DE2825431A1

DE2825431A1 - Brenner fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2825431A1
Application number: DE19782825431
Authority: DE
Inventors: John Alan Mobsby
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1978-06-09
Publication date: 1978-12-14
Also published as: IT7824303A0; FR2393940A1; JPS5760530B2; US4222243A; GB1597968A; IT1096395B; JPS547009A; DE2825431C2

Description

Patentanwälte D! pi.-1 ng. Curt Wallach

Dipl.-Ing. 6ünther Koch

O Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

" ^ Dipl.-Ing. Rainer^eldkamp

Io loh ο Γ

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

Datum: 9 ο Juni 1978

Unser Zeichen: 16 278 - K/Ap

Anmelder: Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Bezeichnung: Brenner für Gasturbinentriebwerke

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffbrenner für Gasturbinentriebwerke.

Die Konstruktion derartiger Brenner hat sich wahrend der letzten Jahre geändert. Zunächst wurden Brenner benutzt, bei denen der Brennstoff unter Druck als Strahl eingespritzt wurde, während neuerdings das Prinzip der Verstaubung unter Zuhilfenahme von Luftströmungen benutzt wird. Der Hauptgrund für diese Änderung besteht in der Forderung, die Erzeugung von Rauch zu vermeiden, wenn der Druck innerhalb der Hochdrucklauf räder der Gasturbinen erhöht wird.

Gewöhnlich wird bei luftunterstützten Brennern das Einspritzen von Brennstoff tangential in einen kreisförmigen oder ringförmigen Luftkanal bewirkt, der von einer Luftströmung mit hoher Geschwindigkeit durchsetzt wird. Hierdurch wird ein zylindrischer Flüssigkeitsfilm in der Hahe der Wand des Luftkanals erzeugt und die sich ergebende Brennstoffverteilung in der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks hat die Gestalt eines hohlen Konus. Die Brennstoff/Luft-Mischung ist demgemäß sehr reich um den Brennstoff ilm herum und es können große Eauchmengen noch ieaer erzeugt werden. Bei Schwachlast des Triebwerks kann der Sprühstrahl einen weiten Bereich von Tropfengrößen annehmen, die abhängig von der Dicke des Brennstoffilms sind, der der eingeleiteten Luftströmung ausgesetzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffbrenner für ein Gasturbinenstrahlwerk zu schaffen, der eine Versprühung in Fora eines festen Konus fein atomisierten Brennstoffs bewirkt.

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Gemäß der Erfindung weist ein für ein Gasturbinentrietwerk geeigneter Brenner einen Hohlkanal auf, der eine Brennstoffströmung empfängt, wobei Wirbeleinrichtungen benachbart zum stromaufwärt igen Ende des hohlen Kanals angeordnet und mehrere öffnungen in der Wand des hohlen Kanals stromab der Verwirbelungsvorrichtung vorgesehen sind, wobei die Öffnungen Brennstoff in den hohlen Kanal quer hierzu einspritzen, um eine Verwirbelungsmischung von atomisiertem Brennstoff und Luft innerhalb des Hohlkanals zu erzeugen.

Der Hohlkanal kann von einer weiteren Wandung umgeben sein, die von diesem im Abstand liegt, so daß dazwischen ein Ringkanal gebildet wird, der mit einer weiteren Yerwirbelungseinrichtung versehen sein kann.

Die weitere Verwirbelungseinrichtung liegt vorzugsweise benachbart zum stromabwärtigen Ende des Hohlkanals.

Die Yerwirbelungsvorrichtung und die weitere Verwirbelungsvorrichtung können vorzugsweise aus einer Reihe von im Abstand zueinander angeordneten Schaufeln bestehen.

Vorzugsweise sind zwei oder mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Gruppen von öffnungen in der Wand des Hohlkanals vorgesehen, wobei eine erste Gruppe eine niedrige Brennstoffströmung für Schwachlast liefert, während eine zweite Gruppe oder weitere Gruppen eine höhere Brennstoffströmungsrate für Hochleistungsbedingungen des Triebwerks liefern.

Die erste Gruppe von öffnungen liegt vorzugsweise

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benachbart zum stromabwärtigen Ende des Hohlkanals, während die zweite Gruppe oder folgende Gruppen im wesentlichen in der Mitte oder im wesentlichen im gleichen Abstand zwischen der Verwirbelungseinrichtung und der ersten Gruppe von öffnungen angeordnet wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Gasturbinentriebwerk mit einem Brennstoffbrenner gemäß obiger Kennzeichnung.

nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit einem Brennstoffbrenner gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Schnittansicht des Brenners.

In Fig. 1 ist ein Gasturbinenstrahltriebwerk dargestellt, welches einen Lufteinlaß 10, einen Kompressor 12, eine Verbrennungseinrichtung 14, eine Turbine 16, ein Strahlrohr 18 und eine Abgasdüse 20 aufweist.

Die Verbrennungseinrichtung weist ein ringförmiges Flammrohr 24 bekannter Art auf, an dessen stromoberseitigem Ende mehrere in gleichem Abstand zueinander angeordnete Brenner 22 befindlich sind. Einer dieser Brenner ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt. Er besteht grundsätzlich aus einem Hohlzylinder 26, der an beiden Enden offen ist. Eine Gruppe von Wirbelschaufeln 28 ist am stromaufwärti-

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gen Ende des Zylinders 26 angeordnet und die inneren Enden der Wirbelschaufeln werden von einer Habe 30 getragen. Durch, die Kabe 30 hindurch, verläuft ein Loch. 32, welches die Ablagerung von Kohlenstoff auf der Habe verhindern soll.

In der Wandung des Zylinders 26 sind zwei Kingleitungen 34 und 36 ausgebildet, die mit Brennstoff von einer Brennstoffsteuereinrichtung über Zuführungsleitungen 38 bzw. 40 gespeist werden. Die Zuführungsleitung 40 liefert der Leitung 36 Brennstoff mit einer geringen Strömungsrate für den Leerlauf und für Schwachlast, während die Leitung 38 eine höhere Brennstoffrate der Leitung 34- zuführt, um das Triebwerk mit höheren Leistungen fahren zu können.

Eine Anzahl von kleinen in Umfangsrichtung angeordneten Löchern 4-2 steht mit der Leitung 36 und dem Inneren des Zylinders 26 in Verbindung. Im typischen Fall sind acht solche Löcher vorgesehen. Eine gleiche Zahl kleiner, in Umfangsrichtung angeordneter Löcher 44 verbindet die Leitung 34- mit dem Inneren des Zylinders 26. Im typischen FaIl sind 14- solche Löcher, oder für größere Brenner 20 Löcher angeordnet. Diese Löcher sind klein und im typischen Falle beträgt der Durchmesser dieser Löcher 0,37 (0,015 Zoll), und diese Löcher sind so angeordnet, daß der Brennstoff normal zur Achse des Brenners verspritzt wird, und es wird die Brennstoffströmung nach, dem Zylinder 26 abgemessen. Die Löcher 42 sind benachbart zum stromabwärtigen Ende des Zylinders 26 angeordnet und die Löcher 44 sind in geeigneter Weise in der Mitte zwischen den Wirbelschaufeln 28 und den Löchern 42 vorgesehen.

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Der Zylinder 26 wird am stromaufwärtigen Ende der Brennkammer 24 durch eine weitere Gruppe von Wirbelschaufeln 46 getragen, deren äußere Enden an einem Kreisring 48 befestigt sind. Dieser Kreisring 48 ist mit dem stromaufwärtigen Ende 50 oder der Basisplatte der Brennkammer 24 verbunden. Auf diese Weise wird ein Ringkanal zwischen dem Kreisring 48 und der äußeren Oberfläche des Zylinders 26 definiert, um primär Verbrennungsluft in die Brennkammer einzuführen. Die Wirbelschaufeln 46 können so angeordnet sein, daß Wirbelluft in Gegenrichtung zu den Wirbeln hindurchtritt, die auf die Luft aufgeprägt wurden, welche durch die Wirbelschaufeln 28 hindurchgetreten ist, oder die !Richtung kann auch gleich sein.

Im Betrieb tritt Luft mit hoher Geschwindigkeit in den Brenner ein und ein Teil der Luft gelangt durch die Wirbelschaufeln 46 und ein anderer Teil gelangt durch die Wirbelschaufeln 28 in den Zylinder 26. Durch die Locher 42 oder 44 oder durch beide Lochgruppen wird Brennstoff indiziert, derart, daß dieser Brennstoff in den verwirbelten Luftstrom eintritt und nicht auf die inneren Oberflächen des Zylinders 26 aufprallt. Der Brennstoff wird atomisiert und dies wird dadurch begünstigt, daß gewährleistet wird, daß die Eelativgeschwindigkeit von Brennstoff und Luft so groß wie möglich ist, und indem sehr kleine Löcher 42 und 44 benutzt werden, welche so klein sind wie dies möglich ist, ohne daß mögliche Blockierungsprobleme auftreten. Die Dispersion der Brennstofftropfen nach der Atomisierung bewirkt einen festen Sonus aus einer Brennstoff/Luft-Mischung, der am stromabwärtigen Ende des Zylinders austritt, und der sehr fein atoaisierte Brennstoff ergibt einen hohen Verbrennungs-

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wirkungsgrad für den Brenner und vermindert die Gefahr der Raucherzeugtmg bei Hochleistungsbetrieb.

Es kann auch noch eine dritte Gruppe von Brennstofflöchern benutzt werden, und in diesem Fall können die drei Gruppen in geeigneter Weise im gleichen Abstand zwischen den Wirbelschaufeln 28 und dem stromabwärtigen Ende des Zylinders 26 angeordnet werden.

Der bevorzugte Winkel der Wirbelschaufeln 28 gegenüber der Achse des Brenners beträgt etwa 25°, jedoch können größere Winkel, und zwar Winkel bis zu 4-5°, benutzt werden. Ein zu großer Winkel bewirkt jedoch, daß der Brennstoff auf die Zylinderwände zentrifugiert wird, und es hat sich gezeigt, daß ein Winkel von 25° ein bevorzugtes Flammuster erzeugt.

Die Lage der Wirbelschaufeln 46 ist nicht kritisch. Beispielsweise können diese am stromaufwartigen Ende des Zylinders 26 angeordnet werden.

Das stromabwärtige Ende des Zylinders 26 kann glockenförmig ausgebildet sein, um die Gefahr von Kohlenstoffablagerungen zu verringern, die sich um das stromabwärtige Ende des Zylinders 26 bilden können.

Der Brenner ist außerdem für rohrförmige Brennkammern und für Brennkammern mit einer ringförmigen Rohranordnung verwendbar.

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Claims

Patentanwälte Dipl.- Ing. Curt Wallach Dipl.-lng. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

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

Datum: 9_O Juni 1978

Unser Zeichen: 16 278

Patentansprüche

Brenner für Gasturbinentriebwerke, bestehend aus einem hohlen Kanal, dem eine Luftströmung zugeführt wird und in dem Wirbelschaufeln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Wirbelschaufeln (28) benachbart zum stromaufwärtigen Ende des hohlen Kanals (26) angeordnet sind und daß eine Vielzahl von Öffnungen (4-2, 44·) in der Wand des hohlen Kanals stromab der Wirbelschaufeln (28) angeordnet ist und daß die Öffnungen (4-2, 44) so angeordnet sind, daß sie den Brennstoff in den hohlen Kanal (26) quer hierzu einspritzen, wodurch eine Verwirbelungsmischung von atomisiertem Brennstoff und Luft innerhalb des hohlen Kanals (26) erreicht wird.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Kanal (26) von einer Wand (48) umschlossen ist, die im Abstand von dem hohlen Kanal liegt, um einen ringförmigen Kanal zu bilden, der mit weiteren Wirbelschaufeln (46) versehen ist.
3· Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Wirbelschaufeln (46) benachbart zum stromabwärtigen Ende des hohlen Kanals angeordnet

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sind.
4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschaufeln (28) aus einer Reihe von im Abstand zueinander liegenden Schaufeln bestehen.
5. Brenner nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Verwirbelungseinrichtung (46) eine Reihe von im Abstand zueinander angeordneten Schaufeln aufweist.
6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder mehrere in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneten Gruppen von öffnungen (42, 44) in der Wand des hohlen Kanals (26) ausgebildet sind.
7« Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gruppe von öffnungen (42) eine geringe Brennstoffrate für Schwachlastbedingungen liefert und daß eine zweite Gruppe (44) oder weitere Gruppen für größere Brennstoffraten für Hochleistungsbetrieb vorgesehen sind.
8. Brenner nach den Ansprüchen 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe von öffnungen (42) benachbart zum stromabwärtigen Ende des Hohlkanals (26) liegt, während die zweite Gruppe (44) oder weitere Gruppen im wesentlichen in der Mitte oder im wesentlichen im gleichen Abstand zwischen den Wirbelschaufeln (28) und der ersten Gruppe von öffnungen (42) angeordnet ist.

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