DE2609407A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents

Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke

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DE2609407A1
DE2609407A1 DE19762609407 DE2609407A DE2609407A1 DE 2609407 A1 DE2609407 A1 DE 2609407A1 DE 19762609407 DE19762609407 DE 19762609407 DE 2609407 A DE2609407 A DE 2609407A DE 2609407 A1 DE2609407 A1 DE 2609407A1
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fuel
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flame tube
fuel supply
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Adolf Fehler
Guenter Dr Ing Kappler
Guenter Dipl Ing Kirschey
Jost Dipl Ing Schmidt
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MTU Aero Engines GmbH
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MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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    • 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
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F23R3/32Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices being tubular

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

  • Brennkammer für Gasturbinentriebwerke
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für GasturbinentrieoT,;erke, die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, das von einem zwischen diesem und dem Außengehäuse gebildeten Ringraum aus mit Primärsowie I'nschluft beaufschlagbar ist und im stromaufwärtigen Bereicn mehrere jeweils seitlich einander gegenüberliegende Luftzufuhröffnungen aufweist, denen jeweils ein Brennstoffröhrchen für die gleichzeitige Zufuhr von Brennstoff zum Primärluftanteil zugeordnet ist, wobei die Flammrohrrückwand - im Radialschnitt gesehen - im wesentlichen halbkreisförmig nach außen gewölbt ausgebildet ist.
  • bei bekannten Ausführungsformen von Brennkammern für Gasturbinentriebwerke wird der Brennstoff beispielsweise durch sogenannte "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 AufbereitungsprozeB zu verkürzen.
  • 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 Verdampfer-Brenner sehen u.a. T-förmige oder stock-griffähnlich ausgebildete Verdampferrohrkörper vor.
  • Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Verdampfer-Brenner wird darin gesehen, daß die Verdampferrohrkörper - unter Beanspruchung eines relativ großen Einbauvolumens innerhalb der Brennkammer - trotzdem nur eine relativ geringe Oberfläche zur Brennstoffverdampfung bereitstellen, so daß in der Regel nur etwa 8 bis 10 Sc des zugeführten Brennstoffes tatsächlich verdampft werden kann.
  • Die erwähnten Brennstoffeinspritz- und Aufbereitungssysteme haben den weiteren Nachteil, daß die Verbrennung mehr oder weniger von einem Punkt ausgeht, so daß nur durch einen erheblichen Bauaufwand mögliche.Erzwingung der Mischvorgängeein gleichmäßiges Temperaturaustrittsprofil erzielbar ist.
  • Weiter erfordert diese Art von punktweiser Brennstoffeinspritzung relativ lang bauende Brennkammern, um eine räumlich gleichmäßige Brennstoffaufbereitung und damit gleichmäßige Verbrennung zu erhalten oder aber erfordert allzu ausgeprägte Primärzonenwirbel von Eraftstoff- und Luftanteilen, um schon in der Primärzone eine relativ gleichmäßige Verbrennung zu erzwingen, mit der weiteren Folge erhöhter Druck- und damit Leistungsverluste.
  • Im Rahmen einer durch die D-OS 23 41 904 bekannten Brennkammer nach der eingangs genannten Gattung sollen bereits Nachteile, welche bei den vorgenannten Brennkammern mit Einrichtungen zur Zuführung und Aufbereitung des Brennstoffes entstehen, beseitigt werden, insbesondere mit der Naßgabe einer verbesserten Aufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches für eine gleichförmige, an Schadstoffen arme Verbrennung sowie eines gleichförmigen Temperaturprofils am Brennkammeraustritt, und zwar unter Beanspruchung eines möglichst geringen Brennkammervolumens bzw.
  • einer geringen Brennkammerlänge.
  • Weiterhin soll im bekannten Fall nach der DT-OS 23 41 q04 eine höhere Brennkammerbelastung ermöglicht werden können.
  • Zur Lösung des vorstehend umrissenen Problemkreises seien hiermit die wichtigsten Merkmale der Erfindung nachder DT-OS 23 41 9OSL wie folgt zusammengefaßt: Die, Luftzufuhröffnungen sollen unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand in den seitlichen Wandabschnitten des Flammrohrs angeordnet sein und die Austrittsöffnungen der Brennstoffröhrchen sollen insbesondere geringfügig hinter dem der Flammrohrrückwand am nächsten liegenden Wandabschnitt einer jeden Luftzufuhröffnung in diese einmünden. Beim Zusammentreffen der über die Luftzufuhröffnungen unter relativ hoher Geschwindigkeit gegeneinander gerichteten Luftstrahlen sollen dann im bekannten Fall nach der DU-OS 23 41 904 weiter etwa von der Flammrohrmitte aus gegen die Flammrohrrückwand rezirkulierende Primärzonenwirbel gebildet werden, in welche der unter relativ niedrigem Druck, d.h. nahezu drucklos zugeführte Brennstoff eingebettet und mit der Primärluft vermischt wird. Ein verbleibender Anteil der über die Luftzufuhröffnungen gegeneinander gerichteten Luftstrahlen soll im Bereich der Flammrohrmitte als Mischluft in die Richtung der Hauptströmung abgelenkt werden, wobei weiter eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luftstrablen von bis zu 50 m/sek. oder gar etwas darüber zugrundegelegt werden kann.
  • Es hat sich hierbei gezeigt, daß es Schwierigkeiten bereitet, den Brennstoff insbesondere mit Rücksicht auf über einen großen Betriebsbereich wechselnde Brennkammerbelastung stets nahezu drucklos, mit einer Strömungsgeschwindigkeit von it von 1 m sowie 5 stets gleichförmig verteilt über die Brennstoffröhrchen zuzumessen.
  • Einp derartige Brennstoffzumessung muß aber gewährleistet sein, besonders im Hinblick auf eine genaue Brennstoff-Luft-Mengenzuteilung sowie im Einblick auf eine optimale Brennstoff-Luft-Aufbereitung; dies weiter auch mit Rücksicht auf eine an Schadstoffen arme Verbrennung, indem möglichst alle Brennstofftropfen bei der Aufbereitungsphase erfaßt werden sollen, so daß örtliche Brennstoffablagerungen, insbesondere an der Flammrohrrückwand, die zu einer Verkokung und Verrußung führen können, weitestgehend ausgeschaltet sind.
  • Weiterhin soll der Gefahr begegnet werden, daß die jeweilsaus den Brennstoffröhrchen austretenden Brennstoffstrahlen die unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand ins Blsmmrohr einströmenden Luft strahlen durchdringen und in die Mischzone der Brennkammer gelangen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammerkonzeption nach der eingangs genannten Art im wesentlichen im Hinblick auf die vorstehenden Schwierigkeiten zu verbessern.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung hauptsächlich vor, daß in die Brennstoffröhrchen aus einem porösen Werkstoff, vorzugsweise einem aufs Keramik oder im Sinterverfahren hergestellten hochwarmfesten, korrosionsfesten Werkstoff gefertigte Körper eingebaut sind.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal nach der Erfindung können die Körper als sogenannter metallischer Schwammtt auf der Basis einer Wickel-Chrom-Legierung hergestellt sein.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann den Körpern eine Drosselblende vorgeschaltet sein.
  • In der Zeichnung ist die Erfindung im Rahmen eines als Nittellängsschnitt dargestellten, im wesentlichen die gesamte Verbrennungszone umfassenden Brennkammerabschnitts weiter erläutert.
  • Nach der Zeichnung besteht die Brennkammer aus einem Außengehäuse 1 und einem darin eingesetzten Flammrohr 2, das von einem zwischen diesem und dem AuBengehäuse 1 gebildeten Ringraum 3 aus mit Primär- sowie Mischluft beaufschlagbar ist.
  • Im stromaufwärtigen Bereich weist das Flammrohr 2 mehrere jeweils seitlich einander gegenüberliegende Suftzufuhröffnungen 4, 4' auf, denen jeweils ein Brennstoffröhrchen 5, 6 für die gleichzeitige Zufuhr von Brennstoff B zu einem ersten Primärluftanteil L zugeordnet ist. Die Flammrohrrückwand 70 soll - im Radialschnitt gesehen - im wesentlichen halbkreisförmig nach außen gewölbt ausgebildet sein.
  • Seitlich außen sind an der stromaufwärtigen FlaWmrohrwand bzw. an der Flammrohrrückwand 70, gegen die Verdichterluftströmung V geöffnete, im wesentlichen in Kammerlängsrichtung sich erstreckende Strömungsführungskörper 7, 8 angeordnet, deren gegen die Kammermitte hin abgebogene Außenwandabschnitte 9, 10, die unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand 70 angeordneten Luftzufuhrbohrungen 4, 4' stromaufwärtig überdecken.
  • Die Außenwandabschnitte 9, 10 stellen damit gleichzeitig gegenüber der Verdichterluftströmung V- im Ringraum 3 abgeschirmte Zuströmquerschnitte 11, 1? für die Strömungsführungskörper 7, 8 zum Flammrohrinnern hin bereit.
  • In jeden Strömungsführungskörper 7, 8 ragt ein eigenes Brennstoffzumeßröhrchen 5, 6. Im Interesse einer mit Rücksicht auf die Lage der Zuströmquerschnitte 11, 12 intensiven Vermischung des Brennstoffes B mit dem jeweiligen ersten Primärluftanteil L sind die Brennstoffröhrchen 5, 6 gegenüber den im wesentlichen parallel zur Kämmerlängsachse verlaufenden Außenwandabschnitten q, 10 der Strömungsführungskörper 7, 8 geneigt angeordnet.
  • Im übrigen ist die Anordnung und der Aufbau der Strömungsführungskörper 7, 8 so getroffen, daß das darin aus den Brennstoff-Luft-Anteilen B, L gebildete Gemisch aufgrund der sich zu den jeweiligen Zuströmquerschnitten 11, 12 hin ergebenden zunehmenden Kanalverengung zunehmend beschleunigt wird, wodurch zusätzlich der von den ersten Primärluftanteilen L verursachte "MitreiBeffekt" gegenüber den Brennstoffanteilen B erhöht wird.
  • Die innerhalb der Strömungsführungskörper 7, 8 erzielbare Geschwindigkeitserhöhung der Brennstoff-Luft-Anteile B, L ist weiter vorteilhaft im Hinblick auf die innerhalb der Primärzone P zu gewährleistende Flammstabilität bzw. die gleichförmige Flammausbreitung.
  • Die Anordnung und der Aufbau der Strömungsführungskörper-7, 8 sowie der Brennstoffröhrchen 5, 6 ermöglichen weiter, daß kleinste Brennstoffmengen mit einer Geschwindigkeit c 1-m/s noch gleichmäßig zusammen mit den ersten Primärluftanteilen L über die hier jeweils von den Außenwandabschnitten 9, 10 gegenüber dem Ringraum 3 abgeschrimten Zuströmquerschnitte 11, 12 in den Seitenwandungen des Flammrohrs 2 der Brennzone zugeführt werden können. Bereits vor dem Eintritt in das Flammrohr 2 vermischt sich also der Brennstoff B intensiv mit den zugeführten ersten Primarluftanteilen L.
  • Die relativ hohe Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches L, 3 beim Einströmen in die Verbrennungszone verhindert weiter u.a ein Entzünden des Gasgemisches außerhalb des Brennraums Das über die Zuströmquersciinitte 11, 12 zugeführte BrennsDoff-Luft-Gemisch trifft unter einem relativ spitzen Winkel auf die mit relativ hoher Zuströmgeschwindigkeit über die Luftzufuhröffnungen 4, 4' radial gegen die Kammermitte einströmenden Luftstrahlen D.
  • Die im Bereich der Flammrohrmitte aufeinandertreffenden Luftstrahlen D reißen zum einen das Brennstoff-Luft-Gemisch mit (Pfeile L, B, D) und stellen damit die aus einem innig aufbereiteten Brennstoff-Luft-Gemisch bestehenden Primärzonenwirbel W bereit unter Gewährleistung einer gewünscht langen Aufbereitungszone.
  • Zum anderen zerfallen die jweils gegeneinander gerichteten Luft strahlen D in stromabwärtig abfließende Mischluftanteile N, welche so eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Flwnmrohrquerschnitt erzielen lassen sollen.
  • Der gegenüber dem.ersten Primärluftanteil L wesentlich größere, die Flammstabilisierung herbeiführende zweite Primärluftanteil wird somit von den in Richtung der Flammrohrrückwand 70 abgelenkten Anteilen der Luftstrahlen D bereitgestellt.
  • Die Primärzonenwirbel W füllen die im wesentlichen innerhalb der Flammrohrrückwand 70 befindliche Primärzone P nahezu-vollständig aus und verhindern somit weiterhin Verkokungen von Brennstoffresten an der Flammrohrrückwand 7 und damit etwaige Rußbildung.
  • Wie weiter ersichtlich ist, sind den Luftzufiihröffnungen 4, 4' an deren stromabwärtigen Enden radial gegen die Hauptströmung im Flammrohr 2 gerichtete Leitbleche 13, 14 zugeordnet, welche die Entstehung des eingezeichneten Strömungstildes im Flammrohr 2 insbesondere dahingehend unterstützen sollen, daß die Luftstrahlen gegen die Kammermitte hin gerichtet sind und eine genaue Aufteilung hinsichtlich des benötigten Primärluftanteils und des benötigten Mischluftanteils (Pfeile D) erfolgt.
  • Um zu erreichen, daß der Brennstoff stets nahezu drucklos und gleichförmig verteilt zumeßbar ist, sind in die Brennstoffröhrchen 5, 6 aus einem porösen Werkstoff, vorzugsweise einem aus Keramik oder im Sinterverfahren hergestellten hochwarmfesten, korrosionsfesten Werkstoff gefertigte Körper 15, 16 eingebaut. Weiter können die Körper 15, 16 als sogenannter "metallischer Schwamm" auf der Basis einer Nickel-Chrom-Legierung hergestellt sein. Im übrigen kann den Körpern 15, 16 eine Drosselblende 17, 18 vorgeschaltet sein.
  • Zur Intensivierung der Brennstoff-Luftvermischung innerhalb der Strömungsführungskörper 7, 8 sind die Brennstoffröhrchen 5, 6 gegen die Primärluftströmung (Pfeile L) bzw. gegen die Außenwandabschnitte 9, 10 geneigt angeordnet, wobei die Intensität der Brennstoff-Luft-Aufbereitung weiter infolge der gegen die Strömung gerichteten Flammrohraußenkante 19. gesteigert werden kann.
  • Das Ausführungsbeispiel nach der Zeichnung stellt eine Einzel-bzw. Rohrbrennkammern dar.
  • Die Erfindung eignet sich durchaus aber auch für anderweitige Brennkammertypen, so z.B. kombinierte Ring-/Rohrbreimkammern, bei denen das Brennksmmeraußengehäuse 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.
  • L e e r s e i t e

Claims (3)

  1. Patentansprüche 1. Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, das von einem zwischen diesem und dem Außengehäuse gebildeten Ringraum aus mit Primär- sowie Mischlult beaufschlagbar ist und im stromaufwärtigen Bereich mehrere äewells seitlich einander gegenüberliegende Kuftzufuhröffnungen aufweist, denen jeweils ein Brennstoffröhrchen fiir die gleich zeitige Zufuhr von Brennstoff zum Primärluftanteil zugeordnet ist, wobei die J?larnmrolirrüdand - im Radialschnitt gesehen - im wesentlichen halbkreisförmig nach außen gewölbt ausgebildet ist, und wobei ferner die Zumessung des Brennstoffes über die Brennstoffröhrchen nahezu drucklos erfolgt, da<iurcli gekennzeichnet, daß in die Brennstoffröhrchen (5, t) aus einem porösen Werkstoff, vorzugsweise einem aus Keramik oder im Sinterverfahren hergestellten hochwarmfesten, korrosionsfesten Werkstoff gefertigte Körper (15, 16) eingebaut sind.
  2. 2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (15, 16) als sogenannter "metalliscer Schwamm" auf der Basis einer Wickel-Chrom-Legierung hergestellt sind.
  3. 3. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Körpern (15, 16) eine Drosselblende (17, 18) vorgeschaltet ist.
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