DE2341904B2

DE2341904B2 - Brennkammer für Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2341904B2
Application number: DE2341904A
Authority: DE
Inventors: Adolf 8031 Puchheim Fehler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1973-08-18
Filing date: 1973-08-18
Publication date: 1978-07-27
Also published as: FR2241005A1; DE2341904C3; GB1475707A; JPS5824694B2; US3968644A; DE2341904A1; JPS5049512A; FR2241005B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, mit einen Außengehäuse, einem darin eingesetzten Flammrohr, dem von einem zwischen diesem und dem Außengehäuse gebildeten Ringraum aus Primär- sowie Mischluft zugeführt wird und das in stromaufwärtigen Bereich mehrere jeweils seitlich einander gegenüberliegende Luftzufuhröffnungen aufweist, denen jeweils ein Brennstoffröhrchen für die gleichzeitige Zufuhr von Brennstoff zum Primärluftanteil zugeordnet ist, und mit einer — im Meridianschnitt gesehen — halbkreisförmig nach außen gewölbten Flammrohrstirnwand.

Eine derartige Brennkammer ist aus der US-PS 29 26 495 bekannt.

Bei dieser bekannten Brennkammer sind die Brennstoffröhrchen zentraler Bestandteil von Brennstoffeinspritzdüsen, die radial innerhalb des Ringraums zwischen dem Außengehäuse und dem Flammrohr der Brennkammer angeordnet sind, wobei der zentrale Düsenkörper dieser Einspritzdüsen von jeweils zwei gegen die Luftströmung im Ringraum geöffneten, gegeneinander abgeschirmten Luftführungskanälen fast gänzlich ummantelt ist, die mit dem Flammrohrinneren in Verbindung stehen.

Aufgrund der sich hierdurch im Betrieb der Brennkammer innerhalb des Flammrohrs ausbildenden Druckluftschleier soll einerseits bei Verwendung besonderer Brennstoffsorten eine Zersetzung des Brennstoffs sowie andererseits die Ablagerung von Kraftstoffresten, die zu einer Verkokung der Düse führen könnten, verhindert werden.

Fernerhin soll dann anhand dieser Brennstoffdüsenausbildung bei der vorliegenden bekannten Brennkammer der Brennstoff aufgrund des von den jeweils äußeren Luftschleiern verursachten Mitreißeffektes möglichst gegen die Brennkammermitte hin zugeführt werden können, um die beim Verbrennungsprozeß verursachten hohen Temperaturen von der Flammrohrwand bzw. den Einspritzdüsenmündungen fernhalten zu können.

Mit der vorliegenden bekannten Brennkammer wird demnach keinerlei Beitrag zur Optimierung des Verbrenungsprozesses unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Forderung nach einer möglichst kurz bauenden Primärzone der Brennkammer geleistet.

Eine andere bekannte Lösung (US-PS 29 79 899) behandelt eine in erster Linie zur Nachverbrennung von Triebwerksabgasen vorgesehene Verbrennungseinrichtung, bei welcher Einbauten zur Zuführung des Brennstoff-Luftgemisches in ein Nachbrennerstrahlrohr· hineinragen, also das Brennstoff-Luftgemisch in den Abgasstrahl des Gasturbinenstrahltriebwerks eingebracht und hierbei der Brennstoff unter verhältnismäßig hohem Druck zugeführt werden soll, und zwar mittels zentral, gegen sowie seitlich in den Hauptstrom gerichteter Brennstoffeinspritzdüsen, von denen die letzteren, mit »Luftunterstützung« arbeitend, auch in Rohrführungen eingebaut sein können, die mit den vorgenannten Einbauten für die Zuführung des Brennstoff-Luftgemisches in Verbindung stehen.

Auf Grund der verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit des Abgasstrahls dürfte sich bei dieser bekannten Verbrennungseinrichtung eine stabile Nachverbren-

nung nur mittels zusätzlicher in die Abgasströmung eingebauter Flammhalter oder dergleichen erreichen lassen.

Die bekannte Verbrennungseinrichtung vermittelt im übrigen keinerlei Anregung zur Schaffung einer räumlich kurzen und gleichzeitig homogenen Verbrennung für eine Triebwerkshauptbrennkammer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer nach der eingangs genannten Art gegenüber Bekanntem so zu verbessern, daß sie unter Inanspruchnahme einer verhältnismäßig geringen Primärzonenlänge eine intesive Aufbereitung der zugeführten Brennstoff-Luftanteile erzielen lassen soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Luftzufuhröffnungen unmittelbar stromab der Flammrohrstirnwand in den seitlichen Wandabschnitten des Flammrohrs angeordnet sind und die Austrittsöffnungen der Brennstoffröhrchen — bezogen auf die Hauptströmungsrichtung — geringfügig stromab dem der Flammrohrstirnwand am nächsten liegenden Wandabschnitt einer jeden Luftzufuhröffnung in letztere einmünden, wobei die Anordnung derart ist, daß sich bei Zusammentreffen der über die Luftzufuhröffnungen mit relativ hoher Geschwindigkeit gegeneinander gerichteten Luftstrahlen etwa von der Flammrohrmitte aus gegen die Flammrohrstirnwand rezirkulierende Primärzonenwirbel bilden, in welche der unter relativ niedrigem Druck zugeführte Brennstoff eingebettet und mit der Pirmärluft vermischt wird, während der verbleibende Anteil der Luftstrahlen im Bereich der Flammrohrmitte als Mischluft in die Richtung der Hauptströmung abgelenkt wird, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Luftstrahlen ca. 50 m/s, hingegen diejenige des zugeführten Brennstoffs ca. 1 m/s beträgt.

Es ergibt sich hierbei auf äußerst kurzem Raum — unter Ausnutzung der gesamten Rezirkulationslänge der Primärzonepwirbel — eine relativ große Mischoberfläche zwischen zugeführtem Brennstoff und dem Primärluftanteil und somit eine äußerst intensive Brennstoff-Luftvermischung, ohne auf die bei bekannten Brennkammern üblichen mechanischen Flammstabilisatoren angewiesen zu sein, wobei die Primärzone der Brennkammer — unter Einbeziehung des von der Flammrohrstirnwand umschlossenen Flammrohrvolumens — unmittelbar hinter den Luftzufuhrbohrungen, die unmittelbar stromab der Flammrohrstirnwand im Flammrohr angeordnet sind, enden soll. Die räumlich verhältnismäßig kurz bauende Primärzone führt weiter zu einer Brennkammer mit verhältnismäßig geringer axialer Längenerstreckung und dementsprechend vermidertem Eigengewicht.

Als weiterer wesentlicher Vorteil bei der angegebenen Lösung ist die sofort beim Eintritt ins Flammrohr erfolgende Aufheizung der Brennstoff-Luftanteile hervorzuheben, und zwar anhand der seitlich der Luftzufuhrbohrungen in Richtung der Hauptströmung entweichenden Verbrennungsgase, wodurch der Aufbereitungsprozeß des Brennstoff-Luftgemisches weiter intensiviert wird.

Die bei der Lösung nach der Erfindung angeführte Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den über die Luftzufuhrbohrungen zugeführten Luftstrahlen und den über die Brennstoffröhrchen zugeführten Brennstoff verursacht u.a. ein zielgerechtes Mitreißen des Brennstoffes von den Luftstrahlen bis in die infolge Zusammenpralls der letzteren erzeugten Primärzonenwirbel hinein, wodurch der gewünschten optimalen Aufbereitung der zugeführten Brenvistoff-Luftanteile im Interesse einer möglichst homogenen Verbrennung weiter Rechnung getragen werden soll.

Infolge der mit verhältnismäßig hoher Gewchwindigkeit entlang der Flammrohrstirnwand zirkulierenden Primärzonenwirbel sollen weiter sich infolge von Brennstoffablagerungen an der Flammrohrstirnwand gegebenenfalls einstellende Verkokungen, die zur Rußbildung Anlaß geben könnten, ausgeschaltet werden können. Ferner soll der gesamte Aufbereitungsprozeß der zugeführten Brennstoff-Luftanteile die Ausbildung gemischreicher Zonen, die zu erhöhter Kohlenstoffbildung Anlaß geben könnten, weitestgehend ausschließen.

Auch bezüglich der aus dem Verbrennungsprozeß resultierenden Werte am Stickoxyden (NO») sowie unverbrannten Kohlenwasserstoffen (C»H_y) läßt die angegebene Lösung verhältnismäßig geringe Schadstoffemissionen erwarten.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Brennkammer wird darin gesehen, daß die Brennstoffzuführung ohne die bei herkömmlichen Einspritzsystemen erforderlichen Zerstäubungsdüsen erfolgen kann, so daß verhältnismäßig problemlos große Brennstoffmengenverhältnisse verarbeitet werden können sollen, die in der Praxis bei modernen Gasturbinenstrahltriebwerken zwischen 1 :30undl :40 liegen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung nachfolgend beispielsweise weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Ringbrennkam-

Vi mer in einer ersten Ausführungsform einschließlich einer Veranschaulichung des sich in der Primärzone des Flammrohrs ergebenden Strömungsbildes der zugeführten Brennstoff-Luftanteile,

F i g. 2 eine ebenfalls als Teillängsschnitt dargestellte, jedoch hauptsächlich hinsichtlich der Anordnung der Brennstoffröhrchen gegenüber F i g. 1 weiter abgewandelte Ausführungsform der Ringbrennkammer,

Fi g. 3 eine ebenfalls als Teillängsschnitt dargestellte, jedoch hauptsächlich hinsichtlich der Anordnung der Brennstoffröhrchen gegenüber Fig. 1 und 2 weiter abgewandelte Ausführungsform der Ringbrennkammer und

F i g. 4 eine ebenfalls als Teillängsschnitt dargestellte, jedoch hauptsächlich hinsichtlich der Anordnung der

Brennstoffröhrchen gegenüber Fig. 1, 2 und 3 weiter abgewandelte Ausführungsform der Ringbrennkammer.

Die Ringbrennkammern nach F i g. 1 bis 4 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.
Gemäß F i g. 1 soll die von einem Verdichter des

bo Gasturbinentriebwerks geförderte komprimierte Luft (Pfeilrichtung F) über einen Eintrittsdiffusor 3 der Ringbrennkammer dem zwischen dem Außengehäuse 1 und dem Flammrohr 2 gebildeten Ringraum 4 zugeführt werden. Im Betrieb der Ringbrennkammer soll weiter

to vom Ringraum 4 aus ein Teil der Verdichterluft gemäß Pfeilrichtung C als Primärluft über Luftzufuhröffnungen 5, 6 des Flammrohrs in die Primärzone eingebracht werden. Ein weiterer Teil dieser Verdichterluft kann aus

dem Ringraum 4 über stromabwärtig im Flammrohr 2 angeordnete öffnungen 7, 8 in Richtung der Pfeile H bzw. K dem Flammrohr 2 als Sekundärluft bzw. zum Zwecke der Wandkühlung zugeführt werden. Die Luftzufuhröffnungen 5, 6 sollen jeweils einander gegenüberliegend in den oberen und unteren seitlichen Wandabschnitten des Flammrohrs 2 angeordnet sein.

Aus dem Ringraum 4 kann noch Verdichterluft (Pfeil L) im Bereich des stromabwärtigen Ringbrennkammerendes dem Flammrohr 2 zugeführt werden, um die Brennkammeraustrittstemperatur etwas herabzusetzen, bzw. um ein möglichst gleichförmiges Temperaturprofi! am Brennkammeraustritt in radialer sowie in Umfangsrichtung zu erzeugen.

Von der der Ringbrennkammer insgesamt zuzuführenden Verdichterluft sollen etwa 25% auf den Primäluftanteil entfallen.

Wie aus F i g. 1 weiter ersichtlich ist, zweigen von einer ringförmigen Brennstoffsammelleitung 9 Brennstoffröhrchen 10, 11 ab, die mit ihren Austritttsöffnungen 12, 13 in die trichterförmig sich verengenden Luftzufuhröffnungen 5, 6 so hineinragen, daß deren Austrittsöffnungen 12,13 — bezogen auf die Hauptströmungsrichtung — geringfügig stromab dem der Flammrohrstirnwand 14 am nächsten liegenden Wandabschnitt 5', 6' einer jeden Luftzufuhröffnung 5, 6 in letztere einmünden.

Die Anordnung ist hierbei derart, daß sich beim Zusammentreffen der über Luftzufuhröffnungen 5, 6 unter hohem Druck mit relativ hoher Geschwindigkeit (ca. 50 m/s) gegeneinander gerichteten Luftstrahlen etwa von der Flammrohrringmittelebene aus gegen die Flammrohrstirnwand 14 rezirkulierende Primärzonenwirbel P bilden, in welche der unter relativ niedrigem Druck und mit verhältnismäßig niedriger Strömungsgeschwindigkeit (ca. 1 m/s) zugeführte Brennstoff B eingebettet und mit der Primärluft vermischt wird, während der verbleibende Anteil R der Luftstrahlen im Bereich der Flammrohrmitte als Mischluft in die Richtung der Hauptströmung abgelenkt werden soll.

Bei der beschriebenen Anordnung entstehen also aus intensiv aufbereitetem Brennstoff-Luftgemisch gebildete Primärzonenwirbel, welche im wesentlichen die gesamte Zone zwischen der — im Meridialschnitt gesehen — halbkreisförmig nach außen gewölbten Flammrohrstirnwand 14 und den Luftzufuhröffnungen 5,6 ausfüllen.

Zur Erzielung einer sich u.a. gleichmäßig über den gesamten Umfang der Ringbrennkammer ausbreitenden Flammenfront ist es dabei vorteilhaft, daß die aus den zugeführten Brennstoff- und Luftanteilen zusammengesetzten Rotationswirbel so dicht beieinander liegen, daß sie — in radialer sowie in Umfangsrichtung der Ringbrennkammer gesehen — miteinander zusammenprallen.

In dem Bereich, in dem die über die Luftzufuhröffnungen 5,6 zugeführten Luftstrahlen G. R aufeinandertref fen, liegt die Zone höchster Turbulenz, die zur Brennstoffaufbereitung und Flammenstabilisierung mit verwendet werden soll.

Aufgrund der durch die Pfeile G, P und B definierten Brennstoff-I.uftzufuführung kann weiterhin die Flammrohrstirnwand 14 relativ kühl gehalten werden.

Insbesondere im Hinblich auf F^:ig. 1 besteht die Möglichkeit, eine herkömmliche Brennkammer im erfindungsgemäßen Sinne umzurüsten, wobei hier allerdings im wesentlichen nur der Vorteil eines verbesserten Verbrennungsprozesse«, zum tragen käme, hingegen der Vorteil einer Baulängenreduzierung det Brennkammer nicht geltend gemacht werden könnte.

Unter Anwendung gleicher Bezugszeichen für irr wesentlichen unveränderte Teile sind dann die Fig. 1 bis 4 Abwandlungen von F i g. 1 im Rahmen weiterer die Erfindung ausgestaltender Merkmale.

Dabei ist in F i g. 2 das Flammrohr 2 u. a. zur Verminderung der Wärmeabstrahlung nach außen irr Bereich der Flammrohrstirnwand 14 mit einer zusätzli-

ίο chen Innenwand 15 ausgekleidet.

Die Brennstoffröhrchen 10, 11 sind in Fig.2 in der Zwischenraum zwischen der Flammrohrstirnwand 14 und Innenwand 15 verlegt und von der Seite in der trichterförmig sich verengenden Bereich der Luftzufuhröffnungen geführt, wobei dies hier der Einfachheil halber nur auf die Luftzufuhröffnung 5 bezoger dargestellt ist.

Der Einbau der Brennstoffröhrchen 10,11 könnte irr übrigen zusammen mit dem Herstellungsprozeß dei Brennkammer erfolgen. Durch die in das Flammrohr ί einbezogene Anordnung der Brennstoffröhrchen 10,11 ergibt sich derVorteil, den Brennstoff vorzuwärmen unc so in gasförmigem Zustand in das Flammrohr Ί einzublasen, wodurch der Verbrennungsprozeß intensi viert werden kann.

Gemäß F i g. 3 kann den Luftzufuhröffnungen, hiei z. B. der Luftzufuhröffnung 5, ein koaxial zu diesel verlaufender Ringkörper 16 zugeordnet sein, welche: hier außen am Flammrohr 2 befestigt und mit einerr

jo Brennstoffröhrchen 17 versehen ist, dessen Austrittsöff nung 12 gegen ein in den Ringkörper 16 eingebautes unc in das Flammrohr 2 hineinragendes, gewölbtes Leit blech 17'gerichtet ist.

Abweichend von Fig.3 ist in Fig.4 der Ringkörpei

S5 16 innerhalb des Flammrohrs 2 angeordnet und mi einer geraden, parallel zur Quermittelebene dei Luftzufuhröffnung 5 verlaufenden, in das Flammrohr I hineinragenden Prallplatte 18 versehen. Diese Prallplat te 18 soll — ebenso wie das Leitblech 17' (F i g. 3) — verhindern, daß der zugeführte Brennstoff die über dif Luftzufuhröffnungen 5, 6 ins Flammrohr 2 einströmen den Luftstrahlen G, Λ (Fig. 1) bzw. die Primärzonen wirbel P durchschlägt, was sonst eine unerwünschte Brennstoffanreicherung der am Verbrennungsprozef.

nicht beteiligten Zumischluft (Pfeile R, H, K) zur Folge haben könnte.

Bei den Ringbrennkammern nach Fig.2 bis 4 ist in übrigen die zu Fig. 1 bereits ausführlich erläuterte Zuführung und Aufbereitung der Brennstoff-Luftanteile zugrunde zu legen, wobei allerdings im Unterschied zi Fig. 1 der Brennstoff gegen die zugeführte Primärluf gerichtet, über die Austrittsöffnungen 12,13 entweicher soll.

Wie in Fig.4 gestrichelt angedeutet, kann die jeweilige Brennstoffsammelleitung 9 der Ringbrenn kammer mittels eines aerodynamisch günstig ausgebil deten, schaufelähnlichen Profils 19 verkleidet sein.

Auch bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2, ; und 4 ist es wesentlich, daß die Brennstoffröhrchen 10

Wi 11 (Fig. ) bzw. 17 (Fig.3 und 4) kaum mehr als mi deren jeweiliger Brennstoffaustrittsöffnung, z. B. 12, ii die Luftzufuhröffnungen, z. B. 5, seitlich hereinragen, urr u. a. die angestrebte Einbettung des Brennstoffe: innerhalb der Primärluftstrahlen, bzw. Primärzoncnwir

H5 bei, zu erzielen.

Es besteht ferner die Möglichkeit, mittels de; Brcnnstoffzufuhrröhrchcn 10, 11, 17 ein Brennstoff Luftgemisch zuzuführen.

Die Erfindung ist durchaus auch bei Einzelbrennkammern anwendbar, von denen mehrere, aus einem Außengehäuse und darin eingesetztem Flammrohr bestehend, in gleichmäßigen Abständen zueinander koaxial zur Triebwerkslängsachse angeordnet sind oder bei kombinierten Ring-/Rohrbrennkammern, bei denen z. B. mehrere koaxial zur Triebwerksachse angeordnete Einzelflammrohre innerhalb eines gemeinsamen ringförmigen Außengehäuses angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, mit einem Außengehäuse, einem darin eingesetzten Flammrohr, den von einem zwischen diesem und dem Außengehäuse gebildeten Ringraum aus Primär- sowie Mischluft zugeführt wird und das im stromaufwärtigen Bereich mehrere jeweils seitlich einander gegenüberliegende Luftzuführöffnungen ι ο aufweist, denen jeweils ein Brennstoffröhrchen für die gleichzeitige Zufuhr von Brennstoff zum Primärluftanteil zugeordnet ist, und mit einer — im Meridianschnitt gesehen — halbkreisförmig nach außen gewölbten Flammrohrstirnwand, dadurch '5 gekennzeichnet, daß die Luftzufuhröffnungen (5,6) unmittelbar stromab der Flammrohrstirnwand (14) in den seitlichen Wandabschnitten des Flammrohrs (2) angeordnet sind und die Austrittsöffnungen (12, 13) der Brennstoffröhrchen (10, 11) - bezogen auf die Hauptströmungsrichtung — geringfügig stromab dem der Flammrohrstirnwand an nächsten liegenden Wandabschnitt einer jeden Luftzufuhröffnung in letztere einmünden, wobei die Anordnung derart ist, daß sich beim Zusammentreffen der über die Luftzufuhröffnungen (5, 6) mit relativ hoher Geschwindigkeit gegeneinander gerichteten Luftstrahlen etwa von der Flammrohrmitte aus gegen die Flammrohrstrinwand (14) rezirkulierende Primärzonenwirbel (P) bilden, in welche der unter J<> realtiv niedrigem Druck zugeführte Brennstoff eingebettet und mit der Primärluft vermischt wird, während der verbleibende Anteil (R) der Luftstrahlen im Bereich der Flammrohrmitte als Mischluft in die Richtung der Hauptströmung abgelenkt wird, 'J5 wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Luftstrahlen (G, R) ca. 50 m/s, hingegen diejeinige des zugeführten Brennstoffs ca. 1 m/s beträgt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffröhrchen (10,11) bzw. (17) außerhalb des Flammrohrs (2) entlanggeführt bzw. in diesem eingebaut sind.

3. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffröhrchen (17) zumindest teilweise in koaxial zu den i^r> Luftzufuhröffnungen (5,6) angeordnete Ringkörper (16) eingebaut sind.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkörper (16) außerhalb oder innerhalb des Flammrohrs (2) angeordnet oder zusammen mit diesem hergestellt sind.

5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmquerschnitte der jeweiligen Ringkörper (16) sich in bekannter Weise in Richtung der Luftströmung von außen und innen trichterförmig verengend ausgebildet sind.

6. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Austrittsöffnung (12) eines Brennstoffröhrchens (17) und der Quermittelebene einer Luftzufuhröffnung (5) &o eine im wesentlichen parallel zu dieser Quermittelebene verlaufende, ins Flammrohr (2) hineinragende Prallplatte (18) angeordnet ist.

7. Brennkammer nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (18) ^h"> jeweils Bestandteil der vorgenannten Ringkörper (16) ist.

8. Brennkammer nach den Ansprüchen 3 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Prallplatte ein gewölbtes Leitblech (17') vorgesehen ist.