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Zündvorrichtung für Brennkammern von #Gasturbinentriebwerken Die Erfindung
bezieht sich auf eine Zündvorrichtung für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken,
bei welcher ein Zündrohr den zwischen Brennkammeraußenwand und Flammrohr verlaufenden
Sekundärluftkanal durchsetzt und eine elektrische Zündkerze samt Zünddüse trägt,
die Zündbrennstoff in den Bereich der Zündstelle zur Erzeugung einer Zündflamme
spritzt, die in das Flammrohr übergreift und das dort strömende Brennstoff-Luft-Gemisch
zündet, bei welcher ferner das Zündrohr sich lediglich bis zum Flammrohr erstreckt
und das flammrohrzugekehrte Ende der Zündkerze gegenüber dem flammrohrzugekehrten
Ende des Zündrohres zurückversetzt ist, und bei. welcher Lufteinströmöffnungen in
den Innenraum des Zündrohres (zweckmäßig tangential zur Erzeugung einer Drallbewegung
der Zündluft) einmünden.
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Für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken sind Zündbrenner bekannt
(s. »Die Gasturbine« von J. K r u s c h i k, 1952, S. 168), die aus
einer in den zwischen dem Brennkammeraußenmantel und dem Flanimrohr verlaufenden
Sekundärluftkanal hineinragenden elektrischen Gleitfunkenzündkerze und aus einer
neben dieser angeordneten Zünddüse bestehen, durch die Brennstoff zerstäubt wird.
Zündbrenner und Zünddüse sind von einem zylindrischen, mit Lufteintrittsschlitzen
versehenen Gehäuse umgeben, das zum Flammrohr hin offen ist, so daß die Zündflamme
in das Flammrohr übergreifen kann. Diese Ausführung hat den Nachteil, daß die nebeneinanderliegenden
Bauteile, die Zünddüse und die Zündkerze, einen verhältnismäßig großen Einbauraum
beanspruchen, wodurch ein erhöhter Luftwiderstand im Sekundärluftkanal hervorgerufen
wird.
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Ferner sind für Brennkammern von Gasturbinen Zündvorrichtungen bekannt,
die aus einem den Sekundärluftkanal radial durchsetzenden, in das Flammrohr hineinragenden
Zündrohr und aus einem koaxial im letzteren angeordneten Zünddüsenkörper bestehen,
der gleichzeitig als elektrische Zündkerze dient. Am inneren Ende des Düsenkörpers,
in dem zentral eine Brennstoffversorgungsleitung verläuft, ist eine nach innen gerichtete
Einspritzdüse vorgesehen, durch die Zündbrennstoff auf eine Prallplatte gespritzt
wird, die am inneren Ende des Zündrohres angeordnet ist, wo außerdem fensterartige
Öffnungen vorgesehen sind. Im Bereich des Sekundärluftkanals weist das Zündrohr
Lufteintrittsöffnungen auf. Die Zündluft strömt in einem zwischen dem äußeren Zündrohr
und dem inneren Düsenkörper gelegenen Ringraum in Richtung zum Flammrohr nach innen
und vermischt sich mit dem durch die Zünddüse eingespritzten Zündbrennstoff. Die
Zündung selbst erfolgt durch einen Hochspannungsfunken, der zwischen dem Ende des
Düsenkörpers und den zwischen den am inneren Ende des Zündrohres befindlichen fensterartigenöffnungen
gelegenenStegen überspringt und den zerstäubten Brennstoff entflammt. Diese bekannte
Ausführung hat den Nachteil, daß das innere Ende der Zündvorrichtung mit der Zünddüse
und der eigentlichen Zündkerze in das heiße Flammrohr hineinragt, so daß diese Teile
dauernd sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wodurch ihre Lebensdauer leidet
und leicht Funktionsstörungen entstehen. Auch die während des Betriebes laufend
durch die im Zündrohr im Bereich des Sekundärluftkanals vorgesehenen Öffnungen einströmende
Luft ist nicht imstande, die Brennstoffdüse und die Zündkerze vor den innerhalb
der Brennkammer herrschenden hohen Temperaturen ausreichend zu schützen.
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Eine weitere bekannte Zündvorrichtung für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken
besteht aus einem den Sekundärluftkanal durchsetzenden, bis zum Flammrohr der Brennkammer
reichenden, in bezug auf die Brennkammerlängsachse radial gerichteten Zündrohr,
aus einer an der radial äußeren Stirnseite des Zündrohres vorgesehenen Dralleinrichtung
für die aus dem Sekundärluftkanal zugeführte Zündluft, aus einer in den zentralen
Raum der Dralleinrichtung gerichteten Zünddüse, die von außen her Zündbrennstoff
in Längsachse des Zündrohres einspritzt, und aus einer zwischen dem flammrohrseitigen
Ende des Zündrohres und der Zünddüse angeordneten Zündkerze, deren Elektroden in
den Innenraum des Zündrohres hineinragen. Nachteilig bei dieser bekannten Zündvorrichtung
ist der Umstand, daß durch die Anordnung der Zünddüse an der radial äußeren Stirnseite
des Zündrohres das
letztere eine verhältnismäßig große axiale Länge
aufweisen muß, um eine zufriedenstellende Vermischung zwischen Zündbrennstoff und
Zündluft und eine ausreichende Entwicklung der Zündflamme zu erreichen. Auch ist
die einen großvolumigen Verbindungskanal und Ringraum erfordernde Zuführung der
Zündluft zur Dralleinrichtung durch das Vorrichtungsgehäuse hindurch konstruktiv
aufwendig und herstellungstechnisch teuer. Zu dem kommt, daß die Anordnung einer
großdimensionierten Gleitfunkenzündkerze zwischen flammrohrseitigem Zündrohrende
und der Zünddüse Schwierigkeiten bereiten und die ganze Anlage vergrößern würde.
Außerdem wird der Zünd--brennstoff durch den Luftkreisel nicht schnell genug einer
intensiven Verrmikhung zugeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Ausführungen zu vermeiden und für Brennkammem von Gasturbinen eine Zündvorrichtung
zu schaffen, die einen einfachen und räumlich gedrängten Aufbau aufweist, Betriebsstörungen
ausschließt, eine schnelle Vermischung des Zündbrennstoffes mit der Zündluft mit
sich bringt und eine intensive Zündwirkung hervorruft.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß bei an sich
bekannter Lage der Zündkerze zentral zum Zündrohr die Zünddüse derart angeordnet
ist, daß ihre Einspritzöffnung zwischen die flaminrohrzugewandten Enden von Zündrohr
und Zündkerze zu liegen kommt und durch einen innerhalb des Zündrohres liegenden
Brennstoffzulauf derart gespeist wird, daß der Zündbrennstoff aus der (im Bereich
der Einspritzöffnung zweckmäßig verstärkten) Wand des Zündrohres austritt.
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Ein weiteres Ausgestaltungsmerkmal der Erfindüng, das insbesondere
eine bauliche Vereinfachung und Verbilligung für die gesamte Zündvorrichtung mit
sich bringt, besteht darin, die Zünddüse unmittelbar aus dem Material der Zündrohrwand
herauszuarbeiten. Hierdurch entfällt in vorteilhafter Weise ein besonderer Bauteil,
nämlich eine eigene Zünddüse, für die Zerstäubung des Zündbrennstoffes.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen,
die Innenfläche des zum Flammrohr hin gerichteten Endteiles des Zündrohres als Doppelkegel
auszubilden und die Zündkerze so anzuordnen, daß ihr inneres Ende im Bereich der
Basis des konvergenten Teiles des Doppelkegels liegt. Hierbei ist es zweckmäßig,
die Zünddüse im diver-C genten Teil der doppelkegelförmigen Innenfläche vorzusehen,
und zwar in der Nähe der Einschnürung des Doppelkegels.
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Durch die Erfindung ist grundsätzlich eine günstige Konstellation
im Hinblick auf die Anordnung der Zündkerze und der Zünddüse am bzw. im Zündrohr
gegeben. Die Lokalisierung der Zündkerze an der äußeren radialen Stirnseite des
Zündrohres erlaubt nicht nur die Installierung einer großflächigen Zündkerze (Gleitfunkenzündkerze)
und eine verhältnismäßig kurze Ausführung des Zündrohres, sondern schafft auch die
Voraussetzung bzw. Platz für eine direkte Zündlufteinführung aus dem Sekundärkanal
in den Zündraum in tangentialer- Richtung zur Erzeugung eines Luftdralls. Die Zuführung
des Zündmittels durch die Wand des Zündrohres und seine Ausspritzung aus dem Zündrohr
vereinfacht und verbilligt die Gesamtvorrichtung, und schafft die Voraussetzung
dafür, das Zündmittel in, der Ebene oder zumindest schräg zur Ebene des Luftwirbels
einbringen zu können, was eine intensive Zerstäubung des Einspritzkegels mit sich
bringt und schnellere Vermischung des Zündmittels mit dem Luftwirbel nach sich zieht,
weil der Zündbrennstoffkegel durch die eine hohe Umfangsgeschwindigkeit aufweisende
DraUströmung bereits an der Ausspritzwurzel erfaßt wird. Eine besondere Intensivierung
dieses Vorganges ist bei Ausbildung des fraglichen Bereiches des Zündrohres als
konvergent-divergente Ausmündung gegeben.
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Auf die Vorteile der Erfindung wird in der Zeichnungsbeschreibung
nochmals eingegangen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 die Zündvorrichtung im Längsschnitt mit einem Teil der
Brennkammer, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-11 der F i
g. 1 und F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie III-111 der F ig.
1.
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Die Zündvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Zündrohr
11 und einer koaxial darin angeordneten elektrischen Zündkerze 12, beispielsweise
einer Hochenergiezündkerze oder einer Gleitfunkenzündkerze mit Oberflächenentladung.
Das Zündrohr 11
sitzt mit einem Bund 13 außen auf der Außenwand 14
der Brennkammer und erstreckt sich durch den Sekundärluftkanal 15 hindurch
bis zum Flammrohr 16. Die Innenfläche des zum Brennraum 17 des Flammrohres
16 gerichteten Endteiles des Zündrohres 11 ist als Doppelkegel
18 ausgebildet, und die Zündkerze 12 ist so angeordnet, daß ihr inneres Ende
19 an der Basis des konvergenten Teiles 20 des Doppelkegels 18 liegt.
Die Zündkerze 12 sitzt formschlüssig im Zündrohr U. Nur im Bereich ihres
zum Flammrohr 16 zeigenden Endteiles 21 ist die Innenfläche des Zündrohres
11 im Durchmesser erweitert, so daß ein zum Flammrohr 16 hin offener
Ringraum 22 entsteht. Im Bereich dieses Ringraumes 22 ist im Zündrohr
11 eine Lufteintrittsöffnung 23 (es können auch mehrere sein) vorgesehen,
die tangential in den Ringraum 22 einmündet.
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Im Bereich des divergenten Teiles 27 des Doppelkegels
18, und zwar in der Nähe der Einschnürung 28, ist eine Zünddüse
29 vorgesehen, die in das Zündrohr 11 eingearbeitet ist. Die Zünddüse
29 steht in bezug auf den divergenten Teil 27 des Doppelkegels
18 senkrecht und ist schräg gegen den Innenraum 17 des Flanimrohres
16 gerichtet, und zwar schräg gegen die Richtung des im Flammrohr
16
strömenden Gemisches 30, das im vorderen Teil der Brennkammer aus
Primärluft und Hauptbrennstoff besteht. Eine Brennstoffzulaufleitung 31 führt
innerhalb der Wand des Zündrohres 11 zur Zünddüse 29
und mündet tangential
in den Düsenvorraum 29 b,
so daß die Zünddüse als Dralldüse arbeitet.
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Zur Halterung des inneren Endes 24 des Zündrohres 11 ist am
Flammrohr 16 um eine hier vorgesehene Einströrnöffnung 25 ein Ring
32 befestigt, der gleichzeitig ein Einströmen von »Falschluft« an dieser
Stelle in den Innenraum 17 des Flarnmrohres 16 verhindert.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung ist folgende:
Zündluft Z gelangt durch die Eintrittsöffnung 23
,in tangentialer Richtung
in den Ringraum 22, so daß ein Ringwirbel entsteht, der sich an der Wand des Doppelkegels
18 fortsetzt. Durch die Durchmesserverkleinerung
im konvergenten
Teil 20 des Doppelkegels steigert sich die Drehgeschwindigkeit des Ringwirbels und
erreicht in der Einschnürung 28, in deren Bereich die Zünddüse
29 angeordnet ist, seine Maximalgeschwindigkeit, wodurch die Vermischung
der Zündluft mit mindestens einem Teil des Zündbrennstoffes günstig beeinflußt wird.
Durch den von der Zündkerze 12 erzeugten Zündfunken wird die Verbrennung eingeleitet,
die sich dann im divergenten Teil 27 des Doppelkegels 18 fortsetzt.
Das brennende Zündbrennstoff-Luft-Gemisch wird durch den Ringwirbel als Flammenkreisel
in den Brennraum 17 des Flammrohres 16 hineingetragen und entflammt
dort das Hauptgemisch. Bei tangentialer Anordnung einer Zünddüse 29
a (F i g. 3) in Drehrichtung des Zündluftringwirbels schräg gegen
die Strömung des Hauptgemisches 30 im Fl-ammrohr 16 wird die Energie
des Zündgemischwirbels entgegen der Richtung des Hauptgemisches 30 verstärkt,
so daß die Zündflammenfront in vorteilhafter Weise weiter nach vorn getragen wird.
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Während des normalen Betriebes der Brennk,immer, d. h. bei
abgeschalteter Zündvorrichtung, legt die durch die öffnung 23 einströmende
Luft einen kühlenden Schleier (Luftfilm) um den Endteil 21 herum und an die nach
innen zeigende Stirnfläche der Zündkerze 12 sowie an die doppelkegelförmige Innenfläche
18 des Zündrohres 11. Durch die Zurückversetzung der Zündkerze 12
gegenüber dem Flammrohr 16 bleibt diese Schleierkühlung besonders wirksam.
Insbesondere wird dadurch ein Eindringen von Heißgas aus dem Flammrohr
16 in den Innenraum des Zündrohres 11 verhindert und damit die Zünddüse
29 vor Verkokung bewahrt. Andererseits wird derdurch dieZurückversetzungderZündkerze12
entstehende doppelkegelförmige Vorraum für eine intensive Aufbereitung des Zündgemisches
und eine rasche Verbreitung der Zündflamme im Brennraum17 des Flammrohres16 genutzt.
Ferner erlaubt die doppelt kegelförmig gestaltete Innenfläche 18 des Endteiles
des Zündrohres 11 die Anordnung einer eine bestimmte Drallraumlänge erfordernden
Dralldüse als Zünddüse bei einer sonst verhältnismäßig dünnwandigen Ausbildung der
Zündrohrwand.
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Zu den nachfolgenden Patentansprüchen wird bemerkt, daß für die Gegenstände
der Unteransprüche ein vom Hauptgedanken der Erfindung (Anspruch 1)
losgelöster
Schutz nicht begehrt ist.