DE3819898C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei einer gattungsgemäßen, aus der DE-PS 25 11 171 bekannten Brennkammer ist ein aus Außengehäuse und Flammrohr gebildeter Ringkanal über ein Verdampferrohr mit dem Verbrennungsraum verbunden. Auf die Innenwand dieses Verdampfrohres wird der Brennstoff aufgebracht, welcher sich infolge der ebenfalls das Verdampfrohr passierenden Luftströmung als Film in Richtung Verbrennungsraum bewegt und dabei kontinuierlich verdampft. Um ein vollständiges Verdampfen des Brennstoffes bis zum Eintritt in den Verbrennungsraum und damit eine zufriedenstellende Gemischbildung überhaupt gewährleisten zu können, muß das Verdampferrohr und damit die gesamte Brennkammer relativ lang ausgebildet sein.

Die DE-AS 12 40 706 offenbart eine Brennkammer, bei welcher der Verdichterstufe ein Strömungsleitgitter nachgeschaltet ist, dessen einzelne Schaufeln mit Brennstoffkanälen versehen sind, die sowohl saug- als auch druckseitig nahezu in einem rechten Winkel in die Schaufelkanäle einmünden. Damit wird ein Einspritzen des Brennstoffes quer bzw. nahezu quer zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft erzielt, wodurch insofern eine gewisse Reduzierung der Baulänge der Brennkammer erzielbar ist, als daß nicht noch eine dem Strömungsleitgitter vor- oder nachgeschaltete separate Einrichtung zur Brennstoffeinbringung vorgesehen werden muß. Der Nachteil dieser Art der Brennstoffeinbringung besteht jedoch darin, daß der eingespritzte Brennstoff, eben weil er in Form eines Strahles in den Verbrennungsluftstrom quer zu diesem eingebracht wird, nur teilweise zerstäuben und damit auch nur langsam verdampfen kann. Somit muß auch bei dieser Brennkammer eine relativ große Verdampferstrecke vorgesehen werden, will man ein vollständiges Verdampfen des Brennstoffes noch vor der Verbrennungsphase und damit eine schadstoffarme Verbrennung erreichen.

Die DE-OS 24 07 484 zeigt eine Brennkammer, bei welcher der Brennstoff direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt wird. Eine separate Strecke zur Verdampfung des Brennstoffes vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum ist hier nicht vorgesehen. Dies wirkt sich nachteilig auf die Stickoxidemission aus. Ferner ist aus dieser Schrift bekannt, die Leitschaufeln eines Strömungsleitgitters am Eintritt einer Brennkammer zu verstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der im Oberbegriff des Hauptanspruchs beschriebenen Art zu schaffen, deren Baulänge gering ist, bei der aber dennoch der Brennstoff bei Eintritt in den Verbrennungsraum vollständig verdampft ist und mit der Verbrennungsluft ein homogenes Gemisch bildet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches gelöst.

Durch das spitzwinklige Austreten des Brennstoffes aus den Leitschaufeln auf deren Profildruckseite ist gewährleistet, daß der Brennstoff nicht strahlförmig in den Verbrennungsluftstrom eintritt, sondern durch das Druckgefälle zwischen Profilsaug- und Profildruckseite in Form eines Filmes auf der Leitschaufel bis zu deren Ende fließt. Diese Schaufelenden sind nun erfindungsgemäß mit einer Abrißkante versehen, so daß die Filmströmung hier abreißen kann, was ein schlagartiges Zerstäuben des Brennstoffes in kleinste Tröpfchen zur Folge hat. In der Gestalt feinster Tröpfchen besitzt der Brennstoff nun eine sehr große Oberfläche, so daß er noch innerhalb des Ringkanals in dem erfindungsgemäßen Bereich zwischen dem Leitgitter und der Durchtrittsöffnung in den Verbrennungsraum - im folgenden Vormischstrecke genannt - vollständig verdampfen kann. Die Gemischbildung in der Vormischstrecke wird durch die unterschiedlichen Bewegungsrichtungen und Geschwindigkeiten der verdampfenden Brennstofftröpfchen und der Verbrennungsluft unterstützt. Ein seperates, die Baulänge der Brennkammer verlängerndes Verdampferrohr ist daher nicht erforderlich. Darüber hinaus bleibt die drallförmige Strömung des Brennstoff-Luftgemisches aufgrund dessen, daß der Ringkanal über eine Durchtrittsöffnung im Boden des Flammrohres unmittelbar in den Verbrennungsraum übergeht, bis in letzteren weitgehend erhalten.

Bei Verwendung von Brennkammern, deren Verbrennungsluftstrom in einen über das Strömungsleitgitter führenden und am Flammrohrboden in den Verbrennungsraum eintretenden Primärluftstrom und in einen über Bohrungen im Flammrohrgehäuse in den mittleren Teil des Verbrennungsraumes eintredenden Sekundärluftstrom unterteilt wird, ist es vorteilhaft, ein Strömungsgitter mit verstellbaren Leitschaufeln vorzusehen, so daß das Verhältnis zwischen dem Primär- und Sekundärluftstrom steuerbar ist. Das Betriebsverhalten der Brennkammer kann dem Gasturbinentriebwerk damit so angepaßt werden, daß die Emission an Schadstoffen minimal bleibt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkammer dargestellt.

Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkammer in einer Querschnittsdarstellung,

Fig. 2 zwei benachbarte Leitschaufeln des in Fig. 1 mit 26 bezeichneten Strömungsleitgitters in einer Querschnittsdarstellung und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkammer in einer Querschnittsdarstellung.

Fig. 1 zeigt eine Brennkammer 20 für ein Gasturbinen­ triebwerk bestehend aus einem wärmeisolierten Außengehäuse 21 und einem darin eingesetzten Flammrohr 22. Dabei ist durch das Flammrohr 22 und das Außengehäuse 21 ein Ring­ kanal 23 gebildet, in welchem die über den im Außengehäuse 21 vorgesehenen Einlaßkanal 24 einströmende Verbrennungs­ luft (Pfeil 25) geführt wird. In diesem Ringkanal 23 ist am bodenseitigen Ende des Flammrohres 22 ein ringförmiges Strömungsleitgitter 26 radialer Bauart eingesetzt. Die Leitschaufeln, deren Aufbau in Fig. 2 näher beschrieben ist, weisen Brennstoffkanäle 5 auf, die jeweils auf der Leitschaufeldruckseite 7 in durch die einzelnen Schaufeln gebildete Strömungskanäle 3 austreten. Die Brennstoffzufuhr in die Leitschaufeln erfolgt über einzelne Brennstofflei­ tungen 27. An seinem bodenseitigen Ende besitzt das Flammrohr 22 eine bezüglich der Längsachse 28 der Brenn­ kammer 20 symmetrisch angeordnete Durchtrittsöffnung 29, über welche der Verbrennungsraum 30 im Flammrohr 22 unmittelbar mit dem Ringkanal 23 verbunden ist. Das Flammrohr 22 weist darüber hinaus mehrere Verbindungsboh­ rungen 31 auf, über welche auch ein Teil der Verbren­ nungsluft (Sekundärluftstrom) direkt, d. h. ohne zuvor das Strömungsleitgitter zu passieren, in Form radialer Strahlen in den Verbrennungsraum 30 einströmen kann (Pfeile 32). Der übrige Teil der Verbrennungsluft, also der Primärluftstrom strömt über das Strömungsleitgitter 26 (Pfeile 33). Dabei kommt es an den stromabwärtigen Enden 13 der Leitschaufeln zu einer Vermischung der Primärluft mit dem über die Kanäle 5 in die Leitschaufeln eingebrach­ ten und an dem Leitschaufelende 13 zerstäubenden Brenn­ stoff, wobei letzterer in dem Bereich 34 zwischen den Leitschaufelenden 13 und der Durchtrittsöffnung 29, also in der sog. Vormischstrecke des Ringkanals 23, vollständig verdampft. Infolge der hohen Temperatur der Verbrennungs­ luft, die zuvor in einem Wärmetauscher des betriebswarmen Gasturbinentriebwerkes auf Temperaturen von über 800°C aufgeheizt wurde, zündet das Brennstoff-Luftgemisch beim Eintritt in den Verbrennungsraum 30. Beim Durchströmen des Strömungsleitgitters 26 wird dem Primärluftstrom ein Drall aufgeprägt, so daß nach Passieren der relativ kurzen Vormischstrecke 34 das Brennstoff-Luftgemisch drallförmig in den Verbrennungsraum 30 übertritt.

Die Durchtrittsöffnung 29 ist ferner konisch ausgebildet und zwar derart, daß sie sich in Richtung Verbrennungsraum 30 aufweitet. Es ist damit am Übergang von der Vormisch­ strecke 34 in den Verbrennungsraum 30 eine zusätzliche Abrißkante 37 gegeben, an der eine weitere, die Gemisch­ bildung unterstützende Verwirbelung des Brennstoff-Luft­ gemisches stattfindet.

Die Leitschaufeln des Strömungsleitgitters 26 sind ver­ stellbar (siehe auch Beschreibung zu Fig. 2), so daß das Verhältnis zwischen dem Primär- und dem Sekundärluftstrom im Hinblick auf eine minimale Schadstoffemision gesteuert werden kann.

Die sich im Verbrennungsraum 30 ausbreitende Flamme besteht nun aus einer Primär- und einer Sekundärzone, wobei die Sekundärzone ab dem Bereich beginnt, in welchem die Sekundärluft über die Bohrungen 31 direkt in den Verbrennungsraum 30 strömt und damit eine verdünnende Wirkung hat. Durch die Sekundärluft wird die Temperatur der Flamme in der Verbrennungszone auf Werte unterhalb von 1500°C abgesenkt, so daß die Stickoxidbildung weitgehend unterdrückt wird. Die Flammentemperatur bleibt jedoch so hoch, daß die ebenfalls in der Primärzone noch vorliegen­ den CO-Anteile mit dem in der Sekundärzone vorhandenen Luftsauerstoff zu CO₂ reagieren können. Um einen problemlosen Kaltstart des Gasturbinentriebwerkes einleiten zu können, ist in dem Außengehäuse 21 der Brennkammer 20 in Höhe der Durchtrittsöffnung 29 eine Zusatzbrennstoffdüse 35 und eine Zündelektrode 36 einge­ setzt. Der über die Düse 35 während der Startphase einge­ spritzte und mittels der Elektrode 36 entzündete Brenn­ stoff verbrennt in einer Diffusionsflamme.

Als zusätzliche Start- und Warmlaufhilfe ist es auch denkbar, anstelle der zentralen Zusatzbrennstoffdüse eine Zündbrennkammer 40 vorzusehen (siehe Fig. 3), in welcher während der Start- und Warmlaufphase ein zusätzliches Luft-Brennstoffgemisch gezündet und verbrannt wird. Die Brennstoffzufuhr erfolgt dabei über die Einspritzdüse 41 und die Verbrennungsluftzufuhr über den Luftkanal 42. Gezündet wird das Gemisch mit Hilfe der Zündkerze 43.

Fig. 2 zeigt zwei benachbarte Leitschaufeln 1 und 2 des in dem Ringkanal 23 (siehe Fig. 1) eingesetzten Strö­ mungsleitgitters 26. Die beiden Leitschaufeln 1 und 2 liegen im Gitterverband natürlich auf einer Kreisbahn, sie sind in Fig. 2 jedoch der Einfachheit halber in abgewic­ kelter Form dargestellt. Durch die gleichförmig gekrümmten Leitschaufeln 1 und 2 ist ein Strömungskanal 3 begrenzt, in welchem die in das Leitgitter 26 eintretende Primärver­ brennungsluftströmung gemäß der Pfeile 4 umgelenkt wird. Die Leitschaufeln 1 und 2 selbst sind mit je einem Brennstoffkanal 5 versehen, welcher jeweils auf der Leitschaufeldruckseite 7 unter einem spitzen Winkel α in die jeden Strömungskanal 3 passierende Primärverbrennungsluftströmung (Pfeile 4) einmündet. Die Brennstoffkanäle 5 sind dabei mit einem senkrecht zur Richtung der Strömung 4 verlaufenden und jeweils an einer Seitenfläche der Leitschaufeln 1 bzw. 2 austretenden Zuführkanal 9 verbunden, über welchen der in die Strömung 4 einzubringende Brennstoff in die Leitschaufeln 1 bzw. 2 gelangt. Infolge der Umlenkung der Strömung (Pfeile 4) bzw. der Krümmung zweier benachbarter Schaufeln 1 bzw. 2 wirkt auf die Primärverbrennungsluftströmung 4 eine Zentrifugalkraft, deren Richtung der Pfeil 11 anzeigt. Demzufolge wird der über den Brennstoffkanal 5 zugeführte flüssige Brennstoff durch die Strömung 4 selbst gegen die Leit­ schaufeldruckseite 7 gepreßt. Unter dem Einfluß der Reibung mit der Primärverbrennungsluftströmung 4 kommt es nun zur Ausbildung einer sich in Richtung Schaufelende 13 bewegenden Filmströmung 12, welche schließlich an der am Schaufelende 13 vorgesehenen Abrißkante 14 abreißt. Der Abriß der Filmströmung 12 führt zu einer Wirbelbildung und zu einer Zerstäubung des Brennstoffes in kleinste Tröpfchen, welche sich letztendlich mit der Primärverbrennungsluft vermischen. Die Leitschaufeln des Leitgitters sind um eine senkrecht zur Strömung 4 verlaufende Drehachse 15 ver­ drehbar gelagert. Dabei liegt jeder der Zuführkanäle 9 genau in der Drehachse 15 der jeweiligen Leitschaufel 1 bzw. 2.

Claims (5)

1. Brennkammer für eine Gasturbine mit einem durch das Brennkammeraußengehäuse und ein darin eingesetztes Flammrohr gebildeten Ringkanal zur Führung der Verbrennungsluft, in welchem ein ringförmiges Strömungsleitgitter eingesetzt und eine Einrichtung zur Einbringung eines Brennstoffes im Bereich des Strömungsleitgitters vorgesehen ist und mit einem stromab des Leitgitters angeordneten Bereich zur Verdampfung des eingebrachten Brennstoffes, wobei der Ringkanal mit dem vom Flammrohr umgebenen Verbrennungsraum in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einbringen des Brennstoffes gebildet ist durch in den Leitschaufeln (1, 2) des Strömungsleitgitters (26) angeordnete Brennstoffkanäle (5), welche jeweils auf der Leitschaufeldruckseite (7) unter einem spitzen Winkel (α) in die durch die einzelnen Leitschaufeln (1, 2) gebildeten Strömungskanäle (3) einmünden, wobei der Winkel (α) derart dimensioniert ist, daß sich eine an der Schaufeldruckseite anliegende, sich in Richtung Schaufelende bewegende Filmströmung ausbildet und daß die Leitschaufeln (1, 2) an ihrem stromabwärtigen Ende auf ihrer Druckseite (7) eine Abrißkante (14) aufweisen, daß der Ringkanal (23) über eine am Boden des Flammrohres (22) angeordnete Durchtrittsöffnung (29) unmittelbar in den Verbrennungsraum (30) übergeht und daß der Bereich (34) zur Verdampfung des eingebrachten Brennstoffes und dessen Vermischung mit der Primärluft im Ringkanal (23) zwischen dem Strömungsleitgitter (26) und der Durchtrittsöffnung (29) vorgesehen ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (1, 2) des Strömungsleitgitters (26) verstellbar sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Höhe der Durchtrittsöffnung (29) eine in dem Außengehäuse (21) gehaltene Zusatzbrennstoffdüse (35) in den Ringkanal (23) einmündet.

4. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Höhe der Durchtrittsöffnung (29) eine Zündbrennkammer (40) angeordnet ist, in welche eine Einspritzdüse (41) einmündet.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Durchtrittsöffnung (29) in Richtung Verbrennungsraum (30) konisch aufweitet.