DE2253843A1

DE2253843A1 - Flammrohr fuer die brennkammer eines gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE2253843A1
Application number: DE19722253843
Authority: DE
Inventors: Robert Noel Penny
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-11-05
Filing date: 1972-11-03
Publication date: 1973-05-10
Also published as: FR2158572A1; IT975453B; BE790956A; FR2158572B3; JPS4854308A; GB1377648A; CA959661A; CH559883A5; NL7214895A; AU4840172A; AU463411B2; CH559882A5

Description

DIPL.-ING. HARRO GRALFS PATENTANWALT

Robert Hoe! Penny
12, Alderbrook Road
3olihull

Warwickshire/England

33 BRAUNSCHWEIG

AM BORGERPARK S TELEFON (0531) 74798

1. November 1972 Al/1s - P 1032

Flammrohr für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks

Die Erfindung bezieht sieh auf ein !Flammrohr für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks und betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, ein Flammrohr, das sehr hohen Betriebstemperaturen widerstehen kann, beispielsweise !Temperaturen in der Größenordnung von 900° bis 4-00O⁰C.

Ein übliches, luftgekühltes, aus Blech aufgebautes Flammrohr ist für de?i Dauerbetrieb bei solchen hohen Temperaturen nicht geeignet. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Flammrohr, daü verbesserte Uiirmeisoliereigenschaften aufweist.

Es sind boreibs verschiedene Anordnungen bekannt, um eine Luftkühlung von Flammrohren zu bewirken; jedoch kann die LuftkÜhlun ■■ allein db Wandbemperatur bei Dauerbetrieb mit solchen

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Temperaturen nicht in genügendem Ausmaß verringern. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist daher ein Flammrohr, das verbesserte Kühlmöglichkeiten besitzt.

Ein weiterer Nachteil der üblichen luftgekühlten, aus Blech aufgebauten Flammrohre aus Metall liegt darin, daß es keine einfache Möglichkeit gibt, den Kraftstoff unter Beibehaltung eines genauen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses genau zuzumessen und zu verteilen. Daher kann eine unvollständige Verbrennung erhalten werden, die zu einer Verschmutzung der Abgase führt. Wenn ein Gasturbinentriebwerk in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden soll, kann es vorkommen, daß die Abgas emission nicht den gesetzlichen Bedingungen für saubere Abgase entspricht. Bin weiteres Ziel der Erfindung liegt daher darin, Einrichtungen zu schaffen, mit denen das Kraftstoff-Luft-Verhältnis leichter eingestellt werden kann.

In einer Hinsicht wird durch die vorliegende Erfindung ein flammrohr für eine Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks geschaffen, das eine Umfangswandung aufweist, welche durch ein zylindrisches Wandteil dargestellt wird, und wobei ©ine Masse aus einem porösen, hitzebeständigen Material vorgesehen ist, die einstückig mit der Innenfläche des zylindrischen Wandteils verbundtn ist oder in der Nähe dieser Wand gehalten wird.

In anderer Hinsicht schafft die Erfindung ein Flammrohr für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, das eine Umfangswand aufweist, die durch awei koaxiale Wandteile dargestellt wird, welche zur Bildung eine» Hingraums im Abstand voneinander angeordnet sind, wobei dann eine Einlage in der Gestalt oinor Masse aus einem porösen, hitzebeständigen Material vorgesehen ist, die den Ringraum im wesentlichen ausfüllt.

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Die Einlage ist zweckmäßigerweise mit dem inneren und dem äußeren Wandteil verbunden, wodurch eine zusammengesetzte Wandung gebildet wird, die dem Flammrohr Steifigkeit verläht.

Das poröse, hitzebeständige Material kann eine im wesentlichen starre, schwammartige Form besitzen und zum Beispiel Metall oder ein keramisches Material oder ein keramikähnliches Material sein, wie beispielsweise Siliziumnitrid.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das innenliegende Wandteil porös sein oder eine Vielzahl von kleinen Löchern aufweisen, wobei weiterhin der Ringraum einen Einlaß aufweist, durch den ein Sauerstoffträger (z.B. Luft), Kraftstoff odör ein Gemisch aus Sauerstoffträger und Kraftstoff in den Ringraum und durch das Material der Einlage sowie durch die Poren oder Löcher in der innenliegenden Wand in das Innere des Flammrohrs gelangen kann.

Der Durchfluß des Sauerstoffträgers, beispielsweise von Luft, des Kraftstoffs oder eines Gemisches aus Sauerstoffträger und Kraftstoff durch die Zwischenräume in der Einlage und durch die Poren oder Löcher in der Innenwand dient dazu, die Umfangswand des Flammrohrs zu kühlen. Das Kühlmittel, d,h. der Sauerstoffträger, der Kraftstoff oder das Gemisch breitet sieh infolge der Einlage im Ringraum :aus, bevor es durch die Poren oder Löcher in der Innenwand austritt. Die Zwischenräume in der Einlage können in der Weise abgestuft ausgebildet sein, daß eine erwünschte zunehmende Durchsatzmenge in der Nähe der Innenwand erzielt wird. Wenn flüssiger Kraftstoff als Kühlmittel verwendet wird und die Innenwand porös ausgebildet ist, können Einrichtungen vorgesehen werden, mit denen die Durchflußmenge des Kraftstoffs in der Weise gesteuert werden kann, daß der Kraftstoff als ein Film auf der Innenfläche der Innenxiand entlangströmt und von der Wand

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verdampft wird, so daß die Innenwand in der ixt der Schwitzkühlung gekühlt wird,

Bas stromaufwärts liegende Ende des Flammrohrs kann in der gleichen Weise aufgebaut sein wie die zylindrische Wandung und kann mit einem porösen, hitzebeständigem Material versehen sein, das einstückig mit der Innenfläche der stromaufwartigen Wand oder der Außenwand des Flammronra verbunden ist oder in der Nähe dieser Wandungen angeordnet wird·

Das Flammrohr kann eine Einspritzdüse aufweisen, die in einen Teil des Flammrohrs stromaufwärts der Umfangswandung, die durch die Wandteile dargestellt wird, eingesetzt ist, und durch die Kraftstoff oder ein Gemisch aus Kraftstoff und Sauerstoffträger in das Innere des Flammrohrs eingebracht wird. Diese Düse kann die einzige Kraftstoffzuführung sein oder kann durch den Kraftstoff, der als Kühlmittel durch die Umfangswandung zugeführt wird, ergänzt werden, oder die Düse kann zur Zufuhr von zusätzlichem Kraftstoff oder einem Sauerstoffträger-Kraftstoffgemisch benutzt werden, um die Hauptkraftstoffzufuhr durch die Umfangswandung zu regulieren und dadurch den Betrieb des Triebwerks oder aber die Abgas— emission zu steuern. Die Einspritzdüse kann weiterhin als eine Hilfseinrichtung verwendet werden, wobei in öder in der Nähe der Düse Zündeinrichtungen vorgesehen sind·

Zusätzlich zu den Poren oder Löchern in der Innenwand des Flammrohrs kann das Flammrohr noch öffnungen in der Umfangswandung aufweisen, die der Zufuhr von Sekundärluft in das Innere des Flammrohrs aus einer Brennkammer, in der das Flammrohr sitzt, dienen, wie es auch bei üblichen litfgekühlten, aus Blech aufgebauten Flammrohren der Fall ist. Die öffnungen werden durch. Rohre dargestellt, die durch das poröse, hitzebeständige Ilaterial hindurchfassen, so daß die Sekundärluft direkt in das Innere des Flammrohrs gelangt, ohne daß sie durch

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das poröse, hitzebeständige Material hindurchdringen muß.

Das Flammrohr kann zylindrisch ausgebildet sein, wie es bei Einze!brennkammern der Fall ist. Andererseits kann es auch kreisringförmige Gestalt besitzen. In diesem Fall können sowohl die radial innen- wie auch die radial außenliegenden Wandungen in der erfindungsgemäßen Art aufgebaut werden.

Die Wandungsteile des Flammrohrs können aus Metall oder einem anderen hitzebeständigen Material bestehen, wie beispielsweise Keramik oder einem ähnlichen Material, z.B. Silizium- r« nitrid.

Wenn keramisches oder ähnliches Material wie Siliziumnitrid benutzt wird, ist nur ein Wandteil erforderlich, wobei das poröse, wärmeisolierende Material ebenfalls aus einem keramischen oder einem ähnlichen Material wie Siliziumnitrid hergestellt ist und einstückig mit der Innenfläche des Wandteils ausgebildet oder daran befestigt ist. Der Kraftstoff oder Sauerstoffträger oder das Gemisch tritt dann> aus den Poren des warmeisolierenden Materials aus und es ist keine gesonderte Innenwand mehr erforderlich.

Die Erfindung schließt weiterhin eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk ein, die mit einem Flammrohr gemäß der Erfindung versehen ist.

Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen anhand .der beiliegenden Zeichnung erläutert, in der zwei Beispiele von Flammrohren gemäß der Erfindung, veranschaulicht sind.

Fig. 1 ist ein Axialsehnitt durch ein erstes Flammrohr. "

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt-nach der Linie II-II der Fig.

Fig. 3 ist oi-ti Axial schnitt durch ein zweites Flammrohr.

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Nach den Fig. 1 und 2 weist das erste Flammrohr eine hohle zylindrische Wandung auf, die aus einem äußeren zylindrischen Gehäuse 1 besteht, welches an einer inneren zylindrischen Wandung 2 an deren Enden befestigt ist und zwischen den Enden im Abstand von der inneren zylindrischen Wandung liegt, so daß ein Ringraum gebildet wird, der mit einer Einlage aus einem porösen, hitzebeständigen Material 3 gefüllt ist. Das 'Material, aus dem die Einlage hergestellt ist, besteht zweckmäßigerweise aus einem schaum- oder schwa^martigen Material, das hohen Temperaturen widerstehen kann und im wesentlichen starr ist. Beispielsweise kann das schaum- oder schwammf örmige Material aus einem keramischen oder keramikähnlichen Material wie Siliziumnitrid oder aus Metall bestehen. Ein bekanntes schaum- oder schwammförmiges metallisches Material ist beispielsweise aus einem Kunststoffschaum hergestellt, auf dem eine metallische Schicht aufgebracht ist, worauf dann der Kunststoffschaum durch Erhitzen oder auf chemische Weise zerstört wird und die metallische Schicht in schaum- oder schwammförmiger Form zurückläßt. Die innere zylindrische Wandung 2 ist porös oder ist mit einer Mehrzahl von kleinen Löchern versehen. Das zylindrische Gehäuse ist mit einer oder mehreren Einlaßleitungen 4 versehen, durch die ein Kühlmittel in die Einlage eintritt, wie es weiter unten noch erläutert wird.

Wie bei üblichen Flammrohren ist das in Fig. 1 dargestellte Flammrohr in der Umfangswandung mit Öffnungen versehen, um Sekundärluft aus einer Brennkammer, in der das Flammrohr sitzt, in das Flammrohr einführen zu können. Die öffnungen werden durch nach innen gedrückte, rohrförmige Abschnitte 6 gebildet, die mit Löchern 7 in. der inneren zylindrischen Wandung'2 zusammenwirken.

Wie bei üblichen Flammrohren ist auch das in Fig. 1 dargestellte Flammröhr an seinem stromaufwärtigen Ende ui1? einem

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kegelstumpf artigen Abschnitt 8 versehen, in den eine Kraftstoffdüse oder eine Düse 9 für luft und Kraftstoff eingesetzt ist» Wenn auch, das stromaufwärtige Ende des Flammrohrs als eine einfache Wandung dargestellt ist, kann es auch wie die zylindrische Wandung als Doppelwandung, die hohl ist, ausgebildet werden, wobei dann das Innere der Stirnwand, wo diese hohl ausgebildet ist* mit dem Inneren der zylindrischen Wandung in Verbindung steht und mit dem porösen Material 3 gefüllt ist* Das stromabwärts gelegene Ende des Flammrohrs ist offen» wie es auch bei den üblichen Flammrohren der Fall ist.

Das poröse Material 5 kann mit dem zylindrischen SehaBCsfö 1i und der inneren zylindrischen Wandung verbunden oder verkittet sein, sodaß eine starre, zusammengesetzte Wandung gebildet wird· Andererseits kann das poröse Material 3 auch als lose Einlage ausgebildet sein..

Im Betrieb wird ein Sauerstoffträger, z*B. Luft, oder ein Gemisch von Sauerste ff träger und Kraftstoff die Leitung oder die !Leitungen 4 eingeführt und kaiift durch die Zwischenräume des Materials 3 hindurehtretem und. dann durch die Poren oder Locher in der inneren Ümf angsw/aiiai 2 in· das Innere des Flammrohrs gelangen. Der Sauerstofffträiger^r„ der Kraftstoff oder Jas Gemisch stellten; somit eini Kiihlmlt— . tel dar, welches sich durch den Raum zwischen dent (iehäti&e 1! und der Innenwand 2 ausbreitet, bevor es durch die Innemwäti;d^; 2 in das Flammrohr eintritt. Wenn flüssiger Kraftstoff in die hohle zylindrische Wandung eingeführt wird, kann die Durchsatzmenge in der Weise gesteuert werden, daß der Kraftstoff über die Innenfläche der Innenwand 2 als ein Film fließt, der von der Wand weg durch die Verbrennungswärme im Flammrohr verdampft wird und eine Schwitzkühlung iex· Innenwand 2 bewirkt. Die Düse 9 kann als Hauptkraftstoff zuführung benutzt werden, wobei der durch die Leitung oder Leitungen 4

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zugeführte Kraftstoff als zusätzlicher Kraftstoff benutzt .

wird. Andererseits kann auch durch die Leitung oder die Lei- \

tuiiffn 4 der Hauptkraftstoff zugeführt werden, wobei dann die )

Kraftstoffdüse 9 als eine Hilfskraftstoffdüee verwendet wird· '/

Wie bereits erwähnt, kann die Porösität der Einlage 3 abge- j

stuft sein, so daß eine erwünschte zunehmende Durchsatzmenge .> an Sauerstoffträger, Kraftstoff oder Gemisch in der Nähe der

Innenwand 2 erreicht wird.

Wenn das poröse Material 3 genügende Eigensteifigkeit besitzt, braucht die Innenwand 2 nicht vorhanden zu sein. Pig. 3 zeigt ) ein Flammrohr, bei dem ein zylindrisches äußeres Gehäuse 10 mit einer inneren Auskleidung aus einem porösen, hitzebestän- ; digen Material 11 versehen ist, das an dem Gehäuse befestigt j ist. Als Auskleidung kommt hier zweckmäßigerweise ein poröses Keramikmaterial oder ein ähnliches Material in Frage, wie bei- ' spielsweise Siliziumnitrid. Wie "bei dem in Fig. 1 dargestellten { Flammrohr ist daß äußere, zylindrische Gehäuse 10 mit einer Lei- , tung oder Leitungen 12 versehen, durch die ein Sauerstoffträger, \ Kraftstoff oder ein Gemisch aus Sauerstoffträger und Kraftstoff I zugeführt werden, um als Kühlmittel zu dienen. De Kühlmittel \ dringt durch die Auskleidung 11 hindurch und tritt dann von j der Innenwandung der Auskleidung in dae Innere dee Flammrohrs _; ein. Wie bei dem Flammrohr nach Fig. 1 iet auch da» Flammrohr I nach Fig. 3 am stromaufwärtigen finde mit einer kegelstumpffor- j migen Stirnwand 13 versehen. Diese Stirnwand kann ohne Ausklei*- \ dung sein, oder sie kann - wie dargestellt - Bit dem porösen, ? hitzebeständigen Material 11 ausgekleidet werden. Das stromauf- ) wärtige Ende ist mit einer Kraftstoffdüse oder einer Düse 14 [ für Kraftstoff und Luft versehen, die als Hauptkraftstoffdüse ] oder als Hilfskraftetoffdüse benutzt werden kann. Das stromabwärts gelegene Ende des Flammrohrs ist offen. Das Flammrohr ) ist mit Öffnungen 15 versehen, die durch naoh innen gedrückte, ) rohrförmige Abschnitte des äußeren Gehäuses 10 gebildet werden, \

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und durch die Sekundärluft aus einer Brennkammer in das Flammrohr eingeleitet wird.

Wenn auch die dargestellten und erläuterten !Flammrohre als zylindrische Flammrohre "beschrieben wurden, so können sie doch andererseits auch kreisringförmig ausgebildet sein. In einem solchen Fall können sowohl die radial innenliegende wie auch die radial außenliegende Wandung in der in den Fig* 1 und 2 oder 3 dargestellten Weise ausgebildet werden.

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Claims

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Patentansprüche:

Flammrohr für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks mit einer Umfangswand, die durch ein zylindrisches Wandteil dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hasse aus einem porösen, hitzebeständigen Material (3) einstückig mit der Innenfläche des zylindrischen Wandteils verbunden ist oder in der Nähe dieser Wand gehalten wird.
2. Flammrohr für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks mit einer Umfangswand, die durch zwei koaxiale Wandteile dargestellt wird, welche zur Bildung eines Ringraums im Abstand voneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einlage (3) in der Gestalt einer Hasse aus einem porösen, hitzebeständigen Material vorgesehen ist, die den Hingraum im wesentlichen ausfüllt.
3. Flammrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Einlage (3) mit der Innenwand (2) und der Außenwand (1) verbunden oder verkittet ist.
4. Flammrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse, hit zelle ständige Material eine im wesentlichen starre, sohwammartige Gestalt besitzt.
5. Flammrohr nach Anspruch 2 oder 3ι dadurch gekennzeichnet, daß das innenliegende Wandteil (2) porös ist oder eine Vielzahl von kleinen Löchern aufweist, und daß der Ringraum einen Einlaß (4) aufweist, durch den ein Sauerstoffträger (z.B. Luft), Kraftstoff oder ein Gemisch aus Sauerstoffträger und Kraftstoff in den Rincraum und durch das

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Material der Einlage (3) sowie durch, die Poren oder Löcher in der innenliegenden Wand (2) in das Innere des Flammrohrs gelangen kann.
6· Flammrohr nach Anspruch 5ι dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Einlage (3) in der Weise gestuft ausgebildet ist, daß eine zunehmende Durchsatzmenge in der Nähe der Innenwandung (2) erzielt wird*
7. Flammrohr nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Umfangswand flüssiger Kraftstoff »ugeführt wird, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um den Kraftstoffdurchsatz in der Weise zu steuern, daß der Kraftstoff sich als Film an der Innenfläche der Innenwand (2) ausbildet und von der Wand verdampft wird, um eine Schwitzkühlung der Innenwand zu bewirken.

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8. Flammrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts liegende Stirnwand (8, 13) des Flammrohrs einen ähnlichen Aufbau wie die Umfangswand des Flammrohrs zeigt und mit einem porösen, hit-

. zebeständigen Material versehen ist, das einstückig mit der Innenfläche der stromaufwärts liegenden Wandung oder mit dem äußeren Wandteil verbunden oder in der Nähe der Wandung angeordnet ist.

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