DE1946905B2

DE1946905B2 - Umkehrstrombrennkammer fur Gasturbinen

Info

Publication number: DE1946905B2
Application number: DE1946905A
Authority: DE
Inventors: Jack Blanc-Mesnil Seine-Saint-Denis Guillot (Frankreich)
Original assignee: BENNES MARREL SAINT ETIENNE LOIRE (FRANKREICH)
Current assignee: BENNES MARREL SAINT ETIENNE LOIRE (FRANKREICH)
Priority date: 1968-10-18
Filing date: 1969-09-17
Publication date: 1973-09-13
Also published as: ES372250A1; DE1966661A1; AT301271B; US3650106A; FR1592591A; GB1251749A; NL6915497A; BR6913235D0; CA917933A; SE356332B; CH531643A; DE1966660A1; DE1946905A1; AT279483B

Description

„■»

eher und Schlitze weichen die bekannten Kon^irukiionen jedoch von den nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungen der erfindungsgemäßen L'rnkehrbrennkammer ab.

In der Praxis wird eine Ausführungsform der Erfinduntz bevorzugt, bei welcher Löcher im Flammrohr ;ür die Zuführung zusätzlicher Verbrennungsluft so-ohl im erweiterten Bereich der Brennzone ak auch im Wandübergang vom kleineren Flammrohrdurchmesser an dem die Einspritzdüse und die Wirbelsciuiul'eln aufnehmenden Ende zu dem erweiterten Durchmesser des Bereichs der Brennzone \orgeschcn sind. wobei sich die Leitschaufeln bis in den Bereich der Löcher im Wandübergang hinziehen. Mit denselben Leii^chaufeln werden auf diese Weise nicht nur Luuv-irhe' im Bereich des Primärlufteiniritts. sondern Lvuch im Bereich der hintersien seitlichen Lufteintri "^öffnungen verhindert.

Zur Verwirbelung der Primärluft und des Brenn-_SIOff-i Liftgemisches innerhalb des Flaminrohrs ist es bekannt. Wirbelschaufeln vor der Düsenöffnung de; Eiiwritzdüse (deutsche Patentschrift 855 177) oder dahin;-: (USA.-Patentschrift 2 458 497) anzuordnen. DeniL-iieniiber wird in bevorzugter Ausgestaltung der ! riindung vorgeschlagen, daß der Flammrohrdurchmesser im Bereich der eine Einspritzdüse umgeh. "<';·η und von vor bis hinter die Düsenöffnung reichenden Wirbelschaufeln kleiner ist als im anschi'-i'enden Bereich der Brennzone.

Di. Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles n.ih^r erläutert.

Darin zeigt

F 1 u. 1 eine perspektivische Teilansicht einer Gasturbine mit zwei Brennkammern gemäß der Erfindiinu.

[12.2 einen Längsschnitt durch eine der Brennkammern gemäß der Schnittlinie II-II in F i g. 4.

F i 2. 3 einen Schnitt durch das hintere Ende einer Brennkammer.

F i ü. 4 einen Querschnitt durch beide Brennkammern der Gasturbine entsprechend der Schnittlinie 1\ -[V ind Fig. 1.

In F i 2. 1 sind die wesentlichen Teile einer die heißen Brenngase erzeugenden Anlage einer Gasturbine perspektivisch dargestellt, so daß ihre gegenseitige Lage erkennbar ist. Zu der insgesamt mit 1 gekennzeichneten Vorrichtung gehören ein Rotor 2 eines Zentrifugalkompressors und zwei Brennkammern 3. die als ümkehrstrombrennkammern ausgebildet ^rind In der Zexhnungsfhur zum Teil sichtbar ist auch ein Rotor einer Hochdruckturbine 4. Der Kompressor fördert Luft in die Brennkammern 3. Aus diesen strömt heißes Gas unter Druck aus und beaufschlagt die Hochdruckturbine 4. Auf eine weitere Darstellung der der Hochdruckturbine nachgeordneten Turbinenteile, zu denen mehrere Leitschaufelringe und Mittel- und Niederdruckturbinen gehören können. wird verzichtet, da Gegenstand der vorliegenden Erfindung nur die Ausbildung und Funktion der Brennkammer ist

Wie bereits erwähnt, wird die in F i g. 1 gezeigte Anordnung von zwei parallelliegenden Brennkammern 3 für zur Verwendung in Kraftfahrzeugen bestimmte Gasturbinen bevorzugt. Die Brennkammern sind dabei zweckmäßige! weise in derselben Querebene mit Bezug auf die Richtung 5 der Tuibinenwelle 6 angeordnet.

Jede Brennkammer3 bes η im grundsätzlichen Aufhau aus zwei konzentriseiien Stahlblechmänteln, nämlich einem äußeren Brennkammergehäuse 7 und einem darin enthaltenen Flammrohr 8 (s. F i g. 4).

Jedes Brennkammergehäuse 7 ist unmittelbar an einem die Turbinenwelle 6 umgebenden Gehäuse 9 befestigt, wobei vom letzteren auch ein ringförmiger Sammelkanal 10 umschlossen wird, der die vom Rotor 2 des Kompressors geförderte Lufi empfängt.

Das äußere Brennkammergehäuse 7 ist an seinem oberen Ende durch eine kegelige Kappe 11 geschlossen, an welcher eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 12 befestigt ist. Zu dieser gehört eine Einspritzdüse 13.

Die Einspritzdüse 13 der Brennstoffeinspritzvorrichtung mündet im hinteren Ende 14 des Flammrohres 8. An das hintere Ende 14 schließt sich ein mit einer Zündkerze 47 versehener sich kegelig erweiternder Wandübersai^. 15 an. dann ein erweiterter zylindrischer Bereich 16 der Hauptbrennzone, woraufhin sich das Flammrohr in Strömungsrichtung gesehen düsenförmig verengt und wieder erweitert. Der Bereich der kegeligen Verengung ist mit 17. der der Erweiterung mit 18 bezeichnet. Das Flammrohr endet in einer zylindrischen Kupplung 19. welche eine Verbindung zwischen der Brennkammer und einem Gassammeiraum 20 bildet, von dem aus die heißen Brenngase konzentrisch zur Turbinenwelle 6 zu einem mit 21 angedeuteten Einlaßdüsenring geleitet werden.

Die Form des Flammrohres 8 ist aus F i g. 2 und 3 ersichtlich, bezüglich der Einzelheiten v. ^lrd nachstehend auf F i g. 4 Bezug genommen.

Das hintere Ende 14 des Flamnvohres 8 enthält fest angebrachte profilierte Wirbelschaufeln 22. weiche die Einspritzdüse 13 umgeben und einen kreisringförmigen l.uftwirbel der einströmenden Primarluft erzeugen. Damit sich nun nicht auch Wirbelströme außerhalb des Flammrohrers dort ausbilden, wo die Primärluft in das Flammrohr hinein umgelenkt wird (Strömung 23), sind erfindungsgemäß sich radial erstreckende Rippen oder Leitschaufeln 24 vorgesehen, die mit gleichmäßigem Zwischenabstand das hintere Ende 14 des Flammrohres umgeben und an der kegeligen Kappe 11 sowie dem Mantel des äußeren Brennkammergehäuses 7 befestigt sind.

In Strömungsrichtung gesehen unmittelbar unterhalb der Wirbelschaufehl 22 ist der sich kegelförmig erweiternde Wandübergang 15 mit zwei umlaufenden Reihen von Löchern 25 kleinen Durchmessers versehen. Wenn /. B. der Gesamtdurchmesser 26 der Brennkammer 3 in der Größer,Ordnung von 130 mm liegt, dann können die Lochreihen 25 je zwölf gleichgroße Löcher umfassen, deren Durchmesser 3 mm betrag'

In ähnlicher Weise sind auch im erweiterten Bereich 16 des Flammrohres zahlreiche kleine Löcher eingebohrt. Unter Zugrundelegung einer Brennkammer der vorstehend angegebenen Größe sind im Beispielsfall zwei Reihen von Löchern 27 vorhanden, von deiicn jede ;uis zweiunddreißig Löchern mit einem Durchmesser von 4 mm besteht. Zwischen diesen Lochreihen ist eine mittlere Reihe Löcher 28 angeordnet, welche durch 16 Löcher mit einem Durchmesser von 4 mm gebildet wird.

Der sich verengende Bereich 17 des Flammrohres trägt eine ungerade Anzahl verhältnismäßig großer Löcher mit eingeschweißten Rohrstücken 29, die mit

ihren radial inneren Enden schräg zur Spitze der Brennkammer 3 weisen. Es sind in gleichmäßiger Aufteilung rund um die Achse 30 der Brennkammer insgesamt sieben solcher Rohrstücke 29, jeweils mit einem Durchmesser von 14 mm, vorgesehen.

Der sich düscnförmig erweiternde Bereich 18 des Flammrohres trägt zunächst unmittelbar hinter dem Übergang zum Bereich 17 einen Kranz kleiner Löcher 31. deren Anzahl zwanzig ist und deren Durchmesser 3 mm beträgt.

An seinem in Strömungsrichtung gesehen hinteren Ende sind in den sich erweiternden Bereich 18 des Flammrohres unmittelbar vor der zylindrischen Kupplung 19 rund um die Achse 30 weite Schlitze 32 eingearbeitet. Auch für die Schlitze 32 wird zweckmäßigerweise eine ungerade Anzahl gewählt, um zu verhindern, daß nicht genau entgegengesetzt gerichtete Gasströme entstehen. Insgesamt sind sieben Schlitze vorhanden, deren jeder eine Breite 33 von ungefähr 20 mm und eine Höhe 34 von 50 mm aufweist.

Es versteht sich, daß die vorstehend wiedergegebenen Zahlen- und Maßangaben, betreffend die verschiedenen Lufteinlässe in das Flammrohr, nur beispielhaften Charakter haben und sich zum Beispiel mit der Größe der Turbine ändern.

Die Schlitze 32 am Ende des Flammrohrbereiches 18 sind im wesentlichen abgedeckt durch ein trichterförmiges Leitblech 35, das sich mit Bezug auf F i g. 4 nach oben hin im Durchmesser erweitert. Es ist an dem den Gassammeiraum 20 bildenden Gehäuseteil in Höhe der zylindrischen Kupplung 19 befestigt.

Damit beide im Beispielsfall zur Anwendung kommenden, parallelliegenden Brennkammern gleichmäßig arbeiten und damit vor allem in beiden die Verbrennung ununterbrochen aufrechterhalten wird, sind die erweiterten Flammrohrbereiche 16 miteinander verbunden. Diese mit 36 bezeichnete Verbindung kann aus einem Überschlagrohr mit einem Dehnungsbalg 37 bestehen. Wenn bei dieser Anordnung die Flamme in der einen Brennkammer für einen Augenblick ausgeblasen wird, so wird sie von der anderen Brennkammer her automatisch wieder entzündet.

Die Arbeitsweise der Brennkammer? ist wie folgt: Die vom ringförmigen Sammelkanal 10 kommende Luft wird entsprechend dem in Fig. 4 eingezeichneten Pfeil 51 zwischen das äußere "Brcnnkammergehäuse7 und das Flammrohre geleitet. Das trichterförmige Leitblech 35 verhindert dabei, daß die einströmende Luft direkt auf die sieben Schlitze 32 ίο trifft. Im Bereich der kegelförmigen Kappe 11 ändert der Luftstrom seine Richtung (Pfeil 23) und tritt über die Wirbelschaufeln 22 in das Flammrohr ein. Der dabei erzeugte kreisende Luftwirbel ist der Feinverteilung des durch die Einspritzdüse 13 cinge-IS spritzten Brennstoffes förderlich. Zusätzliche Verbrennungsluft tritt in diesem obersten Bereich des Flammrohres durch die Löcher 25, 27 und 28 hinzu. Weitere Verbrennungsluft wird im Bereich 17 des Flammrohres, welcher zur Brennzone gehört, über ao die großen, mit Rohrstücken 29 versehenen Löcher zugeführt (Pfeil 54), um eine gleichmäßige und vollständige Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches zu erhalten. Die Rohrstücke 29 unterstützen dabei durch ihre Neigung die Einführung der Luft. as Schließlich wird noch über die kleinen Löcher 31 zusätzliche Sekundärluft in das Flammrohr eingeleitet.

Der Betrag der Primärluft und der die Verbrennung fördernden Sekundärluft, welche in den Bereichen 16 und 17 des Flammrohres in dieses eingeführt werden, ist diejenige unterste Luftmenge, welche zur vollständigen Verbrennung notwendig ist. Die heißen Brenngase strömen dann in dem sich erweiternden Bereich 18 des Flammrohres (Pfeil 52) im Gegenstrom zu der am Umfang entlanggeleiteten Luft (Pfeil 51). In Höhe der weiten Schlitze 32 wird dem heißen Gasstrom ein bestimmter Betrag kühlender Luft beigemischt (Pfeile 53). Auf diese Weise wird die Temperatur der so erhaltenen Gasmischung auf ein gewünschtes Maß gesenkt, bevor der Gasstrom über den Sammelraum 20 zur Hochdruckturbinc 4 geleitet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 S46 905 Patentansprüche wobei sich der Trichter in Strömungsrichtung der Luft erweitert.

1. L'mkehrstrombrennkammer für Gasturbinen, bestehend aus einem äußeren Brennkammergehäuse mit einem Flammrohr als Einsatz, an dessen Primärlufteintritt am geschlossenen hinteren Ende des Flammrohrs durch Wirbelschaufeln ein kreisringförmiger Luftwirbel erzeugt wird, in den der Kraftstoff einspritzbar ist. wobei das Brennkammergehäuse auf der Innenseite im Bereich des Primärlufteintrius mit Leitschaufeln versehen ist und Sekundärluft durch Löcher und Schlitze im Flammrohr zum Teil als zusätzliche Verbrennungsluft in die Brennzone einführbar und zum Teil als Misch- oder Kühlluft am Ausströmende des Flammrohrs dem heißen Gas zusetzbar ist. dadurch gekennzeichnet, dal' Jas hintere Ende (14) des Flammrohrs (8) im Bereich der L'mkehrströmung (23) der dem Flammrohr (8) zuzuführenden Primärluft von in radialer Richtung geraden Leitschaufeln (24) umgeben ist.

2. Brennkammer nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Fiammrohrdurchmesser im Bereich der eine Einspritzdüse (13) umgebenden und \on vor bis hinter die Düsenöffnung reichenden Wirbelschaufeln (22) kleiner ist als im anschließenden Bereich (16: 17) der Brennzone.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß Löcher (25; 27; 28: 29: 31) im Flammrorr (8) für die Zuführung zusätzlicher Verbrennungstuft wohl im erweiterten Bereich (16; 17) der Brennzone als auch im Wandübergang (15) vom kleineren Flammrohrdurchmesser an dem die Einspritzdüse (13) und die Wirbelschaufeln (22) aufnehmenden Ende (14) zu dem erweiterten Durchmesser des Bereichs (16) der Brennzone vorgesehen sind und daß sich die Leitschaufeln (24) bis in den Bereich der Löcher (25) im Wandübergang (15) hinziehen.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß sich das Flammrohr (8) von dem erweiterten Bereich (16) der Brennzone aus düsenförmig verengt und wieder erweitert und im Bereich (17) der Verengung eine ungerade Anzahl verhältnismäßig großer Löcher für zusätzliche Verbrennungsluft vorgesehen ist.

5. Brennkammer nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher mit schräg gegen die Luftströmung (51) zwischen Brennkammergehäuse (7) und Flammrohr (8) gerichteten Rohrstücken versehen sind.

6. Brennkammer nach Anspruch 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (8) am vorderen Ende der düsenförmigen Erweiterung (18) mit einem Kranz einer Vielzahl kleiner Löcher (31) versehen ist.

7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß am hinteren Ende des Flammrohres (8) in ungerader Anzahl Schlitze (32) für Kühlluft vorgesehen sind.

8. Brennkammer nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß im Luftstrom (51) vor den Schlitzen (32). das Flammrohr (8) umgebend, ein trichterförmiges Leitblech (35) angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft eine L'mkehrstrombrennkammer für Gasturbinen, bestehend aus einem äuße-

ren Brennkammer«ehüuse mit einem Flammrohr als Einsatz, an dessen Primärlufteintritt am geschlossenen hinteren Ende des Flammrohrs durch Wirbelschaufeln ein kreisringförmiger Luftwirbel erzeugt wird, in den der Kraftstoff einspritzbar ist. wobei das

ι* Brennkammergehäuse auf der Innenseite im Bereich des Primärlufteintritts mit Leitschaufeln versehen ist und Sekundärluft durch Löcher und Schlitze im Flammrohr zum Teil als zusätzliche Verbrennungsluft in die Brennzone einiührbar und zum Teil als

=o Misch- oder Kühlluft am Ausströmende des Flammrohrs dem heißen Gas zusetzbar ist.

Eines der wichtigsten Probleme bei der Fortentwicklung von Gasturbinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, ist die Verbesserung des termischen Wir-

kungssrads. Bei Gasturbinen für Kraftfahrzeuge kommt im Vergleich zu stationären Anlagen erschwerend hinzu, daß der Fahrbetrieb eine ständige Änderung der Drehzahl und des Drehmoments bedingt. Es'muß in diesem Fall dafür gesorgt sein, daß

der Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich möglichst optimal ist. Hierfür ist insbesondere die Strömung der in das Flammrohr eingeleiteten Luft entscheidend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

Strömung der dem Flammrohr zugeführten Luft so zu verbessern, daß sich trotz wechselnder Fahrbedingungen und unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten keine Beeinträchtigt ipen für die vorgesehene Verwirbelung der Gase im Flammrohr ergeben.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das hintere Ende des Flammrohrs im Bereich der Umkehrströmung der dem Flammrohr zuzuführenden Primärluft von ir. radialer Richtung geraden Leitschaufeln umgeben ist.

Die vorgeschlagene Maßnahme hat den Vorteil, daß in dem wesentlichen Bereich des Lufteintritts aus dem Raum zwischen dem Brennkammergehäuse und dem Flammrohr kreisende Luftwirbel, weiche den Lufteintritt beeinträchtigen könnten, verhindert werden.

Im Gegensatz zu dem neuen Vorschlag war es bisher nur bekannt, im Bereich des Primärlufteintritts gekrümmte Leitschaufeln vorzusehen, weiche die Verwirbelung förderten, aber eine von der Strömunesueschwindiukeit abhängige Verwirbelung erzeugen (USA.-Patentschrift 2 458 497).

Bei einer anderen bekannten Gasturbine (britische Patentschrift 637 223) wird durch äußere, in radialer Richtung gerade Leitschaufeln nur ein Luftwirbel im Bereich radialer Lufteintrittsöffnungen des Flammrohrs für Sekundärluft verhindert. Auch bei anderen bekannten Gasturbinen sind Lufteintrittsöffnungen in Form von Löchern oder Schlitzen in der Brennzone des Flammrohrs und dahinter vorgesehen (vgl.

«5 deutsche Patentschrift 951062, französische Patentschrift 1331728, deutsche Patentschrift 855 177, deutsche Patentschrift 944 690 und französische Patentschrift 1 025 198). In der Anordnung dieser Lö-