DE807450C - Brennstoff-Verdampfer fuer Gasturbinen-Brennkammern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Brennstoff-Verdampfer für Gasturbinen-Brennkammern. Bei Gasturbinentriebwerken wird der Brennstoff in unter hohem Druck stehende und mit hoher Geschwindigkeit strömende Luft eingespritzt, und die Brenngase gelangen aus den Brennkammern in eine Turbine. Tm allgemeinen findet die Verbrennung in einem zylindrischen Einsatz statt, der im folgenden als Flammrohr bezeichnet wird und der im Innern einer Brennkammer mit Abstand von deren Wänden angeordnet ist. Das Flammrohr wird also rundherum von Luft umspült, die dem Flammrohr nach und nach zugeführt wird, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und ein Arbeitsmedium für die Turbine zu erzeugen. Die Verbrennung wird am Eintrittsende des Flammrohrs durch die Einführung von Brennstoff in einen Teilluftstrom eingeleitet, der entgegen der Strömungsrichtung umgeleitet wird, so daß sich die einmal durch eine Zündkerze o. dgl. entzündete Flamme immer selbst aufrechterhält.

Der Brennstoff kann in die Flammrohre der Brennkammern von Gasturbinentriebwerken durch Zerstäuberdüsen als Dampf oder als ein reiches Gemisch aus Dampf und Luft eingebracht werden. Im letzteren Fall wird flüssiger Brennstoff und eine bestimmte Menge Luft laufend in besondere Verdampferelemente eingebracht, die von außen der Verbrennungswärme ausgesetzt sind, so daß der durch sie hindurchgeleitete Brennstoff verdampft, ehe er in die Flammenzone austritt. Die bekannten Verdampfungselemente bestehen üblicherweise aus Rohren, die unmittelbar in die Flammenzone einmünden. Hierbei ist es aber schwierig, den Brennstoff gleichmäßig über die Innenfläche dieser Rohre

zu verteilen, und da der Brennstoff beim Verdampfen als Kühlmittel für die Rohre dient, ergibt diese ungleichmäßige Verteilung infolge örtlicher Überhitzungen viele Rohrschäden. Außerdem werden die örtlichen Überhitzungen durch Anlagerungen von Kohle an der Außenfläche der Verdampferrohre verstärkt, was Vorsichtsmaßnahmen, wie Einrichtungen zur Bildung einer isolierenden Luftströmung über diese Oberflächen, nötig macht. Solche Komplikationcn haben sich jedoch nicht als vollkommen wirksam erwiesen.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein Verdampfungselement für Flammrohre zu schaffen, das örtlichen Überhitzungen nicht ausgesetzt ist und bei dem nicht die Gefahr der Loslösung von Teilen besteht, die dann von dem Gasstrom mitgerissen und beim Eintritt in die Turbine diese gefährden würden. Das neue Element soll auch ein Kracken des Brennstoffs durch Berührung mit überhitzten Oberflächen und das sich dadurch ergebende Zusetzen des Rohres verhindern. Schließlich soll sich das neue Verdampferelement infolge einfacher Ausbildung und robuster Konstruktion leicht und billig herstellen lassen.

Dies wird dadurch erreicht, daß das Verdampfungssystem als ringförmiges Element ausgebildet ist, das fest mit der Wand des Flammrohres verbunden ist und sich von dem Einlaßende ein Stück in Strömungsrichtung erstreckt. Das Verdampfungselement weist eine Einlaßöffnung auf, durch die ein Teil der dem Flammrohr zuströmenden Luft eintritt, Organe zur Einspritzung des Brennstoffs in das Element und Mittel, durch die die in das Element eingetretene Luft zusammen mit dem Brennstoff an dem Austrittsende entgegen der allgemeinen Strömungsrichtung umgelenkt wird.

In der Zeichnung ist eine solche ringförmige Brennkammer dargestellt, doch läßt sich die Erfiudung natürlich auch bei Verbrennungssystemen mit rohrförmigen Brennkammern anwenden. Insofern stellt die folgende Beschreibung der Zeichnung also keine Einschränkung des Geltungsbereichs der Erfindung dar.

Fig. ι ist eine Seitenansicht eines teilweise aufgeschnittenen Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie 2-2 in Fig. r. und

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der aufgeschnittenen ringförmigen Brennkammer.

Während des Betriebs führt der Verdichter 10 dem Verbrennungssystem 11 Luft durch einen Diffusor 13 zu. Der Brennstoff wird in dieses System eingespritzt und in der durch dieses hindurchströmenden Luft verbrannt. Die Verbrennungsgase gelangen mit hoher Geschwindigkeit in die Turbine 14. die den Verdichter antreibt und je nach ihrer Bauart gegebenenfalls auch noch für andere Zwecke Leistung abgibt. Die durch die Düse 15 aus der Turbine austretenden Verbrennungsgase können noch für den Strahlvortrieb der Einheit ausgenutzt werden.

Das Verbrennungssystem besteht aus einer ringförmigen Brennkammer, die durch die innere Wand 16 und die äußere Wand 17 begrenzt wird und gleichachsig mit dem üblichen Haupttragglied 18 angeordnet ist. Zwischen den Wänden 16 und 17 ist das Flammrohr vorgesehen, das durch die innere Wand 20 und die äußere Wand 21 gebildet wird. Diese beiden Wände sind mit Abstand von den Wänden der Brennkammer angeordnet, so daß Ringräume 22 und 23 zwischen den Wänden der Brennkammer und des Flammrohrs vorhanden sind.

Die ringförmige Eintrittsöffnung des Flammrohrs zwischen den Wänden 20 und 21 ist durch eine Wand 24 in zwei konzentrische Ringflächen unterteilt. Diese Wand verläuft, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, etwa parallel zur inneren Wand 20 und erstreckt sich ein kurzes Stück in Strömungsrichtung. Sie bildet so zusammen mit der Wand 20 einen Ringraum 25. Am Eintrittsende dieses Raumes sind auf den Umfang verteilt mehrere Leitschaufeln 26 angeordnet, die dem in diesen Ringraum eintretenden Luftstrom einen Drall erteilen. Auch die äußere dieser beiden Ringflächen, durch die die Hauptluftmenge in das Flammrohr eintritt, ist mit einer Reihe von auf den Umfang verteilten Leitschaufeln 26° versehen, die die Wände 21 und 24 miteinander verbinden.

In Strömungsrichtung etwas hinter dem Ende der Wand 24 ist außen auf der Innenwand 20 des Flammrohrs ein ringförmiges Umlenkblech 27 angeordnet. Dieses Umlenkblech weist an seinem äußeren Rand einen Flansch 28 auf, der sich entgegen der Strömungsrichtung über das hintere Ende der Wand 24 hinaus erstreckt und einen etwas größeren Durchmesser als jene hat, so daß sich zwischen beiden ein entgegen der Strömungsrichtung offener Ringraum ergibt.

Der Brennstoff wird durch eine Leitung und mehrere auf den Limfang verteilte Düsen 30 unmittelbar hinter den Leitschaufeln 26 in den Raum 25 eingespritzt. Die Düsen sind so angeordnet, daß sie den Brennstoff im gleichen Sinne tangential in den Raum einspritzen, in dem die Luft durch die Leitschaufeln in Drehung versetzt wird.

Wie bei den üblichen Flammrohren sind die inneren und äußeren Wände 20 und 21 in Strömungsrichtung hinter dem Umlenkblech mit über die Länge verteilten Löchern 32 und 33 versehen, durch die j Luft aus den Räumen 22 und 23 zwischen den Wänden des Flammrohrs und der Brennkammer nach und nach in das Flammrohr eintreten kann.

Während des Betriebes tritt Luft aus dem Verdichter in Richtung der Pfeile. 4 in das Verbrennungssystem ein. Ein Teil der Luft gelangt in die Ringräume 22 und 23 und bildet so rund um das Flammrohr einen verhältnismäßig kühlen Mantel. Ein anderer Teil der Luft gelangt zwischen den Leitschaufeln 26 hindurch in den Ringraum .25 und der Rest zwischen den Leitschaufeln 26" hindurch in das Flammrohr und erhält hierbei durch die Leitschaufeln einen Drall in Richtung der Pfeile R. Die. Luft bewegt sich also auf Schraubenbahnen in dem Flammrohr, und die dabei auftretenden Zentri-

fugalkräfte bewirken, daß die Luft entsprechend den Pfeilen C an der Außenwand 21 entlang strömt.

Der flüssige Brennstoff wird durch die Düsen 30 in die Luft eingespritzt, die durch den Ringraum 25 strömt. Wegen der tangentialen Einspritzrichtung und des der Luft durch die Leitschaufeln 26 erteilten Dralls wird der Brennstoff durch die Zentrifugalkraft nach außen gegen die Innenfläche der Wand 24 getragen. Das Gemisch aus Brennstoff und Luft,

ίο das durch den Raum 25 strömt, wird durch das Umlenkblech 27 und dessen Flansch 28 um ungefähr i8o° umgelenkt, so daß es in Richtung der Pfeile D entlang der Außenfläche der Wand 24 in das Flammrohr ausmündet.

Der in das Flammrohr in Richtung der Pfeile C eintretende Hauptluftstrom und das in Richtung der Pfeile D eintretende reiche Gemisch erzeugen einen geschlossenen Wirbel E in einer zwischen ihnen liegenden Zone niedrigen Drucks. Dieser Wir-

ao bei erstreckt sich rund um den Ringraum des Flammrohrs und bewirkt eine innige Vermischung der beiden Ströme. Der Wirbel bildet den Kern der in dem Flammrohr stattfindenden Verbrennung, und während seine äußeren Schichten dauernd in der Hauptströmungsrichtung fortgetragen werden, tritt weitere Luft durch die Löcher 32 und 33 ein, um die Verbrennung weiter aufrechtzuerhalten und das Arbeitsmedium für die Turbine zu erzeugen. Nachdem das Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Wirbel einmal entzündet ist, setzt sich die Flamme von allein weiter fort.

Die Wand 24 ist der in dem Wirbel stattfindenden Verbrennung unmittelbar ausgesetzt und wird infolgedessen sehr heiß. Ein Verbrennen wird aber durch die Kühlwirkung des durch die Düsen auf die Innenseite dieser Wand aufgespritzten Brennstoffs und zusätzlich durch den Einfluß der durch den Ringraum 25 strömenden Luft verhindert. Beim Kühlen der Wand verdampft der Brennstoff, und das Dampf-Luft-Gemisch wird erhitzt, so daß die in die Verbrennungszone des Flammrohrs austretenden Gase für die Verbrennung gut aufbereitet sind. Die die Verdampfung bewirkende Oberfläche der Wand 24 ist im Vergleich zu den in den rohrförmigen Verdampfern zur Verfügung stehenden Flächen so beträchtlich, daß bei geringeren Temperaturen eine bessere Verdampfung erzielt werden kann. Dadurch werden ein Zusetzen und Kohleablagerung vermieden und Verbesserungen der Verbrennung und eine Verlängerung der Lebensdauer des Verdampferelements erzielt. Außerdem besteht infolge der vollkommenen Verdampfung keine Gefahr mehr, daß sich Brennstoff unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte ausscheidet, wenn das Gemisch durch das Umlenkblech 27 umgelenkt wird.

Im vorstehenden wurden die Worte innere und äußere usw. mit Bezug auf die Längsachse des Triebwerks verwendet. Zum Beispiel hat die innere Wand des Flammrohrs einen geringeren Durchmesser als die äußere. Doch wurden Bezeichnungen wie »innerhalb der Brennkammer«, »im Innern des Flammrohrs« usw. in dem Sinne verwendet, daß die Brennkammer und das Flammrohr im wesentlichen in sich ge- ! schlossene Kammern oder Leitungen sind, ohne j dabei auf die besondere Form Rücksicht zu nehmen, und daß das Flammrohr ein Einsatz der Brennkammer ist. So bedeutet also die Bezeichnung »innerhalb des Flammrohrs« bei einer ringförmigen Ausbildung des Systems, wie es beschrieben wurde, »außerhalb der inneren Wand und innerhalb der äußeren Wand«, während es bei einem einfach rohrförmigen System »von der Wand umgeben« bedeuten würde. Solche erläuternden Sätze können also ganz allgemein für beide Systeme angewendet werden und werden auch in den Ansprüchen in diesem Sinne verwendet.

Es versteht sich, daß die vorstehende Beschreibung einige Merkmale enthält, die speziell einem ringförmigen Verbrennungssystem eigen sind, und daß bei Anwendung der Erfindung auf ein rohrförmiges Verbrennungssystem aus der durch die besondere Führung der Brennstoff- und Gasströme entstehenden Zentrifugalwirkung keine Vorteile gezogen werden können. Außerdem kann es bei verschiedenen ringförmigen Verbrennungssystemen im Interesse einer besseren Zugänglichkeit der Brennstoffzuführungseinrichtungen oder aus anderen Gründen wünschenswert sein, das Verdampferelement Heber an der äußeren als an der inneren Wand des Flammrohrs anzuordnen. In solchen Fällen würden die auf das Brennstoff-Luft-Gemisch wirkenden Zentrifugalkräfte das Gemisch daran hindern, die Verdampfungsfläche zu kühlen. Jedenfalls wird die erzielte Kühlung immer ausreichen, und die Verwendung von Leitschaufeln zur Erzeugung eines Dralls, wie sie beschrieben wurde, ist für das einwandfreie Arbeiten der Erfindung nicht unbedingt notwendig. Das wesentliche Merkmal ist das Verdampferelement in Gestalt einer Doppelwand, die sich rund um die Flammenzone über die ganze oder einen Teil der Flammrohrwand erstreckt, wobei die zusätzliche Wand entweder innerhalb, wie es beschrieben wurde, oder außerhalb des Flammrohrs angeordnet sein kann. Dieses Element kann mit Vorteil bei jeder Brennkammer verwendet werden, die dazu dient, einen Wirbelkern und eine bessere Verteilung der Flamme im Flammrohr" gegenüber den zur Zeit im Gebrauch befindlichen Brennkammern zu entwickeln, und schafft gleichzeitig einen billig herzustellenden und robusten Verdämpfer, der bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen arbeitet und nicht zu örtlichen Überhitzungen neigt.

Die Anwendung der Erfindung, wie sie dargestellt und beschrieben wurde, stellt daher nur ein besonders günstiges Beispiel dar, und Abweichungen in der Form, Größe und Anordnung der Teile können vorgenommen werden, ohne daß damit das Wesen der Erfindung verlassen \vird.

Claims (1)

120 Patentansprüche:

i. Brennstoff-Verdampfer für Gasturbinen-Brennkammern, durch die ein Luftstrom geleitet wird und in der ein Flammrohr im wesentlichen konzentrisch angeordnet ist, durch das ein Teil der Luft hindurchströmt und das Mittel zur

Einleitung der in dem Flammrohr stattfindenden Verbrennung aufweist, gekennzeichnet durch ein ringförmiges Verdampfungselement (24, 2j), das fest mit einer der Wände (20, 21) des Flammrohrs verbunden ist und sich von dem Einlaßende des Flammrohrs ein Stück in Strömungsrichtung erstreckt, eine Einlaßöffnung aufweist, durch die ein Teil der dem Flammrohr zuströmenden Luft in das Element gelangt, und Organe zur Einspritzung des Brennstoffs in diese Luft sowie Mittel, durch die die in das Element eingetretene Luft zusammen mit dem Brennstoff an dem Austrittsende entgegen der allgemeinen Strömungsrichtung umgel-enkt wird.

2. Brennstoff-Verdampfer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine konzentrisch zu den Wänden (20, 21) des Flammrohrs und mit Abstand von diesen angeordnete Wand (24), die sich von dem Einlaßende des Flammrohrs ein Stück in Strömungsrichtung erstreckt und zusammen mit einer der Flammrohrwände einen Ringraum (25) bildet, der einen Teil der in das Flammrohr eintretenden Luft aufnimmt.

3. Brennstoff-Verdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (24) außerhalb des Flammrohrs (20, 21) angeordnet ist.

4. Brennstoff-Verdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (24) innerhalb des Flammrohrs (20. 21) angeordnet ist.

5. Brennstoff-Verdampfer nach einem der Ansprüche ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter der Wand (24) an der Flammrohrwand (20) ein ringförmiges Leitblech (27) angeordnet ist.

6. Brennstoff-Verdampf er nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech (27) einen entgegen der Strömungsrichtung gerichteten Flansch (28) aufweist, der mit Abstand konzentrisch zu der Wand (24) angeordnet ist.

7. Brennstoff-Verdampfer nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß der an dem Leitblech {2j) angeordnete Flansch (28) entgegen der Strömungsrichtung über das hintere Ende der Wand (24) hinausreicht.

8. Brennstoff-Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Einspritzdüsen (30), die innerhalb des Verdampfungselements (24, 25) in derXähevon dessen Eintrittsende angeordnet sind.

9. Brennstoff-Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (26⁰), die der in das Flammrohr (20. 21) eintretenden Luft einen Drall erteilen.

10. Brennstoff-Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (26), die der in das Verdampfungselement (24, 25) eintretenden Luft einen Drall erteilen.

11. Brennstoff-Verdampfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Eintrittsende des Flammrohrs (20. 21) mehrere Leitschaufeln (26°) vorgesehen sind.

12. Brennstoff-Verdampfer nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß am Eintrittsende des Verdampfungselements (24, 25) mehrere Leitschaufeln (26) vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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