DE2833027C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennkammerdom, insbesonde­ re für Gasturbinentriebwerke gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1. Ein derartiger Brennkammerdom ist aus der US-A- 38 53 273 bekannt.

Bei der Konstruktion von Gasturbinentriebwerken ist es wichtig, nicht nur eine wirkungsvolle Brennkammerstufe vorzusehen, sondern auch Vorsorge zu treffen, daß in dieser eine möglichst vollkommene Verbrennung mit mini­ malen Schadstoffemissionen stattfindet. Da der Betrieb des Triebwerkes auf der Erde für die Umgebung wesentlich kritischer ist als in der Luft und der Leerlaufbetrieb des Triebwerks in der Regel eine größere Schadstoff­ emission hervorruft, muß dieser Betriebsweise eine be­ sondere Bedeutung geschenkt werden.

Wegen verschiedener Schwierigkeiten, die bei Hochdruck- Brennstoffsprühzerstäubern auftreten, wird der Einsatz von Niederdruck-Brennstoffeinspritzanlagen bevorzugt. Bei ei­ ner solchen Niederdruckanlage werden gegenläufig betrie­ bene primäre und sekundäre Schaufel-Wirbelerzeuger dazu verwendet, den Brennstoff unter der Einwirkung der hohen Schubkräfte wirkungsvoll zu zerstäuben, wie sie beim Zu­ sammentreffen von gegensinnig wirbelnden Luftströmen auf­ treten. Die bekanntesten, mit gegenläufigen Wirbeln arbei­ tenden Anlagen verwenden in der ersten Stufe einen axialen Wirbelerzeuger, bei dem die Luft in Axialrichtung ein­ tritt, sodann etwas in Umfangsrichtung abgelenkt wird, um damit in der Luftströmung einen Wirbel zu erzeugen und an­ schließend axial strömungsabwärts das Venturi-Rohr durch­ strömt, in dem sie sich schließlich mit der von dem gegen­ läufig wirkenden, zweiten oder sekundären Wirbelerzeuger kommenden Luft vermischt und mit dieser zusammenwirkt. Mit anderen Worten bedeutet das, daß in dem primären Wir­ belerzeuger der Brennstoff und die Luft derart mitein­ ander vermischt werden, daß sich ein über einen Winkel­ bereich verteiltes Sprühbild ergibt, das eine im wesent­ lichen breite Gestalt aufweist. Der sekundäre Wirbel­ erzeuger, welcher Luft zunächst radial nach innen führt und sie dann in einer im wesentlichen axialen Richtung abströmen läßt, weist einen großen Impuls und Drallwin­ kel auf und will deshalb den Auslaßsprühwinkel vergrößern, wobei der Brennstoffsprühnebel radial nach außen geschleu­ dert wird, wenn er mit dem von dem primären Wirbeler­ zeuger kommenden Gemischstrom zusammentrifft. Das sich ergebende, einen großen Winkel (150°-180°) auf­ weisende Sprühbild birgt die Gefahr in sich, daß flüssiger Brennstoff auf der konischen Ablenk- oder Leitplatte abge­ lagert wird, wobei der abgelagerte Brennstoff dann über die Ablenk- oder Leitplatte zu dem Brennkammerflammrohr strömen kann, wo er auf den Kühlluftfilm trifft und von diesem durch die Brennkammer transportiert wird, ohne vollständig verbrannt zu werden. Dies führt natur­ gemäß zu einer hohen Schadstoffemission am Abgasauslaß.

Es ist weiterhin bekannt, im Bereich des inneren Radius der Ablenk- oder Leitplatte eine gerade bzw. zylindrische Buchse oder Hülse vorzusehen, die die Brennstoffdispersion steuert und ein radiales Abströmen von Brennstoff nach außen zu der Ab­ lenk- oder Leitplatte verhindert. Dadurch wird aber zwischen der Büchse oder Hülse und der Ablenk- oder Leitplatte ein Niederdruckraum geschaffen, was zu Kavitationserscheinungen durch den Brennstoff/Luft­ gemischstrom führt. Dadurch wird nicht nur Brennstoff in der erwähnten Weise auf der Ablenk- oder Leitplatte abgela­ gert, sondern es treten vielmehr auch Überhitzungsstellen und ein örtliches Verbrennen der Ablenk- oder Leitplatte auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Brennkammerdom der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Ablagerung von flüssi­ gen Brennstoffteilchen auf dessen Ablenk- oder Leitplatte ver­ hindert wird, während ein zweckmäßiger Sprühwinkel in dem Brenn­ kammerdom einstellbar sein soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den speziellen Aufbau der ringförmigen Hülse der Strömungsweg für die Sekundärluft des sekundären Wirbeler­ zeugers optimiert wird. Dabei bildet die gekrümmte Innenfläche der Hülse eine Düse für die Strömung, wodurch einerseits eine Strömungsablösung vermieden und andererseits der Sprühkegel vor­ teilhafterweise ausgestaltet werden kann, um die Ablenk- oder Leitplatte vor einer Ablagerung von flüssigen Brennstoffteilchen zu schützen. Ferner wird die Hülse unter Verwendung von Kühl­ luft gekühlt, welche durch mehrere längs des Umfanges im Abstand zueinander angeordneter Öffnungen in der Ablenk- oder Leitplat­ te eingeführt wird und sodann auf die Außenfläche der gegenüber­ liegenden Hülse auftrifft, um deren Kühlung zu bewirken.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Brennkammer mit einem Brennkammerdom in einem axialen Teilschnitt und

Fig. 2 den Brennkammerdom nach Fig. 1 in einem vergrößer­ ten Ausschnitt mit der eingesetzten Büchse gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Brennkammerdom 11 mit einer Brennkammer 13 ge­ zeigt, die von einem Strahlrohr 12 begrenzt ist, das von im we­ sentlichen ringförmiger Gestalt und mit einer äußeren Ausklei­ dung 14, einer inneren Auskleidung 16 und einem gewölbten End­ teil 17 versehen ist. Neben der ringförmigen Ausbildung sind aber auch andere Strukturen möglich, wie bekannte Rohrbrennkammern oder Rohrringbrennkammern. Bei der ringförmigen Ausbildung ist das gewölbte Endstück 17 des Strahlrohrs 12 mit einer Anzahl rings um den Umfang im Abstand angeordneten Öffnungen 18 ver­ sehen, von denen in jede eine Brennstoffdüse 31 eingesetzt ist, die dazu dient, ein Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer 13 einzuspeisen.

Das Strahlrohr 12 ist in einem Mantel oder Gehäuse 19 einge­ schlossen, welches zusammen mit den Auskleidungen 14, 16 Kanäle 21, 22 begrenzt, die dazu dienen, einen von einer geeigneten Quel­ le, wie einem nicht dargestellten Verdichter und einem Diffusor 23, kommenden Strom verdichteter Luft über geeignete Öffnungen 24 in die Brennkammer 13 derart einströmen zu lassen, daß das Strahlrohr 12 gekühlt und die gasförmigen Verbrennungsprodukte in an sich bekannter Weise verdünnt werden. Ein stromaufwärtiger Fortsatz 26 des Strahlrohrs 12 wirkt als Strömungsleiter, durch den die von dem Verdichter eingespeiste verdichtete Luft auf die Kanäle 21, 22 sowie eine am strömungsaufwärtigen Ende angeordne­ te Öffnung 27 des Fortsatzes 26 aufgeteilt wird. Die Öffnung 27 steht mit der Brennstoffdüse 31 in Verbindung, so daß sie die für die Vergasung erforderliche Luft liefern kann.

Die Brennstoffzufuhr zu der Brennstoff-Einspritzvor­ richtung erfolgt über ein Brennstoffrohr 28, das mittels eines Halterungskissens 29 an dem äußeren Gehäuse 19 be­ festigt ist. Das Brennstoffrohr 28, das derart gebogen ist, daß es in die Öffnung 27 führt, weist ein hohles Rohrstück auf, in dem ein Brennstoffkanal ausgebildet ist, über den Brennstoff zu einem Injektormundstück der Brennstoffdüse 31 strömt, wo er so­ dann zerstäubt oder vergast wird.

Der Brennkammerdom 1 weist ferner in Strömungsrichtung hintereinander liegend eine Luftstrahlscheibe 32, ein Venturi-Rohr 33 und einen sekundären Wirbelerzeuger 34 auf. Die Vergasung des aus der Brennstoffdüse 31 zur nachfolgenden Einspeisung in die Brennkammer 13 austretenden Brennstoffes geschieht in der Weise, daß zunächst eine Anzahl Hochdruck-Luftstrahlen auf den aus Düsenöffnungen mit niedrigem Druck austretenden Brennstoff­ strom gerichtet werden, wodurch die Flüssigkeitsteilchen des Brennstoffes teilweise aufgebrochen und eine in Gegen- Uhrzeigersinne erfolgende Verwirbelung der zerstäubten Mi­ schung innerhalb des Venturi-Rohrs 33 erzeugt wird. Die wirbelnde Mischung, welche auch eine Axialkomponente der Geschwindigkeit aufweist, will über eine strömungsabwärtige Lippe 36 des Venturi-Rohres 33 ausströmen, wo sie auf den im Gegen- oder Uhrzeigersinn rotierenden Wirbel der von dem sekundären Wirbelerzeuger 34 kommenden Luft trifft. Durch das Zusammenwirken der beiden Luftströme ergibt sich ein Bereich hoher Scherkräfte, unter deren Wirkung aus dem Venturi-Rohr 33 herauswirbelnder Brennstoff fein zerstäubt und damit für die Zündung innerhalb der Brennkam­ mer 13 geeignet gemacht wird.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen, konvergiert das Venturi-Rohr 33, ausgehend von einem Flanschteil 37 zu einem minimalen Radius oder zu einer Drosselstelle 38, worauf es zu der strömungsabwärtigen Lippe hin leicht divergiert, die eine mittige Öffnung 39 begrenzt, durch welche das Brennstoff/Luft-Gemisch im gegenläufigen Drehsinn in den aktiven Wirkungsbereich des sekundären Wirbelerzeugers 34 eingewirbelt werden kann. Auf der anderen Seite des Venturi-Rohres 33 ist eine ebene Fläche 41 vorgesehen, die zur Befestigung des Venturi-Rohres 33 an einer vorderen Wand 42 des sekundären Wirbelerzeugers 34 dient, indem das Venturi-Rohr 33 auf diesem abgestützt wird. Die Fläche 41 geht anschließend rasch in eine axial fluchtende, äußere Wand 43 über, welche die innere Begrenzung einer von dem sekundären Wirbelerzeuger 34 ausgehenden, axialen Strömungs­ bahn 44 bildet. Der sekundäre Wirbelerzeuger 34 weist außerdem zusätzlich zu der vorderen Wand 42 eine im axialen Abstand davon angeordnete hintere Wand 46 und eine An­ zahl zwischen den Wänden 42, 46 angeordneter, gegenläufig angetriebener Radialschaufeln 47 auf, durch die der Hoch­ druckluftstrom zunächst radial einwärts strömt, worauf er von der axial fluchtenden äußeren Wand 43 derart umgelenkt wird, daß er mit einem Wirbel im Uhrzeiger­ sinn in Axialrichtung abströmt. Der sekundäre Wirbel­ erzeuger 34 ist durch einen Ringflansch 48 abgestützt, welcher hinten an ihm vorragend angeordnet und an dem gewölbten Endstück 17 durch Schweißen oder dergl. befestigt ist. Eine sekundäre Auslaßlippe 49 ist mit einem axial ausgerichteten Ringflansch versehen, der radial inner­ halb des ersten Ringflansches 48 liegt und an diesem be­ festigt ist; der Ringflansch 48 trägt außerdem an seiner radial nach außen liegenden Seite eine sich aufweitende, trichter­ förmige Auslaß- oder Ablenkplatte 51, die sich in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise in die Brennkammer 13 erstreckt.

Die Kühlung der Ablenkplatte 51 geschieht dadurch, daß aus einer Anzahl, in dem gewölbten Endstück 17 in der dar­ gestellten Weise angeordneter Bohrungen 52 austretende Kühlluft auf die strömungsaufwärtige Seite der Ab­ lenkplatte 51 auftrifft. Außerdem sind im Bereich des inne­ ren Radius und der radial innenliegenden Berandung des ge­ wölbten Endstückes 17 eine Anzahl längs des Umfanges in Ab­ ständen verteilter Öffnungen 53 vorgesehen, die für die als Bohrungen ausgebildeten Öffnungen an der radial inneren Kante der Ablenkplatte 51 eine Luftquelle bilden, die zum Spülen dient, wie dies noch erläutert werden wird.

Auf die Innenseite der sekundären Auslaßlippe 49 ist eine ringförmige Büchse 54 aufgepaßt, die sich von ihrem einen, in der Nähe der Rückwand 46 des sekundären Wirbelerzeugers 34 liegenden Ende im wesentlichen in axialer Richtung bis zu ihrem strömungsabwärtigen Ende 56 erstreckt. Wie aus Fig. 2 zu ersehen, ragt die ringförmige Büchse 54 strömungsabwärts beträchtlich über eine Stelle hinaus, an der die Ablenkplatte 51 sich nach außen zu aufzuweiten beginnt, so daß die Büchse 54 zusammen mit der Ablenkplatte 51 einen keilförmigen Hohlraum 58 begrenzt. Die ringförmige Büchse 54 bildet eine Verengung der axialen Strömungsbahn 44; sie erstreckt sich in axialer Richtung bis zu einer Stelle, die zwischen den Enden des aufgeweiteten Teiles der Ablenkplatte 51 liegt, wodurch der wirksame Sprühwinkel im Bereich des Brennkammerdomes 11 verengt und die Wanderung von flüssigen Brennstoffteilchen auf die Oberseite der Ablenkplatte 51 verhindert wird, von wo aus die flüssigen Brennstoffteilchen sonst auf die von den Brennkammerauskleidungen 14, 16 gebildeten Wandungen wan­ dern könnten, ohne gezündet worden zu sein.

Wie in Fig. 2 weiterhin gezeigt ist, weist die ringförmige Büchse 54 einen divergenten Abschnitt 72 auf, der unter einem Winkel α zu der Mittelachse angeordnet ist. Durch Versuche wurde festgestellt, daß dieser Winkel α vorzugsweise in dem Bereich von 30°-50° liegen soll, um beste Betriebsbe­ dingungen zu erzielen. Es hat sich herausgestellt, daß diese sog. "aufgeweitete" Büchse 54 insbesondere bei Luftstarts vorteil­ haft ist. Da die ringförmige Büchse 54 die äußere Begrenzung der von dem sekundären Wirbelerzeuger 34 ausgehenden axialen Strömungsbahn 44 ist, ist es zweckmäßig, in der Nähe ihres vorderen Endes eine abgerundete angeströmte Kante 63 vorzusehen, um dadurch gute Strömungsverhältnisse an dieser Stelle zu schaf­ fen. In ähnlicher Weise ist an der Übergangsstelle zwischen der Innenfläche 71 und dem divergenten Abschnitt 72 eine abgerundete Kante ausgebildet. Diese gekrümmten Flächen sind wichtig, weil eine abrupte scharfe Eckkante eine Strömungsablösung von der Oberfläche und damit eine dadurch bedingte Unterbrechung des Strömungsverlaufes hervorrufen würde. Das heißt, daß die Strö­ mung bei ihrer Umlenkung sich beschleunigt und einen statischen Druckgradienten auf der Oberfläche der Wandung erzeugt, der sich mit einem durch den Krümmungsradius an der Umlenkstelle bestimm­ ten Maße ändert. Der Krümmungsradius muß deshalb so groß sein, daß die Strömung um die Ecke umgelenkt wird, ohne daß dadurch willkürliche örtliche Strömungsablösungen von der Oberfläche der ringförmigen Büchse 54 stattfinden. Die Krümmungsradien der abgerundeten Kanten sind deshalb zweckentsprechend derart zu wählen, daß sie an die jeweiligen baulichen und Betriebsbedin­ gungen angepaßt sind.

Fig. 2 zeigt ferner, daß die ringförmige Büchse 54 eine gekrümm­ te Innenfläche 71 aufweist, die einen im wesentlichen konstanten Radius R hat und sich von der vorderen abgerundeten Kante 63 bis zu dem ebenen Abschnitt 72 derart erstreckt, daß sich das darge­ stellte leicht divergierende Profil ergibt. Durch die Einfügung der beschriebenen Büchse 54 wird in dem Hohlraum 58 zwischen der Büchse 54 und der Ablenkplatte 51 ein Niederdruckbereich ge­ schaffen, der, wenn er belassen würde, Strömungskavitation und eine örtliche Verbrennung der Ablenkplatte 51 hervorrufen würde. Es sind deshalb die Öffnungen 50 vorgesehen, durch die dem Hohl­ raum 58 durchströmende Kühlluft eingeführt wird, die sich gege­ benenfalls dort ansammelnde Brennstoffteilchen ausspült. Außer­ dem strömt diese Luft längs der Außenseite der Büchse 54, so daß diese durch Prall-Filmkühlung gekühlt wird.

Die radial äußere Oberfläche des divergenten Abschnitts 72 ist vorzugsweise unter dem gleichen oder unter näherungsweise dem gleichen Winkel α wie die gegenüberliegende Wand in der dargestellten Weise abgewinkelt, so daß sie bevorzugt parallel zu der Innenfläche des Abschnitts 72 verläuft.

Claims (3)

1. Brennkammerdom, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, mit einer Brennstoffdüse, einem Venturi-Rohr, einem pri­ mären Wirbelerzeuger, der Wirbelluftstrahlen mit einer axialen Richtungskomponente auf die aus der Brennstoffdü­ se austretenden Brennstoffströme im Venturi-Rohr richtet, einer zur Brennstoffdüse koaxialen trichterförmigen Ab­ lenkplatte in engem Abstand von dem Dom, einer zwischen dem Venturi-Rohr und der Ablenkplatte angeordnete Büchse, die sich axial über das stromabwärtige Ende des Venturi- Rohrs hinaus erstreckt, und mit einem sekundären Wirbel­ erzeuger, der eine gegendrehende Wirbelluftströmung in im wesentlichen axialer Richtung zwischen das Venturi-Rohr und die Ablenkplatte einführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (54) an ihrem stromabwärtigen Ende einen ebenen, divergenten Abschnitt (72) aufweist, der einen Winkel (α) im Bereich von 30° bis 50° mit der Längs­ achse der Brennstoffdüse (31) bildet, an ihrem im wesent­ lichen axial verlaufenden Abschnitt eine durchgehend ge­ krümmte Innenfläche (71) aufweist und daß die Ablenkplat­ te (51) nahe ihrem innere Rand mehrere Öffnungen (50) aufweist, durch die Kühlluft in den zwischen der Büchse (54) und der Ablenkplatte (51) gebildeten, keilförmigen Hohlraum (58) einleitbar ist.

2. Brennkammerdom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der Büchse (54) der Übergang zwi­ schen dem im wesentlichen axial gekrümmten Abschnitt (71) und dem strömungsabwärts davon gelegenen, ebenen divergenten Abschnitt (72) abgerundet ist.

3. Brennkammerdom nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (54) an ihrer stromaufwärtigen Kante (63) abgerundet ist.