DE2209727C3

DE2209727C3 - Umkehr-Ringbrennkammer für Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2209727C3
Application number: DE2209727A
Authority: DE
Inventors: Heinrich 8031 Puchheim Leibach
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1972-03-01
Filing date: 1972-03-01
Publication date: 1975-06-12
Also published as: DE2209727B2; FR2174260B1; DE2209727A1; GB1379368A; FR2174260A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umkehr-Ringbrennkammer für Gasturbinentriebwerke, mit einem Flammrohr, das — im Radialschnitt gesehen — im wesentlichen L-förmig innerhalb eines zwischen Verdichter und Turbine des Triebwerks befindlichen ringförmigen Verdichterluft-Sammelgehäuse angeordnet und von diesem aus mittels Verbrennungs- und Mischluft versorgbar ist, wobei die Flammrohrrückwand der Triebwerkswelle zugekehrt ist und eine zentrale Öffnung sowohl für die Zufuhr infolge Rotation der Triebwerkswelle zerstäubten Brennstoffs als auch für die Zufuhr von Verbrennungsluft aufweist und wobei die Flammrohrrückwand weiter mit seitlich dieser zentralen Öffnung angeordneten Luftzuführungen versehen ist.

Die Erfindung geht hierbei von einer bekannten Umkehr-Ringbrennkammer für Gasturbinentriebwerke nach der österreichischen Patentschrift 241 913 aus.
Im Interesse einer Intensivierung der Aufbereitung

s der der Umkehr-Ringbrennkammer für den Verbrennungsprozeß zuzuführenden Brennstoff-Luftanteile eeht diese bekannte Lösung über eine ebenfalls bekannte Umkehr-Ringbrennkammer für Gasturbinentriebwerke nach der deutschen Patentschrift 944 690

ο insoweit hinaus, als die der Triebwerkswelle zugekehrte Flammrohrrückwand zusätzliche Luftzuführungen seitlich einer zentralen öffnung für die Zufuhr von Primärluft sowie rotationszerstäubten Brennstoffs auf-

weist

Die Praxis hat nun aber gezeigt, daß selbst auch bei den vorstehend erörterten bekannten Brennkammerkonzeptionen der rotationszerstäubt in die Brennkammer eingebrachte und mit Zusatzluft angereicherte Brennstoff keinesfalls ein innig vermischtes bzw. gasförmig aufbereitetes Brennstoff-Luftgemisch darstellt. Ferner benötigt eine derartige Brennstoff-Luftzuführung eine relativ großvolumige Mischzone in Relation zum übrigen Brennkammervolumen, was wiederum nicht dem Interesse eines möglichst gering zu halten-

₂c den Gesamt-Brennkammervolumens entgegenkommt.
Vorgenannte bekannte Brennkammerkonzeptionen lassen Leiter besondere Vorkehrungen für eine im wesentlichen an Schadstoffen freie Verbrennung vermissen, also Vorkehrungen, die hauptsächlich auf eine ver-

minderte Rußbildung abzielen, die besonders durch Kraftstoffablagerungen bzw. -Überschüsse an der Flammrohrrückwand verursacht werden kann.

Bei Ringbrennkammern für Gasturbinenstrahltriebwerke (US-PS 2 693 676) oder für Gasturbinentriebwerke in Kompakt-Bauweise (DT-AS 1 079 895) ist es bekannt durch sogenannte »T-förmige«, in den Brennraum der jeweiligen Ringbrennkammer hineinragende Verdampferrohre den in diese eingeführten Brennstoff infolge der Verbrennungswärme in der Brennkammer

in einen dampfförmigen Zustand aufzubereiten und dabei innig mit ebenfalls in diese Verdampferrohre eingeführter Verbrennungsluft zu vermischen.

Wesentliche Nachteile dieser bekannten Lösungen werden jedoch darin gesehen, d?ß durch eine Vielzahl solcher in Umfangsrichtung einer ringförmigen Brennkammer verteilt angeordneten Einzelverdampferrohre mit jeweils gesonderter Brennstoff-Luftversorgung die Ausbreitung einer gewünschten gleichmäßigen, rotationssymmetrischen Flammenfront im Interesse einer gleichförmigen Temperaturbelastung und eines gleichförmigen Ausbrenngrades nicht oder in nur unzureichender Weise erreicht werden kann.

Im übrigen wird in diesen beiden bekannten Fällen der Brennstoff nicht von der jeweiligen Triebwerkswel-Ie aus rotationszerstäubt der Ringbrennkammer eingeführt und es finden sich darin weiterhin keinerlei Vorkehrungen, die auf eine Verminderung eines sich gegebenenfalls an der Flammrohrrückwand einstellenden Kraftstoffüberschusses bzw. auf eine Verminderung von Kraftstoffablagerungen an der Flammrohrrückwand abzielen.

In einem anderen bekannten Fall (DT-AS 1 013 467) ist es zwar bei einer Ringbrennkammer eines Gasturbinenstrahltriebwerks vorgesehen, Verbrennungsluft zusammen mit über die Triebwerkswelle rotationszerstäubtem Brennstoff über einen als Verdampfer wirkenden Kanal, der zum Teil Bestandteil der Brennkammerinnenwand ist. zuzuführen.

Eine gleichmäßige rotationssymmetrische Flammenfront bzw. Verbrennung wird bei dieser bekannten Lösung deshalb auszuschließen sein, weil das über den Verdampfer aufbereitete Brennsloff-L-tftgemisch von innen nach außen quer in einen relativ kalten Hauptluftstrom der Brennkammer (dem Verdampfer gegenüberliegend) eingebracht werden muß mit daraus zu erwartender ungleichförmiger Gemischaufbereitung, Verbrennung und Temperaturverteilung.

Im übrigen ist diese bekannte Lösung nicht mit einer ₍₀ Umkehr-Ringbrennkammer nach der eingangs genannten Gattung vergleichbar, von der die Erfindung ausgeht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu den erwähnten bekannten Lösungen vorgebrachten Nach- _!5 teile zu beseitigen und eine Umkehr-Ringbrennkammer nach der eingangs genannten Gattung gegenüber Bekanntem in der Weise zu verbessern, daß bei relativ geringem Brennkammervolumen eine noch wesentlich gleichförmigere Verbrennung über den gesamten Ringkammerquerschnitt erzielt wird, wobei insbesondere einer verminderten Rußbildung — verursacht durch Kraftstoffablagerung bzw. -Überschuß an der Biiünkammerrückwand — Rechnung getragen werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet:

a) die Umkehr-Ringbrennkammer weist in an sich bekannter Weise einen T-förmigen, in den stromaufwärtigen Bereich des Flammrohrs hineinragenden Verdampferrohrkörper mit gegen die Flammrohrrückwand gerichteten Austrittsöffnungen auf;

b) der Verdampferrohrkörper ist koaxial zur Treihwerkslängsachse angeordnet mit dementsprechend konzentrischen Austrittsöffnungen sowie einer konzentrischen, zugleich mit der zentralen öffung in der Flammrohrrückwand kontinuierlich fluchtenden Eintrittsöffnung;

c) die seitlich der zentralen öffnung der Flammrohrrückwand bzw. seitlich der Eintrittsöffnung des Vedampferrohrkörpers angeordneten Luftzuführungen sind den beiden konzentrischen Austrittsöffnungen des Verdampferrohrkörpers in der Weise zugeordnet, daß zwischen diesen und der Flammrohrrückwand mit Mischluf» angereicherte konzentrische Wirbelzonen des au !bereitet zügeführten Brennstoff-Luftgemisches entstehen.

Gegenüber bekannten Brennkammerkonzeptionen für Gasturbinentriebwerke mit einzelnen und mit Abstand zueinander oder gegebenenfalls versetzt zueinander in die Ringbrennkammer hineinragenden T-förmigen Verdampferrohren gewährleistet die Erfindung bei vereinfachter Konstruktion infolge eines einzigen rein rotalionssymmetrischen Verdampferrohrkörpers von vornherein genau definierbare Zu- und Abströmverhältnisse der im Verdampfer aufzubereitenden Brennstoff-Luftanteiie, wodurch bereits bei der Auslegung einer derartigen Ringbrennkammer die angestrebte rein rotationssymmetrische Flammausbreitung erwartet werden kann.

Zur vollständigeren Verbrennung mit dem gleichsieitigen Vorteil einer verminderten Rußablagerungsgefahr an der Flammrohrrückwand trägt dann die angegebene Zuordnung der Mischluftzuführungen zu den beiden Austrittsöffnungen für das gasförmige bzw. verdampfte Brennstoff-Luftgemisch des T-förmigen Verdampfers bei.

Infolge dieser Mischluftzufuhr (Wirbel W) können Zonen erhöhter Brennstoffanreicherung im Bereich der Flammrohrrückwand von vornherein ausgeschaltet werden zu Gunsten wiederum verminderter Rußbildung und Abgasverunreinigung.

Die Erfindung zweckmäßig weiterbildend, können die Mischluftzuführungen den Austrittsöffnungen des T-förmigen Verdampferrohrkörpers gegenüberliegend in der Flammrohrrückwand angeordnet sein.

Auf diese Weise kann das Brennstoff-Luftgemisch noch intensiver mit Mischluft angereichert werden.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen beispielhaft weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform der Umkehr-Ringbrennkammer an einem Gasturbinentriebwerk, dessen obere Hälfte als Mittellängsschnitt dargestellt ist,

F i g. 2 die Umkehr-Ringbrennkammer nach F i g. 1 an einem Gasturbinentriebwerk in einer zweiten Ausführungsform, ebenfalls bezüglich der oberen Hälfte als Mittellängsschnitt dargestellt und

F i g. 3 eine zweite Ausführungsform der Umkehr-Ringbrennkammer an einem Gasturbinentriebwerk, welches nach Abbildung und Ausführung demjenigen der F i g. 2 entspricht.

F i g. 1 veranschaulicht ein Gasturbinentriebwerk relativ geringer axialer Baulänge, welches z. B. zur Anwendung als Hubtriebwerk für senkrecht startende oder landende Flugzeuge geeignet sein kann.

Das Gasturbinentriebwerk besteht der Reihe nach — von links nach rechts — aus einem mehrstufigen Axialverdichter 1, einer koaxial zur Triebwerkslängsachse 2 angeordneten Umkehr-Ringbrennkammer 3, die ein im wesentlichen L-förmiges Flammrohr aufweist, und einer einstufig ausgeführten, axial durchströmten Turbine 4. Von dem linksseitig abgebrochen dargestellten Axialverdichter 1 ist hier lediglich ein Verdichterlaufrad 5, welches Laufschaufeln 6 aufweist, mit der Triebwerkswelle 7 verbunden dargestellt. Den Laufschaufeln 6 sind Verdichterleitschaufeln 8, 9 im Strömungskanal 10 vor- bzw. nachgeschaltet.

An einem Fußabschnitt 11 eines ringscheibenförmig ausgebildeten Zwischenbodens 12, an dem die Verdichterleitschaufeln 9 fuBseitig befestigt sind, stützt sich die Triebwerkswelle 7 über ein Kugellager 13 linksseitig ab. Stromab der Umkehr-Ringbrennkammer 3 ist die mit Laufschaufeln 14 versehene Laufradscheibe 15 der Turbine 4 mit der Triebwerkswelle 7 verbunden. In dem im wesentlichen parallel zur Triebwerkslängsachse 2 gerichteten Flammrohrabschnitt der Umkehr-Ringbrennkammer 3 sind deren Gehäuse 16 durchsetzende Vorleitschaufeln 17 der Turbine 4 angeordnet. Den Laufschaufeln 14 der Turbine 4 sind feste Richtschaufeln 18 innerhalb des Turbinenkanals 19 nachgeschaltet und an einem ringscheibenförmig ausgebildeten Stator 20 befestigt, an welchem sich die Triebwerkswelle 7 über ein Rollenlager 21 auf der rechten Seite abstützt.

Die Umkehr-Ringbrennkammer 3 ist mit dem im wesentlichen L-förmigen Flammrohr innerhalb eines ringförmigen Verdichterluft-Sammelgehäuses 22 — zwischen dem Zwischenboden 12 des Axialverdichters 1' und der Laufradscheibe 15 der Turbine 4 — angeordnet. In Betrieb wird das Verdichterluft-Sammelgehäuse 22 mittels komprimierter Luft des Axialverdichters 1 beaufschlagt. Brennstoff v/ird in Pfeilrichtung B über eine oben angebrochen dargestellte Rohrleitung 23, welche durch den Fußabschnitt 11 des Stators 12 hindurchgeführt ist, zugeführt und gelangt, nachdem er zuvor eine abeewinkelt ausgebildete weitere Zuleitung 24

durchströmt h»t, in einen gegenüber dem Verdichterluft-Sammelgehäuse 22 abgedichteten, die Triebwerkswelle 7 umschließenden Ringraum 25. Der Ringraum 25 wird oberseitig von einem mit der Triebwerkswelle 7 verbundenen und koaxial zur Triebwerkslängsachse 2 angeordneten Abspritzdeckel 26 begrenzt.

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerkes wird der Brennstoff aus dem Ringraum 25 über Bohrungen 27 des Abspritzdeckels 26 rotationszerstäubt und dann weiter über eine zentrale öffnung in der Flammrohrrückwand, die zugleich mit der Eintrittsöffnung 28 eines T-förmigen Verdampferrohrkörpers 29 zusammenfällt, diesem zugeführt Der T-förmige Verdampferrohrkörper 29 ist koaxial zur Triebwerkslängsachse 2 angeordnet

Der bereits fein zerstäubte Brennstoff schlägt sich dabei an den inneren Wandungen des T-förmigen Verdampferrohrkörpers 29 nieder, wo er infolge der in der Umkehr-Ringbrennkammer 3 herrschenden Verbrennungswärme in einen dampfförmigen Zustand aufbereitet wird.

Aus dem Verdichterluft-Sammelgehäuse 22 unter relativ hohem Druck ebenfalls über die Eintrittsöffnung 28 des Verdampferrohrkörpers 29 zugeführte Verdichterluft vermischt sich dabei innig mit dem zunächst fein zerstäubt zugeführten und später im T-förmigen Verdampferrohrkörper 29 verdampfenden Brennstoff.

Aus den gegen die Flammrohrrückwand 30 gerichteten konzentrischen Austrittsöffnungen 31,32 des koaxial zur Triebwerkslängsachse 2 angeordneten Verdampferrohrkörpers 29 tritt somit ein intensiv für die sofortige Einleitung des Verbrennungsprozesses aufbereitetes Brennstoff-Luftgemisch aus, welches dabei zusätzlich mit Verdichterluft aus dem Verdichterluft-Sammelgehäuse 22 angereichert wird, die über seitlich der zentralen öffnung der Flammrohrrückwand bzw. seitlich der Eintrittsöffnung 28 des Verdampferrohrkörpers 29 angeordnete Luftzuführungen 33,34 in die Umkehr-Ringbrennkammer 3 gelangt und - gemäß Pfeilrichtung F — von den nach innen abgekröpften Enden 35, 36 des Verdampferrohrkörpers 29 in die Richtung der aus den konzentrischen Austrittsöffnungen 31, 32 entweichenden Brennstoff-Luftanteile abgelenkt wird und sich mit diesen vermischt

Die durch die beschriebene Brennstoff-Luftzuführung im Bereich der Flammrohrrückwand 30 entstehenden Wirbelzonen W tragen dazu bei, daß sich keine nennenswerte Rußbildung durch Kraftstoffablagerungen an der Hammrohrrückwand 30 einstellen kann.

Stromab des Verdampferrohrkörpers 29 wird dem in der vorstehend geschilderten Weise aufbereiteten Brennstoff-Luftgemisch weitere Mischluft über Leitbzw. Wirbeleinrichtungen 37 des Brennkammergehäuses 16 zugeführt (Pfeile G). Ein Teil dieser Mischluft kann zur Kühlung der Brennkammerwandungen verwendet werden (Pfeile K).

Die in Pfeilrichtung F zugeführte Mischluft erzeugt rotationssymmetrische Wirbelzonen Z unter inniger Vermischung mit dem über den Verdampferrohrkörper 29 zugeführten, bereits intensiv aufbereiteten Brennstoff-Luftgemisch.

Nach Zündung des in der genannten Weise zugeführten und aufbereiteten Brennstoff-Luftgemisches kann somit ein hoher Ausbrenngrad und eine gewünschte breite, rotationssymmetrische Flammenfront erzielt werden, welche unmittelbar stromab des Verdampferrohrkörpers 29 ihren Anfang nehmen soll.

F i g. 2 erläutert die Anwendung der Umkehr-Ringbrennkammer 3 nach F i g. 1 bei einem Gasturbinentriebwerk, das einen einstufigen Radialverdichter 38 aufweist, wobei die Radialverdichterlaufschaufeln 39 über ein Laufrad 40 mit der Triebwerkswelle 7 verbunden sind. Den Radialverdichterschaufeln 39 ist ein fester Satz Leitschaufeln 41 nachgeschaltet, über welche die Verdichterluft weiter über eine sogenannte Eintrittsspirale 42 dem Verdichterluft-Sammelgehäuse 22 zugeführt wird.

Eine derartige Triebwerksausführung ist besonders im Hinblick auf ein flach bauendes Hubtriebwerk vorteilhaft

F i g. 3 veranschaulicht eine gegenüber F i g. 1 weiter abgewandelte Umkehr-Ringbrennkammer 57 für ein Gasturbinentriebwerk nach F i g. 2, wobei für unverändert gebliebene Einzelheiten gleiche Bezugszeichen der Triebwerke nach F i g. 1 und 2 gewählt sind.
Abweichend von dem T-förmigen Verdampferrohrkörper 29 nach F i g. 1 und 2, sind bei dem T-förmigen Verdampferrohrkörper 43 nach F i g. 3 die Austrittsöffnungen 44, 45 der Mischluftzuführungen 46, 47 den Austrittsöffnungen 48,49 des T-förmigen Verdampferrohrkörpers 43 gegenüberliegend angeordnet. Infolge Zusammentreffens des aus den Austrittsöffnungen 48, 49 entweichenden Brennstoff-Luftgemisches mit der über die Austrittsöffnungen 44, 45 zugeführten Mischluft entstehen Zonen relativ hoher Turbulenz, wodurch das Brennstoff-Luftgemisch intensiv mit Zusatzluft angereichert werden kann und weiter Kraftstoffüberschüsse bzw. -ablagerungen an der Flammrohrrückwand beseitigt werden sollen. Weiterhin ergibt sich durch die weich geschwungene Ausführung der Zuströmkanten 50,51 als Bestandteil der Flammrohrrückwand im Bereich der Eintrittsöffnung 52 des Verdampferrohrkörpers 43 eine strömungsgerechte Zuführung der Primärluft, wodurch wiederum der Grad der Durchmischung des Brennstoffs mit der Primärluft verbessert werden kann.

Mit 53, 54 bzw. 55, 56 bezeichnete Richtschaufeln können mit solchen Anstellwinkeln angeordnet sein daß dem aus den Austrittsöffnungen 48, 49 des Verdampferrohrkörpers 43 entweichenden Brennstoff-Luftgemisch bzw. der über die Austrittsöffnungen 44 45 der Umkehr-Ringbrennkammer 57 zuführbarer Mischluft ein zusätzlicher Drall vermittelt und damii der Durchmischungsgrad erhöht wird.

Stromab des Verdampferrohrkörpers 43 kann weite re Mischluft (Pfeile M) über seitliche Mischluftzufüh rangen 58, 59 unter Drall (Pfeile D) in die Umkehr Ringbrennkammer 57 eingeführt werden.

Im Interesse einer gleichmäßigen, breiten und rotationssyir.metrischen Flammenfront sind die jeweiliger Austrittsöffnungen 44,45 bzw. 48,49 als konzentrische ringförmige öffnungen ausgebildet

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Umkehr-Ringbrennkammer für Gasturbinentriebwerke, mit einem Flammrohr, das — im Radialschnitt gesehen — im wesentlichen L-förmig innerhalb eines zwischen Verdichter und Turbine des Triebwerks befindlichen ringförmigen Verdichterluft-Sammelgehäuses angeordnet und von diesem aus mittels Verbrennungs- und Mischluft versorgbar ist, wobei die Flammrohrrückwand der Triebwerkswelle zugekehrt ist und eine zentrale öffnung sowohl für die Zufuhr infolge Rotation der Triebwerkswelle zerstäubten Brennstoffs als auch für die Zufuhr von Verbrennungsluft aufweist und wobei die Flammrohrrückwand weiter mit seitlich dieser zentralen öffnung angeordneten Luftzuführungen versehen ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Umkehr-Ringbrennkammer (3) weist in an sich bekannter Weise einen T-förmigen, in den stromaufwärtigen Bereich des Flammrohrs hineinragenden Verdampferrohrkörper (29) mit gegen die Flammrohrrückwand (30) gerichteten Austrittsöffnungen (31) auf;

b) der Verdampferrohrkörper (29) ist koaxial zur Triebwerkslängsachse (2) angeordnet mit dementsprechend konzentrischen Austrittsöffnungen (31, 32) sowie einer konzentrischen, zugleich mit der zentralen öffnung in der Flammrohrrückwand (30) kontinuierlich fluchtenden Entrittsöffnung (28);

c) die seitlich der zentralen öffnung der Flammrohrrückwand (30) bzw. seitlich der Eintrittsöffnung (28) des Verdampferrohrkörpers (29) angeordneten Luftzuführungen (33, 34) sind den beiden konzentrischen Austrittsöffnungen (31, 32) des Verdampferrohrkörpers in der Weise zugeordnet, daß zwischen diesen und der Flammrohrrückwand (30) mit Mischluft angereicherte konzentrische Wirbelzonen (W) des aufbereitet zugeführten Brennstoff-Luftgemisches entstehen.

2. Umkehr-Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischluftzuführungen (46, 47) den Austrittsöffnungen (48, 49) des T-förmigen Verdampferrohrkörpers (43) gegenüberliegend in der Flammrohrrückwand angeordnet sind.