DE2422362B2

DE2422362B2 - Ringbrennkammer für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2422362B2
Application number: DE2422362A
Authority: DE
Inventors: Arthur Henry Ravensden Bedfordshire Lefebvre (Grossbritannien); Samuel Bernard Reider; Harold Lee Stocker; Jerry Gene Speedway Tomlinson
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1973-08-27
Filing date: 1974-05-06
Publication date: 1979-08-23
Also published as: DE2422362A1; JPS5395004U; FR2245855B1; JPS5045111A; US3877221A; CA993668A; FR2245855A1; GB1425438A; DE2422362C3; IT1011411B

Description

Bei einer bekannten Bauart nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 (US-PS 35 89 127) wird die Brennstoffzuleitung zu den im Bereich einer Öffnung in der stromaufwärtigen Wand des Flammrohrs angeordneten Einspritzdüsen durch einen Durchbruch in der äußeren Diffusorwand zwischen dem ersten und zweiten Diffusorkanal geführt. Durch diesen Durchbruch kann zwischen den beiden Diffusorkanälen ein erheblicher Luftstrom treten, der eine unerwünscht« Änderung der Luftverteilung auf die einzelnen Diffusorkanäle infolge veränderter Druckverteilung am Verdichterauslaß veranlassen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorgegebene Luftverteilung auf die einzelnen Strömungswege zur Brennkammer zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen de» Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst.

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

Die erfindungsgemäße Ausbildung ist zum Betrieb mit hohen Lufteintrittsgeschwindigkeiten und breiten Betriebsbereichen geeignet und ermöglicht das Einhalten eines hohen Verdichterdruckes und eines geringen Druckabfalls in der Brennkammer. Eine lokalisierte! Trennung der Luftströme wird verhindert, so daß sich eine günstige Verbrennungsverteilung ergibt. Hierbei iiit die Brennkammer verhältnismäßig unempfindlich gegen Änderungen der Druck- und Geschwindigkeitsverteilung am Auslaß des die Luft fördernden Verdichters.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Ringbrennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch die Ringbrennkammer ' und

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 1.
Die in F i g. 1 nur zum Teil dargestellte Ringbrennkammer 4 ist axial durchströmt und hinter einem Axialverdichter 3 angeordnet, um eine nachgesc! altete

<" Turbine 6 mit Treibgasen zu versorgen. Von dem Verdichter ist nur das Auslaßende dargestellt und von der Gasturbine nur ein Teil des Düsenkranzes 7, durch den die Brenngase der Turbine zugeleitet werden. In bekannter Weise ist die Turbine durch eine Welle mit > dem Verdichter verbunden, um diesen anzutreiben, damit verdichtete Luft zur Ringbrennkammer gefördert wird. In der so verdichteten Luft wird in einem Flammrohr Brennstoff verbrannt, worauf die Brenngase der Turbine zugeleitet werden. Nutzleistung kann über

■*■· eine mit der Turbine verbundene Welle abgenommen werden oder als Schub der durch eine Düse ausgestoßenen Treibgase, nachdem diese die Turbine durchströmt haben. Der allgemeine Aufbau derartiger Triebwerke ist bekannt, so daß eine nähere Beschreibung entbehrlich

-■ ist

Die Ringbrennkammer 4 hat eine äußere Wand 8 und eine innere Wand 9, die einen Ringraum begrenzen, der sich vom Auslaß des Verdichters zum Einlaß der Turbine erstreckt Die Verbrennung findet in einem

'·" ringförmigen Rammrohr 10 statt, das zwischen der äußeren und inneren Wand der Ringbrennkammer angeordnet ist Das Flammrohr 10 hat eine äußere Wand 11 und eine innere Wand 12, die im wesentlichen zylindrisch und schwach geneigt ausgebildet sind. Durch • die äußeren Wände 8 und 11 der Brennkammer bzw. des Flammrohrs wird ein Luftkanal 13 bestimmt, während durch die inneren Wände 9 und 12 der Brennkammer bzw. des Rammrohrs ein Luftkanal 14 begrenzt wird. Das Flammrohr 10 hat ferner eine ringförmige stromaufwärtige Stirnwand 13, die die innere und äußere Flammrohrwand 11 und 12 miteinander verbindet An Stutzen 18 sind Brennstoffdüsen 16 befestigt, wobei die Stutzen 18 durch die äußere Stromkammerwand 8 hindurchgeführt sind. Im Ausführungsbeispiel sind über den Umfang des Flammrohrs 10 mit gleichem Abstand voneinander 16 Brennstoffdüsen vorgesehen.

Die stromabwärtigen Enden der Luftkanäle 13 und 14 sind durch Wände 19 bzw. 20 weitgehend verschlossen,

'" so daß sie nur den Durchstrom von etwas Kühlluft für die Turbine gestatten.

Der mehrstufige Axialverdichter enthält eine Schlußstuft 22, hinter der zwei Reihen von Auslaßleitschaufeln 23 vorgesehen sind. Der Verdichter liefert verdichtete Luft in axialer Richtung zur Brennkammer 4, insbesondere durch die vordere Stirnwand 15 des Flammrohrs 10 und durch die Luftkanäle 13 und 14.

Die Verteilung der Luft auf diese Strömungswege wird durch einen Diffusor 24 bewiikt, der im einzelnen

" in F i g. 2 dargestellt ist. Der Diffusor hat eine äußere Wand 26 aus Metallblech, deren stromabwärliger Rand den vorderen Teil der äußeren Wand 11 des Flammrohrs überdeckt und mit diesem verschweißt ist. Das stromaufwärtige Ende der äußeren Wand 26 des

' Diffusors ist mit einem Ring 27 verschweißt, der die äußere Begrenzung eines ringförmigen Lufteinlasses 28 bildet. Die innere Begrenzung dieses Lufteinlasses 28 wird durch einen Ring 30 bestimmt. Die beiden Ringe

sind durch über den Abstand verteilte Abstandsstücke 31 miteinander verbunden. Eine innere Wand 34 des Piffusors besteht aus einem stromaufwärtigen Teil 32, das mit der Rückseite des Ringes 30 verbunden ist und einem stromabwärtigen Abschnitt 35, dessen stromabwärtiges Ende den vorderen Teil der inneren Wand 12 des Flammrohrs überdeckt und mit diesem verschweißt ist. Die Abschnitte 32 und 33 der inneren Wand 34 des Diffusors überlappen sich mit Abstand, so daß ein Verbindungskanal 36 entsteht Die beiden Abschnitte werden im richtigen Abstand durch Abstandsstücke 38 gehalten, die über den Umfang verteilt vorgesehen sind. Die Wände 26 und 34 begrenzen einen verhältnismäßig großen Raum 39, dem Luft durch einen divergierenden zweiten Diffusorkanal 40 zwischen den Ringen 27 und 30 zugeleitet wird. Die Ringe 27 und 30 können als Rüssel 42 des Diffusors angesehen werden. Dieser Rüssel 42 erstreckt sich bis dicht an den Auslaß des Verdichters, also liegt dicht neben den Auslaßleitschaufeln 23 und dient dazu, die vom Verdichter gelieferte Luft in drei Teile aufzuteilen. Ein Teil der Luft fließt durch den zweiten Diffusorkanal 40, ein anderer Teil durch einen äußeren ersten Diffusorkanal 43 zwischen der äußeren Wand 8 der Brennkammer und der äußeren Wand 26 des Diffusors zum Luftkanal 13, während ein dritter Strom durch einen inneren dritten Diffusorkanal 44 zwischen den .Wänden 30,32 und 35 und der inneren Wand 9 der Brennkammer zum Luftkanal 14 geleitet wird.

Die Abstützung des Diffusors 24 und des vorderen Endes des Flammrohrs 10 sind für die Erfindung unwesentlich, sie kann aber durch über den Umfang verteilte nicht dargestellte Streben erfolgen, die sich vor dem Rüssel 42 zwischen den Wänden 8 und 9 der Brennkammer erstrecken, wobei entsprechende Ausschnitte zur Aufnahme der Streben vorgesehen sind.

Die Wände 11 und 12 des Flammrohrs 10 sind gleich ausgebildet Jede dieser Wände besteht aus einer Anzahl von sich überlappenden Schüssen, zwischen denen schmale Schlitze gebildet sind. Durch diese Schlitze tritt Luft, die Konvektionskühlung der Flammrohrwände bewirkt und dann über die erhitzte Fläche als Film weiterströmt Primärbrennluft wird durch Löcher nahe dem stromaufwärtigen Ende des Flammrohrs entsprechend den Pfeilen 45 zugeleitet Sekundär- oder Zumischluft !ritt durch weiter stromabwärts liegende Löcher entsprechend den eingezeichneten Pfeilen 46 in das Flammrohr. Etwas Primärbrennluft wird durch die Brennstoffdüsen 16 zugeleitet, die der Zerstäubung des Brennstoffes dient Zusätzliche Luft wird ferner durch die vordere Stirnwand 15 zugeleitet und umströmt die Kanten von Prallblechen 47 sowie die äußere und innere Wand, um einen Film von Kühlluft für das stromaufwärtige Ende des Flammrohrs zu bilden. Die so zugeführte Kühlluft wird später der primären Brennluft zugefügt; sofern sie nicht bereits zur Gemischbildung verwendet ist, wird sie schließlich als Zumischluft verwendet. Die bauliche Ausgestaltung der vorderen Stirnwand und der Wände des Flammrohrs kann im übrigen in beliebiger Weise erfolgen. Wie Fig.2 zeigt, hat der Stutzen 18 einen Umfangsflansch SO, der mit etwas Spiel durch ein Loch 51 in der äußeren Wand 26 des Diffusors tritt. Ein napfförmiger Ring 52 aus Metallblech Überspannt den Flansch 50 und der äußere Rand des Ringes 52 ist verschieblich zwischen der inneren Fläche der äußeren < Wand 26 des Diffusors und einem mit einem Flansch versehenen Haltering 54 gehalten mit der äußeren Wand 26 verschweißt Durch diese Ausbildungen sind Luftleckagen im Bereich der Stutzen 18 verhindert

Die Erfindung ist auf die Ausbildung des Diffusors 24 ι gerichtet, der die Verteilung der verdichteten Luft auf die drei Strömungswege bewirkt In einer typischen Anordnung erfolgt die Verteilung der Luft so, daß etwa 44% in den Luftkanal 13 einschließlich 4% über die Wand 19 fließende Kühlluft für die Turbine, 40% zum Luftkanal 14 einschließlich etwa 6%, die über die Wand 20 als Kühlluft zur Turbine abgeleitet werden, und etwa 16% durch die vordere Stirnwand 15 des Flammrohrs strömen.

Der durch den Lufteinlaß 28 und durch den zweiten Diffusorkanal 40 strömende Luftanteil beträgt etwa 23% der Gesamtmenge, wobei unter normalen Betriebsbedingungen etwa 7% durch den Spalt 36 in den innenliegenden Luftkanal 14 abgeleitet werden. Der genaue Anteil der Luft, der aus dem Raum 39 durch die Verbindungskanäle zum innenliegenden Luftkanal 14 abgeleitet wird, ändert sich mit änderungen der Austrittsgeschwindigkeit der Luft und der Druckverteilung der Luft beim Eintritt in die Brennkammer im Bereich der Leitschaufeln 23 des Verdichters. Nimmt der Druck nahe der inneren Wand des Verdichters ab, so bedingt dies eine Abnahme der Luftmenge und des Druckes im Luftkanal 14, während gleichzeitig eine Druckerhöhung zwischen dem Raum 39 und dem Auslaß des dritten Diffusorkanais 44 entsteht so daß sich ein erhöhter Luftstrom durch den Schlitz 36 aus dem Raum 39 zum inneren Luftkanal 14 ergibt wodurch dort sowohl Druck als auch Luftmenge erhöht werden. Auf diese Weise werden Änderungen in der Druck- und Geschwindigkeitsverteilung am Verdichterauslaß ausgeglichen.

Im Ausführungsbeispiel ist der zweite Diffusorkanal 40 mehr gegen den inneren Rand des Diffusors 24 gerichtet, so daß die Luft aus ihm direkt auf den Schlitz 56 zum inneren Luftkanal 14 gerichtet ist Infolge der großen Erweiterung des Luftstromes beim Verlassen des zweiten Diffusorkanais 40 und dem Eintritt in den Raum 39 erfolgt eine schnelle Diffusion im Raum 39, so daß dort keine wesentlichen Geschwindigkeitseinflüsse die Verteilung der Luft durch die Brennstoffdüse 16 und die Einlasse für die Kühlluft zwischen den Prallwänden 47 und den Flammrohrwänden verändern. Es ergibt sich ein schneller Strom von Luft über die äußeren Flächen beider Wände des Flammrohrs und ein verhältnismäßig langsamer Strom der Luft innerhalb des Raumes 39.

Versuche mit der erfindungsgemäßen Bauweise haben gezeigt, daß die Brennkammer beträchtlich unempfindlicher gegen Änderungen des Druckes und der Geschwindigkeit am Auslaß des Verdichters ist, wenn sidi die Betriebsbedingungen des Triebwerkes ändern. Dies dürfte auf die Anordnung des Verbindungsschlitzes 36 von dem mittleren Strömungswcg zum inneren Strömungskanal beruhen, wodurch ein Teil des kräftigen, im mittleren Bereich des Diffusors strömenden Luftst/oms zum innenliegenden Luftkanal abzweigt, der sonst von nahe der Nabe des Verdichters strömender Luft versorgt wird. Damit ist ein guter Ausgleich der Luftströmung und des Druckes iir den inneren und äußeren Luftkanälen erreicht, woraus sich eine erwünschte gleichmäßige Temperaturverteilung der in der Brennkammer gebildeten Treibgase ergibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Ringbrennkammer für ein aus einem Verdichter mit einem ringförmigen axialen Auslaß bestehendes Gasturbinentriebwerk, mit einem ringförmigen Flammrohr mit einer äußeren und einer inneren Flammrohrwand, wobei stromaufwärtsliegende, in Strömungsrichtung divergierende Teile dieser Flammrohrwände zusammen mit einer zwischen ihnen liegenden stromaufwärtigen Rammrohrstinnwand einen sich an den Verdichterauslaß anschließenden Diffusor begrenzen, dessen Einlaßteil durch eine äußere Diffusorwand mit dem stromaufwärtigen Ende der äußeren Flammrohrwand und durch eine innere Diffusorwand mit dem stromaufwärtigen Ende der inneren Flammrohrwand verbunden ist und drei Diffusorkanäle bildet, von denen der ersi:e zur Außenseite der äußeren Flammrohrwand, der zweite auf einem mittleren Radius des Diffusors au einem von der stromaufwärtigen Flammrohrstirnwand begreifen Raum und der dritte zur radial inneren Seite der inneren Flammrohrwand führt, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Diffusorwand (26) den zweiten Diffusorkanal (40) von dem ersten Diffusorkanal (43) dichtend trennt und daß die innere Diffusorwand (34) so ausgebildet ist, daß ein Teil des Stromes aus dem zweiten Diffusorkanal (40) in den dritten Diffusorkanal (44) zur radial inneren Seite der inneren Flammrohrwand (12) abhängig von den Druckverhältnissen in beiden Diffusorkanälen ableitbar ist
2. RingbrennLammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweit? Diffusorkanai (40) so ausgebildet ist, daß der .Strom vorwiegend auf die innere Diffusorwand(34) gerichtet-'it.