DE2245464C2 - Brennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Eine solche Brennkammer ist aus der DE-OS 23 275 bekannt. Bei dieser Brennkammer prallt die aus der Einspritzvorrichtung austretende Flamme voll auf eine lokalisierte Zone auf der Innenseite der vorderen Begrenzungswand auf. Hierdurch wird die vordere Begrenzungswand örtlich überhitzt. Zur Kuhlung der vorderen Begrenzungswand wird Luft vom Verdichter abgezweigt und durch Kanäle auf der Außenseite der vorderen Begrenzungswand entlang geführt. Hierdurch wird die vordere Begrenzungswand an ihrer Außenseite im wesentlichen gleichmäßig so gekühlt. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, läßt sich aufj diese Weise die örtliche Überhitzung nur unzureichend kompensieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der aus der DE-OS 19 23 275 bekannten Gattung so weiterzubilden, daß die vordere Begrenzungswand im Bereich der örtlichen Überhitzung besser gekühlt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennkammer mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs gelöst.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung wird die der Innenseite gegenüberliegende Außenseite der vorderen Begrenzungswand in zwei Bereiche unterteilt, fts und zwar in eine zentrale Stauzone, auf die die Kühlluft unter im wesentlichen rechtem Winkel voll aufprallt, und einen die Stauzone umgebenden Bereich, in dem die Kühlluft an der Wandfläche lediglich entlangströmt. Hierdurch ergibt sich eine bessere Kompensation der durch die Flamme hervorgerufenen örtlichen Überhitzung.

Anhand der Zeichnungen werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine Brennkammer;

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Teil der Br ?nnkammer in Blickrichtung des Pfeils II in F i g. I;

Fig.3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig.2;

Fig.4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in F ig. 3;

Fig.5 einen Querschnitt längs der Linie V-V in Fig.3;

Fig.6 eine der Fig.3 entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Brennkammer;

Fi g. 7 eine Ansicht in Blickrichtung der Pfeile VII-VII in F i g. 6.

Die F i g. 2,4 und 7 haben einen kleineren Maßstab als dieF'ig. I,3,5und6.

Die in den Figuren dargestellte Brennkammer 1, die beispielsweise Teil eines Gasturbinentriebwerks, insbesondere eines Strahltriebwerks, bildet, ist als Ringbrennkammer mit der Achse X'-X ausgebildet, die von zwei koaxialen Gehäuses 2a, 2b begrenzt wird.

Die beiden Gehäuse 2a, b bilden gemeinsam einen Ringraum, der mittels zweier koaxial zu den Gehäusen angeordneten ringförmiger Wände 3a,' 3b in drei Ringräume 4, 5, 6 unterteilt ist. Der Ringraum 4 bildet den eigentlichen Verbrennungsraum. Der Verbrennungsraum wird in seinem stromaufwärtigen Abschnitt

— bezogen auf die allgemeine Strömungsrichtung der Verbrennungsgase in diesem Raum (Pfeil C in Fig. 1)

— von einer etwa ringförmigen vorderen Begrenzungswand 7 begrenzt, die die hinlere Stirnwand dieses Raumes bildet und Teil der sogenannten» Haube« des Verbrennungsraumes ist.

Die Begrenzungswand 7 weist emc in das Innere des Verbrennungsraumes gerichtete Innenseite 7a und eine nach außen gerichtete Außenseite Tb auf. Die Begrenzungswand 7 ist aus mehreren unabhängigen Wandplatten 8 zusammengesetzt (F i g. 2). die jeweils von einem ringförmigen Segment gebildet werden. Die ringförmigen Segmente sind mit einer Hülse 9 verbunden, die eine Bohrung 10 aufweist.

Die» Haube« weist einen ringförmigen Profilabschnitt 11 auf, an d?m außerhalb des Verbrennungsraumes 4 eine in Segmente unterteilte Hilfswand 12 befestigt ist, die insbesondere zum Abstützen der vorderen Begrenzungswand 7 (mittels nicht dargestellter Mittel) dient.

Die Hilfswand 12 und die vordere Begrenzungswand 7 begrenzen gemeinsam eine ringförmige Hilfskammer 13. In der gleichen Weise bilden die Hilfswand 12 und der Profilabschnitt 11 gemeinsam einen Ringraum 14, der über eine Reihe von Öffnungen 15 mit einer Luftquelle in Verbindung steht, und zwar mit einem Kanal 16, der beispielsweise von einem Verdichter (nicht gezeigt) mit Luft versorgt wird. Die Ringräume 5 und 6 werden ebenfalls über den Kanal 16 mit Luft versorgt und stehen mit dem Verbrennungsraum 4 über Öffnungen 17a, YIb, 18a, 18t in Verbindung.

Die Hilfswand 12 ist mit mehreren Öffnungen 19 versehen, die jeweils in der Verlängerung der Bohrungen 10 angeordnet sind, derart, daß Vorverdampfer 20 zum Verdampfen flüssigen Brennstoffs

eingebaut werden können.

Jeder Vor/erdampfer 20 weist ein Hohlgebilde auf, das von der vorderen Begrenzungswand 7 in den Verbrennungsraum 4 vorsteht Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiiil wird dieses Hohlgebilde von einem etwa T-förmigen Leitungskörper gebildet, der einen Rohrkörper 21 aufweist, der sich in zwei Querarme 22, 23 verzweigt Der Rohrkörper 21 verläuft im wesentlichen parallel zur Brennkammerachse X'-X, und er weist einen Einlaßalischnitt 24 auf, durch den er in die Bohrung 10 der Hülse 9 und in eine Öffnung 19 der Hilfswand 12 eingesetzt ist Dieser Einlaßabschnitt 24 ist über eine Leitung 25 mit einer Brennstoffquelle 26 zum Zuführen flüssigen Brennstoffs verbunden. Er ist ferner über den Ringraum 14 und Öffnungen 15 mit der Luftquelle 16 verbunden. Jeder der Querarme 22, 23 weist einen AuslalJabschnitt 27, 28 auf, der in einer gegen die Innenseite 7a der Begrenzungswand 7 gerichteten Auslaßöffnung 29, 30 endet Mit dem Bezugszeichen B wurden diejenigen Bereiche der Innenseite bezeichnet, die den Auslaßöffnungen gegenüberliegen.

Im Betrieb tritt aus der Brennstofüjuelle 26 kommender flüssiger Brennstoff gleichzeitig mit der Primärluft f\ von der Luftquelle 16 in die Vorverdampfer 20 ein. deren Wände auf ihrer Außenseite der Wirkung der Flamme ausgesetzt sind. Jeder der Vorverdampfer 20 wird somit von einem Gemisch aus Luft und Brennstoff durchströmt, das sich bei Austritt aus den Auslaßöffnungen 29, 30 entzündet, um in der Anfangsphase der Verbrennung Gasstrahlen A (F i g. 1 und 3) zu bilden, die gegen die Innenseite la der vorderen Begrenzungswand 7 gerichtet sind.

Die öffnungen 17a. 17b erlauben die Bildung zweier Gruppen von im wesentlichen radial und entgegengesetzt ge^richteter Sekundärluftstrahlen /j, die sich im Bereich der Auslaßöffnungen 29,30 treffen. Ein Teil der Sekundärluftmenge /j strömt entgegen der allgemeinen Strömungsrichtung zurück — hierbei unterstützt von den in der gleichen Richtung strömenden Gasstrahlen A — derart, üaß im Nachbarbereich der» Haube« eine Wirbelzone zur Stabilisierung und Aufrechterhaltung der Verbrennung hervorgerufen wird, während der andere Teil der Sekundärluftmenge unmittelbar stromabwärts in Richtung des Pfeils C, beispielsweise zu einer Turbine (nich t gezeigt) strömt.

Berücksichtigt man, daß die Mengen des in den Gasstrahlen A enthaltenen Sauerstoffs und Brennstoffe ein Verhältnis in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses annehmen können, so kann die Temperatür dieser Gasstrahlen sehr hohe Werte annehmen, beispielsweise in der Größenordnung von 2000"C. Dies hat zur Folge, dalß die vordere Begrenzungswand 7 erheblichen thermischen Spannungen ausgesetzt ist, und zwar insbesondere in den Bereichen öder Innenseite 7a der Begrenzungswand, in denen die Gasstrahlen A unmittelbar auf die Begrenzungswand auftreffen und die im folgenden als» heiße Stauzonen B« bezeichnet werden.

Um den thermischen Schutz der Begrenzungswand zu erhöhen und die Gefahr einer Überhitzung zu verringern, werden besondere Maßnahmen getroffen, um auf die Begrenzungswand — durch Konvektion und Stauwirkung — eine besonders wirksame Kühlwirkung auszuüben.

Zu diesem Zweck ist die vordere Begrenzungswand 7 auf ihrer Außenseite 7b, zumindest gegenüber der heißen Stauzone B, mit Kühlrippen 31 versehen, die mit einem Kühlmittel zusammenwirken. Die Kühlrippen — die beispielsweise aus dem Vollen gearbeitet sind (vgl. F i g. 3) — 'erstrecken sich vorteilhafterweise über die gesamte radiale Höhe der Begrenzungswand 7 (vgl. F i g. 2 und 5) und stehen in die Hilfskammer 13 vor.

Die Hilfskammer 13 ist mit einer KühJmittelquelle — beispielsweise der Luftquelle 16 — über öffnungen 32 (Fig. 1 —5) bzw. 132 (Fi g. 6 und 7) verbunden, die die Hilfswand 12 durchdringen. Die öffnungen 32 (132) sind jeweils gegen die Außenseite Ib der vorderen Begrenzungswand 7 gerichtet, und sie stoßen somit jeweils einen Kühlmittelstrahl C (beispielsweise einen Luftstrahl) aus, der gegen einen — mit den Kühlrippen 31 versehenen Bereich D der Außenseite gerchtet ist. Jede der Bereiche D bildet somit eine» kalte Stauzone«, und die Anordnung und Dimensionierung der Öffnungen 32 (132) sind so gewählt daß jede» kalte Stauzone« D einer» heißen Stauzone« Bgegenüber angeordnet ist Wie in Fig. 1 und 5 gezeigt, steht die Hilfskammer 13 mit dem Verbrennungsraum 4 über Auslaßschlitze 33 in Verbindung.

Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1—5 und das Ausführungsbeispiel nach den F i g. 6 und 7 unterscheiden sich allein durch die Anzahl und Dimensionierung der Öffnungen für die Kühlmittel, die einer Stauzone D gegenüber angeordnet sind: Im einen Fall ist eine einzige öffnung 32 großen Querschnitts und im uideren Fall sind mehrere öffnungen 132 kleinen Querschnitts vorgesehen.

.in Betrieb treffen zunächst die Luftstrahlen C (oder Strahlen aus einem anderen Kühlmittel) auf die Stauzonen D auf, die gegenüber den Stauzonen B angeordnet sind, auf die die Gasstrahlen A auftreffen. Das Kühlmitte! strömt dann an den Kühlrippen 31 entlang und tritt durch die Auslaßöffnungen 33 in den Verbrennungsraum 4 aus. Auf diese Weise wird ein Wärmeaustausch durch Konvekiion erzielt, der besonders wirksam ist. da er — in den den Heißgasen am meisten ausgesetzten Stauzonen B, D — durch einen Staueffekt verdoppelt wird. Die durch das Kühlmittel entnommene Wärmeenergie wird im übrigen wieder in den Verbrennungsraum 4 zurückgeführt, und sie ist somit nicht verloren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brennkammer, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, mit einer vorderen Begrenzungswand in ihrem stromaufwärtigen Bereich deren Innenseite den hohen Temperaturen des Verbrennungsraumes ausgesetzt ist und deren Außenseite durch Kühlluft gekühlt wird, die von einer Luftquelle, insbesondere dem Verdichter des Gasturbinentriebwerks, kommt, und mit einer in der Brennkammer angeordneten Einspritzvorrichtung, die ein Brennstoff-Luft-Gemisch unter im wesentlichen rechtem Winkel gegen die Innenseite der vorderen Begrenzungswand richtet, wobei die dem Auslaß der Einspritzvorrichtung gegenüberliegende, der Flamme unmittelbar· ausgesetzte räumlich begrenzte Stauzone von einem der Flamme nicht direkt ausgesetzten Bereich der Begrenzungswand umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer stromauf der Begrenzup£swand (7) mit Abstand angeordneten Hilfswand (12) mehrere Öffnungen (32, 132) zur Kühlluftzufuhr gegenüber der heißen Stauzone (B) derart angeordnet sind, daß die Kühlluft unter einem im wesentlichen rechten Winkel gegen eine Stauzone (D) an der Außenseite der Begrenzungswand gerichtet wird, so daß die auf der Innenseite der Begrenzungswand gegenüberliegende heiße Stauzone (B) stärker als der sie umgebende Außenbereich gekühlt wird.

2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Außenseite der Begrenzungswand befindliche Stauzone (D) mit Kühlrippen (31) versehen ist.