DE69514321T2 - Stufenbrennkammer, deren Vollastbrenner auch Leerlaufbrenner enthalten - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer mit axialen Wänden, die durch einen Kammerboden miteinander verbunden sind, sowie mit mehreren Kraftstoffeinspritzdüsen, die in Löchern angeordnet sind, die den Kammerboden durchdringen, wobei diese Einspritzdüsen aufgeteilt sind auf einen Flugkopf und einen in radialem Abstand von dem Flugkopf angeordneten Startkopf und wobei die Brennkammer eine generelle Gasströmungsrichtung besitzt.
• Der Einsatz von Zweikopf-Brennkammern neuartigen Flugzeug-Turbotriebwerken ermöglicht eine Reduzierung der Umweltverschmutzung.
• Der Flugkopf kann in diesen Kammern gleichermaßen entweder außen angeordnet sein, wobei der Startkopf innen angeordnet ist, oder es kann umgekehrt der Startkopf außen und der Flugkopf in der Nähe der Triebwerkachse angeordnet sein.
• Der Startkopf wird im allgemeinen bei Vollgasbetrieb benutzt und im Leerlaufbetrieb nicht mit Kraftstoff gespeist.
• Daraus folgt, daß dieser Kammertyp unabhängig von der Position der Köpfe Nachteile aufweist. Insbesondere wenn der Flugkopf im Leerlaufbetrieb allein arbeitet, variieren die Gastemperaturen am Kammeraustritt zwischen dem inneren und dem äußeren Teil des Austrittsquerschnitts der Kammer. Dadurch wird das gute thermische Verhalten der an diesem Austritt angeordneten Leitbeschaufelung beeinträchtigt.
• Der Stand der Technik ist durch zwei Patente gegeben, die von der Anmelderin eingereicht wurden. GB 2 269 449 beschreibt eine Brennkammer mit zwei Köpfen, bei der die Start-Einspritzdüsen und die Flug-Einspritzdüsen in Fünfpunktanordnung versetzt auf den beiden Köpfen angeordnet sind. Es ist in diesem Patent nicht vorgesehen, daß beide Arten von Einspritzdüsen gleichzeitig arbeiten.
• GB 2 003 554 beschreibt eine Brennkammer mit zwei Köpfen, nämlich einem inneren Kopf für den Betrieb im Leerlauf und einem sehr viel kürzeren äußeren Kopf für den Flug- oder Startbetrieb. Die beiden Köpfe arbeiten getrennt.
• Es ist das Ziel der Erfindung, das radiale Temperaturprofil am Kammeraustritt zu optimieren. Ein anderes Ziel besteht darin, den Betrieb der Kammer bei Leerlaufdrehzahl zu verbessern.
• Der Flugkopf ist mit N Leerlauf-Einspritzdüsen der Durchlässigkeit P1 ausgestattet, die an die Leerlaufdrehzahl angepaßt sind. Die Erfindung erreicht die oben beschriebenen Ziele durch die folgenden Merkmale:
• - der Startkopf ist ebenfalls mit N Leerlauf-Einspritzdüsen der Durchlässigkeit P1 ausgestattet, die an die Leerlaufdrehzahl angepaßt sind, sowie im Wechsel hiermit mit N Start-Einspritzdüsen der Durchlässigkeit P2 > P1, die an die Vollastdrehzahl angepaßt sind,
• - in einer Ansicht des Kammerbodens parallel zu der genannten Gasströmungsrichtung vom Innern der Brennkammer aus sind die Kraftstoffeinspritzdüsen der Durchlässigkeit P1 des Flugkopfes und des Startkopfes im wesentlichen in einer Fünfpunktpunktanordnung gegeneinander versetzt. Diese Anordnung ermöglicht unter anderem die Benutzung eines herkömmlichen Zündsystems unabhängig von der Position des Flugkopfes, selbst wenn dieser im Innern angeordnet ist.
• Die Start-Einspritzdüsen mit der Durchlässigkeit P2 werden ab einer Rotationsgeschwindigkeit des Hochdruckverdichters, die etwa 70% der Nenngeschwindigkeit bei Vollastbetrieb entspricht, durch Flammausbreitung gezündet und arbeiten bis zum Vollgas.
• Die Durchlässigkeit P1 liegt vorteilhafterweise zwischen 10% und 12% des Luftdurchsatzes W36, der in die Brennkammer eintritt, und die Durchlässigkeit P2 liegt zwischen 26% und 35% dieses Luftdurchsatzes. Dieser Bereich der Werte für P2 gewährleistet das Zünden der Start-Einspritzdüsen durch Flammausbreitung und minimale Rauch- und NOx-Emissionen bei Vollgas.
• Die verwendeten Werte für P1 ermöglichen es, die folgenden fünf Kriterien zu erfüllen, nämlich daß
• 1. die Überhitzungsgrenze der Niederdruckturbine beim Starten nicht überschritten wird, was einen Gehalt in der Einspritzdüse von weniger als 3,2 erfordert,
• 2. ein minimaler Kraftstoffdurchsatz C pro Einspritzdüse von mehr als 4 kg/h erreicht wird, weil die Einspritzdüsen bis zu diesem Wert sehr heterogen werden,
• 3. ein Luftdurchsatz erreicht wird, der genügend groß ist, um zu verhindern, daß die Zerstäubung des Einspritzsystems durch Koksablagerungen gestört wird,
• 4. ein Gemischgehalt (größer als 20%) an der Grenze der Magerlöschung erreicht wird,
• 5. in der Einspritzdüse ein Gehalt zwischen 0,9 und 1,3 erreicht wird, um die Umweltverschmutzung im Leerlauf zu optimieren und so einen guten Wirkungsgrad der Verbrennung zu erreichen.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die auf die anliegenden Zeichnungen Bezug nimmt.
• Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch eine Brennkammer gemäß der Erfindung,
• Fig. 2 zeigt eine Teilansicht des Kammerbodens vom Innern der Kammer parallel zur Strömungsrichtung der Gase,
• Fig. 3 zeigt die Kennlinie der Kohlenmonoxidemission im Leerlauf als Funktion des Gehalts in der Einspritzdüse,
• Fig. 4 zeigt die Betriebspunkte einer Brennkammer mit zwei Köpfen als Funktion des Gehalts der Leerläuf-Einspritzdüsen, der Lastverteilung zwischen dem Startkopf und dem Leerlaufkopf und der Durchlässigkeit P1 der Leerlauf-Einspritzdüsen,
• Fig. 5 zeigt die Betriebspunkte einer Zweikopf-Brennkammer beim Zünden, wobei das Äquivalenzverhältnis der Einspritzdüse 55% des reduzierten Nenndurchsatzes beträgt, als Funktion des Gehalts der Einspritzdüsen beim Zünden, des Kraftstoffdurchsatzes pro Einspritzdüse und der Durchlässigkeit P1 der Leerlauf-Einspritzdüsen,
• Fig. 6 zeigt ähnliche Kurven wie Fig. 5, wobei das Äquivalenzverhältnis 65% des reduzierten Nenndurchsatzes beträgt.
• Die in den Zeichnungen dargestellte Gasturbinen-Brennkammer ist eine Ringbrennkammer. Sie wird von einer ringförmigen Außenwand 1, einer ringförmigen Innenwand 2 und einem transversalen Kammerboden 3 begrenzt, der die Wände 1 und 2 miteinander verbindet. Der Kammerboden 3 weist mehrere Öffnungen 4 auf, in denen jeweils ein Einspritzsystem angeordnet ist.
• Mit 5 ist ein Diffusor bezeichnet, der am Ausgang eines Hochdruckverdichters angeordnet ist und einen Luftdurchsatz A in einen ringförmigen Raum 6 verteilt, der von einem Außengehäuse 7 und einem Innengehäuse 8 begrenzt wird. Die Brennkammer ist in dem ringförmigen Zwischenraum 6 im Abstand von den Gehäusen 7 und 8 angeordnet.
• Ein Teil W36 des Luftdurchsatzes A tritt durch Einspritzsysteme und durch die in den Wänden 1 und 2 angebrachten primären Öffnungen 9 und 10 in die Primärzone P der Brennkammer.
• Die Gase verlassen die Brennkammer durch den Ausgang 11. Mit 11a ist die generelle Strömungsrichtung der Gase in der Brennkammer bezeichnet.
• Der Kammerboden 3 besitzt drei getrennte Abschnitte, nämlich einen äußeren Abschnitt 12, in dem mehrere Öffnungen 4 vorgesehen sind, einen ringförmigen mittleren Abschnitt 13, der annähernd parallel zu der Innenwand 10 verläuft, und einen inneren Abschnitt 14, in dem ebenfalls mehrere Öffnungen 4 vorgesehen sind. Der innere Abschnitt 14 liegt dem Diffusor 5 gegenüber. Die in den Öffnungen 4 des inneren Abschnitts 14 montierten Kraftstoffeinspritzdüsen bilden den Flugkopf 20, während die in den Öffnungen 4 des äußeren Abschnitts 12 montierten Kraftstoffeinspritzdüsen den Startkopf 21 bilden.
• Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird der mit Einspritzdüsen ausgestattete innere Abschnitt 14 als Flugkopf 20 bezeichnet, während der mit diesen Einspritzdüsen ausgestattete äußere Abschnitt 12 als Startkopf 21 bezeichnet wird. Der Flugkopf 20 umfaßt N Einspritzdüsen 22 der Durchlässigkeit P1. Erfindungsgemäß umfaßt der Startkopf im Wechsel N Einspritzdüsen 23 der Durchlässigkeit P1 und N Einspritzdüsen 24 der Durchlässigkeit P2. Außerdem sind die Einspritzdüsen 22 und 23 der Durchlässigkeit P1 in dem Kammerboden 3 in einer Fünfpunktanordnung gegeneinander versetzt, anders gesagt, die Einspritzdüsen 24 der Durchlässigkeit P2 liegen in Ebenen, die durch die Achse der Brennkammer und die Einspritzdüsen 22 des Flugkopfes 20 verlaufen.
• Die Einspritzdüsen 22 und 23 der Durchlässigkeit P1 sind an den Leerlaufbetrieb angepaßt, während die Einspritzdüsen 24 der Durchlässigkeit P2 an den Betrieb bei Vollgas angepaßt sind.
• Am Boden wird die Brennkammer mit Einspritzsystemen der Durchlässigkeit P1 gezündet und stabilisiert. Die Fünfpunktanordnung der Einspritzdüsen ermöglicht die Verwendung eines herkömmlichen Zündsystems, obwohl der Flugkopf relativ zur Achse der Brennkammer innen angeordnet ist.
• Die Durchlässigkeit P2, d. h. der Luftdurchsatz durch die Einspritzdüsen 24 ist größer als die Durchlässigkeit P1 der Einspritzdüsen 22 und 23.
• Die Einspritzsysteme der Durchlässigkeit P2 werden ab einer Rotationsgeschwindigkeit des Hochdruckverdichters, die 70% der Nenngeschwindigkeit des Hochdruckverdichters beträgt, durch Flammausbreitung gezündet und arbeiten bis zum Vollgasbetrieb.
• Die in der Außenwand 1 angeordneten primären Öffnungen 9 liegen in Ebenen, die durch die Achse der Brennkammer und durch die Einspritzdüsen 23 und 24 des Startkopfs 21 verlaufen.
• Wie Fig. 2 zeigt, haben die Öffnungen 9a, die den Einspritzdüsen 24 der Durchlässigkeit P2 gegenüberliegen, kleinere Querschnitte als die Öffnungen 9b, die den Einspritzdüsen 23 gegenüberliegen, damit in der Primärzone P ein lokaler Gehalt vorhanden ist, der mit demjenigen stromabwärts der Öffnungen 9a und 9b identisch ist.
• Fig. 3 zeigt die Kurve 30 der CO-Emissionen im Leerlauf in Abhängigkeit von dem Gehalt in der Einspritzdüse. Diese Kurve 30 zeigt, daß der Gehalt in der Einspritzdüse PHI zwischen 0,9 und 1,3 liegen muß.
• Die Einspritzsysteme 22, 23 der Durchlässigkeit P1 müssen so berechnet werden, daß sie die folgenden fünf Kriterien erfüllen, nämlich daß
• 1. die Überhitzungsgrenze der Niederdruckturbine beim Starten nicht überschritten wird, was erforderlich macht, daß der Gehalt in der Einspritzdüse PHI kleiner ist als 3,2,
• 2. ein minimaler Kraftstoffdurchsatz C pro Einspritzdüse von wenigstens 4 kg/h erreicht wird, weil die Einspritzdüsen bis zu diesem Wert sehr heterogen werden,
• 3. ein Luftdurchsatz erreicht wird, der genügend groß ist, um zu verhindern, daß die Zerstäubung des Einspritzsystems durch Koksablagerungen gestört wird,
• 4. ein Gemischgehalt an der Grenze der Magerlöschung erreicht wird,
• 5. in der Einspritzdüse ein Gehalt PHI zwischen 0,9 und 1,3 erreicht wird, um die Umweltverschmutzung im Leerlauf zu optimieren und so einen guten Wirkungsgrad der Verbrennung zu erreichen.
• In Fig. 4 sind die Betriebskurven der Einspritzsysteme der Durchlässigkeit P1 im Leerlauf als Funktion des Gehalts PHI in der Einspritzdüse und der Ladungsverteilung zwischen dem Flugkopf und dem Startkopf mit 40, 41 bzw. 42 bezeichnet. Die Kurve 40 entspricht einer Durchlässigkeit P1 von 10% von W36, die Kurve 41 einer Durchlässigkeit P1 von 12,3% von W36 und die Kurve 42 einer Durchlässigkeit P1 von 14,6% von W36. Die unter der horizontalen Linie 44 liegende Fläche 43 entspricht den Löschbedingungen der Flamme, wenn der Gehalt in der primären Zone P zu schwach ist (< 20%).
• Fig. 4 zeigt, daß die Durchlässigkeit P1 der Leerlauf-Einspritzsysteme größer sein muß als 20% von W36, um die obigen Kriterien 4 und 5 zu erfüllen, wenn die Verteilung zwischen dem Flugkopf und dem Startkopf in der Nähe von 50/50 liegt.
• Fig. 5 und 6 zeigen die Betriebskurven der Einspritzsysteme der Durchlässigkeit P1 beim Start als Funktion des Gehalts PHI in der Einspritzdüse und des Kraftstoffdurchsatzes pro Einspritzdüse. Die Kurve 50 entspricht der Durchlässigkeit P1 von 8% von W36, und die Kurven 51, 52, 53, 54 entsprechen Durchlässigkeiten F1 von 10%, 12%, 14% bzw. 16% von W36. Die Durchlässigkeit P1 sollte größer sein als 10% von W36, um Koksablagerungen in den Kraftstoffeinspritzdüsen zu verhindern,
• Fig. 5 betrifft eine Brennkammer für ein Turbotriebwerk, dessen Anlasser eine Luftzuführung von mehr als 55% des reduzierten Nenndurchsatzes der Kammer gewährleistet. Fig. 6 betrifft eine Brennkammer für ein Turbotriebwerk, dessen Anlasser eine Luftzuführung von mehr als 65% des reduzierten Nenndurchsatzes der Kammer gewährleistet.
• Die schraffierte Fläche 60 zeigt die Position der Betriebspunkte beim Anlassen, die einen guten Kompromiß zwischen den fünf oben angegebenen Kriterien ermöglichen.
• Man erkennt, daß die Durchlässigkeit P1 zwischen 10% und 12% von W36, vorzugsweise zwischen 11% und 12% von W36, liegen soll.
• Die Einspritzsysteme 24 der Durchlässigkeit P2 müssen so dimensioniert sein, daß sie das Zünden durch Flammausbreitung ermöglichen und minimale Rauch- und NOx-Emissionen bei Vollgas ergeben. Die Durchlässigkeit P2 liegt vorzugsweise zwischen 26% und 35% von W36.
• Die oben beschriebene Ausbildung der Kammer ermöglicht es, ein leistungsfähiges radiales Temperaturprofil von Leerlauf bis Vollgas zu erreichen und ein herkömmliches Zündsystem zu benutzen, obwohl der Flugkopf 20 in der inneren Position liegt.

Claims (4)

1. Ringbrennkammer mit axialen Wänden (1, 2), die durch einen Kammerboden (3) miteinander verbunden sind, und mit mehreren Kraftstoffeinspritzdüsen, die in Löchern (4) angeord- net sind, die den Kammerboden (3) durchdringen, wobei die Einspritzdüsen verteilt sind auf einen inneren Abschnitt (14), der einen Flugkopf (20) bildet, und einen äußeren Abschnitt (12), der einen Startkopf (21) bildet und in radialem Abstand von dem Flugkopf (20) angeordnet ist, wobei die Brennkammer eine generelle Gasströmungsrichtung (11) aufweist und wobei der Flugkopf (20) mit N Leerlauf-Einspritzdüsen (22) der Durchlässigkeit P1 ausgestattet ist, die an die Leerlaufdrehzahlen angepaßt sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Startkopf (21) in regelmäßigem Wechsel mit N Leerlauf-Einspritzdüsen (23) der Durchlässigkeit P1, die an die Leerlaufdrehzahl angepaßt sind, und mit N Start-Einspritzdüsen (24) der Durchlässigkeit P2 > P1, die an die Vollast-Drehzahl angepaßt sind, ausgestattet ist,

und daß in einer Ansicht des Kammerbodens parallel zu der genannten Gasströmungsrichtung (11) vom Innern der Brennkammer aus die Kraftstoffeinspritzdüsen (22, 23) der Durchlässigkeit P1 des Flugkopfes (20) und des Startkopfes (21) im wesentlichen in einer Fünfpunktanordnung gegeneinander versetzt angeordnet sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässigkeit P1 zwischen 10% und 12% des in die Brennkammer eintretenden Luftdurchsatzes W36 liegt.

3. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässigkeit P2 zwischen 26% und 35% des in die Brennkammer eintretenden Luftdurchsatzes W36 liegt.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere axiale Wand (1) primäre Öffnungen (9a, 9b) für die Einleitung von Primärluft in die Kammer aufweist, wobei diese Öffnungen in Ebenen liegen, die durch die Achse der Brennkammer und die Kraftstoffeinspritzdüsen (23, 24) des Startkopfes verlaufen,

und daß die Querschnitte der den Einspritzdüsen (24) der Durchlässigkeit P2 gegenüberliegenden Öffnungen (9a) kleiner sind als die Querschnitte der den Einspritzdüsen (23) der Durchlässigkeit P1 gegenüberliegenden Öffnungen (9b), um auf der stromabwärtigen Seite der Öffnungen einen identischen lokalen Gehalt zu erreichen.