DE4110759A1 - Magere, abgestufte verbrennungsvorrichtung - Google Patents
Magere, abgestufte verbrennungsvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentrieb
werke und betrifft insbesondere eine Verbrennungsvorrich
tung, mittels welcher sich Stickstoffoxid- oder NOx-Emis
sionen verringern lassen.
Verkehrs- oder Zivilflugzeuge sind üblicherweise so ausge
legt, daß Abgasemissionen aus der Verbrennung von Kohlen
wasserstoffbrennstoffen wie z. B. Jet-A-Brennstoff verrin
gert werden. Die Abgasemissionen können Kohlenwasserstoff
partikel in Form von Rauch, z. B. Kohlenmonoxid, und Stick
stoffoxide (NOx), z. B. Stickstoffdioxid NO2, enthalten.
NOx-Emissionen treten bekanntlich bei einer Verbrennung bei
relativ hohen Temperaturen von beispielsweise über 1650°C
(3000°F) auf. Diese Temperaturen treten auf, wenn Brenn
stoff bei stöchiometrischen oder nahezu stöchiometrischen
Brennstoff/Luft-Verhältnissen verbrannt wird. Die gebildete
Menge an Emissionen steht in direkter Beziehung zu der
Zeit, während der die Verbrennung bei diesen Bedingungen
stattfindet.
Herkömmliche Gasturbinentriebwerksbrennkammern zur Verwen
dung in einem Triebwerk zum Antreiben eines Flugzeuges sind
üblicherweise so bemessen und ausgebildet, daß veränderli
che Brennstoff/Luft-Verhältnisse während der sich verän
dernden Leistungsabgabeerfordernisse des Triebwerks erzielt
werden, z. B. während der Betriebsarten Zünden, Leerlauf,
Start und Reiseflug des Triebwerks in dem Flugzeug. Bei Be
triebsarten mit relativ niedriger Leistung wie Zünden und
Leerlauf ist ein relativ reiches Brennstoff/Luft-Gemisch
erwünscht, um die Verbrennung einzuleiten und die Stabili
tät der Verbrennung aufrechtzuerhalten. Bei Betriebsarten
mit relativ hoher Leistung wie z. B. Reiseflugbetrieb des
Triebwerks in dem Flugzeug ist ein relativ mageres Brenn
stoff/Luft-Verhältnis erwünscht, um geringere Abgasemissio
nen zu erzielen.
Beispielsweise in der Reiseflugbetriebsart, in der ein
Flugzeuggasturbinentriebwerk für eine beträchtliche Zeit
dauer arbeitet, sind herkömmliche Brennkammern üblicher
weise so bemessen, daß die Verbrennung bei insgesamt stö
chiometrischen Brennstoff/Luft-Verhältnissen in dem kup
pelförmigen Brennkammerbereich erzielt wird, was theore
tisch vollständige Verbrennung darstellt. In praktischen
Fällen treten jedoch Abgasemissionen trotzdem auf, und bei
herkömmlichen Brennkammern werden verschiedene Einrichtun
gen benutzt, um die Abgasemissionen zu verringern.
Darüber hinaus benötigt ein Flugzeug, das für einen Betrieb
mit relativ hoher Geschwindigkeit und in großer Höhe vorge
sehen ist, leistungsfähigere Triebwerke mit höherer Lei
stungsabgabe. Das kann erreicht werden durch Erhöhen der
Betriebstemperatur des Triebwerkszyklus. Diese höheren Zy
klustemperaturen werden zu höheren Verbrennungszonentempe
raturen und zu einer höheren Geschwindigkeit der Bildung
von NOx-Emissionen führen. Deshalb werden bei einem her
kömmlichen Triebwerk die NOx-Werte ansteigen, was in Höhen
besonders unerwünscht ist wegen der potentiellen Schädigung
der Ozonschicht.
Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine neue und ver
besserte Verbrennungsvorrichtung für ein Flugzeuggasturbi
nentriebwerk zu schaffen.
Weiter soll durch die Erfindung eine Verbrennungsvorrich
tung geschaffen werden, mit der sich die NOx-Emissionen
verringern lassen. Ferner soll durch die Erfindung eine
Verbrennungsvorrichtung geschaffen werden, die sich in ei
nem breiten Bereich von Triebwerksleistungsbedingungen be
treiben läßt.
Außerdem soll durch die Erfindung eine Verbrennungsvorrich
tung geschaffen werden, die relativ kurz ist und ein gerin
ges Gewicht hat.
Schließlich soll durch die Erfindung eine Verbrennungsvor
richtung geschaffen werden, die Einrichtungen hat zum Steu
ern des Profils der Verbrennungsgase, welche von einer
Brennkammer abgegeben werden.
Eine Verbrennungsvorrichtung umfaßt eine Brennkammer, die
ein inneres und ein äußeres Flammrohr und eine Vorstufen-
sowie eine Hauptstufenverbrennungseinrichtung, welche zwi
schen den Flammrohren angeordnet sind, hat. Eine Turbinen
düse ist mit den stromabwärtigen Enden des inneren und äu
ßeren Flammrohres der Brennkammer verbunden, und die Haupt
stufenverbrennungseinrichtung ist mit der Turbinendüse eng
gekoppelt, um eine kurze Verbrennungsverweilzeit der Haupt
stufenverbrennungsgase zum Verringern der NOx-Emissionen zu
erzielen. In einer bevorzugten und exemplarischen Ausfüh
rungsform der Erfindung weist die Verbrennungsvorrichtung
eine erste und eine zweite Anzahl von umfangsmäßig beab
standeten Brennstoffeinspritzvorrichtungen und Luftdrall
körpern auf, die radial außerhalb von mehreren umfangsmäßig
beabstandeten, hohlen Flammenhaltern angeordnet sind, wel
che Brennstoffauslaßlöcher haben. Die Vorstufenverbrennung
erfolgt stromabwärts der ersten und zweiten Brennstoffein
spritzvorrichtungen und Drallkörper, und die Hauptstufen
verbrennung erfolgt stromabwärts der Flammenhalter. Die
Flammenhalter sind stromabwärts der ersten und zweiten
Brennstoffeinspritzvorrichtungen und der Drallkörper ange
ordnet und mit der Turbinendüse eng gekoppelt, um die kurze
Verbrennungsverweilzeit zu erzielen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un
ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit
Schubverstärker versehenen Turbofan-
Gasturbinentriebwerks zum Antreiben eines
Flugzeuges,
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung ei
ner Verbrennungsvorrichtung des in Fig. 1
dargestellten Triebwerks gemäß einer be
vorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische, stromaufwärts gewandte
Endansicht eines Teils der Verbrennungs
vorrichtung nach der Linie 3-3 in Fig. 2,
und
Fig. 4 eine Querschnittansicht eines der Flam
menhalter nach der Linie 4-4 in Fig. 3.
Fig. 1 zeigt ein mit Schubverstärker versehenes Turbofan-
Gasturbinentriebwerk 10 zum Antreiben eines Flugzeuges wäh
rend herkömmlicher Betriebsarten einschließlich z. B. Zün
den, Leerlauf, Start, Reiseflug und Landen. Das Triebwerk
10 dient zum Antreiben des Flugzeuges mit relativ hoher Ge
schwindigkeit in einem Bereich von beispielsweise Mach 2,2-2,7
in Höhen von bis zu etwa 18,3 km (60000 Fuß). Konzen
trisch um eine Längsmittelachse 12 des Triebwerks sind in
Reihenströmungsverbindung angeordnet ein herkömmlicher Ein
laß 14 zum Empfangen von Umgebungsluft 16, ein herkömmli
cher Fan 18 und ein herkömmlicher Hochdruckverdichter 20.
In Strömungsverbindung mit dem Hochdruckverdichter 20 ist
eine magere, abgestufte Verbrennungsvorrichtung 22 gemäß
einer bevorzugten und exemplarischen Ausführungsform der
Erfindung angeordnet. Die Verbrennungsvorrichtung 22 hat
einen Diffusor 24 in Strömungsverbindung mit dem Hochdruck
verdichter 20 gefolgt von einer Brennkammer 26 und einer
Turbinendüse 28.
Stromabwärts der Turbinendüse 28 und in Strömungsverbindung
mit derselben ist eine herkömmliche Hochdruckturbine 30 zum
Antreiben des Hochdruckverdichters 20 über eine herkömmli
che erste Welle 32, die sich zwischen ihnen erstreckt, an
geordnet. Eine herkömmliche Niederdruckturbine 34 ist
stromabwärts der Hochdruckturbine 30 und in Strömungsver
bindung mit derselben zum Antreiben des Fan 18 über eine
herkömmliche zweite Welle 36, die zwischen ihnen angeordnet
ist, angeordnet. Ein herkömmlicher Bypass-Kanal 38 umgibt
den Hochdruckverdichter 20, die Verbrennungsvorrichtung 22,
die Hochdruckturbine 30 und die Niederdruckturbine 34, um
einen Teil der Umgebungsluft 16, die in dem Fan 18 verdich
tet wird, als Bypass-Luft 40 zu leiten.
Ein Teil der Luft 16, der nicht als Bypass-Luft benutzt
wird, wird in den Hochdruckverdichter 20 geleitet, der re
lativ heiße, verdichtete Luft 42 erzeugt, welche von dem
Hochdruckverdichter 20 in den Diffusor 24 abgegeben wird.
Die verdichtete Luft 42 wird in der Brennkammer 26 mit
Brennstoff vermischt, was im folgenden noch näher beschrie
ben ist, und gezündet, damit Verbrennungsgase 44 erzeugt
werden, die durch die Hochdruckturbine 30 und die Nieder
druckturbine 34 geleitet und in einen herkömmlichen Nach
brenner oder Schubverstärker 46 abgegeben werden, welcher
sich stromabwärts der Niederdruckturbine 34 erstreckt. Der
Schubverstärker 46 ist wahlweise vorhanden und kann in dem
Triebwerk 10 vorgesehen werden, wenn es der besondere
Triebwerkszyklus erfordert.
In einer Trockenbetriebsart ist der Nachbrenner 46 inakti
viert, und die Verbrennungsgase 44 werden einfach durch ihn
hindurchgeleitet. In einer Naß- oder aktivierten Betriebs
art wird zusätzlicher Brennstoff mit den Verbrennungsgasen
44 und der Bypass-Luft 40 in einer herkömmlichen Brennstof
feinspritzvorrichtung/Flammenhalter-Vorrichtung 48 ver
mischt und gezündet, damit das Triebwerk 10 zusätzlichen
Schub erzeugt. Die Verbrennungsgase 44 werden aus dem
Triebwerk 10 über eine herkömmliche verstellbare Schubdüse
50 abgegeben, die sich stromabwärts des Nachbrenners 46 er
streckt.
In Fig. 2 ist die Verbrennungsvorrichtung 22 gemäß einer
bevorzugten und exemplarischen Ausführungsform der Erfin
dung ausführlicher dargestellt. Die Verbrennungsvorrichtung
22 weist ein ringförmiges äußeres Brennkammerflammrohr 52
auf, das ein stromaufwärtiges Ende 52a und ein stromabwär
tiges Ende 52b hat, und ein radial einwärtiges, Abstand
aufweisendes inneres Brennkammerflammrohr 54, das ein
stromaufwärtiges Ende 54a und ein stromabwärtiges Ende 54b
hat. Die Vorrichtung 22 hat weiter eine Einrichtung 56 zum
Erzielen einer Vorstufenverbrennung eines Brennstoff/Luft-
Vorgemisches 58 zum Erzeugen von Vorstufenverbrennungsgasen
60 zwischen dem inneren und äußeren Flammrohr 52, 54 unter
Verwendung eines Pilot- oder Nebenteils 62 der verdichteten
Luft 42, die zu der Brennkammer 26 geleitet wird. Eine her
kömmliche Zündvorrichtung oder eine Anzahl herkömmlicher
Zündvorrichtungen 64 ist durch das äußere Flammrohr 52 hin
durchgeführt, um das Brennstoff/Luft-Vorgemisch 58 zu zün
den.
Die Verbrennungsvorrichtung 22, hat weiter eine Einrichtung
66 zum Erzielen einer Hauptstufenverbrennung eines mageren
Brennstoff/Luft-Hauptgemisches 68 zum Erzeugen von Haupt
stufenverbrennungsgasen 70 zwischen dem inneren und äußeren
Flammrohr 52, 54 unter Verwendung eines Hauptteils 72 der
verdichteten Luft 42, der wesentlich größer als der Luftne
benteil 62 ist. Die Hauptstufenverbrennungseinrichtung 66
ist stromabwärts der Vorstufenverbrennungseinrichtung 56
und in Strömungsverbindung mit derselben angeordnet. Die
Turbinendüse 28 ist auf herkömmliche Weise betriebsmäßig
mit den stromabwärtigen Brennkammerflammrohrenden 52b und
54b verbunden, um eine unterschiedliche thermische Expan
sion und Kontraktion mit denselben zu gestatten, und weist
mehrere herkömmliche, umfangsmäßig beabstandete Düsenleit
schaufeln 74 auf, welche sich radial zwischen den stromab
wärtigen Flammrohrenden 52b und 54b erstrecken. Gemäß einem
Merkmal der Erfindung ist die Hauptstufenverbrennungsein
richtung 66 mit der Turbinendüse 28 eng gekoppelt, um eine
relativ kurze Verbrennungsverweilzeit der Hauptstufenver
brennungsgase 70 zum Verringern der NOx-Emissionen zu er
zielen.
Die Hauptstufenverbrennungseinrichtung 66 ist in der Brenn
kammer 26 angeordnet, so daß sie relativ nahe bei der Tur
binendüse 28, d. h. mit dieser eng gekoppelt ist und daß
deshalb die Dauer der Verbrennung der Hauptverbrennungsgase
70 in der Brennkammer 26 und insgesamt stromaufwärts der
Turbinendüse 28 in einer Verweilzeit liegt, die kleiner als
diejenige bei einer herkömmlichen Brennkammer-Düse-Anord
nung ist. Die Verbrennungsverweilzeit ist die Dauer des
Verbrennungsprozesses der Hauptverbrennungsgase 70 inner
halb der Brennkammer 26 hauptsächlich stromabwärts der Tur
binendüse 28. Demgemäß werden die Verbrennungsgase 70 rela
tiv schnell zu der Turbinendüse 28 geleitet, so daß in der
Turbinendüse 28, in der sie auf herkömmliche Weise durch
die Düsenleitschaufeln 74 beschleunigt werden, die stati
sche Temperatur der Verbrennungsgase 70 relativ schnell ab
sinkt, wodurch die NOx-Bildungsreaktionen effektiv beendet
werden.
Der Verbrennungszyklus der Brennkammer 26 wird so gewählt,
daß die nominelle Temperatur der Verbrennungsgase 70 in der
Brennkammer 26 im allgemeinen nicht größer ist als etwa
1650°C (3000°F), um NOx-Emissionen zu reduzieren. Es ist
allgemein bekannt, daß NOx-Emissionen in beträchtlichen
Konzentrationen bei Verbrennungstemperaturen auftreten, die
größer als etwa 1650°C (3000°F) sind, weshalb es erwünscht
ist, die maximale Verbrennungstemperatur auf einen Wert zu
begrenzen, der nicht größer als etwa dieser Wert ist. Zum
Verbessern des Gesamtbetriebswirkungsgrads des Triebwerks
10 wird jedoch der Verbrennungszyklus so gewählt, daß rela
tiv hohe Brennkammereinlaßtemperaturen und relativ hohe
Temperaturen der Verbrennungsgase 70 im Vergleich zu her
kömmlichen Zyklen erzielt werden. Der Hochdruckverdichter
20 ist so bemessen, daß die verdichtete Luft 42 bei Tempe
raturen von etwa 680°C (1250°F), welche die Brennkammerein
laßtemperatur darstellen, und bei Brennkammerauslaßtempera
turen von etwa 1650°C (3000°F) der Verbrennungsgase 70 er
zielt werden.
Darüber hinaus werden, wie oben angegeben, NOx-Emissionen
durch die enge Kopplung der Hauptstufenverbrennungseinrich
tung 66 mit der Turbinendüse 28 zum Erzielen einer relativ
kurzen Verweilzeit weiter verringert. Untersuchungen haben
gezeigt, daß die Erfindung so bemessen und gestaltet werden
kann, daß Verbrennungsverweilzeiten von nicht mehr als etwa
3 Millisekunden erzielt werden, was insgesamt weniger als
die Hälfte der Verweilzeit bei einer herkömmlichen Brenn
kammer-Düse-Anordnung ist. Die Untersuchungen haben auch
gezeigt, daß Verweilzeiten bis herunter auf etwa 1 Millise
kunde und weniger erzielt werden können, um NOx-Emissionen
auf einen Wert von etwa 5 Gramm pro Kilogramm verbrannten
Brennstoffes zu verringern. Dadurch, daß die Verbrennungs
gase 70 der Turbinendüse 28 relativ früher zugeführt wer
den, bewirkt demgemäß die Turbinendüse 28, daß die stati
sche Temperatur der Verbrennungsgase 70 reduziert wird und
so NOx-Emissionen reduziert oder eliminiert werden, die
ohne eine Verringerung der Temperatur sonst auftreten wür
den.
In Fig. 2 sind weitere Einzelheiten der Verbrennungsvor
richtung 22 nach der Erfindung gezeigt. Der Hochdruckver
dichter 20 weist mehrere umfangsmäßig beabstandete, her
kömmliche Austrittslaufschaufeln 76 als seine letzte Stufe
auf. Der Diffusor 24 ist unmittelbar stromaufwärts der
Brennkammer 26 angeordnet und weist einen ersten, einen
zweiten und einen dritten Diffusorkanal 78, 80 bzw. 82 auf,
die radial beabstandet sind und die Geschwindigkeit der
verdichteten Luft 42 verringern sowie den statischen Druck
derselben erhöhen.
Die Vorstufenverbrennungseinrichtung 56 weist ein erstes
Vorbrennkammerflammrohr 84 auf, das ein stromaufwärtiges
und ein stromabwärtiges Ende 84a bzw. 84b hat und Abstand
von dem äußeren Flammrohr 52 aufweist, um eine erste Vor
verbrennungszone 86 zu bilden. Die Vorstufenverbrennungs
einrichtung 56 weist außerdem ein zweites Vorbrennkammer
flammrohr 88 auf, das ein stromaufwärtiges und ein stromab
wärtiges Ende 88a bzw. 88b hat und Abstand von dem inneren
Flammrohr 54 aufweist, um eine zweite Vorverbrennungszone
90 zu bilden. Mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufwei
sende herkömmliche erste Brennstoffeinspritzvorrichtungen
92 und entsprechende erste herkömmliche Luftdrallkörper 94
erstrecken sich zwischen dem ersten Flammrohr 84 und dem
äußeren Flammrohr 52 an deren stromaufwärtigen Enden 84a
bzw. 52a. Mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende
herkömmliche zweite Brennstoffeinspritzvorrichtungen 96 und
entsprechende herkömmliche zweite Luftdrallkörper 98 er
strecken sich zwischen dem zweiten Flammrohr 88 und dem in
neren Flammrohr 54 an deren stromaufwärtigen Enden 88a bzw.
54a.
Gemäß den Fig. 2-4 ist die Hauptstufenverbrennungseinrich
tung 66 zwischen den stromabwärtigen Enden 84b und 88b des
ersten und zweiten Flammrohres 84, 88 angeordnet und er
streckt sich von diesen aus stromabwärts. Die Hauptstufen
verbrennungseinrichtung 66 weist eine erste Anzahl von hoh
len, insgesamt V-förmigen ersten Flammenhaltern 100 auf,
die stromaufwärtige und stromabwärtige Enden 100a bzw. 100b
haben. Eine zweite Anzahl von gegenseitigen Umfangsabstand
aufweisenden, insgesamt V-förmigen, hohlen, zweiten Flam
menhaltern 102 mit stromaufwärtigen und stromabwärtigen En
den 102a, 102b ist ebenfalls in der Hauptstufenverbren
nungseinrichtung 66 vorgesehen. Die ersten und zweiten
Flammenhalter 100, 102 haben jeweils eine Anzahl von in
Längsrichtung beabstandeten Brennstoffaustrittslöchern 104
in Strömungsverbindung mit ihrem Inneren.
Eine Einrichtung 106 zum Einleiten von Brennstoff 108 in
die Flammenhalter 100, 102 ist vorgesehen. In einer
exemplarischen Ausführungsform weist die Brennstoffein
leiteinrichtung 106 einen ringförmigen ersten Verteiler 110
auf, der sich von dem stromabwärtigen Ende 84b des ersten
Flammrohres 84 aus erstreckt und in Strömungsverbindung mit
dem stromaufwärtigen Ende 100a der ersten Flammenhalter 100
angeordnet ist. Ein ringförmiger zweiter Verteiler 112 zum
Empfangen des Brennstoffes 108 erstreckt sich von dem
stromabwärtigen Ende 88b des zweiten Flammrohres 88 aus und
ist in Strömungsverbindung mit dem stromaufwärtigen Ende
102a der zweiten Flammenhalter 102 angeordnet. Die ersten
und zweiten Flammenhalter 100, 102 sind an ihren stromab
wärtigen Enden 100b bzw. 102b durch einen ringförmigen
Tragring 114 miteinander verbunden. In einer alternativen
Ausführungsform kann der Ring 114 ein Vertei
ler/Flammenhalter in Strömungsverbindung mit den ersten und
zweiten Flammenhaltern 100, 102 sein.
Die Brennstoffeinleiteinrichtung 106 weist weiter zwei
ringförmige Zufuhrverteiler 116 auf, die zu dem äußeren
Flammrohr 52 und dem inneren Flammrohr 54 konzentrisch sind
und herkömmliche Brennstoffleitungen 118 haben, welche in
Strömungsverbindung mit dem ersten und zweiten Verteiler
110, 112 verbunden sind. Die Brennstoffeinleiteinrichtung
106 kann auch anders ausgebildet sein und nichtringförmige
Verteiler 116 aufweisen sowie nach Bedarf andere Anordnun
gen zum Versorgen der Flammenhalter 100 und 102 mit Brenn
stoff haben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
bevorzugt, daß der Brennstoff 108 dem ersten und zweiten
Verteiler 110, 112 in Dampfform geliefert wird, im Gegen
satz zu entweder flüssiger oder zerstäubter Form, obgleich
andere Formen in anderen Ausführungsformen der Erfindung
benutzt werden könnten. Demgemäß weist die Brennstoffein
leiteinrichtung 106 weiter einen herkömmlichen Wärmetau
scher oder Vergaser 120 auf, der auf herkömmliche Weise
über eine Abzapfluftleitung 122 mit dem Hochdruckverdichter
20 verbunden ist, um einen Teil der relativ heißen verdich
teten Luft 42 zu empfangen. Der Wärmetauscher 120 ist au
ßerdem auf herkömmliche Weise in Fluidverbindung über eine
Versorgungsleitung 124 mit einer herkömmlichen Flüssig
brennstoffzufuhr Steuereinrichtung 126 verbunden, um den
Brennstoff 108 in flüssiger Form zu empfangen. Der flüssige
Brennstoff 108 wird auf herkömmliche Weise in den Wärmetau
scher 120 geleitet und darin durch die verdichtete Luft 42
erhitzt, um den Brennstoff 108 (d. h. 108a) zu verdampfen,
der dann auf herkömmliche Weise in die Zufuhrverteiler 116
geleitet wird, die mit ihm verbunden sind. Die verdichtete
Luft 42, die somit den Brennstoff 108 in dem Wärmetauscher
120 erhitzt, wird in ihrer Temperatur verringert und aus
dem Wärmetauscher 120 über eine Auslaßleitung 128 abgege
ben, was ausgenutzt werden kann, um die Hochdruckturbine 30
auf herkömmliche Weise zu kühlen, z. B. die Erststufenlauf
schaufeln 130 der Hochdruckturbine.
Gemäß den Fig. 2 und 3 und insbesondere gemäß Fig. 4 hat
jeder Flammenhalter 100, 102 einen V-förmigen Querschnitt
mit einem Scheitel 132, der in eine stromaufwärtige Rich
tung gewandt ist, und zwei geneigte Seitenflächen 134, in
denen jeweils eine Anzahl von Brennstofflöchern 104 ange
ordnet ist, welche in Längsrichtung längs jedes Flammenhal
ters 100, 102 in gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Die
Brennstofflöcher 104 sind vorzugsweise in den Seitenflächen
134 angeordnet, die in eine stromaufwärtige Richtung gegen
den Hauptteil 72 der verdichteten Luft 42 gewandt sind, um
für eine bessere Vermischung mit derselben zu sorgen und
die Möglichkeit einer Selbstzündung des Brennstoff/Luft-
Hauptgemisches 68 zu reduzieren, das durch Vermischen des
dampfförmigen Brennstoffes 108a aus den Brennstofflöchern
104 mit dem Hauptteil 72 der verdichteten Luft 42, die dar
über hinwegströmt, gebildet wird.
Das Gebiet der Brennkammer 26 stromabwärts der ersten und
zweiten Flammenhalter 100, 102 bildet eine Hauptverbren
nungszone 136, wie in Fig. 2 gezeigt, in welcher die Haupt
verbrennungsgase 70 erzeugt und weitergeleitet werden. Der
erste und zweite Verteiler 110, 112 sind mit dem ersten und
zweiten Vorbrennkammerflammrohr 84 bzw. 88 verbunden, um
die Hauptverbrennungszone 136 zwischen der ersten und zwei
ten Vorverbrennungszone 86 bzw. 90 und der Turbinendüse 28
zu bilden. Die ersten und zweiten Flammenhalter 100, 102
sind vorzugsweise radial einwärts und in stromabwärtiger
Richtung geneigt, so daß die erste und zweite Vorverbren
nungszone 86, 90 in Strömungsverbindung mit der Hauptver
brennungszone 136 angeordnet sind, um die Vorverbrennungs
gase 60 zum Zünden des Brennstoff/Luft-Hauptgemisches 68 zu
liefern. Darüber hinaus sind die ersten und zweiten Flam
menhalter 100, 102 so geneigt, daß unterschiedliche thermi
sche Expansion und Kontraktion der Flammenhalter 100, 102
durch Biegen derselben möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der
Diffusor 24 und die Vorstufenverbrennungseinrichtung 56 so
bemessen und ausgebildet, daß die Vorstufenverbrennungsein
richtung 56 den Nebenteil 62 der verdichteten Luft 42 be
nutzt, der bis zu etwa zehn Prozent (10%) der gesamten ver
dichteten Luft 42 darstellt, die der Brennkammer 26 zuge
führt wird, und die Hauptstufenverbrennungseinrichtung 66
benutzt den Hauptteil 72 der verdichteten Luft 42, der den
übrigen Teil oder neunzig Prozent (90%) der gesamten ver
dichteten Luft 42 ausmacht. Beispielsweise kann der Diffu
sor 24 so ausgebildet sein, daß der erste und dritte Diffu
sorkanal 78, 82 radial nach außen geneigt sind und den Ne
benteil 62 der verdichteten Luft in insgesamt gleicher Er
streckung mit und konzentrisch zu den ersten und zweiten
Luftdrallkörpern 94, 98 der Vorstufenverbrennungseinrich
tung 56 abgeben, so daß jeder etwa fünf Prozent (5%) der
gesamten verdichteten Luft 42 empfängt. Der zweite Diffu
sorkanal 80 ist so ausgebildet, daß er einen divergierenden
Kanal bildet zum Abgeben des Hauptteils 72 der verdichteten
Luft in gleicher Erstreckung mit und konzentrisch zu den
ersten und zweiten Flammenhaltern 100, 102.
Im Betrieb führt die Flüssigbrennstoffzufuhr-Steuerein
richtung 126 flüssigen Brennstoff 108 über herkömmliche
Leitungen 138 den ersten und zweiten Brennstoffeinspritz
vorrichtungen 92, 96 zu, um ihn mit dem Nebenteil 62 der
verdichteten Luft 42 zu vermischen und die Brennstoff/Luft-
Vorgemische 58 zu erzeugen. Das Vorgemisch 58 kann relativ
reich sein, da es eine relativ kleine Menge der gesamten
verdichteten Luft 42 benutzt, um für akzeptable Zündung und
Stabilität der Verbrennungsgase 60 zu sorgen. Während des
Betriebes mit hoher Leistung der Brennkammer 26 in dem
Triebwerk 10 bei dem Antrieb eines Flugzeuges beim Reise
flug, z. B., gibt der Wärmetauscher 120 verdampften Brenn
stoff 108a an den ersten und zweiten Verteiler 110, 112 ab,
die ihrerseits den verdampften Brennstoff 108a durch die
Flammenhalter 100 und 102 leiten, wo er über die Austritts
löcher 104 abgegeben wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Äquiva
lenzverhältnis des Brennstoff/Luft-Hauptgemisches 68 bis zu
etwa 0,75 und liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa
0,5 bis etwa 0,75. Das Äquivalenzverhältnis ist definiert
als das Brennstoff/Luft-Verhältnis dividiert durch das stö
chiometrische Brennstoff/Luft-Verhältnis des Brenn
stoff/Luft-Hauptgemisches 68. Dagegen würde eine herkömmli
che Gasturbinentriebwerksbrennkammer ein Äquivalenzverhält
nis von etwa 1,0 in ihrem kuppelförmigen Verbrennungsbe
reich haben. Das Äquivalenzverhältnis bis zu etwa 0,75 für
die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt ein re
lativ mageres Brennstoff/Luft-Gemisch 68 zur Verbrennung in
der Hauptverbrennungszone 136. Da neunzig Prozent oder mehr
der verdichteten Luft 42 in der Hauptstufenverbrennungsein
richtung 66 benutzt werden und da das Brennstoff/Luft-
Hauptgemisch 68 relativ mager ist, können deshalb Abgase
missionen einschließlich NOx-Emissionen verringert werden.
Bei Verwendung von Jet-A-Brennstoff kann die Verbrennungs
vorrichtung 22 so bemessen werden, daß die NOx-Emissionen
der Vor- und Hauptstufenverbrennungsgase 60, 70, welche aus
der Brennkammer 26 während des Reiseflugleistungsbetriebes
der Brennkammer abgegeben werden, auf einen Wert bis etwa
fünf Gramm NO2 pro Kilogramm Jet-A-Brennstoff bei einer
Einlaßtemperatur der in die Brennkammer 26 eingeleiteten
verdichteten Luft 42 von etwa 680°C (1250°F) und bei Ver
brennungstemperaturen der Gase 70 bis zu etwa 1650°C
(3000°F) verringert werden. Der Brennstoff 108 in Form von
Dampf wird für eine bessere Brennstoff-Luft-Vermischung be
vorzugt, um insgesamt gleichmäßige und relativ niedrige
Äquivalenzverhältnisse zu erzielen und die Möglichkeit der
Selbstzündung des Brennstoff/Luft-Gemisches 68 zu reduzie
ren.
Gemäß der Darstellung in Fig. 4 bilden die Hauptverbren
nungsgase 70 eine Rezirkulationszone 140 unmittelbar
stromabwärts der Flammenhalter 100 und 102. Die Rezirkula
tionszonen 140 sorgen für Flammenstabilität und treten
stromabwärts der Flammenhalter 100 und 102 auf. Wenn der
Brennstoff 108 in Form von Flüssigkeit aus den Auslässen
104 abgegeben würde, würde die Möglichkeit der Selbstzün
dung zunehmen, was zu einer Verbrennung stromaufwärts der
Flammenhalter 100 und 102 führen könnte, die unerwünscht
ist, da daraus eine Beschädigung der Flammenhalter 100 und
102 resultieren könnte.
Durch Verwenden des Brennstoffes 108 in Form von Dampf wird
die Selbstzündungstendenz des Brennstoffes wesentlich redu
ziert und eine verbesserte Vermischung des dampfförmigen
Brennstoffes 108a und des Hauptteils 72 der verdichteten
Luft 42 erreicht, was eine effektivere Verbrennung ergibt.
Darüber hinaus ergibt sich durch die Verwendung der darge
stellten Konfiguration der Flammenhalter 100, 102 eine ver
besserte Vermischung des Brennstoffes 108a und des Haupt
teils 72 der verdichteten Luft 42. Das erzeugt ein gleich
mäßigeres Brennstoff/Luft-Hauptgemisch 68, reduziert die
Gefahr von lokalen brennstoffreichen Zonen und gestattet
eine vollständigere Verbrennung stromaufwärts der Düse 28
innerhalb der relativ kurzen Verbrennungsverweilzeiten, die
zum Reduzieren von NOx-Emissionen erwünscht sind.
Die Vorstufenverbrennungseinrichtung 56 kann während allen
Leistungsbetriebszuständen des Triebwerks 10 bei Bedarf be
nutzt werden, alternativ kann aber die Einrichtung 56 wahl
weise allein zum Zünden und für einen Betrieb geringer Lei
stung des Triebwerks benutzt werden, um die Verbrennung
einzuleiten und die Flammenstabilität aufrechtzuerhalten.
Bei einem Betrieb relativ hoher Leistung des Triebwerks 10,
z. B. bei über dreißig Prozent der maximalen Leistung, kann
die Vorstufenverbrennungseinrichtung 56 inaktiviert und al
lein die Hauptstufenverbrennungseinrichtung 66 benutzt wer
den. Ebenso, die Hauptstufenverbrennungseinrichtung 66 kann
während allen Leistungsbetriebsarten des Triebwerks 10 be
nutzt werden, obgleich sie in der bevorzugten Ausführungs
form allein für den Betrieb oberhalb des Leerlaufbetriebs
aktiviert wird. Selbstverständlich werden sich, wenn sowohl
die Vorstufen- als auch die Hauptstufenverbrennungseinrich
tung 56, 66 in Betrieb ist, die Vorverbrennungsgase 60 not
wendigerweise mit den Hauptverbrennungsgasen 70 vermischen
und die Verbrennungsgase 44 bilden, die aus der Brennkammer
26 abgegeben werden. Und während des Betriebes entweder der
Vorverbrennungseinrichtung 56 oder der Hauptverbrennungs
einrichtung 66 werden die Verbrennungsgase 44 aus den Vor
verbrennungsgasen 60 oder aus den Hauptverbrennungsgasen 70
gebildet.
Die Brennkammerflammrohre 52, 54, 84 und 88 sind vorzugs
weise nichtmetallisch, wie beispielsweise herkömmliche
Brennkammerkeramik oder Kohlenstoff-Kohlenstoff, und arbei
ten ohne herkömmliche Filmkühlung, so daß die verdichtete
Luft 42 hauptsächlich zur Verbrennung benutzt werden kann,
um den Wirkungsgrad zu erhöhen, und das Abschrecken der
Brennstoff/Luft-Gemische an den Flammrohren reduziert ist,
um die Abgasemissionen zu reduzieren. Es könnten jedoch in
alternativen Ausführungsformen herkömmliche gekühlte Flamm
rohre benutzt werden.
Im Rahmen der Erfindung bieten sich über die oben beschrie
bene Ausführungsform hinaus Abwandlungsmöglichkeiten.
Lediglich als Beispiel sei angegeben, daß die bevorzugte
Ausführungsform zwar sowohl die erste Verbrennungszone 86
als auch die zweite Verbrennungszone 90 aufweist, daß an
dere Ausführungsformen der Erfindung jedoch einfach eine
einzelne Vorverbrennungszone benutzen können.
Weiter, die Brennstoffeinleiteinrichtung 106 und die Flüs
sigbrennstoffzufuhreinrichtung 126 könnten alternativ so
ausgebildet sein, daß sie wahlweise verschiedene Mengen an
Brennstoff den ersten und zweiten Brennstoffeinspritzvor
richtungen 92 und 96 und den ersten und zweiten Flammenhal
tern 100 und 102 zuführen, um vier unabhängig steuerbare
Verbrennungszonen stromabwärts derselben zu erzeugen. Das
würde gestatten, das Profil der Verbrennungsgase 44, die
aus der Brennkammer 26 abgegeben werden, in vier verschie
denen Zonen maßzuschneidern. Beispielsweise kann dieses
Maßschneidern der Verbrennungsgase 44 erwünscht sein, um
den Wirkungsgrad dieser Gase 44 an den Erststufenlaufschau
feln 130 der Hochdruckturbine zu verbessern.
Darüber hinaus ist zwar ein besonderer Typ von Flammenhal
tern 100, 102 dargestellt worden, im Rahmen der Erfindung
können jedoch andere Ausführungsformen von Flammenhaltern
benutzt werden.
Der Wärmetauscher 120 ist zwar zum Verdampfen des Brenn
stoffes 108 vorgesehen, der den Flammenhaltern 100 und 102
zugeführt wird, andere Einrichtungen zum Liefern des ver
dampften Brennstoffes 108a könnten jedoch vorgesehen wer
den, und der verdampfte Brennstoff 108a könnte auch den
Brennstoffeinspritzvorrichtungen 92, 96 bei Bedarf zuge
führt werden. Zum Beispiel könnte die Verdichterabzapfluft,
die durch die Leitungen 122 geleitet wird, mit dem flüssi
gen Brennstoff 108 geeignet vermischt werden, um ein Ge
misch aus verdampftem Brennstoff und Luft zu erzeugen, das
den Verteilern 110 und 112 geeignet zugeführt werden
könnte. In einer solchen Ausführungsform der Erfindung
wurde das Brennstoff/Luft-Gemisch durch die Austrittslöcher
104 geleitet und zusätzlich mit dem Hauptteil 72 der ver
dichteten Luft 42 vermischt werden. Selbstverständlich wür
den die relativen Mengen des Brennstoffes und der Luft, die
vermischt werden, so eingestellt werden, daß das gewünschte
endgültige Brennstoff/Luft-Verhältnis und Äquivalenzver
hältnis erzielt werden.
Claims (21)
1. Magere, abgestufte Verbrennungsvorrichtung mit einer
Brennkammer (26), gekennzeichnet durch:
ein ringförmiges äußeres Brennkammerflammrohr (52), das ein stromaufwärtiges Ende (52a) und ein stromabwärtiges Ende (52b) hat;
ein ringförmiges inneres Brennkammerflammrohr (54), das ein stromaufwärtiges Ende (54a) und ein stromabwärtiges Ende (54b) hat und Abstand von dem äußeren Flammrohr (52) auf weist;
eine Einrichtung (56) zum Erzielen einer Vorstufenverbren nung eines Brennstoff/Luft-Vorgemisches zum Erzeugen von Vorstufenverbrennungsgasen (60) zwischen dem inneren und äußeren Flammrohr (52, 54) unter Verwendung eines Neben teils (62) der verdichteten Luft (42), die in die Brennkam mer (26) eingeleitet wird;
eine Einrichtung (66) zum Erzielen einer Hauptstufenver brennung eines mageren Brennstoff/Luft-Hauptgemisches (68) zum Erzeugen von Hauptstufenverbrennungsgasen (70) zwischen dem inneren und dem äußeren Flammrohr (52, 54) unter Ver wendung eines Hauptteils (72) der verdichteten Luft (42), der größer als der Nebenteil (62) ist;
wobei die Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66) stromab wärts der Vorstufenverbrennungseinrichtung (56) und in Strömungsverbindung mit derselben angeordnet ist; und
eine Turbinendüse (28), die mit der Brennkammer (26) an dem stromabwärtigen Ende (52b, 54b) des inneren und äußeren Flammrohres (52, 54) verbunden ist und sich zwischen den selben erstreckt;
wobei die Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66) mit der Turbinendüse (28) eng gekoppelt ist, um eine kurze Verbren nungsverweilzeit der Hauptstufenverbrennungsgase (70) zum Verringern von NOx-Emissionen zu erzielen.
ein ringförmiges äußeres Brennkammerflammrohr (52), das ein stromaufwärtiges Ende (52a) und ein stromabwärtiges Ende (52b) hat;
ein ringförmiges inneres Brennkammerflammrohr (54), das ein stromaufwärtiges Ende (54a) und ein stromabwärtiges Ende (54b) hat und Abstand von dem äußeren Flammrohr (52) auf weist;
eine Einrichtung (56) zum Erzielen einer Vorstufenverbren nung eines Brennstoff/Luft-Vorgemisches zum Erzeugen von Vorstufenverbrennungsgasen (60) zwischen dem inneren und äußeren Flammrohr (52, 54) unter Verwendung eines Neben teils (62) der verdichteten Luft (42), die in die Brennkam mer (26) eingeleitet wird;
eine Einrichtung (66) zum Erzielen einer Hauptstufenver brennung eines mageren Brennstoff/Luft-Hauptgemisches (68) zum Erzeugen von Hauptstufenverbrennungsgasen (70) zwischen dem inneren und dem äußeren Flammrohr (52, 54) unter Ver wendung eines Hauptteils (72) der verdichteten Luft (42), der größer als der Nebenteil (62) ist;
wobei die Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66) stromab wärts der Vorstufenverbrennungseinrichtung (56) und in Strömungsverbindung mit derselben angeordnet ist; und
eine Turbinendüse (28), die mit der Brennkammer (26) an dem stromabwärtigen Ende (52b, 54b) des inneren und äußeren Flammrohres (52, 54) verbunden ist und sich zwischen den selben erstreckt;
wobei die Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66) mit der Turbinendüse (28) eng gekoppelt ist, um eine kurze Verbren nungsverweilzeit der Hauptstufenverbrennungsgase (70) zum Verringern von NOx-Emissionen zu erzielen.
2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66)
mit der Turbinendüse (28) eng gekoppelt ist, um Verbren
nungsverweilzeiten der Hauptstufenverbrennungsgase (70) von
nicht mehr als etwa drei Millisekunden zu erzielen.
3. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66)
ein Äquivalenzverhältnis, welches als das Brennstoff/Luft-
Verhältnis dividiert durch das stöchiometrische Brenn
stoff/Luft-Verhältnis definiert ist, von bis zu etwa 0,75
des mageren Brennstoff/Luft-Hauptgemisches (68) bewirkt.
4. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Äquivalenzverhältnis in einem Bereich von
etwa 0,5 bis etwa 0,75 liegt.
5. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66)
mit der Turbinendüse (28) eng gekoppelt ist, um Verbren
nungsverweilzeiten der Hauptstufenverbrennungsgase (70) von
nicht mehr als etwa drei Millisekunden zu erzielen.
6. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorstufenverbrennungseinrichtung (56) als
Nebenteil (62) der verdichteten Luft (42) bis zu etwa zehn
Prozent der gesamten verdichteten Luft (42), die der Brenn
kammer (26) zugeführt wird, benutzt und daß die Hauptstu
fenverbrennungseinrichtung (66) als Hauptteil (72) der ver
dichteten Luft (42) den übrigen Teil der gesamten verdich
teten Luft (42) benutzt.
7. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Brennkammer (26) bewirkt, daß NOx-Emis
sionen der Vor- und Hauptstufenverbrennungsgase (60, 70),
die aus der Brennkammer (26) während eines Reisefluglei
stungsbetriebes der Brennkammer (26) abgegeben werden, auf
einen Wert von bis zu etwa fünf Gramm NO2 pro Kilogramm
Jet-A-Brennstoff bei einer Einlaßtemperatur der in die
Brennkammer (26) geleiteten verdichteten Luft (42) von etwa
680°C (1250°F) reduziert werden.
8. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorstufenverbrennungseinrichtung (56) ein
Vorbrennkammerflammrohr (84; 88) mit einem stromaufwärtigen
und einem stromabwärtigen Ende (84a, 88a; 84b, 88b) und mit
Abstand von dem inneren oder äußeren Flammrohr (52; 54) an
dem stromaufwärtigen Ende (52a; 54a) desselben und mehrere
gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende Brennstoffein
spritzvorrichtungen (92; 96) und entsprechende Luftdrall
körper (94; 98), welche sich zwischen dem einen stromauf
wärtigen Flammrohrende (52a; 54a) und dem stromaufwärtigen
Vorbrennkammerflammrohrende (84a; 88a) erstrecken, hat.
9. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorstufenverbrennungseinrichtung (56)
aufweist:
ein erstes Vorbrennkammerflammrohr (84), das ein stromauf wärtiges Ende (84a) und ein stromabwärtiges Ende (84b) hat und Abstand von dem äußeren Flammrohr (52) aufweist, um eine erste Vorverbrennungszone (86) zu bilden;
ein zweites Vorbrennkammerflammrohr (88), das ein stromauf wärtiges Ende (88a) und ein stromabwärtiges Ende (88b) hat und Abstand von dem inneren Flammrohr (54) aufweist, um eine zweite Vorverbrennungszone (90) zu bilden;
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende erste Brennstoffvorrichtungen (92) und entsprechende erste Luft drallkörper (94), die sich zwischen dem ersten und dem äu ßeren Flammrohr (84, 52) an den stromaufwärtigen Enden (84a, 52a) derselben erstrecken;
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende zweite Brennstoffeinspritzvorrichtungen (96) und entsprechende zweite Luftdrallkörper (98), die sich zwischen den zweiten und dem inneren Flammrohr (88, 54) an den stromaufwärtigen Enden (88a, 54a) derselben erstrecken,
wobei die Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66) zwischen den stromabwärtigen Enden (84b, 88b) des ersten und zweiten Flammrohres (84, 88) angeordnet ist.
ein erstes Vorbrennkammerflammrohr (84), das ein stromauf wärtiges Ende (84a) und ein stromabwärtiges Ende (84b) hat und Abstand von dem äußeren Flammrohr (52) aufweist, um eine erste Vorverbrennungszone (86) zu bilden;
ein zweites Vorbrennkammerflammrohr (88), das ein stromauf wärtiges Ende (88a) und ein stromabwärtiges Ende (88b) hat und Abstand von dem inneren Flammrohr (54) aufweist, um eine zweite Vorverbrennungszone (90) zu bilden;
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende erste Brennstoffvorrichtungen (92) und entsprechende erste Luft drallkörper (94), die sich zwischen dem ersten und dem äu ßeren Flammrohr (84, 52) an den stromaufwärtigen Enden (84a, 52a) derselben erstrecken;
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende zweite Brennstoffeinspritzvorrichtungen (96) und entsprechende zweite Luftdrallkörper (98), die sich zwischen den zweiten und dem inneren Flammrohr (88, 54) an den stromaufwärtigen Enden (88a, 54a) derselben erstrecken,
wobei die Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66) zwischen den stromabwärtigen Enden (84b, 88b) des ersten und zweiten Flammrohres (84, 88) angeordnet ist.
10. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Hauptstufenverbrennungseinrichtung
(66) aufweist:
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende, hohle Flammenhalter (100, 102), die Abstand von der Vorstufenver brennungseinrichtung (56) haben, wobei jeder Flammenhalter (100, 102) mehrere in Längsrichtung beabstandete Brenn stofflöcher (104) aufweist; und
eine Einrichtung (106) zum Einleiten von Brennstoff (108) in die Flammenhalter (100, 102) zum Abgeben aus den Flam menhaltern (100, 102) über die Brennstofflöcher (104).
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende, hohle Flammenhalter (100, 102), die Abstand von der Vorstufenver brennungseinrichtung (56) haben, wobei jeder Flammenhalter (100, 102) mehrere in Längsrichtung beabstandete Brenn stofflöcher (104) aufweist; und
eine Einrichtung (106) zum Einleiten von Brennstoff (108) in die Flammenhalter (100, 102) zum Abgeben aus den Flam menhaltern (100, 102) über die Brennstofflöcher (104).
11. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Brennstoffeinleiteinrichtung (106)
bewirkt, daß verdampfter Brennstoff (108a) in die Flammen
halter (100, 102) eingeleitet wird.
12. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Brennstoffeinleiteinrichtung (106)
einen Wärmetauscher (120) aufweist zum Empfangen eines
Teils der verdichteten Luft (42) und zum Empfangen von
flüssigem Brennstoff (108), wobei der Wärmetauscher (120)
die verdichtete Luft (42) benutzt, um den flüssigen Brenn
stoff (108) zu verdampfen und den verdampften Brennstoff
(108a) in die Flammenhalter (100, 102) zu leiten.
13. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenhalter (100,
102) jeweils einen V-förmigen Querschnitt mit einem Schei
tel (132), der in eine stromaufwärtige Richtung weist, und
zwei geneigte Seitenflächen (134) haben und daß die Brenn
stofflöcher (104) in den beiden Seitenflächen (134) ange
ordnet sind und in eine stromaufwärtige Richtung weisen.
14. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Brennstoffeinleiteinrichtung (106)
einen ringförmigen ersten Verteiler (110) zum Empfangen von
Brennstoff und einen ringförmigen zweiten Verteiler (112)
zum Empfangen von Brennstoff aufweist;
daß die Flammenhalter (100, 102) eine erste Anzahl von er sten Flammenhaltern (100) umfassen, welche an ihren strom aufwärtigen Enden (100a) in Fluidverbindung mit dem ersten Verteiler (110) verbunden sind, und eine zweite Anzahl von zweiten Flammenhaltern (102), welche an ihren stromaufwär tigen Enden (102a) in Fluidverbindung mit dem zweiten Ver teiler (112) verbunden sind;
wobei die ersten und zweiten Flammenhalter (100, 102) an ihren stromabwärtigen Enden (100b, 102b) miteinander ver bunden sind.
daß die Flammenhalter (100, 102) eine erste Anzahl von er sten Flammenhaltern (100) umfassen, welche an ihren strom aufwärtigen Enden (100a) in Fluidverbindung mit dem ersten Verteiler (110) verbunden sind, und eine zweite Anzahl von zweiten Flammenhaltern (102), welche an ihren stromaufwär tigen Enden (102a) in Fluidverbindung mit dem zweiten Ver teiler (112) verbunden sind;
wobei die ersten und zweiten Flammenhalter (100, 102) an ihren stromabwärtigen Enden (100b, 102b) miteinander ver bunden sind.
15. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die ersten und zweiten Flammenhalter
(100, 102) radial einwärts in stromabwärtiger Richtung ge
neigt sind.
16. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorstufenverbrennungseinrichtung (56)
aufweist:
ein erstes Vorbrennkammerflammrohr (84), das ein stromauf wärtiges Ende (84a) und ein stromabwärtiges Ende (84b) hat und Abstand von dem äußeren Flammrohr (52) aufweist, um eine erste Vorverbrennungszone (86) zu bilden;
ein zweites Vorbrennkammerflammrohr (88), das ein stromauf wärtiges Ende (88a) und ein stromabwärtiges Ende (88b) hat und Abstand von dem inneren Flammrohr (54) aufweist, um eine zweite Vorverbrennungszone (90) zu bilden;
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende erste Brennstoffvorrichtungen (92) und entsprechende erste Luft drallkörper (94), die sich zwischen dem ersten und dem äu ßeren Flammrohr (84, 52) an den stromaufwärtigen Enden (84a, 52a) derselben erstrecken;
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende zweite Brennstoffeinspritzvorrichtungen (96) und entsprechende zweite Luftdrallkörper (98), die sich zwischen den zweiten und dem inneren Flammrohr (88, 54) an den stromaufwärtigen Enden (88a, 54a) derselben erstrecken,
wobei der erste und zweite Verteiler (110, 112) mit dem er sten bzw. zweiten Vorbrennkammerflammrohr (84, 88) verbun den sind, um eine Hauptverbrennungszone (136) zwischen der ersten und zweiten Vorverbrennungszone (86, 90) und der Turbinendüse (28) zu bilden.
ein erstes Vorbrennkammerflammrohr (84), das ein stromauf wärtiges Ende (84a) und ein stromabwärtiges Ende (84b) hat und Abstand von dem äußeren Flammrohr (52) aufweist, um eine erste Vorverbrennungszone (86) zu bilden;
ein zweites Vorbrennkammerflammrohr (88), das ein stromauf wärtiges Ende (88a) und ein stromabwärtiges Ende (88b) hat und Abstand von dem inneren Flammrohr (54) aufweist, um eine zweite Vorverbrennungszone (90) zu bilden;
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende erste Brennstoffvorrichtungen (92) und entsprechende erste Luft drallkörper (94), die sich zwischen dem ersten und dem äu ßeren Flammrohr (84, 52) an den stromaufwärtigen Enden (84a, 52a) derselben erstrecken;
mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende zweite Brennstoffeinspritzvorrichtungen (96) und entsprechende zweite Luftdrallkörper (98), die sich zwischen den zweiten und dem inneren Flammrohr (88, 54) an den stromaufwärtigen Enden (88a, 54a) derselben erstrecken,
wobei der erste und zweite Verteiler (110, 112) mit dem er sten bzw. zweiten Vorbrennkammerflammrohr (84, 88) verbun den sind, um eine Hauptverbrennungszone (136) zwischen der ersten und zweiten Vorverbrennungszone (86, 90) und der Turbinendüse (28) zu bilden.
17. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Hauptstufenverbrennungseinrichtung
(66) mit der Turbinendüse (28) eng gekoppelt ist, um Ver
brennungsverweilzeiten der Hauptstufenverbrennungsgase (70)
von nicht mehr als etwa drei Millisekunden zu erzielen.
18. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Hauptstufen
verbrennungseinrichtung (66) ein Äquivalenzverhältnis, wel
ches als das Brennstoff/Luft-Verhältnis dividiert durch das
stöchiometrische Brennstoff/Luft-Verhältnis definiert ist,
von bis zu etwa 0,75 des mageren Brennstoff/Luft-Hauptgemi
sches (68) bewirkt.
19. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Äquivalenzverhältnis in einem Bereich
von etwa 0,5 bis etwa 0,75 liegt.
20. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorstufenverbrennungseinrichtung (56)
als Nebenteil (62) der verdichteten Luft (42) bis zu etwa
zehn Prozent der gesamten verdichteten Luft (42), die der
Brennkammer (26) zugeführt wird, benutzt und daß die Haupt
stufenverbrennungseinrichtung (66) als Hauptteil (72) der
verdichteten Luft (42) den übrigen Teil der gesamten ver
dichteten Luft (42) benutzt.
21. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis
20, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Diffusor (24),
der stromaufwärts der Brennkammer (26) angeordnet ist und
einen ersten, einen zweiten und einen dritten Diffusorkanal
(78, 80, 82), welche gegenseitigen radialen Abstand haben,
aufweist, wobei der erste und der dritte Kanal (78, 82) in
Strömungsverbindung mit den ersten bzw. zweiten Luftdrall
körpern (94, 98) ausgerichtet sind und wobei der zweite
Diffusorkanal (80) radial zwischen dem ersten und dritten
Diffusorkanal (78, 82) angeordnet und in Strömungsverbin
dung mit der Hauptstufenverbrennungseinrichtung (66) ausge
richtet ist.
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---|---|---|---|
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