DE1966661A1 - GAS TURBINE WITH REVERSE FLOW COMBUSTION CHAMBERS - Google Patents
GAS TURBINE WITH REVERSE FLOW COMBUSTION CHAMBERSInfo
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Description
Patentanwälte ι no^cc*-ιPatent attorneys ι no ^ cc * -ι
Dipl.-Ing. W. Beyer I 9DDDD Dipl,-Wirtsch,-Ing. B. JochemDipl.-Ing. W. Beyer I 9DDDD Dipl, -Wirtsch, -Ing. B. Jochem
6 Prankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str. 186 Prankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str. 18th
Aim. :Aim. :
Bennes Marrel, Societe AnonymeBennes Marrel, Societe Anonyme
Rue Pierre Copel, Saint-Etienne (Loire)Rue Pierre Copel, Saint-Etienne (Loire)
FrankreichFrance
Gasturbine mit Umkehrstrombrennkammern*Gas turbine with reverse flow combustion chambers *
Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen mit Umkehrst rombrennkammern, bestehend jeweils aus einem äußeren Brennkammergehäuse und einem darin angeordneten Flammrohr, wobei am hinteren Ende des Flammrohrs eine Einspritzdüse für Brennstoff angeordnet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere Gasturbinen für Kraftfahrzeuge. Die Brennstoffzufuhr wird bei Gasturbinen normalerweise mittels eines ständig geöffneten Ventils durch Druckänderung oder mittels eines je nach Steuerstellung mehr oder weniger ■weit öffenden Ventils gesteuert. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Steuerung bzw. Regelung der Treibstoffzufuhr bei Kraftfahrzeugen Nachteile im Hinblick auf die Funktionssicherheit und Wirtschaftlichkeit hat.The invention relates to gas turbines with reversing rom combustion chambers, each consisting of an outer Combustion chamber housing and a flame tube arranged therein, with an injection nozzle at the rear end of the flame tube is arranged for fuel. The invention particularly relates to gas turbines for automobiles. The fuel supply is normally used in gas turbines by means of a constantly open valve through a change in pressure or by means of a more or less depending on the control position ■ wide-opening valve controlled. It has shown, that such control or regulation of the fuel supply in motor vehicles has disadvantages in terms of functional reliability and economy.
Die auf eine Verbesserung der Regelung der Treibstoffaufuhr gerichtete Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr zur Einspritzdüse durch ein einen kontinuierlichen Zufluß entweder sur letzteren oder in" eine Rückleitung leitendes Ventil steuerbar ist« Im Unterschied.The aim of improving the regulation of the fuel supply directed invention is characterized in that the fuel supply to the injection nozzle through a one continuous inflow either sur the latter or in "a return line guiding valve is controllable" In the difference.
zu den bekannten Gasturbinen -igt als© die Treibstoffzufuhrto the well-known gas turbines -igt as © the fuel supply
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ganz, geöffnet oder ganz geschlossen.fully, open or fully closed.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung besitzt das Ventil einen elektromagnetisch betätigbaren Kolben, der jeweils mit einer Stirnseite einen Ventilsitz am Einlaß eines Kanals zur Einspritzdüse bzw. zur Rückleitung freigibt oder verschließt, wobei die Brennstoffzuleitung zum Ventil Anschluß hat an das auf Seiten des Einlasses des Kanals zur Einspritzdüse gelegene Ende eines beide Ventilsitze verbindenden Axialkanals·In a preferred embodiment of the invention, the valve has an electromagnetically actuated piston, the each with one end face releases a valve seat at the inlet of a channel to the injection nozzle or to the return line or closes, the fuel supply line to The valve connection has both valve seats at the end of one of the two valve seats located on the side of the inlet of the channel to the injection nozzle connecting axial channel
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Pig. 1 eine perspektivische Teilansicht einer Gasturbine mit zwei Brennkammern gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine der Brennkammerngemäß der Schnittlinie II-II in Pig. 4, Pig. 3 einen Schnitt durch das hintere Ende einer Brennkammer Fig. 4 einen Querschnitt durch beide Brennkammern der Gastur? bine entsprechend der Schnittlinie IV-IV in Fig. 1, Fig. eine vergrösserte Schnittansicht der auch in Fig„ 2 und 3 gezeigten Einspritzdüse.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing explained. It show: Pig. 1 is a partial perspective view a gas turbine with two combustion chambers according to the invention, Fig. 2 shows a longitudinal section through one of the combustion chambers the section line II-II in Pig. 4, Pig. 3 a section through the rear end of a combustion chamber Fig. 4 a cross section through both combustion chambers of the gas door? bine according to the section line IV-IV in Fig. 1, Fig. an enlarged sectional view of the also in FIGS 3 injector shown.
In Fig. 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 Λ gekennzeichneten Vorrichtung gehören ein Rotor 2 eines Zentrifugalkompressors und zwei Brennkammern 3» die als Umkehrstrombrennlcammerη ausgebildet sind. In der Zeichnungsfigur zum Teil sichtbar ist auch ein Bot or einer Hochdrückturbine 4. Der Kompressor fördert Luft in die Brennkammern 3· Aus ,.diesen strömt heißes Gas unter Druck aus ,,*.,.,. VIn Fig. 1, the essential parts of a system of a gas turbine generating the hot fuel gases are shown in perspective, so that their mutual position can be seen. The device marked overall with Λ includes a rotor 2 of a centrifugal compressor and two combustion chambers 3 »which are designed as reverse flow combustion chambers. A bot or a high-pressure turbine 4 is also partially visible in the drawing figure. The compressor conveys air into the combustion chambers 3. V.
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und beaufschlagt die Hochdruckturbino 4-· Auf ein© 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·and acts on the high-pressure turbine 4- · On a © Further illustration of the turbine parts downstream of the high-pressure turbine, to which several guide vane rings and medium and low pressure turbines, is dispensed with as the subject matter of present invention is only the design and function of the combustion chamber
Wie bereits erwähnt, wird die in Fig.. 1 gezeigte Anordnung von zwei parallelliegenden Brennkammern 3 für zur Verwendung in Kraftfahrzeugen bestimmte Gasturbinen bevorzugt. Die Brennkammern sind dabei zweckmäßigerweise in derselben Querebene mit bezug . auf die Richtung 5 der Turbinenwelle 6 angeordnet.As already mentioned, the arrangement shown in FIG. 1 of two parallel combustion chambers 3 is preferred for gas turbines intended for use in motor vehicles. The combustion chambers are expediently referred to in the same transverse plane. arranged in the direction 5 of the turbine shaft 6.
Jede Brennkammer 3 besteht im grundsätzlichen Aufbau aus zwei konzentrischen Stahlblechmänteln, "' nämlich einem äußeren Brennkammergehäuse 7 einem darin gehaltenen Flammrohr 8 (s. Fig.Each combustion chamber 3 basically consists of two concentric sheet steel jackets, "' namely, an outer combustion chamber housing 7 a flame tube 8 held therein (see Fig.
. Jedes Brennkammergehäuse 7 ist unmittelbar an einem die Turbinenwelle 6 umgebenden Gehäuse 9 befestigt, wobei vom letzteren auch ein ringförmiger Sammelkanal 10 umschlossen v/ird, der die vom Rotor 2 des Kompressors geförderte Luft empfängt.. Each combustion chamber housing 7 is immediately on a casing 9 surrounding the turbine shaft 6, the latter also being an annular one Enclosed collecting duct 10, which carries the air conveyed by the rotor 2 of the compressor receives.
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·
€U~The outer combustion chamber housing 7 is closed at its upper end by a conical cap 11 to which a fuel injection device 12 is attached. This includes an injection nozzle 13
€ U ~
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Die Einspritzdüse 13 der Brennstoffeinspeisvorrichtung mündet im hinteren Ende 14 des Flammrohres 8. An das hintere Ende 14 schließt sich ein sich kegelig erweiternder Wandübergang 15 an, dann ein mit einer Zündkerze 47 versehener, erweiterter zylindrischer Bereich 16 der Hautbrennzone, woraufhin sich das Flammrohr in Strömungsrichtung gesehen düsenförmig verengt und wieder erweitert. Der Bereich der kegeligen Verengung ist mit 17 j der der Erweiterung mit 18 bezeichnet. Das Flammrohr endet in einer zylindrischen Kupplung 19, welche eine Verbindung zwischen der Brennkammer und einem Gassammelraum 2o bildet, von dem aus die heißen Brenngase konzentrisch zur Turbinenwelle zu einem mit 21 angedeuteten Einlaßdüsenring geleitet werden.The injector 13 of the fuel feeder opens in the rear end 14 of the flame tube 8. A conically widening closes at the rear end 14 Wall transition 15 on, then one with a spark plug 47 provided, enlarged cylindrical area 16 of the skin burning zone, whereupon the flame tube, viewed in the direction of flow, narrows in the shape of a nozzle and widens again. The area of the conical narrowing is 17 j that of the Extension labeled 18. The flame tube ends in a cylindrical coupling 19, which is a connection between the combustion chamber and a gas collecting space 2o forms, of which from the hot fuel gases directed concentrically to the turbine shaft to an inlet nozzle ring indicated by 21 will.
Die Formdes Flammrohres 8 ist aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, bezüglich der Einzelheiten wird nachstehend auf Fig. 4 Bezug genommen.The shape of the flame tube 8 can be seen in Figs. 2 and 3, with reference to Fig. 4 below for details Referenced.
Das hintere Ende 14 des Flammrohres 8 enthält fest angebrachte profilierte Wirbelschaufeln 22, welche die Einspritzdüse 13 umgeben und einen kreisringförmigen Luftwirbel der einströmenden Primärluft erzeugen. Damit sich nun nicht auch Wirbelströme außerhalb des Flammrohres 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.The rear end 14 of the flame tube 8 contains firmly attached profiled vortex blades 22 which surround the injection nozzle 13 and an annular air vortex of the incoming primary air. So that there are no eddy currents outside the flame tube Form there where the primary air is deflected into the flame tube (flow 23), are according to the invention radially extending ribs or guide vanes 24 are provided, which surround the rear end 14 of the flame tube with an even spacing and are attached to the conical Cap 11 and the jacket of the outer combustion chamber housing 7 are attached.
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In Strömungsrichtung gesehen unmittelbar unterhalb der Wirbelschaufeln 22 ist der sich kegelförmig erweiternde Wandübergang 15 mit zwei umlaufenden Reihen von Löchern 25 kleinen Durch- , messers versehen· Wenn z.B. der Gesaratdurchmesser 26 der Brennkammer 3 in der Größenordnung von 130mm liegt, dann können die Lochreihen 25 0e zwölf gleichgroße Löcher umfassen, deren Durchmesser 3mm beträgt.Viewed in the direction of flow, directly below the vortex blades 22, the conically widening wall transition 15 is provided with two circumferential rows of holes 25 of small diameter.If, for example, the total diameter 26 of the combustion chamber 3 is of the order of magnitude of 130 mm, the rows of holes 25 0 e include twelve holes of the same size, the diameter of which is 3mm.
. 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 2? vorhanden, von denen jede aus zweiunddreißigtLöchern mit . einem Durchmesser von 4-mm besteht. Zwischen diesen Lochreihen ist sine mittlere Reihe Löcher 28 angeordnet, welche durch 16 Löcher mit einem Durchmesser von 4mm gebildet wird.. In a similar way, numerous small holes are also drilled in the enlarged area 16 of the flame tube. On the basis of a combustion chamber of the size indicated above, two rows of holes 2? present, each of which has thirty-two t holes. has a diameter of 4-mm. A middle row of holes 28 , which is formed by 16 holes with a diameter of 4 mm, is arranged between these rows of holes.
Der sich verengende Bsreich 17 des Flammrohres trägt eine ungerade Anzahl verhältnismäßig großer Löcher mit eingeschweißten Rohrstücken 29, die mit ihren radial inneren Enden schräg ">ur Spitze der Brennkammer 5 weisen» Ss sind in gleichmäßiger Aufteilung rund wo. die Achse 30 dor Brennkammer insgesamt sieben solcher Kohrstiicko 29, Jeweils mit einem Durchmesser von I4imn, vorgesehen.The narrowing section 17 of the flame tube bears an odd number of relatively large holes with welded-in tube pieces 29 which, with their radially inner ends, point obliquely to the tip of the combustion chamber 5, are evenly distributed around where the axis 30 of the combustion chamber is a total of seven such Kohrstiicko 29, each with a diameter of 14 mm, are provided.
Der sich dilsenförmig erweiternde· Bereich 18 des Flammrohres trägt sttnäehofc unmittelbar hinter.dem Übergang zum Bereich T/ einen iCrar.s kleiner Löcher 31 f deren Anzahl swan&ig ist' mid &©rea Biir©liii@sser 3mm betraf ' BAD The area 18 of the flame tube, which widens in the shape of a jar, bears immediately behind the transition to the area T / a small hole 31 f the number of which is swan & ig 'mid & © rea Biir © liii @ sser 3mm concerned' BAD
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An seinem in Strömungsrichtung gecchen hinteren Ende sind in den sich erweiternden Bereich 18 dec Flammrohres unmittelbar vor der zylindrischen Kupplung 19 rund um die Achse 30 weite Schlitze· 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 20mm und eine Höhe 34 von 50mm aufweist.At his rear cicchable in the direction of flow End are in the widening area 18 dec flame tube immediately in front of the cylindrical Coupling 19 incorporated wide slots around the axis 30. Also for them. Slots 32 is expedient an odd number is chosen to prevent not exactly oppositely directed Gas flows arise. There are a total of seven slots, each 33 of a width of approximately 20mm and a height 34 of 50mm.
Es versteht sich, daß die vorstehend wiedergegebe.-· " nen Zahlen- und Maßangaben, be«treffend die verschiedenen Lufteinlässe in das Flammrohr, nur beispielhaften Charakter haben und sich zum Beispiel mit der Größe der Turbine ändern.It goes without saying that the figures and dimensions given above, relating to the various air inlets in the flame tube, are only exemplary Have character and change, for example, with the size of the turbine.
Die Schlitze 32 am Ende des Flammrohrbereiches sind im wesentlichen abgedeckt durch ein trichterförmiges Leitblech 35, das sich mit bezug auf Fig.4-nach oberhiin im Durchmesser erweitert. Es ist an dem den Gassammeiraum 20 bildenden Gehäuseteil in Höhe der zylindrischen Kupplung 19 befestigt.The slots 32 at the end of the flame tube area are essentially covered by a funnel-shaped one Guide plate 35, which with reference to Fig.4-after above enlarged in diameter. It is on the housing part that forms the gas collection space 20 attached at the level of the cylindrical coupling 19.
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 eatsündet. ■-So that both of the parallel combustion chambers used in the example are evenly work and so that the combustion is maintained uninterruptedly in both, the extended flame tube areas 16 are connected to one another. This connection, labeled 36 can be made from a flashover tube with a. Expansion bellows 37 exist. If with this arrangement the flame in one combustion chamber for is blown out for a moment, it is automatically released from the other combustion chamber eatsun. ■ -
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Fig. 5 zeigt die Einzelheiton der Brcnnstpffeinr . spritzvorrichtung 12 einer Brennkammer. Hierzu gehören eine Spule 38 zur elektromagnetischen Betätigung eines Ventils mit einem axial verschieblichen Ventilkolben 39» Solange die Spule 38 nicht erregt ist, liegt der Ventilkolben 39 an'einem Ventilsitz 4-0 an und verschließt dadurch dicht ."den Einlaß eines Kanals zur Einspritzdüse 13* welche auf diese Weise von einer Brennstoffzuleitung 41 abgeschnitten ist. In dieser in FIg* 5 gezeigten Ventilstellung fließt der herangeführte Brennstoff durch Axialkanäle'42 des Ventilgehäuses und über einen Kanal 43 (Pfeil 44) zu einer Rückleitung hin ab· .Fig. 5 shows the detail of the incinerator. injection device 12 of a combustion chamber. These include a coil 38 for the electromagnetic actuation of a valve with an axially displaceable valve piston 39 "As long as the coil 38 is not energized, the valve piston 39 rests against a valve seat 4-0 and thereby tightly closes the inlet of a channel to the injection nozzle 13." * which is cut off in this way from a fuel supply line 41. In this valve position shown in FIG. 5, the supplied fuel flows through axial channels 42 of the valve housing and via a channel 43 (arrow 44) to a return line
V/ird andererseits die Spule 38 unter Strom gesetzt, so verschiebt sich der Ventilkolben 39 in seine mit bezug auf Fig. 5 entgegengesetzte Stellung, ivobei er mit der oberen Stirnfleiche, einen Ventilsitz 45 verschließt, während nunmehr der Ventilsitz 40 freigegeben ist. Bei verschlossener Rückleitung wird somit der Brennstoff von der Brennstp'ffzu-/ leitung 41 zur Einspritzdüse 13 geleitet.On the other hand, if coil 38 is energized, so the valve piston 39 moves into its with Opposite position with reference to FIG. 5, in which it has a valve seat 45 with the upper face closes while the valve seat 40 is now released. With closed return line the fuel is thus conducted from the fuel supply / line 41 to the injection nozzle 13.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß der Ventilkolben 39 den Brennstoffzufluß zur Einspritzdüse 13 entweder ganz öffnet oder vollständig schließt. Die der Brennkammer 3 über die Einspritzdüse 13 zugeführte Brennstoffmenge wird von der Turbine her geregelt (nicht gezeigt)· From the foregoing it can be seen that the valve piston 39 either completely opens the fuel flow to the injection nozzle 13 or completely closes it. The amount of fuel supplied to the combustion chamber 3 via the injection nozzle 13 is regulated by the turbine (not shown).
Patentansprüche /11.12.1972 claims /11.12.1972
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