DE1281213B - Brennereinrichtung fuer eine von Luft mit hoher Geschwindigkeit durchstroemte Brennkammer fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F02c

Deutsche Kl.: 46 f-7/03

Nummer: 1281213

Aktenzeichen: P 12 81 213.4-13 (S 97338)

Anmeldetag: 28. Mai 1965

Auslegetag: 24. Oktober 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennereinrichtung für eine von Luft hoher Geschwindigkeit durchströmte Brennkammer für Gasturbinen mit mindestens zwei ringförmigen, konzentrisch angeordneten, im radialen Querschnitt V-förmigen Flammhalterringen, deren V-Scheitel stromaufwärts und deren V-Öffnungen stromabwärts liegen, und mehreren hohlen radialen Profilarmen, die die Flammhalterringe miteinander verbinden und mit deren Innenräumen in Verbindung stehen, so daß die Flammhalterringe und die Profilarme eine zusammenhängende starre Anordnung bilden.

Brennkammern von Gasturbinen sind einer hohen thermischen Beanspruchung ausgesetzt. Ursache für diese hohe thermische Beanspruchung ist unter anderem der Abfall des statischen Druckes innerhalb der Brennkammer. Um einem übermäßigen Druckabfall entgegenzuwirken, ist es bekannt, in der Brennkammer Flammhalterringe anzubringen. Diese Flammhalterringe bestehen aus V-förmig gebogenen Materialstreifen, deren V-Scheitel stromaufwärts und deren V-Öffnungen stromabwärts liegen. Die in einem radialen Querschnitt in einer oder mehreren Ebenen konzentrisch oder parallel zueinander liegenden Flammhalterringe sind über mehrere hohle radiale Profilarme verbunden die mit den Innenräumen der Flammhalterringe gegebenenfalls in Verbindung stehen. Dadurch sind die Flammhalterringe zu einem starren Gebilde miteinander verbunden, das dann über gelenkige Aufhängungen mit der Brennkammerwand in Verbindung steht.

Darüber hinaus ist es bekannt, den Kraftstoff aus mehreren Düsen stromaufwärts der Flammhalterringe in die Brennkammer einzuspeisen. Die Düsen werden dabei über getrennt in die Brennkammer eingeführte Versorgungsleitungen mit Brennstoff versorgt. Dieser Aufbau hat den Nachteil, daß die Flammen innerhalb der Brennkammer bis an die Düsen herankommen können und der Brennstoff deshalb gegebenenfalls an den Düsen verkokt. Damit kann dann eine gleichmäßige Brennstoffzerstäubung verhindert werden und können ungleichmäßige Belastungen über den Querschnitt der Brennkammer hinweg auftreten.

Es ist schließlich auch bekannt, zwischen den Flammhalterringen eine Zünddüse anzuordnen, die das nach dem Einspritzen von Kraftstoff aus den Düsen in die Brennkammer gebildete Brennstoff-Luftgemisch entzündet. Mit dieser Zündvorrichtung wird aber eine ungleichmäßige thermische Belastung, wie sie bei der Einspritzung weit stromaufwärts auftritt, in keiner Weise beeinflußt.

Brennereinrichtung für eine von Luft mit hoher
Geschwindigkeit durchströmte Brennkammer für Gasturbinen

Anmelder:

Societe Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs d'Aviation, Paris

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,

2000 Hamburg, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:
Louis Jules Bauger, Vanves, Seine;
Bernard Paul Emile Gambet,
Dammarie-Les-Lys, Seine-et-Marne;
Armand Jean-Baptiste Lacroix,
Itteville, Seine-et-Oise;
Pierre Jean Victor Negre, Paris (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 9. Juni 1964 (977 635)

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennereinrichtung für eine von Luft hoher Geschwindigkeit durchströmte Brennkammer für Gasturbinen zu schaffen, bei der eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennkammer gewährleistet ist.

Die gestellte Aufgabe ist bei einer Brennereinrichtung der erwähnten Art dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung eine ringförmige Kraftstoffsammelleitung, die einen zwischen den Radien der Flammhalterringe liegenden Radius hat, stromaufwärts der Ringe koaxial zu diesen angeordnet ist und eine Anzahl von Einspritzeinrichtungen aufweist, die durch je eine in den Anströmkanten der radialen hohlen Profilarme vorgesehene Öffnung in das Innere de· Arme hineinragen, wobei die Öffnungen soviel größer sind als die Einspritzeinrichtungen, daß um die Einspritzeinrichtungen herum Durchgangswege finden Zutritt von Luft i« das Innere der hohlen Profilarme frei bleiben.

Mit Hilfe der Brennereinrichtung nach der Erfindung wird die Verbrennung innerhalb der Brennkammer stabilisiert, da der Kraftstoff und die Luft

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in einem geschützten Raum exakt miteinander ge- irischen koplanaren Flammhalterringen 4, 5 mit mischt werden. Dieser Raum öfinet sich unmittelbar stromabwärts offenem V-förmigem Querschnitt und der Wirbelzone der Flammhalterringe. Außerdem einer Brennstoffsammelleitung 6, die auf einem zu wird trotz der hohen Geschwindigkeit, mit der die den Ringen 4, 5 konzentrischen Kreis verläuft, desLuft die Brennkammer durchströmt, eine sichere 5 sen Radius einen mittleren Wert zwischen den Radien Zündung und vollständige Verbrennung gewähr- der Ringe 4, 5 hat, , . leistet. Schließlich ist die Brennereinrichtung eine in Nach der Erfindung sind die zwei Flammhaltersich geschlossene Baueinheit, die äußerst stabil ist. ringe 4, 5 mittels einer gewissen Zahl von radialen Verformungen durch Wärmeausdehnuhgen können hohlen Profilarmen 7 verbunden, die über den Quersich nur in weif geringerem Maße störend auswirken io schnitt der Brennkammer 1 verteilt und so profiliert als bei weniger kompakter oder gar getrennter Be- sind, daß ihr Widerstand in der die Brennkammer festigung der Teile der Brennereinrichtung. durchströmenden Luft gering ist (die Profilform die-

Da die Kraftstoffzuleitung vollständig stromauf- ser Arme ist in Fig.4 deutlicher zu sehen). Diese wärts der Flammenfront der Flammhalterringe liegt hohlen Profilarme sind radial auf die sich gegenüber- und die Einspritzung in die Profilarme hinein erfolgt, 15 stehenden Schenkel der Flammhalterringe 4, S aufsind die Düsen der Einspritzeinrichtungen vor geschweißt. Die Wandungen dieser Schenkel sind bei Wärmestrahlung geschützt. Auf diese Weise werden 4 a und 5 a an ihrer Schnittstelle mit den hohlen Brennstoffverkokungen vermieden. Armen 7 durchbrochen, so daß die Arme an jedem

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- Ende mit dem Inneren der Flammhalterringe in Ver-

dung ist im Strom des Kraftstoff-Luftgemisches, das ao bindung stehen.

von der durch die öffnungen eintretenden Luft und Die Kraftstoffsammelleitung 6 ist stromaufwärts

dem durch die Einspritzeinrichtungen zugeführten der Arme 7 angeordnet und trägt angeschweißte Dü-

Kraftstoff gebildet wird, eine Zündvorrichtung an- senköpfe 8, die durch zu diesem Zweck gebohrte

geordnet. Durch diesen Aufbau erfolgt die Flammen- öffnungen 9 in das Innere der Profilarme 7 hinein-

ausbreitung von einem Brenner zum anderen unab- 35 ragen. Der Durchmesser dieser Öffnungen ist so groß

hängig von der durch die Brennkammer hindurchr gewählt, daß die Luft die Düsenköpfe 8 umströmen

strömenden Luft. Damit läßt sich die Zündgeschwin- kann. Damit wird eine sachgemäße Mischung aus

digkeit wesentlich steigern. Luft und Brennstoff erhalten. Auf der stromabwärts

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegenden Seite der Arme 7 sind Öffnungen 10 vorder Erfindung sind in den Abströmkanten der radia- 30 gesehen, durch welche die Brennstoffluftmischung len hohlen Profilarme Austrittsöffnungen vorgesehen austreten kann. Koaxial zu den Flammhalterringen und ist eine Ablenkblende stromabwärts von diesen 4, 5 ist eine schmale Ringscheibe 11 mittels Quer-Austrittsöffnungen angeordnet, um die austretende streben 12 gehalten, die stromabwärts an den Profil-Strömung nach außen und innen in die Wirbelzone armen befestigt sind.

der V-förmigen Flammhalterringe hinein abzulenken. 35 Diese Anordnung erlaubt die Brennstoffeinsprit-Auf diese Weise erfolgt eine gleichmäßige Verteilung zung unter erhöhtem Druck bei der geringeren Zahl des Kraftstoff-Luftgemisches in der Brennkammer. von Einspritzöffnungen. Wenn der aus dem Düsen-Damit ergibt sich zunächst eine gleichmäßige radiale kopf 8 austretende Kraftstoffstrahl mit dem strom-Temperaturverteilung. Außerdem wird die Mindest- abwärts gelegenen Teil des Profilarmes 7 in Berühtemperatur zwischen den zwei Maxima, die den zwei 40 rung kommt und dann an der Austrittsöffnung 10 Flammhalterringen entsprechen, durch die Gegen- auf die als Blende wirkende Ringscheibe 11 prallt, wart der Ablenkblende ebenso wie der Profilarme wird der Brennstoff zerstäubt. Er wird dann in der gesteigert. Es ergibt sich damit eine weitere Leistungs- Umgebungsluft fein verteilt, und das Gemisch ververbesserung und eine weitere Verbesserung der Ver- teilt sich in den zwei durch die Flammhalterringe 4,5 brennungsstabilität. Schließlich führt der Aufbau 45 geschaffenen Strombahnen, wo es brennfähig ist. Um auch noch bei gegebener Temperatur am Brennkam- _zu verhindern, daß das Gemisch ohne zu brennen merausgang der Turbine zu einem besseren Verhalten zwischen die zwei Strombahnen getragen wird, könder Turbinenschaufeln. _nen die sich gegenüberstehenden Schenkel der zwei

Die Ablenkblende kann dabei vorteilhafterweise Ringe stärker gegenüber der Hauptachse der Kamais eine Ringscheibe ausgebildet sein, deren radiale 50 mer als die Außenschenkel geneigt sein, so daß die Abmessungen im wesentlichen denen der Austritts- Rückstromgebiete des Mittelraumes einander geöffnungen in den Abströmkanten der Profilarme nähert werden, entsprechen. Anstatt einen oder mehrere Strahlen in Richtung

Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung der Luftströmung auf die Ringscheibe 11 zu leiten,

dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. 55 kann der Düsenkopf 8 auch Strahlen emittieren, die

Es zeigt geneigt zu dieser Strömung in Richtung auf die Ver-

Fig. 1 eine schematische Teilansicht einer Bren- bindungsöffnungen4a, Sa der Profilarme7 mit den

nereinrichtung nach der Erfindung von der Aus- Flammhalterringen 4, S verlaufen. Die Zerstäubung

strömseite her gesehen, erfolgt dann auf den Außenlippen der Ringe anstatt

F i g. 2 und 3 Radialschnitte längs der Linien ΙΙ-Π 60 — wie vorher — auf der Ringscheibe 11. Diese zwei

und III-III nach F i g. 1, Einspritzarten können gleichzeitig angewandt werden.

Fig. 4 und 5 Teilschnitte längs der Linien IV-IV In den Profilarmen 7 können Zuführungen für Luft

nach Fig. 3 bzw, V-V nach Fig. 2. vorgesehen sein, deren Druck größer als der normale

Die in den Zeichnungen dargestellte Brennerein- Eingangsdruck in der Brennkammer ist, wenn man

richtung ist in einer Brennkammer 1 eines Gasturbi- 65 die Öffnungen 9 an eine Überdruckquelle anschließt,

nentriebwerkes angebracht, die von zwei ringförmigen Es kann auch eine Heißluftzuführung, beispielsweise

Kammerwänden· 2, 3 begrenzt ist. Die Brennerein- durch Anzapfung an der Gasturbine, vorgesehen

richtung besteht im wesentlichen aus zwei konzen- werden.

Die Fi g. 2 und 5 lassen die Aufhängung der zwei Flammhalterringe 4, 5 und der Kraftstoffzuleitung 6 an der Außenwand 2 deutlicher erkennen.

Diese Aufhängung besteht aus einer Reihe von Verbindungsstangen 13, die an ihren Enden durch Bolzen 14, 15 mit Stiften 16 auf T-Trägern 17, 18 angelenkt sind, die ihrerseits auf die Ringe 4, 5 so aufgeschweißt sind, daß sie sich an ihre Stirnkante anschließen. Diese Verbindungsstangen 13 sind außerdem in ihrer Mitte durch einen Bolzen 19 mit Stiften 16 auf einem Träger 20 angelenkt, der mit der Kraftstoffzuleitung 6 fest verbunden ist. Auf demselben Bolzen 19 ist ein Ende eines Schwingarmes 21 angebracht, der am anderen Ende bei 22 an der Außenwand 2 angelenkt ist. Der Bolzen 22 ist dabei in einem Gabelgelenk 23 mit einem Gewindekopf24 angebracht, der eine Bohrung in der Wand 2 durchdringt und eine selbstsichernde Mutter 25 trägt. Selbstverständlich besteht diese Aufhängung aus einer bestimmten Anzahl angelenkter Schwingarme 21, die ao über den Querschnitt der Kammer verteilt sind.

Die auf die Flammhalterringe 4,5 aufgeschweißten Arme 7 bestimmen die relative Lage der Ringe, nicht jedoch die das Ganze tragenden Gestänge 13 bis 21. Die Anbringung dieser Baugruppe in der Brennkammer kann daher keine zusätzliche Beanspruchung infolge der relativen Ausdehnungen herbeiführen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennereinrichtung für eine von Luft mit hoher Geschwindigkeit durchströmte Brennkammer für Gasturbinen mit mindestens zwei ringförmigen, konzentrisch angeordneten, im radialen Querschnitt V-förmigen Flammhalterringen, deren V-Scheitel stromaufwärts und deren V-Öffnungen stromabwärts liegen, und mehreren hohlen radialen Profilarmen, die die Flammhalterringe miteinander verbinden und mit deren Innenräumen in Verbindung stehen, so daß die Flammhalterringe und die Profilanne eine zusammenhängende starre Anordnung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Kraftstoffsammelleitung (6), die einen zwischen den Radien der Flammhalterringe (4, 5) liegenden Radius hat, stromaufwärts der Ringe koaxial zu diesen angeordnet ist und eine Anzahl von Einspritzeinrichtungen (8) aufweist, die durch je eine in den Anströmkanten der radialen hohlen Profilarme (7) vorgesehene Öffnung (9) in das Innere der Arme (7) hineinragen, wobei die Öffnungen (9) so viel größer sind als die Einspritzeinrichtungen (8), daß um die Einspritzeinrichtungen (8) herum Durchgangswege für den Zutritt von Luft in das Innere der hohlen Profilarme (7) frei bleiben.

2. Brennereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strom des Kraftstoff-Luftgemischs, das von der durch die öffnungen (9) eintretenden Luft und dem durch die Einspritzeinrichtungen (8) zugeführten Kraftstoff gebildet wird, eine Zündvorrichtung (26) angeordnet ist.

3. Brennereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abströmkanten der radialen hohlen Profilarme (7) Austrittsöffnungen (10) vorgesehen sind, und daß eine Ablenkblende (11) stromabwärts von diesen Austrittsöffnungen (10) angeordnet ist, um die austretende Strömung nach außen und innen in die Wirbelzonen der V-förmigen Flammhalterringe (4, 5) hinein abzulenken.

4. Brennereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkblende eine Ringscheibe (11) ist, deren radiale Abmessungen im wesentlichen denen der Austrittsöffnungen (10) in den Abströmkanten der Profilarme (7) entsprechen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1133 185;
französische Patentschrift Nr. 1245 920;
britische Patentschrift Nr. 821286;
USA.-Patentschriften Nr. 3 035 410, 2 979 900,
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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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