DE2460740A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents
Brennkammer fuer gasturbinentriebwerkeInfo
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Description
Brennkammer für Gasturbinentriebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke,
die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, welches einerseits über den zwischen
Außengehäuse und Flammrohr gebildeten Ringraum mit Mischluft versorgbar ist, während andererseits der Primärzone innerhalb
des Flammrohrs mit Brennstoff angereicherte Verbrennungsluft zuführbar
ist, wobei weiter mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbare Brennstoffzerstäuberdüsen vorgesehen sind.
Bei bekannten Aus füh rungs formen von Brennkammern für Gasturbinentriebwerke
wird der Brennstoff beispielsweise durch bekannte Simplex- und Duplexdüsen unter hohem Druck fein zerstäubt und
in die Primärzone eingespritzt, wo er aufbereitet, d.h. in einen dampfförmigen Zustand gelangt, um schließlich zu verbrennen
oder er gelangt mittels LuftZerstäuberdüsen in die Primärzone,
wobei dem Brennstoff meist schon innerhalb der Düse Luft zugemischt
wird, um den Aufbereitungsprozeß zu verkürzen.
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Bekannt ist auch die Brennstoffzuführung und Aufbereitung
mittels verschiedener Arten sogenannter "Verdampfer-Brenner", in denen der Brennstoff aufgrund einer vom Verbrennungsprozeß
verursachten hohen Wandtemperatur und der Strömungsverhältnisse im Brenner einen gasförmigen Zustand erreicht und mit Luft vorgemischt
wird.
Die erwähnten Brennstoffeinspritz- und Aufbereitungssysteme
haben u.a. den Nachteil, daß die Verbrennung mehr oder weniger von einem Punkt ausgeht, so daß nur durch einen erheblichen
Bauaufwand mögliche Erzwingung der Mischvorgänge ein gleichmäßiges Temperaturaustrittsprofil erzielbar ist.
Veiter erfordert diese Art von punktweiser Brennstoffeinspritzung,
bzw. das Vorhandensein relativ weit in die Brennzone hineinragender Verdampfer einbaut en, relativ lang bauende Brennkammern,
um eine räumlich gleichmäßige Brennstoffaufbereitung und damit gleichmäßige Verbrennung zu erhalten oder aber erfordert allzu
ausgeprägte Primärzonenwirbel von Kraftstoff- und Luftanteilen, um schon in der Primärzone eine relativ gleichmäßige Verbrennung
zu erzwingen, mit der weiteren Folge erhöhter Druck- und damit LeistungsVerluste.
Weiterhin erfolgt bei herkömmlichen Brennkammern die Verbrennung in der Brennzone mit etwa stöchiometrischem Brennstoff-Luftge-
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misch. Der relativ hohe Brennstoffanteil dieses Gemisches - insbesondere als Brennstofftropfen-Luft-Gemisch - sowie die
relativ hohen Verbrennungstemperaturen von ca. 18oo bis 2ooo C sind u.a. weitere Ursachen dafür, daß Schadstoffe wie Stickoxyde
(H6 ), unverbrannte Kohlenwasserstt
(CO) sowie Rauchbildung entstehen.
(CO) sowie Rauchbildung entstehen.
), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (C H), Kohlenmonoxide
χ y
Durch praktische Versuche hat sich nun herausgestellt, daß eine niedrigere Verbrennungstemperatur von möglichst nicht mehr als
14oo C oder etwas darüber zu einer erblichen Verminderung der
Schadstoffemissionen führt.
Insbesondere die Stickoxydbildung ist abhängig von der Verweilzeit
der stick- und sauerstoffhaltigen Gase und einer relativ hohen Verbrennungstemperatur; mit anderen Worten führen .also
relativ hohe Verbrennungstemperaturen und eine relativ ausgedehnte Verweilzeit bei erwähnten relativ hohen Verbrennungstemperaturen
(I8000 bis 2ooo°C) zu relativ großer Stickoxydbildung.
Im Hinblick auf eine Verminderung der Schadstoffmissionen, insbesondere
der anteilsmäßig relativ stark auftretenden Stickoxydbildung, dürfte somit in erster Linie einer genaueren Steuerbarkeit
der Verbrennungstemperaturen der Vorzug zu geben sein, zumal technische Maßnahmen zur Steuerbarkeit bzw. Verminderung der
Verweilzeit des Brennstoff-Luftgemisches im Hinblick auf die
Genauigkeit technisch kaum oder nur mit äußerst aufwendigen Einrichtungen zu realisieren sein dürften.
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Zum Zwecke möglichst geringer Schadstoffemissionen werden demnach
bei einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke u.a. folgende grundlegende Kriterien zu erfüllen sein:
- niedrigere Verbrennungstemperaturen, die einen Wert von ca. 14000C nicht nennenswert überschreiten sollten;
- Vermeidung eines Brennstofftropfen enthaltenden Brennstoff-Luft-Gemisches,
indem der Brennstoff vorverdampft der Primär- bzw. Verbrennungszonge zugeführt werden kann;
- möglichst vollständige Brennstoff-Luft-Vermischung, und
zwar vor dem Eintritt in die Primärzone, um eine homogene Verbrennung zu erzielen.
In der Praxis dürfte es jedoch erhebliche Schwierigkeiten bereiten,
eine Brennkammer zu schaffen, welche die vorstehend näher behandelten Anforderungen erfüllen kann; denn zum einen erfordert
eine optimale Verbrennung ein stöchiometrisch günstiges Brennstoff-Luftgemisch
und die damit verbundenen relativ hohen Verbrennungstemperaturen; zum anderen sind bei Gasturbinentriebwerksbrennkammern
an Brennstoff reiche Brennstoff-Luftgemisch-Zonen im Hinblick u.a. auf eine gute Zündfähigkeit, den Anfahr-
sowie
Vorgang des Triebwerkes/auch im Hinblick auf die Armverlöschgrenze
zu berücksichtigen.
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Ein zur Verhinderung der relativ hohen Verbrennungstemperaturen
und damit zur Verminderung der schädlichen Abgasemissionen erforderlicher
Luftuberschuß des Brennstoff-Luft-Gemisches in der
Primärzone wäre wiederum nicht mit den vorstehend erörterten
Anforderungen (Stöchiometrisches Brennstoff-Luftgemisch) vereinbar. .
Im Rahmen der vorstehend erörterten Problematik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, bzw. Gasturbinenstrahltriebwerke, zu schaffen, bei
der hauptsächlich die eingangs erwähnten schädlichen Abgaskomponenten weitestgehend ,vermindert sind.
Ausgehend von einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke nach der eingangs genannten Gattung ist die Erfindung zur Lösung
dieser Aufgabe hauptsächlich durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet;
a) Jeweils zwei unabhängig voneinander steuerbare Brennstoff-
' Zerstäuberdüsen sind in Achsrichtung in der Weise hintereinandergeschaltet
angeordnet, daß innerhalb des Flammrohrs - in Eichtung der Hauptströmung aufeinander folgend - für die
gesamte Verbrennung eine an Brennstoff reiche Brennzone sowie eine an·Brennstoff ärmere Brennzone gebildet ist;
b) es ist eine die BrennstoffZerstäuberdüsen sowie das Flammrohr
stromaufwärtig ummantelnde Luftzufuhrhaube vorgesehen,
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deren zwischen Äußengehäuse und Flammrohr gebildeter Verbrennungsluftkanal
über gesondere Öffnungen des Flammrohrs mit der ersten und zweiten Brennzone in Verbindung steht;
c) der Brennstoffabspritzkegel einer ersten von jeweils zwei hintereinandergeschalteten
Brennstoffzerstäuberdüsen liegt innerhalb des Verbrennungsluftkanals und verläuft etwa parallel zu einem sich
trichterförmig erweiternden Wandabschnitt der Luftzufuhrhaube, während der Brennstoffabspritzkegel der jeweils nachgeschalteten
anderen Brennstoffzerstäuberdüse etwa parallel zur Innenwand eines sich von letzterer Düse aus trichterförmig erweiternden
Plammrohrabschnitts verläuft, der zugleich das der zweiten Brennzone
(Hauptverbrennungszone) vorgeschaltete Flammrohrvolumen
für die erste Brennzone bereitstellt.
Durch die zwei unabhängig voneinander steuerbaren, in Achsrichtung
hintereinandergeschalteten Brennstoffzerstäuberdüsen kann in der ersten Brennzone das für den jeweiligen Betriebsbereich
erforderliche an. Brennstoff reiche stöchiometrische Brennstoff-Luftgemisch
und in der zweiten Brennzone - auch "Hauptrezirkulationszone"
genannt - das für den jeweiligen Betriebsbereich an Brennstoff ärmere, luftreiche, die gewünschte relativ niedrige
Verbrennungstemperatur gewährleistende Brennstoff-Luftgemisch bereitgestellt werden.
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Beide Verbrennungszonen sind demnach so aufeinander abstimmbar, daß die für eine schadstoffarme Verbrennung erforderlichen
Heißgastemperaturen nicht überschritten werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ohne die bei herkömmlichen Brennkammerkonzeptionen notwendigen
Einbauten im Flammrohr eine relativ hohe Verdampfungsrate
des Brennstoffs bzw. eine gewünschte intensive gasförmige Aufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches bereits vor dem Eintritt
in die Hauptrezirkulationszone ermöglicht wird, wodurch das Flammkammervolumen trotz der beiden in Achsrichtung hintereinandergeschalteten
Brennzonen relativ klein gehalten werden kann.
Gemäß weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes können die der ersten Brennzone zugeordneten Öffnungen im trichterförmigen
Flammrohrabschnitt als Drallschlitze ausgebildet sein.
Hierdurch kann der für die erste Verbrennungszone maßgeblich
zugeführte Brennstoff, der im wesentlichen entlang der Innenwand des besagten Flaminrohrabschnitts aus dea/zugeordneten Brennstoffzerstäuberdüse
abgespritzt wird, unmittelbar mit der über die Drallschlitze tangential eingeblasenen Luft rotationsmäßig
zerstäubt werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Mittellängsschnitts
einer Brennkammer beispielsweise weiter erläutert:
Die in der Zeichnung dargestellte Brennkammer besteht aus einem Außengehäuse 1 mit einem darin eingesetzten Flammrohr 2. Stromaufwärtig
weist die Brennkammer eine innerhalb des Außengehäuses 1 angeordnete Luftzufuhrhaube 3 auf, welche u.a. das Flammrohr 2
stromaufwärtig ummantelt und auf diese Weise einen gegenüber der Mischluftströmung (Pfeile A) gesonderten Gasführungskanal 4 bildet.
Mit ihren stromabwärtigen in Richtung auf das Flammrohr 2
abgebogenen Enden umgreift die Luftzufuhrhaube 3 das Flammrohr 2 in der Weise, daß im Flammrohr 2 befindliche öffnungen 5 einerseits
je zur Hälfte eine Verbindung des Gasführungskanals 4 mit
dem Flammrohrinneren und andererseits je zur Hälfte eine Verbindung
des Flammrohrinneren mit dem Mischluftkanal 6 herstellen.
In Richtung der Pfeile B wird der Gas führungskanal 4 -'mit Verbrennungsluft
beaufschlagt. Mischluft (Pfeile A) sowie Verbrennung?,
luft (Pfeile B) gelangen von einem in den Zeichnungen nicht weiter dargestellten Verdichter eines Gasturbinentriebwerks zur
Brennkammer.
Die Brennkammer ist weiter mit mindestens zwei in Achsrichtung hintereinandergeschaltet angeordneten Brennstoffzerstäuberdüsen
7, 8 versehen.
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Die eine dieser "beiden BrennstoffZerstäuberdüsen,8, schließt
sich, mit einem Ringmantel 1o unmittelbar an einen stromaufwärtig
sich, kegelförmig erweiternden Flammrohrabschnitt 11 an.
Der von diesem Flammrohrabschnitt 1 umschlossene Raum im Flammrohr
2 stellt somit die Brennzone I dar, in der ein stöchiometrisch.es
Brennstoff-Luftgemisch bereitgestellt werden soll mit den daraus resultierenden relativ hohen Verbrennungstemperaturen.
Der Brennstoffabspritzkegei 9 der Brennstoffzerstäuberdüse 8 verläuft etwa parallel zur Innenwand des kegelförmigen Flammrohrabschnitts
11 und vermischt sich dabei innig mit der aus dem Gasführungskanal 4 über Drallschlitze 12 des Flammrohrabschnitts
11 tangential unter Drall eingeblasenen Verbrennungsluft (Pfeile O).
Die hierbei entstehenden Rotationswirbel des Brennstoff-Luftgemisches
in der Verbrennungszone I sind durch die Pfeile W gekennzeichnet.
Der zur anderen BrennstoffZerstäuberdüse 7 gehörige Brennstoffabspritzkegei
13 liegt innerhalb des Gasführungskanals 4 und verläuft dabei etwa parallel zu dem sich kegelförmig erweiternden
Wandabschnitt der Luftzufuhrhaube 3. Der über die Zerstäuberdüse 7 zugeführte Brennstoff vermischt sich hierbei innig mit
Anteilen der in Pfeilrichtung B zugeführten Verbrennungsluft,
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-1ο-
wobei infolge der Temperaturabstrahlung im von der Luftzufuhrhaube
3 umschlossenen Bereich des Flammrohrs 2 bereits vor Eintritt
des Gasgemisches in das Flammrohr 2 eine Vorverdampfung derselben erreicht wird, wodurch ein weitestgehend tropfenloses
Brennstoff-Luftgemisch für den Verbrennungsprozeß in der· Brennzone
II, bzw. der Hauptverbrennungszone, bereitgestellt werden
kann.
Infolge der mit relativ hoher Geschwindigkeit über die Jeweiligen Lochhälften der Öffnungen 5 zugeführten und gegeneinander gerichteten
Brennstoff-Luftstrahlen entstehen die zur Flammstabilisierung in der Brennzone II benötigten Eezirkulationswirbel
P, welche eine optimale homogene Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches herbeiführen.
Die am stromabwärtigen Ende des kegelförmigen Flammrohrabschnitts
11 aus der Brennzone I abfließenden heißen Gaswirbel E tragen erheblich dazu bei, daß die für eine schadstoff arme
Verbrennung notwendige luftreiche Verbrennung in der Brennzone II stabilisiert werden kann.
Die dargestellte Zuführung und Aufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches
für die Verbrennungszone II unter Hinzuziehung der heißei
Gaswirbel E führt u.a. weiter zu einer räumlich kurzen und gleichförmigen Verbrennung in der Brennzone II.
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Über die von der Luftzufuhrhaube $ jeweilig freigelassene
Querschnittshälfte der Öffnungen 5 kann ein Teil der aus dem Mischluftkanal 6 in Richtung der Pfeile D zugeführten Mischluft
gegen die Flammrohrmitte eingeblasen werden, um das
Temperaturprofil über den gesamten Flammrohrquerschnitt zu vergleichsmäßigen.
Aus dem Mischluftkanal 6 kann weiter Mischluft in Richtung der Pfeile E über öffnungen 14 .dem Flammrohr 2 zugeführt werden,
um gegebenenfalls die Brennkammeraustrittstemperatur etwas herabzusetzen oder um zusammen mit den zuvor erwähnten Mischluftanteilen
(Pfeil D) eine Vergleichsmäßigung des Temperaturprofils am Brennkammeraustritt zu erzielen.
Die Erfindung ermöglicht eine Zwei-Zonen-Verbrennung mit zwei unabhängig voneinander steuerbaren Verbrennungssystemen in
einem einzigen Flammrohr.
Wesentlich ist es hierbei u.a., daß die mindestens zwei Brennstoffsteuerbar
Zerstäuberdüsen 7j 8 getrennt voneinander/und dann beide Brennsysteme
so aufeinander abstimmbar sind, daß dem für eine schadstoff
arme Verbrennung nötigen, relativ niedrigen Verbrennungstemperaturniveau
in der Brennzone II Rechnung getragen werden kann.
Wie aus der Zeichnung weiter ersichtlich ist, sind die Brennstoff Zerstäuberdüsen 7» 8 über Versorgungsleitungen 15» 16 mit
Brennstoff gesondert beaufschlagbar.
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Andererseits wäre es Jedoch denkbar, z.B. die Brennstoffzerstäuberdüse
8 über die gestrichelt dargestellte Leitung 17 von der Versorgungsleitung 15 aus mit Brennstoff zu versorgen,
und zwar unter Zugrundelegung einer zusammengeführten Brennstoffversorgung der beiden Düsen 7» 8, welche von sich aus
einer gewünschten differenzierten Brennstoffmengeneinspritzung
Rechnung tragen.
Die Erfindung eignet sich durchaus aber auch für anderweitige Brennkammer typ en, so z.B. kombinierte Ring-ZRohrbrennkammern,
bei denen das Brennkammeraußengehäuse koaxial zur Längsachse eines Gasturbinentriebwerks verlaufend angeordnet ist und
innerhalb des Außengehäuses mehrere Flammrohre in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.
Ferner ist die Erfindung auch bei reinen Ringbrennkammern anwendbar,
wobei dann die Luftzufuhrhaube und das Flammrohr ebenfalls
ringförmig und koaxial zur Triebwerkslängsachse anzuordnen wäre.
Im letzten Falle wären dann eine größere Anzahl von jeweils hintereinander geschaltet angeordneten Düsenpaaren koaxial zur
Triebwerkslängsachse gleichförmig verteilt anzuordnen.
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Claims (1)
- MOTOREN- UIiD TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH.·München, den 19. Dezember 1974-Pat ent.a η Sprüche1. Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, welches einerseits über den zwischen Außengehäuse und < Flammrohr gebildeten Eingraum mit Mischluft versorgbar ist, während, andererseits der Primärzone innerhalb des Flammrohrs mit Brennstoff angereicherte Verbrennungsluft zuführbar ist, wobei weiter mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbare Brennstoffzerstäuberdüsen vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:a) Jeweils zwei unabhängig voneinander steuerbare Brennstoffzerstäuberdüsen (8, 7) sind in Achsrichtung in der Weise hintereinandergeschaltet angeordnet, daß innerhalb des Flammrohrs (2) - in Richtung der Hauptströmung aufeinander folgend - für die gesamte Verbrennung eine an Brennstoff reiche Brennzone (I) sowie eine an Brennstoff ärmere Brennzone (II) gebildet ist;609827/0101ΐ>) es ist eine die BrennstoffZerstäuberdüsen (8, 7) sowie das Flammrohr (2) stromaufwartig ummantelnde Luftzufuhrhaube (5) vorgesehen, deren zwischen Außengehäuse (1) und Flammrohr gebildeter Verbrennungsluftkanal (4-) über gesonderte öffnungen (12 bzw.5) des Flammrohrs mit der ersten bzw. zweiten Brennzone (I) bzw. (II) in Verbindung steht;c) der Brennstoffabspritzkegel (13) einer (7) von jeweils zwei hintereinandergeschalteten BrennstoffZerstäuberdüsen liegt innerhalb des Verbrennungsluftkanals (4-) und verläuft etwa parallel zu einem sich trichterförmig erweiternden Wandabschnitt der Luftzufuhrhaube (3), während der Brennstoffabspritzkegel (9) der jeweils nachgeschalteten anderen Brennstoffzerstäuberdüse (8) etwa parallel zur Innenwand eines sich von letzterer Düse aus trichterförmig erweitern-zu den Flammrohrabschnitts (11) verläuft, der/gleich das der Brennzone (II) (bzw. Hauptverbrennungszone) vorgeschaltete Flammrohrvolumen für die erste Brennzone (I) bereitstellt.2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Brennzone (I) zugeordneten Öffnungen (12) im Flammrohrabschnitt (11) als Drallschlitze ausgebildet sind.19.12.1974609827/0101
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