DE2713414A1

DE2713414A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2713414A1
Application number: DE19772713414
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl Ing Fehler; Konrad Ing Grad Kaul; Guenter Dipl Ing Kirschey
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1977-03-26
Filing date: 1977-03-26
Publication date: 1978-09-28
Also published as: FR2384950A1; JPS53120011A

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-TJUTON 2713414

MÜNCHEN GMBH

sr/sd Il

München, den 14. März 1977

Brennkammer für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, die mit mindestens einem Wärmetauscher ausgerüstet sind, um die der Brennkammer zuzuführende Verdichterluft mittels eines Teiles der im Abgas enthaltenen Wärme aufzuheizen, wobei der zwischen dem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr gebildete Ringraum der Brennkammer mit der aufgeheizten Verdichterluft beaufschlagbar i^t, welche über im Flammrohr enthaltene Öffnungen als Primär-, Sekundär- bzw. Tertiärluft ins Flammrohrinnere einbringbar ist, und wobei weiter der die Brennstoffeinspritzdüse enthaltende Flammrohrkopf innerhrlb eines gegenüber dem Ringraum abgeschirmten Luftsammeigehäuses eingebettet ist, dem ein vor dem Wärmetauscher abgezweigter Verdichterluftanteil als Kühlluft zuführbar ist.

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Gasturbinentriebwerke mit Wärmetauscher werden in der Regel bei Schwerfahrzeugen und stationären Anlagen eingesetzt- Die Lebensdauererwartung solcher Antriebe liegt bei ca. 10.000 Laufstunden.

Besonders hohe Anforderungen werden in diesem Zusammenhang an die Brennkammer gestellt, da durch die Aufheizung der VerdichtPrluft über den Wärmetauscher die Wandtemperaturen in der Reaktions- und Nachreaktionszone der Brennkammer bei 1000⁰C und darüber liegen. Diese hohe thermische Belastung der Brennkammer führt zu unzureichender Lebensdauer bei den bisher eingesetzten metallischen Brennkammern.

Bei einer eingangs genannten, im wesentlichen durch das DT-Gbm 7 430 508 bekannten Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit Wärmetauscher soll zwar schon hinsichtlich der bei Dauerbetrieb auftretenden verhältnismäßig hohen Temperaturbelastungen eine Erhöhung der Brennkammerlebensdauer dadurch möglich sein, daß ein relativ geringer Teil der vor dem Wärmetauscher abgezweigten Verdichterluft ausschließlich zur Kühlung der vorderen Flammrohrpartie oder auch seitlicher Flammrohrpartien verwendet werden kann. -

Insbesondere mit Rücksicht auf die Möglichkeit der zusätzlichen Kühlung der seitlichen Flammrohrpartien ergibt sich bei dieser bekannten Brennkammer ein verhältnismäßig hoher Kühlluftbedarf

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und andererseits entsprechen die hierdurch erzielbaren Temperaturabsenkungen nicht den Anforderungen, welche im Rahmen einer erwünschten verhältnismäßig hohen Prozeßtemperatur bei neuzeitlichen Gasturbinenanlagen mit Wärmetauscher vorgegeben sind.

Durch die DT-AS 21 63 822 ist weiter eine Gasturbinenanlage mit Wärmetauscher bekannt, bei der eine Aufteilung der Brennkammerluftzufuhr in der Weise vorgenommen werden soll, daß die den Wärmetauscher umgehende Verdichterluft vorwiegend in die Verbrennungszone der Brennkammer geführt wird, während der Hauptanteil der Verdichterluft nach Aufheizung in einem Wärmetauscher zur restlichen Luftversorgung der Brennkammer dient. Hierdurch soll im wesentlichen durch Absenkung der Verbrennungsspitzentemperaturen in der Reaktionszone unter gleichzeitiger Beibehaltung von genügend hohen Nachreaktionstemperaturen die Schadstoffemission (Stickkoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe) möglichst gering gehalten werden können. Die wesentlichen Nachteile bei dieser bekannten Anlage bestehen hauptsächlich in einer Absenkung des thermischen Wirkungsgrades des Kreisprozesses und damit in einer erheblichen BrennstofffVerbrauchserhöhung. Beispielsweise verursachen 1 % Bypassluft ca. 1,5-2 g/PS h Mehrverbrauch in der Triebwerksleistungsklasse zwischen 300 PS und 400 PS. übliche Bypassluftanteile bekannter Ausführungen liegen zwischen 10 % und 30 %, je nach Betriebsart und Lastfall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine Brennkammer zu schaffen

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die bei verhältnismäßig einfacher Herstellung hohen Temperaturbelastungen besser gewachsen sein soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es erfindungsgemäß bei einer Brennkammer nach der eingangs genannten Art hauptsächlich vorgesehen, daß der Flammrohrkopf sowie ein stromab der Mischzone liegendes Übergangsteil des Flammrohrs aus einem warmfesten metallischen Werkstoff gefertigt sind, wobei das Flammrohr im Bereich zwischen Flammrohrkopf und übergangsteil als schwimmend gelagertes Keramikrohr ausgebildet ist.

Vorteilhaft sollen anhand der erfindungsgemäßen Brennkammer durch die Kombination von optimal gekühlten Blechabschnitten und durch den Einsatz von neuartigen und höher belastbaren keramischen Brennkammer-Werkstoffen in der Art von einfachen, zur Zeit beherrschbaren geometrischen Formen die Einsatzanforderungen von Wärmetauscher-Triebwerken hinsichtlich hoher Prozeßtemperatur, kleinem spezifischen Brennstoffverbrauch und erforderlicher hoher Lebensdauer erfüllt werden können.

Die hierbei weiter vorteilhafte Aufteilung der Verdichterluft in Kalt- und Heißluftströme ermöglicht es - im Gegensatz zum bereits vorgeschlagenen Zwecke der Absenkung der maximalen Reaktionstemperaturen in der Brennkammer - daß die den Wärmetauscher umgehende Verdichterluft wegen ihrer niedrigen Temperatur zur gezielten intensiven Wandkühlung im Bereich des Brennkammer-

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kopfes im Rahmen heute üblicher moderner Kühlverfahren hoher Wirksamkeit, wie Konvektionskühlung in Verbindung mit Filmkühlung angewendet werden kann. Dadurch kann bei minimalem Bypassluftanteil, im allgemeinen kleiner als 5 % der Gesamtverdichterluft, die maximale Wandtemperatur in den Bereich abgekühlt werden, bei dem Materialien verwendet werden können, die weniger warmfest, d.h. weniger hoch legiert sind, z.B. XIOCrNiTi 189. Dabei soll die konstruktive Kühlluftführung im Kopf so gestaltet sein, daß unmittelbar in der Reaktionszone nur unwesentliche Anteile der Kühlluft an der Reaktion teilnehmen.

Bezüglich weiterer vorteilhafter Erfindungsmerkmale wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung beispielsweise weiter erläutert, worin eine Brennkammer als Mittellängsschnitt dargestellt ist.

Die in der Zeichnung dargestellte Brennkammer soll zu einem Gasturbinentriebwerk mit einem Wärmetauscher gehören, mit welchem die der Brennkammer zuzuführende Verdichterluft mittels eines Teiles der im Abgas enthaltenen Wärme aufgeheizt werden soll; der zwischen dem Außengehäuse 1 und dem darin eingesetzten Flammrohr 2 gebildete Ringraum 3 der Brennkammer soll mit der über den Wärmetauscher aufgeheizten Verdichterluft (Lufttemperatur z.B. ca. 800° C) über die im Außengehäuse 1 enthaltenen Zuströmöffungen 4 und 5 beaufschlagbar sein.

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Der die Brennstoffeinspritzdüse 6 enthaltende Flammrohrkopf 7 ist innerhalb eines gegenüber dem Ringraum 3 abgeschirmten Luftsammeigehäuses 8 eingebettet, dem ein vor dem Wärmetauscher abgezweigter Verdichterluftanteil als Kühlluft zuführbar ist (Lufttemperatur z.B ca. 260⁰C), (Pfeil K) über eine öffnung 9 im Brennkammerdeckel 10.

Weiter sollen der Flammrohrkopf 7 sowie ein stromab der Mischzone M liegendes Obergangsteil 11 des Flammrohrs 2 aus einen warmfesten metallischen Werkstoff gefertigt, sowie weiter das Flammrohr 2 im Bereich zwischen Flammrohrkopf und übergangsteil als schwimmend gelagertes Keramikrohr 12 ausgebildet sein.

Thermisch beeinflußte Relativbewegungen des Flammrohrkopfes 7 und des Obergangsteils 11 sind hierbei weiter mittels zwischen diesen metallischen Bauteilen und dem Keramikrohr 12 angeordneter warmfester Isoliermatten 13, 14 aufnehmbar. Die Isoliermatten 13, 14 sollen ferner eine Berührung des Keramikrohrs 12 mit den beiden Blechteilen (Flammrohrkopf 7 und Obergangsteil 11) verhindern.

Auf diese Weise ist eine Brennkammer geschaffen, die besonders in dem von der Reaktionszone R und in der Nachreaktionszone N R definierten hohen Temperaturbereich aufgrund des hitzebeständigen Keramikrohrs 12 Temperaturen bis 1400° C standhalten kann.

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Andererseits kann der dem Keramikwerkstoff anhaftende Mangel verhältnismäßig geringer Elastizität und Festigkeit, welcher insbesondere bei der Herstellung und Verwendung schwieriger geformter Brennkammerpartien in Erscheinung tritt, durch die Verwendung warmfester, matellischer Werkstoffe für diese schwieriger zu verformenden Bauteile (Flammrohrkopf 7 und Obergangsteil 2) optimal kompensiert werden, und zwar hierbei besonders unter Berücksichtigung der sogenannten "schwimmenden Lagerung" des Keramikrohrs 12.

Zur besseren Kompensation verhältnismäßig hoher Temperaturbelastungen sowie auch -Schwankungen soll weiter das Obergangsteil 11 vorzugsweise an seinem stromabwärtigen Ende mit dem Außengehäuse 1 fest verbunden, hingegen der Flammrohrkopf 7 über das Luftsammelgehäuse 8 an einem stirnseitigen Brennkammerdeckel 10 bzw. am Außengehäuse 1 befestigt sein. Infolge der beschriebenen Anordnung des Flammrohrkopfes 7 am Brennkammerdeckel 10 lassen sich die einzelnen Baugruppen der Brennkammer leicht montieren bzw. warten.

Aus der Zeichnung weiter entnehmbar, umschließt das' Luftsammelgehäuse 8 den Flammrohrkopf 7 nebst Brennstoffeinspritzdüse 6 trommelförmig und liegt gegenüber dem Außengehäuse 1 radial beabstandet im Ringraum 8.

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Ferner weisen der Flammrohrkopf 7 und das Übergangsteil 11 in Achsrichtung einander zugewandte, rotationssymmetrisch aufgeweitete Endwandabschnitte 15, 16 auf, welche die Enden des Keramikrohrs 12 unter Zwischenschaltung der Isoliermatten 13, 14 umgreifen, wobei diese rotationssymmetrischen Aufweitungen in Relation zu den gewählten Wandstärken des Keramikrohrs und den Isoliermatten vorgegeben sind.

Zweckmäßig soll weiter das Übergangsteil 11 als Verbundteil der Brennkammer bzw. deren Außengehäuses 1 hergestellt sein. Das Übergangsteil kann als Brennkammeraustrittsteil gleichzeitig als integrales Gasführungsteil zur Turbine gestaltet sein.

Mit 17 bzw. 18 sind in der Zeichnung für eine gezielte Kühlung des Flammrohrkopfes 7 geeignete Kühlluftschlitze bzw. Kühlluftführungen bezeichnet.

Anstelle der beispielhaft dargestellten Schlitze und Führungen für die Kühlluft kann der Flammrohrkopf auch mit einer verhältnismäßig großen Anzahl relativ kleiner Kühlluftbohrungen durchsetzt sein. -

Bei allen möglichen Varianten für die Kühlluftzuführung wäre darauf zu achten, diese Schlitz- bzw. Bohrungskonfigurationen so auszubilden, daß bei optimaler Kühlung des Flammrohrkopfes

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nur unwesentliche Anteile der Kühlluft an der Verbrennung bzw. Reaktion teilnehmen.

Im übrigen sind die im Flammrohr 2 für die Zuführung der Primär-, der Sekundär- sowie der Tertiärluft enthaltenen Bohrungen entsprechend dieser Reihenfolge mit 19, 20 und bezeichnet.

Vorteilhaft stellt die erfindungsgemäße Brennkammer im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens eine Kombination zwischen warmfesten metallischen und keramischen Werkstoffen dar.

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Claims

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Patentansprüche

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1.i Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, die mit mindestens einem Wärmetauscher ausgerüstet sind, um die der Brennkammer zuzuführende Verdichterluft mittels eines Teiles der im Abgas enthaltenen Wärme aufzuheizen, wobei der zwischen dem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr gebildete Ringraum der Brennkammer mit der aufgeheizten Verdichterluft beaufschlagbar ist, welche über im Flammrohr enthaltene öffnungen als Primär-, Sekundär- bzw. Tertiärluft ins Flammrohrinnere einbringbar ist, und wobei weiter der die Brennstoffeinspritzdüse enthaltende Flammrohrkopf innerhalb eines gegenüber dem Ringraum abgeschirmten Luftsammeigehäuses eingebettet ist, dem ein vor dem Wärmetauscher abgezweigter Verdichterluftanteil als Kühlluft zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammrohrkopf (7) sowie ein stromab

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der Mischzone liegendes übergangsteil (11) des Flammrohrs (2) aus einem warmfesten metallischen Werkstoff gefertigt sind, wobei das Flammrohr im Bereich zwischen Flammrohrkopf und Übergangsteil als schwimmend gelagertes Keramikrohr (12) ausgebildet ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß thermisch beeinflußte Relativbewegungen des Flammrohrkopfes (7) und des Übergangsteils (11) mittels zwischen diesen metallischen Bauteilen und dem Keramikrohr (12) angeordneter warmfester Isoliermatten (13, 14) aufnehmbar sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsteil (11) vorzugsweise an seinem stromabwärtigen Ende mit dem Außengehäuse (1) fest verbunden ist, während der Flammrohrkopf (7) über das Luftsammelgehäuse (8) an einem stirnseitigen Brennkammerdeckel (10) bzw. am Außengehäuse (1) befestigt ist.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftsammeigehäuse (8) den Flammrohrkopf (7) nebst Brennstoffeinspritzdüse (6) umschließt und gegenüber dem Außengehäuse (1) radial beabstandet im Ringraum (3) liegt.

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5. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammrohrkopf (7) und das Übergangsteil (11) in Achsrichtung einander zugewandte, rotationssymmetrisch aufgeweitete Endwandabschnitte (15, 16) aufweisen, welche die Enden des Keramikrohrs (12) unter Zwischenschaltung der Isoliermatten (13, 14) umgreifen, wobei die rotationssymmetrischen Aufweitungen in Relation zu den gewählten Wandstärken des Keramikrohrs und den Isoliermatten vorgegeben sind.

6. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekonnzeichnet, daß das Übergangsteil (11) als Verbundteil der Brennkammer bzw. deren Außengehäuses (1) hergestellt ist.

7. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsteil als Brennkammeraustrittsteil gleichzeitig als integrales Gasführungsteil zur Turbine gestaltet ist.

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