DE2620424C2 - Brennkammer mit variabler Geometrie der Luftzuführung für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer mit variabler Geometrie der Luftzuführung für Gasturbinentriebwerke, die ein mit Primär- und Sekundärlufteinlässen versehenes zylindrisches Flammrohr aufweist, dem eine von der Brennkummerkopfseite ausgehende zylindrische Zwischenwand zugeordnet ist, die zwischen sich und einem Teil der äußeren Flammrohrbewandung einen koaxialen ersten Ringraum bildet, wobei ein ebenfalls von der Brennkammerkopfseite ausgehender, äußerer zylindrischer Mantel vorgesehen ist, der zwischen sich und der Zwischenwand sowie einer j_(l stromab dieser Zwischenwand angeordneten Flammrohraußenwandpartie einen zweiten Ringraum einhüllt, und wobei durch die Verschiebung axial fluchtend angeordneter Brennkammerbauteile das Mengenverhältnis von Primär- zu Sekundärluft veränderbar ist ü

Bei Brennkammern für Gasturbinentriebwerke bereitet es nicht unerhebliche technische Schwierigkeiten, über den gesamten Betriebsbereich eine an Schadstoffen arme, optimale Verbrennung zu erzielen.

So hängt die ΝΟχ-Emission wesentlich von der -> <i Flammentemperatur in der Reaktionszone ab. Da die NOx-Bildung exponentiell mit der Flammentemperatur ansteigt, ist es somit vornehmlich erforderlich, die Flammentemperatur zu senken. Dies kann allenfalls nur in einem stationären Betriebszustand erreicht werden, r, in dem z. B. die Verbrennung eines vorvermischten, vorverdampften Kraftstoff-Luftgemisches bei konstantem Luft-Kraftstoffverhältnis in der Primärzone stattfindet. Zum anderen wurde schon erwogen, durch Abgasrückführung die Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungszone, und damit auch die Flammentemperatur um einen bestimmten Betrag zu senken. Hierdurch wäre für sich zwar schon mit einer vollständigeren Verbrennung von Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidanteilen zu rechnen. ;, -,

Einen weiteren Einfluß auf eine optimale, an Schadstoffen arme Verbrennung haben darüber hinaus jedoch die Verweilzeit des Kraftstoffes, die Sauerstoffkonzentration sowie die Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse der der Brennkammer bzw. der Verbren- nung zuzuführenden Brennstoff-Luftanteile.

Nachdem sich ferner das Gesamtluft-Kraftstoffverhältnis während cles Fahrbetriebs über weite Grenzen ändert — etwa Von 35 beim Start bis ?u 400 beim Verzögern — besteht bei einer konventionellen Brennkammer <*'c Gefahr, bei Auslegung für den Vollastpunkt bei Teillast und Verzögern die Armver löschgrenze zu erreicht η und bei Auslegung für Leerlauf bei Start und Beschleunigung ein an Kraftstoff zu reiches Gemisch zu erzielen, was die Schadstoffemission unzulässig erhöht

Ausgehend von einer aus der US-PS 26 21477 bekannten Brennkammer nach der eingangs genannten Art, Hegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer mit variabler Geometrie der Luftzuführung für Gasturbinentriebwerke zu schaffen, bei der auf verhältnismäßig einfache Weise über den gesamten Betriebsbereich das dem Brennkammerflammrohr zuzuführende Mengenverhältnis von Primär- und Sekundärluft sowie vorgewärmter und nicht vorgewärmter Luft für eine stets optimale, an Schadstoffen arme Verbrennung regulierbar sein soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe weist die erfindungsgemäße Brennkammer die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale auf.

Mittels eines im wesentlichen einzigen Bauteils, nämlich der äußeren Hülle, kann somit durch deren axiales Verschieben einerseits sowie durch deren Verdrehung in Umfangsrichtung andr -erseits über den gesamten Betriebsbereich, also auch tai verhältnismäßig stark wechselnden Betriebszuständen (Anfahren, Vollast Verzögern, Leerlauf) eine optimale, an Schadstoffen arme Verbrennung erzielt werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht hierbei in der Zuführbarkeit eines beliebig steuerbaren Mengenverhältnisses aus zwei an die Brennkammer angeschlossenen Grundluftquellen, d. h. also das Luftmengenverhältnis von Verdichterluft zu Wärmetaurcherluft

Zum Stand der Technik folgendes:

Abgesehen davon, daß bei der aus der US-PS 26 21 477 bekannten Brennkammer die dem Flammrohr zuzuführende Luft nicht aus zwei Quellen entstammt, besteht bei dieser bekannten Brennkammer auch nicht die Möglichkeit die Sekundärluftzufuhr willkürlich zu regeln. Bei der in Fig. 3 der genannten Druckschrift dargestellten Anordnung verändert sich die Sekundärluftmenge in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Flammrohr und dem das Flammrohr umgebenden Mantel (Zwischenwand). Von einer Regulierung der Sekundärluftzufuhr, und damit einem über einen weiten Betriebsbereich frei steuerbaren variablen Mengenverhältnis von Primär- zu Sekundärluft, kann somit beim bekannten Fall keine Rede sein.

Bei der aus der DE-PS 6 63 707 bekannten Brennkammer kann nur die Sekundärluftzuführung geregelt werden. Während bei der erfindungsgemäßen Brennkammer dem Flammrohr Luft aus zwei verschiedenen Quellen (Verdichter und Wärmetauscher) in beliebigen Mengenverhältnissen zugeführt werden kann, kommt die dem Flammrohr der aus der DE-PS 6 63 707 bekannten Brennkammer zuzuführende Luft aus einer einzigen Quelle.

Das Flammrohr der aus der DE-OS 19 45 92Ί bekannten Brennkammer soll nur mit nicht vorgewärmter Verdicbterluft gespeist werden. Es kann hierbei zwar die Sekundärluftziifuhr in Abhängigkeit von Verdichterenddruck geregelt werden, das Problem, das Verhältnis zwischen vorgewä.mter und direkt vom Verdichter kommender Luft zu regeln, stellt sich jedoch gar nicht.

Bei der aus der DE-PS 9 56 453 bekannten Brennkammer kann zwar die Sekundärluftzufu.'ir und die Primärluftzufuhr gleichzeitig mittels eines zwischen dem ortsfesten Außengehäuse und dem Flammrohrkopfende angeordnet axial verschiebbaren Stellgliedes geregelt werden, es besteht jedoch keine Möglichkeit, dem Flammrohr Luft ;ius zwei verschiedenen Quellen

(Wärmetauscherluft/Verdichterluft) in beliebigem Mischungsverhältnis zuzuführen.

An Hand der Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt der Brennkammer gemäß der Klappschnittlinie C-C aus F i g. 5, bei maximal geöffneten Zuströmquerschnitten für die Wärmetauscherluft und geschlossenen Zuströmquerschnitten des Drehschiebers für die Verdichterluft sowie bei voll geöffneten Primärluftzufuhrquerschnitten und gleichzeitig vollständig verschlossenen Sekundärluftzufuhrquerschnitten,

F i g. 2 einen weiteren Axialschnitt der Brennkammer nach Fig. I gemäß Klappschnittlinie S-ßaus Fi g.6,bei maximal geöffneten Zuströmquerschnitten des Drehschiebers für die Verdichterluft und hierbei verschlossenen Zuströmquerschnitten für die Wärnietauscherluft sowie bei voll geöffneten Primärluftzufuhrquerschnitten und gleichzeitig vollständig vcrsehlcsscr.cn Se.kuridärluftzufuhrquerschnitten,

F i g. 3 eine den Drehschieber in der Verschlußstellung erläuternde Ansicht gemäß Blickrichtung N aus Fig. 1.

Fig. 4 eine den Drehschieber in der voll geöffneten Stellung erläuternde Ansicht gemäß Blickrichtung M aus F i g. 2,

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie D-Dder Fig. I, F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie A-A der F i ε. 2, Fig. 7 einen Axialschnitt der Brennkammer nach F i g. 1 und 2. worin bei gleichzeitig verschlossenen Zuströmquerschnitten für die Verdichterluft und voll geöffneten Zuströmquerschnitten für die Wärmetauscherluft die Sekundärluftzufuhrquerschnitte voll geöffnet, hingegen die Primärluft7ufiihrqiierschnitte nur geringfügig geöffnet sind (Leerlauf oder Verzögerungsbetrieb) und

Fig.8 einen Axialschnitt der Brennkammer nach Fig. 1. 2 und 7. worin bei vollständig geöffneten Zuströmquerschnitten für die Verdichterluft gleichzeitig die Zuströmquerschnitte für die Wärmetauscherluft vollständig verschlossen und dabei das Mengenverhältnis von Primär- zu Sekundärluft gemäß Fig. 7 unverändert eingestellt ist.

Die Brennkammer mit variabler Geometrie der Luftzuführung für Gasturbinentriebwerke nach Fig. 1. 2, 7 und 8 weist ein zylindrisches Flammrohr 1 auf, dem eine von der Brennkammerkopfseite ausgehende zylindrische Zwischenwand 2 zugeordnet ist, die zwischen sich und einem Teil der äußeren Flammrohrbewandung einen koaxialen ersten Ringraum 3 bildet = Eine ebenfalls vun der Brennkammerkopfseite ausgehende, von einem äußeren zylindrischen Mantel gebildete Hülle 4 umgibt zwischen sich und der Zwischenwand 2 sowie einer stromab dieser Zwischenwand 2 angeordneten Flammrohraußenwandpartie ΐ einen zweiten Ringraum 5. Die Hülle 4 ist zur Regulierung des Verhältnisses der durch die Primärluftzufuhrquerschnitte 6 und Sekundärluftzufuhrquerschnitte 7 durchzusetzenden Luftmengen am Brennkammerkopfende sowie am stromabwärtigen Flammrohrende ί in Axialrichtung verschiebbar und zur Regulierung des Mengenverhältnisses von Wärmetauscherluft zu Verdichterluft in Umfangsrichtung verdrehbar angeordnet. Eine brennkammerkopfseitig angeordnete Mischkammer 8 ist je nach der Verdrehstellung der Hülle 4 f mittels axial der Mischkammer 8 vorgeschalteter variabler Zuströmquerschnitte 9 an die Verdichterluftzufuhr und mittels seitlich der Mischkammer 8 angeordneter variabler Zuströmquerschnitte 10 an die Wärmetauscherluftzufuhr anschließbar.

Die Mischkammer 8 mündet am stromabwärtigen Ende in den ersten Ringraum 3 ein, an dessen stromabwärtiges Ende ein zwischen der Flammrohrwand (Flammrohr 1) und der Hülle 4 gebildeter Raum anschließt. Dieser Raum steht einerseits mit dem zweiten Ringraum 5 in Verbindung, durch den wenigstens ein Teil der Verbrennungsluft (Pfeil V)

ίο entgegen der Hauptströmungsrichtung in der Brennkammer abströmt und dessen Ausgang über die variablen Primärlufi/ufuhrquerschnitte 6 und an diese anschließende seitliche, radial verlaufende, gegenüber der Mischkammer 8 und dem ersten Ringraum 3

r, abgeschirmte Durchgänge 11 an die Primärluftzuführung 12 des Flammrohrs 1 angeschlossen ist. Andererseits steht dieser zuvor genannte Raum mit den variablen Sekiindärluftzufuhrqiierschnitten 7 in Verbin-

> Gemäß F i g. I, 2, 7 und 8 ist der Mischkammer 8 vor den variablen Verdichterluftzufuhrquerschnitten 9 eine weitere Kammer 14 axial fluchtend vorgeschaltet, die an die Verdichterliiftzufuhr des Gasturbinentriebwerkes angeschlossen ist. Sowohl die Mischkammer 8 als auch ?. die weitere Kammer 14 sind dabei ringförmig ausgebildet und von der brennkammerkopfseitigen Bewandung des Flammrohrs 1 einerseits und der brennkcnmerkopfseitigen Partie der Zwischenwand 2 andererseits umgrenzt. Ein mit der Mischkammer 8 υ konzentrischer Ring 15 enthält sowohl die Durchgänge 11 für die Primärluftzufuhr als auch die axial gerichteten Kanäle 16, die mit den Durchgängen 11 jeweils in Umfangsrichtung gleichförmig abwechselnd verteilt im Ring 15 angeordnet sind (siehe auch Fig. 5). Dabei , sollen die Kanäle 16 die Mischkammer 8 mit dem ersten Ringraum 3 verbinden.

Die variablen bzw. absperrbaren Zuströmquerschnitte 10 für die Wärmetauscherluft sind dabei von in der voll geöffneten Stellung (Fig. 5) deckungsgleich fluch- <i tenden öffnungen 17 bzw. 18 in der brennkammerkopfseitigen Partie der Zwischenwand 2 einerseits und in der die letztere drehbar ummantelnden brennkammerkopfseitigen Bewandung der Hülle 4 andererseits gebildet. Die vollständige Absperrstellung der Zuströmquer-ί schnitte 10 für die Wärmetauscherluft geht aus der zueinander versetzten Lage der öffnungen 17, 18 gemäß F i g. 6 hervor.

Die variablen Primärluftzufuhrquerschnitte 6 werden von den durch axiales Verschieben der Hülle 4 r, abdeckbaren Eintrittsquerschnitten der radial gerichteten Durchgänge 11 gebildet. Die Sekundärluft!.;fuhrquerschnitte 7 sind in einer stromabwärtigen, senkrecht zur Flammrohrachse verlaufenden Ebene angeordnet und liegen je nach axialer Stellung der Hülle 4 offen (Fi g. 7 und 8) oder sind von der Hülle 4 teilweise oder gänzlich (F i g. 1 und 2) abgedeckt

Gemäß F i g. 1 und 2 sind also bei vollständig geöffneten Primärluftzufuhrquerschnitten 6 die Sekundärluftzufuhrquerschnitte 7 vollständig verschlossen, r, wohingegen gemäß F i g. 7 und 8 bei voll geöffneten Sekundärluftquerschnitten 7 die Primärluftzufuhrquerschnitte geringfügig geöffnet bleiben. Abweichend von der Fig. 1, 2, 7 und 8 sind beliebig wählbare Zwischenstellungen der Hülle 4 möglich, bei denen z. B. ί die Sekundärluftzufuhrquerschnitte zunehmend verschlossen, die Primärluftzufuhrquerschnitte gleichzeitig zunehmend vergrößert sind — oder umgekehrt
Wie insbesondere aus den F i g. 3 und 4 hervorgeht,

können die zwischen der Mischkammer 8 und der ihr vorgeschalteten Kammer 14 angeordneten variablen Zuströmquerschnitte 9 für die Verdichterluft von einem Drehschieber 70 (Fig.4) reguliert werden, dessen um die Brennkammerachse verdrehbares Schieberteil 21 über einen Mitnehmer 22 so mit der in Umfangsrichtung verdrehbaren Hülle 4 der Brennkammer gekoppelt ist, daß ^!.n der voll geöffneten Stellung der axialen variablen Zuströmquerschnitte 9 für die Verdichterluft (aus Kammer 14 nach Kammer 8), bei der die im verdrehbaren Schieberteil 21 enthaltenen, gleichförmig in Umfangsrichtung verteilten öffnungen 23 mit entsprechenden Öffnungen 24 des feststehenden Schieberteils in Axialrichtung deckungsgleich fluchten (Fig. 2 und 4), die Zuströmquerschnitte 10 für die Wärmetauscherluft vollständig geschlossen sind. In Übereinstimmung mit F i g. 1 kennzeichnet Fig. 3 die völlig geschlossene Schieberstellung.

Gemäß Fig. I, 3 und 4 kann die Hülle 4 in Umfangsrichtung über einen Drehbewegungsmechanismus verstellbar sein, der hier ein Zahnrad 25 und zwei Stützräder 26 aufweist, die mit einem an der Hülle 4 befestigten Zahnkranz 27 im Eingriff stehen.

Die axiale Verstellung der Hülle 4 kann durch eine entsprechende Verschiebung (Pfeile L, C) des Drehbe wegungsmechanismus erfolgen.

Vorteilhafterweise kann ferner die Hülle gleichzeitig in axialer und in Umfangsrichtung verstellbar sein.

Im Interesse einer möglichst an Schadenstoffen armen Verbrennung weist das Flammrohr 1 ferner im Bereich einer am austrittsseitigen Ende des ersten Ringraums 3 befindlichen Engstelle 28 Ausströmöffnungen 29 für Abgas auf, das gemäß F i g. 1, 2, 7 und 8 (Pfeil H) infolge Saugwirkung an dieser Engstelle 28 in den zweiten Ringraum .5 abströmt und der Verbrennungsluft zugemischt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche;

   1, Brennkammer mit variabler Geometrie der Luftzuführung für Gasturbinentriebwerke, die ein mit Primär- und SekundärlufteirJässen versehenes zylindrisches Flammrohr aufweist, dem eine von der Brennkammerkopfseite ausgehende zylindrische Zwischenwand zugeordnet ist, die zwischen sich und einem Teil der äußeren Flammrohrbewandung einen koaxialen ersten Ringraum bildet, wobei ein ι ο ebenfalls von der Brennkammerkopfseite ausgehender, äußerer zylindrischer Mantel vorgesehen ist, der zwischen sich und der Zwischenwand sowie einer stromab dieser Zwischenwand angeordneten Fiammrohraußenwandpartie einen zweiten Ring- iä raum einhüllt, und wobei durch die Verschiebung axial fluchtend angeordneter Brennkammerbauteile das Mengenverhältnis von Primär- zu Sekundärluft veränderbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: ^o

   a) Die vom äußeren zylindrischen Mantel gebildete Hülle (4) ist zur Regulierung des Verhältnisses der durch die Primär- (6) und Sekundärluftzufuhrquerschnitte (7) durchzusetzenden Luft- :s mengen am Brennkammerkopfende sowie am stromabwärtigen Flammrohrende in Axialrichtung verschiebbar und zur Regulierung des Mengenverhältnisses von Wärmetauscherluft zu Verdichterluft in Umfangsrichtung verdreh- j< > bar angeordnet;

   b) eine brennkammerkopfseitig angeordnete Mischkammer (&J ist je nach der Verdrehstellung der Hülle (4) mittels axial der Mischkammer vorgeschalteter vari .bier Zuströmungs- v-, querschnitte (9) an die Verdichterluftzufuhr und mittels seitlich der Mischkammer angeordneter variabler Zuströmungsquerschnitte (10) an die Wärmetauscherluftzufuhr anschließbar;

   c) die Mischkammer (8) mündet am stromabwärti- ji> gen Ende in den ersten Ringraum (3) ein, an dessen stromabwärtiges Ende ein zwischen der Flammrohrwand und der Hülle (4) gebildeter Raum anschließt,

   — der einerseits mit dem zweiten Ringraum ·»■-. (5) in Verbindung steht, durch den wenigstens ein Teil der Verbrennungsluft entgegen der Hauptströmungsrichtung in der Brennkammer abströmt und dessen Ausgang über die variablen Primärluftzufuhr- «ι querschnitte (6) und an diese anschließende seitliche, radial verlaufende, gegenüber der Mischkammer (8) und dem ersten Ringraum (3) abgeschirmte Durchgänge (11) an die Primärluftzuführung (12) des Flamm- ■» rohrs angeschlossen ist,

   — und der andererseits mit den variablen Sekundärluftzufuhrquerschnitten (7) in Verbindung steht.

   Wi

   Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gelkennzeichnet,

   a) daß der Mischkammer (8) vor den variablen Zuströmquerschnitten (9) für Verdichterluft v· eine weitere Kammer (14) axial fluchtend vorgeschaltet ist, die an die Verdicliterluftzufuhr angeschlossen ist, und daß sowohl die Mischkammer (8) als auch die weitere Kammer ■_ (14) ringförmig ausgebildet und von der brennkammerkopfseitigen Bewandung des Flammrohrs (1) einerseits und der brennkammerkopfseitigen Partie der Zwischenwand (2) andererseits umgrenzt sind,

   b) daß in einem mit der Mischkammer konzentrischen Ring (15) stromab der Mischkammer sowohl die Durchgänge (11) für die primärluftzufuhr als auch axial gerichtete Kanäle (16) in Umfangsrichtung gleichförmig abwechselnd verteilt angeordnet sind, von denen die letzteren die Mischkammer (8) mit dem ersten Ringraum (3) verbinden,

   c) daß die variablen bzw. absperrbaren Zuströmquerschnitte (10) für die Wärmetauscherluft von in der voll geöffneten Stellung deckungsgleich fluchtenden öffnungen (17 bzw. 18) in der brennkammerkopfseitigen Partie der Zwischenwand (2) einerseits und in der die letztere drehbar ummantelnden brennkammerkopfseitigen Bewandung der Hülle (4) andererseits gebildet sind,

   d) daß die variablen Primärluftzufuhrquerschnitte (6) von den durch axiales Verschieben der Hülle (4) abdeckbaren Eintrittsquerschnitten der radial gerichteten Durchgänge (11) gebildet werden und

   e) daß die Sekundärluftzufuhrquerschnitte (7) in einer stromabwärtigen, senkrecht zur Flammrohrachse verlaufenden Ebene angeordnet sind und je nach axialer Stellung der Hülle (4) offen liegen oder von der Hülle teilweise oder gänzlich abgedeckt sind.

   3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei vollständig geöffneten Primärluftzufuhrquerschnitten (6) die Sekundärluftzufuhrquerschnitte (7) vollständig verschlossen sind.

   4. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Mischkammer (8) und der ihr vorgeschalteten Kammer (14) angeordneten variablen Zuströmquerschnitte (9) für die Verdichterluft von einem Drehschieber (20) reguliert werden, dessen um die Brennkammerachse verdrehbares Schieberteil (21) über einen Mitnehmer (22) so mit der in Umfangsrichtung verdrehbaren Hülle (4) der Brennkammer gekoppelt ist, i/aß in einer voll geöffneten Stellung der axialen Zuströmquerschnitte für die Verdichterluft die Zufuhrquerschnitte (10) für die Wärmetauscherluft vollständig geschlossen sind.

   5. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zuströmquerschnitte (10) für die Wärmetauscherluft bildenden Öffnungen (17,18) in der Zwischenwand (2) und in der brennkammerkopfseitigen Bewandung der Hülle (4) derart gestaltet und angeordnet sind, daß bei Axialverschiebung der Hülle (4) keine Veränderung der Zuströmquerschnitte für die Wärmetauscherluft erfolgt.

   6. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle in Umfangsrichtung über einen Drehbewegungsmechanismus verstellbar ist, der Zahn- (2S) und Stützräder (26) aufweist, die mit einem an der Hülle (4) befestigten Zahnkranz (27) im Eingriff stehen.

   7. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 6,

   dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verstellung der Hölle (4) durch eine entsprechende Verschiebung des Drehbewegungsmechanismus erfolgt

   8, Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (4) gleichzeitig in axialer und in Umfangsrichtung verstellbar ist.

   9. Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (Vf im Bereich einer am austrittsseitigen Ende des ersten Ringraums (3) befindlichen Engstelle (28) Ausströmöffnungen (29) für Abgas aufweist, das infolge Saugwirkung an der Engstelle (28) in den zweiten Ringraum (5) abströmt und der Verbrennungsluft zugemischt wird.