DE1751838B2

DE1751838B2 - Brennkammer fuer gasturbinenanlagen mit einer stroemungssteuereinrichtung

Info

Publication number: DE1751838B2
Application number: DE19681751838
Authority: DE
Inventors: William Dean Farnham Surrey Bryce (Grossbritannien)
Original assignee: Der Minister fur Technologie in der Regierung Ihrer Majestät der Konigin der Vereinigten Königreiche von Großbritannien und Nordirland, London
Priority date: 1967-08-10
Filing date: 1968-08-07
Publication date: 1978-01-26
Also published as: DE1751838A1; US3527052A; GB1184683A; DE1751838C3; FR1582611A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für Gasturbinenanlagen mit einer Strömungssteuereinrichtung zur Regulierung der in die Brennzone gelangenden Primärluftmenge nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine Brennkammer dieser grundsätzlichen Art ist ^r> bereits aus der US-PS 28 07 933 bekannt. Bei der bekannten Brennkammer ist eine Druckluftinjektionsdüse innerhalb des den Flammrohreinlaß begrenzenden Strömungsteilers angeordnet, welch letzterer durch das stromaufwärtige Flammrohrende gebildet ist. Durch

ίο diese Injektionsdüse wird am einlaßseitigen Ende der Brennkammer ein Druckluftringstrahl schräg radial auswärts und stromaufwärts in die in das Flammrohr eintretende Luftströmung eingeblasen, durch dessen Stärke das Verhältnis zwischen der in den FJammrohr-

f> einlaß eintretenden Luftmenge und der in den das Flammrohr umschließenden Ringkanal einströmenden Luftmenge und somit das Verhältnis von Primärluft zu Sekundärluft steuerbar ist, da der Druckluftringstrahl je nach seiner Stärke die in den Flammrohreinlaß eintretende Luftströmung zugunsten der in den Ringkanal einströmenden Luftmenge mehr oder weniger stark drosselt.

Bei der bekannten Anordnung müssen jedoch infolge des stromaufwärts gerichteten, als Steuerluftstrahl dienenden Druckluftringstrahls beträchtliche aerodynamische Verluste in Kauf genommen werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Steuerung der relativen Menge der in die Brennzone einströmenden Primärluft zu finden,

jo ohne daß durch diese Steuerung erhebliche aerodynamische Verluste entstehen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

r> Da bei der erfindungsgemäßen Lösung die Steuerung des in die Brennzone gelangenden Anteils der zuströmenden Luftmenge nur durch mehr oder weniger starke radiale Ablenkung der über die Ringwandfläche strömenden Luftströmung und ohne Drosselung der Luftströmung erfolgt, verursacht die Steuerfunktion der Strömungssteuereinrichtung bei der erfindungsgemäßen Brennkammer keine aerodynamische Verluste.

Die Grenzschichtabsaugung als Mittel zur Beeinflussung einer Gasströmung ist an sich bekannt (GB-PS

4-> 7 38 006 und US-PS 28 41 182).

Die Unteransprüche 2 und 3 beinhalten zwei alternative grundsätzliche Gestaltungsmöglichkeiten der Strömungssteuereinrichtung nach der Erfindung. Weitere bevorzugte Einzelheiten der Erfindung sind

¹M Gegenstand der Unteransprüche 4 bis 7.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch eine

« erste Ausführungsform einer Brennkammer nach der Erfindung und

Fig.2 einen schematischen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Brennkammer nach der Erfindung.

w) F i g. 1 zeigt eine im wesentlichen zylindrische Brennkammer 1 mit einem darin koaxial angeordneten, ebenfalls zylindrischen Flammrohr 2 und einem zwischen der Flammrohrwand und der Brennkammerwand gebildeten Ringkanal 6. Die Brennkammer 1

hi verjüngt sich zu ihrem stromaufwärtigen, mit einem Verdichter zu verbindenden Einlaß 4 und zu ihrem stromabwärtigen, mit einem Turbineneinlaß zu verbindenden Auslaß 5 hin. Das Flammrohr 2 verjüngt sich

ebenfalls zu seinem stromabwärtigen Ende hin, wo es mit der Brennlcammerwand zusammenläuft, so daß der Ringkanal 6 an seinem stromabwärtigen Ende geschlossen ist.

Am stromaufwärtigen Flammrohrende ist in der Brennkammerachse ein Brennstoffeinspritz.;r 3 angeordnet, der über eine Leitung 7 mit Brennstoff versorgt und mittels radialer Streben 8 an der Brennkammerwand gehaltert ist.

Außerdem tragen die Streben 8 einen den Brennstoffeinspritzer 3 umgebenden ringförmigen Strömungsteiler 9, der den Luftzustrom in einen über seinen Außenumfang hauptsächlich in den Ringkanal 6 einströmenden Teilstrom und in einen durch den zwischen dem Strömungsteiler und dem Brennstoffeinspritzer gebildeten Einlaßkanal 10 als Primärluft in die Brennzone des Flammrohrs 2 gelangenden Teilstrom aufteilt. Die in den Ringkanal 6 geleitete Luft strömt dann durch Sekundärluftdurchtrittsöffnungen Il und 12 in de:' Flammrohrwand als Sekundärluft und Verdünnungsluft in das Flammrohrinnere ein.

Der Strömungsteiler 9 ist als Hohlkörper mil etwa D-förmigem Querschnitt ausgebildet, wobei der gerade Wandabschnitt die radial innere Strömungsteilerwand und der gerundete Wandabschnitt die radial äußere Strömungsteilerwand bildet. Die gerundete radial äußere Strömungsteilerwand ist stromaufwärts abgeflacht und bildet stromabwärts eine radial nach innen gewölbte Ringwandfläche, die von zwei als konzentrische Ringschlitze 14 und 15 ausgebildeten öffnungen durchsetzt ist, die über Kammern 16 und 17 und Leitungen 18 und 19 unterdruckbeaufschlagbar sind. Die mit diesen unterdruckbeaufschlagbaren öffnungen 14 und 15 versehene Ringwandfläche ist durch einen Axialspalt 13 vom stromaufwärtigen Flammrohrende getrennt.

Durch Unterdruckbeaufschlagung der Kammern 16 und 17 des Strömungsteilers 9 kann über die öffnungen 14 und 15 die sich in diesem Bereich bildende Grenzschicht abgezogen werden. Dadurch ist es möglich, die über die Außenseite des Strömungsteilers 9 strömende Luftströmung, die normalerweise hauptsächlich in den Ringkanal 6 und nur zu einem sehr kleinen Teil durch den Axialspalt 13 in das Flammrohrinnere eintritt, je nach Stärke des an die öffnungen 14 und 15 angelegten Saugdruckes mehr oder weniger stark in Richtung der strichpunktiert gezeichneten Pfeile in das Flammrohrinnere hinein abzulenken und dadurch der Brennzone eine größere Luftmenge zuzuführen. Dabei wird der in den Ringkanal 6 einströmende Luftstromanteil entsprechend verringert und damit eine Änderung des Verbrennungsbildes erzielt. Durch die Stärke des an die öffnungen 14 und 15 angelegten Unterdruckes, wobei der Unterdruck auch gewünschtenfalls zeitweise jeweils nur an eine der beiden Öffnungen 14 und 15 oder in unterschiedlichem Maße an die beiden öffnungen angelegt werden kann, kann in Abhängigkeit von anderen Betriebsparametern der Gasturbinenanlage der relative Anteil der in die Brennzone gelangenden Primärluft sowie auch mittels der Stärke der Ablenkung des durch den Axialspalt 13 eintretenden Luftstroms die Flammenlänge im Flammrohr gesteuert werden.

Die in Fig.2 dargestellte Brennkammer unterscheidet sich durch eine andere Ausbildung der zur j Steuerung der relativen Menge der in die Brennzone gelangenden Primärluft dienenden Einrichtung von der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform.

Bei der Brennkammer nach F i g. 2 wird der durch den Einlaß 4 eintretende Luftzustrom durch das stromauf-

lü wärtige Strahlrohrende wiederum in einen in den Ringkanal 6 eintretenden Teilstrom und einen in das Flammrohr eintretenden Teilstrom unterteilt. Das Flammrohr 2 weist in seinem stromaufwärtigen Bereich Sekundärluftdurchtrittsöffnungen 20 und 31 und im stromabwärtigen Bereich Durchtrittsöffnungen 12 für Verdünnungsluft auf.

Der den Brennstoffeinspritzer 3 umgebende Einlaßkanal iO für Primärluft wird radial außen durch ein zwischen dem Brennstoffeinspritzer und dem stromaufwärtigen Ende der Flammrohrwand angeordnetes ringförmiges Leitblech 21 begrenzt, das an seinem stromabwärtigen Ende nach außen umgebogen ist. Ein weiteres Ringleitblech 22 verläuft von dem erweiterten stromabwärtigen Ende des Leitbleches 21 nach außen zur Flammrohrwand hin. Die beiden Leitbleche 21 und 22 bilden zusammen mit dem stromaufwärtigen Flammrohrende einen stromaufwärts offenen Ringraum 23, in den ein Teil des in das Flammrohr einströmenden Luftstroms eintritt. Zwischen den einander überlappenden Enden der beiden Ringleitbleche 21 und 22 und zwischen dem äußeren Ende des Ringleitbleches 22 und der Flammrohrwand sind ringförmige Kühlöffnungen 24 bzw. 25 gebildet, durch welche Luft aus dem Ringraum 23 über das Ringleitblech 22 und die

J5 Flammrohrinnenwand strömen kann.

Die nach außen zur Flammrohrinnenwand abgelenkte, durch die Kühlöffnungen 25 hindurchströmende Luft strömt unmittelbar stromauf der Sekundärluftdurchtrittsöffnungen 20 an der Flammrohrinnenwand entlang

•in und besitzt normalerweise eine so große Geschwindigkeit, daß sie die Sekundärluft in Richtung der Pfeile B stromabwärts aolenkt, wie im oberen Teil der Fig. 2 angedeutet ist. Unmittelbar stromabseitig anschließend an die Kühlöffnung 25 und das Ringleitblech 22

-i") anschließend ist ein kreisringförmiges Rohr 26 angeordnet, das an seiner stromabwärtigen Seite mit öffnungen 27 versehen und an eine Saugleitung 28 angeschlossen ist. Durch Unterdruckbeaufschlagung des Rohrinneren und der öffnungen 27 wird durch Grenzschichtabsaugung ein Teil der durch die Kühlöffnung 25 in das Flammrohr eintretenden Kühlluft zur Flammrohrmitte hin abgelenkt. Dadurch wirkt diese abgelenkte Kühlluft nicht so stark auf die durch die Sekundärluftdurchtrittsöffnungen 20 eintretende Sekundärluft ein, so daß diese ebenfalls stärker zur Mitte des Flammrohres hin in dieses einströmt, wie im unteren Teil der Fig.2 durch die Pfeile C angedeutet ist. Dadurch ergibt sich ein kürzerer Strömungswirbel als bei dem in Fig. 2 oben durch die Pfeile B angedeuteten Strömungsverlauf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkammer für Gasturbinenanlagen, mit einem Flammrohr und einem dieses umgebenden, stromab abgeschlossenen und über Sekundärluftdurchtrittsöffnungen in der Flammrohrwand mit dem Flammrohrinneren in Verbindung stehenden Ringkanal, weiter mit einem lufteinlaßseitig angeordneten Strömungsteiler, der den Luftzustrom teilweise in den Ringkanal und teilweise in das Flammrohr leitet, und mit einer Strömungssteuereinrichtung zur Regulierung der in die Brennzone gelangenden Primärluftmenge, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssteuereinrichtung eine das stromaufseitige Brennzonenende umschließende, stromabwärts radial nach innen gewölbte Ringwandfläche (9; 26) mit unterdruckbeaufschlagbaren Öffnungen (14, 15; 27) aufweist, mittel·; welcher eine radial außen über diese Wandfläche strömende Luftströmung durch Grenzschichtabsaugung regulierbar radial einwärts in die Brennzone hinein ablenkbar ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem als Hohlkörper ausgebildeten Strömungsteiler (9) und dem stromaufwärtigen Ende der Flammrohrwand (2) ein Axialspalt (13) gebildet ist und daß die mit unterdruckbeaufschlagbaren Öffnungen (14, 15) versehene Ringwandfläche den dem Axialspalt zugewandten Teil der stromabseitigen Strömungsteilerwand bildet (F i g. 1).

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial innerhalb des Strömungsteilers ein Ringleitblech (21, 22) angeordnet ist, das einen Teil des in das Flammrohr (2) eintretenden Luftstroms nach außen zur Flammrohrinnenwand lenkt, und daß die mit unterdruckbeaufschlagbaren Öffnungen (27) versehene Ringwandfläche (26) sich an das stromabseitige Ringleitblechende anschließt (F i g. 2).

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammrohrwand (2) in ihrem stromaufwärtigen Bereich Einlaßöffnungen (20) für zusätzliche Verbrennungsluft aus dem Ringkanal (6) aufweist, deren Lage so gewählt ist, daß die durch sie eintretende Luftströmung mittelbar über die Einwärtsumlenkung des vom Ringleitblech (21, 22) zur Flammrohrinnenwand gelenkten Luftstromes durch die Strömungssteuereinrichtung (26,27) steuerbar ist.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterdruckbeaufschlagbaren Öffnungen als mindestens zwei konzentrische Ringschlitze (14,15) ausgebildet sind.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringschlitze (14, 15) wahlweise oder unterschiedlich stark mit Unterdruck beaufschlagbar sind.

7. Brennkammer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit unterdruckbeaufschlagbaren Öffnungen (27) versehene Ringwandfläche durch ein kreisringförmiges Rohr (26) gebildet ist.