DE2937631A1

DE2937631A1 - Brennkammer fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE2937631A1
Application number: DE19792937631
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 7441 Wolfschlugen Wuchter
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1979-09-18
Filing date: 1979-09-18
Publication date: 1981-04-02
Also published as: US4455839A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 12

Stuttgart-Untertürkheim 12. Sept. '79

EPSA ws/sch

Brennkammer für Gasturbinen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen, besonders für Kraftfahrzeuge, die aus einem ersten Reaktionsraum besteht, dessen Auslaßöffnung in einen zweiten, koaxialen Reaktionsraum einmündet, wobei jedem Reaktionsraum ein mit einem Lufteinlauf und einer Brennstoffeinspritzdüse versehener Vorraischraum zugeordnet ist.

Mit einer derartig aufgeteilten Brennkammer wird eine möglichst schadstoffarme Verbrennung über einen breiten Betriebsbereich angestrebt. Bei einer bekannten Brennkammer der obengenannten Art ("Entwicklungslinien in der Kraftfahrzeugtechnik", Statusseminar vom 10. bis 12.11.76 in Berlin herausgegeben vom BMFT und VDI - Arbeitskreis Kraftfahrzeugtechnik, Seite 302, Bild k rechts) mündet ein schräg neben dem ersten Reaktionsraum angeordneter Vormischraum einseitig im Bereich einer Einschnürung zwischen zwei zylindrischen Reaktionsräumen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbrennung durch eine günstige Brennkammergestaltung zu verbessern und die Schadstoffemission weiter herabzusetzen. Dies geschieht erfindungsgemäß durch einen Einsatz, der den ersten Reaktionsraum und dessen Vormischraura umschließt und der in ein den zweiten Reaktionsraum umschließendes Flammrohr ragt und dessen Außenwand mit dem Flammrohr einen ringförmigen Vormischraum für den zweiten Reaktionsraum bildet, im Bereich von dessen Lufteinlauf mehrere Brennstoffeinspritzdüsen angeordnet sind. Der durch den Einsatz gebildete ringförmige Vormischraum verhältnis-

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mäßig großen Durchmessers ermöglicht im Zusammenwirken mit mehreren Brennstoffeinspritzdüsen eine besonders gute Vermischung von Brennstoff und Luft. Gleichzeitig wird durch die den Vormischraum begrenzenden großflächigen aufgeheizten Wände eine gute Vorverdampfung des Brennstoffes schon außerhalb der Brennzone erzielt. Unterstützt durch die achssymmetrische Strömungsführung in dem gebildeten Ringkanal wird dem zweiten Reaktionsraum ein hochgradig homogenes Gemisch aus Brennstoffdampf und Luft zugeführt, das die nachfolgende Verbrennung über den ganzen Betriebsbereich günstig beeinflußt. Ortliche Temperaturspitzen, die sich bei der Verbrennung eines inhomogenen Gemisches ergeben und die zur Bildung von Stückoxiden führen, werden vermieden. Die Anteile von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen werden gesenkt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Einsatz die Gestalt eines Kegelstumpfes auf, dessen Grundfläche die Auslaßöffnung des ersten Reaktionsraumes und einen diese umgebenden Rand umfaßt, der als zweiter Flammenhalter dient. Diese Form ergibt eine günstige Einleitung des im Vormischraum gebildeten Gemisches in den zweiten Reaktionsraum entlang des Wandbereichs und ermöglicht weiterhin eine vorteilhafte Anordnung des zweiten Flammhalters an dem Einsatz.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen die den zweiten Reaktionsraum begrenzenden Wände des Flammrohres und die Oberfläche des die zylindrisch ausgebildete Auslaßöffnung des ersten Reaktionsraumes umgebenden Randes auf einem Kreisring mit im wesentlichen ovaler Querschnittsfläche. Dadurch bildet sich ein die aus dem ersten Reaktionsraum axial ausströmenden Gase umgebender Ringwirbel, der einen weiten Stabilitätsbereich der Flamme ergibt und damit in erwünschter Weise die Verbrennung auch magerer Gemische erlaubt.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung im Längsmittelschnitt dargestellten Ausführungsbeispielss einer Brennkammer einer Kraftfahrzeug-Gasturbine näher erläutert .

Die Brennkammer besteht im wesentlichen aus einem abgestuften Flammrohr 11, in dessen erweiterte Eingansseite 12 ein kegelstumpf förmiger Einsatz 13 ragt. Ein Brennkammergehäuse lk umgibt das Flammrohr 11 und den Einstz 13« Stege 15 und 16 dienen der koaxialen Befestigung des Einsatzes 13 bzw. des Flammrohres 11 im Brennkammergehäuse l4.

Der Einsatz 13 umschließt einen ersten, im wesentlichen kugelförmigen Reaktionsraum 171 der im Bereich der Eingangsseite durch die als erster Flammhalter dienende Grundfläche l8 eines kegeligen Formstückes 19 begrenzt wird. Das Formstück 19 ist mit Stegen 20 am Einsatz 13 befestigt und ergibt mit seiner Mantelfläche 21 und der Innenwand 22 des Einsatzes 13 einen Ringraum 23. Ein düsenförmiger Lufteinlauf 2k am Einsatz 13 geht in den Ringraum 23 über und bildet mit diesem einen Vor-mischraum 25· Die Grundfläche l8 des Formstückes 19 hat die Gestalt einer die Strömung beeinflußenden ringförmigen Mulde 26, deren Innenseite eine zentrale Spitze 27 bildet. Der erste Reaktionsraum 17 geht mit einer konvexen Wölbung 28 in eine zylindrische Auslaßöffnung 29 über.

Die Außenwand 30 des kegelstumpfförmigen Einsatzes 13 weist vom Lufteinlauf 2k ausgehend eine schwach konvexe Wölbung auf, die im Bereich der Wölbung 28 des ersten Reaktionsraumes 17 in eine schwach konkave Wölbung übergeht. Die Grundfläche 31 des Kegelstumpfes umfaßt eilten die Auslaßöffnung 29 umgebenden Rand, der die Gestalt einer ringförmigen Mulde 32 hat.

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Die Eingangsseite 12 des abgestuften Flammrohres 11 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Abschnitt 33, an den sich ein einwärtsgewölbter Abschnitt 34 anschließt. Ein Abschnitt bildet den Übergang zu einem zylindrischen Abschnitt 36. Das Flammrohr 11 umschließt einen zweiten Reaktionsraum 371 dessen Vormischraum 38 sowie eine nachgeordnete Verdünnungszone 39· Der in die Eingangsseite 12 des Flammrohres 11 ragende Einsatz 13 bildet mit seiner Außenwand 30 und mit der Innenwand 40 des Abschnittes 33 des Flammrohres 11 den mit einem düsenförmigen Lufteinlauf 4l versehenen ringförmigen Vormischraum 38· Der Hauptteil 42 des zweiten Reaktionsraumes 37 wird von der Innenwand 40 des Abschnittes 34 des Flammrohres 11 und von der Mulde 32 des Einsatzes 13 begrenzt, die auf einem Kreisring mit ovaler Querschnittsfläche liegen. Nach einer von dem Abschnitt 35 gebildeten Einschnürung 43 mündet der zweite Reaktionsraum 37 in den zylindrischen Abschnitt 36 des Flammrohres 11, der auch die mit Lufteinlaßöffnungen 44 versehene Verdünnungszone 39 mit einschließt.

Wegen hoher thermischer Belastung sind Teile der Brennkammer aus einem keramischen Werkstoff hergestellt. So ist ein die Auslaßöffnung 29 mit einschließender Teil des ersten Reaktionsraumes 17 durch ein ringförmiges Wandteil 45 ausgekleidet. Zur Halterung des Wandteiles 45 besteht der Einsatz I3 aus zwei Teilen 46 und 47, die beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden sind. Während der den Vormischraum 38 des zweiten Reaktionsraumes 37 begrenzende Abschnitt 33 des Flammrohres 11 aus einem hochwarmfesten metallischen Werkstoff hergestellt ist, bestehen die anschließenden Abschnitte 34, 35 _u. aus einem keramischen Werkstoff. Dabei zentriert ein am Abschnitt 33 befestigter und mit den Stegen l6 verbundener Ring 4fi den Abschnitt 34 des Flammrohres 11.

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Im Dereich des Lufteinlaufes 2k des Vormischraumes 25 des ersten Reaktionsraumes 17 ist eine zentrale Druckzerstäuber-Rücklaufdüse ^9 mit einer Zulaufleitung 50 und einer absperrbaren Rücklaufleitung 51 für den Brennstoff angeordnet. Dem ringförmigen Vormischraum 38 des zweiten Reaktionsraumes 37 wird der Brennstoff durch sechs gleichmäßig über den Umfang verteilte und in den Lufteinlauf ^l ragende Kapillarrohre zugeführt, die jeweils von einem Luftrohr 5 3 aus hochwarmfestem Werkstoff ummantelt sind. In dem Ringkanal 5** zwischen dem Luftrohr 53 und dem Kapillarrohr 52 wird vom Verdichter der Gasturbine abgezweigte und von einer Pumpe weiterverdichtete Luft zugeführt. Dadurch wird der aus dem Kapillarrohr 52 in den Vormischraum 38 eingespritzte Brennstoffstrahl sehr fein verteilt. Eine Zündeinrichtung 55 ragt seitlich in den ersten Reaktionsraura 17·

Der beim Betrieb des Gasturbine in der Brennkammer herrschende Strömungsverlauf, der die Brennstoffaufbereitung und die nachfolgende schadstoffarme Verbrennung günstig beeinflußt, ist in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet. Im ersten Reaktionsraum 17 wird der Brennstoff mit der durch den düsenförmigen Lufteinlauf 2k einströmenden Luft vermischt und vorverdampft. Das Gemisch strömt in den kugelförmigen, durch die ringförmige Mulde 26 begrenzten ersten Reaktionsraum 17 entlang von dessen Innenwand 22 ein, in den es einen achssymmetrischen Ringwirbel bildet und verbrennt. Die Verbrennungsgase strömen darauf durch die zylindrische Auslaßöffnung 29 und durch den zweiten, mit der Einschnürung k¹} versehenen Reaktionsraum in die Verdünnungszone 39· Gleichzeitig bildet das aus dem ringförmigen Vormischraum 38 in den zweiten Reaktionsraum einströmende hochgradig homogene Gemisch im Bereich der Innenwand kO des gewölbten Abschnittes 3** des Flammrohres 11 und der ringförmigen Mulde 32 des Einsatzes I3 einen achssymmetrische

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Ringwirbel und verbrennt. Die Verbrennungsgase werden von der aus dem ersten Reaktionsraum 17 austretenden Strömung in axialer Richtung mitgerissen und in die Verdünnungszone 39 eingeleitet, wobei sich hinter der Einschnürung kj noch kleinere Wirbel bilden, die die Verbrennung des Gemisches im Bereich der Innenwand 40 des Abschnittes 36 verbessert.

Der erste Reaktionsraum I7 dient der Gaserzeugung für die Grundlast, die den Leerlauf und das untere Teillastgebiet umfaßt, während der zweite, größere Reaktionsraum 37 die Gaserzeugung für Laständerungen übernimmt, beispielsweise beim Beschleunigen der Gasturbine. Dazu wird die dem ersten Reaktionsraum 17 zugeordnete Druckzerstäuber-Rücklaufdüse *»9 in Abhängigkeit von der Brennstoffpurapendrehzahl gesteuert, während die Brennstoffzufuhr zu den dem zweiten Reaktionsraum 37 zugeordneten Kapillarrohren 52, die eine feine Brennstoffdosierung ermöglichen, besonders geregelt wird. Beim Kaltstart der Gasturbine wird zunächst nur in den Vormischraum 25 des ersten Reaktionsraumes eingespritzt, wobei durch Absperren der Rücklaufleitung 51 die zugeführte Brennstoffmenge erhöht wird. Wenn nach dem Zünden des Gemisches im ersten Reaktionsraum die Brennkammereintrittstemperatur auf etwa 500 C angestiegen ist, wird durch die Kapillarrohre 52 Brennstoff in den Vormischraum 38 eingespritzt. Das dort gebildete Gemisch entzündet sich dann im zweiten Reaktionsraum 37· Nach kurzer Zeit wird darauf die Rücklaufleitung 51 wieder freigegeben und der durch die Druckzerstäuber-Rücklaufdüse ^9 in den Vormischraum 25 des ersten Reaktionsraumes 17 eingespritzte Brennstoff dadurch auf die Stationärmenge begrenzt.

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Claims

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 12 k2

Stuttgart-Untertürkheim 12. Sept. '79

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Schutzansprüche

1./Brennkammer für Gasturbinen, besonders für Kraftfahrzeuge, die aus einem ersten Reaktionsraum besteht, dessen Auslaßöffnung in einen zweiten, koaxialen Reaktionsraura einmündet, wobei jedem Reaktionsraum ein mit einem Lufteinlauf und einer Brennstoffeinspritzdüse versehener Vormischraum zugeordnet ist, gekennzeichnet durch einen Einsatz (13), der den ersten Reaktionsraum (17) und dessen Vormischraum (25) umschließt und der in ein den zweiten Reaktionsraum (37) umschließendes Flammrohr (ll) ragt und dessen Außenwand (30) irit dem Flammrohr (ll) einen ringförmigen Vormischraum (38) für den zweiten Reaktionsraum (37) bildet, im Bereich von dessen Lufteinlauf (kl) mehrere Brennstoffeinspritzdüsen (52) angeordnet sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (I3) die Gestalt eines Kegelstumpfes aufweist, dessen Grundfläche (31) die Auslaßöffnung (29) des ersten Reaktionsraumes (17) und einen diese umgebenden Rand (32) umfaßt, der als zweiter Flammenhalter dient.

3· Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hauptteil (k2) des zweiten Reaktionsraumes (37) begrenzender Wände des Flammrohres (ll) und die Oberfläche des die zylindrisch ausgebildete Auslaßöffnung (29) des ersten Reaktionsraumes (17) umgebenden Randes (32) auf einem Kreisring mit im wesentlichen ovaler Querschnittsfläche liegen.

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4. Brennkammer nach Anspruch 3 ι dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reaktionsraum (37) nach einer Einschnürung (43) in einen zylindrischen Abschnitt (36) übergeht, an den sich eine Verdünnungszone (39) anschließt.

5· Brennkammer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinspritzdüse des Vormischraumes (25) des ersten Reaktiongraumes (17) eine Druckzerstäuber-Hücklaufdüse (49) ist.

6. Brennkammer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinspritzdüsen des Vormischraumes (38) des zweiten Reaktionsraumes (37) Jeweils aus einem Kapillarrohr (52) besteht, das von einem Luftrohr (53) umgeben ist.

7· Brennkammer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (ll) und der Einsatz (I3) ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff hergestellt sind.

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