DE2143012B2 - Brenneranordnung bei einer Gasturbinen-Brennkammer - Google Patents
Brenneranordnung bei einer Gasturbinen-BrennkammerInfo
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Description
55
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 Riehtung und mit einer Wirbelbewegung strömenden Luft
hindurchtritL
Das Hauptproblem bei bekannten Brenneranordnuneen
ist die Vermeidung einer Büdung und Ablagerung von Kohlenstoff. Bei älteren Entwicklungen, wie sie in
den Sa Patentschriften 1 322 999 und 2 398 654 beschrieben
sind, wurde durch zusätzliche Venturikanale bzw Strömungsverengungen für eine gute Verm.-schung
des eingespritzten Brennstoffs m.t 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 3 430 443 beschrieben sind, wird jedoch eine Ruckstromung
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
SDritzkegel der Düse verändert und somit die Gleichförmigkeit der Brennstoff-Luftverteilung verschlech-
Jari VVirQ
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 Venturielement 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 erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf Grund des Venturielements
die Flammenfront in einem gewünschten 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 eine brennbare Mischung und eine Flammtnfront 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 Verengungsve-Mltnis und weiterhin durch die Menge
der hindurchtretenden Mischluft der Abstand der Flammenfront von der Einspritzdüse je nach Applikation
wunschgemäß gesteuert werden kann.
Die Ert ndung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an Hand der folgenden Beschreibung und der
Zeichnun »en zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines GasturbinenTriebwerks,
in dem ein Brenner der hier interessierenden Art verwendet wird;
F i g 2 ist ein vergrößerter Längsschnitt und zeigt Ein/elheuen eines Brenners gemäß einem Ausführungsbei
piel der Erfindung;
F i g. i ist ein Schnitt entlang der Linie lil-lll in
F ig. 2;
F i g. * ist ein Längsschnitt ähnlich wie F i g. 2 und
zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das ii F i g. 1 dargestellte Triebwerk umfaßt einen Axialkopipressor 10, der Luft komprimiert. Diese
Drucklu't strömt durch einen ringförmigen Kanal 12 hindurd in einen ringförmigen Brenner 14, wo Brennstoff
eingeführt wird. Die Druckluft unterstutzt die Verbrennung
des Brennstoffs innerhalb des Brenners, um einen hochenergetischen, heißen Gasstrahl zu erzeugen.
Ditser heiße Gasstrahl treibr eine Turbine 16 an. die ihreiseits den Rotor des Kompressors 10 antreibt.
Der heil Se Gasstrahl wird dann in eine nutzbare Ausgangsgroße umgewandelt, indem er beispielsweise aus
einer Diise 17 ausgestoßen wird, um einen Antriebsschub fiir ein Luftfahrzeug zu erzeugen.
Der Brenner 14, wie er in F i g. 2 dargestellt ist, umfaßt äullere und innere Gehäuseteile bzw. Verkleidungen
18 und 20, die eine ringförmige Brennkammer 21 bilden. Diese Gehäuseteile sind an ihren stromaufwärtigen
Ernten durch einen zusammengesetzt ausgebildeten Aul salzteil 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 Verwirbler 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 sich 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 Durchlasse 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. Der 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 ΚϋΜ;ιηε 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 Verdünnungsfunkiion
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
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
5" 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
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 '/3 der Mischluft des Verwirbler 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 gestrichel- 3c ten Pfeile angedeutet ist, und eine brennbare Mischung
und eine Flammenfront sehr nahe an dem Düsenaustritt 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 der Längen der Kanäle 32 mit dem Verwirbler 28 ver
schweißt oder auf andere Weise mit diesem verbundei ist. Auf diese Weise wird für den Verwirbler eine zu
sätzliche Festigkeit und Stabilität erhalten.
F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
in dem die gesamte Mischluft durch ein Venturirohr 5ί strömt, das auch als eine Mischkammer zur Einführung
der dispergieren Brennstoffmischung in die Verbren nungszone dient. Die Wirkung dieses Venturirohrs hin
sichtlich der Erzielung einer gewünschten stromabwärts
gerichteten Verschiebung der Flammenfront unc einer daraus folgenden Herabsetzung der Düsentemperatur
ist im wesentlichen die gleiche wie die vorstehend beschriebene, außer daß der Geschwindigkeitsfaktoi
des Venturirohrs noch entscheidender bei der Ver Schiebung 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 der
Verhinderung der Bildung von Kohlenstoff auf Brennstoffdüsen ist und somit einen langen wartungsfreien
Betrieb sicherstellt. Gleichzeitig bleibt die Rauchentwicklung weiterhin gering.
Die beschriebenen Ausführungsbeispicle der Erfin dung beziehen sich zwar auf ein ringförmiges Verbrennungssystem,
es kann aber in gleicher Weise auch ein kanülenartiges System verwendet werden. Weiterhin
könnte die Mischluft auch ohne oder mit einer kleinen Kreiskomponente durch die Mischkammer strömen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. 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 um- >5
gibt und durch das wenigstens ein Teil der in axialer Richtung nnd mit einer Wirbelbewegung strömenden
Luft hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Venturielement (50; 52) derart bemessen und stromabwärts von der Spritzdüse (30) *0
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.
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