DE2217926C3 - Brennkammer für eine Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbinenanlage.

Untersuchungen in jüngster Zeit haben gezeigt, daß das Verhältnis bestimmter unerwünschter Bestandteile, wie beispielsweise Stickstoffoxide in Maschinenauspuffgasen sowohl mil der Temperatur als auch der Zeit des tatsächlichen Verbrennungsprozesses zunimmt. Diese Faktoren verringern jedoch den Anteil bestimmter anderer unerwünschter Bestandteile und erhöhen die Gesamtverbrennungsleisturig, und Autoingenieure haben beträchtliche Bemühungen bei einem Versuch aufgewendet, einen zufriedenstellenden Ausgleich dieser widersprechenden Überlegungen herbeizuführen.

Es ist bereits eine Brennkammeranordnung für eine Gasturbinenanlage bekannt, die eine zylinderförmig gestaltete Vorbrennkammer aufweist, deren Innenraum über mehrere öffnungen im Boden der Kammer mit dem Flammrohr verbunden ist. Durch eine derartige Anordnung wird die erfindungsgemäß gewährleistete gleichmäßige Zufuhr von Brennstoff und Luft unter Verbesserung des Verbrennungsprozesses und Verringerung von Abgasen nicht erreicht. Auch wurden bereits Brennkammeranordnungen beschrieben, deren zylinderförmige Brennkammer mit feuerbeständigem Material ausgekleidet ist. Eine andere bekannte Anordnung zeigt eine aus halbkugelförmigem Ober- und Unterteil mit dazwischenliegender ringförmiger öffnung bestehende Verbrennungsvorrichtung, die gleichfalls nicht die aufgrund der erfindungsgemäßen speziellen Brennstoff- und Luftzufuhreinrichtungen erzielbare optimale Verbrennung unter Ausschaltung unerwünschter Abgase ergibt. Feiner ist eine Brennkammeranordnung bekannt, bei der die Brennkammer von einem mit öffnungen versehenen Rohr durchkreuz! wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde durch eine spezielle Gestallung der Brennkammeranordnung eine Gleichmäßigere Verteilung der Zufuhr des Brennstoff. I ufieemisches zu ermöglichen, damit die Verbrennung zu intensivieren und den Gehalt απ unerwünschten Sofien in den Abgasen zu verringern. _

*Die Erfindung liefert eine Brenmcammer lur eine Gasturbinenanlage, welche die Brennleistung unter Herabsetzung unerwünschter Bestandteile in den Auspuffgasen aufs äußerste steigert.

Gegenstand der Erfindung ist eine Brennkammer für ίο eine Gasturbinenanlage mit einem Flammrohr mit einem Einlaß für Sekundärluft in das Flammrohrinnere und einem Auslaß für Verbrennungsgase, einer innerhalb des Flammrohrs angeordneten Vorbrennkammer, die eine Vielzahl von öffnungen aufweist, welche das Innere der Vorbrennkammer mit dem Inneren des Flammrohrs verbinden, rr.it einer Einrichtung zur Zufuhr von Brennstoff und Luft in das Innere der Vorbrennkammer und mit einer innerhalb der Vorbrennkammer angeordneten Zündeinrichtung, die dadurch gekennzeichnet, ist, daß die Vorbrennkammer kugelförmig ausgebildet ist und die Brennstoff- und Luftzufuhreinrichtung ein Rohr aufweist, das sich durch die Vorbrennkammer praktisch auf einem Durchmesser der Vorbrennkammer erstreckt, wobei das Rohr einen is im Mittelteil der Vorbrennkammer befindlicl.cn kugelförmig erweiterten Teil mit einer Vielzahl von Öffnungen aufweist, durch die ein von beiden Seilen durch das Rohr herangeführtes Brennstoff- Luftgemisch der Vorbrennkammer zugeführt wird. Das Brennstoff-Luftgemisch verbrennt mit hoher Intensität innerhalb der Vorbrennkammer, und die Verbrennungsprodukte wandern radial durch die Öffnungen der Wand in das Flammrohr, wo die Verbrennungsprodukie mit Sekundärluft vermischt werden. Durch die kurze Verweilzeit bei dem tatsächlichen Verbrennungsprozeß werden die Brennerleistung verbessert und unerwünschte Abgasabgaben verringert. Nach Austrill aus dem Flammrohr strömt das Gemisch zu anderen Moiorbesiandteilen. wie beispielsweise das Turbinenrad.

Die erfindungsgemäße Vorbrennkammer von kugelförmiger Gestalt erzeugt eine hohe Gesamiverbrennungsleistung und einen geringen Anteil an unerwünschten Abgabematerialien. Eine große Anzahl kleiner öffnungen ist in der Wand der kugelförmigen Vorbrennkammer gleichmäßig im Abstand angeordnet. um Verbrennungsprodukte in das äußere Flammrohr zu leiten. Die Vorbrennkammer kann aus einem keramischen Material, z.B. Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, glaskeramischen Stoffen u.dgl. oder aus anderen hochtemperaturbeständigen Materialien hergestellt sein. Durch Luft, Brennstoff oder andere Techniken gekühlte Metall können bei bestimmten Anwendungen geeignet sein.

Poröse Materialien, bei denen die Notwendigkeit für einen Teil oder sämtliche der kleinen öffnungen entfällt, können auch verwendet werden. Die Größe und Anzahl der Löcher oder der Grad der Porosität muß gewöhnlich empirisch in Abhängigkeit von der Motorgröße, der Brennstoffart und der maximalen Abgabeleistung ermittelt werden.

Ein sich durch die Vorbrennkammer praktisch über einen Durchmesser davon erstreckendes Rohr besitzt eine Vielzahl von öffnungen, die mit dem Inneren der kugelförmigen Vorbrennkammer in Verbindung stehen. Brennstoff und Luft werden zu dem Rohr zugeführt, das wiederum das Brennstoff-Luftgemisch der kugelförmigen Vorbrennkammer zuführt. Eine Zündvorrichtung

erstreckt sich in die Vorbrennkammer, um das Brennstoff- l.uftgemisch. wenn dieses das Rohr verläßt, zu zünden. Der Rohrdurchniesser wird verringert, indem sich das Rohr vollständig dfrch die innere Kammer erstreckt und Brennstoff und Luft beiden Enden des Rohres zuführt. Der Zwntralteil des Rohres ist vorzugsweise vergrößert, und die Locher sind darin angeordnet, um die Brennstoff- Lufivereilung zu verbessern.

Die Ze^;ihnung stellt einen Querschnitt einer Anordnung einer Brennkammer gemäß de^r Erfindung dar, welche das Brennstoff- und Luftzufuhrrohr, die Zündvorrichtung und die Beziehung einer kugelförmigen Vorbrennkammer zu dem Flammrohr wiedergibt. Verstrebungen für die Vorbrennkammer wurden zur Klarheit von der Zeichnung weggelassen.

In der Zeichnung umfaßt ein Flammrohr 10 einen halbkugelförmigen Vorderteil 12, der mit dem Ende eines zylindrischen Teils 14 in Verbindung steht. Das «ndere Ende des zylindrischen Teils 14 ist offen, um einen Auslaß 16 für die V'erbrennungsproduktc zu ergeben. Auslaß 16 steht in Verbindung nut den Motorturbinenrädern (nicht gezeigt). Eine Mehrzahl von Einlaßöffnungen 18 sind sowohl in dem halbkugelformigen Teil als auch dem z\lmdrischen Teil des Flammrohrs 10 für den Eintritt von Luft in das Innere des Gehäuses 10 ausgebildet.

Eine kugelförmige Vorbrennkammer 20 befindet sich innerhalb des Flammrohrs 10 in Nähe des vorderen Endes. Die Vorbrennkammer 20 besitzt eine Vielzahl kleiner Öffnungen 22 in ihrer kugelförmigen Wand, welche das Innere der Vorbrennkammer mit dem Inneren des Flammrohrs 10 verbindet Die Vorbrennkammer 20 ist aus einem undurchlässigen keramischen Siliciumnitrid-Material gefertigt.

Ein Rohr 24 erstreckt sich vollständig durch die Vorbrennkammer 20 praktisch auf einem Durchmesser derselben. Der Teil des Rohrs 24 in dem Mittelpunkt der Vorbrennkammer 20 ist zu einer kugelförmigen Gestalt 25 vergrößert, die eine Vielzahl kleiner öffnungen 26 enthält, die das Innere des Rohrs mit dem Inneren der Vorbrennkammer verbinden. Das Rohr 24 kann aus rostfreiem Stahl oder aus anderen hochtemperauirbeständigen Materialien hergestellt sein und kann gegebenenfalls die gesamte Stütze für die Vorbrennkammer 20 liefern. Andererseits können auch Abstützungen oder Verstrebungen zur Abstützung der Vorbrennkammer vorgesehen sein, welche die Vorbrennkammer mit dem Flammrohr 10 verbinden. Eine Zündvorrichtung 30 erstreckt sich in die Vorbrennkammer 20 praktisch in einem rechten Winkel zu dem Rohr

24. Die Zündvorrichtung 3C ist in typischer Weise eine elektrische Zündvorrichtung, und deren Kontakte befinden sich im Inneren der Vorbrennkammer 20.

Während des Betriebs werden Brennstoff und Luft durch beide Seiten des Rohrs 24 in das Innere der

ίο Vorbrennkammer 20 eingeführt. Die Zündvorrichtung 30 liefen die anfängliche Zündenergie zur Zündung des Brennstoff-Luftgemisches in der Vorbrennkammer. Das Geniisch brennt weiter, wenn es rasch aus den Öffnungen 26 strömt, und aufgrund der von der Wand der Vorbrennkammer gelieferten intensiven Wärmekonzentratiori ist das Gemisch zu dem Zeitpunkt, da es die Wand der Vorbrennkammer 20 erreicht, vollständig verbrannt. Wenn die Verbrennungsprodukte durch die Öffnungen 22 strömen, vermischt sich damit Sekundärluft, die in das Innere des Flammrohrs 10 durch die Öffnungen 18 eingeführt wird, um die Verbrennungsprodukt unter die Temperatur, bei der unerwünschte Bestandteile, wie beispielsweise Stickstoffoxide gebildet uerden, abzukühlen. Das erhaltene Gemisch strömt aus den? Auslaß 16 in üblicher Weise zu der Motonurbine.

Zur Erläuterung sei gesagt, daß eine Vorbrennk.tmmer mit einem äußeren Durchmesser von 78 mm und einer Wandstärke von 2.5 mm 9b darin im Abstand voneinander befindliche Öffnungen von b.J mm aufweist. Das Rohr 24 besitzt einen äußeren Durchmesser von 13 mm und eine Wandstärke um 0.8! mir. Der kugelförmige Teil 25 des Rohrs weis,! einen Durchmesser von 20 mm auf und enthält 40 Öffnungen mit einem Durchmesser von 1.5 mm. Die Kammer arbeitet in wirksamer Weise in einem Gasturbinenmotor. der auf 210 PS bemessen ist.

Eine große Füllkammer kann gegebenenfalls .ils Flammrohr verwendet werden. Das Brennstoff-I uftzu fuhrrohr kann sich nur von einer Seite iu die Vorbrennkammer erstrecken.

Die Erfindung liefert somit eine Vorbrennkammer fur einen Turbinenmolor, der mit hoher Wirksamkeit arbeitet und unerwünschte Stoffe, wie beispielsweise Stickstoffoxide in dessen Abgasen auf ein Minimum herabsetzt. Die Abgase sind auch talsächlich frei son unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Rauch wegen der äußerst intensiven Verbrennung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brennkammer für eine Gasturbinenanlage mit einem Flammrohr mit einem Einlaß für Sekundärluft in das Flammrohrinnere und einem Auslaß für Verbrennungsgase, einer innerhalb des Flammrohrs angeordneten Vorbrennkammer, die eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, welche das Innere der Vorbrennkammer mit dem Inneren des Flammrohrs verbinden, mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Brennstoff und Luft in das Innere der Vorbrennkammer und mit einer innerhalb der Vorbrennkammer angeordneten Zündeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbrennkammer (20) kugelförmig ausgebildet ist und die Brennstoff- und Luftzufuhreinrichtung ein Rohr (24) aufweist, das sich durch die Vorbrennkammer praktisch auf einem Durchmesser der Vorbrennkammer erstreckt, wobei das Rohr einen im Mittelteil der Vorbrennkammer (20) befindlichen kugelförmig erweiterten Teil (25) mit einer Vielzahl von Öffnungen (26) aulweist, durch die ein von beiden Seiten durch das Rohr herangeführtes Brennstoff-Luftgemisch der Vorbrennkammer zugeführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbrennkammer (20) aus einem porösen keramischen Material besteht.