DE2341904A1 - Einrichtung zur zufuehrung und aufbereitung des brennstoffes an brennkammern fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents

Einrichtung zur zufuehrung und aufbereitung des brennstoffes an brennkammern fuer gasturbinentriebwerke

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Description

Einrichtung zur Zuführung und Aufbereitung des Brennstoffes an Brennkammern für Gasturbinentriebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Zuführung und Aufbereitung des Brennstoffes an Brennkammern für Gasturbinentriebwerke, wobei das jeweilige Flammrohr einer Brennkammer mit im stromaufwärtigen Bereich gleichmäßig am Umfang verteilt angeordneten Primärluftzufuhrbohrungen versehen ist.
Bei bekannten Ausführungsformen von Brennkammern für Gasturbinentriebwerke wird der Brennstoff beispielsweise durch bekannte Simplex- und Duplexdüsen unter hohem Druck fein zerstäubt und in die Primärzone eingespritzt, wo er aufbereitet, d.h. in einen dampfförmigen Zustand übergeführt wird, um schließlich zu verbrennen oder er gelangt mittels Luftzerstäuberdüsen in die Primärzone, wobei dem Brennstoff meist schon innerhalb der Düse Luft zugemischt wird, um den Aufbereitungsprozeß zu verkürzen.
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Bekannt ist auch die Brennstoffzuführung und Aufbereitung mittels verschiedener Arten sogenannter "Verdampfer-Brenner", in denen der Brennstoff aufgrund einer vom Verbrennungsprozeß verursachten hohen Wandtemperatur und der Strömungsverhältnisse im Brenner in einen gasförmigen Zustand übergeführt und mit Luft vorgemischt wird.
Allen diesen bekannten Brennstoffeinspritz- und Aufbereitungssystemen ist jedoch zu eigen, daß die Verbrennung mehr oder weniger von einem Punkt ausgeht, so daß sich ohne erzwungene Mischvorgänge und entsprechende Einrichtungen hierzu bei der Brennkammer kein gleichmäßiges Temperaturaustrittsprofil einstellt.
Veiter erfordert diese Art von punktweiser Brennstoffeinspritzung relativ lang bauende Brennkammern, um eine räumlich gleichmäßige Brennstoffaufbereitung und damit gleichmäßige Verbrennung zu erhalten oder aber erfordert einen ausgeprägten starken Primärzonenwirbel von Kraftstoff- und Luftanteilen, um schon in der Primärzone eine relativ gleichmäßige Verbrennung zu erzwingen, was jedoch mit erhöhten Druckverlusten verbunden ist, welche wiederum zu Leistungsverlusten des Triebwerkes führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile, welche bei den vorgenannten Einrichtungen zur Zuführung und Aufbereitung des Brennstoffes entstehen, zu beseitigen und eine
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derartige Einrichtung zu schaffen, welche eine gegenüber Be- kanntem erheblich geringere Einbaulänge der Brennkammer zugunsten eines verminderten Einbauvolumens und damit des Gewichts eines Gasturbinentriebwerkes gewährleisten soll, wobei weiter durch optimale Aufbereitung des Brennstoff-/Luftgemisches ein gleichförmigeres Temperaturprofil am Brennkammeraustritt erzielbar sein soll.
Veiter soll die Einrichtung eine gegenüber Bekanntem höhere Brennkammerbelastung ermöglichen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff mittels von oben oder seitlich in die Primärluftzufuhrbohrungen ragender Brennstoffröhrchen zuführbar ist.
Die Erfindung sowie dieselbe weiter ausgestaltende Merkmale sind anhand der Zeichnungen nachfolgend beispielsweise weiter erläutert; in den Zeichnungen ist
Fig. 1 der Mittellängsschnitt eines Brennkainmerabschnittes für eine erste Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 2 der Mittellängsschnitt eines Brennkammerabschnittes für eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 der Mittellängsschnitt eines Brennkammerab-
schnittes für eine dritte Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 4 der Mittellängsschnitt eines Brennkammerabschnittes in einer vierten Ausführungsform.
Die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Brennkammern bestehen im wesentlichen aus einem Außengehäuse 1 mit einem darin angeordneten Flammrohr 2. Die Wandungen des Außengehäuses 1 und des Flammrohres 2 sind koaxial zur Mittellängsachse eines in den Zeichnungen nicht weiter dargestellten Gasturbinentriebwerkes verlaufend angeordnet und stellen somit in sich geschlossene Kingbrennkammern dar.
Die Erfindung ist durchaus auch bei Einzelbrennkaicmem anwendbar, von denen mehrere aus Außengehäuse und darin eingesetztem Flammrohr bestehend, in gleichmäßigen Abständen zueinander koaxial zur Triebwerkslängsachse angeordnet sind oder bei kombinierten Ring-/Rohrbrennkaminern, bei denen z.B. mehrere koaxial zur Triebwerksachse angeordnete. Einzelflammrohre innerhalb eines gemeinsamen ringförmigen Außengehäuses angeordnet sind.
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Gemäß Fig. 1 gelangt die von einem in den Zeichnungen nicht vreiter dargestellten Verdichter eines Gasturbinentriebwerkes komprimierte Luft über einen Eintrittsdiffusor 3 der Ringbrennkammer in Pfeilrichtung F in den zwischen Außengehäuse 1 und Flammrohr 2 gebildeten Ringraum 4.
Ein Teil der Verdichterluft strömt in Pfeilrichtung G über Primärluftzufuhrbohrungen 5, 6 als Primärluft in das Flammrohr 2, ein weiterer Teil dieser Verdichterluft strömt über weiter stromabwärts im Flammrohr 2 angeordnete Öffnungen 7> 8 in Richtung der Pfeile H bzw. K in das Flammrohr 2 als Sekundärluft bzw. zum Zwecke der Wandkühlung des Flammrohrs. Die Primärluftzufuhrbohrungen 55 6 sind mit gleichmäßigen Abständen sowie jeweils einander gegenüberliegend, über den gesamten Umfang des Flammrohrs 2 verteilt angeordnet.
Ein noch verbleibender Teil der Verdichterluft (Pfeil L) kann z.B. im Bereich des stromabwärtigen Endes der Ringbrennkammer in das Flammrohr 2 eingebracht werden, um die Brennkammeraustritt st emperatur etwas herabzusetzen, bzw. um ein gewünschtes Temperaturprofil am Brennkammeraustritt in radialer sov/ie in Umfangsrichtung zu erzeugen. Von der der Brennkammer insgesamt zugeführten Verdichterluft entfallen ca. 25 % auf den Primärluftanteil.
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Im Rahmen der erfindungsgernäßen Einrichtung zweigen von einer ringförmigen BrennstoffSammelleitung 9 Brennstoffröhrchen 1ο, 11 ab, die mit Jeweiliger Austrittsöffnung 12, 13 hier von
oben in die trichterförmig sich verengenden Primärluftzufuhrbohrungen 5, 6 so hineinragen, daß die Austrittsöffnungen 12, 15 unmittelbar an oder etwas hinter demjenigen Wandabschnitt
51 bzw. 61 einer Primärluftzufuhrbohrung 5» 6 liegen, der die geringste Entfernung zur stromaufwärtigen Brennkammerabschlußwand 14· aufweist.
Die während des Triebwerksbetriebes unter relativ hohem Druck über die Primärluftzufuhrbohrungen 5, 6 zugeführten Primärluftstrahlen (Pfeile G) treffen jeweils im Bereich, der Flaiamrohrmitte aufeinander und bilden im stromaufwärtigen Flammrohrbereich die durch Pfeile P gekennzeichneten Rotationswirbel,
während der verbleibende Anteil der über die Primärluftzufuhrbohrungen 5, 6 zugeführten Verdichterluft etwa den durch die
Pfeile R gekennzeichneten Verlauf nimmt, wodurch insbesondere dem mittigen Flammrohrbereich Mischluft zugeführt wird.
Die unter relativ h.ohem Druck zugeführte Primärluffc (Pfeilfolge G, P) reißt somit den unter relativ niedrigem Druck zugeführten Brennstoff (Pfeile B) mit, und zwar so, daß der Brennstoff im wesentlichen innerhalb der diesen umgehenden Primärluft eingebettet wird.
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In der beschriebenen Weise erfolgt auch das Zusammenspiel der über die Primärluftzufuhrbohrungen 6 zugeführten Brennstoff-/ Luftanteile.
Die dargestellte und beschriebene Brennstoff-/Luftzuführung (Pfeile G, P, B) bietet ausgezeichnete Voraussetzung für eine innige, intensive Vermischung der Primärluft mit den zugeführten Brennstoff, zumal eine relativ große Mischoberfläche zwischen der zugeführten Verdichter luft und dem zugeführten Brennstoff erzielt werden kann. In diesem Zusammenhang wirkt sich auch die stets gegebene Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der über die Primärluftzufuhrbohrungen 5> 6 zugeführten Verdichterluft, beispielsweise 5o m/sek., gegenüber dem jeweils z.B. mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/sek. zugeführten Brennstoff günstig aus.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung entstehen also pro zwei Primärluftzufuhrbohrungen 55 6, zwei aus intensiv aufbereitetem Brennstoff-/Luftgemisch nach der Pfeilfolge G, P, B gebildete Rotationswirbel, welche im wesentlichen die gesamte Zone zwischen der gewölbten, stromaufwärtigen Brennkammerabschlußwand 14 und den Primärluftzufuhrbohrungen 5, 6 ausfüllen.
Zur Erzielung einer sich u.a. gleichmäßig über den gesamten Umfang der Brennkammer ausbreitenden Flammenfront ist es dabei vorteilhaft, daß die aus Brennstoff- und Luftanteilen zusammen-
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gesetzten Wirbel so dicht beieinander liegen, daß sie - in radialer sowie in Umf.angsrichtung der Brennkammer gesehen miteinander zusammenprallen.
Im Bereich, in dem die Strahlen aufeinandertreffen, liegt die Zone höchster Turbulenz, die gemäß der Erfindung zur Brennstoffaufbereitung und Flamicenstabilisierung mit verwendet wird.
Aufgrund der durch die Pfeile G, P und B definierten Luft-/Brennst off zuführung kann weiterhin die stromaufwärtige Brennkammerabschlußwand 14 relativ kühl gehalten werden. Durch die gleichmäßige Brennstoffverteilung werden gemischreiche Zonen, die zu C-(Kohlenstoff)Bildung führen, verhindert und es kann weiterhin die Ablagerung von Brennstoffteilchen an der Brennkammerabschlußwand 14 weitestgehend vermieden werden, wodurch die Gefahr sich gegebenenfalls einstellender Verkokung von Brennstoffteilchen und damit auch die Gefahr etwaiger Rußbildung weitestgehend ausgeschaltet ist.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß (aufgrund der Ausnutzung der gesamten Rezirkulationslänge) auf kurzem axialen Wege eine intensive Aufbereitung der zugeführten Brennstoff-/Luftanteile erfolgen kann im Interesse einer "kurz-bauenden" Brennkammer, ohne auf sonst bei Brennkammern übliche mechanische Einrichtungen zur Wirbelerzeugung und Flammenstabilisierung (Flammenhalter) angewiesen zu sein.
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Insbesondere im Hinblick auf Fig. 1 besteht ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung darin, eine herkömmliche Brennkammer ohne nennenswerten konstruktiven Aufwand auf
die beschriebenen Einrichtungen umzurüsten, wobei hier allerdings im wesentlichen nur der Vorteil eines verbesserten Verbrennungsprozesses zum tragen käme, hingegen der Vorteil der
Baulängenreduzierung der Brennkammer nicht geltend gemacht
werden könnte.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung wird darin gesehen, daß die Brennstoffzuführung ohne die bei herkömmlichen Einspritzsystemen erforderlichen Zerstäubungsdüsen erfolgen kann und, daß problemlos große Brennstoff mengenverhaltnisse verarbeitet werden können,, die in der Praxis bei modernen Triebvierken zwischen 1 : 3o und 1 : 4o
liegen.
Unter Anwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Teile sind dann die Fig. 2 bis 4 Abwandlungen von Fig. 1 im Rahmen weiterer die Erfindung ausgestaltender Merkmale.
Dabei ist in Fig. 2 das Flammrohr 2 - in an sich bskannter
V/eise u.a. zur Verminderung der Wärme ab strahlung nach außen hier im stromaufwärtigen Bereich mit einer zusätzlichen Innenwand 15 ausgekleidet.
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Die Brennstoffröhrchen 1o, 11 sind in Pig. 2 in den jeweiligen Zwischenraum zwischen Flammrohr 2, "bzw. Flammrohrabschlußwand 14 und Innenwand 15 verlegt und von der Seite in den trichterförmig sich verengenden Bereich der Primärluftzufuhrbohrungen 5, 6 geführt, wobei dies hier der Einfachheit halber nur auf eine Primärluftzufuhrbohrung 5 bezogen dargestellt ist.
Der Einbau der Brennstoffzufuhrröhrchen 16, 11 könnte hierbei zusammen mit dem Herstellungsprozeß der Brennkammer erfolgen. Durch die in das Flammrohr 2 einbezogene Anordnung der Brennstoffröhrchen 1o, 11 ergibt sich weiterhin der Vorteil, den Brennstoff vorzuwärmen und in gasförmigem Zustand in das Flammrohr 2 einzublasen, wodurch der Aufbereitungsprozeß des Brennstoffe/Luft gemisches weiter intensiviert werden kann.
Gemäß Fig. 3 können den Primärluftzufuhrbohrungen, z.B. 5» koaxial zu diesen verlaufende Ringkörper 16 zugeordnet sei», welche hier außen am Flammrohr 2 befestigt und mit einem Leitungsanschlußstück 17 zur Verbindung mit einem Brennstoffröhrchen 1o versehen sind, und in welche weiter ein gewölbtes, in das Flammrohr hineinragendes Leitblech 17' eingebaut ist.
Abweichend von Fig. 3 ist in Fig. 4 der Ringkörper 16 innerhalb des Flammrohrs 2 angeordnet und zusätzlich mit einer geraden Prallplatte 18 versehen. Diese Prallplatte 18 soll - ebenso
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wie das Leitblech 17' (Fig· 3) - verhindern, daß der zugeführte Brennstoff die diesen außen umbettenden Luftstrahlen (Pfeile G, P) durchschlägt, was sonst eine unerwünschte Brennstoffanreicherung der am Verbrennungsprozeß nicht beteiligten Zumischluft (Pfeile R, H, K) zur Folge haben könnte.
Bei den Einrichtungen nach Fig. 2 bis 4 ist im übrigen die zu Fig. 1 bereits ausführlich erläuterte Zuführung und Aufbereitung der Luft-/Brennstoffanteile (Pfeile G, P, B) zugrunde zu legen, wobei allerdings im Unterschied zu Fig. 1 der Brennstoff gegen die zugeführte Primärluft gerichtet, über die Austrittsöffnungen 12, 13 entweicht.
Wie in Fig. 4 gestrichelt angedeutet, kann die jeweilige Brennstofi Sammelleitung 9 einer Brennkammer mittels eines aerodynamisch günstig ausgebildeten, schaufelähnlichen Profils 19 verkleidet sein.
Auch bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2, 3 "und 4 ist es für die Realisierung des Erfindungsgedankens wesentlich, daß die Brennstoffröhrchen Io, 1.1 (Fig. 2) bzw. 1? (Fig. 3 und 4) kaum mehr als mit deren jeweiliger Brennstoffaustrittsöffnung, z.B. 12, in die Primärluftzufuhrbohrungenf-
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z.B. 5, seitlich hereinragen, um die angestrebte Einbettung des Brennstoffes (Pfeile B) innerhalb der Priniarluftstrahlen (Pfeile G, P) zu erzielen.
Im Rahmen der Erfindung wäre es überdies denkbar, mittels der Brennstoffzufuhrröhrchen Ίο, 11, 17 flüssigen oder gasförmigen Brennstoff oder ein Brennstoff-/Luftgemisch zuzuführen.
T- 394-14.8.1973
509810/0056

Claims (1)

  1. MOTOREN- IMD TURBINEN-ÜNIOl·:
    MOiICHEN GMBH.
    V2> · 2341
    München, den 14. August 1973
    Patentansprüche
    Λ Λ Einrichtung zur Zuführung und Aufbereitung des Brennstoffes an Brennkammern für Gasturbinentriebwerke, wobei das jeweilige Flammrohr einer Brennkammer mit im stromaufwärtigen Bereich gleichmäßig am Umfang verteilt angeordneten, beidseitig gegen die Flammrohrmitte gerichteten Primärluftzufuhrbohrungen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff mittels von oben oder seitlich in die Primärluftzufuhrbohrungen (5, 6) ragender Brennstoffröhrchen (1o, 11, 17) zuführbar ist.
    2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (12, 13) der Brennstoffröhrchen (1o, 11) unmittelbar an oder nur geringfügig hinter dem der stromaufwärtigen Brennkammerabschlußwand (14) am nächsten liegenden Wandabschnitt einer jeden Primärluftzufuhrbohrung (5,6)
    angeordnet sind.
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    23419(K
    3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffröhrchen (1o, 11) bzw. mit diesen verbundene Zuleitungen (17) in das Flammrohr (2) eingebaut (Fig. 2) oder außerhalb desselben entlanggeführt sind (Fig. 1, 5, 4).
    4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffröhrchen, deren Leitungsanschlüsse oder zumindest ein Abschnitt der jeweiligen Brennstoffzuleitung (17) in koaxial zu den Primärluftzufuhrbohrungen (5, 6) angeordnete Ringkörper (16) eingebaut sind.
    5· Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkörper (16) außerhalb oder innerhalb des Flammrohrs (2) angeordnet oder zusammen mit diesem hergestellt sind.
    6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmquerschnitte der jeweiligen Ringkörper (16) sich in bekannter Weise in Richtung der Primärluftströmung von außen und innen trichterförmig verengend ausgebildet sind.
    7. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Brennstoffaustrittsoffnung (12, 13) und der jeweiligen Quermittel-
    14.8.1973 - 3 -
    509810/0056
    ebene einer Prima^rluftzufuhrbohrung (5, 6) eine im wesentlichen parallel dazu verlaufende, ins Flammrohr (2) hineinragende Prallplatte (18) angeordnet ist.
    8. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (18) jeweils Bestaidteil der vorgenannten Ringkörper (16) ist.
    9. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Prallplatte ein gewölbtes Leitblech (17') vorgesehen ist.
    14.8.1975
    509810/0056
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