DE2460740A1

DE2460740A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2460740A1
Application number: DE19742460740
Authority: DE
Inventors: Adolf Fehler; Guenter Kirschey
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1974-12-21
Filing date: 1974-12-21
Publication date: 1976-07-01
Also published as: DE2460740B2; FR2295237B1; DE2460740C3; US4062182A; FR2295237A1; GB1516868A

Description

Brennkammer für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, welches einerseits über den zwischen Außengehäuse und Flammrohr gebildeten Ringraum mit Mischluft versorgbar ist, während andererseits der Primärzone innerhalb des Flammrohrs mit Brennstoff angereicherte Verbrennungsluft zuführbar ist, wobei weiter mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbare Brennstoffzerstäuberdüsen vorgesehen sind.

Bei bekannten Aus füh rungs formen 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.

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Bekannt ist auch die Brennstoffzuführung und Aufbereitung mittels verschiedener Arten sogenannter "Verdampfer-Brenner", in denen der Brennstoff aufgrund einer vom Verbrennungsprozeß verursachten hohen Wandtemperatur und der Strömungsverhältnisse im Brenner einen gasförmigen Zustand erreicht und mit Luft vorgemischt wird.

Die erwähnten Brennstoffeinspritz- und Aufbereitungssysteme haben u.a. den 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.

Veiter erfordert diese Art von punktweiser Brennstoffeinspritzung, bzw. das Vorhandensein relativ weit in die Brennzone hineinragender Verdampfer einbaut en, relativ lang bauende Brennkammern, um eine räumlich gleichmäßige Brennstoffaufbereitung und damit gleichmäßige Verbrennung zu erhalten oder aber erfordert allzu ausgeprägte Primärzonenwirbel von Kraftstoff- und Luftanteilen, um schon in der Primärzone eine relativ gleichmäßige Verbrennung zu erzwingen, mit der weiteren Folge erhöhter Druck- und damit LeistungsVerluste.

Weiterhin erfolgt bei herkömmlichen Brennkammern die Verbrennung in der Brennzone mit etwa stöchiometrischem Brennstoff-Luftge-

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misch. Der relativ hohe Brennstoffanteil dieses Gemisches - insbesondere als Brennstofftropfen-Luft-Gemisch - sowie die relativ hohen Verbrennungstemperaturen von ca. 18oo bis 2ooo C sind u.a. weitere Ursachen dafür, daß Schadstoffe wie Stickoxyde (H6 ), unverbrannte Kohlenwasserstt
(CO) sowie Rauchbildung entstehen.

), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (C H), Kohlenmonoxide

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Durch praktische Versuche hat sich nun herausgestellt, daß eine niedrigere Verbrennungstemperatur von möglichst nicht mehr als 14oo C oder etwas darüber zu einer erblichen Verminderung der Schadstoffemissionen führt.

Insbesondere die Stickoxydbildung ist abhängig von der Verweilzeit der stick- und sauerstoffhaltigen Gase und einer relativ hohen Verbrennungstemperatur; mit anderen Worten führen .also relativ hohe Verbrennungstemperaturen und eine relativ ausgedehnte Verweilzeit bei erwähnten relativ hohen Verbrennungstemperaturen (I800⁰ bis 2ooo°C) zu relativ großer Stickoxydbildung.

Im Hinblick auf eine Verminderung der Schadstoffmissionen, insbesondere der anteilsmäßig relativ stark auftretenden Stickoxydbildung, dürfte somit in erster Linie einer genaueren Steuerbarkeit der Verbrennungstemperaturen der Vorzug zu geben sein, zumal technische Maßnahmen zur Steuerbarkeit bzw. Verminderung der Verweilzeit des Brennstoff-Luftgemisches im Hinblick auf die Genauigkeit technisch kaum oder nur mit äußerst aufwendigen Einrichtungen zu realisieren sein dürften.

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Zum Zwecke möglichst geringer Schadstoffemissionen werden demnach bei einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke u.a. folgende grundlegende Kriterien zu erfüllen sein:

- niedrigere Verbrennungstemperaturen, die einen Wert von ca. 1400⁰C nicht nennenswert überschreiten sollten;

- Vermeidung eines Brennstofftropfen enthaltenden Brennstoff-Luft-Gemisches, indem der Brennstoff vorverdampft der Primär- bzw. Verbrennungszonge zugeführt werden kann;

- möglichst vollständige Brennstoff-Luft-Vermischung, und zwar vor dem Eintritt in die Primärzone, um eine homogene Verbrennung zu erzielen.

In der Praxis dürfte es jedoch erhebliche Schwierigkeiten bereiten, eine Brennkammer zu schaffen, welche die vorstehend näher behandelten Anforderungen erfüllen kann; denn zum einen erfordert eine optimale Verbrennung ein stöchiometrisch günstiges Brennstoff-Luftgemisch und die damit verbundenen relativ hohen Verbrennungstemperaturen; zum anderen sind bei Gasturbinentriebwerksbrennkammern an Brennstoff reiche Brennstoff-Luftgemisch-Zonen im Hinblick u.a. auf eine gute Zündfähigkeit, den Anfahr-

sowie

Vorgang des Triebwerkes/auch im Hinblick auf die Armverlöschgrenze zu berücksichtigen.

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Ein zur Verhinderung der relativ hohen Verbrennungstemperaturen und damit zur Verminderung der schädlichen Abgasemissionen erforderlicher Luftuberschuß des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Primärzone wäre wiederum nicht mit den vorstehend erörterten Anforderungen (Stöchiometrisches Brennstoff-Luftgemisch) vereinbar. .

Im Rahmen der vorstehend erörterten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, bzw. Gasturbinenstrahltriebwerke, zu schaffen, bei der hauptsächlich die eingangs erwähnten schädlichen Abgaskomponenten weitestgehend ,vermindert sind.

Ausgehend von einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke nach der eingangs genannten Gattung ist die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe hauptsächlich durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet;

a) Jeweils zwei unabhängig voneinander steuerbare Brennstoff-

' Zerstäuberdüsen sind in Achsrichtung in der Weise hintereinandergeschaltet angeordnet, daß innerhalb des Flammrohrs - in Eichtung der Hauptströmung aufeinander folgend - für die gesamte Verbrennung eine an Brennstoff reiche Brennzone sowie eine an·Brennstoff ärmere Brennzone gebildet ist;

b) es ist eine die BrennstoffZerstäuberdüsen sowie das Flammrohr stromaufwärtig ummantelnde Luftzufuhrhaube vorgesehen,

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deren zwischen Äußengehäuse und Flammrohr gebildeter Verbrennungsluftkanal über gesondere Öffnungen des Flammrohrs mit der ersten und zweiten Brennzone in Verbindung steht;

c) der Brennstoffabspritzkegel einer ersten von jeweils zwei hintereinandergeschalteten Brennstoffzerstäuberdüsen liegt innerhalb des Verbrennungsluftkanals und verläuft etwa parallel zu einem sich trichterförmig erweiternden Wandabschnitt der Luftzufuhrhaube, während der Brennstoffabspritzkegel der jeweils nachgeschalteten anderen Brennstoffzerstäuberdüse etwa parallel zur Innenwand eines sich von letzterer Düse aus trichterförmig erweiternden Plammrohrabschnitts verläuft, der zugleich das der zweiten Brennzone (Hauptverbrennungszone) vorgeschaltete Flammrohrvolumen für die erste Brennzone bereitstellt.

Durch die zwei unabhängig voneinander steuerbaren, in Achsrichtung hintereinandergeschalteten Brennstoffzerstäuberdüsen kann in der ersten Brennzone das für den jeweiligen Betriebsbereich erforderliche an. Brennstoff reiche stöchiometrische Brennstoff-Luftgemisch und in der zweiten Brennzone - auch "Hauptrezirkulationszone" genannt - das für den jeweiligen Betriebsbereich an Brennstoff ärmere, luftreiche, die gewünschte relativ niedrige Verbrennungstemperatur gewährleistende Brennstoff-Luftgemisch bereitgestellt werden.

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Beide Verbrennungszonen sind demnach so aufeinander abstimmbar, daß die für eine schadstoffarme Verbrennung erforderlichen Heißgastemperaturen nicht überschritten werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ohne die bei herkömmlichen Brennkammerkonzeptionen notwendigen Einbauten im Flammrohr eine relativ hohe Verdampfungsrate des Brennstoffs bzw. eine gewünschte intensive gasförmige Aufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches bereits vor dem Eintritt in die Hauptrezirkulationszone ermöglicht wird, wodurch das Flammkammervolumen trotz der beiden in Achsrichtung hintereinandergeschalteten Brennzonen relativ klein gehalten werden kann.

Gemäß weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes können die der ersten Brennzone zugeordneten Öffnungen im trichterförmigen Flammrohrabschnitt als Drallschlitze ausgebildet sein.

Hierdurch kann der für die erste Verbrennungszone maßgeblich zugeführte Brennstoff, der im wesentlichen entlang der Innenwand des besagten Flaminrohrabschnitts aus dea/zugeordneten Brennstoffzerstäuberdüse abgespritzt wird, unmittelbar mit der über die Drallschlitze tangential eingeblasenen Luft rotationsmäßig zerstäubt werden.

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In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Mittellängsschnitts einer Brennkammer beispielsweise weiter erläutert:

Die in der Zeichnung dargestellte Brennkammer besteht aus einem Außengehäuse 1 mit einem darin eingesetzten Flammrohr 2. Stromaufwärtig weist die Brennkammer eine innerhalb des Außengehäuses 1 angeordnete Luftzufuhrhaube 3 auf, welche u.a. das Flammrohr 2 stromaufwärtig ummantelt und auf diese Weise einen gegenüber der Mischluftströmung (Pfeile A) gesonderten Gasführungskanal 4 bildet. Mit ihren stromabwärtigen in Richtung auf das Flammrohr 2 abgebogenen Enden umgreift die Luftzufuhrhaube 3 das Flammrohr 2 in der Weise, daß im Flammrohr 2 befindliche öffnungen 5 einerseits je zur Hälfte eine Verbindung des Gasführungskanals 4 mit dem Flammrohrinneren und andererseits je zur Hälfte eine Verbindung des Flammrohrinneren mit dem Mischluftkanal 6 herstellen.

In Richtung der Pfeile B wird der Gas führungskanal 4 -'mit Verbrennungsluft beaufschlagt. Mischluft (Pfeile A) sowie Verbrennung?, luft (Pfeile B) gelangen von einem in den Zeichnungen nicht weiter dargestellten Verdichter eines Gasturbinentriebwerks zur Brennkammer.

Die Brennkammer ist weiter mit mindestens zwei in Achsrichtung hintereinandergeschaltet angeordneten Brennstoffzerstäuberdüsen 7, 8 versehen.

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Die eine dieser "beiden BrennstoffZerstäuberdüsen,8, schließt sich, mit einem Ringmantel 1o unmittelbar an einen stromaufwärtig sich, kegelförmig erweiternden Flammrohrabschnitt 11 an.

Der von diesem Flammrohrabschnitt 1 umschlossene Raum im Flammrohr 2 stellt somit die Brennzone I dar, in der ein stöchiometrisch.es Brennstoff-Luftgemisch bereitgestellt werden soll mit den daraus resultierenden relativ hohen Verbrennungstemperaturen.

Der Brennstoffabspritzkegei 9 der Brennstoffzerstäuberdüse 8 verläuft etwa parallel zur Innenwand des kegelförmigen Flammrohrabschnitts 11 und vermischt sich dabei innig mit der aus dem Gasführungskanal 4 über Drallschlitze 12 des Flammrohrabschnitts 11 tangential unter Drall eingeblasenen Verbrennungsluft (Pfeile O).

Die hierbei entstehenden Rotationswirbel des Brennstoff-Luftgemisches in der Verbrennungszone I sind durch die Pfeile W gekennzeichnet.

Der zur anderen BrennstoffZerstäuberdüse 7 gehörige Brennstoffabspritzkegei 13 liegt innerhalb des Gasführungskanals 4 und verläuft dabei etwa parallel zu dem sich kegelförmig erweiternden Wandabschnitt der Luftzufuhrhaube 3. Der über die Zerstäuberdüse 7 zugeführte Brennstoff vermischt sich hierbei innig mit Anteilen der in Pfeilrichtung B zugeführten Verbrennungsluft,

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wobei infolge der Temperaturabstrahlung im von der Luftzufuhrhaube 3 umschlossenen Bereich des Flammrohrs 2 bereits vor Eintritt des Gasgemisches in das Flammrohr 2 eine Vorverdampfung derselben erreicht wird, wodurch ein weitestgehend tropfenloses Brennstoff-Luftgemisch für den Verbrennungsprozeß in der· Brennzone II, bzw. der Hauptverbrennungszone, bereitgestellt werden kann.

Infolge der mit relativ hoher Geschwindigkeit über die Jeweiligen Lochhälften der Öffnungen 5 zugeführten und gegeneinander gerichteten Brennstoff-Luftstrahlen entstehen die zur Flammstabilisierung in der Brennzone II benötigten Eezirkulationswirbel P, welche eine optimale homogene Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches herbeiführen.

Die am stromabwärtigen Ende des kegelförmigen Flammrohrabschnitts 11 aus der Brennzone I abfließenden heißen Gaswirbel E tragen erheblich dazu bei, daß die für eine schadstoff arme Verbrennung notwendige luftreiche Verbrennung in der Brennzone II stabilisiert werden kann.

Die dargestellte Zuführung und Aufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches für die Verbrennungszone II unter Hinzuziehung der heißei Gaswirbel E führt u.a. weiter zu einer räumlich kurzen und gleichförmigen Verbrennung in der Brennzone II.

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Über die von der Luftzufuhrhaube $ jeweilig freigelassene Querschnittshälfte der Öffnungen 5 kann ein Teil der aus dem Mischluftkanal 6 in Richtung der Pfeile D zugeführten Mischluft gegen die Flammrohrmitte eingeblasen werden, um das Temperaturprofil über den gesamten Flammrohrquerschnitt zu vergleichsmäßigen.

Aus dem Mischluftkanal 6 kann weiter Mischluft in Richtung der Pfeile E über öffnungen 14 .dem Flammrohr 2 zugeführt werden, um gegebenenfalls die Brennkammeraustrittstemperatur etwas herabzusetzen oder um zusammen mit den zuvor erwähnten Mischluftanteilen (Pfeil D) eine Vergleichsmäßigung des Temperaturprofils am Brennkammeraustritt zu erzielen.

Die Erfindung ermöglicht eine Zwei-Zonen-Verbrennung mit zwei unabhängig voneinander steuerbaren Verbrennungssystemen in einem einzigen Flammrohr.

Wesentlich ist es hierbei u.a., daß die mindestens zwei Brennstoffsteuerbar

Zerstäuberdüsen 7j 8 getrennt voneinander/und dann beide Brennsysteme so aufeinander abstimmbar sind, daß dem für eine schadstoff arme Verbrennung nötigen, relativ niedrigen Verbrennungstemperaturniveau in der Brennzone II Rechnung getragen werden kann.

Wie aus der Zeichnung weiter ersichtlich ist, sind die Brennstoff Zerstäuberdüsen 7» 8 über Versorgungsleitungen 15» 16 mit Brennstoff gesondert beaufschlagbar.

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Andererseits wäre es Jedoch denkbar, z.B. die Brennstoffzerstäuberdüse 8 über die gestrichelt dargestellte Leitung 17 von der Versorgungsleitung 15 aus mit Brennstoff zu versorgen, und zwar unter Zugrundelegung einer zusammengeführten Brennstoffversorgung der beiden Düsen 7» 8, welche von sich aus einer gewünschten differenzierten Brennstoffmengeneinspritzung Rechnung tragen.

Die Erfindung eignet sich durchaus aber auch für anderweitige Brennkammer typ en, so z.B. kombinierte Ring-ZRohrbrennkammern, 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 und das Flammrohr ebenfalls ringförmig und koaxial zur Triebwerkslängsachse anzuordnen wäre.

Im letzten Falle wären dann eine größere Anzahl von jeweils hintereinander geschaltet angeordneten Düsenpaaren koaxial zur Triebwerkslängsachse gleichförmig verteilt anzuordnen.

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Claims

MOTOREN- UIiD TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH.·

München, den 19. Dezember 1974-

Pat ent.a η Sprüche

1. Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, welches einerseits über den zwischen Außengehäuse und < Flammrohr gebildeten Eingraum mit Mischluft versorgbar ist, während, andererseits der Primärzone innerhalb des Flammrohrs mit Brennstoff angereicherte Verbrennungsluft zuführbar ist, wobei weiter mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbare Brennstoffzerstäuberdüsen vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Jeweils zwei unabhängig voneinander steuerbare Brennstoffzerstäuberdüsen (8, 7) sind in Achsrichtung in der Weise hintereinandergeschaltet angeordnet, daß innerhalb des Flammrohrs (2) - in Richtung der Hauptströmung aufeinander folgend - für die gesamte Verbrennung eine an Brennstoff reiche Brennzone (I) sowie eine an Brennstoff ärmere Brennzone (II) gebildet ist;

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ΐ>) es ist eine die BrennstoffZerstäuberdüsen (8, 7) sowie das Flammrohr (2) stromaufwartig ummantelnde Luftzufuhrhaube (5) vorgesehen, deren zwischen Außengehäuse (1) und Flammrohr gebildeter Verbrennungsluftkanal (4-) über gesonderte öffnungen (12 bzw.5) des Flammrohrs mit der ersten bzw. zweiten Brennzone (I) bzw. (II) in Verbindung steht;

c) der Brennstoffabspritzkegel (13) einer (7) von jeweils zwei hintereinandergeschalteten BrennstoffZerstäuberdüsen liegt innerhalb des Verbrennungsluftkanals (4-) und verläuft etwa parallel zu einem sich trichterförmig erweiternden Wandabschnitt der Luftzufuhrhaube (3), während der Brennstoffabspritzkegel (9) der jeweils nachgeschalteten anderen Brennstoffzerstäuberdüse (8) etwa parallel zur Innenwand eines sich von letzterer Düse aus trichterförmig erweitern-

zu den Flammrohrabschnitts (11) verläuft, der/gleich das der Brennzone (II) (bzw. Hauptverbrennungszone) vorgeschaltete Flammrohrvolumen für die erste Brennzone (I) bereitstellt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Brennzone (I) zugeordneten Öffnungen (12) im Flammrohrabschnitt (11) als Drallschlitze ausgebildet sind.

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