DE2143012C3 - Brenneranordnung bei einer Gasturbinen-Brennkammer - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranordnung bei einer Gasturbinen-Brennkammer mit einer Mischkammer, die in das stromaufwärtige Ende der Brennkammer mündet, einer Spritzdüse zum Einspritzen von zerstäubtem Brennstoff in Kegelform in die Mischkammer, wobei die Achse des Spritzkegels längs der Mischkammer in Richtung auf die Brennkammer verläuft, mit einer Vorrichtung zur Einführung von Druckluft in das stromaufwärtige Ende der Mischkammer und zur Erzeugung eines axialen Strömungsfelds zur Verteilung des Brennstoffs in feinen Tröpfchen und mit einem Venturielement, das den Spritzkegel umgibt und durch das wenigstens ein Teil der in axialer Richtung und mit einer Wirbelbewegung strömenden Luft hindurchtritt

Das Hauptproblem bei bekannten Brenneranordnun- gcn ist die Vermeidung einer Bildung und Ablagerung von Kohlenstoff. Bei älteren Entwicklungen, wie sie in den USA.-Patentschriften 1 322 999 und 2 398 654 beschrieben sind, wurde durch zusätzliche Venturikanäle bzw. Strömungsverengungen für eine gute Vermischung des eingespritzten Brennstoffs mit Luft gesorgt, die in primären und sekundären Strömungen zugeführt wurde. Dabei wurde für eine möglichst gute Verwirbelung gesorgt Hierdurch und durch speziell vorgesehene Leiteinrichtungen, wie sie in der USA,-Patentschrift 3 430443 beschrieben sind, wird jedoch eine Rückströmung des Brennstoff-Luftgemisches in Richtung auf die Einspritzdüse bewirkt, wo der Brennstoff insbesondere auf der durch die nahegelegene Flammenfront heißen Einspritzdüse verkohlt oder karbonisiert, wobei der Spritzkegel der Düse verändert und somit die Gleichförmigkeit der Brennstoff-Luftverteilung verschlechtert wird.

Weiterhin ist in der USA.-Patentschrift 3 285 007 eine Brennstoffeinspritzung beschrieben, mit der bei einem zahlreiche konzentrische Düsen aufweisenden Gasturbinen-Triebwerk die Verkohlung von nicht benutzten Düsen verhindert werden soll. Zu diesem Zweck ist um die Düsen herum ein Mantel mit einem konvergierenden und einem divergierenden Abschnitt angeordnet der stromabwärts von den Düsen radial innerhalb des divergierenden Abschnitts eine Leitvorrichtung trägt Diese Einrichtung soll dazu beitragen, daß der Brennstoff von nicht benutzten Düsen weggebrannt wird.

Somit weist auch diese bekannte Brenneranordnung den Nachteil auf, daß sich Brennstoff auf Einspritzdüsen absetzen und dort verkohlen kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb im wesentlichen darin, eine Brenneranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Karbonisierung von Brennstoff auf einer Einspritzdüse verhindert ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Venturielement derart bemessen und stromabwärts von der Spritzdüse angeordnet ist daß es zusammen mit dem Spritzkegel um die Spritzdüse herum einen Mischbereich ausbildet in dem infolge Luftmangels keine kontinuierliche Verbrennung aufrechterhaltbar ist, wobei das Ventisrielement teilweise einen Primärluftbereich innerhalb der Mischkammer bildet, der von dem Mischbereich mit Luftmangel getrennt ist, und diese Bereiche innerhalb der Mischkammer zusammenlaufen.

Vorzugsweise ist die Brenneranordnung gemäß der Erfindung so aufgebaut daß der Mischbereich radial außen von einer zylindrischen Leitung und an seinem stromaufwärtigen Ende von einem Verwirbler umgeben ist, der Durchlässe, die zur Ausbildung einer Kreisströmungskomponenten im Winkel zur Düsenachse angeordnet sind, und eine Mittelöffnung aufweist, durch die das Auslaßende der Spritzdüse hindurchführt und das Venturielement mit dem Verwirbler verbunden ist und einen Durchmesser aufweist, der zwischen maximalen und minimalen Durchmessern der Durchlässe liegt. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel verläuft das divergierende Auslaßende des Venturielements vorteilhafterweise tangential zum Spritzkegel der Spritzdüse.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der

Brennkammer zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Verbrennung durch öffnungen zusätzliche Druckluft zuführbar.

Die mit der Erfindung erzieibaren Vorteile bestehen Insbesondere darin, daß auf Grund des Venturielements die Flammenfront in einem gewünschtes Abstand stromabwärts von der Spritzdüse gehalten werden kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß umgewälzte Primärluft nicht bis zur Spritzdüse nach vorne zurückströmen kann und dort ^ine brennbare Mischung und eine Plammenfront sehr nahe an dem Düsenaustritt erzeugt Infolgedessen wird die Temperatur der Brennstoffdüse stark herabgesetzt Dadurch wird die Bildung von Kohlenstoff auf der Düse auf ein Minimum reduziert. Weiterhin besteht der große Vorteil, daß durch die Länge des Venturirohrs und dessen Verengungsverhältnis und weiterhin durch die Menge der hindurchtretenden Mischluft der Abstand der Flammenfront von der Einspritzdüse je nach Applikation wunschgemäß gesteuert werden kann.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an Hand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinen-Triebwerks, irt dem ein Brenner der hier interessierenden Art verwendet wird;

Fig.2 ist ein vergrößerter Längsschnitt und zeigt Einzelheiten eines Brenners gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.3 ist ein Schnitt entlang der Linie IU-UI in F i g. 2;

F i g. 4 ist ein Längsschnitt ähnlich wie F i g. 2 und zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das in F i g. 1 dargestellte Triebwerk umfaßt einen Axialkompressor 10, der Luft komprimiert. Diese Druckluft strömt durch einen ringförmigen Kanal 12 hindurch in einen ringförmigen Brenner 14, wo Brennstoff eingeführt wird. Die Druckluft unterstützt die Verbrennung des Brennstoffs innerhalb des Brenners, um einen hochenergetischen, heißen Gasstrahl zu erzeugen. Dieser heiße Gasstrahl treibt eine Turbine 16 an, die ihrerseits den Rotor des Kompressors 10 antreibt. Der heiße Gasstrahl wird dann in eine nutzbare Ausgangsgröße umgewandelt, indem er beispielsweise aus einer Düse 17 ausgestoßen wird, um einen Antriebsschub für ein Luftfahrzeug zu erzeugen.

Der Brenner 14, wie er in F i g. 2 dargestellt ist, umfaßt äußere und innere Gehäuseteile bzw. Verkleidungen 18 und 20, die eine ringförmige Brennkammer 21 bilden. Diese Gehäuseteile sind an ihren stromaufwärtigen Enden durch einen zusammengesetzt ausgebildeten Aufsatzteil 22 miteinander verbunden. Zylindrische Leitungen oder Mischkammern 24 münden in den Aufsatzteil 22 und die Brennkammer 21. Übergangssegmente 26 passen die Leitungsöffnungen in den Aufsatzteil 22 ein. Am stromaufwärtigen Ende jeder Mischkammer 24 ist ein axialer Strömungswirbier 28 angebracht.

Der Venvirbler weist eine zentrale öffnung auf, die das Austrittsende 29 der Brennstoff-Spritzdüse 30 aufnimmt. Die Düse 30 kann viele Formen annehmen, aber vorzugsweise zeichnet sie rieh durch wenigstens einen Düsenauslaß aus, der einen konischen Spritzkegel mit einem relativ großen eingeschlossenen Winkel bezüglich einer Achse a erzeugt die längs der Mischkammer verläuft. Der Verwirbler 28 umfaßt eine Reihe von Durchlässen 32. die die Achse des Düsenaustrittsendes 29 ringförmig umgeben. Die Durchlässe 32 sind bezüglich der Düsenachse in einem solchen Winkel angeordnet daß ein Kreis- oder Wirbelströmungsfeld erzeugt wird.

Es wird nun die Einführung von Druckluft aus dem ringförmigen Ausstoßkanal 12 des Kompressors in die Brennkammer 21 beschrieben. Dc- Durchlaß 12 wird von äußeren und inneren im allgemeinen zylindrischen Gehäusen 34 und 36 gebildet, die entlang den Verkleidüngen 18 und 20 verlaufen und diesen gegenüber einen entsprechenden Abstand aufweisen, um ringförmige Kanäle 38 und 40 zu bilden. An den Verkleidungen 18 und 20 ist eine ringförmige, rüssel- bzw. schnauzenähnliche Vorrichtung 42 befestigt, die von den Verkleidungen stromaufwärts verläuft Diese Vorrichtung 42 weist einen zentralen Durchlaß 43 mit einem Eingang auf, der zum Auslaßkanal 12 gerichtet ist und in eine ringförmige Kammer 44 mündet; die die Eingänge zu den Mischkammern, d. h. die Verwirblerkanäle 32, umgibt Die komprimierte Strömung aus dem Kompressor wird somit in drei ringförmige Strömungspfade entlang den Kanälen 38,40 und 43 aufgeteilt.
Die Luft aus den Kanälen 38 und 40 kann in die Brennkammer 21 eintreten, um drei Funktionen zu dienen. Erstens kann sie durch relativ kleine Löcher 46 strömen, die zur Kühlung der Verkleidungen 18 und 20 ausgerichtet sind. Zweitens kann sie in relativ große Löcher 48 eintreten, um in die Brennkammer 21 zu gelangen und entsprechende Primärluft für den Verbrennungsprozeß zu liefern. Drittens kann sie als Verdünnungsluft durch nicht gezeigte, noch weiter stromabwärts gelegene Löcher strömen, um die Temperatur des heißen Gasstrahles auf eine Temperatur herabzusetzen, die mit den Eigenschaften der die Turbine bildenden Materialien verträglich ist Auch die in die Löcher 48 eintretende Luft kann eine Verdünnungsfunktion ausüben.

Die in den rüsselartigen Kanal 43 und die Kammer

44 eintretende Luft wird dann durch die Verwirbelungskanäle 32 im richtigen Maß als diskrete Strahlen in die Mischkammer 24 eingeblasen. Die Wirbelströmung der Mischluft ist sehr wirkungsvoll bei der Dispergierung oder Mischung des Brennstoffes aus dem Spritzkegel in feine Tröpfchen, die einen Verbrennungsprozeß mit einer Flammenfront unterhalten, die durch die unterbrochene Linie in F i g. 2 allgemein angedeutet ist.
Sobald einmal eine Entzündung erfolgt ist, wird die Flammenfront hauptsächlich von zwei Faktoren gesteuert. Dies sind das Vorhandensein sowie der Grad einer brennbaren Mischung und die Geschwindigkeit dieser Mischung. Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung werden diese Faktoren für die Aufrechterhaltung eines gewünschten Abstands zwischen der Flammenfront und dem Ausstoßende 29 der Brennstoffdüse 30 berücksichtigt, um die Temperatur der Brennstoffdüse 30 möglichst niedrig zu halten.
Zu diesem Zweck ist ein Venturirohr 50 derart angeordnet, daß es konzentrisch zur Düsenachse a ist und den Spritzkegel umgibt, der von der Düse ausgestoßen wird. Der Innendurchmesser des Venturirohrs ist näherungsweise gleich dem mittleren Durchmesser der ringförmigen Reihe der Verwirblerkanäle 32. Somit wird etwa Vj der Mischluft des Verwirblers von dem konvergierenden Abschnitt des Venturirohrs 50 eingefangen und von diesem in axialer Richtung beschleunigt. Dadurch wird ein Zustand hervorgerufen, wo die Mi-

schung am Hals bzw. an der engsten Stelle des Venturirohrs genügend überstöchiometrisch infolge von Luftmangel ist, um eine Verbrennung nicht zu unterstützen, und die Geschwindigkeit der Mischung ist vergrößert, um eine Verbrennung noch entfernter zu halten. Der divergierende Abschnitt des Venturirohrs expandiert dann die Mischung wieder auf etwa die ursprüngliche Kegelform des Düsenaustritts. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß der divergierende Abschnitt des Venturirohrs in einer im allgemeinen tangentialen Relation zum Spritzkegel endet

Während die gewünschten geringfügigen Rauchbildungseigenschaften beibehalten werden, ist das Venturirohr 50 höchst wirksam, um die Flammenfront in einem gewünschten stromabwärtigen Abstand zu haiten. Dieser Abstand kann wunschgemäß durch die Länge des Venturirohrs und dessen Verengungsverhältnis und desgleichen die Menge der hindurchtretenden Mischungsluftströmung gesteuert werden, wobei alle diese Faktoren derart aufeinander abgestimmt werden, daß der Winkel des Spritzkegels relativ divergierend ist, wenn der Spritzkegel von dem Venturirohr in die Brennkammer 21 austritt

Die Wirkung des Venturirohrs kann in anderer Weise dahingehend ausgedrückt werden, daß es den Gesamtdruck im Kern des Wirbelfeldes vergrößert das durch den axialen Strömungsverwirbler hervorgerufen wird. Ohne das Venturirohr würde der geringe Druck des Wirbelkerns es ermöglichen, daß umgewälzte Primärluft nach vorne strömt, wie es durch die gestrichelten Pfeile angedeutet ist, und eine brennbare Mischung und eine Flammenfront sehr nahe an dem Düsenauitritt 29 entsteht Mit dem Venturirohr tritt eine derartige Rezirkulation zwar auch auf, wie es durch die ausgezogenen Pfeile angegeben ist aber ihre Größe in stromaufwärtiger Richtung ist stärker begrenzt

Es sei bemerkt, daß das Venturirohr zwischen den Längen der Kanäle 32 mit dem Verwirbler 28 verschweißt oder auf andere Weise mit diesem verbunden ist Auf diese Weise wird für den Verwirbler eine zusätzliche Festigkeit und Stabilität erhalten.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem die gesamte Mischluft durch ein Venturirohr 52 strömt, das auch als eine Mischkammer zur Einführung der dispergierten Brennstoffmischung in die Verbrennungszone dient Die Wirkung dieses Venturirohrs hinsichtlich der Erzielung einer gewünschten stromabwärts gerichteten Verschiebung der Rammenfront und einer daraus folgenden Herabsetzung der Düsentemperatur ist im wesentlichen die gleiche wie die vorstehend beschriebene, außer daß der Geschwindigkeitsfaktor des Venturirohrs noch entscheidender bei der Verschiebung der Flammenfront ist, da eine größere Luftmenge in das Venturirohr eintritt Allgemein lassen sich die Vorteile der Erfindung dort erzielen, wo die Menge der Mischluftströmung ausreichend ist um eine brennbare Mischung in der Mischkammer zu erzeugen.

Es wurde somit dargelegt, daß die beschriebene Verwendung eines Venturirohrs höchst wirksam bei dei Verhinderung der Bildung von Kohlenstoff auf Brennstoffdüsen ist und somit einen langen wartungsfreier Betrieb sicherstellt Gleichzeitig bleibt die Rauchentwicklung weiterhin gering.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfin dung beziehen sich zwar auf ein ringförmiges Verbren nungssystem, es kann aber in gleicher Weise auch eir kanülenartiges System verwendet werden. Weiterhir könnte die Mischluft auch ohne oder mit einer kleiner Kreiskomponente durch die Mischkammer strömen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brenneranordnung bei einer Gasturbinen-Brennkammer mit einer Mischkammer, die in das itromaufwärtige Ende der Brennkammer mündet, einer Spritzdüse zum Einspritzen von zerstäubtem Brennstoff in Kegelform in die Mischkammer, wobei die Achse des Spritzkegels längs der Mischkammer in Richtung auf die Brennkammer verläuft, mit «o einer Vorrichtung zur Einführung von Druckluft in das stromaufwärtige Ende: der Mischkammer und K zur Erzeugung eines axialen Strömungsfelds zur Verteilung des Brennstoffs in feinen Tröpfchen und ■lit einem Venturielement das den Spritzkegel um- 'S gibt und durch das wenigstens ein Teil der in axialer Richtung und mit einer Wirbelbewegung strömenden Luft hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß das Venturielement (SO; 52) derart bemessen und stromabwärts von der Spritzdüse (30) angeordnet ist. daß es zusammen mit dem Spritzkegel um die Spritzdüse herum einen Mischbereich ausbildet, in dem infolge Luftmangels keine kontinuierliche Verbrennung aufrechterhaltbar ist, wobei das Venturielement teilweise einen Primärluftbe- *5 reich innerhalb der Mischkammer (24) bildet, der von dem Mischbereich mit Luftmangel getrennt ist, und diese Bereiche innerhalb der Mischkammer (24) zusammenlaufen.

2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischbereich radial außen von einer zylindrischen Leitung und an seinem stromaufwärtigen Ende von einem Verwirbler (28) umgeben ist, der Durchlässe (32), die zur Ausbildung einer Kreisströmungskomponenten im Winkel zur Düsenachse angeordnet sind, und eine Mittelöffnung aufweist, durch die das Auslaßende (29) der Spritzdüse (30) hindurchführt und das Venturielement (50; 52) mit dem Verwirbler (28) verbunden ist und einen Durchmesser aufweist, der zwischen maximalen und minimalen Durchmessern der Durchlässe (32) liegt

3. Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das divergierende Auslaßende des Venturielements (50; 52) tangential zum Spritzkegel der Spritzdüse (30) verläuft.

4. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer (21) zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Verbrennung durch öffnungen (48) zusätzliche Druckluft zuführbar ist.