DE2455909A1 - Brennkammer fuer gasturbinenstrahltriebwerke - Google Patents

Brennkammer fuer gasturbinenstrahltriebwerke

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DE2455909A1
DE2455909A1 DE19742455909 DE2455909A DE2455909A1 DE 2455909 A1 DE2455909 A1 DE 2455909A1 DE 19742455909 DE19742455909 DE 19742455909 DE 2455909 A DE2455909 A DE 2455909A DE 2455909 A1 DE2455909 A1 DE 2455909A1
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DE19742455909
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English (en)
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Denis Richard Carlisle
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Rolls Royce PLC
Original Assignee
Rolls Royce 1971 Ltd
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Combustion Of Fluid Fuel (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

Brennkammer für Gasturbinenstrahltriebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen-Strahltriebwerke und befaßt sich insbesondere mit dem Problem der Reduzierung von Stickoxyden (NOx), die in einer solchen Brennkammer im Betrieb erzeugt werden, während Kohlenstoffmonoxyd und unverbrannter Brennstoff.auf annehmbaren Pegeln gehalten werden.
Es sind verschiedene Verfahren zur Reduzierung von NOx-Emissionen bekannt, z.B. .das Einspritzen von Wasser, jedoch führt bei einer gegebenen Brennkammer die Benutzung von genügenden Wässermengen zur Steuerung der NOx-Emission zu einer übermäßigen Kohlenstoffmonoxydemission.
Eine grundsätzliche Möglichkeit zur Reduzierung der NOx-Emission besteht darin, die Verbrennungsreaktionstemperatur auf ungefähr 19000C zu reduzieren und dies erfordert eine Vormischung des Brennstoffs und der gesamten Verbrennungsluft, bevor di'e Verbrennung stattfinden kann.
Dies kann dadurch erreicht werden, daß zwei Stufen der Brennstoffeinspritzung benutzt werden, und zwar durch eine variable Primärluftsteuerung oder durch Abzapfung der Primärluftzuführung zur Steuerung der Strömung der Primärluft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die NOx-Emissionen
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die in der Brennkammer eines Gasturbinenstrahltriefcrwerkes erzeugt werden, durch ein Verfahren zu Reduzieren, welches eine zweistufige Brennstoffeinspritzung benutzt und eine Wassereinspritzung erübrigt.
Gemäß der Erfindung ist die Brennkammer eines Gasturbinenstrahltriebwerkes mit einem PrimärbrennstofELnjektor und einer Primärmischzone für Brennstoff und Luft sowie mit einem Sekundärbrennstoffinjektor und einer Sekundärmischzone für Brennstoff und Luft versehen, welch letztere die Primärmischzone umgibt, wobei die beiden Mischzonen miteinander in Verbindung stehen.
Die Primärmischzone kann einen Kopfteil umfassen, indem der Primärbrennstoffinjektor angeordnet ist und es kann ein im wesentlichen parallelwandiger Abschnitt nach diesem Kopfteil verlaufend angeordnet sein, wobei ein Primärlufteinlaß stromoberseitig des Kopfteiles angeordnet ist. Der Primärbrennstoffinjektor kann ein Vormlschverdampfer oder ein Reflexluft Strahlbrenner sein.
Die zweite Mischzone kann ringförmig ausgebildet sein und den Primärlufteinlaß und den parallelwandigen Abschnitt der Primärmischzone umschließen.
Der Sekundärbrennstoffinjektor kann aus einer Ringleitung bestehen, die innerhalb der Sekundärmischzone angeordnet ist und mit einem Brennstoffeinlaß und einer Vielzahl von Brennstoffauslassen ausgestattet ist.
Das stromunterseitige Ende der Sekundärmischzone steht über eine Lochplatte mit der Primärmischzone in Verbindung, deren öffnungen die Gestalt von Schlitzen oder greisrunden Löchern haben.
Vorzugsweise ist in die Speiseleitung nach dem Primär- bzw.
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SekundärbrennstofELnjektor eine Steuereinrichtung eingeschaltet, die das gesamte Brennstoff/Luftverhältnis bei jeder gegebenen Leistungseinstellung steuert, während die Brennkammer im Betrieb befindlich ist.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Schnitt einer erfinduJäigsgemäß ausgebildeten Brennkammer eines Gasturbinenstrahltriebwerkes.
Die Brennkammer 10 liegt zwischen einem Innengehäuse 12und einem Außengehäuse 14 eines nicht dargestellten Gasturbinenstrahltriebwerkes. Die beiden Gehäuse bilden zusammen einen ringförmigen Drucklufteinlaß 16, der stromunterseitig des Triebwerkskompressors verläuft und am Auslaß 20 der Brennkammer ist eine Reihe von Düsenleitschaufein 18 vorgesehen, und zwar stromaufwärts der nicht dargestellten Turbine.
Die Brennkammer umfaßt eine Primarmlschzorte 5.0 für Brennstoff und Luft sowie eine Sekundärmischzone 32 für Brennstoff und Luft und einen stromabwärtigen Abschnitt 34.
Die Primärmischzone 30 besteht aus einem zylindrischen Abschnitt 36 mit einem Kopfteil 38, in dem ein Brennstoffinjektor 40 bekannter Bauart angeordnet ist* Der Brennstoffinjektor kann beispielsweise ein Reflexluftstrahlbrenner sein. Am stromaufwärtiger Ende des zylindrischen Abschnitts 36 ist ein kegelstumpfförmiger Primärlufteinlaß 42 angeordnet.
Die Sekundärmischzone 32 für Brennstoff und Luft besteht aus einem kegelstumpfförmigen Einlaß 44 und einem zylindrischen Abschnitt 46, der die Primärmischzone 30 umgibt und einen Ringraum 48 dazwischen bildet. Im Ringraum 50 ist eine ringörmige Brennstoffzuführungsleitung 52 angeordnet, die als
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Sekundärbrennstoffinjektor wirkt.
Am stromabwärtigen Ende des Ringraumes 50 befindet sich eine Lochplatte 54, so daß die Brennstoff/Luftmischung aus der Sekundärmischzone 32 in die Primärmischzone abfließen und verbrannt werden kann. Die Lochplatte 54 kann entweder mit kreisförmigen Löchern oder mit Schlitzen.ausgestattet sein.
Der stromabwärtige Abschnitt 34 besitzt eine Reihe gelochter Ringe 56, durch die Kühlluft abströmen kann und außerdem sind mehrere öffnungen 58 darin vorgesehen, durch die die Verdünnungsluft strömen kann.
Der Primärbrennstoffinjektor und der Sekundärbrennstoffinjektor empfangen Brennstoff aus einer Hauptbrennstoffzuführung 60 über Ventile 62 bzw. 64. Die BrennstoffStrömungsrate nach den beiden Injektoren wird durch eine Steuereinrichtung 66 eingestellt, die die Ventile 62 und 64 so einstellt, daß bei gegebener Triebwerksleistungseinstellung ein gegebenes Gesamtbrennstoff/Luftverhältnis erhalten wird.
Wenn das mit der Brennkammer 10 ausgerüstete Triebwerk angelassen wird, dann läßt die Steuereinrichtung 66 den Brennstoff nur nach dem Primärbrennstoffinjektor strömen und das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Primärmischung wird etwa stoichemetrJSDh.
An dieser Stelle ist der Verbrennungswirkungsgrad im wesentlichen 100$ und die verbleibenden Kohlenmonoxyde, unverbrannter Brennstoff und andere Teilchen, liegen niedriger als es die Umweltschutzbestimmungen der USA vorschreiben. Die Triebwerksleistung wird durch Erhöhung der Brennstoffströmung nach dem Primärbrennstoff injektor erhöht und Luft und Brennstoff werden auf einen,Wert Über den stcfchemetrischen Wert angehoben, wo die Werte für NOx-Emissionen und andere Verunreinigungen schon bedeutend werden aber die erlaubten Grenzen nicht überschreiten.
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Der Wert des Luft/Brennstoffverhältnisses beträgt hierbei etwa 8:1. Dann wird die Brennstoffzufuhr vermindert, um ein Primärluft/Brennstoffverhältnis von etwa 20:1 zu erhalten und der zur Aufrechterhaltung der Triebwerksleistung erforderliche Brennstoff wird nach dem Sekundärbrennstoffinjektor geleitet und das Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Sekundärzone beträgt an dieser Stelle 30 oder 40:1.
Die Verminderung von Primärbrennstoff und die Einführung von Sekundärbrennstoff stellt eine Stufenänderung dar, die erforderlich ist, um zu gewährleisten, daß d.er Sekundärbrennstoff genügend angereichert ist, um verbrennen zu können· Wenn keine Stufenänderung vorhanden wäre und sowohl Primärbrennstoff als auch Sekundärbrennstoff vom Start an zugeführt wurden, dann wäre die Sekundärbrennstoffströmung so klein, daß sie beim Eintritt in die Brennkammer nicht verbrennen würde.
Dann wird die.Brennstoffzufuhr vergrößert, um die Triebwerksleistung auf den erforderlichen Wert zu bringen, wobei das Pr imärluf t/Brennstoff-Verhältnis bei 20:1 gehalten wird und das Sekundärluft/Brennstoff-Verhältnis allgemein angereichert wird, bis ein Wert von 20:1 bei der erforderlichen Leistungseinstellung erhalten wird.
Dadurch, daß das gesamte Luft/Brennstoff-Verhältnis auf einem Wert von 20:1 gehalten wird, übersteigt die Verbrennurigstemperatur den Wert von 19000C nicht und die NOx und andere Emissionen werden unter den zulässigen Grenzen gehalten.
Patentansprüche s
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fei; ϊ ■

Claims (6)

  1. - 6 - .·
    Patentansprüche
    ίIy Brennkammer für Gasturbinenstrahltriebwerke, dadurch g e kennzeichnet, daß ein Primär brennstoff in 2 ektor und eine Primärmischzone für Brennstoff und Luft sowie ein Sekundärbrennstoffinjektor und eine Sekundärmieohzone für Brennstoff und Luft vorgesehen sind, welch letztere die Primärmischzone umgreift und daß die. beiden Mischzonen miteinander in Verbindung stehen.
  2. 2) Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gek.ennzeiehn e t, daß die Primärmischzone einen Kopfteil umfaßt, in dem der Primärbrennstoffinjektor angeordnet ist und daß ein im wesentlichen parallelwandiger Abschnitt stromunterseitig des Kopfteiles angeordnet ist und daß ein Primärlufteinlaß stromaufwärts des Kopfteiles liegt.
  3. 3) Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärmischzone ringförmig ausgebildet ist und den Primärlufteinlaß und den im wesentlichen doppelwandlgen Abschnitt der Primärmischzone umgibt.
  4. 4) Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der-Sekundärbrennstoffinjektor eine Ringleitung umfaßt, die in der Sekundärmischzone liegt und mit einem Brennstoffeinlaß und einer Vielzahl von Brennstoffauslassen versehen ist.
  5. 5) Brennkammer nach Anspruch Ί, dadurch gekennze lohne t, daß das stromabwärtlge Ende der Sekundärmischzone mit einer Lochplatte ausgestattet ist·
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  6. 6) Brennkammer nach Anspruch I4 dadurch ge kennzeich net, daß die Brennstoffzufuhr nach dem Primärbrennstoffinjektor und dem Sekundarbrennstoffinjektor durch eine Steuereinrichtung eingestellt wird, die das gesamte Brennstoff/Luft-Verhältnis bei jeder.gegebenen Leistung bestimmt, wenn die Brennkammer im Betrieb ist.
    5 09,823/02 78
    Leerseite
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