DE2511171C2 - Filmverdampfungs-Brennkammer - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Filmverdampfungs-Brennkammer mit einem Verdampferrohr, dessen Innenwandoberfläche von einer Brennstoffzuführeinrichtung mit einem Brennstoffilm benetzt wird und bei der der verdampfende Brennstoff von einer drallbehafteten, an der Innenwand des Verdampferrohres entlangstreichenden Verbrennungsluftslrömung erfaßt und mit dieser vermischt wird, insbesondere fur Fahrzeug-Gasturbinen.

Filmverdampfungs-Brennkammern dieser Art sind bekannt (Motortechnische Zeitschrift 1959, Seite 283 ff.). Für eine gute Wirkungsweise solcher Filmverdampfungs-Brennkammern ist einmal die Ausbildung der Drallströmung und der Rückzirkulationsströmung von großer Bedeutung, zum anderen aber auch die Art und Weise, wie der zu verdampfende Kraftstoffilm sich an der Innenwand des Verdampferrohres bildet. Es ist wesentlich, daß der Kraftstoffilm auf der Innenwand des Verdampferrohres schnell und möglichst gleichmäßig aufgetragen wird, weil nur dann eine schnelle Verdampfung und eine rasch erfolgende Vermischung mit der Verbrennungsluft gewährleistet ist.

Bei den bekannten Bauarten ist vorgesehen, daß der Kraftstoff vom Äußeren des Verdampferrohres her durch eine Vielzahl von radialen Bohrungen oder auch durch einen Ring aus porösem Werkstoff eintritt Diese Bauarten weisen den Nachteil auf, daß sich im ersten Fail die radial nach innen gerichteten Kraftstoffstrahien nur unter ganz bestimmten aerodynamischen Bedingungen unmittelbar an die Verdampferrohrwand anlegen und sich auf dieser filmförmig verteilen. Dieser Verteilvorgang hängt dabei entscheidend von der Art und von der Stärke der drallbehafteten Verbrennungsluftströmung ab. Das bringt den Nachteil mit sich, daß bei einer Änderung der zugeführten Verbrennungsluftmenge sich unter Umständen auch die Intensität der Drallströmung vzrändern kann, so daß nicht mehr die Gewähr dafür gegeben ist, daß sich der gesamte, durch die Zuführleitung zugeführte Kraftstoff auch einwandfrei filmförmig an der Innenwand des Verdampferrohres verteilt. Das gilt insbesondere beim Einsatz von Filmverdampfungs-Brennkammern bei Fahrzeug-Gasturbinen, wo verschiedene Fahrzustände gegeben sein müssen.

Bei der anderen bekannten Bauart, bei der der Kraftstoff durch einen Rir.g aus porösem Werkstoff eintritt, ist zwar die Gefahr, daß Kraftstoff zu weit in das Innere des Verdampferrohres gelangt, nicht sehr groß, doch weist diese Bauart den Nachteil auf, daß der durchtretende Kraftstoff in den Kapillaren des Sinterwerkstoffes aufgespalten und teilweise verkokt wird, bzw. daß schwerflüchtige Rückstände die Kapillaren verstopfen.

Aus der DE-AS 10 13 467 ist ferner eine Verdampfer-Brennkammer bekannt, die axial von einem konisch zulaufenden Teil eines Verdichter- und Turbinenläufers durchsetzt wird. Auf der Außenfläche dieses konisch zulaufenden Teils befinden sich Öffnungen, durch die der über den Läufer zugeführte Brennstoff austritt. Da der Brennstoff jedoch nach dem Austritt aus den Öffnungen der Läuferoberfläche bis zur Verdampferinnenwand einen relativ großen Weg zurücklegen muß. wird der Brennstoff bereits auf diesem Weg vom Luftstrom erfaßt und in dessen Strömungsrichtung umgelenkt, was zur Folge hat. daß am Verdampfer kein durchgehender Film entstehen kann. Es handelt sich bei dieser Ausbildung also nicht um eine Filmverdampfungs-Brennkammer gemäß dem Oberbegriff der Erfindung. Die Vermischung des Brennstoffs mit der Zuluft und die Bewegungsrichtung de- Brennstoffteile im Verdampfer ist insbesondere von der Strömungsgeschwindigkeit des Zuluftstroms abhängig. Dieser Nachteil kann bei der Ausführungsform gemäß der DE-AS 10 13 467 auch nicht verhindert werden, da ein gewisser Abstand zwischen der Verdampferwand und den

Außenflächen des konisch zulaufenden Teils des Läufers notwendig ist, um einen genügend hohen Luftdurchsatz zu gewährleisten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffzuführung anzugeben, welche auch bei verschiedenen Fahrzuständen die Ausbildung eines einwandfreien Kraftstoffilmes gewährleistet, die aber dennoch nicht die Gefahr in sich birgt, daß der Kraftstoff πι der Zuführung gespalten wird oder verkokt

Die Erfindung besteht bei einer Filmverdampfungs-Brennkammer der eingangs genannten Art darin, daß mehrere, von innen her auf die Innenwand des Verdampferrohres führende Brennstoffzuführungen in Form dünner Röhrchen vorgesehen sind, deren Mündungen unmittelbar vor der Innenwand des Verdsmpferrohres liegen. Der Kraftstoff wird dadurch schon durch den ihm innewohnenden Eigenimpuls auf die Innenwand des Verdampferrohres geschleudert und verteilt sich dort weitgehend ohne Beeinflussung der drallbehafteten Strömung als Film. Bei dieser Ausführungsform muß der Kraftstoff dabei alleroings von der rotierenden Verbrennungsluftströmung zumindest zum Teil umgelenkt und in Richtung auf den Verdampferrohraustritt beschleunigt werden, und es geht dadurch ein Teil der für die Verdampfung zur Verfügung stehenden Fläche verloren, auch wenn die entsprechenden Zuführröhrchen am Einlauf des Verdampferrohres vorgesehen sind.

Es ist daher von Vorteil, wenn bei einer Ausführungsform der Filmverdampfungs-Brennkammer, bei der dem Verdampferrohr ein Radialleitgitter als Leitrad vorgeschaltet ist und bei der das Verdampferrohr daher am Einlauf einen im wesentlichen radial verlaufenden Einlaufteil besitzt, vorgesehen wird, den Kraftstoff J5 durch radial und axial gerichtete Röhrchenteile auf diesem Umlenkbereich am Einlauf des Verdampferrohres aufzubringen, so daß die Verteilung des Kraftstoffes vor Begian des eigentlichen axial gerichteten Verdampferrohres erfolgt ist und schon zu Beginn der Verdampfungsstrecke ein geschlossener gleichmäßiger Film vorhanden ist.

Weitere Merkmale und Vorteile, insbesondere baulicher Art, ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Filmverdampfungs-Brennkammer, die mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffzuführung versehen ist. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Einlaufbereiches einer Filmverdampfungs-Brenn- ">o kammer mit einem Radialleitgitter als Zuführeinrichtung zu einem sich konisch erweiternden Verdampferrohr,

Fig. 2 den Schnitt längs der Linie H-II in Fig. 1,

F i g. 3 eine andere Ausführungsform der Kraftstoffzuführung bei einer im übrigen gleich aufgebauten Filmverdampfungs-Brennkammer und

F i g. 4 den Schnitt durch F i g. 3 längs der Linie IV-VI.

In der F i g. 1 ist der Einlaufbereich einer FilmverdampfungS'Brennkammer gezeigt, die im wesentlichen aus einem rohrförmigen Luftführungsgehäuse 1 besteht, das in Richtung der Pfeile 2 angeströmt wird. In das Luftführungsgehäuse 1 ist eine in Anströmungsrichtung geschlossene Haube 3 eingesetzt, die einerseits durch mehrere radial verlaufende Bolzen 4 gehalten wird und andererseits über ein Radialleitgitter 7 mit dem Anschlußteil 13 des Verdampferrohres 10 durch Bolzen 8a und Büchsen 8i> verbunden ist. Am geschlossenen Ende der Haube 3 ist der Körper 5 über den einstückig mit ihm verbundenen Flanschdeckel 6 auf ein Teil 9 der Haube 3 aufgesetzt wobei der Körper 5 auf seiner zum Inneren der Haube 3 gerichteten Seite als Umlenknabe für die aus den aus F i g. 2 ersichtlichen Schaufelkanälen Ta des Radialleitgitters 7 austretende Luft ausgebildet ist Das Verdampferrohr 10 besitzt dabei einen Einlaufbereich 11, der sich im wesentlichen als Einlauftrichter zu den Schaufelkanälen 7a hin öffnet und sich in einem zunächst zylindrischen Teil 12 fortsetzt, der dann konusförmig erweitert wird. Nach außen hin weist der Verdampferrohrteil einen im wesentlichen zylindrischen Anschlußteil 13 auf, an den die Wandung 14 einer Reaktionskammer 15 anschließt die sich nicht an das freie Ende des Verdampferrohres 10 anschließt. In dem zwischen der Wandung 14 der Reaktionskammer 15 und dem Verdampfe/rohr 10 gebildeten Ringraum ist eine Einrichtung 16 angeordnet, die in der Art einfis Ejektors die durch den Raum 17 in Richtung der Pfeile 18 zugeführte Verbrennungsluft, die durch öffnungen IS eintritt, aus eincrr- Ringschlitz 20 austreten läßt und damit eine im Sinn der Pfeile 21 bewegte Rückströmung erzeugt, die aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.

Der auf die Innenwand 10a des Verdampferrohres 10 aufzubringende Kraftstoff wird durch einen im Zentrum des Körpers 5 verlaufenden Zuführkanal 22 zugeführt und etwa im Bereich des zylindrischen Teiles 12 des Verdampferrohres 10 durch mehrere dünne Röhrchen 23 mit einem Durchmesser von etwa 0,5 bis 1 mm radial nach außen geführt. Die Mündungen der Röhrchen 23 liegen dabei unmittelbar vor der Innenwand des zylindrischen Teils 12, so daß der unter Druck im Zuführkanal 22 stehende Kraftstoff mit einem gewissen Eigenimpuls auf die Wandung des Teils 12 geschleudert wird. Damit verteilt sich der Kraftstoff schon im gewissen Maße filmförmig auf der Innenwand, was noch durch die Verbrennungsluftströmung, die aufgrund des Radialleitgitters 7 drallbehaftet ist, gefördert wird, insofern, als sich ein Kraftstoffilm ausgehend vom Dereich 12 auf der weiteren Innenwand 10a des Verdampferrohres 10 ausbilden wird. Der Kraftstoffilm verdampft dann und der verdampfende Kraftstoff wird durch die Drallströmung mitgenommen, vermischt sich mit der Verbrennungsluft und reagiert im Reaktionsraum 15 unter Wärmeentwicklung, wobei der Rücktransport der Wärme in den Einlaufbereich des Verdampferrohres 10 im wesentlichen durch konvektiven Wärmeaustausch einmal durch eine etwa im Sinne der Pfeile 24 erfolgende Rückströmung im Zentrum des Drallhohlstrahles erfolgt und zum anderen aber auch im Sinne der Pfeile 21 auf der Außenseite des Verdampferroi Ms, wo die Rückströmung durch die Einrichtung 16 gesteuert verläuft.

Der Zuführkai.al 22 kann in nicht näher dargestellter Weise an der Stirnseite des Körpers 5 Anschlüsse für Hauptkraftstoff und für Zündkraftstoff aufweisen und zusätzlich noch mit einem Druckluftanschluß versehen sein, der für den Fall des Abstellens der Filmverdampfungs-Brennkammer dafür sorgt, daß der noch im Kraftstoffzuführkanal 22 und vor allen Dingen in den Röhrchen 23 befindliche Kraftstoff herausgeblasen wird, so daß eine Spaltung oder Verkokung von Kraftstoffrückständen in diesem Bereich ausgeschlossen wird.

In der F i g. 3 ist eine Abwandlung der in den F i g. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsform insofern dargestellt, als hier vom Zuführkanal 12 aus zunächst ein

radialer Teil 25 von Kraftstoff/.uführleiuingen in das Material des Körpers 5 eingebettet ist und daß dieser radiale Teil 25 der Zuführröhrchen dann in einen axial gerichteten Teil 26 übergeht, dessen Mündung wieder unmittelbar vor der Innenwand 10a des Verdampferrohres liegt, hier aber noch vor dem Umlenkbereich 11 und vor dem zylindrischen Teil 12. Auf diese Weise benetzt der Kraftstoff die Oberfläche des Verdampferrohres 10 bereits vor Beginn der eigentlichen Verdampfungsstrekke, so daß sich, insbesondere auch weil der Kraftstoff an dieser Umlenkstelle durch die Strömung gut an die Wandung angedrückt werden kann, ein gleichmäßiger Kraftstoffilm schon vor Beginn der zur Verfügung stehenden Verdampfungsstrecke ausbildet, so daß die Gewähr für eine gute Verdampfung und schnelle Vermischung gegeben ist. Wie aus Fig. i im übrigen

ersichtlich ist, kann der Körper 5 mit zwei Anschlüssen 27 und 28 für Hauptkraftstoff und Zündkraftstoff versehen sein, wobei einer der beiden Anschlüsse auch noch wahlweise an einen Druckluftanschluß gelegt werden kann. Der Zündkraftstoff kann bei dieser Ausführungsform nicht durch die Zuführröhrchen 25,26, sondern durch eine Zerstäuberdüse 29 eintreten, so daß erst nach dem Anfahren der Brennkammer auf den Hauptkraftstoff umgeschaltet wird, der dann durch die Röhrchen 25, 26 aufgetragen wird. Der Zuführkanal 22, der hier in einen Ringraum 30 mündet, der noch innerhalb des Körpers 5 liegt, muß dann nach dem Abstellen der Brennkammer mit Druckluft beaufschlagt werden, so daß die Röhrchen 25, 26 von rückständigem Kraftstoff gereinigt werden.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Filmverdampfungs-Brennkammer mit einem Verdampferrohr, dessen Innenwendoberfläche von einer Brennstoffzuführeinrichtung mit einem Brennstoffilm benetzt wird und bei der der verdampfende Brennstoff von einer drallbehafteten, an der Innenwand des Verdampferrohres entlangstreichenden Verbrennungslufiströmung erfaßt und mit dieser vermischt wird, insbesondere für Fahrzeug-Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, von innen her auf die Innenwand des Verdampferrohres führende Brennstoffeuführungen in Form dünner Röhrchen (23) vorgesehen sind, deren Mündungen unmittelbar vor der Innenwand (lOa^des Verdampferrohres (10) liegen.

2. Filmverdampfungs-Brennkammer nech Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (23) radial von der Achse des Verdampferrohres (10) aus auf deyen Innenwand (lOa^zuführen.

3. Filmverdampfungs-Brennkammer nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (23) am Einlauf des Verdampferrohres (10) vorgesehen sind.

4. Filmverdampfungs-Brennkammer nach Anspruch 1, mit einem Leitrati als drallerzeugendem Strömungsteil, der vor dem Verdampferrohr liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (23) von der Nabe des Leitrades aus auf die Innenwand (10a,) gerichtet sind.

5. Filmverdampfungs-Brennkammer i.ach Anspruch 4 mit einerB Radi-'.leitgitter als Leitrad, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (23, 25) von einem im Zentrum de-, Radialleitgitters (7) vorgesehenen Zuführkanal (22) ausgehen.

6. Filmverdampfungs-Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (25, 26) mindestens teilweise in dem Material des Körpers (5) für die Kraftstoffzuführeinrichtung (22) eingebettet sind.

7. Filmverdampfungs-Brennkammer nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß racial verlaufende Teile (25) der Röhrchen im Material des Körpers (5) eingebettet sind und der Kraftstoff durch axial gerichtete Röhrchenteile (26) auf den Umlenkbereich (11) am Einlauf des Verdampferrohres (10) geführt wird.

8. Filmverdampfungs-Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (23) über den Zuführkanal (22) wahlweise mit Anschlüssen für Kraftstoff und Druckluft verbindbar sind.

9. Filmverdampfungs-Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (23) über den Zuführkanal (22) wahlweise mit Anschlüssen für Hauptkraftstoff, Zündkraftstoff und für Druckluft verbindbar sind.