DE2345282B2

DE2345282B2 - Verbrennungseinrichtung für Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2345282B2
Application number: DE2345282A
Authority: DE
Inventors: Robert David Etwall Derby Wood
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-09-07
Filing date: 1973-09-07
Publication date: 1981-07-02
Also published as: IT998522B; JPS49124415A; DE2345282A1; FR2199059A1; FR2199059B1; US3906718A; DE2345282C3; GB1427146A; JPS5654537B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoff-Luftzuführung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Eine solche Brennstoff-Luftzuführung ist aus der DE-OS 16 01 531 bekannt. Hierbei besteht der Ablenkkörper aus einer im Axialschnitt W-förmig ausgebildeten Platte, die am stromabwärtigen Ende des Mischrohres an diesem über radiale Streben festgelegt ist und radial nach außen weit über den Durchmesser des Mischrohres vorsteht und in diesen überstehenden Abschnitt schräg in Richtung stromauf verläuft. Mit diesem Brenner kann eine Doppel-Torusströmung in der Brennkammer erreicht werden. Aus bisher theoretisch noch nicht restlos geklärten Gründen arbeitet diese Ausbildung jedoch nicht völlig zufriedenstellend, weil die Torusströmungen nicht mit Sicherheit aufrechterhalten werden. Das Abreißen der Torusströmung führt zu einem Erlöschen der Flamme.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Doppeltoruswirbel im Betrieb sicher aufrecht zu erhalten und am Ende des Mischrohres eine konzentrierte radiale Ausströmung ohne tangentiale Komponente zu erzielen, um so die torusförmigen Wirbelströmungen im Flammrohr zu stabilisieren.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Es hat sich gezeigt, daß durch diese Ausbildung die torusförmigen Wirbelströmungen im Betrieb aufrechterhalten bleiben und hierdurch das Ausblasen unverbrannter Brennstoffteilchen wesentlich reduziert wird, was im Hinblick auf eine verminderte Umweltverschmutzung wichtig ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks;

F i g. 2 einen Axialschnitl des stromaufwärtigen Endes einer Brennkammer mit erfindungsgemäßer Brennstoff-Luftzuführung;

Fig.3 einen Schnitt nach der Linie 1I1-III gemäß Fig. 2;

Fig.4 eine vergrößerte Einzelheit eines Teils von Fig. 2.

F i g. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10, das in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß U, einen Kompressor 12, eine Verbrennungseinrichtung 13, eine Turbine 14 und eine Abgasdüse 15 umfaßt. Die Verbrennungseinrichtung 13 umfaßt eine Anzahl von getrennten im wesentlichen zylindrischen Brennkammern, von denen eine bei 16 zu erkennen ist, die am Umfang um die Achse des Strahltriebwerkes 10 in einer Weise angeordnet sind, die allgemein als eine Kanalringförmige oder »Cannular«-Anordnung bezeichnet wird.

Der Aufbau des stromauf gelegenen Teils der Brennkammer 16 ist genauer in F i g. 2 zu erkennen. Die Brennkammer 16, die zwischen den radial inneren und äußeren Wänden 17 und 18 der Ummantelung des Strahltriebwerks 10 eingefügt ist, empfängt die von dem Kompressor 12 komprimierte Luft über den Kanal 19. Ein Brennerkopf 20 der Verbrennungskammer 16 ist an dem übrigen Teil der Kammer über einen gekröpften Ring 21 befestigt. Die Mitte des Brennerkopfes 20 weist eine Öffnung zur Aufnahme einer Brennstoff-Luftzuführung 22 auf, die an dem Kopf 20 befestigt ist.

Die Brennstoff-Luftzuführung 22 liefert ein Luft-Brennstoffgemisch, das radial am Ende des Brenners in Richtung der Pfeile 99 austritt und einen ersten ringförmigen Wirbel 100 hervorruft. Dieser Wirbel 100 wird gezündet und das brennende Luft-Brennstoffgemisch wird in einen zweiten ringförmigen Wirbel 200 mitgerissen, der teilweise durch die Strömung der Brennstoff-Luftzuführung 22 und teilweise durch in die Brennkammer eintretende Mischluft erzeugt wird. Das brennende Gemisch läuft von dem zweiten Wirbel allgemein stromab zum Ausgang der Brennkammer.

Die Brennstoff-Luftzuführung 22 besitzt einen Mantel 23, in dem ein Mischrohr 24 befestigt ist. Das stromauf gelegene Ende des Mantels 23 enthält einen primären konvergierenden Lufteinlaß 25 und eine Vielzahl von Luftlöchern 26. Das Mischrohr 24 ist in dem Mantel derart befestigt, daß Luft von dem primären Lufteinlaß 25 in das Rohr 24 eintritt, während Luft von den Löchern 26 entlang der äußeren Oberfläche des Rohres

24 läuft.

Das Mischrohr 24 weist ein lippenartig aufgeweitetes Ende 27 auf und trägt über fünf sich in Radialrichtung erstreckende Trennwände 29, ein konzentrisches Innenrohr 28, wodurch fünf Strömur.gskanäle 30 gebildet werden, die genauer in F i g. 3 zu erkennen sind. Hierdurch wird die in den Einlaß 25 eintretende Luft in fünf parallele Strömungen unterteilt, wobei die Anordnung verhindert, daß der durch das Mischrohr 24 hindurchlaufenden Luft irgendeine Wirbelkomponente erteilt wird. Die radial inneren Teile an den stromauf gelegenen Enden der Trennwände 29 sind bei 29a abgeschrägt und nehmen einen Brennstoffinjektor 31 einer Brennstoffeinspritzeinrichtung 32 auf. Der Injektor 31 ist mit fünf Brennstoffdüsen 33 versehen, wobei jede Brennstoffdüse 33 einem entsprechenden sich in Axialrichtung erstreckenden Kanal 30 zugeordnet ist Die Brennstoffdüsen 33 sind so angeordnet, daß sie Brennstoffstrahlen in die axialen Kanäle 30 in allgemein radialen Richtungen abgeben, die eine leichte stromab gerichtete Komponente aufweisen, d.h. angenähert senkrecht zur Luftströmung durch die Axialkanäle 30. Eine zylindrische Abschirmung 34 ist am stromauf gelegenen Ende der Trennwände 29 derart angeordnet, daß sie koaxial zur Achse des Innenrohrs 28 liegt, wobei der Durchmesser dieser Abschirmung 34 ungefähr in der Hälfte zwischen der Achse des Innenrohrs 28 und dem Umfang des Mischrohrs 24 liegt. Die Abschirmung 34 ist in Axialrichtung so ausgerichtet, daß die aus dem Injektor 31 austretenden Brennstoffstrahlen auf sie auftreffen und zerstäubt werden und von dem entlang des Rohres 34 fließenden Luftstrom mitgerissen werden.

Irgendwelche Wirbel oder fehlerhafte Verteilungen des Teils der Luft, die in den Primärlufteinlaß 25 eintritt, werden durch die konvergente Ausbildung des Einlasses unterdrückt. Die Primärluft umströmt dann den Injektor 31, wo der aus den Düsen in die Luftströmung austretende Brennstoff teilweise zerstäubt wird. Der Teil jedes der Brennstoffstrahlen, der nicht unmittelbar zerstäubt wird, trifft auf die Abschirmung 34 auf, so daß sich eine weitere Brennstoff zerstäubung ergibt. Irgendwelcher übriger Brennstoff, der nicht zerstäubt wurde, verläßt die Abschirmung 34 in Form eines Brennstoffilmes. Die Zerstäubung dieses Brennstoffilmes wird durch die Wechselwirkung der Luftströmungen erreicht, die innerhalb und außerhalb der Abschirmung 34 vorbeilaufen.

Das stromab gelegene Ende des Brenners 22 ist in vergrößerter Form in Fig.4 gezeigt. Das durch das Mischrohr 24 strömende Gemisch ist in den fünf Kanälen 30 in einer im wesentlichen ringförmigen Anordnung mit gleichförmigen radialen Abmessungen begrenzt. Am stromab gelegenen Ende des Mischrohres 24 ist eine Einschnürung 35 vorgesehen, die bewirkt, daß irgendwelchen Treibstofftropfen, die an der Innenwand des Rohres 24 anhaften, eine radial nach innen gerichteten Bewegung erteilt wird, so daß sie von der entlang des Rohres fließenden Luft mitgerissen werden. Der Brenner 22 weist einen Ablenkkörper 37 auf, der eine zum Strömungskanal gerichtete Oberfläche 40 aufweist, die zusammen mit der inneren Oberfläche des Mischrohrendabschnittes 27 einen glatten konvergierenden Auslaß für das Luft-Bronnstoffgemisch bildet. An der Einschnürung 35 ist die radiale Erstreckung dieses Auslasses verringert, die Strömung wird radial nach außen umgelenkt und gelangt zu dem ringförmigen konvergierenden Endabschnitt 36 bevor sie weiter umeelenkt wird und durch die Öffnung 41 austritt. Der konvergierende Kanalübschniit 36 hat sich aufeinanderfolgend verringernde Querschnitte, die mit »A« und »B« bezeichnet sind. Auf diese folgt eine Umlenkung der Strömung und eine glatte Konvergenz zur ringförmigen Öffnung 41, aus der die Mischung in einer Richtung im wesentlichen radial in bezug auf die Längsrichtung des Triebwerkes und des Brenners austritt Die äußeren Teile des Ablenkkörpers 37 in der Nähe der Öffnung 41 sind so geformt, daß dem auf sie auftreffenden Gemisch eine im wesentlichen stromauf und radial nach außen gerichtete Strömungskomponente erteilt wird, die zusammen mit der stromab gerichteten Bewegung der übrigen Strömung bewirkt daß die Strömung aus der Öffnung 41 heraus im wesentlichen radial gerichtet ist

Die Öffnung 41 ist durch eine Lippe 43 und den äußersten Rand 37a des Ablenkkörpers 37 begrenzt und biklet eine ringförmige Öffnung, deren Fläche im wesentlichen parallel zur Längsachse des Triebwerkes liegt. Die Anordnung der Öffnung 41 trägt dazu bei, daß die Strömung aus der Brennstoff-Luftzuführung radial austritt

Der Ablenkkörper 37 weist einen zylindrischen Schaft 38 auf, der von Innenrohr 28 umschlossen ist. Der Schaft 38 ist an dem von dem Abienkkörper 37 entfernten Ende mit Gewinde versehen, so daß er mit Hilfe einer Mutier 39 festgehalten werden kann.

Die in die Löcher 26 eintretende und durch den durch den Mantel 23 und das Mischrohr 24 gebildeten ringförmigen Kanal hindurchströmende Luft trägt zur Kühlung des Mischrohres 24 bei. Die aus dem ringförmigen Kanal austretende Mantelluft läuft über die äußere Oberfläche des Rohres 24 und trifft auf das Luft-Brennstoffgemisch auf, das aus der ringförmigen Öffnung 41 austritt, wodurch das Gemisch in einer Richtung im wesentlichen radial zur Mittelachse des Ablenkkörpers 37 und damit zum ringförmigen Wirbel 100 abgelenkt wird. Der Wirbel 100 läuft zunächst in Richtung auf den Brennerkopf 20 der Brennkammer 16 und dann zurück entlang der äußeren Oberfläche des Mantels 23 in Richtung auf die Öffnung 41, wobei die über die äußere Oberfläche des zylindrischen Teils laufende Mantelluft zur Verstärkung des Wirbels dient. Die sich in Radialrichtung erstreckende Lippe 43 ist an der stromab gelegenen Kante des Mischrohres 24 vorgesehen, um irgendwelche beginnenden Turbulenzen am Zusammenlauf der Mantelluft und des Luft-Brennstoffgemisches zu unterdrücken. Die Durchmesser der Lippe 43 und des Ablenkkörpers 37 sind annähernd gleich ausgebildet, um zu verhindern, daß irgendeine Gefahr besteht, daß die scharfe Kante des Ablenkkörpers 37 verbrennt. Die Brennkammer 16 weist eine Reihe von Kühlstreifen auf, denen Luft durch Löcher 42 zugeführt wird und die eine Filmkühlung auf der Innenseite der Kammer bewirken, um eine Zerstörung der Kammerwand durch Wärme zu verhindern.

Ein Teil der Luftmenge, die um die äußere Oberfläche der Verbrennungskammer 16 herum strömt tritt in die Kammer über eine Vielzahl von Sekundäilufteinlässen 44 ein, die in Höhe des stromab gelegenen Endes des Ablenkkörpers 37 vorgesehen sind. Weil die Achsen der Sekundärlufteinlässe 44 im wesentlichen senkrecht zur Richtung der diesen Einlassen zuströmenden Luft stehen, tritt die durch die Sekundärlufteinlässe 44 e'nströmende Luft schräg in die Brennkammer ein und trägt zur Aufrechterhaltung des zweiten im wesentlichen ringförmigen Wirbels 200 bei. Der auf diese Weise gebildete Wirbel 200 liegt unmittelbar stromab von dem

ersten Wirbel 100 und weist eine entgegengesetzte Drehrichtung auf. Somit werden zwei im wesentlichen ringförmige Wirbel in der Brennkammer 16gebildet,die es ermöglichen, daß eine abgestufte Verbrennung, wie sie weiter oben beschrieben wurde, erfolgt.

Dadurch, daß sichergestellt wird, daß der Luft, die durch das Mischrohr 24 strömt, keine Tangentialkomponente erteilt wird, können wesentlich höhere Geschwindigkeiten in dem Mischrohr erzielt werden, so daß sich eine sehr hohe relative Geschwindigkeit des Luft-Brennstoffgemisches und damit eine wirkungsvollere Brennstoffzerstäubung ergibt. In gleicher Weise ist, weil der größte Druckabfall an der ringförmigen öffnung 41 auftritt, die Ausströmgeschwindigkeit des Luft-Brennstoffgemisches aus der öffnung 41 relativ hoch, wodurch die Brennstoffzerstäubung und der Mischwirkungsgrad noch weiter vergrößert werden und außerdem eine Flammstabilisierung und ein sich daraus ergebender Abbrand der Brennstoff-Luftzuführung 22 in dem Bereich des Ringauslasses 41 verhindert wird. Weil eine wirkungsvollere Treibstoffzerstäubung und -mischung eine entsprechende Verbesserung der Verbrennung ergibt, weist die beschriebene Ausführungsform der Brennkammer einen vergrößerten Verbrennungswirkungsgrad und eine verringerte Rauchemission auf.

Hierzu 3 Biatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoff-Luftzuführung für rohrförmige Brennkammern von Gasturbinen-Triebwerken mit einem mit Luft gespeisten Mischrohr, das mit seinem stromaufwärtigen Ende einen Brennstoffinjektor umschließt, mit einem rotationssymmetrischen Ablenkkörper am stromabwärtigen Ende des Mischrohres, dessen äußerer Rand mit dem Mischrohr einen ununterbrochenen radialen Ringauslaß bildet, und der das Brennstoff-Luftgemisch nach außen zu zwei torusförmigen Wirbeln ablenkt, von denen der stromaufwärtige zunächst radial nach außen, dann in Richtung auf die stromaufwärtige Stirnwand des Flammrohres und dann stromabwärts außen am Mischrohr umläuft, und mit einer ringförmigen Luftzuführung, durch die weitere Luft außen am Mischrohr in den Wirbelstrom einfließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (38) des Ablenkkörpers (37) konzentrisch im Mischrohr (24) von radialen Trennwänden (29) gehalten wird, die zwischen sich axiale Strömungskanäle (30) bilden, und daß der äußere Rand {37a) des Ablenkkörpers dem lippenartig aufgeweiteten stromabwärtigen Ende (27) des Mischrohres auf gleichem Durchmesser mit Abstand gegenüber liegt

2. Brennstoff-Luftzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (38) in ein von den Trennwänden (29) getragenes zentrales Rohr (28) lösbar eingeschoben und am stromaufwärtigen Ende durch eine Gewindeverbindung (39) festgelegt ist.

3. Brennstoff-Luftzuführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärtige Teil des Schaftes (38) und der Brennstoffinjektor (31) von einer zylindrischen Abschirmung (34) mit Abstand umschlossen sind.

4. Brennstoff-Luftzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des lippenartig aufgeweiteten Mischrohrendabschnittes (36) eine Einschnürung (35) vorgesehen ist, und daß der von dem divergierenden Endabschnitt (36) des Mischrohres und dem Ablenkkörper (37) begrenzte ringförmige Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung abnimmt (A-* B). * s