DE1951198B2 - Brennkammer fuer gasturbinen - Google Patents

Description

ί«tarken Erhöhung der Luftzufuhr zur Verminderung ^ der Rauchentwicklung der Verbrennungsgrad herab-ί gesetzt wird, was nicht wünschenswert is;, ^nurch die Erfindung soll demgemäß die Aufgabe

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ffgelöst

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werden, eine Brennkammer zu schaffen, bei ikl i i i B

Welcher die Rauchentwicklung in einem weiten Be-Dsbereich -^_{n wese}ntlichen vollständig zu verhinist, ohne die anderen Betriebsparameter der bzw. des zugehörigen Triebwerkes ^_ ι müssen.
"^Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkammer der eingangs beschriebenen Art daoelöst, daß die mit Wirbelschaufeln umge-Brennstoffeinspritzdüse mit einer Verkleidung ist, welche mindestens einen zu einer Tangentialebene und einer Radialebene mit Bezug auf die Achse der Brennstoffeinspritzdüse iä einem spitzen Winkel verlaufenden Luftströmungskanal sowte eine im wesentlichen in gleicher Radialebene wie die Düsenmündung gelegene Auslaßöffnung enthält und daß die Abmessungen und Anordnungen so getroffen sind, daß von der in die Brennkammer geführten Gesamtluft 1 bis 3 °,o über den genannten mindestens einen Luftströmungskanal, 6 bis 10⁰O über die Wirbelschaufeln und 6 bis 8% über die vom Stauluft-Zufuhrstutzen überdeckten Öffnungen in das Flammerwähnten Einströmöffnungen oder Wirbelschaufeln werden später ausführlicher beschrieben. Wie schon vorher erwähnt, ist die Ursache der Rauchentwicklung in einer Brennkammer insbesondere in den ΛΟ-

nen eines reichen Gemisches im vorderen Ende der Brennkammer zu suchen. Die Zonen, in denen ein reiches Brennsotff-Luft-Gemisch vorliegt, sind durch die Schwierigkeit und manchmal Unmöglichkeit Dedingt, den Brennstoff gleichmäßig mit der zur Vertu-

gung stehenden Luft zu vermischen und genügend Luft in die primäre Zone, insbesondere in dein mittleren Bereich der Brennkammer nahe an die Brennstoffeinspritzdüse heranzuführen. Man hat versucht, die erforderliche Durchmischung durch Vergrößern

des Druckabfalles und/oder Öffnen der Luftemtnttsöffnungen zu erreichen, hierdurch wurde das Problem jedoch nicht zufriedenstellend gelöst Bei einer starken Vergrößerung der Luftzuführung durch die Lufteintrittsöffnungen und/oder einer starken Ver-

größerung des Druckabfalles wird nur sehr wenig Rauch entwickelt, jedoch geht dies auf Kosten der anderen Betriebsparameter, wodurch die mer für ein Triebwerk ungeeignet wird, nere zusätzliche Luftmengen und/o^ Druckabfälle verwendet werden, um

Z£g Ausgestaltungen einer solchen Brenniile/bilden im übrigen Gegenstand der an-Uener-den Ansprüche 2 bis 5.

Ein AusfühVungsbeispiel der Erfindung ist in den

Ä^{und wird im folgenden nä}-

und nicht zufriedenstellend. Man hat die Lage, die Größe und die ^ laßöffnungen am vorderen ^

wesentlicher Bedeutung sind wenn die

FitfenSscnniSsicht der Brennkammer, kammer in emem Gasturbinentriebwerk verwendet

I- i Ö. 2 eine Schnittansicht der aus der Brennstoff- 35 werden kann. i und deren Verkleidung bestehenden ^^^

f Schnittansicht entlang der Linie 3-3

""Wc Brennkammer besitzt ein Diffusorgehäuse 1, welches zwischen einem Verdichter und einer Tür-Sc eines Gasturbinentriebwerkes liegt.

Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Brennkammer aus mehreren, am Umfang verteil- £n einzelnen Flammrohren, von denen nur eines dargestellt ist. Es ist verständlich, daß die Brennkammi auch aus einem einzigen ringförmigen Flammrohr bestehen kann. Die Brennkammer 4 enthält eine Wand 5 eine Wand 6, eine Brennstoffeinspritzdüse lung durch eine Anzahl von
die weiter stromaufwärts, dh. wärts oder unmutelbar m Ae N einspritzdüse 30 liegen CheseOff"^ung|ⁿ entweder in dem kuppelf orm^en ™ S kammer 4 in der Nahe des ^P^^ bildet sein und sind un wesenüichen am Mantels 9 verteilt Die ofimmgn M^ vorliegenden AusfuhrungsbeispiJ ge^nzt, erstrecken steh mit ihrem ^nd radial^

be. d. h

des dem

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schaufeln 24 und durch eine Anzahl öffnungen M, kammermanKls 9

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Kombination der radial einströmenden Luft mit der fes unmittelbar stromabwärts der Brennstoffein- * z<

Wirbelluft gebildete Wirbelzone 36 wesentlich näher spritzdüse entlang der Brennkammermittellinie. Ij ft

an dem geschlossenen Ende 8 der Brennkammer 4 als \ st

bei bekannten Brennkammern, wodurch die zur Ver- Wenn die Löcher senkrecht in der Verkleidung 22

fügung stehende Luft schneller mit dem durch die 5 ausgeführt wären, anstatt schräg zu verlaufen, so

Brennstoffeinspritzdüse 30 eingespritzten Brennstoff würde der Winkel der Brennstoffvernebelung verrin- _K si

vermischt wird. gert und der Brennstoff würde sich nahe der Brenn- j E

Es wurde ebenfalls festgestellt, daß die Menge der kammermittellinie ansammeln, so daß es sehr '"' d in die Verbrennungszone 10 des Mantels 9 strömen- schwierig wäre, diesen Brennstoff mit genügend Luft ⁽ G den Luft bedeutsam und daß eine Luftmenge in der io zu vermischen, da es fast unmöglich ist, Luft in die-Größenordnung von 6 bis 8°/o der gesamten Luftströ- sen Bereich der Brennkammer zu leiten. Dadurch d mung erforderlich ist, wobei eine Luftmenge von 7 ⁰O entstünden örtliche, reiche Brennstoffluftmischun- „ d zu bevorzugen ist. Eine Möglichkeit zur Bemessung gen, welche eine starke Kohlenstoffbildung begün- ' s der Menge dieser kritischen Luftströmung liegt darin, stigt. Dies wird verhindert, indem die Luftströmungs- * I die gestanzten öffnungen mit 9 bis 12 mm Durch- 15 kanäle 46 unter einem Winkel Θ angeordnet sind, wo- ' I messer zu versehen. Damit die durch die gestanzten durch der Brennstoffvernebelungswinkel vergrößert _ s Öffnungen 20 eintretende Luft bis zur Wirbelzone 36 und der Brennstoff gleichmäßiger im vorderen Teil t ] gelangt, haben die Ränder der gestanzten öffnungen der Brennkammer verteilt wird. Außerdem wird die ; 20 eine radiale Abmessung oder eine Tiefe von 2,5 durch die Verkleidung 22 eintretende Luft in die < bis 6,3 mm. Durch diese Bemessung und Ausbildung 20 Zone unmittelbar stromabwärts der Brennstoffein- ^; der gestanzten öffnungen 20 kann also die Luft- spritzdüse geleitet, wodurch dieser Bereich ebenfalls f ; menge in der oben angegebenen Weise eingestellt mit der erforderlichen Luft zur Vermischung des ;i werden. Die brennstoffreichen Zonen und dadurch dort vorhandenen Brennstoffes versehen wird. Die I die Rauchentwicklung könnten zwar fast vollständig Regelung der erforderlichen Luftmenge wird durch | durch eine einfache Vergrößerung des Durchmessers 25 die Bemessung der Luftströmungskanäle 46 und der der gestanzten Öffnungen beseitigt werden, dies hat Öffnung 50 der Verkleidung erreicht. i jedoch einen nachteiligen Einfluß auf die Verbren- Durch Bereitstellung der Wirbelluft, die durch die V nungsstabilität und die Zündbarkeit. Es ist deshalb Luftströmungskanäle 46 eintritt, und die Vergröße- ;: hervorzuheben, daß die Verwendung der gestanzten rung des Auslaßdurchmessers der Öffnung 50 der · Öffnungen 20 allein noch nicht genügt, um zu dem 30 Verkleidung 22, um die Strömung durch die Luftgewünschten Ergebnis zu gelangen. Hierzu muß zu- Strömungskanäle 46 aufzunehmen, und die Anordsätzliche Luft durch ein weiteres Konstruktionsmerk- nung der gestanzten Öffnungen 20 wird eine Brennmal eingeleitet werden, welches nun beschrieben kammer geschaffen, die sowohl vom Gesichtspunkt wird. der Rauchverminderung als auch der Beibehaltung

Dieses soeben erwähnte Merkmal ist in der Ein- 35 der Betriebsparameter zufriedenstellend ist. führung von zusätzlicher Luft durch die Einspritz- Insbesondere wird die Rauchentwicklung teilweise vorrichtung 40 zu sehen. Die Einspritzvorrichtung durch die Einführung der Luft durch die gestanzten umfaßt nicht nur die Brennstoffeinspritzdüse 30, son- Öffnungen 20 und teilweise durch die Einleitung der dem auch die Verkleidung 22 der Brennstoffdüse. Luft durch die Verkleidung 22 verringert. Eine wei-Außerdem enthält die Einspritzvorrichtung 40 die er- 40 tere Folge der Bauweise der Verkleidung ist die Aufforderlichen Röhren und Halteteile. Einzelheiten rechterhaltung der Stabilitätsgrenzen der Brennkamsind in F i g. 2 gezeigt. Die Luft gelangt in den Kanal mer. Durch die Luft, welche durch die gestanzten zwischen der Verkleidung 22 und der Brennstoffein- öffnungen 20 eingeführt wird, wird die Flammenspritzdüse 30 durch Luftströmungskanäle 46, die in abreißgrenze der Brennkammer erhöht. Dies wird der Verkleidung 22 in bezug auf eine Axialebene 49 45 durch die Verkleidung 22 der Brennstoffdüse ausgeder Brennstoffeinspritzdüse 30 schräg angeordnet glichen. Es sei wiederholt, daß die schräge Anordsind. Wie aus F i g. 3 zu sehen ist, bildet die Mittelli- nung der Luftströmungskanäle 46 wichtig ist. Der ernie 47 des Luftströmungskanals 46 einen Winkel θ wähnte Winkel Θ in bezug auf die zugehörige Axialmit der zugehörigen Axialebene 49 der Brennstoff- ebene 49 soll zwischen 18° und 35° liegen, wobei einspritzdüse 30 sowie einen ähnlichen spitzen Win- 50 ein Winkel von 28° bevorzugt wird. Es besteht ein kel mit einer Radialebene mit Bezug auf die Achse bedeutsamer Strömungszusammenhang zwischen den 48 der Brennstoffeinspritzdüse 30. Dieser Winkel ist schrägen Luftströmungskanälen 46 und der öffnung bedeutsam, wie später beschrieben wird. Die durch 50 in der Verkleidung. Die Abmessungen dieser beidie Luftströmungskanäle 46 eintretende Luft gelangt den Teile sind derart, daß sie eine Luftströmung in in der gleichen Ebene wie der Brennstoff aus der 55 der Größenordnung von 1 bis 3 % der gesamten in Brennstoffeinspritzdüse 30 in die Brennkammer. die Brennkammer geführten Luftströmung gestatten.

Die schräge Anordnung dieser Luftströmungska- Zusammenfassend kann man sagen, daß genügend

näle ist von Bedeutung, da sie zur Aufrechterhaltung Luft durch die gestanzten öffnungen 20 eingeleitet j

der erwähnten Betriebsparameter und zur Verringe- werden kann, um die größte Verringerung der Rauch-

rung der Rauchentwicklung beiträgt Die einflie- 60 entwicklung zu bewirken, während durch die Aus-

ßende Luftmenge und die Wirbelbewegung in dieser bildung der Verkleidung 22 ehe weitere Verringe-

Luftströmung werden durch die schräge Anordnung rung der Rauchentwicklung möglich ist und die j

der Luftströmungskanäle 46 beeinflußt und haben Flammenabreißgrenzen der Brennkammer beibehal- i

folgende zwei Wirkungen: ten werden. j

, ~. .. __ jt, _*«w vi ⁶5 Schließlich findev, wie aus Fig. 1 ersichtlich, ein ;

1. Eine Vergrößerung des Brennstoffvernebelungs- stauhrft-Zufiihistulzea 60 Verwendung. Dieser kann | winkelsund ringförmig sein und vollständig um die einzelnen \

2. eine örtliche Luftdurchmischung des Brennstof- Flammrohre verlaufen, oder es kann für jede ein- \

7 8

zelne gestanzte Öffnung 20 jeweils ein Stauluft-Zu- wirkt. Es wurde sogar festgestellt, daß an verschiede-

fuhrstutzen vorgesehen sein. Der Stauluft-Zufuhr- nen Stellen ein Ansaugen auftreten kann, was durch

stutzen enthält eine äußere Wand 62, die an ihrem die Verwendung eines Stauluft-Zufuhrstutzens ver-

stromabwärts gerichteten Ende mit dem Mantel 9 hindert wird, welcher eine maximale und gleichmä-

verbunden ist, und sich stromaufwärts so weit er- 5 ßige Luftströmung durch jede gestanzte Öffnung 20

streckt, daß die Wand 62 die öffnung 20 abdeckt. gewährleistet. Außerdem entnimmt der Stauluft-Zu-

Durch diesen Stauluft-Zufuhrstutzen wird insbeson- fuhrstutzen 60 die Luft im Bereich des höchsten

dere eine gleichmäßige Strömung um die gestanzten Druckes, so daß bei gleichen Abmessungen der Öff-

öffnungen 20 erreicht, so daß durch jede öffnung nungen 20 mehr Luft in die Brennkammer strömt,

20 die gleiche Luftmenge strömt. Außerdem wird io als ohne Stauluft-Zufuhrstutzen möglich wäre. Man

durch die Anwendung des Stauluft-Zufuhrstutzens hat festgestellt, daß zum Erreichen dieser Wirkung

der Druck oder der Gesamtdruck der durch die ge- das vordere Ende des Stauluft-Zufuhrstutzens 60

stanzten Öffnungen fließenden Luft und somit das eine radiale Weite in einer Größenordnung von 2,5

Eindringen der Luft in die Brennkammer verstärkt. bis 7,5 mm haben soll, wobei 5 mm bevorzugt wer-

Die Verwendung des Stauluft-Zufuhrstutzens ist be- 15 den.

sonders vorteilhaft in einer Anordnung mit einem Eine Brennkammer der beschriebenen Ausführung Diffusor mit großem Winkel, in der der Luftzustrom in der Verwendung in einem Turboluftstrahltriebzur Brennkammer nicht einheitlich sein kann, wobei werk für Flugzeuge hat die Eigenschaft, vom VoIldann normalerweise eine Veränderung des Druckab- start bis zum Leerlauf über einen Flug-Machzahl-Befalles eintritt, die sich in unterschiedlichen Strömun- ao reich von 0,3 bis 0,7 und bis zu einer Flughöhe gen durch die öffnungen der Flammrohrwand aus- von 12 000 m ohne Rauchentwicklung zu arbeiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Brennkammern dieser Art sind beispielsweise aus Patentansprüche: der französischen Patentschrift 1188 614 bekannt Für Gasturbinentriebwerke als Flugmotoren ist es

1. Brennkammer für Gasturbinen mit einem erforderlich, daß die Brennkammer am Boden über Flammrohr, das mit zur Brennkammerachse hin 5 einen weiten Bereich von Umgebungslufttemperatugerichteten, gestanzten öffnungen versehen ist, ren gute Zündeigenschaften besitzt, d. h., es sollen ein die von mindestens einem Stauluft erhöhten geringer Brennstoffdurchsatz und eine geringe Zeit-Druckes erzeugenden und durch die betreffenden verzögerung der Zündung vorhegen, um einen ExÖffnungen leitenden Stauluft-Zufuhrstutzen über- plosionsstart zu verhindern. Nach der Zündung mitdeckt sind, und das an seinem stromaufwärtigen io tels Zündkerzen oder anderen Zündvorrichtungen in Ende im wesentlichen abgeschlossen ist und an einem Hammrohr soll bei einer Rohr-Ringbrenndiesem Ende eine Brennstoffeinspritzdüse auf- kammer die Flamme zu den anderen Flammrohren weist, während das andere, die Verbrennungspro- weiterwandern, um rasch eine vollständige Durch dukte abgebende Ende im wesentlichen offen ist, zündung und eine Beschleunigung auf Leerlaufdrehdadurch gekennzeichnet, daß die mit 15 zahl zu erreichen. Weiter soll die Brennkammer gute Wirbelschaufeln umgebende Brennstoffeinspritz- Stabilitätseigenschaften besitzen, d.h., zufriedensteldüse (30) mit einer Verkleidung (22) versehen ist, lend auch bei Brennstoff-Luft-Gemischen über und welche mindestens einen zu einer Tangential- unter den normalen Verhältnissen bei Leerlauf und ebene und einer Radialebene mit Bezug auf die auch bei Nennleistung arbeiten, damit während Achse der Brennstoffeinspritzdüse in einem spit- 20 Übergangsbedingungen, etwa beim Beschleunigen zen Winkel verlaufenden Luftströmungskanal oder beim Verzögern die Verbrennung nicht unter-(46) sowie eine im wesentlichen in gleicher Ra- brachen wird. Eine weitere, wichtige Brennkammerdialebene wie die Düsenmündung gelegene Aus- eigenschaft ist es, daß die Brennkammer während laßöffnung (50) enthält, und daß die Abmessun- des Fluges in einem weiten Geschwindigkeits- und gen und Anordnungen so getroffen sind, daß von 25 Höhenbereich gezündet werden kann, ohne daß ein der in die Brennkammer geführten Gesamtluft 1 Verdichterpumpen oder andere, nachteilige Erscheibis 3 % über den genannten, mindestens einen nungen auftreten, die verhindern könnten, daß das Luftströmungskanal (46), 6 bis 10 ⁰Zo über die Triebwerk auf die Leerlauf drehzahl gebracht werden Wirbelschaufeln (24) und 6 bis 8 °/o über die vom kann. Auch soll sich die Brennkammer nach Errei-Stauluft-Zufuhrstutzen (60) überdeckten öffnun- 3° chen der Lerrlaufdrehzahl verhältnismäßig schnell, gen (20) in das Flammrohr (9) gelangen. beispielsweise innerhalb weniger Sekunden, auf hö-

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch here Leistungen beschleunigen lassen. Ferner soll die gekennzeichnet, daß der Luftströmungskanal (46) Brennkammer zufriedenstellende Auslaßtemperatuin der Verkleidung (22) einen Winkel von 18° ren erzeugen, welche keinen nachteiligen Einfluß auf bis 35° mit der Axialebene (49) bildet. 35 die vorerwähnten Betriebsparameter haben und eine

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, da- lange Lebensdauer derjenigen Teile ermöglichen, die durch gekennzeichnet, daß die vom Stauluft-Zu- den heißen Abgasen ausgesetzt sind. Außer diesen fuhrstutzen (60) überdeckten öffnungen (20) Eigenschaften ist es aber bei Gasturbinentriebwerken einen Durchmesser von 9 bis 12 mm haben und sehr wichtig, daß das in der Brennkammer verarbeidaß der Durchmesser der Auslaßöffnung (50) der 40 tete Brennstoff-Luft-Gemisch keine Rauchentwick-Verkleidung (22) 12 bis 15 mm beträgt. lung verursacht.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 Bei einem Triebwerk mit einer Brennkammer nach bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Stau- der französischen Patentschrift 1 188 618 ist eine geluft-Zufuhrstutzen (60) überdeckten Öffnungen ringe Rauchentwicklung nicht im gesamten Bereich (20) einen in das Flammenrohrinnere ragenden 45 der Betriebszustände zu erwarten.

Rand von 2,5 bis 6,3 mm Länge haben. Die schweizerische Patentschrift 352 533 zeigt eine

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 Brennkammerkonstruktion, bei welcher sich am bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die strom- stromaufwärts gelegenen Flammrohrende eine aufwärts liegende Mündung des Stauluft-Zufuhr- Brennstoffeinspritzdüse befindet, welche von Wirbelstutzens (60) eine radiale Weite von 2,5 bis 50 schaufeln umgeben ist und bei welcher ferner der 7,5 mm hat. Flammrohrmantel radial nach einwärts gerichtete Sekundärluft-Einlaßöffnungen aufweist. Auch bei dieser Brennkammerkonstruktion ist zu erwarten, daß

der von der Brennstoffeinspritzdüse im wesentlichen

55 längs der Flammrohrachse eingebrachte Brennstoff bis zum Eintreten in eine Verbrennungszone nicht mehr vollständig mit Primärluft oder Sekundärluft

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer vermischt werden kann, da es Schwierigkeiten bereifür Gasturbinen mit einem Flammrohr, das mit zur tet, die Sekundärluft vom Flammrohrmantel aus in Brennkammerachse hin gerichteten, gestanzten öff- 60 Bereiche nahe der Flammrohrachse einzubringen,
nungen versehen ist, die von mindestens einem Stau- Aus der österreichischen Patentschrift 261 087 ist

luft erhöhten Druckes erzeugenden und durch die be- es zwar bekannt, daß durch Wirbelbildung der Pritreffenden öffnungen leitenden Stauluft-Zufuhr- märluft an einer mit einer Verkleidung und mit stutzen überdeckt sind, und das an seinem strom- schräg zur Axialebene und einer Radialebene zur aufwärtigen Ende im wesentlichen abgeschlossen 65 Düse verlaufenden Luftzuführungskanälen die Verist und an diesem Ende eine Brennstoffeinspritzdüse brennung verbessert und die Rauchentwicklung veraufweist, während das andere, die Verbrennungspro- mindert werden können, doch geht aus der genanndukte abgebende Ende im wesentlichen offen ist. ten österreichischen Patentschrift hervor, bei einer