DE935287C - Verbrennungskammer von Gasturbinen mit primaerer und sekundaerer Verbrennungszone - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 17. NOVEMBER 1955

N 5542 Ia/ 46 f

Verbrennungszone

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskammer von Gasturbinen mit primärer und sekundärer Verbrennungszone. Derartige Verbrennungskammern bestehen in an sich bekannter Weise aus einem einseitig offenen Blechgehäuse mit über die der Öffnung gegenüberliegenden Stirnwand verteilten Einlaßöffnungen für Primärluft, einer in dieser Wand angeordneten Einspritzdüse und im Mantel zwischen den beiden Stirnseiten angeordneten Sekundärluftöffnungen. Das Wesen der Erfindung wird darin erblickt, daß die die Einlaßöffnungen für Primärluft tragende Stirnwand Futter größerer Länge aufweist, als die Stärke der durchlochten Stirnwand ist. Diese Futter können auf der Lufteintrittsseite trichterförmig ausgebildet sein.

Die Blechgehäuse bestehen, da die Kammern für Flugzeuge bestimmt sind, aus möglichst dünnwandigem Blech, und es hat sich gezeigt, daß zufolge der verhältnismäßig niedrigen Temperatur in der primären Verbrennungszone, d. h. in derjenigen Zone, die der Stirnwand am nächsten liegt, Kohlebildung an der Innenseite des Austrittsquerschnitts der Einlaßöffnungen erfolgt, die schließlich eine Unterbrechung des Betriebes zum Zwecke der Reinigung erforderlich macht. Diese Kohlebildung auszuschließen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Es sind zwar bereits Verbrennungskammern dieser Art bekannt, bei denen die Lufteinlaßöffnungen, die in die Sekundärzone höherer Temperatur führen, mit Futtern ausgerüstet sind. Die Futter haben hier nur die Aufgabe, die Wirbelbildung in der Kammer zu erhöhen. Die Aufgabe, die Kohlebildung zu vermeiden, fällt ihnen nicht zu, da eine Kohlebildung in der Sekundärzone höherer Temperatur nicht stattfindet. Die Kohle verbrennt hier.

Bei Verbrennungskammern anderer Art, die eine Primärzone nicht aufweisen, ist es bekannt, die Luft über J-förmige Rohre der Kammer zuzuführen. Auch

hier haben die Rohre nicht die Aufgabe, die Kohlebildung auszuschließen. Sie können diese Aufgab' auch nicht haben, da die Kohlebildung mit Rücksicht auf die hohe herrschende Temperatur hier nicht stattfindet.

Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsformen

" der vorliegenden Erfindung in Gegenüberstellung zum Stande der Technik. Es zeigt

Fig. ι einen Längsschnitt durch eine Verbrennungskammer der Rohrbauart,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die hintere Stirnwandung einer Verbrennungskammer bekannter Art, Fig. 3 die Stirnwand einer Verbrennungskammer bekannter Art mit Lufteinlaßkanal in gegenüber Fig. 2 vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 dasselbe Bild wie Fig. 3 unter Darstellung de: Kohleniederschlages, ·

Fig. 5 A, 5C, 5D und 5E ähnliche Darstellungen je einer anderen Ausführungsform, Fig. 6 die Stirnansicht eines Lufteinlaßkanals,

Fig. 7 einen Lufteinlaßkanal im Schnitt nach Linie Y-Y der Fig. 6.

Die Fig. 1 zeigt die Verbrennungskammer einer Gasturbine. Diese Verbrennungskammer besteht aus dem äußeren Mantel 7 und dem.inneren Mantel oder Rohr 6. In die Stirnseite 9 dieses inneren Mantels 6 mündet zentrisch die Brennstoffeinspritzdüse 1 mit dem Zuführungsrohr 2.

Zum Zwecke der Luftzuführung trägt der äußere Mantel 7 die öffnung 3. Die Luftzuführungskanäle 4 sind an der Stirnwand 9 des Innenmantels 6 angeordnet. Diese Kanäle besitzen zielbewußt kleine Durchmesser, um nur die für die Aufrechterhaltung der Verbrennung nächst der Innenseite der Wandung 9 notwendige Luft zuzuführen. Die Luftzuführung in den Innenmantel 6 ist durch gestrichelte Pfeile dargestellt. Der größere Anteil der Luft strömt um die Stirnseite des Mantels 6,. 9 herum in den Zwischenraum 8 zwischen den beiden Mänteln 7 und 6, um durch die sekundären und tertiären Luftfcanäle 5 in die Verbrennungskammer einzutreten. Diese Kanäle besitzen größeren Querschnitt. Da dem Luftstrom durch die Kanäle 4 ein mäßiger Widerstand entgegensteht, dem Luftstrom durch die Kanäle 5 dagegen ein kleiner 4-5 Widerstand, so verläuft die Strömung etwa im Sinne der voll ausgezogenen Pfeile. Dies bsdingt eine erhebliche Wirbelbildung in der primären Zone der Verbrennungskammer, mit der Folge, daß Öl und Dampf innig mit Luft vermischt werden.

In der Verbrennungskammer herrschen höhere Temperaturen. Die Stirnseite 9 der Verbrennungskammer 6 ist jedoch nicht annähernd so heiß wie das offene Ende, so daß auf die Innenseite der Wand 9 prallende Öltropfen und Öldämpfe zur Kohlebildung neigen, welche nach Ablauf einer gewissen Betriebszeit ein Verstopfen der Innenmündung der Kanäle 4 und damit Betriebsstörungen zur Folge hat. Diesem Umstand ist es zuzuschreiben, daß die ununterbrochene Betriebsdauer einer Verbrennungskammer verhältnismäßig beschränkt ist. Die Offenhaltung der primären Luftkanäle 4 ist also von wesentlicher Bedeutung. Nun ist es, wie schon erwähnt, sehr erwünscht, daß die Wandstärke des Mantels 6 und der Stirnwand 9 innerhalb der erforderlichen Festigkeitsgrenze sehr klein .ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, bestehen die Luftkanäle 4 aus Löchern, die in die Stirnwand 9 eingestoßen oder eingebohrt sind.

Bei einem Luftstrom,, der durch einen Kanal 4 von geringerer Länge strömt, besteht die im Eintrittsquerschnitt auftretende Strahlkontraktion auch noch im Austrittsquerschnitt.

Vergrößert man nun die Stärke der Stirnwand 9 und damit die Länge der Luftkanäle 4, so wird diese Erscheinung erheblich abgemildert. Es wird jedoch Hand in Hand damit das Gewicht der ganzen Verbrennungskammer erhöht und die Gefahr des Eintretens einer höheren Wärmebelastung des Materials gegeben.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, erzeugt die Strahlkontraktion eine ringförmige Zone turbulenter Luft- rückströme, wie in Fig. 3 durch Pfeile angedeutet. Diese Rückströme veranlassen das Benetzen der Innenseite der Stirnwand 9 mit Brennstoff in-der einen oder anderen Form, und zwar im Bereich um die Mündung der Kanäle 4 herum. Die Folge davon ist, daß sich fortschreitend Kohle niederschlägt. Lagen von Kohleniederschlägen sind in Fig. 4 mit a, b und c bezeichnet. Unter besonderen Umständen sind diese Niederschläge dazu geeignet, die Mündung der Kanäle 4 vollkommen abzuschließen, was nicht nur die gesamte Wirkungsweise der Verbrennungskammer fortschreitend verschlechtert, größeren Ölverbrauch, einen schwierigen Start der Maschine und höhere Temperaturen bedeutet, sondern auch die Notwendigkeit der Unterbrechung des Betriebes und der Reinigung der Kammer von Kohle.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Stirnseite 9 der Verbrennungskammer 6 lokal verstärkt. Die Luftkanäle sind aerodynamisch besser ausgestaltet, mit der Folge, daß unter Aufrechterhaltung des ursprünglichen Luftstromes und unter Ausschaltung von lokalen Wirbeln und Ölbenetzung an den Kanalmündungen, die Kohlebildung ein Verstopfen der Kanalmündungen nicht zur Folge hat, wie in Fig. 5 A und 5 C mit a', b', c' bezeichnet. Die Kanäle können, wie aus Fig. 5 A, 5C, 5D und 5E ersichtlich, ein Futter 11 bzw. 12 enthalten, das aus Metall besteht und etwa die Form eines Hohlnietes besitzt. Dieses Futter ist in die Bohrung 4 eingesteckt. Das Futter kann auch aus einer gedrehten oder durch spanlose Verformung gebildeten Hülse bestehen, wie aus Fig. 5 C ersichtlich. In allen Fällen werden durch die Hülse oder das Futter die Kanäle 4 verlängert. Die Kanäle sind langer, als die Stärke der Platte 9. Die Länge der Hülse kann innerhalb bestimmter Grenen verschieden sein. Eine Länge der Hülse, die mehr als das Dreifache bis Vierfache des inneren Durchmessers beträgt, ist nicht von Vorteil. Die Verlängerung der Kanäle hat zur Folge, daß der Luftstrom im Bereiche des Austrittes in die Verbrennungskammer einen Querschnitt 13 besitzt, der dem Innenquerschnitt des Kanals bzw. der Hülse entspricht (Fig. 5 D). Die Hülse oder der Einsatz müssen starr an der Stirnwand 9 befestigt sein, derart, daß sie durch Vibration, durch den Gasstrom, durch Wärmeausdehnung od. dgl. nicht gelockert oder beseitigt werden,

Aus diesem Grunde mag es zweckmäßig sein, den Einsatz oder die Hülse auf der Innenseite der Wandung 9 etwas vorstehen zu lassen. Dieses Vorstehen soll natürlich auf ein Minimum beschränkt werden, um zu verhindern, daß der Einsatz durch direkte Wärmeeinwirkung aus der Verbrennungskammer zu stark erhitzt wird. Es hat sich gezeigt, daß bei Vorstehen der Einsätze in die Verbrennungskammer sich die Kohle um den vorstehenden Teil herum ansetzt, und ein derartiger Kohleniederschlag ist nicht wünschenswert. Fig. 5 D und 5 E zeigen, daß die Einsätze 11 und 12 befestigt sein können, ohne daß sie auf der Innenseite vorstehen.

Das äußere Ende der Hülsen oder Einsätze 11, 12 ist zweckmäßig glocken- oder trichterförmig ausgebildet, eine Ausbildung, die das Entstehen der gewünschten Form des Luftstromes fördert.

Wird ein derartiger Einsatz verwendet, so muß der innere Durchmesser gegenüber den Kanälen 4 der Fig. 2 etwas vermindert sein, wenn dafür gesorgt werden soll, daß die gleiche Menge von Luft durch die Gesamtheit der Kanäle 4 in die Verbrennungskammer einströmt und das Verhältnis zwischen Luft und Öl aufrechterhalten wird. Es kann aber auch die Anzahl der Kanäle 4 vermindert werden.

Zur Feststellung der Wirkung der erfindungsgemäßen Ausbildung der Lufteinlaßkanäle wurde ein Vergleichsversuch vorgenommen. Zu diesem Zweck wurde eine Verbrennungskammer im Sinne der Fig. 1 an ihrer Stirnseite mit Lufteinlaßkanälen 4, gemäß Fig. 2, versehen. Die Lufteinlaßkanäle wurden eingestanzt. In einen Teil der vorhandenen eingestoßenen Lufteinlaßkanäle wurden Einsätze, gemäß Fig. 6 und 7, eingesetzt. Die Einsätze wurden an der Lufteintrittsseite gesichert. Die Abmessungen der Einsätze sind im folgenden wiedergegeben. Dabei ist Bezug genommen auf die Buchstaben der Fig. 6 und 7.

A 3,20 mm 3,00 mm

B 1,50 - 1,40 -

R 3,9° -

WinkelC 14⁰

D 4,60 mm 4,50 mm

E 10,00 - 9,80 -

F 6,20 - 6,00 -

G 4,60 - 4,53 -

H 3,10 - 3,09 -

Der restliche Teil der primären Lufteinlaßkanäle wurde mit solchen Einsätzen nicht versehen.

Die Verbrennungskammer wurde sodann zusammengebaut und mehrere Stunden in Betrieb genommen. In Zeitabständen wurde die Verbrennungskammer demontiert und von den Kohleniederschlägen befreit. Dabei hat es sich gezeigt, daß die von Einsätzen freien Lufteinlaßkanäle den geschichteten Kohleniederschlag, gemäß Fig. 4, aufweisen, während der Kohleniederschlag um die Mündungen der mit Einsätzen versehenen Lufteinlaßkanäle die Form gemäß Fig. 5 A und 5 C aufwies.

Das Ergebnis des Vergleichsversuchs ist also, daß Luftkanäle mit Einsätzen keinen Verschluß durch Kohleniederschlag aufweisen, während Luftkanäle bekannter Art ohne Einsätze einen durch Kohleniederschlag hervorgehobenen Verschluß zeigen.

Die Erfindung gibt somit ein einfaches Mittel an die Hand, um den Abschluß der Mündung der Lufteinlaßkanäle der Verbrennungskammern von Gasturbinen durch Kohleniederschlag auszuschließen.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verbrennungskammer von Gasturbinen mit primärer und sekundärer Verbrennungszone, bestehend in einem einseitig offenen Blechgehäuse mit über die der Öffnung gegenüberliegenden Stirnwand verteilten Einlaßöffnungen für Primärluft, einer in dieser Wand angeordneten Einspritzdüse und im Mantel zwischen den beiden Stirnseiten angeordneten Sekundärluftöffnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die die Einlaßöffnungen (4) für Primärluft tragende Stirnwand Futter (11, 12) größerer Länge aufweist, als die Stärke der durchlochten Stirnwand (9) ist.

2. Verbrennungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Futter (11, 12) auf der Lufteintrittsseite trichterförmig ausgebildet sind.

Angezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 709 065, 804 982, 462;
britische Patentschrift Nr. 635 946.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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