DE804504C

DE804504C - Brenner mit Zuendvorrichtung fuer Gasturbinen-Brennkammern

Info

Publication number: DE804504C
Application number: DEC336A
Authority: DE
Inventors: Frederick D M Williams
Original assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Current assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Priority date: 1948-12-24
Filing date: 1949-12-22
Publication date: 1951-04-23
Also published as: US2541900A; FR1006966A; GB660775A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 23. APRIL 1951

S)*

ALTPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVr. 804 504 KLASSE 46f GRUPPE 8o4

Frederick D. M. Williams, Nobel Post Office, Ontario (Kanada)

ist als Erfinder genannt worden

Canadian Patents and Development Limited, Ottawa, Ontario (Kanada)

Brenner mit Zündvorrichtung für Gasturbinen-Brennkammern

Patentiert im Gebiet der Bundesrepublik Deutschland vom 23. Dezember 1949 an

Patenterteilung bekanntgemacht am 22. Februar 1951 Die Priorität der Anmeldung in den V. St. v. Amerika vom 24. Dezember 1948 ist in Anspruch genommen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für Gasturbinen-Brennkammern und die mit ihm verbundene Zündvorrichtung. Luft ist das Arbeitsmittel von Gasturbinen. Sie wird mittels eines Kompressors in das Triebwerk eingeführt, in der Brennkammer erhitzt und dann in die Turbine geleitet, in der sie Arbeit leisten soll. Die aus der Turbine austretenden Gase können als Vortriebsstrahl verwendet werden, und gerade diese Energieausnutzung wird bei Strahltriebwerken für Flugzeuge in erster Linie verwendet, während dort die Gasturbine nur die Aufgabe hat, den Kompressor sowie einige Hilfsinaschinen, wiePumpen, elektrische Generatoren u. dgl., anzutreiben. Die Luft strömt mit sehr hoher Geschwindigkeit durch das Triebwerk und wird während ihres Durchströmens durch die Brennkammer unmittelbar durch verbrennenden Brennstoff erhitzt, der in den Luftstrom durch Einspritzvorrichtungen eingebracht wird, die allgemein als Brenner bezeichnet werden, ao Die Verbrennung findet innerhalb eines inneren Einsatzes der Brennkammer statt, der als Flammrohr bezeichnet wird und dazu dient, den Verbrennungsablauf zu steuern und die wirkungsvollste Erhitzung der Luft zu erreichen. Bei dem arbeitenden Triebwerk entsteht eine kontinuierliche Verbrennung, indem sich das eintretende Brennstoff-Luft-Gemisch immer wieder an den schon brennenden Gasen entzündet. Aber für das Ingangsetzen einer solchen Verbrennung muß das Triebwerk mittels eines besonderen Starters angelassen werden, damit in der Brennkammer eine Luftströmung erzeugt wird. Wenn dann eine bestimmte Luftgeschwindigkeit erreicht ist, muß

Brennstoff in diesen Luftstrom eingespritzt werden und das so entstehende Gemisch mittels einer elektrischen Zündeinrichtung gezündet werden. Hat die Verbrennung einmal eingesetzt, so wird sie kontinuierlich, so daß die Zündeinrichtung nicht mehr benötigt wird und daher abgeschaltet werden kann. Es ist leicht zu verstehen, daß eine solche kontinuierliche Verbrennung unmöglich sein würde, wenn die gesamten brennenden Gase mit einer

ίο größeren Geschwindigkeit dem Auslaß zuströmen wurden als die, mit der sich die Flamme ausbreitet. In der Praxis ist es wegen der«hohen Geschwindigkeit des Luftstromes deshalb notwendig, eine kleine Rückströmzone vorzusehen, in die der Brennstoff eingespritzt wird. Zur Erzeugung dieser die Verbrennung aufrechterhaltenden Zone werden normalerweise zwei Wege beschritten. Entweder spritzt man den Brennstoff entgegen dem Luftstrom in die Wirbelzone hinter einem Leitblech ein, das in ge-

ao eigneter Weise in dem Luftstrom angeordnet ist, oder man spritzt ihn in Richtung des Luftstromes in eine in der Mitte des Flammrohres liegende Zone niedrigen Druckes ein, die durch eine Wirbelvorrichtung erzeugt wird. Selbstverständlich ist die beste Stelle für die Anordnung der Zündvorrichtung die Mitte dieser die Verbrennung aufrechterhaltenden Zone, und bei Einspritzung entgegen dem Luftstrom ist es auch möglich, die Zündeinrichtung in der Mitte des Leitbleches anzuordnen. Bei Einspritzung mit der Strömungsrichtung wird diese Stelle aber für den Brenner benötigt, so daß die Zündeinrichtung so gut wie möglich seitlich in dem Flammrohr angeordnet werden muß.

Das Vorstehende bezieht sich auf Triebwerke, bei denen flüssiger Brennstoff unmittelbar in das Flammrohr eingespritzt wird. Eine bessere Verbrennung läßt sich jedoch durch das sog. Verdampfungsprinzip erzielen, d. h. durch ein Verdampfen des Brennstoffs, seine Vorerhifzung und seine Mischung mit einer bestimmten Luftmenge, bevor er in das Flammrohr eingeführt wird. Dieses Verdampfen und Vorerhitzen erfolgt in Verdampfungsrohren. Diese haben runden Querschnitt, sind in Längsrichtung der Brennkammer angeordnet und an ihrem der Eintrittsöffnung des Flammrohres zugewendeten Ende an einem Leitblech befestigt. Die anderen Enden der Rohre sind um i8o° umgebogen. Der flüssige Brennstoff wird in die zuerst genannten offenen Enden der Rohre, die dem Luftstrom ausgesetzt sind, eingespritzt. Das Brennstoff-Luft-Gemisch gelangt durch die Rohre hindurch und tritt in einer dem Luftstrom entgegengesetzten Richtung aus dem Rohr in das Flammrohr aus. Die Flamme der nun entstehenden Verbrennung des Gemisches umstreicht beim Austritt die Verdampfungsrohre, bevor sie fortgetragen wird, und fördert so die Verdampfung und Vorerhitzung des Brennstoff-Luft-Gemisches in ihnen.

In einem nachdem Verdampfungsprinzip arbeitenden Triebwerk nehmen die Verdampfungsrohre die Mitte des Flammrohres ein, so daß es wieder schwierig ist, einen geeigneten Platz für die Zündeinrichtung zu finden. Außerdem ist das Anlassen hierbei dadurch erschwert, daß keine Mittel vorgesehen sind, mit denen die Verdampfungsroh re erhitzt werden können, bevor die Verbrennung begonnen hat.

Zweck der Erfindung ist es, bei Anwendung des Verdampfungsprinzips eine bessere Möglichkeit für ; die Zündung des eingebrachten Gemisches zu schaffen und ein sicheres Starten auch bei sehr [ verschieden großer Eintrittsgeschwindigkeit der : Luft. Ein weiterer Zweck der Erfindung ist, in ^: einem einheitlichen Gerät eine Brennstoff-Einspritzj vorrichtung und eine Zündvorrichtung miteinander : zu vereinigen, die auf diese Weise bei der Instandhaltung und Prüfung leicht ein- und ausgebaut werden können.

Sie besteht in erster Linie darin, daß der in der j Nähe der Eintrittsöffnung des Flammrohres angej ordnete Einspritzkopf eine den Brennstoff etwa entlang der Längsachse des Flammrohres in den zwischen den Verdampfungsrohren liegenden Teil des Flammrohres einspritzende Zünddüse, eine in der Spritzrichtung dieser Düse angeordnete elektrische Zündeinrichtung und rund um die Zünddüse mehrere Brennstoff-Einspritzdüsen aufweist, die auf die Einlaßenden der Verdampfungsrohre gerichtet sind. Andere, Einzelheiten betreffende Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung zu entnehmen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι einen Längsschnitt durch eine Gasturbinen-Brennkammer, die nach dem Verdampfungsprinzip arbeitet,

Fig. 2 eine Ansicht mit teilweisem Schnitt in größerem Maßstab der in Fig. 1 dargestellten Verdampfungsrohre und des Brenners,

Fig. 3 eine Stirnansicht des mit der Zündeinrichtung vereinigten Brenners in Richtung gegen den Luftstrom gesehen und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch diesen Brenner nach der Linie 4-4 in Fig. 3.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Hauptteile der Brennkammer das äußere Gehäuse 5, das Flammrohr 6 und die Verdampfungsrohre 7. Die Luft strömt von links nach rechts durch diese Kammer. An dem Eintrittsende des Flammrohres ist ein Leitblech 8 vorgesehen, an dem die Verdampf ungsrohre befestigt sind, wie dies insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist. Das Flammrohr ist über seine ganze Länge mit Löchern versehen, durch die Luft aus dem Raum zwischen dem Flammrohr und dem äußeren Gehäuse 5 in das Innere des Flammrohres eintreten kann, um die darin stattfindende Verbrennung zu beeinflussen.

Die Brennstoff-Einspritzvorrichtung ist in Fig. 4 für sich dargestellt. Sie besteht aus einem Ein- ' spritzkopf 9, der sechs gewöhnliche Düsen 10 und eine Wirbelzerstäuberdüse 11 aufweist, die im folgenden als Zünddüse bezeichnet wird. Außerdem trägt der Einspritzkopf zwei Elektroden 12 und 13, von denen die eine unmittelbar an dem Kopf und die andere an einem Hochspannungskabel befestigt ist, das durch das Rohr 14 geführt und mit einer

außerhalb der Brennkammer angeordneten An- ' schlußklemme 15 verbunden ist. Die Elektroden liegen in der Spritzrichtung der Zünddüse. Die Zünddüse 11 wird durch eine Brennstoffleitung 16 versorgt, die im vorliegenden Falle etwa parallel zu dem Rohr 14 verläuft. Es ist jedoch klar, daß dies nicht unbedingt der Fall sein muß, da der Brennstoff der Einspritzvorrichtung auch von jeder beliebigen Stelle aus zugeführt werden kann, die nicht gerade mit der geeignetsten Stelle für die Zündanschlußklemme zusammenfällt. Die sechs Einspritzdüsen sind schräg geneigt rund um die mittlere Zünddüse herum angeordnet und werden durch innerhalb des Einspritzkopfes vorgesehene Bohrungen mit Brennstoff versorgt, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Diese Bohrungen laufen zu einer gemeinsamen Kammer 17 zusammen, die die Zuführungsleitung 16 für die Zünddüse umgibt. Diese Kammer ist ihrerseits mit dem äußeren Gehäuse 5 der Brennkammer durch eine Rohrleitung 18 verbunden, die konzentrisch um die Leitung 16 herumgelegt ist und eine so große lichte Weite aufweist, daß der Brennstoff durch den ringförmigen Raum zwischen den beiden Rohren fließen kann. In Fig. 2 ist diese Einspritzvorrichtung in ihrer Lage zu den Yerdampfungsrohren 7 dargestellt. Die Zündelektroden \2 und 13 ragen durch das Leitblech 8 hindurch, und die Zünddüse 11, die in einer Vertiefung des Einspritzkopfes angeordnet ist, kann ungehindert in das Flammrohr 6 einspritzen. Die sechs Einspritzdüsen 10 sind so angeordnet, daß sie in die Mündungen der sechs Verdampfungsrohre 7 hineinspritzen, doch ist infolge der schrägen Anordnung der Düsen ein beträcht- [ licher Querschnitt dieser Rohre der ungehinderten Beaufschlagung durch den in das Flammrohr eintretenden Luftstrom ausgesetzt.

Zum Anlassen des Triebwerks wird der Startermotor, der den Kompressor antreibt, in Gang gesetzt, so daß Luft in die Brennkammer gefördert wird. Mit dem Kompressor wird auch die Brennstoffpumpe angetrieben, und wenn der Brennstoff einen bestimmten Druck erreicht hat, beginnt die Brennstoffeinspritzung durch die Zünddüse 11. Außerdem erhält auch das elektrische System Spannung, so daß Funken zwischen den Elektroden ' überspringen. An den Elektroden vorbei gelangt , nun ein fein zerstäubter Brennstoffstrahl in die ' Brennkammer. Dieser Strahl wird durch die elektrische Zündeinrichtung entzündet, so daß sich in der Mitte zwischen den Verdampfungsrohren eine Flamme bildet, die die Rohre umstreicht.

Die durch den Kompressor geförderte Luft wird mit hoher Geschwindigkeit durch die Brennkammer gedrückt, und ein Teil von ihr wird durch das Leitblech 8 in die Mündungen der Verdampfungsrohre 7 geführt. Dieser Teil der Luft wird nach dem Durchströmen der Rohre in der Xiederdruckzone des Flammrohres in entgegengesetzter Richtung zu der allgemeinen Luftströmung in die durch das Leitblech hervorgerufenen Wirbel eingeführt. Wird nun die Hauptbrennstoffpumpe in Gang gesetzt, so gelangt der Brennstoff durch den Ringraum zwischen den Leitungen 16 und τ8 in die Kammer 17 und dann durch die sechs Einspritzdüsen in die Vcrdampfungsrohre. Während des Durchgangs durch diese Rohre wird der Brennstoff verdampft und mit der Luft vermischt. Die Verdampfung wird durch die Hitze der Flamme verstärkt, die die Rohre von außen umstreicht. Auf diese Weise tritt ein vorerhitztes, brennbares Gemisch aus den Verdampfungsrohren aus, das sich leicht an der Zündflamme entzündet, die von der Zünddüse gespeist wird.

Danach setzt sich die Verbrennung laufend selbsttätig fort, indem das aus den Verdampfungsrohren in das Flammrohr eintretende Gemisch sich immer an den schon brennenden Gasen entzündet, bevor diese Flamme mit der Strömung fortgetrieben wird. Die Verdampfungsrohre sind dann der in dem Flammrohr stattfindenden Verbrennung bzw. den außen an ihnen entlangströmenden heißen Gasen voll ausgesetzt, während andererseits der flüssige Brennstoff, der auf der Innenseite der Rohre entlangfließt und an der heißen Oberfläche verdampft wird, dazu dient, die Rohre durch Kühlen gegen Verbrennen zu schützen. Die Zündeinrichtung ist nun nicht mehr nötig, der Zündstrom kann daher abgeschaltet und die zu der Zünddüse führende Brennstoffleitung abgesperrt werden.

Es versteht sich von selbst, daß die dargestellte Einrichtung nur ein Ausführungsbeispiel darstellt und daß Abänderungen bezüglich der Form, Größe und Anordnung der Teile vorgenommen werden können. Beispielsweise kann die Zündeinrichtung als Glühkerze oder als Zündkerze ausgebildet sein, ohne daß dadurch die Erfindung verlassen wird.

Claims

P AT E N TA N S P R Γ C H E :

ι. Brenner mit Zündeinrichtung für Gasturbinen-Brennkammern, die mit einem vorn und hinten offenen Flammrohr versehen sind, das in der Nähe seiner Eintrittsöffnung einen Einspritzkopf und in Längsrichtung angeordnete, von der Luft durchströmte Verdampfungsrohre aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzkopf (9) eine den Brennstoff etwa entlang der Längsachse des Flammrohres (6) in den zwischen den Verdampfungsrohren (7) liegenden Teil des Flammrohres einspritzende Zünddüse (11), eine in der Spritzrich.tung dieser Düse angeordnete Zündeinrichtung (12, 13) und rund um die Zünddüse mehrere Brennstoff-Einspritzdüsen (10) aufweist, die auf die Einlaßenden der Verdampfungsrohre gerichtet sind.
2.. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführungsleitung (16) für die Zünddüse (11) innerhalb der Brennstoffzuführungsleitung (18) für die Brennstoff-Einspritzdüsen (10) und im wesentlichen konzentrisch zu ihr angeordnet ist.
3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzkopf (9) eine mittlere Bohrung (17) aufweist, an die sich eine zu der Zünddüse (11) führende, im wesentlichen in Längsrichtung liegende Bohrung und mehrere

schräg verlaufende, zu den Brennstoff-Einspritzdüsen (io) führende Bohrungen anschließen, wobei die Zuführungsleitung (ιό) für die Zünddüse durch die Bohrung (17) geführt und an die in Längsrichtung liegende Bohrung angeschlossen ist, während die Zuführungsleitung (18) für die Einspritzdüsen an die mittlere Bohrung angeschlossen ist.
4. Brenner nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zünddüse (11) am Boden einer in dem Einspritzkopf (9) vorgesehenen Vertiefung angeordnet ist.
5. Brenner nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem äußeren Rand der Vertiefung, an deren Boden die Zünddüse (11) angeordnet ist, eine elektrische Zündeinrichtung (12, 13) angeordnet ist.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Kabel für die Zündeinrichtung (12, 13) in einem parallel zu den Brennstoff-Zuführungsleitungen (16, 18) angeordneten Rohr (14) geführt ist.
7. Brenner nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen für die Brennstoffzuführung für die Einspritzdüsen as

(10) unabhängig von den Steuereinrichtungen für die Brennstoffzuführung für die Zünddüse

(11) beeinflußbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen