DE2932378A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents
Brennkammer fuer gasturbinentriebwerkeInfo
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
- F23R3/04—Air inlet arrangements
- F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
- F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
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Description
Patentanwälte Dipl.-ing. Cu rt Wal Iach
Dipl.-Ing. Günther Koch
2932378 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
„C. Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d
Datum: 9. AUgUSt 1979
Unser Zeichen: 16 688 - K/Ap
Anmelder: Rolls-Royoe Limited
Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England
London SWlE 6AT
England
Bezeichnung: Brennkammer für Gasturbinentriebwerke
030008/0851
Me Erfindung besieht sich auf eine Brennkammeranordnline insbesondere zur Benutzung in Verbindung Hit Gasturbinentriebwerken
und die Erfindung befaßt sich «it des Problem, derartige Brennkammern «it geringwertigen Brennstoffen su
versorgen, beispielsweise mit Sieseikraftstoffen, wob·!
Jedoch die Emissionen von Rauch oder Kohlenstoffpartikeln
auf annehmbaren Werten bleiben. Es sind sahireiche Verfahren zur Steuerung von Bauch oder Kohlenstoffpartikeln vorgeschlagen und geprüft worden, um z. B. sehr hohe Verbreonungstemperaturen
su erreichen, wobei ein relativ geringes
Brennstoff/Luft-Gemisch in der Frimärsone benutzt wird und
eine stufenweise Brennst off injektion erfolgt und eine Verbesserung der Vermischung von Brennstoff und Luft in der
Frimärsone vorgenommen wird, um eine bessere homogenere Brennstoff /Luft-Mischung herbeizuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer mit einer verbesserten Vorrichtung zu schaffen, durch die
Brennstoff und Luft in der Frimärsone der Brennkammer vermischt werden·
Die Erfindung geht aus von einer Brennkammeranordnung für
ein Gasturbinentriebwerk mit wenigstens einer Brennkammer, wobei die Brennkammer ein geschlossenes stromaufwärtige·
Ende und ein offenes stromabwärtiges Ende besitzt und Einlasse
in den Wänden vorgesehen sind, um Verdiinnungeluft einströmen su lassen.
Bei einer derartigen Brennkammeranordnung wird die gestellte
Aufgabe dadurch gelöst, daß das geschlossene
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τ-
stromaufwärtige Ende einen Ring von in Umf angsrichtung angeordneten
Frimärlufteinlässen und wenigstens eine Brennst off einlaßöffnung besitzt, wobei die Brennstoffeinlaßöffnung
bzw. die -öffnungen so angeordnet sind, daß sie einen
Brennstoffinjektor aufnehmen und jede Primärlufteinlaßöffnung
Mittel besitzt, um eine Wirbelbewegung auf die Primärluft auszuüben, wobei der Ring von Frimärlufteinlässen
wenigstens einer Brennstoffeinlaßöffnung zugeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Anordnung, bei welcher ein ringförmiger Brennkammeraufbau benutzt wird, besitzt das geschlossene
stromaufwärtige Ende einen Ring von in Umfangsrichtung
verlaufenden Frimärlufteinlässen, zwischen denen jeweils die Brennstoffeinlaßöffnungen liegen, die
ebenfalls ringförmig im Abstand angeordnet sind, wobei jede Brennstoffeinlaßöffnung einen Brennstoffinjektor aufweist
und jede Primärlufteinlaßöffnung Mittel besitzt, um eine Wirbelbewegung dieser Primärluft aufzuprägen, und wobei
eine oder mehrere Primärlufteinlaßöffnungen zwischen jeweils zwei Brennstoffeinlaßöffnungen angeordnet sind.
Zweckmäßigerweise sind jeweils zwei Primärlufteinlaßöffnungen
zwischen jeweils zwei Brennstoffeinlaßöffnungen
vorgesehen und die Frimärluftverwirbelungsvorrichtungen können aus mehreren im Winkel angestellten Schaufeln bestehen.
Die Terwirbelungseinrichtung kann so angeordnet sein, daß
die Drehrichtung der verwirbelten Primärluft für jede Lufteinlaßöffnung die gleiche ist, oder die Yerwirbelungsvorrichtungen
können so angeordnet sein, daß die Drehrichtung der Terwirbelungsluft eines !Teils der Einlaßöffnungen
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entgegengesetzt zu der Drehrichtung der Primärluft verläuft, die aus den.übrigen Einlaßöffnungen austritt·
Jeder Primärlufteinlaß kann eine Ablenkeinrichtung aufweisen,
die sowohl den Winkel, unter dem die Primärluft im verwirbelten Zustand in die Brennkammer eintritt, als auch
die Ausbreitung der Hasse der verwirbelten Primärluft steuert.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Xn der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht einer gemäß der Erfindung aufgebauten Brennkammer,
Pig. 2 in kleinerem Maßetat» einen Teilschnitt nach der
Linie 2-2 gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 3 gemäß Fig. 1,
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 4,
Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie C-C gemäß Fig. 3, Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie D-D gemäß Fig. 3t
Fig. 8 eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Brennkammer.
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Die ringförmige Brennkammer 10 für ein nicht dargestelltes
Gasturbinentriebwerk umfaßt ein geschlossenes stromaufwärtiges Ende 12, ein offenes stromabwärtiges Ende 14 und
mehrere Einlasse 16 in den Wänden 18 zum Einlaß der Verdünnungsluft
.
Das stromaufwärtige Ende 12 besitzt einen Sing aus in Umfangsrichtung
im Abstand zueinander angeordneten Frimärlufteinlaßöffnungen 20, die mit Brennstoffeinlaßöffnungen
22 abwechseln, in denen (jeweils ein Luftstrahl-Brennstoffinjektor
24 angeordnet ist, die lediglich schematisch dargestellt
sind.
Jede Primärlufteinlaßöffnung 20 besitzt eine Verwirbelungsvorrichtung
26, die eine Wirbelbewegung auf die Primärluft ausübt, wenn diese in die Brennkammer eintritt.
Sämtliche Verwirbelungsvorrichtungen 26 in Gestalt von
Wirbelschaufeln prägen der Primärluft die gleiche Drehrichtung auf.
Jede Verwirbelungsvorrichtung besitzt mehrere im Winkel angestellte Schaufeln 26, die von einem Ring 30 getragen
werden, der einen zentralen Ansatz 32 mittels dreier Arme 34 trägt. Ein Ablenkkörper 36 ist einstellbar auf einem
Bolzen 38 gelagert, der in den Ansatz 32 eingeschraubt ist.
Die Lufteinlaßöffnungen 20 und die Brennstoffeinlaßöffnungen
22 sind in Aufbauten 40 angeordnet, die jeweils eine Einlaßöffnung 22 aufweisen, welche von einer Lufteinlaßöffnung
20 auf jeder Seite flankiert ist.
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Venn die Aufbauten zusammengebaut werden, um das stromaufwärtige
Ende 12 der Brennkammer zu bilden, dann sind jeweils zwischen benachbarten BrennstoffeinlaBöffnungen Je
zwei Lufteinlaßöffnungen vorgesehen·
Jeder Aufbau 40 (vgl. insbesondere die Pig. 3, 4- und 5)
weist eine Grundplatte 4-2 und eine Frontplatte 44- auf, die
zwischen sich eine Füllkammer 46 definieren. Me Grundplatte 42 besitzt mehrere Öffnungen 48, durch die Kühlluft
in die Füllkammer einströmen und so die Platte 44- kühlen kann. Dann tritt die Kühlluft aus der Füllkammer über eine
große Zahl von Löchern 50 aus, die einen relativ kleinen
Durchmesser besitzen.
Im Betrieb tritt Brennstoff zusammen mit unverwirbelter
Luft in die Brennkammer durch die Brennstoff Injektoren 24 ein und Primärluft vom Kompressor des Triebwerks tritt
durch die Terwirbelungsvorrichtung 26 ein. Der Brennstoff eines jeden Injektors wird plötzlich mit der Hasse der
Verwirbelungsluft fortgeführt, die durch die Verwirbelungsvorrichtungen
auf beiden Seiten eintritt. Wegen der 7erwirbelungsvorrichtungen dreht sich die Primärluft in
der gleichen Sichtung und der Brennstoff von jedem Injektor sucht sich in zwei feile aufzuteilen, nämlich ein Teil
wird mit der Primärluft abgeführt, die auf einer Seite dee Brennstoff Injektors eintritt, und der andere Teil wird mit
der Primärluft fortgeführt, die auf der anderen Seite des Brennst off Injektors eintritt. Dies geht anschaulich aus
Fig. 3 hervor. Diese Figur zeigt, daß die linke Verwirbelungsvorrichtung
den Brennstoff von der linken Seite des Brennstoff Injektors aufzunehmen sucht und diesen nach der
Innenwand der Brennkammer richtet, während die recht·
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Verwirbelungsvorrichtung den Brennstoff von der rechten Seite des BrennstoffInjektors aufzunehmen sucht und Ihn
nach der Außenwand der Brennkammer richtet. Brennstoff und Luft werden auf diese Weise in einer relativ kurzen Zeit
und auf einem relativ kleinen Volumen innig vermischt.
Die Ablenkkörper 36 bewirken auch eine Steuerung des Winkels,
mit dem die verwirbelte Hasse von Primärluft in die Brennkammer eintritt, und der Ablenkkörper dient auch dazu,
die stromabwärtige Ausbreitung der Frlmärluft zu begrenzen. Dies wird durch einen Momentenausgleich von Wirbelluftströmung
und Ablenkluftströmung erreicht durch Einstellung des Auslaßspaltes X (Fig. 6) des Ablenkkörpers,
was dazu führt, da£ ein größerer Verwirbelungsaustrittswinkel
sich einstellt mit der Folge.einer großen Luft/ Brennstoff-Scherfläche in einem sehr kurzen stromabwärtigen
Abstand. Die Ablenkkörper unterstützen zwar die Steuerung der Primärluft, sind jedoch für eine befriedigende
Arbeitsweise nicht unbedingt notwendig und können gegebenenfalls weggelassen werden. Die Benutzung der Ablenkkörper
für die Zwecke der beschriebenen Steuerung ist jedoch äußerst nützlich und es können bei gegebener Verwirbelungsoberfläche
größere Luftmengen in einer kurzen Zeit bei relativ kleinem Volumen vermischt werden, d. h. dicht
am stromaufwärtigen Ende der Brennkammer und infolgedessen
dicht benachbart zu den Brennstoffeinspritzpunkten.
Eine Brennkammer gemäß der Erfindung arbeitet, wie sich gezeigt hat, mit Dieselbrennstoff,ohne schwarzen Bauch bei
Irgendeiner Leistungseinstellung zu erzeugen oder ohne weißen Bauch zu erzeugen, wenn das Triebwerk im Leerlauf
lauft, wobei jedoch die Wirksamkeit der Verbrennung bei
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Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit* einen
Ausführungsbeispiel beschrieben, das zwei LufteinlaßSffnungen zwischen zwei benachbarten Brennstoffeinlaßöffnungen
besitzt. Die Zahl der Primärlufteinlaßöffnungen »wischen zwei benachbarten Brennstoffeinlaßöffnungen kann jedoch
zwecks Anpassung an die Jeweiligen Verhältnisse geändert werden, vorausgesetzt, daß wenigstens eine PrimärlufteinlaSdffnung
zwischen zwei benachbarten Brennstoffeinlaßöffnungen
vorgesehen ist.
Im folgenden wird auf Fig. 8 der Zeichnung Bezug genommen. Hierbei ist die Erfindung dargestellt in Verbindung
mit einer Brennkammer mit ringförmiger Anordnung von
Flammrohren, bei der die Zahl der einzelnen zylindrischen Brennkammern 100 (Flammrohren) innerhalb eines Binges 102
liegt, der durch eine Innenwand 104 und eine Außenwand definiert wird. Jede Brennkammer 100 besitzt ein geschlossenes
stromaufwärtiges Ende und ist mit einer zentralen Brennstoffeinlaßöffnung 108 versehen, in der ein Brennstoff
injektor 110 angeordnet ist, und es sind mehrere in gleichem Abstand zueinander angeordnete Lufteintrittsoffnungen
112 vorgesehen, die jeweils mit Kitteln 114 versehen sind, um eine Wirbelbewegung auf die einströmende Primärluft
auszuüben.
Die Verwirbelungsvorrichtungen 114 können, wie in Verbindung
mit dem obigen Ausführungsbeispiel beschrieben, ausgebildet
und angeordnet sein, wobei die Arbeitsweise der Verwirbelungsvorrichtungen derart 1st, daß Brennstoff und
Primärluft schnell innerhalb eines kurzen Abstandes vom
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stromaufwärtigen Ende der Brennkammer vermischt werden.
Die Richtung, in der die Wirbel der Primärluft sich drehen, ist die gleiche wie im Falle des oben beschriebenen
Ausführungsbeispiels. Venn es jedoch spezielle Umstände erfordern,kann eine Gruppe oder es können Gruppen von Verwirbelungsvorrichtungen
die Primärluft in der Gegenrichtung zu der Luft der übrigen Gruppe oder der übrigen Gruppen
drehen. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß jeder Brennstoff injektor keinen koaxialen VerwirbelungslufteinlaB
besitzt, der dem Injektor zugeordnet ist, und in gleicher Weise besitzt kein Lufteinlaß nebst
zugeordneter Verwirbelungsvorrichtungen einen zugeordneten koaxialen Brennstoffinjektor. Bas Wesen der Erfindung besteht
demgemäß darin, daß die Lufteinlaßöffnungen und die Verwirbelungen in TJmfangsrichtung oder in Radialrichtung
im Abstand von den Brennstoffeinspritzöffnungen und den Brennst of fin j ektoren liegen, wenn diese in Betrieb befindlich
sind.
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Leerseite
Claims (9)
1.yBrennkammeranordnung für ein Gasturbinentriebwerk mit
-^ wenigstens einer Brennkammer, die ein geschlossenes
stromaufwärtiges Ende und ein offenes stromabwärtiges
Ende sowie Einlasse in den Brennkaamerwänden für die
Verdünnungsluftströmung aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß das geschlossene
stromaufwärtige Ende einen Ring von in Umfangsrichtung
angeordneten Primärlufteinlaßöffnungen und wenigstens eine Brennstoffeinlaßöffnung besitzt, daß die Brennst
of feinlaßöffnung bzw. die -öffnungen so angeordnet sind, daß sie einen Brennstoffinjektor aufnehmen, daß
(jede Primärlufteinlaßöffnung Mittel aufweist, um der
Primärluft eine Wirbelbewegung aufzuprägen, und daß der Hing von Primärlufteinlaßöffnungen mit wenigstens
einer Brennstoffeinlaßöffnung versehen ist.
2. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, bestehend aus einer ringförmigen Brennkammer mit einem geschlossenen
stromaufwärtigen Ende und einem stromab offenen Ende
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sowie Einlassen in den Wänden für die Yerdünnungaluftstr&mung,
dadurch gekennzeichnet , daß das geschlossene stromaufwärtige Ende einen Hing
von in Umfangsrichtung angeordneten Primärlufteinlaßöffnungen
besitzt, die mit eine« Ring von Brennstoffeinlaßöffnungen
abwechseln, wobei jede Brennstoffeinlaßöffnung
so angeordnet ist, daß sie einen Brennet off injektor aufnimmt,und jede Frimärluft einlaBSffnung
Mittel besitzt, ua eine Wirbelbewegung auf die Primärluft aufzuprägen, und daß eine oder mehrere Pri-Btärlufteinlaßöffnungen
zwischen jeweils zwei Brennstoff einlaßöffnungen angeordnet sind.
3. Brennkammeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens zwei Pri-■arlufteinlaßöffnungen
zwischen je zwei Brennstoff einlaßöffnungen vorgesehen sind·
4. Brennkammer anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur AufprS-gung
einer Wirbelbewegung auf die Frimärluft aus einer Anzahl von im Winkel angestellten Schaufeln bestehen,
die in jeder Primärlufteinlaßöffnung angeordnet sind.
5. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Aufpragung
einer Wirbelbewegung auf die Frimärluft so angeordnet sind, daß die Frimärluft in jeder Primärlufteinlaßoffnung
in der gleichen Sichtung rotiert.
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6. Brennkammer anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Aufprägen
einer Wirbelbewegung auf die Primärluft so angeordnet sind, daß die Drehrichtung der verwirbelten
Primärluft bei einigen der Primärluft ei nlaßSf fnungen
der Drehrichtung der Primärluft der übrigen Brennstoffeinlaßöffnungen
entgegengesetzt ist.
7· Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede Primärlufteinlaßöffnung
einen Deflektor mit veränderbarer Fläche aufweist, durch den die Primärluft in die Brennkammer
eintritt.
8. Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7
mit ringförmigem Aufbau, dadurch gekennzeichnet , daß das geschlossene stromaufwärtige
Ende mehrere in Umfangerichtung angeordnete Primärlufteinlaßöffnungen
und mehrere in ümfangsrlchtung angeordnete Brennstoffinjektoröffnungen aufweist, daß
ein Brennstoffinjektor in jeder Brennstoffinjektoröffnung
angeordnet ist, daß jede Primäreinlaßöffnung Primärluftverwirbelungseinrichtungen
aufweist, daß die Brennstoff injektor en und die Primärlufteinlaßöffnungen
relativ zueinander so angeordnet sind, daß wenigstens zwei Primärlufteinlaßöffnungen zwischen jeweils zwei
Brennstoffinjektoren angeordnet sind, daß die Primärluftverwittbelungsvorrichtungen
so angeordnet sind, daß die Primärluft von jeder Primärlufteinlaßöffnung in
der gleichen Drehrichtung verwirbelt wird, und daß die gesamte Primärluft, die durch die Einlaßöffnungen
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eintritt, verwirbelt wird, während die Luft, die in die Brennkammer über die Brennet off Injektoren eintritt,
unverwirbelt ist.
9. Brennkammeraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ringförmiger Anordnung von Flammrohren zwischen einem
äußeren und inneren Gehäuse, dadurch gekennzeichnet , daß Jedes Flammrohr einen zentralen
Brennstoffinjektor aufweist, der in einer Brennst
offinjektoröffnung im stromoberseitigen Ende der Kammer
angeordnet ist, und daß mehrere im gleichen Vinkelabstand angeordnete Primärlufteinlaßöffnungen in
dem Flammrohrkopf angeordnet sind und Jede Primärlufteinlaßöffnung
eine zugeordnete Primärluftverwirbelungseinrichtung
aufweist, die die Primärluft in der gleichen Richtung in Jeder Primärlufteinlaßöffnung
rerwirbelt, und daß sämtliche Primärluft, die in das Flammrohr über die Einlaßöffnungen eintritt, verwirbelt wird, und daß die Luft, die in die Brennkammer
über die Brennstoffinjektoröffnung eintritt, unverwirbelt
bleibt.
030008/0851
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