DE2345282C3

DE2345282C3 - Verbrennungseinrichtung für Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2345282C3
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: 1982-03-04
Also published as: DE2345282A1; US3906718A; FR2199059B1; FR2199059A1; IT998522B; JPS5654537B2; DE2345282B2; JPS49124415A; GB1427146A

Description

Die Lrfmdung be/ichi sich auf eine Brennstof Luft w Zuführung der im Oberbegriff des Anspruchs | angegebenen Gattung F.in«.· solche Brennstoff I.uft/u führung isl .ms dor DH-OS IhOl 531 bekannt. Hierbei besteht der Ahlenkkorp'-r .his i-iner im Axmlschniit W-förmig ausgebildeten Pl.itte. die am strom.ibwärti ü gen Ende de^c Mischrohres an diesem über radiale Streben festgelegt ist und radial nach außer· weit iiber den Durchmesser des Mischrohres vorsteht und in diesen überstehenden Abschnitt schräg in Richtung stromauf verläuft. Mit diesem Brenner kann eint· w> DoppeUTorusslrömung in der Brennkammer erreicht werden. Aus bisher theoretisch noch nicht restlos geklärten Gründen arbeitet diese Ausbildung jedoch nicht völlig zufriedenstellend, weil die Torusströnluiigen 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 /u erhalten und am Ende des Mischrohres eine konzentrierte radiale Ausströmung ohne tangential Komponente /u erzielen, am so die tnrusförmigen 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 Wirbelstrom jngen im Betrieb aufrechterhalten bleiben und hierdurch das Ausblasen unverbrannter Brennstoffteilcher 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

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks;

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

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III gemäß F ig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Einzelheit eines Teils von F i g. 2.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10.das in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß 11. einen Kompressor 12, eine Verbrennungseinrichtung 13. eine Turbine 14 und eine Abgasdiise 15 umfaßt. Die Verbrennungseinrichtung 13 umfaßt eine Anzahl von getrennten im wesentlichen zylindrischen Brennkammern, von denen eine bei i6 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 /u 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 kompnmierte Luft über den Kanal 19 Ein Brennerkopf 20 de; Verbrennungskammer 16 ist an dem übrigen Teil Jcr Kammer über einen gekröpften Ring 21 befestigt. Die Mitte des Brennerkopfes 20 weist eine Öffnung zur Aufnahme einer Brennstoff I uf'zufuh rung 22 «luf. die an dem Kopf 20 befestigt ist.

Die Brennstoff-I.lotzuführung 22 liefert ein Luft Brennstoffgemisch, das radial am Ende des Brenters in Richtung der Pfeile 9·) austritt und einen ersten ringförmigen Wirbel 100 hervorruft Dieser Wirbel 100 wird ge/'.indet und (la*· brennende Luft Hrennstoffge misch wird in einen zweiten nngformigcn Wirbel 200 mitgerissen, der teilweise durch die Strömung der Brennstoff Luftzuführung 22 und teilweise dtir, h ;n die Brennkammer eintretende Mischluft erzeugt wird D.is brennende Gemisch lauft 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 linde 27 auf und trägt über fünf sieh in Radialrichtung erstreckende Trennwände 29, ein konzentrisches Innenrohr 28, wodurch fünf Strömungskaniile 30 gebildet werden, die genauer in F i g. 3 zu erkennen sind. I lierdurch wird die in den Einlaß 25 eintretende Luft in fünf parallele Strömungen unterteilt, wobei die Anordnung verhindert, daß der durch das Mischrohr 24 hindurchlautenden 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 Brennstoffeinsprtzeinrichtung 32 auf. Der Injektor 31 ist mit fünf Brennstoffdüsen 33 versehen, wobei jede Brennstoffdüse 33 einem entsprechenden sich in Axialrichtung erstreckenden Kanai 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 <ur Luftströmung durch die Axalkanäie 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 /erstäubt werden und von dem entlang des Rohres 34 fließenden Luftstrom mitgerissen werde.,.

Irgendwelche Wirbel oder fehlerhafte Verteilungen des Teils der Luft, die in den Pnniai iufleinlaß 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 austrele'ide Brennstoff 'eilweisc /erstaubt wird. Der Tt:! jedes der Brennstoffstrahlcn. der nicht unmittelbar /erstaubt -vird. trifft .iuf die 'Xbschirining 34 auf. so daß sieh eine' weitere Brcnnstoff/erstäubung ergibt Irgendwelcher übriger Brennstoff, der nicht /erstäubt wurde, verlaßt die Abschirmung 34 in Form eines Brennstoff^ mes. ι )ie Zerstäubung dieses Brennstoffilmes w ird durch die Wechselwirkung der Luftströmungen erreicht, die innerhdlf und außerhalb der Absei.irmung 34 vorbeilau fui

Ims stromab gelegene I ndc des Brenners 22 ist in vergrößerter I orm in IΊ μ. 4 gezeigt. Das durch das Misil ohr 24 stroniiuie Gemisch ist in den fünf K.inaien 30 ι:, einer in wesentlichen ringförmigen Anordung mil gleichfo. linien r.nli.ilen \bmcssungen befc'u n/t. "\rr stromab gelegenen f nde des Mischrohres 24 κι '.'IHc' Linschniming 35 vorgesehen, die bewirkt, dal! irgendwelchen ireibsiofftroplci . Jie <in der Innenwand di'N Rohres 24 anhaften eine radial nacn mnon gern Mole ι Bewegung erteilt wird, so da!A sie von der entlang des Rohres flirrenden Luft mitgerissen werden Der Brenner 22 weist einen Ablenkkorper 37 auf. der eine /um Siromnngsk.in.il gerichtete Oberfl.ii he 40 aufweist, die zusammen mit der inneren Oberfläche des Misehrohrendabschniücs 27 einen glatten konvergierenden Auslaß für das Luft Brennstoffgemisch bildet. An der Einschnürung 35 ist die radiale Erstreckung dieses Auslasses verringert, die Strömung wird radial nach außen umgelenkt und gelangt zu dem ringförmiger konvergierenden Efick.bschiiitt 36 bevor sie weiter umgelenkt wird und durch die Öffnung 41 austritt. Der

konvergierende Kanaknschnitt 36 hai 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 bildet 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 Ablenkt'örper 37 weist ei.ien zylindrischen Schaft 38 auf. der "on Innenrohr 28 umschlossen ist. Der Schaft 38 ist an dem von dem Ablenkknrper 37 entfernten Ende mii Gewinde versehen, so daß er rt:it Hilfv. einer Mutter 39 festgehalten werden kann.

Die in die Löcher 26 eintretende und durch den durch den Mantel 23 und das Mischrohr 24 gebildeten ringförmigen Kanal h ndurchstrcmende 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-Brennstoffgemi'.ch auf. das aus der ringförmigen Öffnung 41 austritt, wodurch das Gemisch in einer Richtung im wesentlichen radial zur Mittelachse des Ablenkkorpers 37 und damit /um ringförmigen Wi'bei 100 abgelenkt wird. Der Wirbel 100 läuft zunächst in Richtung auf den Brennerkopf 20 der Brennkam,ner 16 und dann zurück entlang der äußeren Oberfläche des Mantels 23 in Richtung auf die Öffnung 41. wobei die '■bor die äußere Oberfläche des zylindrischen Teils laufende Mantelluft zur Verstärkung des Wirbels dien' Die sich η Radialriehtung erstreckende Lippe 43 ist an der stromab gelegenen kante des M.ichrohres 24 vorgesehen, um irgendwelche beginnenden Turbulcn zen am Ziisammenlauf der Mantelluft und dc-I.iili Brennstoffgemisehes zu unterdrücken Die Durch messer der Lippe 43 und des Ablenkkorpers 37 sind annähernd gleich ausgebildet, um /u verhindern. d.iB irgendeine Gefahr besteht, dall die scharfe K.inte des Ablenkkorpers )7 verbrennt. Die Brennkammer 16 weis! eine Reihe von Kiihlsireifcn auf. denen Luft liiirch Loi.her 42 zugeführt wird und die eine Filmkuhlung .nif der Innenseite der Kammer bewirken, um eine Zerstörung der Kammerwand durc"¹ Wanne /n verhindern.

1 in Teil der l.iiftmenge. die um die äußere Oberfläche der Veibienriungskammer 16 herum strömt tritt in die Kammer über ,nc Vielzahl von Sckundarliifteinl.issen 44 ein. d'e in Hohe des stromab gelegenen Fndes 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 einströmende Luit· schräg in die Brennkammer ein und trägt zur Aufrechterhalluhg 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 /wet im wesentlichen
ringförmige Wirbel in der Brennkammer 16 gebildet, 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 Drückabfali an der ringförmigen Öffnung 4 Ϊ

in

auftritt, die Ausströmgeschwindigkeit des Luft-Brennsloffgemisches aus der Öffnung 41 relativ hoch, wodurch die Brennsloffzersiäubung und der Mischwirkungsgrad noch weiter vergrößert werden und außerdem eine Flammslabilisierung und ein sich daraus ergebender Abbrand der Brennstoff-Lufizuführung 22 in dem Bereich des Ringauslasses 41 verhindert wird. Weil eiiie 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 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoff-Luftzuführung für rohrförmige Brennkammern von Gasturbinen-Triebwerken mit einem mit Luft gespeisten Mischrohr, das mit seinem ϊ stromaufwärtigen Ende einen Brennstoffinjektor umschließt, mit einem rotationssymmetrischen Ablenkkörper am stromabwärtigen Ende des Mischrohres, dessen äußerer Rand mit dem Mischrohr einen ununterbrochenen radialen Ringiuslaß bildet, iu 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 Mischrohrinden Wirbelstrom einfließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (38) des Ablenkk^pers (37) konzentrisch im Mischrohr (24) von radiü.'en 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 Diirchmes- ^s scr mit Abstand gegenüber liegt.

2. Brennstoff-Luftzuführung nach Anspruch 1. uadurrh gekennzeichnet, daß der Schaft (38) in ein von den Trennwänden (29) getragenes zentrales Ro¹T (28) lösbar eingeschoben und am stromaufwär- J» tigen Ende durch eine Gewindeverbindung (39) festgelegt ist.

3. Brennstoff-Luhzufühn..ig nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet daß der stromaufwärtige Teil des Schaftes (38) und der i ennstc.ffinjektor(31) s^r> von einer zylindrischen Abschirmung (34) mit Absland umschlossen sind.

4. Brennstoff-Luftzuführung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des lippenar tig aufgeweiteten Mischrohrendabschnittes(3e)eine -<· Einschnürung (35) vorgesehen ist. und daß der von dem divergierenden Endabschnitt (36) des Mischrohres und dem Ablenkkörper (37) begrenzte ringförmige Strömungsquerschnitt in Stromungs richtung abnimmt (Λ — R). *ί