DE1123868B

DE1123868B - Brennkammer, insbesondere fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1123868B
Application number: DESCH24638A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Masch-Ing Hermann Bleuler
Original assignee: Schweizerische Lokomotiv und Maschinenfabrik AG (SLM)
Current assignee: Schweizerische Lokomotiv und Maschinenfabrik AG (SLM)
Priority date: 1958-08-26
Filing date: 1958-08-28
Publication date: 1962-02-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere für Gasturbinen, mit kurzem, im wesentlichen axial durchströmtem Flammrohr, an dessen eintrittsseitigem Ende eine Brennstoffdüse mit Primärluftzutritt liegt, sowie mit einem Außenmantel und einem zwischen diesem und dem Flammrohr liegenden Ringkanal, durch welchen Sekundärluft als Kühlluft von der Eintrittsseite in den der Brennstoffdüse im wesentlichen abgelegenen Mischraum des Flammrohres durch zwei im austrittsseitigen Teil dessen Mittelbereiches axial nebeneinanderliegende Lochreihen des Flammrohres als Sekundärlufteintrittsöffnungen mit radial zur Flammrohrachse verlaufenden Lochachsen und mit je Reihe untereinander gleich großen Löchern ausströmt, von denen die eintrittsseitig gelegenen kleiner als die austrittsseitig gelegenen sind.

Bei einer bekannten Brennkammer ähnlicher Ausführung weist der Ringkanal mehrere relativ kurze, in Strömungsrichtung jeweils diffusorartig erweiterte Abschnitte auf, die untereinander über im wesentliehen ringscheibenförmige, mit Durchtrittsöffnungen für die Sekundärluft versehene Zwischenwände verbunden sind. Dieser Konstruktion liegt der Gedanke zugrunde, die Sekundärluft an verschiedenen Stellen des Mischraumes im wesentlichen in axialer Richtung der Brennkammer in den Mischraum. einführen zu können, was zwangläufig zu den durch ihre Kürze allerdings nur wenig diffusorartig wirksamen Erweiterungen des äußeren Ringkanals führte. Nachteilig ist bei dieser Ausführung, daß die Mischluft wegen des gegenüber der axialen Richtung nur kleinen Eintrittswinkels einen verhältnismäßig langen Weg benötigt, bis sie mit den Flammengasen vermischt ist, weshalb die nach diesem System arbeitenden Brennkammern im Verhältnis zu ihrem Durchmesser recht lang gebaut sein müssen.

Es ist bei einer anderen, der eingangs genannten ebenfalls ähnlichen Brennkammerausführungen bereits bekanntgeworden, den austrittsseitigen Teil des Flammrohres konisch verjüngt auszubilden und die Sekundärlufteintrittsöffnungen entlang dem ganzen verjüngten Flammrohrteil gleichmäßig, etwa wie eine Perforation, zu verteilen. Ein das Flammrohr umgebender Außenmantel ist bei diesem Vorschlag lediglich im Schnitt offenbart. Selbst wenn man annimmt, daß der Außenmantel das Flammrohr konzentrisch umgibt, so bleibt doch nachteilig, daß die in den Mischraum des Flammrohres schon zu Beginn der dann gebildeten diffusorartigen Erweiterung eintretende Sekundärluft, die in dem vor der konischen Verjüngung des Flammrohres befindlichen äußeren Ringkanal noch eine erhebliche axiale Geschwindig-

Anmelder:

Schweizerische

Lokomotiv- und Maschinenfabrik,
Winterthur (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Dipl.-Masch.-Ing. Hermann Bleuler,

Zollikon, Zürich (Schweiz)
ist als Erfinder genannt worden

keit und einen entsprechend geringen Druck aufweist, durch die radialen Öffnungen nur mit verhältnismäßig kleinem Druck eintreten und deshalb nicht bis in den Mittelbereich des Mischraumes eindringen kann. Anderseits wird sich auch der Massenabstrom der Sekundärluft durch die ersten Sekundärlöcher des konisch verjüngten Teils in einer starken Verzögerung der axialen Luftgeschwindigkeit auswirken, wodurch trotz der relativ schlanken Ausbildung der Flammrohrverjüngung eine Ablösung der Strömung vom perforierten konischen Flammrohrteil kaum zu verhindern ist. Es kann also auch von dem durch die weiter austrittsseitig gelegenen Eintrittsöffnungen durchströmenden Sekundärluftstrom nicht erwartet werden, daß er bis in den Mittelbereich des Mischraumes vordringt. Eine wirksame Durchmischung des Mischraumes mit Sekundärluft ist deshalb auch hier nur mit einer genügend langen Flammrohrausbildung erzielbar.

Bei einer anderen, der eingangs genannten Ausführung entsprechend bekannten Brennkammer weist das Flammrohr zwar nur eine einzige durchlöcherte, etwa ringscheibenförmig nach außen ragende Wand auf, die sich im austrittsseitigen Bereich des Mischraumes befindet, wodurch der ganze Mittelbereich des Flammrohres bis zu dieser Wand konisch eingezogen ist. Vor der genannten Wand befinden sich im Flammrohr zwei axial nebeneinanderliegende Lochreihen mit je Reihe untereinander gleich großen Löchern, von denen die eintrittsseitig gelegenen kleiner als die austrittsseitig gelgenen sind. Die Sekundärluft kann also außer etwa axial durch die Löcher der genannten

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Hierdurch kann die aus den größeren Löchern unter der Einwirkung des durch den Diffusor erhöhten Druckgefälles und unter dem Schutz der aus den kleineren Löchern vorgelagerten Sekundärluft in den 5 Mischraum einströmende weitere Sekundärluft besonders schnell, d. h. auf einem besonders kurzen axialen Weg, bis zur Hammrohrachse vordringen.

Andere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen weitere konstruktive Einzelheiten der erfindungs-

Druck der Sekundärluft nur gering ist und diese nur langsam — auf einem entsprechend langen axialen Weg — in den zentralen Mittelbereich des Mischraumes gelangen kann.

Schließlich ist auch schon eine von der letztgenannten etwas abgewandelte Brennkammerausführung bekanntgeworden, bei der der Außenmantel der konischen Einschnürung des Flammrohres nicht folgt

Wand auch durch die beiden davor befindlichen Lochreihen in zunächst etwa radialer Richtung in den Mischraum einströmen. Abgesehen davon, daß auch hier noch ein beträchtlicher Anteil der Sekundärluft in nahezu axialer Richtung in den Mischraum eintritt, ist weiterhin nachteilig, daß durch die Formgebung des den Ringkanal einschließenden Brennkammermantels auch im Bereich der beiden Lochreihen kein größerer Ringkanalquerschnitt als an

dessen engster Querschnittsstelle vorhanden ist, wes- io gemäßen Brennkammer.

halb der an diesen Lochreihen zur Verfugung stehende Es ist bei Brennkammern zwar schon bekannt

geworden, an aus dem äußeren Ringkanal in den Mischraum führenden Löchern des Flammrohres noch ein kleines Ansatzstück etwa düsenförmig radial 15 oder tangential in das Flammrohrinnere vorspringen zu lassen, um die Sekundärluft in das Flammrohr radial möglichst bis in die Kernströmung zu führen. Bei anderen bekannten Brennkammern werden an Stelle der düsenförmigen Führungen nach innen sich

und deshalb der dortige Ringquerschnitt in Strö- ao nach außen in den Ringkanal zwischen Flammrohr mungsrichtung zunimmt. Bei dieser Ausführung weist und Außenmantel erstreckende, gegen den Strom gedas Flammrohr in seinem konisch verengten Mittel- richtete rinnenförmige Leitkanäle vorgesehen. Abgebereich jedoch überhaupt keine Löcher für den Ein- sehen von dem damit verbundenen Aufwand an zutritt von Sekundärluft auf und ist in diesem Bereich sätzlichen wärmegefährdeten und Druckverlust verurstatt dessen mit äußeren ringförmigen Rippen ver- as sachenden Teilen ist dabei der Ringkanal in Strösehen. Infolgedessen würde hier eine wirksame Ver- mungsrichtung statt erweitert gerade verengt, so daß

ein wirksames Vortreiben der Sekundärluft bis tatsächlich in den zentralen Flammrohrbereich, wie es nunmehr durch die erfindungsgemäße diffusorartige 30 Erweiterung des Ringkanals und die weiteren genannten Maßnahmen erreicht ist, mit diesen ganz anderen bekannten Maßnahmen mangels eines wirklichen Überdruckes der einströmenden Sekundärluft gegenüber dem Flammrohrinneren mindestens zweifelsetzungen in einfacher und doch betriebssicherer Weise 35 haft erscheint, eine gute Durchmischung der Flammengase mit Se- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des

kundärluft zu sichern. Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß im we- Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer,

sentlichen dadurch gelöst, daß der Ringkanal im vor- Fig. 2 einen Querschnitt nach der Schnittlinie H-II

deren Teil seines Mittelbereiches als an sich bekann- 40 der Fig. 1, ter, glattwandiger, sekundärlufteintrittsöffnungsfreier Fig. 3 eine Einzelheit.

Diffusorabschnitt ausgebildet ist und der sich an diesen Die zu einer Gasturbinenanlage gehörende Brennglatt anschließende hintere Teil des genannten Mittel- kammer besitzt ein Flammrohr 1 mit Verbrennungsbereiches in an sich bekannter Weise zugleich diffusor- raum 2 und Mischraum 3, eine Düse 4 für flüssigen artig erweitert ist und die Lochreihen der Sekundär- 45 oder gasförmigen Brennstoff, einen diese Teile konlufteintrittsöffnungen aufweist. zentrisch umschließenden Mantel 5 sowie einen Zu-

Bei einer solchen Ausführung der Brennkammer führungskanal 6, der die zur Verbrennung und Kühkann sich die diffusorartige Erweiterung des das lung notwendigen Luftmengen von einem nicht dar-Flammrohr umgebenden Ringraumes im ersten Teil gestellten Verdichter und zwischengeschalteten Appader Erweiterung in einem vorteilhaften Druckaufbau 50 raten heranfuhrt.

der Sekundärluft auswirken, woraufhin der nunmehr Der Zuführungskanal 6 ist in einen oberen und

durch die Eintrittsöffnungen in den Mischraum ein- einen unteren Kanal verzweigt. Der obere Kanal 6 a tretenden Sekundärluft ein erhöhtes Druckgefälle zur ist z. B. für das Brenngas oder den ersten Primär-Verfügung steht, durch welches sie in den Mischraum luftanteil bestimmt, der über das Umlenkschaufelauf einem nur kurzen axialen Weg schnell bis zur 55 gitter 7 durch die Drallschaufehl 8 und durch die Flammrohrachse eindringen und sich intensiv mit den Verengung des Schirmes 9 hindurch in die unrnittel-Brenngasen vermischen kann. Vorteilhaft ist weiter- bare Nähe des Brennstoffdüsenendes 4 a geführt wird, hin, daß die Mittel, mit denen die angestrebte gute Hier beginnt die Verbrennung des zerstäubten Brenn-Durchmischung erreicht wird, gegenüber den zur Er- stoffes oder des Brenngases, wobei die starke Wirbelzielung einer schnellen Durchmischung früher üb- 60 bildung eine für die Stabilität der Flamme erwünschte liehen Mitteln, z. B. nach der zentralen Achse der Rückströmung im zentralen Bereich des ersten Brennkammer hin gerichteten Leitblechen, Rohr- Brennraumteiles la erzeugt.

stücken od. dgl., auch sehr einfach, unempfindlich und Der Hauptteil der Primärluft strömt dem Flammin der Wartung anspruchslos sind. rohr zusammen mit der Sekundärluft durch den

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Er- 65 unteren Kanal 6 b zu, der als spiralförmig gewundenes findung ist die Zahl der eintrittsseitigen, kleineren Eintrittsrohr 12 gestaltet ist. Dieses Spiralrohr ist Löcher doppelt so groß wie die Zahl der austritts- über den oberen Teil des Flammrohres gestülpt, so seitigen, größeren Löcher der beiden Lochreihen. daß durch seine Anwesenheit die Gesamthöhe der

mischung der Sekundärluft mit den Flammengasen eine noch längere Ausführung des Mischraumes als bei der zuvor genannten Brennkammerausführung erfordern.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, auch bei Brennkammern, die eine im Verhältnis zu ihrem Durchmesser nur kurze Baulänge aufweisen, trotz der an sich ungünstigeren Voraus-

Brennkammer nur unwesentlich vergrößert wird. Es ermöglicht aber dennoch einen strömungstechnisch günstigen Übertritt in das obere freie Ende des Mantels 5. Durch passende Bemessung des oberen Endes des Dosierungsringes 13 wird der in den Mantel 5 eintretende Luftstrom richtig in die Anteile für Primär- und Sekundärluft unterteilt. Die Primärluft strömt dann durch die Löcher 14 nach dem Verbrennungsraum 2 a

Die Sekundärluft strömt durch den Ringkanal 15 dem. Mischraum 3 zu. Der Ringkanal ist als Diffusor ausgebildet, indem das Flammrohr in diesem Teil kegelig geformt ist. Obschon das eigentliche Hammrohr la verhältnismäßig kurz ist, indem beim gewählten Ausführungsbeispiel das Verhältnis von Diffusorlänge L zum kleinsten Durchmesser D nur etwa 1,5 beträgt, erfolgt die Zunahme des Querschnittes in Strömungsrichtung sanft, so daß sich die Strömungsenergie mit gutem Wirkungsgrad in eine Druckerhöhung umwandeln kann. Anderseits befindet sich der engste Querschnitt des Diffusors und damit die größte Strömungsgeschwindigkeit neben der heißesten Zone des Flammrohres, was zu einer erhöhten Kühlwirkung an dieser Stelle beiträgt. Im unteren Teil des Flammrohres sind in nur zwei Reihen und auf den Umfang verteilt wenige große Öffnungen 16,17 in der Flammrohrwand vorgesehen, durch welche Sekundärluft in das Flammrohr strömt. Dabei bietet die wiedergewonnene Druckenergie die Möglichkeit, die Beschleunigung der Sekundärluftstrahlen in radialer Richtung besonders intensiv zu gestalten. Da gleichzeitig die axiale Zuströmgeschwindigkeit im Diffusor stark abgenommen hat, kann nur noch eine ganz untergeordnete Ablenkung der in das Flammrohr eintretenden Sekundärluftstrahlen in axialer Richtung erfolgen, so daß der angestrebte Effekt — nämlich die innige Vermischung der Verbrennungsluft mit den Sekundärgasen bei möglichst geringer axialer Kammerlänge — in der angestrebten einfachen Weise erreicht wird. Die öffnungen 17 der zweiten, abströmseitigen Reihe sind größer als diejenigen, 16, der ersten Reihe, und ihnen ist eine Öffnung der ersten Reihe vorgelagert. In der ersten Reihe sind doppelt so viele öffnungen wie in der zweiten Reihe vorgeshen, z. B. acht und vier. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß bei Verwendung von sechs bzw. drei Eintrittsöffnungen die Durchmesserverhältnisse (I₁ZD₀ in den Grenzen von 0,1 bis 0,2 bzw. d₂/D₀=0,2 bis 0,3 liegen, wobei mit d_t der Durchmesser der Eintrittsöffnungen der ersten, mit d₂ der zweiten Reihe und mit D₀ der Innendurchmesser des Mantels 5 bezeichnet ist. Besonders gute Resultate ergeben sich auch bei Verwendung von acht bzw. vier Eintrittslöchern 16 und 17, wenn die Verhältnisse von dJD₀ = 0,08 bis 6,16 und d₂/D₀=0,16 bis 0,25 betragen. Da die Achsen der Löcher 16, 17 angenähert radial liegen, können die Sekundärluftstrahlen unter der Einwirkung des durch den Diffusor erhöhten Druckgefälles bei der gewählten Anordnung am besten bis zur Flammrohrachse eindringen. Es kommt damit nicht nur eine gute Durchmischung der heißen Verbrennungsgase mit Kühlluft zustande, sondern es stellt sich auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den ganzen Flammrohrquerschnitt ein. Die so vermischten Brenngase strömen durch das nach unten erweiterte Austrittsrohr 18 und das Verbindungsrohr 19 nach der Gasturbine weiter.

In konstruktiver Hinsicht weist das Flammrohr einige Besonderheiten auf. Es besteht aus drei einzelnen, senkrecht zur Achse begrenzten Stoßen 13, la und 18, die lose aneinanderliegen und durch Federdruck gegeneinandergedrückt werden. Dies ermöglicht ihnen, sich unabhängig voneinander auszudehnen. Die hierzu verwendete Feder 20 befindet sich in einem Gehäuse 21, das auf dem Lufteintrittskanal 6 a befestigt ist. Sie drückt die Hülse 22 nach unten, und diese leitet die Federkraft über den Drallschaufelring 8 nach dem bei 23 geführten Rohr 24 und nach den drei Flammrohrstößen weiter.

Das Flammrohr ist in axialer Richtung durch federnd nachgiebige, am Außenmantel befestigte Halteglieder geführt. Die oberen Führungsglieder bestehen aus vier auf den Umfang verteilten Stahllamellen 25, die an ihren oberen Enden am Rohr 5 befestigt sind und an ihren unteren Enden ein Zäpfchen 26 tragen, das in den Ringraum hineinragt und sich federnd gegen das Flammrohr legt. Die unteren Halteglieder bestehen aus vier Stahllamellen 27, die am Rohrstoß 18 befestigt sind (Fig. 3). Ihr oberes Ende ist hakenförmig ausgebildet und legt sich an ein entsprechend ausgebildetes und am Mantel 5 befestigtes Gegenstück 28. Auf diese Weise übernehmen die abströmseitigen Führungsglieder zugleich die axiale Abstützung.

Anstatt das Flammrohr im Diffusorteil kegelig und den Außenmantel zylindrisch auszubilden, könnte man selbstverständlich auch umgekehrt das Flammrohr zylindrisch und den Außenmantel entsprechend kegelig gestalten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Brennkammer, insbesondere für Gasturbinen, mit kurzem, im wesentlichen axial durchströmtem Flammrohr, an dessen eintrittsseitigem Ende eine Brennstoffdüse mit Primärluftzutritt liegt, sowie mit einem Außenmantel und einem zwischen diesem und dem Flammrohr liegenden Ringkanal, durch welchen Sekundärluft als Kühlluft von der Eintrittsseite in den der Brennstoffdüse im wesentlichen abgegelegenen Mischraum des Flammrohres durch zwei im austrittsseitigen Teil dessen Mittelbereiches axial nebeneinanderliegende Lochreihen des Flammrohres als Sekundärlufteintrittsöffnungen mit radial zur Flammrohrachse verlaufenden Lochachsen und mit je Reihe untereinander gleich großen Löchern ausströmt, von denen die eintrittsseitig gelegenen kleiner als die austrittsseitig gelegenen sind, dadurch gekennzeich net, daß der Ringkanal (15) im vorderen Teil seines Mittelbereiches (Stoß la des Flammrohres 1) als an sich bekannter, glattwandiger, sekundärlufteintrittsöffnungsfreier Diffusorabschnitt ausgebildet ist und der sich an diesen glatt anschließende hintere Teil des genannten Mittelbereiches in an sich bekannter Weise zugleich diffusorartig erweitert ist und die Lochreihen der Sekundärlufteintrittsöffnungen aufweist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der eintrittsseitigen kleineren Löcher (16) doppelt so groß wie die Zahl der austrittsseitigen größeren Löcher (17) der beiden Lochreihen ist.

3. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anord-

nung von sechs kleinen und drei großen Sekundärlufteintrittsöffnungen(16,17) das, Durchmesserverhältais (O₁ZD₀ bzw. IiJD₀) zum Innendurchmesser (D₀) des äußeren Brennkammermantels (5) bei den kleinen Eintrittsöffnungen (16) in den Grenzen 0,1 bis 0,2 und bei den großen Eintrittsöffnungen (17) in den Grenzen 0,2 bis 0,3 liegt.

4. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von acht kleinen und vier großen Sekundärlufteintrittsöffhungen das Durchmesserverhältnis (U₁ID₀ bzw. d₂/D₀) bei den kleinen Eintrittsöffnungen (16) in den Grenzen 0,08 bis 0,16 und bei den großen Eintrittsöffnungen (17) in den Grenzen 0,16 bis 0,25 liegt.

5. Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das radial in an sich bekannter Weise elastisch nachgiebig gelagerte Flammrohr (1) aus mindestens drei einzelnen, entlang Querebenen des Flammrohres begrenzten Stoßen (13, la, 18) besteht, die lose aneinanderliegen und lediglich durch Federdruck (20) axial gegeneinandergedrückt werden, so daß sie sich sowohl axial als auch radial unabhängig voneinander ausdehnen können. :

6. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß im austrittsseitigen Bereich des Flammrohres (1) in an sich bekannter Weise radial federnd angeordnete äußere Führungsglieder (Stahllamellen 27) am äußeren Mantel (5) der Brennkammer in axialer Richtung verlaufend angeordnet sind und in dieser Richtung zugleich zur axial unnachgiebigen Abstützung des Flammrohres (1) gegenüber der eintrittsseitig wirkenden Federkraft (Feder 20) dienen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 876 495, 841661, 274;

deutsche Auslegeschrift L 17266 Ia/46 f (bekanntgemacht am 8.12.1955);

schweizerische Patentschrift Nr. 271829;

belgische Patentschrift Nr. 496 626;

britische Patentschrift Nr. 736 028;

USA.-Patentschriften Nr. 2 748 567, 2 547 619,
503;

Luftfahrttechnik, Heft 4, August 1955, S. 59;

Flight, 61. Band, Nr. 2261 (23.5.1952), S. 638;

The Aeroplane, 84. Band, Nr. 2174 (20.3.1953), S. 344 bis 348; 82. Band, Nr. 2128 (2.5.1952), S. 530, 531; 77. Band, Nr. 1997 (16.9.1949), S. 390; 72. Band, Nr. 1863 (7.2.1947), S. 162 bis 164);

Aero Digest, 60. Band, Heft 2 (Februar 1950), S. 53.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen