DE2845619A1

DE2845619A1 - Verbrennungseinrichtung fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2845619A1
Application number: DE19782845619
Authority: DE
Inventors: Bryn Jones; Sidney Edward Slattery
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1977-10-21
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1979-04-26
Also published as: US4271675A; DE2845619C2; JPS5477819A; IT1099412B; FR2406726A1; JPS5826498B2; GB2006881B; FR2406726B1; GB2006881A; IT7828914A0

Description

P-äienianwälte DiρI.-1ηg. Curt WaIFacn

/ Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 19- Oktober 1978

Unser Zeichen: l6 405 - K/Ap

Anmelder: Rolls-Royce Limited

Buckingham Gate
London SWlE 6AT
Großbritannien

Bezeichnung: Verbrennungseinrichtung für ein

Gasturbinentriebwerk

17/0898

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungseinrichtung zu schaffen, die verminderte Mengen schädlicher Abgasemissionen des Triebwerks liefert, beispielsweise Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe.

Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Emissionen können durch sorgfältige Steuerung des Brennstoff/Luftgemisches auf einen annähernd stoichiometrischen Wert begrenzt werden, wobei die Abgasprodukte im wesentlichen nur Kohlendioxid und Wasser sind.

Die Erzeugung von Stickoxiden hängt von einer Zahl von Faktoren ab und u.a. von der Verbrennungstemperatur (je höher die Temperatur, desto höher ist die Verbrennungsrate von Sauerstoff und Stickstoff, die in den Gasen vorhanden sind) und auch von der Dauer, während der die Gase innerhalb der Brennkammer auf dieser Temperatur gehalten werden.

Stickoxide können dadurch vermindert werden, daß die Verbrennungstemperatur abgesenkt wird und daß man für eine wirksame Verbrennung sorgt, oder indem die Verweilzeit der Verbrennungsprodukte in der Brennkammer vermindert wird.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Verbrennungstemperatur durch Einführung von mehr Luft in die Primärbrennzone abzusenken, wobei die abgekühlten Abgasprodukte oder Dampf in der Primärbrennzone rezirkulieren, oder indem Wasser in die Primärbrennzone eingespritzt wird, und all diese Methoden senken die Verbrennungstemperaturen ab. Diese Methoden erfordern jedoch gewöhnlich komplexe schwere zusätzliche Konstruktionen im Triebwerk, z.B. Brennkammern variabler Geometrie, Gebläse, Pumpen oder Wasserspeichertanks und eine geeignete Zumeß- und Injektionseinrichtung. Außerdem kann durch eine solche Temperaturverminderung die

909817/08 98

Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emission erhöht werden. Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, diese Emissionen durch sorgfältige Steuerung des Brennstoff/Luftgemisches zu vermindern, das in die Brennkammern eingeführt wird und eine wirksame Verbrennung dieses Gemisches zu gewährleisten.

Gemäß der Erfindung weist die Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk einen hohlen konischen Körper auf, der an beiden Enden offen ist und einen Lufteinlaß und eine Brennstoffeinspritzeinrichtung am schmaleren Ende besitzt, wobei eine Vielzahl von Öffnungen in der Wand des konischen Bauteils angeordnet ist, durch die Luft einströmen kann, wobei diese Öffnungen tangential in den konischen Bauteil so einmünden, daß eine Verwirbelung auf eine innerhalb des konischen Bauteils befindliche Mischung erzeugt wird.

Die Öffnungen können die Gestalt von Schlitzen oder Löchern haben.

Es können Verwirbelungsmittel benachbart zu dem schmaleren Ende des konischen Körpers angeordnet werden, um eine Verwirbelung in der Luftströmung vor der Brennstoffeinspritzeinrichtung zu erzielen.

Die durch die Verwirbelungsmittel erzeugte Verwirbelung verläuft vorzugsweise in Gegenrichtung zu der Verwirbelung, die durch die Löcher bewirkt wird.

Es können zwei Gruppen von Öffnungen vorgesehen werden, die eine Verwirbelung auf die Mischung innerhalb des konischen Bauteils bewirken, und zwar bewirkt jede Gruppe eine Verwirbelung im umgekehrten Sinne.

Die Erfindung umfaßt auch ein Gasturbinentriebwerk mit einer

909817/0898

Verbrennungseinrichtung gemäß dieser Beschreibung.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Verbr ennungs einr ichtung;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffbrenners;

Fig. 5

und 4 in größerem Maßstab perspektivische Ansichten unterschiedlicher Ausführungsformen von Brennern;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Brennstoffinjektors.

Das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk weist einen Lufteinlaß 10, einen Kompressor 12, eine Verbrennungseinrichtung 14, eine Turbine 16, ein Strahlrohr 18 und eine Abgasdüse 20 auf, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.

Die Verbrennungsvorrichtung weist ein ringförmiges Flammrohr auf, an dessen stromoberseitigen Ende zwei Gruppen von Brennern 24 und 26 angeordnet sind, von denen jede Gruppe in Umfangsrichtung um die stromaufwärtige Wandung des Flammrohres 22 herum liegt.

Einer der Brenner 24 ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt und er besteht aus einem konischen Körper, dessen breiteres Ende

909817/0898

28A5619 - ψ

sich in das Flammrohr 22 öffnet und aus einem Brennstoffinjektor 29, der am stromaufwärtigen schmaleren Ende des konischen Körpers

28 angeordnet ist. Der Brennstoffinjektor 29 wird von einer Verwirbelungseinrichtung 30 umgeben, die sehraubenlinienförmige Leitschaufeln 32 aufweist, die zwischen dem Brennstoffinjektor

29 und einer Hülse 3I verlaufen. Radiallöcher 3²J-* die im Ende des Injektors 29 ausgebildet sind, injizieren Brennstoff radial nach außen unmittelbar stromab der Verwirbelungsschaufeln 32.

Um den konischen Körper 28 herum sind mehrere Schlitze 36 angeordnet, die Luft progressiv in den konischen Körper eintreten lassen. Diese Schlitze sind tangential zu dem kreisförmigen konischen Körper derart angeordnet, daß ein gewisses Maß an Verwirbelung der Mischung aufgeprägt wird, die aus dem stromaufwärtigen Ende des konischen Körpers in Gegenrichtung zu der Wirbeleinrichtung 30 austritt. Die Schlitze 36 begünstigen die Vermischung von Luft und Brennstoff und dienen dazu, den Brennstoff von der inneren Oberfläche des konischen Körpers fern zu halten und der Mischung,die in die Brennzone des Flammrohres 22 austritt, eine gewisse Verwirbelung aufzuprägen. Die gegensinnige Drehung, die durch die Wirbelschaufeln 32 bzw. die Schlitze 36 erzeugt werden, verzögern die Ausbreitung des Brennstoffs in genügender Weise innerhalb des konischen Körpers 28, um eine brennstoffreiche Kernströmung in der Mitte des konischen Körpers 28 zu erhalten, die zu reich bei Vollastbedingungen des Triebwerks ist, jedoch eine Region einer stabilen Verbrennung innerhalb des konischen Körpers 28 bei sehr mageren Mischungen liefert.

Um diese Kernverbrennung zu erreichen, stehen Brennstoffinjektor 29 und Hülse 31 in das Innere des konischen Körpers 28 bis etwa um den halben Durchmesser der Hülse 31 ein, um zu verhindern, daß die Luftströmung durch den Bretmstoffinjektor an den inneren Oberflächen des konischen Körpers 28 anhaftet. Eine Gleitdichtung

909817/0898

38 ist um die Außenseite der Hülse 3I geführt, um eine Anpassung an differentielle Ausdehnung des Flammrohres 22 relativ zu dem Brennstoffinjektor zu ermöglichen.

Die durch die Schlitze 36 hindurchtretenden Luftstrahlen dringen in das Innere des konischen Körpers 28 ein und werden auf allen Seiten der brennstoffreichen Mischung ausgesetzt. Jeglicher Brennstoff, der auf den Innenwänden des konischen Körpers 28 abgesetzt ist, wird von den Rändern der Schlitze 36 wieder versprüht.

Die Anordnung verhindert wirksam brennstoffreiche Taschen von einer Brennstoffmischung, die die Bildung von Kohlenmonoxiden bei Schwachlastbedingungen des Triebwerks begünstigt und demgemäß auch unerwünschte Abgasemissionen, die unter diesen Arbeitsbedingungen im wesentlichen vermieden werden können.

Fig. 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem die Schlitze 36 nach Fig. 2 durch kreisförmige Löcher 40 ersetzt sind. Die durch die Löcher 4-0 strömende Luft begünstigt eine schnelle Vermischung infolge der ausgedehnten Scheroberflächen der Luftstrahlen, die durch die Luftströmung durch die Löcher 40 erzeugt wird, die in den konischen Teil 28 eintritt. Die Löcher 40 sind so geformt, daß eine Tangentialkomponente der Geschwindigkeit der Luftstrahlen aufgeprägt wird, die in den konischen Teil 28 eintreten, wie dies auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der Fall war. Die Zahl der Löcher wird derart optimiert, daß ein korrekter stoichiometrischer Wert in der Primärzone des Flammrohres 22 erreicht wird. Allgemein liefert eine Winkelanstellung zwischen 18° und 30° eine zufriedenstellende Brennstoffdispersion. Der Durchmesser der Löcher muß groß genug sein, um eine ordnungsgemäße Strahldurchdringung zu erreichen und beträgt im typischen Fall 5$ des Auslaßdurchmessers des konischen Bauteils. Da die Luftrichtung durch den Lochdruchmesser und die

90 9 8 17/0898

Dicke des konischen Bauteils gesteuert wird, würde ein übermäßig großer Luftdurchmesser einen dicken, schweren, konischen Bauteil erfordern, was bei der Anwendung in Flugtriebwerken ungünstig wäre.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.

Fig. 4 zeigt ein konisches Bauteil 28 mit zwei Gruppen von Schlitzen 42 und 44, und diese Schlitze sind tangential zu dem konischen Bauteil angeordnet, aber um eine entgegengesetzte Drehung innerhalb des konischen Bauteils zu erlangen, wird bei dieser Ausführungsform die Primärzonenströmung, die in das Flammrohr 22 eintritt, durch Reduktion des Gesamtwinkelmomentes des Ausflusses des konischen Bauteils modifiziert. Die Rezirkulation der Mischung kann unschädlich gemacht werden, ohne die Flamme zu löschen, weil eine extrem hohe Turbulenz erzeugt wird. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, eine gute Flammrohr-Primär mi schz one zu schaffen, die eine geringe Verweilzeit ergibt, mit einer hieraus resultierenden Reduktion in der Erzeugung von Oxiden oder Stickstoff. Es ist gewöhnlich nicht möglich, eine Kernverbrennung bei mageren Mischungen mit dieser Ausführungsform zu erlangen und die Hülse 31 steht nicht in das Innere des konischen Bauteils 28 vor.

Eine Kombination der Brennergruppen gemäß Fig. 2 und 3 und einer Gruppe von Brennern gemäß Fig. 4 ermöglicht eine Stufenverbrennung, bei der die erste Type von Brennern eine Verbrennung bei Schwachlast bewirkt, und die zweite Gruppe von Brennern die Verbrennung bei Hochlastbedingungen des Triebwerks übernimmt mit einer hieraus resultierenden Reduktion der Emission von Kohlenwasserstoffen, Oxiden und Stickstoff.

Es können verschiedene weitere Abwandlungen der Verbrennungs-

909817/0898

einrichtung getroffen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So könnten beispielsweise die Schlitze und Löcher, die in den Figuren dargestellt sind, durch irgendwelche öffnungen geeigneter Gestalt ersetzt werden.

Die Erfindung ist auch anwendbar für Verbrennungseinrichtungen, die aus mehreren getrennten, in Umfangsrichtung angeordneten Flammrohren bestehen.

Fig. 5 zeigt eine gegenüber den Figuren 1 bis 4 abgewandelte Ausführungsform eines Brennstoffinjektors 29. Der Durchmesser des Körpers 50 des BrennstoffInjektors 29 steigt graduell nach dem stromabwärtigen Ende an, und der Körper 50 wird von einer Hülse 52 umgeben, deren Innendurchmesser ebenfalls nach dem stromabwärtigen Ende zunimmt. Der ringförmige Luftkanal 54 zwischen dem Körper 50 und der Hülse 52 ist demgemäß konisch und schwach konvergent. Der Körper 50 und die Hülse 52 sind durch axiale Schaufeln 54 verbunden.

Diese Ausbildung erlaubt eine noch gleichförmigere Verteilung der Brennstoff/Luftmischung in dem konischen Bauteil 28 als durch die Verwirbelungsvorrichtung 29 der anderen Ausführungsbeispiele erreicht wird, wodurch ein Mischungskonus erzeugt wird, dessen Richtung genau gesteuert werden kann.

909817/0898

Leerseite

Claims

Paierrianwälte Dipl.-I ng. C U rt Wal lach Dipl.-Ing. 6ünther Koch

2845619 Dipl.-Phys.Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 19. Oktober 1978

Unser Zeichen: 16 405 - K/Ap

Patentansprüche

Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen konischen Hohlkörper aufweist, der an beiden Enden offen ist und einen Lufteinlaß und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung benachbart zu dem schmaleren Ende besitzt, und daß mehrere Öffnungen in der Wandung des konischen Körpers angeordnet sind, um Luft hindurchtreten zu lassen, wobei die Öffnungen tangential in den konischen Bauteil hinein gerichtet sind, um der Mischung innerhalb des konischen Bauteils eine Verwirbelung aufzuprägen.
2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i chnet, daß der Lufteinlaß Luftverwirbelungsmittel stromauf der Brennstoffeinspritzvorrichtung aufweist, und daß die durch die Luftverwirbelungsmittel erzeugten Wirbel in Gegenrichtung zu den Wirbeln umlaufen, die durch die öffnungen im konischen Bauteil erzeugt werden.

909817/0898 ·/·

Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Bauteil zwei Gruppen von öffnungen aufweist, und daß jede Gruppe der Mischung innerhalb des konischen Bauteils eine Verwirbelung aufprägt, die im Gegensinn zu jenen Wirbeln umlaufen, die durch die andere Gruppe von öffnungen erzeugt werden.

Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein hohler konischer Bauteil vorgesehen ist, der an beiden Enden offen ist, wobei das breitere Ende den Auslaß des konischen Bauteils bildet und so angeordnet ist, daß er am stromaufwärtigen Ende einer Brennkammer festlegbar ist, daß das schmale Ende einen Brennstoffinjektor aufweist, der durch das schmale Ende in den konischen Bauteil einsteht, und daß ein ringförmiger Lufteinlaß durch den Brennstoffinjektor und eine Hülse gebildet wird, daß Luftverwirbelungsmittel zwischen dem Brennstoffinjektor und der Hülse angeordnet sind, daß die Wand des konischen Bauteils mit einer Vielzahl von löchern ausgestattet ist, die tangential in den konischen Bauteil hinein verlaufen, um eine Verwirbelung auf das Brennstoff-Luftgemisch innerhalb des konischen Bauteils auszuüben, und daß die durch die öffnungen erzeugten Wirbel im Gegensinn zu jenen Wirbeln umlaufen, die durch die Luftverwirbelungsmittel erzeugt wurden.

309817/0898