DE2326680C3 - Flammrohr mit Vormischkammer für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flammrohr mit Vorinischkammer für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken, bei dem die Vormischkammer Ein- und Austrittswände aus hochporösem keramischem Werkstoff und eine öffnung in der Eintrittswand aufweist

Ein derartiges Flammrohr für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken ist aus der DE-OS 19 32 881 bekannt. Hierbei ist die Vormischkammer in die Flammrohrrückwand eingebaut und einem am Außengehäuse der Brennkammer befestigten Eintrittsdiffusor für die Verdichterluft nachgesch?Uet. Die Vormischkammer liegt im vorliegenden bekannten Fall zwischen zwei axial beabstandet angeordneter·, porösen, gegebenenfalls aus hochporösem keramischem Werkstoff gefertigten Wandteilen, die von einer gemeinsamen Außenwand dicht umschlossen sind. Der für den Verbrennungsprozeß benötigte Brennstoff wird in die für die Verbrennung benötigte Verdichterluftströmung — zwischen dem Diffusoraustritt und der dieser Luftströmung zugekehrten Eintrittsseite des am weitesten stromaufwärtig liegenden Wandteils — eingespritzt. Mittels der Wandteile selbst sowie innerhalb der Vormischkammer zwischen den beiden Wandteilen liegender zusätzlicher Prallplatten soll im vorliegenden bekannten Fall eine aufeinanderfolgende stufenförmige Vermischung und gasförmige Aufbereitung der Brennstoff-Luftanteile gewährleistet werden können, so daß intensiv aufbereitetes Brennstoff-Luftgemisch bereits in unmittelbarer Nähe der Brennkammerrückwand in die Verbrennungszone eingebracht, und damit eine räumlich verhältnismäßig kurze Verbrennung bei verhältnismäßig geringer Brennkammerbaulänge erzielt werden soll.

Die im Rahmen des vorliegenden bekannten Falles vorgesehene Mischkammerausbildung dürfte wegen der erforderlichen verhältnismäßig starken Drosselung und Zwangsumlenkung der Strömung in der Praxis zum einen nicht unerhebliche Druck- und damit Leistungsverluste erwarten lassen. Zum anderen besteht die Gefahr, daß aufgrund der beschriebenen Lage der Brennstoffzuführung Brennstoffanteile von der Sekundärluftströmung mitgerissen werden mit der Folge einer ungleichförmigen Brennstoff- und damit Temperaturverteilung in der Brennkammer.

Im übrigen kann davon ausgegangen werden, daß das im vorliegenden bekannten Fall vorgesehene dünnwandige Flammrohr einschließlich der Flammrohrrückwand in der bei derartigen Brennkammern üblichen Weise in Form eines aus einer hochtemperaturbeständigen Legierung bestehenden Bleches gefertigt ist, welches aufgrund der herrschenden Verbrennungstemperaturen wirtschaftlich länger anhaltenden Standzeiten nur dann gewachsen sein dürfte, wenn das Flammrohr einschließlich der zugehörigen Rückwand im Betrieb intensiv gekühlt werden. Infolge der hierbei angestrebten

ίο niedrigen Flammrohrwandtemperatur wird jedoch die Rußbildung verhältnismäßig stark begünstigt

Letzteres trifft sinngemäß auch für eine aus der US-PS 35 70 242 bekannte Brennkammer für Gasturbinentriebwerke zu, wonach es zwar schon für sich bekannt ist, hinter einer zentral in die Flammrohrrückwand integrierten Vormischkammer das Flammrohr sich stufenförmig erweiternd auszubilden und im Kopfteil des Flammrohrs schräg nach innen gerichtete Sekundärluftöffnungen anzuordnen.

Hinsichtlich der Ausbildung der Vormischkammer kann die vorliegende bekannte Brennkammer jedoch nicht zu der Vormischkammer des Flammrohrs nach der eingangs genannten Gattung hinführen, zumal es sich im vorliegenden bekannten Fall um einen Brennstoff-Luft- Vormischprozeß handelt, der mittels in die Vormisch kammer ragender Prallplatten einerseits sowie einer Umfangsrotationszerstäubung mittels tangentialer Drallschlitze andererseits in die Wege geleitet werden soll.

Infolge der im vorliegenden bekannten Fall unter anderem verhältnismäßig geringen Brennstoffverweilszeiten in der Vormischkammer dürfte sich hierbei weiter kein stöchiometrisch optimal aufbereitetes Brennstoff-Luftgemisch unmittelbar stomab dieser

Vormischkammer erzielen lassen können.

Ferner sind Brennkammern für Gasturbinentriebwerke mit in den Brennraum hineinragenden Verdampferrohrkörpern bekannt, die zwar anstelle einer direkten Brennstoffeinspritzung schon eine verbesserte Ge mischaufbereitung ermöglichen. Dtei Anwendungs spielraum derartiger Verdampfer sind jedoch verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt, und zwar als Folge des konzeptionsbedingt verhältnismäßig geringen Brennstoff-Luft-Durchsatzvermögens, wobei zudem über den gesamten Betriebsbereich eine im wesentlichen konstant bleibende Geschwindigkeit des jeweils durchsetzbaren Verbrennungsluftanteils zugrundegelegt werden muß. Ferner sind die betrieblich erwünschten Standzeiten derartiger meist aus hochtemperaturbeständigen Nickellegierungen gefertigter Verdampferrohrkörper verhältnismäßig gering mit der weiteren Gefahr sich insbesondere in Rohrknicksteilenbereichen ausbildender Brennstoffverkokungen, die nicht nur zu verstärkter Rußbildung sondern auch zu Triebwerksschäden führen können, indem sich z. B. abgelagerte Kokspartikel als Folge gewisser Eigenschwingungen der Verdampferrohrkörper lösen können.

Bei den mit in der Regel verhältnismäßig weit in den Brennraum hineinragenden Verdampferrohrkörpern ausgestatteten Brennkammern muß ferner mit einer verhältnismäßig langen Brennzonenerstreckung im Flammrohr gerechnet werden mit der Folge einer verhältnismäßig großen Längenerstreckung für die gesamte Brennkammer.

M Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß der eingangs genannten Gattung gemäße Brennkammerflammrohr gegenüber Bekanntem so zu verbessern, daß unter Gewährleistung einer äußerst hohen zulässigen

Wandtemperatur des Flammrohrkopfes eine optimale Gemischaufbereitung aus den zuzuführenden Brennstoff-Luftanteilen im Interesse einer räumlich kurzen, homogenen sowie an Schadstoffen armen Verbrennung erzielbar ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Vormischkammer allseitig von aus hochporösem keramischem Werkstoff bestehenden Wänden begrenzt ist und die in der Eintrittswand befindliche öffnung eine Brennstoffdüse enthält. Hierdurch kann eine verhältnismäßig große Gesamtdurchströmfläche für die der Vormischkammer zuzuführende Primärluft bereitgestellt werden, wobei keinerlei zusätzliche einen Drall oder Wirbel erzeugende Steuerflächen zur Brennstoff-Luftvermischung benötigt werden. Die mit Ausnahme der Einbaustelle für die Brennstoffdüse allseitige Primärlufteindringmöglichkeit in die Vormischkammer gewährleistet ferner eine umfassende, intensive Gemischaufbereitungsphase in dieser Kammer.

Die Gemischaufbereitungsphase in der Vormischkammer wird ferner durch die im Betrieb verhältnismäßig stark aufgeheizte, die Vormischkammer ummantelnde keramische Flammrohrrückwand begünstigt, die — z. B. aus einem hochporösen keramischen Sintermaterial gefertigt — Wandiemperaturen bis 2000°C standhalten kann.

Aufgrund des im Betrieb stark aufgeheizten Flammrohrkopfes dürfte hierbei die Gefahr etwaiger Brennstoffverkokungen und Rußbildung weitestgehend aus- 3c geschaltet sein.

Im Rahmen der geschilderten Gemischaufbereitungsphase in der Vormischkammer kann der darin eingespritzte Brennstoff zum Teil bereits verdampft werden. Beim Durchtritt des Brennstoff-Luftgemisches durch die weitere, aus hochporösem keramischen Werkstoff gefertigte und im Betrieb stark aufgeheizte Wand —zwischen der Vormischkammer und dem Brennraum im Flammrohr — wird schließlich der zugeführte Brennstoff nahezu vollständig verdampft, so daß unmittelbar am Austritt aus dieser Wand gänzlich gasförmiges Gemisch für die unmittelbar hinter dem Austritt aus dieser Wand mögliche Verbrennung zur Verfügung steht. Hieraus resultiert wiederum eine räumlich kurze Verbrennung zugunsten einer verhältnismäßig geringen Brennkammerlänge.

Die Verwendung keramischen Materials für die betreffenden Wandteile des Flammrohrs, bzw. der Vormischkammer, wirkt sich ferner hinsichtlich einer verhältnismäßig einfachen, kostengünstigen Herstellungsweise sowie weiter hinsichtlich eines erzielbaren relativ geringen Eigengewichtes des Flammrohres, bzw. der Brennkammer, günstig aus.

In weieterer Ausgestaltung des Erfndungsgegenstandes können die Wände der Vormischkammer aus zwei Teilen bestehen.

Hierdurch kann für das z. B, im Sinne eines Kegelstumpfes ausgebildete, die Vormischkammer rotationssymmetrisch ummantelnde Flammrohrkopfteil (erstes Teil) eine andere Werkstoffzusammensetzung und Porösität zugrunde gelegt werden als für das zweite, die Vormischkammer gegenüber der Brennzone abgrenzende Wandteil. Außerdem sollen hierdurch Thermospannungen der im Betrieb unterschiedlich aufgeheizten keramischen Wandteile weitgehend ausgeschaltet werden können.

Im Interesse einer räumlich kurzen und homogenen Verbrennung soll das Rammrohr gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hinter der Vormischkammer stufenförmig erweitert sein und schräg nach innen gerichtete Sekunda! luftpassagen aufweisen. Die Sekundärluft kann so direkt neben der Brennzone uhne nennenswerte größere Druckverluste sowohl in etwa axialer Richtung als auch unter Einschluß einer jeweiligen radialen Koriponente zur Flammstabilisierung zugeführt werden.

Zu der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Mittellängsschnittes eines Flammrohres beispielsweise erläutert: nach der Zeichnung weist das Flammrohr t an dessen stromaufwärtigen kopfseitigen Ende eine sich in Richtung der Hauptströmung im wesentlichen kegelstumpfförmig erweiternde, rotationssymmetrisch zur Brennkammerlängsachse angeordnete erste Wand 2 auf, die zusammen mit einer sich stromabwärtig daran unmittelbar anschließenden zweiten Wand 3 eine Vormischkammer 4 allseitig begrenzt. Die beiden Wände 2 und 3 sind aus hochporösem keramischem Werkstoff gefertigt.

In eine vordere stirnseitige öffnung der ersten Wand 2 ist eine Brennstoffdüse 5 eingesetzt, mit welcher Brennstoff in die Vormischkammer 4 eingespritzt wird. Gemäß Pfeilrichtung P ist die Vormischkammer 4 über die erste Wand 2 mit Primärluft beaufschlagbar.

Nach der Zeichnung ist das Flammrohr 1 hinter der Vonnischkammer 4 sich stufenförmig erweiternd ausgebildet und ferner mit schräg nach innen gerichteten Sekundärluftpassagen 6 versehen. Der Strömungslauf der Sekundärluft ist durch die Pfeile Sverdeutlicht.

Mittels im stromabwärtigen Flammrohrende angeordneter öffnungen 7 wird Tertiärluft T zur Temperaturabsenkung im Flammrohr 1 eingebracht.

Das dargestellte Flammrohr ermöglicht die bereits erörterte räumlich kurze, homogene, an Schadstoffen arme Verbrennung unmittelbar hinter der zweiten Wand 3.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Flammrohr mit Vormischkammer für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken, bei dem die Vormischkammer Ein- und Austrittswände aus hochporösem keramischem Werkstoff und eine öffnung in der Eintrittswand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer (4) allseitig von aus hochporösem keramischem Werkstoff bestehenden Wänden (2,3} begrenzt ist und die öffnung eine Brennstoffdüse (5) enthält

2. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (2,3) der Vormischkammer (4) aus zwei Teilen bestehen.

3. Flammrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es hinter der Vormischkammer (4) stufenförmig erweitert ist und schräg nach innen gerichtete Sekundärluftpassagen (6) aufweist