DE2460709C2

DE2460709C2 - Brennkammer für Gasturbinen

Info

Publication number: DE2460709C2
Application number: DE2460709A
Authority: DE
Inventors: Robert Darrell Indianapolis Ind. Anderson; Lee Spedway Ind. Dennis
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1974-02-04
Filing date: 1974-12-18
Publication date: 1982-12-16
Also published as: SE7500960L; IT1026493B; JPS50140716A; CA1013153A; FR2259989A1; DE2460709A1; GB1467499A; SE393839B; JPS5825931B2; FR2259989B1; US3859787A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen mit einem Flammrohr, dessen Mantelfläche vom stromaufwärtigen Ende beginnend eine Vorkammer, eine Brennzone und eine Zumischzone begrenzt und mit einem stromabwärtigen Auslaß für Treibgase endet, wobei die Vorkammer am stromaufwärtigen Ende einen Einlaß für Luft aufweist, die mit erheblicher Geschwindigkeit längs der Innenwandung der Vorkammer strömt, und wobei stromabwärts des Lufteinlasses eine Brennstoffzufuhreinrichtung vorgesehen ist, die an der Innenwandung einen Film flüssigen Brennstoffs bildet, der in dem vorbeiströmenden Luftstrom verdampft.

Die Erfindung ist vorwiegend darauf gerichtet, die Brennkammer so auszugestalten, daß eine vollständige Verbrennung über verhältnismäßig weite Bereiche der Luft- und Brennstoffzufuhr erreicht wird und das Ausstoßen von unvollständig verbranntem Brennstoff und die Bildung von Stickoxiden kleinstmöglich gehalten werden.

In den Vereinigten Staaten von Amerika sind regierungsseitig Normen über den Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden bei Kraftfahrzeugen erlassen worden, um die Umweltve^rschmutzung zu verringern. Diese Normen sind äußerst streng. Für die Überwachung der Einhaltung dieser Normen sind Vorschriften über Prüfverfahren erlassen worden, bei denen ein Kraftfahrzeug einem besonderen Betriebsverlauf unterzogen wird, in welchem Anlaufen der Antriebsmaschine, Beschleunigungen und Verzögerungen und Betrieb bei verschiedenen Geschwindigkeiten nach einem festen Programm durchgeführt werden, um die Verhältnisse im Stadtverkehr zu simulieren.

Die nach den Lehren der Erfindung aufgebaute Brennkammer wurde in dieser Weise geprüft und konnte die neuen Normen vo'l erfüllen.

Es ist seit langem bekannt, mit Erfolg Gasturbinenbrennkammern zu bauen, wobei die anfänglichen Ziele darauf gerichtet waren, einen zuverlässigen Betrieb, einen guten Wirkungsgrad, hohe Standfestigkeit, geeignete Auslaßtemperaturen der Treibgase und eine gedrängte Bauweise zu erzielen. Es ist verhältnismäßig einfach, übliche Brennkammern so auszugestalten, daß ein geringer Anteil von unverbranntem und teilverbranntem Brennstoff in Form von Kohlenmonoxid oder unverbrannter Kohle in den Abgasen enthalten ist jedoch arbeiten die üblichen Brennkammern mit verhältnismäßig hohen Temperaturen, so daß eine erhebliche Bildung von Stickoxiden eintritt Verschiedene Versuche sind unternommen worden, um den Anteil an Stickoxiden zu verringern, jedoch hat die Erfahrung gezeigt, daß hierzu geeignete Maßnahmen, wie Verringerung dei Verweilzeit in der Brennzone und Herabsetzung der Höchsttemperatur in der Brennzone sowie ein frühes Abkühlen der Treibgase nach der Verbrennung zu einem Anstieg des Anteils an unvollständig verbranntem Brennstoff führt

Das Schaffen einer Brennkammer mit geringen schädlichen Anteilen in den Abgasen wird dadurch erschwert, daß ein weiter Leistungsbereich bei dem Einsatz als Antriebsmaschine für Kraftfahrzeuge erforderlich ist, der sich vom Leerlauf bis zur Volleistung erstreckt wobei auch verhältnismäßig reine Abgase beim Anlassen der kalten Antriebsmaschine gefordert werden müssen. Eine hohe Temperatur der Brennluft bei mit Luftvorwärmung arbeitenden Antriebsmaschinen unterstützt die Bildung von Stickoxiden.

So ist durch die DE-AS 1131947 bekannt, den Brennstoff in einer dünnen Schicht längs einer geeignet temperierten Oberfläche fließen zu lassen, um dessen Verweilzeit auf der Wandung auf ein Minimum herabzusetzen. Der Brennstoffilm wird über eine möglichst große Fläche der glatten Innenwandung des Flammrohrs zugeführt, deren Temperatur in Abhängigkeit vom Belastungszustand geregelt wird.

Nach der US-PS 36 91 762 soll die Reinheit der Treibgase dadurch verbessert werden, daß ein homogenes stöchiometrisches Gemisch gebildet wird, wobei die Brennstoffzufuhr zur Verdampfung an der Innenwand einer Vorkammer mit nur geringem Druck ohne Einspritzung erfolgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkammer gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 so weiter auszugestalten, daß im wesentlichen reine Abgase erzielt werden, indem eine verbesserte Verdampfung und Einmischung des Brennstoffs in die Brennluft bewirkt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Innenfläche der Vorkammerwand rauh ausgebildet ist, mit einem Gitter von zwei Scharen sich schneidender Nuten, die den zugeführten Brennstoff längs der Innenwand führen, und mit zwischen den Nuten verbleibenden Vorsprüngen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nuten in der Innenfläche der Vorkammerwand unter einem Winkel von etwa 45° zur Achsrichtung der Vorkammer geneigt verlaufen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Vorsprünge zwischen den Nuten im wesentlichen rechteckige Form aufweisen.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer für eine Gasturbine mit zum Teil weggeschnittenen und zum Teil geschnittenen Teilen,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch das Flammrohr der Brennkammer gemäß F i g. 1,

Fig.3 eine Stirnansicht auf das stromaufwärtige Ende des Flammrohrs nach der Linie 3-3 in Fig.2 gesehen.

F i g. 4 einen Querschnitt nach der Linie 4-4 in F i g. 2,

F i g. 5 einen Teillängsschnitt durch die Vorkammer ir. ίο größerem Maßstabe,

F i g. 6 einen Teilschnitt nach der Linie 6-6 in F i g. 5,

F i g. 7 einen Teilschnitt nach der Linie 7-7 in F i g. 5,

Fig.8 eine Teilansicht auf die Innenwandung der Vorkammer mit einer gemusterten Oberfläche, F i g. 9 einen Schnitt nach der Linie 9-9 in F i g. 8.

Gemäß F i g. 1 weist eine Gasturbine 2 ein Gehäuse 3 auf. Weitere Einzelheiten der Gasturbine sind nicht beschrieben, da sie für das Verständnis der Erfindung entbehrlich sind.

Das Gehäuse 3 der Gasturbine bildet einen Teil eines Außengehäuses 4 für die Brennkammer, wobei ein zylindrischer Mantel 6 mit dem Gehäuse 3 der Gasturbine verbunden ist Bei derartigen Gasturbinen liefert ein nicht dargestellter Verdichter verdichtete Luft, die in einem nicht dargestellten Wärmetauscher aufgeheizt ist, in das Brennkammergehäuse 4.

Der Mantel 6 endet in einem Flansch 7, an dem ein durchgehender Außenring 8 für ein Tragkreuz IC befestigt ist, der zur Halterung eines Flammrohrs 11 dient. Der Außenring 8 ist mit dem Flansch 7 durch über den Umfang verteilte Senkschrauben 12 verbunden. Ein Dom 14 der Brennkammer überdeckt den Außenring 8 und ist mit dem Flansch 7 durch einen Kranz von Schrauben 15 verbunden, die sich durch den Außenring und den Flansch erstrecken. Der Mantel 6 und der Dom 14 sind mit Wärmedämmstoff 16 verkleidet. Das Flammrohr 11 hat im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und besteht aus einer Wand 18. Diese Wand 18 weist einen ersten Mantel 19 auf, der eine Vorkammer 27 umschließt, und an den sich ein im wesentlichen radial gerichteter Wandungsteil 20 anschließt, der in einen Mantel 22 übergeht, der eine Brennzone 23 und eine Mischzone 24 begrenzt Der Mantel 22 endet in einem Auslaß 25 für Treibgase am stromabwärtigen Ende des Flammrohrs. Wie F i g. 1 zeigt, kann der Auslaß 25 des Flammrohrs in eine Treibgasleitung 26 eingesteckt sein, die zu der nicht dargestellten Gasturbine führt. Auf diese Weise wird das stromabwärtige Ende des Flammrohrs abgestützt.

Beim Betrieb wird Brennstoff in der Vorkammer 27, die von dem Mantel 19 umschlossen wird, verdampft und der Brennluft zugemischt, worauf in der Brennzone 23 die Verbrennung stattfindet und in d^r Mischzone 24 Zusatzluft zugemischt wird, um die endgültig gelieferten Treibgase zum Antrieb der Gasturbine zu konditionieren.

Nachstehend wird der Aufbau des Flammrohrs vom stromaufwärtigen Ende beginnend beschrieben. Am stromaufwärtigen Ende 28 wird ein Teil der Brennluft «> zugeführt und tritt durch einen Luftwirbier 30, der aus einem Kranz von Schaufeln 31 (siehe auch F i g. 3 und 5) besteht. Die Schaufeln 31 erstrecken sich von einem äußeren Ring 32 zu einer zentralen Hülse 34, die nach vom über den Luftwirbier 30 vorragt. Die Schaufeln 31 haben einen Winkel von 75° zu einer Ebene, die sich axial durch die Brennkammer streckt, so daß der eintretenden Luft in dem Luftwirbier eine kräftige Wirbelkomponente eneilt wird, wenn sie aus dem Brennkammergehäuse 4 dem Flammrohr zugeleitet wird Der äußere Ring 32 ist mit einem Wandteil 35 der Vorkammer verschweißt, der in das vordere Ende eines stromabwärtigen Vorkammerteils 36 eingesetzt und dort befestigt ist Der- Wandteil 36 hat verhältnismäßig große Wandstärke, beispielsweise 635 — 7,94 mm. Das stromabwärtige Ende des Wandungsteils 36 ist mit dem radial gerichteten Wandungsteil 20 des Flammrohrs verschweißt und Hegt konzentrisch zu diesem. Die radiale Wand 20 erstreckt sich radial einwärts über den Wandungsteil 36 hinaus und bildet dadurch eine Schwelle 38. Der stromaufwärtige Teil der Vorkammer ist von einem Metallblechring 39 überdeckt, der einen einwärts gebogenen Flansch 40 aufweist, der mit dem vorderen Rand des Wandungsteils 35 verschweißt ist Dieser Ring 39 dient der Verbindung des vorderen Endes des Flammrohrs mit dem Tragkreuz 10, der mehrere Arme aufweist die den Außenring 8 mit einem Innenring 42 verbindet der seinerseits mit dem Ring 39 verbunden ist

Die heiße verdichtete Luft strömt bedingt durch den Luftwirbler 30, mit einer starken tangentialen Komponente über die Innenfläche der Wandungsteile 35 und 36 und bewirkt eine Reinigung dieser Flächen infolge der Fliehkraft. Hierbei wird flüssiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff, der der Innenfläche der Vorkammerwand dicht stromabwärts des Luftwirbiers 30 zugeleitet wird; mitgenommen und verdampft Der Brennstoff wird von einem Verteiler 46 (siehe F i g. 5, 6 und 7) zugeteilt, der ein Ring mit halbkreisförmigem Querschnitt ist und sich völlig rings um die Außenfläche des Wandungsteils 35 erstreckt. Diesem Verteiler wird Brennstoff über ein Brennstoffzufuhrrohr 47 zugeleitet, das über einen Fitting am Flammrohr befestigt ist und von einer nicht dargestellten Brennstoffquelle kommt. Der Verteiler 46 ist von einem Kühlmantel 48 umschlossen, der ebenfalls halbkreisförmigen Querschnitt aufweist und mit der Außenfläche des Wandungsteils 35 verschweißt ist. Kühlluft von einer geeigneten Quelle, beispielsweise dem Verdichter der Gasturbine stromaufwärts des Wärmetauschers, wird dem Kühlmantel 48 über ein Rohr 50 zugeleitet, das die Brennstoffzuleitung 47 umgibt. Der Kühlmantel 48 erstreckt sich, wie Fig.6 zeigt, nahezu über den gesamten Umfang der Vorkammer. Ein am Umfang vorgesehener Spalt wird auf der einen Seite durch eine Sperrplatte 51 verschlossen, die mit dem Verteiler 46, dem Kühlmantel 48 und dem Wandungsteil 35 verschweißt ist. Zugeleitete Kühlluft aus dem Rohr 50 durchströmt somit den Kühlmantel 48 zu einem Auslaß 52, der der Sperrplatte 51 gegenüber im Bereich des Spaltes liegt. Durch die umlaufende Kühlluft wird ein Aufdampfen des Brennstoffes unter bestimmten Betriebsbedingungen verhindert, beispielsweise bei plötzlichem Absperren des Brennstoffs bei heißer Maschine oder im Leerlaufbetrieb. Der Tragring 39 dient zugleich als Wärmeschild für den Brennstoffverteiler und den Kühlmantel, um Wärmestrahlung von heißen Teilen des Triebwerks in der Nähe des Flammrohrs abzuhalten.

Der Brennstoff wird aus dem Verteiler 46 durch 16 in gleichem Abstand voneinander liegende Brennstoffdüsen 54 in der Vorkammerwand zugeleitet. Die Düsen haben einen Durchmesser von 0,33 mm und sind etwa 15° zur Außenfläche der Wandung gerichtet so daß der Brennstoff vorwiegend gegen die Innenwandung der Vorkammer und nicht in den durch den Luftwirbler tretenden Luftstrom eingeleitet wird. Die Zufuhr des

Brennstoffes erfolgt mit niedrigem Druck, wobei vorzugsweise der Druckabfall in den Brennstoffdüsen etwa 1,4 kg/cm² beträgt. Die durch den Luftwirbier einströmende heiße Luft bläst den zugeführten Brennstoff längs der Innenwandung der Vorkammer, wobei 5 der Brennstoff erhitzt und verdampft wird und sich mit der Luft mischt, bevor ein Übertritt in die Brennzone 23 erfolgt.

Eine wesentliche Verbesserung der Verdampfung und Vermischung des Brennstoffes mit der Luft wird durch eine aufgerauhte und gemusterte Innenfläche der Vorkammer erzielt. Vorzugsweise beginnt diese rauhe Innenfläche dicht stromabwärts der Brennstoffdüsen 54 und erstreckt sich bis zur Schwelle 38. Die bevorzugte Ausführungsform ist in den Fi g. 8 und 9 dargestellt. In der innenfläche der Vorkammerwand sind zwei Scharen sich schneidender schmaler Nuten 56 gebildet, zwischen denen im wesentlichen rechteckige Vorsprünge 55 verbleiben. Eine derartige Oberflächengestalt kann in einfacher Weise dadurch erzielt werden, daß die Bereiche, in denen die Vorsprünge 55 verbleiben, mit einem Schutzmittel überzogen werden, worauf dann die Innenwand auf eine gewünschte Tiefe geätzt wird. Im Ausführungsbeispiel haben die Nuten einen Abstand zwischen ihren Mittellinien von etwa 1,27 mm und die Tiefe der Nuten beträgt etwa 0,076 mm. Die Breite der Nuten entspricht etwa der Breite der Vorsprünge 55 zwischen den Nuten. Die Nuten liegen etwa im Winkel von 45° zur Achsrichtung der Vorkammer, so daß der zugeleitete Brennstoff an der Innenwandung stromabwärts durch die durchströmende Luft längs der schraubenförmig verlaufenden Nuten 56 fortbewegt wird.

Die verbesserte Wirkung ist darauf zurückzuführen, daß durch die gemusterte Innenfläche eine geringfügige Turbulenz im Luftstrom auftritt, die durch die Vorsprünge 55 unterstützt wird, wobei die Vorsprünge den Wärmeübergang von der Luft begünstigen. Ferner schützen die Nuten den flüssigen Brennstoff vor dem unmittelbaren Aufprall der zugeführten Luft. Versuche haben auf jeden Fall ergeben, daß durch Ausbildung der Innenwand in dieser Weise die vollständige Verdampfung und innige Mischung von Luft und Brennstoff erzielt wird.

Man hat festgestellt, daß die Verbrennung eines mageren Gemisches in der Brennzone 23 vorteilhaft ist. um reine Abgase zu erhalten, während dies bei einem dem stöchiometrischen Gemisch näherliegenden Gemisch nicht der Fall ist. Es wurde als zweckmäßig erkannt, zusätzlich Luft zu der über den Luftwirbier 30 zugeführten Luft zuzumischen, bevor die Verbrennung eingeleitet wird. Dies wird durch einen Satz von Lufteintrittsöffnungen im Bereich der Vorkammer bewirkt, die etwa auf ³Λ der Länge der Vorkammer vom stromaufwärtigen Ende vorgesehen sind. Die Zusatzluft wird zweckmäßig mit einer radial einwärts gerichteten und einer tangentialen Komponente und ohne wesentliche axiale Komponente bewirkt. Ferner ist eine Regelung des Strömungsquerschnitts und damit der zugeführten Luftmenge vorgesehen, wodurch auch ein gewünschtes Gleicugewichtsverhältnis in der Brennzone beeinflußt wird. Das Gleichgewichtsverhältnis ist das Verhältnis des tatsächlichen Gewichtsverhältnisses zwischen Brennstoff und Luft zum stöchiometrischen Verhältnis. Die Veränderung dieses Verhältnisses erfolgt durch Änderung des Verhältnisses der Luftmenge, die der Brennzone über die Vorkammer zuströmt, zu der Luftmenge, die als Zumischluft in der Mischzone 24 zugeleitet wird, wenn das Gesamtverhältnis zwischen Luft und Brennstoff geändert wird.

Die Einrichtungen zur Zumischung von Brennluft in der Vorkammer sind in den F i g. 2 und 4 dargestellt. Der Wandungsteil 36 der Vorkammer besteht aus zwei koaxial zusammenpassenden miteinander verbundenen Teilen, nämlich einem stromaufwärtigen Teil 58 und einem stromabwärtigen Teil 59. Die Lufteintrittsöffnungen bestehen aus einem Kranz von Schlitzen 60, die in das stromabwärtige Ende des stromaufwärtigen Teils 58 eingearbeitet sind. Natürlich können die Schlitze auch in dem stromaufwärtigen Teil des anderen Teils 59 vorgesehen werden, wenn die Verbindung beider Teile entsprechend ausgebildet wird. Aus F i g. 4 ergibt sich, daß die Schlitze 60 in einem beträchtlichen Winkel zur radialen Richtung in die Vorkammer eintreten. Dieser Winkel beträgt etwa 60° und die Schlitze sind so gerichtet, daß die durch sie eintretende Luft in gleicher Richtung wie durch den Luftwirbier 30 abgelenkt wird. Die Schlitze 60 haben trapezoidförmige Gestalt, wobei sie zum stromaufwärtigen Ende der Vorkammer hin divergieren. Der Teilschnitt gemäß Fig. 10 zeigt zwei derartige Schlitze 60. Über den Gesamtumfang sind vorzugsweise 18 Schlitze vorgesehen.

Das Wandungsteil 58 enthält auch eine radiale öffnung 62 zur Aufnahme eines Zünders 63 (F i g. 3), der ähnlich einer Zündkerze ausgebildet sein kann und sich bis in die Vorkammer erstreckt, um das Gemisch zu zünden. Die Einzelheiten des Zünders sind ohne Bedeutung für die Erfindung, so daß eine Beschreibung entbehrlich ist

Die Außenfläche des Teiles 59 trägt 3 Ansätze 64, die die axiale Bewegung einer Büchse 66 begrenzen, die längs des Wandungsteils 36 der Vorkammer verschieblich ist und die Luftzufuhr durch die Schlitze 60 steuert.

Wie bereits erwähnt, ist die Brennzone und die Mischzone von dem Mantel 22 umschlossen, der sich von dem radialen Wandungsteil 20 bis zum Auslaß 25 erstreckt. Die gesamte Brennluft wird über den Vorkammerauslaß 67 im Bereich der Schwelle 38 der Brennzone zugeleitet. Zur Kühlung der Brennzone des Flammrohres sind an dem Außenumfang Rippen 68 am stromaufwärtigen Ende vorgesehen. Hierdurch wird Wärme auf die im Außengehäuse 4 der Brennkammer strömende Luft übertragen, die zu den Einlassen für die Brennluft strömt

In der Mischzone 24 ist ein Kranz von Mischöffnungen 70 vorgesehen, deren Durchtrittsquerschnitt durch eine axial verschiebliche Büchse 71 steuerbar ist. Es sind zwei Sätze von Mischöffnungen vorgesehen, wobei sich die Öffnungen jedes Satzes abwechseln. Der eine Satz von Mischöffnungcn 72 hat rechteckige Gestalt und eine gewisse axiale Länge. Zwischen diesen Mischöffnungen 72 liegen Mischöffnungen 74 des zweiten Satzes, die sich weiter stromaufwärts bis zu einer Kante 75 erstrecken, wobei jedoch der stromaufwärts liegende Teil dieser Mischöffnungen schmaler als deren stromabwärtiger Teil ist

Die Büchse 71 ist ein glatter Zylinder mit nach außen abgebogenen Rändern und einer am stromaufwärtigen Ende vorgesehenen über den Umfang laufenden Verstärkungsrippe 78. Die Büchse 71 ist an der Außenfläche des Flammrohres verschieblich, wobei ihr Bewegungsweg durch zwei Sätze von kleinen Anschlägen 79 begrenzt ist Diese Anschläge 79 sind über den Umfang mit einem Abstand von 120° verteilt

Die Büchse 71 hat zwei Sätze von Öffnungen, die mit je einem der Sätze der Mischöffnungen 72 und 74 des

Flammrohrs zusammenarbeiten. Rechteckige öffnungen 80 wirken mit den Mischöffnungen 72 im Flammrohr und rechteckige öffnungen 82 mit den Mischöffnungen 74 zusammen. Die Länge und Weite der öffnungen in der Büchse 71 entsprechen der Länge und Weite der zugeordneten Mischöffnungen im Flammrohr, so daß diese in der einen Stellung der Büchse voll geöffnet sind. Eine der kurzen öffnungen 80 hat zwei axiale Schlitze 83 am stromaufwärtigen Ende. Diese Schlitze nehmen zwei Stifte 84 auf, die an der Außenwandung des Flammrohrs befestigt sind, und die die Büchse 71 in Umfangsrichtung zum Flammrohr festlegen, jedoch die notwendige axiale Verschiebung der Büchse gestatten.

Die Büchse 71 wird durch drei in axialer Richtung liegende Stangen 86 (F i g. 1) verstellt, die über Stifte 85 mit radialen Rippen 87 der Büchse 71 verbunden sind. Die Stangen 86 erstrecken sich durch Führungen 88, die am Dom 14 der Brennkammer gebildet sind und sind durch Dichtungen 90 tretend mit einer gemeinsamen Betätigungsplatte 91 durch Muttern 92 verbunden. Die Betätigungsplatte 91 ist über eine Betätigungsstange 94 verstellbar.

Die Büchse 66, die den Luftstrom durch die Schlitze 60 der Vorkammer steuert, ist starr mit der Büchse 71 verbunden und wird also mit dieser zusammen durch die Stange 94 betätigt. Die Verbindung erfolgt durch drei Stangen 95, die sich in axialer Richtung über den Umfang des Flammrohrs verteilt erstrecken. Jede Stange 95 ist über eine Verankerung 96 mit der Büchse

71 verbunden. Die Verbindung mit der Büchse 66 ist einstellbar ausgebildet und erfolgt durch Arme 102, die mit einem Winkelabstand von 120° radial nach außen mit der Büchse 66 verbunden sind. Die Arme sind durch Streben 103 versteift und über eine Grundplatte 104 mit der Büchse 66 verbunden.

Das vordere Ende jeder Stange 95 trägt ein Gewinde und erstreckt sich durch ein Loch am Ende je eines Armes 102. Die Befestigung erfolgt durch zwei Paare von Doppelmuttern 105, durch die die Lage der Büchse 66 zur Lage der Büchse 71 eingestellt werden kann. Die Bewegung der beiden Büchsen erfolgt so, daß beim Öffnen der Schlitze 60 im Bereich der Vorkammer ein Schließen der Zumischöffnungen im Bereich der Mischzone 24 erfolgt.

Die Verbindung zwischen den Büchsen 66 und 71 könnte auch in anderer Weise erfolgen, jedoch ist die gewählte Ausführungsform einfach und zuverlässig.

Der stromabwärtige Rand der Büchse 66 enthält Kerben 106 (F i g. 1 und 2). Jedem Schlitz 60 ist eine derartige Kerbe 106 zugeordnet wobei die Kerben V-förmig gestaltet sind und einen Winkel von 70° einschließen. Die Kerben sind etwas breiter als die stromabwärtigen Enden der Schlitze 60, so daß sich ein allmähliches Offnen und Schließen der Schlitze 60 bei einer axialen Bewegung der Büchse 66 ergibt, wenn die hintere Kante der Büchse über die Schlitze läuft Die ' besondere Formgebung der Lufteintrittsöffnungen 60,

72 und 74 ist so gewählt, daß eine gewünschte Charakteristik der Luftstromverteilung erzielt wird, wenn die Steuerstange 94 bewegt wird, um die relativen Anteile von Primärluft und Zumischluf t zu verändern.

Eine Zünddüse 110 ist in der Vorkammer vorgesehen. Dieser Düse werden Druckluft und Brennstoff durch nicht dargestellte Rohre zugeleitet, die durch einen Tragring 111 abgestützt werden. Der Tragring 111 ist mit der Hülse 34 durch Madenschrauben 112 verbunden. Die Brennstoffdüse hat eine Rohrverlängerung 114, die in den Tragring 111 eingeschraubt ist. Der Aufbau der Brennstoffdüse im einzelnen ist für die Erfindung unwichtig. Derartige Einspritzdüsen teilen den Brennstoff in feinen Tröpfchen in der Einblasluft zu. Die Zünddüse dient zum Einleiten der Verbrennung, insbesondere bei kaltem Triebwerk, bei dem also eine Verdampfung des Brennstoffs in der Vorkammer noch nicht eintritt. Die Zünddüse wird bei Erreichen normaler Betriebsbedingungen abgeschaltet. Es können zum Einleiten der Verbrennung aber auch andere Mittel verwendet werden, beispielsweise ein gasförmiger Brennstoff zugeleitet werden, jedoch hat sich die Verwendung einer Zünddüse der beschriebenen Art als zweckmäßig erwiesen. Das stromabwärtige Ende der Hülse 34 ist mit einer konvergierenden Wandung 115 ausgebildet, um einen glatten Übergang der Luft vom Luftwirbier 30 in die Vorkammer zu ermöglichen.

Beim Anlaufen des Triebwerks ist der Luftstrom gering und es ergeben sich anormale Bedingungen. In diesem Falle werden die Büchsen 66 und 71 in stromaufwärtiger Richtung bewegt, um die Zumischluft zu verringern und den größten Teil der Luft der Vorkammer zuzuführen, die in das von der Zünddüse zugeleitete Brennstoffgemisch eintritt, das nach Einschalten der Zündung verbrannt wird. Erreicht das Triebwerk normale Betriebsbedingungen, so wird der Anlaufbetrieb beendet und durch Einstellung der Büchsen 66 und 71 das jeweils gewünschte Gleichgewichtsverhältnis bestimmt.

Bei Betrieb eines mit Vorwärmung der Brennluft arbeitenden Triebwerks tritt die Luft in die Brennkammer mit etwa 600⁰C ein und fließt nach Durchtritt durch den Luftwirbier 30 über die Innenwandung der Vorkammer, wobei sie den von dem Verteiler 46 über die Brennstoffdüsen 54 zugeleiteten Brennstoff erhitzt und verdampft und sich mit diesem mischt Dieses Gemisch erhält zusätzliche Brennluft über die Schlitze 60, aus denen Luft in gleicher Richtung eingeführt wird, wie sie durch den Luftwirbier längs der Vorkammer erzwungen wird. Diese beiden Ströme vermischen sich und bewirken die Bildung eines ziemlich mageren Brennstoff-Luftgemisches, indem ein etwa dreifacher Luftüberschuß besteht.

Das in der Vorkammer gebildete Gemisch strömt über die Schwelle 38 und durch die Verwirbelung erfolgt ein tangentialer und radial nach außen gerichteter Abfluß vom Mantel 22 des Flammrohrs und durch die Bildung eines Gebietes geringen Druckes in der Achse der Brennzone und der Vorkammer bildet sich ein mehr oder weniger toroidförmiger Wirbel mit einem gewissen Rückstrom längs der Achse des Flammrohres. Dieser Rückstrom kann in den stromabwärtigen Teil der Vorkammer bei bestimmten Betriebsbedingungen eintreten und zum Aufheizen der Vorkammer beitragen.

Die Zumischung der Luft durch die Zumischöffnungen 70 setzt die Temperatur der Treibgase, die längs des Mantels 22 zum Auslaß 25 strömen, herab. Der radiale Eintritt der Zumischluft bewirkt auch, daß ein Teil der Zumischluft stromaufwärts in das Gebiet niedrigen Druckes abfließt und sich mit dem Rückstrom vermischt um eine frühzeitige Abkühlung der Brenngase zu bewirken. Hierdurch wird die Zeit in der die Brenngase eine hohe Temperatur aufweisen, verkürzt

Das magere Gemisch bedingt eine Senkung der Verbrennungstemperatur und das schnelle Abkühlen der Treibgase verkürzt die Verweilzeit im hohen Temperaturbereich. Beide Maßnahmen dienen dazu, die Bildung von Stickoxiden zu unterbinden.

Ferner ergibt die Verbrennung des gut verdampften Brennstoffes keine örtliche Anreicherung, die sich im Bereich von zerstäubten Brennstofftröpfchen einstellt und ebenfalls die Bildung von Stickoxiden unterstützt.

Obwohl es nicht nötig ist, Einzelheiten über die Größenabmessungen der verschiedenen Teile zu geben, so sei doch erwähnt, daß eine nach der Erfindung ausgebildete Brennkammer für eine Gasturbine von 225 PS Durchmesser von 152—127 bzw. 203 mm und eine Länge von 380 mm aufwies.

Es ist natürlich möglich, das Verhältnis zwischen Primärluft und Zumischluft durch Drosselung nur eines

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Satzes der öffnungen zu steuern. Die Änderungen sind geringer und der Druckabfall ist größer, wenn nur eine Einstellung des Einsatzes von öffnungen erfolgt. Da Druckabfälle dem Wirkungsgrad des Triebwerkes schädlich sind, ist es also zweckmäßig, beide Sätze von Lufteintrittsöffnungen zu ändern.

Eine vollständige Verdampfung des Brennstoffes und seine Vermischung mit der Luft innerhalb der Vorkammer ist für einen einwandfreien Betrieb der Brennkammer ausschlaggebend. Durch die aufgerauhte Innenfläche der Vorkammer wird eine derartige Aufbereitung des Gemisches erzielt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkammer fQr Gasturbinen mit einem Flammrohr, dessen Mantelfläche vom stromaufwärtigen Ende beginnend eine Vorkammer, eine Brennzone und eine Zumischzone begrenzt und mit einem stromabwärtigen Auslaß für Treibgase endet, wobei die Vorkammer am stromaufwärtigen Ende einen Einlaß für Luft aufweist, die mit erheblicher Geschwindigkeit längs der Inenwandung der Vorkammer strömt, und wobei stromabwärts des Lufteinlasses eine Brennstoffzuführainrichtung vorgesehen ist, die an der Innenwandung einen Film flüssigen Brennstoffs bildet, der in dem vorbeiströmenden Luftstrom verdampft, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Innenfläche (35) der Vorkammerwand rauh ausgebildet ist mit einem Gitter von zwei Scharen sich schneidender Nuten (56), die den zugeführten Brennstoff längs der Innenwand führen, und mit zwischen den Nuten verbleibenden Vorsprüngen (55).

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (56) in der Innenfläche der Vorkammerwand unter einem Winkel von etwa 45° zur Achsrichtung der Vorkammer (27) geneigt verlaufen.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (55) zwischen den Nuten (56) im wesentlichen rechteckige Form aufweisen.