DE3215641A1

DE3215641A1 - Ringbrenner fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3215641A1
Application number: DE19823215641
Authority: DE
Inventors: Desmond Derby Close; Anthony Pidcock
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-05-11
Filing date: 1982-04-27
Publication date: 1982-12-09
Also published as: JPS57192729A; FR2505401A1; GB2099978A

Description

Ringbrennkammer für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ringbrennkammer für ein Gasturbinentriebwerk und befaßt sich mit der Verminderung unerwünschter Triebwerksemissionen.

Die Einführung gesetzlicher Bestimmungen hinsichtlich der Umweltverschmutzung, insbesondere in den USA haben dazu geführt, daß von den Gasturbinenherstellern große Anstrengungen unternommen werden müssen, um die unerwünschten Emissionen von Gasturbinentriebwerken zu vermindern. Diese Emissionen treten auf in Form teilweise verbrannten Brennstoffs und in Form von Kohlenmonoxiden, die gewöhnlich bei Schwachlastbedingungen erzeugt werden, während Stickoxide und Rauch gewöhnlich bei Hochleistungsbedingungen zu erwarten sind. Es hat sich als sehr schwierig erwiesen, all diese Emissionen durch eine einzige Gestaltung der Brennkammer zu steuern, selbst wenn man Verbrennungseinrichtungen mit einem mehrstufigen Brennstoffinjektorsystem vorsieht. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die Lösung des Problems bei Schwachlast die Probleme bei Vollast verschlimmert und umgekehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungseinrichtung zu schaffen, bei der die Emissionen bei Schwachlast und der Rauch, der bei Vollast auftritt, genau kontrolliert werden können, während die Emission von Stickoxiden wenigstens teilweise unter

Kontrolle gelangt.

Zur Lösung dieser Aufgabe bedient sich die Erfindung einer genauen Steuerung der aerodynamischen und thermodynamischen Prozesse, die innerhalb der Primärzone der Verbrennungseinrichtung stattfinden.

Die Erfindung sieht eine Ringbrennkammer für ein Gasturbinentriebwerk vor, welche einen Ringabschnitt aufweist, der von einer inneren und einer äußeren Ringwand und einer stromaufwartigen Stirnwand begrenzt ist. Die innere und die äußere Wand besitzen mehrere Öffnungen, durch die Luft in die Ringkammer einströmen kann. Auch die stromaufwärtige Wand besitzt mehrere im gleichen Abstand zueinander angeordnete öffnungen, an denen je ein am Ende offener topfartiger Einsatz angeordnet ist, und zwar koaxial zu jeder Öffnung in dieser Stirnwand. Der von dem divergierenden Abschnitt des Einsatzes eingeschlossene Winkel kann zwischen 30 und 90° liegen. Im stromaufwartigen Ende eines jeden Einsatzes sind ein Brennstoff injektor und eine Verwirbelungseinrichtung vorgesehen, wobei die Luftverwirbelungseinrichtung zwischen dem Brennstoff injektor und der Wandung des Einsatzes liegt. Die Luftverwirbelungseinrichtung besteht aus mehreren gekrümmten Schaufeln, die in der Lage sind, die Luftströmung über einen Winkel bis zu 65° abzulenken. Wenigstens einige der Öffnungen in der inneren und äußeren Wand sind so ausgerichtet, daß eine Luftströmung über die stromabwärt ige Seite der stromaufwartigen Stirnwand gerichtet wird.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines

Gasturbinentriebwerks mit einer Ringbrennkammer gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine schematische Ansicht der Ringbrennkammer gemäß der Erfindung ;

Fig. 3 eine schematische Ansicht des stromaufwärtigen Endes der Brennkammer gemäß Fig. 2 in einem größeren Maßstab;

Fig. 4 das stromaufwärtige Ende einer abgewandelten Ausführungsform einer Brennkammer gemäß der Erfindung ;

Fig. 5 eine weitere Abwandlung der Brennkammer gemäß der Erfindung ;

Fig. 6 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A gemäß Fig . 5 ;

Fig. 7 eine in größerem Maßstab gezeichnete Ansicht der Einzelheit B gemäß Fig. 5;

Fig. 8 einen Brennstoff injektor der Luftsprühbauart, der zur Benutzung in Verbindung mit den Brennkammern gemäß Fig. 3, 4 und 5 bis 7 anwendbar ist;

321564

Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie 9-9 gemäß Fig. 8.

Figur 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem einstufigen Gebläse 12, welches durch eine Turbine 14 angetrieben wird, mit einem Zwischendruckkompressor 16, der durch eine Zwischendruckturbine 18 angetrieben wird und mit einem Hochdruckkompressor 20, der durch eine Hochdruckturbine 22 angetrieben wird und mit einer Verbrennungseinriehtung 24.

Die vom Gebläse 12 beschleunigte Luft strömt durch einen Nebenstromkanal 26 und wird durch eine Schubdüse 28 ausgeblasen. Die Abgase der Turbinen 14, und 22 treten durch eine Schubdüse 30 aus.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Verbrennungseinriehtung 24 weist eine Ringbrennkammer 32 auf, die durch eine Innenwand 34, eine Außenwand 36 und eine stromaufwärtige Stirnwand 38 definiert ist. Mehrere Düsenleitschaufeln 40 sind am stromabwärtigen Ende der Kammer angeordnet. Die Brennkammer selbst liegt innerhalb eines ringförmigen Gehäuses 42, das von einer Innenwand 44, einer Außenwand 46 und einer stromaufwärtigen Stirnwand 48 gebildet ist. Dem ringförmigen Gehäuse 42 wird komprimierte Luft vom Hochdruckkompressor 20 über eine Reihe von Auslaßleitschaufeln 50 und über einen "Dump-Diffusor" 52 zugeführt. Die stromaufwärtige Wandung 38 besitzt mehrere in Umfangsrichtung verlaufende, im gleichen

Abstand zueinander angeordnete öffnungen 54,und konzentrisch zu jeder Öffnung ist ein topfartiger Einsatz 56 angeordnet, der einen Winkel von etwa 90° umschließt und nach stromab gerichtet ist. Ein Brennstoff injektor 58 liegt am stromaufwärtigen Ende eines jeden Einsatzes und eine Luftverwirbelungsvorrichtung 60 liegt zwischen dem Brennstoff injektor und dem topfförmigen Einsatz.

Ein Gehäuse 62 in Form eines Halbtorus umschließt das stromaufwärtige Ende jeder Brennkammer 32, und dieses Gehäuse 62 besitzt eine Vielzahl von Öffnungen 64, durch die Luft sowohl in die Primärzone der Brennkammer als auch nach dem Brennstoff injektor gelangen kann, wobei jeder Brennstoff injektor in einen derartigen topfförmigen Einsatz eingebaut ist.

Jeder Brennstoff injektor ist vorzugsweise von der Luftversprüh-Bauart, d.h. es ist ein Injektor in dem eine unter hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck stehende Luftströmung auf eine Brennstoffströmung auftrifft, die entweder in Form eines Brennstoffilms oder in Form einzelner Strahlen vorliegt, damit eine Zerstäubung des Brennstoffs bewirkt wird.

Gemäß Fig. 3 umfaßt die Brennstoffverwirbelungseinrichtung 60 eine Reihe gekrümmter Schaufeln, die in der Lage sind die Luftströmung um einen Winkel von 65° oder dergleichen umzulenken.

321564!

Die Innenwand 34 und die Außenwand 36 umfassen Lufthut zen 66 zur Einleitung von Verdünnungsluft und außerdem Einlasse 68, 70 und 72 zum Einlaß von Luft, die hauptsächlich der Kühlung der Wände der Brennkammer dient. Im typischen Fall bestehen die Einlasse 68, 70 und 72 aus einer Anzahl dicht benachbart angeordneter Löcher, die in einem bestimmten Winkel gebohrt sind um zu gewährleisten, daß die Kühlluft in der erforderlichen Richtung strömt. Die Strömung durch die Einlasse 68 hat außer ihrer Kühlwirkung auf die stromaufwärtige Wand 38 noch eine Strömungssteuerfunktion, wie weiter unten beschrieben wird.

Die einzelnen Merkmale der Anordnung sind so angeordnet und bemessen, daß die folgenden Wirkungen erzeugt werden:

Ein kräftiger Doppelwirbel, der im wesentlichen das gesamte Primärzonenvolumen umfaßt, d.h. das Volumen stromauf der Lufthutzen 66; eine Vorrichtung die verhindert, daß Brennstoff in die Wandkühlströmung eingesaugt wird; im wesentlichen sämtliche Metalloberflächen werden durch eine Strömung schnell abfließender Luft abgewaschen, um eine Kohlenstoffanlagerung zu verhindern und die zu kühlenden Oberflächen so gering als möglich zu halten.

Der kräftige Doppelwirbel wird durch die topfförmigen Einsätze 56 mit großem öffnungswinkel erreicht, und die Strömung wird durch eine Verwirbelungsvorrichtung 60 an dem topfförmigen Einsatz angeheftet, denn die Verwirbelungsvorrichtung ist in der Lage, die

Luftströmung über Winkel von 60° und mehr abzulenken. Die nach innen gerichtete Luftströmung durch die Einlasse 68, die normal zur Längsachse der Brennkammer verlaufen, verhindert, daß irgendwelcher Brennstoff in den Doppelwirbel aus dieser Strömung abgezogen und in die Kühl luftströmung benachbart zu den Wänden 34 und 46 der Verbrennungseinrichtung eingesaugt wird.

Von den Oberflächen der Verbrennungsvorrichtung wird das Innere der topfförmigen Einsätze durch die Verwirbelungsluft abgewaschen, die von der Verwirbelungsvorrichtung 60 herrührt. Die Stirnwand 38 wird durch die Luft abgewaschen, die durch die Einlasse 68 einströmt, und die Wände 34 und 36 werden durch Luft abgewaschen, die durch die Einlasse 70, 72 einströmt.

Die Benutzung von topfartigen Einsätzen 56 mit breitem Auslaßwinkel und der erwünschte kräftige Doppelwirbel haben zusätzlich einen vorteilhaften Einfluß auf die Verminderung der Oberfläche, die gekühlt werden muß.

Im Betrieb wird dem Brennstoff injektor 58 Brennstoff zugeführt, und die Luft strömt durch den Brennstoffinjektor, die Verwirbelungsschaufeln 60 und die Lufteinlässe 66, 68, 70 und 72. In der Primärzone der Brennkammer wird infolge der Weitwinkeleinsätze 56 und der Wirbelschaufeln 60 eine kräftige torusförmige Wirbelströmung erzeugt, wie dies durch die Pfeile A und B angedeutet ist. Dabei findet eine sehr schnelle Vermischung von Brennstoff und Luft selbst bei

Schwachlastbedingungen statt, unter denen wegen dem relativ geringen Druck und der niedrigen Geschwindigkeit der Luft durch den Brennstoff injektor die Zerstäubungswirkung dieser Luftströmung vermindert wird. Jeder Brennstoff, der aus der Hauptwirbelströmung nach der Wandkühlströmung abfließen möchte, wird durch die Luftströmung gefangen, die durch die Einlasse 68 eintritt, so daß der Brennstoff in der Wirbelströmung festgehalten wird. So nimmt im wesentlichen der gesamte Brennstoff an der Verbrennung teil, und insbesondere auch bei Schwachlast, wodurch die Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide bei dieser Lastbedingung vermindert werden.

Die aerodynamischen und die thermodynamischen Bedingungen, die in der Primärzone der Brennkammer erzeugt werden, schaffen auch die Möglichkeit daß das Luftbrennstoff verhältnis in der Primärzone sowohl bei Schwachlast als auch bei Vollast reicher gehalten werden kann. Bei geringer Leistung kann das reichere Brennstoffluftverhältnis toleriert werden, weil die Verbrennung verbessert ist und bei Vollast sucht das reichere Brennstoffluftverhältnis die NO -Emissionen zu ver-

mindern, obgleich ein Ansteigen des Rauchpegels erfolgen kann, jedoch nicht auf einen unzulässig hohen Wert.

Im folgenden wird auf Fig. 4 der Zeichnung Bezug genommen. Die Brennkammer 32 besitzt einen V-förmigen Kühlring 74 in jeder Wand 34, 36 und jeder Kühlring hat einen stromaufwärts gerichteten Lufteinlaß 76 und

einen nach stromab gerichteten Einlaß 78. Die Luft, die durch diese Einlasse strömt, dient der Kühlung der Wände der Brennkammer. Jedoch wird die durch die Einlasse 76 einströmende Luft auch noch benutzt, um die Strömung durch die Einlasse 68 zu unterstützen um zu verhindern, daß Brennstoff in die Kühlluftströmung eingesaugt wird.

Jeglicher Brennstoff, der mit der Kühlluft vermischt wird, ist schwer brennbar, weil das Luft-Brennstoff-Verhältnis schwach ist und weil die Temperatur niedrig ist.

Fig. 8 zeigt einen Luftsprüh-Brennstoffinjektor 58, bestehend aus einem rohrförmigen Körper 80 und einem hohlen, in Strömungsrichtung divergierenden Zentralkörper 82, die zwischen sich einen Venturikanal 84 definieren, der in einem Steuerspalt 86 endet. Der Injektor ist zentral zu dem Ring von Verwirbelungsschaufeln 60 angeordnet, und besitzt eine Brennstoffringleitung 88 mit im Winkel angestellten Brennstoffeinlässen 90, die in dem Kanal 84 münden.

Die Verwirbelungsschaufein bestehen vorzugsweise aus mehreren gekrümmten Schaufeln, statt wie es üblich ist, aus mehreren im Winkel angestellten geraden Schaufeln, die die Strömung abreißen lassen und nur teilweise voll von der Luft umströmt sind, wenn die Luft über Größewinkel, z.B. größer als 45° abgelenkt wird. Wie aus Fig. 9 ersichtlich, sind die Schaufeln der Verwirbelungsvorrichtung so angeordnet, daß die . Luft um Winkel bis herauf zu 65° umgelenkt wird, und sie haben jeweils einen Einlaßabschnitt, der auf die

einströmende Luft ausgerichtet ist und in die stromabwärtige Schaufeloberfläche übergeht, die den gewünschten Auslaßwinkel bildet. Vorzugweise sind die zwischen den Schaufeln 60 gebildeten Auslaßkanäle relativ lang um zu gewährleisten, daß die die Verwirbelungsvorrichtung verlassende Luft mit dem gewünschten Winkel abströmt statt mit einem Winkel abzuströmen, der kleiner ist als der gewünschte Winkel.

Wie aus Fig. 5, 6 und 7 ersichtlich, wo gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist die Gesamtlänge der Verbrennungsvorrichtung 24 innerhalb eines Triebwerksgehäuses 92 vorgesehen. Zwei ringförmige Einlagen 94 und 96 liegen zwischen der Innenwand 34 der Brennkammer und der Innenwand 44 des ringförmigen Gehäuses bzw. zwischen der äußeren Wand 36 der Brennkammer und der Außenwand 46 des ringförmigen Gehäuses. Diese Einsätze dienen zur Steuerung der Geschwindigkeit der Luft, die dazwischen und den Brennkammerwänden abströmt.

Das stromaufwärtige Ende der Brennkammer wird durch mehrere Zapfen 98 festgelegt, die jeweils durch die Brennstoffinjektoren 58 getragen werden, und diese Zapfen stehen in eine Öffnung in einer Platte 100 ein, die am Gehäuse 62 festgelegt ist. Die Figuren 6 und zeigen im einzelnen die Befestigung der topfförmigen Einsätze 56 an der Wand 38 und einen ringförmigen Hitzeschild, der aus mehreren aneinanderstoßenden Segmenten 102 besteht, die jeweils mit einer kreisförmigen Öffnung 104 ausgestattet sind, die dem

stromabwärtigen Durchmesser des jeweiligen topfförmigen Einsatzes 56 entspricht.

Die Hotzeabschirmsegmente sind mit Kühl luftdurchtrittsöffnungen 106 im Flansch 56a eines jeden topfförmigen Einsatzes versehen. Die Kühlluft strömt in einen Raum 108 ein, der zwischen dem Hitzeabschirmsegment und dem Flansch 56a ausgebildet ist, und sie strömt dann durch einen Ringspalt 110 zwischen dem Segment und dem topfförmigen Einsatz.

Es ist zweckmäßig, daß der von jedem topfförmigen Einsatz 56 umschlossene Winkel 90° beträgt, um eine kräftige Strömungsumkehr in der Primärbrennzone zu gewährleisten und um die Fläche der stromaufwärtigen Wand zu vermindern. Es kann jedoch notwendig sein, diesen Winkel zu verringern, um die Strömung unter allen Betriebsbedingungen an der Wand des topfförmigen Einsatzes anhaften zu lassen. Die Lebensdauer der Bauteile kann auf diese Weise auf Kosten einer Vergrößerung der Oberfläche erlangt werden, die gekühlt werden muß, und dies würde eine größere Kühl luftströmung erfordern.

Leerseite

Claims

Patentanwälte .-' _;* . : ::.;. . ftjipl.-lng. Curt Wallach

Europäische Patentvertreter" " " 'bipi.-lng. 6ünther Koch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 vakai d

27. April 1982

Rolls-Royce Limited Unser Zeichen: ^{17 446} -

Buckingham Gate
London SW1E 6AT

Ringbrennkammer für ein Gasturbinentriebwerk

Patentansprüche:

Ringbrennkammer für ein Gasturbinentriebwerk die durch eine innere und eine äußere Wand sowie eine stromaufwärtige Stirnwand definiert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die innere und die äußere Wand mehrere Öffnungen aufweisen, um Luft in den Ringkammerabschnitt einströmen zu lassen, daß die stromaufwärtige Stirnwand mehrere im gleichen Abstand zueinander angeordnete Öffnungen aufweist, daß ein konisch gestalteter, am Ende offener topfförmiger Einsatz (56) an der stromaufwärtigen Wand koaxial zu jeder Öffnung der Stirnwand angeordnet ist, daß der von jedem topfförmigen Einsatz eingeschlossene Winkel zwischen 30° und 90° beträgt, daß ein Brennstoff injektor und eine Verwirbelungsvorrichtung im stromaufwärtigen Ende eines jeden Einsatzes angeordnet ist, daß die Luftverwirbelungsvorrichtung

zwischen dem Brennstoff injektor und der Wand des Einsatzes liegt, und daß jede Luftverwirbelungsvorrichtung mehrere gekrümmte Schaufeln aufweist, die in der Lage sind, die Luft über einen Winkel bis zu 65° abzulenken, und daß wenigstens eine der öffnungen in der Innenwand und der Außenwand derart ausgerichtet sind, daß sie eine Luftströmung über die stromabwärtige Fläche der stromaufwärtigen Stirnwand richten.

Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffinjektor einen Luftsprühbrenner aufweist, der einen ringförmigen Venturikanal besitzt, welcher in einem Steuerspalt endet, um eine Brennstoffluftmischung in die Primärzone der Brennkammer einzuspritzen.

Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der öffnungen in den Ringwänden eine Luftströmung längs dieser Wände stromauf gerichtet eintreten lassen, um die Luftströmung über die stromabwärtige Seite der stromaufwärtigen Stirnwand zu verstärken.

Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärtige Stirnwand der Brennkammer einen ringförmigen Wärmeschild aufweist, der aus mehreren benachbarten Segmenten besteht, die an der Stirnwand befestigt sind und kreisförmige Öffnungen

1 ι 5o«4 ι

entsprechend den stromabwärtigem Durchmesser der topfförmigen Einsätze (56) aufweisen.

5. Ringbrennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmeschildsegment mit einer Kühl luftströmung über einen Ringspalt zwischen dem Segment und dem jeweiligen topfförmigen Einsatz versehen ist.

6. Ringbrennkammer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer in einem ringförmigen Luftgehäuse untergebracht ist, und daß Steuerwände zwischen den Wänden des Luftgehäuses und der Brennkammer vorgesehen sind, um die Geschwindigkeit der Luft zu steuern, die zwischen den Steuerwänden und der Brennkammer abfließt.

7. Ringbrennkammer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das stromaufwärtige Ende der Brennkammer .von Zapfen (98) festgelegt wird, die von jedem Brennstoff injektor (58) getragen werden und jeweils in eine öffnung an einem Abschnitt der Brennkammer stromauf der Stirnwand eingreifen.

8. Ringbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführung nach der Brennkammer über einen Diffusor vom Hochdruckkompressor des Triebwerks her erfolgt.