DE2932378C2 - Brennkammer für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Solche Brennkammern sind aus der DE-OS 26 295 und der US-PS 38 34 159 bekannt. Bei diesen als Ringbrennkammern ausgebildeten Brennkammern sind drallerzeugende Luftzuführungen vorgesehen, von denen einige mit Brennstoffeinspritzdüsen bestückt sind. Bei der Brennkammer nach der DE-OS 19 26 295 sind mehrere in gleichem Abstand zueinander angeordnete Lufteinlässe vorgesehen, die sämtlich Wirbelschaufeln aufweisen, wobei jeweils jeder zweite Lufteinlaß einen Brennstoffinjektor aufnimmt, so daß um diesen Brennstoffinjektor herum verwirbelte Primärluft zugeführt wird. Bei der im Prinzip ähnlich ausgebildeten Brennkammer nach der US-PS 38 34 159 sind ebenfalls Luftverwirbelungsschaufeln um jeden Brennstoffinjektor herum angebracht, wodurch ebenfalls Brennstoff mit Luft zusammen in die Brennkammer gelangt.

Eine getrennte Anordnung der Luft- und Brennstoffzuführung bei einer zylindrischen Brennkammer ist zwar durch die GB-PS 6 58 136 bekannt, jedoch sind bei dieser Brennkammer die Drehrichtungen benachbarter Dralluftströme jeweils entgegengesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Brennkammern . dadurch zu verbessern, daß die Verteilung von Brennstoff und Luft zu einer homogenen Mischung auf einer axial kurzen Länge gewährleistet wird, wobei selbst bei Verwendung minderwertigerer Brennstoffe, wie z. B. Dieselöl, eine vollständige und rauchfreie Verbrennung erreicht wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Dadurch, daß der aus den Brennstoffinjektoren austretende Brennstoffstrahl, der nur von einer geringen unverwirbelten Lufthülle eingeschlossen ist, von den Drallströmungen der benachbarten Primäriufteinlaßöffnungen getroffen wird, wird der Brennstoff infolge der gleichen Drallriohtung der Luftströme an ίο gegenüberliegenden Stellen des Brennstoffstrahls in entgegengesetzten Richtungen rechtwinklig zur Achsverbindungslinie der Primärlufteinlaßöffnungen abgelenkt, wodurch eine intensive Vermischung und gleichmäßige Durchsetzung des Querschnitts auf einer relativ kurzen Strecke innerhalb der Brennkammer gewährleistet wird.

Der Erfindung liegt demgemäß die Erkenntnis zugrunde, daß daduich, daß man ein fettes Gemisch unverwirbelt in den Brennkammerraum eintreten läßt, eine günstigere Vermischung zustande kommt, als wenn der Brennstoff bereits in verwirbelter Form mit Primärluft zusammen in die Brennkammer eingespritzt wird, wie dies bei den bekannten Brennkammern der Fall ist.

Ai'f diese Weise wird eine homogene Brennstoff-Luftvermischung in der Primärzone der Brennkammer erreicht, wobei diese ringförmig oder auch zylindrisch ausgebildet sein kann, oder in ringförmiger Anordnung zylindrische Flammrohre aufweist.

Es hat sich gezeigt, daß diese Ausbildung selbst bei Verwendung von Dieselbrennstoff in allen Leistungsbereichen der schwarze Rauch vermieden werden kann und auch weißer Rauch unter Leerlaufbedingungen nicht feststellbar ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt einer gemäß der Erfindung aufgebauten Brennkammer,

F i g. 2 in kleinerem Maßstab einen Teilschnitt nach der Linie 2-2 gemäß F i g. 1,

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

F i g. 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 4 gemäß Fig. 1,

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie B-Bgemäß F i g. 4,

F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie C-C gemäß Fig. 3,

F i g. 7 einen Schnitt nach der Linie D-O gemäß Fig. 3,

F i g. 8 eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkammer.

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

Die stromaufwärtige Abschlußwand 12 besitzt einen Ring aus in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Primärlufteinlaßöffnungen 20, die mit Brennstoffinjektöreinlässen 22 abwechseln, in denen jeweils ein Brennstoffinjektor 24 angeordnet ist.

Jede Primärlufteinlaßöffnung 20 besitzt eine Verwirbelungsvorrichtung 26, die der Primärluft eine Wirbelbewegung aufprägt, wenn diese in die Brennkammer eintritt. Sämtliche Verwirbelungsvorrichtungen 26 prä-

gen der Primärluft einen Drall mit gleicher Drehrichtung auf.

Jede Verwirbelungsvorrichtung 26 weist mehrere im Winkel angestellte Schaufeln 28 auf, die von einem Ring 30 getragen werden, der einen zentralen Ansatz 32 mittels dreier Arme 34 trägt. Ein rotationssymmetrischer Ablenkkörper 36 ist einstellbar quf einem Bolzen 38 gelagert, der in den Ansatz 32 eingeschraubt ist

Die Lufteinlaßöffnungen 20 und die Brennstoffinjektoreinlässe 22 sind in Ringwandsegmenten 40 angeordnet, die jeweils einen Injektoreinlaß 22 aufweisen, welcher von je einer Lufteinlaßöffnung 20 auf jeder Seite flankiert ist.

Wenn die Ringwandsegmente zusammengebaut sind, bilden sie die stromaufwärtige Abschlußwand 12 der Brennkammer, wobei dann jeweils zwischen benachbarten Brennstoffinjektoreinlässen je zwei Lufteinlaßöffnungen 20 angeordnet sind.

Jedes Ringwandsegment 40 (vgl. insbesondere die Fig.3, 4 und 5) weist eine Grundplatte 42 und eine Frontplatte 44 auf, die zwischen sich eine Füllkammer 46 definieren. Die Grundplatte 42 besitzt mehrere Öffnungen 48, durch die Kühlluft in die Füllkammer 46 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 Brennstoffinjektoren 24 ein, und Primärluft vom Kompressor des Triebwerks tritt durch die Verwirbelungsvorrichtung 26 ein. Der Brennstoff eines jeden Injektors wird plöuiich mit der Masse der Verwirbelungsluft fortgeführt, die durch die Verwirbelungsvorrichtungen auf beiden Seiten des Brennstoffinjektors eintritt. Wegen der Verwirbelungsvorrichtungen drehen sich die Primärluftströme in der gleichen Richtung und der Brennstoff von jedem Injektor sucht sich in zwei Teile aufzuteilen: Ein Teil wird mit der Primärluft abgeführt, die auf einer Seite des Brennstoffinjektors eintritt, der andere Teil wird mit der Primärluft fortgeführt, die auf der anderen Seite des Brennstoffinjektors eintritt. Dies geht anschaulich aus F i g. 3 hervor. Diese Figur zeigt, daß die linke Verwirbelungsvorrichtung den Brennstoff von der linken Seite des Brennstoffinjektors mitzunehmen sucht und diesen nach der Innenwand der Brennkammer richtet, während die rechte Verwirbelungsvorrichtung den Brennstoff von der rechten Seite des Brennstoffinjektors mitzunehmen sucht und ihn nach Her 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 lenken die in die Brennkammer eintretende Primärluft-Drallströmung seitlich ab und begrenzen die stromabwärtige Ausbieitung der Primärluft. Dies wird durch einen Momentenausgleich von Wirbelluftströmung und Ablenkluftströmung erreicht durch Einstellung des Auslaßspaltes X (Fig.6) des Ablenkkörpers, was dazu führt, daß ein größerer Venvirbelungsaustrittswinkel sich einstellt mit der Folge, einer großen Luft/Brennstoff-Scherfläche in

einem sehr kurzen 5tromabwärtigen Abstand. Die Ablenkkörper unterstützen die Steuerung der Primärluft, sind jedoch nicht unbedingt notwendig und können auch weggelassen werden. Die Benutzung der Ablenkkörper für die Zwecke der Steuerung ist jedoch äußerst nützlich und es können bei gegebener Verwirbelungs oberfläche 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 solche Brennkammer arbeitet, wie sich gezeigt hat, selbst mit Dieselbrennstoff, ohne schwarzen Rauch bei irgendeiner Leistungseinstellung zu erzeugen und ohne weißen Rauch zu erzeugen, wenn das Triebwerk im Leerlauf läuft, wobei sogar die Wirksamkeit der Verbrennung bei Leerlauf noch verbessert wird.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben, das zwei Lufteinlaßöffnungen zwischen zwei benachbarten Brennstoffinjektoreinlässen besitzt. Die Zahl der Primärlufteinlaßöffnungen zwischen zwei benachbarten Brennstoffinjektoreinlässen kann jedoch zwecks Anpassung an die jeweiligen Verhältnisse geändert werden, vorausgesetzt, daß wenigstens eine Primärlufteinlaßöffnung zwischen zwei benachbarten Brennstoffinjektoreinlässen vorgesehen ist.

Im folgenden wird auf Fig. 8 der Zeichnung Bezug genommen. Hierbei hat die Brennkammer eine ringförmige Anordnung von Flammrohren 100, die innerhalb einer Ringkammer 102 liegen, die durch eine Innenwand 104 und eine Außenwand 106 begrenzt wird. Jedes Flammrohr 100 besitzt ein geschlossenes stromaufwärtiges Ende und ist mit einem zentralen Brennstoffeinlaß 108 versehen, in dem ein Brennstoffinjektor 110 angeordnet ist, und es sind mehrere in gleichem Abstand zueinander angeordnete Lufteintrittsöffnungen 112 vorgesehen, die jeweils mit Wirbelschaufeln 114 versehen sind, um der einströmenden Primäriuft eine Wirbelbewegung aufzuprägen.

Die Wirbelschaufeln 114 können, wie in Verbindung mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben, ausgebildet und angeordnet sein, wobei die Arbeitsweise der Wirbelschaufeln derart ist, daß Brennstoff und Primärluft schnell innerhalb eines kurzen Abstandes vom stromaufwärtigen Ende der Brennkammer vermischt werden.

Die Richtung, in der die Wirbel der Primärluft sich drehen, ist die gleiche wie im Falle des vorher beschriebenen Ausführungsbeispiels.

Ein wichtiges Merkmal besteht darin, daß jeder Brennstoffinjektor keinen koaxialen Verwirbelungslufteinlaß besitzt, der dem Injektor zugeordnet ist, und in gleicher Weise besitzt kein Lufteinlaß nebst zugeordneter Verwirbelungsvorrichtungen einen zugeordneten koaxialen Brennstoffinjektor. Wesentlich ist, daß die Lufteinlaßöffnungen und die Drallerzeuger in Umfangsrichtung oder in Radialrichtung im Abstand von den Brennstoffeinspritzöffnungen und den Brennstoffinjekloren liegen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit wenigstens einem Brennstoffinjektor in der stromaufwärtigen Abschlußwand und mit mehreren benachbart zum Brennstoffinjektor in dieser Abschlußwand vorgesehenen Primärlufteinlaßöffnungen mit Wirbelschaufeln, die der Primärluft einen Drall mit gleicher Drehrichtung aufprägen, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffinjektoren (24; 110) zur drallfreien Zuführung des von einem Luftstrom geförderten Brennstoffes in die Grenzzone zwischen den Drallströmungen der dem jeweiligen Brennstoffinjektor (24) benachbarten Primärlufteinlaßöffnungen (20) eingerichtet und angsordnet sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei ringförmiger Ausbildung der Brennkammer jeweils zwei Primärlufteinlaßöffnungen (20) und ein Brennstoffinjektoreinlaß (22) in Umfangsrichtung abwechselnd ringförmig angeordnet sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß in einer ringförmigen Kammer (102) Flammrohre (100) in ringförmiger Anordnung vorgesehen sind, und daß jedes Flammrohr einen zentralen Brennstoffinjektor (110) und mehrere Primärlufteinlaßöffnungen (112) mit Wirbelschaufeln (114) im gleichen radialen Abstand von dem Brennstoffinjektor aufweist.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Primärlufteinlaßöffnung (20) einen axial einstellbaren zentralen, sich in Strömungsrichtung erweiternden rotationssymmetrischen Ablenkkörper (36) aufweist.