DE2839703A1 - Ringfoermiger doppelbrenner - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Verbrennungssysteme für derartige Triebwerke.

Kürzliche Versuche zur Verminderung der Emissionen in Gastur- ■ binentriebwerken brachte die Verwendung von stufenförmigen Verbrennungsteehn.lken mit sich, bei denen ein Brenner oder ein Satz von Brennern für Betriebsbedingungen be_ kleiner Drehzahl und niedriger Temperatur, wie beispielsweise beim Leerlauf, und ein weiterer Brerjner oder ein zusätzlicher Satz von Brennern für höhere Betriebstemperaturen verwendet würde. Kine bestimmte Konfiguration für ein derartiges Prinzip ist der ringförmige Doppelbrenner, bei dem zwei Stufen konzentrisch in einer einzigen Brennerauskleidung angeordnet sind. Da in der Pilot- oder Steuerstufe eine Zündeinrichtung vorhanden sein muss und wegen der relativen Einfachheit, mit der dieser in der äusseren Verkleidung montiert sein kann, ist der Pilotstufenabschnitt üblicherweise konzentrisch an der Aussenseite angeordnet und arbeitet bei niedrigen Temperaturen und einem kleinen Brennstoff/Luftverhältnis während des Leerlaufes des Triebwerkes. Der Hauptstufenabschnitt, -„* der konzentrisch an der Innenseite angeordnet ist, wird später mit Brennstoff versorgt und von der Pilotstufe gezündet, um bei hohen Temperaturen und einem relativ grossen Brennstoff/Luftverhältnis zu arbeiten.

Verständlicherweise ist in einem ringförmigen Doppelbrenner, wo die Höhe des Domes immer grosser ist als der Düsenringraum der Turbine, der äussere Abschnitt im allgemeinen gerade und von kurzer Länge, und der innere Abschnitt ist im allgemeinen gekrümmt und hat eine grossere Länge. Diese strukturellen Relationen sind aus einer Reihe von Gründen nachteilig. In bezug auf die Emissionen arbeitet bei Triebwerksleerlauf die Pilot- bzw. Steuerstufe

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bei niedrigen Temperaturen und Drucken am Kompressorausgang, und die Reaktionsgeschwindigkeiten sind somit relativ langsam. Um a?so eine vollständige 'oder nahezu vollständige Verbrennung zu gestatten, um dadurch die Menge an Sohlenwasserstoff- und Kohlenstoff monoxid-Emissionen zu verringern, ist es vorteilhaft, eine lange Verweilzeit zu haben, eine Charakteristik, die bei dem kürzeren, radial aussen liegenden Pilotabschnitt naturgemäss nicht vorhanden ist. Andererseits ist es in dem Hauptstufenabschnitt, wo die Emission von Distickstoffmonoxiden das Hauptproblem darstellt, wünschenswert, die Verweilzeit möglichst kurz zu halten, um auf diese Weise auch die Bildung von Distickstoffmonoxiden auf ein Minimum zu reduzieren. Wiederum ist die Anordnung des Hauptstufenabschnittes auf der radial innen liegenden Seite für diesen Zweck abträglich, da dieser Abschnitt notwendigerweise länger ist als derjenige auf der Aussenseite.

Ein weiterer Nachteil bei der Anordnung des Hauptbrenners auf der radial inneren Seite best ent.· dar in, dass die aus dem Brenner austretenden Gase mit einer höheren Temperatur die Tendenz haben, gegen die gekrümmte innere Auskleidung des Brenners zu strömen. Deshalb muss für eine hochgradige Kühlung dieser Verkleidung gesorgt werden, um ein Durchbrennen zu verhindern.

Ein weiterer Umstand, der die übliche Konfiguration eines doppelten Ringbrenners nachteilig macht, liegt in dem entstehenden natürlichen Profil des Düsenringraumes. Um die Turbinenlebensdauer zu optimieren, wäre es ideal, ein Profil zu haben, bei dem die Temperaturen an dem inneren Durchmesser niedriger wären als an dem äusseren Durchmesser. Wenn jedoch der Hauptbrenner radial innen angeordnet ist, wie es vorstehend beschrieben wurde, dann befinden sich bei dem bestehenden Profil die höheren Temperaturen an der Innenseite der Turbine.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, die Nachteile bei den bekannten Turbinenbrennern zu beseitigen

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und einen ringförmigen Doppelbrenner mit verminderten Emissionen
au schaffen.

Erfindungsgemäss werden, kurz gesagt, die relativen Positionen
der Pilot- und Hauptstufenabschnitte eines üblichen ringförmigen
Doppelbrenners umgekehrt, das heisst, die Pilotstufe wird in dem
radial inneren Abschnitt des Brenners und der Hauptstufenabschnitt wird in dem radial äusseren Abschnitt angeordnet. Auf _t diese Weise wird die effektive Länge des Hauptstufenabschnittes
relativ kurz und die effektive Länge des Pilotstufenabschnittes
ist relativ lang. Weiterhin ist uas Profil der Hauptstufe begradigt, so dass die heissen Gase nicht auf die Brennerauskleidung aufprallen, sondern stattdessen prallen die eine niedrige
Temperatur aufweisenden Gase von der Pilotstufe gegen die innere _a Auskleidung des Brenners. Schliesslich weist das resultierende
Temperaturprofil am Turbineneiniass höhere Temperaturen in Richtung auf die radial äussere Seite auf.

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine Zündeinrichtung in dem Pilotstufenabschnitt durch ein Rohr eingeführt, ^sl^, das durch das äussere Gehäuse des Brenners hindurch ragt und sich ^t" radial nach innen zu dem inneren Dom erstreckt. Dieses Rohr kann
entweder gerade oder gekrümmt sein und weist keramische Isolatoren auf, die zwischen den Zündleitern und dem äusseren Rohr _r^ _ angeordnet sind. y,

Ά Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Beispielen an- \^ hand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen erläutert.

Figur 1 ist eine axiale Querschnittsansicht von einem Doppelring- _t.^, brenner gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der '.^ Erfindung. . ".;

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Figur 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in Figur 1.

Figur 3 ist eine Teilschnittansicht von einem Brenner mit einem modiTizierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur .4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in Figur 3.

In Figur 1 ist die Erfindung allgemein bei 10 anhand einer kontinuierlich brennenden Verbrennungseinrichtung 11 gezeigt, wie sie in einem Gasturbinentriebwerk verwendbar ist. Die Verbrennungseinrichtung 11 weist einen hohlen Körper 12 auf, in dem eine Brennkammer 13 gebildet ist. Der Hohlkörper 12 ist im allgemeinen ringförmig und weist eine äussere Verkleidung 14 und eine innere Verkleidung 16 auf. Am stromaufwärtigen Ende des Hohlkörpers 12 befindet sich eine Ringöffnung 17 für das Einführen von Luft und Brennstoff in einer bevorzugten wieise, die im folgenden noch beschrieben wirα.

Der Hohlkörper 12 kann von einem geeigneten Mantel 19 umschlossen sein, der zusammen mit den Verkleidungen 14 und 16 Strömungskanäle 21 bzw. 22 bildet, aie in einer stromabwärtigen Strömung die Druckluft von einer geeigneten Quelle, wie beispielsweise einem nicht gezeigten Kompressor, und einem Diffusor 23 führen. Die Druckluft von dem Diffusor 23 strömt vorwiegend in die Ringöffnung 17, um die Verbrennung zu unterstützen und teilweise in die Strömungskanäle 21 und 22, wo sie zur Kühlung der Verkleidungen 14 und 16 mittels einer Anzahl von öffnungen 24 und zur Kühlung der stromabwärts angeordneten Turbomaschine verwendet wird.

Zwischen den äusseren und inneren Verkleidungen 14 und 16 und diese verbindend sind nahe den stromaufwärtigen Enden äussere und

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innere Dome 26 bzw. 27 angeordnet, die an den Verkleidungen _: durch Löten, Schweissen oder ähnliches befestigt sind. Die Dome 26 und 2 7 sind in einer sogenannten ^HDoppelring"-Konfi- . }·,. guration angeordnet, wobei die zwei Dome die vorderen Grenzen von getrennten, radial beabstandeten Ringbrennern bilden, die während des unterschiedlichen Betriebes :1er Stufen in etwa un- . abhängig als getrennte Brenner arbeiten. Zu Besehreibungszwecken; werden diese ringförmigen Brenner als der innere Ringbrenner und, äussere Ringbrenner 25 bzw. 30 bezeichnet und im folgenden nähe3?_r. beschrieben.

Als Verbindung zwischen den äusseren und inneren Domen 26 und 27 befindet sich ein Mittelkörper 35, der die gemeinsame Grenze zwischen den inneren und äusseren Ringbrennern 25 bzw. 30 teilweise bildet. Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, weist der Mittelkörper 25 in Umfangsrichtung beabstandet ab- ■■;. wechselnd Schlitze 40 und Rippen 45 auf, die die Luftströmung nach hinten leiten, wie es durch den Pfeil gezeigt ist, um wirkungsmässig die gemeinsame Grenze zu verlängern. Das bedeutet, dass entlang dieser Linie der Luftströmung ein Hochdruckbereich besteht, der zu verhindern sucht, dass Verbrennungsgase aus dem : inneren Ringbrenner 25 in den äusseren Ringbrenner eintreten und umgekehrt. Der Mittelkörper weist auch eine Vielzahl von Kühlöffnungen 50 und eine Lippe 55 auf, um für eine Kühlluftströmung entlang der Oberfläche des Mittelkörpers zu sorgen.

In dem äusseren Dom 26 ist eine Anzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Vergaservorrichtungen 28 angeordnet, deren Achsen mit denjenigen des äusseren Ringbrenners zusammenfallen und die im wesentlichen mit der äusseren Verkleidung 14 ausgerichtet sind, um ein Ringbrennerprofil zu bilden, das im wesentlichen geradlinig ist und eine kurze Länge aufweist. Die Vergaservorrichtung 28 kann irgendeine.! Aufbau besitzen, der den Brennstoff

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und die Luft mischt oder vergast für eine Einführung in die Brennkammer I3. Die Vergaservorrichtung 28 nimmt Brennstoff von einer Brennstoffleitung 29 und Luft aus der Ringöffnung 1? auf, und der Brennstoff wira durch die Luftströmung zerstäubt, wie es G."ch die Pfeile gezeigt istj um einen Sprühnebel aus Brennstoff an die Brennkammer 13 zu liefern.

In ähnlicher Weise wie der äussere Dom 26 weist der innere Dom 27 in Umfangsrichtung beabstandete Vergaservorrichtungen 31 auf, deren Achsen im wesentlichen parallel zur Achse der Vergaservorrichtung 2b ausgerichtet sind. Diese Vergaservorrichtungen 31 bilden zusammen mit dem inneren Dom 27, der inneren Verkleidung 16 und dem Mittelkörper den inneren Ringbrenner 25₃ der im wesentlichen unabhängig von dem äusseren Ringbrenner betrieben werden kann, wie es vorstehend bereits ausgeführt wurde. Die spezielle Art und der Aufbau der Vergaservorrichtung 31 ist wiederum nicht von ausschlaggebender Bedeutung, sie sollte jedoch bezüglich dem Wirkungsgrad und geringen Emissionen optimiert sein. Lediglich für Beschreibungszwecke und abgesehen von einem wesentlich kleineren Luftströmungsvermögen ist die Vergasereinrichtung 31 identisch mit der Vergaservorrichtung 28 und weist ein Brennstoffrohr 32 und eine Brennstoffdüse 33 zum Einführen von Brennstoff auf, der durch hohen Druck atomisiert oder in einem flüssigen Zustand bei niedrigem Druck eingeführt wird. Ein primärer Verwirbler ~5k empfängt Luft, wie es durch die Pfeile gezeigt ist, um in Wechselwirkung mit dem Brennstoff zu treten und wirbelt sie in die Venturidüse 36. Ein sekundärer Verwirbler 37 hat dann die Wirkung, einen Luftwirbel in der entgegengesetzten Richtung zu bilden, um .mit der Brennstoff/Luft-Mischung in Wechselwirkung zu treten, damit die Mischung weiter atomisiert bzw. versprüht wird und in die Verbrennungskammer 13 strömt. An dem stromabwärtigen Ende der Vergaservorrichtung kann eine schräge Ablenkplatte 38 verwendet werden, um eine übermässige Verteilung der Brennstoff/Luft-Mischung zu verhindern.

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Damit der innere Ringbrenner25 gezündet werden kann, führt ein Zündrohr 39 durch den Brennermantel 19 hindurch und führt radial nach innen und durch den inneren Dom 27 hindurch, damit sich das Ende der Mittelelektrode 41 nahe an den Brennervorrichtungen 31 auf einer von beiden Seiten befindet. Auch wenn das Zündrohr 39 etwas anders ist als ein üblicher Zünder, da es sich weiter in den Brenner hinein erstreckt, so hat doch die Mittelelektrode 41 einen üblichen Aufbau und arbeitet in bekannter Weise.

Wenn nun die Arbeitsweise des oben beschriebenen doppelten Ringbrenners betrachtet wird, so können der innere Ringbrenner 25 und der äussere Ringbrenner 30 einzeln' oder zusammen verwendet werden, um für den gewünschten Verbrennungszustand zu sorgen. Vorzugsweise wird der innere Ringbrenner 25 alleine zum Starten und bei kleinen Drehzahlzuständen verwendet und wird als die Pilotstufe bezeichnet. Der äussere Ringbrenner 30 wird bei höheren Drehzahlen und höheren Temperaturen verwendet und wird als der Hauptstufenbrenner bezeichnet. Beim Starten des Triebwerkes und im Leerlaufbetrieb werdenjdie Vergaservorrichtungen 31 durch die Brennstoffrohre 32 mit Brennstoff versorgt und die Pilotstufe wird durch die Mittelelektrode 41 gezündet. Die Luft^strömt vom Diffusor 23, wie es durch die Pfeile gezeigt ist, sowohl durch die aktiven Vergaservorrichtungen 31 als auch durch die inaktiven Vergaservorrichtungen 28. Während dieser Leerlaufzustände, wo sowohl die Temperaturen als auch die Luftströmung relativ niedrig sind, arbeitet die Pilotstufe über einem relativ schmalen Brennstoff/Luft-Verhältnisband, und die innere Verkleidung 16, die sich in der direkten axialen Linie der Vergaservorrichtungen 31 befindet, erfährt nur schmale Ausschläge in relativ niedrigen Temperaturbereichen. Dadurch kann die Kühlströmungsverteilung in den Öffnungen 24 auf einem Minimum gehalten werden. Da ferner die Pilotstufe relativ lang ist im Vergleich zu der Hauptstufe, ist die Verweilzeit relativ lang, wodurch die Menge an Kohlenwasserstoff- und Kohlenstoffmonoxid-Emissionen auf ein Minimum reduziert wird.

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Wenn die Triebwerksdrehzahl steigt, wird Brennstoff über die Brennstoffröhren 29 in die Vergaservorric itungen 2δ eingeführt, ¹JlT.: die Haupt stufe zu aktivieren. Während eines Betriebes bei höheren Drehzahlen bleibt die Pilotstufe in Betrieb, aber die Kauptstufe verbraucht aen grösseren Anteil an Brennstoff und Luft. Auf Grund der iiniearen Form der Hauptstufe prallen die relativ neisseren Gase nicht auf aie Verkleidung 1*1 auf, sondern strömen direkt nach hinten, so dass die erforderliche Kühlluft an der Verkleidung 14 auf ein Minimum reduziert wird. Da ferner die Hauptstufe eine kurze axiale Länge besitzt, ist die Verweilzeit relativ kurz, woaurch die Emissionen an Distickstoffuonoxiden vermindert werden.

Diese Umkehrung der Relationen von Pilot- und nauptstufen bringt auch ein vorteilhaftes Profil an der Turbine mit sich. Das bedeutet, dass im Leerlauf aie radial innere Seite der Turbine heisser ist, aber aiese Austrittsgase sind trotzaem relativ kalt. Bei höheren Drehzahlen ist aas Profil an der Turbine so, dass sich die relativ kälteren Temperaturen an der radial inneren Seite und die höheren Gastemperaturen aus der nauptstufe sich an der radial äusseren Seite befinden. Dies ist selbstverständlich das angestrebte Profil, um der Turbine eine längere Lebensdauer zu geben.

Um diese umgekehrte Position in bezug auf Haupt- und Pilotstufe aufzunehmen, ist in Vergleich zu dem üblichen Doppelringbrenner eine Zündeinrichtung erforderlich, die sich über die ganze Strecke in den inneren Ring erstreckt und nicht nur das kurze Stück bis zu dem äusseren Ringraum. Die Verwendung eines geraden Rohres 39, das sich durch das Gehäuse 11 hindurch nach unten und durch den inneren Dom 27 erstreckt, ist ein Weg zur Erfüllung dieses Erfordernisses. Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Figur 3 gezeigt, das ein gekrümmtes Zündrohr k2 aufweist, das durch das Gehäuse 11 hindurch führt und sich dann nach unten krümmt, um

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eventuell durch den inneren Dom 27 in einer in wesentlichen nor-* malen Relation hindurchzuführen. Das gekrümmte Rohr 42 ist in dem Gehäuse 11 in ähnlicher Weise befestigt wie das geraue Ronr 39» d.h. mit einem Gewindeeinsatz 43, an dem sich eine Schraub-^ schlüsselfläche 44 befindet. Bei der viahl zwischen dem geraden Zündrohr 39 und dem gekrümmten Brennstoffrohr 42 sollte einer der Hauptgesichtspunkte die Lage des Gewindeeinsatzes 43 sein. "-Bei der Verwendung des geraden Zündrohres 39 sind die wählbaren Positionen für den Gewindeeinsatz 43 relativ gering, aber bei der Verwendung des gekrümmten Brennstoffrohres 43 steht eine grössere Anzahl von Positionen zur Verfügung. Auch wenn bei beiden Rohren ein Isolator 46 aus einem Keramikmaterial oder ahnlichem wünschenswert ist, um die äusse're Elektrode oder das Rohr 43 gegenüber der Mittelelektrode 41 zu isolieren, so sind sie im Falle des gekrümmten Brennstoffrohres 42 von grösserer Wichtigkeit. In der Tat würde für das, gekrümmte Rohr eine grössere Anzahl von ringröhrenförmigen Keramikscheiben erforderlich sein», In diesem Fall werden die Scheiben zunächst in dem Rohr ange- * ordnet und dann wird das Rohr eingeschnürt, um die Isoliereigenschäften des Bauteiles zu verbessern.

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Leerseite

Claims (1)

1. Dr. rer. nat. Horst Schüüer

   PATENTANWALT

   6000 Frankfurt/Main 1 12 . Sept. 197&„ Kaisersirasse 41 Vo/ro./he.

   Telefon (06! 1)235555 * "^'

   Telex: CM-]675? rnapat d
   Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M, 8ankkonto: 225/0389 * "

   Deutsche 3on't AG, Frankfurt/M.

   4ü21-13DV-7060

   GENERAL ELECTRIC -J

   1 River Roaa
   Scnenectady, N.Y., U.S.A.

   Ringförmiger Doppelbrenner

   Ansprüche * * "

   Q..) Doppelringbrenner mit konzentrisch angeordneten Pilot- und

   Hauptstufenabschnitten, dadurch gekenn- ^₁

   zeichnet , dass der Pilotstufenabschnitt radial innen von dem Hauptstufenabschnitt angeordnet ist. , -".'

   2. Doppelringbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Länge des Pilotstufeife ^ j abschnittes grosser ist als die Länge des Hauptstufenab- *" ^ schnittes.

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   -OWje!ringbrenner nach Anspruch Γ., dadurch g e -

   kennzeichnet , dass sicn eirir Zündeinrichtung \i)j) racial nacn innen bis zura Pi lot stufen ab schnitt er-

   ·:. joppe!ringbrenner nach Ansprucn I₅ α a u u r c η ο ^e ~

   ,c e η η ζ e i c h η e t , uass der Piloistufenaoscnnitt einen ringförmigen Dom (27) aufweist und sicn cie Zünueinrichtun_o (39) durch uen i-ingrüriiiigen Dom ivindurca erstreckt.

   Doppelringbrenr .·..- -iach Anspruch 1, dadurcn ge-•cennzeichn^f t , aass aer nauptstufenabschnitt einen Brenneraoti (26) aufvieist^ dessen verlängerte Achse uie viand ües Hauptstufen-Brennerabschnittes nicht schneidet.

   G. Doppelringbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Pilotstufenabschnitt einen ürennerdoiu (27) aufweist, dessen verlängerte Achse die Wand des Pilotstufen-Brennerabschnittes schneidet.

   7. Doppelringbrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdome (26, 27) in Stufen aktiviert werden, derart, dass der radial innere Brennerdom (27) für Leerlaufbetrieb mit Brennstoff gespeist und der radial äussere Brennerdom (26) für höhere Betriebstemperaturen mit Brennstoff gespeist wird.

   8. Doppelringbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere und innere Brennerdom (26, 27) jeweils eine Anzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Vergaservorrichtungen (2b, 31) aufweist.

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   3 -

   9. Doppelringbrenner nach Anspruch ': ₃ d a c u r c h Q e -

   kennzeichnet , dass sich die Zündeinrichtung (39) racial nach inner·: bis zu dem innerer, rennen■-.·■ ■: (27) erstreckt. ;-,;-

   10. Doppe !ringbrenner nach Ansprucn 9j dadurch L ^ ~ ■? "-kennzeichnet , dass die Zün iinrJ.,rhturi;^ (39) . .,^. zwischen einem Paar benachbarter Vergas er vorri c:; t -,--er¹, an- ^ geordnet ist. "* ■""

   11. Doppelringbrenner nach Anspruch I₃ α a d ν r c h gekennzeichnet , uass eine äussere Verkleidung

   (14) eine im allgemeinen gerade Form hat und mit den Achsen -,.J des äusseren Brennerdomes (26) im wesentlichen ausgerichtet ,_Oä ist. ^_ - "V .-„

   12. Doppelringbrenner nach Anspruch 7, dadurch ge- '"'"' kennzei chnet₃ dass eine innere Verkleidung (16) im axialen Schnitt im wesentlichen gekrümmt und derart ausgerichtet ist, dass sie die Achsen des inneren Brennerdomes (27) schneidet.

   13. Doppelringbrenner nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet , dass zwischen den radial inneren und äusseren Brennerdoraen (26 ₃ 27) ein Mittelkörper (35) angeordnet ist.

   14. Verfahren zum stufenweisen Betrieb eines Doppelringbrenners mit konzentrisch angeordneten inneren und äusseren Vergaserabs chnitten _s dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Brennerabschnitt während 'Leerlaufbetrieb sperioden mit Brennstoff versorgt und gezündet wird und dass für einen Triebwerksbetrieb bei Drehzahlen oberhalb des

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   Leerlaufbetriebes dem äusseren Vf -"gas er ab schnitt Brennstoff zugeführt wird.

   15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch den äußeren Vergaserabschnitt eine größere Luftströmungsmenge hindurchgeführt wird als
   durch den innerer: Vergaserabschnitt.

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