DE2415036C2 - Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit Regenerativ-Wärmetauschern - Google Patents

Description

— daß die Vormisch- und Vorve-dampfungsvorrichtung (15) als eine rohrförmige gerade axiale Verlängerung (12) des Flammrohrs (3) in stromaufwärtiger Richtung mit einem wesent- «ch geringeren Durchmesser als das Flammrohr ausgebildet ist,

— daß die Vormisch- und Vorverdampfungsvorrichtung (15) an ihrem stromaufwärtigen Ende einen Einlaß (14) zur drallfreien axialen Zuführung der Verbrennungsluft und eine Einrichtung zur Zufuhr des gesamten Brennstoffes aufweist,

— daß in dem sich erweiternden Übergangsstück (16) von der Vormisch- und Vorverdampfungszone zur Brennzone ein zentraler Einsatz (39) angeordnet ist, der mit der Wand durch mehrere über den Umfang verteilte Streben (40) verbunden ist, zwischen denen jeweils Kanäle (42) gebildet sind, durch die Luft entlang der Wand strömt,

— daß in der Brennzone Schaufeln (44) an der Flammrohrwand angebracht sind zur Verwirbelung und Vermischung des Gases in der Brennzone und

— daß die Wand des Flammrohrs und der Vormisch- und Vorverdampfungsvorrichtung zwischen dem Lufteinlaß (14) und den Öffnungen für die Zumischluft (46) luftundurchlässig ist.

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2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer die Flammrohrwand (12) im Bereich der Brennzone (18) mit Abstand umgebenden Hülle (47) und der Gehäusewand (2) eine Trennwand (54) angeordnet ist, durch die der größte Teil der Zumischluft an der Flammrohrwand innerhalb der sie umgebenden Hülle entlanggeführt wird.

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Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit Regenerativ-Wärmetauschern mit einem einen Lufteinlaß aufweisenden Gehäuse, in dem ein Flammrohr mit einer vorgeschalteten Vormisch-und Vorverdampfungsvorrichtung angeordnet ist, welches eine Brennzone, eine Luftzumischzone und einen Auslaß für die erzeugten Treibgase &o umfaßt.

Derartige Brennkammern werden vorwiegend zur Versorgung von Gasturbinentriebwerken verwendet, die zum Antrieb von Land- oder Luftfahrzeugen benutzt werden. ^M

Derartige Triebwerke arbeiten mit Druckverhältnissen in der Größenordnung von 4 bis 5 :1, so daß also der Druck der Luft in der Brennkammer bei normalem Außenluftdruck bis auf 3,1 bis 4,1 bar erhöht wird. Bei Triebwerken ohne Regeneration wird die Luft etwas durch die Verdichtung erhitz». Bei Gasturbinentriebwerken mit Regenerativ-Wärmetauschern erfolgt außerdem eine Erwärmung der Luft durch Wärmeübertragung von den Abgasen des Triebwerkes auf die Luft, so daß bei Vollast des Triebwerks die in die Brennkammer eintretende Luft bis zu 480° C aufweisen kann. Bekannte Brennkammern enthalten Flammrohre, in denen die Verbrennung stattfindet und diese wurden so ausgelegt, daß eine zuverlässige Verbrennung des Brennstoffes bei geringem Druckabfall gewährleistet war und das Flammrohr ein geringes Volumen aufwies und bei dauerhaftem Aufbau einen störungsfreien Betrieb ermöglichte.

Infolge der hohen Temperaturen und des kleinen Volumens in der Brennzone wurden in dieser Treibgase erzeugt, die wesentliche, die Atmosphäre verunreinigende Bestandteile enthalten. Diese bestehen hauptsächlich aus Festteilen, normalerweise unverbranntem Kohlenstoff, und aus Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden, die sich in der Brennzone aus der Luftstickluft und dem Luftsauerstoff bilden.

Es sind bei Brennkammern dieses Aufbaus Abänderungen vorgenommen worden, um eine bessere Verbrennung zu erzielen, also reinere Treibgase zu erhal«en, und so weit als möglich die Bildung von Stickoxiden zu verringern. Die Erfolge in dieser Richtung waren jedoch gering, da von der grundsätzlichen Konzeption des Aufbaus der Brennkammer nicht abgewichen wurde.

So erfolgt bei einer bekannten Bauart (GB-PS 7 91 617), die keinen Regenerativ-Wärmetauscher aufweist, bei der Vermischung von Luft mit nur einem Teil des Brennstoffs keine Vorverdampfung des Brennstoffs. In der Vorwärmzone wird das Gemisch unter Erreichen hoher Brenntemperaturen unter stöchiometrischen Bedingungen verbrannt, und dem heißen Gemisch wird zusätzlich Brennstoff zur Anreicherung des Gemischs zugeleitet Die Verbrennung des verdampften Brennstoffs wird durch Luftzufuhr zur Brennzone unter stöc'iiometrischen Bedingungen erzielt.

Bei einer anderen Bauart (US-PS 24 24 765) wird die verdichtete Verbrennungsluft zugeleitet und strömt durch ein Venturirohr, in dem zugeführter Brennstoff verdampft wird. Am Austritt des Venturirohrs erfolgt eine Verwirbelung des in ein luftundurchlässig ausgebildetes Flammrohr eintretenden Gemischs. Die Verbrennung bewirkt das Aufheizen von Zusatzluft in einem durch Rippen gebildeten Wärmetauscher und ein Zirkulieren stromaufwärts des Wärmetauschers durch eine ein weiteres Venturirohr enthaltende Rückleitung. Praktisch ist damit ein Heißluftofen gebildet und es ist keinerlei Maßnahme vorgesehen, die Abgaszusammensetzung zu beeinflussen. Ein Arbeiten mit hochverdichteter und sehr heißer Verbrennungsluft, wie dies bei Gasturbinentriebwerken mit Regenerativ-Wärmetauschern der Fall ist, ist weder vorgesehen noch möglich. Durch die OE-PS 2 39 609 sind femer Wirbelschaufeln freitragend nach innen gerichtet an der Flammrohrwand befestigt bekannt. Der einwärts gerichtete Luftstrom wird jedoch die Eintrittsgeschwindigkeit der durch Löcher in der Flammrohrwand tretenden Luft beeinflußt, wodurch infolge der Verwirbelung durch die Schaufeln ein axialer Luftstrom längs der Flammrohrwand eintritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Brennkammer der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß die erzeugten Treibgase weitgehend frei von Verunreinigungen gebildet werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst

Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Durch die Vormischung des gesamten Brennstoffs mit heißer Luft aus dem Wärmetauscher erfolgt bereit« in der Vormisch- und Vorverdampfungszone eine sehr homogene Gemischbildung, so daß eine Verbrennung des Brennstoffs in Tropfenform vermieden ist und damit ein Anfall von Kohlepartikeln in den Treibgasen ausgeschlossen wird. Die Erweiterung der Vormisch- und Vorverdampfungszone zur Brennzone bewirkt eine Stabilisierung des Verbrennungsvorgangs, wobei in dem stromaufwärtigen Bereich mit einem verhältnismäßig mageren Gemisch die Bildung von Stickoxiden verringert wird. Die Zuführung der Zumischluft erfolgt verzögert, so daß durch die Zirkulation in der Brennzone eine ausreichende Zeit zur vollständigen Durchführung der Verbrennung geschaffen wird.

Der Anteil an Stickoxiden in den Abgasen liegt in der Größenordnung von etwa 10% der bei den bekannten Bauarten anfallenden Menge. Die erfindungsgemäße Bauart hat eine geringere Rauchentwicklung.

Die bei einigen bekannten Bauarten im Bereich der Brennzone liegende Hauptzufuhr des Brennstoffs ist durch die hohen Temperaturen in ihrer Standfestigkeit gefährdet, eine Schwierigkeit, die bei der erfindungsgemäßen Bauart gar nicht auftreten kann.

Ein Ausführungsbeispiel einer Brennkammer nach der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkammer, .

F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1 und

F i g. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 1. Die Brennkammer des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 besteht aus einem Gehäuse 2, dem Luft unter Druck zugeführt wird, und einem Flammrohr 3. Das Gehäuse 2 ist über Flansche 4 mit einem Außengehäuse 6 einer Gasturbine verschraubt. Das Gehäuse 2 enthält ein im wesentlichen zylindrisches Teil, das sich stromaufwärts von dem Flansch 4 zu einem erweiterten Teil 7 erstreckt, das durch einen stirnseitigen Deckel 8 verschlossen ist. Die Verbrennungsluft wird über Luftrohre 10 in eine Druckkammer 11 im stromaufwärtigen Teil des Gehäuses zugeleitet. Das Flammrohr 3, das kreisförmigen Querschnitt hat, wird durch eine Flammrohrwand 12 begrenzt, die vom stromaufwärtigen Ende aufeinanderfolgend einen Primärlufteinlaß 14, eine im wesentlichen zylindrische Vorrni?ch- und Vorverdampfungszone 15, ein erweitertes Übergangsstück 16, eine Brennzone 18, eine Verweilzone 19 und eine Mischzone 20 begrenzt. Das stromabwärtige Ende des Flammrohrs paßt in eine äußere Turbinenhülle 22, wobei es diese mit einem Flansch 23 übergreift.

Ein ringförmiges Prallblech 24, das an der Turbine befestigt ist, begrenzt mit der Hülle 22 einen ringförmigen Einlaß 26 zur Turbine, durch den die in der Brennkammer gebildeten Treibgase in die Turbine strömen. Eine Wand 27 sperrt den Durchtritt von Luft durch den Spalt zwischen dem Gehäuse 2 und dem Flammrohr 3.

Das stromaufwärtige Ende des Flammrohrs 3 wird von einem Brennstoffeintrittsring 28 getragen, der im Bereich des Primärlufteinlasses 14 liegt und von Brennstoffleitungen 30 getragen wird, die in einem Fitting 31 in dem Deckel 8 abgestützt nach außen geführt sind, wo eine Brennstoffzuleitung 32 angeschlossen ist Die Brennkammer arbeitet mit flüssigen Kohlenwasserstoffen.

Der Brennstoffeinspritzring 28 ist von bekannter

Bauart und begünstigt die Zufuhr des Brennstoffes zu der durch den Primärlufteinlaß strömenden Luft Der Brennstoff einspritzring 28 enthält einen ringförmigen Raum 34, der über die Brennstoffrohre 30 versorgt wird

und aus dem über öffnungen 35, die tangential zur Innenfläche des Brennstoffeinspritzringes 28 liegen, der Brennstoff in die durch den Ring strömende Primärluft hinter einer Schulter 36 eingeführt wird.

Vier oder mehr Streben 38 erstrecken sich von der Außenfläche des Brennstoffeinspritzringes 28 zur Flammrohrwand 12. Unter Druck stehende Luft fließt aus der Druckkammer 11 durch den Brennstoffring 28 und gelangt in die Vormisch- und Vorverdampfungszone 15. Gleichzeitig tritt auch Luft von außen um den Brennstoffeinspritzring 28 in diese Zone. Durch die an den Löchern 35 vorbeiströmende Luft wird der zugeführte Brennstoff zerstäubt Beim Durchtritt durch die Vormisch- und Vorverdampfungszone unterstützt die heiße verdichtete Luft das weitere Verdampfen des Brennstoffes, so daß eine sehr homogene Mischung zwischen der Luft und dem verdampften Brennstoff entsteht. Die Streben 38 bewirken keinen Drall in der ^i(l Strömung, so daß die Luft durch die Vormisch- und Vorverdampfungszone 15 im wesentlichen ohne Umfangsgeschwindigkeitskomponente strömt.

Anschließend an die Vormisch- und Vorverdampfungszone 15 ist das erweiterte Übergangsstück 16 der ü Flammrohrwand 12 vorgesehen, das anschließend die Brennzone 18 begrenzt. Durch das Übergangsstück 16 ergibt sich eine Vergrößerung des Querschnitts des Flammrohrs von etwa 10:1.

Beim Durchfluß durch das Übergangsstück 16 wird die Luft durch einen Einsatz 39 kreisförmigen Querschnitts geführt, dessen Außenfläche im wesentlichen parallel zur Innenfläche des Übergangsstücks 16 verläuft. Der Einsatz 39 ist hohl und am stromabwärtigen Ende offen, so daß Wärme aus der Brennzone den ⁴"> Einsatz aufheizt und damit eine weitere Aufheizung des Brennstoff-Luftgemisches beim Durchstrom durch das Übergangsstück 16 bewirkt. Der Einsatz 39 wird von dem Übergangsstück 16 durch acht im wesentlichen V-förmige Streben 40 aus Metallblech gehalten, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind und mit der Flammrohrwand und dem Einsatz verschweißt sind. Diese Streben dienen zugleich der Führung der Luft, wobei acht Kanäle 42 zwischen den Streben gebildet werden. Die Auslässe dieser Kanäle 42 nehmen ungefähr die Hälfte des Umfanges des ringförmigen Kanals 43 zwischen dem Einsatz 39 und dem Übergangsstück 16 auf. Durch den Einsatz 39 wird der Strom des Gemisches längs der Innenwand des Übergangsstücks 16 geleitet und die Kanäle schnüren diesen Strom zu acht gleichmäßig verteilten, voneinander getrennten Einzelströmen ein. Der Einsatz und die Streben werden von der Verbrennungswärme, die dicht stromabwärts von ihnen herrscht, aufgewärmt, so daß eine ijsätzliche Erwärmung des Gemisches eintritt.
^bl Der Einsatz 39 beeinflußt die Strömung, so daß eine turbulente Zone hinter dem Einsatz entsteht, durch die ein Rückschlagen der Flamme verhindert wird. Hinter dem Übergangsstück 16 hat die Flammrohrwand 12

zunächst zylindrische Gestalt und anschließend eine leicht divergierende bis zum Austrittsende. Eine innige Mischung von Brennstoff und Luft erfolgt in der Brennzone 18 durch einen Kranz von acht abgebogenen Schaufeln 44, die mit der Flammrohrwand 12 verschweißt sind und deren Form sich aus den F i g. 1 und 2 ergibt Die Schaufeln lenken das aus den Kanälen 42 austretende Gemisch in Richtung auf die Achse des Flammrohrs ab, so daß sich eine im wesentlichen toroidale Vortexströmung und Rezirkulation in der Brennzone ergibt, wodurch die Verbrennung stabilisiert wird. Die Verbrennung erfolgt nahe des Übergangsstücks 16 und der Schaufeln 44 und die entstehenden Treibgase, in denen der Brennstoff nahezu vollständig verbrannt ist, fließen durch die Verweilzone 19 in Richtung auf den Flammrohrauslaß.

Während des Durchströmens der Verweilzone ist eine ausreichende Zeit vorhanden, um die Verbrennung zu vervollständigen und die vorhandenen Spuren von unverbranntem Brennstoff auf ein Kleinstmaß zu verringern.

Bei einer Brennkammer gemäß dem Ausführungsbeispiel tritt ungefähr 40% der Gesamtluft durch den Primärlufteinlaß 14 und stellt die Verbrennungsluft dar. Die restlichen 60% sind Zumischluft, die radial einwärts durch einen Kranz von sechs großen Zumischlöchern 46 am stromabwärtigen Ende des Flammrohrs zugemischt werden. Der hinter diesen liegende Teil des Flammrohrs bildet die Mischzone 20.

Die Anteile von Primärluft und Zumischluft können natürlich im einzelnen, je nach den gegebenen Betriebsverhältnissen verschieden sein.

Die Zumischluft wird vor dem Eintritt in das Flammrohr durch die Zumischlöcher 46 zum Kühlen der Außenfläche der Flammrohrwand 12 stromabwärts des Übergangsstücks 16 durch Konvektion verwendet, wobei das Einführen von Luft auf die Innenseite der Flammrohrwand zur Bildung eines Kühlluftfilms vermieden ist. Zur Durchführung der Kühlung ist eine ringförmige Hülle 47 in Abstand von der Flammrohrwand 12 auf dem stromabwärtigen Teil des Flammrohrs außerhalb der Flammrohrwand 12 vorgesehen. Die Hülle 47 ist mit der Flammrohrwand 12 so verbunden, daß eine relative Dehnung der Teile gewährleistet ist. Hierzu dienen sechs von der Flammrohrwand 12 neben dem Übergangsstück 16 radial nach außen ragende Platten 48 und sechs ähnliche Platten 50 am stromabwärtigen Ende der Hülle 47. Diese Platten sind in Schlitzen in den Enden der Hülle 47 verschieblich, so daß sich die Flammrohrwand 12 in radialer Richtung in bezug zur kühleren Hülle 47 ausdehnen kann. Die Platten 48 können mit der Flammrohrwand 12 verschweißt werden, bevor die Hülle 47 montiert wird, worauf dann die Platten 50 in die Schlitze der Hüllle eingeschoben werden und mit der Flammrohrwand 12 verschweißt werden. Über die Außenfläche der Flammrohrwand 12 verteilt sich Abstandstücke 51 etwa in der Mitte zwischen den Enden der Hülle 47 vorgesehen, durch die ein Teil des Kanals 52 zwischen der Flammrohrwand 12 und der Hülle 47 verschlossen ist. An der Außenwand trägt die Hülle 47 eine Trennwand 54, die sich bis auf einen kleinen Spalt bis zur Wandung des Gehäuses 2 erstreckt, so daß außerhalb der Hülle nur ein kleiner Teil von Luft durchtritt und der größere Teil durch den Kanal 52 zur Kühlung der Flammrohrwand 12 gezwungen wird. Diese Trennwand stellt zugleich auch eine Trennung zwischen dem stromaufwärtigen Teil des Raumes in dem Gehäuse dar und dessen stromabwärtigen Teil, der die Verweilzone und die Mischzone umgibt.

Obwohl die Arbeitsweise der Brennkammer aus der vorstehenden Beschreibung bereits hervorgeht, soll sie kurz zusammengefaßt dargestellt werden. Heiße verdichtete Luft von etwa 4—5 Bar Druck und einer Temperatur von 480°C bei Volleistung wird in die Druckkammer 11 geleitet, während Kohlenwasserstoff-Brennstoff über das Rohr 32 in den Brennstoffeinspritz-Ki ring 28 geleitet wird. An der Innenfläche des Brennstoffeinspritzringes 28 wird Brennstoff der vorbeiströmenden Luft zugemischt. Bei der Mischung des Brennstoffes mit der heißen Luft verdampft der Brennstoff, worauf das Gemisch längs des Übergangsstücks 16 durch die Kanäle 42 in die Brennzone 18 gelangt, wo es durch die Schaufeln 44 nach innen umgelenkt wird. Die Flamme wird nach der Zündung durch eine geeignete Zündeinrichtung, die nicht dargestellt ist, in der Brennzone 18 aufrechterhalten. Die entstehenden Treibgase strömen durch die Verweilzone 19 weiter, wobei die weitere Oxidation des Brennstoffes bzw. der Brennstoffprodukte erfolgt, wonach durch die durch die Zumischlöcher 46 zutretende Zumischluft eine Abkühlung und Verdünnung der Treibgase eintritt. Hierdurch wird eine für den Betrieb der Turbine geeignete Temperatur erzielt mit der die Treibgase durch den Auslaß 26 zur Turbine abströmen. Das Verhältnis der stöchiometrischen Luftmenge zur tatsächlich vorhandenen im Primärteil der beschriebenen Brennkammer beträgt unter Vollastbedingungen 0,73. Dieses ändert sich mit der Leistung und es sind auch verschiedene Werte für Vollast möglich. Es liegt Veranlassung zu der Annahme vor, daß ein kleineres Verhältnis in der Größenordnung von etwa 0,5 bei Vollast verbesserte Eigenschaften der ausgestoßenen Treibgase ergäbe.

Bezüglich der Verbrennung ist nicht nur das gesamte Brennstoff-Luftverhältnis innerhalb der Brennzone der Brennkammer ausschlaggebend, sondern auch örtliche Brennstoff-Luftverhältnisse an verschiedenen Stellen innerhalb der Brennzone. Es ist bekannt daß bei einem Anreichern des Brennstoffgemisches aus einem mageren Zustand die Kurve des Kohlenoxidanteils von einem hohen Wert nach einer mehr oder weniger hyperbolisehen Funktion auf einen sehr kleinen Wert abfällt Andererseits ist der Anteil von Stickoxiden sehr klein, wenn ein mageres Gemisch verbrannt wird, jedoch steigt dieser Anteil an Stickoxiden fortschreitend steiler an, wenn eine Anreicherung des Gemisches erfolgt so wobei verhältn·' mäßig hohe Stickoxidanteile erreicht werden können. Die bestmöglichen Eigenschaften der austretenden Treihgase können daher hei einem mittleren Wert des Brennstoff-Luftverhältnisses erzielt werden. Hat zwar das Brennstoff-Luftverhältnis einen optimalen Wert liegt jedoch eine schlechte Mischung vor, so ergeben sich innerhalb der Brennzone Bereiche, in denen das Gemisch magerer ist und in denen es reicher ist Dieser Zustand verschlechtert die Eigenschaften der austretenden Treibgase.
to In der beschriebenen Brennkammer ist eine derartige ungleichmäßige Verteilung zwischen örtlich reichem und örtlich magerem Gemisch durch die turbulente Diffusion des Brennstoffes in die Luft in der Vormisch- und Vorverdampfungszone 15 sowie den Strom durch f5 die Kanäle 42 verhindert In der Brennzone selbst ist durch das Auftreffen der Luftströme aus den Kanälen 42 auf die Schaufeln 44 und die Umwälzung der Gase innerhalb der Brennzone eine innige Mischung und

damit eine Verbrennung der noch unverbrannten Gemischteile gewährleistet. Für ein bestimmtes Triebwerk ist es möglich, die Brennkammer so auszulegen, daß sie mit einem Brennstoff-Luftverhältnis arbeitet, bei dem schädliche Anteile in den Treibgasen kleinstmöglich gehalten sind.

Wie bereits erwähnt, sind die Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkammer am größten, wenn die eintretende Luft verhältnismäßig heiß ist. Dies ist bei üblichen Gasturbinentriebwerken mit Regenerativ-Wärmetauscher der Fall. Dies kann aber auch bei Triebwerken eintreten, bei denen durch die Verdichtung der Luft bereits verhältnismäßig hohe Temperaturen erreicht werden. Ferner ist es auch möglich, daß die Brennkammer auch mit in anderer Weise als über einen

Regenerator vorgewärmter Luft arbeitet. Auf jeden Fall ist die Brennkammer besonders wirksam, wenn die Lufttemperatur zwischen 370 und 480⁰C oder darüber liegt.

■"' Die beschriebene Brennkammer ist geeignet, die unerwünschten Bestandteile in den Treibgasen wirksam zu verringern. Sie weist außerdem einen verhältnismäßig einfachen Aufbau auf und obwohl sie größer als für diese Zwecke bekannte Brennkammern ist, ergibt sich keine sperrige Bauweise. Beispielsweise hatte eine Brennkammer gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Länge von 380 mm bei einem Durchmesser am Auslaßende von 165 mm und war damit nur 152 mm länger als bekannte Brennkammern gleicher Leistung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit Regenerativ-Wärmetauschern mit einem einen Lufteinlaß aufweisenden Gehäuse, in dem ein Flammrohr mit einer vorgeschalteten Vormisch-und Vorverdampfungsvorrichtung angeordnet ist, welches eine Brennzone, eine Luftzumischzone und einen Auslaß für die erzeugten Treibgase umfaßt, dadurchgekennzeichnet,