EP3306196A1 - Brennkammeranordnung einer gasturbine sowie fluggasturbine - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a combustion chamber arrangement, in particular an aircraft gas turbine, and a gas turbine with a combustion chamber arrangement.
- the combustion chamber is, for example, annularly formed with an inner and an outer combustion chamber wall.
- fuel is supplied with a plurality of fuel nozzles.
- admixing air holes are provided which supply admixed air into the combustion chamber for complete combustion of the fuel.
- cooling air openings are provided in the combustion chamber walls, wherein in double-walled combustion chamber walls so-called impingement cooling holes are provided in the outer wall and effusion cooling holes in the inner wall of the double-walled combustion chamber wall. These cooling holes form a cooling air film to protect the combustion chamber walls from the hot combustion gases.
- the admixing air holes are arranged in a row along the circumference of the combustion chamber walls.
- the admixing air holes are alternately Zumisch Kunststofflöcher arranged with larger and smaller diameter.
- cooling air holes are arranged in a second row along the circumference at a very small distance from the admixing air holes in the circumferential direction offset from the admixing air holes.
- the combustion chamber arrangement according to the invention of a gas turbine with the features of claim 1 comprises an annular combustion chamber with an inner ring wall and an outer ring wall. At one end of the combustion chamber, a combustion chamber head is arranged with a plurality of fuel nozzles, which introduce the fuel into the combustion chamber. Furthermore, a first Zumischluft #2 and a second Zumischluft #2 is provided.
- the first admixed air row comprises a multiplicity of first admixing air holes formed as passage openings, wherein the first admixing air holes are arranged in the inner ring wall and / or the outer ring wall.
- the second admixing air row comprises a multiplicity of second admixing air holes, likewise designed as passage openings, which are likewise arranged in the inner ring wall and / or the outer ring wall.
- Zumisch poverty is fed into the combustion chamber via the Zumisch povertylöcher the first and second Zumischluft #2.
- the first admixing air holes have first inner and first outer centers, and the second admixing air holes have second inner and second outer centers.
- the inner centers are each located on a side facing the combustion chamber side of the Zumisch Kunststoffmaschinecher.
- the inner centers thus form the puncture points of the respective central axes of the Zumisch povertylöcher to the combustion chamber.
- the outer centers are located on a side facing away from the combustion chamber side of the Zumischluftlöcher.
- L is a distance between the first and second inner centers and / or the first and second outer centers of the first and second admixing air holes.
- D1 is a first flow diameter of the first admixing air holes at an entrance side and / or an exit side to the combustion chamber
- D2 is a second flow diameter of the second admixing air holes at the entrance side and / or exit side to the combustion chamber.
- the second flow diameter D2 is greater than the first flow diameter D1.
- C is a mean flow coefficient of the first and second admixing air holes.
- the average flow coefficient C of a Zumischluftlochs is a measure of the effective flow tube through the Zumisch povertyloch and thus describes which proportion of a cross-sectional area of the Zumisch Kunststofflochs is flowed through in the middle of an inflow side to an outflow side.
- the flow coefficient of a Zumischlochs is a measure of the effective flow tube through the Zumischloch and thus describes what proportion of Zumischlochqueritess realization flows through in the middle of annulus to flame tube.
- the mass flow (momentum flow) through such a mixing hole depends on the adjacent driving pressure gradient across the mixing hole, on the shape and shape of the mixing hole and on the Reynolds and Mach number.
- a Zumischlochs Under the form and shape of a Zumischlochs here is the average cross-sectional shape (eg circle, ellipse) to understand the inlet geometry at the upstream end of the Zumischlochs (eg rounded inlet or stepped inlet), the orientation of the hole relative to the flow (relevant for non-circular cross-sectional shapes and for circular cross-sectional shapes, which have an average position relative to the surface (outer channel structure (Annulus) / combustion chamber (flame tube)), which is not perpendicular to the surface) and the effective guide length of the Zumischlochs. Under effective guide length is to be understood the length, which leads to improved guidance of the flow within the Zumischlochs.
- the average cross-sectional shape eg circle, ellipse
- the orientation of the hole relative to the flow relevant for non-circular cross-sectional shapes and for circular cross-sectional shapes, which have an average position relative to the surface (outer channel structure (Annulus) / combustion chamber (flame tube)
- the flow coefficient is a variable, which can be different for each mixing hole, since the influence of the flow state upstream and downstream of the admixing hole influences the already mentioned influencing variables.
- the inflow state to the admixing hole for example, in a fat-lean combustion chamber arrangement is influenced by components such as the injector, the injector arm, cooling components dependent on the cooling scheme mechanical components such as screws in the case of a liner-shingle cooling, possibly structurally relevant components such as mounting pins and igniters.
- components such as the injector, the injector arm, cooling components dependent on the cooling scheme mechanical components such as screws in the case of a liner-shingle cooling, possibly structurally relevant components such as mounting pins and igniters.
- deviations in construction and cooling differences as occurs, for example, in a shingled combustion chamber between the shingles, are decisive for the homogeneity of the flow.
- uncontrollable leakage currents affect the Due to the assembly and the tolerant manufacturing occur the flow.
- a grease-lean combustion chamber usually has a flow guide in the form of an inlet hood to the injector added Annuli, the geometric variations of such inlet hood and the acceleration conditions around such a hood are crucial for the formation of a flow profile in the annulus.
- the inflow state is not homogeneous in the radial or in the circumferential direction, which influences the flow coefficient of a mixing hole.
- These considerations are not limited to the state upstream of the Zumischlochs, as a Zumischloch from all sides so, for example, can also be from downstream inflow.
- the flow coefficient must also be distinguished whether it is a single Zumischloch or multiple Zumischlöcher. The latter case is the case relevant to the present invention.
- the flow coefficient depends on how the admixing holes are oriented and arranged relative to one another, since each admixing hole itself influences the flow in the annulus and in the flame tube.
- each admixing hole itself influences the flow in the annulus and in the flame tube.
- the flame tube it is particularly important whether the rays of adjacent Zumischlöcher interact.
- the beams of different Zumischlöcher can combine, for example, to form a common beam, the beam trajectory can differ from the nominal course because of the pressure field forming with the beam and not least is to distinguish whether rays from the opposite Annuli interact with each other.
- the present invention contemplates blending arrangements of opposing annuli which result in configurations whereby the rays are passed substantially past one another but also configurations where the rays are located directly opposite one another.
- the flow within the flame tube of a lean-fat combustion chamber is twisted, highly turbulent and due to the locally varying heat release local temperature differences and thus density differences.
- the turbulence influences the viscous behavior of the flow and the density differences lead to a non-homogeneous momentum distribution.
- flow diameter is not limited to circle diameter, but flow diameter according to the invention both circle diameter and ellipse diameter are understood.
- the first flow diameter is a first circle diameter of the first admixing air holes.
- the first flow diameter is a first ellipse diameter of the first admixing air holes.
- the second flow diameter D2 may likewise be a second circle diameter of the admixing air holes or a second ellipse diameter of the second admixing air holes.
- the mean flow coefficient C is a measure of the effective flow rate in the mean of all admixing air holes and is preferably in a range of 0.60 to 0.75 and is particularly preferably 0.69.
- the first flow diameter and / or the second flow diameter are different within the respective Zumisch Kunststoffschschitz #2n, in which case the first flow diameter or the second flow diameter is determined as an average of the different sized first and second flow diameters for each Zumischluft #2.
- a particularly good inflow of the admixing air through the first and second admixing air holes is achieved when the flow diameters of the first and second admixing air holes in the direction of flow through the admixing air holes are constant.
- a number of the first admixing air holes is equal to a double number of fuel nozzles.
- a particularly good NOx reduction is achieved if the second admixing air holes are arranged on the outer ring wall and / or on the inner ring wall in the circumferential direction offset from the first admixing air holes.
- the second admixing air holes are particularly preferably offset from the first admixing air holes such that the second admixing air holes lie centrally between the first admixing air holes with the axial distance L in the circumferential direction.
- first admixing air holes have first central axes lying in a first plane and the second admixing air holes have second central axes lying in a second plane.
- first and second planes are preferably arranged parallel to one another.
- first and second center axes of the first and second admixing air holes are perpendicular to a center cone of a cone-shaped combustion chamber.
- the first and / or second center axes are perpendicular to a tangent to the inner ring wall and / or perpendicular to a tangent to the outer ring wall of the combustion chamber.
- the combustion chamber has a barrel-shaped ring shape with a barrel-shaped middle lateral surface and the first and second center axes of the first and second admixing air holes are arranged perpendicular to the barrel-shaped middle lateral surface.
- the combustion chamber has a barrel-shaped shape and / or the first and / or second admixing air holes have a central axis, which are arranged at an angle not equal to 90 ° to a tangent to the outer ring wall of the combustion chamber.
- the NOx emissions can be additionally reduced if each fuel nozzle of the combustion chamber is assigned to the combustion chamber in the axial direction of a first Zumisch Kunststoffloch. If the number of first admixing air holes is preferably twice as large as the number of fuel nozzles, a further first admixing hole is arranged in the circumferential direction between the respective first admixing air holes assigned to each fuel nozzle.
- the first and / or second Zumischlöcher in the outer ring wall are each coaxial with the first and / or second Zumischmaschinechern in the inner ring wall.
- each admixing air hole in the first admixed air row of the outer ring wall is assigned an admixing air hole in the first admixed air row of the inner ring wall.
- the distance L on the inner ring wall is the same as on the outer ring wall.
- the interpretation of Zumisch povertylöcher can also be such that the Zumischluftlöcher be designed in the inner ring wall of the annular combustion chamber according to the equation L and carried a transfer of the axial positions on the Zumischluftlöcher the outer ring wall. Also so that the distance L on the inner ring wall between the Zumischluftlöchern is the same as on the outer ring wall.
- first and / or second admixing air holes preferably project partially into the combustion chamber.
- the admixing air holes thus have a peripheral flange projecting into the combustion chamber, so that the outlet of the admixing air from the first and / or second admixing air holes takes place at a certain distance from the inner combustion chamber wall of the combustion chamber. More preferably, the height of the flange varies in the circumferential direction of the flange.
- the present invention relates to a gas turbine, in particular an aircraft gas turbine, with a combustion chamber arrangement according to the present invention.
- FIGS. 1 to 4 a gas turbine engine 100 and a combustion chamber assembly 1 according to a first embodiment of the invention described in detail.
- the gas turbine engine 100 according to FIG. 1 is an example of a turbomachine to which the invention may find application.
- the invention can also be used in other gas turbines, for example aircraft gas turbines.
- the gas turbine engine 100 has, in the flow direction A, an air inlet 110, a fan 12 circulating in a housing, a medium-pressure compressor 13, a high-pressure compressor 14, an annular combustion chamber 15, a high-pressure turbine 16, a medium-pressure turbine 17 and a low-pressure turbine 18 and an exhaust nozzle 19, all of which are arranged about a central engine axis XX.
- the medium pressure compressor 13 and the high pressure compressor 14 each include a plurality of stages, each of which includes a circumferentially extending array of fixed stationary vanes 20, commonly referred to as stator vanes, extending radially inward from the engine casing 21 in an annular flow passage through the medium pressure compressor 13 and Projecting high pressure compressor 14.
- the compressors further include an array of compressor blades 22 projecting radially outward from a rotatable drum or disc 26 coupled to hubs 27 of the high pressure turbine 16 and the mid pressure turbine 17.
- the three turbine sections of the high pressure turbine 16, the intermediate pressure turbine 17, and the low pressure turbine 18 have similar stages comprising an array of fixed vanes 23 projecting radially inward from the housing 21 into an annular flow passage through the three turbine sections and a subsequent array of turbine blades 24 protruding outward from the rotatable hub 27.
- the compressor drum or compressor disk 26 and the compressor rotor blades 22 thereon and the turbine rotor hub 27 and the turbine blades 24 disposed thereon rotate about the engine axis X-X during operation.
- FIG. 2 shows in detail the combustion chamber assembly 1.
- the combustion chamber assembly 1 includes the combustion chamber assembly 1, as in FIG. 2 shown one Combustor head 3 with a plurality of fuel nozzles 6. Fuel is supplied via a fuel line 2 to the fuel nozzles 6.
- the annular combustion chamber 15 comprises an inner ring wall 7 and an outer ring wall 8.
- the inner ring wall 7 is double-walled and comprises an inner shingle support 71 and an inner combustion chamber shingle 72.
- the outer ring wall 8 is likewise double-walled and comprises an outer shingle support 81 and an outer combustion shingle 82. It should be noted that, alternatively, the inner ring wall and the outer ring wall can also be made single-walled.
- a top plate 4 and a heat shield 5 for thermal protection of the combustion chamber head 3 are arranged on the combustion chamber head 3.
- combustion chamber 15 is arranged inclined to the engine axis XX, so that a center of the combustion chamber 15 is defined by a central cone jacket 9.
- reference numeral 80 denotes a combustor suspension
- reference numeral 90 denotes a combustor flange
- the combustion chamber arrangement comprises a second admixing air row Z2 with a multiplicity of second admixing air holes 11 designed as passage openings.
- the first and second admixing air holes are each in the inner ring wall 7 and the outer ring wall 8 is arranged.
- Each of the first admixing air holes 10 has a first inner center 10a
- each of the second admixing air holes 11 has a second inner center 11a. How out FIG. 3 and 4 it can be seen, all first inner centers 10a are arranged in a first plane E1 and all second inner centers 11a are arranged in a second plane E2.
- the first and second inner center points 10a, 11a lie in each case on a side of the admixing air holes 10, 11 facing the combustion chamber 15.
- L is a distance between the first and second inner centers 10a, 11a of the first and second admixing air holes 10, 11 in the axial direction of the combustion chamber 15, wherein D1 is a first flow diameter of the first admixing air holes 10 at the exit side to the combustion chamber 15, and D2 is a second flow diameter of the second admixing air holes 11 at the exit side to the combustor 15.
- C is also a mean flow coefficient of the first and second admixing holes.
- the flow diameter D1 and D2 of the first embodiment is selected such that the flow diameter D1 of the first admixing air holes 10 and the second admixing air holes 11 is circular.
- the flow diameters are designed as a circle diameter.
- a first diameter D1 is smaller than the second diameter D2.
- the admixing air holes 10 of the first admixing air row Z1 are equally spaced and have a distance U from mutually adjacent first inner center points 10a (cf. FIG. 3 ) on.
- the second admixing air holes 11 of the second admixing air row Z2 have the same distance in the circumferential direction U.
- the first and second inner center points 10a, 11a are each offset by the distance U / 2 in the circumferential direction (cf. FIG. 3 ).
- first mixing air holes 10 are arranged such that always a first Zumischluftloch 10 is arranged in alignment in the flow direction A of the combustion chamber on a central axis 60 of each fuel nozzle 6 (see. FIG. 3 ).
- this condition is met only on the inner ring wall or only on the outer ring wall.
- the mean flow coefficient C of the first and second admixing holes is in a range from 0.60 to 0.75 and is particularly preferably 0.69.
- the flow coefficient C is approximately the same for each of the admixing air holes 10, 11, so that the flow coefficient C can always be selected to be 0.69, even considering tolerance bands.
- the flow diameter D1, D2 does not necessarily have to be a circle diameter, but may be, for example, an ellipse diameter.
- the first and second admixing air holes 10, 11 are cylindrical (see. FIG. 4 ). If the first and second admixing air holes are not cylindrical, but, for example, conical or convex, the smallest diameter of the admixing hole is selected as the first and second flow diameters.
- the number of the first admixing holes 10 is equal to the number of the second admixing holes 11.
- the second admixing holes 11 of the second admixing row Z2 are circumferentially respectively arranged centrally offset to the mixing air holes 10 of the first Zumischluft Little Z1, which is schematically in FIG. 3 is shown.
- the first diameter D1 is 10.9 mm
- the second diameter D2 is 14.1 mm
- the length L is 8.74 mm.
- first center axes M1 of the first admixing air holes 10 are arranged such that they lie in the plane E1. Further, the center axes M2 of the second admixing air holes 11 are in the second plane E2. Since the distance L is determined at each of the inner centers 10a, 11a of the first and second admixing air holes 10, 11, it is also possible to determine the distance L when the center axes M1, M2 of FIG Zumisch Kunststofflöcher 10, 11 inclined to the center cone jacket 9 are. In the first exemplary embodiment, the first center axes M1 and the second center axes M2 intersect the central cone jacket 9 of the combustion chamber 15 in each case vertically.
- a connection between the flow diameters D1, D2 of the first and second admixing air holes 10, 11 and the distance L in the flow direction A of the combustion chamber 15 is established in order to optimize the reduction of NOx emissions.
- FIG. 5 shows a combustion chamber assembly 1 according to a second embodiment of the invention.
- the combustion chamber 15 of the second embodiment has a barrel-shaped ring shape. This results in different inflow of Zumisch poverty the first Zumisch poverty #2 Z1 and the second Zumischluft #2 Z2 in the combustion chamber 15th
- the first admixing air holes 10 are arranged such that it is arranged perpendicular to a first tangent T1 of the combustion chamber outer wall 8.
- the second admixing holes 11 are arranged perpendicular to a second tangent T2 on the combustion chamber outer wall 8.
- the first and second admixing air holes are formed such that they project partially into the interior of the combustion chamber 15.
- the first admixing air hole 10 has an inner flange 10 b, which protrudes into the combustion chamber 15.
- the second admixing hole 11 has an inner flange 11 b, which projects into the combustion chamber 15.
- FIG. 6 shows a combustion chamber assembly 1 according to a third embodiment of the invention.
- the third embodiment substantially corresponds to the second embodiment, in contrast to which the second admixing air holes 11 are arranged inclined to a second tangent T2 on the combustion chamber outer wall 8.
- the piercing point shifts at the outlet of the second admixing air holes 11, so that the second inner center 11a is arranged closer to the first admixing air row Z1. This shortens the distance L.
- the first and second admixing air holes 10, 11 are again formed such that they project partially into the combustion chamber 15.
- the flange 11 b of the second admixing holes 11 projects further into the combustion chamber than the flange 10 b of the first admixing air holes 10.
- FIG. 7 schematically shows a combustion chamber arrangement according to a fourth embodiment of the invention.
- the flow diameters of the first and second admixing air holes 10, 11 are no longer provided as a circle diameter, but as an ellipse diameter.
- an ellipse surface of the second admixing air holes 11 is larger than that of the first admixing air holes 10.
- a1 and b1 are the half-axes of the ellipse of the first admixing holes 10.
- a2 and b2 are the half-axes of the ellipse of the second admixing air holes 11.
- the second admixing air holes 11 of the second admixing air row Z2 are centrally offset in the circumferential direction to the admixing air holes 10 of the first admixing air row Z1.
- the inner first and second centers 10a and 11a are in turn in a first plane E1 and a second plane E2.
- Each second first admixing hole 10 of the first admixing hole row Z1 lies again in alignment with the central axis 60 of the fuel nozzles 6.
- each fuel nozzle 6 is associated with a first admixing air hole 10 in the axial direction.
- Fig. 8 schematically shows a combustion chamber assembly according to a fifth embodiment of the invention.
- the first admixing air holes 10 are provided in a circular shape and the second admixing air holes 11 are elliptical in shape.
- the circle diameter and the ellipse diameter are the same along the respective Zumisch Kunststoff #21, Z2 at each Zumisch Kunststoffloch.
- the longer semiaxis of the ellipses is aligned in the direction of flow A.
- the first admixing air row Z1 can also have elliptical admixing air holes and the second admixing air row Z2 can have circular admixing air holes.
- circle diameters and ellipse diameters are possible.
- the longer semiaxis of the ellipses can be arranged perpendicular to the flow direction A.
- circle diameter and ellipse diameter are at least a Zumisch Kunststoffsch arranged alternately, or in two Zumisch Kunststoffschtechnik Herbertn Z1, Z2 Zumisch Kunststoffmaschinecher are alternately formed with a circle diameter and ellipse diameter, which can also be offset in the circumferential direction.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung, insbesondere einer Fluggasturbine, sowie eine Gasturbine mit einer Brennkammeranordnung.
- Gasturbinen mit Brennkammern sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Die Brennkammer ist beispielsweise ringförmig mit einer inneren und einer äußeren Brennkammerwand ausgebildet. Am Brennkammerkopf wird mit einer Vielzahl von Kraftstoffdüsen Kraftstoff zugeführt. In den Brennkammerwänden sind Zumischluftlöcher vorgesehen, welche Zumischluft in die Brennkammer für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs zuführen. Weiterhin sind in den Brennkammerwänden Kühlluftöffnungen vorgesehen, wobei bei doppelwandigen Brennkammerwänden sogenannte Prallkühllöcher in der Außenwand und Effusionskühllöcher in der Innenwand der doppelwandigen Brennkammerwand vorgesehen sind. Diese Kühllöcher bilden einen Kühlluftfilm, um die Brennkammerwände vor den heißen Verbrennungsgasen zu schützen. Wie beispielsweise aus der
US 2011/0048024 A1 bekannt, werden die Zumischluftlöcher dabei in einer Reihe entlang des Umfangs der Brennkammerwände angeordnet. Hierbei werden abwechselnd Zumischluftlöcher mit größerem und kleinerem Durchmesser angeordnet. Ferner werden Kühlungsluftlöcher in einer zweiten Reihe entlang des Umfangs in einem sehr kleinen Abstand von den Zumischluftlöchern in Umfangsrichtung, versetzt zu den Zumischluftlöchern, angeordnet. Ein Problemkreis bei derartigen Brennkammern sind dabei die NOx-Emissionen. - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammeranordnung sowie eine Gasturbine bereitzustellen, welche eine verbesserte Luftzumischung zu einer Brennkammer ermöglicht, um eine Bildung von NOx signifikant zu reduzieren.
- Diese Aufgabe wird durch eine Brennkammeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.
- Die erfindungsgemäße Brennkammeranordnung einer Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 umfasst eine ringförmige Brennkammer mit einer Innenringwand und einer Außenringwand. An einem Ende der Brennkammer ist ein Brennkammerkopf mit einer Vielzahl von Kraftstoffdüsen angeordnet, welche den Kraftstoff in die Brennkammer einbringen. Ferner ist eine erste Zumischluftreihe und eine zweite Zumischluftreihe vorgesehen. Die erste Zumischluftreihe umfasst eine Vielzahl von als Durchgangsöffnungen ausgebildeten ersten Zumischluftlöchern, wobei die ersten Zumischluftlöcher in der Innenringwand und/oder der Außenringwand angeordnet sind. Die zweite Zumischluftreihe umfasst eine Vielzahl von ebenfalls als Durchgangsöffnungen ausgebildeten zweiten Zumischluftlöchern, welche ebenfalls in der Innenringwand und/oder der Außenringwand angeordnet sind. Über die Zumischluftlöcher der ersten und zweiten Zumischluftreihe wird Zumischluft in die Brennkammer zugeführt. Um die NOx-Emissionen im Betrieb signifikant zu reduzieren, sind die ersten und zweiten Zumischluftlöcher derart angeordnet, dass die Gleichung L=D2/D1*(D2-D1)/C2 erfüllt ist. Die ersten Zumischluftlöcher weisen erste innere und erste äußere Mittelpunkte auf, und die zweiten Zumischluftlöcher weisen zweite innere und zweite äußere Mittelpunkte auf. Die inneren Mittelpunkte liegen dabei jeweils an einer zur Brennkammer gerichteten Seite der Zumischluftlöcher. Die inneren Mittelpunkte bilden somit die Durchstoßpunkte der jeweiligen Mittelachsen der Zumischluftlöcher zum Brennraum. Die äußeren Mittelpunkte liegen an einer von der Brennkammer abgewandten Seite der Zumischluftlöcher.
- In der Gleichung ist L ein Abstand zwischen den ersten und zweiten inneren Mittelpunkten und/oder den ersten und zweiten äußeren Mittelpunkten der ersten und zweiten Zumischluftlöcher. D1 ist ein erster Strömungsdurchmesser der ersten Zumischluftlöcher an einer Eintrittsseite und/oder einer Austrittsseite zur Brennkammer, und D2 ist ein zweiter Strömungsdurchmesser der zweiten Zumischluftlöcher an der Eintrittsseite und/oder Austrittsseite zur Brennkammer. Weiterhin ist der zweite Strömungsdurchmesser D2 größer als der erste Strömungsdurchmesser D1. Ferner ist C ein mittlerer Durchflusskoeffizient der ersten und zweiten Zumischluftlöcher. Der mittlere Durchflusskoeffizient C eines Zumischluftlochs ist ein Maß für die effektive Stromröhre durch das Zumischluftloch und beschreibt damit, welcher Anteil einer Querschnittsfläche des Zumischluftlochs im Mittel von einer Einströmseite zu einer Ausströmseite durchströmt wird. Durch diese Zuordnung der Austrittsstömungsquerschnitte der Zumischluftlöcher in den Brennraum sowie des Abstandes L der Zumischluft in Axialrichtung der Brennkammer können signifikante Verbesserungen bei den NOx-Emissionen erzielt werden. Durch Einhaltung dieser Anordnungsvorschrift für die Zumischluftlöcher kann eine effiziente Abmagerung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer erreicht werden, sodass in der Brennkammer keine Bereiche mit Kraftstoffüberschuss vorhanden sind, welche sich negativ auf die NOx-Emissionen auswirken. Durch die gezielte Anordnung der Zumischluftlöcher gemäß der vorherstehend erläuterten Gleichung kann eine gleichmäßige Abmagerung in Axialrichtung durch die Brennkammer hindurch erreicht werden. Somit können insbesondere die NOx-Emissionen optimal reduziert werden und eine vollständige Verbrennung des zugeführten Kraftstoffs erreicht werden.
- Der Durchflusskoeffizient eines Zumischlochs ist ein Maß für die effektive Stromröhre durch das Zumischloch und beschreibt damit welcher Anteil der Zumischlochquerschnittsfläche im Mittel von Annulus zu Flammrohr durchströmt wird. Der durch ein solches Zumischloch durchgesetzte Massenstrom (Impulsstrom) ist vom anliegenden treibenden Druckgefälle über das Zumischloch abhängig, von der Form und Gestalt des Zumischlochs und von der Reynolds und Mach Zahl. Unter Form und Gestalt eines Zumischlochs ist hierbei die mittlere Querschnittsform (z.B. Kreis, Ellipse) zu verstehen, die Einlaufgeometrie am stromaufgelegenen Ende des Zumischlochs (z.B. gerundeter Einlauf oder gestufter Einlauf), die Orientierung des Lochs relativ zur Strömung (relevant bei nicht kreisrunden Querschnittsformen und bei kreisrunden Querschnittsformen, die eine mittlere Anstellung relativ zur Oberfläche (Außenkanalstruktur (Annulus)/Brennkammer (Flammrohr)) haben, welche nicht senkrecht zur Oberfläche ist) sowie der effektiven Führungslänge des Zumischlochs. Unter effektiver Führungslänge ist dabei die Länge zu verstehen, welche zu einer verbesserten Führung der Strömung innerhalb des Zumischlochs führt. Dies kann dadurch erzielt werden, dass das Loch in der Weise verlängert wird, dass das Zumischloch (über den Umfang nicht notwendigerweise gleichartig) in das Flammrohr hineinragt aber auch durch ein Kühlungsarrangement kann bereits aufgrund des strukturellen Aufbaus, Liner-Schindel-Arrangement, eine Verlängerung der effektiven Strömungsführung erzielt werden. Der Durchflusskoeffizient ist eine Größe, welche je Zumischloch unterschiedlich sein kann, da zu den bereits genannten Einflussgrößen die Abhängigkeit vom Strömungszustand stromauf und stomab des Zumischlochs Einfluss nimmt. Der Zuströmzustand zum Zumischloch z.B. wird in einer Fett-Mager Brennkammeranordnung durch Komponenten wie dem Injektor, dem Injektorarm, von vom Kühlungsschema abhängigen mechanischen Komponenten wie beispielsweise Schrauben im Falle einer Liner-Schindel Kühlung, ggf. von strukturrelevanten Bauteilen wie Befestigungsstiften und von Zündvorrichtungen beeinflusst. Gleichermaßen sind Bauabweichungen und Kühlungsunterschiede wie es beispielsweise bei einer beschindelten Brennkammer zwischen den Schindeln auftritt entscheidend für die Homogenität der Anströmung. Zudem beeinflussen nicht kontrollierbare Leckageströme die aufgrund des Zusammenbaus und der toleranzbehafteten Fertigung auftreten die Strömung. Da eine Fett-Mager Brennkammer zumeist eine Strömungsführung in Form einer Einlaufhaube um den Injektor hinzu den Annuli hat, sind auch die geometrischen Variationen einer solchen Einlaufhaube und die Beschleunigungsverhältnisse um eine solche Haube entscheidend für die Ausbildung eines Strömungsprofiles im Annulus. Gemein ist all den genannten Einflussfaktoren, dass der Zuströmzustand weder in radialer noch in umfänglicher Richtung homogen ist, was den Durchflusskoeffizienten eines Zumischlochs beeinflusst. Diese Betrachtungen sind nicht auf den Zustand stromauf des Zumischlochs beschränkt, da ein Zumischloch von allen Seiten also beispielsweise auch von stromab Zufluss liegen kann. Bezüglich des Durchflusskoeffizienten muss gleichfalls unterschieden werden, ob es sich um ein einzelnes Zumischloch handelt oder um mehrere Zumischlöcher. Der zuletzt genannte Fall ist der für die vorliegende Erfindung relevante Fall. Bei mehreren Zumischlöchern ist der Durchflusskoeffizient davon abhängig, wie die Zumischlöcher relativ zueinander orientiert und angeordnet sind, da ein jedes Zumischloch selbst Einfluss auf die Strömung im Annulus und im Flammrohr nimmt. Im Flammrohr ist insbesondere entscheidend, ob die Strahlen benachbarter Zumischlöcher interagieren. Dabei können die Strahlen unterschiedlicher Zumischlöcher sich beispielsweise zu einem gemeinsamen Strahl vereinen, die Strahltrajektorie kann wegen des sich mit dem Strahl ausbildenden Druckfeldes vom nominellen Verlauf abweichen und nicht zuletzt ist zu unterscheiden, ob Strahlen von den gegenüberliegenden Annuli miteinander interagieren. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt Zumischanordnungen von gegenüberliegenden Annuli, die zu Konfigurationen führen, wonach die Strahlen im Wesentlichen aneinander vorbei geführt werden aber auch Konfigurationen wonach die Strahlen direkt gegenüber liegend angeordnet sind. Die Strömung innerhalb des Flammrohrs einer Fett-Mager Brennkammer ist verdrallt, hochturbulent und weist aufgrund der lokal variierenden Wärmefreisetzung lokale Temperaturunterschiede und damit Dichteunterschiede auf. Die Turbulenz beeinflusst das viskose Verhalten der Strömung und die Dichteunterschiede führen zu einer nicht homogenen Impulsverteilung. Diese Eigenschaften sind entscheidend für das Druckfeld im Flammrohr und damit für den treibenden Druckgradienten der Strömung durch das Zumischloch, d.h. für den Durchflusskoeffizienten eines Zumischlochs.
- Es sei angemerkt, dass erfindungsgemäß der Begriff Strömungsdurchmesser nicht auf Kreisdurchmesser beschränkt ist, sondern unter Strömungsdurchmesser erfindungsgemäß sowohl Kreisdurchmesser als auch Ellipsendurchmesser verstanden werden. Der Ellipsendurchmesser wird dabei entsprechend der Gleichung D1=4*a1*b1/(a1+b1) berechnet, wobei a1 und b1 die Halbachsen einer Ellipse sind.
- Vorzugsweise ist der erste Strömungsdurchmesser ein erster Kreisdurchmesser der ersten Zumischluftlöcher. Alternativ ist der erste Strömungsdurchmesser ein erster Ellipsendurchmesser der ersten Zumischluftlöcher.
- Der zweite Strömungsdurchmesser D2 kann ebenfalls ein zweiter Kreisdurchmesser der Zumischluftlöcher oder ein zweiter Ellipsendurchmesser der zweiten Zumischluftlöcher sein.
- Der mittlere Durchflusskoeffizient C ist ein Maß der effektiven Durchströmung im Mittel aller Zumischluftlöcher und liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,60 bis 0,75 und beträgt besonders bevorzugt 0,69.
- Weiter bevorzugt sind die ersten Strömungsdurchmesser und/oder die zweiten Strömungsdurchmesser innerhalb der jeweiligen Zumischluftreihen unterschiedlich, wobei dann der erste Strömungsdurchmesser oder der zweite Strömungsdurchmesser als Mittelwert der unterschiedlich großen ersten und zweiten Strömungsdurchmesser für jede Zumischluftreihe bestimmt wird.
- Eine besonders gute Zuströmung der Zumischluft durch die ersten und zweiten Zumischluftlöcher wird erreicht, wenn die Strömungsdurchmesser der ersten und zweiten Zumischluftlöcher in Durchströmungsrichtung durch die Zumischluftlöcher konstant sind.
- Weiter bevorzugt ist die Anzahl der ersten und zweiten Zumischluftlöcher an der Außenringwand und/oder an der Innenringwand gleich.
- Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Anzahl der ersten Zumischluftlöcher gleich einer doppelten Anzahl von Kraftstoffdüsen.
- Eine besonders gute NOx-Reduzierung wird erreicht, wenn die zweiten Zumischluftlöcher an der Außenringwand und/oder an der Innenringwand in Umfangsrichtung versetzt zu den ersten Zumischluftlöchern angeordnet sind. Hierbei sind die zweiten Zumischluftlöcher besonders bevorzugt derart zu den ersten Zumischluftlöchern versetzt, dass die zweiten Zumischluftlöcher in Umfangsrichtung mittig zwischen den ersten Zumischluftlöchern mit dem axialen Abstand L liegen.
- Bevorzugt sind die ersten Zumischluftlöcher in der Außenringwand in Durchströmungsrichtung der Brennkammer jeweils auf einer Mittelachse einer Kraftstoffdüse angeordnet und die ersten Zumischluftlöcher in der Innenringwand sind in Umfangsrichtung um einen Winkel α = 360°/(2*N1) versetzt sind, wobei N1 die Anzahl der Zumischluftlöcher der ersten Zumischluftreihe ist. Alternativ sind die ersten Zumischluftlöcher in der Innenringwand in Durchströmungsrichtung der Brennkammer jeweils auf einer Mittelachse einer Kraftstoffdüse angeordnet und die ersten Zumischluftlöcher in der Außenringwand sind in Umfangsrichtung um einen Winkel α = 360°/(2*N1) versetzt sind, wobei N1 die Anzahl der Zumischluftlöcher der ersten Zumischluftreihe ist. Durch diese Anordnungsvorschrift ist sichergestellt, dass die Zumischluft der ersten Zumischluftreihe möglichst direkt mit dem aus der Kraftstoffdüse austretenden Kraftstoff in Kontakt kommt und eine sehr gute Durchmischung erfolgt.
- Eine weitere Reduzierung von NOx-Emission kann erreicht werden, wenn die ersten Zumischluftlöcher erste Mittelachsen aufweisen, die in einer ersten Ebene liegen und die zweiten Zumischluftlöcher zweite Mittelachsen aufweisen, die in einer zweiten Ebene liegen. Hierbei sind bevorzugt die erste und zweite Ebene parallel zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt sind die ersten und zweiten Mittelachsen der ersten und zweiten Zumischluftlöcher senkrecht zu einem Mittelkonus einer konusförmigen Brennkammer.
- Vorzugsweise sind die ersten und/oder zweiten Mittelachsen senkrecht zu einer Tangente an der Innenringwand und/oder senkrecht zu einer Tangente an der Außenringwand der Brennkammer.
- Alternativ weist die Brennkammer eine tonnenförmige Ringform mit einer tonnenförmigen Mittelmantelfläche auf und die ersten und zweiten Mittelachsen der ersten und zweiten Zumischluftlöcher sind senkrecht zu der tonnenförmigen Mittelmantelfläche angeordnet.
- Bevorzugt weist die Brennkammer eine tonnenförmige Form auf und/oder die ersten und/oder zweiten Zumischluftlöcher weisen eine Mittelachse auf, welche in einem Winkel ungleich 90° zu einer Tangente an der Außenringwand der Brennkammer angeordnet sind.
- Weiterhin können die NOx-Emissionen zusätzlich gesenkt werden, wenn jeder Kraftstoffdüse der Brennkammer in Axialrichtung ein erstes Zumischluftloch zugeordnet ist. Wenn bevorzugt die Anzahl der ersten Zumischluftlöcher dabei doppelt so groß ist, wie die Anzahl von Kraftstoffdüsen, ist in Umfangsrichtung zwischen den jeweils einer Kraftstoffdüse zugeordneten ersten Zumischluftlöchern noch jeweils ein weiteres erstes Zumischloch in Umfangsrichtung angeordnet.
- Weiter bevorzugt sind die ersten und/oder zweiten Zumischlöcher in der Außenringwand jeweils koaxial zu den ersten und/oder zweiten Zumischluftlöchern in der Innenringwand. Dadurch ist jedem Zumischluftloch in der ersten Zumischluftreihe der Außenringwand jeweils ein Zumischluftloch in der ersten Zumischluftreihe der Innenringwand zugeordnet. Gleiches gilt bevorzugt für die zweiten Zumischluftreihen der zweiten Zumischluftlöcher. Somit kann eine Auslegung der Zumischluftlöcher derart erfolgen, dass beispielsweise die Zumischluftlöcher in der Außenringwand der Ringbrennkammer gemäß der Gleichung L ausgelegt werden und ein Übertrag der axialen Positionen für die Zumischluftlöcher in der Innenringwand erfolgt. Damit wird der Abstand L an der Innenringwand gleich wie an der Außenringwand. Alternativ kann die Auslegung der Zumischluftlöcher auch derart erfolgen, dass die Zumischluftlöcher in der Innenringwand der Ringbrennkammer gemäß der Gleichung L ausgelegt werden und ein Übertrag der axialen Positionen auf die Zumischluftlöcher der Außenringwand erfolgt. Auch damit wird der Abstand L an der Innenringwand zwischen den Zumischluftlöchern gleich wie auf der Außenringwand. Weiter alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, dass eine Auslegung der Zumischluftlöcher an der Außenringwand der Ringbrennkammer getrennt von einer Auslegung der Zumischluftlöcher an der Innenringwand erfolgt, jedoch jeweils gemäß der Gleichung L=D2/D1*(D2-D1)/C2.
- Es wurde weiterhin festgestellt, dass eine positive Auswirkung auf die NOx-Emissionen weiter verbessert werden kann, wenn die ersten und/oder zweiten Zumischluftlöcher vorzugsweise teilweise in den Brennraum vorstehen. Die Zumischluftlöcher weisen somit einen in den Brennraum vorstehenden, umlaufenden Flansch auf, sodass der Austritt der Zumischluft aus den ersten und/oder zweiten Zumischluftlöchern mit etwas Abstand von der inneren Brennkammerwand der Brennkammer erfolgt. Weiter bevorzugt variiert die Höhe des Flansches in Umfangsrichtung des Flansches.
- Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbine, insbesondere eine Fluggasturbine, mit einer Brennkammeranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
- Fig. 2
- eine schematische Teilschnittansicht einer Brennkammer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung einer Anordnung von Zumischluftlöchern an der Brennkammer entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel,
- Fig. 4
- eine schematische Teilschnittansicht der Brennkammer von
Fig. 2 , - Fig. 5
- eine schematische Teilschnittansicht einer Brennkammern gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- Fig. 6
- eine schematische Teilschnittansicht einer Brennkammer gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung einer Anordnung von Zumischluftlöchern gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- Fig. 8
- eine schematische Darstellung einer Anordnung von Zumischluftlöchern gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Figuren 1 bis 4 ein Gasturbinentriebwerk 100 und eine Brennkammeranordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. - Das Gasturbinentriebwerk 100 gemäß
Figur 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Gasturbinen, beispielsweise Fluggasturbinen, verwendet werden. - Das Gasturbinentriebwerk 100 weist in Strömungsrichtung A nacheinander einen Lufteinlass 110, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine ringförmige Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19 auf, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse X-X angeordnet sind.
- Der Mitteldruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch den Mitteldruckkompressor 13 und den Hochdruckkompressor 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 und der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
- Die drei Turbinenabschnitte der Hochdruckturbine 16, der Mitteldruckturbine 17 und der Niederdruckturbine 18 weisen ähnliche Stufen auf, die eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in einen ringförmigen Strömungskanal durch die drei Turbinenabschnitte vorstehen und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von der drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Kompressorlaufschaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse X-X.
- Die
Figuren 2 und3 zeigen im Detail die Brennkammeranordnung 1. Neben der ringförmigen Brennkammer 15 umfasst die Brennkammeranordnung 1, wie inFigur 2 gezeigt, einen Brennkammerkopf 3 mit einer Vielzahl von Kraftstoffdüsen 6. Kraftstoff wird über eine Kraftstoffleitung 2 zu den Kraftstoffdüsen 6 zugeführt. - Die ringförmige Brennkammer 15 umfasse eine Innenringwand 7 und eine Außenringwand 8. Die Innenringwand 7 ist doppelwandig ausgeführt und umfasst einen inneren Schindelträger 71 und eine innere Brennkammerschindel 72. Die Außenringwand 8 ist ebenfalls doppelwandig ausgeführt und umfasst einen äußeren Schindelträger 81 und eine äußere Brennkammerschindel 82. Es sei angemerkt, dass alternativ die Innenringwand und die Außenringwand auch einwandig ausgeführt werden können.
- Am Brennkammerkopf 3 ist ferner noch eine Kopfplatte 4 und ein Hitzeschild 5 zum thermischen Schutz des Brennkammerkopfes 3 angeordnet.
- Wie aus
Figur 2 ersichtlich ist, ist die Brennkammer 15 geneigt zur Triebwerksachse X-X angeordnet, sodass eine Mitte der Brennkammer 15 durch einen Mittelkonusmantel 9 definiert ist. - Weiterhin bezeichnet das Bezugszeichen 80 eine Brennkammeraufhängung und das Bezugszeichen 90 einen Brennkammerflansch.
- Die Brennkammeranordnung 1 umfasst ferner eine erste Zumischluftreihe Z1 mit einer Vielzahl von als Durchgangsöffnungen ausgebildeten ersten Zumischluftlöchern 10. Ferner umfasst die Brennkammeranordnung eine zweite Zumischluftreihe Z2 mit einer Vielzahl von zweiten, als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Zumischluftlöchern 11. Die ersten und zweiten Zumischluftlöcher sind jeweils in der Innenringwand 7 und der Außenringwand 8 angeordnet.
- Jedes der ersten Zumischluftlöcher 10 weist einen ersten inneren Mittelpunkt 10a auf, und jedes der zweiten Zumischluftlöcher 11 weist einen zweiten inneren Mittelpunkt 11a auf. Wie aus
Figur 3 und4 ersichtlich ist, sind alle ersten inneren Mittelpunkte 10a in einer ersten Ebene E1 angeordnet und alle zweiten inneren Mittelpunkte 11a sind in einer zweiten Ebene E2 angeordnet. - Die ersten und zweiten inneren Mittepunkte 10a, 11a liegen dabei jeweils an einer zur Brennkammer 15 gerichteten Seite der Zumischluftlöcher 10, 11. Die ersten und zweiten Zumischluftlöcher in den Brennkammerwänden sind nun derart angeordnet, dass die nachfolgende Gleichung erfüllt ist:
- Der Strömungsdurchmesser D1 und D2 des ersten Ausführungsbeispiels ist dabei derart gewählt, dass der Strömungsdurchmesser D1 der ersten Zumischluftlöcher 10 und der zweiten Zumischluftlöcher 11 kreisförmig ist. Somit sind die Strömungsdurchmesser als Kreisdurchmesser ausgebildet.
- Dabei ist ein erster Durchmesser D1 kleiner als der zweite Durchmesser D2.
- In Umfangsrichtung sind die Zumischluftlöcher 10 der ersten Zumischluftreihe Z1 gleich beabstandet und weisen einen Abstand U von jeweils zueinander benachbarten ersten inneren Mittelpunkten 10a (vgl.
Figur 3 ) auf. Die zweiten Zumischluftlöcher 11 der zweiten Zumischluftreihe Z2 weisen dabei den gleichen Abstand in Umfangsrichtung U auf. Dabei sind die ersten und zweiten inneren Mittelpunkte 10a, 11a, jeweils um den Abstand U/2 in Umfangsrichtung versetzt (vgl.Figur 3 ). - Weiterhin sind dabei erste Zumischluftlöcher 10 derart angeordnet, dass immer ein erstes Zumischluftloch 10 in Flucht in Durchströmungsrichtung A der Brennkammer auf einer Mittelachse 60 jeder Kraftstoffdüse 6 angeordnet ist (vgl.
Figur 3 ). Alternativ ist es auch möglich, dass diese Bedingung nur auf der Innenringwand oder nur auf der Außenringwand erfüllt ist. - Der mittlere Durchflusskoeffizient C der ersten und zweiten Zumischlöcher ist dabei in einem Bereich von 0,60 bis 0,75 und beträgt besonders bevorzugt 0,69. Der Durchflusskoeffizient C ist bei jedem der Zumischluftlöcher 10, 11 ungefähr gleichgroß, sodass der Durchflusskoeffizient C auch unter Berücksichtigung von Toleranzbändern immer bevorzugt mit 0,69 gewählt werden kann.
- Es sei angemerkt, dass der Strömungsdurchmesser D1, D2 nicht unbedingt ein Kreisdurchmesser sein muss, sondern beispielsweise ein Ellipsendurchmesser sein kann.
- Im ersten Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Zumischluftlöcher 10, 11 zylindrisch (vgl.
Figur 4 ). Sollten die ersten und zweiten Zumischluftlöcher nicht zylindrisch gewählt werden, sondern beispielsweise konisch oder konvex, wird als erster und zweiter Strömungsdurchmesser jeweils der kleinste Durchmesser des Zumischlochs gewählt. - Die Anzahl der ersten Zumischlöcher 10 ist gleich der Anzahl der zweiten Zumischlöcher 11. Die zweiten Zumischlöcher 11 der zweiten Zumischreihe Z2 sind in Umfangsrichtung jeweils mittig versetzt zu den Zumischluftlöchern 10 der ersten Zumischluftreihe Z1 angeordnet, was schematisch in
Figur 3 gezeigt ist. Die Anzahl der ersten und zweiten Zumischluftlöcher 10, 11 wird durch die insgesamt zur Verfügung stehende Luftmenge für die Zumischung definiert und kann durch die Summe der Teilflächen der ersten und zweiten Zumischluftlöcher multipliziert mit der Anzahl der Löcher wie folgt berechnet werden: - Für die Auslegung kann nun entweder der Abstand L zwischen den beiden Zumischluftreihen und die Fläche B mit der Lochzahl N einer Zumischluftreihe z. B. N1 der ersten Zumischluftreihe, oder die Fläche B und die Lochzahl N und einer der Durchmesser D1, D2 der ersten und zweiten Zumischluftlöcher oder das Verhältnis der Durchmesser der ersten und zweiten Zumischluftlöcher zueinander angegeben werden.
- Beispielsweise werden die Fläche B, die Anzahl N der Zumischluftlöcher der ersten (N1) oder zweiten (N2) Zumischluftreihe, welche in diesem Ausführungsbeispiel bei beiden Zumischluftreihen gleich ist, und das Verhältnis D2/D1 vorgegeben:
- Gesamtfläche B: 12.000 mm2
-
- Da der Durchflusskoeffizient mit 0,69 bekannt ist, ergibt sich für den ersten Durchmesser D1 ein Wert von 10,9 mm, für den zweiten Durchmesser D2 ein Wert von 14,1 mm und für die Länge L ein Wert von 8,74 mm.
- Somit kann erfindungsgemäß sichergestellt werden, dass eine ausreichende Zumischluftmenge in die Brennkammer 15 zugeführt werden kann, sodass die Bildung von unerwünschten NOx-Emissionen signifikant reduziert werden kann. Durch die entlang des Umfangs gleichmäßige Verteilung der ersten und zweiten Zumischluftlöcher 10, 11 kann somit vermieden werden, dass bei der Verbrennung brennstoffreiche Bereiche und Bereiche hoher Verbrennungstemperaturen in der Brennkammer 15 übrig bleiben. Die geschickte Anordnung der Zumischluftlöcher ermöglicht somit, dass eine gleichmäßige Abmagerung in der Brennkammer 15 erreicht wird.
- Wie aus
Figur 2 ersichtlich ist, sind erste Mittelachsen M1 der ersten Zumischluftlöcher 10 derart angeordnet, dass diese in der Ebene E1 liegen. Ferner liegen die Mittelachsen M2 der zweiten Zumischluftlöcher 11 in der zweiten Ebene E2. Da der Abstand L jeweils an den inneren Mittelpunkten 10a, 11a der ersten und zweiten Zumischluftlöcher 10, 11 bestimmt wird, ist es auch möglich, den Abstand L zu bestimmen, wenn die Mittelachsen M1, M2 der Zumischluftlöcher 10, 11 geneigt zum Mittelkonusmantel 9 sind. Im ersten Ausführungsbeispiel schneiden die ersten Mittelachsen M1 und die zweiten Mittelachsen M2 den Mittelkonusmantel 9 der Brennkammer 15 jeweils senkrecht. - Somit wird erfindungsgemäß eine Verbindung zwischen den Strömungsdurchmessern D1, D2 der ersten und zweiten Zumischluftlöcher 10, 11 und dem Abstand L in Durchströmungsrichtung A der Brennkammer 15 hergestellt, um eine Optimierung der Reduzierung von NOx-Emissionen zu erreichen.
-
Figur 5 zeigt eine Brennkammeranordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie ausFigur 5 ersichtlich ist, weist die Brennkammer 15 des zweiten Ausführungsbeispiels eine tonnenförmige Ringform auf. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Zuströmrichtungen der Zumischluft der ersten Zumischluftreihe Z1 und der zweiten Zumischluftreihe Z2 in die Brennkammer 15. Wie ausFigur 5 ersichtlich ist, sind die ersten Zumischluftlöcher 10 derart angeordnet, dass diese senkrecht zu einer ersten Tangente T1 der Brennkammeraußenwand 8 angeordnet ist. Die zweiten Zumischlöcher 11 sind senkrecht zu einer zweiten Tangente T2 an der Brennkammeraußenwand 8 angeordnet. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Neigungen der ersten und zweiten Zumischluftlöcher, wodurch eine unterschiedliche Vermischung mit Zumischluft in der Brennkammer 15 erhalten wird. Weiterhin sind beim zweiten Ausführungsbeispiel die ersten und zweiten Zumischluftlöcher derart ausgebildet, dass diese teilweise in das Innere der Brennkammer 15 vorstehen. Hierbei weist das erste Zumischluftloch 10 einen inneren Flansch 10b auf, welcher in die Brennkammer 15 vorsteht. Das zweite Zumischloch 11 weist einen inneren Flansch 11 b auf, welcher in die Brennkammer 15 vorsteht. Dadurch wird der Durchstoßpunkt der Mittellinien M1 und M2 der ersten und zweiten Zumischluftlöcher 10, 11, und somit die inneren Mittelpunkte 10a, 11a, weiter nach innen in die Brennkammer 15 versetzt, wodurch sich eine unterschiedliche Länge L als Abstand in Durchströmungsrichtung A zwischen der ersten und zweiten Zumischluftreihe Z1, Z2 ergibt. -
Figur 6 zeigt eine Brennkammeranordnung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied dazu die zweiten Zumischluftlöcher 11 geneigt zu einer zweiten Tangente T2 an der Brennkammeraußenwand 8 angeordnet sind. Dadurch verschiebt sich der Durchstoßpunkt am Austritt der zweiten Zumischluftlöcher 11, sodass der zweite innere Mittelpunkt 11a näher an der ersten Zumischluftreihe Z1 angeordnet ist. Dadurch verkürzt sich der Abstand L. Ferner sind die ersten und zweiten Zumischluftlöcher 10, 11 wieder derart ausgebildet, dass diese teilweise in die Brennkammer 15 vorstehen. Der Flansch 11 b der zweiten Zumischlöcher 11 ragt dabei weiter in die Brennkammer als der Flansch 10b der ersten Zumischluftlöcher 10. -
Figur 7 zeigt schematisch eine Brennkammeranordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind beim vierten Ausführungsbeispiel die Strömungsdurchmesser der ersten und zweiten Zumischluftlöcher 10, 11 nicht mehr als Kreisdurchmesser vorgesehen, sondern als Ellipsendurchmesser. Hierbei ist eine Ellipsenfläche der zweiten Zumischluftlöcher 11 größer als die der ersten Zumischluftlöcher 10. Der Strömungsdurchmesser D1 und D2 der ersten und zweiten Zumischluftlöcher 10, 11 wird bei einer Ellipsenform dabei wie folgt berechnet: -
- Wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind beim vierten Ausführungsbeispiel die zweiten Zumischluftlöcher 11 der zweiten Zumischluftreihe Z2 in Umfangsrichtung mittig versetzt zu den Zumischluftlöchern 10 der ersten Zumischluftreihe Z1. Die inneren ersten und zweiten Mittelpunkte 10a und 11a liegen wiederum in einer ersten Ebene E1 bzw. einer zweiten Ebene E2. Jedes zweite erste Zumischloch 10 der ersten Zumischlochreihe Z1 liegt dabei wieder fluchtend mit der Mittelachse 60 der Kraftstoffdüsen 6. Somit ist jeder Kraftstoffdüse 6 in Axialrichtung genau ein erstes Zumischluftloch 10 zugeordnet.
-
Fig. 8 zeigt schematisch eine Brennkammeranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum vierten Ausführungsbeispiel sind beim fünften Ausführungsbeispiel die ersten Zumischluftlöcher 10 kreisförmig vorgesehen und die zweiten Zumischluftlöcher 11 ellipsenförmig ausgebildet. Die Kreisdurchmesser und die Ellipsendurchmesser sind dabei entlang der jeweiligen Zumischluftreihen Z1, Z2 bei jedem Zumischluftloch gleich groß. Die längere Halbachse der Ellipsen ist dabei in Durchströmungsrichtung A ausgerichtet. Es sei ferner angemerkt, dass auch die erste Zumischluftreihe Z1 ellipsenförmige Zumischluftlöcher aufweisen kann und die zweite Zumischluftreihe Z2 kreisförmige Zumischluftlöcher aufweisen kann. - Zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass auch beliebige Kombinationen zwischen Kreisdurchmessern und Ellipsendurchmessern möglich sind. Auch kann die längere Halbachse der Ellipsen senkrecht zur Durchströmungsrichtung A angeordnet sein. Alternativ sind Kreisdurchmesser und Ellipsendurchmesser in wenigstens einer Zumischluftreihe abwechselnd angeordnet, oder in beiden Zumischluftreihen Z1, Z2 sind Zumischluftlöcher abwechselnd mit Kreisdurchmesser und Ellipsendurchmesser ausgebildet, welche auch in Umfangsrichtung versetzt sein können.
-
- 1
- Brennkammeranordnung
- 2
- Kraftstoffleitung
- 3
- Brennkammerkopf
- 4
- Kopfplatte
- 5
- Hitzeschild
- 6
- Kraftstoffdüse
- 7
- Doppelwandige Innenringwand
- 8
- Doppelwandige Außenringwand
- 9
- Mittelkonusmantel
- 10
- erste Zumischluftlöcher
- 10a
- erste innere Mittelpunkte
- 10b
- Flansch
- 10c
- erste äußere Mittelpunkte
- 11
- zweite Zumischluftlöcher
- 11a
- zweite innere Mittelpunkte
- 11b
- Flansch
- 11c
- zweite äußere Mittelpunkte
- 12
- im Gehäuse umlaufender Fan
- 13
- Mitteldruckkompressor
- 14
- Hochdruckkompressor
- 15
- Brennkammer
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Mitteldruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln
- 21
- Triebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenschaufeln
- 26
- Kompressortrommel oder-scheibe
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Auslasskonus
- 60
- Mittelachse der Kraftstoffdüse
- 71
- innerer Schindelträger
- 72
- innere Brennkammerschindel
- 80
- Brennkammeraufhängung
- 81
- äußerer Schindelträger
- 82
- äußere Brennkammerschindel
- 90
- Brennkammerflansch
- 100
- Gasturbinentriebwerk
- 110
- Lufteinlass
- A
- Durchströmungsrichtung
- B
- Fläche aller Zumischlöcher
- C
- mittlerer Durchflusskoeffizient
- D1
- erster Strömungsdurchmesser
- D2
- zweiter Strömungsdurchmesser
- E1
- erste Ebene
- E2
- zweite Ebene
- L
- Abstand der inneren Mittelpunkte
- M1
- erste Mittelachse
- M2
- zweite Mittelachse
- N
- Anzahl der Zumischlöcher einer Zumischluftreihe
- N1
- Anzahl der Zumischlöcher der ersten Zumischluftreihe Z1
- N2
- Anzahl der Zumischlöcher der zweiten Zumischluftreihe Z2
- T1
- erste Tangente
- T2
- zweite Tangente
- X-X
- Triebwerksachse
- Z1
- erste Zumischluftreihe
- Z2
- zweite Zumischluftreihe
Claims (14)
- Brennkammeranordnung einer Gasturbine, umfassend- eine ringförmige Brennkammer (15) mit einer Innenringwand (7) und einer Außenringwand (8),- einen Brennkammerkopf (3) mit einer Vielzahl von Kraftstoffdüsen (6),- eine erste Zumischluftreihe (Z1) mit einer Vielzahl von als Durchgangsöffnungen ausgebildeten ersten Zumischluftlöchern (10), welche in der Innenringwand (7) und/oder der Außenringwand (8) angeordnet sind,- eine zweite Zumischluftreihe (Z2) mit einer Vielzahl von als Durchgangsöffnungen ausgebildeten zweiten Zumischluftlöchern (11), welche in der Innenringwand (7) und/oder der Außenringwand (8) angeordnet sind,- wobei die ersten Zumischluftlöcher (10) erste innere Mittelpunkte (10a) und erste äußere Mittelpunkte (10c) aufweisen und die zweiten Zumischluftlöcher (11) zweite innere Mittelpunkte (11a) und zweite äußere Mittelpunkte (11c) aufweisen, wobei die ersten und zweiten inneren Mittelpunkte (10a, 11a) jeweils an einer zur Brennkammer (15) gerichteten Seite der ersten und zweiten Zumischluftlöcher (10, 11) liegen, und die ersten und zweiten äußeren Mittelpunkte (10c, 11 c) an einer von der Brennkammer (15) abgewandten Seite der ersten und zweiten Zumischluftlöcher (10, 11) liegen.- wobei L ein Abstand zwischen den ersten und zweiten inneren Mittelpunkten (10a, 11a) und/oder den ersten und zweiten äußeren Mittelpunkten (10c, 11c) der ersten und/oder zweiten Zumischluftlöcher (10, 11) ist,- wobei D1 ein erster Strömungsdurchmesser der ersten Zumischluftlöcher (10) an einer Eintrittsseite und/oder einer Austrittsseite zur Brennkammer (15) ist und D2 ein zweiter Strömungsdurchmesser der zweiten Zumischluftlöcher (11) an der Eintrittsseite und/oder der Austrittsseite zur Brennkammer (15) ist,- wobei der zweite Strömungsdurchmesser D2 größer als der erste Strömungsdurchmesser D1 ist, und- wobei C ein Maß für einen mittleren Durchflusskoeffizienten der ersten und zweiten Zumischlöcher (10, 11) ist.
- Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, wobei der erste Strömungsdurchmesser D1 ein erster Kreisdurchmesser der ersten Zumischluftlöcher (10) ist oder wobei der erste Strömungsdurchmesser D1 ein erster Ellipsendurchmesser der ersten Zumischluftlöcher (10) entsprechend der Gleichung D1=4*(a1*b1)/(a1+b1) ist, wobei a1 und b1 die Halbachsen der Ellipse sind, und/oder
wobei der zweite Strömungsdurchmesser D2 ein zweiter Kreisdurchmesser der zweiten Zumischluftlöcher (11) ist oder der zweite Strömungsdurchmesser D2 ein zweiter Ellipsendurchmesser der zweiten Zumischluftlöcher (11) gemäß der Formel D2=4*(a2*b2)/(a2+b2) ist, wobei a2 und b2 die Halbachsen der Ellipse sind. - Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mittlere Durchflusskoeffizient C in einem Bereich von 0,60 bis 0,75 liegt und insbesondere 0,69 ist.
- Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Anspruche, wobei der erste Strömungsdurchmesser D1 und/oder der zweite Strömungsdurchmesser D2 der ersten und zweiten Zumischluftlöcher (10, 11) in Durchströmungsrichtung durch die Zumischluftlöcher konstant ist und/oder wobei jeder Kraftstoffdüse (6) in Axialrichtung ein erstes Zumischloch (10) zugeordnet ist.
- Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Außenringwand (8) und/oder an der Innenringwand (7) die Anzahl der ersten Zumischluftlöcher (10) gleich der Anzahl der zweiten Zumischluftlöcher (11) ist.
- Brennkammeranordnung nach Anspruch 5, wobei an der Außenringwand (8) und/oder an der Innenringwand (7) die zweiten Zumischluftlöcher (11) in Umfangsrichtung versetzt zu den ersten Zumischluftlöchern (10) sind, insbesondere mittig in Umfangsrichtung versetzt sind.
- Brennkammeranordnung nach Anspruch 5, wobei die ersten Zumischluftlöcher (10) in der Außenringwand (8) in Durchströmungsrichtung A der Brennkammer jeweils auf einer Mittelachse (60) einer Kraftstoffdüse (6) angeordnet sind und wobei die ersten Zumischluftlöcher (10) in der Innenringwand (7) in Umfangsrichtung um einen Winkel α = 360°/(2*N1) versetzt sind, wobei N1 die Anzahl der Zumischluftlöcher der ersten Zumischluftreihe ist.
- Brennkammeranordnung nach Anspruch 5, wobei die ersten Zumischluftlöcher (10) in der Innenringwand (7) in Durchströmungsrichtung A der Brennkammer jeweils auf einer Mittelachse (60) einer Kraftstoffdüse (6) angeordnet sind und wobei die ersten Zumischluftlöcher (10) in der Außenringwand (8) in Umfangsrichtung um einen Winkel α = 360°/(2*N1) versetzt sind, wobei N1 die Anzahl der Zumischluftlöcher der ersten Zumischluftreihe ist.
- Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Zumischluftlöcher (10) erste Mittelachsen (M1) aufweisen, die in einer ersten Ebene (E1) liegen und wobei die zweiten Zumischluftlöcher (11) zweite Mittelachsen (M2) aufweisen, die in einer zweiten Ebene (E2) liegen, wobei insbesondere die Ebenen (E1, E2) zueinander parallel sind.
- Brennkammeranordnung nach Anspruch 9, wobei die ersten und/oder zweiten Mittelachsen (M1, M2) senkrecht zu einer Tangente an der Innenringwand (7) und/oder senkrecht zu einer Tangente an der Außenringwand (8) der Brennkammer (15) sind.
- Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Brennkammer (15) eine tonnenförmige Form aufweist und/oder wobei die ersten und/oder zweiten Zumischluftlöcher (10, 11) eine Mittelachse (M1, M2) aufweisen, welche in einem Winkel ungleich 90° zu einer Tangente an der Außenringwand (8) der Brennkammer (15) angeordnet sind.
- Brennkammeranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten Zumischluftlöcher (10) in der Außenringwand (8) jeweils koaxial zu den ersten Zumischluftlöchern (10) in der Innenringwand (7) sind und/oder wobei die zweiten Zumischluftlöcher (11) in der Außenringwand (8) jeweils koaxial zu den zweiten Zumischluftlöchern (11) in der Innenringwand (7) sind.
- Brennkammeranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzahl von ersten Zumischluftlöchern (10) einer doppelten Anzahl von Kraftstoffdüsen (6) entspricht.
- Gasturbine, umfassend eine Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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