DE102012217263B4 - Drallbrenner und Verfahren zum Betrieb eines Drallbrenners - Google Patents

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Abstract

Drallbrenner (1) mit einer Kraftstoffversorgung (5) und einer Brenneraustrittsöffnung (19) und einer Mittelachse (3) sowie mit mindestens einem ersten Drallkanal (9) mit mindestens einem Drallerzeuger (13), wobei der Drallkanal (9) einen an den Drallerzeuger (13) anschließenden Drallraum (15) und einen in die Brenneraustrittsöffnung (19) mündenden Auslass (17) aufweist und mit mindestens einem Luftkanal (23), dadurch gekennzeichnet,- dass der Luftkanal (23) einen ersten Ausgang (25) aufweist, der in den Drallraum (15) oder den Auslass (17) des ersten Drallkanals (9) mündet, und- dass der Luftkanal (23) einen zweiten Ausgang (27) aufweist, der in Richtung der Mittelachse (3) gerichtet ist und in die Brenneraustrittsöffnung (19) mündet, wobei der Luftkanal (23) als bi-stabiler fluidischer Schalter ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drallbrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei der Verbrennung in einem Drallbrenner, beispielsweise einer Gasturbine, besteht grundsätzlich das Problem, dass die Flammengeschwindigkeit des zugeführten Kraftstoffs deutlich geringer ist als die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Luft. Um eine stabile und kontinuierliche Verbrennung gewährleisten zu können, ist es daher notwendig, in der Brennkammer Zonen mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen und einen Teil des reagierenden Luft-Kraftstoffgemisches zu rezirkulieren, um das frisch nachströmende Gemisch zu entzünden. Die Rezirkulationszonen sind somit entscheidend für die Stabilisierung der Verbrennung in einer Gasturbine.
  • In modernen Gasturbinen werden Rezirkulationszonen durch den Einsatz von Drallbrennern geschaffen. Der Brenner dient dabei zur Mischung von Luft und Kraftstoff. Aus US 6 474 569 B1 ist beispielsweise ein Drallbrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Der Drallerzeuger prägt dem durch den Drallkanal geführten Luftmassenstrom eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung auf, die als Drall bezeichnet wird. Der Drall kann mit Hilfe der Drallzahl (S) charakterisiert werden. Die Drallzahl ist eine Kenngröße, welche den Drehimpulsstrom der Strömung ins Verhältnis zum Axialimpulsstrom setzt und auf einen charakteristischen Radius bezieht. Die Drallzahl ist somit eine Größe, welche primär von der Geometrie des Brenners beeinflusst wird.
  • Aus dem Drallbrenner tritt der verdrallte Luftmassenstrom kegelförmig aus. Durch den kegelförmigen Luftmassenstrom werden die Rezirkulationszonen definiert. Innerhalb des Kegels kann eine innere Rezirkulationszone (iRZ) entstehen, wohingegen außerhalb des Kegels eine äußere Rezirkulationszone (äRZ) gebildet werden kann. Die Drallzahl charakterisiert das Strömungsfeld, welches sich durch die Geometrie des Drallerzeugers ergibt, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Geometrie des Brenneraustritts und des Raumes, in denen der Brenner mündet, Einfluss auf die Geschwindigkeitsverteilung in dem Raum haben. Ferner haben die physikalischen Eigenschaften des zu verbrennenden Fluids sowie die Wärmefreisetzung einen Einfluss auf die Ausbildung des Strömungsfeldes.
  • Untersuchungen haben ergeben, dass eine Drallzahl S zwischen S = 0 und S < 0,5 zumeist ein Strömungsfeld ergibt, das keine innere Rezirkulationszone besitzt. Das Strömungsfeld hat dann lediglich eine äußere Rezirkulationszone. Ein derartiges Strömungsfeld wird üblicherweise als Strömungsfeld vom Typ A bezeichnet.
  • Ab einer Drallzahl von ungefähr S = 0,5 beginnt sich eine innere Rezirkulationszone zu bilden, die mit zunehmender Drallzahl größer wird. Ein Strömungsfeld, das eine innere und eine äußere Rezirkulationszone besitzt, wird üblicherweise als Strömungsfeld vom Typ B bezeichnet.
  • Drallbrenner werden derart ausgelegt, dass entweder ein Strömungsfeld vom Typ A oder ein Strömungsfeld von Typ B stabil vorliegt. Grundsätzlich sind auch Drallbrenner erzeugbar, bei denen ein Strömungsfeld vom Typ A oder vom Typ B auftreten kann. Ein derartiger Brenner ist metastabil ausgelegt, wobei das Strömungsfeld, welches sich tatsächlich einstellt, von weiteren Parametern als der theoretischen Drallzahl abhängt. Ein derartiger Brenner im metastabilen Bereich weist üblicherweise eine Drallzahl im Bereich von 0,5 ≤ S ≤ 0,6 auf.
  • Wodurch ein Umschlagen des Strömungsfeldes von einem Typ zu dem anderen hervorgerufen wird, ist noch nicht vollständig erforscht, so dass metastabil ausgelegte Drallbrenner im kommerziellen Bereich, wie beispielsweise der Luftfahrt, nicht eingesetzt werden. Ein plötzliches Umschlagen der Strömungsform könnte die Verbrennungsstabilität stark beeinflussen, was besonders bei Fluggasturbinen nicht tolerierbar ist.
  • Ziel von modernen Gasturbinen ist es, nicht nur eine möglichst stabile Verbrennung des Kraftstoffes zu erreichen, sondern die Verbrennung sollte möglichst auch vollständig und schadstoffarm erfolgen. Die Verbrennung des Kraftstoffes wird stark durch das Luft-Kraftstoffverhältnis beeinflusst. Darüber hinaus müssen weitere Parameter für die vollständige und schadstoffarme Verbrennung vorliegen, wie beispielsweise Verweilzeit in der Reaktionszone, so dass die chemische Reaktion der Verbrennung erfolgen kann, ausreichende Temperatur, um zu vermeiden, dass die Reaktion abbricht sowie eine nicht zu hohe Temperatur, damit die Stickoxidemission gering gehalten wird.
  • Eine Fluggasturbine durchläuft während eines normalen Fluges verschiedene Betriebspunkte, wie beispielsweise Leerlauf, Start, Flug auf einer Höhe sowie Landung. Bei konventionellen Fluggasturbinen variiert dabei zwischen dem Leerlauf und der Volllast beim Start der Kraftstoffmassenstrom in etwa um einen Faktor 11,1, wohingegen der Luftmassenstrom etwa um den Faktor 4,3 ansteigt. Je nach Betriebspunkt können das Vorhandensein sowie die Lage und die Größe der Rezirkulationszonen einen großen Einfluss auf die Stabilität und die Qualität der Verbrennung des Kraftstoffes haben. Aufgrund des großen Betriebsbereich bei Fluggasturbinen wird bei der Auslegung der Fluggasturbinen ein Kompromiss hinsichtlich der Gestaltung der Rezirkulationszonen gefunden.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drallbrenner zu schaffen, bei dem auf die Ausbildung der Rezirkulationszonen in der Brennkammer Einfluss genommen werden kann. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Drallbrenners zu schaffen, bei dem auf die Ausbildung der Rezirkulationszonen Einfluss genommen werden kann. Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs lund 8 definiert.
  • Die Erfindung sieht im Wesentlichen vor, dass ein Drallbrenner metastabil ausgelegt ist, wobei mittels eines Luftkanals gezielt Luft in den Drallkanal oder die Brenneraustrittsöffnung eingeleitet wird, um die durch den Drallbrenner in einer Brennkammer erzeugte Strömungsform zu beeinflussen.
  • Die Erfindung sieht vor, dass ein Drallbrenner mit einer Kraftstoffversorgung, einer Brenneraustrittsöffnung und einer Mittelachse sowie mit mindestens einem ersten Drallkanal mit mindestens einem Drallerzeuger, wobei der Drallkanal einen an den Drallerzeuger anschließenden Drallraum und einen in die Brenneraustrittsöffnung mündenden Auslass aufweist und mit mindestens einem Luftkanal ausgebildet ist, wobei der Drallbrenner metastabil ausgelegt ist und der Luftkanal einen ersten Ausgang aufweist, der in den Drallraum oder den Auslass des Drallkanals mündet. Durch den Luftkanal kann ein Luftstrom zugeführt werden, welcher in Kontakt mit der aus dem Drallerzeuger strömenden Luft gelangt. An der Kontaktfläche zwischen den beiden Luftströmen entsteht ein Impulsaustausch. Die Intensität des Impulsaustauschs wird durch die Auslegung der Geometrie des Drallbrenners bestimmt. Dabei begünstigt eine große Kontaktfläche zwischen den Luftströmen den Impulsaustausch, wohingegen eine kleine Kontaktfläche diesen erschwert.
  • Bei einem metastabil ausgelegten Drallbrenner, der vermehrt zur Bildung eines Strömungsfeldes des Typs B tendiert, kann durch die Zuleitung von unverdrallter Luft durch den Luftkanal erreicht werden, dass sich ein Strömungsfeld des Typs A vorzugsweise ausbildet. Durch eine Reduzierung des Luftstroms durch den Luftkanal, bzw. durch ein Abschalten des Luftmassenstroms, kann die Form der Rezirkulationszone beeinflusst bzw. der Drallbrenner kann dazu angeregt werden, wiederum eher ein Strömungsfeld des Typs B zu erzeugen.
  • Bei einem metastabil ausgelegten Drallbrenner, der beispielsweise vermehrt zur Bildung eines Strömungsfeldes des Typs A tendiert, kann durch die Zuleitung von gegebenenfalls verdrallter Luft durch den Luftkanal und somit in den Drallraum oder in den Auslass des Drallkanals, ein Strömungsfeld des Typ B erzeugt werden. Durch eine Reduzierung des Luftstroms durch den Luftkanal in den Drallraum oder den Auslass des Drallkanals bzw. ein Abschalten des Luftstroms kann die Form der Rezirkulationszone beeinflusst bzw. der Drallbrenner kann dazu angeregt werden, wiederum eher zu der Erzeugung eines Strömungsfeldes vom Typ A zu tendieren.
  • In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Luftkanal einen zweiten Ausgang aufweist, der in Richtung der Mittelachse gerichtet ist und in die Brenneraustrittsöffnung mündet. Es hat sich herausgestellt, dass ein Luftstrom, der in Richtung der Mittelachse gerichtet ist und in die Brenneraustrittsöffnung mündet, mit einem metastabil ausgerichteten Drallbrenner die Erzeugung eines Strömungsfeldes vom Typ A hervorrufen kann. Ein Luftstrahl, der durch den Luftkanal in die Mitte der Brenneraustrittsöffnung gerichtet ist, besitzt eine Axialgeschwindigkeit, die deutlich höher ist als die der Drallströmung in der Umgebung. Es entsteht nur eine relativ kleine Kontaktfläche zwischen dem axialen Strahl aus dem Luftkanal und der verdrahten Strömung, wodurch für den Impulsaustausch eine längere Zeit und somit ein längerer Weg benötigt wird. Da der Kern der gebildeten Strömung beim Austritt aus dem Brenner keinen Drall aufweist, wird ein Aufplatzen der Strömung und somit die Bildung einer inneren Rezirkulationszone verhindert. Es kann somit sichergestellt werden, dass ein Strömungsfeld vom Typ A gebildet wird.
  • Ein erfindungsgemäßer Drallbrenner, der einen Luftkanal mit einem ersten Ausgang aufweist, der in den Drallraum oder den Auslass des Drallkanals mündet und einen zweiten Ausgang, der in Richtung der Mittelachse gerichtet ist und in die Brenneraustrittsöffnung mündet, aufweist, ermöglicht somit, dass ein Drallbrenner geschaffen werden kann, der gezielt Strömungsfelder vom Typ A oder Typ B erzeugt. Dabei wird ein von dem Drallbrenner durch die entsprechende Luftströmung durch den Luftkanal erzeugtes Strömungsfeld stabil beibehalten und es kommt nicht zum plötzlichen Umschlagen des Strömungsfeldes von einem Strömungstyp zum anderen. Es lässt sich somit die für den entsprechenden Betriebspunkt optimale Strömungsform mit dem erfindungsgemäßen Brenner einstellen, so dass eine stabile, vollständige und möglichst schadstoffarme Verbrennung des Kraftstoffes erreicht werden kann. Da die unterschiedlichen Strömungsformen auch einen Einfluss auf die lokalen Verbrennungstemperaturen haben, kann gleichzeitig auch die Stickoxidemission einer Gasturbine, in der der erfindungsgemäße Drallbrenner verwendet wird, beeinflusst werden.
  • Ein Drallbrenner kann eine Kraftstoffversorgung, eine Brenneraustrittsöffnung und eine Mittelachse sowie mit mindestens einem ersten Drallkanal mit mindestens einem Drallerzeuger aufweisen, wobei der Drallkanal einen an den Drallerzeuger anschließenden Drallraum und einen in die Brenneraustrittsöffnung mündenden Auslass aufweist und mit mindestens einem Luftkanal metastabil ausgelegt ist und der Luftkanal einen Ausgang aufweist, der in Richtung der Mittelachse gerichtet ist und in die Brenneraustrittsöffnung mündet. Ein derartig ausgestalteter erfindungsgemäßer Drallbrenner kann beispielsweise durch das Einleiten eines Luftstromes in den Bereich der Mittelachse der Brenneraustrittsöffnung erreichen, dass ein Strömungsfeld vom Typ A erzeugt wird.
  • Der erfindungsgemäße Drallbrenner kann einen zweiten Drallkanal mit Drallerzeuger aufweisen, der koaxial zu dem ersten Drallkanal und außerhalb des ersten Drallkanals angeordnet ist und in die Brenneraustrittsöffnung mündet. Das Vorsehen eines zweiten Drallkanals mit einem Drallerzeuger, der beispielsweise schmaler als der erste Drallkanal ausgebildet sein kann, kann an der Brenneraustrittsöffnung in besonders vorteilhafter Weise eine verdrallte Strömung erzeugt werden.
  • Gemäß der Erfindung ist der Luftkanal als bi-stabiler fluidischer Schalter ausgebildet ist. Da in einem Drallbrenner hohe Drücke und hohe Temperaturen vorherrschen, ist das Vorsehen von mechanischen Klappen, die beispielsweise ein Lenken des Luftstroms durch den Luftkanal in Richtung des ersten oder zweiten Ausgangs ermöglichen würden, nachteilig, da diese zu starkem Verschleiß neigen würden. Die Ausbildung des Luftkanals als bi-stabilen fluidischen Schalter ermöglicht eine Ablenkung der Strömung in Richtung des ersten oder zweiten Ausgangs in dem Luftkanal in vorteilhafter Weise ohne die Verwendung von mechanischen Bauteilen. Die Strömung wird rein aufgrund von Schaltimpulsen in Form von Luftströmen, die beispielsweise in Steuerkanälen erzeugt werden, gelenkt. Die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Drallbrenners ist somit auch unter den in den Drallbrenner herrschenden extremen Bedingungen gewährleistet.
  • Der erfindungsgemäße Drallbrenner kann an dem Luftkanal eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Luftströmung in den ersten und in den zweiten Ausgang aufweisen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung in den Luftkanal mündende Steuerkanäle aufweist.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Drallkanal oder die Drallkanäle sowie der Luftkanal axialsymmetrisch zu der Mittelachse ausgebildet sind. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Luftkanal bzw. die Ausgänge des Luftkanals als Ringspalt ausgebildet sind.
  • Die Erfindung ist ferner durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 definiert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Drallbrenners, der metastabil ausgebildet ist und eine verdrallte Luftströmung erzeugt, die sich mit eingespritztem Kraftstoff vermischt, ist vorgesehen, dass die Strömungsform der Austrittsströmung des Kraftstoff-Luftgemisches steuerbar ist, indem zur Schaffung einer ersten Strömungsform mit einer inneren Rezirkulationszone ein unverdrallter Luftstrom in die verdrallte Luftströmung geleitet wird, wodurch die Luftströmung abgebremst und durch den verdrahten Luftstrom in Umfangsrichtung abgelenkt wird.
  • Dabei ist vorgesehen, dass zur Schaffung einer zweiten Strömungsform ohne innere Rezirkulationszone der unverdrallte Luftstrom in Richtung der Mittelachse des Drallbrenners gerichtet ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit, einen Drallbrenner derart zu betreiben, dass zwei unterschiedliche Strömungsformen, nämlich eine erste Strömungsform mit einer inneren Rezirkulationszone und eine zweite Strömungsform ohne innere Rezirkulationszone erzeugt werden. Auf diese Weise lässt sich der Drallbrenner an unterschiedliche Betriebspunkte anpassen und eine stabile, vollständige und möglichst schadstoffarme Verbrennung des Kraftstoffs kann erreicht werden.
  • Ein Verfahren zum Betrieb eines Drallbrenners kann vorsehen, dass der metastabil ausgelegt ist und eine verdrallte Luftströmung erzeugt, die sich mit eingespritztem Kraftstoff vermischt, wobei die Strömungsform der Austrittsströmung des Kraftstoff-Luftgemisches steuerbar ist, indem zur Schaffung einer Strömungsform ohne innere Rezirkulationszone eine gerade Luftströmung in Richtung der Mittelachse des Drallbrenners gerichtet ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Drallbrenner kann die Kraftstoffversorgung ein oder mehrere Kraftstoffkreisläufe umfassen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Kraftstoffversorgung zentral angeordnet ist und eine Einspritzdüse, beispielsweise eine Hohlkegeleinspritzdüse, besitzt. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Kraftstoffversorgung einen Kraftstoffkreislauf umfasst, der den Kraftstoff mittels eines Filmlegers zuführt. Dabei wird ein Kraftstofffilm auf eine Oberfläche aufgebracht und durch vorbeiströmende Luft zerstäubt. Der Filmleger kann beispielsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Drallkanal angeordnet sein.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 und 2 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drallbrenners bei der Erzeugung von zwei unterschiedlichen Strömungsformen und
    • 3 eine Detailansicht des Luftkanals des erfindungsgemäßen Drallbrenners.
  • 1 und 2 zeigen eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drallbrenners 1. Ein derartiger Drallbrenner kann beispielsweise in einer Gasturbine eines Flugzeugtriebwerkes eingesetzt werden.
  • Der erfindungsgemäße Drallbrenner 1 ist axialsymmetrisch zu einer Mittelachse 3 ausgebildet. Im Inneren weist der Drallbrenner 1 eine zentral angeordnete Kraftstoffversorgung 5 auf, die eine Einspritzdüse 7, beispielsweise eine Hohlkegeleinspritzdüse, besitzt. Koaxial zu der Mittelachse 3 ist ein erster Drallkanal 9 und ein zweiter Drallkanal 11 angeordnet, die durch einen Ringspalt gebildet werden. In dem ersten Drallkanal 9 und dem zweiten Drallkanal 11 ist jeweils ein Drallerzeuger 13 angeordnet, der beispielsweise Luftleitbleche aufweisen kann.
  • Der erste Drallkanal 9 weist einen an den Drallerzeuger 13 anschließenden Drallraum 15 sowie einen Auslass 17 auf. Der Drallbrenner 1 weist ferner eine Brenneraustrittsöffnung 19 auf, an die sich eine Brennkammer 21, die in den 1 und 2 nur teilweise dargestellt ist, anschließt. Der erste und der zweite Drallkanal 9, 11 sowie die Einspritzdüse 7 münden in die Brenneraustrittsöffnung 19.
  • Der erfindungsgemäße Drallbrenner weist ferner einen Luftkanal 23 auf, über den eine gerade, d.h. unverdrallte Luftströmung, eingeleitet werden kann. Der Luftkanal 23 weist einen ersten Ausgang 25 auf, der in den Drallraum 15 des ersten Drallkanals 9 mündet. Ferner weist der Luftkanal 23 einen zweiten Ausgang 27 auf, der in Richtung der Mittelachse 3 gerichtet ist und direkt in die Brenneraustrittsöffnung 19 mündet. Durch das Einleiten von Luftströmung durch den ersten Ausgang 25 oder den zweiten Ausgang 27 können in der Brennkammer 21 unterschiedliche Strömungsfeldformen erzeugt werden.
  • In 1 wird die durch den Luftkanal 23 strömende Luft durch den Ausgang 25 geleitet und in den Drallraum 15 des ersten Drallkanals 9 geleitet. Dadurch wird der Strahl ringförmig aufgeweitet, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit verringert. Durch die Aufweitung des Strahls wird im Drallraum 15 eine große Kontaktfläche zwischen dem Luftstrahl aus dem Ausgang 25 und dem verdrahten Luftstrahl aus dem Drallerzeuger 13 des ersten Drallkanals 9 erreicht, was die Impulsübertragung begünstigt. Dadurch überträgt sich die Umfangskomponente der Geschwindigkeit der aus dem Drallerzeuger 13 des ersten Drallkanals 9 ausströmenden verdrahten Luft auf den aus dem Ausgang 25 austretenden Luftstrahl. Die Brenneraustrittsöffnung 19 weist einen gegenüber den übrigen Teilen des Brenners verjüngten Querschnitt 29 auf. Durch die Verjüngung des Querschnitts in Strömungsrichtung steigt aufgrund der Drehimpulserhaltung die Drehzahl des Strahls um die Mittelachse 3 an. An dem verjüngten Querschnitt 29, das die engste Stelle der Brenneraustrittsöffnung 19 ist, liegt ein vollständig verdrallter Luftstrom vor, welcher sich in der Brenneraustrittsöffnung öffnet und die Ausbildung einer inneren Rezirkulationszone erlaubt. Somit wird ein Strömungsfeld vom Typ B erzeugt.
  • Die unterschiedlichen Strömungszonen sind in den 1 und 2 schematisch dargestellt und durch eine gestrichelte Linie abgegrenzt. Die innere Rezirkulationszone befindet sich im Bereich A, die äußeren Rezirkulationszonen im Bereich B. In dem Drallbrenner 1 entstehende Rezirkulationszonen sind mit C bezeichnet. Die verdrallte Strömung verläuft entlang den Bereichen D.
  • In 2 wird die durch den Luftkanal 23 strömende Luft durch den zweiten Ausgang 27 geleitet. Der dabei entstehende Luftstrom besitzt eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, wobei der Strahl aufgedickt wird, wodurch seine Oberfläche verringert wird. Es wird ein ringförmiger Strahl erzeugt, der so gelenkt wird, dass er stromab der Einspritzdüse 7 zu einem gemeinsamen Strahl in der Brennermitte vereint wird. Die Axialgeschwindigkeit dieses Luftstroms ist deutlich höher als die aus dem ersten Drallkanal und dem zweiten Drallkanal 11 austretende Drallströmung. Aufgrund der kleinen Oberfläche entsteht zwischen dem in der Brennermitte erzeugten Luftstrom und der verdrahten Luft nur eine kleine Kontaktfläche, wodurch der Impulsaustausch zwischen den beiden Strömungsformen eine längere Zeit und somit einen längeren Weg benötigt. Da der Kern der Strömung beim Austritt aus der Brenneraustrittsöffnung 19 keinen Drall aufweist, wird das Aufplatzen der Strömung und somit das Entstehen einer inneren Rezirkulationszone verhindert. In der Brennerkammer 21 bildet sich somit ein Strömungsfeld von Typ A, d.h. ohne innere Rezirkulationszone, aus.
  • Zur Steuerung des Luftstromes durch den ersten Ausgang 25 oder den zweiten Ausgang 27 des Luftkanals 23 kann der Luftkanal 23 als bi-stabiler fluidischer Schalter ausgebildet sein. Die Ausgestaltung des Luftkanals 23 ist schematisch in 3 im Detail dargestellt. Der Luftkanal 23 weist dabei eine Steuervorrichtung 31 auf, die zur Steuerung der Luftströmung in den ersten Ausgang 25 oder den zweiten Ausgang 27 dienen. In dem Luftkanal 23 ist eine Düse 33 ausgebildet, die in einen Schaltraum 35 mündet. Ein Splitter 37 teilt dann den Luftkanal 23 in den ersten Ausgang 25 und den zweiten Ausgang 27.
  • Im Bereich des Austritts der Düse 33 in den Schaltraum 35 sind Steuerkanäle 39 angeordnet, die in den Luftkanal 23 münden. Durch Schaltimpulse in Form von kleinen Luftströmungen, die in den Luftkanal 23 einströmen oder durch die Steuerkanäle 39 abgeblasen werden, kann der durch den Luftkanal 23 strömende Luftstrom gezielt und stabil entweder in Richtung des ersten Ausgangs 25 oder in Richtung des zweiten Ausgangs 27 gelenkt werden. Dadurch wird die Steuerung der in der Brennerkammer 21 erzeugten Strömungsform auf einfache Art und Weise ermöglicht, wobei die Leitung der Luftströmung durch den Luftkanal ohne die Verwendung von mechanischen bzw. beweglichen Teilen ermöglicht werden kann, wodurch eine besonders hohe Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Drallbrenners 1 erreicht wird.

Claims (8)

  1. Drallbrenner (1) mit einer Kraftstoffversorgung (5) und einer Brenneraustrittsöffnung (19) und einer Mittelachse (3) sowie mit mindestens einem ersten Drallkanal (9) mit mindestens einem Drallerzeuger (13), wobei der Drallkanal (9) einen an den Drallerzeuger (13) anschließenden Drallraum (15) und einen in die Brenneraustrittsöffnung (19) mündenden Auslass (17) aufweist und mit mindestens einem Luftkanal (23), dadurch gekennzeichnet, - dass der Luftkanal (23) einen ersten Ausgang (25) aufweist, der in den Drallraum (15) oder den Auslass (17) des ersten Drallkanals (9) mündet, und - dass der Luftkanal (23) einen zweiten Ausgang (27) aufweist, der in Richtung der Mittelachse (3) gerichtet ist und in die Brenneraustrittsöffnung (19) mündet, wobei der Luftkanal (23) als bi-stabiler fluidischer Schalter ausgebildet ist.
  2. Drallbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Drallkanal (11) mit einem Drallerzeuger (13) koaxial zu dem ersten Drallkanal (9) und außerhalb des ersten Drallkanals (9) angeordnet ist und in die Brenneraustrittsöffnung (19) mündet.
  3. Drallbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (23) eine Steuervorrichtung (31) zur Steuerung der Luftströmung in den ersten oder den zweiten Ausgang (25,27) aufweist.
  4. Drallbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (31) in den Luftkanal (23) mündende Steuerkanäle (39) aufweist.
  5. Drallbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drallkanal (9) sowie der Luftkanal (23) axialsymmetrisch zu der Mittelachse (3) ausgebildet sind.
  6. Drallbrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drallkanal (9) und ein zweiter Drallkanal (11) sowie der Luftkanal (23) axialsymmetrisch zu der Mittelachse (3) ausgebildet sind.
  7. Drallbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (23) als Ringspalt ausgebildet ist.
  8. Verfahren zum Betrieb eines Drallbrenners (1), der eine verdrallte Luftströmung erzeugt, die sich mit eingespritztem Kraftstoff vermischt, wobei die Strömungsformen einer Austrittsströmung des Kraftstoff-Luftgemisches steuerbar sind, indem zur Schaffung einer ersten Strömungsform mit einer inneren Rezirkulationszone ein unverdrallter Luftstrom in die verdrallte Luftströmung geleitet wird, wodurch die Luftströmung abgebremst und stark verdrallt wird und zur Schaffung einer zweiten Strömungsform ohne innere Rezirkulationszone der unverdrallte Luftstrom in Richtung der Mittelachse des Drallbrenners gerichtet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102022105076A1 (de) * 2022-03-03 2023-09-07 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Zufuhreinrichtung, Brennersystem und Verfahren

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6474569B1 (en) 1997-12-18 2002-11-05 Quinetiq Limited Fuel injector
US20080193886A1 (en) 2004-02-10 2008-08-14 Ebara Corporation Combustion Apparatus
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Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6474569B1 (en) 1997-12-18 2002-11-05 Quinetiq Limited Fuel injector
US20080193886A1 (en) 2004-02-10 2008-08-14 Ebara Corporation Combustion Apparatus
DE102007043626A1 (de) 2007-09-13 2009-03-19 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Gasturbinenmagerbrenner mit Kraftstoffdüse mit kontrollierter Kraftstoffinhomogenität

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