DE2209727A1 - Einrichtung zur zufuehrung und aufbereitung der fuer den verbrennungsprozess eines gasturbinentriebwerkes vorgesehenen brennstoff-/luftanteile - Google Patents

Einrichtung zur zufuehrung und aufbereitung der fuer den verbrennungsprozess eines gasturbinentriebwerkes vorgesehenen brennstoff-/luftanteile

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Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH.
München, den 25. Februar 1972
Einrichtung zur Zuführung und Aufbereitung der für den Verbrennungsprozeß eines Gasturbinentriebwerkes vorgesehenen Brennstoff-/Luftanteile
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Zuführung und Aufbereitung für den Verbrennungsprozeß vorgesehener Brennstoff -/Luftanteile eines Gasturbinentriebwerkes, bei dem eine koaxial zur Triebwerkslängsachse angeordnete Umkehrbrennkammer im wesentlichen in dem verbleibenden Raum zwischen mindestens einem Verdichter und mindestens einer Turbine dieses Triebwerkes angeordnet und die Rückwand der Brennkammer dem Wellensystem des Triebwerkes zugekehrt ist, wobei der Brennstoff über entsprechende Einrichtungen des Wellensystems unter Rotationszerstäubung der Brennkammer zugeführt wird.
Die neuere Entwicklung von Gasturbinentriebwerken als Antriebsquelle für Plugzeuge oder Fahrzeuge tendiert im Interesse eines geringeren Gewichtes und Raumbedarfs fast ausschließlich zu Triebwerkskonzeptionen mit einem möglichst geringen Brennkammervolumen.
Trotz eines relativ geringen Kammervolumens soll aber bei einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke ein gleichförmiger Ausbrenngrad, eine höhere Temperaturbelastbarkeit, eine möglichst gleien-
309837/0092 , ^ ,,
förmige Temperaturverteilung sowie u.a. auch eine möglichst von Ruß und Schadstoffen freie Verbrennung erzielt werden können.
Es ist beispielsweise bekannt (deutsche Auslegeschrift 1079 895), durch sogenannte "T-förmige", in den Brennraum einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke hineinragende Verdampfrohre den in diese eingeführten Brennstoff infolge der Verbrennungswärme in der Brennkammer in einen dampfförmigen Zustand zu überführen und dabei innig mit ebenfalls in diese Verdampfrohre eingeführter Verbrennungsluft zu vermischen.
Auf diese Weise wird dem Brennraum der Brennkammer ein intensiv für den Verbrennungsprozeß aufbereitetes Brennstoff-/Luftgemisch zugeführt.
Wesentliche Nachteile dieser bekannten Lösung werden jedoch darin gesehen, daß durch eine Vielzahl solcher in Umfangsrichtung einer gegebenenfalls ringförmigen Brennkammer verteilt angeordneten Einzelverdampferrohre mit jeweils gesonderter Brennstoff-/Luftversorgung die Ausbreitung einer gewünschten gleichmäßigen, rotationssymetrischen Flammenfront im Interesse einer gleichförmigen Temperaturbelastung und eines gleichförmigen Ausbrenngrades nicht oder in nur unzureichender Weise erreicht werden kann. Weiter ist eine im wesentlichen der eingangs genannten Gattung gemäße ringförmige Brennkammer bekannt (deutsche Patentschrift 944 690), bei der unter Ausnutzung des im wesentlichen zwischen dem Verdichter der Turbine und der Welle eines Gasturbinentriebwerkes gegebenen Einbauvolumens eine - im Längsschnitt gesehen im wesentlichen L-förmige Ringbrennkammer von der mit der Brenn-
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kammerrückwand der Welle zugekehrten Seite her u.a. mit infolge Rotation dieser Welle zerstäubtem Brennstoff beaufschlagt wird.
Die Praxis hat nun aber gezeigt, daß der rotationszerstäubt in die Brennkammer eingebrachte und mit Zusatzluft angereicherte Brennstoff keinesfalls ein innig aufbereitetes Brennstoff-ZLuftgemisch darstellt, wie dies anhand der bereits genannten Verdampf ungseinriehtungen möglich ist. Ferner benötigt eine derartige Brennstoff-ZLuftzuführung eine relativ großvolumige Mischzone in Relation zum übrigen Brennkammervolumen, was wiederum nicht dem Interesse eines möglichst gering zu haltenden Gesamt-Brennkammervolumens entgegenkommt.
Im Rahmen der zu den bekannten Lösungen aufgeworfenen Problematik und Nachteile liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und eine Einrichtung nach der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, daß ein Gasturbinentriebwerk möglichst geringer axialer Baulänge und mit dementsprechend geringem Gewicht und Einbauvolumen geschaffen werden kann, welches gleichsam den Vorteil in sich vereinigt, daß beim Verbrennungsprozeß eine möglichst rotationssymetrische Flammenfront durch eine bessere, gleichmäßigere Aufbereitung des Brennstoff-ZLuftgemisches erzielt werden kann im Interesse wiederum eines besseren Ausbrenngrades und einer gleichförmigeren Temperaturbelastung sowie schließlich einer von Schadstoffen freieren Verbrennung.
Bei einer Einrichtung eines Gasturbinentriebwerkes nach der eingangs genannten Gattung schlägt die Erfindung zur Lösung der ge-
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stellten Aufgabe hauptsächlich vor, daß diese Einrichtung als ein koaxial zur Triebwerkslängsachse angeordneter - im Längsschnitt gesehen - T-förmiger Rohrkörper ausgebildet ist, dessen Austrittsöffnungen gegen die Rückwand der Brennkammer gerichtet sind und dessen etwa von der Mitte der Brennkammerrückwand ausgehende Eintrittsöffnung unmittelbar mit der bzw. den Brennst off Zuführungen des Wellensystems in Verbindung steht.
Die Erfindung und deren weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind anhand der Zeichnungen nachstehend weiter erläutert; es zeigen
Fig. 1 eine Einrichtung nach der Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk, von dem hier lediglich die obere Hälfte abgebildet und als Mitteilängsschnitt dargestellt ist,
Fig. 2 die Einrichtung nach Fig. 1 für ein Gasturbinentriebwerk in e;Lner zweiten Ausführungsform, von dem ebenfalls lediglich die obere Hälfte abgebildet und als Mittellängsschnit dargestellt ist und
Fig. J eine weitere Variante einer Einrichtung nach der Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk, welches nach Abbildung und Ausführung im wesentlichen demjenigen der Fig. 2 entspricht.
Fig. 1 veranschaulicht ein Gasturbinentriebwerk relativ geringer axialer Baulänge, welches z.B. zur Anwendung als Hubtriebwerk für senkrecht startende oder landende Flugzeuge geeignet sein kann.
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Dieses Gasturbinentriebwerk besteht der Reihe nach - von links nach rechts - aus einem mehrstufigen, axial durchströmten Verdichter 1, einer etwa L-förmigen, koaxial zur Triebwerkslängsachse 2 angeordneten Ringbrennkammer 5 und einer einstufig ausgeführten, axial durchströmten Turbine 4. Von dem linksseitig abgebrochen dargestellten Verdichter 1 ist hier lediglich ein Verdichterlaufrad 5* welches Laufschaufeln 6 aufweist, mit der Welle 7 des Triebwerkes verbunden dargestellt. Den Laufschaufeln 6 sind sinngemäß fest angeordnete Verdichterleitschaufeln 8, 9 im Strömungskanal Io vor- bzw. nachgeschaltet.
An einem Pußabsohnitt 11 eines ringscheibenförmig ausgebildeten Zwischenbodens 12, an dem die Verdichterleitschaufeln 9 fußseitig befestigt sind, stützt sich die Welle 1J über ein Kugellager 13 linksseitig ab. Stromab der Ringbrennkammer 3 ist die mit Laufschaufeln 14 versehene Laufradscheibe 15 der Turbine 4 mit der Welle 7 des Gasturbinentriebwerkes verbunden. In dem im wesentlichen parallel zur Triebwerkslängsachse 2 gerichteten Abschnitt der Ringbrennkammer 5 sind deren Gehäuse 16 durchsetzende Vorleitschaufeln 17 der Turbine 4 angeordnet. Den Laufschaufeln 14 der Turbine 4 sind feste Richtschaufeln 18 in Turbinenkanal 19 nachgeschaltet und an einem ebenfalls ortsfesten, ringscheibenförmig ausgebildeten Stator 2o befestigt, an welchem sich die Welle 7 über ein Kugelrollenlager 21 rechtseitig abstützt. Die Ringbrennkammer 3 ist im wesentlichen innerhalb eines ringscheibenförmigen Sammelraumes 22 - zwischen dem Zwischenboden 12 und der Laufradscheibe 15 der Turbine 4 - angeordnet. Im Betrieb wird dieser Sammelraum 22 mittels komprimierter Luft des Verdichters 1 beaufschlagt.
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Der Brennstoff wird in Pfeilrichtung B über ein oben abgebrochen dargestelltes Rohrleitungssystem 23, welches durch den Fußabschnitt 11 des Stators 12 hindurchgeführt ist, zugeführt und gelangt, nachdem er zuvor eine abgewinkelt ausgebildete Weitere Zuleitung 24 durchströmt hat, in einen gegenüber dem Sammelraum abgedichteten, die Welle 7 umschließenden Ringraum 25· Der Ringraum 25 wird oberseitig von einem mit der Welle J verbundenen und koaxial zur Triebwerkslängsachse 2 angeordneten Abspritzdeckel begrenzt. Im Betrieb des Gasturbinentriebwerkes wird der Brennstoff aus dem Ringraum 25 über Bohrungen 27 des Abspritzdeckels 26 rotationszerstäubt und dann weiter über die Eintrittsöffnung 28 einem T-förmlgen, koaxial zur Triebwerkslängsachse 2 angeordneten Rohrkörper 29 zugeführt.
Der bereits fein zerstäubte Brennstoff schlägt sich dabei an den inneren Wandungen des T-förmigen Rohrkörpers 29 nieder, wo er infolge der in der Brennkammer 3 herrschenden Verbrennungswärme in einen dampfförmigen Zustand übergeführt wird. Aus dem Sammelraum 22 unter relativ hohem Druck ebenfalls über die Eintrittsöffnung 28 zugeführte Verdichterluft vermischt sich dabei innig mit dem zunächst fein zerstäubt zugeführten und später im T-förmigen Rohrkörper 29 verdampfenden Brennstoff. Aus den gegen die Brennkammerrückwand 3o gerichteten Austrittsöffnungen 31* 32 tritt somit ein intensiv für die sofortige Einleitung des Verbrennungsprozesses aufbereitetes Brennstoff-/Luftgemisch aus, welches dabei zusätzlich mit Verdichterluft aus dem Sammelraum 22 angereichert wird, welche über Mi schluft Zuführungen 33, ~$Κ in die Brennkammer 3 gelangt und - gemäß Pfeilrichtung P- von den
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nach innen abgekröpften Enden J55* 36 des T-förmigen Rohrkörpers 29 in die Richtung der aus den Austrittsöffnungen J51, J52 entweichenden Brennstoff-/Luftanteile abgelenkt wird und sich mit diesen vermischt.
Die durch die beschriebene Brennstoff-/Luftzuführung im Bereich der Brennkammerrückwand Jo entstehenden Wirbelzonen W tragen im übrigen dazu bei, daß sich keine nennenswerten Rußablagerungen an der Brennkammerrückwand J5o einstellen können. Stromab des T-förmigen Rohrkörpers 29 wird dem in der vorstehend geschilderten Weise aufbereiteten Brennstoff-/Luftgemisch weitere Mischluft über gegebenenfalls mit Leit- bzw. Wirbeleinrichtung 37 durchsetzte öffnungen des Brennkammergehäuses 16 zugeführt (Pfeile G). Ein Teil dieser Mischluft kann zur Kühlung der Brennkammerwandungen verwendet werden (Pfeile K). Die in Pfeilrichtung P zugeführte Frischluft erzeugt rotationssymetrische V/irbelzonen Z unter inniger Vermischung mit dem über den Rohrkörper 29 zugeführten, bereits intensiv aufbereiteten Brennstoff-/Luftgemisch. Nach Zündung des in der genannten Weise zugeführten und aufbereiteten Brennstoff-/ Luftgemisches kann somit ein hoher Ausbrenngrad und eine gewünschte breite, rotationssymetrische Flammenfront erzielt werden, welche unmittelbar stromab des T-förmigen Rohrkörpers 29 ihren Anfang nehmen kann.
Fig. 2 zeigt die gleichen Einrichtungen zur Zuführung und Aubereitung der für den Verbrennungsprozeß vorgesehenen Brennstoff-/ Luftanteile, wobei jedoch anstelle des in Fig. 1 vorgesehenen axial durchströmten und entsprechend beschaufelten Verdichters
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-δι hier ein einstufiger Radialverdichter JQ vorgesehen ist. Die Radialverdichterlaufschaufeln 39 sind über ein Laufrad 4o mit der gemeinsamen Welle 7 des Gasturbinentriebwerkes verbunden. Den Radialverdichterschaufeln j59 ist ein fester Satz Leitschaufeln nachgeschaltet, über welche die Verdichterluft weiter über eine sogenannte Eintrittsspirale 42 dem Sammelraum 22 zugeführt wird. Eine derartige Triebwerksausführung bietet sich unter Anwendung der Erfindung besonders für möglichst flach-bauende Hubtriebwerke an, welche gegebenenfalls in den Tragflächen eines Plugzeuges untergebracht werden sollen und zum Antrieb von Hubgebläsen dienen können, wozu in nicht dargestellter Weise z.B. ein Teil des vom Radialverdichter j58 geförderten Luftstromes abgezweigt und zum Antrieb einer Blattspitzenturbine des Hubgelbläses verwendet werden könnte.
Pig. J veranschaulicht eine gegenüber den Fig. 1 und 2 weiter abgewandelte Einrichtung zur Zuführung und Aufbereitung der für den Verbrennungsprozeß zuzuführenden Brennstoff- und Luftanteile, bezogen auf ein Gasturbinentriebwerk, welches im wesentlichen hinsichtlich Punktion und Wirkungsweise mit demjenigen nach Fig. 2 identisch ist, wobei für unverändert gebliebene Einzelheiten des Triebwerkes nach Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen des Triebwerkes nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 gewählt sind.
In Abweichung von dem T-förmigen Rohrkörper 29 nach den Fig. 1 und 2 sind bei dem T-förmigen Rohrkörper 4^ nach Fig. 3 die Eintritts-Öffnungen 44, 45 der MischluftZuführungen 46, 47 gegen die Austrittsöffnungen 48, 49 des T-förmigen Rohrkörpers 4^ gerichtet, wodurch Zonen relativ hoher Turbulenz infolge Zusammentreffens des
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aus den Austrittsöffnungen 48, 49 entweichenden Brennstoff-/Luftgemisches mit der über die öffnungen 44, 45 zugeführten Mischluft entstehen und die Vermischung des Brennstoff-/Luftgemisches mit Zusatzluft erheblich intensiviert wird.
Weiterhin ergibt sich durch die weich geschwungene Ausführung der Zuströmkanten 5o, 51 im Bereich der Eintrittsöffnung 52 des T-förmigen Rohrkörpers 43 eine strömungsgerechtere Zuführung der unmittelbar in den T-förmigen Rohrkörper 43 einzuführenden Primärluft, wodurch wiederum der Grad der Durchmischung des Brennstoffes mit der Primärluft verbessert werden kann. Mit 53* 54, 55* 56 bezeichnete Riehtschaufeln können mit solchen Anstellwinkeln angeordnet sein, daß den aus den Austrittsöffnungen 48, 49 bzw. den Eintrittsöffnungen 44, 45 der Ringbrennkammer 57 zuströmenden Brennstoff-/Luft- bzw. Mischluftanteilen ein zusätzlicher Drall vermittelt und damit der Durchmischungsgrad erhöht wird. Stromab des T-förmigen Rohrkörpers 43 kann weitere Mischluft (Pfeile M) über seitliche MischluftZuführungen 58, 59 gegebenenfalls unter Drall (Pfeile D) in die Ringbrennkammer 57 eingeführt werden. Im Interesse einer gleichmäßigen, breiten und rotationssymetrischen Flammenfront ist es bevorzugt vorgesehen, die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen 44, 45 bzw. 48, 49 als rotationssymetrische, sich über den gesamten Umfang der Ringbrennkammer 57 erstreckende ringförmige öffnungen auszubilden.
Zweckmäßig kann dies auch bei dem T-förmigen Rohrkörper 29 (Fig. und 2) der Fall sein (Austrittsöffnungen 31, 32).
Es wäre z.B. aber auch denkbar, die ringförmigen Austrittsöffnungen 31, 32 (Fig. 1 und 2) bzw. 48, 49 (Fig. 3) durch kreisförmige, in gleichmäßiger Folge koaxial auf den jeweiligen Umfang der Ringbrenn«
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- Io -
kammern 5 bzw. 57 bezogen verteilt angeordnete Einzelöffnungen zu ersetzen.
In Abwandlung von den Triebwerksausführungen nach Pig. I und 2 ist es bei dem Triebwerk nach Fig. 3 vorteilhaft, daß ein Teil der über die Eintrittsspirale 42 dem Sammelraum 22 zugeführten Verdichterluft zu Kühlzwecken die innen hohl ausgebildeten Eintrittsleitschaufeln 6o der Turbine 4 durchströmt (Pfeile P).
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Claims (6)

sr/hu τ* MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH. ?hen, den 25. Februar 1972 Patentansprüche
1. Einrichtung zur Zuführung und Aufbereitung für den Verbrennungsprozeß vorgesehener Brennstoff-/Luftanteile eines Gasturbinentriebwerkes, bei dem eine koaxial zur Triebwerkslängsachse angeordnete Umkehrbrennkammer im wesentlichen in dem verbleibenden Raum zwischen mindestens einem Verdichter und mindestens einer Turbine dieses Triebwerkes angeordnet und die Rückwand der Brennkammer dem Wellensystem des Triebwerkes zugekehrt ist, wobei der Brennstoff über entsprechende Einrichtungen des Wellensystems unter Rotationszerstäubung der Brennkammer zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Zuführung und Aufbereitung der Brennstoff-/Luftanteile ein koaxial zur Triebwerkslängsachse (2) angeordneter - im Längsschnitt gesehen - T-förmiger Rohrkörper (29) vorgesehen ist, dessen Austrittsöffnungen (51, 32) gegen die Rückwand (30) der Brennkammer (3) gerichtet sind und dessen etwa von der Mitte der Brennkammerrückwand ausgehende Eintrittsöffnung (28) unmittelbar mit der bzw. den BrennstoffZuführungen (27) des Wellensystems (7) in Verbindung steht.
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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der T-förmige Rohrkörper lediglich zwei ringförmige, koaxial zur Triebwerkslängsachse angeordnete Austrittsöffnungen aufweist.
3. Einrichtung nach Den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (28) des T-förmigen Rohrkörpers (29) mit einem von Verdichterluft mindestens eines Triebwerksverdichters (l) beaufschlagten, ringförmigen Sammelraum (22) in Verbindung steht.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3> dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Eintrittsöffnungen (28) des T-förmigen Rohrkörpers (29) von dieser gesonderte, mit dem ringförmigen Sammelraum (22) in Verbindung stehende LuftZuführungen (33* 34) vorgesehen sind, wodurch die über die Austrittsöffnungen (31* 32) des T-förmigen Rohrkörpers mit Luft- und Brennstoffanteilen bespülten Zonen an der Brennkammerrückwand (3°) mit weiterer Mischluft versorgt werden.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die MischluftZuführungen (46, 47) bzw. deren Eintrittsöffnungen den Austrittsöffnungen (48, 49) des T-förmigen Rohrkörpers (4j) gegenüberliegend in der Brennkammerrückwand angeordnet sind.
6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch deren bevorzugte Anwendung für Hubtriebwerke in Flachbauweise.
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