DE1934700B2

DE1934700B2 - Brennstoffduese fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE1934700B2
Application number: DE19691934700
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing 8000 München Bader
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1969-07-09
Filing date: 1969-07-09
Publication date: 1972-01-05
Also published as: FR2030978A5; US3657885A; DE1934700A1; GB1274370A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffdüse für Gasturbinentriebwerke mit einer Drallkammer, in die Liiflöffnungcn und schräg verlaufende, einen Drall erzeugende BrennstolTaustrittsbohriingen einmünden, die aus einem zylindrischen Gehäuse besteht und mit einem zentralen kolbenförmigen Einsatz, welcher in Form eines divergierenden Kegels aus der Düsenöffrnmg herausragt.

Bei bekannten Brennkammern für Gasturbinentriebwerke wird der Brennstoff in der Regel mittels einer oder mehrerer BrennstolTdüsen unter hohem Drück fein zerstäub! und in die Pnmärzone der Brennkammer eingespritzt. Auch die Vermischung des Ί5 Brennstoffes mit tier für den Verbrennungsprozeß erforderlichen, vom Verdichter des Gasturbinentriebwerkes geförderten Luft sowie die Aufbereitung des Biennstoff-Luft-Gemischcs erfolgt meistens erst in der Primärzone der Brennkammer, wozu die vom Verdichter geförderte Verbrennungsluft entweder über öffnungen --- welche allein unzureichend sind —· oder zusätzlich mittels Wirbel erzeugender Lcitblcclie in der oder im Bereich der stromaufwärtigen Flammrohrabscblußwand der Primärzone der Bennkammer zugeführt wird.

Bekannt ist auch bei Gasturbinentriebwerken die Anwendung sogenannter »Verdampferbrenner« mit in den Brennraum hineinragenden Vcrdampfcrkanäicn. in denen das für den Verbrennungsprozeß zuzuführende Brennstoff-Luft-Gemisch aufbereitet werden kann.

Weiter wird in einer bekannten Brennstoffdüse nach der eingangs genannten Gattung (deutsche Offcnlegungsschrift 1 806 142) eine Vermischung des zügeführten Brennstoffes und de zugeführten Luft erst innerhalb der Drallkammer eingeleitet b/.w. stromabwäris hinter der Düsenaustrittsölfnuiig fortgesetzt.

Weiler lsi durch die deutsche l'aleiilschrill nl2
eine hrennsiolfdiise für Gasiurbineniiiehwerke bekannt, welche eine über voneinander gesonderte Leitungen bzw. Bohrungen mil Biciinsloll und LuIt beaiifschlatibare Mischkammer aufweist, die über einen mit Zulühruiigsbohrungen für das Brennsiolf-Lult-(iemiseh ausgestatteten Verteiler mit der Brennkammer in Verbindung stein. Bei der Mischkammer di, ses bekannten Vorschlages handelt es sich jedoch um nichts anderes als um eine der Brennstoffdüse zugeordnete und in herkömmlicher Weise in ihrer Funktion als Drallkammer zu bezeichnende Einrichtung zur Verbesserung tier Vermischung des zugeführten Brennstoifes und tier zugeführieii Luft vor Eintritt in den Brennraum der Brennkammer.

Den genannten Ausführungsarien von Brennern Ivw. ßrennstolTuüseii ist zu eigen, daß die wesentliche Aufbereitung des Brennstoff-Luft-Gemisches doch erst innerhalb der Primärzone, d. h. also im stromaufwärtigen Flammrohrabschnitt erfolgen kann, wodurch die Brennkammern eine relativ große axiale Längenerstreckung aufweisen müssen. Darüber hinaus erfordern die bei bekannten Brennkammern geschilde.ten Einrichtungen zur Aufbereitung des Brennsto'f-Luft-Gemisches einer, nicht unerheblichen baulichen Aufwand, wobei hierbei insbesondere an solche Ausführungen mit sogenannten »Verdampferkanälen« gedacht ist.

In Hinblick auf die fortschreitende Entwicklung in Richtung einer größeren Brennkammerbelastung n,it einer relativ hohen Brennkammerai;strittstemperatur. welche durch temperaturbeständigere Schaufelwerkstolfe und gute Schaufclkühlverfahren möglich wurde, sowie in Hinblick auf kleinere Kammervolumen — zugunsten eines verminderten Triebwerksgevvichtes — hat es sich weiter gezeigt, daß mit den erwähnten, bekannten Einrichtungen zur Einspritzung des Brennstoffes bzw. zur Aufbereitung des Brennstolf-Luft-Gcmisciies die Verweilzeit für eine intensive Vermischung der Primärzonenluft mit dem Brennstoff sowie für eine einwandfreie Aufbereitung des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Brennkammer kaum noch ausreicht, um eine einwandfreie Verbrennung mit einer hohen Brenukammeraustrittslemperatur und einem gleichförmigen Temperaiurauslrittsprofil erzielen zu können.

Es soll weiter nicht unerwähnt bleiben, daß bei bekannten Brennkammern vorgesehene Leitbleche od. dgl., welche zur Vermischung des Brennstoffes mit der Priniärzonenluft vorgesehen sind, ausgeprägte Primärzonenwirbel der Brennstoff- und Luftanteile erfordern, um schon in der Primärzone eine relativ gleichmäßige Verbrennung zu erzwingen, was jedoch wiederum zu erhöhten Druckverlusten und damit l.cistungsverlusten des Triebwerkes führt.

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde eine Brennstoffdüse zu schaffen, welche die bei bekannten Ausführungen geschilderten Mangel beseitigen soll. indem sie insbesondere im Interesse klcinvolumigcr Brennkammern mit hoher Brcnnkammcraustriltstcmperatur sowie im Interesse eines- gleichförmigen Brennkammertempcraturaustrittsprofils eine weitere Verbesserung der Aufbereitung des dem Brennraum der Brennkammer zuzuführenden Brennstoff-Luft-Gemisches erzielen lassen soll, ohne dabei mit nennenswerten Druckvcrlustcn verbundene Primärzonenwirbel hervorzurufen. Darüber hinaus soll die Brennstoffdüse sich durch einen geringen Ucrsteüungsnif-

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land aus/eicliuen und auf einfache Weise gegen die BicmiMolldiisc 4 sowie audu'ciscits in Kichiung

(ine herkömmliche Urenusiolfdüs·.· austauschbar sein. der !'feile // in einen von dem Außengehänse 1 und

/ur I ösung der gesiellien Aulgabe schlägt die Iu- dein darin befindlichen Fhimmrolii'2 gebildeieii Ringbildung bei einer Brennsiolldise nach tier eingangs kanal 6. Im Bereich dieses Kingkanals 6 ist das l'cnaiinieu Gaumig vor. daß der Drallkammcr eine s Flammrohr 2 im siromaufwärligcn Bereich mil Oll imgförmig ausgebildete Mischkammer voigeschallel niingen 7 ausgestaltet, über die in l'feilricl'Uiug λ jsi. mit von der Rückwand schräg und geneigt be- dem Verbrennungsprozeß wehere Verdichierhii'i :.ls JMgcn auf die Mittelachse des kolbenförmigen Ein- Sekundärluft beigcmischi werden kann. Zur Kühlung fatz.es -- in die Kammer einmündenden Brennstoff- de; l'rennkammei wandungen kann das I lammrohi 2 yufuhrbolirungen und mit diesen zugeordneten, at.f _J0 weit.ι -von \'erdichlerlufi umgespült weiden (l'leile /.) d-'icn \'erlängeriingsachse liegenden, in die Dall- bzw. kann sie beispielsweise in Richtung der !'feile .\/ kammer lührenden \ustriiisbohrungeii. deren Durch- über Schlitze 8 zur Kühlung der Flammrohnnnciiinesser wesenllich größer ist als der Durchmesser der wandungen herangezogen werden. Siroinabwär.v ist lireunstolfziifuhrholmiiigen. und mil radial in die das F'lamnirolir2 mit weiteren Ollnungen 9 ausge-Mischkammer mündenden Ollnungen. durch die Luft 15 staltet, welche vorgesehen sind, um die Brennkiiinvmi ilen Breniislolfstrahlen angesaugt wird. meraustriilsK-mperalur zu vermindern (l'ieilrich-

Bei dieser Drennstolfdüse bedarf es keiner besor,- lung O der Verdiditcrluft).

deren Luftzufuhrleitiingen vom Verdichter des Gas- Die in F i g. 2 wiedergesehene, im Verliäitnis zu

turbinentriebwerkes zur Düse, da diese sich mit den ihren tatsächlichen Abmci-ungen darin etwa lünl-

iMTnungen für die Verdichterluftzufuir in dem von 20 fach vergrößert dargestellte B.ennsioffdüse 4 besteht

Verdichterluft durchströmten Abschnitt der Brenn- aus einem zylindrischen Gehäuse 10 mit einem zeii-

lammer befinden soll. tral darin angeordneten kolbenförmigen Einsat/11.

Bei der Brennstoffdüse saugt der unter relativ Von einem in den Zeichnungen nicht weiter dargelioliem Druck zugeführle Brennstoff — ähnlich dem stellten Brennstoffversorgungssystems strömt Brenn-Wasserstrahlpumpenprinzip — auf Grund der gege- 25 stoff mit hohem Druck über eine Leitung 12 (F i g. I) lienen Druckdifferenz über die radial in die Misch- und in Richtung des Pfeiles B (Fig. 2) in die Düse 4 kammer mündenden öffnungen Verdichterluft an. ein und gelangt von dort üher in dem kolbenförmi- und es findet bereits innerhalb dieser Mischkammer gen Einsatz 11 angeordnete Brennstolfzufuhrbohruncine intensive Vermischung der Brennstoff-LuTt-An- gen 13 (Fig. 5) in eine von einer Nut 14 des Einteile statt, bevor diese in die Drallkammer gelangen. 30 satzes 11 gebildete ringförmige Mischkammer 15 in der das aus Brennstoff- und Luftantcilen be- (Fi g. 2). welche mit im wesentlichen radial angeordstehende Gemisch für den Verbrennungsprozeß wei- neten Öffnungen 16 in Verbindung ist. die das. zylinler intensiv aufbereitet wird, um schließlich über die drische Gehäuse K) der Brennstoffdüse in gleich-Düsenöffnung dem Brennraum zugeführt werden zu mäßigen Abständen zueinander durchsetzen (Fig. 4). können. 35 Über die öffnungen 16 saugen die die Mischkammer

Um beispielsweise den Start des Triebwerkes zu 15 durchströmenden BrennstolTstra.ilen vom Ver-

erleichtern. schlägt die Erfindung im Interesse eines dichter des Gasturbinentriebwerkes geförderte Luft

schrcll zündfähigen, an Brennstoff reicheren Ge- an. Brennstoff- und angesaugte Verdichterluftanteile

misches weiter vor, daß der kolbenförmige Einsatz gelangen — so miteinander bereits vermischt — über

mindestens eine zentrale, in tue Drallkammer mim- .₍₀ Austrittsbohrungen 17 des kolbenförmigen Einsatzes

dende Brennstoffzufuhrbohrung aufweist. 11 (Fig. 5 und 6) von der Mischkammer 15 in die

An Fland einiger schcmatisch dargestellter Aus- Drallkammcr 18 der Brennstoffdüse 4 (Fig. 2). Auf

führuiusbeispiele isl die Erfindung in den Zeichnun- Grund des Druckgefäßes an der stroniaufwärtigen

gen nachfolgend weiter erläutert: in den Zeichnungen Flammrohrwand 3 kann der Drallkammcr 18 weiter

ist 45 vom Verdichter des Gasturbinentriebwerkes geföt-

F i g. I der Mi'tellängsschmtt einer Einzelhrenn- dertc Luft über tangential das zylindrische Gehäuse

kammer einschließlich einer Brennstoffdüse. 10 durchsetzende Luftöffnungen 19 (Fig. 3) zuge-

Fig. 2 der Mittcllängss , nitt einer Brennstoffdüse führt werden, welche weiter zur innigen Vermischung

nach F ig. I in vergrößerter Darstellung und Aufbereitung der in die Drallkammer 18 ein-

F i g. 3 ein Schnitt nach der Linie I-l der F i g. 2. 50 strömenden Brennstolf-Luft-Anteile beiträgt.

F i g. 4 ein Schnitt nach der Linie H-Il der F i g. 2. Mit dem Teil 20 seines kleinsten Durchmessers

F i g. 5 eine Seitenansicht des zur Brennstoffdüse durchragt der kolbenförmige Einsatz 11 die Drallgehörigen kolbenförmigen Einsat/es und kammer 18 und ist in Form eines divergierenden

I'ig. 6 die Vorderansicht des Einsatzes nach Kegels 21 aus der Düsenöffnung 22 herausgeführt, so

Fig. 5. 55 daß das aufbereitete Brennsioli-Luft-Gemiscli dem

Die in F i g. 1 dargestellte Einzelbrennkammerbe- stiomaufwärtigen Flammrolirabsclinitl fein zerstäubt

steht im wesentlichen aus einem zylindrischen Außen- und gleichförmig verteilt zugeführt werden kann,

gehäuse 1 sowie aus einem darin eingesetzten zylin- Um das aus der Düsenöffnung 22 austretende

drischcn Flammrohr 2. Brennstoff-Luft-Gemisch mit Brennstoff «mzurei-

Tn die sfoniaufwärtige Flammrohrwand 3 ist zen- 60 ehern, ist im Einsatz 11 (Fig. 2) eine zentrale Brenn-

tral eine Brennstoffdüse 4 eingesetzt, welche nachfol- stoffzufuhroohrung25 angeordnet mit einer Brenn-

gcnd an Hand eier Fig. 2 bis ή noch näher erläutert stoff austrittsöffnung 26 zur Drallkammer 18.

ist. Wie aus den Fig. 5 und 6 weiter ersichtlich ist.

Vom Verdichter eines in den Zeichnungen nicht sind die Verlängerungsachsen 23 der einander zugc-

weiter dargestellten Gasturbinentriebwerkes geför- 65 ordneten Brennsloffzufuhrbolirungen 13 und der Aus-

derte Luft strömt in Pfeilrichtung F über eine Ein- trittsbolirungen 17 -- bezogen auf die Mittellängs-

laßöffnungS in das Außengehäuse 1 und gelangt von achse 24 des kolbenförmigen Einsatzes 11 — geneigt

dort einerseits in Richtung der Pfeiler/ zur bzw. in angeordnet. Die Neigung sowie die Anzahl der Brenn-

stoffziifulirbohrungen 13 und der Austrittsbolirungen 17 kann jeweils nach den Anforderungen, welche in der Praxis in die Brennstoffdüse sowie an eine Brennkammer zu stellen sind, variierbar sein.

Darüber hinaus soll die Brennstoffdüse für alle vorkommenden Brennkammerarten anwendbar se also beispielsweise auch bei reinen Ringbrcnnka mern oder Ringbrennkammern mit Finzclflammn rcn sowie weiter bei Gasturbinentriebwerken für c Flugzeug-, Fahrzeug- oder Stationäreinsatz.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

l'aicniaiispi üchc:

1. H[L-Diisii>ltcliisc für Gaslurhineninenwerkc mil einer Drailkammcr, in die I.ufiölluungen iiiul sein ;.Li \erlaul'eiule. eil en Drall erzeugende Bielinsioilausinusbohi ungcn einmünden, die aus einem zylindrischen Gehäuse besiehl mil einem zentralen kolbenförmigen Einsatz, welcher in Form eines divergierenden KegeK aus der Düscnölfnung her- jo ausraul. d a d u r c h g e k e η η ζ e i e h net. daß der Drallkammer (IK) eine ringförmig ausgebildete Mischkammer (15) vorgeschaltet ist. mit von der Rückwand schräg und geneigt — bezogen aul die Mittelachse (24) des kolbenförmigen Einsatzes (II)- -in die Kammer einmündenden ßrennstolfzululiibohrungen (13) und mit diesen zugeordneten, auf deren VerlaL^erungsaehse (23) liegenden.

in die Drallkammer iührenden Austrittsbohrungen (17). deren Durchmesser wesentlich größer ist als der Durchmesser der BrennstofTzufuhrbohrungen. und mit radial in die Mischkammer mündenden öffnungen (16), durch die Luft von den ßrcnnstoffstrahlen angesaugt wird.

2. Brennstoffdüse nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der kolbenförmige Einsatz (11) mindestens eine zentrale, in die Drallkammer (18) mündende Brennstolfzufuhrbolming(25) aufweist.

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