EP4321804A1 - Brennkammeranordnung zum betrieb mit flüssigem und/oder gasförmigem kraftstoff, gasturbinenanordnung und verfahren - Google Patents

Brennkammeranordnung zum betrieb mit flüssigem und/oder gasförmigem kraftstoff, gasturbinenanordnung und verfahren Download PDF

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EP4321804A1
EP4321804A1 EP23190015.0A EP23190015A EP4321804A1 EP 4321804 A1 EP4321804 A1 EP 4321804A1 EP 23190015 A EP23190015 A EP 23190015A EP 4321804 A1 EP4321804 A1 EP 4321804A1
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
arrangement
openings
gas supply
wall
Prior art date
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Pending
Application number
EP23190015.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Clemen
Thomas Dörr
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber arrangement, in particular for use in an engine of an aircraft, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a gas turbine arrangement and a method for operating the combustion chamber arrangement.
  • liquid and/or gaseous fuels can be introduced into the combustion chamber alternatively to one another or at the same time as combustion.
  • a known combustion chamber arrangement for operation with liquid and/or gaseous fuel is, for example, shown in US 2016 201 897 A1 out.
  • a nozzle device is present, by means of which liquid and/or gaseous fuel can be introduced into the combustion chamber.
  • the present invention is based on the object of providing a combustion chamber arrangement, a gas turbine arrangement and a method of the type mentioned at the outset, with alternative and/or combined optimized operation using fuels of different physical states being possible with comparatively little design effort.
  • the combustion chamber arrangement is designed to operate with liquid and/or gaseous fuel, with at least one, preferably a plurality of gas supply opening/s arranged downstream of the fuel nozzle/s on the wall, by means of which gaseous fuel can be introduced into the combustion chamber.
  • the gaseous fuel is preferably not added from the inlet end face on which the fuel nozzle is arranged, in particular not by means of the fuel nozzle arranged on the inlet side.
  • the fuel nozzle is designed for low complexity, e.g. B. not designed to operate with gaseous fuel.
  • the axial position of the gas supply openings is preferably designed such that, during operation, the gaseous fuel is added to one or downstream of a first combustion zone, with (at least partial) combustion of the liquid fuel.
  • the gaseous fuel is in particular hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas and/or another fuel gas, for example methane or a methane-containing fuel gas.
  • the liquid fuel is in particular a kerosene-based or kerosene-related fuel (e.g. Jet-A1, diesel or a synthetic substitute fuel (SAF - "sustainable aviation fuel”)).
  • a kerosene-based or kerosene-related fuel e.g. Jet-A1, diesel or a synthetic substitute fuel (SAF - "sustainable aviation fuel”).
  • the conversion can z. B. be single-walled and / or double-walled, in particular with a gap formed in between.
  • the gas supply openings are arranged in particular upstream of the outlet.
  • the introduction of the gaseous fuel downstream of the fuel nozzle allows the use of an inlet-side fuel nozzle that is only designed for operation with liquid fuel. In this way, the complexity of the fuel nozzle and the combustion chamber arrangement can be kept comparatively low, even when designed to operate with additional gaseous fuel. In addition, there can be advantages in operation, with the combustion in the first combustion zone being optimized with regard to the liquid fuel in relevant operating areas.
  • the combustion chamber arrangement comprises at least one, preferably a plurality, of admixing openings arranged downstream of the fuel nozzle/s in the wall for adding admixture air into the combustion chamber, and if the Gas supply opening/s is present, in the presence of several gas supply openings in each case, of a gas nozzle, which are arranged (radially) within the admixing opening/s (ie surrounded by the flow cross section of the admixing opening), with at least one (preferably exactly one) gas nozzle having an admixing opening forms an air/gas supply arrangement.
  • a gas supply opening is arranged at the downstream end of one gas nozzle.
  • the gas supply openings can have any shape in the flow cross section, for example circular, elliptical, slot-shaped or polygonal.
  • the shape of the flow cross section preferably corresponds (possibly congruent) to the shape of the flow cross section of the admixing opening with which the respective air/gas supply arrangement is formed.
  • the gas nozzles can have one, particularly in a downstream section have a constant flow cross section.
  • the gas nozzles can in particular be attached to the wall within the admixing opening by means of one or more fastening means (e.g. struts).
  • the mixing openings can have any shape with regard to their respective flow cross sections, e.g. B. circular, elliptical, slot-shaped and / or polygonal.
  • the mixing openings can each be designed as openings in the wall, with their running lengths corresponding to the thickness of the wall, and/or protruding beyond the wall (into the combustion chamber and/or into an air space surrounding the combustion chamber), being designed in the manner of air channels are.
  • At least one outlet is arranged at the downstream end of the mixing openings.
  • an inlet area and the outlet area of the mixing openings (and/or the gas supply openings) can be flow-efficient, e.g. B. rounded to minimize backflow areas.
  • the mixing openings are arranged equidistant from one another in particular in the circumferential direction, with the number of mixing openings being e.g. B. corresponds to the number of fuel nozzles on the input side.
  • the gaseous fuel is injected with the mixed air, ie into a flow with a comparatively high speed.
  • the combustion process of the gaseous fuel can be shifted more or less far into the combustion chamber, with the admixture air z. B. can serve as combustion air and / or jacket air or the like.
  • the thermal load on the wall and/or the gas supply nozzle(s) can be advantageously reduced.
  • the gas nozzle/s is/are arranged centrally within the respective mixing opening (forming the respective air/gas supply arrangement).
  • the gaseous fuel is advantageously introduced into a region of comparatively high flow velocities, so that the reaction zone can be displaced away from the gas supply opening.
  • the arrangement of the gas nozzle to the admixing opening can in particular be designed coaxially, with their central longitudinal axes lying on top of each other. The central longitudinal axes can be aligned perpendicular to the wall (at a 90° angle), or at an angle, whereby the angle to the wall is less than 90°.
  • a more defined outflow of the gaseous fuel can advantageously be achieved if in the respective admixing opening (the corresponding air/gas supply arrangement) around the gas nozzle/s, at least in sections, there is a ((ring) gap-like) circumferential air channel to form one around the gas nozzle /n circulating air flow is arranged.
  • the air duct preferably has a smaller flow cross section than the mixing opening.
  • the air duct can, for example, end flush with the gas supply opening or upstream of the same.
  • the air duct is preferably arranged coaxially with the gas nozzle and/or the admixing opening and/or has a constant duct height (e.g. gap thickness).
  • a plurality of admixing openings are preferably arranged in at least one row of openings, with z admixing openings being present per row of openings are arranged at a uniform axial position and preferably equidistant from one another in the circumferential direction of the wall. If there are several rows of openings, their mixing openings can be arranged offset from one another in the circumferential direction.
  • An even distribution of the gas nozzles per row of openings is achieved, with an equidistant arrangement of the gas nozzles in the direction of rotation, which promotes symmetrical combustion.
  • the arrangement of the gas nozzles can be different for each row of openings.
  • Advantages for operation arise if there are several rows of openings offset in the axial direction of the combustion chamber (or combustion chamber), with at least one air/gas supply arrangement being arranged in at least the row of openings arranged furthest downstream.
  • gas supply opening/s are designed flush with the wall with respect to the combustion chamber and/or opposite the wall and/or the respective mixing opening (with which they form the air/gas supply arrangement). combustion chamber are placed in it. Combinations with flush and recessed mixing openings are also possible.
  • Advantageous design options for optimized operation arise if there is at least one admixing opening in an air/gas supply arrangement which has a first flow cross section A1, and if there is at least one admixing opening without an air/gas supply arrangement which has a second flow cross section A2, wherein the size of the first flow cross section A1 corresponds to the size of the second flow cross section A2.
  • this is achieved by a correspondingly larger outer diameter of the mixing opening within the air/gas supply arrangement.
  • the size of the first flow cross section A1 can be larger than the size of the second flow cross section A2. In the case of, for example, circular or annular flow cross sections, this is achieved by a correspondingly significantly larger outer diameter of the mixing opening within the air/gas supply arrangement.
  • the outline of the first flow cross section A1 can correspond to the outline of the second flow cross section A2 (in size and/or shape). This results in a smaller first flow cross section A1 compared to the second flow cross section A2.
  • gas supply opening has a diameter of approximately 1/2 to 1/6 of the diameter of the outlet of the admixing opening (or a corresponding ratio of the flow cross sections (after conversion to the flow cross sections) in the case of non-circular flow cross sections).
  • the invention can advantageously be used in an annular combustion chamber, the combustion chamber being designed in a ring shape circumferentially around a central axis, the wall having a radially inner wall and a radially outer wall.
  • gas supply opening/s in particular the gas nozzle/s
  • gas nozzle/s is/are arranged on the radially inner wall and/or on the radially outer wall, in particular as air/gas supply arrangements.
  • an axial distance of the gas supply opening(s) and/or possibly the mixing opening(s) from the fuel nozzle(s) on the inlet side can be between 0.2 and 1.5, preferably between 0.3 and 1.0, times one Height H of the combustion chamber.
  • the height H corresponds to the radial distance between the insides of the outer and inner walls of the enclosure.
  • H corresponds to the diameter of the combustion chamber. The axial distance is measured from the central axis of the respective gas supply opening or mixing opening to the end face and/or the downstream end of the inlet-side fuel nozzle.
  • the distance relates in particular to the row of openings located furthest upstream and/or to the second row of openings arranged further downstream.
  • Any rows of openings arranged further downstream can, for example, be at a distance between 1 to 3 times one (with respect to the longitudinal axis).
  • axial extent of the admixing opening (s) e.g. a diameter
  • to the row of openings located upstream with respect to the upstream edges of the admixing openings).
  • Advantageous cooling options for the combustion chamber arrangement arise if the wall is double-walled, with an inner wall on the combustion chamber side and an outer wall on the outside.
  • a segmented gas collecting line for supplying gas to the gas supply opening(s), with each segment being assigned a separate fuel connection.
  • individual groups of gas nozzles can be controlled separately.
  • the collecting line can be designed and arranged in an optimized manner, for example in an annular shape, as a ring line, at at least substantially axial position of the gas nozzles or upstream or downstream of the same.
  • the combustion operation is set so that the combustion of the liquid fuel added by means of the fuel nozzle(s) is maintained at least essentially in an optimal operating state with regard to the emission behavior of the combustion chamber arrangement, that is, at an air-fuel ratio which has a minimum Emissions of soot, carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (UHC), nitrogen oxides (NO x ) and carbon dioxide (CO 2 ) are guaranteed.
  • the supply of gaseous fuel is also varied in such a way that the total air-fuel ratio required for the respective operating state (from idling to take-off to cruise flight) is set.
  • the positioning of the gas supply openings arranged downstream of the fuel nozzles is particularly advantageous, as this initially allows the liquid fuel to flow into the first combustion zone can be burned at least partially without direct influences of the gaseous fuel.
  • Fig. 1A shows a schematic representation in longitudinal section of a combustion chamber arrangement 1 for use in an engine of an aircraft, as is known from the prior art.
  • Fig. 1A is partly schematically an inner housing 4 and an outer housing 3 of an engine combustion chamber of an aircraft are indicated.
  • the combustion chamber arrangement 1 comprises a combustion chamber 100 designed as an annular combustion chamber with a combustion chamber 101 which is arranged in a ring shape around a central axis M and which is axially aligned along a longitudinal axis L.
  • the combustion chamber 101 is delimited by a wall 5 of the combustion chamber arrangement 1 comprising a radially inner flame tube wall 5a and a radially outer flame tube wall 5b.
  • the wall 5 is, for example, double-walled, with an inner wall 70 on the combustion chamber side and an outer wall 50 on the outside.
  • the wall 5, for example, initially has a constant height H in its axial course, starting from an end face 2, the radially inner flame tube wall 5a and the radially outer flame tube wall 5b run parallel to one another.
  • a turbine feed wheel 6 of a turbine arrangement (not fully shown here) is connected downstream of the outlet 24.
  • a fuel nozzle 200 is shown schematically in the longitudinal section shown.
  • a mixture 11 of liquid fuel and air 9 is added to the combustion chamber 101 during operation by means of the fuel nozzle 200.
  • the liquid fuel is in particular a kerosene-based or kerosene-related fuel (e.g. Jet-A1, diesel or a synthetic substitute fuel (SAF - "sustainable aviation fuel”)).
  • a kerosene-based or kerosene-related fuel e.g. Jet-A1, diesel or a synthetic substitute fuel (SAF - "sustainable aviation fuel”).
  • admixing openings 8 for adding admixing air 12 into the combustion chamber 101 during operation are arranged downstream of the end face 2 and/or the downstream end of the fuel nozzle 200, which is branched off during operation from air 11 which surrounds the combustion chamber arrangement 1.
  • the admixing openings 8 are here, for example, arranged in a circumferential row of openings 13.
  • the mixing openings 8 of a row of openings 13 are located at a uniform axial position and are preferably arranged equidistant from one another in the circumferential direction, surrounding the combustion chamber arrangement 10.
  • the admixing openings 8 are arranged or formed in the radially inner flame tube wall 5a and in the radially outer flame tube wall 5b.
  • the mixing openings 8 in the radially inner flame tube wall 5a and the radially outer flame tube wall 5b are, for example, arranged at the same axial position with respect to the longitudinal axis L.
  • the mixing openings 8 each have an outlet 80 at the downstream end, which can be designed flush with the wall 5 with respect to the combustion chamber 101, as in the case in Fig. 1A shown example with respect to the radially inner admixing openings 8.
  • the mixing openings 8 can protrude into the combustion chamber 101, comprising a collar as an air duct, with the outlets 80 being offset radially into the combustion chamber 101.
  • the admixing opening 8 is designed as an air duct guided through the outer wall 50 and the inner wall 70 in order to counteract an outflow of the admixed air 12 through the air gap between the outer wall 50 and the inner wall 70.
  • Figures 2A and 2B show a combustion chamber arrangement 1 according to the prior art in a double-row variant, comprising two axially offset rows of openings 13.
  • the mixing openings 8 are arranged equidistant from one another and at the same axial position.
  • the rows of openings 13 are arranged offset from one another in the circumferential direction with an offset arrangement of the mixing openings 8.
  • admixture air 14 is added into the combustion chamber 101 through the row of openings 13 arranged further downstream.
  • the flow cross sections of the mixing openings 8 and/or radial positions of the outlets 80 can be different, for example depending on the row of openings 13.
  • Figures 3A, 3B and 3C show a further development of the combustion chamber arrangement 1 according to the invention, whereby the combustion chamber arrangement 1 is designed for operation with gaseous fuel.
  • the gaseous fuel can in particular be added to the combustion chamber 101 at the same time as, or alternatively to, the liquid fuel.
  • the fuel nozzles 200 are not designed to operate with a gaseous fuel.
  • the gaseous fuel (hereinafter also referred to as gas 16) is in particular hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas and/or another fuel gas, for example methane or a methane-containing fuel gas.
  • a plurality of gas nozzles 15 are preferably present, which are arranged downstream of the fuel nozzle 200 in the row of openings 13 in the wall 5.
  • a gas nozzle 15 is shown in the in Fig. 3A in the schematic longitudinal section of the combustion chamber arrangement 1 shown.
  • Gas supply openings 150 are present on the gas nozzles 15 at their downstream ends.
  • a row of openings 13 is present as an example.
  • the gas nozzles 15 are each arranged within one of the admixing openings 8, with each gas nozzle 15 forming an air/gas supply arrangement 25 with an admixing opening 8.
  • the gas nozzles 15 for symmetrical injection are advantageously each arranged centrally within the respective admixing opening 8, the flow cross section of the admixing opening 8 radially surrounding the gas supply opening 150.
  • the gas nozzle 15 can be arranged perpendicular to the wall 5, for an addition of the fuel gas at right angles to the main flow direction within the combustion chamber 100. An arrangement with an adjusted angle is also possible, so that an angle between the wall 5 and a central longitudinal axis of the gas nozzle 15 is less than 90°.
  • the admixing openings 8 are preferably aligned at the same angle as the gas nozzle 15.
  • the gas 16 is introduced into an air flow at high speed during operation.
  • the reaction zone of the gaseous fuel within the combustion chamber 101 can advantageously be displaced further into the combustion chamber 101 from the gas nozzle 15 or the wall 5. In this way, the thermal load on the gas nozzle 15 and/or the wall 5 is reduced.
  • Fig. 3A shows, in the exemplary embodiment shown, the gas nozzles 15 protrude into the combustion chamber 101.
  • the gas supply opening 150 is, for example, flush with the downstream end of the mixing opening 8.
  • the flow cross section of the gas nozzles 15 can be circular and/or in another shape, for example polygonal, elliptical or the like.
  • Fig. 3B shows a schematic plan view of the combustion chamber arrangement 1, an exemplary embodiment in which each of the mixing openings 8 is assigned a gas nozzle 15 to form an air/gas supply arrangement 25.
  • Fig. 3C shows a schematic plan view of the combustion chamber arrangement 1, an exemplary embodiment in which a gas nozzle 15 is assigned to every second one of the feed openings 8 to form an air/gas supply arrangement 25. Admixing air 12 is supplied via the other admixing openings 8 without the addition of gas 16.
  • an axial distance a of the gas nozzles 15 and / or the admixing openings 8 (with respect to the respective central axis) from the inlet-side fuel nozzle 200 and / or the end face 2 is, for example, between 0.65 and 0.85 of the height H of the combustion chamber 101.
  • the gas nozzles 15 are supplied with the gaseous fuel in particular by means of a collecting line designed as a ring line 17, which is fed with fuel by means of a fuel connection 18.
  • the ring line 17 can, as in Figures 3A, 3B and 3C shown, be arranged axially at least near the gas nozzles 15. A different design and/or arrangement of the collecting line would also be possible, for example further upstream or downstream of the gas nozzles 15.
  • a supply by means of a segmented collecting line can also be advantageous, as for example in the sectional view along the section line A in Fig. 4 shown schematically.
  • Each segment 17.1, 17.2 of the manifold, in particular the ring line 17, is assigned a fuel connection 18, 18.1. This enables separate control or regulation of individual groups of gas nozzles 15 arranged on the respective segment 17.1, 17.2 of the manifold.
  • Fig. 4 the ring-like design of the combustion chamber arrangement 1 can be seen.
  • air/gas supply arrangements 25 which are formed, for example, on the radially outer mixing openings 8.
  • fuel nozzles 200 and 12 mixing openings 8 without an associated gas nozzle 15, which in the present case are arranged, for example, on the radial inside of the combustion chamber 100.
  • Fig. 5 shows an embodiment variant with two rows of openings 13.
  • the row of openings 13 arranged upstream is at an axial distance a of approximately 0.65 to 0.85 of the height H of the combustion chamber ( Fig. 3A ) spaced from the fuel nozzle 200.
  • the row of openings 13 arranged further downstream is z. B. between 1 time and 3 times the diameter of the mixing opening 8 (with respect to the upstream edge) axially spaced.
  • gas 20 is added into the combustion chamber through gas nozzles 19.
  • the gas nozzles 15 and the gas nozzles 19 are connected to the ring line 17, for example.
  • the gas nozzles 15 and the gas nozzles 19 can protrude to different extents into the combustion chamber 101.
  • the air/gas supply arrangement 25 of the row of openings 13 arranged upstream of the combustion chamber 100 protrudes into the combustion chamber 101, while the row of openings 13 arranged downstream are designed flush with the wall 5.
  • the downstream ends of the admixing openings 8 and the gas supply openings 150, 190 are each designed to be flush with one another.
  • Figures 6A to 6F show exemplary arrangements of the gas nozzles 15, 19 with respect to the admixing openings 8 in the training variant with two rows of openings 13.
  • n per row of openings 13, as already in Figures 3B and 3C shown, in each or every nth admixing opening 8 (with n equal to 2 to "number of admixing openings"), for example in every first or second.
  • air-gas supply arrangements 25 are preferably present at least in the row of openings 13 arranged furthest downstream.
  • Fig. 6A shows a training variant, wherein the air/gas supply arrangements 25 are arranged in the row of openings 13 arranged further upstream, in every second mixing opening 8.
  • Fig. 6B shows a training variant, wherein the air/gas supply arrangements 25 are arranged in the row of openings 13 arranged further upstream, in each mixing opening 8.
  • Fig. 6C shows a training variant, wherein the air/gas supply arrangements 25 are arranged in the row of openings 13 arranged further downstream, in each mixing opening 8.
  • Fig. 6D shows a training variant, wherein the air/gas supply arrangements 25 are arranged in the row of openings 13 arranged further downstream, in every second mixing opening 8.
  • Fig. 6E shows a training variant, whereby the air/gas supply arrangements 25 are arranged in both existing rows of openings 13, in each mixing opening 8.
  • Fig. 6F shows a training variant, wherein the air/gas supply arrangements 25 are arranged in both existing rows of openings 13, in every second mixing opening 8.
  • FIG. 7A to 7F show exemplary arrangements of the admixing opening 8 and/or the gas supply opening 150, 190 in their radial positioning relative to the wall 5.
  • the wall 5 is, for example, double-walled, with the inner wall 70 and the outer wall 50.
  • the wall 5 is designed to be single-walled, for example.
  • Both the respective outlet 80 of the admixing opening 8 and the respective gas supply opening 150, 190 are designed flush with the wall 5 and correspondingly also flush with one another.
  • the outlet 80 of the admixing opening 8 is designed flush with the wall 5, while the gas supply opening 150, 190 is offset into the combustion chamber 101, ie protrudes into the combustion chamber 101.
  • the outlets 80 are each offset radially into the combustion chamber 101, in that the mixing openings 8 are designed as an air duct by means of a collar.
  • the gas supply opening 150, 190 is designed flush with the admixing opening 8, and thus also offset into the combustion chamber 101.
  • the gas supply opening 150, 190 is offset further into the combustion chamber 101 than the outlet 80 of the mixing opening 8.
  • admixing openings 8 Due to the different radial arrangements of the admixing openings 8 (with their outlets 80) and/or the gas supply opening 150, 190, different effects can be achieved with regard to mixing, in particular with the admixing air 12, 14 and/or the main flow within the combustion chamber 101.
  • one or another training variant or combinations thereof may be advantageous.
  • An advantageous design variant can be determined, for example, in test bench operation.
  • FIGS. 8A and 8B each show a variant of an air/gas supply arrangement 25, with a radially circumferential air duct 21 being arranged at least in sections in the admixing opening 8 around the gas nozzles 15, 19 to form an air flow 22 circulating around the gas nozzles 15, 19.
  • the air duct 21 is in particular arranged coaxially with the respective gas nozzle 15, 19 and/or with the admixing opening 8.
  • the air duct 21 contributes to more defined flow conditions of the air flow around the gas flow given by the gas nozzles 15, 19, which can serve, for example, as a type of jacket air.
  • the air duct 21 is designed flush with the outlet 80 of the admixing opening 8 and the gas supply opening 150, 190.
  • the air duct 21 is offset into the combustion chamber 101 relative to the admixing opening 8, while the gas nozzle 15, 19 is offset even further into the combustion chamber 101 relative to the air duct 21.
  • a single-walled design of the wall 5 is also possible.
  • the diameter D3 of the gas supply opening 150, 190 can be, for example, 1/2 to 1/6 of the diameter D1 of the mixing opening 8.
  • the diameter D1 of the mixing opening can be 8 10 mm and the diameter D3 of the gas nozzle can be 15, 19 3 mm.
  • the flow cross sections are preferably designed so that over the entire operating range, taking into account a pressure drop across the combustion chamber selected during the design, the speed of the inflowing fuel gas is higher than the speed of the inflowing admixture air, which e.g. B. is between 60 m/s and 140 m/s.
  • the outline of the first flow cross section of the first admixing opening 8 corresponds to the outline of the second admixing opening 8, with the diameter D1 being equal to the diameter D2 due to the circular (ring) shape. This results in a smaller area of the first flow cross section A1 compared to the second flow cross section A2.
  • the diameter D1 is also possible to choose the diameter D1 to be correspondingly larger, in such a way that the size of the first flow cross section A1 corresponds to the size of the second flow cross section A2. It is also possible to make the first flow cross section larger than the second flow cross section, in which case, for example, the first diameter D1 should be chosen to be much larger than the second diameter, D2.
  • Fig. 10 shows a training variant, wherein the gas supply opening 150, in particular the gas nozzle 15, is arranged on the radially inner flame tube wall 5a with respect to the central axis M, for example in the upstream row of openings 13.
  • the gas 16 can be fed through a suitable component, for example through struts or guide vanes in a pre-diffuser, brought radially inwards from the outside.
  • the liquid fuel is introduced into the combustion chamber 101 via the fuel nozzle 200.
  • the gaseous fuel is alternatively or additionally introduced into the combustion chamber 101 via the gas nozzles 15 and optionally the gas nozzles 19.
  • the fuel nozzle 200 is in an optimal position in terms of emissions for at least a large part of the operating time Maintained operating state, that is, at an air-fuel ratio that ensures minimal emissions of soot, carbon monoxide, unburned hydrocarbons, nitrogen oxides and / or carbon dioxide.
  • the gaseous fuel is then varied so that a required total air-fuel ratio is set for the respective operating state, in particular from idle to take-off to cruise.
  • the proposed combustion chamber arrangement 1 can advantageously achieve a high level of operational flexibility with comparatively low complexity, with sole operation using liquid or gaseous fuel, or in a combination of both fuels.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung (1), insbesondere zum Einsatz in einem Triebwerk eines Luftfahrzeugs, umfassend- eine Umwandung (5), die einen entlang einer Längsachse (L) ausgerichteten Brennraum (101) umgrenzt und- zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von, eingangsseitig des Brennraums (100) angeordnete/n Kraftstoffdüse/n (200) zur Zugabe von flüssigem Kraftstoff in den Brennraum (101).Ein alternativer und/oder kombinierter optimierter Betrieb mit Kraftstoffen unterschiedlicher Aggregatszustände bei vergleichsweise geringem konstruktivem Aufwand ist dadurch erreichbar, dass die Brennkammeranordnung (10) zum Betrieb mit flüssigem und/oder gasförmigem Kraftstoff ausgebildet ist, wobei zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von stromab der Kraftstoffdüse/n (200), an der Umwandung (5), angeordnete Gaszufuhröffnung/en (15, 19) vorhanden sind, mittels welcher gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum (101) einbringbar ist (Fig. 3A).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung, insbesondere zum Einsatz in einem Triebwerk eines Luftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Gasturbinenanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Brennkammeranordnung.
  • Bei bekannten sogenannten "dual fuel" - Brennkammeranordnungen zum Einsatz bei Triebwerken für Luftfahrzeuge können Kraftstoffe unterschiedlicher Art, insbesondere flüssige und/oder gasförmige Kraftstoffe, alternativ zueinander oderzeitgleich zur Verbrennung in den Brennraum eingebracht werden.
  • Eine bekannte Brennkammeranordnung zum Betrieb mit flüssigem und/oder gasförmigem Kraftstoff geht beispielsweise aus der US 2016 201 897 A1 hervor. Dabei ist eine Düsenvorrichtung vorhanden, mittels welcher flüssiger und/oder gasförmiger Kraftstoff in die Brennkammer eingebracht werden kann.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammeranordnung, eine Gasturbinenanordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, wobei ein alternativer und/oder kombinierter optimierter Betrieb mit Kraftstoffen unterschiedlicher Aggregatszustände mit vergleichsweise geringem konstruktivem Aufwand möglich ist.
  • Die Aufgabe wird für die Brennkammeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, für die Gasturbinenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
  • Bezüglich der Brennkammeranordnung ist vorgesehen, dass die Brennkammeranordnung zum Betrieb mit flüssigem und/oder gasförmigem Kraftstoff ausgebildet ist, wobei zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von stromab der Kraftstoffdüse/n, an der Umwandung, angeordnete Gaszufuhröffnung/en vorhanden sind, mittels welcher gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum einbringbar ist.
  • Die Zugabe des gasförmigen Kraftstoffes erfolgt vorzugsweise nicht von der eingangsseitigen Stirnseite, an der die Kraftstoffdüse angeordnet ist, insbesondere nicht mittels der eingangsseitig angeordneten Kraftstoffdüse. Die Kraftstoffdüse ist zugunsten einer geringen Komplexität z. B. nicht zum Betrieb mit gasförmigem Kraftstoff ausgelegt.
  • Dabei ist vorzugsweise die axiale Position der Gaszufuhröffnungen derart ausgelegt, dass im Betrieb der gasförmige Kraftstoff in eine oder stromab einer ersten Verbrennungszone, mit (zumindest teilweiser) Verbrennung des flüssigen Kraftstoffes, zugegeben wird.
  • Bei dem gasförmigen Kraftstoff handelt es sich insbesondere um Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Brenngas und/oder um ein anderes Brenngas, beispielsweise um Methan oder ein methanhaltiges Brenngas.
  • Bei dem flüssigen Kraftstoff handelt es sich insbesondere um einen kerosinbasierten oder kerosinverwandten Kraftstoff (z. B. Jet-A1, Diesel oder ein synthetischer Ersatzkraftstoff (SAF - "sustainable aviation fuel")).
  • Die Umwandung kann z. B. einwandig und/oder doppelwandig, insbesondere mit dazwischen gebildetem Spaltraum, ausgebildet sein. Die Gaszufuhröffnungen sind insbesondere stromauf des Auslasses angeordnet.
  • Die Einbringung des gasförmigen Kraftstoffes stromab der Kraftstoffdüse erlaubt die Verwendung einer eingangsseitigen Kraftstoffdüse, die nur für den Betrieb mit flüssigem Kraftstoff ausgelegt ist. Auf diese Weise kann die Komplexität der Kraftstoffdüse und der Brennkammeranordnung auch bei Ausbildung zum Betrieb mit zusätzlichem gasförmigem Kraftstoff vergleichsweise gering gehalten werden. Zudem können sich Vorteile im Betrieb ergeben, wobei in relevanten Betriebsbereichen die Verbrennung in der ersten Verbrennungszone hinsichtlich des flüssigen Kraftstoffes optimiert ist.
  • Eine vergleichsweise sichere Einbringung des gasförmigen Kraftstoffes in den Brennraum ist erreichbar, wenn die Brennkammeranordnung zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von, stromab der Kraftstoffdüse/n in der Umwandung angeordnete/n Zumischöffnung/en zur Zugabe von Zumischluft in den Brennraum umfasst, und wenn die Gaszufuhröffnung/en an, bei Vorhandensein mehrerer Gaszufuhröffnungen jeweils, einer Gasdüse vorhanden ist, die (radial) innerhalb der Zumischöffnung/en (d. h. von dem Strömungsquerschnitt der Zumischöffnung umgeben) angeordnet sind, wobei jeweils zumindest eine (vorzugsweise genau eine) Gasdüse mit einer Zumischöffnung eine Luft-/Gas-Zufuhranordnung bildet. Eine Gaszufuhröffnung ist jeweils am stromabseitigen Ende der einen Gasdüse angeordnet. Die Gaszufuhröffnungen können im Strömungsquerschnitt jede Formgebung aufweisen, beispielsweise kreisrund, elliptisch, schlitzförmig oder polygonal. Vorzugsweise entspricht die Formgebung des Strömungsquerschnitts (ggf. kongruent) der Formgebung des Strömungsquerschnitts der Zumischöffnung, mit der die jeweilige Luft-/Gas-Zufuhranordnung gebildet ist. Die Gasdüsen können, insbesondere in einem stromabseitigen Abschnitt, einen konstanten Strömungsquerschnitt aufweisen. Die Gasdüsen können insbesondere mittels eines oder mehrerer Befestigungsmittel (z. B. Streben), an der Umwandung innerhalb der Zumischöffnung befestigt sein.
  • Die Zumischöffnungen können bezüglich ihrer jeweiligen Strömungsquerschnitte jegliche Formgebung aufweisen, z. B. kreisrund, elliptisch, schlitzförmig und/oder polygonal.
  • Die Zumischöffnungen können jeweils als Öffnungen in der Umwandung ausgebildet sein, wobei ihre Lauflängen der Dicke der Umwandung entsprechen, und/oder über die Umwandung (in den Brennraum und/oder in einen die Brennkammer umgebenden Luftraum) hinausragen, wobei sie in Art von Luftkanälen ausgebildet sind. Am stromabseitigen Ende der Zumischöffnungen ist jeweils zumindest ein Auslass angeordnet. Insbesondere ein Eintrittsbereich und der Austrittsbereich der Zumischöffnungen (und/oder der Gaszufuhröffnungen) können strömungsgünstig, z. B. gerundet zur Minimierung von Rückströmgebieten, ausgebildet sein.
  • Die Zumischöffnungen sind insbesondere in Umlaufrichtung äquidistant zueinander angeordnet, wobei die Anzahl der Zumischöffnungen z. B. der Anzahl der eingangsseitigen Kraftstoffdüsen entspricht.
  • Durch eine derartige Anordnung der Gaszufuhröffnungen bzw. Gasdüsen wird der gasförmige Kraftstoff mit der Zumischluft eingedüst, d. h. in eine Strömung mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit. So kann der Verbrennungsprozess des gasförmigen Kraftstoffes je nach Auslegung (z. B. der Größe des Strömungsquerschnitts) mehr oder weniger weit in den Brennraum hineinverlagert werden, wobei die Zumischluft z. B. als Verbrennungsluft und/oder Mantelluft oder dergleichen dienen kann.
  • Auf diese Weise kann die thermische Belastung der Umwandung und/oder der Gaszufuhrdüse/n vorteilhaft reduziert werden.
  • In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Gasdüse/n jeweils zentrisch innerhalb der jeweiligen Zumischöffnung (unter Bildung der jeweiligen Luft-/Gas-Zufuhranordnung) angeordnet ist/sind. Auf diese Weise wird der gasförmige Kraftstoff vorteilhaft in einen Bereich vergleichsweise hoher Strömungsgeschwindigkeiten eingebracht, sodass die Reaktionszone von der Gaszufuhröffnung weg verlagert werden kann. Die Anordnung der Gasdüse zu der Zumischöffnung kann insbesondere koaxial ausgebildet sein, wobei ihre Mittellängsachsen aufeinander liegen. Dabei können die Mittellängsachsen senkrecht zu der Umwandung (im 90°-Winkel) ausgerichtet sein, oder mit angestelltem Winkel, wobei der Winkel zu der Umwandung weniger als 90° beträgt.
  • Ein definierteres Abströmen des gasförmigen Kraftstoffes ist vorteilhaft erreichbar, wenn in der jeweiligen Zumischöffnung (der entsprechenden Luft-/Gas-Zufuhranordnung) um die Gasdüse/n zumindest abschnittsweise ein ((ring-)spalt-artiger) umlaufender Luftkanal zur Bildung eines um die Gasdüse/n umlaufenden Luftstroms angeordnet ist. Der Luftkanal weist vorzugsweise einen geringeren Strömungsquerschnitt auf als die Zumischöffnung. Der Luftkanal kann beispielsweise bündig mit der Gaszufuhröffnung oder stromauf derselbigen enden. Der Luftkanal ist für eine vorteilhaft symmetrische Einbringung des gasförmigen Kraftstoffes vorzugsweise koaxial zu der Gasdüse und/oder der Zumischöffnung angeordnet und/oder weist eine konstante Kanalhöhe (z. B. Spaltdicke) auf.
  • Für eine gleichmäßige Einbringung der Zumischluft und/oder des gasförmigen Kraftstoffes sind vorzugsweise mehrere Zumischöffnungen in zumindest einer Öffnungsreihe angeordnet, wobei pro Öffnungsreihe z Zumischöffnungen vorhanden sind, die an einer einheitlichen axialen Position und vorzugsweise in Umlaufrichtung der Umwandung äquidistant zueinander angeordnet sind. Bei mehreren vorhandenen Öffnungsreihen können deren Zumischöffnungen in Umlaufrichtung versetzt zueinander angeordnet sein.
  • Dabei kann pro Öffnungsreihe in jeder oder jeder n-ten Zumischöffnung, mit n = 2 bis z, eine Luft-/Gas-Zufuhranordnung gebildet sein, wobei n vorzugsweise die Ordnungszahl eines ganzzahligen Quotienten von z bildet. So ist eine gleichmäßige Verteilung der Gasdüsen pro Öffnungsreihe erhältlich, mit einer äquidistanten Anordnung der Gasdüsen in Umlaufrichtung, was eine symmetrische Verbrennung begünstigt. Die Anordnung der Gasdüsen kann pro Öffnungsreihe unterschiedlich sein.
  • Vorteile für den Betrieb ergeben sich, wenn mehrere, in axialer Richtung des Brennraums (bzw. der Brennkammer) versetzte, Öffnungsreihen vorhanden sind, wobei zumindest eine Luft-/Gas-Zufuhranordnung in zumindest der am weitesten stromab angeordneten Öffnungsreihe angeordnet ist.
  • Vorteilhafte Auslegungsmöglichkeiten für einen optimierten Betrieb ergeben sich, wenn die Zumischöffnung/en (mit ihren Auslässen) bezüglich des Brennraums bündig mit der Umwandung ausgebildet sind und/oder gegenüber der Umwandung in den Brennraum hinein versetzt sind (die Luftkanäle ragen in den Brennraum hinein). Auch Kombinationen, mit bündigen und hineinversetzten Zumischöffnungen, sind möglich.
  • Vorteilhafte Auslegungsmöglichkeiten für einen optimierten Betrieb ergeben sich, wenn die Gaszufuhröffnung/en bezüglich des Brennraums bündig mit der Umwandung ausgebildet sind und/oder gegenüber der Umwandung und/oder der jeweiligen Zumischöffnung (mit welcher sie die Luft-/Gas-Zufuhranordnung bilden) in den Brennraum hinein versetzt sind. Auch Kombinationen, mit bündigen und hineinversetzten Zumischöffnungen, sind möglich.
  • Vorteilhafte Auslegungsmöglichkeiten für einen optimierten Betrieb ergeben sich, wenn zumindest eine Zumischöffnung in einer Luft-/Gas-Zufuhranordnung vorhanden ist, die einen ersten Strömungsquerschnitt A1 aufweist, und wenn zumindest eine Zumischöffnung ohne Luft-/Gas-Zufuhranordnung vorhanden ist, die einen zweiten Strömungsquerschnitt A2 aufweist, wobei die Größe des ersten Strömungsquerschnitts A1 der Größe des zweiten Strömungsquerschnitts A2 entspricht. Dies wird bei beispielhaft jeweils kreisrunden bzw. kreisringförmigen Strömungsquerschnitten durch einen entsprechend größeren Außendurchmesser der Zumischöffnung innerhalb der Luft-/Gas-Zufuhranordnung erreicht.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Größe des ersten Strömungsquerschnitts A1 größer sein als die Größe des zweiten Strömungsquerschnitts A2. Dies wird bei beispielhaft jeweils kreisrunden bzw. kreisringförmigen Strömungsquerschnitten durch einen entsprechend deutlich größeren Außendurchmesser der Zumischöffnung innerhalb der Luft-/Gas-Zufuhranordnung erreicht.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Umriss des ersten Strömungsquerschnitts A1 dem Umriss des zweiten Strömungsquerschnitts A2 (in Größe und/oder Formgebung) entsprechen. Dadurch ergibt sich ein kleinerer erster Strömungsquerschnitt A1, verglichen zu dem zweiten Strömungsquerschnitt A2.
  • Möglich ist bei mehreren vorhandenen Luft-/Gas-Zufuhranordnungen auch eine Kombination dieser Ausbildungsvarianten.
  • Vorteilhafte Strömungsverhältnisse ergeben sich insbesondere, wenn die Gaszufuhröffnung einen Durchmesser von etwa 1/2 bis 1/6 des Durchmessers des Auslasses der Zumischöffnung aufweist (oder ein (nach Umrechnung auf die Strömungsquerschnitte) entsprechendes Verhältnis der Strömungsquerschnitte bei nicht kreisförmigen Strömungsquerschnitten).
  • Vorteilhaft ist die Erfindung bei einer Ringbrennkammer verwendbar, wobei der Brennraum ringförmig umlaufend um eine Mittelachse ausgebildet ist, wobei die Umwandung eine radial innenliegende Wandung und eine radial außenliegende Wandung aufweist.
  • Vorteilhafte Auslegungsmöglichkeiten für einen optimierten Betrieb ergeben sich, wenn die Gaszufuhröffnung/en, insbesondere die Gasdüse/n, an der radial inneren Wandung und/oder an der radial äußeren Wandung angeordnet ist/sind, insbesondere jeweils als Luft-/Gas-Zufuhranordnungen.
  • Für einen vorteilhaften Betrieb kann ein axialer Abstand der Gaszufuhröffnung/en und/oder ggf. der Zumischöffnung/en von der oder den eingangsseitigen Kraftstoffdüse/n zwischen 0,2 und 1,5, vorzugsweise zwischen 0,3 und 1,0, mal einer Höhe H des Brennraums betragen. Bei einer Ringbrennkammer entspricht die Höhe H dem radialen Abstand zwischen den Innenseiten der äußeren und der inneren Wand der Umwandung. Bei einer zylindrischen Brennkammer entspricht H dem Durchmesser des Brennraums. Der axiale Abstand bemisst sich von der Mittelachse der jeweiligen Gaszufuhröffnung oder Zumischöffnung bis zur Stirnseite und/oder dem stromabseitigen Ende der eingangsseitigen Kraftstoffdüse. Bei Vorhandensein mehrerer Öffnungsreihen bezieht sich der Abstand insbesondere auf die am weitesten stromaufgelegene Öffnungsreihe und/oder auf die zweite, weiter stromab angeordnete Öffnungsreihe. Gegebenenfalls vorhandene, weiter stromab angeordnete Öffnungsreihen können beispielsweise in einem Abstand zwischen 1 bis 3 mal einer (bezüglich der Längsachse) axialen Erstreckung der Zumischöffnung/en (z. B. einem Durchmesser) zu der stromaufgelegenen Öffnungsreihe (bezüglich der stromauf angeordneten Kanten der Zumischöffnungen) angeordnet sein.
  • Vorteilhafte Kühlungsmöglichkeiten der Brennkammeranordnung ergeben sich, wenn die Umwandung doppelwandig ausgebildet ist, mit einer brennkammerseitigen inneren Wand und einer außenseitigen äußeren Wand.
  • Vorteilhafte Variationsmöglichkeiten bezüglich des Betriebs ergeben sich, wenn eine segmentierte Gas-Sammelleitung zur Gas-Versorgung der Gaszufuhröffnung/en vorhanden ist, wobei jedem Segment ein separater Kraftstoffanschluss zugeordnet ist. So sind beispielsweise einzelne Gruppen von Gasdüsen separat ansteuerbar. Die Sammelleitung kann je nach Ausbildung der Brennkammeranordnung optimiert ausgebildet und angeordnet sein, beispielsweise ringförmig, als Ringleitung, auf zumindest im Wesentlichen axialer Position der Gasdüsen oder stromauf oder stromab derselbigen.
  • In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens wird der Verbrennungsbetrieb so eingestellt, dass die Verbrennung des flüssigen, mittels der/den Kraftstoffdüsen zugegebenen Kraftstoffes zumindest im Wesentlichen in einem bezüglich des Emissionsverhaltens der Brennkammeranordnung optimalen Betriebszustand gehalten wird, d. h. bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis, welches einen minimalen Ausstoß von Ruß, Kohlenstoffmonoxid (CO), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC), Stickoxiden (NOx) und Kohlendioxid (CO2) gewährleistet. Die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffes wird in Ergänzung so variiert, dass das für den jeweiligen Betriebszustand erforderliche Gesamt-Luft-Kraftstoffverhältnis (von Leerlauf über Start bis Reiseflug) eingestellt wird. Dabei ist insbesondere die bezüglich der Kraftstoffdüsen stromab angeordnete Positionierung der Gaszufuhröffnungen von Vorteil, da so zunächst der flüssige Kraftstoff in der ersten Verbrennungszone zumindest im teilweise ohne unmittelbare Einflüsse des gasförmigen Brennstoffes verbrannt werden kann.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens sind in Zusammenhang mit Ausbildungsvarianten bezüglich der Brennkammeranordnung sinngemäß beschrieben.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1A, 1B
    eine Brennkammeranordnung gemäß dem Stand der Technik mit einer Öffnungsreihe schematisch im Längsschnitt (Fig. 1A) und in Draufsicht (Fig. 1B),
    Fig. 2A, 2B
    eine Brennkammeranordnung gemäß dem Stand der Technik mit zwei Öffnungsreihen schematisch im Längsschnitt (Fig. 2A) und in Draufsicht (Fig. 2B),
    Fig. 3A bis 3C
    eine vorgeschlagene Brennkammeranordnung mit einer Öffnungsreihe umfassend mehrere Gasdüsen in unterschiedlichen Anordnungen schematisch im Längsschnitt (Fig. 3A) und in Draufsicht (Fig. 3 B, Fig. 3 C),
    Fig. 4
    eine Schnittansicht der Brennkammeranordnung entlang der Schnittlinie A gemäß Fig. 3A in schematischer Darstellung,
    Fig. 5
    ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennkammeranordnung mit mehreren Gasdüsen in zwei Öffnungsreihen schematisch im Längsschnitt,
    Fig. 6A bis 6F
    Brennkammeranordnungen mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen von Gasdüsen-Anordnungen bei zwei Öffnungsreihen in schematischer Draufsicht,
    Fig. 7A bis 7F
    jeweils unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Luft-/Gas-Zufuhranordnungen mit jeweils einer Zumischöffnung und einer Gasdüse sowie Teilen der Umwandung schematisch im Längsschnitt,
    Fig. 8A, 8B
    zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Luft-/Gas-Zufuhranordnungen sowie Teilen der Umwandung mit jeweils einem Luftkanal schematisch im Längsschnitt,
    Fig. 9A, 9B
    eine Luft-/Gas-Zufuhranordnung (Fig. 9A) und eine Zumischöffnung außerhalb einer Luft-/Gas-Zufuhranordnung (Fig. 9B) schematisch im Längsschnitt und
    Fig. 10
    ein weiteres Ausführungsbeispiel einer vorgeschlagenen Brennkammeranordnung, mit Anordnung der Gasdüse an einer radial inneren Wandung, schematisch im Längsschnitt.
  • Fig. 1A zeigt in einer schematischen Darstellung im Längsschnitt eine Brennkammeranordnung 1 zum Einsatz in einem Triebwerk eines Luftfahrzeugs, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. In Fig. 1A ist teilweise schematisch ein Innengehäuse 4 und ein Außengehäuse 3 einer Triebwerksbrennkammer eines Luftfahrzeugs angedeutet.
  • Die Brennkammeranordnung 1 umfasst eine als Ringbrennkammer ausgebildete Brennkammer 100 mit einem umlaufend ringförmig um eine Mittelachse M angeordneten Brennraum 101, der axial entlang einer Längsachse L ausgerichtet ist. Der Brennraum 101 ist von einer Umwandung 5 der Brennkammeranordnung 1 umfassend eine radial innere Flammrohrwand 5a und eine radial äußere Flammrohrwand 5b umgrenzt. Die Umwandung 5 ist beispielhaft doppelwandig ausgebildet, mit einer brennkammerseitigen inneren Bewandung 70 und einer außenseitigen äußeren Bewandung 50. Die Umwandung 5 weist beispielhaft in ihrem axialen Verlauf zunächst, ausgehend von einer Stirnseite 2, eine konstante Höhe H auf, wobei die radial innere Flammrohrwand 5a und die radial äußere Flammrohrwand 5b parallel zueinander verlaufen. Weiter stromab befindet sich eine Querschnittsverengung 23, mit radial aufeinander zulaufenden Flammrohrwände 5a, 5b, die in einen Auslass 24 der Brennkammeranordnung 1 mündet. Stromab an den Auslass 24 schließt sich ein Turbinenvorleitrad 6 einer (hier nicht vollständig gezeigten) Turbinenanordnung an.
  • Eingangsseitig des Brennraums 101, an der eintrittsseitigen Stirnseite 2 der Brennkammer 100, sind umlaufend mehrere Kraftstoffdüsen 200 angeordnet, von welchen in dem in Fig. 1A gezeigten Längsschnitt eine Kraftstoffdüse 200 schematisch dargestellt ist. Mittels der Kraftstoffdüse 200 wird im Betrieb ein Gemisch 11 aus flüssigem Kraftstoff und Luft 9 in den Brennraum 101 zugegeben.
  • Bei dem flüssigen Kraftstoff handelt es sich insbesondere um einen kerosinbasierten oder kerosinverwandten Kraftstoff (z. B. Jet-A1, Diesel oder ein synthetischer Ersatzkraftstoff (SAF - "sustainable aviation fuel")).
  • Stromab der Stirnseite 2 und/oder dem stromab gelegenen Ende der Kraftstoffdüse 200 sind vorliegend beispielhaft mehrere Zumischöffnungen 8 zur Zugabe von Zumischluft 12 in den Brennraum 101 im Betrieb angeordnet, die im Betrieb aus Luft 11 abgezweigt wird, die die Brennkammeranordnung 1 umgibt.
  • Wie Fig. 1B in einer schematischen Draufsicht auf die Brennkammeranordnung 1 zeigt, sind die Zumischöffnungen 8 hier beispielhaft in einer umlaufenden Öffnungsreihe 13 angeordnet. Die Zumischöffnungen 8 einer Öffnungsreihe 13 befinden sich an einer einheitlichen axialen Position und sind in Umlaufrichtung, umlaufend um die Brennkammeranordnung 10, vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnet.
  • Wie Fig. 1A zeigt, sind die Zumischöffnungen 8 in der radial inneren Flammrohrwand 5a und in der radial äußeren Flammrohrwand 5b angeordnet bzw. ausgebildet. Die Zumischöffnungen 8 in der radial inneren Flammrohrwand 5a und der radial äußeren Flammrohrwand 5b sind beispielhaft an gleicher axialer Position bezüglich der Längsachse L angeordnet. Die Zumischöffnungen 8 weisen am stromabseitigen Ende je einen Auslass 80 auf, der bezüglich des Brennraums 101 bündig mit der Umwandung 5 ausgebildet sein kann, wie bei dem in Fig. 1A gezeigten Beispiel bezüglich der radial inneren Zumischöffnungen 8 dargestellt. Alternativ können die Zumischöffnungen 8 umfassend einen Kragen als Luftkanal in den Brennraum 101 hineinragen, wobei die Auslässe 80 radial in den Brennraum 101 hineinversetzt sind.
  • Bei der doppelwandigen Ausbildung der Umwandung 5 ist die Zumischöffnung 8 als durch die äußere Bewandung 50 und die innere Bewandung 70 geführter Luftkanal ausgebildet, um einem Abströmen der Zumischluft 12 durch den Luftspalt zwischen der äußeren Bewandung 50 und der inneren Bewandung 70 entgegenzuwirken.
  • Fig. 2A und Fig. 2B zeigen eine Brennkammeranordnung 1 gemäß dem Stand der Technik in einer doppelreihigen Variante, umfassend zwei axial versetzte Öffnungsreihen 13. Innerhalb der jeweiligen Öffnungsreihen 13 sind die Zumischöffnungen 8 äquidistant zueinander und an gleicher axialer Position angeordnet. Relativ zueinander sind die Öffnungsreihen 13 mit einer versetzten Anordnung der Zumischöffnungen 8 in Umlaufrichtung versetzt zueinander angeordnet. Durch die weiter stromab angeordnete Öffnungsreihe 13 wird im Betrieb Zumischluft 14 in den Brennraum 101 zugegeben. Die Strömungsquerschnitte der Zumischöffnungen 8 und/oder radialen Positionen der Auslässe 80 können unterschiedlich sein, beispielsweise je nach Öffnungsreihe 13 variieren.
  • Fig. 3A, Fig. 3B und Fig. 3C zeigen eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Brennkammeranordnung 1, wodurch die Brennkammeranordnung 1 für einen Betrieb mit gasförmigem Kraftstoff ausgebildet ist. Der gasförmige Kraftstoff kann insbesondere zeitgleich mit, oder auch alternativ zu, dem flüssigen Kraftstoff in den Brennraum 101 zugegeben werden.
  • Zugunsten einer verringerten Komplexität sind die Kraftstoffdüsen 200 beispielsweise nicht zum Betrieb mit einem gasförmigen Kraftstoff ausgelegt.
  • Bei dem gasförmigen Kraftstoff (nachfolgend auch kurz Gas 16) handelt es sich insbesondere um Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Brenngas und/oder um ein anderes Brenngas, beispielsweise um Methan oder ein methanhaltiges Brenngas.
  • Bei dem in Fig. 3A, Fig. 3B und Fig. 3C gezeigten Ausführungsbeispiel sind vorzugsweise eine Vielzahl von Gasdüsen 15 vorhanden, die stromab der Kraftstoffdüse 200 in der Öffnungsreihe 13 in der Umwandung 5 angeordnet sind. In dem in Fig. 3A gezeigten schematischen Längsschnitt der Brennkammeranordnung 1 ist eine Gasdüse 15 dargestellt.
  • An den Gasdüsen 15 sind an deren stromabseitigen Enden jeweils Gaszufuhröffnungen 150 vorhanden.
  • Bei dem in Fig. 3A, Fig. 3B und Fig. 3C gezeigten Ausführungsbeispiel ist beispielhaft eine Öffnungsreihe 13 vorhanden.
  • Wie Fig. 3A genauer zeigt, sind die Gasdüsen 15 jeweils innerhalb einer der Zumischöffnungen 8 angeordnet, wobei jeweils eine Gasdüse 15 mit einer Zumischöffnung 8 eine Luft-/Gas Zufuhranordnung 25 bildet. Dabei sind die Gasdüsen 15 für eine symmetrische Eindüsung vorteilhafterweise jeweils zentrisch innerhalb der jeweiligen Zumischöffnung 8 angeordnet, wobei der Strömungsquerschnitt der Zumischöffnung 8 die Gaszufuhröffnung 150 radial umgibt. Die Gasdüse 15 kann dabei jeweils senkrecht zu der Umwandung 5 angeordnet sein, für eine Zugabe des Brenngases rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung innerhalb der Brennkammer 100. Möglich ist auch eine Anordnung mit angestelltem Winkel, so dass ein Winkel zwischen der Umwandung 5 und einer Mittellängsachse der Gasdüse 15 weniger als 90° beträgt. Die Zumischöffnungen 8 sind vorzugsweise im gleichen Winkel wie die Gasdüse 15 ausgerichtet.
  • Durch die zentrische Anordnung der Gasdüsen 15 in den Zumischöffnungen 8 wird das Gas 16 im Betrieb in einen Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit eingebracht. Dadurch kann vorteilhafterweise die Reaktionszone des gasförmigen Kraftstoffes innerhalb des Brennraums 101 von der Gasdüse 15 bzw. der Umwandung 5 weiter in den Brennraum 101 hinein verlagert werden. Auf diese Weise wird die thermische Belastung der Gasdüse 15 und/oder der Umwandung 5 verringert.
  • Wie Fig. 3A zeigt, ragen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Gasdüsen 15 in den Brennraum 101 hinein. Die Gaszufuhröffnung 150 ist beispielhaft bündig mit dem stromabseitigen Ende der Zumischöffnung 8 ausgebildet.
  • Der Strömungsquerschnitt der Gasdüsen 15 kann kreisförmig und/oder in einer anderen Form, beispielsweise polygonal, elliptisch oder dergleichen ausgebildet sein.
  • Fig. 3B zeigt in einer schematischen Draufsicht auf die Brennkammeranordnung 1 ein Ausführungsbeispiel, bei dem jeder der Zumischöffnungen 8 eine Gasdüse 15 zur Bildung jeweils einer Luft-/Gas-Zufuhranordnung 25 zugeordnet ist.
  • Fig. 3C zeigt in einer schematischen Draufsicht auf die Brennkammeranordnung 1 ein Ausführungsbeispiel, bei dem jeder zweiten der Zum ischöffnungen 8 eine Gasdüse 15 zur Bildung jeweils einer Luft-/Gas-Zufuhranordnung 25 zugeordnet ist. Über die jeweils anderen Zumischöffnungen 8 wird Zumischluft 12 ohne die Zugabe von Gas 16 zugeführt.
  • Wie Fig. 3A zeigt, beträgt ein axialer Abstand a der Gasdüsen 15 und/oder der Zumischöffnungen 8 (bezüglich der jeweiligen Mittelachse) von der eingangsseitigen Kraftstoffdüse 200 und/oder der Stirnseite 2 beispielhaft zwischen 0,65 und 0,85 der Höhe H des Brennraums 101. Durch eine derartige Beabstandung kann im Betrieb stromauf der Gaszufuhr eine (Teil-)Verbrennungsreaktion des flüssigen Kraftstoffes innerhalb des Brennraums 101 erfolgen, wobei die Kraftstoffdüse 200 vorteilhafterweise für die Verbrennung von flüssigem Kraftstoff optimiert ist. Gleichzeitig findet die Zugabe des gasförmigen Kraftstoffes ausreichend weit stromauf statt, um in dem Brennraum 101 mit einer für ein Triebwerk eines Luftfahrzeugs typischen Länge eine vollständige Abreaktion des gasförmigen Kraftstoffes zu ermöglichen.
  • Die Gasdüsen 15 werden insbesondere mittels einer als Ringleitung 17 ausgebildeten Sammelleitung mit dem gasförmigen Kraftstoff versorgt, die mittels eines Kraftstoffanschlusses 18 mit Kraftstoff gespeist wird. Die Ringleitung 17 kann, wie in Fig. 3A, Fig. 3B und Fig. 3C gezeigt, axial zumindest nahe der Gasdüsen 15 angeordnet sein. Möglich wäre auch eine andere Ausbildung und/oder Anordnung der Sammelleitung, beispielsweise weiter stromauf oder stromab der Gasdüsen 15.
  • Vorteilhaft kann auch eine Versorgung mittels einer segmentierten Sammelleitung sein, wie beispielsweise in der Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A in Fig. 4 schematisch dargestellt. Dabei sind zwei Kraftstoffanschlüsse 18, 18.1 vorhanden, die jeweils ein Segment 17.1, 17.2 der Ringleitung 17 mit Kraftstoff versorgen. Jedem Segment 17.1, 17.2 der Sammelleitung, insbesondere der Ringleitung 17, ist ein Kraftstoffanschluss 18, 18.1 zugeordnet. Dies ermöglicht eine separate Steuerung bzw. Regelung einzelner, an dem jeweiligen Segment 17.1, 17.2 der Sammelleitung angeordneter Gruppen von Gasdüsen 15.
  • In Fig. 4 ist die ringartige Ausbildung der Brennkammeranordnung 1 ersichtlich. Dabei sind beispielhaft jeweils 12 Luft-/Gas-Zufuhranordnung 25 vorhanden, die beispielhaft an den radial äußeren Zumischöffnungen 8 gebildet sind. Weiterhin sind 12 Kraftstoffdüsen 200 und 12 Zumischöffnungen 8 ohne zugeordneter Gasdüse 15 vorhanden, die vorliegend beispielhaft auf der radialen Innenseite der Brennkammer 100 angeordnet sind.
  • Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante mit zwei Öffnungsreihen 13. Die stromauf angeordnete Öffnungsreihe 13 ist mit einem axialen Abstand a von etwa 0,65 bis 0,85 der Höhe H des Brennraums (Fig. 3A) von der Kraftstoffdüse 200 beabstandet. Die weiter stromab angeordnete Öffnungsreihe 13 ist z. B. zwischen 1 mal und 3 mal dem Durchmesser der Zumischöffnung 8 (bezüglich der stromauf gelegenen Kante) axial beabstandet. Durch die zweite, weiter stromab angeordnete Öffnungsreihe 13 wird Gas 20 durch Gasdüsen 19 in die Brennkammer zugegeben. Die Gasdüsen 15 und die Gasdüsen 19 sind beispielhaft an die Ringleitung 17 angeschlossen.
  • Wie Fig. 5 zeigt, können die Gasdüsen 15 und die Gasdüsen 19 unterschiedlich weit in den Brennraum 101 hineinragen. Beispielhaft ragen die Luft-/Gas-Zufuhranordnung 25 der bezüglich der Brennkammer 100 stromauf angeordneten Öffnungsreihe 13 in den Brennraum 101 hinein, während die stromab angeordnete Öffnungsreihe 13 bündig mit der Umwandung 5 ausgebildet sind. Bei dem gezeigten Beispiel sind die stromabseitigen Enden der Zumischöffnungen 8 und die Gaszuführöffnungen 150, 190 jeweils bündig zueinander ausgebildet.
  • Figuren 6A bis Fig. 6F zeigen beispielhafte Anordnungen der Gasdüsen 15, 19 bezüglich der Zumischöffnungen 8 bei der Ausbildungsvariante mit zwei Öffnungsreihen 13. Dabei können pro Öffnungsreihe 13, wie auch bereits in Fig. 3B und Fig. 3C gezeigt, in jeder oder jeder n-ten Zumischöffnung 8 (mit n gleich 2 bis "Anzahl der Zumischöffnungen"), beispielsweise in jeder ersten oder zweiten vorhanden sein. Bei Vorhandensein mehrerer Öffnungsreihen 13 sind vorzugsweise Luft-Gas-Zufuhranordnungen 25 zumindest in der am weitesten stromab angeordneten Öffnungsreihe 13 vorhanden.
  • Fig. 6A zeigt eine Ausbildungsvariante, wobei die Luft-/Gas-Zufuhranordnungen 25 in der weiter stromauf angeordneten Öffnungsreihe 13, in jeder zweiten Zumischöffnung 8, angeordnet sind.
  • Fig. 6B zeigt eine Ausbildungsvariante, wobei die Luft-/Gas-Zufuhranordnungen 25 in der weiter stromauf angeordneten Öffnungsreihe 13, in jeder Zumischöffnung 8, angeordnet sind.
  • Fig. 6C zeigt eine Ausbildungsvariante, wobei die Luft-/Gas-Zufuhranordnungen 25 in der weiter stromab angeordneten Öffnungsreihe 13, in jeder Zumischöffnung 8, angeordnet sind.
  • Fig. 6D zeigt eine Ausbildungsvariante, wobei die Luft-/Gas-Zufuhranordnungen 25 in der weiter stromab angeordneten Öffnungsreihe 13, in jeder zweiten Zumischöffnung 8, angeordnet sind.
  • Fig. 6E zeigt eine Ausbildungsvariante, wobei die Luft-/Gas-Zufuhranordnungen 25 in beiden vorhandenen Öffnungsreihen 13, in jeder Zumischöffnung 8, angeordnet sind.
  • Fig. 6F zeigt eine Ausbildungsvariante, wobei die Luft-/Gas-Zufuhranordnungen 25 in beiden vorhandenen Öffnungsreihen 13, in jeweils jeder zweiten Zumischöffnung 8, angeordnet sind.
  • Fig. 7A bis Fig. 7F zeigen beispielhafte Anordnungen der Zumischöffnung 8 und/oder der Gaszufuhröffnung 150, 190 in ihrer radialen Positionierung relativ zu der Umwandung 5. In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 7A, Fig. 7C, Fig. 7E und Fig. 7F ist die Umwandung 5 beispielhaft doppelwandig ausgebildet, mit der inneren Bewandung 70 und der äußeren Bewandung 50. In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 7B und Fig. 7D ist die Umwandung 5 jeweils beispielhaft einwandig ausgebildet.
  • Bei Fig. 7A und Fig. 7B sind sowohl der jeweilige Auslass 80 der Zumischöffnung 8 als auch die jeweilige Gaszufuhröffnung 150, 190 bündig mit der Umwandung 5 und entsprechend auch bündig zueinander ausgebildet.
  • Bei Fig. 7C und 7D ist jeweils der Auslass 80 der Zumischöffnung 8 bündig mit der Umwandung 5 ausgebildet, während die Gaszufuhröffnung 150, 190 in den Brennraum 101 hinein versetzt ist, d. h. in den Brennraum 101 hineinragt.
  • Bei Fig. 7E und Fig. 7F sind die Auslässe 80 jeweils radial in den Brennraum 101 hinein versetzt, indem die Zumischöffnungen 8 mittels eines Kragens als Luftkanal ausgebildet sind. Bei dem in Fig. 7E gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gaszufuhröffnung 150, 190 bündig mit der Zumischöffnung 8, und damit ebenfalls in die den Brennraum 101 hinein versetzt, ausgebildet. Bei dem in Fig. 7F gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gaszufuhröffnung 150, 190 weiter in den Brennraum 101 hinein versetzt als der Auslass 80 der Zumischöffnung 8.
  • Durch die unterschiedlichen radialen Anordnungen der Zumischöffnungen 8 (mit ihren Auslässen 80) und/oder der Gaszufuhröffnung 150, 190 können unterschiedliche Effekte hinsichtlich Mischung insbesondere mit der Zumischluft 12, 14 und/oder der Hauptströmung innerhalb des Brennraums 101 erreicht werden. Je nach Brennkammerauslegung und/oder Betriebsbedingungen kann die eine oder andere Ausbildungsvariante oder Kombinationen derselbigen vorteilhaft sein. Eine vorteilhafte Auslegungsvariante kann beispielsweise im Prüfstandsbetrieb ermittelt werden.
  • Fig. 8A und Fig. 8B zeigen jeweils eine Ausbildungsvariante einer Luft-/Gas-Zufuhranordnung 25, wobei in der Zumischöffnung 8 um die Gasdüsen 15, 19 zumindest abschnittsweise ein radial umlaufender Luftkanal 21 zur Bildung eines um die Gasdüsen 15, 19 umlaufenden Luftstroms 22 angeordnet ist. Der Luftkanal 21 ist insbesondere koaxial zu der jeweiligen Gasdüse 15, 19 und/oder zu der Zumischöffnung 8 angeordnet. Der Luftkanal 21 trägt zu definierteren Strömungsbedingungen der Luftströmung um den mittels der Gasdüsen 15, 19 zu gegebenem Gasstrom bei, der beispielsweise als eine Art Mantelluft dienen kann.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8A ist der Luftkanal 21 bündig zu dem Auslass 80 der Zumischöffnung 8 und der Gaszufuhröffnung 150, 190 ausgebildet. Bei dem in Fig. 8B gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Luftkanal 21 gegenüber der Zumischöffnung 8 in den Brennraum 101 hinein versetzt, während die Gasdüse 15, 19 noch weiter gegenüber dem Luftkanal 21 in den Brennraum 101 hinein versetzt ist. Möglich ist auch eine einwandige Ausführung der Umwandung 5.
  • Fig. 9A und Fig. 9B zeigen beispielhafte Verhältnisse der Strömungsquerschnitte der Gasdüse 15, 19 bzw. der Gaszufuhröffnung 150, 190 und der Zumischöffnungen 8. Vorliegend sind die Strömungsquerschnitte beispielhaft kreisförmig, bei der Gaszufuhröffnung 150, 190 mit einem Durchmesser D3, bei der ersten Zumischöffnung 8 innerhalb der Luft-/Gas-Zufuhranordnung 25 (vgl. Fig. 9 A) kreisringförmig mit einem (Außen-)Durchmesser D1 (Strömungsquerschnitt mit Fläche A1 ≈ 0,25*Pi*(D12-D32)) und bei einer zweiten Zumischöffnung 8 außerhalb einer Luft-/Gas-Zufuhranordnung 25 kreisförmig mit einem Durchmesser D2 (Strömungsquerschnitt mit Fläche A2 = 0,25*Pi*D22) ausgebildet.
  • Dabei kann innerhalb der Luft-/Gas-Zufuhranordnung 25 der Durchmesser D3 der Gaszufuhröffnung 150, 190 beispielsweise 1/2 bis 1/6 des Durchmessers D1 der Zumischöffnung 8 betragen. Z. B. kann der Durchmesser D1 Zumischöffnung 8 10 mm und der Durchmesser D3 der Gasdüse 15, 19 3 mm betragen. Vorzugsweise werden die Strömungsquerschnitte so ausgelegt, dass über den gesamten Betriebsbereich unter Berücksichtigung eines bei der Auslegung gewählten Druckabfalls über die Brennkammer die Geschwindigkeit des einströmenden Brenngases höher ist als die Geschwindigkeit der einströmenden Zumischluft, die z. B. zwischen 60 m/s und 140 m/s liegt.
  • Bei den in den Figuren 9A und 9B gezeigten Ausführungsbeispielen entspricht der Umriss des ersten Strömungsquerschnitts der ersten Zumischöffnung 8 dem Umriss der zweiten Zumischöffnung 8, wobei aufgrund der kreis(ring-)förmigen Ausbildung der Durchmesser D1 gleich dem Durchmesser D2 ist. Dadurch resultiert eine kleinere Fläche des ersten Strömungsquerschnitts A1 verglichen mit dem zweiten Strömungsquerschnitt A2.
  • Möglich ist auch, den Durchmesser D1 entsprechend größer zu wählen, und zwar derart, dass die Größe des ersten Strömungsquerschnitts A1 der Größe des zweiten Strömungsquerschnitts A2 entspricht. Weiterhin möglich ist es, den ersten Strömungsquerschnitt größer auszugestalten als den zweiten Strömungsquerschnitt, wobei vorliegend beispielhaft der erste Durchmesser D1 sehr viel größer zu wählen ist als der zweite Durchmesser, D2.
  • Fig. 10 zeigt eine Ausbildungsvariante, wobei die Gaszufuhröffnung 150, insbesondere die Gasdüse 15, an der bezüglich der Mittelachse M radial inneren Flammrohrwand 5a angeordnet sind, beispielhaft in der stromauf gelegenen Öffnungsreihe 13. Dazu kann das Gas 16 durch ein geeignetes Bauteil, beispielsweise durch Streben oder Nachleitschaufeln in einem Pre-Diffusor, von außen radial nach innen gebracht werden.
  • Im Betrieb wird der flüssige Kraftstoff über die Kraftstoffdüse 200 in den Brennraum 101 eingebracht. Der gasförmige Kraftstoff wird alternativ oder zusätzlich über die Gasdüsen 15 und gegebenenfalls die Gasdüsen 19 in den Brennraum 101 eingebracht.
  • In einer vorteilhaften Betriebsvariante wird die Kraftstoffdüse 200 zumindest über einen Großteil der Betriebszeit in einem bezüglich Emissionen optimalen Betriebszustand gehalten, das heißt bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis, welches einen minimalen Ausstoß von Ruß, Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und/oder Kohlenstoffdioxid gewährleistet. Der gasförmige Kraftstoff wird dann so variiert, dass ein erforderliches Gesamt-Luft-Kraftstoffverhältnis für den jeweiligen Betriebszustand, insbesondere von Leerlauf über Start bis Reiseflug, eingestellt wird.
  • Durch die vorgeschlagene Brennkammeranordnung 1 kann vorteilhafterweise bei vergleichsweise geringer Komplexität eine hohe Betriebsflexibilität, mit alleinigem Betrieb durch flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff, oder in Kombination beider Kraftstoffe, erreicht werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkammeranordnung
    100
    Brennkammer
    101
    Brennraum
    2
    Stirnseite
    200
    Kraftstoffdüse
    3
    Außengehäuse
    4
    Innengehäuse
    5
    Umwandung
    5a
    innere Flammrohrwand
    5b
    äußere Flammrohrwand
    50
    äußere Bewandung
    6
    Turbinenvorleitrad
    70
    innere Bewandung
    8
    Zumischöffnung
    80
    Auslass
    9
    Luft
    10
    Luft um Brennkammer
    11
    Gemisch
    12
    Zumischluft
    13
    Öffnungsreihe
    14
    Zumischluft
    15
    Gasdüse
    150
    Gaszufuhröffnung
    16
    Gas
    17
    Ringleitung
    17.1
    Segment
    17.2
    Segment
    18
    Kraftstoffanschluss
    18.1
    Kraftstoffanschluss
    19
    Gasdüse
    190
    Gaszufuhröffnung
    20
    Gas
    21
    Luftkanal
    22
    Luftstrom
    23
    Querschnittsverengung
    24
    Auslass
    25
    Luft-/Gas-Zufuhranordnung
    A1
    erster Strömungsquerschnitt
    A2
    zweiter Strömungsquerschnitt
    D1
    Durchmesser
    D2
    Durchmesser
    D3
    Durchmesser
    M
    Mittelachse
    L
    Längsachse
    H
    Höhe
    a
    Abstand

Claims (15)

  1. Brennkammeranordnung (1), insbesondere zum Einsatz in einem Triebwerk eines Luftfahrzeugs, umfassend
    - eine Umwandung (5), die einen entlang einer Längsachse (L) ausgerichteten Brennraum (101) umgrenzt und
    - zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von, eingangsseitig des Brennraums (100) angeordnete/n Kraftstoffdüse/n (200) zur Zugabe von flüssigem Kraftstoff in den Brennraum (101),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Brennkammeranordnung (10) zum Betrieb mit flüssigem und/oder gasförmigem Kraftstoff ausgebildet ist, wobei zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von stromab der Kraftstoffdüse/n (200), an der Umwandung (5), angeordnete Gaszufuhröffnung/en (15, 19) vorhanden sind, mittels welcher gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum (101) einbringbar ist.
  2. Brennkammeranordnung (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Brennkammeranordnung (1) zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von, stromab der Kraftstoffdüse/n (200) in der Umwandung (5) angeordnete Zumischöffnung/en (8) zur Zugabe von Zumischluft (12, 14) in den Brennraum (101) umfasst, und
    dass die Gaszufuhröffnung/en (15, 19) an, ggf. jeweils, einer Gasdüse (150, 190) vorhanden ist, die innerhalb der Zumischöffnung/en (8) angeordnet sind, wobei jeweils zumindest eine Gasdüse (150, 190) mit einer Zumischöffnung (8) eine Luft-/Gas-Zufuhranordnung (25) bildet.
  3. Brennkammeranordnung (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in der jeweiligen Zumischöffnung (8) um die Gasdüse/n (150, 190) zumindest abschnittsweise ein umlaufender Luftkanal (21) zur Bildung eines um die Gasdüse/n (150, 190) umlaufenden Luftstroms angeordnet ist.
  4. Brennkammeranordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Zumischöffnungen (8) in zumindest einer Öffnungsreihe (13) angeordnet sind, wobei pro Öffnungsreihe (13) z Zumischöffnungen (8) vorhanden sind, die an einer einheitlichen axialen Position und vorzugsweise in Umlaufrichtung der Umwandung (5) äquidistant zueinander angeordnet sind.
  5. Brennkammeranordnung (1) nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass pro Öffnungsreihe (13) in jeder oder jeder n-ten Zumischöffnung (8), mit n = 2 bis z, eine Luft-/Gas-Zufuhranordnung (25) gebildet ist, wobei n vorzugsweise die Ordnungszahl eines ganzzahligen Quotienten von z bildet.
  6. Brennkammeranordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere, in axialer Richtung des Brennraums (101) versetzte, Öffnungsreihen (13) vorhanden sind, wobei zumindest eine Luft-/Gas-Zufuhranordnung (25) in zumindest der am weitesten stromab angeordneten Öffnungsreihe (13) angeordnet ist.
  7. Brennkammeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Zumischöffnung/en (8) bezüglich des Brennraums (101) bündig mit der Umwandung (5) ausgebildet sind und/oder gegenüber der Umwandung (5) in den Brennraum (101) hinein versetzt sind.
  8. Brennkammeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Gaszufuhröffnung/en (15, 19) bezüglich des Brennraums (101) bündig mit der Umwandung (5) ausgebildet sind und/oder gegenüber der Umwandung (5), und/oder ggf. der jeweiligen Zumischöffnung (8), in den Brennraum (101) hinein versetzt sind.
  9. Brennkammeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest eine Zumischöffnung (8) in einer Luft-/Gas-Zufuhranordnung (25) vorhanden ist, die einen ersten Strömungsquerschnitt (A1) aufweist, und dass zumindest eine Zumischöffnung (8) ohne Luft-/Gas-Zufuhranordnung (25) vorhanden ist, die einen zweiten Strömungsquerschnitt (A2) aufweist, wobei
    - die Größe des ersten Strömungsquerschnitts (A1) der Größe des zweiten Strömungsquerschnitts (A2) entspricht und/oder
    - die Größe des ersten Strömungsquerschnitts (A1) größer ist als die Größe des zweiten Strömungsquerschnitts (A2) und/oder
    - der Umriss des ersten Strömungsquerschnitts (A1) dem Umriss des zweiten Strömungsquerschnitts (A2) entspricht.
  10. Brennkammeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Brennraum (101) ringförmig umlaufend um eine Mittelachse (M) ausgebildet ist, wobei die Umwandung (5) eine radial innere Flammrohrwand (5a) und eine radial äußere Flammrohrwand (5b) aufweist.
  11. Brennkammeranordnung (1) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Gaszufuhröffnung/en (15, 19), insbesondere die Gasdüse/n (15, 19), an der radial inneren Flammrohrwand (5a) und/oder an der radial äußeren Flammrohrwand (5b) angeordnet ist/sind.
  12. Brennkammeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein axialer Abstand a der Gaszufuhröffnung/en (15, 19), und/oder ggf. der Zumischöffnung/en (8), von der oder den eingangsseitigen Kraftstoffdüse/n (200) zwischen 0,2 und 1,5, vorzugsweise zwischen 0,3 und 1,0 mal einer Höhe H des Brennraums (100) beträgt.
  13. Brennkammeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine segmentierte Gas-Sammelleitung (17) zur Gas-Versorgung der Gaszufuhröffnung/en (15, 19) vorhanden ist, wobei jedem Segment (17.1, 17.2) ein separater Kraftstoffanschluss (18, 18.1) zugeordnet ist.
  14. Gasturbinenanordnung mit einer Turbinenanordnung und einer Brennkammeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  15. Verfahren zum Betreiben einer Brennkammeranordnung (1), die insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist, bei dem flüssiger Kraftstoff über zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von, eingangsseitig an einem Brennraum (101) angeordneten Kraftstoffdüse/n (200) in den Brennraum (101) zugegeben wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in den Brennraum (101) zusätzlich oder alternativ zu dem flüssigen Kraftstoff gasförmiger Kraftstoff über zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von, stromab der Kraftstoffdüse/n (200) an der Umwandung (5) angeordneten Gaszufuhröffnung/en (15, 19) zugegeben wird.
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