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Brennkammer für Gas turbinen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen, insbesondere
für Gasturbinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, mit einem einen Flammraum begrenzenden,
im wesentlichen zylindrischen Flammrohr, an dessen vorderer Stirnseite eine Vor:r4.chtung
zur direkten Einspritzung eines Brennstoffes in den Flammraum und an dessen Umfang
verteilt angeordnete Öffnungen zur Zuführung von Verbrennungsluft vorgesehen sind.
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Brennkammern für PEW-Gasturbinen werden üblicherweise so ausgeführt,
daß ein Teil der Verbrennungsluft in die vordere, sogenannte Primärzone des Flammraums
durch einen radialen oder axialen Drallapparat und der übrige Teil der Verbrennungsluft
durch über den Umfang des Gehäuses verteilte Frimärzonenlöcher zugeführt wird. Die
Kraftstoffeinspritzung erfolgt dabei mittels einer zentrisch an der Stirnseite des
Flammrohres angeordneten Düse direkt in den Flammraum. Die durch den Drallapparat
erzeugte Wirbelströmung läßt in dem vorderen Teil
des Flammraumes
eine die Flamme stabilisierende, großvolumige Rezirkulationszone entstehen, in der
der eingespritzte Brennstoff durch die rückströmenden, heißen Verbrennungsgase vor
der Vermischung mit der Verbrennungsluft verdampft werden soll. Vorteilhaft an dieser
Ausführung einer Gasturbinenbrennkammer ist ihre kostengünstige und kleinvolumige
Bauweise sowie ihre Betriebssicherheit.
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Um jedoch eine gute Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem eingespritzten
Brennstoff vor dem Einsetzen der Initialreaktionen zu erreichen, müßten die durch
die Primärzonenlöcher zugeführten Luftstrahlen bis in das Zentrum der Rezirkulationszone
vordringen, was einen verhältnismäßig großen Durchmesser der Luftstrahlen oder aber
die Inkaufnahme eines größeren Druckverlustes in der Brennkammer bedingen würde.
Werden die Primärzonenlöcher am Umfang des Gehäuses nun so ausgebildet, daß die
durch diese in den Flammraum eintretenden Luftstrahlen einen großen Durchmesser
h->ben, dann ergibt sich wegen der damit verbundenen, relativ kleinen spezifischen
Oberfläche eine sehr unvollkommene Mischung der Verbrennungsluft mit dem Kraftstoff,
so daß die Verbrennung in dem Flammraum als diffusionsartige Flamme mit relativ
hohen Emissionswerten erfolgt.
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Die der «Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine
Brennkammer für Gas turbinen zu schaffen, bei der die durch die direkte Einspritzung
des Brennstoffes in den Flammraum erreichte kostengünstige und kleinvolumige Bauweise
sowie ihre Betriebssicherheit beibehalten wird, bei der aber im Gegensatz zu den
bisher bekannten Ausführungen ohne Erhöhung der Druckverluste eine bessere Durchmischung
der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff erzielt wird. Dadurch können bei insgesamt
brennstoffarmem Betrieb der Primärzone die Emissionswerte erheblich abgesenkt werden.
Darüberhinaus ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, die Ausbildung einer allzu
großvolumigen Rezirkulationszone, in der besonders viel Stickoxide entstehen, zu
verhindern.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht,
daß die Luftzuführungsöffnungen zumindest teilweise durch in den Flammraum hineinreichende,
st;irnseitig offene Rohre gebildet sind. Die Anordnung
derartiger
Rohre anstelle einfacher Durchtrittsöffnungen am Flammrohrmantel bewirkt, daß die
Verbrennungsluft ohne Erhöhung des Druckverlustes beliebig tief in den Flammraum
der Brennkammer, und zwar jeweils an die Stellen eingeführt werden kann, wo zur
Bildung eines gleichmäßigen Brennstoff-LuSt-Gemisches VerbrennungsluSt benötigt
wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß sich
in Strömungsrichtung gesehen hinter jedem Luftzuführungsrohr Wirbelzonen ausbilden,
die als kleinvolumige Rezirkulations- und Flammzonen zur aerodynamischen Flammstabilisierung
beitragen. Die bisher übliche großvolumige Rezirkulationszone wird also in eine
Vielzahl kleiner Rezirkulationszonen aufgeteilt, wodurch eine schnellere und bessere
Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem eingespritzten und verdampften Brennstoff
und den rückströmenden Verbrennungsgasen und infolge dessen eine Verminderung der
Stickoxid- und Kohlenmonoxydemissionen erreicht wird.
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Um die Verbrennungsluft möglichst gleichmäßig in den gesamten Flammraum
der Brennkammer einzuführen, ist es zweckmäßig, wenn die Luftzuführungsrohre unterschiedlich
tief in den Flammraum hineinreichen und zudem untereinander unterschiedliche Richtungen
gegenüber der Flammraumachse aufweisen. So kann zweckmäßiger Weise ein Teil der
Luftzuführungsrohre in tangentialer Richtung n den Flammraum einmünden, wodurch
gegebenenfalls der sonst übliche Drallapparat an der Stirnseite der Brennkammer
entfallen kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können in den Luftzuführungsrohren
auch Vorrichtungen zur Bildung einer Drallströmung vorgesehen sein, indem beispielsweise
in den Luftzuführungsrohren Drallschaufeln eingesetzt sind. Auch ist es zweckmäßig,
wenn die Luftzuführungsrohre im Bereich ihrer Austrittsöffnung einen Querschnitt
mit einem großen Verhältnis von Umfang zu Fläche aufweisen, indem beispielsweise
der Austrittsquerschnitt der Luftzuführungsrohre sternförmig ausgebildet ist. Beide
Maßnahmen haben eine weitere Verbesserung der Vermischung der Verbrennungsluft mit
dem Brennstoff zum Ziel, die noch vor dem Einsetzen der Initialreaktionen des Brennstoff-LufZ-Gemisches
erreicht sein soll-te, um eine günstige und möglichst vollkommene Verbrennung des
eingespritzten Brennstoffes zu erreichen.
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Schließlich geht ein weiterer Vorschlag der Erfindung dahin, die Luftzuführungsrohre
auf der stromabliegenden Seite mit Luftaustrittsöffnungen zur Kühlung des Rohrmantels
auszustabten. Der Au?-tritt einer kleinen IIenge an Luft durch diese Luftaustrittsöffnungen
bewirkt, daß die Standfestigkeit der Strahlrohre in den heißentlnmmengase rhöht
wird und bringt gleichzeitig den Effekt, daß die Flammen-temperatur örtlich verringert
wird, so daß die Entstehung von Stickoxiden begrenzt wird.
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Weitere Vorteile und die wesentlichen Iterkmale der Erfindung sind
aus der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellenden Zeichnung näher ersichtlich.
Die Zeichnung zeigt in Figur 1 eine Ansicht einer Gasturbinenbrennkammer von der
Gasaustrittsseite her, Figur 2 einen Längs schnitt durch die Brennksmmer gemäß den
Schnittlinien II-II nach Figur 1 und Figur 3 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt
gemäß den Schnittlinien III-III.
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In der Zeichnung ist mit 1 das im wesentlichen zylindrische Flammrohr
bezeichnet, das in seinem Innern einen Flammraum 2 einschließt. Die allgemeine Richtung
der durch den Flammraum strömenden Gase ist durch den Pfeil 3 angedeutet. Der in
Strömungsrichtung vorn liegende Teil 4 des Flammraums 2 wird als Primärzone bezeichnet,
in der die eigentliche Vermischung des von der Stirnseite durch eine hier nicht
weiter gezeigte Einspritzdüse eingespritzten Brennstoffes mit der durch Luftzuführungsrohre
5, 6 und 7 zugeführten Verbrennungluft und die anschließenden Zündung des so gebildeten
Brennstoff-Luft-Gemisches stattfindet.
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In einem in Strömungsrichtung gesehen hinteren Bereich des Flammraums
sind am Umfang des Flammrohrs 1 weitere über den Umfang verteilte Luftdurchtrittsöffnungen
8 zur Zuführung von die Temperatur der Verbrennungsgase herabsetzender Frischluft
vorgesehen.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ragen zumindes-t die Luftzuführungsrohre
5 und 6, von denen jeweils vier gleichmaßig über den Umfang verteilt angeordnet
sind, in den Flammraum 2 der Brennkammer hinein, wobei die Richtung und die Eintauchtiefe
der Luftzuführungsrohre 5 und 6 unterschiedlich ist. Dadurch, daß die Luftzuführungsrohre
unterschiedlich
tief in den Flammraum 2 der Brennkammer hineinragen,
kann eins optimale Vermischung des eingespritzten Brennstoffes mit der Verbrennungsluft
ohne eine Vergrößerung des Druckverlustes erzielt werden. In der gesamten Primärzone
4 bildet sich also ein gleichmäßiges, verhältnismäßig brennstoffarmes Brennstoff-Buft-Gemisch
aus, das Voraussetzung für eine emissionsarme Verbrennung in der Brennkammer ist.
Diese Durchmischung kann weiter verbessert werden, wenn der durch die Luftzuführungsrohre
5, 6 und 7 tretenden Luftströmung ein Drall mitgeteilt wird, indem beispielsweise
in den Luftzuführungsrohren Drallschaufeln 9 angeordnet sind. Eine gute Vermischung
wird auch erreicht, wenn der Querschnitt der Luftstrahlen ein großes Verhältnis
von Umfang zu Flache aufweist. Dies könnte beispielsweise dadurch erreicht werden,
daß der Austrittsquerschnitt der Luftzuführungsrohre sternförmig ausgebildet ist.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, ergibt sich bei diesen Brennkammern
eine aerodynamische Flammenstabilisierung durch Ausbildung einer durch eine Wirbelströmung
erzeugten Rezirkulationszone in der Primärzone.
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Die Wirbelströmung wird dabei üblicherweise durch einen radialen oder
axialen DralRapparat hervorgerufen, der zusammen mit der hier ebenfalls nicht gezeigten
Brennstoffeinspritzdüse an dem stirnseitigen Flansch 10 des Brennkammergehäuses
befestigt werden kann. Gegebenenfalls könnte auch ein derartiger Drallapparat entfallen,
wenn beispielsweise ein Teil der Luftzuführungsrohre im wesentlichen tangential
in den Flammraum 2 einmündet.
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Neben der Verbesserung der Vermis chung der Verbrennungsluft mit dem
Brennstoff bringen die in den Flammraum 2 hineinragenden Luftzufiihrungsrohre 5
und 6 auch noch einen weiteren wesentlichen Vorteil. In Strömungsrichtung gesehen
hinter diesen Luftzuführungsrohren bilden sich nämlich jeweils kleinere Wirbelströmungsgebiete,
also Rezirkulationszonen aus. Jedes einzelne Luftzuführungsrohr wirkt damit als
FLarnllßlter und anstelle einer einzigen, groBvolumien Rezirkulationszone entstehen
viele kleine Rezirkulabions- und Flammzonene, die für eine bessere Aufbereitung
das irennstoff-L'ft-Gemisches durch die rückströmenden Verbrennungsgase und damit
für eine günstigere Verbrennung mit ge-@@@geren Stickoxid- un 1h1 enmonoxydemis
sionen soren.
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An den in den Flammraum 2 hineinreichenden Luftzuführungsrohren 5
und 6 sind an der stromabliegenden Mantelseite kleinere Luftaustrittsöffnungen 11
vorgesehen, die die thermisch besonders hoch beansprohten Partien der Luftzuführungsrohre
kühlen sollen. Gleichzeitig kann dadurch eine örtliche Herabsetzung der Flammentemperatur
und damit eine Begrenzung der Stickoxidbildung erreicht werden.
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Insgesamt gesehen ergibt sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung
der Brennkammer eine gegenüber konventionellen Brennkammerausführungen erhebliche
Reduzierung der bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe, so daß sich eine derartige
Brennkammerausführung besonders für den Einsatz bei PLA-Gasturbinen eignet.
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L e e r s e i t e