DE2845588A1 - COMBUSTION CHAMBER FOR GAS TURBINE ENGINES - Google Patents
COMBUSTION CHAMBER FOR GAS TURBINE ENGINESInfo
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Description
MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBHENGINE AND TURBINE UNION
MUNICH GMBH
München, den 19. Oktober 1978Munich, October 19, 1978
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbxnentriebwerke, insbesondere Rohrbrennkammer, bei der in ein zylindrisches Außengehäuse ein Flammrohr so eingesetzt ist, daß es über den zwischen Flammrohr und Außengehäuse gebildeten Zwischenraum mit Verbrennungs- und Mischluft beaufschlagbar ist, wozu das Flammrohr axial untereinander beabstandete Lochreichen aufweist.The invention relates to a combustion chamber for gas turbine engines, in particular a tubular combustion chamber in which a flame tube is inserted in this way into a cylindrical outer housing is that it can be acted upon by combustion and mixed air via the space formed between the flame tube and the outer housing is, for which purpose the flame tube has axially spaced holes.
Die Auslegung konventioneller Brennkammern sieht eine heiße Primärzone vor, in der der Brennstoff während des gesamten Betriebsbereichs nahezu vollständig verbrennt. Die anschließende Mischzone dient zur raschen Temperaturabsenkung des Heiß- · gases auf Temperaturen, die die nachgeschalteten, meistens gekühlten Turbinenschaufeln ohne mechanischen Bruch erlauben. Durch die hohe Verbrennungstemperatur in der Primärzone und anschließender Abkühlung in der Mischzone stellt sich zwischen den beiden Zonen ein steiler Temperaturgradient ein. WährendThe design of conventional combustion chambers provides a hot primary zone in which the fuel during the entire Operating area burns almost completely. The subsequent mixing zone is used to rapidly lower the temperature of the hot gases to temperatures that allow the downstream, mostly cooled turbine blades without mechanical breakage. Due to the high combustion temperature in the primary zone and subsequent cooling in the mixing zone, there is between a steep temperature gradient in the two zones. While
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Im Rahmen der aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer insbesondere aus Keramik zu fertigenden Brennkammer die steilen Temperaturgradienten entlang der Flammrohr- bzw. Brennkammerwand, insbesondere auch mit Rücksicht einer steigenden oder einer wechselnden Brennkammerbelastung, zu vermeiden.Within the framework of the problem set out above, the invention is based on the object, in particular of a ceramic the combustion chamber to be manufactured, the steep temperature gradients along the flame tube or combustion chamber wall, in particular should also be avoided in consideration of increasing or changing combustion chamber loads.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung hauptsächlich durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet.To achieve this object, the invention is mainly characterized by the features of claim 1.
Die Erfindung vermeidet somit eine scharf abgegrenzte Primärzone, wobei eine gleichmäßige Ausdehnung der Flammenfront mit zunehmender Brennkammerbelastung, d.h. steigender Brennstoffmenge, ermöglicht wird.The invention thus avoids a sharply delimited primary zone, with a uniform expansion of the flame front with increasing combustion chamber load, i.e. increasing fuel quantity.
Die Verbrennung wird hierbei zwar in bekannter Weise durch rezirkulierende Wirbel stabilisiert, breitet sich aber gleich mäßig im gesamten Flammrohr- bzw. Brennkammervolumen aus. Da die Belochung und die Formgebung der Brennkammer so gewählt wurde, daß sich mit zunehmender Brennstoffmenge die Flammen-The combustion is stabilized in a known way by recirculating vortices, but it spreads at the same time moderately in the entire volume of the flame tube or combustion chamber. Because the perforation and the shape of the combustion chamber were chosen in this way became that with increasing amount of fuel the flame
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bei metallischen Brennkammern dieser Gradient durch Ausdehnung des duktilen Werkstoffs aufgefangen wurde, führt er bei kon- } ventionellen keramischen Brennkammern zu Bruch, da der keramische Werkstoff bekanntlich spröde ist.In the case of metallic combustion chambers, this gradient was absorbed by the expansion of the ductile material, it leads to con-} conventional ceramic combustion chambers break, as the ceramic material is known to be brittle.
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front volumenmäßig ausdehnen kann, ist die Heißgastemperatur sowohl bei Leerlauf als auch bei Vollast im Niveau zwar verschieden, aber gleichmäßig entlang der Brennkammer. Da der Verlauf der Heißgastemperatur den Verlauf der Wandtemperatur bestimmt, wird somit die gestellte Aufgabe gelöst, eine gleichmäßige Wandtemperatur ohne steile Gradienten entlang der Flammrohr- bzw. Brennkammerwand zu erzielen.front can expand in volume is the hot gas temperature both at idle and at full load in level different, but evenly along the combustion chamber. Since the course of the hot gas temperature determines the course of the wall temperature, the task set is thus achieved, a uniform wall temperature without steep gradients along the flame tube or combustion chamber wall to achieve.
Bezüglich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes wird auf die übrigen Patentansprüche verwiesen.With regard to further advantageous refinements of the subject matter of the invention reference is made to the remaining claims.
Anhand der Zeichnung ist die Erfindung im Rahmen eines Mittellängsschnitts einer Brennkammer beispielhaft wei,ter erläutert.The invention is based on the drawing in the context of a central longitudinal section a combustion chamber exemplarily explained in white.
Die in der Zeichnung dargestellte Brennkammer besteht hauptsächlich aus einem Außengehäuse 1 mit einem radial darin beabstandet angeordneten konischen Flammrohr 2.The combustion chamber shown in the drawing mainly consists from an outer housing 1 with a conical flame tube 2 arranged radially spaced therein.
Über seitlich im Außengehäuse 1 angeordneten Zustromöffnungen 3 und 4, denen Luftführungskanäle 5 und 6 vorgeschaltet sind, wird der zwischen Flammrohr 2 und Äußengehäuse 1 liegende, im wesentlichen ringförmige Zwischenraum 7 mittels Verdichterluft eines nicht weiter dargestellten Gasturbinentriebwerks beaufschlagt. Die Verdichterluft kann gegebenenfalls über einen Abgaswärmetauscher mittels eines Teils der im Turbinen-Via inlet openings arranged laterally in the outer housing 1 3 and 4, which are preceded by air ducts 5 and 6, the one between the flame tube 2 and the outer casing 1, substantially annular space 7 by means of compressor air of a gas turbine engine, not shown in detail applied. The compressor air can optionally over an exhaust gas heat exchanger by means of part of the turbine
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abgasstrom enthaltenen Wärme vorgewärmt der Brennkammer zugeführt werden.Exhaust gas stream contained heat are supplied to the combustion chamber preheated.
Über eine der Reihe nach - von links nach rechts - erste, zweite, dritte und vierte Lochreihe 8 bzw. 9 bzw. 10 bzw. 11 ist der Zwischenraum 7 mit dem Flammrohrinneren verbunden.About one after the other - from left to right - first, second, third and fourth row of holes 8 or 9 or 10 or 11, the space 7 is connected to the interior of the flame tube.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist das Flammrohr 2 ein sich in Richtung der Hauptströmung konisch erweiterndes, rotationssymmetrisches Bauteil; hierbei sind die Lochreihen 8, 9, 10, 11 des Flammrohrs 2 so ausgelegt und angeordnet, daß sich das Reaktionsvolumen - vorzugsweise auch mit Rücksicht auf eine zunehmende Brennstoffmenge - kontinuierlich über bzw. entlang des Flammrohrs 2 ausbreiten soll.As can be seen from the drawing, the flame tube 2 is a rotationally symmetrical one that widens conically in the direction of the main flow Component; here the rows of holes 8, 9, 10, 11 of the flame tube 2 are designed and arranged so that that the reaction volume - preferably also taking into account an increasing amount of fuel - continuously increases or decreases to spread along the flame tube 2.
Weiter soll das Flammrohr 2 aus einem hochtemperaturbeständigen keramischen Werkstoff gefertigt sein.Furthermore, the flame tube 2 should be made of a high-temperature-resistant ceramic material.
Zweckmäßig sollen die Lochreihen des Flammrohrs 2 so ausgelegt und angeordnet sein, daß mindestens drei aufeinanderfolgende Reaktionszonen I, II, III gebildet sind. Die für die Mischzone M bereitzustellende Luftmenge wird etwa zur Hälfte über die Lochreihe 10 sowie gänzlich über die Lochreihe 11 2W" geführt.Appropriately, the rows of holes of the flame tube 2 should be designed and arranged so that at least three consecutive Reaction zones I, II, III are formed. The amount of air to be provided for the mixing zone M is about half over the row of holes 10 as well as completely over the row of holes 11 2W " guided.
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Wie anhand der Lochreihen 8 für die Reaktionszone I verdeutlicht, sollen die Bohrungen auch jeder übrigen Lochreihe im Flammrohr 2 so über dessen Umfang verteilt angeordnet sein, daß sich immer zwei Bohrungen des Flammrohrs einander genau gegenüberliegen, wodurch aufgrund der im Flammrohr aufeinandertreffenden Luftstrahlen L jeder Lochreihe, z.B. 8, etwa die Hälfte der pro Lochreihe zugeführten Gesamtluftmenge gegen die Hauptströmung in der Brennkammer ins Flammrohr abströmt, (Pfeile 0, während die andere Hälfte (Pfeile P) der z.B. über die Lochreihe 8 zugeführten Gesamtluftmenge in Richtung der Hauptströmung in der Brennkammer ins Flammrohr abströmt. Die Reaktxonswirbel in der Reaktionszone I sind mit W bezeichnet. As illustrated by the rows of holes 8 for reaction zone I, the holes should also be in every other row of holes in the Flame tube 2 be arranged distributed over its circumference that two bores of the flame tube are always exactly one another opposite each other, whereby due to the air jets L meeting each other in the flame tube, each row of holes, e.g. 8, approximately the Half of the total amount of air supplied per row of holes flows against the main flow in the combustion chamber into the flame tube, (Arrows 0, while the other half (arrows P) of the total amount of air supplied e.g. via the row of holes 8 in the direction of the Main flow in the combustion chamber flows into the flame tube. The reaction vortices in reaction zone I are designated by W.
Die Forderung nach einer gleichförmigen Wandtemperatur des Flammrohrs 2 bzw. der Brennkammer wird weiter dadurch unterstützt, daß die Bohrungen zweier benachbarter Lochreihen, z.B. 8 und 9, vorzugsweise immer gleichförmig zueinander versetzt angeordnet sind.The requirement for a uniform wall temperature of the flame tube 2 or the combustion chamber is further supported by that the bores of two adjacent rows of holes, e.g. 8 and 9, are preferably always uniform to one another are arranged offset.
Im Rahmen der Erfindung kann ferner sowohl das Außengehäuse als auch das Flammrohr- 2 aus einem hochtemperaturbeständxgen keramischen Werkstoff gefertigt sein.In the context of the invention, both the outer housing as well as the flame tube 2 made of a high temperature resistant ceramic material.
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•Erfindungsgemäß können zweckmäßig weiter das keramische Flammrohr und/oder das keramische Außengehäuse der Brennkammer aus infiltriertem SiC (Silizium-Carbid) sowie durch isostatisches Pressen hergestellte Bauteile sein. Dies wirkt sich besonders auf die Thermoschockbeständigkeit der Brennkammer vorteilhaft aus.• According to the invention, the ceramic flame tube and / or the ceramic outer housing of the combustion chamber can also expediently made of infiltrated SiC (silicon carbide) as well as components manufactured by isostatic pressing. This works particularly beneficial to the thermal shock resistance of the combustion chamber.
Wie weiter aus der Zeichnung ersichtlich, ist stromabwärtig an das konische· Flammrohr 2 ein zylindrisches, ebenfalls aus kferamik^jefertigtesi Rohrteil 21 angesetzt, in welchem ein Abströmkonus 12 angeordnet ist, von dem aus die erzeugten Verbrennungsgase in Pfeilrichtung T beispielsweise einer nicht weiter dargestellten Verdichterantriebsturbine des Gaserzeugers des Gasturbinentriebwerks zugeführt werden können. As can also be seen from the drawing, a cylindrical tube part 2 1 , also made of ceramic material, is attached downstream of the conical flame tube 2, in which an outflow cone 12 is arranged, from which the combustion gases generated in the direction of arrow T, for example one not shown further Compressor drive turbine of the gas generator of the gas turbine engine can be supplied.
Der Brennkammerkopf 13 der Brennkammer wird im wesentlichen von einer mit dem Außengehäuse verschraubten Platte 14 gebildet, v;elche einen zumindest teilweise ringartig ausgebildeten Zentralkörper 15 trägt, in welchem - achsmittig mit der Brennkammerlängsachse zusammenfallend - eine Brennstoffeinspritzdüse 16 sitzt.The combustion chamber head 13 of the combustion chamber is essentially formed by a plate 14 screwed to the outer housing, v; which carries an at least partially ring-like central body 15 in which - axially centered with the longitudinal axis of the combustion chamber coincident - a fuel injector 16 is seated.
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Beiderseits der Brennstoffeinspritzdüse 16 sind eine Zündkerze 17 sowie eine Kühllufteinblasvorrichtung 18 für die metallischen Bauteile, z.B. 15, 19, 21 angeordnet. Diese Geräte 16, 17 und 18 stehen über entsprechende öffnungen einer Zwischenplatte 19 mit dem Flammrohr 2 in Verbindung. 20 und 21 sind Haltestücke des Flammrohrs 2 an der Platte-/?1 bzw. am Brennkammerkopf 13.A spark plug 17 and a cooling air injection device 18 for the metallic components, for example 15, 19, 21, are arranged on both sides of the fuel injection nozzle 16. These devices 16, 17 and 18 are connected to the flame tube 2 via corresponding openings in an intermediate plate 19. 20 and 21 are holding pieces of the flame tube 2 on the plate /? 1 or on the combustion chamber head 13.
Das glattwandige konische Flammrohr 2 der Brennkammer vermeidet im übrigen weiter die bei herkömmlichen Brennkammern durch scharfe Ecken und Bögen verursachten Temperatur- und Spannungsspitzen sowie die örtliche Ausbildung von Brennstoffnestern, die nicht nur zu örtlichen Übertemperaturen sondern auch zu Brennstoffverkokungen und damit verbundener Rußbildung führen können.The smooth-walled conical flame tube 2 of the combustion chamber furthermore avoids that of conventional combustion chambers sharp corners and arcs caused temperature and voltage peaks as well as the local formation of fuel nests, which not only lead to local excess temperatures but also can lead to fuel coking and the associated soot formation.
Von der insgesamt dem Flammrohr 2 über die Lochreihen 8, 9, 10, 11 zuzuführenden Luft entfallten vorzugsweise 30 % auf die Lochreihe 8, 18 % auf die Lochreihe 9, 22 % auf die Lochreihe 10 und.30 % auf die Lochreihe 11.From the total of the flame tube 2 via the rows of holes 8, 9, 10, 11 air to be supplied preferably accounted for 30% on row 8, 18% on row 9, 22% on row 10 and 30% on row 11.
Die Erfindung ermöglicht die Schaffung einer keramikgerechten Brennkammer ohne die sonst bei metallischen Brennkammern übliche Flammrohrkühlung.The invention enables the creation of a ceramic-compatible combustion chamber without the need for metal combustion chambers usual flame tube cooling.
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Mit Ausnahme der erwähnten Kühlung an der Brennkammer - bzw. Flaminrohrkopfseite für die metallischen Bauteile kommt die gesamte dem Flammrohr 2 zuzuführende Luft dem Verbrennungsprozeß zu gute.With the exception of the mentioned cooling on the combustion chamber or flame tube head side for the metallic components all of the air to be supplied to the flame tube 2 is too good for the combustion process.
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October 19, 1978
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