DE102010019773A1

DE102010019773A1 - Magervormischbrenner eines Gasturbinentriebwerks mit Strömungsleitelement

Info

Publication number: DE102010019773A1
Application number: DE102010019773A
Authority: DE
Inventors: Imon-Kalyan Bagchi; Waldemar Lazik
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2011-11-10
Also published as: US8943829B2; US20110271681A1; EP2385306A2; EP2385306A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magervormischbrenner eines Gasturbinentriebwerks, mit einem im Wesentlichen zu einer Brennermittelachse 1 konzentrischen ringförmigen Zentralkörper 2, welcher mit einem an einer Brennaustrittsseite sich konisch erweiternden Filmleger 3 verbunden ist, sowie mit einem konzentrisch zur Brennermittelachse 1 angeordneten, zumindest den Filmleger 3 mit einem Abstand umgebenden Außenring 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zwischen dem Außenring 4 und den Filmleger 3 gebildeten Ringraum 5 ein ringförmiges Strömungsleitelement 6 angeordnet ist, welches in Axialrichtung des Ringkanals 5 zumindest zum Teil außerhalb des Außenrings 4 angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magervormischbrenner eines Gasturbinentriebwerks gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf einen Magervormischbrenner eines Gasturbinentriebwerks mit einem im Wesentlichen zu einer Brennermittelachse konzentrischen, ringförmigen Zentralkörper, welcher einen mit einer Versorgungsleitung verbundenen Ringkanal aufweist und mit einem an einer Brennstoffaustrittsseite sich konisch erweiternden Filmleger, in dessen radial nach innen weisendem Bereich zumindest eine mit dem Ringkanal verbundene Brennstoffaustrittsöffnung mündet.
Brennkammern von Gasturbinentriebwerken können mit Magervormischbrennern ausgerüstet werden, um in der Brennkammer ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit hohem Luftanteil und niedriger Verbrennungstemperatur sowie entsprechend reduzierter Stickoxidbildung verbrennen zu können. Um die Zündung des mageren Luft-Brennstoff-Gemisches jederzeit, zum Beispiel auch bei niedrigen Außentemperaturen und entsprechend ungünstigem Verdampfungsverhalten, zu gewährleisten, ist es bekannt, den Magerbrenner (Hauptbrenner) mit einem zentrisch in diesen integrierten Stützbrenner zu kombinieren.
Darüber hinaus sind – beispielsweise aus der US 6 560 964 B2 – Brenner mit einer – auch als Filmleger bezeichneten – Zerstäuberlippe bekannt. Die ringförmige Zerstäuberlippe, auf der ein stetiger, mit einem konzentrischen Luftstrom beaufschlagter Brennstofffilm erzeugt wird, bewirkt eine deutliche Verbesserung der Zerstäubungswirkung und der Vermischung von Brennstoff und Luft.
Derartige Brenner können, 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.
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 strähenhaften oder 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 durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zwischen einem Außenring und dem Filmleger in dem zwischen diesen gebildeten Ringkanal ein ringförmiges Strömungsleitelement angeordnet ist, welches in Axialrichtung des Ringkanals zumindest zum Teil außerhalb des Außenrings und/oder des Filmlegers angeordnet ist. Das Strömungsleitelement steht somit aus dem Ringkanal in Strömungsrichtung in den Brennkammerinnenraum über. Das Strömungsleitelement bildet somit ein aerodynamisches Strömungsfeld aus, welches zu einer verbesserten Atomisierung des Brennstoffs führt. Dies wird erzielt durch eine direkte Führung der zur Atomisierung dienenden Strömung, um die Strömung entlang des Filmlegers zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Strömungsleitelement kann in unterschiedlichsten Ausgestaltungen ausgebildet und angeordnet werden, abhängig von der jeweiligen Bauart des Magervormischbrenners. Dabei ist es besonders günstig, wenn das Strömungsleitelement stromab eines Drallelements angeordnet ist. Das Drallelement ist beispielsweise in dem Ringkanal stromauf des Strömungselements vorgesehen. Es kann jedoch auch radial innen oder radial außen direkt angrenzend an das Strömungsleitelement ausgebildet sein.
Besonders günstig ist es, wenn das Strömungsleitelement im Querschnitt mit einer konvexen, radial zur Brennermittelachse weisenden Kontur versehen ist, während die gegenüberliegende Seite bevorzugt mit einer konkaven Kontur versehen ist. Somit ist das Strömungsleitelement strömungstechnisch optimiert und im Querschnitt strömungsgünstig optimiert, wie etwa ein Flächenprofil eines Flugzeugflügels. Es ergibt sich somit, dass eine Unterseite, an welcher ein Unterdruck herrscht, dem Filmleger zugewandt ist, so dass die an dem Filmleger entlanggeführte Strömung mitsamt den Brennstofftröpfchen beschleunigt wird. Dies führt zu einer guten Atomisierung des Brennstoffs. Die rückseitige Strömung (radial außenliegend) des Strömungsleitelements bewirkt eine verbesserte Gesamtströmung durch den Brenner.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Strömungselement mit einem sich in Strömungsrichtung erweiternden Querschnitt versehen ist. Der hierdurch gebildete Winkel zur Brennermittelachse kann somit dem Öffnungswinkel des Brenners gleich sein, so dass sich entlang des Filmlegers und, in Strömungsrichtung folgend, entlang des Strömungsleitelements eine gleichmäßige Erweiterung und damit eine günstige Strömung ergeben. Der Öffnungswinkel des Strömungsleitelements kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung auch geringfügig größer sein als der Öffnungswinkel des Filmlegers. Hierdurch ergeben sich bessere Zündcharakteristiken.
Die über die Ebene des Filmlegers, bezogen auf eine senkrecht zur Brennermittelachse liegende Ebene, in welcher die Abrisskante des Filmlegers angeordnet ist, überstehende Länge des Strömungsleitelements, führt zu einem strömungstechnischen Schutz der Lippe des Filmlegers und schützt diesen auch mechanisch.
Durch die kreisringförmige Ausgestaltung des Strömungsleitelements wird die Drallrichtung der Strömung nicht beeinträchtigt, so dass optimierte Strömungsverhältnisse sichergestellt werden können.
Erfindungsgemäß kann das Strömungsleitelement an dem Außenring gelagert sein, es ist auch möglich, dieses an dem Filmleger oder an einem diesen umgebenden Hitzeschild zu lagern. Die Lagerung des Strömungsleitelements kann über aerodynamische geformte Streben erfolgen. Diese Streben können zu einer nichtverdrallten Strömung auf der Lagerungsseite des Strömungsleitelements führen, so dass sich dort eine Verbesserung der Strömung zusammen mit einer verbesserten Atomisierung ergibt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine vereinfachte Teil-Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Magervormischbrenners,
2 eine vergrößerte Detailansicht des in 1 markierten Bereichs, und
3–8 abgewandelte Ausführungsbeispiele des Strömungsleitelements in einer Ansicht analog 2.
Der in 1 dargestellte Magervormischbrenner weist eine Brennermittelachse 1 auf, zu welcher die Bauelemente im Wesentlichen konzentrisch angeordnet sind. Der Magervormischbrenner weist einen Stützbrenner 13 auf, welcher gemäß dem Stand der Technik ausgebildet ist und welchem durch eine Brennstoffleitung 14 Brennstoff zugeführt wird. Der Stützbrenner 13 ist von Drallelementen 15 umgeben, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zentrisch zu dem Stützbrenner 13 ist ein Flammenstabilisator 16 vorgesehen, welcher ebenfalls gemäß dem Stand der Technik ausgebildet ist, so dass auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann. Radial außerhalb des Flammenstabilisators 16 ist ebenfalls zumindest ein Drallelement 17 angeordnet. Radial außerhalb des Drallelements 17 und konzentrisch zur Brennermittelachse 1 weist der erfindungsgemäße Magervormischbrenner einen ringförmigen Zentralkörper 2 auf, in welchem eine Versorgungsleitung 18 für Brennstoff ausgebildet ist. Die Versorgungsleitung 18 mündet in einen Ringkanal 19, durch den Brennstoff durch zumindest eine Brennstoffaustrittsöffnung 20 austreten kann.
Der ringförmige Zentralkörper 2 bildet einen Filmleger 3, der konisch ausgebildet ist und sich radial in Strömungsrichtung nach außen erweitert. Radial nach innen weisend ist an dem Filmleger 3 eine Filmlegerfläche ausgebildet, welche in Axialrichtung an einer Zerstäuberlippe 12 (Abströmkante) endet.
Radial außerhalb des Filmlegers 3 bzw. des ringförmigen Zentralkörpers 2 ist zumindest ein Drallelement 7 angeordnet, welches radial außerhalb von einem Außenring 4 begrenzt wird.
Zwischen dem Außenring 4 und dem Zentralkörper 2 ist, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Hitzeschildes 9 ein Ringkanal 5 ausgebildet. In diesem Ringkanal 5 befindet sich das Drallelement 7. Stromab des Drallelements (siehe das Ausführungsbeispiel der 2) ist ein ringförmiges Strömungsleitelement 6 angeordnet. Dieses ist mittels Streben 21, welche einen strömungsoptimierten Querschnitt aufweisen können, an dem Außenring 4 gelagert.
Das ringförmige Strömungsleitelement 6 weist einen strömungsflügelartigen Querschnitt auf, so wie dies beispielsweise in 2 dargestellt ist. Es ergibt sich somit eine radial außenliegende konkave Seite, während die radial nach innen weisende Seite konvex ausgebildet ist. Hierdurch erfolgt eine Beschleunigung der Strömung, die an der radial nach innen weisenden konvexen Kontur 8 vorbeiströmt. Diese vermischt sich mit der Filmlegerströmung 22 und erzeugt einen Unterdruck, wodurch der aus der Brennstofföffnung 20 austretende Brennstoff zusammen mit der Filmlegerströmung 22 beschleunigt und verbessert atomisiert wird.
Die 3 bis 8 zeigen abgewandelte Detaillösungen. Dabei zeigt die 3 eine Darstellung analog 2, bei welcher insbesondere der Öffnungswinkel des Strömungsleitelements 6 im Wesentlichen gleich dem Öffnungswinkel des Filmlegers 3 ist, wobei jedoch das Strömungsleitelement 6 einen größeren Durchmesser aufweist.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Strömungsleitelement 6 mittels Streben radial innen an dem Hitzeschild 9 gelagert.
Die 5 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei welchem das Strömungsleitelement über äußere Streben 21 an dem Außenring 4 gelagert ist und an seiner radialen Außenseite ein Drallelement 10 aufweist. Stromab des Strömungsleitelements 6 sind keine Streben vorgesehen. Dies führt zu einer nichtverdrallten Luftströmung an der Innenseite des Strömungsleitelements, um die Atomisierung zu verbessern. Die Luftströmung weist dabei einen höheren dynamischen Druck auf, da der gesamte Druckabfall über die Luftpassage erfolgt, ohne dass sich Verluste an Streben ergeben. Es ergibt sich somit eine gute Homogenität der Brennstoffatomisierung in Umfangsrichtung. Das Ausführungsbeispiel der 6 zeigt eine in Strömungsrichtung verlängerte Ausgestaltung des Strömungsleitelements 6. Dieses weist beidseitig jeweils ein Drallelement 10 bzw. 11 auf. Hierdurch können gezielt die Geschwindigkeitsverteilungen ober- oder unterhalb des Strömungsleitelements kontrolliert werden.
Die 7 zeigt ein Ausgestaltungsbeispiel, bei welchem die Abströmkante des Strömungsleitelements im Querschnitt gegabelt ausgebildet ist, so dass sich zwei Abrisskanten ergeben. Es ergibt sich somit zwischen den beiden Strömungen eine Verwirbelungszone welche eine verstärkte Dispersion des Sprays hervorruft, so wie dies 7 zeigt.
Die 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, analog 3. Dabei führt der dünnere Querschnitt des Strömungsleitelements zu einer Erwärmung des Brennstoffs in Richtung auf die Zerstäuberlippe/Abrisskante 12, wodurch die Filmbildung und die Atomisierung verbessert werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennermittelachse
2: Zentralkörper
3: Filmleger
4: Außenring
5: Ringkanal
6: Strömungsleitelement
7: Drallelement
8: konvexe Kontur
9: Hitzeschild
10: Drallelement
11: Drallelement
12: Abströmkante/Zerstäuberlippe
13: Stützbrenner
14: Brennstoffleitung
15: Drallelement
16: Flammenstabilisator
17: Drallelement
18: Versorgungsleitung
19: Ringkanal
20: Brennstoffaustrittsöffnung
21: Strebe
22: Filmlegerströmung

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

US 6560964 B2 [0004]
EP 1801504 [0005]

Claims

Magervormischbrenner eines Gasturbinentriebwerks, mit einem im Wesentlichen zu einer Brennermittelachse (1) konzentrischen ringförmigen Zentralkörper (2), welcher mit einem an einer Brennaustrittsseite sich konisch erweiternden Filmleger (3) verbunden ist, sowie mit einem konzentrisch zur Brennermittelachse (1) angeordneten, zumindest den Filmleger (3) mit einem Abstand umgebenden Außenring (4), dadurch gekennzeichnet, dass in einem zwischen dem Außenring (4) und den Filmleger (3) gebildeten Ringraum (5) ein ringförmiges Strömungsleitelement (6) angeordnet ist, welches in Axialrichtung des Ringkanals (5) zumindest zum Teil außerhalb des Außenrings (4) angeordnet ist.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (6) stromab eines in dem Ringkanal (5) angeordneten Drallelements (7) angeordnet ist.
Magervormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (6) mit einer konvexen, radial zur Brennermittelachse (1) weisenden Kontur versehen ist.
Magervormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (6) an dem Außenring (4) gelagert ist.
Magervormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (6) an dem Filmleger (3) oder an einem diesen umgebenden Hitzeschild (9) gelagert ist.
Magervormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (6) an seiner radial nach außen weisenden Seite konkav ausgebildet ist.
Magervormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass radial innen und/oder außen an dem Strömungsleitelement (6) ein Drallelement (10, 11) angeordnet ist.
Magervormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abströmkante (12) am abströmseitigen Ende des Strömungsleitelements (6) ausgebildet ist.
Magervormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das abströmseitige Ende des Strömungsleitelements (6) mit mehreren Abströmkanten versehen ist.
Magervormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Strömungsleitelement (6) mit einem sich in Strömungsrichtung erweiternden Querschnitt versehen ist.