DE69612776T2

DE69612776T2 - Ringbrennkammer

Info

Publication number: DE69612776T2
Application number: DE69612776T
Authority: DE
Inventors: Leighton Jones; Dennis Llewellyn Overton
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1996-02-05
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2016-02-06
Also published as: GB9505247D0; GB2298916B; EP0732547A1; GB2298916A; DE69612776D1; US5653109A; EP0732547B1

Description

Die Erfindung betrifft eine ringförmige Brenneinrichtung. Insbesondere betrifft sie die Brennstoffverteileranordnungen für eine abgestufte Brenneinrichtung.
Es ist nunmehr übliche Praxis bei der Brennkammerkonstruktion in einem Gasturbinentriebwerk, Mehrfach-Brennzonen, d. h. eine Brennstoffabstufung, zum Zwecke einer doppelten Verbesserung der Abgasemissionssteuerung und der Betreibbarkeit der Brenneinrichtung über einen weiten Bereich von Brennstoff/Luft- Verhältnissen zu verwenden. Daraus folgt, da nun normalerweise gesonderte Anordnungen von Brennstoffeinspritzern für jede Verbrennungsstufe vorhanden sind, daß diese Brenneinrichtungsbauart mehr Brennstoffeinspritzer aufweist als eine herkömmliche, nicht abgestufte Brenneinrichtung. Die entsprechenden Brennstoffverteiler und Zufuhrleitungen sind nach der herkömmlichen Konstruktionspraxis außerhalb des Brennkammeraußengehäuses montiert, und jeder Brennstoffeinspritzer ist einzeln durch radial verlaufende Brennstoffleitungen, die durch die Brennkammerwände hindurchverlaufen, mit dem zugeordneten Brennstoffverteiler verbunden. Ein Nachteil einer solchen Brenneinrichtung liegt in ihrem unvermeidlich hohen Gewicht.
Ein weiterer Nachteil tritt bei einem Bypasstriebwerk auf, wo die Brennstoffverteiler innerhalb des Bypasskanals angeordnet sind. Infolgedessen sind die Brennstoffverteiler aerodynamischem Flattern und der Wärmeübertragung auf den Bypass-Gebläseluftstrom ausgesetzt, und sind daher empfindlich gegen Beschädigungen durch Fremdkörpereintritt an der Front des Triebwerks.
Eine grundsätzlich dem Oberbegriff des nachstehenden Anspruchs 1 entsprechende Brenneinrichtung ist in der europäischen Patentanmeldung 0 495 587 A1 beschrieben. Insbesondere ist dort eine ringförmige Brenneinrichtung (18) beschrieben, die für abgestufte Verbrennung ausgebildet ist und Mehrzahlen innerer und äußerer Vergaser (50, 52) aufweist, die von inneren und äußeren Brennstoffverteilern (36a, 36b) gespeist werden. Der Brennstoff wird von Brennstoffversorgungen (66a, 66b) außerhalb des Brenneinrichtungsgehäuses (26) durch Brennstoffleitungen (64a, 64b) bereitgestellt, die nach außen durch das Gehäuse (26) verlaufen.
Die Brennstoffverteiler (36a, 36b) sind in einem stromaufwärtigen Bereich der Brenneinrichtung angeordnet, die durch einen Brennkammerdom (44) und innere und äußere Schalen (46, 48) im Strömungsweg der Verdichteraustrittsluft (43) gebildet ist. Die Schalen (46, 48) leiten einen Teil der Verdichteraustrittsluft (34) über die Außenflächen der Brennkammerauskleidungen (40, 42) und lassen die übrige Austrittsluft auf die Verteiler (36a, 36b) und die stromaufwärtige Seite des Doms (44) auftreffen. Bei dieser Anordnung trifft die Verdichteraustrittsströmung direkt auf die Brennstoffverteiler (36a, 36b) auf und setzt sie direkt den Wirkungen beispielsweise der Erosion aus. Die vorliegende Erfindung bezweckt, den Vorteil einer leichteren Verteileranordnung mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigung durch Abschirmen der Verteilerrohre zu schaffen.
Gemäß der Erfindung ist eine ringförmig Brenneinrichtung (10) vorgesehen, die für eine abgestufte Verbrennung ausgelegt ist, mit einem Brennkammergehäuse (36, 38, 48, 50), das Pilotstufen- und Hauptstufen-Brennbereiche (26, 28) enthält, einer ersten Mehrzahl von Pilotbrennstoffeinspritzern (32) für die Pilotstufenverbrennung, die im Pilotbereich (28) angeordnet sind, einer zweiten Mehrzahl von Hauptbrennstoffeinspritzern (30) für die Hauptstufenverbrennung, die in dem Hauptbereich (26) angeordnet sind, einem Brennkammerkopf (39), innerhalb dessen angeordnet sind: erste Brennstoffverteilermittel (66), welche die Pilotstufenbrennstoffeinspritzer (32) mit Brennstoff speisen, und zweite Brennstoffverteilermittel (64), welche die Hauptstufenbrennstoffeinspritzer (30) speisen, und Brennstoffzuleitungsmittel (24), die mit den ersten und den zweiten Brennstoffverteilermitteln (64, 66) verbunden sind, die nach außen durch das Brennkammergehäuse (20) hindurchpassieren, um Brennstoff von einer externen Brennstoffquelle (22) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammerkopf (39) einen stromlinienförmigen Diffusor (72) mit einer hohlen ringförmigen Konstruktion (50) enthält, die in zwei konzentrische Ringkammern (60, 62) unterteilt ist, die durch eine Radialdistanz voneinander beabstandet sind, und daß die ersten Brennstoffverteilermittel (66) in einer ersten der Ringkammern (62) untergebracht und die zweiten Brennstoffverteilermittel (64) innerhalb einer zweiten der Ringkammern (60) untergebracht sind.
Die Erfindung und eine praktisch ausgeführte Ausführungsform werden nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 in schematischer Form einen Längsschnitt durch ein Bypasstriebwerk,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine ringförmige abgestufte Brenneinrichtung, bei welcher Brennstoffeinspritzverteiler innerhalb einer hohlen Brennkammerkopfkonstruktion untergebracht sind, und
Fig. 3 ein Segment des hohlen Brennkammerkopfs mit zwei abgestuften Brennstoffeinspritzern und Teilen der Brennstoffverteiler.
In Fig. 1 ist in schematischer Form ein Längsschnitt durch ein Bypass-Gasturbinentriebwerk gezeigt, um dessen Hauptkomponenten darzustellen. Typischerweise umfaßt das Triebwerk ein Gebläse bzw. einen Niederdruckverdichter (LP-Verdichter) 2, einen Luftströmungsteiler 4, der in einen Bypasskanal 6 und einen Hochdruckverdichter (HP-Verdichter) 8 führt, eine Brenneinrichtung 10, Hochdruck-(HP) und Niederdruck-(LP) Turbinen 12, 14, und schließlich eine Abgasdüse 16, welche durch die Strömung sowohl aus der LP-Turbine 14 und dem Bypasskanal gespeist wird. Außerdem ist in Fig. 1 ein Triebwerksaußengehäuse 20 dargestellt, an dessen Außenfläche eine Brennstoffversorgungseinheit 22 montiert ist. Brennstoff wird von einem Auslaß der Einheit 22 durch das Triebwerksgehäuse 20 und quer durch den Bypasskanal 6 mittels einer Leitung 24 geführt, welche Brennstoff zu einem Verteiler zuführt, mit welchem einzelne Brennstoffeinspritzer (nicht dargestellt) in der Brenneinrichtung 10 verbunden sind.
Die Brenneinrichtung bzw. Brennkammer 10 weist eine ringförmige Konfiguration auf, die nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 der Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben wird. Die Kammer weist bis hierhin bekannte abgestufte Verbrennungstechnologie auf, gemäß derer das Kammerinnenvolumen sich gedanklich in eine radial äußere ringförmige Hauptbrennzone 26 und eine radial innere ringförmige Pilotbrennzone 28 gliedert. Beide Brennzonen 26, 28 werden mit Brennstoff/Luft- Gemisch aus gesonderten Reihen von Brennstoffeinspritzern gespeist. Eine erste Reihe von Hauptbrennstoffeinspritzern 30 ist mit Abständen um eine stromaufwärtige Wand 34 bzw. einen Kopf der Brenneinrichtung auf einem ersten Radius angeordnet, der größer als derjenige einer zweiten Reihe von Pilotbrennstoffeinspritzern 32 ist, die ebenfalls um den Kopf der Brenneinrichtung auf einem zweiten Radius mit Abständen angeordnet sind, der kleiner als der erste Radius ist. Es ist nicht notwendigerweise die gleiche Anzahl von Haupt- und Piloteinspritzern vorhanden, obwohl dies bei dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist, da die Pilot- und die Haupteinspritzer gepaart und jeweils auf dem gleichen Radius montiert sind.
Die Brennkammer 10 ist in einem Abschnitt des Außengehäuses untergebracht, das radial innere und äußere Ende 35, 37 und koaxial damit ein Innengehäuse aufweist, das aus radial inneren und äußeren Brennrohren 36, 38 besteht, die am Innen- bzw. Außenumfang der ringförmigen stromaufwärtigen Wand 34, die auch als Dosierwand bekannt ist, angeordnet bzw. mit dieser verbunden sind. Die ringförmige Dosierwand 34 wird durch eine etwa domförmige ringförmige Kopfbaugruppe getragen, die allgemein mit 39 bezeichnet ist, und die an den äußeren Gehäusewänden 35, 37 montiert ist. Die Auslaßsprühdüsen 40, 42 der Einspritzer 30, 32 sind koaxial mit in der Wand 34 gebildeten Öffnungen angeordnet, die mit ähnlichen Öffnungen versehene thermisch schützenden Hitzeschildplatten 44, 46 tragen können. Die Haupt- und Pilotbrennzonen 26, 28 sind teilweise durch einen ringförmigen Trennkörper 48 voneinander getrennt, der um eine kurze Distanz von der stromaufwärtigen Stirnwand 34 auf einem Zwischenradius zwischen den beiden Zonen in das Brennkammervolumen hineinragt. Der Trennkörper 48 ist vorzugsweise, wie im vorliegenden Beispiel, hohl und wird mit innerer Kühlluft durch weitere Öffnungen 50 gespeist, die in der Wand 34 gebildet und entlang dieser beabstandet sind.
Der Brennkammerkopf 39 weist eine Baugruppe einschließlich eines ringförmigen hohlen Mittelkörpers 50 auf, von welchem ein Segment in Fig. 3 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist dieser integral mit Halterungen 52, 54 der Haupt- und Pilotbrennstoffeinspritzer und mit Flügeln 56, 68 mit Domquerschnitt ausgebildet, die vom Mittelkörper zum inneren bzw. äußeren Brennkammerrohr 36, 38 gekrümmt verlaufen. Der mittige hohle Teil dieses Mittelkörpers ist in zwei Kammern 60, 62 unterteilt, in welchen die Brennstoffverteilerrohre 64, 66 untergebracht sind. Bei der speziellen Ausführungsform besteht der gesamte ringförmige Mittelkörper aus einer Anzahl von Segmenten, die in Umfangsrichtung aneinanderstoßend zusammengebaut sind. Die Verteilerrohre 64, 66 verlaufen über den vollständigen Ring und bilden damit vollständige Ringe, die in den Kammern 60, 62 eingeschlossen sind. In Intervallen weisen die Verteilerrohre Abzweige (nicht dargestellt) auf, die durch entsprechende Sprühdüsenhalterungen mit den jeweiligen Haupt-Pilotsprühdüsen in Verbindung stehen.
Die Brennstoffverteiler sind außerdem mit einer außerhalb des Triebwerksgehäuses befindlichen Brennstoffquelle verbunden, d. h. mit der Brennstoffversorgungseinheit 22 (Fig. 1) über einen etwa radial verlaufenden Arm (68), der die Brennstoffleitung 24 enthält. Folglich ersetzen die Brennstoffverteiler und Brennstoffeinspritzerhalterungen, die im Mittelkörper eingebaut sind, die herkömmlicherweise außerhalb, des Brennkammer-Druckgehäuses, also dem äußeren Brennkammergehäuse, montierten Brennstoffverteiler. Durch das Eliminieren von einzelnen Sprühdüsen-Brennstoffzufuhrrohren und, falls erforderlich, Brennstoffrücklaufrohren, ist nur ein Rohr für die Hauptsprühdüsen und ein weiteres für die Pilotsprühdüsen notwendig. Dies vermeidet die Notwendigkeit mehrfacher Einspritzermontageflanschen am äußeren Brennkammergehäuse, wodurch das Komponentengewicht beträchtlich verringert wird. Des weiteren ersetzt die Anordnung auch im Bypasskanal enthaltene Verteiler.
Die Mittelkörpersegmente sind mittels Schrauben 70 an einem mit Flansch versehenen Abschnitt eines Hochdruckverdichter- Auslaßdiffusors 72 montiert. Der dargestellte Diffusor ist eine mit Keil ausgebildete bzw. stromlinienförmige Diffusorbauart, die koaxial im ringförmigen Auslaßkanal 74 des HP- Verdichterauslasses montiert ist. Der Diffusorkanal ist in radial innere und äußere Ringkanäle unterteilt. Die Vorderkante des Diffusors 72 ist mit einer geschlitzten Öffnung versehen, und die beiden Diffusorflächen 74, 76 gehen in die gewölbten Kopfflügel 56, 58 über. In umfangsmäßig beabstandeten Intervallen sind Radialflansche 78 mit den beiden Diffusorflächen 74, 76 verbunden und bilden Montagepunkte für Schrauben 70 zur Verbindung des Difusors mit den Brennkammerkopfsegmenten 39. Die Brennkammerkopfsegmente sind außerdem mit radial verlaufenden Abschnitten 80 versehen, und bei der dargestellten Ausführungsform sind diese Abschnitte angrenzend an die Montageschrauben 70 angeordnet. Die Abschnitte 80 können massiv oder hohl sein, vorausgesetzt, daß eine Verbindung zwischen den Hohlkammern 60, 62 des Mittelkörpers vorhanden ist. Zwischen den radialen Abschnitten 80 des Mittelkörpers ist ein Schlitz vorhanden, um Luftdurchtrittskanäle für durch die Vorderkante des Difusors eintretende Luft zu bilden. Bei diesem Beispiel kann diese Luft in das Innere des Brennzonentrennkörpers 48 zum Zwecke der Innenkühlung eintreten.
Vorzugsweise sind Öffnungen im Mittelkörper vorgesehen, um Luft in die Brennstoffverteilerkammer 60, 62 ebenfalls zu Kühlzwecken eintreten zu lassen. Weitere Öffnungen wie beispielsweise 82, 84 können in den Flügeln des Mittelkörpers angrenzend an die Sprühdüsenhalterungen vorgesehen sein, wobei diese Luft folglich in das Volumen unmittelbar hinter der Dosierwand 34 eintritt.

Claims

1. Ringförmige Brenneinrichtung (10), die für eine abgestufte Verbrennung ausgelegt ist, mit einem Brennkammergehäuse (36, 38, 48, 50), das Pilotstufen- und Hauptstufen-Brennbereiche (26, 28) enthält, einer ersten Mehrzahl von Pilotbrennstoffeinspritzern (32) für die Pilotstufenverbrennung, die im Pilotbereich (28) angeordnet sind, einer zweiten Mehrzahl von Hauptbrennstoffeinspritzern (30) für die Hauptstufenverbrennung, die in dem Hauptbereich (26) angeordnet sind, einem Brennkammerkopf (39), innerhalb dessen angeordnet sind: erste Brennstoffverteilermittel (66), welche die Pilotstufenbrennstoffeinspritzer (32) mit Brennstoff speisen, und zweite Brennstoffverteilermittel (64), welche die Hauptstufenbrennstoffeinspritzer (30) speisen, und Brennstoffzuleitungsmittel (24), die mit den ersten und den zweiten Brennstoffverteilermitteln (64, 66) verbunden sind, die nach außen durch das Brennkammergehäuse (20) hindurchpassieren, um Brennstoff von einer externen Brennstoffquelle (22) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammerkopf (39) einen stromlinienförmigen Diffusor (72) mit einer hohlen ringförmigen Konstruktion (50) enthält, die in zwei konzentrische Ringkammern (60, 62) unterteilt ist, die durch eine Radialdistanz voneinander beabstandet sind, und daß die ersten Brennstoffverteilermittel (66) in einer ersten der Ringkammern (62) untergebracht und die zweiten Brennstoffverteilermittel (64) innerhalb einer zweiten der Ringkammern (60) untergebracht sind.

2. Ringförmige Brenneinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei in der hohlen ringförmigen Konstruktion (50) des Diffusors (72) der Raum zwischen den beiden konzentrischen Ringkammern (60, 62) mit einer geschlitzten Vorderkante ausgebildet ist, um einen Teil der in die Brennkammer (10) einströmenden Luft eintreten zu lassen.

3. Ringförmige Brenneinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Brennstoffeinspritzer (30, 32) mit der hohlen ringförmigen Konstruktion (50) integriert ausgebildet sind.