DE2020416A1

DE2020416A1 - Brennkammer fuer Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2020416A1
Application number: DE19702020416
Authority: DE
Inventors: Hagen Hermann Dr Techn
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1970-04-27
Filing date: 1970-04-27
Publication date: 1971-11-11
Also published as: FR2092926A2; FR2092926B2; US3765171A

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION 2020416

MÜNCHEN GMBH

München, den 24. April 197 ο

Brennkammer für Gasturbinentriebwerke

Zusatz zum Patent

Patentanmeldung P 19 45'921.3

Die Erfindung des Hauptpatentes bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, deren Flammrohr mit Öffnungen für die Zumischung von Sekundärluft ausgerüstet ist. Um bei einer solchen Brennkammer über den gesamten Betriebsbereich eines Gasturbinentriebwerkes einen guten Ausbrenngrad sowie insbesondere bei Vollast kleine Druckverluste und für den Anfahrbereich günstiges Zündverhalten zu erreichen, schlägt die Erfindung des Hauptpatentes vor, daß die Zuströrnquerschnitte für die Sekundärluft veränderbar ausgeführt sind. Die Veränderung der Zuströmquerschnitte soll gemäß der Hauptanmeldung in Abhängigkeit vom Verdichterenddruck oder dem Brennkammereintrittsdruck erfolgen.

Es hat sich nun gezeigt, daß insbesondere für Gasturbinen, die mit einem Wärmetauscher ausgerüstet sind, die Veränderung

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der Sekundärluftquerschnitte in Abhängigkeit von Druckparametern nicht in allen Betriebsbereichen ausreicht. Der Grund für diese unzureichende Regelung der Sekundärluft ist in der starken Temperaturabhängigkeit des spezifischen Volumens der Sekundärluft au finden, die über dem Betriebsbereich im Wärmetauscher sehr unterschiedliQh aufgeheizt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Regelung der Sekundärluftmenge nach dem Hauptpatent so zu verbessern, daß insbesondere bei Wärmetauscherbetrieb über den gesamten Betriebsbereich, die für den optimalen Wirkungsgrad der Brennkammer erforderliehe Sekundärluftmenge in die Brennkammer gelangt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Größe der Selcundärluftquerseimitte in Abhängigkeit von der Brennkamnierlufteintrittstemperatur geändert wird.

Bei hoher Lufttemperatur und damit großem spezifischen "Volumen werden also die Querschnitte voll geöffnet, so daß in diesen Betriebsbereiehea genügend Sekundärluft für die Verbrennung in die Brennkammer gelangen kann, während umgekehrt bei niedrigerer Lufttemperatur die Sekundärluftquerschnitte verkleinert werden«, Als vorteilhafte Begleiterscheinung ergibt sich außerdem eine Regelung der Primär luft in der Weise,, daß

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bei niederer Lufttemperatur die Primärluftmenge vergrößert wird. Wird nämlich von der Verdichterluft nur wenig Sekundärluft abgezweigt, so erhöht sich die Primärluftmenge und umgekehrt.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann als Regelgröße für die Veränderung der Sekundärquerschnitte bei einer Gasturbine mit Wärmetauscher der Quotient oder die Differenz der Lufttemperaturen vor dem Wärmetauscher und vor der Brennkammer dienen.

Schließlich ist es auch möglich, die Differenz oder den Quotienten der Lufttemperatur vor der Brennkammer und am Turbineneintritt als Regelgröße zu verwenden, wobei als Turbineneintrittstemperatur die effektiv gemessene Größe oder ein einzustellender Sollwert dienen kann.

Die Veränderung der Sekundärluftquerschnitte soll« gemäß einem weiteren Vorschlag, mittels eines um das Flammrohr gelegten, axial oder in Umfangsrichtung verschieblichen Drosselringes erfolgen. Ein solcher Drosselring stellt ein baulich einfaches und betriebssicheres Konstruktionselement dar.

Der Drosselring kann über Betätigungsstangen von einem Stellmotor verschoben werden, wobei der Stellmotor die Schaltsignale von einem Meßumformer erhält, in den als Regelgröße die Lufttemperatur eingespeist wird.

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Gemäß einem weiteren Vorschlag kann die Verschiebung des Drosselringes aber auch in der Weise erfolgen, daß er mechanisch mit temperaturabhängigen Stellgliedern gekoppelt ist, die unmittelbar im Strom der Eintrittsluft angeordnet sind. Diese Konstruktion ist besonders kostensparend, da die Stellglieder gleichzeitig Temperaturfühler und Stellmotore sind.

Falls in der Brennkammer nur wenig Bauraum zur Verfügung steht, sollen, gemäß der Erfindung, die die Sekundärluftquerschnitte verändernden Drosselorgane selbst als Bimetall« elemente ausgebildet sein. Diese Lösung kann konstruktiv als die baulich einfachste gelten, da Temperaturfühler und Drosselorgane ein identisches Bauelement sind.

Die legelung der Sekundärluftquerschnitte soll gemäß einem weiteren Vorschlag auch für Ringbrennkammern angewendet werden. Für diesen Fall ist es zweckmäßig, in gesonderten Luftführungskanälen die Temperaturfühler anzuordnen um so eine Beeinflussung dieser Fühler von der Strahlungshitze der Brennkammer zu vermeiden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

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Pig. 1 eine Brennkammer mit einem Drosselring für die Sekundär luftquerschnitte^ die von einem Stellmotor betätigt wird und ein schematisches Schaltbild des Gasturbinentriebwerkes, in das diese Brennkammer eingebaut ist,

Fig. 2 eine Brennkammer gemäß Pig. 1 bei der die Verstellung des Drosselringes durch ein Bimetallelement erfolgt, das im Strom der Sekundärluft angeordnet ist,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer Brennkammer bei der als Drossel für die Sekundärluft ein Bimetall-'streifen vorgesehen ist, und

Fig. 4 eine Ringbrennkammer, die mit veränderbaren Sekundär luftquerschnitten ausgeführt ist im Ausschnitt.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Gasturbinentriebwerk; in das eine erfindungsgemäße Brennkammer eingebaut.ist. Im Verdichter wird die bei 41 eintretende Luft verdichtet und in einem Wärmetauscher 42 aufgeheizt. Von dort gelangt sie durch die Leitung 435 in die Brennkammer. Dort wird die Luft mit dem bei

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in die Brennkammer eintretenden Kraftstoff gemischt und verbrannt. Die Verbrennungsgase treten bei 45 in die Turbine 46 ein. Die Turbine ist über eine Welle 47 mit dem Verdichter und über eine Welle 48 mit einer Arbeitsmaschine 49 gekoppelt. Bei 5o treten die Abgase aus der Turbine aus und gelangen durch die Leitung 51 in den Wärmetauscher 42, wo sie die Verdichterluft aufheizen. Bei 52 treten die Abgase aus dem Wärmetauscher ins Freie.

Die Brennkammer ist eine Einrohrumkehrbrennkammer mit einem äußeren Gehäuse 1 und einem Flammrohr 2, dem die Primärluft über ein Umlenkgehäuse 3 und einen zugehörigen Wulstring 4 zugeführt wird« Innerhalb des Umlenkgehäuses liegt ein Kegel 5*

in dessen Kätte die Kraftstoffdüse angeordnet ist. Im Flammrohr 2 sind auf der dem Brennerkegel 5 zugewandten Seite Frimärhohrungen 7 angeordnet. In gleicher Weise sind für Se» kundärluffc weitere Bohrungsreifeen 8 "and 9 angebracht. Um das w Flammrohr 2 ist ein Brosselring Io gelegt, der eine oder beide Sekundärbohrungsreihen abdeckt«, Die Verstellung dieses Ringes Io erfolgt in Abhängigkeit -won der Eintrittstemperatur der - Bvewikaxmerluft So_x, daß er die Sekundärbohrungen ganz oder teilweise-freigibt_o Diese Temperatur wird an der Stelle 2o Eingang der BrenolcaiEiep von einem Temperaturfühler 21 registriert und in den Meßumformer 22 geführt, der seinerseits

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ein Schaltsignal an einen Stellmotor 23 weitergibt. Als Regelgröße kann auch das Verhältnis oder die Differenz zwischen Wärmetauschereintrittstemperatur und Btfennkammereintrittstemperatur herangezogen werden. Die Verstellung des Drosselringes Io erfolgt über eine oder mehrere Betätigungsstangen 12, die durch das Brennkammergehäuse 1 über eine bzw. mehrere Stopfbüchsen 13 nach außen geführt werden und mit dem Stellmotor 23 gekoppelt sind. Mehrere Stangen 12 vermeiden dabei ein Verkanten des Drosselringes lo.

Fig. 2 zeigt eine Brennkammer, die im wesentlichen der in Fig. 1 gleicht. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß in die Betätigungsstange 12 innerhalb des Brennkammergehäuses 1 ein temperaturabhängiges Stellorgan 14 eingebaut ist, das im Strom der Eintrittsluft liegt. Dieses Betätigungsorgan kann ein Bimetallelement sein, das bei zunehmender Temperatur den Drosselring in eine öffnungsstellung bringt oder es ist ein pneumatischer Kolben vorgesehen, dessen temperaturabhängige Längenänderung die Verstellung des Drosselringes bewirkt.

Eine bei vielen Brennkammerkonstruktionen anwendbare Sekundärluftregelung zeigt Fig. 3· Hier sind die in einem Flammrohr befindlichen Sekundärluftquerschnitte 34 und 35 durch eine

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äußere Stromungsführung J56 abgedeckt. Sie trägt ihrerseits Bohrungen 27> die durch Bimetallklappen J58 abgedeckt sind. Sie sind so eingerichtet, daß sie sich bei zunehmender Temperatur der Eintrittsluft öffnen»

In Pig. 4 ist eine Ringbrennkammer gezeigt, bei der die vom Verdichter kommende Luft in einem gesonderten Kanal geführt wird. Die Brennkammer wird durch das äußere Flammrohr 16 und das innere Flammrohr I7 gebildet. Die Luftzufuhr erfolgt zwischen dem äußeren Brennkammergehäuse l8 und dem inneren I9. Am äußeren Umfang des äußeren Flammrohres 16 ist ein weiteres zylindrisches Blechrohr 27 vorhanden. Zwischen diesem und dem äußeren Flammrohr wird Luft zu den Sekundärbohrungsreihen 24 und 26 zugeführt. Der Eintritt in das Rohr 27 wird durch einen axial verstellbaren Drosselring gesteuert. Die Betätigung des Drosselringes erfolgt, wie oben beschrieben. Die Temperatur der in die Brennkammer eintretenden Luft wird im Kanal 15 von einem Meßfühler 19 registriert.

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Claims

Patentansprüche

1.yBrennkammer für Gasturbinentriebwerke, deren Flammrohr mit veränderbaren Zuströmquerschnitten für die Sekundärluft

ausgerüstet ist, nach Patent . (Patentanmeldung

P 19 45 921.3), dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Sekundärluftquerschnitte (8, 9) in Abhängigkeit von der Brennkammerlufteintrittstemperatur erfolgt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1 in einem Gasturbinentriebwerk mit Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße für die Veränderung der Sekundärluftquerschnitte (8, 9) der Quotient oder die Differenz der Lufttemperaturen vor dem Wärmetauscher (42) und vor der Brennkammer dient.

3. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Sekundärluftquerschnitte (8, 9) mittels eines um das Flammrohr (2) gelegten, axial oder in Umfangsrichtung verschieblichen Drosselringes (lo) erfolgt.

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4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brosselring (lo) mechanisch mit temperaturabhängigen Stellgliedern gekoppelt ist, die im Strom der Eintrittsluft angeordnet sind.

5· Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die, die Sekundärluftquerschnitte (37) verändernden Drosseln selbst als Bimetallelemente (38) ausgebildet sind.

6. Brennkammer nach Anspruch l.und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Bingbrennkammer ist.

7« Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß di© Sekundärluft durch gesonderte ICanäle (15) zugeführt I, in die Teaperaturfühler (19) eingebaut sind.

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