DE1058314B - Brennkammer mit Zuendvorrichtung, insbesondere fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer insbesondere für Gasturbinen mit an einem Ende der Brennkammer angeordneter Brennstoffdüse, welche den Brennstoff kegelförmig versprüht, mit am gleichen Kammerende angeordneten Luftdüsen und mit einer in die Brennkammer hineinragenden elektrischen Zündvorrichtung, die in die Außenzone des Brennstoffsprühkegels hineinragt und ein die Elektroden umgebendes Prallrohr aufweist, welches mit einer Reihe von Öffnungen versehen ist und über die Elektrodenenden hinausragt.

Die Erfindung bezweckt, eine verbesserte Brennkammer der vorgenannten Art zu schaffen, die es bei geringstem Aufwand ermöglicht, die mit hoher Geschwindigkeit strömenden Brennstoffe in den Brennkammern insbesondere von Gasturbinen zu zünden. Eine sichere Zündung der Brennstoffe konnte bisher bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten nur dann erreicht werden, wenn man zur Zündung eine besondere Zündflamme verwendete. Besondere Zündflammen erfordern aber einen erheblichen apparatemäßigen und steuerungstechnischen Aufwand, da sie neben einer Zündvorrichtung auch eine besondere sorgfältig dosierte Brennstoff- und Luftversorgung benötigen.

Um diesen erheblichen Aufwand zu vermindern und bereits eine Zündung allein durch eine Zündkerze unter Ausschluß einer besonderen Zündflamme in einem weiten Temperaturbereich zwischen +70 und — 55° C zu erreichen, ohne dabei mit einer Verkohlung oder Verschmutzung der Zündelektroden rechnen zu müssen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Brennkammer der vorgenannten Art so auszubilden, daß das Prallrohr konzentrisch von einem äußeren über die Elektrodenenden hinausragenden weiteren Prallrohr umgeben ist, dessen Außenfläche von dem an einem Ende der Brennkammer erzeugten Brennstoff-Luft-Gemisch beaufschlagt wird und eine Anzahl von mit Abstand zueinander angeordneten, den Öffnungen des inneren Prallrohres benachbarte Öffnungen aufweist, über die das Gemisch in den Ringraum zwischen den beiden Prallrohren eintreten kann.

Durch diese erfindungsgemäße Doppelanordnung von Prallrohren wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches herabgedrückt und eine kräftige Wirbelung und damit eine besonders gründliche Vermischung der Gemischkomponenten erreicht. Die Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit und Verbesserung der Mischung resultiert aus dem Aufprall der Mischungspartikeln an den Oberflächen beider Prallrohre, insbesondere in dem von ihnen begrenzten Ringraum, aus der Reflexion und der Ablenkung der Strömung beim Durchfluß des Gemisches durch die Prallrohröffnungen.

Zum Stande der Technik sei in diesem Zusammen-

Brennkammer mit Zündvorrichtung,
insbesondere für Gasturbinen

Anmelder:

Bendix Aviation Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. April 1955

Richard P. Cuny, Union City, N. J.,

William Dietz, Hillsdale, N. J.,

William Drown Antrim jun., Eastgate, Topsüeld, Mass., und Dennen John Bunger, Whitesboro, N. Y. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden

hange noch darauf hingewiesen, daß es bereits bei Zündflammen und besonderen Zündkammeranordnungen bekanntgeworden ist, ein einfaches Prallrohr zu verwenden. Diese Zündeinrichtungen, die sich innerhalb des Prallrohres befinden, brauchen aber nur das für die Zündflamme vorgesehene Gemisch zu zünden, welches naturgemäß keine so hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist wie das Brennstoffgemisch in der eigentlichen Brennkammer.

Ferner ist es auch noch bekanntgeworden, um eine gewisse Reinigungswirkung an der Zündkerze zu erreichen, diese von einem luftdurchströmten Kanal zu umgeben.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Zündvorrichtung, welche in an sich bekannter Weise bezüglich ihrer Längsachse vorzugsweise einen spitzen Winkel mit der Düsen- und Brennkammerachse bildet, so ausgebildet sein, daß das äußere Prallrohr einen abgeschrägten Innenrand hat und mit dem kürzeren Wandungsteil, welcher zur Brennstoffdüse gerichtet ist, etwas gegenüber dem benachbarten Rand des inneren Prallrohres zurückbleibt, [!während der längere Wandungsteil des äußeren Pralljlrohres über den benachbarten Rand des inneren Prallürohres hinausragt.

90i 52«/12O

Hierbei können die öffnungen des äußeren Prallrohres gegenüber den öffnungen des inneren Prallrohres, welches eine große und mehrere kleinere öffnungen aufweist, versetzt angeordnet sein und einen größeren Durchmesser aufweisen als die kleinen öffnungen des inneren Prallrohres.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Brennkammer mit Zündvorrichtung für einen Heißgas-Turbinenanlasser,

Fig. 2 ein Perspektivbild des inneren Prallrohres und

Fig. 3 ein Perspektivbild des äußeren Prallrohres.

Die Zeichnung zeigt eine Turbine 1 zum Anlassen eines nicht dargestellten Flugzeugturbotriebwerkes. Die Turbine ist axialer Bauart und wird durch die heißen Verbrennungsgase angetrieben, die mit hoher Geschwindigkeit den Düsen 2 des Einspritzdeckels 3 der Brennkammer 4 entströmen, in der zur Verbrennung ein Luft-Brennstoff-Gemisch verbrannt wird. Die Brennkammer ist aus einem Kegelkörper 5 gebildet und am erweiterten Ende durch den Einspritzdeckel 3 zugedeckt, der einen zentralen, gewölbten Teil der Kammer bildet, durch den verschiedene Vorteile erreicht werden. Die Düsen 2, die über Kanäle 2' mit der Brennkammer verbunden sind, befinden sich am Rande des Deckels und sind mit passender Neigung von der Brennkammerrichtung aus auf die Turbinenschaufeln zu angeordnet. Der schmale Teil 6 der Kammer hat einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser und ist durch eine Ansaugplatte 7 zugedeckt, die mit einer Mehrzahl von Öffnungen 8 versehen ist, durch die Druckluft von einer geeigneten angeschlossenen Quelle der Kammer mit hoher Geschwindigkeit zugeführt wird. Das Ausgangsende 9 einer in geeigneter Weise befestigten Brennstoffdüse 11 ragt in axialer Richtung durch die Ansaugplatte in die Brennkammer hinein. Unter Druck stehender Brennstoff wird durch eine geeignete angeschlossene Vorrichtung, die nicht dargestellt ist, durch die Düse 11 der Kammer zugeführt. Die Düse spritzt den Brennstoff kegelförmig in die Kammer hinein, und der so erzeugte Brennstoffstrahl vermischt sich mit der strömenden Druckluft. Die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches geschieht durch eine elektrische Zündvorrichtung 12, die an der kegelförmigen Wand 3 der Brennkammer befestigt ist. Die Zündvorrichtung ragt schräg in die Kammer in den Strömungsweg des Gemisches hinein.

Die Zündvorrichtung umfaßt Mittel zur Aufstauung und Verzögerung der Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu den Elektroden der Zündvorrichtung und zur Zerteilung des Gemisches in sehr innig vermischte verdampfte Teilchen von Brennstoff und Luft, wodurch eine augenblickliche Zündung bei allen Temperaturen des weiten Betriebstemperaturbereiches erfolgt.

Die Vorrichtung umfaßt ein zylinder förmiges inneres Prallrohr 15, welches durch einen an der Mitte vorgesehenen Außenflansch 18 in zwei Teile 16 und 17 unterteilt ist. Der Teil 16 besitzt unmittelbar rechts vom Flansch 18 eine einzige Reihe von kleinen Öffnungen 19, die in gleichmäßigem gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Eine der Öffnungen ist, wie bei 21 gezeigt, größer als die anderen. Der auf der anderen Seite des Flansches 18 befindliche Teil 17 ist mit einem Innengewinde 22 und einem Außengewinde 23 versehen. Der Teil 17 erstreckt sich durch die axiale öffnung eines zweiten äußeren Prallrohres 24.

Der Flansch 18 legt sich gegen die innere Fläche eines Flansches 25 an, der das eine Ende des Rohres 24 umgibt. Am Teil 17 links vom Flansch 18 vorgesehene Keile 26 greifen beim Zusammenbau in entsprechende Keilnuten 27 des Flansches 25 ein, um eine gegenseitige Verdrehung der beiden Prallrohre zu verhindern. Der Teil 16 des inneren Prallrohres 15 wird durch den Flansch 25 koaxial in gewissem Abstand von der umgebenden Wand 28 des äußeren

ίο Prallrohres 24 gehalten. Dieses besitzt am Umfang der Wand 28 zwei gegeneinander versetzte Reihen von öffnungen 29, die den Öffnungen 19 des Rohres 15 im wesentlichen gegenüberstehen und einen etwas größeren Durchmesser als diese haben. Der zylin-

!5 drische Teil 28 des äußeren Prallrohres 24 ist schräg abgeschnitten, so daß sich gegenüberstehende lange und kurze Wandteile 31 und 32 entstehen. Der längere Wandteil erstreckt sich schaufelähnlich über das freie Ende 33 des Rohres 15 hinaus, während dieses Ende

ao über den kürzeren Wandteil 32 hinausragt (Fig. 1). Die Rohre 15 und 24 umgeben konzentrisch die Elektroden 34 einer Zündkerze 35 und tragen in einer später zu erläuternden Weise durch die Beeinflussung der Verdampfung des Brennstoff-Luft-Gemisches und der Strömung zur augenblicklichen Zündung der Vorrichtung unter allen zu erwartenden Betriebstemperaturen bei.

Die Zündkerze 35 ist mittels des Gewindes 36 mit dem Innengewinde 22 des inneren Prallrohres yerschraubt.

Die Zündvorrichtung wird von dem Kegelkörper 5 der Brennkammer getragen, mit dem zu diesem Zweck ein kurzer, in die Kammer schräg hineinragender Kragen 37 fest verbunden ist. Durch die axiale Öffnung des Kragens 37 erstreckt sich der Gewindeteil 23 des Rohres 15 derart, daß Teile der Keile 26, die sich über den Flansch 25 hinaus erstrecken, in entsprechende Nuten 38 des Kragens 37 eingreifen. Mittels einer Mutter 39, die auf das Außengewinde 23 des inneren Prallrohres aufgeschraubt wird und in das Innere des Kragens 37 eingreift, wird die Zündvorrichtung an Kragen und Brennkammerwand befestigt. Auf beiden Seiten des Flansches 25 sind geeignete Dichtungen 42 angebracht. Der Brennstoffdüse 9

⁴S liegt der kurze Wandteil 32 des äußeren Prallrohres 24 am nächsten, während der Schaufelteil 31 den größten Abstand von ihr aufweist. Diese Anordnung ist für die Arbeitsweise der Vorrichtung wichtig und wird durch die Keile des Rohres 15 in Zusammenwirkung der Nuten 27 im Flansch 25 des äußeren Prallrohres 24 mit dem Kragen 37 beim Zusammenbau gesichert.

Die Zündvorrichtung arbeitet wie folgt: Die Düse

11 richtet einen kegelförmigen Strahl des unter Druck stehenden Brennstoffs in die Brennkammer hinein.

Die durch die öffnungen 8 in der Ansaugplatte zugeführte Druckluft stößt mit dem Brennstoffstrahl zusammen und vermischt sich mit ihm. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird auf seinem Wege zur Zündvorrichtung durch den in diesen Weg hineinragenden kurzen Wandtei.l 32 des äußeren Prallrohres aufgestaut oder umgeleitet, wodurch eine Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches und eine bessere Verdampfung und Vermischung desselben erfolgt. Der verzögerte Strom fließt um den Rand des kurzen Wandteiles 32 herum und prallt gegen die untere Fläche 42 des inneren Prallrohres 15., wodurch er noch weiter verzögert wird. Eine Wirbelströmung wird durch Gemischbestandteile erzeugt, die durch die Öffnungen 29 des Rohres 24 hindurchgehen. Diese Wirbelströmung wird noch um das innere Prallrohr

15 herum verstärkt, wenn die Gemischbestandteile durch die kleineren Öffnungen 19 des letzteren hindurchzugehen versuchen. Das verzögerte Brennstoff-Luft-Gemisch wird ferner um den Außenrand des inneren Prallrohres herumgepreßt, um durch den hinausragenden Schaufelteil 31 des äußeren Prallrohres umgelenkt zu werden. Das durch den Teil 31 aufgefangene und umgelenkte Gemisch trägt zur Wirbelbildung und zur Erzeugung eines außerordentlich innig gemischten und weitgehend verdampften Brennstoff-Luft-Gemisches bei. Das verdampfte Gemisch neigt dazu, die Wirbelströmung mit herabgesetzter Geschwindigkeit durch die kleineren Öffnungen 19 und in großer Menge durch die große Öffnung 21 des inneren Prallrohres zu verlassen, um zu den Elektroden zu fließen und dort gezündet zu werden. Diese kombinierte Stau-, L^Tmlenkungs-, Verzögerungsund Mischwirkung macht das Brennstoff-Luft-Gemisch zur augenblicklichen Zündung im Betriebsternperaturbereich von —55 bis 70° C geeignet. Durch diese Arbeitsweise wird auch eine Vollständigkeit der Zündung und ein Mindestmaß von Verkohlung und Verschmutzung der Teile der Zündvorrichtung erzielt.

Obgleich die Zündvorrichtung gemäß der Erfindung in ihrer Anwendung bei Brennkammern für Turbinenanlasser von Turbostrahltriebwerken beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann auch allgemein zur Einleitung der Verbrennung eines insbesondere schnell strömenden Brennstoffs in beliebigen Brennkammern verwendet werden.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt, sondern diese kann in Übereinstimmung mit dem Erfindungsgedanken auf vielerlei Art abgeändert werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Brennkammer insbesondere für Gasturbinen mit an einem Ende der Brennkammer angeordneter Brennstoffdüse, welche den Brennstoff kegelförmig versprüht, mit am gleichen Kammerende angeordneten Luftdüsen und mit einer in die Brennkammer hineinragenden elektrischen Zündvorrichtung, die in die Außenzone des Brennstoffsprühkegels hineinragt und ein die Elektroden umgebendes Prallrohr aufweist, welches mit einer Reihe von Öffnungen versehen ist und über die Elektrodenenden hinausragt, dadurch gekennzeichnet, daß das Prallrohr (15) konzentrisch von einem äußeren über die Elektrodenenden hinausragenden weiteren Prallrohr (24) umgeben ist, dessen Außenfläche von dem am einen Ende der Brennkammer erzeugten Brennstoff-Luft-Gemisch beaufschlagt wird und eine Anzahl von mit Abstand zueinander angeordneten, den Öffnungen (19) des inneren Prallrohres (15) benachbarte Öffnungen (29) aufweist, über die das Gemisch in den Ringraum zwischen den beiden Prallrohren (15, 24) eintreten kann.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Längsachse der in die Kammer hineinragenden elektrischen Zündvorrichtung (12) die Düsen- und Brennkammer achse unter einem spitzen Winkel schneidet.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Prallrohr (24) einen abgeschrägten Innenrand hat und mit dem kürzeren Wandungsteil (32), welcher zur Brennstoffdüse (11) gerichtet ist, etwas gegenüber dem benachbarten Rand des inneren Prallrohres (15) zurückbleibt, während der längere Wandungsteil (31) des äußeren Prallrohres (24) über den benachbarten Rand des inneren Prallrohres (15) hinausragt.

4. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Prallrohr (15) in Höhe der Elektrodenenden mit einer Mehrzahl von kleinen Öffnungen (19) und einer großen Öffnung (21) versehen ist und daß die große Öffnung (21) dem längeren Wandungsteil (31) des äußeren Prallrohres (24) benachbart ist.

5. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (29) des äußeren Prallrohres (24) gegenüber den Öffnungen des inneren Prallrohres versetzt angeordnet sind und einen größeren Durchmesser aufweisen als die kleinen Öffnungen (19) des inneren Prallrohres (15).

6. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Prallrohr (15) neben einem Flansch (18) mit Keilen (26) versehen ist, welche in entsprechende Nuten (27) im Flansch (25) des äußeren Prallrohres (24) eingreifen, und ein Innengewinde (22) zum Einschrauben der Zündkerze und ein Außengewinde (23) für eine Mutter (39) aufweist, welche die Zündvorrichtung in einem Kragen (37) der Brennkammerwandung (5) sichert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 851 863;
französische Patentschrift Nr. 970 988;
britische Patentschriften Nr. 637 286, 621 789;
USA.-Patentschrift Nr. 2 517 015.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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