DE2452178A1

DE2452178A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke mit einrichtungen zur gasfoermigen aufbereitung des zuzufuehrenden brennstoffs

Info

Publication number: DE2452178A1
Application number: DE19742452178
Authority: DE
Inventors: Adolf Fehler; Guenter Kirschey
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1974-11-02
Filing date: 1974-11-02
Publication date: 1976-05-13
Also published as: US4036582A; GB1524217A; DE2452178B2; FR2289740A1; DE2452178C3; FR2289740B1

Description

Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit Einrichtungen zur gasförmigen Aufbereitung des zuzuführenden Brennstoffs

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit Einrichtungen zur gasförmigen Aufbereitung des zuzuführenden Brennstoffs.

Bei bekannten Ausführungsformen von Brennkammern für Gasturbinentriebwerke wird der Brennstoff beispielsweise durch bekannte Simplex- und Duplexdüsen unter hohem Druck fein zerstäubt und in die Primärzone eingespritzt, wo er aufbereitet, d.h. in einen dampfförmigen Zustand gelangt, um schließlich zu verbrennen oder er gelangt mittels Luftzerstäuberdüsen in die Primärzone, wobei dem Brennstoff meist schon innerhalb der Düse Luft zugemischt wird, um den Aufbereitungsprozeß zu verkürzen.

Bekannt ist auch die Brennstoffzuführung und Aufbereitung mittels verschiedener Arten sogenannter "Verdampfer-Brenner", in denen der Brennstoff aufgrund einer vom Verbrennungsprozeß

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verursachten hohen Wandtemperatur und der Strömungsverhältnisse im Brenner einen gasförmigen Zustand erreicht und mit Luft vorgemischt wird.

Die Verdampfer-Brenner sehen u.a.· T-förmige oder stock-griffähnlich ausgebildete Verdampferrohrkörper vor.

Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Verdampfer-Brenner wird darin gesehen, daß die Verdampferrohrkörper - unter Beanspruchung eines relativ großen Einbauvolumens innerhalb der Brennkammer - trotzdem nur eine relativ geringe Oberfläche zur Brennstoffverdampfung bereitstellen, so daß in der Kegel nur etwa 8 bis 1o % des zugeführten Brennstoffes tatsächlich verdampft werden kann.

Die erwähnten Brennstoff einspritz- und Aufbereitungssysteme haben den weiteren Nachteil, daß die Verbrennung mehr oder weniger von einem Punkt ausgeht, so daß nur durch einen erheblichen Bauaufwand mögliche Erzwingung der Mischvorgänge ein gleichmäßiges Temperaturaustrittsprofil erzielbar ist.

Weiter erfordert diese Art von punktweiser Brennstoffeinspritzung relativ lang bauende Brennkammern, um eine räumlich gleichmäßige Brennstoff aufbereitung und damit gleichmäßige Verbrennung zu er-, halten oder aber erfordert allzu ausgeprägte Primärzonenwirbel von Kraftstoff- und Luftanteilen, um schon in der Primärzone eine

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relativ gleichmäßige Verbrennung zu erzwingen, mit der weiteren Folge erhöhter Druck- und damit Leistungsverluste.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile, welche bei den vorgenannten Einrichtungen zur Zuführung und Aufbereitung des Brennstoffes entstehen, zu beseitigen und eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke zu schaffen, bei der auf relativ unkomplizierte Weise eine gegenüber Bekanntem wesentlich höhere Verdampfungsrate des Brennstoffs erzielbar sein soll unter Beanspruchung eines äußerst geringen Brennkammervolumens bzw. einer geringen Brennkammerlänge.

Im Rahmen der gestellten Aufgabe soll dann weiter durch optimale Aufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches eine gleichförmige, an Schadstoffen möglichst nahezu freie Verbrennung sowie ein gleichförmiges Temperaturprofil am Brennkammeraustritt erzielbar sein.

Weiterhin soll eine gegenüber Bekanntem höhere Brennkammerbelastung ermöglicht werden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung hauptsächlich durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet : ·

a) DerBrennstoffabspritzkegel mindestens einer stromaufwärtig der Flammrohrrückwand der Brennkammer angeordneten Brennstoff-

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düse verläuft außen entlang der im Sinne des Abspritzkegels konisch ausgebildeten Flammrohrrückwand;

b) die Brennkammer weist eine im wesentlichen die Flammrohrrückwand sowie die Brennstoffdüse zumindest teilweise ummantelnde Luftzufuhrhaube auf, die einen sich in Richtung des stromabwärtigen Endes der Flammrohrrückwand zunehmend verjüngenden Hingkanal bildet, der über mehrere unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand in den Seitenwandungen des Flammrohrs angeordnete öffnungen mit dem Flammrohrinneren in Verbindung steht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Mittellängsschnitts einer Brennkammer beispielhaft erläutert.

Die dargestellte Brennkammer besteht aus einem Außengehäuse 1 mit einem darin angeordneten Flammrohr 2, verbunden mit einer Luftzufuhrhaube 3» in welche eine Brennstoffdüse 4 zentral hineinragt. Die Brenkammer wird in Pfeilrichtung A mit Verdichterluft eines in der Zeichnung nicht weiter dargestellten Gasturbinentriebwerks beaufschlagt. Die zugeführte Verdichterluft teilt sich auf in Verbrennungsluft (Pfeile "B), zugeführt über die Luftzufuhrhaube 3 und Mischluft (Pfeile C), innerhalb des zwischen Außengehäuse 1 und Flammrohr 2 gebildeten Sekundärkanals 5-

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Der aus der Brennstoffdüse 4- austretende Brennstoffabspritzkegel 6 benetzt die kegelförmige Flammrohrrückwand 7 außen gleichmäßig über den gesamten Umfang.

Da die Verbrennung - durch die radiale Einbringung des Brennstoff-Luftgemisches - hauptsächlich innerhalb des von der Flammrohrrückwand 7 umschlossenen Bereichs, bzw. im Brennikammerkopf stattfinden soll, dürfte in der Eraxis mit einer Wandtemperatur an der Flammrohrrückwand von 9oo° C und darüber zu rechnen sein. Die große Kegeloberfläche der Flammrohr rückwand 7 raid die relativ hohe Wandtemperatur führen somit zu einer optimalen Verdampfung des Brennstoffs. Gleichzeitig bewirkt die Verdampfung des Brennstoffes eine Kühlung der Flammrohrrückwand 7·

Die außerhalb des Flammrohrs 2 angeordnete Brennstoffdüse 4 ermöglicht es, daß kleinste Brennstoff mengen (Brennstoff drücke < 1 atü) noch gleichmäßig am Umfang über die hier jeweils zur Hälfte von der Luftzufuhrhaube 3 gegenüber dem Sekundärkanal 5 abgeschirmten öffnungen 8 in den Seitenwandungen des Flammrohrs der Brennsone ausgeführt werden können. Bereits vor dem Eintritt in das Flammrohr 2 vermischt sich also der gasförmige Brennstoff intensiv mit der über die Luftzufuhrhaube 3 zugeführt en Primärluf.t (Pfeile B) und führt so zu einer räumlich kurzen, gleichförmigen Verbrennung eines homogenen Gemisches von Gasen, das besonders schadstoffarme Abgase liefert.

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Die relativ hohe Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches beim Einströmen in die Verbrennungszone verhindert u.a. ein Entzünden des Gasgemisches außerhalb des Brennraums.

Die aus dem gasförmigen Brennstoff-Luftgemisch bestehenden Primärzonenwirbel sind durch die Pfeile P gekennzeichnet und entstehen im wesentlichen infolge der etwa in Flammrohrmitte mit relativ hoher Geschwindigkeit zusammentreffenden Brennstoff-Luft strahl en.

Die Primärzonenwirbel P füllen die im wesentlichen innerhalb der Flammrohrrückwand 7 befindliche Primärzone nahezu vollständig aus und verhindern somit weiterhin Verkokungen von Brennstoffresten an der Flammrohrrückwand 7 und damit etwaige Rußbildung.

Über die von der Luftzufuhrhaube 3 jeweilig freigelassene Querschnitt shälf te der Öffnungen 8 wird ein ieil der den Sekundärkanal 5 durchströmenden Mischluft C in Biehtung auf die Flamm-' rohrmitte zugeführt (Pfeile D)₁ und zwar zur Vergleichmäßigung des {Demperaturprofils über den gesamten Flammrohrquer schnitt.

Ein übriger Anteil der Mischluft C wird gemäß Pfeilrichtung E über stromabwärtig im Flammrohr 2 angeordnete weitere Öffnungen zugeführt, um die Brennkammeraustrittstemperatur etwas herabzusetzen und um zusammen mit den von der Flammrohrmitte gegen den

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Breiinkammeraustritt hin divergierenden, zuvor erwähnten Mischiuftstrahlen D ein gleichförmiges Temperaturprofil am. Brennkammeraustritt zu erzielen.

Das Ausführungsheispiel nach der Zeichnung stellt eine Einzelhrennkammer bzw. Rohrbrennkammer dar.

Die Erfindung eignet sich durchaus aber auch für anderweitige Brennkammertypen, so z.B. kombinierte Ring-/Rohrbrennkammern, bei denen das Brennkammeraußengehäuse koaxial zur Längsachse eines Gasturbinentriebwerks verlaufend angeordnet ist und innerhalb des Außengehäuses mehrere Flammrohre in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.

Ferner ist die Erfindung auch bei reinen Ringbrennkammern anwendbar, wobei dann die Luftzufuhrhaube ebenfalls ringförmig und koaxial zur Triebwerkslängsachse anzuordnen wäre.

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Claims

MOTOREN- UHD TUBBIN5KMJNIO*
MÜNCHEN GMBH.

München, den 3o. Oktober 1974

Patentansprüche

/i. ^Brennkammer für Gasturbinentriebwerke mit Einrichtungen zur

gasförmigen Aufbereitung des zuzuführenden Brennstoffs, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Der Brennstoffabspritzkegel (6) mindestens einer stromauf wärt ig der Flammrohrrückwand (7) der Brennkammer angeordneten Brennstoffdüse (4) verläuft außen entlang der im Sinne des Abspritzkegels konisch ausgebildeten Flammrohr-

. rückwand;

b) die Brennkammer weist eine im wesentlichen die Flammrohrrückwand (7) sowie die Brennstoffdüse (4) zumindest teilweise ummantelnde Luftzufuhrhaube (3) auf, die einen sich in Eichtung des stromabwärtigen Endes der Flammrohrrückwand zunehmend verjüngenden Bingkanal bildet, der über mehrere unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand in den Seitenwandungen des Flammrohrs (2) angeordnete öffnungen (8) mit dem Flammrohrinneren in Verbindung steht·

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2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (8) in den Seitenwandungen des Flammrohrs (2) etwa zur Hälfte mittels der Luftzufuhrhaube (5) gegenüber dem Sekundärluftkanal (5) abgeschirmt sind.

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