DE69723348T2

DE69723348T2 - Optimierung der Durchmischung von Verbrennungsgasen in einer Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE69723348T2
Application number: DE69723348T
Authority: DE
Inventors: Denis Roger Henri Ansart; Patrick Samuel Andre Ciccia
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2017-04-25
Also published as: EP0803681A1; FR2748088B1; EP0803681B1; DE69723348D1; FR2748088A1; US5934067A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer für eine Turbomaschine, wobei diese Brennkammer von einem äußeren Mantelring und einem inneren Mantelring begrenzt ist, die an einem ihrer Enden durch einen Kammerboden miteinander verbunden sind, mit einer Verbrennungszone auf der stromaufwärtigen Seite, die durch eine Mehrzahl von Einspritzdüsen mit Kraftstoff gespeist wird, die in dem Kammerboden regelmäßig verteilt sind und denen eine Mehrzahl von Lufteinspritzverwirblern zugeordnet sind, die die Verbrennungsgase um die geometrischen Achsen der Einspritzdüsen verwirbeln, und mit einer Verdünnungszone auf der stromabwärtigen Seite, in die durch wenigstens eine Reihe von in dem äußeren Mantelring angebrachte Öffnungen und wenigstens eine Reihe von in dem inneren Mantelring angebrachte Öffnungen Verdünnungsluft eingeführt wird, wobei die Öffnungen in Entsprechung zu den Kraftstoffeinspritzdüsen angeordnet sind.
Die Wände der Brennkammern von Flugzeug-Turbomaschinen weisen zahlreiche Lufteinströmöffnungen auf, um die Verbrennung des in die Kammer eingespritzten Kraftstoffs zu ermöglichen.
Unter diesen zahlreichen Öffnungen unterscheidet man:

– Einströmöffnungen für den primären Kraftstoff, der beim Ablauf der eigentlichen Verbrennung die wesentliche Rolle spielt,
– Verdünnungsöffnungen, deren Hauptaufgabe darin besteht, Frischluft in die aus der lebhaften Verbrennung hervorgehenden, verbrannten Gase einzuführen, um diese zu verdünnen und ihre Temperatur abzusenken, damit diese Temperatur mit dem thermischen Verhalten der stromabwärts der Brennkammer angeordneten Turbine in Einklang kommt.

Die Vergasungsverbrennung erfolgt in der Verbrennungszone der Kammer. Der primäre Sauerstoffträger wird im wesentlichen von den Lufteinspritzverwirblern und von verschiedenen Öffnungen geliefert, die in dem Kammerboden angebracht sind.
Die Verdünnungsöffnungen sind in Reihen in transversalen Ebenen der Brennkammer angeordnet und liegen in dem äußeren Mantelring und in dem inneren Mantelring im allgemeinen einander gegenüber.
Die erste Reihe von Öffnungen, die als "primäre Öffnungen" bezeichnet werden, ist zwischen der Verbrennungszone und der Verdünnungszone angeordnet. Ein Teil der durch die Öffnungen der ersten Reihe zugeführten Luft zirkuliert in Richtung auf den Kammerboden und nimmt an der Verbrennung teil. Der andere Teil dringt in die Verdünnungszone ein und ermöglicht die Verdünnung der aus der lebhaften Verbrennung hervorgehenden, verbrannten Gase.
Auf diese erste Reihe von Öffnungen folgen auf der stromabwärtigen Seite eine oder mehrere Reihen von Öffnungen, die als "Verdünnungsöffnungen" bezeichnet werden und Luft in die Verdünnungszone der Kammer einführen.
Die einander gegenüberliegende Anordnung der primären oder Verdünnungsöffnungen auf dem äußeren Mantelring und dem inneren Mantelring bewirkt eine Blockierung gegenüber den verbrannten Gase, die von dem Boden der Kammer kommen. Dies beeinträchtigt die Homogenisierung der Temperatur der verbrannten Gase, die an die Turbine abgegeben werden.
GB 623 977 A und EP 0 676 590 A zeigen ein Beispiel für eine Ringbrennkammer des vorangehend beschriebenen Typs, bei der die Öffnungen einer Reihe des äußeren Mantelrings und der entsprechenden Reihe des inneren Mantelrings in der sie durchdringenden transversalen Ebene relativ zu den durch die Achse der Einspritzdüsen verlaufenden axialen Ebenen in Richtung oder in Gegenrichtung der Umfangskomponente der lokalen Ströme der Verbrennungsgase winkelversetzt sind, um die Verwirbelung der aus der Verbrennungszone kommenden verbrannten Gase entweder zu dämpfen oder beizubehalten oder zu verstärken.
Um die Homogenisierung der Verbrennungsgase zu verbessern, sieht die Erfindung vor, daß die einander gegenüberliegenden Öffnungen entlang der Achse um einen Wert axial versetzt sind, der zwischen dem halben Durchmesser einer großen Öffnung und dem halben Durchmesser einer kleinen Öffnung liegt.
Falls die Zahl der Öffnungen einer Reihe doppelt so groß ist wie die Zahl der Kraftstoffeinspritzdüsen, sind diese Öffnungen auf zwei Reihen von abwechselnden Öffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern verteilt, wobei die Öffnungen mit großem Durchmesser eine mit der Drehrichtung der Verwirbler gleichlaufende Verdünnungsluft liefern, während die Öffnungen mit kleinem Durchmesser eine gegenläufige Luft liefern.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der folgenden Beschreibung, die als Beispiel dient und auf die anliegenden Zeichnungen Bezug nimmt.
1 zeigt einen Halbschnitt in einer axialen Ebene, die durch die Achse einer Einspritzdüse einer Ringbrennkammer gemäß der Erfindung verläuft,
2 zeigt einen Transversalschnitt entsprechend der Linie II-II von 1 der gleichen Brennkammer und zeigt die Anordnung der Öffnungen auf dem äußeren Mantelring und auf dem inneren Mantelring,
3 zeigt einen Transversalschnitt entsprechend der Linie II-II von 1 für eine Ausführungsvariante der Erfindung,
4a und 4b zeigen der Linie IV-IV von 3 entsprechende Schnitte einer Ausführungsvariante der Erfindung.
Die Zeichnung zeigt eine Ringbrennkammer 1 einer Gasturbine, deren Achse mit 2 bezeichnet ist. Diese Brennkammer 1 wird von einem äußeren Mantelring 3 und einem inneren Mantelring 4 begrenzt, wobei diese Mantelringe 3 und 4 an einem ihrer Enden durch einen Kammerboden 5 miteinander verbunden sind und an ihrem anderen Ende einen ringförmigen Durchgang 6 für die Abgabe der Verbrennungsgase an eine nicht dargestellte Turbine bilden. Die Brennkammer 1 befindet sich in einem Gehäuse 7, das von einer Außenwand 8 und einer Innenwand 9 begrenzt ist. Ein Diffusor 10 liefert von einem nicht dargestellten Verdichter komprimierte Luft in das Gehäuse 7.
Der Kammerboden 5 ist mit einer Einspritzvorrichtung ausgestattet, die eine Mehrzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen 11 aufweist, deren jede mit wenigstens einem Lufteinspritzverwirbler 12 verbunden ist. Die Kraftstoffeinspritzdüsen 11 sind in regelmäßiger Verteilung in dem Kammerboden 5 angeordnet, und die Verwirbler 12 beaufschlagen die von jeder Einspritzdüse kommenden Verbrennungsgasen mit einer Wirbelbewegung um die geometrische Achse 13 dieser Einspritzdüse 12 in der durch den Pfeil 14 dargestellten Richtung, wobei alle Gaswirbel in der gleichen Richtung drehen.
Die Brennkammer weist auf der stromabwärtigen Seite eine primäre Zone oder Verbrennungszone 15 auf, in der der Kraftstoff verbrannt wird, sowie eine Verdünnungszone 16, in welche Verdünnungsluft durch Öffnungen 17, 18 eingeführt wird, die in dem äußeren Mantelring 3 bzw. dem inneren Mantelring 4 angebracht sind.
Zusätzliche Öffnungen ermöglichen das Einführen von Frischluft, die an der Verbrennung teilnehmen soll, in die primäre Zone 15 oder die Ausbildung eines Schutzfilms zwischen den heißen Gasströmen und den Mantelringen 3 und 4.
Der von dem Diffusor 10 ausgehende Luftstrom F wird von der Kuppel 19, die den Kammerboden 5 überdeckt, in mehrere Ströme aufgeteilt. Ein erster Luftstrom F1 dringt in die Kuppel 19 ein und soll aktiv an der Zerstäubung und an der Verbrennung des in die Brennkammer 1 gelieferten Kraftstoffs teilnehmen. Ein zweiter Strom F2 zirkuliert in dem von dem äußeren Mantelring 3 und der äußeren Wand 8 begrenzten ringförmigen Zwischenraum 20, und ein dritter Luftstrom F3 zirkuliert in dem von dem inneren Mantelring 4 und der inneren Wand 9 begrenzten ringförmigen Zwischenraum 21.
Die Ströme F2 und F3 nehmen an der Kühlung der Mantelringe 3 und 4 und an der Ausbildung des Schutzfilms teil. Der größte Teil dieser Ströme F2 und F3 dringt jedoch durch die Öffnungen 17 und 18 in die Verdünnungszone ein.
Die Öffnungen 17 und 18 sind in transversalen Ebenen P1, P2, die annähernd senkrecht zu den geometrischen Achsen 13 der Kraftstoffeinspritzdüsen 11 verlaufen, in Reihen von Öffnungen aufgeteilt.
Die transversale Ebene P1 befindet sich an der Grenze zwischen der Verbrennungszone 15 und der Verdünnungszone 16. Ein Teil der Luft, die durch die in der Ebene P1 liegenden Öffnungen 17 und 18 eindringt, zirkuliert in Richtung auf den Kammerboden 5 und nimmt an der Verbrennung des Kraftstoffs in der Verbrennungszone 15 aktiv teil. Der andere Teil der durch diese gleichen Öffnungen 17 und 18 eindringenden Luft vermischt sich in der Verdünnungszone 16 mit den verbrannten Gasen.
Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die in der Ebene P1 liegenden Öffnungen 17 des äußeren Mantelrings 3 relativ zu axialen Ebenen 22, die durch die Achse 2 der Turbomaschine verlaufen, und zu den geometrischen Achsen 13 der Einspritzdüsen 11 in der Richtung 14 der Wirbel, d. h. im Uhrzeigersinn, versetzt, während die Öffnungen 18 des inneren Mantelrings 4 im Gegenuhrzeigersinn, d. h. ebenfalls in Richtung der Wirbel, versetzt sind. Die durch die Öffnungen 17 und 18 eingespritzte Luft ist gleichlaufend mit der Drehrichtung 14 der Verwirbler 12.
Man kann auch daran denken, daß die Öffnungen 17 des äußeren Mantelrings 3 im Gegenuhrzeigersinn versetzt sind, während die Öffnungen 18 im Uhrzeigersinn versetzt sind. Die durch die Öffnungen 17 und 18 eingespritzte Luft ist dann gegenläufig zu der Rotationsrichtung 14 der Verwirbler 12.
Wie in 4a und 4b als Variante zu 3 ersichtlich ist, sind die einander gegenüberliegend angeordneten Öffnungen 17b, 18a und 17a, 18b entlang der Achse 13 axial versetzt, um die Strömung der Luftstrahlen in den verbrannten Gasen zu lenken. Ein Versatz der Öffnungen 17b, 18a in stromaufwärtiger Richtung hat zu Folge, daß das Eindringen der Strahlen zu den Verwirblern 12 begünstigt wird, und umgekehrt.
Die Größe e des Versatzes liegt zwischen dem halben Durchmesser der großen Öffnung und dem halben Durchmesser der kleinen Öffnung
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Zahl der Öffnungen 17 einer äußeren Reihe und die Zahl der Öffnungen 18 einer inneren Reihe gleich der Zahl der Kraftstoffeinspritzdüsen 11, und die Wirbel drehen alle in gleicher Richtung, d. h. im Uhrzeigersinn, wenn man von dem stromabwärtigen Ausgang 6 der Brennkammer auf den Kammerboden 5 blickt.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die Zahl der Öffnungen jeder Reihe doppelt so groß wie die Zahl der Einspritzdüsen 11, und die Öffnungen 17 des äußeren Mantelrings 3 sind den Öffnungen 18 des inneren Mantelrings 4 gegenüber angeordnet. Wie man in 3 sieht, sind die Öffnungen jeder Reihe jedoch in zwei Folgen von Öffnungen mit unterschiedlichen und abwechselnden Durchmessern angeordnet. Die Öffnungen mit großem Durchmesser, 17a auf dem Außenring 3 und 18a auf dem Innenring 4, liefern einen mit der Rotationsrichtung 14 der Verwirbler 12 gleichlaufenden Luftdurchsatz, während die Öffnungen mit kleinem Durchmesser, 17b auf dem Außenring 3 und 18b auf dem Innenring 4, einen schwächeren, gegenläufigen Luftdurchsatz liefern. Die Öffnungen 17a mit großem Durchmesser liegen den Öffnungen 18b mit kleinem Durchmesser gegenüber, während die Öffnungen 17b mit kleinem Durchmesser den Öffnungen 18a mit großem Durchmesser gegenüber liegen.
Die oben beschriebene Anordnung der Öffnungen 17, 18 macht es möglich, den aus dem Einspritzsystem stammenden "Wirbel" aufrechtzuerhalten oder zu unterstützen. Diese Anordnung ist sowohl auf die in der Ebene P1 liegenden primären Öffnungen als auch auf die in der Ebene P2 liegenden Verdünnungsöffnungen anwendbar.

Claims

Ringbrennkammer für eine Turbomaschine, wobei diese Brennkammer (1) von einem äußeren Mantelring (3) und einem inneren Mantelring (4) begrenzt ist, die an einem ihrer Enden durch einen Kammerboden (5) miteinander verbunden sind, mit einer Verbrennungszone (15) auf der stromaufwärtigen Seite, die durch eine Mehrzahl von Einspritzdüsen (11) mit Kraftstoff gespeist wird, die in dem Kammerboden (5) regelmäßig verteilt sind und denen eine Mehrzahl von Lufteinspritzverwirblern (12) zugeordnet sind, die die Verbrennungsgase um die geometrischen Achsen (13) der Einspritzdüsen verwirbeln, und mit einer Verdünnungszone (16) auf der stromabwärtigen Seite, in die durch wenigstens eine Reihe von in dem äußeren Mantelring (3) angebrachte Öffnungen (17) und wenigstens eine Reihe von in dem inneren Mantelring (4) angebrachte Öffnungen (18) Verdünnungsluft eingeführt wird, wobei die Öffnungen (17, 18) in Entsprechung zu den Kraftstoffeinspritzdüsen (11) angeordnet sind, wobei die Öffnungen (17) einer Reihe des äußeren Mantelrings (3) und die Öffnungen (18) der korrespondierenden Reihe des inneren Mantelrings (4) in der sie durchdringenden transversalen Ebene (P1, P2) relativ zu den durch die Achse (13) der Einspritzdüsen (11) verlaufenden axialen Ebenen (22) in der gleichen Richtung in der entgegengesetzten Richtung der Umfangskomponente der lokalen Strömung der Verbrennungsgase winkelversetzt sind, um die Verwirbelung der aus der Verbrennungszone kommenden Verbrennungsgase zu dämpfen, beizubehalten oder zu verstärken, wobei die genannten Öffnungen (17, 18) in zwei Reihen von Öffnungen mit unterschiedlichen und abwechselnden Durchmessern verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüber liegenden Öffnungen (17b, 18a und 17a, 18b) entlang der Achse (13) um einen Wert axial versetzt sind, der zwischen dem halben Durchmesser der großen Öffnung (17a, 18a) und dem halben Durchmesser der kleinen Öffnung (17b, 18b) liegt.
Brennkammer nach Anspruch 1, bei der die Zahl der Öffnungen (17, 18) einer Reihe doppelt so groß ist wie die Zahl der Kraftstoffeinspritzdüsen (11), dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (17a, 18a) mit großem Durchmesser eine mit der Rotationsrichtung (14) der Verwirbler (12) gleichlaufende oder gegenläufige Verdünnungsluft liefern und die Öffnungen (17b, 18b) mit kleinem Durchmesser eine gegenläufige oder gleichlaufende Luft liefern.