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Brenner für flüssige Brennstoffe, besonders für Gasturbinen-Brennkammern
Die Erfindung bezieht sich auf Brenner für flüssige Brennstoffe, besonders für Brennkammern
von Gasturbinen-Triebwerken.
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Bei einer Gasturbine wird der Brennstoff in mit hoher Geschwindigkeit
strömende Luft eingespritzt. Damit eine gute Verbrennung erzielt wird, ist es wichtig,
daß der Brennstoff gründlich zerstäubt und so gleichmäßig wie möglich auf den Luftstrom
verteilt wird. Es ist also wichtig, daß eine gute Zerstäubung und Verteilung bei
allen Betriebszuständen der Turbine und bei allen Einspritzmengen erreicht wird.
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Die Zerstäubung wird normalerweise durch eine solche Anordnung verschiedener
Bohrungen und Kammern innerhalb der Einspritzvorrichtung (des Brenners) erreicht,
daß der Brennstoff innerhalb des Brenners in schnelle Drehung versetzt wird, ehe
er aus dem Brenner in den Luftstrom austritt. Diese Drehung bewirkt, daß der Brennstoff
aus der Düse in einem kegelförmigen Strahl fein verteilten Brennstoffs austritt.
Änderungen des Brennstoffdrucks und der Einspritzmenge beeinträchtigen jedoch die
Zerstäubung sehr, und bei niedrigem Druck ist der Wirbel so schwach, daB die Zerstäubung
ernstlich in Frage gestellt ist.
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Man hat die verschiedensten Einrichtungen erprobt, um diese Schwierigkeiten
zu beheben, und von diesen ist der sogenannte überlaufbrenner wohl der wirkungsvollste.
Bei diesem Brenner wird der Brennstoffdruck möglichst konstant gehalten, so daß
eine gleichbleibende Wirbelgeschwindigkeit erzielt wird, und der den Bedarf überschreitende
Brennstoff wird von der Düse aus durch eine gesteuerte Überlaufleitung in den Brennstoffbehälter
zurückgeleitet. Obgleich dieser Brenner manche der Hauptprobleme der Zerstäubung
löst, so verursacht ein einzelner Brenner dieser Art doch zu leicht eine zu große
Brennstoffkonzentration in beschränkten
Zonen des- mit hoher. Geschwindigkeit
vorbeistreichenden Luftstromes, wodurch eine ungenügende Verbrennung und Brennstoffverluste
entstehen. Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, kann man mehrere Brenner verwenden,
aber wenn diese Brenner nicht gleichachsig in der Brennkammer angeordnet sind, so
überschneiden sich ihre Spritzkegel und bewirken dadurch eine ungleichmäßige Brennstoffverteilung.
Auf jeden Fall beansprucht die Verwendung mehrerer Brenner der bekannten Bauarten
viel Raum. Außerdem berührt bei allen bekannten Brennern, bei denen im Innern ein
Wirbel des Brennstoffs hervorgerufen wird, die kreisende Flüssigkeit und der sich
im Innern des Wirbels bildende Luftkern die hintere Wand im Innern der Wirbelkammer.
Diese Wand kann entweder durch die feste Wand der Kammer oder auch durch den in
der Überlaufleitung befindlichen Brennstoff gebildet werden. Hierdurch wird ein
unerwünschter Reibungswiderstand hervorgerufen, durch den der Luftkern und dadurch
auch der Brennstoffstrahl leicht unstabil wird.
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Zweck der Erfindung ist es, einen Brenner zu schaffen, in dem zwei
Düsen gleichachsig derart angeordnet sind, daß die Unstabilität der Strömung, die
allen Brenner mit einer oder zwei unabhängigen Wirbelkammern eigen ist, vermieden
wird.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, eine bessere Zerstäubung
bei geringeren Einspritzdrükken für beliebig große Einspritzmengen zu erreichen.
Dies geschieht durch die Verwendung zweier Düsen, die von einer gemeinsamen Fördereinrichtung
gespeist werden und im Falle eines Überlaufbrenners durch eine gemeinsame Überlaufleitung
gesteuert werden.
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Gemäß der Erfindung wird bei dem Brenner der flüssige Brennstoff unter
Druck von einer Brennstofffördereinrichtung durch nicht radial angeordnete Bohrungen
vorzugsweise tangential in einen Kanal eingeführt, der zwei in entgegengesetzter
Richtung liegende Düsen miteinander verbindet. In diesem Kanal bildet sich ein zusammenhängender
ringförmiger Körper aus herumwirbelndem Brennstoff mit einem Luftkern, der sich
über die gesamte Länge des Kanals bis zu den Düsen und durch die Düsen hindurch
erstreckt.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine Seitenansicht eines Überlaufbrenners, Fig.
2 eine Stirnansicht dieses Brenners, Fig. 3 einen Längsschnitt nach der Linie 3-3
in Fig. z, Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie 4-4 in Fig. i, Fig. 5 einen Querschnitt
nach der Linie 5-5 in Fig. i, Fig.6 einen Längsschnitt durch einen anderen Brenner,
Fig. 7 einen Querschnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 6 und Fig. 8 einen Querschnitt
nach der Linie 8-8 in Fig. 6.
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Der Überlaufbrenner gemäß Fig. i bis 5 besteht aus dem eigentlichen
zylindrischen Körper io, der in der Brennkammer derGasturbine durch die Ein-und
Auslaßleitung i i und 12 gehalten wird. An den einander gegenüberliegenden Stirnseiten
sind Düsen 13 und 14 vorgesehen. Der Brenner ist in der Brennkammer so angeordnet,
daß seine Längsachse in der Richtung der durch den Pfeil A angedeuteten Luftströmungliegt,
so daß dieDüse 13 in Strömungsrichtung und die Düse 14 entgegen dieser Richtung
spritzt.
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Der Körper io weist einen hohlzylindrischen Teil 15 auf, dessen Wandung
in der Mitte bei 16 verstärkt ist und dort die Auslaßöffnung 17 aufweist, an die
sich mit Hilfe der Hülse 18 die Auslaßleitung 12 anschließt. Sieben Längsbohrungen
i9 gehen durch diesen verstärkten Teil hindurch. In der Mitte des Teils 16 befindet
sich eine zylindrische Ausnehmung 2o, die beiderseits von schmalen Ringflanschen
2i und 21' eingefaßt ist. Diese Flanschen dienen unter Zwischenfügung von Dichtringen
der Führung zweier zentraler Büchsen 22 und 22'. An seinem linken Ende ist der Körper
15 etwas eingezogen und weist Außengewinde 24 auf, während an dem anderen Ende eine
Eindrehung 25 vorgesehen ist, die zum Aufsetzen eines zweiten hohlzylindrischen
Körpers 26 dient, der eine Einlaßö flnung 27 aufweist, an die mit Hilfe einer Hülse
28 eine Zuführungsleitung i i angeschlossen ist. Dieser Körper ist an seinem freien
Ende etwas eingezogen und weist ebenfalls ein Außengewinde 26b auf. Auf die äußeren
Enden der zentralen Büchsen 22 und 22' sind die beiden Endstücke 30 und 30'
aufgesetzt, die die beiden Düsen 13 und 14 aufweisen und zusammen mit den Büchsen
je eine Wirbelkammer 31 und 31' enthalten, die in die Düsen ausmünden. Die Wirbelkammern
sind über in die Kammern tangential einmündende Bohrungen 33 und 33' mit Ringräumen
32, 32' verbunden. Die Endstücke werden durch Überwurfmuttern 34 und 34' gehalten,
die auf die Körper 26 bzw. 15 aufgeschraubt sind.
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Man erkennt, daß sich an die verhältnismäßig engen ringförmigen Ausnehmungen
32 und 32' erweiterte Räume 35 bzw. 35' anschließen, die durch die Bohrungen i9
miteinander in Verbindung stehen. Die beiden Wirbelkammern sind über die Bohrungen
36 und 36' der Büchsen 22 und 22' und die mittlere zylindrische Kammer 37 miteinander
verbunden. Der Durchmesser der Bohrungen 36 und 36' ist geringer als der der Wirbelkammern,
aber beträchtlich größer als der der Düsen 13 und 14.
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Die Wirkungsweise dieses Brenners ist die folgende: Der Brennstoff
gelangt unter hohem Druck durch die Zuführungsleitung i i in den Ringraum 35 und
durch die Bohrungen i9 auch in den Ringraum 35'. Aus diesen beiden Ringräumen tritt
der Brennstoff durch die tangentialen Bohrungen 33 bzw. 33' in die Wirbelkammern
31 und 31' über, in denen auf diese Weise ein Umlauf des Brennstoffs mit hoher Geschwindigkeit
erzeugt wird. Der aus den Düsen 13 und 14 austretende Brennstoff nimmt die Form
eines kegelförmigen aus feinsten Brennstoffteilchen
bestehenden
Strahles 38 bzw. 38' an. Überschüssiger Brennstoff wird aus beiden Wirbelkammern
durch die Bohrungen 36 und 36' in die zylindrische Kammer 37 und weiter durch die
Auslaßleitung 12 zurückgeführt. Steuert man diesen Rückfluß durch ein Ventil, so
kann man die Dicke der in den Wirbelkammern umlaufenden Brennstoffschicht und damit
die Menge des durch die Düsen 13 und 14 austretenden Brennstoffs regeln. Der Druck,
mit dem der Brennstoff in den Brenner eingeführt wird, wird über den gewünschten
GeschwIndigkeitsbereich im wesentlichen konstant gehalten.
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Bei der beschriebenen Bauart werden also beide Düsen durch eine gemeinsame
Zuführungsleitung versorgt, und der Überlauf erfolgt ebenfalls über eine gemeinsame
Auslaßleitung, so daß er auch durch ein gemeinsames Ventil gesteuert werden kann.
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liei der dargestellten Anordnung der tangential in die Wirbelkammern
einmündenden Bohrungen ist die Umlaufrichtung des Brennstoffs in beiden Kammern
die gleiche, und zwar in der Richtung entgegen dein Luftstrom in der Brennkammer
gesehen entgegengesetzt dem Uhrzeigersinne. Die wichtigste Folge dieser Anordnung
ist, daß die beiden Systeme einen gemeinsamen Luftkern 39 haben. Bei allen Brennern,
die nach dem Wirbelprinzip arbeiten, entsteht innerhalb des schnell umlaufenden
Brencistoffs ein Luftkern, und die Stabilität des aus der Düse austretenden Brennstoffstrahles
hängt von der Stabilität dieses Luftkernes ab. Endet aber Glas innere, d. h. das
von der Düse entfernte l?ndc des Luftkernes an einer Wand der Wirbell;ammer oder
an einer aus Brennstoff gebildeten \\'an<I in der LTberlaufleitung, so wird er
mit einer Änderung der Brennstoffmenge leicht unstabil. Eine Stabilität kann daher
nur dann sicher erreicht werden, wenn der Luftkern erfindungsgemäß an beiden Enden
offen ist.
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Bei Anwendung eines gemeinsamen Auslaßsystems und eines gemeinsamen
Zuführungsdruckes sowie von 1'Virl)elkammern gleichen Durchmessers wird sich in
leiden Kammern die gleiche Stärke des Brennstoffwirbels einstellen. Auf diese Weise
kann die Verteilung des einzuspritzenden Brennstoffes auf die beiden Düsen durch
die Wahl der Durchmesser der beiden Düsen bestimmt und der zur Erzieltuir einer
wirksamen zweistufigen Verbrennung in dem Luftstrom erforderlichen Brennstoffverteilung
angepaßt werden.
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Mine andere Ausführungsform der Erfindung in cler Anwendung auf einen
Doppelzulaufbrenner zeigen Fig. 6 bis B. Bei den normalen Brennern dieser Art sind
zwei Brennstoffzuführungen vorgesehen. Durch die eine wird Brennstoff von etwa gleichem
Druck eingeführt, so daß auch die dem Brennstoff erteilte Drehbewegung etwa gleichbleibend
ist, während durch die andere von einem unabhängigen System aus ein veränderlicher
Druck und damit eine veränderliche Drehbewegung überlagert wird, wodurch die Regelung
des Brenners bewirkt wird. Wie aus Fig:6 ersichtlich ist, wird der eigentliche Brennerkörper41
in der Brennkammer durch die Hauptzuführungsleitung 42 und die Hilfszuführungsleitung
43 gehalten. An beiden Enden des Brennerkörpers 41 sind Düsen 44 und 45 vorgesehen,
durch die der Brennstoff wiederum in Richtung des durch den Pfeil A bezeichneten
Luftstroms bzw. entgegen dieser Richtung eingespritzt wird. Die beiden Düsen sind
durch eine einzige mittlere Kammer .46 miteinander verbunden, die an den Enden konisch
zuläuft und durch die beiden Endstücke 48 und 49 gebildet wird. Ein hohlzylindrisches
Mittelstück 5o mit ringförmigen Ausdrehungen 51, 52 und 53 ist rund um die Endstücke
angeordnet und mittels Überwurfmuttern 56 und 56' mit den Endstücken verschraubt.
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Die Endstücke weisen außen Eindrehungen auf, die zusammen mit den
Ausdrehungen des Mittelstückes Ringräume 57 und 58 bilden. Diese beiden Ringräume'sind
durch die Längsbohrungen 59, die symmetrisch um die Achse des Brenners verteilt
angeordnet sind, miteinander verbunden. Die Hauptzuführungsleitung 42 ist über die
Einlaßöffnung 6o unmittelbar mit dem Ringraum 57 verbunden, und die beiden Ringräume
57 und 58 stehen mit der mittleren Kammer 46 über tangential in diese Kammer einmündende
Bohrungen 61 bzw. 62 in Verbindung.
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Durch die Eindrehung 48° des Endstückes 48 und die Ausdrehung 52 wird
zusammen mit dem End-e, 49 ein kleinerer Ringraum 63 gebildet, der mit der
mittleren Kammer 46 ebenfalls über tangential in diese Kammer einmündende Bohrungen
65 in Verbindung steht. In diesen Ringraum 63 mündet die Hilfszuführungsleitung
43 ein.
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Die Wirkungsweise dieses Doppelzulaufbrenners ist ähnlich der des
Überlaufbrenners, abgesehen davon, daß die Regelung des Brennstoffzuflusses durch
Änderung des Druckes in der Hilfszuführungsleitung 43 erfolgt, wodurch die Zuflußgeschwindigkeit
in diesem Rohr und dadurch die WirbelgeschNvindigkeit in der Kammer 46 beeinflußt
wird. Der Druck in der Hauptzuführungsleitung wird dabei im wesentlichen konstant
gehalten. Wie auch bei dem Überlaufbrenner wird hier in beiden Düsen des Brenners
gemeinsamer Luftkern gebildet, so daß eine gute Stabilität der durch die Düsen ausgespritzten
Strahlen erreicht wird.
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Die beschriebenen Brenner stellen nur Beispiele dar, die der Veranschaulichung
der Erfindung dienen. Es ist selbstverständlich, daß Änderungen in der Form, Größe
und Anordnung vorgenommen werden können, ohne daß damit der Rahmen der Erfindung
verlassen zu werden braucht.