DE882925C

DE882925C - Evaporator arrangement for combustion chambers of gas turbine engines

Info

Publication number: DE882925C
Application number: DEC3711A
Authority: DE
Inventors: Frederick Denison Mor Williams
Original assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Current assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Priority date: 1950-01-21
Filing date: 1951-01-23
Publication date: 1953-07-13

Description

Verdampferanordnung für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken Die Erfindung betrifft Brennstoffverdampferanordnungen für Brennkammern, insbesondere für Brennkammern von Gasturbinentriebwerken.Evaporator assembly for combustion chambers of gas turbine engines The invention relates to fuel vaporizer assemblies for combustion chambers, in particular for combustion chambers of gas turbine engines.

Für die Einführung von Brennstoff in Flammrohre einer Brennkammer in Form von leicht entzündbarem Dampf #verwendet man entsprechend der auf diesem Fachgebiet fest eingeführten Praxis Verdampferrohre, die an ihrem vorderen, d. h. der Luftströmung entgegengewendeten Ende in einer Rohrplatte befestigt sind und frei tragend in die Flammenzone hineinragen. Diese Rohre gehen von der vorderen Fläche dieser Platte aus, die im übrigen einen Abschluß des Flammrohres in der Nähe seines vorderen Endes bildet, so daß dieLuft, die in das vordere oder Einlaßende des Flammrohres einströmt, in die Verdampferrohre geführt wird und durch sie in das Flammrohr gelangt. Die hinteren Enden der Verdampferrohre sind um i8o° herumgebogen, um die Luft entgegengesetzt zur allgemeinen Strömungsrichtung in der Flammenzone austreten zu lassen. Flüssiger Brennstoff wird in die vorderen Enden der Verdampferrohre durch Düsen eingespritzt und wird vom Luftstrom durch die Rohre fortgetragen. Da der größte Teil der Außenfläche der Verdampferrohre den Flammen der Flammenzone ausgesetzt ist, werden die Rohre sehr heiß. Der Brennstoff wird daher bei seinem Durchgang durch die Rohre verdampft, so daß ein Gemisch aus Luft und Brennstoffdämpfen als brennbares Gas aus den Rohren austritt. Bei dem Verdampfungsvorgang erhalten die Rohre eine gewisse vorteilhafte Kühlung.For the introduction of fuel into the flame tubes of a combustion chamber in the form of easily flammable vapor # is used in accordance with the one on this Specialty area firmly established practice evaporator tubes attached to their front, i.e. H. the end facing the air flow are fixed in a tube plate and protrude freely into the flame zone. These pipes go from the front one Area of this plate, which is also an end of the flame tube in the vicinity its front end so that the air entering the front or inlet end of the flame tube flows in, is guided into the evaporator tubes and through them into the flame tube arrives. The rear ends of the evaporator tubes are bent around 180 °, around the air opposite to the general direction of flow in the flame zone to let out. Liquid fuel gets into the front ends of the evaporator tubes injected through nozzles and carried away by the air flow through the pipes. There Most of the outer surface of the evaporator tubes is exposed to the flames of the flame zone exposed, the pipes get very hot. The fuel is therefore at his Passing through the tubes evaporates, leaving a mixture of air and fuel vapors emerges from the pipes as a combustible gas. Preserved in the evaporation process the tubes a certain beneficial cooling.

Bei der erwähnten bekannten Bauart werden mehrere Verdampferrohre in jeder Brennkammer vorgesehen, und zwar symmetrisch um die Längsachse der Kammer herum. Sie werden, wie schon angegeben, an ihrem vorderen Ende gehalten und ragen frei tragend in die Kammer hinein. Obwohl eine solcheAnordnung eine recht zufriedenstellende Verteilung der brennbaren Gase in dem Flammrohr ergibt, so ist es doch klar, daß, da jedes Verdampferrohr eine unabhängige Brennstoffversorgungsquelle darstellt, die Verteilung des Brennstoffs auf die verschiedenen Rohre empfindlich und ihre -genaue Regelung besonders schwierig ist. Hauptzweck der Erfindung ist es, die Notwendigkeit für eine große Genauigkeit in der Verteilung des Brennstoffs auf die einzelnen Verdampferrohre auszuschalten.In the known design mentioned, several evaporator tubes are used provided in each combustion chamber, symmetrically about the longitudinal axis of the chamber hereabouts. You will, like before indicated, held at its front end and protrude freely into the chamber. Although such an arrangement is quite a results in a satisfactory distribution of the combustible gases in the flame tube, so is it is clear that since each evaporator tube is an independent source of fuel supply represents the distribution of the fuel on the various pipes sensitive and their precise regulation is particularly difficult. The main purpose of the invention is it, the need for a great accuracy in the distribution of the fuel to switch off the individual evaporator tubes.

Bei der bekannten Bauart mit den verschiedenen einzelnen V erdampferrohren mußte große Sorgfalt darauf verwendet werden, die Gebiete für die Rückströmung der Luft richtig vorzusehen, wobei der zusätzliche Sauerstoff, der für eine wirksame Verbrennung notwendig ist, dem reichen Gemisch, das aus den Verdampferrohren austritt, zugeführt wird, um eine Stabilität der Verbrennung zu gewährleisten. Deshalb gehört es auch zu den Aufgaben der Erfindung, eine verhältnismäßig- einfache und leicht zu steuernde Strömungsführung für die Luft zu erhalten, die den zusätzlichen Sauerstoff heranbringt.In the known design with the various individual evaporator tubes Great care had to be taken to identify the areas for the return flow Air properly to provide, with the additional oxygen necessary for effective Combustion is necessary, the rich mixture exiting the evaporator tubes, is supplied to ensure stability of the combustion. That's why heard It also belongs to the objects of the invention, a relatively simple and easy to be controlled flow guidance for the air to get the additional oxygen brings up.

Da die nicht weiter unterstützten Verdampferrohre der bekannten Bauart außerdem leicht Schwingungen, an der Außenseite äußerst hohen Temperaturen und von innen einer sehrunbestimmten Verteilung der Kühlung durch den flüssigen Brennstoff unterworfen sind, neigen sie sehr zu Störungen, die sich in kostspieligen Beschädigungen der nachgeschalteten Turbine auswirken können. Daher,hat sich die Erfindung weiterhin die Aufgabe gestellt, solche Störungen durch Anordnung einer gemeinsamen Unterstützung für die Verdampferrohre an ihrem hinteren Ende zu verhindern.Since the not further supported evaporator tubes of the known design in addition, slight vibrations, extremely high temperatures on the outside and of inside a very indefinite distribution of the cooling by the liquid fuel they are very prone to malfunctions that translate into costly damage the downstream turbine. Hence, the invention has continued set the task of eliminating such disruptions by arranging a joint support to prevent the evaporator tubes at their rear end.

Hauptzweck der Erfindung ist es daher, eine gleichmäßige Verteilung der brennbaren, aus dem Verdampfersystem austretenden Gase zu erreichen und zu gewährleisten, daß sie gut durchmischt sind, bevor sie in die Flammenzone austreten, während weitere Ziele die verbesserte Kühlung der Verdampferanordnung, eine verbesserte Zuführung von zusätzlichemSauerstoff und eine vorteilhafteUnterstützung der Verdampferrohre an ihrem hinteren Ende sind. Weitere Merkmale .der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestelltenAusführungsbeispiels einer rohrförmigen Brennkammer zu . entnehmen. Bei Gasturbinentriebwerken kennt man in der Hauptsache rohrförmige und ringförmige Brennkammern, und obwohl die Erfindung hier in ihrer Anwendung auf eine rohrförmige Brennkammer beschrieben wird, kann sie doch, wenn auch mit geringerem Erfolg, auf Brennkammern der ringförmigen Bauart angewendet werden und ist daher in keiner Weise auf das Ausführungsbeispiel beschränkt.The main purpose of the invention is therefore to ensure an even distribution to reach and ensure the combustible gases escaping from the evaporator system, that they are well mixed before they escape into the flame zone while others Aims to improve the cooling of the evaporator arrangement, an improved supply additional oxygen and beneficial support for the evaporator tubes are at their rear end. Further features of the invention are from the following Description of the embodiment of a tubular one shown in the drawing Combustion chamber closed. remove. In the case of gas turbine engines, one knows mainly tubular and annular combustion chambers, and although the invention is here in its Application to a tubular combustion chamber is described, but it can if also with less success, applied to combustion chambers of the annular type and is therefore in no way limited to the exemplary embodiment.

Die genannten.Vorteile werden bei einer Verdampferanordnung erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Brennstoff in Verdampferrohre eingeführt wird, deren EinlaßÖffnungen entgegen dem Luftstrom gerichtet sind und deren Auslaßenden in einen gemeinsamen, entgegen dem allgemeinen Strömungsverlauf gerichteten Auslaß einmünden.The advantages mentioned are achieved according to the invention in an evaporator arrangement achieved in that the fuel is introduced into evaporator tubes, the inlet openings are directed against the air flow and their outlet ends in a common, open against the general flow direction outlet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Längsschnitt durch eine typische Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk, Fig. 2 einen Längsschnitt durch die in Fig. i dargestellte Verdampferanordnung in größerem Maßstab und Fig. 3 eine Teilansicht der Verdampferdüse und von Teilen der Verdampferrohre in Richtung der Pfeile III in Fig. 2 gesehen.In the drawing, the invention is shown, for example, and although FIG. i shows a longitudinal section through a typical combustion chamber for a gas turbine engine, FIG. 2 shows a longitudinal section through the evaporator arrangement shown in FIG on a larger scale and FIG. 3 is a partial view of the evaporator nozzle and of parts of the Evaporator tubes seen in the direction of arrows III in FIG.

Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, tritt die von dem Verdichter kommende Luft in Richtung des Pfeiles 7 in die Brennkammer 6 ein. Ein Teil dieser Luft strömt als Kühlmittel durch den Ringraum 8 zwischen der Brennkammerwand und dem Flammrohr 9, während der Rest durch das vordere Ende 9a des Flammrohres in dieses gelangt. Ein quer angeordnetes Leitblech io trägt eine Rohrplatte i i, an der die Verdampferrohre 12 befestigt sind, und leitet die Luft in die hier gelegenen offenen Enden i2a der Verdampferrohre 12. Flüssiger Brennstoff wird durch die Rohrleitung 13, die zu dem Brenner 1¢ führt, eingespritzt. Der Brenner kann als Zündflammenbrenner ausgebildet sein. Eine elektrische Zündleitung ist durch das Rohr 15 von den außenliegenden Anschlußklemmen 16 zu dem Zündbrenner geführt. Die an dem Brenner 16 vorgesehenen Düsen 17 spritzen Brennstoff in die vorderen Enden 12a der Verdampferrohre i2 ein. Da die Düsen 17 gegenüber den Achsen der zugehörigen Verdampferrohre etwas versetzt angeordnet sind, stören sie den Luftstrom zu den Verdampferrohren nur sehr wenig. Die in der Mitte des Düsenkopfes liegende Düse 17a dient als Flammzünder. Der aus ihr austretende Brennstoffstrahl ist auf die Zündelektroden 15a gerichtet, die eine Zündkerze bilden- und von den Anschlußklemmen 16 aus mit Strom versorgt werden.As can be seen from the drawing, the occurs from the compressor incoming air in the direction of arrow 7 into the combustion chamber 6. Part of this Air flows as a coolant through the annular space 8 between the combustion chamber wall and the flame tube 9, while the rest through the front end 9a of the flame tube into this got. A transversely arranged baffle plate io carries a tube plate i i on which the Evaporator tubes 12 are attached, and directs the air into the open here Ends i2a of the evaporator tubes 12. Liquid fuel is supplied through the pipeline 13, which leads to the burner 1 ¢, injected. The burner can be used as a pilot burner be trained. An electrical ignition line is through the pipe 15 from the external Terminals 16 led to the pilot burner. Those provided on the burner 16 Nozzles 17 inject fuel into the front ends 12a of the evaporator tubes i2. Since the nozzles 17 are slightly offset from the axes of the associated evaporator tubes are arranged, they disturb the air flow to the evaporator tubes very little. The nozzle 17a located in the middle of the nozzle head serves as a flame igniter. The out their exiting fuel jet is directed to the ignition electrodes 15a, the one Form spark plug and are supplied from the terminals 16 with power.

In -Strömungsrichtung hinter der Rohrplatte ii sind die Verdampferrohre 12 von der gemeinsamen Achse weg nach außen gebogen und anschließend wieder nach -innen, so- daß sie in eine -senkrecht zur Achse der Brennkammer liegende Ebene hinein verlaufen und sich dort zu einer gemeinsamen Düse i8 vereinigen.- Die Verdampferrohre treten im-wesentlichen -tangential in die- Düse ein oder wenigstens nicht radial, wie dies in Fig. 2 und 3 dargestellt ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform besteht die Düse aus einem Ring mit etwa U-förmigem Querschnitt, der konzentrisch in der Brennkammer angeordnet ist. Die Austrittsöffnung der Düse, die im Querschnitt dem offenen oberen Teil des U entspricht, ist der in der Brennkammer herrschenden allgemeinen Strömungsrichtung entgegengesetzt, und die inneren und- äußeren Wände i8a und 1811 der ringförmigen Düse sind zur gegenseitigen Stützung durch eine Reihe ldeiner symmetrisch angeordneter Wirbelschaufeln i9 miteinander verhunden. - - - - Im Betrieb strömt der größere Teil der in die Brennkammer eintretenden Luft in den Ringraum 8 zwischen der äußeren Wand der Brennkammer 6 und dem Flammrohr g und dann durch die verschiedenen Lochreihen 2o etwa in Höhe der Verdampferrohre 12 oder hinter diesen in das Flammrohr. Die übrige Luft gelangt in das vordere Ende 911 des Flammrohres 9 und dann in die Verdampferrohre 12 durch deren Eintrittsöffnungen 12a. Der Brennstoff wird durch die Düsen 17 in die gleichen Eintrittsöffnungen eingespritzt. so daß ein Brennstoff-Luft-Gemisch durch das Verdampfer=-system strömt. Da die Verdampferrolire 12 in der Flammenzone liegen und daher von außen beträchtlicher Hitze ausgesetzt sind, so wird der flüssige Brennstoff verdampft und das so entstehende Brennstoffdampf-Luft-Gemischweitererhitzt. Diese innerhalb der Rohre stattfindende Verdampfung zusammen finit dem Durchströmen verhältnismäßig kühler Luft bewirkt eine Kühlung der Rohre und schützt sie gegen ein Verbrennen. Die vorstehend beschriebenen Vorgänge entsprechen der normalen Wirkungsweise der dem Fachmann bekannten Verd ampferrohre.In the direction of flow behind the tube plate ii are the evaporator tubes 12 bent outwards away from the common axis and then back again -Inside, so that they are in a plane perpendicular to the axis of the combustion chamber run into it and unite there to form a common nozzle i8 - the evaporator tubes enter the nozzle essentially tangentially or at least not radially, as shown in Figs. In this preferred embodiment the nozzle consists of a ring with an approximately U-shaped cross-section that is concentric is arranged in the combustion chamber. The outlet opening of the nozzle, which is in cross section corresponds to the open upper part of the U is that prevailing in the combustion chamber opposite general direction of flow, and the inner and outer walls i8a and 1811 of the annular nozzle are supported by a row for mutual support l your symmetrically arranged vortex blades i9 connected to one another. - - - - During operation, the greater part of those entering the combustion chamber flows Air into the annular space 8 between the outer wall of the combustion chamber 6 and the flame tube g and then through the various rows of holes 2o approximately at the level of the evaporator tubes 12 or behind them in the flame tube. The rest of the air goes to the front end 911 of the flame tube 9 and then into the evaporator tubes 12 through their inlet openings 12a. The fuel is injected through the nozzles 17 into the same inlet openings. so that a fuel-air mixture flows through the evaporator = system. As the evaporator roll 12 lie in the flame zone and therefore exposed to considerable heat from the outside are, the liquid fuel is vaporized and the resulting fuel-vapor-air mixture is further heated. This evaporation taking place inside the tubes together finitely with the flow relatively cool air causes a cooling of the pipes and protects them against a burn. The operations described above correspond to normal operation the evaporator tubes known to those skilled in the art.

Das vorgeheizte Gemisch wird nun erfindungs-;"eilläLl aus den Verdampferrohren in die Düse iS geleitet, und infolge des tangentialen Eintritts entsteht in dieser ein Wirbel, der ein gutes Durchmischen der aus den einzelnen Rohren austretenden Gase gewährleistet, bevor sie in Form eines Wirbels in die Flammenzone austreten. Zusätzliche @"erbrennungsluft, die durch die Löcher 20 in RiChtung nach vorn in die Räume geringen Drucks hinter dem Leitblech io -des Flammrohres 9 eintritt, bringt zusätzlichen Sauerstoff zur Förderung der Verbrennung heran. Es ist ein Merkfinal dieser bevorzugten Bauart, daß, weil die im Wirbel aus der Düse iS austretenden Gase einen weiteren Unterdruckraum in ihrer Mitte hervorrufen, ein Teil der zusätzlich eingeführten Luft kräftig durch das mittlere Loch der Düse 18 in diesen Raum einströmt und dadurch Sauerstoff in den Kern der 1@l.iinlnenzone bringt, in dem das brennbare Gemisch verhältnismäßig reich ist.The preheated mixture is now inventively -; "eilläLl from the evaporator tubes directed into the nozzle iS, and as a result of the tangential entry arises in this a vortex that ensures good mixing of those emerging from the individual tubes Gases guaranteed before they emerge in the form of a vortex in the flame zone. Additional combustion air that flows through the holes 20 in a forward direction the spaces of low pressure behind the baffle plate io -of the flame tube 9 enters brings additional oxygen to promote combustion. It is a mark final this preferred design that, because the exiting in the vortex from the nozzle iS Gases create another negative pressure space in their center, part of which is additionally introduced air flows forcefully through the center hole of the nozzle 18 into this space and thereby brings oxygen into the core of the inner zone, in which the combustible Mixture is relatively rich.

Die erste Zündung wird durch den Flammzünder 14 erzielt, der eine Flamme auf die Düse iS richtet. Hat sich dann eine Flamme in der Flammenzone gebildet, so umspült diese die Verdampferrohre 12, wonach sich die Verbrennung von selbst fortführt.The first ignition is achieved by the flame igniter 14, the one Aim the flame at the nozzle iS. If a flame has then formed in the flame zone, so this washes around the evaporator tubes 12, after which the combustion takes place by itself continues.

Es ist klar, daß in einer Bauart nach der Erfin-(1ung die Lebensdauer der Verdampferanordnung infolge der sich durch die Konstruktion ergebenden verbesserten Kühlung und durch die gegenseitige Stützung, die sich die Verdampferrohre geben, da sie mit ihren hinteren Enden in eine gemeinsame Düse einmünden, verlängert wird. Die vorderen Teile der Rohre werden durch die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs, der über die inneren Flächen streicht, gekühlt, während das weiter hinten vorgesehene Ausbiegen der Rohre nach außen dazu führt, daß sich diese Teile in einer verlisiltnisinä(.')ig kalten Region der Flammenzone befinden. Die innere Wand der ringförmigen Düse kommt nicht unmittelbar mit der -Flamme in Berührung, da sie den Hauptdurchgang für die zusätzliche, in die Mitte der Flammenzone strömende Verbrennungsluft bildet, wie dies bereits näher beschrieben wurde. Außerdem werden die äußere Wand und die hinten liegende Wand der ringförmigen Düse von innen kräftig von dem aus den Verdampferrohren mit hoher Geschwindigkeit in die Düse einströmendenBrennstoff-Luft-Gemisch bespült, so daß eine hinreichende innere Kühlung gewährleistet ist.It is clear that in a design according to the invention, the life the evaporator arrangement as a result of the improvements resulting from the construction Cooling and the mutual support that the evaporator tubes give each other, since their rear ends open into a common nozzle, is lengthened. The front parts of the tubes are formed by the evaporation of the liquid fuel, the one that strokes the inner surfaces, cooled, while the one provided further back Outward bending of the pipes leads to these parts being in a lost (. ') Ig cold region of the flame zone. The inner wall of the annular nozzle comes up not in direct contact with the flame as it is the main passage for the additional combustion air flowing into the center of the flame zone forms, such as this has already been described in more detail. Also, the outer wall and the rear lying wall of the annular nozzle from the inside strong from that of the evaporator tubes flushed the fuel-air mixture flowing into the nozzle at high speed, so that adequate internal cooling is guaranteed.

Es --ersteht sich, daß die dargestellte und becliriebene Bauart nur ein bevorzugtes Beispiel ist und daß verschiedene Änderungen in der Form, der Größe und der Anordnung der Teile erfolgen können, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen zu werden braucht.It is clear that the design shown and explained is only is a preferred example and that various changes in shape, size and the arrangement of the parts can be done without thereby falling within the scope of the invention needs to be left.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Evaporator arrangement for combustion chambers in which burned liquid fuel in a stream of air flowing through the combustion chamber is, characterized in that the fuel is introduced into evaporator tubes (12) is, whose inlet openings (12a) are directed against the air flow and whose Outlet ends in a common, contrary to your general flow in the chamber directed outlet (18) open.

2. Evaporator arrangement according to claim i, characterized in that the outlet ends of the evaporator tubes (12) in a Open out nozzle (18), the outlet opening opposite to the general course of the flow is directed in the chamber.

3. evaporator arrangement according to claim 2, characterized in that that the nozzle (18) is tubular and the outlet ends of the evaporator tubes (12) in a plane lying approximately transversely to the direction of flow in the outer wall (18v) of the Open the nozzle. q .. evaporator arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that that the nozzle (18) has an annular outlet opening. 5. Evaporator arrangement according to one of claims 2 to: I, characterized in that the nozzle (18) is annular is. 6. evaporator arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that that the fuel before it emerges from the nozzle (18) in this a vortex forms. Evaporator arrangement according to Claim 6, characterized in that the outlet ends of the evaporator tubes (12) in a direction deviating from the radial direction open into the nozzle (18). B. evaporator arrangement according to .Anspruch 7, characterized in that that the outlet ends of the evaporator tubes (12) open approximately tangentially into the nozzle (18). 9. evaporator arrangement according to one of claims 6 to 8, characterized in that that deflection means (i9) are provided within the nozzle (18) are, which give the fuel-air mixture a twist. ro. Evaporator arrangement according to the claims 5 and 9, characterized in that the deflection means as several between the inner and outer walls (18a and r8b) of the annular nozzle (r8) arranged struts (r9) are formed. i i. Evaporator arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the evaporator tubes (i2) through a baffle (zo) arranged transversely to the air flow and from this in the direction of flow extend and that the common outlet (r8) of the tubes within the vortex zone of the baffle is provided.