DE102011116317A1 - Magervormian burner of an aircraft gas turbine engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Magervormischbrenner eines Fluggasturbinentriebwerks mit einem zentrisch angeordneten Stützbrenner 29 und einem diesen ringartig umgebenden Hauptbrenner 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützbrenner 29 einen Primärbrennstoffkanal 31 und einen Sekundärbrennstoffkanal 32 aufweist, welche unabhängig voneinander mit Brennstoff versorgt werden können.The invention relates to a lean burn burner of an aircraft gas turbine engine with a centrically arranged support burner 29 and a main burner surrounding this annular main burner 30, characterized in that the support burner 29 has a primary fuel passage 31 and a secondary fuel passage 32, which can be supplied with fuel independently.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Magervormischbrenner eines Fluggasturbinentriebwerks mit einem zentrisch angeordneten Stützbrenner und einem diesen ringartig umgebenden Hauptbrenner.The invention relates to a lean burn burner of an aircraft gas turbine engine with a centrally arranged support burner and a torch surrounding this annular main burner.
Es ist bekannt, bei Magervormischbrennern zwei Brennstoffzerstäuber zu verwenden, nämlich einen Stützbrenner und einen Hauptbrenner. Der Stützbrenner ist zentrisch in dem Hauptbrenner angeordnet. Der Stützbrenner ist dabei üblicherweise als Druckdrallzerstäuber ausgebildet. Der Magervormischbrenner umfasst dabei zwei Brennstoffleitungen, um den Stützbrenner und den Hauptbrenner zu versorgen. Im Betrieb wird der Stützbrenner zum Zünden des Fluggasturbinentriebwerks und bei niedrigen Lastbedingungen verwendet, während der Hauptbrenner bei Teillast in Betrieb genommen wird und bis zur Maximallast im Einsatz ist. Der Stützbrenner ist dabei für den Zündvorgang sowie für eine stabile Verbrennung während der Startphase des Triebwerks ausgebildet. Das erfordert eine relativ kleine Durchflusszahl im Fall des Druckdrallzerstäubers. Dies steht im Widerspruch zu der Notwendigkeit, den Stützbrenner für einen größeren Betriebsbereich bis zum Übergang zu großen Brennstoff-Massenströmen zu verwenden.It is known to use two fuel atomizers in lean burn burners, namely a support burner and a main burner. The support burner is arranged centrally in the main burner. The support burner is usually designed as Druckdrallzerstäuber. The lean burn burner includes two fuel lines to supply the support burner and the main burner. In operation, the backup burner is used to ignite the aircraft gas turbine engine and at low load conditions, while the main burner is operated at partial load and is used up to maximum load. The support burner is designed for the ignition process and for a stable combustion during the starting phase of the engine. This requires a relatively small flow rate in the case of the pressure swirl atomizer. This is in contrast to the need to use the support burner for a larger operating range until the transition to large fuel mass flows.
Aus der
Ein weiterer Magervormischbrenner ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magervormischbrenner der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau und sicherer Betriebsweise über einen großen Leistungsbereich des Fluggasturbinentriebwerks eine optimale Verbrennung gewährleistet.The invention has for its object to provide a lean burn burner of the type mentioned, which ensures optimum combustion with a simple design and safe operation over a large power range of the aircraft gas turbine engine.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the combination of features of
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Stützbrenner einen zentrischen Primärbrennstoffkanal und einen diesen umgebenden ringförmigen Sekundärbrennstoffkanal aufweist, welche unabhängig voneinander mit Brennstoff versorgbar sind.According to the invention it is thus provided that the support burner has a central primary fuel channel and a surrounding annular secondary fuel channel, which are supplied with fuel independently of each other.
Im Gegensatz zu den sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteilen und bei Überwindung derselben ist erfindungsgemäß somit ein Magervormischbrenner geschaffen worden, welcher eine stabile Verbrennung des Brennstoffs über einen weiten Leistungsbereich des Fluggasturbinentriebwerks sicherstellt, Um eine gute Zündung der Brennkammer sicherzustellen, muss der Stützbrenner in der Lage sein, den Brennstoff bei niedrigen Brennstoffmassenströmen (Strömungsraten) optimal zu zerstäuben. Dies erfordert eine separate Brennstoffversorgung des Stützbrenners mit geringen Brennstoffmengen. Erfindungsgemäß erfolgt dies durch den zentrischen Primärbrennstoffkanal, welcher mit einem Brennstoffversorgungssystem (Brennstoffpumpe, Verteilungskanäle und Ähnliches) verbunden ist. Im Gegensatz hierzu ist es bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen erforderlich, den Hauptbrenner bereits bei sehr niedrigen Leistungen des Gasturbinentriebwerks zu zünden, woraus sich im Stand der Technik eine ungenügende Brennstoffversorgung ergeben kann, welche zu ungünstigen Emissionswerten des Hauptbrenners führen kann. Dieser Nachteil ist erfindungsgemäß dadurch überwunden worden, dass unterschiedliche Brennstoffversorgungssysteme zum Einsatz gelangen, nämlich über den Primärbrennstoffkanal und den Sekundärbrennstoffkanal.In contrast to the disadvantages resulting from the prior art and overcoming the same, according to the invention, therefore, a lean premix burner has been provided which ensures stable combustion of the fuel over a wide power range of the aircraft gas turbine engine. To ensure good ignition of the combustion chamber, the support burner must be in be able to optimally atomize the fuel at low fuel mass flows (flow rates). This requires a separate fuel supply of the support burner with small amounts of fuel. According to the invention this is done by the centric primary fuel channel, which is connected to a fuel supply system (fuel pump, distribution channels and the like). In contrast, in the constructions known from the prior art, it is necessary to ignite the main burner already at very low powers of the gas turbine engine, which may result in an insufficient fuel supply in the prior art, which can lead to unfavorable emission levels of the main burner. This disadvantage has been overcome according to the invention in that different fuel supply systems are used, namely via the primary fuel channel and the secondary fuel channel.
Erfindungsgemäß wird ein weiterer Nachteil des Standes der Technik dadurch vermieden, dass eine gute Zündung des Stützbrenners erfolgen kann, während sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen Nachteile bei der Zündung ergeben können, da der Stützbrenner für einen weiten Betriebsbereich ausgelegt sein muss. Bei den bekannten Konstruktionen muss der Brennstoffdruck in dem Brennstoffsystem begrenzt werden, um den Stützbrenner in der Startphase des Fluggasturbinentriebwerks betreiben zu können. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Stützbrenner mit größeren Brennstoffmassenströmungen resultiert in einer schlechten Zerstäubung bei der Zündbedingung und bei niedrigen Lastzuständen. Deshalb sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen Kompromisse erforderlich, die einen optimalen Betrieb teilweise ausschließen. Diese Situation wird durch die erfindungsgemäße Lösung überwunden.According to the invention, a further disadvantage of the prior art is avoided in that a good ignition of the support burner can take place, while in the constructions known from the prior art can result in disadvantages in the ignition, since the support burner must be designed for a wide operating range. In the known designs, the fuel pressure in the fuel system must be limited in order to operate the support burner in the start-up phase of the aircraft gas turbine engine. A prior art support burner with larger fuel mass flows results in poor atomization in the ignition condition and at low load conditions. Therefore, in the systems known from the prior art compromises are required that partially preclude optimal operation. This situation is overcome by the solution according to the invention.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, den Brennstoff nicht nur in geeigneter Weise zu zerstäuben, sondern auch optimal in die Brennkammer einzuleiten. Hierdurch ergeben sich, im Vergleich zum Stand der Technik, erfindungsgemäß erheblich verbesserte Emissionswerte.Furthermore, it is possible according to the invention, the fuel not only in a suitable manner atomise, but also to initiate optimally in the combustion chamber. This results in considerably improved emission values according to the invention compared with the prior art.
Erfindungsgemäß sind somit insgesamt drei Brennstoffkreisläufe vorgesehen, nämlich zwei Brennstoffkreisläufe für den Stützbrenner (Primärbrennstoffkanal und Sekundärbrennstoffkanal) und ein Brennstoffkreislauf für den Hauptbrenner. Das Primärbrennstoffsystem wird für die Zündung und niedrige Lastbedingungen des Fluggasturbinentriebwerks verwendet, während das Sekundärbrennstoffsystem bei höheren Lastzuständen zum Einsatz kommt. Die Aktivierung der beiden Brennstoffsysteme kann erfindungsgemäß entweder aktiv z. B. durch elektrische Ansteuerung oder passiv z. B. durch Brennstoffdruckabhängige Ventile erfolgen.According to the invention thus a total of three fuel circuits are provided, namely two fuel circuits for the support burner (primary fuel channel and secondary fuel channel) and a fuel circuit for the main burner. The primary fuel system is used for the ignition and low load conditions of the aircraft gas turbine engine, while the secondary fuel system is used at higher load conditions. The activation of the two fuel systems can according to the invention either active z. B. by electrical control or passive z. B. by fuel pressure-dependent valves.
Erfindungsgemäß ergibt sich durch die duale Ausgestaltung des Stützbrenners eine verbesserte Zerstäubung und daraus ein verbesserter Wirkungsgrad gesamten Betriebsbereich. Die verbesserte Kontrolle der Verbrennungsstöchiometrie in der Stützbrennerzone führt zu einer weiteren Absenkung der Abgasemissionen.According to the invention results from the dual design of the support burner improved atomization and from this improved efficiency throughout the operating range. The improved control of the combustion stoichiometry in the backup combustor zone results in a further reduction in exhaust emissions.
Während die Primärbrennstoffversorgung zu einer guten Zerstäubung bei niedrigen Strömungsraten des Brennstoffs und einer guten Zündung beiträgt, wird die Sekundärbrennstoffversorgung bei höheren Betriebsbedingungen (größere Leistung des Fluggasturbinentriebwerks) zugeschaltet. Das Sekundärbrennstoffsystem weist eine höhere Strömungsrate auf. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, den Stützbrenner auch bei höheren Betriebsbedingungen des Fluggasturbinentriebwerks zu betreiben, ohne dass der Brennstoffdruck in dem Brennstoffsystem die vorgegebenen Grenzen überschreitet. Der größere Massenstrom in dem Sekundärbrennstoffsystem reduziert nicht die Qualität der Zerstäubung des Brennstoffs, da der Brennstoffmassenstrom bereits relativ hoch ist, wenn das Sekundärbrennstoffsystem zugeschaltet wird. Dabei sind die Lufttemperatur und der Luftdruck ebenfalls groß genug, um eine gute Sekundärzerstäubung sicherzustellen.While the primary fuel supply contributes to good atomization at low fuel flow rates and good ignition, the secondary fuel supply is switched on at higher operating conditions (greater performance of the aircraft gas turbine engine). The secondary fuel system has a higher flow rate. As a result, the possibility is created to operate the support burner even at higher operating conditions of the aircraft gas turbine engine, without the fuel pressure in the fuel system exceeds the predetermined limits. The larger mass flow in the secondary fuel system does not reduce the quality of the atomization of the fuel since the fuel mass flow is already relatively high when the secondary fuel system is switched on. The air temperature and pressure are also high enough to ensure good secondary atomization.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention will be described by means of embodiments in conjunction with the drawing. Showing:
Das Gasturbinentriebwerk
Der Zwischendruckkompressor
Die Turbinenabschnitte
Die
Konzentrisch zu der beschriebenen Anordnung ist, wie erwähnt, der Hauptbrenner
Die Luft für den Sekundärbrennstoff des Stützbrenners wird durch den ringförmigen Luftkanal
Das Brennstoffsystem für den Hauptbrenner ist als Strömungsfilmleger ausgebildet. Der Brennstoff wird durch die Luft zerstäubt, welche durch die zwei ringförmigen Luftkanäle
Die
Die
Eine Stützströmung
A supporting
Weiterhin bildet sich eine Flammenstabilisierungszone
Erfindungsgemäß ist es möglich, die duale Ausgestaltung des Stützbrenners durch unterschiedliche Konstruktionen zu verwirklichen. Dabei ist es möglich, zwei konzentrische Druckdrallzerstäuber vorzusehen. Es ist auch möglich, einen Druckdrallzerstäuber für die Primärstützfunktion und einen Druckluftzerstäuber für die Sekundärstützfunktion vorzusehen. Alternativ hierzu können auch zwei konzentrische Druckdrallzerstäuber mit einem gemeinsamen Ausströmbereich vorgesehen sein. Eine weitere Variante besteht in einem primären Druckdrallzerstäuber und einem sekundären Einzelstrahlenzerstäuber. Diese unterschiedlichen Ausgestaltungsvarianten werden nachfolgend beschrieben.According to the invention, it is possible to realize the dual design of the support burner by different constructions. It is possible to provide two concentric Druckdrallzerstäuber. It is also possible to provide a pressure swirl atomizer for the primary support function and a compressed air atomizer for the secondary support function. Alternatively, two concentric Druckdrallzerstäuber can be provided with a common outflow. Another variant consists of a primary pressure swirl atomizer and a secondary single jet atomizer. These different design variants will be described below.
Die
Der Auslass der Sekundarbrennstoffströmung kann wie in
Die
Der Sekundärzerstäuber ist als Druckluftzerstäuber ausgebildet. Der Sekundärbrennstoff wird durch eine Anordnung von ringförmigen Schlitzen oder Ausnehmungen verdrallt (Brennstoffdrallerzeuger
Bei dem in
Der Sekundärzerstäuber ist ein Druckdrallzerstäuber. Der Sekundärbrennstoff wird durch eine Anordnung von ringförmigen Schlitzen oder Löchern mit Drall versetzt (Brennstoffdrallerzeuger
Die
Bei den in Zusammenhang mit den
Bei der in Zusammenhang mit
Die
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen mit einem einzigen einstufigen Stützbrenner kann dieser nur bis unterhalb einer mittleren Leistung des Gasturbinentriebwerks betrieben werden. Wenn dieser Bereich überschritten wird, ergeben sich hohe Emissionen, insbesondere eine hohe Rußentwicklung durch den Stützbrenner sowie eine ungünstige Verbrennungseffizienz. Wenn bei diesen niedrigen Lastbedingungen der Hauptbrenner eingeschaltet wird, führt dies zu einer schlechten Verbrennungseffizienz des Hauptbrenners. Wie beschrieben, wurde vorgeschlagen, dieses Problem durch eine gestufte Ausgestaltung des Hauptbrenners zu überwinden, was jedoch das Betriebsverhalten der Turbine erheblich beeinträchtigen kann.In the systems known from the prior art with a single single-stage auxiliary burner, this can only be operated below an average power of the gas turbine engine. If this range is exceeded, high emissions result, in particular high soot development by the auxiliary burner and unfavorable combustion efficiency. Turning on the main burner at these low load conditions results in poor combustion efficiency of the main burner. As described, it has been proposed to overcome this problem by means of a stepped configuration of the main burner, which, however, can considerably impair the operating behavior of the turbine.
Bei den beiden nachfolgend beschriebenen Vorgehensweisen wird durch die Unterteilung des Stützbrenners die Versorgung durch einen Primärbrennstoffkanal und einen Sekundärbrennstoffkanal ermöglicht, so dass der Stützbrenner bei größeren Lastzuständen (60% und höher) betrieben werden kann. Gute Zündungcharakteristiken und Startcharakteristiken der Gasturbine werden durch eine fette Brennstoffversorgung in der ersten Stufe des Stützbrenners sichergestellt (Brennstoffzuführung durch den Primärbrennstoffkanal). Eine magerere Verbrennung durch die zweite Stufe des Stützbrenners (Brennstoffversorgung durch den Sekundärbrennstoffkanal) führt zu einem verbesserten Emissionsverhalten bei höheren Lastzuständen der Gasturbine. Dadurch kann der Hauptbrenner erst bei Erreichen eines höheren Lastzustands zugeschaltet werden, wodurch seine Effizienz verbessert wird.In the two procedures described below, the subdivision of the backup burner enables the supply of a primary fuel channel and a secondary fuel channel, so that the auxiliary burner can be operated at higher load conditions (60% and higher). Good ignition characteristics and starting characteristics of the gas turbine are ensured by a rich fuel supply in the first stage of the auxiliary burner (fuel supply through the primary fuel channel). Leaner combustion through the secondary stage of the backup burner (fuel supply through the secondary fuel channel) results in improved emissions performance at higher load conditions of the gas turbine engine. As a result, the main burner can be switched on only when a higher load condition is reached, whereby its efficiency is improved.
Die
Die in
Die Beschriftungen in den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- TriebwerksachseEngine axis
- 1010
- GasturbinentriebwerkGas turbine engine
- 1111
- Lufteinlassair intake
- 1212
- im Gehäuse umlaufender Fanin the housing revolving fan
- 1313
- ZwischendruckkompressorIntermediate pressure compressor
- 1414
- HochdruckkompressorHigh pressure compressor
- 1515
- Brennkammerncombustors
- 1616
- HochdruckturbineHigh-pressure turbine
- 1717
- ZwischendruckturbineIntermediate pressure turbine
- 1818
- NiederdruckturbineLow-pressure turbine
- 1919
- Abgasdüseexhaust nozzle
- 2020
- Leitschaufelnvanes
- 2121
- TriebwerksgehäuseEngine casing
- 2222
- KompressorlaufschaufelnCompressor blades
- 2323
- Leitschaufelnvanes
- 2424
- Turbinenschaufelnturbine blades
- 2626
- Kompressortrommel oder -scheibeCompressor drum or disc
- 27 27
- TurbinenrotornabeTurbinenrotornabe
- 2828
- Auslasskonusoutlet cone
- 2929
- Stützbrennersupporting burner
- 3030
- Hauptbrennermain burner
- 3131
- PrimärbrennstoffkanalPrimary fuel channel
- 3232
- SekundärbrennstoffkanalSecondary fuel channel
- 3333
- Luftkanalair duct
- 3434
- Flammenstabilisatorflame stabilizer
- 3535
- Ringförmiger LuftkanalAnnular air duct
- 3636
- Drallerzeugerswirl generator
- 3737
- Drallerzeugerswirl generator
- 3838
- Luftkanalair duct
- 3939
- Drallerzeugerswirl generator
- 4040
- Äußere Fläche des FlammenstabilisatorsOuter surface of the flame stabilizer
- 4141
- Filmlegerfilm applicator
- 4242
- Ringkanalannular channel
- 4343
- Ringring
- 4444
- Stützströmungsupport flow
- 4545
- Stagnationspunktstagnation point
- 4646
- Hauptströmungmainstream
- 4747
- Rezirkulationsströmungrecirculation
- 4848
- FlammenstabilisierungszoneFlame stabilization zone
- 4949
- BrennstoffdrallerzeugerFuel swirl generator
- 5050
- Auslassoutlet
- 5151
- BrennstoffdrallerzeugungFuel swirl generation
- 5252
- Auslassoutlet
- 5353
- Oberflächesurface
- 5454
- Luftkanalair duct
- 5555
- BrennstoffdrallerzeugerFuel swirl generator
- 5656
- Ausnehmungrecess
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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