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Gasturbinenbrennkammer Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer
der Rohr- oder Ringbauart.
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Gasturbinenbrennkammern der Rohr- und Ringbauart mit einer zur Erzeugung
eines konischen Kraftstoffstrahls bestimmten Kraftstoffeinspritzvorrichtung sind
bekannt. Bei diesen bekannten Gasturbinenbrennkammern ist auch schon eine, Teile
des Primärluftstromes durchlassende, in Strömungsrichtung über die Einspritzvorrichtung
hinaus in den Verbrennungsraum vorgezogene Umkleidung der Einspritzvorrichtung vorgesehen,
die einen Teil des konischen Kraftstoffstrahls ungehindert durch ihre Durchbrechungen
nach der sie umströmenden Primärluft hindurchläßt.
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Bei den bekannten Gasturbinenbrennkammern dieser Art sind zwei Kraftstoffsammelleitungen
vorgesehen, deren eine mit einer ersten Gruppe von Düsen für die Erzeugung eines
konischen Kraftstoffstrahls verbunden ist und deren andere mit einer zweiten Gruppe
von Düsen verbunden ist, durch welche Kraftstoff in die nach dieser zweiten Düsengruppe
hin zurückgewirbelte Primärluft eingespritzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau der Brennstoffversorgung
bei diesen bekannten Gasturbinenbrennkammern zu vereinfachen und eine vereinfachte
und zuverlässige Verteilung des Brennstoffs auf die Sekundärluft und die zurückgewirbelte
Primärluft sicherzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der stromunterseitige Abschnitt der Umkleidung nach der Zone der in Richtung auf
die Einspritzvorrichtung zurückgewirbelten Luft hin für die Austragung des an der
Umkleidung aufprallenden Teiles des Kraftstoffstrahls offen ist.
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Es genügt bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildungsform eine einzige
Sammelleitung mit einer einzigen Gruppe von an diese angeschlossenen Düsen. Ein
Teil des konischen Kraftstoffteils geht dabei durch die Durchbrechungen der Umkleidung
hindurch. Der Rest prallt an den zwischen den Durchbrechungen liegenden Teilen der
Umkleidung ab und gelangt durch das offene Ende der Umkleidung in den zurückgewirbelten
Primärluftstrom.
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Die Proportionierung der in die Primärluft eindringenden Kraftstoffmenge
und der in die Sekundärluft eindringenden Kraftstoffmenge ist bestimmt durch das
Verhältnis der Durchbrechungen zu den zwischen ihnen liegenden Teilen der Umkleidung.
Dieses Verhältnis ist somit stets konstant, während es bei der bekannten Ausführungsform
abhängig ist von den Bedingungen in den die Düsen versorgenden Sammelleitungen.
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Nach einer Ausführungsform ist am Ende des stromunterseitigen Abschnitts
der Umkleidung eine eine nach innen weisende Lippe angesetzt. Diese Lippe verringert
den Impuls der an ihr vorbeiströmenden Luft und trägt zu der Zerstäubung des in
den Primärluftstrom austretenden Kraftstoffs bei.
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Die Durchbrechungen des stromunterseitigen Abschnitts der Umkleidung
können in axialer Richtung verlaufende Schlitze sein, die nach einer Ausführungsform
bis zum Ende des stromunterseitigen Abschnitts der Umkleidung reichen und zwischen
sich frei ausladende Finger bilden.
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Insbesondere bei Brennkammern der Rohrbauart kann die Umkleidung an
den radial inneren Enden auf die Wirbelbildung fördernden Leitschaufeln des Primärluftstromkanals
befestigt sein. Diese Art der Befestigung ist an sich bekannt; die Durchbrechungen
schließen sich bei dieser Ausführungsform stromabwärts an die Leitschaufeln an.
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Drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verbrennungsanlagen werden
im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Verbrennungsanlage, welche ein rohrförmiges
Flammrohr besitzt; Fig.2 zeigt das Einlaßende des Flammrohres in vergrößerter Darstellung;
Fig.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Verbrennungsanlage, welche ein ringförmiges
Flammrohr besitzt; Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung,
wie sie bei der Konstruktion gemäß Fig. 3 benutzt wird; Fig. 5 ist ein Axialschnitt
durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 6 ist eine Ansicht in
Richtung des Pfeiles 6 in Fig. 5.
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Gemäß den Fig. 1 und 2 weist die Verbrennungsanlage ein Luftmantelgehäuse
10 auf, welches entweder rohrförmig oder ringförmig ausgebildet sein kann,
und ferner ein Flammrohr 11, welches als Rohr ausgebildet ist. Wenn das Luftmantelgehäuse
rohrförmig ausgebildet ist, enthält es ein einziges Flammrohr. Wenn das Luftmantelgehäuse
ringförmig ist, besitzt es dagegen eine Reihe von Flammrohren in ringförmiger Anordnung.
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Die Verbrennungsanlage erhält an ihrem Einlaßende 10a Druckluft, z.
B. von dem Kompressor einer Gasturbinenanlage, und die Luft strömt teilweise in
das Flammrohr durch dessen Einlaßende 11b und teilweise in den Raum 13 zwischen
dem Flammrohr und dem Luftmantelgehäuse, um durch die in den Wandungen des Flammrohres
vorgesehenen öffnungen 12 in dessen Inneres einzutreten.
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Die durch die Einlaßöffnung 11 b eintretende Luft bildet die Primärluft.
Diese Luft tritt in die Primärverbrennungszone ein durch eine Reihe von Wirbelleitschaufeln
14, die eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 umgeben, und strömt angenähert längs
eines Weges, wie er durch die Pfeile 14a angedeutet ist. Ein Teil der durch die
Öffnungen 12 strömenden Luft strömt nach dem stromaufwärts liegenden Ende des Flammrohres
in die Primärverbrennungszone, wie durch die Pfeile 12a angedeutet ist. Der verbleibende
Luftteil mischt sich mit den Verbrennungsprodukten in dem stromabwärts liegenden
Teil des Flammrohres.
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Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 15 ist üblicherweise eine Wirbeldüse
und erzeugt einen konischen Brennstoffnebelstrahl, und es besteht die Tendenz, daß
der Teil der Luft in der Primärverbrennungszone, der durch die Öffnungen 12 zugeführt
wird, brennstoffarm ist, während der verbleibende Teil der Luft in der Primärzone
einen überschuß an Kraftstoff erhalten wird. Wenn also die eingespritzte Brennstoffmenge
so berechnet ist, daß sie in bezug auf die Gesamtmenge der Luft in der Primärzone
dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht, was für eine gute Zündung und die Ausbreitung
der Flamme wünschenswert ist, dann wird, obwohl der Kraftstoff im Bereich der Zündvorrichtung
16 gezündet wird, eine gute Ausbreitung der Flamme nicht zu erzielen sein, weil
das Kraftstoff-Luft-Gemisch teilweise überreich und teilweise arm ist.
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Erfindungsgemäß werden daher Mittel vorgesehen, wie z. B. in Fig.
2 dargestellt, welche eine gleichmäßigere Verteilung des Kraftstoffes auf Primär-
und Sekundärverbrennungszone erzeugen.
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Ein zylindrisches Verkleidungsstück 17 ist vorgesehen, welches zentral
am inneren Ende der Wirbelleitschaufeln liegt und die Brennstoffeinspritzvorrichtung
15 an ihrem stromaufwärts liegenden Ende umgibt und über die Brennstoffeinspritzvorrichtung
hinaus bis in die Primärverbrennungszone reicht. Dieses Verkleidungsstück ist an
beiden Enden offen, so daß ein Teil der Primärluft direkt durch es hindurch in die
Primärverbrennungszone strömt, und es ist an seinem stromabwärts liegenden Ende
mit einer schmalen umgebogenen Lippe 18 versehen. Das Verkleidungsstück 17 ist in
seinem stromabwärts liegenden Teil auch mit einem Ring axialer Schlitze
19 versehen.
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Im Betrieb tritt der konische Kraftstoffnebelstrahl 20 der Brennstoffeinspritzvorrichtung
15 teilweise unbehindert durch die Öffnungen 19 hindurch, und teilweise wird er
durch die zwischen den öffnngen 19 liegenden Wandteile des Verkleidungsstückes abgefangen,
und dieser letztere Teil des Kraftstoffes fließt längs der inneren Oberfläche des
Verkleidungsstückes und wird durch die das Verkleidungsstück durchströmende Luft
über die Lippe 18 hinaus in den zentralen Teil der Primä rverbrennungszone transportiert.
Durch entsprechende Wahl der Größe der Öffnungen 19 kann in der Primärverbrennungszone
eine näher am stöchiometrischen Verhältnis liegende Kraftstoffverteilung und damit
eine bessere Ausbreitung der Flamme erzielt werden.
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In den Fig. 3 und 4 ist eine ausschließlich ringförmige Verbrennungsanlage
dargestellt. Das Luftmantelgehäuse besitzt innere und äußere ringförmige Wände 30,
31; und das Flammrohr hat innere und äußere koaxiale Wände 32, 33 mit Einlaßöffnungen
34 für die Sekundärluft. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist eine Ringleitung
35 auf mit einer Reihe von Einspritzdüsen 36, welche Schlitzöffnungen 37 besitzen,
um flache nach innen und außen gerichtete Kraftstoffstrahlen zu erzeugen, wobei
die Strahlen aller Düsen zusammen ein Paar im wesentlichen konischer Strahlen bilden,
von denen der eine gegen die Wand 32 und der andere gegen die Wand 33 gerichtet
ist.
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Die Primärluft tritt in das Flammrohr ein teilweise durch die mit
Schlitzen versehenen Wände 38, die von den Wänden 32, 33 ausgehen und teilweise
mit im wesentlichen gerader Strömungsrichtung durch einen ringförmigen Luftdurchlaß
40 zwischen den koaxialen Ringteilen 39, zwischen welchen die Kraftstoffleitung
35 angeordnet ist.
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Zwecks Verbesserung der Brennstoffverteilung sind an den Ringteilen
39 Verkleidungsmittel vorgesehen, welche in die Primärverbrennungszone über die
Brennstoffeinspritzdüsen 36 hinaus hineinragen. Die Verkleidungsmittel weisen axiale
Verlängerungen 41 der Ringwände 39 auf, welche den Durchtritt 40 begrenzen. Diese
Verlängerungen besitzen einen Ring sich axial erstreckender Schlitze 42 und
schmale Lippen 43 an ihren stromabwärts liegenden Enden. Die Wirkungsweise ist dieselbe,
wie sie in bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben worden ist.
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Bei dem in den Fig.5 und 6 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel sind
Wirbelleitschaufeln 50 des Flammrohres an ihren Enden mit einem Ringschirm 51 verbunden,
und eine Wirbeleinspritzdüse 52 für den Kraftstoff ragt mit ihrem Ende und mit Zwischenraum
in den Schirm 51 hinein. Um die Kraftstoffverteilung auf Primär- und Sekundärzone
zu verbessern, ist eine Haube in Form einer Hülse 53 vorgesehen, die in dem Schirm
51 eingesetzt ist. Die Hülse besitzt einen Teil 53 a, der in die Primärverbrennungszone
hineinragt. Dieser Teil 53 a hat Axialschlitze 54, die von dem stromabwärts
liegenden Hülsenende ausgehen und eine Anzahl Kraftstoff abfangender Finger 55 stehenlassen.
Die
Hülse 53 hat in ihrem Inneren eine Reihe von in Umfangsrichtung mit Abstand voneinander
liegenden, nach innen ragenden Vorsprüngen 56, wobei die zwischen ihnen liegenden
Lücken 57 ein im wesentlichen geradliniges Durchströmen der Luft durch die Hülse
53 in den Bereich 53 a ermöglichen. Die Vorsprünge tragen einen Ring 58,
der mit axialem Abstand von dem Ende der Düse 52 angeordnet ist und dessen stromaufwärts
liegende Fläche 58 a eine kegelförmige Abdrehung besitzt, welche dem kegeligen
Umfang 52a des Düsenendes entspricht. Infolge dieser Anordnung tritt ein
Teil der in die Hülse 53 einströmenden Primärluft zwischen den Ring 58 und das Düsenende
und von da durch den Ring und den Hülsenteil 53a in die Primärverbrenungszone ein.
Der Ring 58 sichert eine gleichmäßige Verteilung der Luft, welche durch die Lücken
57 tritt, und erzeugt einen Luftstrom über das Düsenende und verhindert damit Kohlebildung.
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Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist ähnlich der, wie sie
in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, hat jedoch zusätzlich den Vorteil, daß Kohlebildung
bei manchen Verbrennungsanlagen vermieden werden kann.