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Brennkammer für Gasturbinentriebwerke
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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.
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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.
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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.
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Die Verdampfer-Brenner sehen u.a. T-förmige oder stock-griffähnlich
ausgebildete Verdampferrohrkörper vor.
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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.
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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.
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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.
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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.
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einer geringen Brennkammerlänge.
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Weiterhin soll im bekannten Fall nach der DT-OS 23 41 q04 eine höhere
Brennkammerbelastung ermöglicht werden können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammerkonzeption
nach der eingangs genannten Art im wesentlichen im Hinblick auf die vorstehenden
Schwierigkeiten zu verbessern.
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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.
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Gemäß einem weiteren Merkmal nach der Erfindung können die Körper
als sogenannter metallischer Schwammtt auf der Basis einer Wickel-Chrom-Legierung
hergestellt sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann den Körpern eine Drosselblende
vorgeschaltet sein.
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In der Zeichnung ist die Erfindung im Rahmen eines als Nittellängsschnitt
dargestellten, im wesentlichen die gesamte Verbrennungszone umfassenden Brennkammerabschnitts
weiter erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das Ausführungsbeispiel nach der Zeichnung stellt eine Einzel-bzw.
Rohrbrennkammern dar.
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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.
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Ferner ist die Erfindung auch bei reinen Ringbrennkammern anwendbar.
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L e e r s e i t e