DE102012001777A1

DE102012001777A1 - Gasturbinenringbrennkammer

Info

Publication number: DE102012001777A1
Application number: DE102012001777A
Authority: DE
Inventors: Carsten Clemen
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-01
Also published as: US20130192232A1; US9435538B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenringbrennkammer mit, bezogen auf eine Triebwerksachse (1), einer radial äußeren Brennkammerwand (29) und einer radial inneren Brennkammerwand (30), wobei die Brennkammerwände (29, 30) einen ringförmigen Brennraum bilden, mit einem Brennkammerkopf, welcher eine Vielzahl von Kraftstoffdüsen (31) und Lufteintrittsöffnungen aufweist, wobei die jeweiligen Mittelachsen (M) der Kraftstoffdüsen (31) eine zur Triebwerksachse (1) rotationssymmetrische Hüllkurve bilden, welche die Brennkammer (15) in einen ringförmigen radial äußeren und in einen ringförmigen radial inneren Bereich unterteilt, wobei der radial äußere Bereich (33) und der radial innere Bereich (34) gleiche Volumina aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenringbrennkammer. Eine derartige Ringbrennkammer weist eine obere/radial äußere und eine untere/radial innere Brennkammerwand auf, die zusammen einen ringförmigen Kanal bilden. Luft und Treibstoff werden der Brennkammer durch die Kraftstoffdüse zugeführt, sowie außerdem Luft durch Kühl- bzw. Lufteinblasöffnungen an den Seitenwänden. In der Treibstoffdüse bzw. in der Brennkammer werden Luft und Treibstoff vermischt und verbrannt. Die Luft und die Verbrennungsprodukte werden durch die Brennkammeraustrittsdüse in Richtung der Turbine abgeleitet.
Die bestehenden Brennkammergeometrien haben den Nachteil, dass die Geometrien hinsichtlich der Strömungsführung der Luft Schwächen aufweisen. So sind die Seitenwandgeometrieverläufe, sowie die Flächenquerschnitte entlang der Brennkammerachse aerodynamisch nicht optimal gestaltet, so dass die Strömung nicht verlustoptimal durch die Brennkammer geführt wird und es zu Strömungsablösungen bzw. Grenzschichtaufdickungen und Totwassergebieten nahe den Brennkammerwänden kommen kann. Dies kann sich negativ auf die Vermischung von Luft und Kraftstoff und damit negativ auf die Flammenbildung, Flammenstabilität und die Verbrennung des Kraftstoffes auswirken, so dass damit die Emissionen der Brennkammer negativ beeinflusst werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenringbrennkammer der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und sich durch gute Strömungsverhältnisse und einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Ringbrennkammer ist somit so ausgebildet, dass die jeweiligen Mittelachsen der Kraftstoffdüsen eine zur Triebwerksachse rotationssymmetrische Hüllkurve bilden, welche die Brennkammer in einen ringförmigen, radial äußeren und in einen ringförmigen, radial inneren Bereich unterteilt, wobei der radial äußere Bereich und der radial innere Bereich gleiche Volumina aufweisen.
Die erfindungsgemäße Lösung schafft somit eine Ringbrennkammer, bei welcher die Luft-Kraftstoff-Strömungen in radialer Richtung gleichmäßig verteilt sind. Da die Mittelachsen der Kraftstoffdüsen für die jeweiligen Strömungen, die aus den Kraftstoffdüsen austreten, eine Mittelachse oder Symmetrieachse bilden, sind diese Strömungen nunmehr insbesondere in radialer Richtung symmetrisch aufgebaut. Sie werden nicht durch unpassende Brennkammerwandungs-Geometrien beeinflusst. Somit ist es möglich, weitgehend ungestörte Strömungsverhältnisse und damit ungestörte Verbrennungsverhältnisse zu realisieren. Diese wiederum führen zu verbesserten Betriebsbedingungen. Erfindungsgemäß ergeben sich eine bessere Vermischung von Kraftstoff und Luft, eine verlustärmere Luftführung innerhalb der Brennkammer, eine bessere Kühleffzienz, eine bessere Flammstabilität, ein besserer Ausbrand und niedrigere Emissionen.
Die vorliegende Erfindungsmeldung sieht somit vor, dass die Gestaltung der Seitenwandgeometrie darauf basiert, eine, bezogen auf die Achse der Treibstoffdüse, flächengleiche, symmetrische Ringbrennkammer zu schaffen.
Dabei ist erfindungsgemäß Folgendes vorgesehen:

– Die Brennkammer hat eine frei wählbare Länge L;
– Die Koordinate in horizontaler Richtung ist x (im folgenden Brennkammerachse genannt);
– Über die Länge L kann eine beliebiger Flächenverlauf A(x) vorgegeben werden;
– Am Eintritt der Brennkammer befindet sich bei x = 0 die Treibstoffdüse, deren Mittelpunkt (Achse) sich auf einem frei wählbaren Radius R₁ befindet;
– Die Achse der Treibstoffdüse kann entweder horizontal, d. h. parallel der Triebwerks- bzw. Brennkammerachse verlaufen oder unter einem frei wählbaren Winkel α gegen diese geneigt sein;
– Verlängert man die Achse der Treibstoffdüse von x = 0 bis L (L = Länge der Brennkammer), so ergibt sich im Brennkammeraustritt genau ein radialer Endpunkt R₂(L), der sich aus dem Winkel der Achsenneigung α, der Brennkammerlänge L und dem Radius R₁ des Achsenstartpunktes Mittelpunkt der Kraftstoffdüse bei L = 0) mit R₂(L) = R₁ + L·tanα. Die so entstandene Linie wird im Folgenden Brennkammermittellinie M genannt. Mit der Gleichung lässt sich dann auch an jeder anderen axialen Position x zwischen dem Brennkammereintritt bei x = 0 und dem Brennkammeraustritt bei x = L der Radius R(x) der Brennkammermittellinie M bestimmen mit R(x) = R₁ + x·tanα;
– Basierend auf dieser Brennkammermittellinie M kann nun die Geometrie der äußeren und inneren Brennkammerwand definiert werden;
– Dazu wird ein beliebiger Querschnittsflächenverlauf A(x) entlang der Brennkammerlänge L vorgegeben;
– Erfindungsgemäß befindet sich nun an jedem Punkt entlang der Brennkammermittellinie M genau die eine Hälfte der jeweils für diese Position definierten Fläche oberhalb (radial außerhalb) der Brennkammermittellinie M und die andere Hälfte jeweils unterhalb (radial innerhalb) der Brennkammermittellinie M;
– Mit dieser Vorgabe lassen sich dann die Koordinaten (axiale Position und radiale Position) der inneren und äußeren Brennkammerwand bestimmen;
– Bestimmung der inneren Brennkammerwand für eine beliebige Position x entlang der Brennkammerachse zwischen x = 0 (Brennkammereintritt, Position der Treibstoffdüse) und x = L (Brennkammeraustritt): – Radius R_I: – Gegeben ist die Fläche A(x) und der Radius R(x) der Brennkammermittellinie M, – Dann ist
– Axiale Position X_I: – Gegeben R_I(x), R(x), x, und α, – Dann ist X_I(x) = x – (R_I(x) – R(x))·tan(α)
– Bestimmung der äußeren Brennkammerwand für eine beliebige Position x entlang der Brennkammerachse zwischen x = 0 (Brennkammereintritt, Position der Treibstoffdüse) und x = L (Brennkammeraustritt): – Radius R_A: – Gegeben ist die Fläche A(x) und der Radius R(x) der Brennkammermittellinie M, – Dann ist
– Axiale Position X_A: – Gegeben R_A(x), R(x), x, und α, – Dann ist X_A(x) = x – (R_A(x) – R(x))·tan(α).

Wie erwähnt, kann die Brennkammermittellinie M in einem Winkel α zur Triebwerksachse angeordnet sein, es ist jedoch auch möglich, diese parallel zur Triebwerksachse auszurichten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ringbrennkammer mit Definition der verwendeten Größen,
3 eine schematische Darstellung der sich erfindungsgemäß ergebenden Radien der äußeren Brennkammerwand und der inneren Brennkammerwand über die Länge der Brennkammer, und
4 ein Verlauf der Querschnittsfläche des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels über die Länge der Brennkammer.
Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Ringbrennkammer 15 (mit Kraftstoffdüse 31 und Brennkammeraustrittsdüse 32 sowie äußerer Brennkammerwand 29 und innerer Brennkammerwand 30, s. 2), eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
Der Mitteldruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
Die 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Definition der verwendeten Größen. Die X-Achse (Abszisse) ist identisch mit der Triebwerksachse 1, die Ordinate zeigt den Radius, bezogen auf die Triebwerksachse 1. Aus der Darstellung der 2 ist die oben beschriebene Zuordnung der einzelnen Größen ersichtlich. Insbesondere ergibt sich, dass die Querschnittsfläche A, jeweils bezogen auf eine zur Brennkammermittellinie M senkrechte Ebene (dargestellt durch die gestrichelte Linie in 2), definiert wird. Die einzelnen Brennkammermittellinien M definieren somit in Rotationssymmetrie zur Abszisse X bzw. zur Triebwerksachse 1 eine kegelstumpfförmige Hüllkurve. Da die Brennkammermittellinien M um den Winkel α zur Triebwerksachse 1 geneigt sind, ergibt sich für die Betrachtung der Querschnittsflächen somit ebenfalls ein um die Triebwerksachse 1 rotationssymmetrischer Kegelmantel.
Die 3 und 4 zeigen einzelne berechnete Werte zur Gestaltung des vereinfacht dargestellten Querschnittsprofils der Ringbrennkammer 15 mit der radial äußeren Brennkammerwand 29 und der radial inneren Brennkammerwand 30. Weiterhin ist die geradlinige Brennkammermittellinie M gezeigt. Unter Bezug auf die Darstellung der 2 ergeben sich gleiche Flächen radial außerhalb und radial innerhalb der Brennkammermittellinie M. Somit kann eine gleichmäßige Durchströmung durch die Ringbrennkammer 15 erfolgen, ausgehend von der Kraftstoffdüse 31 zur Brennkammeraustrittsdüse 32.
Die Länge L der Ringbrennkammer ergibt sich aus baulichen und konstruktiven Vorgaben, insbesondere hinsichtlich der benötigten Strömungslänge sowie der Flammengeometrie und der Zündbarkeit. Die jeweils benötigten Flächen A ergeben sich in analoger Weise aus den konstruktiven und physikalischen Vorgaben.
Bezugszeichenliste

1: Triebwerksachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Lufteinlass
12: im Gehäuse umlaufender Fan
13: Mitteldruckkompressor
14: Hochdruckkompressor
15: Ringbrennkammer
16: Hochdruckturbine
17: Mitteldruckturbine
18: Niederdruckturbine
19: Abgasdüse
20: Leitschaufeln
21: Triebwerksgehäuse
22: Kompressorlaufschaufeln
23: Leitschaufeln
24: Turbinenschaufeln
26: Kompressortrommel oder -scheibe
27: Turbinenrotornabe
28: Auslasskonus
29: Äußere Brennkammerwand
30: Innere Brennkammerwand
31: Kraftstoffdüse
32: Brennkammeraustrittsdüse
33: Äußerer Bereich
34: Innerer Bereich

Claims

Gasturbinenringbrennkammer mit, bezogen auf eine Triebwerksachse (1), einer radial äußeren Brennkammerwand (29) und einer radial inneren Brennkammerwand (30), wobei die Brennkammerwände (29, 30) einen ringförmigen Brennraum bilden, mit einem Brennkammerkopf, welcher eine Vielzahl von Kraftstoffdüsen (31) und Lufteintrittsöffnungen aufweist, wobei die jeweiligen Mittelachsen (M) der Kraftstoffdüsen (31) eine zur Triebwerksachse (1) rotationssymmetrische Hüllkurve bilden, welche die Brennkammer (15) in einen ringförmigen radial äußeren und in einen ringförmigen radial inneren Bereich unterteilt, wobei der radial äußere Bereich (33) und der radial innere Bereich (34) gleiche Volumina aufweisen.
Gasturbinenringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Mittelachsen (M) der Kraftstoffdüsen (31) in einem Winkel (α) zur Triebwerksachse (1) geneigt angeordnet sind.
Gasturbinenringbrennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere (33) und der radial inneren (34) Bereich in Axialrichtung längs der Hüllkurve in einer jeweiligen kegeligen Ebene, welche senkrecht auf der kegeligen Hüllkurve steht, gleiche Flächen haben.
Gasturbinenringbrennkammer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien der äußeren (29) und der inneren (30) Brennkammerwand wie folgt definiert sind: Innere Brennkammerwand:
Äußere Brennkammerwand:
mit: R = Radius, bezogen auf die Triebwerksachse (1) X = Koordinate auf der Triebwerksachse (1) mit X = 0 an der Stelle des Brennkammereintritts der Kraftstoffdüse (31) und X = L am Brennkammeraustritt, A = Querschnittsfläche an der Stelle (X), bezogen auf eine Radialebene auf eine Mittelachse (M) der Brennkammer (15), α = Neigungswinkel der Mittelachse (M) zur Triebwerksachse (1), sowie mit X_I(x) = x – (R_I(x) – R(x))·tanα X_A(x) = x – (R_A(x) – R(x))·tanα