DE2326680A1

DE2326680A1 - Brennkammer mit vormischkammer aus poroesem keramikwerkstoff

Info

Publication number: DE2326680A1
Application number: DE2326680A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Ing Kappler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1973-05-25
Filing date: 1973-05-25
Publication date: 1974-12-12
Also published as: FR2230862A1; FR2230862B1; DE2326680B2; DE2326680C3; GB1459258A; US3937007A

Description

MOTOREN- UND TUBBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 18. Mai 1975

Brennkammer mit Vormischkammer aus porösem Keramikwerkstoff

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen. '

Es sind Brennkammern für Gasturbinen bekannt, in denen der Brennstoff am stromaufwärts liegenden Ende des Flammrohres direkt eingespritzt wird. Bei diesen Brennkammern ist die Gemischaufbereitung nicht zufriedenstellend, was vor allem auf die ungenügende Brennstoffzerstäubung, die schlechte Vermischung mit Verbrennungsluft und ungenügende Aufheizung des Brennstoffes zurückzuführen ist. Die unzureichende Brennstoffzerstäubung führt zu relativ starker Schadstoffemission und Umwelt-, verschmutzung. Außerdem sind die Temperaturprofile dieser Brennkammern am Turbinen-Eintritt sehr ungleichförmig und dadurch ungünstig für die Standzeit der Schaufel. Andere bekannte Brennkammern weisen statt direkter Einspritzung Verdampferrohre auf. Die Gemischaufbereitung

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ist dort zwar besser als bei direkter Einspritzung, aber wägen des engeren Betriebsbereiches und der niedrigen Temperaturen, welche die aus Nickellegierung bestehenden Verdampferrohre vertragen, noch immer nicht befriedigend.

Allen bekannten Brennkammern ist gemeinsam, daß ihre Flammrohre im allgemeinen aus Blech gefertigt werden, wobei als Werkstoffe bestimmte Nickellegierungen verwendet werden. Da diese Werkstoffe aber höchstens Temperaturen bis zu lj500° K vertragen und die Verbrennungstemperaturen weit höher liegen, müssen diese Flammrohre intensiv gekühlt werden, um ihre Zerstörung zu vermei-* den und die für einen wirtschaftlichen Betrieb, notwendigen hohen Standzeiten zu erzielen. Durch die niedrigen Wandtemperaturen wird jedoch die Bildung von Ruß stark begünstigt, der sich in Düsennähe oft an den kühlen Wänden ablagert und neben der Verminderung des Ausbrenngrades cft zu Betriebsstörungen Anlaß gibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere durch Erhöhung der zulässigen Wandtemperaturen und Verbesserung der Gemischaufbereitung eine bessere Verbrennung, geringere Schadstoffemission und günstigere Tür- ■ binen-Eintrittstemperaturprofile bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung zu erzielen.

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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Aufbereitung des Brennstoffes und dessen Vermischung mit der zur Verbrennung erforderlichen Primärluft in einer von luftdurchlässigen Wänden allseitig begrenzten, am stromaufwärtigen Ende des Flammrohres befestigten Vormi schkammer durchgeführt wird und die Verbrennung unmittelbar nach Verlassen der Vormischkammer in einer direkt an der Trennwand beginnenden Brennzone stattfindet. In dieser Mischkammer wird durch teilweise Brennstoffverdampfung eine bessere Brennstoffaufbereitung erzielt als in den bisher bekannten Brennkammern, wodurch der Ausbrenngrad verbessert, die Flammenlänge verkürzt, und das damit erzielbare Temperaturprofil gegenüber bisher bekannten Temperaturprofilen erheblich verbessert wird. Selbstverständlich wirkt sich die Verkürzung der Brennzone auch günstig auf die Baulänge der Brennkammer aus.

In weiterer Ausgestaltung besteht die. Vormi schkammer aus porösem keramischem Sintermaterial. Dies erlaubt bei der Vormischkammer sehr hohe Wandtemperaturen bis zu 2000° C, wodurch die Aufbereitung weiter verbessert und vor allem die Bildung und Ablagerung von Ruß verhindert wird.

In weiterer Ausgestaltung besteht die Vormischkammer aus zwei Teilen, einem etwa kegelstumpfförmigen Kopfteil mit

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einem Durchbruch für die Kraftstoffdüse und einer scheibenförmigen Trennwand, durch die das brennbare Gemisch in die Brennzone gelangt.

Dadurch wird die Herstellung der Vormischkammer erheblich vereinfacht und insbesondere das Auftreten von Ther-.mospannungen in den keramischen Bauteilen infolge der hohen Temperaturen der Trennwand vermieden. Vor allem aber wird hierdurch die Fertigung erheblich verbilligt und die Verwendung verschiedener Materialien und Porositäten für beide Partien ermöglicht.

In einer weiter verbesserten Ausbildung ist das Flammrohr hinter der Vormischkammer stufenförmig erweitert, und weist schräg nach innen zeigende Sekundärluftpassagen auf. Dies erlaubt die Zufuhr von Sekundärluft direkt neben der Brennzone ohne größere Druckverluste und in etwa axialer Richtung mit radialer Komponente.

In der Zeichnung ist in der einzigen Fig. 1 das Flammrohr der erfindungsgemäßen Brennkammer dargestellt. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels wird durch Pfeile angedeutet.

Von links tritt die verdichtete Luft in die Brennkammer ein, wobei ein Teil dieser Luft, nämlich die Primärluft

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unmittelbar durch die luftdurchlässigen Außenwände der kopfseitigen Vormischkammer eindringen, während der Rest an dieser vorbeiströmt, um als Sekundär- bzw. Tertiärluft direkt in das Flammrohr 8 einzutreten.

Durch die Brennstoffeinspritzdüse 5 wird Brennstoff in die Vormischkammer eingespritzt, zerstäubt und mit' der Primärluft 1 weitgehend gemischt, wobei ein Teil des Brennstoffes verdampft, jedoch noch keine Verbrennung stattfindet. Ein Teil des Brennstoffes kann auch in seiner Tröpfchenform erhalten bleiben. Das Brennstoff-Luft- · Gemisch strömt nun durch die Poren der sehr heißen keramischen Trennwand in "die Brennzpne. Beim Durchtritt durch diese heiße Wand wird auch der restliche Brennstoff verdampft, so daß in die Brennzone nur gasförmiges Gemisch gelangt, das dort zu einem weitestgehend rückstandfreien Abgas trotz sehr kurzer Flamme verbrennen kann. Den zur vollkommenen Verbrennung notwendigen Sauerstoff führen die Sekundärluftpassagen seitlich an die Brennzone heran; diese, dienen auch durch Bildung einer Rezirkulationszone zur Stabilisierung, Temperierung und Verkürzung der Verbrennungszone. Die Tertiärluft wird in der Mischzone 7 in an sich bekannter Weise zur Temperaturabsenkung beigemischt.

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Claims

sz/tr MOTOREN- UND TURBINEN-UNION 2326680 MÜNCHEN GMBH ■ .. V München, den 18. Mal 1973 Patentansprüche

1. !Brennkammer für Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitung des Brennstoffes und dessen Vermischung mit der zur Verbrennung erforderlichen Primärluft in einer von luftdurchlässigen Wänden allseitig begrenzten, am stromaufwartigen Ende des Flammrohres befestigten Vormischkammer (1) durchgeführt wird und die Verbrennung unmittelbar nach Verlassen der Vormischkammer in einer direkt an der Trennwand beginnenden Brennzone (2) stattfindet.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Vormischkammer (3* ²O aus porösem keramischem Sintermaterial bestehen.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Wände der Vormischkammer aus zwei Teilen bestehen, nämlich einem etwa kegelstumpfförmigen Kopfteil (3) mit

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einem Durchbruch für die Kraftstoffeinspritzdüse (5) und einer scheibenförmigen Trennwand (4), durch die das brennbare Gemisch in die Brennzone gelangt.

4'. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr hinter der Vormischkammer stufenför mig erweitert ist und schräg nach innen gerichtete Se kundärluftpassagen (6) aufweist.

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