DE2620424A1

DE2620424A1 - Brennkammer mit variabler geometrie

Info

Publication number: DE2620424A1
Application number: DE19762620424
Authority: DE
Inventors: Alois Rohra
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1976-05-08
Filing date: 1976-05-08
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DE2620424C2

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH.
Brennkammer mit variabler Geometrie Die Erfindung betrifft eine Brennkammer variabler Geometrie zum wahlweisen Betrieb mit 1. Verdichterluft oder 2. Wärmetauscherluft oder 3. Verdichter- und Wärmetauscherluft in beliebigem Mischungsverhältnis, wobei für den jeweiligen Betriebsfall 1. bis 3. zudem eine Aufteilung von Primär- und Gesamtluft möglich-sein soll.
Um eine Brennkammer über den gesamten Betriebsbereich schadstoffarm fahren zu können, sind bestimmte Voraussetzungen zu erfüllen. So hängt die NOxEmission wesentlich von der Flammentemperatur in der Reaktionszone ab. Da die NO -Bildung exponentiell mit der Flammentemperatur ansteigt, ist es vornehmlich erforderlich, diese Temperatur zu senken. Das kann erreicht werden durch die Verbrennung eines vorvermischten, vorverdampften Kraftstoff-Luftgemisches bei stets konstantem Luft-Kraftstoffverhältnis in der Primärzone. Zudem besteht die Möglichkeit, durch Abgasrückführung die Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungszone zu senken und dadurch die Flammentemperatur um einen bestimmten Betrag zu erniedrigen. Hierbei ist auch mit einer vollständigeren Verbrennung von unverbrauchten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu rechnen. Einen weiteren Einfluß haben Verweilzeit, Sauerstoffkonzentration und Druck.
Die Forderung, in der Reaktionszone immer mit gleichem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und damit mit gleicher Flammentemperatur zu verbrennen, ist über den gesamten Betriebsbereich der Gasturbine mit einer konventionellen Brennkammer nicht möglich. Da sich das Gesamtluft-Kraftstoffverhältnis während des Fahrbetriebes über weite Grenzen ändert - etwa von 35 beim Start bis zu 400 beim Verzögern -besteht bei einer konventionellen Brennkammer die Gefahr, bei Auslegung für den Vollastpunkt bei Teillast und Verzögern die Armausblasgrenze zu erreichen und bei Auslegung für Leerlauf bei Start und Beschleunigung ein zu reiches Gemisch zu erzielen, was die Schadstoffemission unzulässig erhöht.
Eine Lösung des Problems stellt eine Brennkammer mit variabler Geometrie dar. Nur sie ist in der Lage, eine Aufteilung von Primär- zu Gesamt luft zu liefern, die bei allen Betriebszuständen eine Verbrennung bei konstanter Flammentemperatur und konstantem Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Primärzone gewährleistet. Solche Brennkammern mit variabler Geometrie und in verschiedenen Ausführungen sind bekannt. Bei ihnen werden u. a. mittels Ring schiebern oder einzelner kegelförmig ausgebildeter Verschlußelemente Primär- bzw. Zumischluftbohrungen gegensinnig geöffnet bzw. geschlossen. Bei manchen Ausführungen liegen diese Ringschieber innerhalb separater Vorvermisch-bzw. Verdampfungskammern, so daß eine Betätigung derselben von außen Probleme bereitet. Auch besteht bei Eintritt des Kraftstoffes in die Verdampfungskammer die Gefahr des Kraftstoffkrackens und der Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches, wenn die Brennkammer mit zu hoher Eintrittstemperatur betrieben wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung des beweglichen Teiles der Brennkammer zu finden, die es ermöglicht, die Primär- und die Zumischluftbohrungen auf einfache, von außen gut zugängliche Weise zu öffnen oder zu schließen. Zudem sind mit dem gleichen Betätigungsmechanismus der wahlweise Betrieb der Brennkammer mit Verdichterluft oder Wärmetauscherluft oder Verdichter-und Wärmetauscherluft in beliebigen Mengenverhältnissen ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß wird eine Brennkammer-Ausführung vorgeschlagen, die im grundsätzlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß ein äußerer Mantel sowohl in axialer Richtung verschoben als auch in Umfangsrichtung gedreht werden kann.
Die translatorische Bewegung in axialer Richtung ermöglicht die Aufteilung von Primär- zu Gesamtluftmenge, die Drehbewegung in Umfangsrichtung den Betrieb mit Wärmetauscher-oder Verdichterluft oder beider in einem beliebigen MengenverhältDis.
Die Erfindung und ihre wesentlichen Teile sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 die Stellung des erfindungsgemäßen äußeren Mantels der Brennkammer für den Betrieb mit Wärmetauscherluft bei maximaler Primär- und minimaler Zumischluft, wie er z. B. für Start, Beschleunigungs- und Vollastbetrieb gegeben ist und zwar als Schnitt C-C, Ansicht N und Schnitt D-D, Fig. 2 bei gleicher Stellung des äußeren Mantels den Betrieb mit Verdichterluft und zwar als Schnitt B-B, Ansicht M und Schnitt A-A, Fig. 3 den Betrieb der Brennkammer mit Wärmetauscherluft bei minimaler Primär- und maximaler Zumischluft, wie es z. B. bei Leerlauf und Verzögern des Triebwerkes auftritt und Fig. 4 bei gleicher Stellung des äußeren Mantels wie in Fig. 3 den Betrieb mit Verdichterluft bei minimaler öffnung der Primärluft- und maximaler Öffnung von Zumischluftbohrungen.
Je nachdem ob die Brennkammer mit Wärmetauscher- oder Verdichterluft betrieben werden soll, sind die Bohrungen beider Lochreihen 17 und 18 zur oder außer Deckung gebracht.
Erfolgt der Betrieb der Brennkammer wie in Fig. 1 gezeigt mit Wärmetauscherluft, so liegen die Bohrungen der Lochreihen 17 und 18 übereinanaer (Schnitt D-D). Gleichzeitig ist der Schieber 6, der zusammen mit Zwischenboden 6' eine Absperreinrichtung bildet, in geschlossenem Zustand.
Erfolgt der Betrieb der Brennkammer wie in Fig. 2 dargestellt mit Verdichterluft, so liegen die Bohrungen der Lochreihen 17 und 18 nicht übereinander (Schnitt A-A), womit der Durchtritt von Wärmetauscheluft in den Raum 8 unterbunden ist. Dafür ist der Schieber 6 in geöffneter Stellung, was ein Einströmen von Verdichterluft über den Raum 7 in den Raum 8 ermöglicht. Durch eine partielle überdeckung der Bohrungen der Lochreihen 17 und 18 und der damit gekoppelten gleichzeitigen teilweisen Öffnung des Schiebers 6 ist der Betrieb mit Verdichter- und Wärmetauscherluft in beliebigen Mengenverhältnissen möglich.
Je nach dem auf diese Weise eingestellten Betriebszustand strömt die entsprechend zusammengesetzte Luft dann vom Raum 8 über die kanalartigen Zwischenstücke 9 in den Ringraum 10. Beim Durchtritt durch die Engstelle 10 erfolgt durch Saugwirkung die Abgasmitnahme.
Der aus dem Ringraum 10 bzw. 10' austretende Luftstrom teilt sich je nach axialer Stellung des äußeren Mantels 1 in einen ersten Teilstrom, der als Zumischluft durch die Bohrungen der Lochreihe 16 in das untere Ende des Flammrohres 3 eintritt, und in einen zweiten Teilstrom, der über den Ringraum 11, die Durchgäne 12 und den Ringkanal 13, der aus Flammrohr 3 und Luftführungskegel 19 gebildet wird, in die Reaktionszone 14 strömt.
Je nach Änderung der axialen Stellung des äußeren Mantels 1 werden die Öffnungen der Durchgänge 12 bzw. die Bohrungen der Lochreihe 16 gegensinnig geöffnet oder geschlossen.
Wird z. B. der äußere Mantel 1 aus der in Fig. 1 gezeichneten Lage nach unten d. h. in Strömungsrichtung verschoben, werden die Durchgänge 12 weiter geschlossen und die Bohrungen 16 weiter geöffnet.
Fig. 3 und 4 zeigen für Wärmetauscherluft- und Verdichterluftbetrieb die Stellung mit am weitesten nach unten verschobenen äußeren Mantel 1.
Die Betätigung, durch die die Verschiebung des äußeren Mantels 1 der Brennkammer in axialer und in Umfangsrichtung bewirkt wird, kann mit einem am äußeren Mantel 1 befestigten Zahnkranz 5 und den auch in axialer Richtung im Zahnkranz 5 fixierten Zahnrädern 4 und 4' erfolgen. Die Betätigung des Schiebers 6 wird über einen an ihm angebrachten Mitnehmer 20, der in Eingriff mit dem äußeren Mantel 1 steht, bewerkstelligt. Zu diesem Zweck erhält der äußere Mantel 1 eine in axialer Richtung verlaufende Längsnut. Die Rollen 4' sind Stützrollen.

Claims

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH.

P a t e n t a n sp r ü c h e 1. Brennkammer mit variabler Geometrie und einem das Flammrohr umgebenden Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus zwei koaxial ineinander und zum Flammrohr angeordneten Teilen besteht und zur Luftregelung sowohl in axialer Richtung verschiebbar als auch in Umfangsrichtung verdrehbar ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer aus einem Flammrohr (3) und einer mittleren Wand (2), die einen ersten Ringraum (7, 8, 10) bilden, und aus einem äußeren Mantel (1), der mit der mittleren Wand (2) einen zweiten Ringraum (11) bildet, und aus kanalartigen Zwischenstücken (9), die Zwischenböden (21 und 22) durchbrechen und eine ihrer Zahl entsprechenden Anzahl von in axialer Richtung verlaufenden Verbindungen zwischen Abschnitten des ersten Ringraums (7, 8, 10, 11) schaffen, und aus einem Schieber (6) und einem Zwischenboden (6'), die Abschnitte (7, 8) des ersten Ringraumes trennen, und aus einem Luftführungskegel (19) besteht.

3. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel (1) in Umfangsrichtung beweglich ist.

4. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei äußerster Stellung des im Uhrzeigersinn verdrehten äußeren Mantels (1) (Schnitt D-D) ein vollkommenes Übereinanderliegen der Bohrungen der Lochreihen (17, 18) und bei äußerster Stellung des entgegen dem Uhrzeigersinn verdrehten äußeren Mantels (1) (Schnitt A-A) kein Übereinanderliegen der Bohrungen der Lochreihen (17, 18) erfolgt.

5. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des äußeren Mantels (1) in Umfangsrichtung über einen Drehbewegungsmechanismus erfolgt, z. B. über Zahnräder (4, 4'), die mit einem am äußeren Mantel (1) befestigten Zahnkranz (5) in Eingriff stehen.

6. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Drehbewegung des äußeren Mantels (1) gleichzeitig eine Drehhewegung des Schiebers (6) erfolgt, der über einen Mitnehmer (20) mit dem äußeren Mantel (1) verbunden ist.

7. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (6) bei völlig übereinanderliegenden Bohrungen (17) und (18) (Schnitt D-D) eine vollkommen geschlossene Stellung, bei nicht übereinanderliegenden Bohrungen (17) und (18) (Schnitt A-A) eine vollkommen geöffnete Stellung aufweist.

8. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei äußerster Stellung des in Strömungsrichtung verschobenen äußeren Mantels (1) eine im wesentlichen vollständige überdeckung (Schließung) der Kanäle (12) bei gleichzeitiger vollständiger öffnung der Bohrungen (16) und bei äußerster Stellung des entgegen die Strömungsrichtung verschobenen äußeren Mantels (1) eine vollständige überdeckung der Bohrungen (16) bei gleichzeitiger vollständiger öffnung der Kanäle (12) durch den äußeren Mantel (1) erfolgt.

10. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verstellung des äußeren Mantels (1) durch den entsprechend erweiterten Drehbewegungsmechanismus (4, 4') erfolgt.

11. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des äußeren Mantels (1) in axialer und in Umfangsrichtung gleichzeitig erfolgen.

12. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas im Engquerschnitt (10') über die Bohrungen (15) entnommen und durch den Ringkanal (11) in die Reaktionszone zurückgeführt wird.