DE2727795A1

DE2727795A1 - Brennkammer fuer eine gasturbine

Info

Publication number: DE2727795A1
Application number: DE19772727795
Authority: DE
Inventors: Immanuel Dipl Ing Holzapfel
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1977-06-21
Filing date: 1977-06-21
Publication date: 1979-01-18
Also published as: DE2727795C2; GB1577205A; US4350009A

Description

Daim!er-Benz Aktiengesellschaft Stuttgart-Untertürkheim Daim 11 575A

J 1it.6.77

Bronnkammor für oine Gasturbine

Die TTr findung bezieht sich auf eine Bronnkammer für eine Gasturbine, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, mit einer Zerstäuberdüse, insbesondere einer Luftzerstäuberdüse für den einer Vorkammer zugeleiteten Kraftstoff, bei der der Einlaßquer- . schnitt die Primärluft durch die Längsbewegung eines durch die Eintrittsöffnung der Brennkammer hindurchragenden Ablenkkörpers verändert wird, der als Flaminhalter zur Stabilisierung dor Verbrennung der Primärluft dient.

Kino Brennkammer dioser Art ist in der DT-OS 2 503 128 beschrieben.

Jn solchen Brennkammern wird der Kraftstoff der Verbrennungsluft im Einströmkanal zur Primärzone zugeinischt, um ein möglichst homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch zu erzielen, in welchem dor Kraftstoff ganz oder wenigstens zum größten Teil verdampft, bevor das Gemisch durch den Einlaßquerschnitt in die Primärzone eintritt, der zwischen dem Flammenhalter und der äußeren Wand des Einströmkanals gebildet wird. Der Kraftstoff soll also mindestens zum größten Teil verdampft sein, bevor die Verbrennungsreaktionen beginnen. Um im gesamten Betriebsbereich der Gasturbine einen hohen Ausbrandgrad und

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auch in Hinblick auf das entstehende Stickoxid schadstoffarme Verbrennung zu erzielen, ist es notwendig, die Primärluftmenge ständig der in dem jeweiligen Betriebspunkt erforderlichen Kraftstoffmenge anzupassen, um so in der Primärzone ein an die geringstmögliche Schadstoffemission angepaßtes Mischungsverhältnis zu bekommen. Diese Einstellung wird dadurch erreicht, daß durch eine Längsbewegung des Plammenhalters der Eintrittequerschnitt in die Primärzone in Abhängigkeit von der eingespritzten Kraftstoffmenge und der Lufttemperatur im Einströmkanal Je nach der geforderten Leistung vergrößert oder verkleinert wird.

Dabei kommt ea ganz entscheidend auf gute Gemiachverteilung im Einströmkanal an, um Zonen mit reichem Gemisch zu vermeiden, die örtlich unzulässig hohe Verbrennungetemperatur zur Folge haben. Veiter ist ea dabei wesentlich, daß der Flammhalter von außen leicht verschoben werden kann, um die Nachsteuerung des Eintrittsquerschnittes und damit die Primärmenge in kürzester Zeit bei möglichst geringem Energieaufwand BU erreichen und so bei Jeder Änderung der Betriebsbedingungen sofort optimale Mischungsverhältnisse zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es» diese Förderungen in bestmöglicher Veiee durch eine Verbesserung der Ausbildung der Brennkammer in größerem Maße ala bisher zu erfüllen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Luftzerstäuberdüse ringförmig mit Drallachlitzen In der Art ausgebildet ist, daß das Oemlsoh aua Kraftstoff und Zerstäubungeluft als Ringstrahl in den Primärlüfteinströmkanal eintritt, etwa senkrecht auf die Primärluftströmung auftrifft, diese durchdringt und sich

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mit dieser auf dem Weg zum Eintritt in die Primärzone gleichmäßig vermischt, und daß die Menge der einzuführenden Primärluft selbsttätig einstellbar ist. Dabei ist zu bedenken, daß die Menge der hindurchströmenden Zerstäubungsluft allenfalls nur ein Prozent des Gesamtluftdurchsatzes durch die Brennkammer ausmacht* Zur Durchführung dieser Regelung kann der Schaft des Flammhalters durch die entsprechend ausgebildete Düse hindurchgesteckt und von außen in der Veise betätigt werden, daß die Menge der einzuführenden Primärluft optimal geregelt wird.

Die ringförmige Ausbildung der Luftzerstäubungsdüse, die den Kraftstoff schon beim Austritt auf möglichst großem Umfang verteilt, ermöglicht es also, den Flammhalter auf konstruktiv einfache Weise in den Kopf der Brennkammer einzustecken und mit einfachen Mitteln von außen her zu betätigen. Dabei kann ein Teil der Zerstäubungsluft durch Querbohrungen einem Ringkanal und sich daran anschließenden Labyrinthdichtungen an der Peripherie des Flammhalterschaftes zugeführt werden und dadurch das Durchströmen von heißer Verbrennungsluft als Leokluft dem Schaft entlang verhindern«

Die automatische Verstellung kann dabei durch eine quer zur Längsbewegung des Ablenkkörpers verlaufende Bewegung eines Gestänges durchgeführt werden, durch die ein mit dem Flammhalterschaft gelenkig oder fest verbundener, in schraubenvörmigen Muten geführter Ring so vereohwenkt wird, daß dabei eine Längsbewegung des Ablenkkörpers zustande kommt.

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Wenn die Gasturbine als Antrieb beispielsweise eines Personenkraftwagens dient, erfolgt die Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge so rasch, daß infolge der Massen- und Wärmeträgheit der verschiedenen Komponenten der Gasturbine Bedingungen eintreten können, bei denen eine stabile Verbrennung kurzzeitig auch mit Änderung des Primärlufteintrittsquerschnitts nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Dieser Zustand tritt insbesondere bei raschen Verzögerungen auf. Da auch beim Start, d. h. mit kalter Verbrennungsluft mit verhältnismäßig armem Gemisch gefahren wird, wird in diesem Falle eine Zündquelle besonders hoher Energie benötigt. In all diesen Fällen ist es deshalb zweckmäßig, einen besonderen Zund- oder Hilfebrenner vorzusehen. Dieser wird vorteilhaft' so ausgebildet, daß er in den Flammenhalterschaft und konzentrisch zu ihm eingebaut ist und zentral durch den Ablenkkörper hindurch Luft und in einem Ringrohr Kraftstoff zugeführt bekommt, wobei die Zündelektrode noch darin in der Achse des Ablenkkörpers verläuft.

Dieser Hilfebrenner ist in vorteilhafter Weise dauernd im Betrieb, um auch beim Viederzünden nach dem Abschalten des Hauptkraftstoffes bei starken Verzögerungen keinen unzulässigen Anstieg der Kohlenwasaeratoffemission zu bekommen.

Der im Flammhalterschaft konzentrisch eingebaute Zund- bzw. Hilfebrenner ist in an sich bekannter Weise mit einer Druckoder Luftzerstäubungsdüse auageatattet. Mit RUckaicht auf die Schadstoffemission ist die Ausführung mit Luftzerstäubungsdüse vorteilhafter.

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Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der folgenden Beschreibung näher erläutert, der auch weitere Einzelheiten des Gegenstandes der Erfindung entnommen werden können. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch den Brennkammerkopf mit dem Einströmkanal für die Primärluft und mit der LuftzerstäubungsdUse sowie mit der Flammenhaiterbetatigung,

Fig. 2 eine Ansicht des Brennkammerkopfeβ in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Anordnung mit konzentrisch eingebautem Hilfebrenner, dessen Zerstäubungsteil mit einer handelsüblichen Luftzerstäuberduse versehen ist,

Fig. k eine Ansicht des in Fig. 3 dargestellten Brennkammerkopfe β in Richtung des Pfeiles IV in Fig. 3.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Brennkammerkopf 1 wird der Eintrittsquerschnitt mit der Höhe h für die der Brennkammer 2 einer Fahrzeuggasturbine durch den Einströmkanal 3 zugeführte Primärluft durch eine axiale Längsbewegung des Flammenhalters k mit dem Ablenkteller 5 und dem Schaft 6 verändert. Die Strömung der Primärluft ist dabei durch den Pfeil 7 gekennzeichnet. Der Schaft 6 des Flammenhalters k ist durch eine Innenbohrung 8 einer LuftzerstäubungsdUse 9 gesteckt, deren Zerstäfcungsprinzip an sich bekannt ist.

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Die Zerstäubungsluft tritt durch einen Anschluß 11 in einen Ringkanal 12 ein. Der Hauptteil der Zeratäubungaluft ströat durch Drallachlitze 13t ua daran anschließend alt hoher Geschwindigkeit durch einen Ringspalt Ak aus der Zerstäuberdüse 9 auszutreten. Ein kleiner Teil der Zerstäubungeluft tritt durch Bohrungen 16 in einen Ringkanal 17 And wird dort durch Labyrinthdichtungen 18 gegenüber dea Einströakanal 3 abgesperrt. Ein Dichtring 19 Uberniaat die Abdichtung nach außen. Eine weitere Bohrung 21 bringt Kühlluft in eine Innenbohrung 22 des Schaftes 6, die durch Bohrungen 23 und Spalte Zk in die Verbrennungszone 25 eintritt und dadurch den Flaaaenhaltarteller 5 kühlt.

Der Kraftstoff tritt durch einen Ansohlußstutzen Z6 in einen Ringkanal 27 ein, aua dea er duroh Drallachlitze 28 auatritt und sich an einer Schulter 29 ·1· FiIa verteilt. Der auetretende Kraftstoff wird von der aus dea Ringspalt \k ausstrttaenden Zerstäuberluft erfaßt und zerstäubt. Der sich dabei bildende Ringstrahl dea Luft/Kraftatoff-Geaiachea tritt nahezu eenkrecht zur Stroaungariohtung der Prlaärluft aua und kann dieae dadurch raech durchdringen und aioh alt ihr veralaehen. Die Stroaungsrichtung der Priaärluft ist duroh den schon erwähnten Pfeil 7 angedeutet.

Die Zerstäubungeluft kann dea Geeaatluftetroa aa Auatritt aua dea Verdichter der Gaaturbine entnoaaen und in den Fällen« in denen daa zur Verfügung atehende Druckgefälle bla ■uz Auatritt in den Einatrttakanal 3 nicht ausreicht, durch eine zusätzliche Luftpumpe auf den für eine gute Zerstäubung erforderlichen Druck gcht werden. Dabei kann es zweckaäßig aein, den ale Sperr- und Kühlluft benötigten Teil der

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Luft getrennt vom KUhlluftstroa ebenfalls hinter de· Triebwerkeverdichter zu entnehmen und nur Bohrungen 16 vorzusehen, die Bohrungen 21 Jedoch entfallen zu lassen. In dieses Falle wird die Sperr- und Kühlluft as äußeren Ende 31 de· Γ1»—nil «lter schafta s 6 unmittelbar in die Innenbohrung 22 de· Schafte· 6 eingeleitet.

Aa äußeren Ende 31 de· Schafte· 6 ist alt einea Gelenklager 32 ala winkelbewegliche· Verbindungsglied ein Ring 33 befestigt, der zwei, drei oder vier Bolzen Jk aufniaat, die in schraubenföraigen Nuten 35 geführt sind. Ia Bereich der Führungsnut en 35 können die Bolzen Jk ballig ausgeführt sein. Zur Verainderung der Reibung können aber auch Gelenklager 36 oder auch hier nicht dargestellte Ringschulterkugellager vorgesehen sein. Auf einen der Bolzen Jk ist ein Kugelzapfen 37 aufgesetzt, so daß der Ring 33 auf dea Plaaaenhalterschaft 6 über ein in Fig. 2 dargestelltes Gestänge 38 al* der Kugelpfanne 39 durch einen nichtdargestellten hydraulischen oder elektrischen Servoaotor gedreht werden kann. Infolge der Steigung der Führungenuten 35 i" Führungsflan·chkörper 41 von beispielsweise J»5 Grad erfährt der Flaaaenhalter k eine axiale Verschiebung, wodurch der Spalt alt der Größe h zwischen dea Außenrand des Flaaaenhaltetellers 5 und der Brennksaaeiwanil k2 eingestellt wird. Durch das Gelenklager 32 wird eine Verspannung gegenüber der Führung ia Flanschkörper kl verhindert, so daß insgesaat grüßtaugliche Leichtgängigkeit und eine genaue Ein·teilung leicht erreichbar •ind.

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Bei de« in Fig. 3 dargesteilten Ausführungsbeispiel erhält der Hilfebrenner 46 seine Zerstäubungeluft durch Bohrungen Λ6 und 21. Doch kann auch hier diese Luft durch einen Planschkörper 43 unmittelbar zugeführt werden.

Der Hilfskraftstoff gelangt über die Leitung 44 in einen Ringkanal 45 und durch diesen zur Düse 46. Die Zerstäubungeluft strömt über die Bohrungen 21 durch einen Ringkanal 47 ebenfalls zur Düse 46. Durch eine Innenbohrung 48 erstreckt sich die Elektrode 49 einer Hochspannungszündkerze 51. Diese ist in der gezeigten Ausführung in den Flanschkörper 43 eingeschraubt. Die Elektrode 49 wird durch keramische Abstandsringe 52 in der Innenbohrung 48 der Düse 46 zentriert.

Die übrigen Teile entsprechen in ihrer Funktion und Ausführung der Anordnung nach Pig. 1. Anstelle des Ringes 33 ist hier jedoch ein Ring 53, der die Zapfen 54 trägt, formschlüssig auf das Ende 55 des Schaftes 56 aufgesetzt und mit der Bundechraubenbuchse 57 befestigt. Schließlich ist an den Zapfenring 53 "It Schrauben 58 der Flanschkörper 43 angeschraubt, der den Hilfebrenner 46 trägt.

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Claims

Daimler-Benz Aktiengesellschaft

Stuttgart-Untertürkheim Palm 11 57*5/4

14.6.77

Ansprüche

[ 1.} Brennkammer für eine Gasturbine, vorzugsweise für Kraft- ^-^ fahrzeuge, mit einer Zerstäuberdüse, insbesondere einer Luftzerstäuberdüse, für den einer Vorkammer zugeleiteten Kraftstoff, bei der der Einlaßquerschnitt für die Primärluft durch die Längsbewegung eines durch die Eintritts·* öffnung der Brennkammer hindurchragenden Ablenkkörpers verändert wird, der als Plammhalter zur Stabilisierung der Verbrennung in der Primärluftzone dient, dadurch gekennzeichne t , daß die Luftzerstäuberdüse (9) ringförmig mit Drallschlitzen (13) in der Art ausgebildet ist, daß das Gemisch aus Kraftstoff und Zerstäubungeluft als Ringstrahl in den Primärlufteinströmkanal (3) eintritt, etwa senkrecht auf die Primärluftströmung (7) auftrifft, diese durchdringt und sich mit dieser auf dem Weg zum Eintritt in die Primärzone (25) gleichmäßig vermischt und daß die Menge der einzuführenden Primärluft selbsttätig einstellbar ist.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schaft (6) des Flammhalters (k) durch die entsprechend ausgebildete DUse (9) hindurchgesteckt und von außen derart betätigbar ist, daß die Menge der einzuführenden Primärluft optimal geregelt wird.

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3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil der Zerstäubungsluft durch Querbohrungen (i6) einem Ringkanal (17) und
sich daran anschließenden Labyrinthdichtungen (lö) an der Peripherie des Flammenhalterschaftes (6) zugeführt wird
und dadurch das Durchströmen von heißer Verbrennungsluft
als Leckluft den Schaft (6) entlang verhindert.
4. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 31 dadurch
gekennzeichnet , daß die automatische Verstellung durch eine quer zur Längsbewegung des Ablenkkörpers (5, 6) verlaufende Bewegung eines Gestänges (3S)
durchgeführt wird, durch die ein mit dem Schaft (6) gelenkig oder formschlüssig verbundener Ring (33)· der über
Zapfen (34) mit Gelenklagern (36) in schraubenförmigen Nuten (35) geführt ist, verschwenkt wird, so daß eine Längsbewegung dee Ablenkkörpers (5» 6) zustande kommt.
5. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 4, die mit einem
Hilfebrenner ausgerüstet ist, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hilfebrenner (46) in den Flammhalteschaft (56) und konzentrisch zu ihm eingebaut ist und zentral durch den Flammhaiteschaft (56) hindurch Luft und in einem Ringkanal (45) Kraftstoff zugeführt bekommt.
6. Brennkammer nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Zündelektrode (49) in der Achse des Plammhalteschafts (56) angeordnet ist.

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