DE2912103A1

DE2912103A1 - Verbrennungseinrichtung fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2912103A1
Application number: DE19792912103
Authority: DE
Inventors: John Stockdale; Robert David Wood
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-03-28
Filing date: 1979-03-27
Publication date: 1979-10-11
Also published as: IT7920538A0; JPS5857656B2; IT1111808B; US4237694A; JPS54134207A; DE2912103C2; FR2421342A1

Description

Patentanwälte Di pi.-I ng. C U rt Wall ac h Dipl.-Ing. Günther Koch ~ Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

W- ' Dipl.-lng. Rainer reldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 27. Mär ζ 1979

Unser Zeichen: l6 527 - Κ/Αρ

Anmelder: Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE OAT
England

Titel: Verbrennungseinrichtung für

Gastürbinentr i ebwerke

909841/0684

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk.

Die Auslegung und Konstruktion der Verbrennungseinrichtungen hat sich während der letzten Jahre geändert, und zunächst wurden Brennstoffbrenner benutzt, die das Brennstoff-Druck-Strahl-Prinzip benutzten und später Brennstoffbrenner, die das Prinzip der von Luft unterstützten Verbrennung benutzen. Der primäre Grund für diese Änderung ist durch die Forderung begründet, die Erzeugung von Rauch zu vermindern, wenn der Druck innerhalb der Hochdruckkammern des Gasturbinentriebwerks erhöht wurde.

Gewöhnlich wird bei luftunterstützten Brennern das Einspritzen von Brennstoff tangential in einen im Querschnitt kreisförmigen oder ringförmigen Luftkanal bewirkt, indem die Luft mit einer sehr hohen Geschwindigkeit strömt. Hierdurch wird ein zylindrischer Plüssigkeitsbereich benachbart zur Wand des Luftkanals geschaffen, und die hieraus resultierende Brennstoffverteilung in der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks hat gewöhnlich die Form eines Hohlkegels. Die Brennstoff/Luftmischung ist um diesen Zylinder herum demgemäß sehr reich und es können immer noch große Mengen von Rauch erzeugt werden. Bei geringen Triebwerksleistungen kann der Sprühstrahl einen weiten Bereich von Tropfengrößen aufweisen, die bezogen sind aus die Dicke der Brennstoffschicht, die dem einfallenden Luftstrom dargeboten wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, die einen Brennstoffbrenner aufweist, der eine gleichmäßige Versprühung fein atomisierten Brennstoffs gewährleistet. Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Verbrennungseinrichtung, die geringere Mengen der zu beanstandenden Abgas-

909841/0684

emissionen, beispielsx\reise Stickoxide erzeugt.

Die Bildung von Stickoxiden hängt von einer Zahl miteinander verknüpfter Paktoren ab, einschließlich Verbrennungstemperatur (je höher die Temperatur desto mehr Stickoxide werden erzeugt), Konzentrationen von Stickstoff und Sauerstoff in dem Brennstoff-Luftgemisch, und die Verweilzeit der Verbrennungsprodukte in der Brennkammer. In Bezug auf die Verweilzeit können geringe Stickoxidemissionen dadurch erreicht werden, daß eine kurze Verweilzeit erlangt wird, was wiederum eine wirksame Verbrennung zur Folge hat, oder eine längere Verweilzeit kann mit einer Verbrennung geringeren Wirkungsgrades verknüpft sein, so daß die Temperatur auf einem niedrigen Wert gehalten wird und nicht ausreicht, um beträchtliche Mengen von Stickoxiden zu bilden.

Im normalen Betriebsbereich des Gasturbinentriebwerks ändern sich die Bedingungen in der Verbrennungseinrichtung beträchtlich, weil sich die Luft- und Brennstoffströmungsraten ändern und unterschiedliche Drücke und Temperaturen auftreten, und demgemäß ist es sehr schwierig, die Erzeugung von Stickoxiden bei allen Triebwerksdrehzahlen zu vermindern.

Gemäß der GB-PS 14 27 146 der Anmelderin ist ein rohrförmiger Primäreinlaß vorgesehen, der einen breiten Stoffinjektor in der stromauftiärtigen Wand des Flammrohres aufweist. Am stromabwärtigen Ende des rohrförmigen Einlasses ist eine Endkappe angeordnet, um einen ringförmigen radial gerichteten Spalt zwischen diesem und dem Ende des rohrförmigen Einlasses zu bilden. Dieser Spalt richtet das Brennstoff-Luftgemisch radial in das Flammrohr und erzeugt einen ersten Toruswirbel im wesentlichen stromauf der Spalte und einen zweiten Toruswirbel entgegengesetzter Drehung im wesentlichen stromab des Spaltes. Diese Anordnung ermöglicht einen hohen Verbrennungs-Wirkungsgrad

909841/0684

bei Leerlaufdrehzahlen am Boden, ohne daß das Hochleistungsverhalten in irgend einer Weise beeinträchtigt würde.

Die Erfindung geht aus von einer Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Brennstoffbrenner, der einen Hohlkanal aufweist, dem eine Luftströmung zugeführt wird. Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß erste Wirbeischaufeln unmittelbar benachbart zum stromaufwärtigen Ende des hohlen Kanals angeordnet sind, daß ein ringförmiger äußerer Kanal wenigstens teilweise den Hohlkanal umgibt, daß zweite Wirbelschaufeln benachbart zum stromaufwärtigen Ende des äußeren Ringkanals angeordnet sind, und daß Mittel vorgesehen sind, um Brennstoff in jedem Kanal stromab der ersten und zweiten Wirbelschaufeln einzuspritzen.

Der Brennstoff kann in jeden Kanal senkrecht zur Achse der Kanäle eingespritzt werden, oder auch in einem spitzen Winkel gegenüber der Achse der Kanäle.

Der Brennstoff kann in jedem Kanal von der Außenwand des Hohlkanals eingespritzt werden, wobei der Kanal radial nach innen in den Hohlkanal und radial nach außen in den Ringkanal eingespritzt wird.

Stattdessen oder zusätzlich kann ein Brennstoffinjektor in der Mitte des Hohlkanals vorgesehen werden. Stattdessen können zusätzliche Mittel vorgesehen werden, um Brennstoff in den Außenkanal von der Außenwand einzuspritzen.

Vorzugsweise werden die Brennstoffinjektoren zum Einspritzen des Brennstoffs so gesteuert, daß der Brennstoff nur in einen oder beide Kanäle jeweils eingespritzt wird, und zwar in Abhängigkeit von verschiedenen Triebwerksparametern, beispielsweise Triebwerksdrehzahl und Leistungserfordernisse.

909841/0684

2S12103

Wenn der Brennstoff in beide Kanäle eingespritzt wird, dann kann das Volumenverhältnis des in die beiden Kanäle eingespritzten Brennstoffs gemäß verschiedenen Triebwerksparametern geändert werden.

So wird bei geringer Triebwerksdrehzahl der Hauptteii des Brennstoffs oder der gesamte Brennstoff in den Außenkanal eingespritzt und bei höherer Triebwerksleistung wird der größere Anteil des Brennstoffs oder der gesamte Brennstoff in den inneren Hohlkanal eingespritzt.

Vorzugsweise erweitert sich die stromabwärtige Endwand des Hohlkanals nach außen, wodurch eine Radialkomponente dem Brennst off -Luftgemisch aufgeprägt wird, das den Hohlkanal verläßt. Die stromabwärtige Endwand des äußeren Kanals kann ebenfalls nach außen erweitert ausgebildet sein, um dem Brennstoff-Luftgemisch, das den äußeren Kanal verläßt, eine radiale Bewegungskomponente aufzuprägen.

Die Erfindung umfaßt auch ein Gasturbinentriebwerk mit einer Verbrennungseinrichtung gemäß vorstehender Kennzeichnung.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Brennkammer;

Fig. 2 in einem größeren Maßstab eine Schnittansicht der Brennkammer.

909841/0684

Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäJ3 Fig. 1 weist in Strö.mingsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß 11, einen Kompressor 12, eine Verbrennungseinrichtung 13, eine Turbine 14 und eine Abgasdüse 15 auf. Die Verbrennungseinrichtung 13 besteht aus mehreren getrennten im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Brennkammern, von denen eine bei lt> dargestellt ist. Diese Brennkammern sind in ringförmiger Anordnung u:n die Achse des Triebwerks 10 eingebaut.

Jede Brennkammer weist eine Ringwand 18 und eine Stirnwand 20 auf. Sowohl die Ringwand 18 als auch die Stirnwand 20 sind mit kleinen Löchern 22 versehen, durch die Luft in die Brennkammer eintreten kann, um die Wandung zu kühlen, und es sind größere Löcher 24 in der Wand 18 vorgesehen, um Verbrennungsluft in die Kammer eintreten zu lassen. Die Wand 18 ist außerdem mit Kühlluft- oder Verdünnungsluftlöchern 26 versehen, und die hierdurch strömende Luft kühlt die Verbrennungsgase auf eine Temperatur ab, die für die Turbinenschaufeln akzeptabel ist, welche stromab der Brennkammer 16 umlaufen.

In der Mitte der Stirnplatte 20 ist ein Brennstoffbrenner 28 eingesetzt, der grundsätzlich aus zwei koaxialen Rohren 30 und 32 besteht, wobei das äußere Rohr 32 das Innenrohr 30 umgibt und etwas kürzer ist als das Innenrohr 30, wodurch ein Ringkanal 3^ zwischen den beiden Rohren gebildet ist. Am stromaufwärtigen Ende des Innenrohres 30 liegt eine Gruppe von Wirbelschaufeln 36, und am stromaufwärtigen Ende des Außenrohres 32 befindet sich eine weitere Gruppe von Verwirbelungsschaufeln 38, und diese Schaufeln dienen auch dazu, das Innenrohr 30 in seiner Lage abzustützen. Die beiden Gruppen von Wirbelschaufeln 36 und 38 können so angeordnet werden, daß sie Wirbelströmungen entweder mit gleicher Umlaufriehtung oder mit entgegengesetzter Umlaufriehtung erzielen.

909841/0684

BAD ORIGINAL

Das Innenrohr 30 ist am stromaufwärtigen Ende mit zwei ringförmigen BrennstoffZuführungsleitungen 40 und 42 versehen und Löcher 44 verbinden die Leitungen 40 mit dem Inneren des Rohres 30 und Löcher 46 verbinden die Ringleitung 42 mit dem Kanal 34. Die Löcher 44 sind im wesentlichen senkrecht zur Achse des Brenners 28 angeordnet.

Die stromabwärtigen Enden von Innenrohr 30 und Außenrohr sind nach auiSen erweitert ausgebildet, und das Außenrohr endet etwas stromauf des Innenrohres 30, um einen im wesentlichen radial verlaufenden Ringspalt 47 am Ende des Kanals 34 zu bilden.

Die Brennstoffzufuhr nach den beiden Ringleitungen 40, 42 wird durch einen Brennstoffregler 50 eingestellt, der von einer Brennstoffquelle 52 Brennstoff erhält und diesen den Ringleitungen gemäß einem Triebwerksparameter 54, z.B. in Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl, dem Kompressor- Förderdruck und so weiter zumißt, wie dies weiter unten im einzelnen beschrieben wird.

Im Betrieb tritt Luft in den Kanal 34 und das Innenrohr 30 Über die Verwirbelungsschaufeln J>8 bzw. 36 ein, und diese Wirbelschaufeln verleihen der Luft einen hohen Verwirbelungsgrad. Die Luft tritt aus dem Spalt 47 und dem Ende des Rohres 30 in Richtung der Pfeile aus, und es wird ein erster torusförmiger Wirbel 100 im wesentlichen stromauf des Spaltes erzeugt, und ein zweiter torusförmiger Wirbel 200 bildet sich im wesentlichen stromab des Spaltes 46. Diese Wirbel werden unterstützt durch die über die Löcher 22 in der Stirnplatte 20 einströmende Luft, und die Luft tritt in die Brennkammer durch diese Öffnungen 24 ein.

0-9 841/0684

Bei geringer Triebwerksleistung liefert der Brennstoffregler 50 den Hauptteil des gesamten Brennstoffs an die Ringleitung 42, von wo er in den Außenkanal j>4 eingespritzt wird und demgemäß in den ersten Toruswirbel 100. Durch eine bestimmte Auslegung der Brennkammer können die Äquivalenzverhältnisse

[Brennstoff/Luftverhältnis (Istverhältnis) |

!Brennstoff/Luftverhältnis (stoichiometrisches Verhältnis)!

von ersten und zweiten Wirbel im Hinblick auf einen maximalen Verbrennungsgrad bei Leerlaufdrehzahlen optimiert werden. Da die Brennstoffstrahlen, die aus den Löchern 46 austreten, im Winkel so angestellt werden, daß sie im wesentlichen senkrecht zu der verwirbelten Luftströmung verlaufen, kann eine sehr hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Brennstoff erreicht werden, wodurch sich eine maximale Atomisierung ergibt.

Wenn das Verhältnis von BrennstoffStrömung/Leistung erhöht wird, dann mißt der Brennstoffregler einen größeren Anteil von Brennstoff der Ringleitung 46 zu, von wo der Brennstoff in das Innenrohr JO eingespritzt wird, und demgemäß direkt in den zweiten Toruswirbel 200. So wird bei hoher Leistung das Äquivalenzverhältnis unter jenem gehalten, welches zu einer übermäßigen Rauchentwicklung führt, weil nur ein Teil des Brennstoffes in den ersten Wirbel 100 gerichtet wird.

Das Äquivalenzverhältnis des zweiten Wirbels 200 bei hoher Leistung wird größtenteils durch die Luftströmungsproportionierung bestimmt, die notwendig ist, um einen optimalen Kohlenstoffmonoxidverbrauch bei Leerlaufdrehzahl zu erreichen, aber im allgemeinen ist das Brennstoff/Luftverhältnis in dem zweiten Wirbel 200 gleich jenem eines herkömmlichen Brennstoffbrenners.

909841/0684

2312103

Da jedoch der Brennstoff des inneren Rohres 30 vorher mit Luft versetzt wird, ist die Raucherzeugung in dem zweiten Wirbel minimal.

Die unterschiedliche Brennstoffversorgung der beiden Wirbel gewährleistet, daiB der erste Wirbel relativ reich an Brennstoff bleibt, so daß die Gefahr der Erzeugung von Stickoxiden vermindert wird.

Bei voller Leistung können die beiden Wirbel Äquivalenzverhältnisse haben, die zu reich sind für die Erzeugung von otickoxiden, gefolgt durch eine rapide Verdünnung durch Luft, die durch die Löcher 26 eintritt auf,ein niedriges Äquivalenzverhältnis, vrelches beispielsweise unter 0,7 liegt.

Die Verbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht daher eine günstige Steuerung über lokale Äquivalenzverhältnis se innerhalb der Brennkammer, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Stickoxide und die Raucherzeugung auch bei unterschiedlichen Triebwerksleistungen in engen Grenzen zu halten.

Die erfindungsgemä3e Verbrennungseinrichtung kann nicht nur für Brennkammern bzw. Flammrohre in ringförmiger Anordnung Anwendung finden, sondern auch für konzentrisch zur Achse liegende kreisförmige Einzelbrennkammern oder eine ringförmige Brennkammer.

909841/0684

Claims

Patentanwälte Dipi.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 2?. Mär Z 1979 Unser Zeichen: 16 52? - K/Ap 2312103 Patentansprüche

1. * Verbrennungse.inrichtung für ein Gasturbinentriebwerk

mit einem Brennstoffbrenner, der einen hohlen Kanal aufweist, dem eine Luftströmung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß erste Wirbelschaufeln benachbart zum stromabwärtigen Ende des hohlen Kanals angeordnet sind, daß ein ringförmiger Außenkanal wenigstens teilweise den hohlen Kanal umschließt, daß zweite Verwirbelungsschaufeln benachbart zum stromaufwartigen Ende des äußeren Ringkanals angeordnet sind, und daß Mittel vorgesehen sind, um Brennstoff in jeden Kanal stromab der ersten und zweiten Wirbelschaufeln einzuspritzen,

2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeden Kanal eine Brennstoff-Zuführungseinrichtung für jeden Kanal und einen Brennstoffregler besitzt, dem der Brennstoff zugeführt wird, und der die Brennstoffzufuhr nach den beiden Brennstoffinjektoren in Abhängigkeit von einem Parameter des Gasturbinentriebwerks einstellt, dem die Verbrennungseinrichtung zugeordnet ist.

09841/0884

ORIGINAL INSPECTED

Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführung zwei Brennstoffleitungen aufweist, die am stromaufwärtigen Ende des Hohlkanals angeordnet sind, und daß jede Brennstoffzuführungsleitung eine Vielzahl von Brennstoffauslässen nach dem entsprechenden Kanal aufweist.

Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärtige Stirnwand des Hohlkanals nach außen erweitert ausgebildet ist, um eine Radialkomponente auf das Brennstoff-Luftgemisch aufzuprägen, das den Hohlkanal verläßt.

Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärtige Stirnwand des ringförmigen äußeren Kanals nach außen erweitert ausgebildet ist, um dem Brennstoff-Luftgemisch,das den äußeren Ringkanal verläßt, eine radiale Komponente aufzuprägen.

909841/0684