DE1246324B - Verbrennungskammer fuer Gasturbinenstrahltriebwerk - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F 02k

Deutsche Kl.: 46 g-2/03

Nummer: 1246 324

Aktenzeichen: R 383051 a/46 g

Anmeldetag: 7. Juli 1964

Auslegetag: 3. August 1967

Die Erfindung betrifft eine ringförmige Verbrennungskammer für ein Gasturbinenstrahltriebwerk.

Bei Gasturbinenstrahltriebwerken ist es wichtig, daß die Strömungsgeschwindigkeit der die Verbrennungszone der Triebwerke durchströmenden Verbrennungsluft so niedrig wie möglich gehalten wird, so daß. sich der an die Verbrennungszone angelieferte Brennstoff in zufriedenstellender Weise mit der Verbrennungsluft vermischt. Zu diesem Zweck hat man bisher die Geschwindigkeit der den Auslaß des Verdichters des Triebwerks verlassenden Luft vor deren Erreichen der Verbrennungszone dadurch herabgesetzt, daß diese Luft durch einen verhältnismäßig langen Diffusor durchgeleitet wurde, der am stromaufwärtigenEnde der Verbrennungskammer angeordnet war. Die Notwendigkeit, einen solchen verhältnismäßig langen Diffusor zu benutzen, führt jedoch zu einem entsprechend langen Aufbau des Triebwerks, was insbesondere bei Senkrechthubtriebwerken unerwünscht ist, daß hier der in axialer Richtung für das Triebwerk verfügbare Raum beschränkt ist.

Die Erfindung geht von bekannten Gasturbinenstrahltriebwerken aus mit ringförmiger Verbrennungskammer, die mit einer sich radial erstreckenden, die Verbrennung stabilisierenden Einrichtung und mit einer Vorrichtung zur Zuführung von Brennstoff in eine Verbrennungszone versehen sind, die auf der stromabwärts liegenden Seite nächst der die Verbrennung stabilisierenden Einrichtung liegt.

Bei derartigen Triebwerken wird eine wesentliche Herabsetzung der axialen Baulänge nach dem Grundgedanken der Erfindung dadurch erzielt, daß die Relativgeschwindigkeit des Verbrennungsgases in Umfangsrichtung gegenüber, .der. die Verbrennung stabilisierenden Einrichtung vermindert wird.

Die Durchführung dieses Gedankens wird gemäß der Erfindung durch die Kombination zweier, an sich bekannter Maßnahmen erreicht, nämlieh dadurch, daß die die Verbrennung stabilisierende Einrichtung um die Längsachse der ringförmigen Verbrennungskammer drehbar gelagert und beim. Betrieb des Triebwerks in Drehung zu versetzen ist und daß ferner eine Leiteinrichtung vorgesehen ist, die dem Verbrennungsgas in der Verbrennungszone eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung im Drehsinn der die Verbrennung stabilisierenden Einrichtung erteilt.

Wie bereits erwähnt, ist es bekannt, eine die Verbrennung stabilisierende Einrichtung in der Längsachse der Verbrennungskammer drehbar zu lagern und beim Betrieb in Drehung zu versetzen. Jedoch handelt es sich hierbei um Triebwerke, bei denen Verbrennungskammer für
Gastabinenstrahltriebwerk

Anmelder:

Rolls-Royce Limited,

Derby, Derbyshire (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:
Geoffrey Light Wilde,
Turnditch, Derby, Derbyshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 10. JuE 1963 (27 431)

die stabilisierenden Einrichtungen entweder im Nachbrenner oder jedenfalls weit hinter der Brennstoffzuführung angeordnet sind. Sie können deshalb nicht dazu beitragen, daß die Verbrennungsluft in der Verbrennungszone besser mit dem Brennstoff gemischt wird. ■

Bei Gasturbinen sind ferner Leiteinrichtungen bekannt, die dem Verbrennungsgas in der Verbrennungszone eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung erteilen. Dabei ist jedoch die die Verbrennung stabilisierende Einrichtung stationär, so daß auch hieraus keine Anregung im Sinne der Erfindung herleitbar ist.

Durch die Ausbildung der Verbrennungskammer nach der Erfindung wird erreicht, daß die Relativgeschwindigkeit der Verbrennungsluft beim Eintritt in di& die Verbrennung stabilisierenden Mittel geringer ist als bei den bisher bekannten Vorrichtungen, so daß die axiale Länge der Verbrennungskammer

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und damit des ganzen Triebwerks vermindert werden F i g. 5 zeigt die Richtung der Verbrennungsluft

kann. gegenüber den Rinnenteilen, die einen Teil der Ver-

Die Erfindung umfaßt einige bevorzugte Ausfüh- brennungskammer nach F i g. 1 bilden, und

rungsformen. So kann die Leiteinrichtung für die Fig. 6 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 2, stellt je-

Verbrennungsluft derart ausgebildet sein, daß sie in 5 doch eine Abwandlung dar.

der Verbrennungszone einen wirbelfreien Fluß er- F i g. 1 zeigt ein Senkrechthub-Gasturbinenstrahlzeugt derart, daß der Betrag der Umfangskomponente triebwerk 10 mit einem Triebwerksgehäuse 11, umder Geschwindigkeit des Verbrennungsgases an jeder fassend in Strömungsrichtung einen Niederdruck-Stelle im wesentlichen umgekehrt proportional zur verdichter 12, einen Hochdruckverdichter 13, eine Entfernung dieser Stelle von der Drehachse des Wir- io ringförmige Verbrennungskammer 14, eine Hochbels ist. ' drackturbine 15 und eine Niederdruckturbine 16, wo-

Ferner kann die Verbrennungskammer auf der bei die Turbinenabgase an die Außenluft durch ein

stromaufwärts liegenden Seite der die Verbrennung Strahlrohr 17 austreten.

stabilisierenden Einrichtung so geformt oder mit Die Hochdruckturbine 15 und der Hochdruck-

.einer Einrichtung "versehen sein, daß die Axial- 15 verdichter 13 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 20

komponente der Geschwindigkeit der in die Ver- und eine Niederdruckturbine 16 und der Nieder-

brennungskammer eintretenden Verbrennungsluft in druckverdichter 12 sitzen auf einer Welle 21, die

Druckenergie verwandelt wird. konzentrisch in der Welle 20 angeordnet ist.

Die Leiteinrichtung für die Verbrennungsluft be- Auf der Welle 20 ist eine Rotorscheibe 22 ansteht vorteilhaft in an sich bekannter Weise aus einer 20 gebracht (F i g. 2 und 3). Diese Rotorscheibe 22 trägt Vielzahl von Leitsehaufeln, die am Einlaß der Ver- an ihrem Umfang eine Vielzahl von winkelmäßig verbrennungskammer angeordnet sind und' der Ver- setzten, sich in radialer Richtung erstreckenden brennungsluft im Sinne der Erfindung eine im Dreh- Schaufeln 23, die in die Verbrennungskammer 14 hinsinn der Stabilisierung gerichtete, beträchtliche einragen und um deren Längsachse rotieren können. Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung 25 Jede Schaufel 23 hat keilförmigen Querschnitt, erteilen, zugleich -aber die Absolutgeschwindigkeit dessen Schenkel 24, 25, wie deutlich in den F i g. 3 der Verbrennungsluft im wesentlichen konstant und 4 dargestellt ist, von der Wurzel 26 gegen die halten. _ Spitze 27 zu gedreht sind. Die Schaufeln 23 mit keil-

Vorzugsweise besteht die die Verbrennung stabi- förmigem Querschnitt sind an ihren Wurzeln 26 lisierende Einrichtung aus einer Mehrzahl von rinnen- 30 axial stromabwärts und an ihren Spitzen 27 im artigen Gebilden mit V-förmigem Querschnitt, im wesentlichen in umfangsmäßig zeigendem Sinne geweiteren Text mit Schaufehl bezeichnet, die von ihrer richtet.

Wurzel zur Spitze hin in ,sich verdreht sind, derart, Eine sich radial erstreckende Primärbrennstoff-

daß alle Schaufelbereiche im wesentlichen in Rieh- leitung 30 ist in jeder Schaufel 23 neben der Ver-

tung des wirbelfreien Flusses der an ihnen vorbei- 35 bindung der beiden Schenkel 24, 25 eingebohrt. Jede

fließenden Verbrennungsluft weisen. Brennstoffleitung 30 kommuniziert mit dem strom-

Zweckmäßig ist in jeder Schaufel im Scheitel der abwärtigen Ende der betreffenden Schaufel 23 über

beiden Schenkel des V-Profils ein radial gerichteter eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Boh-

Brennstoffkanal vorgesehen, der mit der stromabwärts rangen 31.

liegenden Außenseite der Schaufel über mehrere, in 4° Die Rotorscheibe 22 bildet mit dem benachbarten radialen Abständen.voneinander angeordneten Boh- Aufbau des Triebwerks einen ringförmigen Brennrungen verbunden ist. Die Brennstoffkanäle der stofftank 32, welcher mit Brennstoff über ein Rohr Schaufehl kommunizieren mit einem vorzugsweise 33 beliefert wird. Alle Brennstoffleitungen 30 komgemeinsamen ringförmigen Brennstofftank, von dem munizieren mit dem Brennstofftank 32. Beim Besieh mindestens ein Teil mit den Schaufehl dreht. 45 trieb des Triebwerks wird daher Brennstoff durch die Dabei ist die Anordnung derart getroffen, daß der Wirkung der Fliehkraft aus dem Tank 32 in die Brennstoff aus diesem Tank beim Betrieb durch die Brennstoffleitungen 30 und die Bohrungen 31 einFliehkraft in die Brennstoffkanäle der Schaufeln ge- gedrückt,
drückt wird. . Der Brennstofftank kann auch, durch nicht dar-

An Stelle der Schaufelkanäle kann auch zwischen 5° gestellte Mittel, so angeordnet sein, daß der Hauptden Schaufehl je ein Brennstoffinjektor vorgesehen teil des Brennstoffs" an eine Vielzahl von Brennstoffsein und mit den Schaufehl umlaufen. Weitere Brenn- injektoren 29 angeliefert wird, die jeweils auf der Stoffinjektoren können in Winkelabständen am Um- Rotorscheibe 22 angeordnet sind und mit dieser umfang der Brennkammer unmittelbar stromabwärts laufen, wobei jeweils ein solcher Injektor zwischen neben den Schaufeln angeordnet werden. 55 zwei benachbarten Schaufeln 23 vorgesehen ist.

Die Verbrennungskammer nach der Erfindung ist _An Stelle, (oder-zusätzlich zu) diesen Brennstoffvorzugsweise bei einem Gasturbinenstrahltriebwerk injektoren"29 kann eine Vielzahl von festen Brennfür Vertikalbetrieb (Senkrechthub) anwendbar. Stoffinjektoren 34 vorgesehen sein, die unmittelbar

Ausführungsformen. der Erfindung werden an stromabwärts der Schaufeln 23 am Umfang der VerHand der Zeichnungen näher erläutert. ^6o brennungskammer angeordnet sind.

F i g. 1 ist ein. teilweise quergeschnittener Seiten- Der Einlaßteil der Verbrennungskammer 14, d. h.

riß eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit einer er- der stromaufwärts der Schaufeln 23 liegende Teil, ist

findungsgemäßen Verbrennungskammer; so geformt, daß die axial gerichtete Geschwindig-

F i g. 2 ist ein angebrochener Querschnitt und zeigt keitskomponente der hindurchströmenden Verbreneinen Teil des Aufbaus nach F i g. 1 in vergrößertem 65 nungsluft in Druckenergie verwandelt wird. Im EinMaßstab; :_. . laßteil befindet sich eine Vielzahl von winkelmäßig

Fig. 3 und 4 sind Querschnitte entlang den Linien versetzten weitsehnigen Schaufehl 35, welche der an

3-3 in Fig. 2, bzw. 4-4 in Fig. 3; ihnen vorbeiströmenden Verbrennungsluft eine im

wesentlichen umfangsmäßig gerichtete Geschwindigkeitskomponente in dem Sinne erteilen, in welchem die Schaufeln 23 rotieren. Die Schaufeln, welche eine im wesentlichen konstante Strömungsgeschwindigkeit der an ihnen vorbeiströmenden Luft aufrechterhalten, S erteilen dieser Luft auch einen wirbelfreien Fluß, so daß der Betrag der Umfangskomponente der Geschwindigkeit des Verbrennungsgases an jeder Stelle im wesentlichen umgekehrt proportional zur Entfernung dieser Stelle von der Drehachse des Wirbels ist. Die Schauf ein 23 sind so gedreht, daß alle ihre Teile im wesentlichen in der Richtung der an ihnen vor-....." beiströmenden wirbelfreien Verbrennungsluft gerichtet sind.

Beim Betrieb bildet sich eine primäre Verbrennungszone neben dem stromabwärtigen Ende der Schaufehl 23, und diese Verbrennungszone wird mit Brennstoff aus dem Tank 32 beliefert. Die Verbrennungsluft in der primären Verbrennungszone unterliegt einer ihr durch die Leitschaufeln 35 aufgezwungenen freien Rotationsströmung. Wie in F i g. 5 gezeigt, strömt die Verbrennungsluft infolgedessen relativ zu den Schaufeln 32 in der durch den Pfeil 36 angedeuteten Richtung, in welcher auch die Spitzen der Schaufeln 23 gerichtet sind. 2s

Da die Schaufeln 23 jedoch beim Betrieb des Triebwerks infolge ihrer Anordnung auf der Welle 20 rotieren, ist die Relativgeschwindigkeit der Schaufeln 23 gegenüber der Verbrennungsluft niedrig. Der Einlaßteil der Verbrennungskammer kann daher kurz gehalten werden, da es unnötig ist, die sonst notwendige Verminderung der absoluten Geschwindigkeit der die Verbrennungszone erreichenden Verbrennungsluft durchzuführen. Aus diesem Grunde kann die axiale Länge der Verbrennungskammer 14 und damit die Länge des ganzen Triebwerks kleiner sein, als bei konventionellen Triebwerken dieser Art.

Ein weiterer Vorteil der Rotation, der Schaufeln 23 ist die daraus folgende gute umfangsmäßige Temperaturverteilung an der Turbine. .

F i g. 6 zeigt eine Verbrennungskammer, welche der nach F i g. 2 im allgemeinen sehr ähnlich ist und daher nicht im einzelnen beschrieben wird. In dieser Anordnung ist die Rotorscheibe 22 jedoch nicht auf der Welle 20, sondern auf einer Welle 40 angeordnet. Die Welle 40 ist drehbar über Lager 37 auf der Welle 20 vorgesehen und die Schaufehl 23 sind so beschaffen, daß sie von der durch die Verbrennungskammer 14 strömenden Luft in Drehung gebracht werden, wie dies an sich bei Flammhaltern bekannt ist. Durch eine entsprechende Formung der Schaufeln 23 kann die Anordnung derart sein, daß erreicht wird, daß ihre Drehzahl einen bestimmten Bruchteil der Drehzahl des Hochdruckverdichters 13 und der Hochdruckturbine 15 beträgt. Statt die Welle 40 auf den Lagern 37 zu montieren und an Stelle der Formung der Schaufeln 23 so, daß sie von der durch die Verbrennungskammer 14 durchströmenden Luft gedreht werden, kann die Welle 40 auch von der Welle 20 über ein nicht dargestelltes Übersetzungsgetriebe mit ⁶< > verminderter Drehzahl angetrieben werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Ringförmige Verbrennungskammer für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einer sich radial erstreckenden, die Verbrennung stabilisierenden Einrichtung und mit einer Vorrichtung zur Zuführung von Brennstoff in eine Verbrennungszone, die auf der stromabwärts liegenden Seite nächst der die Verbrennung .stabilisierenden Einrichtung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verbrennung stabilisierende Einrichtung (23) um die Längsachse der ringförmigen Verbrennungskammer (14) drehbar gelagert und beim Betrieb des Triebwerks in Drehung zu versetzen ist und daß eine Leiteinrichtung (35) vorgesehen ist, die dem Verbrennungsgas in der Ver-• brennungszone eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung im Drehsinn der die Verbrennung stabilisierenden Einrichtung (23) erteilt.

2. Ringförmige Verbrennungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (35) dem Verbrennungsgas in der Verbrennungszone einen wirbelfreien Fluß erteilt, so daß also der Betrag der Umfangskomponente der Geschwindigkeit des Verbrermungsgases an jeder Stelle im wesentlichen umgekehrt proportional zur Entfernung dieser Stelle von der Drehachse des Wirbels ist.

3. Ringförmige Verbrennungskammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer (14) auf der stromaufwärts liegenden Seite der die Verbrennung stabilisierenden Einrichtung (23) so geformt ist oder eine Einrichtung aufweist, daß die Axialkomponente der in die Verbrennungskammer einfließenden Verbrennungsluft in Druckenergie verwandelt wird.

4. Ringförmige Verbrennungskammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (35) eine Mehrzahl voneinander getrennter, Winkelabstände untereinander aufweisender Leitschaufeln (35) aufweist, die im Einlaß der Verbrennungskammer angeordnet sind und dem Verbrennungsgas im Drehsinn der die Verbrennung stabilisierenden Einrichtung (23) eine beträchtliche Geschwindigkeitskomponente in Umlaufrichtung erteilen, zugleich aber die absolute Geschwindigkeit des Verbrermungsgases im wesentlichen konstant halten.

5. Ringförmige Verbrennungskammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verbrennung stabilisierende Einrichtung (23) eine Mehrzahl von Schaufehl (23) mit V-förmigem Querschnitt aufweist, die je von ihrer Wurzel (26) zu ihrer Spitze (27) verdrillt sind, so daß alle ihre Teile im wesentlichen in die Richtung des Flusses des freien Wirbels des an ihnen vorbeifließenden Verbrermungsgases weisen.

6. Ringförmige Verbrennungskammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein radial weisender Brennstoffkanal (30) in jeder Schaufel (23) nächst dem Scheitel der beiden Schenkel (24,25) ihres V-förmigen Querschnitts vorgesehen ist und daß jeder radial weisende Brennstoffkanal (30) mit der stromabwärts liegenden Außenseite der ihm zugeordneten Schaufel (23) über eine Mehrzahl getrennter, radiale Abstände untereinander aufweisender Bohrungen (31) kommuniziert.

7. Ringförmige Verbrennungskammer nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl getrennter, Winkelabstände untereinander aufweisender, mit den Schaufeln (23)

umlaufender Brennstoffinjektoren (29) zwischen je einem Paar dieser Schaufeln.

8. Ringförmige Verbrennungskammer nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl getrennter, Winkelabstände untereinander aufweisender, fester Brennstoffinjektoren (34) unmittelbar stromabwärtsseitig der Schaufeln (23).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 952 951, 768 104, 038;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 088 290;

französische Zusatzpatentschrift Nr. 76 734 zur französischen Patentschrift Nr. 1173 468; USA.-Patentschriften Nr. 3 009 317, 2 875 580.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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