DE69209832T2

DE69209832T2 - Brennkammeranordnung in einer gasturbine

Info

Publication number: DE69209832T2
Application number: DE69209832T
Authority: DE
Inventors: Anthony Burnell; Peter Price
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1991-04-30
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2012-04-24
Also published as: EP0582590B1; GB2257781A; GB2257781B; JPH06506761A; US5479774A; WO1992019915A1; DE69209832D1; EP0582590A1; GB9109278D0

Description

Diese Erfindung betrifft eine Brennkammerbaugruppe in einem Gasturbinentriebwerk.
Eine Konfiguration einer Brennkammerbaugruppe weist eine ringförmige Brennkammer mit einer Anzahl von darin angeordneten Luftsprühbrennern auf. Jeder Brenner führt ein Gemisch aus Brennstoff und Luft in die Brennkammer ein. Die Brennstofftröpfchen bzw. der Brennstoffdampf erstreckt sich in Form einer Wolke in die Brennkammer. An einer Stelle stromab des Brenners überlappen sich die von den benachbarten Brennern erzeugten Wolken und bilden so besonders brennstoffreiche Taschen. In solchen Bereichen erfolgt die Verbrennung des Brennstoffs unvollständig und es bilden sich Rußteilchen. Dies ist eine sowohl für das Triebwerk als auch für die Umwelt unerwünscht. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Mittel zu schaffen, um die Bildung von Ruß durch Begünstigung einer vollständigen Verbrennung des Brennstoffs zu unterdrücken.
Eine Brennkammer dieser Art gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 0 401 529 bekannt. Die dort beschriebene Brennkammerbaugruppe weist Luftdüsen auf, die an der Frontwand (als bulkhead bezeichnet) in Form einer Überkonstruktion angeordnet sind, die an der stromabwärtigen Wandseite gehaltert ist und um eine gewisse Distanz in die Brennkammer hinein vorsteht. Es geht aus den Zeichnungen einer Seitenansicht einer solchen Düse in Fig. 5 in Verbindung mit der Stirnansicht nach Fig. 1 hervor, daß die Düse aus einer hohen dünnen kastenartigen Konstruktion mit einer Vielzahl von in ihren stromaufwärtigen und stromabwärtigen Stirnflächen gebildeten Bohrungen besteht, durch welche Luft in die Kammer eingeleitet und gelenkt wird. Eine Anordnung dieser Bauart ist gegen Beschädigung durch Ausbrennen im Brennbereich empfindlich. In einem Flugzeugtriebwerk mit einer axial kompakten Brennkammerkonstruktion, die auch bei grundsätzlich höheren Temperaturen betrieben wird als eine statische, zur Energieerzeugung eingesetzte Maschine, vergrößert sich die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungswirkungen auf die Brennkammer. Bei heutigen Flugzeugtriebwerken ist es üblich, die stromaufwärtige Wand der Brennkammer mit einem luftgekühlten Hitzeschild zu schützen, und das Hinzufügen einer weiteren Überkonstruktion, die einen weiteren Gewichtsnachteil darstellt, ist daher unerwünscht.
Gemäß der Erfindung ist eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit einer ringförmigen Stirnwand (6) vorgesehen, welche das stromabwärtige Ende der Kammer (8) bildet, weiter mit einer Mehrzahl von Brennern (18), die mit umfangsmäßigen Abständen angeordnet sind und im Betrieb ein Brennstoff-Luft- Gemisch in die Kammer (8) einleiten, das in Form einer Wolke aus den Brennern (18) austritt, wobei die Brenner (18) um eine solche Distanz gegenseitig beabstandet sind, daß die benachbarten Wolken sich überlappen, und mit einer Mehrzahl von Mitteln (20, 22) zum Richten von Luftstrahlen in Überlappungsbereiche zwischen benachbarten Brennstoff-Luft-Wolken zum Zerstäuben darin enthaltener brennstoffreicher Gemische, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem ein ringförmiger Wärmeschild (9) mit stromabwärtigem Abstand von der ringförmigen Stirnwand (6) vorgesehen ist, und daß jedes der Mittel zum Richten von Luftstrahlen eine erste, in der ringförmigen Stirnwand (6) gebildete Öffnung und eine zweite, in dem ringförmigen Wärmeschild (9) axial mit der ersten Öffnung (20) fluchtende Öffnung (21) aufweist.
Die Erfindung wird nunmehr lediglich beispielshalber unter Bezugnahme auf eine in den anliegenden Zeichnungen dargestellte Anordnung mehr im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ringförmigen Brennkammerbaugruppe, und
Fig. 2 zeigt ein Segment des Wärmeschilds.
Eine ringförmige Brennkammerbaugruppe, wie in Fig. 1 abgebildet, weist ein ringförmiges Innengehäuse 1 und ein konzentrisches Außengehäuse 2 auf. An ihren stromaufwärtigen Enden laufen das Innengehäuse 1 und das Außengehäuse 2 zusammen, um das Kopfstück der Kammer in Form einer ringförmigen Haube 3 zu bilden. Die Haube ist mit einer Vielzahl von Öffnungen 4 in ihrem vordersten Teil ausgebildet. Im Betrieb nehmen die Öffnungen 4 einen Luftstrom aus dem Hochdruckverdichter auf. Die Haube 3 weist eine Vielzahl weiterer Öffnungen auf, die umfangsmäßig in der Außenwand verteilt sind.
Eine ringförmige Stirnwand 6 verläuft zwischen dem Innengehäuse 1 und dem Außengehäuse 2 stromab der Haube 3. Die Stirnwand 6 und die Haube 3 bilden im Kopfstück der Kammer einen Sammelkammerbereich 7. Stromabseitig bilden die Stirnwand 6, das Innengehäuse 1 und das Außengehäuse 2 eine Brennkammer 8. Die stromabwärtige Stirnseite der Stirnwand 6 wird von einem an der Stirnwand 6 befestigten ringförmigen Wärmeschild 9 vor den hohen Temperaturen geschützt, die im Betrieb in der Brennkammer 8 erfolgt werden.
Der Wärmeschild 9 besteht aus einem einzigen kontinuierlichen Ring mit einer Vielzahl von erhabenen Rippen 10, die von der stromaufwärtigen Stirnseite vorstehen und mit der stromabwärtigen Stirnseite der Stirnwand 6 in Berührung stehen.
Auf diese Weise ist ein Netz von Kanälen 11 zwischen der Stirnwand 6 und dem Wärmeschild 9 gebildet. Die Stirnwand weist außerdem eine Vielzahl von Dosierbohrungen 12 auf, die den Sammelkammerbereich 7 und das Netz von Kanälen 11 miteinander verbinden. Die erhabenen Rippen bilden eine Mehrzahl von (nicht dargestellten) Öffnungen an den radial inneren und äußeren Rändern des Wärmeschildrings 9, so daß die Kanäle 11 auch mit der Brennkammer 8 in Verbindung stehen. Bei einer alternativen Konfiguration weist der Wärmeschild 9 eine Vielzahl von sektorförmigen Segmenten 13 auf, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die aneinanderstoßenden Ränder benachbarter Segmente verlaufen radial mit Bezug auf die Längsachse des Triebwerks. Diese Konfiguration bildet ebenfalls erhabene Rippen 10 an der stromaufwärtigen Stirnseite der Segmente 13 und folglich ein Netz von Kanälen 11 zwischen der Stirnwand 6 und dem Wärmeschild 9.
Die Stirnwand 6 weist außerdem eine Vielzahl von Öffnungen 14 auf, die in regelmäßigen Intervallen entlang des Ringes verteilt sind. Der Wärmeschild 9 weist eine Anzahl geringfügig größerer Öffnungen 15 auf, die fluchtend mit den Öffnungen in der Stirnwand 6 positioniert sind.
Die Brennkammer 8 enthält eine Mehrzahl von Luftsprühbrennern. Jeder Luftsprühbrenner weist einen hohlen Arm 16 auf, der am Triebwerksaußengehäuse 17 befestigt ist und durch eine Öffnung 5 in der Haube 3 in den Sammelkammerbereich 7 hineinragt. Am distalen Ende des Arms 16 verläuft ein etwa zylindrischer hohler Kopf 18 durch eine Öffnung 14 in der Stirnwand 6 und eine Öffnung 15 im Wärmeschild 9 und steht geringfügig in die Brennkammer 8 vor. Das stromabwärtige Ende des Kopfes 18 ist fest an einem Ring 19 befestigt. Der Ring 19 weist an seinem strornabwärtigen Ende eine Lippe auf, die am Wärmeschild 9 anliegt.
Wenn das Triebwerk sich in Betrieb befindet, tritt ein Teil des Luftstroms aus dem Hochdruckverdichter durch die Öffnungen 4 in der Haube 3 in den Sammelkammerbereich 7 ein. Ein Teil der in den Sammelkammerbereich 7 einströmenden Luft tritt durch die Dosierbohrungen 12 in der Stirnwand 6 in das Netz von Kanälen 11 ein. Die durch die Kanäle 11 hindurchströmende Luft kühlt den Wärmeschild 9 und gelangt gegebenenfalls an den inneren und äußeren Rändern des Wärmeschildrings 9 in die Brennkammer 8.
Ein weiterer Teil der Hochdruckluft, die in den Sammelkammerbereich 7 einströmt, tritt in den Kopf 18 des Luftsprühbrenners ein. Der Luftsprühbrenner verwirbelt und vermischt den Luftstrom mit Brennstoff, der durch den hohlen Arm 16 zugeführt wird, und läßt das Gemisch in die Brennkammer 8 austreten. Das Gemisch breitet sich in der Brennkammer 8 in Form einer Wolke aus. An einer gewissen stromabwärtigen Stelle überlappen sich benachbarte Wolken und bilden so brennstoffreiche Taschen. Innerhalb dieser Taschen erfolgt die Verbrennung des Brennstoff unvollständig und es bilden sich Rußteilchen. Die Erfindung schafft jedoch Mittel zum Richten eines Luftstrahls in die Überlappungsbereiche zur Zerstäubung des brennstoffreichen Gemisches und zur Förderung einer vollständigen Verbrennung.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von Schlitzen 20 in der Stirnwand 6 und eine entsprechende Vielzahl von Schlitzen 21 im Wärmeschild 9 gebildet, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Schlitze 20 und 21 verlaufen radial mit Bezug auf die Längsachse des Triebwerks. Die Schlitze 21 im Wärmeschild 9 fluchten mit den Schlitzen 20 in der Stirnwand 6, sind aber geringfügig größer, so daß zwischen dem Sammelkammerbereich 7 und der Brennkammer 8 ein hindernisfreier Strömungsweg gebildet ist. Jeder Schlitz 20 und 21 ist mit gleichem Abstand von zwei benachbarten Luftsprühbrennerköpfen 18 positioniert. Des weiteren schneidet jeder Schlitz eine gerade Linie zwischen den Mittelpunkten der beiden benachbarten Luftsprühbrennerköpfen 18, welche den Schlitz flankieren.
Befindet sich das Triebwerk in Betrieb, strömt derjenige Teil der in dem Sammelkammerbereich 7 eintretenden Hochdruckluft, der nicht in die Luftsprühbrennerköpfe 18 oder die Kühlkanäle 11 eintritt, stattdessen durch die Schlitze 20 und 21 direkt in die Brennkammer 8 ein. Die Schlitze 20 und 21 bilden einen direkten hindernisfreien Strömungsweg aus dem Sammelkammerbereich 7 in die Brennkammer 8, so daß der hindurchtretende Luftstrom keinen wesentlichen Momentenverlust erleidet. Größe und Form der Schlitze 20 und 21 stellen sicher, daß die hindurchtretende Luft in Form fächerförmiger Strahlen in die Brennkammer eintritt. Des weiteren stellt die Position der Schlitze 20 und 21 relativ zu den Luftsprühbrennerköpfen 18 sicher, daß die Strahlen genau in die Wolkenüberlappungsbereiche gerichtet werden. Infolgedessen treffen diese Strahlen auf die Überlappungsbereiche auf und haben dann noch genügend Energie, um die nötige Zerstäubungswirkung auf das darin befindliche brennstoffreiche Gemisch auszuüben. Infolgedessen begünstigen diese ein hohes Bewegungsmoment aufweisende Luftstrahlen die vollständige Verbrennung von Brennstoff und unterdrücken die Bildung von Rußteilchen.

Claims

1. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit einer ringförmigen Stirnwand (6), welche das stromaufwärtige Ende der Kammer (8) bildet, einer Mehrzahl von Brennern (18), die mit umfangsmäßigen Abständen angeordnet sind und im Betrieb ein Brennstoff-Luft-Gemisch in die Kammer (8) einleiten, das in Form einer Wolke aus den Brennern (18) austritt, wobei die Brenner (18) um eine solche Distanz gegenseitig beabstandet sind, daß die benachbarten Wolken sich überlappen, und mit einer Mehrzahl von Mitteln (20, 22) zum Richten von Luftstrahlen in Überlappungsbereiche zwischen benachbarten Brennstoff-Luft-Wolken zum Zerstäuben darin enthaltener brennstoffreicher Gemische, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem ein ringförmiger Wärmeschild (9) mit stromabwärtigem Abstand von der ringförmigen Stirnwand (6) vorgesehen ist, und daß jedes der Mittel zum Richten von Luftstrahlen eine erste, in der ringförmigen Stirnwand (6) gebildete Öffnung (20) und eine zweite, in dem ringförmigen Wärmeschild (9) axial mit der ersten Öffnung (20) fluchtende Öffnung (21) aufweist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Öffnungen (20, 21) gleichen Abstand von zwei benachbarten Brennern (18) zum Einleiten von Brennstoff-Luft-Gemisch in die Kammer (8) haben.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Öffnungen (20, 21) eine gerade Linie zwischen den Mitten zweier benachbarter Brenner (18) zum Einleiten von Brennstoff-Luft-Gemisch in die Kammer (8) schneidet.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20, 21) solche Schlitze sind, daß aus diesen Schlitzen ausgehende Luftstrahlen fächerförmig sind.

5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (20, 21) radial mit Bezug auf die Längsachse des Triebwerks orientiert sind.

6. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeschild (9) eine Mehrzahl von sektorförmigen Segmenten (13) aufweist, wobei miteinander zusammenwirkende Ränder der Segmente die Öffnungen (21) bilden.

7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der miteinander zusammenwirkenden Segmente (13) radial mit Bezug auf die Längsachse des Triebwerks verlaufen.