DE2412604A1

DE2412604A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2412604A1
Application number: DE2412604A
Authority: DE
Inventors: Vernon Frederick Cox; Roger Geoffrey Fox
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-03-20
Filing date: 1974-03-15
Publication date: 1974-09-26
Also published as: BE812506A; IE39341L; US3952503A; JPS5313723B2; AU6681474A; LU69649A1; JPS5025917A; FR2222535A1; DE2412604B2; DE2412604C3; SE390051B; GB1429677A; IE39341B1; DK138463C; CA987918A; FR2222535B1; NL7403662A; DK138463B

Description

PATHJiTAIiWALT

DIPL·. ING. ß. HÖLZER

AUGSBUKG

PEtItIPPIIfE-WKI₁S ER-STBASSS! 14

R, 880

Augsburg, den l4. März 1974

Rolls-Royce (1971) Limited, 14/15 Conduit Street,

London W,l, England

Brennkammer für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, mit einem Flammrohr mit etwa kreisförmigem Querschnitt«

Es ist festgestellt worden, daß eine der Ursachen für die in den Brennkammern von Gasturbinentriebwerken erzeugten Verunreinigungen, beispielsweise Rauch,

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Kohlenmonoxyd usw», darin liegt, daß etwas von dem eingespritzten Kraftstoff in der primären Verbrennungszone im flüssigen Zustand verbleibt und die konkave stromaufseitige Flammrohrwandung erreicht. Dort bildet dieser flüssige Kraftstoff einen dünnen Film und wird von der allgemeinen Gasströmung innerhalb des Flammrohrs stromabwärts entlang der Flammrohrwandung transportiert und es findet, da diese Wandung verhältnismäßig kühl ist, nur eine geringe Vermischung in den in Wandungsnähe befindlichen Strömungsbereichen statt« Der Kraftstoff wird nur teilweise verbrannt, bevor er das Flammrohr an dessen stromabseitigem Ende verläßt.

Ein Teil dieses Kraftstoffs kann von den radial in das Flammrohr einströmenden Luftstrahlen erfaßt werden, die durch die Primär- und Sekundärlufteintrittsöffnungen in der Flammrohrwandung und durch andere, zu anderen Zwecken in die Flammrohrwandung gebohrten Bohrungen in das Flammrohr eintreten. Ein großer Teil des Kraftstoffilmes an der Flammrohrwandung bewegt sich jedoch zwischen diesen Eintrittsöffnungen hindurch und an den Rändern dieser Eintrittsöffnungen auftretende Rezirkulationswxrkungen neigen dazu, den Kraftstoffilm zwischen diesen öffnungen wieder zu verstärken,

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Es ist nicht möglich, die Plammrohrwandung mit größeren Anzahlen von Bohrungen zu versehen, ohne die Wandung zu schwächen und den notwendigen Kühlluftfilm auf der Innenfläche der Flammrohrwandung zu unterbrechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs dargelegten allgemeinen Art im Sinne der Verringerung des genannten Kraftstoffilms zu verbessern,

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Brennkammer gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Plammrohrwandung eine schlitzförmige, im wesentlichen kontinuierlich um den ganzen Plammrohrumfang verlaufende Durchtrittsöffnung aufweist, durch welche Luft von außerhalb des Flammrohrs in das Flammrohrinnere einströmen kann.

Die Erfindung löst die obengenannten Probleme durch Erzeugung eines ringförmigen Luftvorhangs, der von der Flammrohrwandung ausgeht, wobei gleichzeitig der Kühlfilm auf der stromab des Luftvorhangs gelegenen Flammrohrwandung aufrechterhalten bleibt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die

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Brennkammer zusätzlich einen Kraftstoffverdampfer auf, der am Anfang des Flammrohrs angeordnet ist und einen zylindrischen Verdampferrohrteil aufweist, der von einer Ummantelung umgeben ist. Die Ummantelung begrenzt einen Ringraum, durch welchen Kühlluft zugeführt wird, und weist in ihrer Wandung Bohrungen auf, durch welche sämtliche Kühlluft aus dem Ringraum in mit Bezug auf das zylindrische Verdampferrohrteil im wesentlichen radialer Richtung ausströmt,

Durch diese Anordnung wird ein Zusammenwirken zwischen der von der Flammrohrwandung einwärts gerichteten Luftschranke und den im wesentlichen radialen Luftstrahlen der Verdampferuimnantelung erreicht, die eine verbesserte Durchmischung der Luft und des Kraftstoffs in der Primärzone der Brennkammer zur Folge hat»

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben« Es zeigen:

Fig, 1 eine schematische Darstellung

eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer nach der Erfindung,

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Pig, 2 einen Axialschnitt durch die

Brennkammer des in Pig· I dargestellten Triebwerks, der jedoch nur das stromaufseitige Ende des Flammrohrs zeigt,

Pig, 3 einen vergrößerten Ausschnitt des

in Pig« 2 dargestellten Flammrohrs, und

Fig» 4 einen noch weiter vergrößerten

Ausschnitt der Flammrohrwandung,

Pig, 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter 2, einer Brennkammer 4, einer Turbine 6 und einer Schubdüse 8, wobei diese Teile in bekannter Weise strömungstechnisch hintereinander angeordnet sind,

Die Brenneinrichtung weist ein äußeres Gehäuse 10 und ein Flammrohr 12 (Fig, 2) auf. In das Flammrohr wird Luft aus einem Verdichterauslaßkanal 3 zugeführt, von welcher ein Teil unmittelbar durch Verdampfer 14 in das Flammrohr hineingelangt, während der größte Teil dieser Luft in den zwischen dem Flammrohr und dem äußeren Gehäuse gebildeten

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Raum l6 hinein und von dort durch Durchbrüche l8 der Flammrohrwandung in das Flammrohr einströmt. Durch Kraftstoffzufuhrröhren 19 wird Kraftstoff durch öffnungen 20 in die Verdampfer eingeleitet, wo er mit Luft vermischt und infolge der Wärme des im Flammrohr befindlichen Gases verdampft wird«

Die Verdampfer 14 sind im wesentlichen T-förmig und weisen jeweils einen zylindrischen Rohrteil 22 auf, der stromaufseitig mit dem Flammrohr verbunden ist und an seinem stromabseitigen Ende Rohrzweige 24 aufweist. In den Zeichnungen ist nur einer der Rohrzweige 24 dargestellt, und zwar mit gestrichelten Linien, da er vom Rohrteil 22 verdeckt ist. Die in Umfangsrichtung weisenden Rohrzweige endigen jeweils in einem stromaufwärts ausmündenden Rohrabschnitt 25, aus welchem ein Gemisch aus verdampften Kraftstoff und Luft stromaufwärts ausströmt» Ein Teil dieses Gemisches strömt in dampfförmigem Zustand aus den Rohrabschnitten 25 aus, der größere Teil des Kraftstoffs befindet sich jedoch noch, wie festgestellt worden ist, in flüssigem Zustand und kommt mit dem mit 60 bezeichneten ringförmigen Bereich des vorderen Flammrohrendes in Berührung und wird dann als dünner Film entlang der Flammrohrwandung stromabwärts transportiert. Aus dem Raum 16 durch die öffnungen 18 in die Brennkammer eintretende Luft erzeugt

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eine Primärverbrennungszone in Form eines durch Pfeile angedeuteten Wirbels 4l_t Um den Kraftstoffilm von der Plammrohrwandung loszulösen und in die Primärverbrennungszone hineinzubringen, wird, wie nachstehend beschrieben, ein kontinuierlicher ringförmiger Luftstrahl erzeugt, der von der Flammrohrwandung aus einwärts gerichtet ist und eine Schranke für den entlang der Flammrohrwandung strömenden Kraftstoff bildet.

Die Flammrohrwandung weist eine Vielzahl von axial verlaufenden Wandungsbereichen 26 auf, welche durch den entlang des Raumes 16 strömenden Luftstrom verhältnismäßig kühl gehalten werden. Die Wandungsbereiche 26 sind axial durch Kühlringbereiche 28 voneinander getrennt, welche einen Kühlluftstrom aus dem Bereich 16 zur Innenfläche der Flammrohrwändung hin erzeugen»

Einer dieser Kühlringbereiche 28, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der dem vorderen Flammrohrende am nächsten gelegene Kühlringbereich 28, ist so ausgebildet, daß er eine Ringkammer 30 begrenzt» Diese Ringkammer weist eine radial äußere Wandung 31, die einen Teil der Flammrohrwandung bildet, und eine radial innere Wandung 32 auf_e

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Diese Wandungen 31 und 32 sind durch einen stromaufseitigen radialen Stirnwandungsbereich 33 und einen stromabseitigen, radial verlaufenden Stirnwandungsbereich 34 radial voneinander getrennt.

Der stromaufseitige Stirnwandungsbereich 33 ist mit einer ringförmigen Anordnung großer Durchtrittsöffnungen 36 versehen, welche den Raum 16 mit dem Inneren der Ringkammer verbinden, so daß aus dem Bereich 16 Luft in die Ringkammer einströmen kann. Der stromabseitige Stirnwandungsbereich 3^ ist mit einer Vielzahl verhältnismäßig kleiner Bohrungen 37 versehen, durch welche nur ein Teil der in die Ringkammer einströmenden Luft zwecks Bildung eines Kühlfilms auf der Innenfläche des angrenzenden Plammrohrwandungsbereiches 26 ausströmen kann. Der übrige Teil der in die Ringkammer 30 einströmenden Luft strömt durch einen kontinuierlichen ringförmigen Schlitz 40 in Form eines Druckstrahles aus der Kammer aus und bildet einen ringförmigen Luftvorhang, der sich von der Flammrohrwandung aus einwärts erstreckt. Dieser Luftvorhang ist durch den Pfeil 38 angedeutet. Er wirkt als pneumatische Schranke für den Kraftstoffilm, welcher der Wandung des vorderen Flammrohrteils anhaftet, und reißt diesen Kraftstoff mit sich in die Primärzone hinein.

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Die Größe der Öffnungen 37 und des ringförmigen Schlitzes 40 sind so gewählt, daß eine optimale Wirksamkeit des ringförmigen Luftvorhangs und ein optimaler Strömungsanteil der Kühlfilmströmung erreicht werden.

Abgesehen vom Vorteil der Verhinderung des weiteren Anhaftens des Kraftstoffilms an der Plammrohrwandung bietet die Erfindung folgende weitere Vorteile:

1, Durch den einwärts gerichteten ringförmigen Luftstrahl wird die Bildung eines Wirbels in der Primärzone des Flammrohrs unterstützt, wodurch die Vermischung zwischen Kraftstoff und Luft sowie die Verbrennung verbessert werden,

2, Der ringförmige Luftvorhang wirkt als Flammenstabilisator, Ob dieser Luftvorhang eine örtliche Abmagerung de3 Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bewirkt, wodurch die Flamme stabilisiert wird, oder ob er eine örtliche abgeschirmte Zone herstellt, in welcher die Flamme stabil ist, ist nicht ganz sicher, aber auf jeden Fall wird die Kraftstoffverteilung im Sinne einer Verbesserung der Verbrennung und einer Verminderung der organischen Verunreinigungen verbessert»

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Als zusätzliches Merkmal ist das Verdampferrohr jedes KraftstoffVerdampfers von einer Ummantelung 43 umgeben, die einen radialen Abstand vom Verdampferrohr aufweist und einen Ringkanal 44 begrenzt, in welchen Kühlluft aus dem Verdxchterauslaßkanal 3 zugeführt wird. Das stromabseitige Ende dieses Ringkanals 44 ist geschlossen und es sind Bohrungen 46 in der Wandung der Ummantelung vorgesehen, durch welche die Luft im wesentlichen radial mit Bezug auf das Verdampferrohr austreten kann, Diese, von den Bohrungen der Ummantelung ausgehenden und in das Zentrum des Wirbels der Primärzone strömenden Luftstrahlen erzeugen eine weitere Turbulenz und eine weitere Verbesserung der Durchmischung in der Primärzone 4l,

Das beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt, daß einer der Kühlringbereiche der Flammrohrwandung mit einer Ringkammer 30 versehen ist, die nahe dem vorderen Flammrohrende liegt» Selbstverständlich können, falls gewünscht, mehr als eine Ringkammer an verschiedenen Stellen entlang der Flammrohrwandung vorgesehen sein. Der Kühlfilm auf der Innenfläche der Flammrohrwandung wird dabei jedesmal durch kalibrierte öffnungen in der stromabseitigen Stirnwandung dieser Ringkammern neu gebildet«

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Die äußere Wandung der Ringkammer kann stromaufwärts einen Ansatz 42 aufweisen, der, wie dargestellt, stromaufwärts zum vorderen Ende des Flammrohrs hin konvergiert und dadurch einen Diffusorkanal 43 für die aus dem Raum kommende Luft bildet, bevor diese Luft durch die öffnungen in die Ringkammer einströmt, Dadurch ergibt sich ein höherer statischer Druck in der Kammer 30, Die äußere Form des Ansatzes 42 stellt ein Anhaften der Strömung über die Außenfläche des stromabseitigen Wandungsbereiches sicher.

Der Kühlringabschnitt der Flammrohrwandung kann aus einer Anzahl einzelner Ringabschnitte hergestellt sein. Beispielsweise können die Stirnwandungen 32 und 34 aus gesondert hergestellten Ringen bestehen, die bei 35 zusammengeschweißt sind. Der Kühlringabschnitt wird dann bei 49 und 50 (Fig, 2) an der Flammrohrwandung angeschweißt. Bei dieser Anordnung kann der ringförmige Schlitz 40 nach dem Zusammensetzen der beiden Stirnwandungsteile, jedoch vor der Befestigung des Kühlringabschnitts an der Flammrohrwandung fertigbearbeitet werden. Der ringförmige Schlitz 40 kann auch durch eine Anzahl von ringabsennittförmigen Schlitzen gebildet sein, so daß er im wesentlichen kontinuierlich ist und kleine Brücken enthält, welche

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die mechanische Festigkeit der Anordnung verbessern, den Luftstrom aber nicht behindern.

Es wurde festgestellt, daß die Erfindung insbesondere zur Erzielung einer guten Verbrennung bei niedrigen Leistungen von großem Wert ist und eine beträchtliche Verminderung der Verunreinigungen ermöglicht, die im Leerlauf des Triebwerks und beim Triebwerkslauf am Boden mit niedrigen Leistungen entstehen,

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Claims

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Patentansprüche

/ ijBrennkammer für Gasturbinentriebwerke, mit einem Flammrohr mit etwa kreisförmigem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammrohrwandung (26) eine schlitzförmige, im wesentlichen kontinuierlich um den ganzen Flammrohr umfang verlaufende Durchtrittsöffnung (¹IO) aufweist, durch welche Luft von außerhalb (16) des Flammrohrs in das Flammrohrinnere einströmen kann,

2, Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammrohrwandung (26) einen radial inneren Wandungsbereich (32) und einen radial äußeren Wandungsbereich (31) aufweist, welche zwischen sich eine Ringkammer (30) bilden, und daß die genannte Durchtrittsöffnung (40) zwischen dieser Ringkammer und dem Flammrohrinneren gebildet ist,

3» Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Ringkammer (30) eine Vielzahl von Austrittsbohrungen (37) aufweist, durch welche Luft zwecks Bildung eines Kühlfilras auf der stromabseitig der Ringkammer befindlichen Flammrohrwandung ausströmt«

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4« Brennkammer nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Eintrittsöffnungen (33), durch welche Luft von außerhalb (16) des Flammrohrs in die Ringkammer (30) einströmt,

5t Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere Wandungsbereich (31) der Flaramrohrwandung (26) stromaufwärts über die Ringkammer (30) hinausragt und für die zu den Eintrittsöffnungen (33) hinströmende Luft einen Diffusorkanal (43) begrenzt·

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