DE102012002465A1

DE102012002465A1 - Gasturbinenbrennkammer mit unsymmetrischen Kraftstoffdüsen

Info

Publication number: DE102012002465A1
Application number: DE102012002465A
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: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-08-08
Also published as: US20130199187A1; US9303875B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenringbrennkammer mit, bezogen auf eine Maschinenachse 1, einer radial äußeren 29 und einer radial inneren 30 Brennkammerwand, mit einem Brennkammerkopf 31 und mit einer Brennkammeraustrittsdüse 32, wobei der Brennkammerkopf 31 um seinen Umfang verteilt mehrere Kraftstoffdüsen 33 zur Zuführung von Luft und Kraftstoff umfasst, welche in einer Austrittsfläche der Kraftstoffdüsen 33 austreten, wobei die jeweilige Kraftstoffdüse 33 eine Brennerachse 36 aufweist, welche senkrecht zur Austrittsfläche verläuft, wobei die Schnittpunkte der Brennerachsen 36 mit den Austrittsflächen eine kreisförmige Brennermittellinie 43 um die Triebwerksachse 1 definieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche der Kraftstoffdüse 33 radial außerhalb der Brennermittellinie 43 gleich ist zu einer Querschnittsfläche radial innerhalb der Brennermittellinie 43.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenringbrennkammer mit, bezogen auf eine Maschinenachse, einer radial äußeren und einer radial inneren Brennkammerwand, mit einem Brennkammerkopf und mit einer Brennkammeraustrittsdüse, wobei der Brennkammerkopf um seinen Umfang verteilt mehrere Kraftstoffdüsen zur Zuführung von Luft und Kraftstoff umfasst, wobei die jeweilige Kraftstoffdüse eine Brennerachse aufweist, welche senkrecht zu einer Austrittsfläche der Kraftstoffdüse verläuft, wobei die Schnittpunkte der einzelnen Brennerachsen mit den Austrittsflächen eine kreisförmige Brennermittellinie um die Triebwerksachse definieren. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine einzelne Brennkammer mit nur einer Kraftstoffdüse, so wie dies ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Eine Ringbrennkammer besteht aus einer oberen/äußeren und einer unteren/inneren Brennkammerwand, 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.
Eine Untersuchung von aus dem Stand der Technik bekannten Brennkammern ergibt, dass diese symmetrisch um die Brennerachse aber nicht symmetrisch um die Brennermittellinie ausgebildeten Querschnitte der Kraftstoffdüse bzw. deren interner Kanäle den Nachteil aufweisen, dass radial außerhalb und radial innerhalb der Brennermittellinie unterschiedliche Mengen an Luft bzw. Kraftstoff in das Brennkammervolumen eingebracht werden und sich das negativ auf die Vermischung von Luft und Kraftstoff und damit negativ auf die Flammenbildung, die Flammenstabilität und die Verbrennung des Kraftstoffes auswirkt, so dass damit die Emissionen der Brennkammer negativ beeinflusst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit optimale Strömungsverhältnisse und eine optimale Vermischung von Luft und Kraftstoff bei guter Flammbildung und Flammstabilität aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass eine Querschnittsfläche der Kraftstoffdüse radial außerhalb der Brennermittellinie gleich ist zu einer Querschnittsfläche radial innerhalb der Brennermittellinie.
Erfindungsgemäß sind somit die Kraftstoffdüsen unrund und unsymmetrisch ausgebildet, und zwar in einer Schnittebene senkrecht zu der Brennerachse der Kraftstoffdüse. Aus dem Stand der Technik sind die Kraftstoffdüsen jeweils kreisrund ausgestaltet, so dass sich die oben erwähnten nachteiligen Strömungsverhältnisse ergeben. Erfindungsgemäß sind die Kraftstoffdüsen jedoch im Unterschied hierzu so ausgestaltet, dass sich gleiche Querschnitte (Querschnittsflächen) radial außerhalb und radial innerhalb der Brennermittellinie ergeben.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Lösung, bei welcher die Gestaltung der Kraftstoffdüse und ihrer internen Luft- bzw. Kraftstoffkanalgeometrie in Hinblick auf deren Querschnittsflächen symmetrisch zur Brennermittellinie gestaltet ist.
Dabei bezieht sich die Erfindung sowohl auf eine beliebige Anzahl von internen Kanälen, als auch auf die Brenneraußenkontur, wobei auch erfindungsgemäße Kanalquerschnitte mit einer herkömmlichen kreisförmigen Außenkontur kombiniert werden können, als auch mit jeder beliebigen anderen. Darüber hinaus können auch beliebig viele interne Kanalquerschnitte mit beliebig vielen anderen Querschnitten kombiniert sein.
Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine verbesserte Vermischung von Kraftstoff und Luft, welche in einer verbesserten Flammbildung und einer verbesserten Flammstabilität resultiert. Hierdurch ergeben sich ein besserer Ausbrand und niedrigere Emissionen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine Teil-Schnittansicht durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Kraftstoffdüse,
3 eine stirnseitige Ansicht der in 2 gezeigten Kraftstoffdüse,
4 eine stirnseitige Ansicht einer Schnittansicht in einer Radialebene, radial zur Triebwerksachse, einer aus dem Stand der Technik bekannten Ringbrennkammer,
5 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kraftstoffdüse,
6 eine schematische Darstellung der mathematischen Zusammenhänge der erfindungsgemäßen Lösung,
7 eine graphische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kraftstoffdüse, und
8 eine weitere Darstellung, analog 7.
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, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind. Das Bezugszeichen 28 zeigt einen Auslasskonus.
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 Brenner bzw. die Kraftstoffdüse 33 in Ringbrennkammern 15 von stationären Gasturbinen oder Fluggasturbinen zeichnen sich dadurch aus, dass die Luft und der Treibstoff gezielt geleitet und gemischt werden.
Die 2 bis 4 zeigen schematisch den Brenner/die Kraftstoffdüse 33 für eine Ringbrennkammer 15. Luft und Treibstoff werden durch mehrere Kanäle 34 bzw. 37 geführt, die Luft wird mit Hilfe von Leitelementen 35 verdrallt, so dass Luft- und Treibstoff sich vermischen können. Die Anzahl der Luft- und Treibstoffkanäle 34 bzw. 37 kann dabei beliebig sein, ihre Querschnittsform ist kreis- bzw. ringförmig und symmetrisch um die Brennerachse 36. Da die Kraftstoffdüsen 33 ringförmig um die Triebwerksachse 1 am Umfang der Ringbrennkammer 15 verteilt sind, kann man die einzelnen Brennerachsen 36 miteinander zu einer Brennermittellinie 43 bzw. M verbinden. Bezogen auf diese Brennermittellinie 43 bzw. M ist die Querschnittsfläche eines individuellen Kanals 34 bzw. 37 und damit die Summe aller Querschnittsflächen aller Kanäle oberhalb und unterhalb der Brennermittellinie 43 bzw. M nicht identisch aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Kraftstoffdüsengeometrie bzw. ihrer Kanäle.
Die 5 zeigt einen Schnitt durch eine Kraftstoffdüse 33 mit ihrer Außenkontur 38, der Brennerachse 36, der Triebwerksachse 1, internen Strömungskanälen (Luft 35 bzw. Kraftstoff 37) und beispielhaft einigen Punkten 39 bzw. Bereichen 40, auf die die Erfindung anwendbar ist. Dabei wird die jeweilige Querschnittsfläche immer durch eine obere (äußere) 41 und untere (innere) 40 Kontur begrenzt, auf die die erfindungsgemäße Ausgestaltung angewendet wird. Die Anwendungsbereiche sind dabei alle Konturgeometrien innerhalb und an der Außenkontur der Kraftstoffdüse 33 entlang der Brennerachse 36 sowie alle begrenzenden Kanten innerhalb der Kontur 41 bzw. 42.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Querschnitts der Kraftstoffdüse 33 um die Brennermittellinie 43 bzw. M erfolgt so, dass die radial inneren 42 und die radial äußeren 41 Kraftstoffdüsenkonturen so ausgebildet sind, dass unterhalb der Brennermittellinie 43 bzw. M kreis- bzw. ringförmige Konturen vorliegen und oberhalb der Brennermittellinie elliptische Konturen entstehen. Dabei bilden sich zwischen diesen Konturen dann die jeweiligen Querschnitte (Querschnittsflächen) aus. Die Konturen 41 und 42 sind dabei erfindungsgemäß so ausgebildet, dass die Querschnittsflächen oberhalb und unterhalb der Brennermittellinie 43 bzw. M gleich sind und sich die beiden jeweils zueinander gehörigen Querschnitte zu der gewünschten gesamten Querschnittsfläche der Kraftstoffdüse 33 addieren.
Die 6 zeigt die mathematischen Zusammenhänge und die Definitionen der einzelnen Größen:
Bezogen auf die Triebwerksachse 1, die bei x = 0 und y = 0 liegt, liegt die Achse der Kraftstoffdüse (Brennerachse 36) auf einem bestimmten Radius R. Für die Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausbildung wird dabei nun der Mittelpunkt einer Brennerachse 36 zu x = 0, y = R definiert.
Mit dem Radius R ergibt sich auch die Brennermittellinie 43 bzw. M, die sich mit der Brennerachse 36 in (0/R) kreuzt.
Da die Kontur unterhalb der Brennermittelinie 43 bzw. M kreisförmig gestaltet ist, lässt sich um die Brennerachse 36 ein Kreis mit dem Radius r eintragen, dessen Sektor unterhalb der Brennermittellinie 43 bzw. M einer Kontur der auszubildenden Querschnittsfläche entspricht.
Dieser Kreis schneidet die Brennermittelinie 43 bzw. M an zwei Punkten: Schnittpunkt S1 und Schnittpunkt S2 mit den Koordinaten S1 = (xs/ys) und S2 = (–xs/ys). Die Koordinaten lassen sich dabei wie folgt bestimmen: ys = (r² – R²)/(–2·R)
Um nun die Fläche Au des Kreissektors unterhalb der Brennermittellinie 43 bzw. M zu bestimmen, müssen die beiden Flächen Au' (siehe 6), die die Fläche des Kreissektors zwischen den Hilfslinien H beschreiben und die Flächen Au'', die die Fläche zwischen den Hilfslinien H und der Brennermittellinie 43 bzw. M beschreiben addiert werden zu Au = 2·Au' + 2·Au''. Dabei bestimmen Au' und Au'' sich mit Kenntnis der Winkel α und β (siehe 6). α = arcsin(xs/R) β = 90 – arcsin((R – ys)/r) Au'' = ½·R·(α – sinα) Au' = ½·R²·β
Die Fläche oberhalb der Brennermittellinie 43 bzw. M ist erfindungsgemäß Ao = Au.
Da die Kontur 41 oberhalb der Brennermittellinie 43 bzw. M erfindungsgemäß elliptisch ist, wird sie durch die beiden Halbachsen a = r und b bestimmt mit der Ellipsengleichung
Die Halbachse b lässt sich aus der Bedingung Ao = Au bestimmen mit: Ao = 2·Ao' – 2·Au'', wobei Au'' bereits bekannt ist und sich Ao bestimmen lässt mit: Ao' = ½·a·b·(π – β), dann ist b = (Au + 2·Au'')/((π – β)·a).
Für die andere Kontur 42 der auszubildenden Querschnittsfläche lässt sich diese Vorgehensweise analog mit einem anderen Radius r und entsprechendem b wiederholen und analog für jede weitere gewünschte Konturlinie der Kraftstoffdüse.
Die 6 zeigt die Definition der verwendeten Größen, 7 ein Beispiel für verschiedene Konturen und 8 ein Beispiel für die Draufsicht auf eine erfindungsgemäß gestaltete Brennergeometrie.
Die vorliegende Erfindung wurde in Zusammenhang mit einer Ringbrennkammer beschrieben. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Lösung auch bei einer Gasturbine mit mehreren einzelnen, umfangsmäßig um die Triebwerksachse verteilt angeordneten Brennkammern mit jeweils einer Kraftstoffdüse anwendbar ist.
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: Brennkammerkopf
32: Brennkammeraustrittsdüse
33: Kraftstoffdüse
34: Luftkanal
35: Leitelement
36: Brennerachse
37: Kraftstoffkanal
38: Außenkontur
39: Punkt
40: Bereich
41: Radial äußere Kontur
42: Radial innere Kontur
43: Brennermittellinie M

Claims

Gasturbinenringbrennkammer mit, bezogen auf eine Maschinenachse (1), einer radial äußeren (29) und einer radial inneren (30) Brennkammerwand, mit einem Brennkammerkopf (31) und mit einer Brennkammeraustrittsdüse (32), wobei der Brennkammerkopf (31) um seinen Umfang verteilt mehrere Kraftstoffdüsen (33) zur Zuführung von Luft und Kraftstoff umfasst, welche in einer Austrittsfläche der Kraftstoffdüsen (33) austreten, wobei die jeweilige Kraftstoffdüse (33) eine Brennerachse (36) aufweist, welche senkrecht zur Austrittsfläche verläuft, wobei die Schnittpunkte der Brennerachsen (36) mit den Austrittsflächen eine kreisförmige Brennermittellinie (43) um die Triebwerksachse (1) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche der Kraftstoffdüse (33) radial außerhalb der Brennermittellinie (43) gleich ist zu einer Querschnittsfläche radial innerhalb der Brennermittellinie (43).
Gasturbinenbrennkammer mit einem Brennkammerkopf (31) und mit einer Brennkammeraustrittsdüse (32), wobei der Brennkammerkopf (31) eine Kraftstoffdüse (33) zur Zuführung von Luft und Kraftstoff umfasst, welche in einer Austrittsfläche der Kraftstoffdüse (33) austreten, wobei die Kraftstoffdüse (33) eine Brennerachse (36) aufweist, welche senkrecht zur Austrittsfläche verläuft, wobei, bezogen auf eine Maschinenachse (1) der Gasturbine, umfangsmäßig mehrere Brennkammern vorgesehen sind, wobei die Schnittpunkte der Brennerachsen (36) mit den Austrittsflächen eine kreisförmige Brennermittellinie (43) um die Triebwerksachse (1) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche der Kraftstoffdüse (33) radial außerhalb der Brennermittellinie (43) gleich ist zu einer Querschnittsfläche radial innerhalb der Brennermittellinie (43).
Gasturbinenringbrennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffdüse (33) radial innerhalb der Brennermittellinie (43) einen teilkreisförmigen Querschnitt und radial außerhalb der Brennermittellinie (43) einen teilelliptischen Querschnitt aufweist.
Gasturbinenringbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils gleichen Querschnittsflächen am Austrittsbereich der Kraftstoffdüsen (33) in die Ringbrennkammer (15) ausgebildet sind.
Gasturbinenringbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils gleichen Querschnittsflächen in beliebigen Schnittebenen der Kraftstoffdüsen (33) längs der Brennerachse (36) ausgebildet sind.
Gasturbinenringbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerachsen (36) parallel oder in einem Winkel zur Triebwerksachse (1) angeordnet sind.
Gasturbinenringbrennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils gleichen Querschnittsflächen auf einer zur Triebwerksachse (1) rotationssymmetrischen Kegelstumpffläche ausgebildet sind.