DE4228816A1 - Brenner für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei neuzeitlichen Brennern und Brennkammerauslegungen für Gastur­ binentriebwerke wird eine an Schadstoffen arme Verbrennung, insbe­ sondere in der Primärzone der Brennkammer, angestrebt. Es hat sich gezeigt, daß eine wesentliche Reduzierung der Schadstoffemissionen bei einer vergleichsweise niedrigen Verbrennungstemperatur von < 1900 K in Kombination mit einem vergleichsweise hohen Luftanteil zum zuge­ führten Brennstoff erreicht wird.

Verhältnismäßig geringe Schadstoffemissionen setzen außerdem u. a. eine gleichförmige Aufbereitung des der Primärzone zuzuführenden Brennstoff-Luft-Gemisches sowie einen guten Ausbrenngrad voraus; dieses insbesondere gemäß der DE-PS 24 42 895 bekannten Brennern, die mit Luftunterstützung als "Niederdrucksysteme" mit hoher Brennstoff­ zerstäubungsgüte und teilweiser wandseitiger und aerodynamischer Brennstoffverdampfung arbeiten. Der bekannte Fall sieht jedoch keine hinsichtlich des Luftdurchsatzes regulierbaren Dralleinrichtungen vor, um unterschiedliche Betriebszustände, in bezug auf hierfür not­ wendige variable Brennstoff-Luft-Durchsätze möglichst schadstoffarm zu beherrschen.

Bauaufwendig, technisch komplex sowie störanfällig und teuer sind ferner Brennkammerkonzepte, die im Interesse einer an Schadstoffen armen Verbrennung eine "variable Kammer-Geometrie" vorsehen, um Verbrennungs- und gegebenenfalls Mischluft über im Querschnitt steuerbare Löcher der Lochreihen zuzuführen, indem Rohrabschnitte des Flammrohrmantels der Brennkammer relativ zueinander in Achs- oder Umfangsrichtung verschiebbar sind.

Aus der EP-PS 0251895 ist eine Ringbrennkammer für ein Gastur­ binentriebwerk bekannt, bei der für eine an Schadstoffen armen Ver­ brennung jedem Brenner eine "externe", hinsichtlich der Zufuhr eines Teils der Verbrennungsluft regulierbare Dralleinrichtung zugeordnet sein soll; im bekannten Fall erfolgt die Regulierung mittels einer außen in Umfangsrichtung an einem Zentralkörper verdrehbaren Blende, die an über dem Umfang verteilten Öffnungen Stege aufweist, die der Länge nach nur zum Teil in radiale/tangentiale Durchbrüche des Zen­ tralkörpers so hineinragen, daß sie in Zwischenstellungen der Blende jeweils eine von den Durchbrüchen abweichende Winkelanstellung auf­ weisen. In Zwischenstellungen die für die Regulierung maßgeblich sind, ergibt sich eine die Luftströmung am Eintritt drosselnde, in Richtung der Strömung divergente Kanalführung, die stromab der Steg­ hinterkante sich sprunghaft in Richtung auf einen großflächigen Ka­ nalaustritt erweitert; dabei wird in der Art einer sich ablösenden Diffusor-Strömung die jeweilige Umfangskomponente der Strömung am jeweiligen Austritt eines Durchbruches deutlich abgeschwächt, wodurch die erforderliche Drallerzeugung nicht unerheblich beeinträchtigt wird; dies ist ein wesentlicher Nachteil für eine über den gesamten Betriebszustand erforderliche gleichförmige Turbulenzausbildung und damit einhergehende gleichförmige, stabile sowie an Schadstoffen arme Verbrennung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner nach der eingangs genannten Art (Oberbegriff des Patentanspruchs 1) anzugeben, bei dem mindestens eine Dralleinrichtung den für eine schadstoffarme und gleichförmige Verbrennung betrieblich notwendigen Luftdurchsatz unter Aufrechterhaltung eines stets gleichförmig ausgeprägten Rota­ tionswirbels verhältnismäßig einfach über einen großen Regelbereich ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Gemäß der Erfindung sind die Abschnitte, die die Profile ausbilden, an sich einander gegenüberliegenden Stirnflächen der beiden, gegebe­ nenfalls ring-, bzw. ringscheibenförmigen Bauteile axial vorstehend angeordnet. Vorzugsweise können die als Hohlkörper ausgebildeten Profilabschnitte verhältnismäßig dünnwandig und auf die äußere Pro­ filgeometrie der darin axial einfahrbaren Profilabschnitte des je­ weils anderen Bauteils genau abgestimmt gestaltet sein. Bei der Er­ findung ergibt sich bei der Relativ-Verstellung praktisch eine axiale Profilverlängerung oder -verkürzung mit dem wesentlichen Vorteil, daß die sich jeweils zwischen den Profilabschnitten einander gegenüber­ liegenden Aussparungen axial vergrößerbare oder verkleinerbare Querschnitte der Drallkanäle so ausbilden, daß in allen Stellungen, über die gesamte Kanallänge hinweg, grundsätzlich konstant gehaltene Durchströmquerschnitte vorliegen; der in Zwischenstellungen oder in maximal geöffneter Endstellung leicht vorstehende Stirnwandverlauf des hohlkörperartigen Abschnitts stellt keine nennenswerte aerody­ namische "Schikane" dar. Es werden bei der Erfindung Drallkanäle mit jeweils durchgehend quadratischen oder rechteckigen Querschnitten ausgebildet. Es besteht die Möglichkeit, die Profilabschnitte, und damit die Profile und Drallkanäle in Umfangsrichtung radial/tangen­ tial gekrümmt auszubilden.

Weder zuströmseitig noch abströmseitig treten die zu Bekanntem ver­ merkten aerodynamischen Beeinträchtigungen auf; trotz Verstellung im Sinne einer Änderung des Luftdurchsatzes liegt ein austrittsseitig über dem Umfang gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil vor.

Im Wege aufgezeigter Merkmale wird also die Drallströmung und damit die gewünschte Rotationswirbelgeometrie, die für eine optimale Aufbe­ reitung des Brennstoff-Luftgemisches mitverantwortlich ist, in ver­ schiedenen Zwischenstellungen nicht beeinträchtigt.

Mit der regulierbaren Dralleinrichtung kann die gesamte oder ein wesentlicher Teil der für eine an Schadstoffen armen Verbrennung benötigten Primärluft zugeführt werden; die Dralleinrichtung ist für den Durchsatz verhältnismäßig kleiner und verhältnismäßig großer Luftmengen regulierbar.

In vorteilhafter Ausgestaltung ermöglicht die Erfindung die Kombina­ tion mindestens einer steuer- oder regelbaren Dralleinrichtung, mit einer stationären Dralleinrichtung, die über den gesamten Betriebszu­ stand eine konstante Luftzufuhr bereitstellt, wobei die Brennstoff­ zufuhr je nach Lastzustand variert wird, wobei dann den variablen Betriebszuständen eine Luftzufuhr "überlagert" wird, die in Anpassung an die jeweiligen Betriebszustände den Luftbedarf hinsichtlich einer an Schadstoffen armen Verbrennung ermöglicht. Der zuletzt genannte Luftbedarf kann z. B. als Funktion betrieblich zunehmender Verbren­ nungstemperatur und/oder Druckes in der Brennkammer geregelt werden. Die Erfindung schließt die Möglichkeit ein, in bestimmten Triebwerks­ zuständen - sowie je nach Auslegung und Einsatzspektrum des Trieb­ werks - also beim Zünden und Anfahren sowie gegebenenfalls bei ex­ tremer Vollast - z. B. stöchiometrisch zu verbrennen und überwiegend, im Marschflugbetrieb, luftreich und demgemäß schadstoffarm zu ver­ brennen.

Die betreffenden Drallmittel bzw. -einrichtungen können etwa gleich­ sinnig oder einander entgegengerichtet zur Brenner- oder Düsenachse rotierende Rotations- bzw. Mischluftwirbel erzeugen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung (Anspruch 1) finden in den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 11 ihren Niederschlag.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 einen Mittellängsschnitt eines abgebrochen dargestellten Flammrohrabschnitts nebst oberer Hälfte der Dralleinrichtung an der Brennstoffdüse in einer ersten Endstellung mit insge­ samt kleinstem Durchströmquerschnitt der Drallkanäle (s.h. auch Fig. 3),

Fig. 2 eine Schnittdarstellung gemäß Fig. 1, worin jedoch die Drall­ einrichtung in einer zweiten Endstellung mit insgesamt größtem Durchströmquerschnitt der Drallkanäle veranschau­ licht ist (s.h. auch Fig. 4),

Fig. 3 eine in die Zeichnungsebene abgewickelt und schematisch dar­ gestellte, abschnittsweise Draufsicht der Dralleinrichtung in der ersten Endstellung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine in die Zeichnungsebene abgewickelt schematisch darge­ stellte, abschnittsweise Draufsicht der Dralleinrichtung in der zweiten Endstellung gemäß Fig. 2,

Fig. 5 ein Teilumfangsquerschnitt der Dralleinrichtung in der ersten Endstellung aus Fig. 3, jedoch in gegenüber Fig. 3 realer Verdeutlichung der im wesentlichen keilförmigen Pro­ filabschnitte als Hohlkörper des einen bzw. in Fig. 1 oder 3 rechten Bauteils mit darin eingefahrenen Profilabschnitten des anderen bzw. linken Bauteils und

Fig. 6 einen Mittellängsschnitt des flammrohrseitig örtlich abge­ brochen dargestellten Kopfendes einer Brennkammer mit einem Brenner, der in Zuordnung zur zentralen Brennstoffdüse die Kombination einer regulierbaren Dralleinrichtung mit einer stationären weiteren Dralleinrichtung aufweist.

Gemäß Fig. 1 ist bei einem Brenner eines Gasturbinentriebwerks einer Brennstoffdüse 1 eine ringförmige Dralleinrichtung 2 koaxial zuge­ ordnet. Dabei strömt ein Teil der am Verdichterende entnommenen Luft gemäß Pfeil D als Primärluft zunächst in axialer Richtung in einen stromaufwärtige am Kopfende der Brennkammer ausgebildeten Ringraum 3 ein; über den Ringraum 3 wird die zugeführte Primärluft D über das frontal in sich geschlossene Bauteil 10 hinweg nach örtlicher Um­ lenkung gemäß Pfeilrichtung D′ der Dralleinrichtung 2 von oben und außen in radialer Richtung zugeführt. Der Ringraum 3 wird zwischen einer Abschlußhaube 4 sowie - von links nach rechts gesehen - einem Abschnitt der Brennstoffdüse 1, der Dralleinrichtung 2 und der Rück­ wand 5 des Flammrohrs 6 der Brennkammer ausgebildet.

Wie insbesondere aus der vollständig geöffneten Endstellung nach Fig. 4 erkennbar, werden die über dem Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Profile 7 der Dralleinrichtung 2 von korrespondierenden Abschnitten 8, 9 ausgebildet, die jeweils axial von sich einander gegenüberliegenden Stirnflächen zweier ringscheibenförmiger Bauteile 10, 11 vorstehen; dabei ist jeweils der eine Abschnitt 9 eines Profils 7 als Hohlkörper ausgebildet (s.h. auch Fig. 5), in den der jeweils andere Abschnitt 8 in axialer Richtung mehr oder weniger weit axial einfahrbar ist; es greifen also die einen Abschnitte 8 axial beweg­ lich in die anderen Abschnitte 9 ein. Bei axialer Verstellung des mindestens einen Bauteils 10 können so zwischen den Profilen 7 je­ weils variable radiale/tangentiale Drallkanäle K (Fig. 3) bzw. K′ (Fig. 4) mit über ihre Gesamtlänge konstant bleibenden, hier recht­ eckigen Durchströmquerschnitten eingestellt werden. In der Endstellung nach Fig. 3 sind die Abschnitte 8, 9 der Profile 7 komplett axial ineinander eingefahren, so daß die jeweiligen Drallkanäle K den kleinstmöglichen Gesamtdurchströmquerschnitt der Oralleinrichtung ausbilden, im Gegensatz zur Endstellung nach Fig. 4, in der die Drallkanäle K′ den größtmöglichen Gesamtdurchströmquerschnitt be­ reitstellen.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel insbesondere nach Fig. 3 und 4 wäre eine Anordnung im Rahmen der Erfindung möglich, bei der an jeder Stirnseite eines Bauteils 10 bzw. 11 Hohlkörper und Vollprofile ab­ schnittsweise in Umfangsrichtung fortlaufend aufeinander folgen.

Gemäß Fig. 1 und 2 wird ferner davon ausgegangen, daß das eine Bau­ teil 11 fest mit der Brennkammer, hier also mit der Rückwand 5 des Flammrohrs 6 verbunden ist; dabei ist das Bauteil 11 mit einer zu einer radial innen liegenden Nasenkante 12 hin auslaufenden Ausneh­ mung 13 an der Rückwand 5 zentriert und fest verankert. Die Nasenkan­ te 12 bildet eine in Richtung der Strömung konvergente/divergente Kanalführung aus.

Wie ferner in Fig. 1 und 2 dargestellt, ist das andere Bauteil 10 über einen hülsenförmigen Abschnitt, radial innen in axialer Richtung an der Brennstoffdüse 1 axial verschiebbar bzw. verstellbar ange­ ordnet. Das andere Bauteil 10 könnte auch an einem zylindrischen Düsenträger oder Düsenstock axial verstellbar sein.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Brennstoffdüse 1 bzw. deren Gehäusemantel in axialer Richtung (Pfeile F, F′) axial ver­ stellbar ausgebildet sein, um über den gesamten Verstellbereich der Dralleinrichtung 2 eine optimal auf die jeweilige Abströmrichtung der verdrallten Primärluft D′′ (Fig. 2) abgestimmte Positionierung des Brennstoffabspritzkegels Kg zu erreichen, so daß auch in den extrem unterschiedlichen Endstellungen der Dralleinrichtung 2 nach Fig. 3 oder 4 ein optimal mit Brennstoff angereicherter gleichförmig über dem Umfang ausgeprägter Rotationswirbel W (Fig. 1) in der Primärzone erzeugt werden kann.

Aus Fig. 5 geht besonders deutlich die Ausbildung und Anordnung der im wesentlichen dreieckförmigen Profilabschnitte 8 innerhalb der geometrisch darauf abgestimmten Profilabschnitte 9 als dünnwandige Hohlkörper hervor; mit andern Worten: Es weisen die Profilabschnitte 8, 9 sich in Richtung vom äußeren zum inneren Durchmesser (Austrittsseite) der Dralleinrichtung 2 keilförmig verjüngende Querschnitte auf unter Einschluß der über dem Umfang gleichmäßig und -förmig verteilt ausgebildeten Drallkanäle K bzw. K′, hier in gerader tangentialer Bauweise.

Im Rahmen der Erfindung können die Drallkanäle und/oder die Pro­ filabschnitte aber auch gekrümmt bzw. schaufelkanalartig und/oder schaufelförmig ausgebildet sein.

Fig. 6 veranschaulicht eine weitere Variante der Erfindung mit am Kopfende der Brennkammer ausgebildetem Brenner in der Kombination einer im Sinne der Fig. 1 bis 5 regulierbaren Dralleinrichtung 2 mit einer dieser nachgeordneten stationären Oralleinrichtung 14, die ebenfalls unter radialer Zuströmung (Pfeil D′′′) aus der in axialer Richtung zuströmenden Primärluft D versorgt wird.

In mit ausgezogenen Linien dargestellten Konturen verkörpert die regulierbare Dralleinrichtung 2 die Endstellung im Sinne der Fig. 1 und 3 mit jeweils kleinstem Gesamtdurchströmquerschnitt gemäß Kanälen K, dieses im Gegensatz zur gestrichelt wiedergegebenen Endstellung mit dem größten Gesamtdurchströmquerschnitt und mit den dabei im Sinne der Fig. 2 und 4 maximal geöffneten Kanälen K′.

Nach Fig. 6 weist die regulierbare Dralleinrichtung 2 das axial an der Brennstoffdüse 1 verschiebbar bzw. verstellbar angeordnete ring-scheibenartige Bauteil 10 mit dem hülsenförmigen inneren Schaft und den Abschnitten 8 (Fig. 2 und 4) auf, die in die als Hohlkörper ausgebildeten Abschnitte 9 (Fig. 4, 5) des anderen Bauteils 11 axial einfahrbar sind; das andere bzw. stationäre Bauteil 11 bildet in Fig. 6 eine Abschirmwand aus, die die Drallkanäle K, K′′ voneinander trennt und die sich stromabwärtig radial/axial hülsenförmig (H) sowie koaxial zur Düsen- bzw. Brennerachse A erstreckt. Über betreffende feste Profile, die die Drallkanäle K′′ der stationären Dralleinrich­ tung 14 ausbilden, ist das feste Bauteil 11 der regulierbaren Drall­ einrichtung 2 über ein Umlenkstück 15 zentral und fest an der Flammrohr-Rückwand 5 bzw. am Brennkammer-Gehäuse gehaltert. Das Umlenkstück 15 weist eine divergent/konvergente radial innere Wand­ kontur auf, letztere ebenfalls rotionssymmetrisch zur Düsen- bzw. Brennerachse A. Radial außen setzt sich das Umlenkstück 15 als Ab­ schirmwand 16 mit Abstand axial zur Rückwand 5 fort.

Über die beiden Dralleinrichtungen 2, 14 (Fig. 6) können jeweils im gleichen Drehsinne oder einander entgegengerichtet rotierende, mit Brennstoff B aus der Düse 1 angereicherte bzw. innig vermischte Rota­ tionswirbel W1, W2 in der Primärzone erzeugt werden.

In der gestrichelt und voll geöffnet gezeichneten Endstellung der Dralleinrichtung 2 kann in Kombination mit der stationären Drallein­ richtung 14 eine extrem luftreiche bzw. "kalte" und schadstoffarme Verbrennung in der Primärzone erzielt werden.

Die Axialverstellung eines der beiden Bauteile, z. B. 10, der regu­ lierbaren Dralleinrichtung 2 kann durch hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigte Stelleinrichtungen erfolgen. Insbesondere bei einer Ringbrennkammer mit am Kopfende gleichmäßig über dem Umfang verteilt angeordneten Brennern besteht eine Möglichkeit zur Betäti­ gung derart, daß eine rotatorische Verstellbewegung eines gemeinsamen Ringes über Hebel sowie Langloch-Schlitzführungen, letztere jeweils schräg zur Brennerachse angeordnet, in jeweils eine axiale Verstell­ bewegung umgesetzt wird.

Die betreffende Oralleinrichtung 2 kann, bei entsprechender axialer Verstellung des mindestens einen Bauteils, z. B. 10, den Luftdurchsatz als Funktion des Triebwerkslastzustandes, aus einzelnen Triebwerks­ parametern oder -variablen, oder als Funktion örtlich gemessener Druck- und Temperaturverläufe in der Brennkammer regulieren bzw. steuern.

Soweit nicht schon ausdrücklich beansprucht, sind die vorstehend er­ wähnten und/oder zeichnerisch dargestellten Merkmale ebenfalls Be­ standteil der vorliegenden Erfindung.

Claims (11)

1. Brenner für Gasturbinentriebwerke, bei dem einer Brennstoffdüse (1) eine ringförmige Dralleinrichtung (2) koaxial zugeordnet ist, die zwischen über dem Umfang verteilten Profilen (7) tangentiale Kanäle (K, K′) für eine regulierbare Zufuhr von Verbrennungsluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Profile (7) von korrespondierenden Abschnitten (8, 9) axial relativ zueinander beweglich angeordneter Bauteile (10, 11) ausge­ bildet sind,
• - jeweils der eine Abschnitt (9) eines Profils (7) ein Hohlkörper ist, in den der korrespondierende andere Abschnitt (8) beweglich eingreift.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeweils einem Bauteil (11) sämtliche als Hohlkörper ausgebildeten Ab­ schnitte (9) der Profile (7) angeordnet sind.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Bauteil (11) stationär an der Brennkammer gehaltert, das andere Bauteil (10) axial verschiebbar an der Brennstoffdüse (1) oder einem Düsenträger angeordnet ist.

4. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Brennkammer stationär angeordnete Bauteil (11) ausschließlich die als Hohlkörper ausgebildeten Ab­ schnitte (9) der Profile (7) aufweist.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bauteile (10, 11) rotationssymmetrisch zur Düsen- oder Brennerachse (A) angeordnet und im wesentlichen ring-scheibenförmig und/oder hülsenförmig ausgebildet sind.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bauteile (10, 11) mit den Abschnitten (8, 9) der Profile (7) quadratische oder rechteckige variable Kanäle (K, K′) mit stets über deren Gesamtlänge konstant bleibenden Durchströmquerschnitten ausbilden.

7. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (1) relativ zu den beiden Bauteilen (10, 11) axial verstellbar angeordnet ist.

8. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile (7) einen keilförmigen oder drei­ eckförmigen oder einen schaufelartigen Querschnitt aufweisen.

9. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der regulierbaren Dralleinrichtung (2) min­ destens eine weitere stationäre Dralleinrichtung (14) so zugeordnet ist, daß im gleichen Drehsinne oder einander entgegengerichtet ro­ tierende Rotationswirbel (W1, W2) in der Primärzone erzeugt werden.

10. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralleinrichtung durch Axialverstellung den Luftdurchsatz als Funktion des Triebwerkslastzustandes reguliert.

11. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralleinrichtung durch Axialverstellung den Luftdurchsatz als Funktion örtlicher Temperatur- und/oder Druckverläufe in der Brennkammer reguliert.