DE2411510A1

DE2411510A1 - Brennkammer mit kombinierter einspritzund verdampferduese

Info

Publication number: DE2411510A1
Application number: DE19742411510
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Ing Kappler; Adolf Dipl Ing Schoenbeck
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1974-03-11
Filing date: 1974-03-11
Publication date: 1975-09-25
Also published as: GB1498135A; DE2411510B2; FR2264188A1

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 1. März

Brennkammer mit kombinierter Einspritz- und Verdampferdüse

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen.

Bekannt sind Brennkammern mit Einspritzdüsen als einfache Ein-richtungen zum Einbringen von Kraftstoff in die Brennkammern von Gasturbinen und zu dessen Zerstäubung mit Hilfe des Einspritzdruckes. Dabei kann aber der Kraftstoff nicht besonders schnell aufbereitet werden. In den meisten Fällen wird er zuerst in Hauptströmungsrichtung in die Brennzone eingespritzt, dabei zu kleinen Tröpfchen zerstäubt, erhitzt und verdampft. Dieses Verfahren führt zu relativ langen Brennkammern, wenn man einen höheren Ausbrenngrad erreichen will, ebenso zu schlechter Abgasqualität und konsequenter Umweltverschmutzung, insbesondere Geruchsbelästigung. Außerdem sind zur Einspritzung sehr hohe Drücke bis weit über loo atü erforderlich, wenn im Startfall noch brauchbare Zerstäubung erzielt werden soll. Ferner ist der geringere Ausbrenngrad gleichbedeutend mit höherem Kraftstoffverbrauch.

T-428 . ' - 2 -

509839/0046

Andere Brennkammern haben sogenannte Verdampferdüsen, die zwar kürzer bauen als solche mit Einspritzdüsen und auch einen höheren Ausbrenngrad mit geringerer Schadstoffemission erreichen, aber einen engeren Betriebsbe.reich haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach und wirtschaftlich herstellbare Brennkammer zu schaffen, die trotz hoher Brennkammer-Belastung den Ausbrenngrad über den gesamten Betriebsbereich verbessert, mit niedrigem Einspritzdruck auskommt, geringe Rußbildung und Schadstoffemission aufweist und mindestens einen größeren Betriebsbereich und erweiterte Zündgrenzen aufx^eist, als eine Brennkammer mit Verdampferdüse.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß zur Kraftstoff auf bereitung eine Kombination von Kraftstoffverdampfung und Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist. Dadurch werden die Nachteile der Einspritz- bzw. Verdampferdüse insbesondere zu hohe Schadstoffemission teilweise vermieden und besserer Ausbrenngrad über den gesamten Betriebsbereich und ein weicher Übergang von der Startphase in den normalen Betriebsbereich erzielt.

Eine besonders zweckmäßige Ausführung einer Brennkammer mit kombinierter Kraftstoffeinspritzung und - verdampfung v/eist am stromaufwärtigen Ende des Flammrohres ein zylindrisches Rohrstück auf und innerhalb dieses Rohrstücks eine Einspritzdüse. Auf die Innenfläche des Rohrstücks kann Kraftstoff aufgebracht v/erden. Durch die Einspritzdüse kann ebenfalls Kraftstoff eingespritzt werden, der aber in der Regel nicht mehr die Rohrinnenfläche benetzen kann.

509839/0046

2Ä11510

Diese Anordnung vereinigt in sich wesentliche Merkmale einer Verdampferbrennkammer und einer Einspritzbrennkammer. Das Rohr bietet eine Innenfläche zur Filmverdampfung von benetzendem Kraftstoff, welche Verdampfungsart für Verdampferbrennkammern charakteristisch ist, während die Einspritzdüse das wesentliche Merkmal bei Brennkammern mit Kraftstoffeinspritzung ist. Vorteilhaft ist hierbei die räumliche Zusammenfassung der Bauteile für beide Aufbereitungssysteme und die Zufuhr der zur Aufbereitung und Verbrennung notwendigen Primärluft sowohl für die Aufbereitung des ein gespritzten als auch den verdampften Kraftstoffes. Hierdurch - wie _ auch durch die geringe Einspritzmenge - wird eine gedrängte Bauweise erzielt, die zu geringen Quer- und Längsabmessungen sowohl bei Einzel- als auch bei Ringbrennkammern führt.

In weiterer Ausgestaltung wird der Kraftstoff mittels mehrerer, am Umfang verteilter Bohrungen nahe dem stromaufwartigen Ende des Rohres eingeführt, von wo aus die zum Verdampfen dienende Oberfläche dann benetzt wird. Diese Kraftstoffzufuhr ist mit niedrigstem Druck möglich und bietet jedem Kraftstoffteilchen den längsten Kriechweg und die größte beim Fließen in Strömungsrichtung zur Aufnahme von Verdampfungswärme dienende Oberfläche.

Bei einer anderen Ausführungsform wird der zu verdampfende Kraftstoff durch ein ringförmiges Teilstück zur Innenfläche des Rohres eingeführt. Hierbei ist eine noch gleichmäßigere' Verteilung des Kraftstoffes auf der Innenfläche und eine intensivere Vorwärmung möglich.

509839/0046

— H —

Das ringförmige Teilstück kann aus einer porösen Ringscheibe bestehen, die einfach herstellbar und sich leicht auswechseln läßt.

Eine andere Ausführung hat statt poröser Ringscheibe mehrere Pilzsegmente, die noch einfacher und billiger herstellbar sind als die Ringscheibe. Die Zufuhr des Kraftstoffes geschieht zweckmäßigerweise mit Überdruck, wodurch bereits beim Zünden der Brennkammer eine ausreichend gute Zerstäubung erzielt wird.

Die Zuführung des Kraftstoffs auf die Innenfläche des zylindrischen Rohrstücks geschieht vorzugsweise mit geringerem Kraftstoffdruck. Dadurch wird mechanische Energie eingespart, bestimmte Bauteile können mit geringerer Festigkeit auskommen (Antriebe, Rohrleitungen) und die Hochdruckpumpe kann für die infrage kommende Kraftstoffmenge entfallen.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, daß die Primärluft am Eintritt in das zylindrische Rohrstück in eine drallförmige Bewegung versetzt wird. Dadurch wird die Länge des Mischweges vergrößert, die Mischung von Luft und verdampfendem Kraftstoff verbessert und die Flamme hinter dem Rohr aufgeweitet, was auch zur Verkürzung der Flammenlänge beiträgt. Dieser Drall kann durch verschiedene Mittel erzeugt werden, beispielsweise durch tangentiales Einblasen von Druckluft, vorzugsweise aber durch Anordnen eines Dralleinsatzes am Eintritt für die Primärluft in das Rohrstück.

509839/0046

2411570

Wenn man diesen Dralleinsatz mit einem Nabenkörper versieht und diesen als Düsenkörper für die zentrale Einspritzdüse benutzt, erhält man ein integrales Bauteil, das gleichzeitig mehrere Punktionen aufweist und zur Einsparung von Gewicht und Teilezahl beiträgt. Einen gewissen Nachteil bringt die Zufuhr von Kraftstoff auf die Innenfläche des Rohrstücks beim Zünden der Brennkammer. Da vom Flammrohr her noch keine Wärme für die Filmverdampfung zugeführt wird, ist die Verdampfung noch ungenügend. Deshalb ist es zweckmäßig, in dieser Phase den gesamten Kraftstoff nur durch die Zerstäuberdüse zuzuführen und der Innenfläche des Rohrstücks erst nach dessen Erwärmung weiteren Kraftstoff zuzuführen.

Eine weitere Verbesserung bringt eine teilweise Rückströmung von heißen Verbrennungsgasen in die zentrale Zone am Übergang von dem Rohrstück in das Flammrohr. Diese heißen Gase dienen zur Erhöhung der Innenwandtemperatur des Rohrstücks und tragen damit zur schnelleren Verdampfung des Kraftstoffes bei.

Prinzipiell wäre es zwar möglich, die Einspritzdüse nach dem Zünden der' Brennkammer abzuschalten, womit der zum Antrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe erforderliche Aufwand für den größten Teil der Betriebszeit entfiele; jedoch soll dies hier gerade nicht so gehandhabt werden, vielmehr soll durch die Einspritzdüse Kraftstoff über den gesamten Betriebsbereich eingespritzt werden, um ein Verkoken dies.er Düse zu vermeiden. Auch soll der zum Beschleunigen des Triebwerks dienende Kraftstoff vollständig oder doch weitgehend durch diese Düse eingespritzt werden, weil sonst bei sparsamer Bemessung des porösen ringförmigen Teilstücks und

509839/0046

_₆_

der Innenfläche eine einwandfreie und genügend schnelle Verdampfung sich nicht mehr gewährleisten ließe und der Lieferdruck für den Verdampferkraftstoff zu stark ansteigen müßte, was wieder stärkere Leitungen und Pumpen bedingen würde. Für eine optimale Verdampfung ist es erforderlich, daß die Temperatur der Innenwände einerseits eine Mindesttemperatur aufweist, damit die Verdampfungswärme schnell genug auf den Kraftstoff übertragen werden kann, andererseits aber nicht zu heiß sein dürfen, um Verkokung und Blasenbildung zu vermeiden. Deshalb soll die Wandtemperatur zwischen Joo und 6oo° C liegen.

In der Zeichnung sind Beispiele von kombinierten Einspritz- und Verdampferbrennkammern nach der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Pig. 1 den stromaufwartigen Teil einer Brennkammer mit gemäß der Erfindung kombinierter Kraftstoffeinspritzung und Kraftverdampfung schematisch und etwas verkleinert im Schnitt,

Fig. 2 eine kombinierte Einspritz- und Verdampferdüse in etwa natürlicher Größe, entsprechend Ausschnitt II in Fig. 1 mit poröser Ringscheibe,

Fig. 3 eine ähnliche kombinierte Einspritz- und Verdampferdüse mit Einbringung des Verdampferkraftstoffes durch Filzsegmente,

1.3.1974 - 7 -

509839/0046

211510

Fig. 4 einen Schnitt durch die Pilzsegmente nach Linie IV - IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine kombinierte Einspritz- und Verdampferdüse mit Drallkörper und in dessen Nabe integrierter Einspritzdüse.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen zur Aufbereitung und Verbrennung des Kraftstoffes dienenden Teil einer rohrförmigen Einzelbrennkamnier schematisch im Schnitt. Der Kraftstoff befindet sich im Tank 1, aus dem er mittels einer gemeinsamen Kraftstoffansaugleitung 2 entnommen und in zwei Teilströme für Einspritzkraftstoff 3 bzw. für Verdampferkraftstoff 6 aufgeteilt wird. Der Einspritzkraftstoff wird über ein erstes Aggregat 4, welches Pumpe und Regelung für diesen enthält, der Einspritzdüse 5 zugeführt. Der Verdampferkraftstoff gelangt über ein ähnlich aufgebautes zweites Aggregat 7 zu der Innenwand 8 d-es zylindrischen Verdampferoberstückes 9, wo er verdampft. Die zum Verdampfen notwendige Verdampfungswärme kommt größtenteils aus der Verbrennungszone Io im Inneren des Flammrohrs 11 und wird durch Strahlung und Konvektion teilweise über die Innen- und Außenwand des zylindrischen Verdampferrohrstücks und zum Teil auch direkt auf den Kraftstoff übertragen. Die zum Erzielen eines Brennstoff-Luft-Gemisches erforderliche Primärluft 12 wird von der Verdichterluft abgezweigt und tritt durch das zylindrische Verdampferrohrstück, in dem es sich mit dem Kraftstoff mischt, in die Brennkammer ein.

' 509839/0Q46

Einen gewissen Beitrag zur Verdampfungswärme liefert auch die Verdichterluft, welche beim Eintritt in die Brennkammer bereits eine erhöhte Temperatur hat.

Eine besonders gleichmäßige Aufbringung des Verdampferkraftstoffes auf die Innenwand des Verdampferrohrstücks ist mit einer porösen Ringscheibe 13 möglich. Dieser tritt aus der Zufuhrleitung l4 in eine das Verdampferrohrstück umschließende Ringkammer 15 ein, von dort aus wird der Kraftstoff durch die poröse Ringscheibe gedrückt und benetzt deren innere Oberfläche 16. Der Primärluftstrom reißt, wie bereits geschildert, den Kraftstoffilm 22 stromabwärts mit, wobei er unter Wärmeaufnahme verdampft.

Statt der porösen Ringscheibe kann das ringförmige Teilstück auch aus Pilzsegmenten 17 bestehen, welche eine ähnlich gute Verteilung des Verdampferkraftstoffes auf die Innenfläche des Verdampferrohrstücks ermöglichen, wie dies bei der porösen Ringscheibe möglich ist, aber erheblich billiger sind. Die Zufuhr von Verdampfungswärme zur Innenwand des Verdampferrohrstücks bzw. zum Kraftstoff selbst wird durch eine Rückströmung l8 verbessert, die hier beispielsweise durch eine Wirbelsenke erzielt wird. Der Bereich der Rückstreuung wird in der Zeichnung durch eine gestrichelte Linie 19 dargestellt. Die Wirbelsenke entsteht hier beispielsweise durch den Drall 23, in dem die Primärluft durch einen Dralleinsatz 2o am stromaufwartigen Ende des Verdampferrohrstücks versetzt wird (Fig. 3 und 4).

509839/0046

Eine bauliche Vereinfachung bringt die Zusammenfassung von Dralleinsatz und Einspritzdüse zu einem einheitlichen Bauteil 2L₃ wobei die Düse in dem Nabenkörper des Dralleinsatzes integriert ist (Fig. 5).

509839/0046

Claims

AO

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 1. März

Patentansprüche

Brennkammer für Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daS zur Kraftstoffaufbereitung eine Kombination von Kraftstoffverdampfung und Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zufuhr der zur Brennstoffaufbereitung erforderlichen Luft ein zylindrisches Rohrstück am stromaufwartigen Ende des Flammrohres angeordnet ist, auf dessen Innenfläche Kraftstoff aufbringbar und verdampfbar ist und eine zentrale Einspritzdüse innerhalb des Rohres angeordnet ist, durch die Kraftstoff einspritzbar ist.

3· Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges Teilstück der Innenfläche nahe dem stromaufwärtigen Ende des zylindrischen Rohrstücks porös ist und durch die Poren Kraftstoff einbringbar ist.

509839/0046

241T510

— 2f —

4. Brennkammer nach den Ansprüchen 2 und J>₃ dadurch gekennzeichnet , daß das ringförmige Teilstück eine poröse Ring- - scheibe ist.

5· Brennkammer nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Teilstück im wesentlichen aus Pilzsegmenten besteht.

6.. Brennkammer nach den Ansprüchen 2 bis 5.» dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in der zentralen Einspritzdüse mit hohem Druck einspritzbar ist.

7. Brennkammer nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff auf die Innenfläche des zylindrischen RohrStücks mit niedrigem Druck einbringbar ist.

8. Brennkammer nach den Ansprüchen 2 bis "J₃ dadurch gekennzeichnet, daß die zur Kraftstoffaufbereitung erforderliche Luft beim Eintritt in das zylindrische Rohrstück im Drall versetzt wird.

9. Brennkammer nach'Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drall durch einen Dralleinsatz am stromaufwärtigen Ende des RohrStücks erzielt wird.

lo. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dralleinsatz einen Nabenkörper aufweist, der die zentrale Einspritzdüse enthält.

7²* - 3 -

5098 39/0046

2411570

11. Brennkammer nach den Ansprüchen 2 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff auf der Innenfläche des zylindrischen Rohrstücks erst nach Erwärmung des zylindrischen Rohrstücks zugeführt wird.

12. Brennkammer nach den Ansprüchen 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Übertritt zwischen Rohrstück und Flammrohr im mittleren Teil des Luftstrahles eine Rückströmung beispielsweise durch eine Wirbelsenke erzeugt wird.

13. Brennkammer nach den Ansprüchen 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet," daß aus der zentralen Einspritzdüse Kraftstoff über den gesamten Betriebsbereich einspritzbar ist.

14. Brennkammer nach den Ansprüchen 2 bis 15* dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff für die Beschleunigung vorzugsweise aus der zentralen Einspritzdüse eingespritzt wird.

15- Brennkammer nach den Ansprüchen 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff zum Zünden des Triebwerks durch die zentrale Düse eingespritzt wird.

16. Brennkammer nach den Ansprüchen 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur der Innenwand des Rohrstücks zwischen 3oo und 6oo° C liegt.

Τ-Λ28
1.3.1974

509839/0046

4%

Leerseite