DE102007050276A1

DE102007050276A1 - Magervormischbrenner für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102007050276A1
Application number: DE200710050276
Authority: DE
Inventors: Ralf Sebastian von der Dr.-Ing. Bank
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2009-04-23
Also published as: EP2051010B1; US20090100837A1; US8910483B2; DE502008000175D1; EP2051010A1

Abstract

Ein Magervormischbrenner für ein Gasturbinentriebwerk, der einen ringförmigen Zentralkörper (3) mit sich konisch erweiterndem, über eine Verteilerringkammer (14) und Brennstoffkanäle (12) mit Brennstoff versorgtem Brennstofffilmleger (11) sowie am Außen- und Innenumfang vorgesehenen, mit Drallelementen (8, 10) versehenen Luftführungsringkanälen (7, 9) umfasst, weist eine auf den Brennstofffilmleger (11) aufgesetzte Brennstofffilmlegerlippe (12) auf, wobei der stromab der Drallelemente (8, 10) liegende Abschnitt der Luftführungsringkanäle (7, 9) zur Beschleunigung der entsprechend der Luftströmungsrichtung verdrallten Luft verjüngt ist. Dadurch wird der Brennstoff zwangsweise - ohne zwischenzeitliches Abreißen und Ausbildung von Druckschwingungen - bis zu einer definierten Abrisskante (16) geleitet und eine gute Durchmischung, ein hoher Ausbrand sowie eine verminderte Stickoxidbildung erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magervormischbrenner für ein Gasturbinentriebwerk, der einen ringförmigen Zentralkörper mit sich konisch erweiterndem, über eine Verteilerringkammer und Brennstoffkanäle mit Brennstoff versorgtem Brennstofffilmleger sowie am Außen- und Innenumfang vorgesehene Luftführungsringkanäle mit Drallelementen umfasst.
Brennkammern von Gasturbinentriebwerken können mit Magervormischbrennern ausgerüstet werden, um in der Brennkammer ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit hohem Luftanteil und niedriger Verbrennungstemperatur bei entsprechend geringer Stickoxidbildung verbrennen zu können. Um die Zündung des mageren Luft-Brennstoff-Gemisches jederzeit, zum Beispiel auch bei niedrigen Außentemperaturen und entsprechend ungünstigem Verdampfungsverhalten, gewährleisten zu können, ist es weiterhin bekannt, den Brenner mit einem zentrisch angeordneten Stützbrenner und mit einem Flammenstabilisator zu kombinieren. Derartige Brenner können auch, wie beispielsweise in der EP 1 801 504 beschrieben, mit einer ringförmigen Zerstäuberlippe, die eine umlaufende Brennstofffilmlegefläche aufweist, versehen sein. Auf die Filmlegefläche wird – über an dieser mündende Zuführungskanäle gleichmäßig verteilt – ein stetiger Brennstofffilm aufgebracht, der mit einem konzentrischen, über Drallelemente verwirbelten Luftstrom beaufschlagt wird. Auf diese Weise kann eine hohe Zerstäubungswirkung und eine intensive Vermischung von Luft und Brennstoff erzielt werden. Ein weiterer Verbrennungsluftstrom wird über einen ringförmigen, mit Verwirbelungselementen ausgerüsteten Luftkanal am Außenumfang der Zerstäuberlippe des Brenners zugeführt.
An der üblicherweise glatten Filmlegefläche ist jedoch ein gutes Anlegen des Brennstofffilms nicht mit Sicherheit gewährleistet, das heißt, der Luftstrom und damit der Brennstofffilm kann sich von der Filmlegefläche ablösen, und zwar insbesondere dann, wenn die Strömung an der Zerstäuberlippe verzögert ist, also konkave Stromlinien aufweist. Infolgedessen kommt es zu einer ungleichförmigen, am Umfang punktförmigen Brennstoffverteilung. Darüber hinaus führt das Ablösen der Strömung und des Brennstofffilms von der Filmlegefläche der Zerstäuberlippe zu turbulenten Instabilitäten, aus denen sich Druckschwingungen mit hoher Amplitude entwickeln können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magervormischbrenner der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass an der Filmlegefläche ein stabiler, gleichmäßig verteilter Brennstofffilm erzeugt wird, der an der Abrisskante gleichmäßig abreißt und einen feinen Tröpfchennebel bildet, um eine ruhige Verbrennung bei niedriger Temperatur, geringer Stickoxidbildung und gutem Ausbrand zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Magervormischbrenner gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Anordnung einer an den Brennstofffilmleger anschließenden Brennstofffilmlegerlippe. Der Strömungsquerschnitt der stromab der Drallelemente liegenden Luftführungskanäle verringert sich zur Austrittsseite hin, so dass die entsprechend der Strömungsrichtung des Brennstofffilms verdrallte Luft entlang der Filmlegefläche beschleunigt wird und dadurch den am Brennstofffilmleger aufgebrachten Brennstofffilm ständig an die gesamte Filmlegefläche drückt und dabei zwangsweise und ohne zwischenzeitliches Ablösen bis zu einer am freien Ende der Brennstofflegerlippe gebildeten Abrisskante transportiert. Die in dem der Filmlegefläche gegenüberliegenden Luftführungskanal strömende verdrallte Luft wird ebenfalls aufgrund eines sich allmählich verringernden Kanalquerschnitts beschleunigt und sorgt dafür, dass der Brennstofffilm tatsächlich auch an der Abrisskante abreißt und nach dem Abreißen bei verminderter turbulenter Anregung eine gute Vermischung des gleichmäßig an der Abrisskante austretenden Brennstoffs in dem Scherungsbereich zwischen den beiden benachbarten, gleich- oder gegensinnig verdrallten und mit hoher Geschwindigkeit austretenden, ringförmigen Luftschichten gewährleistet ist. Aufgrund der Zwangskonvektion des Brennstoffs wird dessen unkontrolliertes Aufreißen an der Brennstofflegefläche verhindert, so dass das Auftreten von Turbulenzen und Druckschwingungen deutlich reduziert wird. Somit ist eine ruhige Verbrennung bei niedriger Temperatur, geringer Stickoxidbildung und gutem Ausbrand gewährleistet.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung münden die Brennstoffkanäle in einem Winkel gleich oder größer als 90° an der Filmlegefläche. Zudem wird der Brennstoff über schräg gerichtete Öffnungen in die an der Filmlegefläche mündenden Brennstoffkanäle eingeführt und dadurch eine Drallwirkung erzeugt. Die Drallrichtung des Brennstoffs stimmt mit der Drallrichtung der auf den Brennstofffilm wirkenden verdrallten Luft überein. Dadurch wird der abrissfreie Transport des Brennstofffilms zur Abrisskante weiter begünstigt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das freie Ende der Brennstofflegerlippe gerade geschnitten, das heißt nicht gerundet ausgeführt, so dass eine definierte Abrisskante für den Brennstofffilm gebildet wird. Der Brennstoff kann daher nicht zur gegenüberliegenden Seite fließen. Daran wird er auch durch den verdrallten, beschleunigten Luftstrom an der der Abrisskante gegenüberliegenden Seite gehindert.
Die Drallelemente in den beiden Luftführungskanälen sind so ausgebildet, dass die Luftschichten an der Filmlegefläche und der dieser gegenüberliegenden Fläche Bleich- oder gegensinnig verdrallt sind. Zur Bildung der verdrallten Luftschichten werden Leitschaufelkränze eingesetzt, deren Schaufeln aerodynamisch geformt sind.
Vorzugsweise wird der Brennstofffilm an der Innenfläche der Brennstofffilmlegerlippe transportiert. Es ist aber auch denkbar, den Brennstofffilm an der Außenfläche der Brennstofflegerlippe oder auch an beiden Flächen gleichzeitig zu erzeugen. Zudem kann die der Brennstofffilmlegerlippe an der Innen- und der Außenfläche zugeführte Brennstoffmenge unterschiedlich groß sein. Die zum Brennstofffilmleger führenden Brennstoffkanäle können ganz oder teilweise mit Brennstoff gefüllt sein.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst der Magervormischbrenner einen V-Flammenstabilisator, wobei die obere Kante der äußeren Flanke des Flammenstabilisators in einem Bereich liegen kann, der sich vom Brennstofffilmleger bis oberhalb der Abrisskante der Brennstofffilmlegerlippe erstrecken kann.
Die Abrisskante der Brennstofffilmlegerlippe kann in einem Bereich von stromauf bis stromab der Vorderseite des Außenrings des Brenners liegen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Stützbrenner als Druckzerstäuber oder Luftbläserzerstäuber oder als Kombination aus beiden ausgebildet.
Die Bauteile des erfindungsgemäßen Magervormischbrenners bestehen aus warmfestem Stahl, Keramiken und Keramik-Stahl-Verbunden. Denkbar sind weiterhin Ausführungen aus Nichteisenmetallen und Kunststoffen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Magervormischbrenners mit einer an den Brennstofffilmleger angefügten Brennstofffilmlegerlippe; und
2 eine vergrößerte schematische Darstellung im Bereich des Brennstofffilmlegers und der angefügten Brennstofffilmlegerlippe.
Der in der Zeichnung schematisch wiedergegebene, in eine Brennkammerwand 1 eingebundene Magervormischbrenner 2 weist einen ringförmigen Zentralkörper 3 auf, der von einem Außenring 4 umgeben ist und der einen zentrisch angeordneten, von einem V-Flammenstabilisator 5 umgebenen Stützbrenner 6 umfasst. Zwischen dem Zentralkörper 3 und dem Außenring 4 ist ein erster ringförmiger Luftführungskanal 7 mit ersten Drallelementen 8 gebildet, und zwischen dem Zentralkörper 3 und dem V-Flammenstabilisator 5 befindet sich ein ringförmiger zweiter Luftführungskanal 9 mit zweiten Drallelementen 10. Der zur Brennkammer weisende, konisch erweiterte Endabschnitt des Zentralkörpers 3 stellt einen Brennstofffilmleger 11 dar, der eine glatte Innenfläche mit einer Vielzahl von an dieser mündenden Brennstoffkanälen 12 aufweist. Die Zuführung des Brenn stoffs zu den Brennstoffkanälen 12 erfolgt über eine an eine Versorgungsleitung 13 angeschlossene, im Zentralkörper 3 vorgesehene Verteilerringkammer 14. Am oberen Rand des Zentralkörpers 3 ist eine sich an den Brennstofffilmleger 11 anschließende Brennstofffilmlegerlippe 15 angebracht.
Die Brennstoffzuführung in die Verteilerringkammer 14 erfolgt, wie 2 zeigt, über schräg gegen deren Außenwand gerichtete Öffnungen 17, so dass der Brennstoff gleichmäßig entlang der Außenwand der Brennstoffkanäle 12 an die Oberfläche des Brennstofffilmlegers 11 gelangt. Die Brennstoffkanäle 12 sind zur Oberfläche des Brennstofffilmlegers 11 in einem Winkel γ >> 90° so ausgerichtet, dass der Brennstoff in einem großen Radius R unmittelbar auf die Oberfläche des Brennstofffilmlegers 11 umgelenkt und ein gleichmäßiger Brennstofffilm erzeugt wird.
Die ersten und zweiten Drallelemente 8 und 10 umfassen jeweils einen aus aerodynamisch geformten Schaufeln bestehenden Schaufelkranz (nicht dargestellt), so dass ein gleichmäßiger Luftstrom an den Brennstofffilmleger und die Brennstofffilmlegerlippe – und damit den Brennstofffilm – gelegt wird. Der erste und der zweite ringförmige Luftführungskanal 7 und 9 hat zudem eine sich hinter den Drallelementen 8 und 10 allmählich verringernde Querschnittfläche, so dass die Luft beschleunigt wird und somit den Brennstofffilm zwangsweise bis zur Abrisskante 16 am oberen Rand der Brennstofffilmlegerlippe 15 transportiert. Aufgrund der Geschwindigkeitserhöhung eines stetig auf den Brennstofffilm wirkenden stabilen Luftstroms wird der Brennstofffilm ständig an die Filmlegefläche gedrückt und beschleunigt und kann somit ohne Ablöseerscheinungen und Turbulenzinstabilitäten bis zur Abrisskante 16 gelangen.
Außerdem sorgt die an der Rückseite der Brennstofffilmlegerlippe 15 wirkende erste Drallluft dafür, dass der Brennstofffilm nicht um das freie Ende der Brennstofffilmlegerlippe herum strömen kann und tatsächlich abreißt. Um das Abreißen des Brennstofffilms am freien Ende der Brennstofffilmlegerlippe 15 zu gewährleisten, wird dort eine Abrisskante 16 gebildet, indem die Spitze eine – keinesfalls gerundete – gerade, in einem bestimmten Winkel zur Filmlegefläche ausgerichtete Fläche bildet.
Wie die Zeichnung zeigt, ist der Luftaustrittsquerschnitt im ersten Luftführungskanal 7 hinter dem ersten Drallelement 8 kleiner als der Luftaustrittsquerschnitt im zweiten Luftführungskanal 9 hinter dem zweiten Drallelement 10. Darüber hinaus kann die Verdrallung der Luft am ersten Drallelement 8 gleich oder kleiner als die Verdrallung am zweiten Drallelement 10 sein. Der Geschwindigkeitsunterschied und der unterschiedliche Luftmassenstrom zwischen der über den ersten und zweiten Luftführungskanal 7 und 9 zugeführten ersten und zweiten Drallluft sorgen dann nach dem Abreißen des Brennstofffilms an der Abrisskante 16 für eine intensive Vermischung zwischen dem Brennstoff und der Luft. Die zuvor geschilderten Maßnahmen schaffen letztlich die Voraussetzungen für eine ruhige Verbrennung, eine gute Temperaturverteilung, einen hohen Ausbrand und eine niedrige Stickoxidbildung.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Luft im ersten Drallelement 8 entgegen der Drallrichtung der Luft im zweiten Drallelement 10 verdrallt (Gegendrall). Es ist aber auch möglich, dass die Luft im ersten und zweiten Luftführungskanal 7, 9 in gleicher Richtung verdrallt wird (Gleichdrall).

1: Brennkammerwand
2: Magervormischbrenner
3: Zentralkörper
4: Außenring
5: Flammenstabilisator
6: Stützbrenner
7: erster Luftführungskanal
8: erstes Drallelement
9: zweiter Luftführungskanal
10: zweites Drallelement
11: Brennstofffilmleger
12: Brennstoffkanal
13: Versorgungsleitung
14: Verteilerringkammer
15: Brennstofffilmlegerlippe
16: Abrisskante
17: Brennstoffzuführungsöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1801504 [0002]

Claims

Magervormischbrenner für ein Gasturbinentriebwerk, der einen ringförmigen Zentralkörper (3) mit sich konisch erweiterndem, über eine Verteilerringkammer (14) und Brennstoffkanäle (12) mit Brennstoff versorgten Brennstofffilmleger (11) sowie am Außen- und Innenumfang vorgesehene erste und zweite Luftführungsringkanäle (7, 9) mit ersten und zweiten Drallelementen (8, 10) umfasst und einen V-Flammenstabilisator (5) sowie einen Stützbrenner (6) aufweist, gekennzeichnet durch eine auf den Brennstofffilmleger (11) aufgesetzte Brennstofffilmlegerlippe (15), wobei der stromab der Drallelemente (8, 10) liegende Teil der Luftführungsringkanäle (7, 9) zur Beschleunigung der verdrallten Luft in Strömungsrichtung verjüngt ausgebildet ist und die Drallrichtung der auf den Brennstofffilm wirkenden Luft dessen Strömungsrichtung entspricht.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Brennstoffkanäle (12) oder eine diesen vorgeschaltete Verteilerringkammer (14) mündende Öffnungen (17) zur Erzeugung eines Dralls, der mit der Drallrichtung der auf den Brennstofffilm wirkenden Luft übereinstimmt, schräg auf die Kanalwand gerichtet sind.
Magervormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkanäle (12) in einem stumpfen Winkel zur Brennstofffilmlegefläche ausgerichtet sind.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende der Brennstofffilmlegerlippe (15) zur Ausbildung einer definierten Abrisskante (16) für den Brennstofffilm als ebene, gegenüberliegende Kanten bildende Fläche ausgebildet ist.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt im ersten und im zweiten Luftführungsringkanal (7, 9) zur Erzielung einer bestimmten Luftverteilung unterschiedlich ist.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Drallelemente (8, 10) einen Schaufelkranz aus aerodynamisch geformten Leitschaufeln umfassen.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallelemente (8, 10) zur Erzeugung einer gleichsinnigen oder einer gegensinnigen Drallrichtung in den Luftführungskanälen (7, 9) ausgebildet sind.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Brennstofffilms die Innenfläche und/oder die Außenfläche des Brennstofffilmlegers (11) und der Brennstofffilmlegerlippe (15) vorgesehen sind/ist.
Magervormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkanäle (12) sowohl an der Innenfläche als auch an der Außenfläche des Brennstofffilmlegers (11) oder der Brennstofffilmlegerlippe (15) münden und jeweils gleiche oder unterschiedliche Brennstoffmengen zuführbar sind.
Magervormischbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkanäle (12) teilweise oder vollständig mit Brennstoff gefüllt sind.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützbrenner (6) als Druckzerstäuber oder Luftbläserzerstäuber oder eine Kombination aus diesen ausgebildet ist.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Kante der äußeren Flanke des V-Flammenstabilisators (5) in einem Bereich endet, der sich bis oberhalb der Abrisskante (16) der Brennstofffilmlegerlippe (15) erstreckt.
Magervormischbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die am freien Ende der Brennstofffilmlegerlippe (15) gebildete/n Abrisskante/n (16) in einem Bereich von stromauf bis stromab der Vorderseite eines Außenrings (4) des Brenners liegt/liegen.