DE852790C - Igniter for combustion chamber burner - Google Patents

Igniter for combustion chamber burner

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DE852790C DEC3314A DEC0003314A DE852790C DE 852790 C DE852790 C DE 852790C DE C3314 A DEC3314 A DE C3314A DE C0003314 A DEC0003314 A DE C0003314A DE 852790 C DE852790 C DE 852790C
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    • F23R3/48—Flame tube interconnectors, e.g. cross-over tubes

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brenner und insbesondere auf solche Brenner, wie sie bei Gasturbinentriebwerken verwendet werden. In solchen Triebwerken ist es sehr wichtig, ein Zündsystem vorzusehen, das sowohl schnell als auch zwangsläufig arbeitet, um sicherzustellen, daß die Brennkammer während des Startens nicht mit unverbranntem Brennstoff versäuft.The invention relates to burners and, more particularly, to such burners as used in gas turbine engines be used. In such engines it is very important to have an ignition system that is both quick and positive works to ensure that the combustion chamber is not filled with unburned material during start-up Fuel is drowning.

Man teilt die Brennkammern für Gasturbinentriebwerke danach, wie der Brennstoff in die Flammzone eingeführt wird, in zwei Arten ein. Bei der Brennkammer mit Zerstäubung wird der Brennstoff mittels einer Einspritzdüse unter hohem Druck in die Flammzone eingespritzt. Das Starten des Verbrennungsvorganges ist hierbei verhältnismäßig leicht, weil die feinverteil ten Brennstoffteildhen, selbst wenn sie kalt sind, durch elektrische Zündkerzen oder andere dem Fachmann bekannte Mittel leicht entzündet werden können. Bei der Brennkammer mit Verdampfer wird ein Gemisch aus ao Brennstoff und einer geringen Menge Luft, die für die Verbrennung nicht ausreicht und üblicherweise als Primärluft bezeichnet wird, so weit erhitzt, daß der Brennstoff verdampft, und das so entstehende Gemisch aus Brennstoffdampf en und Luft wird dann in die Flammzone eingeführt, wo es mit weiterer Luft, die üblicherweise als Sekundärluft bezeichnet wird und die zur vollständigen Verbrennung ausreicht, verbrannt wird. Die Wärme, die man zur Verdampfung des Brennstoffs benötigt, wird dem Gemisch aus Brennstoff und Primärluft beim Durchleiten durch Verdampferrohre od. dgl. zugeführt, die ihrerseits durch die Flammzone erhitzt werden. Dieser Verbrennungsvorgang ist vonThe combustion chambers for gas turbine engines are divided according to how the fuel is divided into Flame zone is introduced in two ways. In the case of the combustion chamber with atomization, the fuel is injected into the flame zone by means of an injection nozzle under high pressure. Starting the The combustion process is relatively easy because the finely divided fuel parts, even when cold, by electric spark plugs or other means known to those skilled in the art can be easily ignited. In the combustion chamber with an evaporator, a mixture of ao Fuel and a small amount of air that is insufficient for combustion and is common referred to as primary air, heated so far that the fuel evaporates, and the resulting Mixture of fuel vapors and air is then introduced into the flame zone, where there is additional air, usually called secondary air and which is sufficient for complete combustion is incinerated. The heat, that is needed to vaporize the fuel is the mixture of fuel and primary air When passing through evaporator tubes or the like. Supplied, which in turn is heated by the flame zone will. This combustion process is of

sich allein nicht selbstzündend, da das Verdampfen des Brennstoff-Luft-Gemisches bereits eine Flamme voraussetzt. Bei diesen Brennkammern hat man daher üblicherweise eine oder mehrere Hilfseinspritzdüsen vorgesehen, deren Einspritzstrahlen leicht entzündet werden können und die ihrerseits genügend Wärme für den Verdampfungsvorgang sowie für das Zünden von Brennstoff erzeugen, der während des Startens in unverdampftem Zustand aus den Verdampferröhren in die Brennkammer austritt.not self-igniting on its own, as the evaporation of the fuel-air mixture already creates a flame presupposes. These combustion chambers therefore usually have one or more auxiliary injectors provided whose injection jets can be easily ignited and which in turn generate enough heat for the evaporation process as well as for the ignition of fuel, during start-up in the non-evaporated state from the evaporator tubes into the combustion chamber exit.

Die Erfindung besteht darin, in einer Brennkammer mit Verdampfer eine Zündeinrichtung mit offener Flamme vorzusehen, die aus einer Hilfseinspritzdüse und Zündmitteln besteht, die ein zuverlässiges und schnelles Zünden der Brennkammer gewährleisten.The invention consists in having an ignition device in a combustion chamber with an evaporator to provide an open flame, which consists of an auxiliary injection nozzle and ignition means, which a reliable and ensure quick ignition of the combustion chamber.

Die Zündeinrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich außerdem dadurch vorteilhaft aus, daß sie leicht überprüft und gewartet werden kann. Weiterhin sieht die Zündeinrichtung Mittel vor, durch die die Flamme von den Zündmitteln bis in die Mitte der Brennkammer vorgetragen wird, so daß die zwangsläufige und unmittelbare Einleitung der Verbrennung in dieser Kammer über einen großen Leisturogs- oder Drehzahlbereich des Triebwerks sichergestellt ist.The ignition device according to the invention is also advantageously characterized in that that it can be easily checked and maintained. Furthermore, the ignition device provides means through which the flame is carried forward by the ignition means to the center of the combustion chamber, so that the inevitable and immediate initiation of combustion in this chamber via a large power or speed range of the engine is ensured.

Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß eine Hilf skammer, bei der es sich um ein Verbindungsrohr handeln kann, mit einer in die Brennkammer mündenden öffnung vorgesehen, in der eine einzige Einspritzdüse angeordnet ist, deren Brennstoffstrahl auf diese öffnung gerichtet ist, so daß ein Strom zerstäubten Brennstoffs in die Brennkammer gelangt. Auf dem Wege dieses Stromes sind Zündmittel, beispielsweise eine Zündkerze, vorgesehen. Die Hilfskammer weist außerdem noch eine weitere öffnung auf, mit der sie mit einer Luftmasse in Verbindung steht, die unter einem Druck steht, der etwa gleich dem Druck an der Stelle der Brennkammer ist, an der die Hilfskammer in diese einmündet. Bei dieser Luft handelt es sich in der Praxis um die in einer anderen Brennkammer befindliche Luft. Mit Ausnahme der genannten öffnungen ist die Hilfskammer vollständig geschlossen, so daß die Luftmenge, die für die Aufrechterhaltung der Verbrennung des eingespritzten Brennstoffs benötigt wird, durch die zweite öffnung in einer Menge und Geschwindigkeit entnommen wird, die von Veränderungen der Luftströmung in der Brennkammer im wesentlichen unbeeinflußt ist. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigtFor this purpose, an auxiliary skammer is according to the invention, which can be a connecting pipe with one opening into the combustion chamber Opening provided in which a single injection nozzle is arranged, the fuel jet is directed at this opening so that a stream of atomized fuel into the combustion chamber got. Ignition means, for example a spark plug, are provided along the path of this current. The auxiliary chamber also has a further opening with which it can enter with an air mass Compound is under a pressure that is approximately equal to the pressure at the point of the combustion chamber is where the auxiliary chamber opens into this. This air is in the Practice around the air in another combustion chamber. With the exception of those mentioned openings, the auxiliary chamber is completely closed, so that the amount of air necessary for the maintenance the combustion of the injected fuel is required through the second opening is withdrawn in an amount and speed that depends on changes in air flow in the combustion chamber is essentially unaffected. In the drawing the invention is for example shown, namely shows

Fig. ι eine perspektivische Ansicht, teilweise aufgeschnitten, des vorderen Teils einer Brennkammer, aus der die räumliche Anordnung der Zündeinrichtung, der Zündmittel für diese Einrichtung, der Einspritzdüse und des Verdampfers zu erkennen ist undFig. Ι a perspective view, partially cut away, of the front part of a combustion chamber, from which the spatial arrangement of the ignition device, the ignition device for this device, the injection nozzle and the evaporator can be seen and

Fig. 2 einen Querschnitt durch Teile zweier benachbarter Brennkammern, die durch ein Rohr, in dem die Zündeinrichtung angeordnet ist, miteinander verbunden sind.Fig. 2 shows a cross section through parts of two adjacent combustion chambers, which through a tube in which the ignition device is arranged, are connected to one another.

Wie aus den Zeichnungen zu erkennen ist, sind die Brennkammern, die ganz allgemein mit 10 und und ioa bezeichnet sind, mit einem äußeren Gehäuse 11 bzw. ii" versehen, in denen mit Abstand Flammrohre 12 und 12" angeordnet sind. Die Strömungsrichtung der Gase durch die Brennkammer 10 ist in Fig. 1 durch den Pfeil A angegeben.As can be seen from the drawings, the combustion chambers, which are generally designated by 10 and and io a , are provided with an outer housing 11 or ii ″, in which flame tubes 12 and 12 ″ are arranged at a distance. The direction of flow of the gases through the combustion chamber 10 is indicated in FIG. 1 by the arrow A.

Nebeneinanderliegende Brennkammern 10 und io" sind durch ein Verbindungsrohr α 3 miteinander verbunden, das aus einem äußeren Mantel 14 und einem inneren Rohreinsatz 15 besteht. Der Luftraum zwischen dem Mantel und dem Einsatz dient der Isolierung des Rohres, das während des Zündvorganges sehr hohen Verbrennungstemperaturen ausgesetzt ist. Eine Einspritzdüse 16 ist in eine Seitenöffnung des Verbindungsrohres 13 eingepaßt und ragt in das innere Rohr hinein. Die Mündung i6° der Düse ist in Längsrichtung des Verbindungsrohres gerichtet und spritzt etwa in Achsrichtung nach der öffnung hin, mit der das Rohr in eine der Brennkammern, im dargestellten Fall in die Brennkammer 10, einmündet. Der Strahl aus zerstäubtem Brennstoff ist in <Fig. 2 durch den Pfeil B angedeutet. Der Kegelwinkel des Einspritzstrahles ist so klein gewählt, daß der Brennstoff nicht an die Wände des Verbindungsrohres gelangt, sondern unmittelbar in die Brennkammer eintritt. Zu diesem Zweck strömt von der anderen Brennkammer ioa her ein kräftiger Luftstrom in der Richtung des Brennstoffstrahles durch das Verbindungsrohr. Dadurch tritt in die Brennkammer 10 ein starker Gasstrom aus dem Verbindungsröhr 13 aus, der bis zur Mitte dieser Brennkammer vordringt. Combustion chambers 10 and 10 ″ lying next to one another are connected to one another by a connecting pipe α 3, which consists of an outer jacket 14 and an inner pipe insert 15. The air space between the jacket and the insert serves to isolate the pipe, which is exposed to very high combustion temperatures during the ignition process An injection nozzle 16 is fitted into a side opening of the connecting pipe 13 and protrudes into the inner pipe Combustion chambers opens into combustion chamber 10. The jet of atomized fuel is indicated in <Fig. 2 by arrow B. The cone angle of the injection jet is selected so small that the fuel does not reach the walls of the connecting pipe, but enters the combustion chamber directly, for this purpose it flows from the other combustion chamber mmer io a produces a strong air current in the direction of the fuel jet through the connecting pipe. As a result, a strong gas flow emerges from the connecting tube 13 into the combustion chamber 10 and penetrates to the middle of this combustion chamber.

In dem Verbindungsrohr 13 ist innerhalb des Spritzwinkels der Einspritzdüse 16 eine Zündkerze 17 angeordnet, die in üblicher Weise mit loo Strom versorgt wird, wenn Brennstoff eingespritzt wird.A spark plug is located in the connecting pipe 13 within the spray angle of the injection nozzle 16 17, which is supplied in the usual manner with loo current when injecting fuel will.

Von dem vorderen Ende der Brennkammer 10 spritzt eine Einspritzdüse 18 einen Strahl aus zerstäubtem Brennstoff in Richtung nach hinten auf die Austrittsöffnung 19 des Verdampfers 20. Dieser Verdampfer besteht, wie man erkennt, aus Rohren, die wie ein Spazierstock umgebogen sind, doch können auch andere Ausbildungen des Verdampfers vorgesehen werden.From the front end of the combustion chamber 10, an injection nozzle 18 sprays a jet of atomized Fuel in the rearward direction towards the outlet opening 19 of the evaporator 20. This Evaporator, as you can see, consists of pipes that are bent like a walking stick, but other configurations of the evaporator can also be provided.

Im Betrieb wird der durch die Einspritzdüse 16 eingespritzte Brennstoff durch die Zündkerze 117 gezündet, so daß eine kräftige Flamme aus dem Verbindungsrohr 13 in die Brennkammer 10 eintritt und dabei durch den Luftstrom unterstützt wird, der gleichzeitig aus der benachbarten Brennkammer io° durch das Rohr strömt. Diese Flamme zündet den zerstäubten Brennstoff, der aus der Einspritzdüse 18 kommt, und die dadurch entstehende Flamme zündet zwangsläufig die Brennstofftröpfchen, die aus der Austrittsöffnung 19 des Verdampfers 20 austreten. Diese Folge von Ereignissen geschieht sehr schnell hintereinander, und sobald diese erste Brennkammer in Tätigkeit ist, geht ein Feuerstrahl in der umgekehrten Richtung durch das Verbindungsrohr 131 und zündet dann die be-In operation, the fuel injected through the injector 16 is passed through the spark plug 117 ignited so that a powerful flame from the connecting pipe 13 enters the combustion chamber 10 and is assisted by the air flow coming from the neighboring combustion chamber at the same time io ° flows through the pipe. This flame ignites the atomized fuel coming out of the injector 18 comes, and the resulting flame inevitably ignites the fuel droplets, which emerge from the outlet opening 19 of the evaporator 20. This sequence of events happens very quickly one after the other, and as soon as this first combustion chamber is in operation, comes in Fire jet in the opposite direction through the connecting pipe 131 and then ignites the

nachbarte Brennkammer io". Dieser zurücklaufende Feuerstrahl hat eine solche Stärke, daß er von der entgegengesetzt gerichteten Wirkung der in dem Verbindungsrohr vorgesehenen Zündeinrichtung nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Sobald eine Brennkammer in Tätigkeit getreten ist, zündet sie die benachbarte Brennkammer über ein Verbindungsrohr. Der ganze Verbrennungsapparat wird auf diese Weise also schnell und zwangsläufig in Tätigkeit gesetzt. Hierzu wird nur eine Zündeinrichtung benötigt, obwohl es natürlich unter Umständen erwünscht sein kann, mehr als eine Zündeinrichtung vorzusehen, beispielsweise um eine größere Betriebssicherheit zu erhalten. Ist die Verbrennung in Gang gebracht, so kann die Zündeinrichtung entweder von Hand oder selbsttätig abgestellt werden.adjacent combustion chamber io ". This returning jet of fire is so strong that it is released from the oppositely directed action of the ignition device provided in the connecting pipe is not significantly affected. As soon as a combustion chamber is activated, it ignites the neighboring combustion chamber via a connecting pipe. The whole combustion apparatus becomes in this way quickly and inevitably put into action. Only one ignition device is required for this requires more than one igniter, although it may of course be desirable under certain circumstances to be provided, for example in order to obtain greater operational reliability. Is the burn brought into operation, the ignition device can either be turned off manually or automatically will.

Das Verbindungsrohr, in dem der von der Düse 16 eingespritzte Brennstoffstrahl gezündet wird,The connecting pipe in which the jet of fuel injected from the nozzle 16 is ignited,

ao bildet eine Hilfskammer, die nicht dem in der Brennkammer herrschenden Luftstrom hoher Geschwindigkeit ausgesetzt ist. Eine solche Anordnung des Zündstrahls zum Zwecke der Erhaltung seiner betriebsmäßigen Unabhängigkeit ist nicht neu, doch wird bei den älteren Zündeinrichtungen der Brennstoffstrahl quer durch ein Verbindungsrohr gespritzt, so daß sich der Brennstoff auf die beiden durch das Rohr miteinander verbundenen Brennkammern verteilt. Nach der Zündung dieser Einrichtung tritt dann eine kleine Flamme in jede Brennkammer an der Stelle ein, wo das Verbindungsrohr in die Brennkammer einmündet und wird nur durch die Luft gespeist, die sich jeweilig in der Kammer befindet. Solche kleinen Flammen sind oftmals nicht imstande, den Brennstoff in der Brennkammer zur Entzündung zu bringen, insbesondere in Brennkammern des Verdampfertyps. Um diese geringen Ausmaße der Zündflamme zu vermeiden, die durch Mangel an Verbrennungsluft in dem Verbindungsrohr hervorgerufen wird, ist schon vorgeschlagen worden, Luft aus dem Zwischenraum zwischen dem Flammrohrgehäuse und dem Flammrohr in den Zwischenraum zwischen dem Verbindungsrohrgehäuse und dem Verbindungsrohr einzuführen, von wo sie durch Löcher in das Innere des Verbindungsrohres gelangen soll. Infolgedessen fließt ständig ein Luftstrom aus dem Verbindungs'rohr in das ,Flammrohr, da der Druck in dem Zwischenraum zwischen dem Flammrohrgehäuse und dem Flammrohr bei allen Betriebszuständen wesentlich höher als der Druck im Innern des Flammrohres ist. Dieser Druckunterschied ist jedoch abhängig von der Drehzahl des Triebwerks und ändert sich daher mit ihr.ao forms an auxiliary chamber which is not subject to the high-speed air flow prevailing in the combustion chamber is exposed. Such an arrangement of the pilot jet for the purpose of maintaining its operational independence is not new, but with the older ignition devices, the fuel jet is injected across a connecting pipe so that the fuel spreads onto the two combustion chambers connected to one another by the pipe. After igniting this A small flame then enters each combustion chamber at the point where the connecting pipe is installed opens into the combustion chamber and is only fed by the air that is in each case located in the chamber. Such small flames are often unable to keep the fuel in the Bring combustion chamber to ignite, especially in combustion chambers of the evaporator type. To avoid these small dimensions of the pilot flame caused by lack of combustion air is caused in the connecting pipe, has already been proposed, air from the space between the flame tube housing and the flame tube into the space between the connecting tube housing and the connecting tube introduce, from where it is to pass through holes in the interior of the connecting pipe. As a result, an air stream constantly flows from the connecting pipe into the flame pipe, because of the pressure in the space between the flame tube housing and the flame tube in all operating states is significantly higher than the pressure inside the flame tube. This pressure difference is however, it depends on the speed of the engine and therefore changes with it.

Entsprechend der Ausbildung gemäß der Erfindung ist die Luftzuführung zu der Zündeinrichtung dagegen unabhängig von der Triebwerksdreh- j zahl, da die Luftmassen in beiden Brennkammern | an den Stellen, an denen das Verbindungsrohr in sie einmündet, etwa unter dem gleichen Druck stehen und die Menge und Geschwindigkeit der | Luftversorgung für den Zündstrahl nur durch die .Eigenschaften des Strahles selbst bestimmt werden. Auf diese Weise sind für die Zündeinrichtung bei jeder Betriebsdrehzahl ziemlich gleichartige Gemisch- und Wirbelverhältnisse vorhanden, die ein leichtes Zünden und anschließend eine kräftig durchschlagende Flamme gewährleisten, die durch den durch den Brennstoffstrahl herbeigeführten Luftstrom in eine Brennkammer hineingeschleudert wird.According to the embodiment according to the invention, the air supply to the ignition device is on the other hand, it is independent of the engine speed, since the air masses in both combustion chambers | at the points where the connecting pipe joins them, under approximately the same pressure stand and the amount and speed of | Air supply for the pilot jet only through the . Properties of the beam itself can be determined. In this way are for the ignition device each operating speed pretty similar mixture and vortex conditions exist, which a Ensure easy ignition and then a powerful flame that penetrates through the air flow brought about by the fuel jet is thrown into a combustion chamber will.

Selbstverständlich handelt es sich bei dem dargestellten und beschriebenen Gerät nur um ein Beispiel, und Änderungen in der Form, Größe und Anordnung der Teile können vorgenommen werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung, wie er in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, verlassen zu werden braucht.Of course, the device shown and described is only an example, and changes in the shape, size and arrangement of the parts can be made without thereby leaving the scope of the invention as characterized in the claims needs to become.

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: i. Brenner, insbesondere für Gasturbinentriebwerke mit einer Brennkammer, in der der Brennstoff in einem Luftstrom hoher Geschwindigkeit verbrannt wird, gekennzeichnet durch eine Hilfskammer (13), die in die Brennkammer (10) einmündet und mit einer Brennstoffeinspritzdüse (ιό) versehen ist, die so auf die Mündung der Hilfskammer in die Brennkammer gerichtet ist, daß der Brennstoffstrahl in die Brennkammer gelangt, und die in der Spritzrichtung des Brennstoffstrahls eine Zündeinrichtung (17) aufweist, wobei die Hilfskammer noch eine weitere Öffnung, sonst aber keine Öffnungen, aufweist, die sie mit einer Luftmasse (icf) verbindet, welche unter einem Druck steht, der etwa ebenso groß ist, wie der Druck in der Brennkammer an der Stelle, an der die Hilfskammer in sie einmündet, so daß Luft von dieser Luftmasse her zur Verbrennung des zerstäubten Brennstoffs in einer Menge und Geschwindigkeit in die Hilfskammer eintritt, die im wesentlichen unabhängig von Änderungen der in der Brennkammer herrschenden Luftströmung ist.i. Burner, in particular for gas turbine engines with a combustion chamber in which the fuel is burned in a high-speed air stream, characterized by an auxiliary chamber (13) which opens into the combustion chamber (10) and is provided with a fuel injection nozzle (ιό) which is so on the mouth of the auxiliary chamber is directed into the combustion chamber so that the fuel jet reaches the combustion chamber, and which has an ignition device (17) in the direction of spraying of the fuel jet, the auxiliary chamber having yet another opening, but otherwise no openings with which it an air mass (icf) which is under a pressure which is about the same as the pressure in the combustion chamber at the point at which the auxiliary chamber opens into it, so that air from this air mass for the combustion of the atomized fuel in enters the auxiliary chamber at an amount and rate which is essentially independent of changes in the combustion chamber shallow air flow is. 2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftmasse, mit der die Hilfskammer (13) verbunden ist, der Inhalt einer benachbarten Brennkammer (io0) ist.2. Burner according to claim 1, characterized in that the air mass with which the auxiliary chamber (13) is connected is the content of an adjacent combustion chamber (io 0 ). 3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne, in der Hilfskammer (13) vorgesehene Brennstoffeinspritzdüse mit ihrer Mündung (i6a) etwa entlang der Längsachse der Hilfskammer gerichtet ist.3. Burner according to claim 1 or 2, characterized in that the individual, in the auxiliary chamber (13) provided fuel injection nozzle with its mouth (i6 a ) is directed approximately along the longitudinal axis of the auxiliary chamber. 4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Brennstoffeinspritzdüse (16, ΐ6α) in der Hilfskammer (13) erzeugte Brennstoffstrahl etwa konisch ist und einen solchen Spritzwinkel hat, daß der Strahldurchmesser bei der Mündung der Hilfskammer in die Brennkammer (10) geringer als der Durchmesser der Hilfskammer an dieser Mündung ist.4. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel jet generated by the fuel injection nozzle (16, ΐ6 α ) in the auxiliary chamber (13) is approximately conical and has a spray angle such that the jet diameter at the mouth of the auxiliary chamber in the Combustion chamber (10) is smaller than the diameter of the auxiliary chamber at this mouth. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 1 5412 10.521 5412 10.52
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