DE1601674B1 - Brennkammer fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für ein Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Flamm- bei einer Brennkammer der eingangs genannten rohr, das an seinem stromaufwärtigen Ende eine Gattung vor, daß die Eintrittsöffnungen für die Stirnwand mit Eintrittsöffnungen für die vom Ver- Primärluft derart tangential gerichtet sind, daß sie dichter zugeführte Primärluft aufweist, und mit über 5 der in das Flammrohr eintretenden Primärluft eine ihre Zuleitung an der Brennkammerwand befestigten, Wirbelbewegung um die Brennkammerlängsachse erden Brennstoff stromaufwärts in das Flammrohr ein- teilen, daß die Brennstoffeinspritzdüsen radial außerspritzenden Brennstoffeinspritzdüsen, halb des Flammrohres angeordnet sind, ihre Düsen-Aus der USA.-Patentschrift 2 667 033 ist eine Öffnungen an der Flammrohraußenwand liegen und Brennkammer bekannt, bei der die an der Brenn- io die Brennstoffeinspritzdüsen derart gerichtet sind, kammerwand befestigten Zuleitungen der Brennstoff- daß sie den Brennstoff durch in der Flammrohreinspritzdüsen bis in die Mitte des Flammrohres ragen außenwand vorgesehene Öffnungen entgegen dem und die Düsen dort halten. Dies bringt den Vorteil, Strom der durch die Eintrittsöffnungen eintretenden daß der strömungsaufwärts eingespritzte Brennstoff Primärluft einsprühen.

auf den Kern der eingeblasenen Primärluft trifft, aber 15 Durch das tangentiale Einblasen der Primärluft auch den großen Nachteil, daß die Brennstoff ein- mit der damit verbundenen Wirbelbewegung der spritzdüsen der vollen Temperatur der im Flammrohr Primärluft um die Brennkammerlängsachse und das vor sich gehenden Verbrennung ausgesetzt und damit Einsprühen des Brennstoffes im Gegenstrom zu dieser stark gefährdet sind. Die axial symmetrische An- Primärluft werden Luft und Brennstoffpartikeln innig Ordnung sowohl der Zuführung der Primärluft als 20 und vollständig miteinander vermischt. Die sich auch der Brennstoffeinspritzdüse bringt weiter mit daraus ergebende vollständige Verbrennung des sich, daß sich Primärluft und Brennstoff nur in einem Brennstoffes führt nicht nur zu einem hohen Wirmittleren Bereich des Flammrohres innig miteinander kungsgrad und damit einem geringen spezifischen vermischen und die eingespritzten Brennstoffpartikeln Brennstoffverbrauch des Triebwerkes, sondern verradial weiter außen liegende Bereiche nicht erreichen 25 meidet auch die schwarzen und rußhaltigen Abgas- und dort eingeführte Primärluft wenigstens nicht un- wölken, die bei unvollständiger Verbrennung entmittelbar mit Brennstoffpartikeln angereichert wird stehen.

und daher ungenutzt aus dem Flammrohr austreten Die bei vollständiger Verbrennung auftretenden kann. besonders hohen Temperaturen können die Brenn-Aus der deutschen Auslegeschrift 1 043 719 ist es 30 Stoffeinspritzdüsen thermisch gefährden, falls diese bekannt, die in der Stirnwand des Flammrohres aus- im Verbrennungsbereich angeordnet sind. Bei der gebildeten Eintrittsöffnungen für die Primärluft so Erfindung ist diese Gefahr nicht gegeben, da die auszurichten, daß diese tangential in das Flammrohr Brennstoffeinspritzdüsen radial außerhalb des eingeblasen wird. Gegenüber der eben beschriebenen Flammrohres hegen und nur mit ihren Düsenöffbekannten Brennkammer verbessert dies die Durch- 35 nungen an die Flammrohrwand heranreichen und mischung von Brennstoff und Primärluft. von dort den Brennstoff durch die in der Flamm-Es wurde ausgeführt, daß eine im Innenraum eines rohrwand ausgebildeten Öffnungen einspritzen. Damit Flammrohres angeordnete Brennstoffeinspritzdüse entfällt die Gefahr, daß die Brennstoffeinspritzdüsen den hohen Verbrennungstemperaturen unmittelbar oder Teile verbrennen und damit die Turbinenausgesetzt und damit stark gefährdet ist. Zum Ver- 40 schaufein beschädigen oder zerstören können,
meiden dieser Gefahr ist es aus der USA.-Patent- In zweckmäßiger Ausgestaltung sieht die Erfindung schrift 2 926 495 und der britischen Patentschrift vor, daß die Eintrittsöffnungen schaufelartige Ab-757 871 bekannt, die Brennstoffeinspritzdüsen radial deckungen aufweisen, die derart gerichtet sind, außerhalb des Flammrohres im kühlenden Gebiet der daß sie der durchtretenden Primärluft die in Um-Sekundärluft anzuordnen. Diese Herabsetzung der 45 fangsrichtung verlaufende Wirbelbewegung erteilen, thermischen Belastung der Brennstoffeinspritzdüsen Weiter sieht die Erfindung vor, daß die Brennwird jedoch mit dem Nachteil einer geringeren Durch- kammer eine Ringbrennkammer ist und aus mehreren mischung von Brennstoff und Primärluft erkauft. einzelnen, zueinander achsparallelen Flammrohren

Auch bei dem in der USA.-Patentschrift 2 979 899 bestehen kann.

beschriebenen Triebwerk sind die Brennstoff einspritz- 50 Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten zwei

düsen radial außerhalb des Verbrennungsgebietes Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter

angeordnet. Bei diesem bekannten Triebwerk handelt beschrieben. Dabei ist

es sich jedoch nicht um ein Gasturbinentriebwerk, F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer

sondern um ein Staustrahltriebwerk. Der Brennstoff Ringbrennkammer, die teilweise ausgebrochen ist und

wird durch die radial nach einwärts gerichteten 55 bei der um der Übersichtlichkeit willen Teile wegge-

Brennstoffeinspritzdüsen in das Staurohr eingespritzt lassen sind,

und verdampft dort. F i g. 2 ein Schnitt durch den unteren Bereich dieser

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt Ringbrennkammer,

der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brenn- F i g. 3 eine Stirnansicht dieser Ringbrennkammer,

kammer für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei 60 F i g. 4 eine perspektivische Darstellung eines Teils

der einerseits Brennstoff und Primärluft innig mitein- des Eintrittsendes der Brennkammer und

ander vermischt werden, ohne daß dies andererseits F i g. 5 eine perspektivische Darstellung einer

die Anordnung der Brennstoffeinspritzdüsen im anderen Ausführungsform der Brennkammer.

Innenraum des Flammrohres und damit im Zentrum F i g. 1 und 2 zeigen ein Flammrohr 10, das sym-

der Verbrennung bedingt, wo sie wegen der dort 65 metrisch zur Brennkammerlängsachse 12 liegt. Die

herrschenden hohen Temperaturen thermisch bis an Luft wird von links eingeführt. Die Außenwand des

den Rand der Werkstoffzerstörung beansprucht Flammrohres 10 ist mit 14 und die Innenwand mit

werden. 16 bezeichnet. Die nicht dargestellte Hauptwelle des

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Triebwerkes würde im Innenraum 18 verlaufen. zuvor beschriebenen Ausfiihrungsform entsprechen.

Dieser wird von einer Ringwand 24 umschlossen, die So sind auch die Eintrittsöffnungen 38' derart ge-

durch Wände 21 und 23 abgestützt wird, die zur staltet, daß sie der in das vordere Ende des Flamm-

Außenwand 20 der Brennkammer führen und durch rohres 10' eintretenden Primärluft eine in Uhrzeigerden Diffusor 22 laufen. Unmittelbar nach Verlassen 5 richtung verlaufende Wirbelbewegung erteilen,

des Verdichters trifft die Luft auf das vordere Ende Unmittelbar hinter der Primärlufteintrittsplatte 36'

24 des Diffusors 22, und von dort tritt ein Teil der sind in der Außenwand 14' des Flammrohres um den

vom Verdichter kommenden Luft durch die Diffusor- Umfang herum verteilt mehrere Brennstoffdüsen 40'

öffnungen 26 und 28 in den Diffusorabschnitt ein. angeordnet. So wie bei der zuvor beschriebenen Aus-

Dieser Teil der Luft bildet die Primärluft. Der Rest io führungsform sind diese Brennstoffdüsen 40' so aus-

der vom Verdichter kommenden Luft teilt sich. Ein gerichtet, daß sie einen kegelförmigen Sprühstrahl aus

Teil tritt zwischen der Außenwand 20 der Brenn- Brennstoff sowohl radial nach innen als auch nach

kammer und der Außenwand 30 des Diffusors 22 vorne entgegen der einströmenden Luft einspritzen,

hindurch. Der andere Teil dieser Luftmasse tritt Der in das Flammrohr eintretenden Primärluft ist

zwischen der Ringwand 54 und der Innenwand 32 ig bei ihrem Durchgang durch die in Umfangsrichtung

des Diffusors 22 durch. angeordneten Eintrittsöffnungen 38' in der Primär-

Eine Primärlufteintrittsplatte 36 erteilt der ein- lufteintrittsplatte 36' bereits eine Wirbelbewegung ertretenden Primärluft eine bestimmte Richtung. Sie teilt worden. Die Brennstoffdüsen 40' sind derart ist mit Eintrittsöffnungen 38 versehen, die schaufel- ausgerichtet, daß die Brennstoffsprühstrahlen die artige, hutzenförmige Abdeckungen aufweisen 20 Fläche der Primärlufteintrittsplatte 36' im wesent-(s. Fig. 4). Die Ausrichtung in Umfangsrichtung er- liehen gleichmäßig mit zerstäubtem Brennstoff bezeugt in der eintretenden Primärluft eine Turbulenz decken.

und leitet die Luft weiter im Gegenstrom zum Brenn- Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform stoff in das Flammrohr 10 ein. Die Brennstoffein- sind auch bei dieser Ausführungsform die Brennstoffspritzdüsen 40 sind gemäß der Darstellung in F i g. 2 _a5 düsen 40' auf der Außenwand 14' angeordnet, so daß in der Außenwand 20 der Brennkammer angeordnet. keine Teile der Düsen oder der Brennstoffzuleitung Sie ragen mit ihren Spitzen bis an das Flammrohr 14 in das Flammrohr 10' hineinragen,
heran. Sie sind derart ausgerichtet, daß sie einen Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform kegelförmigen Brennstoffsprühstrahl 42 im wesent- sind auch hier öffnungen 44' für Sekundärluft unlichen radial nach innen und strömungsaufwärts gegen 30 mittelbar hinter den Brennstoff einspritzdüsen 40' die mit hoher Geschwindigkeit eintretende Primär- vorgesehen. Unmittelbar strömungsabwärts der Öffluft richten. Aus F i g. 2 ist auch zu ersehen, daß der nungen 44' sind auf dem Umfang Reihen von Öffkegelförmige Brennstoffsprühstrahl 42 so ausgerichtet nungen 46' für Kühlluft in jedem der weiter unten ist, daß er über den ganzen Bereich unmittelbar hinter liegenden Abschnitte des Flammrohres 10' vorgeder Primärlufteintrittsplatte 36 versprüht oder verteilt 3g sehen,
wird. Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform

Sowohl die Außenwand 14 als auch die Innenwand ist auch eine Brennstoffverteilerleitung 50' vorge-

16 des Flammrohres 10 ist mit radial fluchtenden sehen, ,die das Flammrohr 10' umgibt und die ein-

Reihen von Öffnungen 44 versehen. Es sind dies zelnen Brennstoffdüsen 40' mit der nicht dargestellten

Sekundärluft-Öffnungen, die zum hinteren Ende des 40 Hauptbrennstoffleitung verbindet.

Triebwerkes hin kleiner werden. Die durch diese Öff- Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform

nungen 44 eintretende Sekundärluft bewirkt, daß die zeigt sich, daß die Brennkammer mit etwa 13 Düsen

Verbrennungsgase nicht zu heiß werden und dadurch je Flammrohr gut arbeitet. Bei der eingangs beschrie-

das Flammrohr 10 und die Turbinenschaufeln ther- benen Ausführungsform mit einer Ringbrennkammer

misch überbelasten. In der Außenwand 16 des 4g hat man mit 24 Düsen, die mit im wesentlichen

Flammrohres 10 sind weitere Reihen von Öffnungen gleichem Abstand um den Umfang der Ringbrenn-

46 vorgesehen. Diese Öffnungen 46 dienen zur Zu- kammer verteilt angeordnet waren, eine gleichmäßige

fuhr von Kühlluft entlang den Wänden 14 und 16 des Brennstoffverteilung erreicht.

Flammrohres 10. Die heißen, expandierenden Ver- Gemäß der Darstellung in F i g. 2 ist in einer Muffe brennungsgase verlassen das Flammrohr 10 durch go 52 eine Zündvorrichtung zum Zünden des Brennden Auslaß 48 und werden den Turbinenschaufeln stoff-Luft-Gemisches und zur Einleitung der Verzugeleitet, brennung im Triebwerk vorgesehen.

F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Die Arbeitsweise wird nun mit Bezug auf die zutopfförmiges Flammrohr angewendet ist. Normaler- erst beschriebene und in den F i g. 1 bis 4 dargestellte weise sind mehrere dieser topfförmigen Flammrohre gg Ausführungsform erläutert. Luft tritt mit hoher Gerund um den Umfang des Triebwerkes herum verteilt schwindigkeit aus der letzten Stufe des Verdichters angeordnet. Um der besseren Übersichtlichkeit willen aus und wird unmittelbar auf das vordere Ende 24 sind diejenigen Teile der in F i g. 5 dargestellten Aus- des Diffusors 22 gelenkt. Die Luftströmung wird führungsform, die den bei der zunächst mit Bezug durch dieses vordere Ende 24 im wesentlichen in auf die F i g. 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsform 60 zwei etwa gleiche Teile geteilt.

vorhandenen Teilen unmittelbar entsprechen, mit Ein Teil des unteren Teils dieser Luftströmung

dem gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines tritt durch die unteren Diffusoröffnungen 26 und ein

Apostrophs versehen. Teil des oberen Teils der Luftströmung tritt durch die

In F i g. 5 ist unmittelbar hinter dem nicht darge- oberen Diffusoröffnungen 28 in den Diffusor 22 ein.

stellten Diffusor eine gesonderte Primärlufteintritts- 6g Der Rest des unteren Teils der Luftmasse strömt in

platte 36' vorgesehen. Die Primärlufteintrittsplatte 36' Richtung auf das hintere Ende des Flammrohres 10

ist mit in Umfangsrichtung angeordneten Eintritts- und tritt in den Raum zwischen dessen Außenwand

öffnungen 38' versehen, die in ihrer Ausrichtung der 14 und der Außenwand 20 ein. Der Rest des oberen

Teils der Luftmasse fließt durch den Raum zwischen der Innenwand 16 des Flammrohres 10 und der Ringwand 54 hindurch.

Die in den Diffusor 22 eintretende Luft trifft auf die Primärlufteintrittsplatte 36. Die in Umfangsrichtung verlaufenden und schaufelartig abgedeckten Öffnungen 38 in der Primärlufteintrittsplatte 36 lassen die Luft dann in das vordere Ende des Flammrohres 10 eintreten. Die Eintrittsöffnungen 38 bewirken eine Verwirbelung der in das Flammrohr 10 eintretenden Luft. Beim Eintritt der Luft in den vorderen Teil des Flammrohres 10 trifft sie unmittelbar auf den Brennstoffsprühstrahl, der durch die Brennstoffdüsen 40 eingespritzt wird, und zwar praktisch genau in Gegenstromrichtung zu den Brennstoffsprühstrahlen 42.

Wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 wird auch bei dieser Ausführungsform der Brennstoff für die Brennstoffdüsen 40' über eine Brennstoffsammelleitung unter Druck zugeführt.

Durch die Turbulenz der in die Brennkammer eintretenden Luftmasse wird der von den Düsen 40 zerstäubte und in Gegenstromrichtung eingespritzte Brennstoff innig mit dieser Luftmasse vermischt, so daß ein Brennstoff-Luft-Gemisch entsteht, in dem der Brennstoff im wesentlichen gleichmäßig in der ganzen Luft verteilt ist. Zur Einleitung der Verbrennung wird mit dem in der Muffe 52 angeordneten Zünder ein Zündfunke erzeugt.

Ein Teil der zwischen den Wänden 30,14 und 20 fließenden Luftmasse und ein Teil der zwischen den Wänden 32, 16 und 54 fließenden Luftmasse gelangt unmittelbar hinter den Brennstoff düsen 40 durch die Öffnungen 44 als Sekundärluft in das Flammrohr 10. Diese Sekundärluft kühlt und verdünnt die heißen Verbrennungsgase, so daß die Temperatur dieser Gase auf eine Höhe herabgemindert wird, die für die Turbinenschaufeln unschädlich ist.

Desgleichen fließt ein anderer Teil dieser beiden Luftmassen weiter und tritt durch die gemäß der Darstellung in Fig. 1 bis 4 rund um das Flammrohr angeordneten Öffnungen 46 als Kühlluft in das Flammrohr 10 ein. Diese durch die Öffnungen 46 eingeführte Kühlluft kühlt die Wände des Flammrohres 10, so daß diese nicht zu heiß werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Flammrohr, das an seinem stromaufwärtigen Ende eine Stirnwand mit Eintrittsöffnungen für die vom Verdichter zugeführte Primärluft aufweist, und mit über ihre Zuleitung an der Brennkammerwand befestigten, den Brennstoff stromaufwärts in das Flammrohr einspritzenden Brennstoffeinspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (38, 38') derart tangential gerichtet sind, daß sie der in das Flammrohr (10, 10') eintretenden Primärluft eine Wirbelbewegung um die Brennkammerlängsachse (12) erteilen, daß die Brennstoff einspritzdüsen (40) radial außerhalb des Flammrohres (10,10') angeordnet sind, ihre Düsenöffnungen an der Flammrohraußenwand (14,14') liegen und die Brennstoffeinspritzdüsen (40) derart gerichtet sind, daß sie den Brennstoff durch in der Flammrohraußenwand (14,14') vorgesehene Öffnungen entgegen dem Strom der durch die Eintrittsöffnungen (38, 38') eintretenden Primärluft einsprühen.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (38, 38') schaufelartige Abdeckungen aufweisen, die derart gerichtet sind, daß sie der durchtretenden Primärluft die in Umfangsrichtung verlaufende Wirbelbewegung erteilen.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ringbrennkammer ist.

4. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennnzeichnet, daß die Brennkammer aus mehreren einzelnen, zueinander achsparallelen Flammrohren (10') besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen