DE2722449A1

DE2722449A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke, insbesondere zuendeinrichtung einer solchen brennkammer

Info

Publication number: DE2722449A1
Application number: DE19772722449
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl Ing Fehler; Guenter Dr Ing Kappler; Gerhard Dipl Ing Kirchdorffer; Guenter Dipl Ing Kirschey
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1977-05-18
Publication date: 1978-11-23
Also published as: DE2722449C2; JPS53141807A; GB1601558A; IT1102632B; IT7849387A0; US4204404A; JPS5756653B2

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH

München, den 12. Mai 1977

Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, insbesondere Zündeinrichtung einer solchen Brennkammer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, insbesondere Gasturbinenstrahltriebwerke für Flugzeuge, die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht und mindestens eine Zündeinrichtung für das erzeugte bzw. zugeführte Brennstoff -Luftgemisch aufweist.

An Zündeinrichtungen für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken werden im allgemeinen folgende Anforderungen gestellt:

1. Anlaßfall (Kalt-Start), 2. Anlaßfall (Heiß-Start), sowie 3. Anlaßfall: Wiederzünden in großer Flughöhe ( bei ca. 20.000 bis 30.000 Fuß).

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Bekannte Zündeinrichtungen für Brennkammern erfüllen in der Regel die oben genannten Anforderungen mit erheblichen Einschränkungen, und zwar insbesondere im Hinblick auf die unterschiedliche aerodynamische Beladung der Brennkammer, d.h verhältnismäßig stark voneinander abweichende Strömungszustände im Bereich der Zündzone der Brennkammer.

Für den Anlaßfall (Kaltstart) sollten in der Regel Anlaßdrehzahlen von ca. 10 % der Nenndrehzahl ausreichend sein. Das erfordert seitens der Brennkammer gutes Zünd- und Wärmefreisetzungsverhalten. Erfahrungsgemäß sollten die Werte für die Temperaturerhöhung in der Brennkammer nach dem Zündvorgang bei T₃/T₂ £K/K3*2 bis 3 liegen. Damit werden sowohl Oberhitzungen als auch thermische Verstopfung der Turbinen und damit Verdichterpumpstöße vermieden. Bekannterweise führen bei mangelnder Zündwilligkeit der Brennkammer die dann auftretenden großen Zündverzugszeiten einerseits zu unzulässig hohen Starttemperaturen, andererseits zum Fehlstart (Zeitabhängige Brennstoffabschaltung durch Sicherheitseinrichtung).

Das Wiederzünden der Brennkammer in großen Flughöhen stellt höchste Anforderungen an die Zündwilligkeit der Brennkammer sowie der Zündeinrichtungen. Die Problematik des Anlaßfalles "Kaltstart" gilt hier sinngemäß, als erschwerend aber wirken sich die niedrigeren Luft- und Brennstofftemperturen sowie der

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niedrigere Luftdruck und die erhöhten Luftgeschwindigkeiten im Bereich der Brennkanunerzündzone aus. Ein schlechtes Höhenzündverhalten kann gegebenenfalls ein Absenken des Flugzeuges in eine geringere Flughöhe erzwingen und kann u.U. auch noch zu unzulässig hohen Zündtemperaturen führen (Abregelung, Fehlstart) .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, insbesondere Gasturbinenstrahltriebwerke zu schaffen, welche die im Rahmen des eingangs behandelten Problemkreises erörterten Anforderungen an die Zündeigenschaften mit Rücksicht auf unterschiedliche Betriebskriterien des Triebwerks optimal erfüllen soll.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß hauptsächlich darin, daß die Zündeinrichtung aus zwei im wesentlichen in einer Axialebene im Flammrohr hintereinander angeordneten Hochlexstungszündkerzen und weiter aus einer Zündbrennstoff düse besteht, deren Brennstoffspritzkegel gleichzeitig die Zündfunkenzonen der beiden Hochlexstungszündkerzen erfaßt.

Weitere vorteilhafte Erfindungsmerkmale gehen aus den Patentansprüchen hervor.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, und zwar anhand einer als Axialschnitt schematisch dargestellten Ringbrennkammer eines Gasturbinenstrahltriebvverks.

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Die dargestellte Ringbrennkamnier besteht aus einem Brennkammeraußengehäuse 1 und einem darin eingesetzten Flammrohr Schematisch sind eine erste und eine zweite Hochleistungszündkerze dargestellt und der Reihe nach mit 3 und 4 bezeichnet.

Unmittelbar neben bzw. in Richtung der Hauptströmung in der Brennkammer hinter der ersten Hochleistungszündkerze 3 liegt eine ebenfalls schematisch dargestellte Zündbrennstoffdüse

Die Hochleistungszündkerzen 3, 4 sind im übrigen rechtwinkelig zueinander angeordnet, wobei die zugehörigen Zündfunkenzonen schematisch mit 6 und 7 bezeichnet sind.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird im Startfall und hierbei vorausgesetzter gleichzeitiger Betätigung der Hochleistungszündkerzen 3, 4 und der Zündbrennstoffdüse 5 der Zündbrennstoff in Form eines Zündbrennstoffkegels 8 so gegen die Flammrohrrückwand 9 eingespritzt, daß der Zündbrennstoffkegel 8 gleichzeitig die Zündfunkenzonen 6, 7 beider Hochleistungszündkerzen 3, 4 erfaßt. Der Zündbrennstoff fließt hierbei in unmittelbarer Nähe an der Stirnfläche der ersten Hochleistungszündkerze 3 vorbei.

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Im Interesse einer vereinfachten Herstellungsweise könnte z.B. auch die erste Hochleistungszündkerze mit der Zünddüse zu einer Baueinheit zusammengefaßt sein, ohne hierbei an der erfindungsgemäßen Bau- und Wirkungsweise etwas zu ändern.

Ober einen am stromaufwärtigen Ende des BrennkammerauBengehäuses 1 angeordneten, ringförmigen Axialdiffusor 10 wird die Brennkammer mit Verdichterluft beaufschlagt, welche in die zwischen dem Brennkanuneraußengehäuse 1 und dem Flammrohr gebildeten Ringräume 11,-12 einströmt und vondort dem Flammrohr 2 im wesentlichen als Verbrennungs-Misch- und Kühlluft zugeführt wird.

Bezüglich der Zündfähigkeit des Brennstoff-Luftgemisches in der Verbrennungszone ist das darin im Betrieb erzeugte Strömungsbild der zugeführten Primärluft von besonderer Bedeutung, ebenso wie die sich in einzelnen Zonen des Verbrennungsrauines ausbildenden unterschiedlichen Luft- bzw. Gasgeschwindigkeiten.

Im Ausführungsbeispiel nach der Zeichnung strömt ein Teil der in den Ringräumen 11, 12 enthaltenen Verdichterluft (Pfeile V) über hier gegenüber der Zeichnungsebene, bzw. der Ebene in der die Hochleistungszündkerzen 3, 4 angeordnet sind, versetzt angeordnete Luftzufuhrbohrungen 13 ins Flarom-

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rohr 2 ein, und zwar in Form beidseitig gegeneinander gerichteter Primärluftstrahlen S. Infolge Zusammenpralls der zugeführte Primärluftzahlen S etwa in der Kammerlängsmittelebene 14 teilt sich die so zugeführte. Primärluft in.einen abströmenden Anteil (Pfeil M) sowie in einen Verbrennungsluftanteil auf, der gemäß Pfeilen R zunächst in gegen die Flammrohrrückwand 9 rezirkulierende Primärzonenwirbel zerfällt, wobei die Verbrennungsluftstrahlen dann weiter - unter Anreicherung mit dem für die Verbrennung benötigten Brennstoff im ungezündeten Brennkammerzustand als Brennstoff-Luftstrahlen in Nachbarschaft der Flammrohrinnenwand in Richtung der Hauptströmung abfließen.

Man erkennt hieraus, daß die beiden Hochleistungszündkerzen 3, 4 mit ihren Zündfunkenzonen 6, 7 in Zonen unterschiedlicher Luftgeschwindigkeit liegen; die Zündfunkenzone 7 der Hochleistungszündkerze 4 liegt hierbei in der Kammerlängsmittelebene 14 im sogenannten "Totwassergebiet" zwischen den rezirkulierenden Primärzonenwirbeln.

Der Winkel«^ in der Zeichnung kennzeichnet den Neigungswinkel der über die Luftfuhrbohrungen 13 zugeführten Luftstrahlen S zur Flammrohrwand. Dieser Neigungswinkel«^ kann im Rahmen der später noch näher erläuterten unterschiedlichen Betriebsverhältnisse (z.B. Bodenstart/Höhenwiederstart) variabel sein.

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Obwohl die Erfindung an die Art und Weise des der Verbrennungszone zuzuführenden Hauptbrennstoffs nicht gebunden ist, sei hierzu erwähnt, daß die Brennstoffzuführung und -Aufbereitung z.B. gemäß der durch die US-PS 39 68 644 bekannten Lösung erfolgen kann; d.h., der Hauptbrennstoff kann beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels in die Luftzufuhrbohrungen des Flammrohrs 2 mündender Brennstoffröhrchen so zugeführt werden, daß er von dem über die Bohrungen 13 zugeführten Primärluftanteil R mitgerissen und in die später sich ausbildenden Primärzonenwirbel eingebettet wird.

Der für die Verbrennung benötigte Hauptbrennstoff könnte z.B. aber auch schon vor dem Eintritt ins Flammrohr mit der für die Verbrennung benötigten Luft vermischt werden, wie dies z.B. bei einer bekannten Brennkammer nach der DT-OS 24 52 178 vorgesehen ist.

Zur Wirkungsweise der Erfindung im wesentlichen folgendes.

Typische Brennkammerbetriebsbedingung beim Bodenstartfall sind durch kleine Volumenströme, d.h. kleine Brennkammerdruckverluste gekennzeichnet. Dadurch ergeben sich Einströmwinkel*C kleiner 90° der in die Primärzone eintretenden Luftstrahlen S, und damit verschieden große Luftmengen, die

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rezirkulierenden, bzw. abströmen. Bei verhältnismäßig kleinen AbströmwinkelnX (z.B.<£~70°) wird die gesamte Rezirkulationszone wegen Luftmangels zu stark mit Brennstoff angereichert, was insbesondere in der Zündzone 7 der Hochleistungszündkerze 4 zu ungünstigen Zündbedingungen führt.

Die Hochleistungszündkerze 3 befindet sich hierbei aber in dem Gebiet des in stromabwärtiger Richtung abströmenden Luft/ Brennstoffgemisches. Für den Betriebsfall der Brennkammer mit kleinem Druckverlust addieren sich die Effekte der geringen Geschwindigkeit in der Rezirkulationszone durch den oben erwähnten verhältnismäßig kleinen Abströmwinkel^" mit dem für den Bodenstartfall typischem kleinen Druckverlust, d.h. kleinen Locheinströmgeschwindigkeiten. Beide Effekte führen durch Oberlagerung in dem Bereich der Zündzone 6 der Hophleistungszündkerze 3 in diesem Fall zu günstigen Zündbedingungen.

Typische Brennkammerbetriebsbedingungen beim Wiederzünden in großen Höhen bedeuten für die Rezirkulationszone der Brennkammer eine wesentlich größere aerodynamische Aufladung. Der größere Volumenstrom bewirkt eine höheren Brennkammerdruckverlust und damit, wegen des größeren Impulses der einströmenden Luftstrahlen S einen größeren Abströmwinkel^ {£~%0 bis 90°). Der Winkel«^ ist in der Zeichnung mit 90° eingezeichnet. Die Aufrichtung der Strahlen S und höhere Einströmungsgeschwindigkeit führen gleichzeitig im Bereich der Hochleistungs-

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zündkerze 3 für die Zündwilligkeit zu unzulässig hohen Abströmgeschwindigkeiten. Die größere Aufladung für diesen Betriebsfall führt im Bereich der Zündzone 7 der Hochleistungszündkerze 4 aufgrund der gegen den Brennkammerkopf bzw. gegen die Flammrohrrückwand 9 sich verlagernden Luftwirbel zu verhältnismäßig günstigen Zündbedingungen.

Im folgenden wird die Aufbereitung des Zündbrennstoffes für die beiden Betriebsbedingungen (Bodenstart/Höhenstart) beschrieben. Für den Bodenstartfall gelangt der Zündbrennstoff aufgrund der verhältnismäßig geringen Energie der rezirkulierenden Luftwirbel im wesentlichen in die stromabwärtig abströmenden Teile der Luft-Brennstoffwirbel, und damit in die Zündzone 6 der Hochleistungszündkerze 3. Die höhere Luftgeschwindigkeit beim Wiederzünden in großen Höhen bewirkt ein vermehrtes Mitreißen des Brennstoffes durch die in die Rezirkulationszone einfließenden Luftstrahlen R. Dies führt im Bereich der Zündzone 7 der Hochleistungszündkerze 4 zu einem zündfähigen Gemisch.

Die Erfindung ist im übrigen bei anderweitigen Brennkannnertypen als der dargestellten Ringbrennkammer anwendbar, so z.B. bei reinen Rohrbrennkammern oder bei kombinierten Ring-Rohr-Brennkammern.

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Claims

MOTOREN- UND TURBINEN- TlWION

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Patentansprüche

Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, insbesondere Gasturbinenstrahltriebwerke für Flugzeuge, die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht und mindestens eine Zündeinrichtung für das erzeugte bzw. zugeführte Brennstoff-Luftgemisch aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung aus zwei im wesentlichen in einer Axial-Ebene im Flammrohr (2) hintereinander angeordneten Hochleistungszündkerzen (3, 4) und weiter aus einer Zündbrennstoffdüse (5) besteht, deren Brennstoffspritzkegel (8) gleichzeitig die Zündfunkenzonen (6, 7) der beiden Hochleistungszündkerzen erfaßt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochleistungszündkerzen (3, 4) und damit deren Zündfunkenzonen (6, 7) rechtwinkelig zueinander innerhalb des die Verbrennungszone enthaltenden Flammrohrabschnitts angeordnet sind.

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3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrennstoffdüse (5) unmittelbar hinter einer Hochleistungszündkerze (3) in Richtung der Hauptströmung in der Brennkammer angeordnet ist.

4. Brennkammer nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hochleistungszündkerzen sowie die Zünddüse in aerodynamisch unterschiedlich beeinflußten Zonen des Flammrohrs angeordnet sind.

5. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei der die sich an die Flammrohrrückwand anschließenden seitlichen Wandungen des Flammrohrs einander gegenüberliegende Luftzufuhrbohrungen für die Verbrennungs- und Mischluftzufuhr aufweisen, wobei im wesentlichen infolge der über diese Bohrungen innerhalb des Flammrohrs gegeneinander gerichteten Luftstrahlen gegen die Flammrohrrückwand rezirkulierende Primärzonenwirbel gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hochleistungszündkerze (3) einschließlich der Zünddüse (5) unmittelbar an oder in der Nähe einer seitlich im Flammrohr (2) angeordneten Luftzufuhrbohrung (13) angeordnet ist, während die zweite Hochleistungszündkerze (4) an bzw. in der Flammrohrrückwand (9) angeordnet ist und mit ihrer Zündzone (7) in dem von der Rezirkulationsströmung verursachten sogenannten "Totwassergebiet" liegt.

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6. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise dem über die Luftzufuhrbohrungen des Flammrohrs zuführenden Verbrennungsluftanteil beim bzw. vor dessen Eintritt in das Flammrohr der für den Verbrennungsprozeß benötigte Brennstoff zumischbar ist.

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