile 31), Dieser Kühlluftstrom wird der Brennkammer bei einer Temperatur unterhalb von 2oo C zuqeführi und verläßt den Ringspalt 21 durch Löcher 22.

Im Gegensatz zu den bekannten Systemen qibt es deshalb kein Metallteil, das in der Umlenkzone der Flamme schmelzen könnte, wo die thermische Strahlung und die Temperatur besonders hoch sind. Auf diese Weise wird der Abbrand der Metallteile infolge unverbrannter Bestandteile der Vprbrennungsgase vermindert und umsomehr der Wirkunqsgrad der Turbine erhöht, was wiederum zu einer Verminderung der atmosphärischen Verschmutzung führt. Auch haben Messungen gezeigt, daß im Verhältnis zu einer Turbine herkömmlicher Konstruktion die erfindungsgemäße Brennkammer eine Herabsetzung des Gehalts an Kohlenoxyd CO in den Abgasen um 9o% ermöglicht. Parallel hierzu kann der Gehalt an Stickoxyden in den Abgasen um 25% herabgesetzt werden.

Darüber hinaus ergibt sich aus der Umlenkung der Flamme der weitere Vorteil, daß keine Gefahr des Erlöschens besteht. Da die Flamme kompakter als bisher ist, besteht keine Gefahr, daß sie ausgeblasen wird, und die Geschwindigkeit der Luftströme durch die Hauptauerschnitte ist gering, insbesondere was den tertiären Luftstrom 3o betrifft, in welchem die Luftgeschwindigkeit etwa 4o m/s und nicht 12o m/s wie bei den in der Luftfahrt verwendeten Turbinen beträgt. Die mit der erfindungsgemäßen Brennkammer ausgerüstete Gasturbine arbeitet deshalb stabil im Zeitlupentempo.

Es verdient gleichzeitig Beachtung, daß die erfindungsgemäße Brennkammer ungefähr nur die halbe Länge der herkömmlichen Brennkammern mit linearer Flamme besitzt, was einen beachtlichen Vorteil darstellt, wenn die Turbine unter der Haube eines Lastkraftwagens angeordnet werden soll.

Patentansprüche'/ *09835/08n

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   (i). Brennkammer für eine Gasturbine o.dgl. reit zwei einander koaxial umschließenden Gehäusen aus Plech, die zwischen sich einen Ringraum zur Hindurchleitung von verdichteter Verbrennungsluft in Richtunq auf das qeschlossene eine Ende der Brennkammer begrenzen, sowie mindestens einer Düse zum Einspritzen von zerstäubtem flüssiqen Brennstoff in das mit öffnungen zum Durchtritt der Verbrennungsluft versehene Innere der beiden Gehäuse, dadurch gekennzeichnet , daß die Düse bzw. die Düsen (23) durch die Seitenwandung des inneren Gehäuses (7) in die Brennkammer mit Abstand zu deren geschlossenem Ende einmünden und daß die öffnungen (11, 14) im inneren Gehäuse (7) dergestalt angeordnet sind, daß

   (a) ein primärer Luftstrom (27) zur Versorgung des VerbrennungsVorgangs mit Verbrennungsluft gebildet wird, der die Flamme zum geschlossenen Ende der Brennkammer hin richtet und sie dabei an der Wandunq des inneren Gehäuses (7) in hohlzylindrischer Gestalt entlangführt, und

   (b) ein sekundärer Luftstrom gebildet wird, der von dem geschlossenen Ende der Verbrennungskammer zur Versorgung des Verbrennungsvorgangs mit Verbrennungsluft ausgeht und dabei die Flamme entgegengesetzt zum geschlossenen Brennkammerende in das Zentrum der Brennkammer umlenkt und in der Nähe ihrer Achse weiterführt.

   2, Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie mit mehreren am Gehäuseumfang gleichmäßig verteilten Einspritzdüsen (23) versehen ist, deren Achse auf derselben Querebene lotrecht zur Hauptachse der Brennkammer liegen.

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   3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Gehäuse (7) aus einen Schalenteil (9) und einem Rohrteil (1o) besteht, zwischen denen eine den Primärluftstrom hindurchlassende Trennfuge (11) gebildet ist, wobei der Rohrteil Uo) im Bereich der Trennfuge (11) einen ringförmigen Abweiser (12) trägt, der den Primärluftstrom gegen das geschlossene Ende der Brennkammer sichtet.

   4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch ex ο -kennzeichnet, daß der Rohrteil (1o) des inneren Gehäuses (7) mit einer Anzahl öffnungen (13) zur Einleituna eines tertiären Luftstroms in das innere Gehäuse (7) versehen ist, der sich darin mit den Verbrennungsgasen unter Herabsetzung der Temperatur innerhalb der Gase am Ausgang der Brennkammer vermischt.

   5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pchalenteil (9) des inneren Gehäuses (7) eine Anzahl öffnungen (17) aufweist, durch welche ein Teil der Verbrennungsluft aus dem Ringraum zwischen den Gehäusen (7, 8) im Bereich des Schalenteils (9) in einen zwischen diesen und einem zylindrischen Kragen (15) gebildeten Rincrspalt (16) eintritt und diesen an dessen von den Düsen (23) und der Trennfuoe (11) weggerichteten Ende zum Boden des Schalenteils (9) hin unter Ausbildung eines sich an der Schalenwandung zum geschlossenen Ende der Brennkammer hin anschmiegenden Luftstroms (29) verläßt, der sich dort mit dem SekundSrluftstrom (28) vereinigt.

   6. Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gehäuse (8) aus zwei koaxialen Wänden (19, 2o) besteht, die zwischen sich einen Ringraum (21) zum Durch-

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   tritt von Kühlluft aus der umgebenden Atmosphäre einschließen, welche in das doppelwandige äußere Gehäuse (8; 19, 2o) unter niedrigerer Temperatur als die Verbrennungsluft eintritt und dieses am geschlossenen Ende der Brennkammer durch Löcher in der inneren Wand (19) des Süßeren Gehäuses (8) zur Vereinigung mit dem Sekundärluftstrom (28) verläßt.

   7. Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im inneren Gehäuse (7) angeordneten öffnunaen (13) zur Rilduncr des Tertiärluftstroms (3o), der sich mit den Verbrennungsgasen zur Herabsetzuna der Temperatur innerhalb der Gase vermischt, einen verhältnismäßig großen öffnungscmerschnitt dergestalt aufweisen, daß der Tertiärluftstrom (3o) größtenteils eine nur geringe Geschwindigkeit von etwa 4o m/s besitzt.

   8. Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit geradstrahligen einfachen Einspritzdüsen (23) versehen ist, wobei der Primärluftstrom (27) durch öffnungen (11) von verhältnismäßig großem Querschnitt unter mäßiger Geschwindigkeit von etwa 4o m/s zugeführt wird und die Flamme beim Umlenken ausreichend kompakt ist, um die Gefahr eines Erlöschens auch bei geringer Leistung auszuschließen.

   9. Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft (26) von einem Wärmetauscher zugeführt wird, in den sie durch die Abgase auf etwa 58o°C aufgewärmt ist, wobei die verschiedenen öffnungen (13, 14, 15, 17) für die Verbrennungsluft im inneren Gehäuse-(7) dergestalt bemessen sind, daß in der Umlenkzone der Flamme eine Wärmestrahlung und eine Temperatur von mindestens gleicher Größe wie innerhalb der längs brennenden Flamme in einer her-

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   kömmlichen Brennkammer unter Verminderung der unverbrannten Bestandteile in den Abgasen zwecks Erhöhung des Wirkungsgrads und Verminderung der atmosphärischen Belastungen vorhanden sind.

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