DE2932378A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-ing. Cu rt Wal Iach

Dipl.-Ing. Günther Koch

2932378 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

„C. Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

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

Datum: 9. AUgUSt 1979

Unser Zeichen: 16 688 - K/Ap

Anmelder: Rolls-Royoe Limited

Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Bezeichnung: Brennkammer für Gasturbinentriebwerke

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Me Erfindung besieht sich auf eine Brennkammeranordnline insbesondere zur Benutzung in Verbindung Hit Gasturbinentriebwerken und die Erfindung befaßt sich «it des Problem, derartige Brennkammern «it geringwertigen Brennstoffen su versorgen, beispielsweise mit Sieseikraftstoffen, wob·! Jedoch die Emissionen von Rauch oder Kohlenstoffpartikeln auf annehmbaren Werten bleiben. Es sind sahireiche Verfahren zur Steuerung von Bauch oder Kohlenstoffpartikeln vorgeschlagen und geprüft worden, um z. B. sehr hohe Verbreonungstemperaturen su erreichen, wobei ein relativ geringes Brennstoff/Luft-Gemisch in der Frimärsone benutzt wird und eine stufenweise Brennst off injektion erfolgt und eine Verbesserung der Vermischung von Brennstoff und Luft in der Frimärsone vorgenommen wird, um eine bessere homogenere Brennstoff /Luft-Mischung herbeizuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer mit einer verbesserten Vorrichtung zu schaffen, durch die Brennstoff und Luft in der Frimärsone der Brennkammer vermischt werden·

Die Erfindung geht aus von einer Brennkammeranordnung für ein Gasturbinentriebwerk mit wenigstens einer Brennkammer, wobei die Brennkammer ein geschlossenes stromaufwärtige· Ende und ein offenes stromabwärtiges Ende besitzt und Einlasse in den Wänden vorgesehen sind, um Verdiinnungeluft einströmen su lassen.

Bei einer derartigen Brennkammeranordnung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das geschlossene

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stromaufwärtige Ende einen Ring von in Umf angsrichtung angeordneten Frimärlufteinlässen und wenigstens eine Brennst off einlaßöffnung besitzt, wobei die Brennstoffeinlaßöffnung bzw. die -öffnungen so angeordnet sind, daß sie einen Brennstoffinjektor aufnehmen und jede Primärlufteinlaßöffnung Mittel besitzt, um eine Wirbelbewegung auf die Primärluft auszuüben, wobei der Ring von Frimärlufteinlässen wenigstens einer Brennstoffeinlaßöffnung zugeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Anordnung, bei welcher ein ringförmiger Brennkammeraufbau benutzt wird, besitzt das geschlossene stromaufwärtige Ende einen Ring von in Umfangsrichtung verlaufenden Frimärlufteinlässen, zwischen denen jeweils die Brennstoffeinlaßöffnungen liegen, die ebenfalls ringförmig im Abstand angeordnet sind, wobei jede Brennstoffeinlaßöffnung einen Brennstoffinjektor aufweist und jede Primärlufteinlaßöffnung Mittel besitzt, um eine Wirbelbewegung dieser Primärluft aufzuprägen, und wobei eine oder mehrere Primärlufteinlaßöffnungen zwischen jeweils zwei Brennstoffeinlaßöffnungen angeordnet sind.

Zweckmäßigerweise sind jeweils zwei Primärlufteinlaßöffnungen zwischen jeweils zwei Brennstoffeinlaßöffnungen vorgesehen und die Frimärluftverwirbelungsvorrichtungen können aus mehreren im Winkel angestellten Schaufeln bestehen.

Die Terwirbelungseinrichtung kann so angeordnet sein, daß die Drehrichtung der verwirbelten Primärluft für jede Lufteinlaßöffnung die gleiche ist, oder die Yerwirbelungsvorrichtungen können so angeordnet sein, daß die Drehrichtung der Terwirbelungsluft eines !Teils der Einlaßöffnungen

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entgegengesetzt zu der Drehrichtung der Primärluft verläuft, die aus den.übrigen Einlaßöffnungen austritt·

Jeder Primärlufteinlaß kann eine Ablenkeinrichtung aufweisen, die sowohl den Winkel, unter dem die Primärluft im verwirbelten Zustand in die Brennkammer eintritt, als auch die Ausbreitung der Hasse der verwirbelten Primärluft steuert.

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

Fig. 1 eine Ansicht einer gemäß der Erfindung aufgebauten Brennkammer,

Pig. 2 in kleinerem Maßetat» einen Teilschnitt nach der Linie 2-2 gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 3 gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 4 gemäß

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 4, Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie C-C gemäß Fig. 3, Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie D-D gemäß Fig. 3t

Fig. 8 eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungs gemäßen Brennkammer.

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Die ringförmige Brennkammer 10 für ein nicht dargestelltes Gasturbinentriebwerk umfaßt ein geschlossenes stromaufwärtiges Ende 12, ein offenes stromabwärtiges Ende 14 und mehrere Einlasse 16 in den Wänden 18 zum Einlaß der Verdünnungsluft .

Das stromaufwärtige Ende 12 besitzt einen Sing aus in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Frimärlufteinlaßöffnungen 20, die mit Brennstoffeinlaßöffnungen 22 abwechseln, in denen (jeweils ein Luftstrahl-Brennstoffinjektor 24 angeordnet ist, die lediglich schematisch dargestellt sind.

Jede Primärlufteinlaßöffnung 20 besitzt eine Verwirbelungsvorrichtung 26, die eine Wirbelbewegung auf die Primärluft ausübt, wenn diese in die Brennkammer eintritt. Sämtliche Verwirbelungsvorrichtungen 26 in Gestalt von Wirbelschaufeln prägen der Primärluft die gleiche Drehrichtung auf.

Jede Verwirbelungsvorrichtung besitzt mehrere im Winkel angestellte Schaufeln 26, die von einem Ring 30 getragen werden, der einen zentralen Ansatz 32 mittels dreier Arme 34 trägt. Ein Ablenkkörper 36 ist einstellbar auf einem Bolzen 38 gelagert, der in den Ansatz 32 eingeschraubt ist.

Die Lufteinlaßöffnungen 20 und die Brennstoffeinlaßöffnungen 22 sind in Aufbauten 40 angeordnet, die jeweils eine Einlaßöffnung 22 aufweisen, welche von einer Lufteinlaßöffnung 20 auf jeder Seite flankiert ist.

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Venn die Aufbauten zusammengebaut werden, um das stromaufwärtige Ende 12 der Brennkammer zu bilden, dann sind jeweils zwischen benachbarten BrennstoffeinlaBöffnungen Je zwei Lufteinlaßöffnungen vorgesehen·

Jeder Aufbau 40 (vgl. insbesondere die Pig. 3, 4- und 5) weist eine Grundplatte 4-2 und eine Frontplatte 44- auf, die zwischen sich eine Füllkammer 46 definieren. Me Grundplatte 42 besitzt mehrere Öffnungen 48, durch die Kühlluft in die Füllkammer einströmen und so die Platte 44- kühlen kann. Dann tritt die Kühlluft aus der Füllkammer über eine große Zahl von Löchern 50 aus, die einen relativ kleinen Durchmesser besitzen.

Im Betrieb tritt Brennstoff zusammen mit unverwirbelter Luft in die Brennkammer durch die Brennstoff Injektoren 24 ein und Primärluft vom Kompressor des Triebwerks tritt durch die Terwirbelungsvorrichtung 26 ein. Der Brennstoff eines jeden Injektors wird plötzlich mit der Hasse der Verwirbelungsluft fortgeführt, die durch die Verwirbelungsvorrichtungen auf beiden Seiten eintritt. Wegen der 7erwirbelungsvorrichtungen dreht sich die Primärluft in der gleichen Sichtung und der Brennstoff von jedem Injektor sucht sich in zwei feile aufzuteilen, nämlich ein Teil wird mit der Primärluft abgeführt, die auf einer Seite dee Brennstoff Injektors eintritt, und der andere Teil wird mit der Primärluft fortgeführt, die auf der anderen Seite des Brennst off Injektors eintritt. Dies geht anschaulich aus Fig. 3 hervor. Diese Figur zeigt, daß die linke Verwirbelungsvorrichtung den Brennstoff von der linken Seite des Brennstoff Injektors aufzunehmen sucht und diesen nach der Innenwand der Brennkammer richtet, während die recht·

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Verwirbelungsvorrichtung den Brennstoff von der rechten Seite des BrennstoffInjektors aufzunehmen sucht und Ihn nach der Außenwand der Brennkammer richtet. Brennstoff und Luft werden auf diese Weise in einer relativ kurzen Zeit und auf einem relativ kleinen Volumen innig vermischt.

Die Ablenkkörper 36 bewirken auch eine Steuerung des Winkels, mit dem die verwirbelte Hasse von Primärluft in die Brennkammer eintritt, und der Ablenkkörper dient auch dazu, die stromabwärtige Ausbreitung der Frlmärluft zu begrenzen. Dies wird durch einen Momentenausgleich von Wirbelluftströmung und Ablenkluftströmung erreicht durch Einstellung des Auslaßspaltes X (Fig. 6) des Ablenkkörpers, was dazu führt, da£ ein größerer Verwirbelungsaustrittswinkel sich einstellt mit der Folge.einer großen Luft/ Brennstoff-Scherfläche in einem sehr kurzen stromabwärtigen Abstand. Die Ablenkkörper unterstützen zwar die Steuerung der Primärluft, sind jedoch für eine befriedigende Arbeitsweise nicht unbedingt notwendig und können gegebenenfalls weggelassen werden. Die Benutzung der Ablenkkörper für die Zwecke der beschriebenen Steuerung ist jedoch äußerst nützlich und es können bei gegebener Verwirbelungsoberfläche größere Luftmengen in einer kurzen Zeit bei relativ kleinem Volumen vermischt werden, d. h. dicht am stromaufwärtigen Ende der Brennkammer und infolgedessen dicht benachbart zu den Brennstoffeinspritzpunkten.

Eine Brennkammer gemäß der Erfindung arbeitet, wie sich gezeigt hat, mit Dieselbrennstoff,ohne schwarzen Bauch bei Irgendeiner Leistungseinstellung zu erzeugen oder ohne weißen Bauch zu erzeugen, wenn das Triebwerk im Leerlauf lauft, wobei jedoch die Wirksamkeit der Verbrennung bei

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Leerlauf verbessert wird.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit* einen Ausführungsbeispiel beschrieben, das zwei LufteinlaßSffnungen zwischen zwei benachbarten Brennstoffeinlaßöffnungen besitzt. Die Zahl der Primärlufteinlaßöffnungen »wischen zwei benachbarten Brennstoffeinlaßöffnungen kann jedoch zwecks Anpassung an die Jeweiligen Verhältnisse geändert werden, vorausgesetzt, daß wenigstens eine PrimärlufteinlaSdffnung zwischen zwei benachbarten Brennstoffeinlaßöffnungen vorgesehen ist.

Im folgenden wird auf Fig. 8 der Zeichnung Bezug genommen. Hierbei ist die Erfindung dargestellt in Verbindung mit einer Brennkammer mit ringförmiger Anordnung von Flammrohren, bei der die Zahl der einzelnen zylindrischen Brennkammern 100 (Flammrohren) innerhalb eines Binges 102 liegt, der durch eine Innenwand 104 und eine Außenwand definiert wird. Jede Brennkammer 100 besitzt ein geschlossenes stromaufwärtiges Ende und ist mit einer zentralen Brennstoffeinlaßöffnung 108 versehen, in der ein Brennstoff injektor 110 angeordnet ist, und es sind mehrere in gleichem Abstand zueinander angeordnete Lufteintrittsoffnungen 112 vorgesehen, die jeweils mit Kitteln 114 versehen sind, um eine Wirbelbewegung auf die einströmende Primärluft auszuüben.

Die Verwirbelungsvorrichtungen 114 können, wie in Verbindung mit dem obigen Ausführungsbeispiel beschrieben, ausgebildet und angeordnet sein, wobei die Arbeitsweise der Verwirbelungsvorrichtungen derart 1st, daß Brennstoff und Primärluft schnell innerhalb eines kurzen Abstandes vom

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stromaufwärtigen Ende der Brennkammer vermischt werden.

Die Richtung, in der die Wirbel der Primärluft sich drehen, ist die gleiche wie im Falle des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels. Venn es jedoch spezielle Umstände erfordern,kann eine Gruppe oder es können Gruppen von Verwirbelungsvorrichtungen die Primärluft in der Gegenrichtung zu der Luft der übrigen Gruppe oder der übrigen Gruppen drehen. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß jeder Brennstoff injektor keinen koaxialen VerwirbelungslufteinlaB besitzt, der dem Injektor zugeordnet ist, und in gleicher Weise besitzt kein Lufteinlaß nebst zugeordneter Verwirbelungsvorrichtungen einen zugeordneten koaxialen Brennstoffinjektor. Bas Wesen der Erfindung besteht demgemäß darin, daß die Lufteinlaßöffnungen und die Verwirbelungen in TJmfangsrichtung oder in Radialrichtung im Abstand von den Brennstoffeinspritzöffnungen und den Brennst of fin j ektoren liegen, wenn diese in Betrieb befindlich sind.

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Leerseite

Claims (9)

Patentanwälte D; d I. - !ng. Curt Wallach Dipl.-Ing, Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach 2932378 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 9' August 1979 Unser Zeichen: 16 688 K/Nu Patent ansprüche

1.yBrennkammeranordnung für ein Gasturbinentriebwerk mit -^ wenigstens einer Brennkammer, die ein geschlossenes stromaufwärtiges Ende und ein offenes stromabwärtiges Ende sowie Einlasse in den Brennkaamerwänden für die Verdünnungsluftströmung aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß das geschlossene stromaufwärtige Ende einen Ring von in Umfangsrichtung angeordneten Primärlufteinlaßöffnungen und wenigstens eine Brennstoffeinlaßöffnung besitzt, daß die Brennst of feinlaßöffnung bzw. die -öffnungen so angeordnet sind, daß sie einen Brennstoffinjektor aufnehmen, daß (jede Primärlufteinlaßöffnung Mittel aufweist, um der Primärluft eine Wirbelbewegung aufzuprägen, und daß der Hing von Primärlufteinlaßöffnungen mit wenigstens einer Brennstoffeinlaßöffnung versehen ist.

2. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, bestehend aus einer ringförmigen Brennkammer mit einem geschlossenen stromaufwärtigen Ende und einem stromab offenen Ende

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sowie Einlassen in den Wänden für die Yerdünnungaluftstr&mung, dadurch gekennzeichnet , daß das geschlossene stromaufwärtige Ende einen Hing von in Umfangsrichtung angeordneten Primärlufteinlaßöffnungen besitzt, die mit eine« Ring von Brennstoffeinlaßöffnungen abwechseln, wobei jede Brennstoffeinlaßöffnung so angeordnet ist, daß sie einen Brennet off injektor aufnimmt,und jede Frimärluft einlaBSffnung Mittel besitzt, ua eine Wirbelbewegung auf die Primärluft aufzuprägen, und daß eine oder mehrere Pri-Btärlufteinlaßöffnungen zwischen jeweils zwei Brennstoff einlaßöffnungen angeordnet sind.

3. Brennkammeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens zwei Pri-■arlufteinlaßöffnungen zwischen je zwei Brennstoff einlaßöffnungen vorgesehen sind·

4. Brennkammer anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur AufprS-gung einer Wirbelbewegung auf die Frimärluft aus einer Anzahl von im Winkel angestellten Schaufeln bestehen, die in jeder Primärlufteinlaßöffnung angeordnet sind.

5. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Aufpragung einer Wirbelbewegung auf die Frimärluft so angeordnet sind, daß die Frimärluft in jeder Primärlufteinlaßoffnung in der gleichen Sichtung rotiert.

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6. Brennkammer anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Aufprägen einer Wirbelbewegung auf die Primärluft so angeordnet sind, daß die Drehrichtung der verwirbelten Primärluft bei einigen der Primärluft ei nlaßSf fnungen der Drehrichtung der Primärluft der übrigen Brennstoffeinlaßöffnungen entgegengesetzt ist.

7· Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede Primärlufteinlaßöffnung einen Deflektor mit veränderbarer Fläche aufweist, durch den die Primärluft in die Brennkammer eintritt.

8. Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit ringförmigem Aufbau, dadurch gekennzeichnet , daß das geschlossene stromaufwärtige Ende mehrere in Umfangerichtung angeordnete Primärlufteinlaßöffnungen und mehrere in ümfangsrlchtung angeordnete Brennstoffinjektoröffnungen aufweist, daß ein Brennstoffinjektor in jeder Brennstoffinjektoröffnung angeordnet ist, daß jede Primäreinlaßöffnung Primärluftverwirbelungseinrichtungen aufweist, daß die Brennstoff injektor en und die Primärlufteinlaßöffnungen relativ zueinander so angeordnet sind, daß wenigstens zwei Primärlufteinlaßöffnungen zwischen jeweils zwei Brennstoffinjektoren angeordnet sind, daß die Primärluftverwittbelungsvorrichtungen so angeordnet sind, daß die Primärluft von jeder Primärlufteinlaßöffnung in der gleichen Drehrichtung verwirbelt wird, und daß die gesamte Primärluft, die durch die Einlaßöffnungen

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eintritt, verwirbelt wird, während die Luft, die in die Brennkammer über die Brennet off Injektoren eintritt, unverwirbelt ist.

9. Brennkammeraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ringförmiger Anordnung von Flammrohren zwischen einem äußeren und inneren Gehäuse, dadurch gekennzeichnet , daß Jedes Flammrohr einen zentralen Brennstoffinjektor aufweist, der in einer Brennst offinjektoröffnung im stromoberseitigen Ende der Kammer angeordnet ist, und daß mehrere im gleichen Vinkelabstand angeordnete Primärlufteinlaßöffnungen in dem Flammrohrkopf angeordnet sind und Jede Primärlufteinlaßöffnung eine zugeordnete Primärluftverwirbelungseinrichtung aufweist, die die Primärluft in der gleichen Richtung in Jeder Primärlufteinlaßöffnung rerwirbelt, und daß sämtliche Primärluft, die in das Flammrohr über die Einlaßöffnungen eintritt, verwirbelt wird, und daß die Luft, die in die Brennkammer über die Brennstoffinjektoröffnung eintritt, unverwirbelt bleibt.

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