DE1215443B

DE1215443B - Brennkammer, insbesondere fuer Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE1215443B
Application number: DED42462A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Winfried Lampart
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1963-09-12
Filing date: 1963-09-12
Publication date: 1966-04-28

Description

Brennkammer, insbesondere für Gasturbinentriebwerke Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, im wesentlichen bestehend aus einem Außengehäuse und einer Flammkammer, an deren vorderem Ende eine Düse zentral angeordnet ist, die kontinuierlich flüssigen Brennstoff kegelförmig verteilt in den Brennraum einspritzt, wobei primäre Verbrennungsluft durch in einer Ringzone des Flammkammerdeckels vorgesehene Öffnungen in die Flammkammer einströmt.
Bei Brennkammern von Gasturbinentriebwerken ist es bekannt, zum Zuführen der primären Verbrennungsluft um die zentral angeordnete Brennstoffeinspritzdüse einen längeren koaxialen Ringkanal mit Leit- und Wirbelschaufeln vorzusehen, so daß der primären Verbrennungsluft ein Drall aufgezwungen wird, der ihre axiale Vorwärtsgeschwindigkeit zum Zweck der Flammenstabilisierung vermindert. Den vorderen Abschluß der Flammkammer bildet .dabei eine Haube, die außen am zylindrischen Teil der Flammkammer anschließt. Bei einigen dieser Art von Brennkammeransführungen ist die genannte Haube, um sie zu kühlen und Rußansatz zu vermeiden, mit Löchern versehen, durch die ein geringer Teil der gesamten primären Verbrennungsluft in die Flammkammer einströmt.
Bei Brennkammern von Gasturbinentriebwerken ist es ferner bekannt, die um die zentral angeordnete Brennstoffeinspritzdüse liegende Zone des Flammkammerdeckels mit öffnungen und Luftfanghutzen so zu versehen, daß der hier einströmende und dabei erheblich verzögerte Teil der primären Verbrennungsluft nach der Düse hin abgelenkt wird, um hier Bußansatz zu verhindern und im Bereich vor der Düse ein Rückströmgebiet zu erzeugen. Der größte Teil der primären Verbrennungsluft strömt aber durch weitere, mit Ablenkblechen versehene öffnungen im übrigen Teil des Flammkammerdeckels in axialer Richtung oder mit .einer kleinen Komponente in radialer Richtung nach außen :stark verzögert in die Flammkammer ein, wobei je nach Größe des vorhandenen, zentralen Unterdruckgebiets eine Umkehrung der eingeströmten Luft zum Zweck der Flammenstabilisierung erzwungen wird.
Zur Stabilisierung der Flamme in Brennkammern von Gasturbinentriebwerken sind außerdem im Primärluftstrom angeordnete Störkörper, sogenannte Flammenhalter, bekannt, hinter denen ein Rückstrom-bzw. Totwas.sergebiet entsteht, wo kleine Vorwärtsgeschwindigkeiten und teilweise Rückwärtsströmungen vorherrschen.
Weiter ist es bei Dralldüsen für Brennkammern bekannt, die Düsenmündung trichterförmig mit einem großen Kegelwinkel von 120 bis 180° auszubilden, wobei der Brennstoffkegel durch koaxial zugeführte, entgegengesetzt rotierende Zerstäuberluft vermischt wird. Dem rotierenden Brennstoffluftgemisch wird die eigentliche primäre Verbrennungsluft durch einen weiteren koaxialen Ringraum im spitzen Winkel zugeführt, und zwar :ist dieser schräg nach außen gerichtet. Auch hier soll vor der Düse innerhalb der Flammkammer ein Unterdruck- bzw. Rückströmgebiet erzeugt werden.
Schließlich ist es bei Gasbrennern von Brennkammern für Gasturbinentriebwerke bekannt, an der vorderen Stirnwand der Flammkammer axial gerichtete Einströmbohrungen für die primäre Verbrennungsluft vorzusehen. Das Brenngas wird dabei durch ein zentrales Rohr zugeführt und strömt über radiale Bohrungen in radialer Richtung aus. Die gesamte Verbrennungsluft, also der Primärluft- und der Sekundärluftanteil, wird vor der Flammkammer tangential in die Brennkammer eingeführt, so daß die durch die Bohrungen in der Flammkammerstirnwand einströmende Primärluft, dabei ihre ursprüngliche Eintrittsrichtung beibehaltend, unter Turbulenz mit einer starken Komponente quer zur Richtung der Flammkammerlängsachse in die Flammkammer eintritt.
Im Gegensatz zu den bekannten Konzeptionen wird, um neben einem einfachen Aufbau der Brennkammer mit einer kurzen Ausbrennstrecke ohne Verwendung von Dralleinsätzen oder Flammhaltem eine auf breiter Front sich vorwärts bewegende, verzögerte Gemischströmung bzw. eine »flammenhalterlose« Flammenstabilisierung zu erreichen, gemäß der Erfindung bei einer Brennkammer der eingangs genannten Gattung vorgeschlagen, zu dem in an sich bekannter Weise einen großen öffnungswinkel zwischen 120 und 170° aufweisenden Brennstoffkegel die zum Verteilen der primären Verbrennungsluft vorgesehene Ringzone des Flammkammerdeckels parallel oder annähernd parallel anzuordnen, die am Ende eines zum Ausrichten der Primärströmung eine Mindestlänge aufweisenden, an sich bekannten Einströmringkanals liegt, der senkrecht zur Ringzone bzw. zum Brennstoffkegel, d. h. schräg nach innen gerichtet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird also durch Inbeziehungsetzen folgender Faktoren bzw. Bauelemente zueinander gelöst: Der Brennstoffeinspritzdüse, des mit einfachen Einströmöffnungen bzw. -löchern versehenen Flammkammerdeckels und der einströmenden primären Verbrennungsluft bzw. des Einströmkanals für diese Verbrennungsluft. Damit der als Kegelmantel ausgebildete Brennstoffstrahl gleich im ersten Teil seiner Spritzlänge intensivgestört und aufgelöst wird, wird ferner erfindungsgemäß im radial innenliegenden Bereich der sich über den Eins'trömkanal für die primäre Verbrennungsluft erstreckenden Ringzone des Flammkammerdeckels ein größerer Anteil der primären Verbrennungsluft eingeblasen als im radial außenliegenden Bereich der Ringzone.
In Ausgestaltung hierzu wird weiter vorgeschlagen, in der sich über den Einströmkanal für die primäre Verbrennungsluft erstreckenden Ringzone des Flammkammerdeckels einzelne Gruppen von Lufteinströmbohrungen anzuordnen, und zwar derart, daß radial innen Gruppen von im Durchmesser größeren Bohrungen und radial weiter außen Gruppen von dagegen im Durchmesser kleineren Bohrungen vorgesehen sind.
Die Wirkungsweise der Erfindung und deren Vorteile sind der besseren Verständlichkeit halber in der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung näher erläutert.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 den vorderen Teil einer Brennkammer im Längsschnitt und F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie I1-II der F i g. 1.
Die aus dem Verdichter kommende primäre Verbrennungsluft L strömt über .den Ringkanal 11 und durch Öffnungen 12 und 13 in der Ringzone 14' des Flammkammerdeckels 14 .in den Innenraum der Flammkammer 15 ein. Die Öffnungen 12 und 13 sind in Umfangsrichtung betrachtet jeweils in Gruppen zusammengefaßt, zwischen denen ungelockte Felder verbleiben, um hier brennstoffreichere Zonen, die sich beim Starten und Verzögern des Triebwerkes günstig auswirken, zu schaffen. Radial außerhalb des Bereiches des Einströmkanals 11 ist der Flammkammerdeckel 14 bei 14" mit .der Flammkammerstirnwand 15' fest verbunden. Radial außerhalb dieser Befestigung 14" weist der Flammkammerdeckel 14 einen von der Flammkammerstimwand 15' abstehenden Ringflansch 14"' mit einem zur Flammkammerlängswand 15" abgekrümmten Rand auf, wobei in .den zwischen den beiden Teilen 15' und 14"' gebildeten Raum 16 über in .der Flammkammerstirnwand 15' angeordnete Bohrungen 17 verdichtete Luft 18 einströmt, die als Kühlluftschleier innen an der Flammkammerlängswand 15" entlang-strömt.
Die Brennstoffeinspritzdüse ist mit 19 bezeichnet, die den Brennstoff in Form eines Kegelmantels mit einem großen Öffnungswinkel a zwischen 120 und 170° abspritzt. Sie sitzt in einem Halter 20, in dem Lufteinströmbohrungen 21 vorgesehen sind, die in eine über den Außenumfang des Düsenhalters 2( verlaufende Ringnut 22 münden, um das unmittelbar vor der Düse 19 befindliche, räumlich kleine Unterdruckgebiet mit Luft aufzufüllen und Rußansatz zu verhindern.
Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende: Die durch Öffnungen 12 und 13 in der Ringzone 14' des Flammkammerdeckels 14 mit relativ hoher Geschwindigkeit einströmende, in einzelne kompakte Stromröhren aufgeteilte primäre Verbrennungsluft L' wird .durch die zu ihr um 90° quergerichteten einzelnen Tröpfchen des Brennstoffkegels gestört, wobei sich hinter jedem Brennstofftröpfchen Mikrowirbel bilden, die sich mit erheblich verzögerter Geschwindigkeit in einer resultierenden, parallel zur Brennkammerlängsachse oder leicht schräg nach außen verlaufenden Richtung unter gegenseitiger inniger Vermischung von Brennstoff und Luft fortbewegen. Dabei kann das »Gemisch« ohne größere Energieverluste, die sonst mechanische Störkörper erzeugen würden, ungestört abfließen, da es durch keine Rückströmung nach vorn zu an die Metallwände der Flammkammer gezogen wird. Durch die radial innenliegenden, im Durchmesser größeren Bohrungen 12 wird der Brennstoffkegel schon anfangs intensiv zerrissen. Durch das senkrechte Aufeinandertreffen der primären Verbrennungsluft L' und der Brennstoffteilchen, die mit einem großen Öffnungswinkel abgespritzt werden, wird also eine auf breiter Front sich vorwärts bewegende, verzögerte Gemischströmung bzw. eine »flammenhalterlose« Flammenstabilisierung erreicht, wobei auf die herkömmliche Manier der Erzeugung eines zentralen, unter Unterdruck stehenden, großen Rückströmgebietes in der Flammkammer verzichtet wird.
Die Vorteile der Erfindung sind folgende: Einfacher konstruktiver Aufbau und billige Herstellung der Brennkammer; wenig Aufwand zur Erprobung derselben, da hierzu lediglich die Öffnungen 12 und 13 in der Ringzone 14' .des Flammkammerdeckels 14 variiert zu werden brauchen; glatte Brennkammerwandflächen, wodurch Rußansatz weitgehend vermieden wird; der Druckverlust wird auf ein Minimum reduziert, da energieverzehrende Rückströmungen, Umlenkungen und Drallströme vermieden werden; Erzielung großer Flammenstabilität durch einfache Abstimmung der Lufteinströmöffnungen 12 und 13 gegenüber der Form des Brennstoffkegels und dem Einspritzdruck.

Claims

Patentansprüche: 1. Brennkammer, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, im wesentlichen bestehend aus einem Außengehäuse und einer Flammkammer, an deren vorderem Ende eine Düse zentral angeordnet ist, die kontinuierlich flüssigen Brennstoff kegelförmig verteilt in den Brennraum einspritzt, wobei primäre Verbrennungsluft durch in einer Ringzone des Flammkammerdeckels vorgesehene öffnungen in die Flammkammer einströmt, da -durch gekennzeichnet, daßzudeminan sich bekannter Weise einen großen Öffnungswinkel (a) zwischen 120 bis 170° aufweisenden Brennstoffkegel die zum Verteilen der primären Verbrennungsluft (L) vorgesehene Ringzone (14') des Flammkammerdeckels (14) parallel oder annähernd parallel verläuft, die am Ende eines zum Ausrichten der Primärströmung eine Mindestlänge aufweisenden, an sich bekannten Einströmringkanals (11) liegt, der senkrecht zur Ringzone (14') bzw. zum Brennstoffkegel d. h. schräg nach innen gerichtet ist. z. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im radial innenliegenden Bereich .der sich über den Einströmkanal (11) für die primäre Verbrennungsluft (L) erstreckenden Ringzone (14') des Flammkammerdeckels (14) ein größerer Anteil der primären Verbrennungsluft (L) eingeblasen wird als im radial außenliegenden Bereich der Ringzone (14'). . 3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der sich über den Einströmkanal (11) für die primäre Verbrennungsluft (L) erstreckenden Ringzone (14') des Flammkammerdeckels (14) einzelne Gruppen von Lufteinströmbohrungen (12 und 13) angeordnet sind, und zwar derart, daß radial innen Gruppen von im Durchmesser größeren Bohrungen (12) und radial weiter außen Gruppen von dagegen im Durchmesser kleineren Bohrungen (13) vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 962 391; deutsche Auslegeschriften Nr. 1055 884, 1004761.