DE2063218B2 - Zündeinrichtung für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für Gasturbinentriebwerke, die mindestens eine Brennkammer und ein das Flammrohr dieser Brennkammer mit Abstand umgebendes und dadurch einen Luftzuführungskanal für die Brennkammer bildendes Gehäuse aufweisen, in welchem eine Nische gebildet ist, die mindestens ein von dem Gehäuse her in Richtung auf den Luftzuführungskanal weisendes Zündelement und eine diesem zugeordnete Brennstoffdüse beherbergt.

Zündeinrichtungen solchen allgemeinen Aufbaues Sind beispielsweise in einem Aufsatz »Le Reallumage des Turboreacteurs en Altitude« unter dem Kapitel »Les Differents Systemes d'allumage Utilises sur les Reacteurs« auf Seite 115 der Zeitschrift »Technique Ct Science Aeronautique«, Band 3, Jahrg. 1956, und in der DT-AS 1 096 684 beschrieben.

Bei der in dem genannten Aufsatz beschriebenen Zündeinrichtung ist in der Gehäusenische ein mit Bezug auf die Brennkammer und den diese umgebenden Luftzuführungskanal radial verlaufendes Rohr angeordnet, das im Nischenbereich mit Umfangsöffnungen versehen ist, und mit seinem mit Bezug auf die Brennkammer radial inneren offenen Ende unter Freilassung eines seinen Umfang umgebenden Schlitzes an das Flammrohr ansetzt und in die Brennkammer einmündet. Dieses Rohr ist mittels eines Flansches von außen her gasdicht an die Nische angesetzt, so daß sein radial äußeres geschlossenes Ende außerhalb der Nische liegt. Von diesem geschlossenen äußeren Rohrende her ragen eine Brennstoffdüse und eine Zündkerze so in das Rohrinnere hinein, daß der Brennstoffkegel mit Bezug auf die Brennkammer in etwa radialer Richtung in diese eintritt und die Elektroden der Zündkerze im Bereich der Rohröffnungen den Brennstoffkegel etwa berühren. Bei Zündung schlägt also die Flamme in radialer Richtung unmittelbar in die Brennkammer hinein, wobei durch die Robröffnungen und den Mündungsschlitz hindurch hinzutretende Sekundärluft die Unterhaltung einer stabilen, durcbschlagfähigen Zündflamme sicherstellt.

Bei der in der DT-AS 1096 684 beschriebenen, der soeben dargelegten bekannten Einrichtung sehr ähnlichen Zündernrichtung wird die Nische von

ίο einem vom Luftzuführungskanal mit Bezug auf die Brennkammer radial nach außen abzweigenden, zu dem genannten Rohr parallel verlaufenden Kanal und einem die koaxial zum Rohr an dessen geschlossenem Außenende angeordnete Brennstoffdüse umgebenden Ringraum gebildet. Dieser Ringraum hat einerseits über einen die Düsenmündung umgebenden Drallblechkranz Verbindung mit dsm unmittelbar an der Düsenmündung gelegenen Bereich des Rohrinneren und andererseits über in einer Trennwand angeordnete Axialbohrungen ebenfalls Verbindung mit dem Rohrinneren. Die Zündkerze ragt radial so in das Innere des Rohrs hinein, daß sie wiederum den aus der Brennstoffdüse austretenden Brennstoffkegel berührt.

Durch die Unterbringung der Zündeinrichtung in einer Nische des Luftzuführungskanals, ferner durch die Anordnung der Zündkerze und der Brennstoffdüse innerhalb eines unmittelbar in die Brennkammer mündenden und trotzdem mit dem Luftzuführungskanal in Verbindung stehenden Radialrohrs und durch die besondere Führung eines vom Luftzuführungskanal abgezweigten Sekundärluftstroms innerhalb dieses Radialrohrs wird bei beiden bekannten Einrichtungen mit verhältnismäßig großem apparativem Aufwand der Aufbau einer stabilen, bis ins Innere der Brennkammer vorstoßenden Zündflamme angestrebt, die durch die in d'-r Brennkammer bereits vor deren Zündung herrschende starke Luftströmung nicht ausgelöscht wird.

Sofern es sich um große oder mittlere Triebwerke handelt, wird dieses Ziel mit den bekannten Zündeinrichtungen der soeben dargelegten Bauart auch einigermaßen erreicht, wenn sie auch den Nachteil haben, daß sowohl Zündkerze als auch Brennstoffdüse infolge der intensiven Hitzestrahlung aus der Brennkammer starkem Hitzeverschleiß, insbesondere starker Verkokung, ausgesetzt sind.

Schwierig werden jedoch die Verhältnisse in Verbindung mit kleinen Triebwerken, bei welchen häufig die radiale Weite des Luftzuführungskanals nur 12 mm oder weniger beträgt. In solchen Fällen ist es nicht nur schwierig oder sogar unmöglich, die einzelnen Teile der in ihrem Aufbau komplizierten bekannten Zündeinrichtungen so zu dimensionieren.

daß sie einerseits einwandfrei funktionieren und andererseits bei den beengten räumlichen Verhältnissen überhaupt noch unterbringbar sind, sondern es ist dann auch schwierig, angesichts dieser beengten räumlichen Verhältnisse noch die angestrebte Stabil'.-sierung der Zündflamme und deren Unempfindlichkeit gegen Erlöschen infolge der in der Brennkammer herrschenden starken Luftströmung sicherzustellen.
Durch die Erfindung soll demgemäß die Aufgabe gelöst werden, Zündeinrichtungen der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart konstruktiv so zu vereinfachen, daß sie einerseits ohne Schwierigkeit auch bei beengten räumlichen Verhältnissen in kleine

Gasturbinentriebwerke eingebaut werden können, ohne jedoch hinsichtlich ihrer Wirksamkeit im Hinblick auf die Bildung einer stabilen und betriebssicheren Zündflamme Einbuße zu erleiden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Zündeinrichtung der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart dadurch gelöst, daß stromauf in der Näiie des stromaufseitigen Randes der sich in den Luftzuführungskanal hinein öffnenden Nische ein in den Luftzuführungskanal hineinragendes flaches Prallblech quer zu der im Luftzuführungskanal herrschenden Strömung angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Zündeinrichtung bringt gegenüber den bekannten Zündeinrichtungen zunächst den technischen Fortschritt, daß sie im Aufbau außerordentlich einfach und deshalb nicht nur wesentlich billiger ist, sondern sich vor allem mühelos unter den bei kleinen Triebwerken herrschenden beengten räumlichen Verhältnissen einbauen läßt. Darüber hinaus ist jedoch die erfindungsgemäße Zündeinrichtung wider Erwarten sogar wesentlich betriebssicherer als die bekannten Zündeinrichtungen, weil bei ihr Zündkerze und Brennstoffdüse nicht mehr im Hitzestrahlungsbereich der Brennkammer liegen. Bei der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung wird ein Teil des den Luftzuführungskanal durchströmenden Luftstromes bereits stromauf der Zündeinrichtung in die Brennkammer eingelassen und die in der Zündeinrichtung erzeugte Zündflamme wandert zusammen mit dem restlichen, durch das Prallblech der Zündeinrichtung in Wirbelung versetzen Luftstrom längs des Gaszuführungskanal weiter und gelangt erst stromab der Zündeinrichtung durch Übertrittsöffnungen in die Brennkammer. Diese besondere Anordnung der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung innerhalb des Triebwerks macht es möglich, die Zündflamme an der zur Hauptbrennstoff-Einspritzdüse der Brennkammer führenden Hauptbrennstoffleitung vorbeizuführen und auf diese Weise eine Vorwärmung bzw. Vorverdampfung des der Hauptbrennstoff-Einspritzdüse zugeführten Brennstoffs zu erzielen. Obwohl das bei der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung vorgesehene Prallblech an sich auf den ersten Blick als sehr banale technische Maßnahme anmuten könnte, hat es die für die größere Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung ausschlaggebende Wirkung, daß der vom Luftzufuhrungskanal in die Zündeinrichtung eintretende Restluftstrom zweidimensional durchwirbelt wird, wodurch eine vollständige und stetige Verbrennung des über die Zündbrennstoffdüse eingespritzten Brennstoffs erzielt wird.

Die Anordnung von Zündeinrichtungen in besonderen Zündkammern ist in Verbindung mit Gasturbinentriebwerken an sich außerdem auch noch aus den DT-AS 1181989 und 1015 271 sowie aus den US-PS 3 439 495 und 2 845 306 bekannt. Bei den in den drei erstgenannten Druckschriften beschriebenen Anordnungen münden die Zündkammern ebenfalls unmittelbar in die Brennkammer. Auch bei ihnen sind also wiederum Zündkerzen und Brennstoff düsen der unmittelbaren Einwirkung der starken Hitzestrahlung am der Brennkammer ausgesetzt. Bei der in der US-PS 2 845 306 beschriebenen Anordnung handelt es "<ich um eine geschlossene Zündkammer ohne Luftzufuhr, in welcher die Zündflamme durch Zündung eines Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches mittels einer Zündkerze erzeugt und über einen verhältnismäßig engen Zündflammenkanal in Form einer Stichflamme unmittelbar in einen Mündungs-Ringkanal einer nadelgesteuerten Hauptbrennstüff-Einspritzdüse geführt wird. Da die Anwendung der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung das Vorhandensein eines Luftzufünrungskanals zur Voraussetzung hat, ist die in der US-PS 2 845 306 beschriebene Zündeinrichtung mit der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung nicht vergleichbar.

ίο Sämtliche in den letztgenannten Druckschriften beschriebenen Zündeinrichtungen sind nicht geeignet, die durch die erfindungsgemäße Zündeinrichtung zu lösende Aufgabe zu erfüllen, da sie im Aufbau zu aufwendig sind und zu viel Raum beanspruchen.

Die erfindungsgemäße Zündeinrichtung eignet sich unter anderem besonders gut zum Einbau in Gasturuinentriebwerke mit TJmkehrbrennkammer. Bei solcher Anordnung sind gemäß der Erfindung die

so Hauptbrennstoff-EinspritzdJse der Umkehrbrennkammer in deren Kopfteil und die Zündeinrichtung stromauf der Hauptbrennstoff-Einspritzdüse angeordnet. Diese erfindungsgemäße Anordnung macht es auf besonders einfache und vorteilhafte Weise möglich, die Zündflamme an der zur Hauptbrennstoff-Einspritzdüse führenden Hauptbrennstoffleitung vorbeizuführen und dadurch die oben bereits erwähnte Vorwärmung bzw. Vorverdampfung des Hauptbrennstoffs vor dessen Eintritt in die Hauptbrennstoff-Einspritzdüse zu ermöglichen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische, teilweise aufgeschnittene.

Seitenansicht eines Teiles eines Gasturbinentriebwerkes mit einer Zündeinrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 einen schematischen Längsschnitt einer in F i g. 1 dargestellten Umkehrbrennkammer in größerem Maßstab und

Fig.3 eine schematischc Tsi'.ansicht in Richtung des Pfeiles C in F i g. 2.

Im einzelnen zeigen die Zeichnungen ein Gasturbinentriebwerk 11 mit einem Verdichter 12, einer Brenneinrichtung 13 und einer Turbine 14, weiche in der angegebenen Reihenfolge strömungsmäßig hintereinandergeschaltet sind.

Die Brenneinrichtung 13 weist eine ringförmige Brennkammer 13 α auf, die in einem ringförmigen Gehäuse 16 untergebracht und an einer Verankerungsstelle 17 mit dem Hauptrahmen 18 des Triebwerks verbunden ist.

Eine Hauptbrennstoff-Einspritzdüse 19 weist ein an der Wand der Brennkammer 13 α befestigtes und in diese hineinragendes J-förmiges Rohr 20 auf. Eine von jiner Brennstot'fzufuhreinrichtung 34 kommende Hauptbrennstoff leitung 21 ist durch eine im Gehäuse 16 gebildete Öffnung 22 sowie durch eine in der Birennkammerwand gebildete öffnung 23 hindurchgeführt und endet in dem Rohr 20. Eine flexible metallische Dichtung 24 verhindert ein Auslecken von Luft zwischen der Hauptbrennstoffleitung 21 und der Wandung der Öffnung 22.

Von dem Verdichter 12 zugeführte Luft strömt in der durch Pfeile 25 angegebenen Weise von einem zwischen der Brennkammer 13 α und dem Gehäuse 16 gebildeten Luftzuführungskanal 26 über öffnungen 30 in diese Brennkammer 13 α und dann durch einen Brennkammerauslaß 27 zu der Turbine 14.

In einer im Gehäuse 16 gebildeten Nische 32 ist eine Zündeinrichtung 28 untergebracht, weiche eine mit einer Zündstromquelle 35 verbundene Zündkerze 31 und eine mit der Brennstoffzufuhreinrichtung 34 verbundene Brennstoff-Einspritzdüse 29 aufweist. Stromauf der Zündeinrichtung ist an einer Wandung der Nische 32 ein Prallblech 33 befestigt, welches in den Luftzuführungskanal 26 hineinragt.

Während des Betriebes bilden sich in der Zündeinrichtung 28 durch die vom Verdichter her durch den Luftziiführungskanal 25 einströmende Luft infolge des Prallbleches 33 stabile Wirbel 36, so daß sich an der Brennstoff-Einspritzdüse 29 für die Zündung und die zu erzeugende und zunächst aufrechtzuerhaltende Zündflamme günstige Verhältnisse ergeben. Die Zündflamme wird von der Brennstoffzufuhreinrichtung 34 gespeist und wandert zusammen mit der Luft durch den Luftzuführungskanal 26 und über Öffnungen 30 α in die Brennkammer 13 a, in welcher sie das Gemisch aus Luft und Brennstoff an der Hauptbrennstoff-Einspritzdüse 19 zündet.

Die Zündeinrichtung 28 liegt an einer verhältnismäßig engen Stelle des Luftzuführungskanals 26 stromauf der Hauptbrennstoff-Einspritzdüse 19.

Das Prallblech 33 hat die Form einer flachen Platte und bewirkt in dem engen Luftzuführungskanal 26, dessen radiale Weite z. B. 8 mm betragen kann, die Bildung von im wesentlichen zweidimensionalen Wirbeln 36. Die Nische 32 stellt einen Bereich mit geringer Luftströmung dar, welcher zusammen mit den Wirbeln zur Aufrechterhaltung der Verbrennung beiträgt.

Da die Zündvorrichtung 28 stromauf der Hauptbrennstoff-Einspritzdüse 19 angeordnet ist, gelangt die Zündflamme auch in den Bereich der Hauptbrennstoffleitung 21, so daß sie die Brennstofftemperatur erhöht und damit die Verdampfung im Rohr 20 verbessert.

Die Zündeinrichtung 28 wird selbstverständlich jeweils nur beim Starten der Maschine betätigt und anschließend wieder abgeschaltet, wenn die Hauptverbrennung in Gang ist.

Die Zündflamme breitet sich infolge der Luftströmung 25 um den Kopfteil der Brennkammer herum aus, d. h. um den die Hauptbrennstoff-Einspritzdüse

xo 19 umgebenden Bereich, wodurch sich während des Startens ganz allgemein vorteilhafte Wirkungen hinsichtlich der Temperaturerhöhung in diesem Bereich ergeben.

Die beschriebene Brennkammer ist eine Umkehrbrennkammer, d. h. die mittlere Strömungsrichtung 38 verläuft innerhalb des Flammrohrs 15 entgegengesetzt zur allgemeinen Strömungsrichtung 40 der durch das Triebwerk hindurchführenden Strömung. Die Zündeinrichtung 28 ist stromauf der Primärverbrennungszone angeordnet, d. h. stromauf der die Hauptbrennstoff-Einspritzdüse 19 umgebenden und den Kopfteil 39 der Brennkammer bildenden Zone des Flammrohrs 15. Infolge der Verwendung eines Prallbleches und der Anordnung der Zündeinrichtitiig in einer Nische ist es möglich, die Zündeinrichtung 28 in dem verhältnismäßig engen Luftzuführungskanal 26 unterzubringen. Gleichzeitig macht es diese Anbringung der Zündeinrichtung innerhalb der Umkehrbrennkammer möglich, daß die Zündflamme nicht nur an der Hauptbrennstoff-Einspritzdüse 19 vorbeiwandert, sondern auch durch den gekrümmten Teil des Luftzuführungskanals 26 rund um die Hauptbrennzone zu der abgewandten Seite dei Brennkammer wandert, bevor sie in diese eintritt und so an alle Bereiche des Kopfteiles der Brennkammei gelangt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Zündeinrichtung für Gasturbinentriebwerke, die mindestens eine Brennkamer und ein das Flammrohr dieser Brennkammer mit Abstand umgebendes und dadurch einen Luftzuführungskanal für die Brennkammer bildendes Gehäuse aufweisen, mit einer in diesem Gehäuse gebildeten Nische, welche mindestens ein von dem Gehäuse her in Richtung auf den Luftzuführiingskanal weisendes Zündelement und eine diesem zugeordnete Brennstoffdüse beherbergt, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf in der Nähe des stromaufseitigen Randes der sich in den Luftzuführungskanal (26) hinein öffnenden Nische (32) ein in den Luftzuführungskanal hineinragendes flaches Prallblech (33) quer zu der im Luftzuführungskanal herrschenden Strömung angeordnet ist.

2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 für ein Gasturbinentriebwerk mit Umkehrbrennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrennstoff-Einspritzdüse (19) der Umkehrbrennkammer (13 a) in deren Kopfteil (39) und die Zündeinrichtung (28) stromauf der Hauptbrennstoff-Einspritzdüse angeordnet sind.