DE1952994A1

DE1952994A1 - Einrichtung fuer Verbrennungskanaele,insbesondere von Gasturbinen-Strahltriebwerken

Info

Publication number: DE1952994A1
Application number: DE19691952994
Authority: DE
Inventors: Parnell David Harding; Arthur Sotheran
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1968-10-22
Filing date: 1969-10-21
Publication date: 1970-04-30
Also published as: FR2021240A1; GB1255648A

Description

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R. 756

Augsburg, den 20. Oktober I969

Rolls-Royce Limited, Moor Lane, Derby, England

Einrichtung für Verbrennungskanäle, inbesondere von Gasturbinen-Strahltriebwerken.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für Verbrennungskanäle und insbesondere eine solche für Verbrennungskanäle von Strahlrohren bzw. von Nebenstromkanälen in Gasturbinen-Strahltriebwerken.

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Bekannte Einrichtungen solcher Art weisen eine mit Bezug auf eine Plairanenstabilisierungsrinne stromauf im Kanal angeordnete Brennstoff-Einspritzvorrichtung auf. Durch die Brennstoff-Einspritzvorrichtung wird Brennstoff ^; in Stromaufwärtsrichtung in einen stromabwärts offenen * Ringkanal eingespritzt, von welchem aus er in den längs des Kanales strömenden Brenngasstrahl eintritt. Dieser Brennstoff wird anschließend in einer stabilen Zone stromabwärts unmittelbar hinter der Rinne verbrannt.

Bei einer derartigen bekannten Einrichtung wird der Brennstoff an einer Vielzahl von rund um den Kanal herum in gleichem radialem Abstand gelegenen Stellen aus eingespritzt und die ringförmige Rinne V-förmigen Querschnittes liegt zu der Brennstoff-Einspritzvorrichtung aerodynamisch in Reihe. Diese Anordnung einer Rinne in Verbindung mit einer Einspritzvorrichtung bewirkt eine radiale Brennstoff verteilung in der Rinnenebene, welche im Bereich des Rinnenscheitels ein Maximumaufweist. Die Stabilität einer an der Rinne aufrechterhaltenen Flamme und damit die Stabilität des gesamten Verbrennungsprozesses sind von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis in der stabilen Zone stromabwärts unmittelbar hinter der Rinne abhängig. Ein zu fettes Gemisch löscht ebenso wie ein zu mageres Gemisch die Flamme aus.

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Das an der Rinne auftretende Maximum der Brennstoffverteilung ist ein .Kachteil«, weil es auf Grund einer Gemischüberfettung bei einem hohen Brennstoffdurchsatz zu einer Auslöschung der Flamme an der Rinne führen kann, während das Gemisch an der Kanalachse bzw. in Nähe der Kanalachse relativ mager ist.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei hohem Brennstoffdurchsatz den wirksamen Betriebsbereich einer solchen Rinnen-Einspritzvorriehtungsanordnung zu erweitern. .

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Einrichtung für Verbrennungskanäle, welche einen Brenngaskanal, ein in dem Kanal angeordnetes Mehrdüsen-Brennstoffeinspritzrohr und eine ebenfalls in dem Kanal in bezug auf dieses Brennstoffeinspritzrohr stromabwärts und zu letzterem aerodynamisch in Reihe angeordnete Flammenstabilisierungsrinne aufweist und gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dafl dieses Brennstoffeinspritz-,rphr eine Vielzahl von stromaufwärts gerichteten öffnungen, αμΓοΙι welche hindurch der Hauptanteil des zu dem Einspritzrohr geleiteten Brennstoffes in den Kanal eingespritztwird, und außerdem eine Vielzahl von im wesentlichen radial nach

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innen gerichteten Öffnungen aufweist , durch welche hindurch der übrige Anteil des-Brennstoffes in den Kanal eingespritzt wird, und daß schließlich ein in den Kanal· sich stromabwärts öffnendes,, im Querschnitt U-förmiges Ringelement stromauf· wärts in der Nähe des Brennstoffeinspritzrohres angeordnet ist, in welches der Hauptanteil des aus dem Brennstoffeinspritzrohr austretenden Brennstoffes eingespritzt wird. Die Ausdrücke stromaufwärts und stromabwärts beziehen " ''-■ sich auf die Richtung der Strömung des Strömungsmittels In dem Rohr. ·

Die Brennstoffeinspritzvorrichtung weist vorzugsweise ein ringförmiges Einspritzrohr auf, welches mit einer Vielzahl ringförmig angeordneter, voneinander getrennter, stromaufwärts gerichteter Öffnungen sowie mit einer Vielzahl ringförmig angeordneter, räumlich voneinander getrennter, im wesentlichen radial nach innen gerichteter öffnungen versehen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Brennstoffeinspritzvorrichtung außerdem in der Nähe der Kanalwand angeordnet und durch die zweitgenannten öffnungen wird der Brennstoff im wesentlichen radial nach innen in. den Kanal eingeleitet.

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Der geringere Anteil des in den Kanal eingespritzten Brennstoffes liegt allgemein in einem Bereich von 15 % bis 45 %_Λ vorzugsweise aber in einem Bereich von .50 % bis % der dem Brennstoff-Einspritzrohr zugeführten Gesamtbrennstoff menge .

Im folgenden wild die Erfindung mehr ins einzelne gehend anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdar

stellung eines Gasturbinen-Strahltriebwerkes, welches mit einem Strahlrohr versehen ist, bei dem die erfindungsgemäße Einrichtung zur Anwendung gebracht wird,

Fig. 2 einen vergrößerten Radialschnitt

durch die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Einrichtung, und

Fig. J5 ein Diagramm, welches anhand von

Versuchsergebnissen die Verbesserung

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der Charakteristik eines Strahlrohres in bezug auf eine Flammauslöschung bei zu fettem Gemisch und radial gerichteter Brennstoffverteilung wiedergibt.

In den Fig. 1 bzw. 2 ist ein Gasturbinen-Strahltriebwerk dargestellt, welches in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet einen Verdichter 1, eine Brennkammer 2 und eine Turbine 3 aufweist. Die Turbine und der Verdichter sind durch eine Welle 4 fest miteinander verbunden. Die heißen Abgase der Turbine werden in ein Strahlrohr 6 eingeleitet.

In dem Strahlrohr 6 ist die erfindungsgemäße Einrichtung angeordnet, welche ein in der Nähe der Strahlrohrwand 17 angeordnetes, stromabwärts gerichtetes, im Querschnitt U-förmiges Ringelement 10 aufweist, in dessen Nähe stromabwärts ein ringförmiges Mehrdüsen-Brerinstoffeinspritzrohr 11 angeordnet ist. Weiter stromabwärts und aerodynamisch in Reihe mit dem Brennstoffeinspritzrohr befindet sich eine Flammenstabilisierungsrinne 12, welche die Form eines stromabwärts gerichteten Verteilerringes _f V-förmigen Querschnittes aufweist und welche bewirkt, daß _; / ^; - ■.■.-.■...""■ - - ■ ■■. -■'.■■■■ ^: " ;■■ '■'■'/"■

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sich in der Gasströmung in dem Strahlrohr ein stabiler Bereich ausbildet, in welchem das Luft/Brennstoff-Gemisch gezündet und verbrannt wird.

Der Brennstoff wird von einer Brennstoffzuführungseinriohtung I5 über eine Leitung 16 zu dem Brennstoffeinspritzrohr 11 geleitet. Diese BrennstoffZuführungseinrichtung 15 kann beispielsweise die Brennstoffpumpe des Triebwerkes sein. Der größere Anteil, z.B. 60 % des zu dem Brennstoffeinspritzrohr geleiteten Brennstoffes tritt aus diesem durch stromaufwärts gerichtete öffnungen I3 aus, welche den Brennstoff in das Ringelement 10 einleiten. An diesem Ringelement nimmt der Luftstrom den Brennstoff auf und trägt ihn stromabwärts zu der Rinne. Dadurch bildet sich rund lim das Brennstoff -Einspritz rohr ein Brennstoff-"vorhang".

Der geringere Anteil, d.h. die Übrigen 40 % des zu dem.Eirispritzrohr geleiteten Brennstoffes tritt radial nach innen gerichtet aus öffnungen 14 aus.

Der radial eingespritzte Anteil der Brennstoffmenge bewirkt, dal bei" einem hohen Brennstoffdurchsatz d,er Impuls des durch die öffnungen 14. hindurchtretenden Brennstoffes

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derart groß ist, daß der Brennstoff-Vorhang um das Einspritzrohr herum durchbrochen wird und daß damit der Brennstoff zur Achse des Strahlrohres hin gedrängt wird. Die Brennstoffmenge, welche die Ebene der Rinne am Rinnenscheitel erreicht, nimmt dadurch ab und das Luft/Brennstoff-Gemisch wird somit im Bereich des Rinnenscheitels magerer. Auf diese Weise kann eine größere Brennstoffmenge zum Einspritzrohr geleitet werden, bevor das Luft/Brennstoff-Gemisch an der Rinne so weit angereichert ist, daß die Flamme ausgelöscht wird.

Der aus den öffnungen 14 austretende geringere Anteil der Brennstoffmenge beträgt zwischen 15 % und 45 % der Gesamtbrennstöffmenge.

Bei geringem Brennstoffdurchsatz reicht Jedoch der Impuls des durch die radial gerichteten öffnungen 14 austretenden Brennstoffes nicht aus, um den Brennstoff-Vorhang um das Brennstoff-Einspritzrohr herum zu durchbrechen und im wesentlichen die gesamte aus den öffnungen 14 austretende Brennstoffmenge wird damit zusammen mit dem Brennstoff des "Vorhanges" zu der Rinne geleitet. Die Brennstoffströmung durch die radial gerichteten öffnungen 14 hat damit bei geringem Brennetoffdurchsatz so gut wie keinen Einfluß

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auf die Stabilisierungswirkung der Rinne und die Charakteristik der Rinne in bezug auf eine Auslöschung der Flamme bei zu magerem Gemisch bleibt damit im wesentlichen unverändert.

In Pig. 3 sind Versuchsergebnisse dargestellt, welche bei einem Versuch mit einem heißen Gasstrom bei einer Mach'sehen Zahl von 0,0275 und bei einer Temperatur von 1040 ° K ermittelt wurden. In der Fig. ist der gesamte Nachverbrennungs-Brennstoffdurchsatz FR über dem Verhältnis von radial eingespritztem Brennstoff ER2 zur Gesamtbrenn*· stoffmenge (d.h. FR = FRl + FR2, wobei FR2 die stromaufwärts eingespritzte Brennstoffmenge ist) dargestellt.

Bei diesen Versuchen wurde ein Brennstoffeinspritzrohr mit einer einzigen Reihe radial nach innen gerichteter öffnungen verwendet. Die radial eingespritzte Brennstoffmenge wurde durch Verändern der Größe und der Anzahl der radialen öffnungen verändert.

Gemäß der Darstellung in Fig. J5 steigt die Grenze, bei welcher die Flamme durch zu reiches Gemisch ausgelöscht wird, mit wachsender radialer Brennstoffeinspritzmenge längs einer geraden Linie stetig an, während die Grenze, bei welcher eine Auslöschung der Flamme durch zu mageres '

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Gemisch auftritt, so gut wie unverändert bleibt.

Die Versuche zeigten außerdem, daß der Verbrennungswirkungsgrad mit wachsender radialer Brennstoffeinspritzmenge ebenfalls leicht ansteigt.

In dem Fall, in welchem nur eine teilweise Wiederaufheizung der Abgase in dem Strahlrohr verlangt wird, besteht ein zusätzlicher Vorteil darin, daß durch die radial nach " innen gerichteten öffnungen 14 die Brennstoffkonzentration an der Kanalwand 17 und in der Nähe der Kanalwand und damit die Temperatur in der Nähe der Kanalwand vermindert werden können. Das bedeutet, daß ein größerer Wiederaufheizungsgrad erreicht wird, ohne daß ein Hitzeschild an der Wand 17 erforderlich ist.

Es ist klar, daß die radial nach innen gerichteten öffnungen 14 nicht exakt radial ausgerichtet zu sein } brauchen, sondern daß ihre Achsen mit Bezug auf eine radiale Linie in dem Strahlrohr nach einer Seite geneigt sein können und daß damit trotzdem eine Durchbrechung des Brennstoff-Vorhanges bei hohem Brennstoffdurchsatz erreicht wird.

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Der Betriebsbereich eines einzigen Rinnensystems und damit der Schub des Triebwerkes werden, ohne das zusätzliche Qewicht einer weiteren Einspritzvorrichtung und der damit verbundenen weiteren Rohrleitungen und Ventile und ohne, dal die Druckverluste in dem gesamten Kanalverbrennungssystem ansteigen, vergrößert. Bei Anwendung der Erfindung auf eine Mehrfach-Einspritzvorrichtung in Verbindung mit einem entsprechenden Rinnensystem wird die Anzahl der erforderlichen Einspritzvorrichtungen vermindert.

Obgleich die Einrichtung nach der Erfindung mit Bezug auf eine Nachverbrennungseinrichtung für das Strahlrohr eines Gasturbinenstrahltriebwerkes beschrieben wurde, 1st es selbstverständlich, daß dieselbe auch bei einem NebenstromverbrennungEsystem in einem Nebenstromkanal eines Gasturbinen-Strahltriebwerkes angewendet werden kann.

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Claims

Patentansprüche:

( 1./Einrichtung für Verbrennungskanäle, welche einen Brenngaskanal, ein in dem Kanal angeordnetes Mehrdüsen-Brennstoffeinspritzrohr und eine ebenfalls in dem Kanal in bezug auf dieses Brennstoff-Einspritzrohr stromabwärts und zu letzterem aerodynamisch in Reihe angeordnete Flammenstabilisierungsrinne aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Brennstoff-Einspritzrohr (11) eine Vielzahl von stromaufwärts gerichteten öffnungen (13), durch welche hindurch der Hauptanteil des zu dem Einspritzrohr geleiteten Brennstoffes in den Kanal (6) eingespritzt wird und außerdem eine Vielzahl von im wesentlichen radial nach innen gerichteten öffnungen (14) aufweist, durch welche hindurch der übrige Anteil des Brennstoffes in den Kanal eingespritzt wird, und daß schließlich in dem Kanal ein sich stromabwärts öffnendes, im Querschnitt U-förmiges Ringelement (IG) stromaufwärts in der Nähe des Brennstoff-Einspritzrohr es angeordnet ist, in welches der Hauptanteil des aus dem Brennstoff-Einspritzrohr austretenden Brennstoffes eingespritzt wird.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrdüsen-Brennstoffeinspritzrohr (11) in der Nähe der Kanalwandung (17) angeordnet ist und daß die im wesentlichen radial einwärts gerichteten öffnungen (14) dieses Rohres in bezug auf diese Kanalwandung (17) nach innen zeigen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts gerichteten öffnungen des Brennstoff-Einspritzrohres (11) derart bemessen sind, daß der Hauptanteil des in den Kanal (6) eingespritzten Brennstoffes in einem Bereich von 55 % bis 85 % der dem Brennstoff-Einspritzrohr zugeführten Gesamtbrennstoffmenge liegt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts gerichteten öffnungen (13) des Brennstoff-Einspritzrohres derart bemessen sind, daß der Hauptanteil des in den Kanal (6) eingespritzten Brennstoffes in einem Bereich von 60 % bis 70 $ der dem Brennstoff-Einspritzrohr zugeführten Gesamtbrennstoffmenge liegt.

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