DE2158215C3 - Brennkammer für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in F i g. 2.

Das in F i g. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk ist von üblichem Aufbau mit Ausnahme der Brennkammer. Das Triebwerk enthält einen Verdichter 2, der über eine Leitung 3 Luft in einen Hochdruckluftteil 4 eines Regenerators 6 fördert, in dem die verdichtete Luft erhitzt wird. Die erhitzte verdichtete Luft wird durch eine Leitung 7 in eine Brennkammer 8 geleitet, die ein Gehäuse 10 besitzt. In dem Gehäuse ist durch einen von der verdichteten Luft durchströmten Raum 11 getrennt ein Flammrohr 12 angeordnet. Das Flammrohr 12 sitzt auf einem Stutzen 14, über den die gebildeten Treibgase einem ringförmigen Turbinendüsenring

15 zugeleitet werden. Die Treibgase werden durch diesen auf die Schaufeln am Umfang eines Turbinenrads

16 geleitet. Das Turbinenrad 16 treibt über eine Welle 18 den Verdichter 2 an und ist ferner mit einer Ausgangswelle 19 verbunden. Die Treibgase strömen nach dem Durchfluß durch das Turbinenrad in ein Abgasgehäuse 20, aus dem sie über eine Leitung 22 und den Heißgasteil 23 des Regenerators 6 zu einer Auspuffleitung 24 abströmen. Der Regenerator kann als Rekuperator ausgebildet sein oder als rotierender Regenerator. Jedoch sind die baulichen Einzelheiten des Regenerators für die Erfindung unwesentlich. Die Erfindung ist in gleicher Weise auch für Gasturbinentriebwerke nützlich, die keinen Regenerator aufweisen, jedoch ist sie wegen der höheren Temperatur in der Brennzone von mit Regeneratoren versehenen Gasturbinentriebwerken von größerem Vorteil.

Die Gasturbine selbst kann von beliebiger Ausbildung sein. An Stelle der im Ausführungsbeispiel dargestellten Bauart können auch zwei voneinander unabhängige Turbinen strömungsmäßig hintereinandergeschaltet sein, von denen die eine als Verdichterturbine den Verdichter 2 antreibt, während die zweite mit der Ausgangswelle 19 verbundene Turbine als Arbeitsturbine dient.

Das Flammrohr 12 (F i g. 2 und 3) hat einen zylindri-

sehen Mantel 26, der am oberen Ende von einem schwach konischen Dom 27 verschlossen ist. In der Mitte des Doms 27 ist ein Anschlußstück 28 vorgesehen, das durch das Gehäuse 10 ragt und mit einer Mutter 30 festgelegt ist. Das AnschluBstikk 28 enthält eine nicht dargestellte Brennstoffdüse, der der Brennstoff über eine Leitung 32 zugeleitet wird. Die Brennstoffdüse, die in der Mitte des Doms liegt, ragt etwas in das Flammrohr und spritzt Brennstoff in einem kegligen Strahl in bekannter Weise in das Flammrohr.

Ein Zünder 34 dient der Einleitung der Verbrennung und ist in einem Loch 35 im Dom 27 angeordnet. Der Dom 27 besteht aus einer äußeren Wand 36 und einer inneren Wand 38, die beide miteinander durch Punkischweißung verbunden sind. Die innere Wand 38 enthält Schlitze zur Bildung von abgewinkelten Wirbelblechen 39, die in einer äußeren Reihe liegen. Diese zwölf Wirbelbleche erteilen der durch den Dom eintretenden Luft einen Drall in einer Richtung in bezug zur Längsachse des Flammrohrs, während eine innere Reihe vor, sechs Wirbelblechen 40 einen Drall der Luft in entgegengesetzter Richtung veranlassen. Die Luft tritt durch die äußere Wand 36 durch Löcher 42 in den Bereich der Wirbelbleche. Die in dieser Weise dem Flammrohr 12 zugeführte Luft dient der Spülung des Doms und liefert einen Teil der Brennluft.

Am äußeren Rand des Doms ist ein flacher Ring 43 vorgesehen, der mit den Rändern der Wände 3b und 38 verschweißt ist. Gleichmäßig verteilt über den Umfang sind in dem Ring 43 kleine Löcher 44 vorgesehen, durch die der Dom mit dem Mantel 26 verbunden ist. Der Mantel 26 des Flammrohrs 12 enthält zehn gleichmäßig längs des oberen Randes verteilte Schlitze 46. in deren Bereich der Mantel nach innen verformt ist, so daß sich eine abgesetzte Stütze 47 an jedem Schlitz bildet. Löcher 48 in den Schlitzen 47 sind zu den Löchern 44 in dem Rand 43 des Doms ausgerichtet vorgesehen. Diese Zuordnung wird durch Schrauben od. dgl. gesichert.

Im Ausführungsbeispiel ist der Gesamtdurchmesser des Doms 179 mm, während der Innendurchmesser des Mantels 190,5 mm beträgt, so daß sich ein Spalt von nahezu 6 mm zwischen dem Rand des Doms und der Innenwand des Flammrohrs 12 ergibt. Ein kräftiger Luftstrom tritt durch diesen Spalt und fließt längs der Innenfläche des Mantels. Er stellt einen Kühlfilm dar, der die Flammrohrwandung von den sehr heißen Brenngasen in der Brennzone schützt, obwohl ein Teil dieser Luft in die Treibgase übergeht.

Das stromabwärtige Ende des Mantels 26 ist mit einem nach außen erweiterten Rand 50 versehen, der Schlitze 51 enthält, und mit einem Kranz vop Lappen 52 versehen ist, die längs der einen Kante im Bereich der Schlitze 51 angeschweißt sind. Diese Lappen dienen der Ausrichtung des Flammrohrs zum Stutzen 14. Unmittelbare Brennluftzufuhr zum Flammrohr 12 erfolgt durch eingebaute Rückführeinrichtungen 54, die kreisförmigen Querschnitt haben und eine Eintrittsöffnung 55 und eine Austrittsöffnung 56 für Treibgas aufweisen. Wie sich aus den Zeichnungen ergibt, sind die Eintrittsöffnungen 55 von dem Dom abgewandt in axialer Richtung angeordnet, während die Austrittsöffnungen 56 radial einwärts auf die Achse des Flammrohrs zu gerichtet sind. Die Rückführeinrichtungen 54 sind durch Punktschweißen mit dem Mantel 26 verbunden. Die Austrittsöffnungen 56 ersetzen die üblichen Brennlufteinlässe bisher bekannter Bauarten, die durch die Frfindune verbessert werden, wobei bei den bekannten Bauarten diese Lufteinlaßöffnungeii in der gleichen axialen Höhe wie die Austrittsöffnungen 56 vorgesehen waren.

Die eigentlichen Lufteinlaßöffnungen 58 sind bei der erfindungsgemäßen Bauweise weiter stromabwärts angeordnet. Diese Lufteinlaßöffnungen 58 sind an einem rechtwinklig abgebogenen Rohr 59 kreisförmigen Querschnitts vorgesehen, das ebenfalls durch Punktschweißen an dem Mantel 26 befestigt ist. Jedes Rohr

59 konvergiert zu einer Auslaßöffnung 60 und bildet eine Ejektordüse, die im Bereich der Eintrittsöffnung 55 der Rückführeinrichtungen 54 liegt Infolge der Druckdifferenz zwischen der Außen- und der Innenseite des Flammrohrs tritt verdichtete Luft durch die Lufteinlaßöffnungen 58 ein und wird durch die Auslaßöffnungen

60 beschleunigt in die Rückführeinrichtungen 54 geleitet. Diese Luft nimmt Treibgase mit und bewirkt deren Umwälzung innerhalb der Brennkammer 8, wobei sich die zurückgeführten Treibgase mit der frisch zugeführten Luft mischen, um durch die Austrittsöffnungen 56 in die Brennzone des Flammrohrs 12 zurückzukehren. Der in entgegengesetzter Richtung fließende Kühlluftstrom längs der Innenwand des Flammrohrs läßt diese Luft nicht In die Rückführeinrichtungen 54 eintreten.

Wenn auch eine genaue Begrenzung des Endes der Brennzone im Flammrohr 12 nicht möglich ist, so ist es aber zweckmäßig, das stromabwärtige Ende der Rückführeinrichtungen 54 etwa in diesem Bereich anzuordnen. Gewisse Schwankungen in der Länge der Brennzone ergeben sich aus der eingestellten Leistung bzw. der Brennstoffzufuhr zum Flammrohr. Die Anordnung der Auslaßöffnungen 60 sollte so vorgenommen werden, daß Treibgase mit geringstem Sauerstoffgehalt angesaugt werden, d. h. vollständig verbrannte Treibgase, denen jedoch noch keine Zuluft beigemischt ist.

Die Mischung aus der zugeführten Luft und den rückgeführten Treibgasen, die durch die Rückführeinrichtungen 54 strömt, wird durch Wärmeleitung zum Mantel 26 in gewissem Umfange gekühlt, da sich deren Außenwand in der verdichteten Luft befindet. In größerem Ausmaße erfolgt eine Kühlung durch Konvektion zu dem Kühlluftfilm, der an der Innenwand des Mantels 26 strömt.

Durch die Rückführeinrichtungen 54 und die Auslaßöffnungen 60 erfolgt also wie bei bekannten Bauarten eine Luftzufuhr, jedoch mit der Ausnahme, daß Treibgase zugemischt sind und die Mischung beträchtlich abgekühlt ist. Die zugeleitete Brennluft wird durch Treibgase verdünnt, wodurch die Sauerstoffkonzentration in der Brennzone herabgesetzt wird und gleichzeitig eine geringere Reaktionstemperatur in diesem Bereich erreicht wird.

Der unterhalb der Brennzone im Flammrohr befindliche Teil ist die Zumischzone, in der verhältnismäßig große Luftmengen, die vom Verdichter geliefert und im Falle eines Regenerators vorgewärmt zugeteilt werden. Durch die Zumischluft wird die Temperatur der Brenngase auf einen Wert gesenkt, der der Turbine zuträglich ir». Die Zumischung dieser Zumischluft erfolgt durch einen Kranz von acht großen Löchern 62 im Mantel 26 des Flammrohrs.

Die Verbesserung gemäß der Erfindung wird ohne wesentliche und kostspielige Abänderung bisheriger Brennkammerkonstruktionen erreicht, da lediglich die Lufteinlaßöffnungen 58 tiefer an dem Flammrohrmantel angeordnet sind und die durch Punktschweißen leicht zu befestigenden Rückführeinrichtungen 54 und Ejektordüsen 59 vorzusehen sind.

Die Verhältnisse der Luft, die in den einzelnen Teilen der Brennkammer zugeleitet wird, hängen von der Auslegung ebenso ab wie von der Betriebstemperatur der Turbine, dem Vorliegen oder Fehlen eines Regenerators und auch weiteren Betriebsparametern, so daß ein Anhaltspunkt über diese Verhältnisse zweckmäßig erscheint. Bei der besonderen Ausführungsform gelangen etwa 9 bis 10% der gesamten Fördermenge des Verdichters 2 durch die Wirbelbleche im Dom 27 in das Flammrohr 12. Etwa 5% der Fördermenge des Verdichters wird durch die Lufteinlaßöffnungen 58 zugeleitet. Etwa 58% der gesamten Luft tritt durch den Spalt an den Rändern des Doms und des Mantels 26 ein, wobei dieser Teil vorwiegend zur Bildung des kühlenden Luftfilms dient, obwohl etwa Ve dieser Luftmenge, also etwa 3,5% der Fördermenge des Verdichters in die Brennluft übergeht. Im Ausfülirungsbeispiel werden also 18 bis 19% der gesamten Fördermenge des Verdichters als Brennluft verwendet. Etwa 58% der gesamten Luft werden durch die Zumischlöcher 62 zugeleitet.

Der Betrag der durch die Auslaßöffnungen 60 zurückgeführten Treibgase ist abhängig von der Konvergenz der Düsen und den anderen Abmessungen der zugeordneten Teile. Im Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der zurückgeleiteten Gase zur eintretenden Luft etwa 6/10. Es sind jedoch auch andere Verhältnisse im Einzelfalle möglich.

Die erfindungsgemäße Bauweise ist einfach und äußerst wirksam, um die Brenntemperaturen und die Sauerstoffkonzentration in der Brennzone zu verringern und damit die Bildung übermäßiger Anteile vor Stickoxid zu unterbinden. Die Erfindung ist bei ringförmigen Flammrohren oder anderen Formen vor Flammrohren in gleicher Weise verwendbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit einem Gehäuse zur Aufnahme von unter Druck stehender Luft, das ein Flammrohr umschließt, welches aus einem Mantel und einem stromaufwärts liegenden Dom besteht und stromabwärts des Doms eine primäre Brennzone und eine Zumischzone für Luft und einen an die Zumischzone anschließenden Auslaß für das Treibgas aufweist, und mit über den Umfang des Mantels verteilt angeordneten Rückführeinrichtungen für Treibgas, das durch die Ejektorwirkung in das Flammrohr eintretender Frischluft in die primäre Brennzone zurückgefördert wird, wobei die Rückführeinrichtungen eine in Richtung auf den Dom durchströmte Eintrittsöffnung für Treibgas und eine zum Flamrnrohrinnern führende Austrittsöffnung und eine Einlaßöffung für Druckluft aus dem Gehäuse aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rückführeinrichtung (54) eine sich an die Einlaßöffnung (58) für Druckluft aus dem Gehäuse (10) anschließende Ejektordüse (59) zugeordnet ist, deren Auslaßöffnung (60) in der Rückführeinrichtung in einer eine Mischung des rückgeführten Treibgases mit der Druckluft bewirkenden Weise angeordnet ist, und daß die Austrittsöffnung (56) der Rückführeinrichtung (54) radial nach innen in das Flammrohr (52) gerichtet ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtungen (54) aus neben dem stromabwärtigen Ende der Brennzone angeordneten Rohren bestehen.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ejektordüse (59) aus einem parallel zur Hauptströmungsrichtung im Flammrohr (12) liegenden Rohr (59) besteht, das entgegen der Hauptströmungsrichtung im Flammrohr (12) durchströmt wird, und daß die größeren Querschnitt als die Auslaßöffnung (60) der zugeordneten Ejektordüse (59) aufweisende Eintrittsöffnung (55) für Treibgas neben der Auslaßöffnung (60) der Ejektordüse (59) liegt.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtungen (54) und die Ejektordüsen (59) völlig innerhalb des Flammrohrs (12) angeordnet sind.

5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ejektordüse (59) zwischen der Einlaßöffnung (58) im Mantel (26) des Flammrohrs und der Auslaßöffnung (60) der Rückführeinrichtung (54) rechtwinklig abgebogen ist.

6. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rückführeinrichtung (54) zwischen der Eintrittsöffnung (55) für Treibgas und der radial einwärts gerichteten Austrittsöffnung (56) rechtwinklig abgebogen ist.

7. Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Mantel und dem Dom ein Spalt zur Zufuhr von Kühlluft für die Innenfläche des Mantels vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtungen (54) und die Ejektordüse (59) im Strom dieser Kühlluft liegen.

65 Bei einer den Ausgangspunkt der Erfindung gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 bildenden Brennkammer (BE-PS 5 50 737) wird die Rückführung der Treibgase in die Mischzone durch die Injektorwirkung der dieser zuströmenden Primärluft bewirkt, wobei beide Ströme im wesentlichen axial, jedoch mit Drall, in die Mischkammer eintreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die Rückführung der Treibgase in die eintretende Primärbrennluft ohne verwickelten Aufbau der Brennkammer so erfolgt, daß bei der Verbrennung die Bildung von Stickoxiden verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Die in dieser Weise bewirkte Zumischung der rückgeführten Treibgase veranlaßt eine sehr gleichmäßige Senkung der Sauerstoffkonzentration wie auch der Reaktionstemperatur in der Brennzone, wodurch der Bildung von Stickoxiden entgegengewirkt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer nach der Erfindung,

F i g. 2 einen senkrechten Schnitt durch das Flammrohr der Brennkammer gemäß F i g. 1 und