DE2013249A1

DE2013249A1 - Verbrennungseinrichtung für Gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE2013249A1
Application number: DE19702013249
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Light Derby Derbyshire Wilde (Großbritannien). P F02c 9-c2
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-03-21
Filing date: 1970-03-19
Publication date: 1970-10-01
Also published as: FR2039726A5; DE2013249B2; GB1253097A; DE2013249C3; US3620012A

Description

PATENTANWÄLTE \.' DIPL-ING. CURT WALLACH

DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 19· März 1970

UNSER ZEICHEN, _χ&

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England. Verbrennungseinrichtung für Gasturbinenstrahltriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung für Qasturbinenstrahltriebwerke.

Die Erfindung geht aus von einer Verbrennungseinrichtung für Gasturbinenstrahltri ebwerke mit einer Ringkamnter, an deren stromoberseitigern Teil Mittel angeordnet sind, die mehrere, abwechselnd angeordnete,radial verlaufende Priraärverbrennungszonen und Diffusions-Verdünnungsluftkanäle aufweisen.Gemäß der Erfindung ist die Anordnung derart getroffen, daß die Ringkammer einen stromunterseitigen Abschnitt aufweist, in dem im Betrieb die Verbrennungsgase aus den genannten Zonen mit der Verdünnungsluft aus den Kanälen vermischt werden, und daß Mittel vorgesehen sind, um dieser Zone Brennstoff und Luft zuzuführen, wobei die Ringkammer einen Diffusoreinlaßkanal aufweist, der Verdünnungsluft in die Kanäle führt und in dem eine drehbare Sehaufelanordnung eine Diffusion der durchströmenden Luft bewirkt. Die abwechselnde Anordnung von Primärverbrennungszonen und Diffundierungs-Verbrennungsluftkanälen hat zusammen mit der drehbaren Schaufelanordnung den Zweck, die Äxiallänge des Gasturbinenstrahltriebwerks zu vermindern, indem die verfügbaren radialen Abmessungen voll ausgenutzt werden. Dies ergibt bei gewissen Anwendungen einen erheblichen Vorteil, z.B. wenn die Verbrennungseinrichtung in einem Gas-

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turbinentriebwerk mit hohem Druckverhältnis benutzt

Die Ringkammer weist vorzugsweise im radialen Abstand liegende innere und äußere Wandungen auf, zwischen denen radial verlaufende Wände angeordnet sind, die die einzelnen Zonen und Kanäle voneinander trennen, wobei die stronmnterseitigen Abschnitte der radial verlaufenden Wände gewellt sind, um die Mischung zu verbessern.

Jede Primärverbrennungszone kann mit einem gelochten, radial verlaufenden Brennstoffzuftihrungsrohr versehen sein, welches in einem radial verlaufenden Strebenkörper angeordnet ist, dessen Innenraum im Betrieb mit einer radial gerichteten Luftströmung mit höherem Druck gespeist wird, um eine Vernebelung des Brennstoffs zu unterstützen. Hierdurch können auch die energetischen Wirbelbewegungen des Brennstoffs und der Luft verbessert werden, so daß die Rate der Brennstoffverbrennung erhöht wird.

Jede der Streben kann zwischen den radial verlaufenden Wänden und in Umfangsrlehtung von diesen distanziert gelagert sein und zwar in der Mitte der axialen Ausdehnung der letzteren, wodurch eine Strömung von Primärluft von dem Einlaßkanal zwischen den Streben und radial verlaufenden Wänden hindurchtreten kann.

Jede der Streben kann aus einem stromoberseltigen Teil bestehen, in dessen Innenraum ein radial verlaufender, sich nach hinten erstreckender Teil angeordnet ist, der stromunterseitig des entsprechenden Brennstoffrohres liegt und mit dem oberen Teil zwei Kanäle für den vernebelten Brennstoff bildet, durch die der vernebelte Brennstoff nach hinten In die Verbrennungsζone gelangen kann.

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Falls erforderlichj können die Streben um die Achse der Ringkaimner rotieren.

Vorzugswelse wird die gesamte VerdUnnungsluft axial über die VerdUnnungsluftkanale zugeführt. .

Die Innenwandungen und die Außenwandungen der Ringkammer können mit keramischen Auskleidungen versehen sein.

Die Innenwand der Ringkammer kann radial nach außen von der Innenwand der Verbrennungseinrichtung im Abstand liegen, um einen axial verlaufenden Kühlluftringkanal zu bilden, der mit Kühlluft aus dem Einlaßkanal gespeist wird.

Die Schaufelanordnung wird vorzugsweise durch eine Kompressor turbinenanordnung in Drehung versetzt.

Die Erfindung ist bei Jedem Hochdruckgasturbinenstrahltriebwerk anwendbar, wo eine Verbrennungskammer mit einer kurzen Baulänge vorteilhaft 1st,und Insbesondere bei Oasturbinentriebwerken, die unter hohen Turbineneinlaßtemperaturen arbeiten müssen.

Nachstehend werden AusfUhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Oasturbinenstrahltriebwerks mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Verbrennungseinrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß Fig.l, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-5 gemäß Fig.l, Fig. 4 und 5 Sohnittansichten längs der Linien 4-4 bzw. 5-5

gemäß Fig.3» Fig. 6 und 7 den Fig.l und 2 entsprechende Ansichten einer anderen Ausführungsform eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit einer erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung.

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Das in den Pig.l bis 5 dargestellte Triebwerk ist ein Gasturbinenstrahlt iebwerk IO mit Frontgebläse, welches drei konzentrisch ineinander gelagerte Wellen IJ, 12 und 13 aufweist, von denen die Welle 11 eine nicht dargestellte Niederdruckturbine trägt und das Frontgebläse des Triebwerks 10 (nicht dargestellt) antreibt. Die von einer nicht dargestellten Zwischendruckturbine angetriebene Welle 12 treibt einen nicht dargestellten Zwischendnuckkorapressor und die von einer Hochdruckturbine 14 angetriebene Welle 13 treibt einen Hochdruckkompressor 15 an, der Rotorschaufeln 16 besitzt und außerdem einen Kranz von drehbaren Diffusorschaufeln 17 antreibt. Zwischen dem Kompressor 15 und den Diffusorschaufeln 17 sind Statorschaufeln 20 angeordnet .

Die Diffusorschaufeln 17 sind in einem Diffusorelnlaßkanal 21 angeordnet, der den Eintrittsabschnitt einer ringförmigen Verbrennungskammer 22 bildet. Die Verbrennungskammer 22 bildet einen Teil der Verbrennungseinrichtung 23 des Triebwerks 10. Die Verbrennungseinrichtung 23 liegt zwischen dem Hochdruckkompressor 15 und der Hochdruckturbine 14. Am stromunterseitigen Ende der Verbrennungseinrichtung 23 sind Turbinendüsenleitschaufeln montiert. Die Ringbrennkammer 22 besitzt einen stromoberseitigen Abschnitt 24, in den radial verlaufende Wände 25 montiert sind, die zwischen Innen- und Außenwand 26,27 der Ringbrennkammer 22 verlaufen. Die Wände 25 dienen dazu, mehrere abwechselnd angeordnete,radial verlaufende Primärverbrennungszonen 30 und Diffusor-VerdUnnungsluftkanäle 31 voneinander zu trennen, in die die' Ringbrennkammer 22 durch die Wände aufgeteilt ist, wobei der Diffusoreinlaßkanal 21 die VerdUnnungsluft nach den Verdünnungsluftkanälen 31 gelangen läßt. Die Brennkammer 22 besitzt außerdem einen stromunterseitigen Abschnitt 29, in dem in Betrieb eine Mischung zwischen den Verbrennungsgasen der Primärverbrennungszonen 30 und der Verdünnungsluft aus den Verdünnungsluftkanalen 31 erfolgt.

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Die stromunterseitigen Abschnitte der Wände 25 sind gewellt, um die Vermischung der Verbrennungsgase mit der Verdünnungsluft * zu verbessern.

Zwischen jedem Paar benachbarter Wände 25 ist ein gelochtes, radial verlaufendes Brennstoffrohr 52 vorgesehen, das innerhalb einer radial verlaufenden Rinne oder Strebe 33 verläuft. Von dem Brennstoffrohr 52 wird der Brennstoff in den Innenraum 34 innerhalb der nach vorn hin offenen Rinne 33 geliefert. Dieser Innenraum wird, wie durch den Pfeil 35 angedeutet, mit einer radial gerichteten Luftströmung versorgt, die eine Vernebelung des Brennstoffs bewirkt. Diese radial gerichtete Luftströmung wird von einem axial verlaufenden Ringkanal 36 erhalten, ■ der aus dem Diffusoreinlaßkanal 21 mit Kühlluft versorgt wird. Der Kanal 36, der auch als Kühlluftführung dient, wird zwischen der Innenwand 26 des ringförmigen Flammrohres und einer Innenwand 37 äer Verbrennungseinrichtung 23 ausgebildet, von der er radial nach außen distanziert ist. Jede der Rinnen 33 i^st zwischen den radial verlaufenden Wänden 25 und distanziert von diesen gelagert und zentral innerhalb der axialen Erstreckung derselben, wodurch Ströme von Primärverbrennungsluft aus dem Diffusoreinlaßkanal 21 zwischen den Rinnen 33 und den Wänden 25 hindurchtreten können.

Innerhalb des Innenraumes 34 j;eder stromaufwärts gerichteten Rinne 33 ist eine radial verlaufende stromabwärts gerichtete Rinne 40 gelagert, die ihrerseits stromunterseitig des entsprechenden Brennstoffrohres 32 liegt. Jede Rinne 40 definiert mit der zugehörigen stromoberseitigen Rinne 33 zwei Brennstoffvernebelungskanäle 41, durch die der vernebelte Brennstoff stromabwärts in die Primärverbrennungszone 30 gelangen kann* Die stromabwärt ige Rinne 40 besitzt eine konkave* nach, hinten weisende Oberfläche 42* die eine abgeschirmte Zone für die Verbrennung bildet, wobei die Verbrennung von einer nicht dargestellten Zündeinrichtung bewirkt, wir du

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Die Ringkammer 22 ist nicht, wie dies üblich ist, gelocht, um radial gerichtete Strömungen von Sekundär- und Verdünnungsluft in die Kammer zu.bewirken, sondern die gesamte Verdünnungsluft wird axial über die VerdUnnungsluftkanale 21 zugeführt.

Die inneren und äußeren Wände 26,27 der Ringkammer 22 sind mit keramischen Auskleidungen 4j5,44 versehen. Diese Auskleidungen können beispielsweise durch Einlegen keramischer Kacheln hergestellt werden.

Infolge der drehbaren Anordnung der Diffusorschaufeln 17 wird eine schnelle und wirksame Diffusion in dem Diffusions- W einlaßkanal 21 bewirkt, und zwar trotz der kurzen axialen Erstreckung des letzteren. Eine weitere Diffusion der Verdünnungsluft, die durch den Diffusoreinlaßkanal 21 hindurchtritt, erfolgt in dem Diffusor-Verdünnungsluftkanälen j5l. Da diese Verdtlnnungsluftkanale J51 jeweils mit den Primärverbrennungszonen ^O abwechseln, wird die für die erforderliche Diffusion der VerdUnnungsluft erforderliche Axiallänge gegenüber herkömmlichen Anordnungen beträchtlich vermindert.

Die Konstruktion des in den Pig. 6 und 7 dargestellten Triebwerks 45 mit Frontgebläse entspricht im wesentlichen jener des Triebwerks 10. Aus diesem Grunde wird das Triebwerk 45 nicht im einzelnen beschrieben und Teile, die der Anordnung nach Fig.l bis 5 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Im Gegensatz zu dem Triebwerk 10 sind bei dem Triebwerk 45 die Wände 25, die Rinnen 33,40 und die Brennstoffrohre 32 auf einem drehbaren Ringkörper 46 gelagert. Zwischen dem Kranz rotierender Diffusorschaufeln 17 und dem drehbaren Ringkörper 46 ist ein Statorschaufelkranz 50 angeordnet, wobei die sta-

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tionären Schaufeln des Schaufelkranzes 50 die Luft unter einem solchen Winkel richten, daß eine Drehung des Ringkörpers 46 und des von diesem getragenen Aufbaus mit einer Drehzahl bewirkt wird, die nur einen Bruchteil der Drehzahl der Kompressorturbinen 15,14 beträgt.

Der stationäre Schaufelkranz 50 weist einen Achsstummel 51 auf und der drehbare Ringkörper 46 ist drehbar auf dem Achsstummel 51 mittels eine schematiseh dargestellten Rollenlagers 52 gelagert.

Die Brennstoffrohre 32 stehen in einem Brennstoffreservoir 53 ein, dem der Brennstoff durch nicht dargestellte Mittel zugeführt wird. So strömt im Betrieb Brennstoff unter der Zentrifugalwirkung von dem Brennstoffreservoir 55 nach den Brennstoffrohren 32.

Die Drehung der Wände 25 und der Rinnen 33,40 gewährleistet eine Drehung der heißen vermischten Verbrennungsgase relativ zu den stationären Turbinendüsenleitschaufeln, die in der Verbrennungseinrichtung angeordnet sind, und so wird gewährleistet, daß diese Schaufeln keinen hohen örtlichen Temperaturen ausgesetzt werden.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche :

Verbrennungseinrichtung für Gasturbinenstrahltriebwerk^ mit einer Ringkammer, deren Diffusorelnlaßkanal Diffusor-Verdünnungsluft führen kann und die einen stromunterseitigen Abschnitt aufweist, in dem in Betrieb eine Mischung von Verbrennungsgasen und Verdünnungsluft bewirkt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, um Brennstoff und Luft nach den Brennzonen innerhalb der Brennkammer zu überführen,

dadurch gekennzeichnet, daß in einem stromoberseitigen Abschnitt (24) der Ringbrennkammer (22) Mittel vorgesehen sind, die mehrere, abwechselnd angeordnete, radial verlaufende Primärverbrennungszonen (30) und Diffusorverdünnungsluftkanäle (31) bilden, und daß der Einlaßkanal (21) die Verdünnungsluft nach den Kanälen (31) leitet und einen drehbaren Schaufelkranz (17) aufweist, der eine Diffusion der hindurchströmenden Luft bewirkt.

Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (22) radial im Abstand zueinander liegende Innen- und Außenwände (26,27) aufweist, zwischen denen radial verlaufende Wände (25) angeordnet sind, die die Verbrennungszonen (30) und die Kanäle (31) voneinander trennen, wobei die stromunterseitigen Abschnitte der radial verlaufenden Wände gewellt sind, um die Vermischung zu verbessern.

Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Jede Primärverbrennungszone mit einem gelochten, radial verlaufenden Brennstoffrohr (32) versehen ist, das innerhalb einer radial verlaufenden Rinne (33) montiert ist, deren Innenraum (3^) im Betrieb mit radial gerichteter Luftströmung versorgt wird, die unter einem höheren Druck steht, um die Vernebelung des Brennstoffs zu unterstützen.

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4. Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, • dadurch gekennzeichnet, daß jede Rinne (33) zwischen zwei radial verlaufenden Wänden (25) in Umfangsrichtung distanziert von diesen angeordnet ist und außerdem zentral bezüglich der axialen Erstreckung der letzteren, wodurch bewirkt wird, daß Prlmärverbrennungsluftströrae vom Einlaßkanal (21) zwischen jeder Rinne (33) und den radial verlaufenden Wänden (25) strömen kann.

5. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennz eichnet , daß jede Rinnenanordnung aus einer stromoberseitigen Rinne (33) besteht, deren Innenraum (34) eine stromunterseitige Rinne (40) aufweist, die radial verläuft und stromunterseitig des jeweiligen Brennstoffrohres (32) liegt und mit der stromoberseitigen Rinne (33) zwei Brennstoffvernebelungskanäle (4l) bildet, durch die vernebelter Brennstoff in die jeweilige Primärverbrennungszone (30) gelangen kann.

6. Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Rinnen drehbar angeordnet sind.

7· Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß sämtliche Verdünnungsluft axial über die Verdünnungsluftkanäle (31) zugeführt wird. . ·

8. Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Außenwände (26,27) der Brennkammer mit keramischen Auskleidungen (42,43) versehen sind.

9. Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis o, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (26) der Ringkammer von der Innenwand (37) der Verbrennungseinrichtung (23) radial nach außen distanziert ist, um hiermit einen axial verlaufenden ringförmigen Kühlluftkanal (26) zu schaffen, der vom Einlaßkanal- (21) aus mit Kühlluft versorgt wird,

10. Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Schaufelkranz (17) durch eine Kompressorturbine (I6,l4) angetrieben wird.

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