DE2327187B2 - Nachverbrennungsvorrichtung für einen Gasturbinenmotor - Google Patents

Nachverbrennungsvorrichtung für einen Gasturbinenmotor

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Description

Die Erfindung betrifft eine Nachverbrennungsvorrichtung für einen Gasturbinenmotor mit einem hinter der Turbine angeordneten, von den Austrittsgasen der Turbine durchströmten Nachverbrennungskanai, in welchem wenigstens ein rohrartiges hohles Gebilde ·*■> zum Erhitzen eines Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff angeordnet ist, das einen eine stromaufwärts gerichtete Eintrittsöffnung aufweisenden rohraitigcn Einlaßteil, in welchem eine Brennstoffzufuhreinrichtung angeordnet ist und welcher sich im wesentlichen in '»" Richtung der Strömung der aus der Turbine austretenden Gase erstreckt, und wenigstens einen sich im wesentlichen entgegen der Richtung der Strömung der aus der Turbine austretenden Gase erstreckenden Auslaßteil besitzt, der über einen quer angeordneten w Verbindungsteil mit dem Einlaßteil verbunden ist und wenigstens eine Austrittsöffnung aufweist.
Es ist eine Vorrichtung der einleitend genannten Art bekannt (GB-PS 12 73 017), bei welcher das rohrartige hohle Gebilde an seinem stromaufwärtigen Einlaßende w> mit kalter Luft gespeist wird und an seinem stromabwärtigen Ende stromaufwärts gerichtete Auslaßteile hat, die über radiale Verbindungsteile mit dem sich mit bezug auf den Nachverbrennungskanai axial erstrekkenden EinlaOteil verbunden sind. Die Ebene, in welcher *>"> die Austrittsöffnung der Auslaßteile liegt, befindet sich nur geringfügig stromaufwärts des stromabwärtigen Endes des hohlen Gebildes. Mitte's der stromaufwärts gerichteten Austrittsöffnungen der Auslaßteile soll eine Rückkehrzone erzeugt werden, die für die Flammenstabilisierung günstig ist. Die bekannte Ausführung ist im wesentlichen eine Vorverdampfungsvorrichtung, die in einer Nachverbrennungskammer angeordnet ist. Es ergibt sich zwar eine Erhitzung des nicht sehr reichen Sauerstoffträger-Brennstoffgemisches beim Duichströmen des hohlen Gebildes, jedoch ist der Wärmeaustausch praktisch nur von sekundärer Bedeutung. Außerdem kann ein spontanes Entflammen des Sauerstoffträger-Brennstoffgemisches beim Austritt aus den Auslaßteilen und ein Stabilisieren der Flamme nahe diesen Austrittsstellen nicht gewährleistet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Nachverbrennungsvorrichtung so auszuführen, daß die Verbrennung eines Brennstoffs in einem stromgasförmigen Sauerstoffträger hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit eingeleitet und aufrechterhalten werden kann, ohne daß es notwendig ist, Stabilisierungshindernisse und eine besondere Zündeinrichtung vorzusehen.
Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art, gemäß der Erfindung dadurch, daß sich der wenigstens eine Auslaßteil in einem solchen Ausmaß entgegen der Strömungsrichtung der aus der Turbine austretenden Gase erstreckt, daß die durch das Entflammen des Sauerstoffträger-Brennstoff-Gemisches gebildete
Flammcnfront vor dem stromabwärtigen Ende des
hohlen Gebildes liegt
Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist das rohrartige hohle Gebilde vergleichsweise lang, und es ergibt sich im Gegensatz zu der bekannten Vorrichtung zwischen dem Einlaßteil des hohlen Gebildes und den Austrittsöffnungen ein vergleichsweise hoher Druckverlust zufolge von Ladungsverlust oder Füllverlust in den mehrere Male gekrümmten Rohren. Das Gemisch in den Rohren irt zweckmäßig sehr reich und wird stark erhitzt, was besonders wichtig ist. Die hohe Erhitzung des Gemisches in dem rohrartigen hohlen Gebilde wird bei vergleichsweise kurzer axialer Baulänge des rohrartigen hohlen Gebildes in dem Nachverbrennungskanal dadurch erhalten, daß zumindest ein nicht unbeträchtlicher Teil des rohrartigen hohlen Gebildes nicht lediglich durch die Temperatur erhitzt wird, welche die aus der Turbine austretenden Gase haben, sondern auch durch die höhere Temperatur, die sich dadurch ergibt, daß die Flammenfront der Nachverbrennung vor dem stromabwärtigen Ende des hohlen Gebildes liegt Schließlich wird dieses Gemisch dann in den aus der Turbine austretenden Strom hf-iSer Gase eingespritzt, wo es sich spontan entflammt Die Rohre bilden zufolge ihrer Ausbildung Flammenhalter bzw. Flammenstabilisatoren.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert
F i g. 1 und 2 sind graphische Darstellungen, welche jo die Bedingungen veranschaulichen, unter denen eine spontane Entflammung eines aus Sauerstoffträger und Brennstoff bestehenden Gemisches stattfindet, welches in einen Strom gasförmigen Sauerstoffträgers hoher Temperatur eingespritzt wird. «
Fig.3 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Querschnittansicht des Auslaßteiles einer Nachverbrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
Fig.4 ist eine axiale Halbschnittansicht einer Nachverbrei^iungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig.5 ist eine teilweise weggebrochene schaubildliche Ansicht einer Nachverbrenniingsvorrichtung gemäß einer Abwandlung der Ausführungsform gemäß F i g. 4.
F i g. 6 hi eine Querschnittsansicln einer Abwandlung einer Einzelheit der Nachverbrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Einleitung und Aufrechierhaltung der Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom gasförmigen Sauerstoffträger.; hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur (wobei die Temperatur beispielsweise zwischen 850 und 950°C liegt) zu erhalten, ohne hierfür eine Verzögerung der Strömung in Kauf zu nehmen und ohne eine besondere Zündvorrichtung vorzusehen.
Zur Lösung dieses Problems sind die Bedingungen untersucht worden, unter denen die Diffusion eines Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff in einem solchen Strom hoher Temperatur erfolgt, wenn die »Reichheit« des Gemisches bzw. das Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoffträger größer als der Grenzwert ist, bei welchem ein Auslöschen der Flamme erfolgt.
Insbesondere vurde die Änderung von Größen, wie hi Druck, Brennstoffkonzentration und Temperatur, in der Diffusionszone betrachl·, i, und es wurde gefunden — was durch Untersuchungen bestätigt worden ist —, daß diese Größen in einem gewissen Abstand von der Stelle, an welcher das Gemisch aus Sauersioffträger und Brennstoff in den Gasstrom hoher Temperatur eintritt, einen Wert annehmen, bei dem die Bedingungen für die spontane Entflammung des Brennstoffs örtlich erfüllt sind.
Die Verbrennung beginnt demgemäß ohne besondere Zündvorrichtung, und sie bleibt in dem Gasstrom aufrechterhalten, ohne daß es notwendig ist, Stabilisationshinternisse vorzusehen, um den Strom zu verzögern.
Es ergibt sich daraus das Problem, den Verbrennungswirkungsgrad einer gemäß diesem Prinzip arbeitenden Vorrichtung zu verbessern. Es ist gefunden worden, daß es für eine gegebene Länge oder eine gegebene Geometrie des Verbrennungsraumes von Interesse ist, den Abstand zu verringern, welcher die Flammenfront (stromaufwärtige Grenze der Verbrennungszone) von der Stelle trennt, wo das Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff in den Gasstrom hobr;r Temperatur und hoher Geschwindigkeit eintritt Dieser Abstand kann als Summe aus dem Abstand, der für die Diffusion des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff in dem Gasstrom notwendig ist, und einem Abstand angesehen werden, welcher die Verzögerung der spontanen Entflammung des Brennstoffs in der genannten Diffusionszone entspricht Es ist demgemäß vorteilhaft, die Verzögerung der spontanen Entflammung so weit wie möglich zu verringern.
Es ist gefunden worden, daß in dieser Hinsicht der Hauptfaktor die Temperatur Ti des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff zu dem Zeitpunkt ist, zu welchem das Gemisch in den Gasstrom hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur eintritt Nachstehend wird mit T die Temperatur des Gasstromes nach dem Einspritzen des Brennstoffs bezeichnet
Die graphischen Darstellungen in F i g. 1 und 2 zeigen den Einfluß dieser Temperatur Ti einerseits 3uf die Verzögerung / (in Sekunden) der spontanen Entflammung und andererseits auf die Geschwindigkeit oder Sei·· Helligkeit der spontanen Entflammung, und zwar für eine gleiche Temperatur (8500C) des Stromes gasförmigen Sauerstoffträgers hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur. Die graphischen Darstellungen zeigen, daß, damit die Verzögerung der spuntanen Entflammung so kurz wie möglich ist, es wesentlich ist, daß die Temperatur T\ des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff so hoch wie möglich ist.
Fig.4 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, welche es ermöglicht, die oben genannten Bedingungen zu erfüllen.
In dieser Figur ist allgemein mit 1 eine Nachverbrennungsvorrichtung bezeichnet, die für einen Gasturbinenmotor, beispielsweise ein Turbostrahltriebwerk, bestimmt ist, das eine Entspannungsturbine 2 enthält, aus welcher im Betrieb ein Strom F gasförmigen Sauerstoffträgers hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur austritt. Die Vorrichtung weist stromab der Turbine 2 einen Jach Verbrennungskanal 3 mit einer Achse X'-X auf, der außen von einer Wand 4 begrenzt ist. An seinem stromaufseitigen Teil hat der Nachverbrennungskanal 3 eine divergierende Gestalt zufolge des Vorhandenseins eines ortsfesten Turbinenkonus 5, der mittels profilierter Arme (nicht dargestellt) von der Wand 4 getragen ist.
Die Nachverbrennungsvorrichtung weist weiterhin eine Quelle von Brennstoff für die Nachverbrennung auf, und diese Quelle ist mit einer ringförmigen Sammel-
bzw. Verteilerleitung 8 verbunden, die den Nachverbrennungskanal 3 außen umschließt und die mit einer in den Einlaßteil 9a mündenden Düse oder Austrittsöffnung 10 über die Leitung Il in Verbindung steht. Der Brennstoff kann flüssiger oder gasförmiger Brennstoff sein.
In dem Nachverbrennungskanal 3 ist ein hohles Gebilde 9 derart angeordnet, daß es sich in Wärmeiuistauschbeziehung mit dem gasförmigen Strom F hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur befindet, der aus der Turbine 2 austritt. Das hohle Gebilde 9 weist vier rohrförmige Teile 9a, 9ft, 9cund 9dauf. die in Reihe hintereinander angeordnet sind. Die Rohrteile 9a und 9c erstrecken sich jeweils im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Nachverbrennungskanals 3, während die rohrförmigen Teile 9ft und 9dbeide mit bezug auf die genannte Längsrichtung quer angeordnet sind.
Der rohrförmige Teil 9a stellt einen mit einer stromaufwärts gerichteten Eintrittsöffnung 9aa versehenen Einlaßteil dar, der sich im wesentlichen in Richtung der Strömung der aus der Turbine austretenden Gase erstreckt und über den quer angeordneten rohrförmigen Teil 9ft, der als Verbindungsteil angesehen werden kann, mit dem sich im wesentlichen entgegen der Richtung der Strömung der aus der Turbine austretenden Gase erstreckenden rohrförmigen Teil 9c der als Auslaßteil bezeichnet werden kann, verbunden ist. Gemäß Fig. 4 ist das mit bezug auf den Nachverbrennungskanal 3 stromaufwärtige Ende des Auslaßteiles 9c mit dem sich quer zu ihm erstreckenden Rohrteil 9d verbunden, der, wie aus Fig.4 ersichtlich, stromaufwärts der Eintrittsöffnung 9aa des Einlaßteiles 9;) liegt. Dieser sich quer erstreckende rohrförmige Teil 9c/ besitzt Austrittsöffnungen 9da, die mit bezug auf die Strömungsrichtung des Stromes Fstromabwärts gerichtet sind.
Zumindest der sich quer erstreckende rohrförmige Teil 9c/. jedoch vorzugsweise auch der sich quer erstreckende rohrförmige Verbindungsteil 96 haben ein Querschnittsprofil, wie es aus F i g. 3 ersichtlich ist und welches gewählt ist. um den Gasstrom F so wenig wie möglich zu stören.
Die Austrittsöffnungen 9da in dem sich quer erstreckenden Rohrteil 9d sind derart gestaffelt angeordnet, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden öffnungen mit zunehmender Entfernung von der Achse X-X des Nachverbrennungskanals 3 kleiner wird.
Im Betrieb hat der Gasstrom F. der aus der f.ntspannungsturbine 2 austritt, hohe Geschwindigkeit und eine- hohe Temperatur beispielsweise im Bereich /wischen 850 und 9500C. Der in das hohle Gebilde 9 eintretende Anteil /"des Gasstromes Fmischt sich mit dem in das Gebilde 9 eingespritzten Brennstoff. Seine Hauptrolle besteht darin, als Träger für den Brennstoff zu dienen und dessen Verkokung zu verhindern. Um die Gefahr einer vorzeitigen Entflammung des Brennstoffs im Inneren des hohlen Gebildes 9 auszuschließen, wird die Menge des Teils f des Gasstromes F derart vorbestimmt, daß die Reichheit des aus Sauerstoffträger und Brennstoff bestehenden Gemisches, welches das hohle Gebilde 9 durchströmt, größer als der Grenzwert ist. bei welchem die Flamme erlischt.
Der gasförmige Sauerstoffträger, der ins Innere des hohlen Gebildes 9 eintritt, beginnt bei Berührung mit dem Brennstoff sich abzukühlen, insbesondere wenn der Brennstoff in flüssigem Zustand eingespritzt wird und in dem hohlen Gebilde 9 verdampft Da das Gemisch aus Sauerstoffträger und Brennstoff, welches das hohle Gebilde 9 durchströmt, sich in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Gasstrom F hoher Temperatur befindet, erhitzt sich das Gemisch nachfolgend auf eine -, Temperatur nahe der Sclbstentflammungstemperalur des Brennstoffs.
Das auf diese Weise vorerhitzte Gemisch tritt aus den Austrittsöffnungen 9da in Form von Strahlen hoher Temperatur aus, die in den Nachverbrennungskanal 3
ίο eintreten, in welchem sie sich spontan entflammen. Es bildet sich demgemäß in dem Nachverbrennungskanal 3 eine Verbrennungszone, die stromauf von einer stabilisierten Flammenfront S'begrenzt ist, die stromab der Austrittsöffnungen 9da liegt. Die in radialer
ι -, Richtung gestaffelte Anordnung der Austrittsöffnungen 9da begünstigt die Bildung einer Verbrennungszone, die im Querschnitt homogen ist.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, ist der Abstand d'. welcher die Flammenfront S' von den Austrittsöffnungen 9da trennt, eine Funktion der Verzögerung der spontanen Entflammung des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff, welches in den Gasstrom F eintritt, wobei die Verzögerung ihrerseits eine Funktion der Temperatur 71 dieses
_>5 Gemisches ist.
Wenn im übrigen gleiche Bedingungen angenommen werde,"!, hängt die Temperatur 7Ί von der Wirksamkeit des Wärmeaustausches des hohlen Gebildes 9 ab. welches demgemäß zu gestalten und zu dimensionieren
in ist.
Wenn die Temperatur des Gasstromes F niedriger wird, verringert sicri die Temperatur Ti des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff, welches in den Nachverbrennungskanal 3 eintritt, entpsrechend, so daß
s-, der Abstand c/'und damit die Länge des Nachverbrennungskanals größer wird. Dieser Abstand c/'wird bei der dargestellten Ausführungsform dadurch verkleinert, daß ein Teil der bei der Nachverbrennung freigesetzten Wärme dazu verwendet wird, das Gemisch aus
4n Sauerstoffträger und Brennstoff, welches das hohle Gebilde 9 durchströmt, vorzuerhitzen. Erreicht wird dies dadurch, daß die Austrittsöffnungen 9da soweit stromaufwärts liegen, daß die F'lammenfront S', die sich durch Entflammung des aus den Austrittsöffnungen 9da
4ϊ austretenden Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff ergibt, vor dem stromabwärtigen Ende des hohlen Gebildes 9 liegt, wie dies aus Fig.4 ersichtlich ist. Auf diese Weise wird eine sehr beträchtliche Temperaturerhöhung des in dem hohlen Gebilde 9
;o strömenden Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff erzielt, wodurch die Verzögerung der Entflammung und der Entflammungsabstand d' beträchtlich verringert sind.
Im übrigen ist zu bemerken, daß zufolge des
5t Umstandes, daß der Nachverbrennungskanal 3 an seinem stromaufwärtigen Teil divergente Gestalt hat, zwischen der Eintrittsöffnung 9aa und den Austrittsöffnungen 9da ein Druckunterschied besteht, der es ermöglicht, das Gemisch aus Sauerstoffträger und
no Brennstoff in einem hohlen Gebilde 9 umlaufen zu lassen, das einen hohen inneren aerodynamischen Widerstand hat Es kann demgemäß für das hohle Gebilde 9 ein Rohr verwendet werden, welches vergleichsweise lang ist Aus dem gleichen Grunde und
■'-■~> unter weiterer Berücksichtigung der Tatsache, daß der das hohle Gebilde 9 umströmende Gasstrom F sehr hohe Temperatur hat, ist es möglich, den Durchmesser des Rohres zu verringern, welches das hohle Gebilde 9
darstellt. Dieser Umstand ist vorteilhaft, weil der Ladungsverlust, der in dem Gasstrom f'durch das hohle Gebilde 9 hervorgerufen wird, umso geringer ist, je kleiner der Durchmesser des Rohres ist. Um diesen Ladungsverlust noch weiter zu verringern, können rohrförmige Teile 9b und 9c/ verwendet werden, die profiliert sind, wie es in F i g. 3 dargestellt ist.
F i g. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfii'.Jung, bei welcher das hohle Gebilde 9 auf wenigstens einem Teil seiner Länge wenigstens zwei rohrförmige Teile 9ci— 9d\ und 9c2—9ch aufweist, die aus der gleichen Eintrittsöffnung 9aa parallel gespeist werden und jeweils mit Austrittsöffnungen 9da\ bzw. 9dai versehen sind. Diese Anordnung bietet den Vorteil,
daß der Durchmesser der radialen rohrförmigen Teile 9c/| und 9dj verringert werden kann und demgemäß der Gasstrom Fhoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur weniger gestört wird.
Bisher wurde beschrieben, daß die Austrittsöffnungen 9da für die vorerhitzten Strahlen des Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff radial angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht zwingend. F i g. 6 zeigt eine im Detail abgewandelte Ausführungsform, bei welcher der Teil 9t/des hohlen Gebildes 9, der mit den Austrittsöffnungen 9da versehen ist, mit Bezug auf die Achse des Nachverbrennungskanals J tangential ausgerichtet ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Nachverbrennungsvorrichtung für einen Gasturbinenmotor, mit einem hin'ter der Turbine ϊ angeordneten, von den Austrittsgasen der Turbine durchströmten Nachverbrennungskanal, in welchem wenigstens ein rohrartiges hohles Gebilde zum Erhitzen eines Gemisches aus Sauerstoffträger und Brennstoff angeordnet ist, das einen eine stromaufwärts gerichtete Eintrittsöffnung aufweisenden rohrartigen Einlaßteil, in welchem eine Brennstoffzufuhreinrichtung angeordnet ist und welcher sich im wesentlichen in Richtung der Strömung der aus der Turbine austretenden Gase erstreckt, und ΐί wenigstens einen sich im wesentlichen entgegen der Richtung der Strömung der aus der Turbine austretenden Gase erstreckenden Auslaßteil besitzt, der über einen quer angeordneten Verbindungsteil mit dem ,Einlaßteil verbunden ist und wenigstens eine Ausirritsöffnting aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der wenigstens eine Auslaßteil (9c) in einem solchen Ausmaß entgegen der Strömungsrichtung der aus der Turbine austretenden Gase erstreckt, daß die durch das Entflammen des Sauerstoffträger-Brennstoff-Gemisches gebildete Flammenfront (S')voi dem stromabwärtigen Ende des hohlen Gebildes (9) liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Her Auslaßteil (9c) in zwei Einzelrohre verringerten Durchmessers (9c 1,9c 2) unterteilt ist, deren jeder wenigstens eine Austrittsöffnung (9da 1; 9da 2) besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austr. .tsöffnung oder die J5 Austrittsöffnungen (9da) stromabwärts gerichtet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung oder die Austrittsöffnungen (9da) an einem quer zum Auslaßteil, (9c; verlaufenden Rohrteil {9d) gebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Austrittsöffnungen (9da) sich mit zunehmender Entfernung von der Achse des Nachverbrennungskanals (3) verringert.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Nachverbrennungskanai einen in Richtung der Gasströmung divergenten Teil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Austriasöffnung oder die Austrittsöffnungen (9da) im stromaufwärtigen Bereich des divergenten Teiles des Nachverbrennungskanals (3) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile des hohlen Gebildes (9) ovalen Querschnitt haben (F ig. 5).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts gerichtete Eintrittsöffnung (9aa) des rohrartigen Einlaßteiles in der Strömung der aus der Turbine austretenden Gase angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der quer zum Auslaßteil verlaufende, die Austrittsöffnungen (9da) aufweisende Rohrteil (9d) mit bezug auf den Nachverbrennungskanai (3) tangential ausgerichtet ist (Fig. 6).
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