DE3741021A1 - Verbrennungseinrichtung fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungseinrich­ tung für ein Gasturbinentriebwerk.

In der GB-PS 14 27 146 ist eine Verbrennungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, die einen Brennstoffinjektor mit einem zentralen Kanal aufweist, der komprimierte Luft und eine Brennstoffströmung empfängt. Ein Ablenkkörper liegt benachbart zum stromab­ wärtigen Ende des Kanals, der im Betrieb zusammen mit dem Ende des Kanals einen ringförmigen Auslaß für das Brenn­ stoff/Luft-Gemisch bildet, der im wesentlichen radial verläuft. Eine Abschirmung umgibt einen Teil des zentra­ len Kanals und bildet einen Ringkanal, der eine Luftströ­ mung am stromaufwärtigen Ende empfängt und die Luft am stromabwärtigen Ende abgibt, das stromauf des ringförmi­ gen Auslasses aus dem zentralen Kanal liegt. Ein solcher Brennstoffinjektor soll in Verbindung mit der Brenn­ kammer, in der er angeordnet ist, zwei benachbarte, im Gegensinn umlaufende torusförmige Wirbel schaffen. Der Hauptteil des Brennstoff/Luft-Gemischs soll in den strom­ aufwärtigen Wirbel einfließen, wo er gezündet wird, und die brennende Brennstoff/Luft-Mischung strömt in den stromabwärtigen Wirbel ein, der teilweise mit Brennstoff aus dem Brennstoffinjektor und teilweise durch eine Se­ kundärluftströmung gespeist wird, die in die Brennkammer einströmt.

Es ist wichtig, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis in jedem Wirbel innerhalb eines bestimmten Bereichs während der verschiedenen Triebwerks-Arbeitsbedingungen gehalten wird. Insbesondere sollte der stromaufwärtige Wirbel brennstoffreich sein. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der stromaufwärtige Wirbel mit einer geringeren Brennstoff­ menge angereichert ist als dies erwünscht ist, was an­ zeigt, daß eine schlecht proportionierte Verteilung des Brennstoffs vom Injektor in die beiden Wirbel stattfin­ det. Das schwache Brennstoff/Luft-Verhältnis im stromauf­ wärtigen Wirbel führt zur Erzeugung von Gasen unter hoher Temperatur, und dies führt wiederum zu Problemen hin­ sichtlich der Überhitzung der stromaufwärtigen Abschnitte der Brennkammer. Ein zusätzliches Problem besteht darin, daß die Mittelstellung zwischen den beiden Wirbeln eine Zone geringer Luftströmung und hoher Verweilzeit dar­ stellt. Dies bewirkt eine schwerwiegende Ansammlung von Kohlenstoffablagerungen auf der Brennkammerwand. Schließ­ lich wachsen diese Ablagerungen auf eine solche Größe an, daß sie von der Brennkammerwand abbrechen und eine Ero­ sion der Turbine stromab der Brennkammer bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turbinen­ triebwerksverbrennungssystem zu schaffen, bei dem diese Probleme im wesentlichen vermieden sind.

Die Erfindung geht aus von einer Verbrennungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Brennkammer, die am stromoberseitigen Ende einen Brennstoffbrenner auf­ weist, der aus einem allgemein rohrförmigen Körper mit einem stromaufwärtigen und einem stromabwärtigen Ende be­ steht, wobei das stromaufwärtige Ende außerhalb der Brennkammer und das stromabwärtige Ende innerhalb der Brennkammer liegt und wobei der allgemein rohrförmige Körper im Betrieb mit komprimierter Luft und Brennstoff gespeist wird, um eine Brennstoff/Druckluft-Mischung in die Brennkammer einzublasen, und wobei das stromabwärtige Ende des rohrförmigen Bauteils mit einem Ablenkkörper versehen ist, der so ausgebildet ist, daß er mit dem rohrförmigen Körper zusammenwirkt, um einen allgemein ringförmigen radial gerichteten Auslaß bezüglich der Achse des rohrförmigen Körpers für das Brennstoff/Luft- Gemisch zu schaffen. Gemäß der Erfindung wird die ge­ stellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der radial gerichtete Auslaß unmittelbar stromab des stromaufwärtigen Endes der Brennkammer liegt, so daß die Brennstoff/Luft-Mischung in einen einzigen im wesentlichen torusförmigen, mit Brenn­ stoff angereicherten Wirbel in einer ersten Verbrennungs­ zone gedrängt wird, die im stromaufwärtigen Bereich der Brennkammer liegt, und daß die Brennkammer mit zusätzli­ chen Lufteinlässen stromab des Brenners versehen ist, um Luft in eine zweite Verbrennungszone in der Brennkammer stromab des torusförmigen Wirbels zu richten, so daß die zweite Verbrennungszone nur schwach mit Brennstoff ange­ reichert ist.

In der gesamten Beschreibung werden die Ausdrücke "hohe Brennstoffanreicherung" und "niedrige Brennstoffanreiche­ rung" in bezug auf Luft- und Brennstoffmischungen be­ nutzt, die jeweils mehr oder weniger Brennstoff aufweisen als es erforderlich ist, um eine stöchiometrische Ver­ brennung aufrechtzuerhalten.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zei­ gen:

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Gasturbinentrieb­ werks, das mit einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet ist,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils der Verbren­ nungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerks gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist das Gasturbinentriebwerk 10 in herkömm­ licher Weise aufgebaut und umfaßt einen Niederdruckkom­ pressor 11, einen Hochdruckkompressor 12, eine Verbren­ nungseinrichtung 13 und eine Hochdruckturbine 14.

Die Verbrennungsvorrichtung 13 besteht aus einer ringför­ migen Anordnung von in gleicher Weise ausgebildeten, im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnete Brennkam­ mern 18, die durch ein ringförmiges Gehäuse 19 umschlos­ sen sind. Jede Brennkammer 18, von denen ein Teil deut­ lich aus Fig. 2 ersichtlich ist, umfaßt einen allgemein rohrförmigen Körper 19 mit einem Kopf 20 am stromaufwär­ tigen Ende. Die Wand des Körpers 19 wird von einem Mate­ rial gebildet, das eine Transpirationskühlung ermöglicht, und die Wand kann aufgebaut sein, wie es in der GB-PS 15 30 594 beschrieben ist. Die Wand des Körpers 19 kann stattdessen eine herkömmliche Gestalt aufweisen und eine Anzahl geeignet positionierter kleiner Löcher aufweisen, die eine Kühlung gewährleisten.

Der Kopf 20 der Brennkammer 19 trägt ein rohrförmiges Teil 21, das zentral angeordnet ist und einen Teil eines Brenners 22 bildet. Das stromabwärtige Ende 23 des rohrförmigen Teils 21 steht ein kurzes Stück in das Inne­ re der Brennkammer 18 ein, während das stromaufwärtige Ende 24 zusammen mit dem Hauptteil außerhalb der Brenn­ kammer 18 liegt und allgemein in Richtung stromauf in be­ zug auf die Gasströmung im Triebwerk 10 betrachtet, so daß eine Strömung komprimierte Luft vom Hochdruckkompres­ sor 12 geliefert wird. Weitere komprimierte Luft vom Hochdruckkompressor 12 strömt um die äußere Oberfläche der Brennkammer 18, um eine Kühlung derselben zu bewir­ ken, und weitere Luft strömt in die Brennkammer ein, um eine Verbrennung zu tragen, wie dies später im einzelnen beschrieben wird.

Am stromaufwärtigen Ende 24 der rohrförmigen Kammer 21 ist eine Brennstoffzerstäuberdüse 25 angeordnet, die von der Simplex-Bauart ist, wobei jedoch auch andere Arten von Sprühdüsen Anwendung finden können, beispielsweise die Duplex-Bauart. Die Brennstoffsprühdüse 25 ist allge­ mein ringförmig und wird vom radial inneren Ende eines Brennstoffzuführungsrohres 26 getragen. Der Brennstoff, der durch das Rohr 26 geliefert wird, strömt in eine ringförmige Leitung 27 innerhalb der Brennstoffsprühdüse 25, von wo der Brennstoff durch Düsen 28 auf die radial innere Oberfläche des rohrförmigen Teiles 21 gerichtet wird.

Die durch die Sprühdüse 25 hindurch und um diese herum strömende Luft bewirkt eine Zerstäubung eines großen An­ teils des Brennstoffs, der durch die Strahlen 28 gebildet wird, während der Brennstoff das stromabwärtige Ende 23 des rohrförmigen Teiles 21 verläßt. Am stromabwärtigen Ende 23 ist ein Ablenkkörper 29 angeordnet, der im axialen Abstand zu dem rohrförmigen Teil 21 liegt und von mehreren Streben 30 getragen wird. Ein ringförmiger, ra­ dial gerichteter Auslaß 31 wird auf diese Weise defi­ niert und durch diesen Auslaß wird das Brennstoff/Luft- Gemisch, das innerhalb des rohrförmigen Teils 21 angelie­ fert wird, in radial nach außen gerichteter Form von der Achse des rohrförmigen Körpers 21 weg geführt. Da der rohrförmige Körper 21 nur ein kurzes Stück in das Innere der Brennkammer 18 hineinragt, wird das Brennstoff/Luft- Gemisch allgemein kegelstumpfförmig an dem Brennkammer­ kopf 20 in einen im wesentlichen torusförmigen Wirbel 32 in der stromaufwärtigen Zone 33 der Kammer 18 einge­ führt. Die Brennstoff/Luft-Mischung innerhalb des Wirbels 32 ist mit Brennstoff angereichert und bildet ein fettes Gemisch, so daß nicht der gesamte Brennstoff tatsächlich in der stromaufwärtigen Zone 33 der Kammer 18 verbrannt werden kann und eine Überhitzung des Brennkammerkopfes 20 vermieden wird. Das tatsächliche Brennstoff/Luft-Verhält­ nis, das jeweils gewählt wird, muß unter Berücksichtigung der Grenzen bestimmt werden, die durch die Emission des Gasturbinentriebwerks 10 gegeben sind. Wenn eine niedrige Emission von Stickoxyden gefordert wird, dann wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis innerhalb des Wirbels 32 so eingestellt, daß es innerhalb des Bereiches von 7/1 bis 9/1 liegt. Wenn es dagegen wichtiger ist, die Rauch­ emission zu vermindern, dann wird das Luft/Brennstoff- Verhältnis innerhalb des Wirbels 32 innerhalb der Grenzen von 9/1 bis 11/1 eingestellt.

Die Verbrennungsprodukte, die von der Verbrennung des Brennstoffs in der Luft innerhalb des Wirbels 32 herrüh­ ren, strömen zusammen mit dem noch unverbrannten Brennstoff stromab in eine zweite Verbrennungszone 34, wo sie mit Luft vermischt werden, die in die Brennkammer 18 über zusätzliche Lufteinlässe 35 eingeströmt ist, wie dies durch die Pfeile 36 angedeutet ist. Die Luft, die durch die zusätzlichen Lufteinlässe 35 fließt, trägt die Verbrennung des partiell verbrannten Brennstoffes aus der ersten Verbrennungszone 33. Durch die zusätzlichen Luft­ einlässe 35 wird so viel Luft eingeführt, daß eine Ver­ brennung des Brennstoff/Luft-Gemisches innerhalb der zweiten Verbrennungszone mit einem mageren Gemisch ge­ währleistet wird. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis innerhalb des Wirbels 32 innerhalb des Bereiches von 7/1 bis 9/1 abfällt, um eine geringe Stickoxydemission zu ge­ währleisten, dann wird innerhalb der zweiten Verbren­ nungszone das Luft/Brennstoff-Gemisch so eingestellt, daß es in einem Bereich zwischen 22/1 bis 25/1 liegt, ob­ gleich diese Kombination eine Tendenz zeigt, die Rauch­ emissionen zu erhöhen. Wenn jedoch die Rauchemissionsver­ minderung das Haupterfordernis ist und das Luft/Brenn­ stoff-Gemisch innerhalb des Wirbels 32 im Bereich 9/1 bis 11/1 liegt, dann wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis innerhalb der zweiten Verbrennungszone 34 so eingestellt, daß es in dem Bereich zwischen 20/1 und 22/1 liegt. Eine solche fettere Brennstoffmischung in der zweiten Verbren­ nungszone 34 gewährleistet die Aufzehrung von irgendwel­ chem Rauch, der in der ersten Verbrennungszone 33 erzeugt wurde.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf eine Verbrennungsvorrichtung beschrieben, die aus einzelnen Brennkammern 18 zusammengesetzt ist, jedoch ist klar, daß auch eine Ringbrennkammer in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildet werden kann.

Die erfindungsgemäße Verbrennungseinrichtung wurde in Verbindung mit einem Nebenstrom-Gasturbinentriebwerk für Flugzeuge beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfin­ dung auch bei industriellen Gasturbinen oder Schiffs­ antriebsturbinen Anwendung finden kann. Bei industriellen Gasturbinen ist die Reduktion von Stickoxydemissionen das Haupterfordernis und das Luft/Brennstoff-Verhältnis wird entsprechend gewählt. Bei Schiffsantrieben ist jedoch die Rauchunterdrückung wichtiger, so daß die Triebwerke bei Schiffsantrieben so ausgelegt werden, daß ein Luft/Brenn­ stoff-Verhältnis erhalten wird, das eine geringe Rauch­ emission gewährleistet.

Claims (9)

1. Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentrieb­ werk mit einer Brennkammer, die am stromoberseiti­ gen Ende einen Brennstoffbrenner aufweist, der aus einem allgemein rohrförmigen Körper mit einem stromaufwärtigen und einem stromabwärtigen Ende be­ steht, wobei das stromaufwärtige Ende außerhalb der Brennkammer und das stromabwärtige Ende innerhalb der Brennkammer liegt und wobei der allgemein rohr­ förmige Körper im Betrieb mit komprimierter Luft und Brennstoff gespeist wird, um eine Brennstoff- Druckluft-Mischung in die Brennkammer einzublasen, und wobei das stromabwärtige Ende des rohrförmigen Bauteils mit einem Ablenkkörper versehen ist, der so ausgebildet ist, daß er mit dem rohrförmigen Körper zusammenwirkt, um einen allgemein ringförmi­ gen radial gerichteten Auslaß bezüglich der Achse des rohrförmigen Körpers für das Brennstoff-Luft- Gemisch zu schaffen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der radial gerichtete Auslaß (31) unmittelbar stromab des strom­ aufwärtigen Endes (20) der Brennkammer (18) liegt, so daß die Brennstoff-Luft-Mischung in einen einzigen im wesentlichen torusförmigen, mit Brennstoff angerei­ cherten Wirbel (32) in einer ersten Verbrennungszone gedrängt wird, die im stromaufwärtigen Bereich der Brennkammer (18) liegt, und daß die Brennkammer (18) mit zusätzlichen Lufteinlässen (35) stromab des Bren­ ners (22) versehen ist, um Luft in eine zweite Ver­ brennungszone (34) in der Brennkammer (18) stromab des torusförmigen Wirbels (32) zu richten, so daß die zweite Verbrennungszone (34) nur schwach mit Brenn­ stoff angereichert ist.

2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Hauptteil des rohrförmigen Körpers (21) außerhalb der Brennkammer (18) liegt.

3. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennstoffinjektor (25) am stromaufwärtigen Ende des rohrförmigen Körpers (21) angeordnet ist, um Brennstoff auf die innere Oberfläche des rohrförmigen Körpers (21) zu richten.

4. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Brennstoffinjektor (25) von der Simplex-Bauart ist.

5. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ablenkkörper (29) am stromabwärti­ gen Rand des rohrförmigen Körpers (21) festgelegt ist.

6. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis inner­ halb des torusförmigen Wirbels (32) in dem Bereich zwischen 7/1 und 9/1 liegt.

7. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis innerhalb des Bereichs (34) stromab des torusförmigen Wirbels im Bereich zwischen 22/1 und 25/1 liegt.

8. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis inner­ halb des torusförmigen Wirbels (32) in dem Bereich zwischen 9/1 und 11/1 liegt.

9. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet , daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis innerhalb des Bereichs stromab des torusförmigen Wirbels (32) innerhalb des Bereichs zwischen 20/1 und 22/1 liegt.