DE2815916C2

DE2815916C2 - Ringbrennkammer mit Brennstoff-Vorverdampfung für Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2815916C2
Application number: DE2815916A
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl.-Ing. 8091 Pfaffing Fehler; Günter Dr.-Ing. 8050 Freising Kappler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1978-04-13
Filing date: 1978-04-13
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE2815916A1; US4275564A; IT1165031B; FR2422826A1; IT7921802A0; GB2018971B; FR2422826B1; GB2018971A; JPS54138919A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit einem ringförmigen Flammrohr, das stromab der Reaktionszone einander gegenüberliegende Luftzufuhröffnungen in seiner äußeren und inneren Wand aufweist und an dessen Rückwand mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Doppelstrahlkörper angeordnet sind, die jeweils aus einem achsparallel in das Flammrohr ragenden Zentralrohr bestehen, welchem von der Flammrohrrückwand her Luft und Brennstoff zuführbar sind und welches am stromabwärtigen Ende zwei rohrförmig symmetrisch zu einer durch die Triebwerksachse und die Achse des betreffenden Zentralrohres aufgespannten Ebene verlaufende seitliche Arme mit düsenförmigen Austrittsöffnungen zum Auslaß des gleichförmig auf die seitlichen Arme aufgeteilten Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist, wobei die Mittelpunkte sämtlicher Austrittsöffnungen in einer zur Triebwerksachse senkrechten Ebene liegen.

Bei einer derartigen, aus der DE-OS 19 53671 bekannten Brennkammer soll einer Verschleiß-, bzw. Abbrandgefahr besonders der in den Brennraum ragenden, und damit im Betrieb vergleichsweise hoch erhitzten seitlichen Arme der Doppelstrahlkörper hauptsächlich dadurch begegnet werden, daß die Brennstoffverdampfung wdtestgehend aus den Zentralrohrwandungen heraus in Richtung auf die Innenbewandungen der seitlichen Arme konzentriert sein soll. Lösungsgemäß soll hierzu im bekannten Fall zumindest der stromabwärtige Teil des Zentralrohres durch Trennwände in meh rere Einzelkanäle aufspaltbar sein, und zwar in einen hauptsächlich die Verbrennungsluft führenden Innenkanal sowie in daran angrenzende, von der innenumfangswand des Zentralrohies abgeschirmte Seiten<anäle für

ίο die hauptsächliche Brennstoffzufuhr. Wegen der im bekannten Fall angestrebten örtlichen und ausschließlichen Brennstoffverdampfungsverlagerung in die beiden seitlichen Arme des Doppelstrahlkorpers dürfte zu Gunsten des angestrebten Bauteilkühlkompromisses eine vergleichsweise geringe Verdampfungsrate zu veranschlagen sein, die noch niedriger ist als bei denjenigen bekannten Doppelstrahlrohrverdampfern, bei denen die Brennstoffverdampfung zu einer»! wesentlichen Teil bereits im Zentralrohr eingeleitet wird und

Μ mit denen etwa nur 8 bis 10% des zugeführten Brennstoffes einer Verdampfung unterworfen werden können.

Aufgrund der im vorliegenden bekannten Fall gewählten Brennstoff-Luft-Kanalführungen dürfte ferner eine homogene Brennstoff-Luft-Vormischung im Zentralrohr des Doppelstrahlkörpers nur äußerst unzureichend in die Wegi.· geleitet werden können.

Bei Brennkammern mit Doppelstrahlkörpern im Sinne des vorliegenden bekannten Falles nach der DE-OS 19 53671, die im allgemeinen technischen Sprachgebrauch auch als »T-Verdampfer« bezeichnet werden, wird ferner von einer Rezirkulationszone ausgegangen, die sich im allgemeinen etwa zwischen den Austrittsöffnungen der seitlichen Arme der Dop pelstrahlkörper und der Flammrohrrückwand ausbilden soll, wobei hierzu also das aus den seitlichen Armen austretende Brennstoff-Luft-Gemisch entgegen der allgemeinen Strömungsrichtung in der Brennkammer abströmen, & h. also, gegen die Flh.flmrohrrückwand ge- richtet rezirkulieren soll.

Zu diesem Zweck müssen im vorliegenden bekannten Fall also die seitlichen Arme der Doppelstrahlkörper etwa rechtwinkelig gegen die Flammrohrrückwand abgebogen sein. Diese Art der Zuführung des Brennstoff- Luftgemisches hat u. a. den wesentlichen Nachteil, daß durch das ständige Aufprallen von Brennstoff-Luft-Gemisch auf die Flammrohrrückwand starke Verkokungen, die u. a. zu starker Rußbildung Anlaß geben können, an dieser Rückwand wie aber auch an den Verdampfern

so selbst zu erwarten sind

Als weitere Folge dieser etwa rechtwinkelig gegen die Flammrohrrückwand abgebogenen Rohrenden können sich an den Knickstellen innerhalb der seitlichen Arme Brennstoffablagerungen ausbilden, die bei länger anhaltendem Betrieb zu Verkokungen des Brennstoffes und schließlich gar zum Bruch der seitlichen Arme im Bereich dieser Knickstellen führen können; ferner ist es dabei nicht auszuschließßen, daß sich Kokspartikel infolge von Eigenschwingungen der Doppelstrahlrohr- körper lösen und so gegebenenfalls zu einer Beschädigung des Triebwerkes führen können.

Bei der vorliegenden bekannten Brennkammer ist ferner aufgrund der beschriebenen Doppelstrahlrohrverdampferausbildung und -anordnung mit einer sich verhältnismäßig weit in stromabwärtiger Richtung im Flammrohr erstreckenden Verbrennungszone zu rechnen, die sich über die am weitesten ins Flammrohr ragenden Endpartien der Doppelstrahlrohrkörper hinaus

zumindest bis in eine stromab der seitlichen Sekundärluftzufuhrbohrungen liegende Region erstrecken dürfte. Eine verhältnismäßig großvolumige, langbauende und vergleichsweie schwere Brennkammerkonstruktion wären u. a. die weiteren Folgen des dem vorliegenden bekannten Fall zugrunde liegenden Brennsystems.

Mit bekannten Doppelstrahlrohrverdampfern ist es nicht möglich, ein vergleichsweise breites Einsatzspektrum, insbesondere im Hinblick auf äußerst niedrige und äußerst hohe Brernstoffdurchsätze bei gleichzeitiger Gewährleistung einer stabilen und homogenen Verbrennung einwandfrei abdecken zu können.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Doppelstrahlrohrverdampfer hinsichtlich deren Anordnung und Ausbildung im Rahmen der Triebwerksbrennkammern wird in den vergleichsweise hohen Druckverlusten von 3% oder darüber in Verbindung mit der betreffenden Gemischaufbereitung in der Brennkammer gesehen.

Das gilt auch für ein aus der GB-PS 14 75 707 bekanntes Verbrennungssystem einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, bei dem unter Berücksichtigung einer aeroilynamisch stabilen Beladung der Brennkammer Luftstrahlen über seitlich im Flammrohr arjeordnete Zuströmöffnungen mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit so gegeneinandergerichtet werden, daß sie im Bereich der Kammermitte aufeinanderprallen, und zwar im Sinne einer beabsichtigten Aufspaltung dieser Luftstrahlen in gegen die Flammrohrrückwand rezirkulierende Primärluftanteile und in stromabwärts abströmende Mischluftanteile. Ausschließlich an den der Flammrohrrückwand am nächsten liegenden Rändern der Zuströmöffnungen des Flammrohrs soll Brennstoff nahezu drucklos und gezielt so zugeführt werden, daß dieser Brennstoff nur in die stromaufwärts abfließenden Teile der Luft eintreten kann, d. h., der Brennstoff wird in die Primärzonenwirbel eingebettet und infolge deren verhältnismäßig hoher Abströmgeschwindigkeit ausschließlich in die Rezirkulationszone mitgerissen. Die Verdampfung des Brennstoffs erfolgt erst in dem zuvor genannten Flammrohrbereich über die Wärmezufu¹· r aus der Flamme.

Demnach weist diese bekannte Lösung keine in die Primärzone ragenden Verdampfer-Rohrkörper, also keine »Doppelstrahlrohrkorper« im Sinne der eingangs genannten Gattung auf.

Neben den verhältnismäßig großen Druckverlusten erfordert das vorliegende bekannte "'erbrennungssystem zugleich eine vergleichsweise großvolumige Brennkammer mit vergleichsweise stets hohen Brennstoffdurchsätzen, um ein über den gesamten Betriebsbereich optimales Verbrennuigsverhalten zu gewährleisten.

Der Erfind;\ng liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine Brennkammer mit mehreren Doppeistrahlkörpern der eingangs genannten Art zu schaffen, die im Hinblick auf die zur Abdeckung eines breiten Leistungsspektrums zu erwartenden extrem unterschiedlichen Brennstoffmengendurchsätze einen stets optimalen, mit vergleichsweise niedrigen Druckverlusten verbündenen Verbrennungsprozeß bei verhältnismäßig geringem Brennraumvolumen ermöglicht

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Hierbei sind die jeweiligen Austrittsöffnungen der benachbarten seitlichen Arme der Doppelstrahlkörper in der Weise genau gegeneinander gerichtet, daß sich symmetrisch zwischen diesen Austrittsöffnungen eine Staustrahlzone ausbildet, deren etwa linsenförmig rotationssymmeirische Gestalt mit dem sich ausbildenden Verbrennungskern nahezu identisch ist, wobei die grundlegende Brennstoffverdampfung in den Zonen zwischen den jeweiligen Austrittsöffnungen und der Umfangskontur der jeweiligen Staustrahlzone erfolgt Dabei wird ein Ringverband von autarken Verbrennungszonen jeweils zwischen zwei Austrittsöffnungen einander benachbarter seitlicher Arme der Doppelstrahlkörpe? geschaffen, wobei die Flammstabilisierung ohne weitere zusätzliche mechanische oder aerodynamische Hilfen erfolgen kann.

Stromabwärts der Reaktionszone in der seitlichen Flammrohrbewandung angeordnete Luftzufuhrbohrungen können eine axiale Abschirmung der Reaktionszone besorgen, um damit zusätzlich eine räumlich möglichst kurze Verbrennung zu gewährleisten. Vom Grundsatz her kann jedoch für die Realisierung des angestrebten stets homogenen und stabilen Verbrennungsprozesses auf derartige Flammrohrbohrungen ohne weiteres verzichtet werden, so daß zusätzlich zu dt* Doppelstrahlkörpern keine weitere Reaktionsluft in den Brennraum eingebracht werden muß.

Während bisher bekannte Brennkammern, sei es, daß sie mit sogenannten »T-förmigen« Doppelstrahlrohrkörpern (z. 3. nach DE-AS 10 79 895) oder im Sinne des rein aerodynamisch beladenen Systems (ohne Verdampferkörper, z.B. nach GB-PS 14 75 707) mit Brennkammerdruckverlusten bis zu 3% oder darüber aufwarten, ermöglicht die vorliegende brennkammer mit Doppelstrahlkörpern einen optimalen Verbrennungsprozeß mit Druckverlusten von lediglich etwa 1 bis 2% mit der daraus resultierenden Folge nicht unerheblicher Brennstoffeinsparungen.

Vorteilhaft können ferner je nach den betrieblichen Anforderungen relativ kleine und relativ große Brennstoffmengen bei vollkommen stabiler, homogener Verbrennung einwandfrei verarbeitet werden.

Unter bewußter Inkaufnahme einer nur vergleichsweise geringen Vorverdampfrate des Brennstoffs in den Doppelstrahlkörpern ist es mit der vorliegenden Lösung gelungen, nicht nur hinsichtlich der vorstehend für wesentlich erachteten, verbesserungswürdig befundenen Punkte zu einem entscheidenden Durchbruch zu gelangen, sondern zugleich zu einer gegenüber Bekanntem wesentlich höheren Brennstoffverdampfungsrate, die aus der Hauptverdampfungsphase des Brennstoffes in Nachbarschaft der betreffenden Strahlrohraustritte der seitlichen Arme der Doppelstrahlkörper resultiert in der Kombination mit dem infolge der speziellen Strahlaustritte sich ausbildenden Stauzone, und damit Verbrennungskernzone, zentriscn zwischen diesen Strahlrohraustritten.

Arhai.d einer Ringbrennkammer für Gasturbinenstrahltriebwerke ist die Erfindung in den Zeichnungen beispielsweise weiter erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Teilquerschnitt der Ringbrennkammer mit zwei benachbarten Doppelstrahlkörpern,

F i g. 2 eine in die Zeichenebene projizierte Schnittdarstellung der Ringbrennkammer einschließlich der beiden Doppelstrahlkörper aus F i g. 1 und gemäß Blickrichtung A der F i g. 1, und

F i g. 33 eine Abwandlung des in F i g. 1 und 2 dargestellten Doppelstrahlrohrtyps.

Die F i g. 1 und 2 veranschaulichen die Erfindung bei einer Ringbrennkammer eines Gasturbinenstrahltriebwerks. Gemäß Fig. 1 ist hierbei die innere ringförmige

Flammrohrwand mit 24, die äußere ringförmige Flammrohrwand mit 25 bezeichnet. Die koaxial zur Flammrohrbewandung verlaufenden inneren und äußeren Gehäusewandpartien sind mit 26 bzw. 27 bezeichnet. An der Flammrohrrückwand 28 (Fig.2) der Ringbrennkammer sind mehrere Doppelstrahlkörper 29, 30 in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet angeordnet. Jeder Doppelstrahlkörper 29,30 besteht aus einem achsparallel in das Flammrohr ragenden Zentralrohr 31, 32, welchem von der Flammrohrrückwand her Brennstoff und Luft zuführbar is», wobei jedem Zentralrohr 31, 32 eine eigene Brennstoffeinspritzdüse 33, 34 zugeordnet ist. Jedes Zentralrohr 31, 32 ist über einen koaxial dazu verlaufenden Außenmantel 35, 36 so mit der Flammrohrrückwand 28 verbunden, daß zwischen den Zentralrohren 31,32 und den Außenmänteln 35,36 mittels Verdichterluft beaufschlagbare Kühlkammern 37, 38 gebildet sind.

Arn strnrnahwärficrprt Fnrjp weisen die Zentralrohre

31, 32 je zwei rohrförmig symmetrisch zu einer durch die Triebwerksachse und die Achse L, K des betreffenden Zentralrohres 31, 32 aufgespannten Ebene verlaufende seitliche Arme 39, 39' bzw. 40, 40' mit düsenförmigen Austrittsöffnungen 41,42 bzw. 43,44 zum Auslaß des gleichförmig auf die Arme aufgeteilten Brennstoff-Luft-Gemisches auf, wobei die Mittelpunkte sämtlicher Austrittsöffnungen in einer zur Triebwerksachse senkrechten Ebene 45 liegen. Dabei schließen die Achsen der seitlichen Arme 39,39' bzw. 40,40' jedes Doppelstrahlkörpers 29 bzw. 30 auf der der Triebwerksachse zugewandten Seite einen Winkel α kleiner 180° ein derart, daß jeweils die einander zugewandten Arme 39', 40 benachbarter Doppelstrahlkörper 29, 30 koaxial zueinander verlaufen.

Aufgrund dieser Anordnung sind also die Austrittsöffnungen 42,43 zweier benachbarter Arme 39', 40 der Doppelstrahlkörper 29, 30 in der Weise genau gegeneinander gerichtet, daß sich symmetrisch zwischen diesen Austrittsöffnungen 42, 43 eine Zone höchster Turbulenz, also eine Staustrahlzone T ausbildet (F i g. 2), deren etwa linsenförmige Gestalt mit dem sich dabei ausbildenden Verbrennungskern nahezu identich ist. Die grundlegende bzw. Hauptbrennstoffverdarnpfung erfolgt dabei in den Zonen zwischen den jeweiligen Austrittsöffnungen 42, 43 und der Umfangskontur der

Staustrahlzone T.

Gemäß F i g. 2 weist fernerhin jeder Doppelstrahlkörper 29, 30 einen der jeweiligen Brennstoffeinspritzdüsenmündung mit Abstand nachgeschalteten zentralen Strömungsteiler 46 bzw. 47 auf, um eine gleichförmige Aufteilung des aus dem jeweiligen Zentralrohr 31, 32 den beiden seitlichen Armen 39,39' bzw. 40,40' zuzuführenden Brennstoff-Luftgemisches zu ermöglichen. Eine etwa ringscheibenförmige Prallplatte 48, 49 an

ίο den jeweiligen Durchgangsöffnungen vom Zentralrohr 31,32 in die jeweiligen seitlichen Arme kann zur weiteren Unterstützung einer innigen Vorvermischung des zugeführten Brennstoffs mit den jeweiligen Verbrennungsluftanteilen (Pfeile C) vorgesehen sein.

In der inneren und äußeren Flammrohrwand 24 bzw. 25 angeordnete Luftzufuhrbohrungen 50 bzw. 51 können zur Absenkung der Gastemperatur vor der Turbine und zur radialen Abschirmung der Reaktionszone bei- σΡ7Πσρη wprrtpn ο — — — o~" ··—-— — -"

mit 4' und 4" sind in F i g. 1 die mittels Verdichterluft beaufschlagbaren Ringräume bezeichnet, die zwischen der inneren und äußeren Flammrohrwand 24, 25 und den angrenzenden Gehäusewandpartien 26, 27 liegen.

F i g. 3 verkörpert eine Abwandlung der in F i g. 1 und

2 dargestellten Doppelstrahlkörper im wesentlichen dahingehend, daß anstelle eines zentralen Leitblechs als Strömungsteiler zur gleichförmigen Brennstoff-Luft-Gemir b-Aufteilung eine zentrale gegen die Mündung der Einspritzdüse 33' gerichtete Rohreinbuchtung 52 vorgesehen ist, mit der sich außerdem die effektive Verdampfungsoberfläche vergrößern läßt.

Eine weitere Abwandlung de?· in F i g. 3 dargestellten Verdampfers ergibt sich anhand des zwischen dem Zentralkörper 31' und der äußeren Ummantelung 35' liegen- den ringförmigen Kühlkanals 37', der über eine koaxiale Belochung 53 mittels Verdichterluft beaufschlagbar ist und welchem ferner eine den Zentralkörper 3V umgebende, ringförmige Abströmöffnung 54 zugeordnet ist, wodurch eine Filmkühlung der nachgeordncten

Zentralkörperbewandung möglich ist.

Im übrigen entspricht die Wirkungsweise des in Fig. 3 aufgezeigte Doppelstrahl körpers derjenigen der Doppelstrahlkörper gemäß F i g. 1 und 2 unter entsprechender Zuordnung zu einer Ringbrennkammer für

■»5 Gasturbinentriebwerke, bzw. -strahltriebwerke.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit einem ringförmigen Flammrohr, das stromab der Reaktionszone einander gegenüberliegende Luftzufuhröffnungen in seiner äußeren und inneren Wand aufweist und an dessen Rückwand mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Doppelstrahlkörper angeordnet sind, die jeweils aus einem achsparallel in das Flammrohr ragenden Zentralrohr bestehen, welchem von der Flammrohrrückwand her Luft und Brennstoff zuführbar sind und welches am stromabwärtigen Ende zwei rohrförmig symmetrisch zu einer durch die Triebwerksachse und die Achse des betreffenden Zentralrohres aufgespannten Ebene verlaufende seitliche Arme mit düsenförmigen Austrittsöffnungen zum Auslaß des gleichförmig auf die seitlichen Arme aufgeteilten Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist, wobei die Mittelpunkte sämtlicher Austrittsöffnungen in einer zur Triebwerksachse senkrechten Ebene liegen, dadurch gekennzeichnet,daß die Achsen der seitlichen Arme (39,39'; 40, W]I jedes Doppelstrahlkörpers (29; 30) auf der der Triebwerksachse zugewandten Seite einen Winkel kleiner 180° einschließen derart, daß jeweils die einander zugewandten Arme (39', 40) benachbarter Doppelstrahlkörper koaxial zueinander verlaufea

2. Brenr''ammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Doopelstrahlkörper (29,30) in an sich bekannter Weise einen der Düsenmündung einer Brennstoffeinspritzdüse.^, 34) im Zentralrohr mit Abstand nachgeschalteteh Strömungsteiler zur gleichförmigen Aufteilung des Brennstoff-Luftgemisches in die Richtung der beiden seitlichen Arme des Zentralrohrs aufweist, der von einer zentralen Rohreinbuchtung (52) gebildet ist