DE2063218C3 - Zündeinrichtung für Gasturbinentriebwerke - Google Patents
Zündeinrichtung für GasturbinentriebwerkeInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
- F23R3/54—Reverse-flow combustion chambers
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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Description
Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für Gasturbinentriebwerke, <j.ie 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 Diffcrents Systemes d'allumage Utilises sur les
R6acteurs« auf Seite 115 der Zeitschrift »Technique
et 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 lieigt. Von diesem geschlossenen äußeren Rohrende hur 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 Brennstoffbrei etwa berühren. Bei Zündung schlägt also die Flamme in radialer Richtung
unmittelbar in die Brennkammer hinein, wobei durch die Rohröffnungen und den Mündungsschlitz hindurch
hinzutretende Sekundärluft die Unterhaltung einer stabilen, durchscWagfähigen Zündflamme
sicherstellt
Bei der in der DT-AS 1096684 beschriebenen,
der soeben dargelegten bekannten Einrichtung sehr ähnlichen Zündeinrichtung 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 dem unmittelbar an der Düsenmündung gelegenen Bereich des
Rohrinneren und andererseits über in einer Trennwand angeordnete Axialbohrungen ebenfalls Verbindung
mit dem Rohrinneren. Die Zündkeize ragt radial so in das Innere des Rohrs hinein, daß sie wiederum
den aus der Brennstoffdüse austretenden Brennstoifkegel 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 l.uftzuführungskanal in Verbindung stehenden Radialrohrs
und durch die besondere Führung eines vom Luft/uführungskanal abgezweigten Sekundärluftstroms innerhalb
dieses Radialrohrs wird bei beiden bekannten Einrichtungen mit verhältnismäßig großem appa-
rativem Aufwand der Aufbau einer stabilen, bis ins Innere der Brennkammer vorstoßenden Zündflamme
angestrebt, die durch die in der 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 Stabilisierung
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
• 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 werdan 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
B?nart dadurch gelöst, daß stromauf in der Nähe des stromaufseitigen Raudes 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 erfindungCjpmäße 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 erfindungsgemätte 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 Zünd
einrichtung 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 unü gelangt erst stromab der Zündeinrichtung durch
Ubertrittsöffnungen in die Brennkammer. Diese besondere
Anordnung der erfindungsgemäßen Zünaeinrichtung 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 Zündeirrichtung vorgesehene Prallblech an
sich auf den ersten Blick als sehr banale technische Maßnahme anmuten könnte, hat es die für die grn- +5
ßere Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung ausschlaggebende Wirkung, daß der
vom Luftzuführungskanal in die Zündeinrichtung eintretende Restluftstrom zweidimensional durchwirbelt
wird, wodurch eine vollständige und stetige Ver- so brennung 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 Brennstoffdüsen der unmittelbaren Einwirkung der starken Hitzesi
ahlung aus der Brennkammer ausgesetzt. Bei der in der US-PS 2 845 306 beschriebenen Anordnung
handelt es sich 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 Hauptbrennstoff-Einspritzdüse geführt wird. Da die Anwendung der erfindungsgemäßen
Zündeinrichtung ias Vorhandensein eines Luftzuführungskanals zur Voraussetzung
hat, ist die in der US-PS 2 845306 beschriebene Zündeinrichtung mit der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung
nicht vergleichbar.
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 Gasturbinentriebwerke
mit Umkehrbrennkammer. Bei solcher Anordnung sind gemäß der Erfindung die Hauptbrennstoff-Einspritzdüse 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
F i g. 3 eine schematische Teilansicht in Richtung des PfeilesC in Fig. 2.
Im einzelnen zeigen die Zeichnungen ein Gasturbinentriebwerk 11 mit einem Verdichter 12, einer
Brenneinrichtung 13 und einer Turbine 14, welche in der angegebenen Reihenfolge strömungsmäßig hintereinandergeschaltet
sind.
Die Brenneinrichtung 13 weist eine ringförmige Brennkammer 13 a 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 einer Brennstoffzufuhreinrichtung 34 kommende
Hauptbrennstoffleitung 21 ist durch eine im Gehäuse 1*>
gebildete Öffnung 22 sowie durch eine in der Brennkammerwand 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 a 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, welche 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 Λ rdichter her durch den
Luftzuführungskanal 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. 8mm betragen kann, die Bildung von im wesentlichen zweidimensionalen
Wirbeln 36. Die Nische 32 stellt einen Rereich 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 Zündeinrichtung 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 der
Brennkammer wandert, bevor sie in diese eintritt und so an alle Bereiche des Kopfteiles der Brennkammer
gelangt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
- Patentansprüche:
«t1, Zündeinrichtung Mr Gasturbinentriebwerke, die mindestens eine Brennkamer und ein das Flammrohr dieser Brennkammer mit Abstand umgebendes und dadurch einen Luftzufuhrungskanal für die Brennkammer bildendes Gehäuse aufweisen, mit einer in diesem Gehäuse gebildeten Nische, welche mindestens ein von dem Gehäuse her in Richtung auf den Luftzuführungskanal weisendes Zündelement und eine diesem zugeordnete Brennstoffdüse beherbergt, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf in der Nähe des stramaufseitigen Randes der sich in den Luftzuführungskitnal (26) hinein öffnenden Nische (32) ein in den Luftzuführungskana! hineinragendes flaches Prallblech (33) quer zu der im Luftzuführungskarial herrschenden Strönmng 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.
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E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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