DE1096681B - Brennkammereinrichtung fuer Gasturbinenanlagen mit Axialverdichter - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

KL. 401 Ί

INTERNAT. KL.j F 02 C

G24521Ia/46f

ANMELDETAG: 13.MAI1958

B EKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 5. JANUAR 1961

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammereinrichtung für Gasturbinenanlagen mit Axialverdichter, bestehend aus mehreren in einem zylindrischen Gehäuse kreisförmig angeordneten, am stromauf wärtigen Ende mit je einer Stirnwand versehenen Flammrohren, wobei die Luft vom Auslaß des Verdichters zu den Flammrohren durch voneinander getrennte, kranzförmig angeordnete Diffusorkanäle geführt wird, deren Einlasse ringsegmentförmige Gestalt haben, und zwischen deren Auslässen und den Stirnwänden der jeweils zugeordneten Flammrohre ein Zwischenraum vorgesehen ist, in dem sich die dann die Stirnwand umfließende Luftströmung aufteilt.

Bei einer bekannten Bauart haben die Diffusorkanäle ringsegmentförmige Gestalt, während die Flammrohre kreisförmig sind. Hierdurch ergibt sich eine ungleichmäßige Luftströmung. Man hat ferner festgestellt, daß ein günstiger Wirkungsgrad des Diffusors erreicht wird, wenn sein öffnungswinkel zwisehen 7° und 14° liegt. Dies würde jedoch einen sehr langen Diffusor erfordern, wenn eine ausreichende Verringerung der Luftgeschwindigkeit erreicht werden soll. Dies verbietet sich, weil das Triebwerk bezüglich Baulänge und Gewicht ungünstig vergrößert würde. Es kommt also darauf an, den gleichen Erfolg bei kleinerem Raumbedarf zu erreichen. Wollte man den Diffusor kürzer ausbilden und den Öffnungswinkel vergrößern, so würde dadurch der Wirkungsgrad des Diffusors wesentlich verringert.

Die Erfindung besteht darin, daß die Kegelstumpfmantelfläche quer durch den Zwischenraum und am Beginn der im wesentlichen axial-symmetrischen Stromteilung eineinhalb bis zweimal so groß wie die Auslaßquerschnittsfläche des jeweiligenDiffusorkanals ist und jederDiffusorkanal in an sich bekannter Weise einen kreisförmigen Auslaß hat.

Durch diese Ausbildung wird ein befriedigender Kompromiß der sich widerstrebenden Bedingungen erreicht. Es ergeben sich ein gleichmäßiger Luftstrom zum Flammrohr rings um den Diffusorauslaß und geringere Druckverluste je Längeneinheit.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bildet die Trennwand in einer Querebene das stromaufwärts gelegene Ende des zylindrischen Gehäuses, und die Stirnwand jedes Flammrohres ist kegelig gestaltet und hat einen größeren Durchmesser als der Auslaß des zugeordneten Diffusorkanais.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In dieser ist

Fig. 1 ein Längsschnitt durch einen Teil einer Gasturbinenanlage mit dem den Verdichter mit der Brennkammereinrichtung verbindenden Diffusor,

Fig. 2 ein Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1, Brennkammereinrichtung

für Gasturbinenanlagen

mit Axialverdichter

Anmelder:

General Motors Corporation, Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Vorwerk

und Dipl.-Ing. K. Walther, Patentanwälte, Berlin-Charlottenburg 9, Bolivarallee 9

Beanspruchte Priorität: V. St v. Amerika vom 28. Mai 1957

Floyd Grosh Dougherty, Indianapolis, Ind. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Fig. 3 ein Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 1 und Fig. 4 ein Kurvenbild, das die Querschnitts- und Geschwindigkeitsverhältnisse eines Diffusorkanais wiedergibt.

Ein Verdichterauslaßkanal 10 ist ringförmig gestaltet und wird durch eine Innenwand 11 und eine Außenwand 12 begrenzt, die konzentrisch zueinander liegen. Der Verdichterauslaßkanal 10 ist mit einem ähnlichen Ringkanal 16 verbunden, der von einer Innenwand 18 und einer Außenwand 19 begrenzt ist, die konzentrisch zueinander liegen. In dem Ringkanal 16 liegen im wesentlichen radial zu den Wänden Leitschaufeln 17. Der Ringkanal 16 ist mit einem Kranz von getrennten axial durchströmten Diffusorkanälen 22 verbunden. Jeder Einlaß 23 der Diffusorkanäle 22 hat einen Querschnitt in Form eines Sektorauschnittes aus einem Ring, während jeder Auslaß 24 im wesentlichen in Form eines Kreises oder einer einem Kreis angenäherten Ellipse ausgestaltet ist. Die Diffusorkanäle 22 liegen dicht beieinander, so daß ihre Einlasse 23 im

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wesentlichen einen ringförmigen Einlaß des Kranzes der DifFusorkanäle bilden. Die sich axial erstreckenden Diffusorkanäle 22 unterstützen die Beseitigung einer etwa noch vorhandenen Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung des Luftstromes. Um bei 5 einer Geschwindigkeit zwischen 122 bis 152m/sec eine günstige Umsetzung der kinetischen Energie des Luftstromes in Druck zu erhalten, müssen die Oberflächen der Diffusorkanäle 22 im wesentlichen an allen Stellen so ausgebildet sein, daß sie sich entsprechend einem Kegel mit einem Spitz-Winkel zwischen 9° und 14° vergrößern. Es reicht hierbei nicht aus, wenn das Mittel aller Kegelwinkel über jeden Umkreis 9° bis 14° beträgt, vielmehr müssen alle Kegelwinkel jedes Umkreises zwischen 9° und 14° liegen. Durch die Aufrechterhaltung dieses gleichmäßigen Kegelwinkels wird eine Energieumsetzung ohne übermäßige Turbulenz mit hohem Wirkungsgrad erreicht.

Die Diffusorkanäle 22 werden an ihren Auslassen 24 von einer Trennwand 26 getragen, die einen Kranz von Durchbrüchen 27 hat, von denen je einer jedem Diffusorkanal 22 zugeordnet ist. Die Trennwand 26 ist am Innenrand von einem Teil 28 des Maschinenrahmens getragen, das in der Nähe der Maschinenwelle liegt. Der Außenrand der Trennwand 26 stützt sich an einem äußeren zylindrischen Teil 29 ab, das ein Gehäuse bildet.

Jedes Flammrohr 31 hat eine stromaufwärts liegende Stirnwand 32, die im wesentlichen kegelig gestaltet ist, einen größeren Durchmesser als der Auslaß 24 des Diffusorkanais 22 hat und koaxial zur Achse des zugeordneten Diffusorkanais 22 und seines kreisförmigen Auslasses 24 liegt, so daß die aus jedem Diffusorkanal 22 ausströmende Luft gegen die Stirnwand 32 trifft und in einen kegelförmigen Strömungsweg umgelenkt wird. Der Querschnitt dieses kegelförmigen Strömungsweges entspricht der Rotationsfläche, die von einer Reihe von Elementen 33 gebildet wird, von denen eines in Fig. 1 dargestellt ist. Diese Elemente 33 sind der kürzeste Abstand zwischen dem Umkreis des Auslasses 24 und der Oberfläche der Stirnwand 32 an einer Brennstoff düse 42. Es wurde als vorteilhaft festgestellt, wenn diese Fläche das IV2- bis 2fache des Querschnittes des Auslasses 24 beträgt, um einen im wesentlichen gleichmäßigen Druckanstieg in der durch den axialen Diffusorkanal 22 und den umgelenkten kegelförmigen Strömungsweg strömenden Luft zu erhalten, wenn diese durch den Diffusorkanal zum Einlaß des Gehäuses 29 tritt. Dort nimmt die Divergenz sehr schnell zu, wenn die Luft so in die große Füllkammer gelangt, die von der Trennwand 26, der äußeren zylindrischen Gehäusewand 29, einer inneren zylindrischen Gehäusewand 36 und einer nicht dargestellten Ringwand zwischen der Füllkammer und der Turbine gebildet wird.

Die Kurven der Fig. 4 veranschaulichen die zu bevorzugende Änderung des Querschnittes des Kanals, der aus dem Diffusorkanal 22 und dem kegelförmigen Strömungsweg zwischen dem Auslaß 24 und der Stirnwand 32 gebildet wird. Der Querschnitt steigt zwischen den Meß stellen ^-0 bis S-Il im wesentlichen nach einer Geraden und danach durch eine angenommene Änderung des kegelförmigen Strömungsweges auf einen Endwert an, der etwa das I¹^fache des Querschnittes des Auslasses an der Meßstelle S-Il beträgt. Diese Ausbildung ergibt in dem Diffusorkanal 22 zwischen den Meßstellen 6"-O und S-Il eine Strömungsgeschwindigkeit, die im wesentlichen nach einer Geraden abnimmt, wodurch ein gleichmäßiger Druckanstieg mit gutem Wirkungsgrad und eine im wesentliehen laminare Strömung erreicht wird. Hieran schließt sich eine weitere im wesentlichen gleichmäßige Verringerung der Geschwindigkeit bei hohem Wirkungsgrad an, wenn der Luftstrom umgelenkt und aufgeteilt wird, um in die das Flammrohr 31 umgebende Füllkammer einzutreten, wie dies der entsprechende Kurventeil im Schaubild der Fig. 4 anzeigt.

Wenn die Luft nach Durchströmen des Diffusorkanais 22 und des Querschnitts bei 33 den Diffusorströmungsweg verläßt, tritt sie in die Füllkammer ein. Da diese eine große Ringkammer ist, wird in ihr die Luftströmung auf eine vernachlässigbare Geschwindigkeit verringert, so daß sich ein im wesentlichen gleichmäßiger Druck einstellt. Dies ermöglicht durch Verwendung geeigneter Einlaßöffnungen zum Flammrohr 31 die Zufuhr des richtigen Luftvolumens zur vorderen Verbrennungszone sowie die Luftzufuhr längs der Oberfläche des Flammrohres zur ausreichenden Kühlung der Brennkammerwände und der Gase.

Der Brennstoffdüse 42 wird Brennstoff über eine Brennstoffleitung 41 zugeführt. In der Stirnwand 32 befinden sich von einer Prallplatte 47 überdeckte Lufteinlaßöffnungen 46 im Bereich des unter Druck gesetzten Teiles der Füllkammer, in die die Luft nach Verlassen des Diffusorströmungsweges bei 33 eingetreten ist. !Eine Querleitung 44 verbindet die einzelnen Flammrohre 31 miteinander. Die Lufteinlaßöffnungen in der Stirnwand 32 liegen also unter einem schützenden Druck, und die Flamme kann aus dem Flammrohr nicht in den Diffusorströmungsweg zurückschlagen. Damit an der Oberfläche der Stirnwand 32 keine hohe Strömungsgeschwindigkeit eintritt, erstreckt sich ein ringförmiger Streifen 48 nach vorn über die Stirnwand. Mehrere Spalte 51 und Durchbrüche 52 sind über die Flammrohrwandung verteilt vorgesehen, um den Zutritt ausreichender Luftmengen in die Luftkammer zu ermöglichen, die für die Verbrennung, das Kühlen der Flammrohrwände und die Kühlung der Brenngase vor deren Eintritt in die Turbine bestimmt sind. Infolge des gleichmäßigen Luftdruckes in der Füllkammer kann die Anordnung der Lufteinlässe so gewählt werden, daß eine sehr vollkommene Verbrennung und eine gleichmäßigere Temperatur der der Turbine zugeführten Brenngase erreicht wird.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brennkammereinrichtung für Gasturbinenanlagen mit Axialverdichter, bestehend aus mehreren in einem zylindrischen Gehäuse kreisförmig angeordneten, am stromaufwärtigen Ende mit je einer Stirnwand versehenen Flammrohren, wobei die Luft vom Auslaß des Verdichters zu den Flammrohren durch voneinander getrennte kranzförmig angeordnete Diffusorkanäle geführt wird, deren Einlasse ringsegmentförmige Gestalt haben und zwischen deren Auslassen und den Stirnwänden der jeweils zugeordneten Flammrohre ein Zwischenraum vorgesehen ist, in dem sich die dann die Stirnwand umfließende Luftströmung aufteilt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelstumpfmantelfläche (33) quer durch den Zwischenraum und am Beginn der im wesentlichen axial-symmetrischen Stromteilung eineinhalb bis zweimal so groß wie die Auslaßquerschnittsfläche des jeweiligen Diffusorkanals (22) ist und jeder Diffusorkanal (22) in an sich bekannter Weise einen kreisförmigen Auslaß (24) hat.

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2. Brennkammereinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Auslässe der Diffusorkanäle in einer Trennwand liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (26) in einer Querebene das stromaufwärts gelegene Ende des zylindrischen Gehäuses (29) bildet, und daß die Stirnwand (32) jedes Flammrohres (31) kegelig gestaltet ist und einen größeren Durchmesser als der Auslaß (24) des zugeordneten Diffusorkanais (22) hat.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1 021 444; USA.-Patentschrift Nr. 2711072.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen