-
Die Erfindung betrifft
Gasturbinentriebwerks-Brenneinrichtungen mit verbesserten Anordnungen zur Luftzufuhr in das
Innere der Brennkammern, insbesondere verbesserten
Anordnungen für die Zufuhr der für die Kühlung der
Verbrennungsprodukte in den stromabwärtigen Bereichen der Brennkammer
erforderlichen Luft, aber nicht allein diese.
-
Das kommerzielle Bedürfnis nach verbesserter
Gasturbinentriebwerksleistung, insbesondere bei Flugzeugtriebwerken,
macht eine Steigerung der Turbineneinlaßtemperaturen
wünschenswert, da dies zu einer Steigerung des
Kreislaufwirkungsgrads führen würde. Der Umfang einer Steigerung des
Triebwerkswirkungsgrads durch Steigerung der
Turbineneinlaßtemperatur würde wohl denjenigen klein erscheinen lassen, der
durch Verbesserungen der aerodynamischen Auslegung der
Verdichter-und Turbinenbereiche erzielbar wäre. Bei Triebwerken
der gegenwärtigen Generation, insbesondere bei
fortschrittlichen militärischen Flugzeugtriebwerken, sind jedoch die
Turbineneinlaßtemperaturen bereits so hoch, daß dadurch eine
starke Einschränkung der Lebensdauer der Bauteile des
Turbinenabschnitts trotz Verwendung der besten Werkstoffe der
gegenwärtigen Generation und von Kühlanordnungen innerhalb
des Turbinenabschnitts gegeben ist. Außerdem, weil
gleichzeitig die Forderung nach verbesserter Triebwerksleistung
(gemessen als spezifischen Brennstoffverbrauch) besteht, gibt
es eine parallele Forderung nach verbesserter
Bauteilstandzeit sowohl in gegenwärtigen Triebwerken als auch bei
solchen, die sich in der Entwicklung befinden. Es ist
offensichtlich, daß diese beiden Zielsetzungen miteinander
unverträglich sind, sofern es keine wesentliche Verbesserung der
Triebwerkswerkstoffe oder der Triebwerksauslegung gibt.
-
Eine Möglichkeit, nach welcher wesentliche Verbesserungen
ohne revolutionäre Änderung der Triebwerksauslegungen oder
Fortschritte bei den Werkstoffen erzielt werden könnten, ist
die Erzeugung einer gleichförmigeren Temperatur innerhalb der
Turbineneinlaßströmung durch Verbesserung der
Brenneinrichtung. Gewiß wurde von den Fachleuten schon seit geraumer Zeit
erkannt, daß Triebwerke der gegenwärtigen Generation
(insbesondere solche mit ringförmiger Brenneinrichtung) eine
Strömung von Gasen zur Turbine fördern, die beträchtlichen
Schwankungen der Temperatur von Punkt zu Punkt innerhalb des
Turbineneinlasses unterliegen. Eine Konsequenz hieraus ist,
daß entweder die Temperaturbeständigkeit von Bauteilen des
Turbinenabschnitts oder ihre Dauerhaftigkeit nicht voll
ausgenutzt, sondern vielmehr durch örtliche heiße Stellen oder
dergleichen verschwendet wird, die in keiner Weise zur
Effizienz des Kreislaufs beitragen. Selbst wenn die mittlere
Turbineneinlaßtemperatur nicht übermäßig groß ist, können
stationäre heiße Stellen einzelne Turbinenleitschaufeln
beschädigen und kann ein schlechtes radiales Temperaturprofil
(d. h. über dem Ringraum) eine ungleichförmige Abnutzung von
aerodynamischen Bauteilen vom Fuß zur Spitze verursachen. Ein
beträchtlicher Fortschritt ist bereits im Bereich der
Brennkammerauslegung im Hinblick auf solche Merkmale früherer
Konstruktionen gemacht worden, die nachweisbare und
schädliche Ergebnisse erzeugt haben. Trotz dieser bisher
vorgenommenen Verbesserungen beträgt bei einem Flugzeugtriebwerk
der gegenwärtigen Generation der Bauart mit ringförmiger
Brenneinrichtung der Gesamttemperaturverteilungsfaktor
(OTDF) bei beispielsweise 25 %. Der
Gesamttemperaturverteilungsfaktor ist ein Maß der höchsten Punkttemperatur minus
dem Mittelwert der Punkttemperaturen. Eine Zahl von 25 %
bedeutet offensichtlich, daß hier noch Raum für Verbesserungen
in dieser Hinsicht ist. Jedoch ist es wahrscheinlich, daß ein
neuer Lösungsversuch zu diesem Leistungsaspekt erforderlich
ist, wenn eine beträchtliche Verminderung dieser Zahl von
25 % erreicht werden soll.
-
Auf dem Fachgebiet ist festgestellt worden, daß zusätzlich zu
diesen Unregelmäßigkeiten der Temperatur innerhalb der
Turbineneinlaßströmung eines Triebwerks mit ringförmiger
Brenneinrichtung, die auf bestimmte bekannte Ursachen innerhalb
der Brennkammer zurückgeführt und vermieden werden können,
wie beispielsweise Probleme, die durch das Abreißen von
Grenzschichten verursacht werden, ein beträchtliches
Schwankungsmaß vorhanden ist, das noch keiner bekannten
Ursache zugeschrieben werden kann. Der Begriff "Zufälligkeit"
wurde zur Beschreibung dieser Schwankungen geprägt.
Beispielsweise ist es bekannt, daß ein bestimmtes Triebwerk eine
heiße Stelle (oder heiße Stellen) innerhalb des
Turbineneinlaßbereichs erzeugen kann, die örtlich von Triebwerkslauf
zu Triebwerkslauf gleichbleibend ist, und trotzdem ein
anderes Triebwerk gleicher Konstruktion seine eigenen speziellen
heißen Stellen haben kann, die hinsichtlich Lage oder
Intensität gegenüber dem ersteren Triebwerk verschieden sind.
Es wurde vermutet, daß eine der Hauptursachen dieser
Asymmetrieen innerhalb eines Triebwerksturbineneinlaßbereichs
Unregelmäßigkeiten in der Primärzone der Brennkammer sind.
Jedoch blieb dieser Effekt selbst in Versuchen mit sorgfältig
gesteuerten Primärzonenauslaßbedingungen bestehen, und dies
hat zu der Vermutung geführt, daß die Asymmetrieen innerhalb
der Verdünnungszone der Brennkammer erzeugt werden.
-
Bevor die Ursache des in dieser Beschreibung behandelten
Problems weiter erörtert wird, ist eine Diskussion der bei einer
herkömmlichen Gasturbinentriebwerks-Brenneinrichtung zu
findenden Anordnungen angezeigt, um den Hintergrund des
Problems aufzuzeigen und die hier verwendete Terminologie
klarzustellen. Bei einer typischen heutigen
Gasturbinenbrenneinrichtung ist ein Brennergehäuse vorhanden, das als zwei oder
drei ausgeprägte Bereiche mit jeweils eigener typischer
Konfiguration bestehend betrachtet werden kann. Am vorderen Ende
der Brennkammer (d. h. an dem sich an den Verdichterauslaß
anschließenden Ende) befindet sich ein als Primärzone
bekannter Bereich, in welchem die Hauptverbrennung stattfindet. Die
Primärzone enthält Anordnungen zur Zufuhr zerstäubten oder
verdampften Brennstoffs und Anordnungen zur Zufuhr von Luft
derart, daß eine stabilisierte rezirkulie-rende Strömung zum
Zwecke der Aufrechterhaltung der kontinuierlichen Entzündung
neuer Reaktionsstoffe auf einem örtlichen oder allgemeinen
Pegel erzeugt wird. Am hinteren Ende des Brennergehäuses
befindet sich ein als Verdünnungszone bekannter Bereich, in
welchem Luft in das Innere eingeleitet wird, die vollständig
dem Zweck der Kühlung und der Steuerung der Verteilung der
aus der Verbrennung hervorgehenden heißen Gase auf einen Wert
dient, der von den Bauteilen des Turbinenabschnitts tolerabel
ist. Gewöhnlich ist auch ein Bereich zwischen der Primärzone
und der Verdünnungszone vorgesehen, der als Zwischen- bzw.
Sekundärzone bezeichnet wird und in welchem Luft zum Zwecke
der Vervollständigung des Verbrennungsvorgangs in das Innere
eingeleitet wird, um Rauch und andere Emissionen und auch
Dissoziationsverluste zu vermeiden. Die Grenze zwischen
diesen drei Zonen ist je nach Brennkammerkonstruktion mehr
oder weniger ausgeprägt, und die Zwischenzone braucht nicht
bei allen Brenneinrichtungen als eine gesondert erkennbare
Zone vorhanden zu sein. Das Brennergehäuse sitzt innerhalb
eines Luftgehäuses, und ein Teil der Verdichterförderluft
wird in den Raum zwischen dem Brennergehäuse und dem
Luftgehäuse geleitet, aus welchem sie in den verschiedenen Zonen in
die Brennkammer eingeleitet wird.
-
In der Verdünnungszone wird diese Verdichterförderluft durch
verhältnismäßig große Öffnungen im Brennergehäuse in die
Brennkammer eingeleitet, um eine ausreichende
Kühlstrahldurchdringung in den Querstrom aus den vorderen Zonen zu
erreichen und ein gutes Temperaturprofil in der austretenden
Strömung sicherzustellen, die zum Turbineneinlaß gelangt.
Die Luftquelle dieser Kühlstrahlen ist natürlich die
Verdichterförderluft, die entlang der Außenseite des Brennergehäuses
und innerhalb des Luftgehäuses strömt.
-
Zahlreiche Variationen der Lufteinlaßöffnungsgeometrie
und -form sind schon vorgeschlagen worden, beispielsweise zum
Zweck der Steigerung der Eindringung der Verdünnungsstrahlen
in den Querstrom oder zum Zweck der Verbesserung der
Durchmischung zwischen Verdünnungsstrahlen und Querstrom. In der
GB-A-819 065 ist eine Anordnung beschrieben, bei welcher für
jeden der Verdünnungslufteinlässe ein entsprechendes
Prallelement vorgesehen ist, das mittels einer Strebe in einer von
der Brennergehäusewand entfernten Position, aber doch im Pfad
des Verdünnungsstrahls gehalten wird. Diese Prallelemente
dienen zur Erzeugung von Wirbeln in den Verdünnungsstrahlen
und zur Verbesserung der Durchmischung zwischen den
Verdünnungsstrahlen und den Verbrennungsprodukten, welche den
Querstrom bilden.
-
Die Eigenschaften eines einzelnen Strahls, beispielsweise
eines Verdünnungsstrahls, der (typischerweise unter etwa 60º)
in einen Querstrom hinein austritt, beispielsweise in die
heißen Gase aus Primär- und Zwischenzone, sind gut bekannt.
Eine analytische und beschreibende Abhandlung dieses Themas
findet sich auf den Seiten 117 ff. von "Gas Turbine
Combustion" von A. H. Lefebvre (veröffentlicht von der
MacGraw Hill Book Company ISBN 0-07-037029-X) und auch in
einem von den in dieser Anmeldung benannten Erfindern auf der
23. AIAA/SAE/ASME/ASEE Joint Propulsion Conference vom 29.
Juni bis 2. Juli 1987 vorgelegten Papier. Dieses Papier ist
als Nachdruck vom American Institute of Aeronautics and
Astronautics unter der Nr. AIAA-87-1827 erhältlich. Beide
obigen Arbeiten werden in dieser Beschreibung noch erwähnt
werden.
-
Der von seiner Quelle ausgehende Einzelstrahl besitzt ein
Moment, das ihn in den Querstrom hineinschleudert, wobei er
ein Hindernis für den Querstrom darstellt und folglich eine
Ablenkung des Strahls von seiner ursprünglichen Bahn in
stromabwärtiger Richtung stattfindet. Es erfolgt eine
intensive Durchmischung zwischen dem Strahl und dem Querstrom, der
eine turbulente Scherschicht um den Umfang des Strahls
erzeugt. Gas innerhalb dieser Scherschicht hat ein geringeres
Moment in Strahlrichtung als dasjenige im Strahlkern und
unterliegt folglich an den Seiten des Strahls, wo es eine
abweichende Strömungsbahn einnehmen kann, einer stärkeren
Ablenkung in stromabwärtiger Richtung als der Kernstrom. Dies
führt stromab des Einlasses zu einem Strahlquerschnitt, der
nierenförmig ist, wobei die Ausbuchtungen sich auf der
Wandseite des Strahls befindet. Innerhalb dieses insgesamt
nierenförmigen Querschnitts befindet sich in jeder Ausbuchtung
eine Wirbelströmung, wobei das Kerngas von den vorderen und
seitlichen Bereichen stromabwärts mitgenommen und durch die
Mitte des Kerns rezirkuliert wird.
-
Die Situation in einer realen Verdünnungszone, wo zahlreiche
Strahlen und eine Wechselwirkung zwischen einzelnen Strahlen
vorhanden sind, ist nicht so klar festgestellt. Im
allgemeinen wird das Strömungsbild ähnlich demjenigen des
Einzelstrahls sein. Jedoch stellen die Strahlen ein beträchtliches
Hindernis für die Querstromgase dar, und dieser
Blockiereffekt führt zur Ausbildung eines sympathetischen
Doppelwirbelströmungsmusters innerhalb der Querstromgase im
Strömungsschatten jedes Strahls. Außer dieser sind auch noch
andere Komplikationen vorhanden. Es ist seit einiger Zeit
bekannt, daß unter gewissen Umständen einer ungünstigen
Verdünnungszonengeometrie es möglich ist, daß schon am Anfang
des Verdünnungsstrahls eine Wirbelströmung auftritt. In dem
oben genannten Papier der Erfinder wurde gezeigt, daß diese
Wirbelströmung ein starkes Ausmaß mit Bezug auf die
Strahlgröße mit veränderlicher Intensität einnehmen kann. Dieses
Problem ist verschieden von demjenigen, das Wirbelströmungen
innerhalb des Strahls und seines Strömungschattens nach
seinem Austritt hervorruft, da es keine Folge einer
Wechselwirkung zwischen Strahl und Querstrom ist, die im Strahl
vorhanden ist, sobald er die Öffnung verläßt. Dieser
Wirbelstrom innerhalb des Strahls schon beim Austritt kann jedoch
die nachfolgende Wechselwirkung beeinflussen, und es
existieren verschiedene simple Konstruktionsregeln zur
Vermeidung dieses Problems, die auf der Geometrie der
Verdünnungszone basieren. A. H. Lefebvre bezieht sich auf Seite
114 des oben erwähnten Buches auf zwei diesbezügliche Aspekte
in dem folgenden Text:
-
"Wenn der Abstand der Verdünnungsbohrungen größer als die
Ringhöhe ist, kann sich ein Wirbel in der in die Bohrung
eintretenden Strömung bilden; dies verändert die
Durchdringungs- und Mischeigenschaften des Verdünnungsluftstrahls.
Die Stärke des Wirbels hängt von dem Verhältnis von
Ringquerschnitt,
gemessen in der Ebene der Bohrungen, zum
Bohrungsquerschnitt ab." In der Terminologie Lefebvres ist der Ring
der Raum zwischen dem Brennergehäuse und dem umgebenden
Luftgehäuse, und die Ringhöhe ist die radiale Distanz zwischen
diesen beiden. Lefebvre berichtet außerdem (auf derselben
Seite): "Eine Wirbelbildung, die sowohl an rohrförmigen wie
auch ringförmigen Brennergehäusen auftreten kann, kann durch
Anbringen einer längsverlaufenden Strömungsteilerplatte über
(in Längsrichtung mit Bezug auf das Brennergehäuse) jeder
Verdünnungsbohrung eliminiert oder gemindert werden. Die
Platte ist wirksam, wenn sie in Verbindung mit einer
Blendenplatte oder einer Blendensperre verwendet wird (hinter
der Verdünnungsbohrung in dem Ring). Die oben angegebenen
Zitate entsprechen der eingeführten Meinung auf dem
Fachgebiet. Das Ziel der eingeführten Konstruktion war,
Verdünnungsstrahlwirbelströmungen durch eine geeignete Ringhöhe
zu vermeiden, wenn dies möglich ist, oder, falls nicht, die
Wirbelausbildung durch Verwendung von Strömungsteilerplatten
zu unterdrücken. Jedoch sind störende Irregularitäten im
Temperaturquerschnitt der Turbineneinlaßströmung trotz dieser
Maßnahme bestehen geblieben. Lefebvre gibt auf Seite 7
seines Buches einen Nachteil der ringförmigen
Brenneinrichtungskonstruktion als "Schwierigkeit zur Aufrechterhaltung
eines stabilen Auslaßtemperaturquerschnitts" an, obwohl er
dieses Problem der Aufrechterhaltung eines stetigen
Geschwindigkeitsprofils in den Einlaßgasen
(Verdichterauslaßströmung) zuzuschreiben scheint.
-
Eine kürzliche Untersuchung der Erfinder (in deren oben
erwähntem Papier veröffentlicht) hat das Strömungs- und
Mischungsproblem mit einem realistischen
Mehrfachstrahl-Verdünnungszonenmodell neu beleuchtet. Das Modell weist eine
vereinfachte Geometrie auf, die für eine typische heutige
ringförmige Verbrennungszone repräsentativ ist, jedoch nur
einseitige Verdünnung aufweist. Das Modell wurde mit extrem
geringer Toleranz gefertigt, um so mechanische
Unregelmäßigkeiten als Quelle von Strömungsstörungen auszuschließen.
Ausserdem wurde große Sorgfalt darauf verwendet,
sicherzustellen,
daß sowohl der Zustrom in der Verdünnungszone als auch
der Speisestrom zu den Verdünnungsbohrungen gleichförmig und
den Meßgrenzen entsprechend war. Diese berichtete
Untersuchung zeigte, daß eine Wirbelströmung bei den
Verdünnungsstrahlen schon am Ausgang vorhanden war, und sid bestätigte
daß diese Wirbelströmung die nachfolgenden Ereignisse
innerhalb der Verdünnungszone beträchtlich beeinflußt. Die
Anwesenheit dieser Wirbelströmung entspricht dem
Bohrungsteilungs/Ringhöhen-Kriterium von Lefebvre für die
betreffenden Abmessungen des Modells, die 69,85 mm bzw. 35,8 mm
betrugen. Es war jedoch unerwartet, weil das Modell reale
Triebwerkskonstruktionen repräsentierte und vermutlich nicht
durch die Konstrktionsregeln vorgegeben war, auf welchen
diese realen Triebwerke basierten. Darüberhinaus hat sich
gezeigt, daß die innere Wirbelströmung im Verdünnungsstrahl
hinsichtlich Konfiguration, Stärke und Drehsinn von Bohrung
zu Bohrung entlang des Verdünnungszonenrings variierte. Es
wurde festgestellt, daß ein aerodynamischer Drall der
Strahlen aus gewissen Verdünnungsbohrungen an Stellen stromab
des Verdünnungsbohrungrings vorhanden war, was eine
umfangsmäßige Asymmetrie der Temperaturverteilung verursachte, und
da die Doppelwirbelstruktur innerhalb des Strahlkerns
(verursacht durch Wechselwirkung mit dem Querstrom) gewöhnlich
aus Wirbeln ungleicher Stärke bestand. Daraus wurde
geschlossen, daß (u. a.) es nachgewiesen ist, daß Richtung und Ort
der in den Bohrungen gebildeten Wirbel das durch Mischungsmaß
in den Bohrungen gebildeten Wirbel das durch Mischungsmaß
zwischen Strahl und Querstrommedium beeinflußt.
-
Die durch diese veröffentlichte Untersuchung aufgedeckte
Natur der Wirbelströmung in der Bohrung läßt vermuten, daß sie
nicht allein durch die Gesamtgeometrie der Verdünnungszone
begründet ist, und die Anwesenheit entsprechender Differenzen
von Bohrung zu Bohrung in einem präzisionsgefertigten Modell
scheinen darauf hinzudeuten, daß die grundsätzlichen
Verdünnungszonenanordnungen aerodynamisch nicht genügend stabil
sind, um minimalen Unregelmäßigkeiten standzuhalten, die noch
kleiner als die in einem Triebwerk aus der Produktion
wahrscheinlich auftretenden Unregelmäßigkeiten sind, wenn es im
Betrieb thermischen Zyklen ausgesetzt ist.
-
Es ist also gezeigt worden, daß es möglich ist, die
normalerweise auftretenden Zufälligkeiten in der Verdünnungszone
durch Modifizieren der Lufteinlaßkonfiguration in besonderer
Weise zu bewältigen. Die Strömung durch diese modifizierten
Bohrungen wird durch Wirbelerzeuger innerhalb der Bohrungen
so beeinflußt, daß starke Wirbel an den seitlichen
Strahlrändern erzeugt werden, die durch Wechselwirkung mit dem
angrenzenden Querstrom eher verstärkt als abgebaut werden.
Diese speziell erzeugten Wirbel nehmen die gleiche Stelle in der
stromabwärtigen Strahlströmung ein, als es die Wirbel tun
würden, die normalerweise durch Wechselwirkung zwischen
Strahl und Querstrom induziert werden und den nierenförmigen
Strahlquerschnitt hervorrufen. Jedoch sind die normalen
selbstinduzierten Wirbel nicht stark genug und zwischen den
entgegengesetzten Strahlhälften beständig, um eine
Strahlablenkung und Verdrehung zu vermeiden. Die speziell erzeugten
Wirbel lösen diese Probleme.
-
Die beanspruchte Erfindung ist eine Brenneinrichtung für ein
Gasturbinentriebwerk, mit einem Luftgehäuse und einem
Brennergehäuse, das von Lufteinlässe bildenden
Durchgangsöffnungen durchbrochen ist, und mit einer Luftzuführung zur
Außenseite des Brennergehäuses über Luftzufuhrkanäle zwischen
dem Luftgehäuse und dem Brennergehäuse, wobei im Betrieb der
Brenneinrichtung ein Druckluftstrom durch die
Luftzufuhrkanäle stattfindet, aus welchen Luft durch die Lufteinlässe
hindurchtritt und als Strahlen innerhalb des Brennergehäuses
in einen ankommenden Querstrom von Gasen eintritt, wobei in
der Brenneinrichtung das Brennergehäuse so konfiguriert ist,
daß für jeden Lufteinlaß einer über ein Band oder einen
Bereich des Brennergehäuses verlaufenden Lufteinlaßanordnung
ein entsprechendes Wirbelerzeugungsmittel vorhanden ist,
wobei die Brenneinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß
jedes der Wirbelerzeugungsmittel zwei vorwärtsweisende und
einwärts vorspringende Ablöseflächen innerhalb des
betreffenden Lufteinlasses der Anordnung aufweist, wobei die
Anordnung
so getroffen ist, daß jede der Ablöseflächen in einem
Lufteinlaß in der Strömung durch den Lufteinlaß eine
entsprechende Wirbelströmung erzeugt, wobei diese mit Bezug
zueinander gegensinnigen Drehsinn haben und jeweils einen
solchen Drehsinn haben, daß jeder Wirbel durch Wechselwirkung
mit dem ankommenden Querstrom an den äußeren seitlichen
Bereichen des Wirbelpaars verstärkt wird.
-
Es ist wünschenswert, Konfigurationen zu vermeiden, die vom
Brennergehäuse in den Querstrom ragende Vorsprünge zumindest
auf der stromaufwärtigen Seite des Lufteinlasses und in
Bereichen erfordern, wo die Querstromgase besonders heiß sind.
Vorzugsweise sind die Wirbelerzeugungsmittel durch die
Konfiguration der Lufteinlaß-Durchgangsbohrungen anstatt durch
Zusatzteile gebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Durchgangsbohrungen sind abrupte Änderungen des
Querschnitts ihrer Seitenränder zwischen einem weiteren vorderen
und einem engeren hinteren Abschnitt vorgesehen. Dies erzeugt
eine einwärts gerichtete Stufe der Wandkontur, die ein
Ablösen der Strömung durch den Lufteinlaß in der erforderlichen
Weise bewirkt, da diese Strömung anschließend aufgrund ihres
Zustrommoments eine Geschwindigkeitskomponente in
Bohrungsquerrichtung hat.
-
Bei der herkömmlichen bekannten Praxis sind die Bohrungen in
der Verdünnungszone des Brennergehäuses entweder eben
eingestanzte Formlöcher (in Brennern mit einem weiten Zufuhrring
mit entsprechend niedrigem Speiseströmungsdurchsatz), oder
sind von profilierter Form, um den Austrittskoeffizienten
insbesondere bei solchen Brennern zu steigern, die höheren
Speiseströmungsdurchsätzen ausgesetzt sind. Die profilierten
Formlöcher sind auf der Speiseseite kegelig, um einen
allmählichen Übergang zu schaffen.
-
Bei einer bevorzugten Form dieser Erfindung hat der
rückwärtige Abschnitt des Einlasses (der Teil hinter den
Ablöseflächen) nach hinten überstehende Seitenwände, die zu einer
teilzylindrischen Rückwand führen, wobei beide Seitenwände
und die Rückwände ebene, nicht kegelige Flächen aufweisen.
Diese Konfiguration des rückwärtigen Abschnitts unterstützt
den Strahlstabilisierungseffekt der Wirbelerzeuger durch
Unterbinden einer seitlichen Ablenkung und Abströmung des
Strahls durch Verstärken der Strömung an der Strahlrückseite
in Richtung der Einlaßachse. Ein ähnlicher Effekt im Hinblick
auf die Verstärkung der hinteren Strahlströmung kann durch
einen Gegenhaltervorsprung an der rückwärtigen Perepherie des
Einlasses auf der Innenseite (Querstromseite) des
Brennergehäuses erreicht werden.
-
Die Erfindung wird nachstehend auf dem Hintergrund der
existierenden (bekannten) Verdünnungszonenanordnungen und
Prüfstandmessungen von Strömungs- und Temperaturmustern in dieser
Zone unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in
welchen zeigt:
-
Fig. 1 einen Halbschnitt eines
repräsentativen heutigen Brenners der
Ringbauart,
-
Fig. 2 einen Halbschnitt eines
Strömungsmodellprüfstands,
-
Fig. 3 eine Darstellung der im
Prüfstand getesteten (bekannten)
Basislinien-Verdünnungsbohrungskonfiguration,
-
Fig. 4 ein Querverdünnungszonendiagramm
der Temperaturverteilung für die
Basislinien-Bohrungskonfiguration,
-
Fig. 5 ein
Querbohrungsgeschwindigkeitsdiagramm für die
Basislinien-Bohrungskonfiguration,
-
Fig. 6 ein
Querverdünnungszonendiagramm von Temperatur und
Geschwindigkeit für eine
bestimmte Bohrung in der Basislinien-
Konfiguration,
-
Fig. 7 ein maßstäbliches, gedrehtes
Querstrahltemperaturdiagramm
für eine bestimmte Bohrung in
der Basislinien-Konfiguration
und außerdem eine abgeleitete
idealisierte Verteilung,
-
Fig. 8 eine Einlaßkonstruktion, welche
die Erfindung beispielsweise
verkörpert,
-
Fig. 9 ein
Querbohrungsgeschwindigkeitsdiagramm für die
Einlaßkonstruktion nach Fig. 8,
-
Fig. 10 ein
Querverdünnungszonengeschwindigkeitsdiagramm für die
Einlaßkonstruktion nach Fig. 8,
-
Fig. 11 ein Diagramm des
Strahlasymmetriefaktors für den
Basislinien-Einlaß und die
Einlaßkonstruktion nach Fig. 8,
-
Fig. 12 ein Vergleich hinsichtlich des
Querstrahltemperaturprofils
zwischen dem
Basislinien-Einlaß und der Einlaßkonstruktion
nach Fig. 8,
-
Fig. 13 eine weitere
Einlaßkonstruktion, welche die Erfindung
beispielsweise verkörpert,
-
Fig. 14 ein
Querbohrungsgeschwindigkeitsdiagramm für die
Einlaßkonstruktion nach Fig. 13,
-
Fig. 15 einen Vergleich hinsichtlich
des Querstrahltemperaturprofils
zwischen dem Basislinien-Einlaß
und der Einlaßkonstruktion nach
Fig. 13,
-
Fig. 16 ein Diagramm des
Strahlasymmetriefaktors für den
Basislinien-Einlaß und die
Einlaßkonstruktion nach Fig. 13.
-
Fig. 1 zeigt einen schematischen Halbschnitt einer
ringförmigen Brenneinrichtung mit Merkmalen, die für heutige
Brenneinrichtungen typisch sind. Die Hauptteile der Brenneinrichtung
sind ein Luftgehäuse 1 (mit gesonderten, mit 1A bzw. 1B
bezeichneten inneren und äußeren Teilen), ein Brennergehäuse 2
und ein Brennstoffeinspritzer 3. Am vorderen Ende des
Luftgehäuses 1 befindet sich ein Einlaß 4 mit einem
Diffusorabschnitt, und Luft aus der Verdichterstufe strömt hierdurch in
das Luftgehäuse. Innerhalb des Luftgehäuses 1 teilt sich
dieser Luftstrom. Ein wesentlicher Teil wird durch
Drallschaufeln 5 in die Prämärzone und in Wandkühlungskanäle 6 etc.
eingeleitet. Der Rest wird entlang der Außenseite des
Brennergehäuses 2 in zwei separate Luftzufuhrkanäle 7 und 8
geleitet, die beide Ringquerschnitt haben. Der Kanal 7 ist
zwischen dem Brennergehäuse 2 und dem inneren Teil 1A des
Luftgehäuses gebildet. Der Kanal 8 ist zwischen dem
Brennergehäuse 2 und dem äußeren Teil 1B des Luftgehäuses gebildet.
Luft wird aus den Kanälen 7 und 8 zum Inneren des
Luftgehäuses in der Zwischen- bzw. Sekundärzone durch Einlässe 9 bzw.
10 und außerdem in der Verdünnungszone durch Einlässe 11 bzw.
12 eingeleitet. Alle diese Einlässe 9 bis 12 sind als eine
profilierte Form aufweisend dargestellt. Am hinteren Ende
verengt sich das Brennergehäuse 2 zu einer Düse 13, und der
verdünnte Luftstrom passiert durch diese Düse direkt zu den
Einlaßleitschaufeln 14 und dem ersten
Turbinenschaufelkranz 15 des Turbinenabschnitts.
-
Fig. 2 zeigt in einem Halbschnitt die Konfiguration eines
Prüfstands, der zur Darstellung und Untersuchung der
Arbeitsweise der Verdünnungszone einer ringförmigen Brenneinrichtung
verwendet wird, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Der
Prüfstand hat eine volle Ringkonfiguration mit einem äußeren
Kanal 21 und einem inneren Kanal 22. Der Aufbau ist so
ausgelegt, daß eine sorgfältig gesteuerte und gleichförmige
Luftströmung stromabwärts entlang beider Kanäle erzeugt wird. Die
Wand zwischen den beiden Kanälen ist durch eine umfangsmäßige
Reihe von 16 Öffnungen 23 (symmetrisch mit Abständen von
22,50 verteilt) durchbrochen, welche die Lufteinlässe der
Verdünnungszone darstellen. Luft aus dem inneren Kanal 22
tritt aus den Öffnungen 23 in Form von Strahlen in den
Luftquerstrom im äußeren Kanal 21 aus. An der Innenwand des
Speiserings ist ein Keil 24 angeordnet, um Druckrückwirkungen
auf die in die Verdünnungsbohrungen eintretende Strömung zu
verringern. Um die durch Mischung der Strahlströmung mit dem
Querstrom aufzeichnen zu können, wird die zu den Strahlen
zugeführte Luft auf etwa 30ºC oberhalb Umgebungstemperatur,
welche die Temperatur der Querstromluft ist, erwärmt. Dies
ist natürlich die Umkehrung der Temperaturdifferenz, die in
einer realen Brenneinrichtung vorhanden ist, wo die Strahlen
viel kühler als der Querstrom sind, aber es wird davon
ausgegangen, daß diese Umkehrung der Temperaturen keine
wesentliche Auswirkung auf die Modellgenauigkeit in einer
vertikalen Einrichtung wie dieser hat. Es wird ein repräsentatives
Strahl/Querstrom-Geschwindigkeitsverhältnis von 2 : 1
aufrechterhalten. Von der Öffnungsposition stromab und von der
Innenseite des Kanals 21 zu dessen Außenseite kann die
Strömung in Form von Geschwindigkeitskomponenten durch 5
Pitotrohrsondenträger und Thermoelementträger gemessen werden. Ein
Thermoelement ist bei 25 in der Figur abgebildet, um eine
typische Instrumentierungsstation darzustellen.
-
Um die Art und die Ursache des in dieser Beschreibung
erörterten besonderen Problems aufzuzeigen, nämlich der
Zufälligkeit innerhalb des Verdichterauslaßtemperaturprofils,
wird die Arbeitsweise des Prüfstands mit herkömmlicher
Bohrungsgeometrie nachstehend mit Bezug auf die Figuren 3 bis 7
beschrieben. Die Verdünnungsbohrungsgeometrie, eine einfache
durchgezogene Bohrungsform, ist in Fig. 3 abgebildet. Diese
Figur definiert auch die Meßachsen, die im restlichen Teil
dieser Beschreibung verwendet werden. In der X-Richtung
gegebene Messungen werden von der Mitte der Bohrung stromabwärts
genommen und die betreffende X-Richtungskoordinate wird durch
Ausdrücken derselben als Bruchteil oder Vielfaches des
Bohrungsdurchmessers D dimensionslos gemacht. Messungen in der
Y-Richtung werden von der Innenwandfläche des Kanals 21 aus
genommen. Fig. 4 zeigt eine Temperaturkontur in der YZ-Ebene
über einen repräsentativen Sektor des ringförmigen Prüfstands
an einer Meßstation X/D = 2,0. Der Maßstab ist zwischen jedem
zweiten Bohrungspaar zusammengeschoben, um Platz zu sparen.
Die Strahlmuster, die in ihren individuellen Konturen
wiedergegeben sind, sind hauptsächlich für die erwartete Nierenform
des Strahlquerschnitts repräsentativ, aber, obwohl die
Strahlquerschnitte im Hinblick auf die Strahllage in der Z-
Richtung noch ganz gut im Bereich der zugehörigen
Bohrungsmittellinie verlaufen, zeigen einige der Strahlen in
beträchtlichem Ausmaß einen Drall. Der Strahl aus der
Bohrung 10 zeigt wiederholt ein starkes Drallausmaß und die
unten gerichteten Messungen konzentrieren sich auf die
Bohrung 10 und die umgebenden Bohrungen, aber andere Strahlen
zeigen ebenfalls Drall mit unterschiedlichen Ausmaßen, und
nicht alle haben die gleiche Drallrichtung. Fig. 5 ist ein
Vektordiagramm einer Strahlströmung aus den Bohrungen 8 bis
10 am Austritt aus der betreffenden Bohrung und in
Geschwindigkeitskomponenten in der ZX-Ebene aufgelöst. Es ist
zu sehen, daß eine starke Wirbelströmung innerhalb der
Strahlen aus den Bohrungen 9 und 10 vorhanden ist und daß diese
Wirbel von der Bohrungsmittellinie versetzt sind. Der
Drehsinn
der Wirbel in den Bohrungen 9 und 10 ist entgegengesetzt
gerichtet. Die Strömung am Austritt aus der Bohrung 8 ist
viel weniger wirbelbehaftet. Im Fall der Bohrungen 9 und 10
sind gut ausgeprägte Wirbel im hinteren Teil der Bohrung
vorhanden, die einen wichtigen Einfluß auf die Strahlentwicklung
haben. Das Wirbelströmungsmuster im hinteren Teil der
Bohrung 8 ist nicht so ausgeprägt und so intensiv, aber übt
trotzdem noch einen großen Einfluß auf die Entwicklung des
Strahls aus. Beispielsweise Fig. 4 zeigt, daß das Ausmaß des
"Dralls" bzw. der Verzerrung der Temperaturverteilung bei
X/D = 2,0 für die Bohrung 8 fast so groß wie für die
Bohrung 10 ist. Fig. 6 gibt Geschwindigkeits- und
Temperaturdiagramme in der YZ-Ebene bei einer Meßstation X/D = 0,30
unmittelbar stromauf der rückwärtigen Begrenzung der Bohrung
nur für die Bohrung allein wieder. Die erwartete
Doppelwirbel-Strömungsstruktur ist bereits innerhalb der
Strahlströmung erkennbar, aber hat im wesentlichen keine Symmetrie. Auf
der linken Seite ist, wie man sieht, der Wirbel in der Y-
Richtung im Vergleich zur rechten Seite verkürzt. Das
asymmetrische Strömungsmuster kehrt in dem
Temperaturkonturdiagramm wieder und ist hier tatsächlich noch leichter
erkennbar. Eine gewisse quantitative Messung des Drallmaßes in
einzelnen Strahlmustern ist zum Zwecke eines realistischen
Vergleichs zwischen den Strahlen notwendig. Der Begriff
"Strahlasymmetriefaktor" (JAF) wird für diesen Zweck benützt.
Durch Ausmitteln der Temperaturverteilung in der YZ-Ebene
über eine gemessene Strahlströmung (Fig. 7A) kann eine
"äquivalente symmetrische" Verteilung abgeleitet und aufgetragen
werden (Fig. 7B) die perfekte Symmetrie in der YZ-Ebene mit
Bezug auf die Verdünnungsbohrungsmittellinie aufweist. Der
Effekt in realen Ausdrücken der Drallverformung der
Temperaturverteilung in einem tatsächlichen Strahl liegt in einer
Veränderung der Maximaltemperatur bei irgendeinem gegebenen
Radius (Y-Richtung), wodurch das Turbineneinlaßprofil
beeinflußt wird. Dieser Effekt wird in der Berechnung des JAF für
einen gegebenen Radius quantifiziert. Die Berechnung basiert
auf der Differenz zwischen der höchsten erfaßten Temperatur
innerhalb eines gemessenen Strahls mit gegebenem Radius und
der höchsten Temperatur, die in dem abgeleiteten "äquivalent
symmetrischen" Strahl beim gleichen Radius gefunden wird. Der
JAF wird durch die folgenden Ausdrücke definiert:
-
JAF beim Radius r = (Tr - (Te)r) / (Tj - Tc)
-
worin T die Bezugsquerstromtemperatur ist, Tj die
Bezugsstrahltemperatur ist, Tr die maximale gemessene Temperatur
beim Radius r ist, und (Te)r die maximale Temperatur beim
Radius r innerhalb des abgeleiteten "äquivalent symmetrischen
Strahls" ist.
-
Fig. 8 zeigt eine neue Form eines Lufteinlasses, die ein
Beispiel einer Form darstellt, die zur Verwendung in der
beanspruchten Brenneinrichtung innerhalb deren Verdünnungszone
geeignet ist. Der mit 81 bezeichnete Lufteinlaß weist einen
vorderen Teil 82 und einen hinteren Teil 83 mit einer
abrupten Querschnittsänderung zwischen diesen beiden Teilen an
beiden seitlichen Rändern des Einlasses auf. Alle diese
Orientierungsbezeichnungen beziehen sich auf die
Konfiguration des Einlasses 81 mit Bezug auf die vorherschende
Richtung des Querstroms, die in der Verdünnungszone mit der
Längsachse der Brenneinrichtung zusammenfällt. Die exakte
Form des Lufteinlasses 81 ist leichter aus der Figur
ersichtlich als aus einer schriftlichen Beschreibung, aber zwei
wesentliche Merkmale verdienen eine Hervorhebung. Das erste
davon ist, daß die oben erwähnte Querschnittsänderung so ist,
daß auf jeder Seite des Einlasses mittig eine Stufenfläche 84
gebildet ist, die von der seitlichen Bohrungsbegrenzung, wie
sie durch deren vorderen Teil 82 bestimmt ist, etwas einwärts
verläuft. Diese Stufenflächen 84 sind gegen die ankommende
Speiseströmung aus dem Luftzufuhrkanal orientiert, so daß
diese Strömung eine Geschwindigkeitskomponente quer zum
Einlaßquerschnitt - d. h. in der X-Richtung - wegen des im
Speisekanal herschenden Moments hat. Ein Teil der Strömung an
jeder seitlichen Begrenzung des Strahls wirkt mit der
Stufenfläche 84 zusammen und wird entweder stromaufwärts gelenkt
und in die Y-Richtung geschleudert oder innerhalb des Strahls
einwärts abgelenkt. Diese Wirkung erzeugt oder führt zu einer
starken Wirbelrezirkulation an den seitlichen Rändern des
Strahls in der Interaktionszone mit dem Querstrom. Das zweite
dieser wesentlichen Merkmale betrifft den rückwärtigen Teil
des Einlasses hinter den Stufenflächen 84. Hier ist der
Einlaß durch gerade durchverlaufende, nichtkegelige Wände
begrenzt (wodurch die Wanddicke betont wird), und der
Einlaßquerschnitt hat parallele Seitenwände 85, die zu einer
Teilzylindrischen rückwärtigen Wand 86 führen. Diese Kombination
von Oberflächenform und Umfassungsquerschnitt ist so, daß
seitliche (Z-Achse) Ablenkungen und Abströmungen der
Strahlströmung behindert werden und so die Strömung des Strahls im
hinteren Bereich des Einlasses im Hinblick auf die
Strahlgeschwindigkeit in der Y-Richtung verstärkt wird. Die
Draufsicht auf die Strömung durch und aus diesem Einlaß ist in
Fig. 9 angegeben. Diese sollte mit Fig. 5 verglichen werden,
die eine ähnliche Darstellung für benachbarte Einlässe der
Basislinienkonstruktion wiedergibt. Die Strömung aus diesem
neuen Einlaß hat keine außermittige Wirbelrezirkulation in
der Basislinie im rückwärtigen Teil des Einlasses. Die
Strömung aus diesem Einlaß zeigt gute Symmetrie. Der Beginn einer
stabilisierenden Wirbelströmung ist über den Stufenflächen 84
erkennbar. Diese Wirbel sind in Fig. 10 besser sichtbar, die
ein Querverdünnungszonen-Geschwindigkeitsprofil (YZ-Ebene) in
der Position X/D = 0,3 darstellt. Fig. 10 sollte mit Fig. 6
verglichen werden. In Fig. 10 zeigt das
Doppelwirbelströmungsmuster beträchtlich verbesserte Symmetrie mit Bezug auf
die Bohrungsmittellinie. Fig. 11 zeigt einen Vergleich
zwischen den gleichen Einlaßkonstruktionen, dieses Mal an der
Stelle X/D = 2, wo das Mischungsmuster besser ausgeprägt ist,
und der in Form des JAF angegeben ist. Fig. 11 zeigt ein
Diagramm des JAF an verschiedenen Y-Achsenpositionen für
Basislinien- und verbesserte Einlässe. Die Verbesserung in
dieser Hinsicht, die durch die verbesserte Konstruktion
erreicht wird, ist unmittelbar zu erkennen. Diese
Verbesserung wird durch die Analyse gemäß Fig. 12 bestätigt,
die einen Gegenüberstellungsvergleich der Temperaturkonturen
für beide Einlaßkonstruktionen in der YZ-Ebene über dem
Strahl bei der gleichen Stelle X/D = 2,0 zeigt. Die Kontur
für den verbesserten Einlaß ist von der Wand der
Verdünnungszone abgelöst und hat die erwartete Nierenform mit
verbesserter innerer Symmetrie.
-
Fig. 13 zeigt eine zweite Lufteinlaßform, die zur Verwendung
in der beanspruchten Brenneinrichtung geeignet ist. Dieser
mit 121 bezeichnete Lufteinlaß ist von durchgezogener Form um
die ganze Einlaßseite herum, so daß eine Schräge 122
gebildeteist. Jedoch ist der Bohrungsradius im vorderen Einlaßteil 123
größer als der Bohrungsradius im hinteren Teil 124, und es
ist eine stufige Änderung des Querschnitts zwischen den
beiden Teilen am Querdurchmesser des Einlasses vorgesehen. Dies
schafft einen nach vorne weisenden Stufenkörper-Wirbelerzeu
ger 125 an jeder Seite des Einlasses 121. Am hinteren Bereich
des Einlasses 121, auf der Seite des dem Querstrom
ausgesetzten Brennergehäuses, ist ein vorspringender,
kreisabschnittförmiger Gegenhaltervorsprung 126, der eine ebene, nicht
abgeschrägte vorderseitige Fläche aufweist. Die in Fig. 13
gezeigte Einlaßform ist in Prüfstandversuchen genau in der
dargestellten Form und auch in alternativer Form mit
weggenommenem Gegenhaltervorsprung getestet wurden. Einige dieser
Testergebnisse sind in den Fig. 14 bis 16 dargestellt. Fig.
14 zeigt ein Geschwindigkeitsdiagramm in der
Querverdünnungszonenebene (YZ-Ebene) an der Stelle X/D = 0,3 für die Version
ohne Gegenhaltervorsprung. Eine gut entwickelte und relativ
symmetrische Doppelwirbelstruktur ist erkennbar. Dies sollte
mit dem Diagramm für die Basislinien-Konfiguration gemäß
Fig. 6 verglichen werden. Die Figuren 15 und 16 zeigen
Ergebnisse für eine weiter stromabliegende Stelle bei
X/D = 2,0, wobei die erstere Temperaturkonturen über dem
Strahl in der YZ-Ebene und die letztere ein Diagramm des JAF
zeigt. In beiden Figuren ist die mit der Konfiguration nach
Fig. 13 ohne Gegenhaltervorsprung erhaltene Verbesserung
erkennbar, wobei es sich um die allein den Wirbelerzeugern
zuzuschreibende Verbesserung handelt. Jedoch ist offenkundig,
daß die Version mit Gegenhaltervorsprung eine noch weitere
Verbesserung ergibt.
-
Der Gegenhaltervorsprung ist in seiner Funktion gleich dem
geradwandigen rückwärtigen Wandteil 86 des in Fig. 8
abgebildeten Einlasses 81. Der Gegenhaltervorsprung 126 läge im
Schatten des von der kühlen Strahlströmung gegen die volle
Hitze der Verbrennungsgase gebotenen Schutzes, jedoch ist
dies nicht untersucht worden. Es ist üblich, Vorsprünge auf
der heißen Seite des Brennergehäuses soweit wie möglich zu
vermeiden, aber es können Situationen gegeben sein, wo ein
geeignet abgeschirmter vorspringender Gegenhaltervorsprung,
wie in Fig. 13 abgebildet, eine hinreichende Verbesserung der
Strahlströmung ergibt, um seine Verwendung zu rechtfertigen.
-
Die Erfindung ist oben weitgehend im Zusammenhang mit einer
Brenneinrichtung mit einem Feld oder einem Band dieser neuen
Einlässe in seiner Verdünnungszone beschrieben worden, weil
gerade in dieser Zone das Problem, das Anlaß für diese
Einlässe gab, zuerst erkennbar wurde. Jedoch ist klar, daß das
in der Verdünnungszone beispielshafte Strömungsphänomen nicht
auf diese Zone beschränkt ist. Die gleichen Faktoren der
Strahlwechselwirkung mit dem Querstrom und der
Strahlzuführung durch Einlässe quer zur Luftzufuhrströmung gelten bei
jeder Sekundär/Zwischenzone und können auch in der Primärzone
gelten. Daraus folgt, daß diese Einlaßkonfiguration auch
sonstwo in der Brenneinrichtung angewendet werden kann und
entsprechend der beanspruchten Erfindung nicht nur auf solche
Brenneinrichtungen beschränkt ist, welche die Lufteinlässe in
der Verdünnungszone haben. Diese Einlaßkonfigurationen können
an Stelle der Einlässe der herkömmlichen Form beispielsweise
für die mit 9 bis 12 bezeichneten Einlässe in Fig. 1
verwendet werden.