DE2607214A1 - Brennkammer fuer gasturbinen - Google Patents

Brennkammer fuer gasturbinen

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DE2607214A1
DE2607214A1 DE19762607214 DE2607214A DE2607214A1 DE 2607214 A1 DE2607214 A1 DE 2607214A1 DE 19762607214 DE19762607214 DE 19762607214 DE 2607214 A DE2607214 A DE 2607214A DE 2607214 A1 DE2607214 A1 DE 2607214A1
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combustion chamber
flame
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combustion
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DE19762607214
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Rolf Dipl Ing Buchheim
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04Air inlet arrangements
    • F23R3/045Air inlet arrangements using pipes

Description

  • Brennkammer für Gas turbinen
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Wie oben bereits erwähnt wurde, ergibt sich bei diesen Brennkammern eine aerodynamische Flammenstabilisierung durch Ausbildung einer durch eine Wirbelströmung erzeugten Rezirkulationszone in der Primärzone.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • L e e r s e i t e

Claims (9)

  1. ANSPRÜCHE 1. Brennkammer für Gasturbinen, insbesondere für Gasturbinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, mit einem einen Flammraum begrenzenden, im wesentlichen zylindrischen Flammrohr, an dessen vorderer Stirnseite eine Vorrichtung zur direkten Einspritzung eines Brennatoffes in den Flammraum und an dessen Umfang verteilt angeordnete Öffnungen zur Zuführung von Verbrennungsluft vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Flammraum (2, 4) hineinreichende, stirnseitig offene Luftzuführungsrobre (5, 6, 7) vorgesehen sind.
  2. 2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungsrohre (5, 6, 7) unterschiedlich tief in den Flammraum (2, 4) hineinreichen.
  3. 3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungsrohre (5 - 7) untereinander unterschiedliche hichtungen gegenüber der Flammraumachse aufweisen.
  4. 4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Luftzuführungsrohre (5 - 7) in tandentialer Richtung in ae: Flammraum (2, 4) einmündet.
  5. 5. Brenakammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Luftzuführungsrohren (5 - 7) Vorrichtungen zur Bildung einer Drallströmung vorgesehen sind.
  6. 6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Luftzuführungsrohwen (5 - 7) I>rallschaufeln (9) eingesetzt sind.
  7. 7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungsrohre (5 - 7) im Bereich ihrer Anstritteöffnung einen Querschnitt mit einem großen Verhältnis von Umfang zu Fläche aufweisen.
  8. 8. Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittaquerachnitt der Luftzuführungsrohre (5 - 7) sternförmig ausgebildet ist.
  9. 9. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lutzuführungsrohre (5 - 7) auf der stromabliegenden Seite Luftaustrittsöffnungen (11) zur Kühlung des Rohrmantels aufweisen.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0672868A1 (de) * 1994-03-14 1995-09-20 General Electric Company Verbrennungsvorrichtung für einer Gasturbinebrennkammer
US5775108A (en) * 1995-04-26 1998-07-07 Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation "Snecma" Combustion chamber having a multi-hole cooling system with variably oriented holes
WO2016043614A3 (en) * 2014-08-29 2016-06-16 Micula Viorel Modular system for swirly driving and controlled orientability of hot air flows

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US5775108A (en) * 1995-04-26 1998-07-07 Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation "Snecma" Combustion chamber having a multi-hole cooling system with variably oriented holes
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