DE69631991T2 - Gasturbinenbrennkammer - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinen-Kombustor, der als Brennstoff flüssigen Brennstoff verwendet, und insbesondere auf einen Gasturbinen-Kombustor für ein Luftfahrzeugtriebwerk.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • 11 zeigt einen vorbekannten Gasturbinen-Kombustor. In der Figur umfasst der Gasburbinen-Kombustor 1 ein aus einem äußeren Gehäuseteil 3' und einem inneren Gehäuseteil 3" zusammengesetztes zylindrisches Gehäuse 3, das an einer Mittellinie 50 der Drehung einer Turbinenrotorschaufel 6 zentriert ist, sowie eine aus einer äußeren Auskleidung 2' und einer inneren Auskleidung 2" zusammengesetzte zylindrische Auskleidung 2, die in dem Gehäuse 3 konzentrisch mit diesem angeordnet ist.
  • Durch die äußere Auskleidung 2' und die innere Auskleidung 2" sind ein Luftloch 40 zum Zuführen von Verbrennungsluft zu einer Brennkammer zur Bildung eines Flammenhaltebereichs sowie ein Schlitz 41 zum Zuführen von Verdünnungsluft zu der Brennkammer ausgebildet, um eine Temperatur von Verbrennungsgas auf eine vorbestimmte Turbineneinlasstemperatur zu senken und um NOx zu reduzieren.
  • Von einem Kompressor einem Raum zwischen dem Gehäuse 3 und der Auskleidung 2 zugeführt Luft strömt entlang der Auskleidung 2 zu der Turbine hin und kühlt die Außenfläche der Auskleidung 2. Währenddessen strömt ein Teil derselben von dem oben beschriebenen Luftloch 40 in die Brennkammer, und der andere Teil strömt über den Schlitz 41 in die Brennkammer und kühlt die Innenfläche der Auskleidung 2.
  • Es ist anzumerken, dass ein Führungsflügel 20 an einem Auslaß des Kompressors an der stromaufwärtigen Seite des Gehäuses 3 vorgesehen ist, eine Turbinendüse 30 an dem stromabwärtigen Ende des Gehäuses 3 vorgesehen ist und ein Brennstoffzuführeinlaß 12, ein Brennstoff-Luft-Vormischer 13 sowie ein Zünder 71 gemäß der Figur vorgesehen sind.
  • Da die Luft zum Kühlen der Auskleidung 2 teilweise aus dem Luftloch 40 und dem Schlitz 41 nach obiger Beschreibung in die Brennkammer einströmt, ergaben sich Probleme, dass die Auskleidung 2 nicht gleichmäßig gekühlt wird, und dass leicht ein sogenannter "Hot Spot" im stromabwärtigen Bereich des Luftlochs 40 entstehen kann, was ein Abschmelzen verursacht, durch das ein Teil desselben geschmolzen wird und verlorengeht.
  • Dies wird teilweise dadurch verursacht, dass eine ausgeglichene Temperatur der Auskleidung 2 nur ansteigen kann, da die Auskleidung 2 durch Luft mit schlechter Wärmeübertragungseigenschaft gekühlt wird, und da infolgedessen nur ein Auskleidungsmaterial wie Hastelloy X eingesetzt werden kann, dessen Wärmeleitfähigkeit schlecht ist, obwohl es eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.
  • US 3379009 A offenbart einen Strahltriebwerks-Kombustor für ein Strahltriebwerk eines Luftfahrzeugs, das eine einstellbare Strahltriebdüse aufweist, die einen Auslaß eines Kanals bildet, der Luft von einem Strahltriebwerkeinlaß aufnimmt. Die Wände der Strahltriebdüse sind aus feuerfesten Materialien aufgebaut und können optional mit Kanälen für ein Fluid-Kühlmittel versehen sein.
  • US 4838029 A offenbart ein externes Verdampfungssystem für einen Turbinen-Kombustor mit einem Hilfsbrenner zum Verdampfen der Hauptbrennstoffzufuhr. Der Hilfsbrenner wird mit Kompressor-Austragsluft versorgt, und die Hauptdüse wird in den Hilfsbrenner-Ausgangsgasstrom gesprüht, wo eine rapide Durchmischung und Verdampfung erfolgt. Das sich ergebende verdampfte Brennstoff-/Inertgas-Gemisch wird dann zu den einzelnen Hauptkombustor-Brennstoffinjektoren geleitet und verteilt, wo es in die Vormischkanäle des Kombustors eingespritzt wird.
  • Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasturbinen-Kombustor bereitzustellen, der es ermöglicht, einen solchen "Hot-Spot", der zu einem Abschmelzen führt, zu verhindern, und ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, dessen Hochtemperaturbeständigkeit aber gering ist, als Auskleidungsmaterial zu verwenden, indem die Auskleidung gleichmäßig durch flüssigen Brennstoff mit einer höheren Wärmeübertragungseigenschaft als der von Luft gekühlt wird.
  • ABRISS DER ERFINDUNG
  • Um die obigen Probleme des Gasturbinen-Kombustbrs mit der die Brennkammer und den Brennstoff-Luft-Vormischer bildenden Auskleidung, die in bzw. an der stromaufwärtigen Seite der Auskleidung vorgesehen sind, zum Mischen flüssigen Brennstoffs mit von dem Kompressor zugeführter Luft und zum Zuführen desselben zu der Brennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung zu lösen, ist ein Gasturbinen-Kombustor, der nach der Definition in den Ansprüchen 1 oder 3 aufgebaut ist, vorgesehen.
  • Bevorzugte Ausführungsformen dieser Gasturbinen-Kombustoren sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Ein erster Gasturbinen-Kombustor der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gehäuse, dessen stromaufwärtige Seite mit der Auslassseite des Kompressors verbunden ist, und dessen stromabwärtige Seite mit der stromabwärtigen Seite der Auskleidung verbunden ist, und das einen Zwischenraum zwischen sich und der Auskleidung bildet, mehrere Strömungswege, die in der Auskleidung zum Strömenlassen flüssigen Brennstoffs in der Longitudinalrichtung der Auskleidung vorgesehen sind, Mittel, die an einem Ende der Auskleidung zum Zuführen flüssigen Brennstoffs zu den Brennstoffwegen vorgesehen sind, Mittel, die am anderen Ende der Auskleidung zum Austragen des flüssigen Brennstoffs aus den Brennstoffwegen vorgesehen sind, und ein durch die Auskleidung hindurch gebildetes Luftloch zum Zuführen von von dem Kompressor in den Raum zwischen dem Gehäuse und der Auskleidung eingeleiteter Luft zu der Brennkammer als Verbrennungsluft, um einen Flammenhaltebereich zu schaffen.
  • Gemäß dem nach obiger Beschreibung aufgebauten Gasturbinen-Kombustor wird der flüssige Brennstoff in die in der Auskleidung vorgesehenen Strömungswege geleitet und kühlt die Auskleidung gleichmäßig, so dass kein "Hot Spot" erzeugt wird, der ansonsten an dem stromabwärtigen Abschnitt des Luftlochs entstehen könnte, wobei ein Material mit guter Wärmeübertragungseigenschaft als Material für die Auskleidung eingesetzt werden kann, wenn auch seine Hochtemperaturbeständigkeit gering ist.
  • Ein zweiter Gasturbinen-Kombustor der vorliegenden Erfindung, der vorgesehen ist, um die oben genannten Probleme zu lösen, hat eine Struktur, bei der das Luftloch, das bei dem ersten Gasturbinen-Kombustor der vorliegenden Erfindung durch die Auskleidung vorgesehen war, eliminiert ist, und bei der ein Flammenhaltebereich-Erzeugungsmittel an der stromabwärtigen Seite des Brennstoff-Luft-Vormischers vorgesehen ist.
  • Da durch die Auskleidung kein Luftloch vorgesehen ist, hat der nach obiger Beschreibung aufgebaute Gasturbinen-Kombustor zusätzlich zu den oben beschriebenen Wirkungen des ersten Gasturbinen-Kombustors die Auswirkungen, dass die Brennstoffströmungswege innerhalb der Auskleidung einfach ausgebildet werden können und dass eine Ungleichheit der Verteilung der Verbrennungsgas-Temperatur am Auslaß des Kombustors, die andernfalls durch das Luftloch verursacht würde, verhindert werden kann.
  • Ferner hat ein dritter Gasturbinen-Kombustor der vorliegenden Erfindung, der zur Lösung der oben genannten Probleme vorgesehen ist, eine Struktur, bei der die stromabwärtige Seite des Gehäuses, dessen stromaufwärtige Seite mit der Auslassseite des Kompressors verbunden ist, bei dem oben beschriebenen zweiten Gasturbinen-Kombustor mit der stromaufwärtigen Seite der Auskleidung verbunden ist.
  • Durch den oben beschriebenen Aufbau übernimmt die Auskleidung eine Funktion als Gehäuse, so dass die Größe des Kombustors durch Eliminieren des Zwischenraums zwischen der Auskleidung und dem Gehäuse reduziert werden kann, und dadurch die Länge der den Kompressor mit der Turbine verbindenden Welle verkürzt werden kann, und die Größe und das Gewicht des Kombustors und des gesamten Systems verringert werden kann, und zwar zusätzlich zu den bei dem oben beschriebenen Gasturbinen-Kombustor der zweiten Ausführungsform der Erfindung erreichten Wirkungen.
  • Es ist bevorzugt, den dritten Gasturbinen-Kombustor der vorliegenden Erfindung so aufzubauen, dass die Auskleidung eine Doppelschichtstruktur mit einem äußeren Zylinder und einem inneren Zylinder aufweist, in denen die Brennstoffströmungswege geschaffen sind, und so, dass der innere Zylinder aus einem Material mit hoher Wärmeübertragungseigenschaft und der äußere Zylinder aus einem Material mit hoher Festigkeit gefertigt sind, um in der Lage zu sein, die Auskleidungs-Kühlwirkung zu verbessern und die Festigkeit des Kombustors selbst zu verstärken, und zwar zusätzlich zu den oben genannten Wirkungen.
  • Es wird auch bevorzugt, die ersten bis dritten Gasturbinen-Kombustoren der vorliegenden Erfindung so aufzubauen, dass eine Querschnittsform des Brennstoffwegs in der Auskleidung senkrecht zu der Strömungsrichtung in etwa quadratisch ist, und so, dass die Querschnittsfläche der Brennkammerseite in die gegenüber der Brennkammer entgegengesetzte Richtung vorsteht, um eine Temperaturverteilung in der Auskleidungsfläche in den Brennstoffwegen zu vereinheitlichen und um ein Verkoken von Brennstoff, das andernfalls durch eine teilweise erhöhte Temperatur des durch den Strömungsweg auf der Seite der Brennkammer strömenden Brennstoffs verursacht werden könnte, zu verhindern.
  • Ferner ist bei den ersten bis dritten Gasturbinen-Kombustoren der vorliegenden Erfindung bevorzugt, Mittel zum Erfassen einer Temperatur von durch jeden der in der Auskleidung an der Brennstoffaustragsseite gebildeten Strömungswege strömenden Brennstoff vorzusehen, und Mittel zum Steuern eines jeden Brennstoffwegs gemäß der erfassten Brennstofftemperatur der an der Brennstoffzuführseite zugeführten Brennstoffmenge bereitzustellen, um die Auskleidungstemperatur auszugleichen und um ein lokales Abschmelzen der Auskleidung und die Verkokung von Brennstoff zu verhindern.
  • Oder es wird beim dem ersten bis dritten Gasturbinen-Kombustor der vorliegenden Erfindung bevorzugt, Mittel zum Erfassen einer Temperatur von von der Auskleidung in der Richtung einer Mittellinie der Drehachse des Brennstoff-Luft-Vormischers ausgetragenen Verbrennungsgases bereitzustellen, und Mittel zum Steuern einer der Brennkammer gemäß der erfassten Verbrennungsgastemperatur an der stromaufwärtigen Seite des Brennstoff-Luft-Vormischers in der Auskleidung zugeführten Luftmenge bereitzustellen, um die Temperaturverteilung des Verbrennungsgases am Auslaß des Kombustors zu vereinheitlichen, die andernfalls infolge der umfangsmäßigen Verteilung von dem Kompressor zugeführter Luft variieren könnte, und um eine hocheffiziente Turbinenausgangsleistung zu erzielen.
  • Die obigen und andere verwandte Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus einer Lektüre der folgenden Beschreibung der in den beigefügten Zeichnungen enthaltenen Offenbarung hervor, deren Neuigkeit in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 eine Aufbauzeichnung eines Gasturbinen-Kombustors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2 eine Schnittansicht längs einer Linie II–II in 1,
  • 3 eine Schnittansicht längs einer Linie III–III in 2,
  • 4 eine Aufbauzeichnung eines Gasturbinen-Kombustors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 5 eine Aufbauzeichnung eines Gasturbinen-Kombustors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 6 eine Schnittansicht längs einer Linie IV–IV in 5,
  • 7 eine Schnittansicht zur Darstellung eines Aufbaus einer Auskleidung in einem Gasturbinen-Kombustor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer Arbeitsweise der Auskleidung in dem Gasturbinen-Kombustor gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 9 eine Aufbauzeichnung eines Gasturbinen-Kombustors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 10 eine Aufbauzeichnung eines Gasturbinen-Kombustors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
  • 11 eine Aufbauzeichnung eines vorbekannten Gasturbinen-Kombustors.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein Gasturbinen-Kombustor der vorliegenden Erfindung wird nachstehend konkret auf der Basis bevorzugter Ausführungsformen desselben erläutert, die in den 1 bis 10 gezeigt sind. Es ist anzumerken, dass zur Vereinfachung der Erläuterung die gleichen Bezugsziffern auf entsprechende Teile der in 11 gezeigten vorbekannten Einheit in mehreren Ansichten bezogen sind.
  • Erste Ausführungsform
  • Nachstehend wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 3 erläutert. Eine Auskleidung 2 hat eine Doppelschichtstruktur, die aus einem äußeren Auskleidungszylinder 14 und einem inneren Auskleidungszylinder 15 besteht, wie in einer Schnittansicht derselben in 2 gezeigt ist. Mehrere Brennstoffwege 16, von denen jeder einen quadratischen Querschnitt aufweist und die in der Longitudinalrichtung der Auskleidung 2 ausgebildet sind, sind in der Umfangsrichtung der Auskleidung 2 vorgesehen.
  • Ferner ist gemäß 3 ein Luftloch 40 durch den inneren Auskleidungszylinder 15 und den äußeren Auskleidungszylinder 14 geschaffen, wobei die Brennstoffwege 16 den Teil, an dem sich das Luftloch 40 befindet, umgehen.
  • Von der Außenseite über Brennstoffzuführleitungen 7 und 8 sowie stromabwärtige Verteiler 9 und 10 zugeführter Brennstoff (Jet-A, flüssiger Wasserstoff, flüssiges Methan, etc.) wird den Brennstoffwegen 16 zugeführt und strömt zur stromaufwärtigen Seite, wodurch Wärme der Auskleidung 2 aufgenommen wird und die Auskleidung 2 gleichmäßig gekühlt wird.
  • Dadurch wird kein sog. "Hot-Spot" an dem stromabwärtigen Teil des Luftlochs 40 erzeugt, da die Strömungswege 16 auch um das Luftloch 40 herum nach obiger Beschreibung ausgebildet sind. Da ferner die Auskleidung 2 auf diese Weise durch den flüssigen Brennstoff mit hoher Wärmeübertragungseigenschaft gekühlt wird, kann ein Material (z.B. Kupfer) mit guter Wärmeleitfähigkeit, auch wenn seine Hochtemperaturbeständigkeit gering ist, als Material der Auskleidung verwendet werden.
  • Der an der stromaufwärtigen Seite der Auskleidung ankommende Hochtemperaturbrennstoff wird aus dem Kombustor 1 über einen stromaufseitigen Verteiler 11 ausgetragen, auf einen vorbestimmten Druck durch eine nicht dargestellte Brennstoffpumpe hochgefahren, und dann einem Brennstoff-Luft-Vormischer 13 über eine Brennstoffzuführöffnung 12 zugeführt.
  • Dabei strömt ein Teil der vom Kompressor in den Raum zwischen dem Gehäuse 3 und der Auskleidung 2 eingeleiteten Luft in die Brennkammer über das Luftloch 40 als Verbrennungsluft und erzeugt einen Flammenhaltebereich innerhalb der Brennkammer, womit eine kontinuierliche und stabile Verbrennung beibehalten wird. Verdünnungsluft wird der Brennkammer über den Brennstoff-Luft-Vormischer 13 zugeführt.
  • Es ist anzumerken, dass der Brennstoff, wenn ein Druck des an dem stromaufseitigen Verteiler 11 erhaltenen Brennstoffs sehr hoch ist, direkt der Brennstoffzuführöffnung 12 zugeführt werden kann, ohne ihn über die Brennstoffpumpe zu schicken. Ferner ist es nicht nötig, den gesamten von außen zugeführten Brennstoff den Brennstoffwegen 16 zuzuführen, sondern ein Teil davon kann genügen.
  • Es ist auch anzumerken, dass eine wärmebeständige Beschichtung auf die Fläche in 2, die gegenüber dem Verbrennungsgas freiliegt, aufgebracht werden kann.
  • Zweite Ausführungsform
  • Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf der Basis von 4 erläutert, wobei ein Unterschied zur ersten Ausführungsform herausgehoben wird. Der Aufbau der Auskleidung 2 der zweiten Ausführungsform ist zwar der gleiche wie der der ersten Ausführungsform insofern, als die mehreren in der Longitudinalrichtung ausgebildeten Brennstoffwege in der Auskleidung 2 in deren Umfangsrichtung gemäß 2 ausgebildet sind, sie unterscheidet sich jedoch von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Auskleidung 2 außer einem Einleitabschnitt von Brennstoff-Luft-Gasgemisch vollständig geschlossen ist und ein Verbrennungsgas-Austragsabschnitt der Auskleidung 2 und des Luftlochs 40 eliminiert ist.
  • Da der Flammenhaltebereich zum kontinuierlichen und stabilen Aufrechterhalten einer Verbrennung nicht als Luftloch 40 der ersten Ausführungsform gebildet werden kann, eliminiert wird, wird ein Flammenhaltebereich durch Vorsehen eines (Stumpfkörper-)Flammenhalters 60 an der stromabwärtigen Seite des Brennstoff-Luft-Vormischers 13 anstelle des Luftlochs 40 erzeugt.
  • Brennstoff wird auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform über die Brennstoffwege 16 zugeführt und ausgetragen. Ferner wird die gesamte Verbrennungsluft und Verdünnungsluft über den Brennstoff-Luft-Vormischer 13 der Brennkammer zugeführt.
  • Die vorliegende Ausführungsform hat die Wirkung, dass die Brennstoffwege 16 einfach ausgebildet werden können, da sie nicht durch Umgehung des Luftlochs gebildet werden müssen, und zwar zusätzlich zu den durch die erste Ausführungsform erzielten Wirkungen.
  • Ferner wird es möglich, die Verteilung der Verbrennungsgastemperatur am Auslaß der Brennkammer durch Eliminieren des Luftlochs noch gleichmäßiger zu gestalten, wobei die Luft vom Außenumfang der Auskleidung 2 in die Brennkammer eintritt.
  • Es ist anzumerken, dass in der vorliegenden Ausführungsform zwar der Stumpfkörper-Flammenhalter als Flammenhaltemittel eingesetzt wurde, dass es aber auch möglich ist, einen Flammenhalter vom V-Rinnentyp, Rundnasen-V-Rinnentyp oder Strahlvorhangstyp zu verwenden, wobei das Flammenhaltemittel nicht auf den Einsatz dieser Flammenhalter beschränkt ist.
  • Dritte Ausführungsform
  • Nachstehend wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Basis von 5 erläutert, wobei ein Unterschied gegenüber der zweiten Ausführungsform hervorgehoben wird. Die dritte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtige Seite des Gehäuses 3, dessen stromaufwärtige Seite mit dem Auslaß des Kompressors verbunden ist, den gleichen Durchmesser wie die Auskleidung 2 aufweist und mit der stromaufwärtigen Seite der Auskleidung 2 verbunden ist, um der Auskleidung 2 eine Funktion eines Gehäuses zu geben.
  • Die dritte Ausführungsform ist auch darin gleich mit der zweiten Ausführungsform, dass die Strömungswege 16 in der Auskleidung 2 vorgesehen sind, der Brennstoff über die Brennstoffwege 16 zugeführt und ausgetragen wird und die Verdünnungsluft der Brennkammer über den Brennstoff-Luft-Vormischer zugeführt wird.
  • Die vorliegende Ausführungsform hat die Wirkungen, dass die Größe der Brennkammer durch Eliminieren des Zwischenraums zwischen der Auskleidung und dem Gehäuse 3 verringert werden kann und dadurch die Länge einer den Kompressor mit der Turbine verbindenden Welle verkürzt werden kann, womit zusätzlich zu den durch die zweite Ausführungsform erzielten Wirkungen eine Verringerung der Größe und des Gewichts des gesamten Systems ermöglicht wird.
  • Ferner kann die Kühlwirkung der Auskleidung 2 durch Strukturieren der Auskleidung 2 erhöht werden, welche die zusätzliche Funktion des Gehäuses mit der Doppelschichtstruktur des äußeren Auskleidungszylinders 14 und des inneren Auskleidungszylinders 15 aufweist, indem die Brennstoffwege 16 in dem inneren Auskleidungszylinder 15 vorgesehen sind, und dieser mit einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet wird. Außerdem kann die Festigkeit des Kombustors 1 selbst verbessert werden und die Auskleidung 2 kann die Rolle des Gehäuses voll übernehmen, indem ein Material mit hoher Festigkeit für den äußeren Auskleidungszylinder 14 verwendet wird.
  • Vierte Ausführungsform
  • Die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf der Basis der 7 und 8 erläutert. Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform des Brennstoffwegs verändert ist. Sie kann auf Brennstoffwege in den ersten bis dritten Ausführungsformen angewandt werden.
  • Wie in 7 gezeigt ist, hat der Brennstoffweg 16 der vorliegenden Ausführungsform, der in dem inneren Auskleidungszylinder 15 vorgesehen ist, in etwa einen quadratischen Querschnitt in der Longitudinalrichtung der Auskleidung 2. Das heißt, eine Fläche 22 des Brennstoffswegs 16 auf der Seite der dem Verbrennungsgas ausgesetzten Fläche steht in der zur Brennkammer entgegengesetzten Richtung vor. Der äußere Verkleidungszylinder 14 und die Rippenabschnitte 23 sind gemäß der Figur vorgesehen.
  • Da die in einen abgewinkelten Abschnitt 21 eindringende Hitze einen größeren Freiheitsgrad bei ihrer Ableitung aufweist, wird eine Temperaturverteilung der Fläche 22 so, wie es durch eine unterbrochene Linie in 8 angedeutet ist, wobei der Mittelabschnitt hoch ist, wenn ein Steg 24 (eine Dicke zwischen der gegenüber dem Verbrennungsgas freiliegenden Fläche und dem Brennstoffweg 16) flach ist, d.h. der Brennstoffweg 16 hat einen quadratischen Querschnitt. Da unter den Abschnitten des Brennstoffwegs 16 die Fläche 22 der höchsten Temperatur ausgesetzt ist, wird eine Temperatur des mittleren Abschnitts der Fläche 22 am höchsten.
  • Im allgemeinen hat ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie Jet-A eine Eigenschaft, dass er eine thermische Zersetzung bewirkt und Kohle unter einer bestimmten hohen Temperatur abgelagert wird (Verkoken). Demgemäß wird es notwendig, das Auftreten eines Verkokens infolge des oben beschriebenen partiellen Hochtemperaturabschnitts zu verhindern, wenn der Kohlenwasserstoff-Brennstoff in die Brennstoffwege 16 geleitet wird.
  • Dabei wird das Verkoken durch Vereinheitlichen der Temperaturverteilung der Fläche 22 verhindert, wie durch eine durchgezogene Linie in 8 angedeutet ist, und durch Eliminieren des partiellen Hochtemperaturabschnitts durch Vorstehenlassen der Fläche 22 zum Brennstoffweg 16 insgesamt, damit in deren mittlerem Abschnitt eine Spitze entsteht, um den Bereich der Fläche 22 zu vergrößern und die Dicke des Stegs 24 zu vergrößern, wie oben beschrieben wurde.
  • Fünfte Ausführungsform
  • Die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf der Basis der 9 erläutert. Ein Kombustor 1 gemäß 9 ist dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Aufbau der ersten, in 1 gezeigten Ausführungsform ein Brennstofftemperatur-Erfassungsensor 62 an der stromabwärtigen Seite jedes Brennstoffwegs 16 vorgesehen ist, ein Brennstoffströmungsmengen-Steuerventil 61 an der stromaufwärtigen Seite des Brennstoffwegs 16 vorgesehen ist, und ein Brennstoffzuführmengen-Kontroller 80 zum Steuern eines Ventilöffnungswinkels des Steuerventils 61 auf der Basis eines Erfassungswerts des Sensors 62 vorgesehen ist. Der restliche Aufbau ist der gleiche wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, und eine Erläuterung desselben fällt weg.
  • Wie in 9 gezeigt ist, wird eine von jedem Brennstofftemperatur-Erfassungssensor 62 erfaßte Brennstofftemperatur in den Brennstoffzuführmengen-Kontroller 80 eingegeben. Der Brennstoffzuführmengen-Kontroller 80 berechnet einen Durchschnittswert jedes eingegebenen Erfassungswerts, findet eine Differenz von +/- zwischen dem Durchschnittswert und jedem Erfassungswert heraus und gibt ein Ventilöffnungswinkelsignal entsprechend der Differenz von +/- an jedes entsprechende Brennstoffströmungsmengen-Steuerventil 61 aus.
  • Dabei wird der Ventilöffnungswinkel des Brennstoffmengen-Steuerventils 61 entsprechend dem Signal gesteuert, und eine jedem Brennstoffweg 16 zugeführte Brennstoffmenge wird entsprechend erhöht/vermindert.
  • Es ist anzumerken, dass die Beziehung zwischen der Differenz +/- zwischen dem Durchschnittswert und dem Erfassungswert und dem Ventilöffnungswinkelsignal im voraus herausgefunden und in dem Brennstoffzuführmengen-Kontroller 80 gespeichert wird.
  • Durch den oben beschriebenen Aufbau kann die Auskleidung 2 gleichmäßig gekühlt werden, und ein partielles Abschmelzen der Auskleidung 2 kann auch dann verhindert werden, wenn eine Temperatur eines Teils der Auskleidung 2 infolge einer partiellen Änderung der Verbrennung in der Brennkammer ansteigt, indem ein etwaiger lokaler Hochtemperaturabschnitt durch Erhöhen einer durch den entsprechenden Abschnitt strömenden Brennstoffmenge eliminiert wird.
  • Es ist anzumerken, dass bei der vorliegenden Erfindung zwar der Ventilöffnungswinkel des Brennstoffströmungsmengen-Steuerventils 61 auf der Basis der Differenz zwischen dem Durchschnittswert und jedem Erfassungswert der Brennstofftemperatur gesteuert wurde, dass die vorliegende Erfindung jedoch nicht hierauf beschränkt ist. Das heißt, dass es auch möglich ist, einen geeigneten Wert der Brennstofftemperatur an der stromabwärtigen Seite des Brennstoffwegs 16 vorab einzustellen und den Ventilöffnungswinkel des Brennstoffströmungsmengen-Steuerventils 61 so zu steuern, dass der Brennstoff diese Temperatur beibehält.
  • Die vorliegende Ausführungsform eröffnet die Möglichkeit zu verhindern, dass die Auskleidung 2 sich insgesamt überhitzt, um ein Verkoken zu verhindern, wenn der Kohlenwasserstoff-Brennstoff verwendet wird. Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch auf die zweite und dritte Ausführungsform angewandt werden.
  • Sechste Ausführungsform
  • Die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf der Basis der 10 erläutert. Ein in 10 gezeigter Kombustor 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Aufbau der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ein Verbrennungsgas-Temperaturerfassungssensor 73 zum Erfassen einer aus der Brennkammer in Richtung der Mittellinie 50 der Drehachse jedes Brennstoff-Luft-Vormischers 13 ausgetragenen Verbrennungsgases vorgesehen ist, ein Luftströmungsmengen-Steuerventil 72 in der Auskleidung 2 an der stromaufwärtigen Seite des Brennstoff-Luft-Vormischers 13 vorgesehen ist und ein Luftzuführmengen-Kontroller 90 zum Steuern eines Ventilöffnungswinkels des Steuerventils 72 auf der Basis eines erfassten Werts des Sensors 73 vorgesehen ist. Der restliche Aufbau ist der gleiche wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, und eine Erläuterung desselben fällt hier weg.
  • Wie in 10 gezeigt ist, wird eine durch jeden Verbrennungsgastemperatur-Erfassungssensor 73 erfaßte Verbrennungsgastemperatur in den Luftzuführmengen-Kontroller 90 eingegeben. Der Luftzuführmengen-Kontroller 90 berechnet einen Durchschnittswert jedes eingegebenen Erfassungswerts, findet eine Differenz von +/- zwischen dem Durchschnittswert und jedem Erfassungswert heraus und gibt ein Ventilöffnungswinkelsignal entsprechend der Differenz von +/- an jedes entsprechende Luftströmungsmengen-Steuerventil 72 aus.
  • Dabei wird der Ventilöffnungswinkel des Luftmengensteuerventils 72 entsprechend dem Signal gesteuert, und eine der Brennkammer über jeden Brennstoff-Luft-Vormischer 13 zugeführte Luftmenge wird entsprechend erhöht/verringert.
  • Es ist anzumerken, dass die Beziehung der Differenz von +/- zwischen dem Durchschnittswert und dem Erfassungswert und dem Ventilöffnungswinkelsignal im voraus ermittelt und in dem Luftzuführmengen-Kontroller 90 gespeichert wird.
  • Durch den oben beschriebenen Aufbau kann eine Verteilung der Verbrennungsgastemperatur am Auslaß der Auskleidung 2, die ansonsten infolge der Umfangsverteilung von dem Kompressor zugeführter Luftströmung variieren könnte, ausgeglichen werden und das Abschmelzen der Turbine und der Druckverlust in der Brennkammer können reduziert werden.
  • Es ist anzumerken, dass der Ventilöffnungswinkel des Luftströmungsmengen-Steuerventils 72 zwar auf der Basis der Differenz zwischen dem Durchschnittswert und jedem Erfassungswert der Verbrennungsgastemperatur bei der vorliegenden Ausführungsform gesteuert wurde, dass die vorliegende Erfindung jedoch nicht hierauf beschränkt ist. Das heißt, dass es auch möglich ist, einen geeigneten Wert einer Temperatur des Verbrennungsgases am Auslaß der Auskleidung 2 (Verbrennungsgas am Auslaß der Turbine) im voraus einzustellen und den Ventilöffnungswinkel des Luftströmungsmengen-Steuerventils 72 so zu steuern, dass das Verbrennungsgas diese Temperatur beibehält.
  • Die vorliegende Ausführungsform wirkt sich dahingehend aus, dass eine hocheffiziente Turbinenausgangsleistung erzielt werden kann. Selbstverständlich kann die vorliegende Ausführungsform auch auf die zweite und dritte Ausführungsform angewandt werden.
  • Wie oben beschrieben wurde, sind die Strömungswege von flüssigem Brennstoff in der Auskleidung ausgebildet, welche die Brennkammer bildet, und die Auskleidung wird in dem Gasturbinen-Kombustor der vorliegenden Erfindung gleichmäßig gekühlt, so dass der "Hot-Spot", der andernfalls an der stromabwärtigen Seite des durch die Auskleidung hindurch geschaffenen Luftlochs entstehen würde, verhindert werden kann, und ein Material mit guter Wärmeübertragungseigenschaft trotz seiner geringen Hochtemperaturbeständigkeit als Auskleidungsmaterial eingesetzt werden kann.
  • Ferner wird das Luftloch aus der Auskleidung eliminiert und das Flammenhaltebereichs-Erzeugungsmittel wird an der stromabwärtigen Seite des Brennstoff-Luft-Vormischers vorgesehen, so dass die Gasbrennstoffwege in der Auskleidung einfach ausgebildet werden können und die Verteilung einer Verbrennungsgastemperatur am Auslaß der Brennkammer, die andernfalls infolge der über das Luftloch einströmenden Luft variieren würde, kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Wirkungen bei dem Gasturbinen-Kombustor ausgeglichen werden.
  • Darüber hinaus kann die Größe des Kombustors bei dem Gasturbinen-Kombustor der vorliegenden Erfindung reduziert werden, der so aufgebaut ist, dass die Auskleidung die Funktion des Gehäuses übernimmt, indem der Zwischenraum zwischen der Auskleidung und dem Gehäuse eliminiert wird, so dass die Länge der den Kompressor mit der Turbine verbindenden Welle verkürzt werden kann und die Größe und das Gewicht des Kombustors und des gesamten Systems verringert werden kann.
  • Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, stellt die vorliegende Erfindung die Gasturbinen-Kombustoren bereit, bei denen die in dem Kombustorgehäuse vorgesehene Auskleidung gleichmäßig gekühlt werden kann und bei der ein Abschmelzen, das andernfalls durch einen darin entstehenden "Hot-Spot" verursacht würde, verhindert werden kann.
  • Es sind zwar bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, Fachleuten sind jedoch Variationen an diesen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden erfinderischen Konzepte ersichtlich, die durch die folgenden Ansprüche umrissen sind.

Claims (7)

  1. Gasturbinen-Kombustor mit einer Auskleidung (2), die eine Brennkammer bildet, einem Brennstoff-Luft-Vormischer (13), der in und an der stromaufwärtigen Seite der Auskleidung (2) vorgesehen ist, um flüssigen Brennstoff mit von einem Kompressor zugeführter Luft zu mischen und der Brennkammer zuzuführen, und einem Gehäuse (3), dessen stromaufwärtige Seite mit der Auslassseite des Kompressors verbunden ist und dessen stromabwärtige Seite mit einer Turbinendüse (30) versehen und mit der stromabwärtigen Seite der Auskleidung (2) verbunden ist, so daß ein Zwischenraum zwischen dem Gehäuse (3) und der Auskleidung (2) gebildet ist, mehreren Brennstoffwegen (16), die in der Auskleidung (2) zum Strömenlassen von flüssigem Brennstoff in der Longitudinalrichtung der Auskleidung (2) vorgesehen sind, Brennstoffzuführleitungen (7,8) und stromabwärtigen Verteilern (9,10), die an einer der Turbinendüsen(30)-Seite der Auskleidung (2) vorgesehen sind, um flüssigen Brennstoff den Brennstoffwegen (16) zuzuführen, wobei der von einer (8) der Brennstoffzuführleitungen zugeführte flüssige Brennstoff im Inneren der Turbinendüse (30) und dann in einen (10) der stromabwärtigen Verteiler strömen gelassen wird, einem stromaufwärtigen Verteiler (11), der am Ende der stromaufwärtigen Seite der Auskleidung (2) vorgesehen ist, um den flüssigen Brennstoff aus den Brennstoffwegen (16) auszutragen, und Flammenhaltebereichs-Erzeugungsmitteln (60), die an der stromabwärtigen Seite des Brennstoff-Luft-Vormischers (13) vorgesehen sind.
  2. Gasturbinen-Kombustor nach Anspruch 1, wobei die Flammenhaltebereichs-Erzeugungsmittel ein durch die Auskleidung (2) eingebrachtes Luftloch (40) zum Zuführen von Luft, die dem Zwischenraum zwischen dem Gehäuse (3) und der Auskleidung (2) von dem Kompressor zugeführt wurde, als Verbrennungsluft zu der Brennkammer umfasst.
  3. Gasturbinen-Kombustor mit einer eine Brennkammer bildenden Auskleidung (2), die an einem Ende der stromabwärtigen Seite mit einer Turbinendüse (30) versehen ist, einem Brennstoff-Luft-Vormischer (13), der in und an der stromaufwärtigen Seite der Auskleidung (2) vorgesehen ist, um flüssigen Brennstoff mit von einem Kompressor zugeführter Luft zu mischen und der Brennkammer zuzuführen, und einem Gehäuse (3), dessen stromaufwärtige Seite mit der Auslassseite des Kompressors verbunden ist und dessen stromaufwärtige Seite mit der stromabwärtigen Seite der Auskleidung (2) verbunden ist, mehreren Brennstoffwegen (16), die in der Auskleidung (2) zum Strömenlassen von flüssigem Brennstoff in der Longitudinalrichturig der Auskleidung (2) vorgesehen sind, Brennstoffzuführleitungen (7,8) und stromabwärtigen Verteilern (9,10), die an einer Turbinendüsen(30)-Seite der Auskleidung (2) vorgesehen sind, um flüssigen Brennstoff den Brennstoffwegen (16) zuzuführen, wobei der von einer (8) der Brennstoffzuführleitungen zugeführte flüssige Brennstoff im Inneren der Turbinendüse (30) und dann in einen (10) der stromabwärtigen Verteiler strömen gelassen wird, einem stromaufwärtigen Verteiler (11), der am Ende der stromaufwärtigen Seite der Auskleidung (2) vorgesehen ist, um den flüssigen Brennstoff aus den Brennstoffwegen (16) auszutragen, und Flammenhaltebereichs-Erzeugungsmitteln (60), die an der stromabwärtigen Seite des Brennstoff-Luft-Vormischers (13) vorgesehen sind.
  4. Gasturbinen-Kombustor nach Anspruch 3, wobei die Auskleidung (2) eine Doppelschichtstruktur mit einem äußeren Zylinder (14) und einem inneren Zylinder (15) aufweist, in der die Brennstoffwege (16) geschaffen sind, und wobei der innere Zylinder (15) aus einem Material mit hoher Wärmeübertragungseigenschaft gefertigt ist und der äußere Zylinder (14) aus einem Material mit hoher Stärke bzw. Festigkeit gefertigt ist.
  5. Gasturbinen-Kombustor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Querschnittsform der Brennstoffwege (16) in der Auskleidung (2) senkrecht zu der Strömungsrichtung in etwa quadratisch ist, und die Schnittfläche der Brennkammerseite in der der Brennkammer gegenüberliegenden Richtung vorsteht.
  6. Gasturbinen-Kombustor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Mittel (62) zum Erfassen einer Temperatur des durch jeden der Brennstoffwege (16) strömenden Brennstoffs an der Brennstoffaustragsseite vorgesehen sind, und Mittel (61) zum Steuern einer jedem Brennstoffweg (16) gemäß der erfassten Brennstofftemperatur zugeführten Brennstoffmenge an der Brennstoffzuführseite vorgesehen sind.
  7. Gasturbinen-Kombustor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Mittel (73) zum Erfassen einer Temperatur von aus der Auskleidung (2) ausgetragenem Verbrennungsgas in der Richtung einer Mittellinie der Drehachse des Brennstoff-Luft-Vormischers (13) vorgesehen sind, und Mittel (72,90) zum Steuern einer der Brennkammer gemäß der erfassten Verbrennungsgastemperatur zugeführten Luftmenge an der stromaufwärtigen Seite des Brennstoff-Luft-Vormischers (13) in der Auskleidung (2) vorgesehen sind.
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