DE19523094A1 - Brennkammer - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei Gasturbinen der neueren Generation wird ein Teil der Ver­ dichterluft zu Kühlzwecken abgezweigt. Bestimmungsgemäß wird diese Verdichterluft zur Kühlung der thermisch hochbelasteten Aggregate eingesetzt, anschließend dann als Verbrennungsluft in den Kreislauf der Gasturbine eingeführt. Da die Einleitung dieser Kühlluft in den Kreislauf an geeigneter Stelle statt­ finden muß, besteht dort die immanente Gefahr, daß die Druckverluste bei dieser Überleitung zu hoch ausfallen, was zwangsläufig eine Verminderung des Wirkungsgrades der Anlage zur Folge hat. Die genannte Verdichterluft muß darüber hin­ aus beispielsweise nach Kühlung der Brennkammer vor der Ver­ brennungszone wieder in den Kreislauf rückgeführt werden, soll die spezifische Leistung der Anlage keine Einbrüche er­ leiden. Gerade bei letztgenannter Operation, im Zusammenhang mit dem Einsatz eines Vormischbrenners in der Brennkammer, treten, soweit aus dem Stand der Technik ersichtlich ist, Druckverluste auf, welche regelmäßig infolge der Quer­ schnittserweiterung zwischen Kühlluft-Zuführung und Plenum zu hohen Wirkungsgradverluste führen. Zwar ist es richtig, daß sich diese Wirkungsgradverluste durch einen Diffusor vermei­ den ließen, indessen würde eine solche Vorkehrung, insbeson­ dere bei den heute üblichen Ringbrennkammern, die Länge der Gasturbine stark anwachsen lassen, mit allen sich daraus er­ gebenden Nachteilen, die dem Fachmann bestens geläufig sind. Diese Nachteile würden sich sodann akzentuieren, wenn die Gasturbine auf eine sequentielle Verbrennung ausgelegt ist, d. h., wenn die Gasturbine aus je zwei nachgeschalteten Brenn­ kammern und Turbinen besteht. Die bekanntgewordenen Konfigu­ rationen, welche eine Reduzierung der Gesamtlänge der Gastur­ bine aufgrund einer zu langen Brennkammer durch eine Überla­ gerung der Brennkammer gegenüber den beiden in Wirkverbindung stehenden Strömungsmaschinen anstreben, weisen auch Nachteile auf, denn hier muß die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien jeweils zwei Mal umgelenkt werden, was für den Wirkungsgrad und für die Güte der Mischung der Verbrennungsluft nicht för­ derlich ist.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art die Einführung der Kühlluft in den Verbrennungsluftstrom mit minimierten Druckverlusten bei optimaler Vermischung der bei­ den Luftströme zu gestalten.

Die Druckverluste bei der Implementierung der Kühlluft in den Verbrennungsluftstrom werden minimiert, indem durch minde­ stens ein Injektorsystem am Übergang zum Plenum an sich ein körperloser Diffusor gebildet wird.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß es sich hier um eine kompakte Konfiguration handelt, welche die Einströmung der Kühlluft in den anderen Luftstrom im selben Rahmen wie beim Einsatz eines verhältnismäßig lan­ gen, strömungsoptimal ausgelegten Übergangsdiffusors gewähr­ leistet. Daraus ergibt sich, daß die Brennkammer kompakter ausgelegt werden kann, und daß die Zumischung der Kühlluft strömungstechnisch optimal abläuft, dergestalt, daß auf die Flammentemperatur eingewirkt werden kann, in dem Sinne, daß daraus eine Minimierung der Schadstoff-Emissionen, insbeson­ dere was die NOx-Emissionen betrifft, resultiert.

Darüber hinaus werden durch die Erfindung nicht nur die Druckverluste minimiert, sondern es wird in positiver Weise auch auf die Unterdrückung von Pulsationen eingewirkt.

Die Erfindung entfaltet insbesondere bei Gasturbinen mit Ringbrennkammern große Vorteile, denn die vorgeschlagene Zu­ mischung der Kühlluft bedingt keine Verlängerung des Plenums, womit als augenfällige Folge eine kürzere Rotorwelle der An­ lage daraus resultiert.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge­ kennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen ver­ sehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen ange­ geben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine Ringbrennkammer im Bereich der Implementierung der Kühlluft in den Verbrennungsluftstrom,

Fig. 2 eine Ansicht der Ringbrennkammer entlang der Schnittebene II-II aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstel­ lung, entsprechend aufgeschnitten,

Fig. 4-6 Ansichten durch verschiedene Schnittebenen des Brenners gemäß Fig. 3,

Fig. 7 einen weiteren Brenner,

Fig. 8 einen Drallerzeuger als Bestandteil des Brenners ge­ mäß Fig. 7, in perspektivischer Darstellung, ent­ sprechend aufgeschnitten,

Fig. 9 eine Schnittebene durch den als zweischalig ausge­ bildeten Drallerzeuger gemäß Fig. 8,

Fig. 10 eine Schnittebene durch einen vierschaligen Drall­ erzeuger,

Fig. 11 eine Schnittebene durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind und

Fig. 12 eine Darstellung der Form der Übergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und nachgeschaltetem Misch­ rohr.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt, wie aus der eingezeichneten Wellenachse 10 her­ vorgeht, daß es sich bei vorliegender Brennkammer um eine Ringbrennkammer 1 handelt, welche im wesentlichen die Form eines zusammenhängenden annularen oder quasi-annularen Zylin­ ders einnimmt. Darüber hinaus kann eine solche Brennkammer auch aus einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig angeordneter und einzeln in sich abgeschlossener Brennräume bestehen. An sich kann eine solche Brennkammer auch aus einem einzigen Rohr bestehen. Des weiteren kann diese Brennkammer die einzige Verbrennungsstufe einer Gasturbine oder eine Ver­ brennungsstufe einer sequentiell befeuerten Anlage bildet. Die Ringbrennkammer 1 besteht kopfseitig aus einem Plenum 7, daß endseitig in Strömungsrichtung mit einer Konfiguration von Brennern 100 abschließt. Über die Verteilung sowie Aus­ gestaltung der Brenner 100 wird in den nachfolgenden Figuren näher eingegangen. Stromab dieser Brenner 100 schließt sich der eigentliche Brennraum 122 der Brennkammer 1 an. Die in diesem Raum erzeugten Heißgase 11 beaufschlagen dann in der Regel eine nachgeschaltete Turbine. Der Brennraum 122 ist mit einem doppelten ringförmigen Kanal 2, 3 ummantelt, durch wel­ che eine Kühlluft 4 in Gegenstromrichtung fließt. Etwa in der Ebene zwischen Ende Brenner 100 und Anfang Brennraum 122, also in der Ebene der Frontwand 110, steht diese Kühlluft 4 in Wirkverbindung mit einer von außen kommenden Luftmenge 5 höheren Potentials, im folgenden Beschleunigungsluft genannt, wobei das Zusammenwirken dieser beiden Luftströme 4, 5 über Injektorsysteme 8, 9 stattfindet, welche in Umfangsrichtung gegenüber Innen- und Außenwand der Ringbrennkammer 1 ange­ ordnet sind. Auf die Ausgestaltung dieser Injektorsysteme wird unter Fig. 2 näher eingegangen. Innerhalb dieser Injek­ torsysteme 8, 9 erhält die Kühlluft 4 durch die Wirkung der Beschleunigungsluft 5 innerhalb eine sehr kurzen Strecke ein räumlich kompaktes, optimales Geschwindigkeitsprofil, das ty­ pischerweise demjenigen eines relativ langen Diffusors ent­ spricht. Dieses Geschwindigkeitsprofil weist keine Strömungs­ ablösungen entlang der Wände des entsprechenden Injektorsy­ stems auf, so daß die Druckverluste, die insbesondere viru­ lent bei jeder Querschnittserweiterung auftreten, bei der nachfolgenden Implementierung dieses Luftstromes 6 in die weitere Verdichterluft innerhalb des Plenums 7 minimiert wer­ den. Daraus ergibt sich auch, daß aus der Vermischung der beiden letztgenannten Hauptluftströmungen eine gleichförmige Verbrennungsluft 115 bereitgestellt wird, dergestalt, daß die Brenner 100 mit einer optimalen Verbrennungsluft 115 ge­ laden werden, wodurch die nachfolgende Vermischung mit einem Brennstoff zu einem zündfähiges Gemisch unter bestmöglichen Verhältnissen stattfinden kann. Die anschließende Verbren­ nung zeichnet sich dann folgerichtig durch einen minimierten Ausstoß an Schadstoff-Emissionen aus. Vorzugsweise sind die hier zum Einsatz kommenden Brenner nach einem Vormischtechnik aufgebaut, wobei für bestimmte Anwendungen auch Diffusions­ brenner in Frage kommen können.

Aus Fig. 2 ist der Aufbau der einzelnen Injektorsysteme 8, 9 ersichtlich. Des weiteren geht aus dieser Fig. 2 die Anord­ nung der Brenner 100 innerhalb der Frontwand 110 zum an­ schließenden Brennraum hervor. Diese Anordnung kann von Fall zu Fall verschieden sein, wobei auch die Anzahl der Brenner varieren kann. Ferner findet innerhalb des Brennerverbundes vorzugsweise eine Aufteilung in Pilotbrenner und Hauptbrenner statt, wodurch mit dieser Vorkehrung die transienten Lastbe­ reiche optimal angefahren werden können. In beiden Umfangs­ richtungen beidseits der Brenner 100 wird die Kühlluft 4 durch einzelne in sich abgeschlossene Injektorsysteme 8, 9 geleitet, welche die Form rechteckiger Kanäle haben. In Um­ fangsrichtung jedes Kanals wird die Beschleunigungsluft 5 über dort in regelmäßigem Abstand vorhandene Bohrungen 5a eingebracht und bewirkt, daß die Kühlluft 4 innerhalb der sehr kurzen Länge der Kanäle ein optimales Geschwindig­ keitsprofil erhält, bevor sie in das Plenum einströmt. Selbstverständlich ist die geometrische Querschnittsform der Kanäle nicht auf die dargestellte rechteckige Form be­ schränkt. Auch der Durchflußquerschnitt und schlußendlich die Zahl dieser Kanäle in Umfangsrichtung ist von Fall zu Fall zu bestimmen, wobei das Ziel bei jeder Auslegung die Op­ timierung des Geschwindigkeitsprofils der Kühlluft 4 inner­ halb einer kürzesten Strecke sein muß.

Nachfolgend kommen zwei Vormischbrennertypen zur Darstellung und näheren Erläuterung: Zum einen handelt es sich um den Vormischbrenner 100, gemäß Fig. 3-6, der in den Fig. 1 und 2 bereits schematisch dargestellt ist, zum anderen um einen weiteren Vormischbrenner, der in den Fig. 7-12 näher gezeigt und erläutert wird.

Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 3 die einzelnen Schnitte nach den Fig. 4-6 herangezogen werden. Des weite­ ren, um Fig. 3 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Fig. 4-6 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 3 nach Bedarf auf die restlichen Fig. 4-6 hingewiesen.

Der Brenner 100 nach Fig. 3 ist ein Vormischbrenner und be­ steht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Verset­ zung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz oder Kanal 119, 120 frei (vgl. Fig. 4-6), durch welche die Verbrennungs­ luft 115 in Innenraum des Brenners 100, d. h. in den Kegel­ hohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, kön­ nen die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zuneh­ mende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete oder Tulpe resp. Diffusor oder Konfusor. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die bei­ den kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindri­ schen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kege­ ligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so daß die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Brenners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, deren Brennstoff-Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Quer­ schnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebilde­ ten Kegelhohlraums 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebe­ nen Parametern des jeweiligen Brenners 100. Selbstverständ­ lich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, aus einem einzigen Teilkörper mit einem einzigen tangentialen Lufteintrittsschlitz, oder aus mehr als zwei Teilkörpern ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoff­ leitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Luft­ eintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöff­ nungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gas­ förmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbren­ nungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 ver­ sinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Ein­ strömung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Brenners 100 in eine Frontwand 119 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten Bohrungen 110a treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, daß Verdünnungs­ luft oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Brenners 100. Diese Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brenn­ stoff handelt es sich um einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff 112, der allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff 112 wird, insbeson­ dere wenn es sich um einen flüssigen handelt, unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Ver­ brennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Vermi­ schung abgebaut. Wird der Brenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Öffnungsdüsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft- Gemisches direkt am Übergang der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zum Kegelhohlraum 114 hin zustande kommt. Die Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 erfüllt die Funktion einer Kopfstufe; sie kommt normalerweise bei Inbetriebsetzung und bei Teillastbetrieb zum Zuge. Selbstverständlich ist über diese Kopfstufe auch ein Grundlastbetrieb mit einem flüssigen Brennstoff möglich. Am Ende des Brenners 100 stellt sich ei­ nerseits die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt, andererseits die kritische Drallzahl ein; letztgenannte führt dann im Zusammenwirken mit der dort di­ sponierten Querschnittserweiterung zu einem Wirbelaufplatzen, gleichzeitig auch zur dortigen Bildung einer Rückströmzone 106. Die Zündung erfolgt an der Spitze dieser Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbren­ nungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückge­ führten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdamp­ fung des allenfalls eingesetzten flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe zugeführt wer­ den. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwinkels und Breite der tangentialen Luft­ eintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, da­ mit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Rückströmzone 106 am Ausgang des Brenners ein­ stellen kann. Allgemein ist zu sagen, daß eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die Rück­ strömzone 106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, daß die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strö­ mungsrichtung im Bereich der Kegelform des Brenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Brenners 100 läßt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 100 eine relativ große betriebliche Bandbreite erfaßt wer­ den kann. Es ist auch ohne weiteres möglich, die kegeligen Teilkörper 101, 102 spiralförmig ineinander zu verschach­ teln.

Aus Fig. 4-6 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungs­ funktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jewei­ lige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungs­ richtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spalt­ größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 verän­ dert wird. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkeh­ rungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmäßige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teil­ körpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.

Fig. 7 zeigt den Gesamtaufbau eines weiteren Brenners 300. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100a wirksam, dessen Ausge­ staltung weitgehend derjenigen des Brenners 100 gemäß Fig. 3 entspricht. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100a auch um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von dem tangential einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100a vorgesehenen Ü­ bergangsgeometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 überge­ leitet, dergestalt, daß dort keine Ablösungsgebiete auftre­ ten können. Die Konfiguration dieser Übergangsgeometrie wird unter Fig. 12 näher beschrieben. Dieses Übergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Übergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220 des Brenners 300 bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d. h. dann, daß das Übergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Cha­ rakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Übergangsstück 200 und Rohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 50 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 50 kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100a dient. Ein solcher Buchsenring 50 hat darüber hinaus den Vorteil, daß verschiedene Mischrohre ein­ gesetzt werden können. Abströmungsseitig des Rohres 20 befin­ det sich der eigentliche Brennraum 122, der im wesentlich demjenigen aus Fig. 1 entspricht und der hier lediglich durch ein Flammrohr 30 versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 er­ füllt die Bedingung, daß stromab des Drallerzeugers 100a eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, er­ möglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so daß sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluß ausgeübt werden kann. Dieses Misch­ rohres 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, daß im Mischrohr 220 selbst das Axialge­ schwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so daß eine Rückzündung der Flamme aus der Brenn­ kammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, daß bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Um­ fangsrichtung mit einer Anzahl von regelmäßig oder unre­ gelmäßig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Quer­ schnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit induziert. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, daß der Durchflußquerschnitt des Mischrohres 220 abströ­ mungsseitig der Übergangskanäle 201, welche die bereits ge­ nannten Übergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur entspricht der Auslauf der Übergangskanäle 201 dem engsten Durchflußquer­ schnitt des Mischrohres 220. Die genannten Übergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunter­ schied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beein­ flussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 220 einen nicht tole­ rierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe ge­ schaffen werden, indem am Ende des Mischrohres 220 ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schließt sich das Flammrohr 30 des Brennrau­ mes 122 an, wobei zwischen den beiden Durchflußquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 106, welche die Eigenschaften ei­ nes Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmäßi­ ge Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Un­ terdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 106. Stirn­ seitig, also in der Frontwand 110, sind mehrere Öffnungen 31 vorgesehen, durch welche eine Luftmenge direkt in den Quer­ schnittssprung strömt, und dort unteren anderen dazu bei­ trägt, daß die Ringstabilisation der Rückströmzone 106 ge­ stärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, daß die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 106 auch eine ausrei­ chend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohr­ ende, beispielsweise durch tangentiale Öffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, daß die hierzu benö­ tigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt.

Der Drallerzeuger 100a gemäß Fig. 8 entspricht von der kör­ perlichen Ausgestaltung her, wie bereits erwähnt, weitgehend dem Brenner 100 gemäß Fig. 3, wobei dieser Drallerzeuger 100a nunmehr keine Frontwand mehr aufweist. Betreffend die hier auszumachende Unterschiede wird auf die Ausführungen un­ ter Fig. 7 verwiesen.

Betreffend Fig. 9 wird auf die Ausführungen unter den Fig. 4-6 verwiesen.

Fig. 10 zeigt gegenüber Fig. 9, daß der Drallerzeuger 100a nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkör­ per sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfi­ guration ist zu sagen, daß sie sich aufgrund der damit er­ zeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit ei­ ner entsprechend vergrößerten schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers 110a im Mischrohr 220 zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.

Fig. 11 unterscheidet sich gegenüber Fig. 10 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofil­ form haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drall­ erzeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brenn­ stoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d. h. die Brennstoff­ leitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln inte­ griert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den ein­ zelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.

Fig. 12 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Übergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100a mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 10 oder 11′ aufgebaut. Dementsprechend weist die Übergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Übergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelflä­ chen der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneiden. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 8 beschriebe­ nen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung ver­ laufende Fläche der einzelnen Übergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, wel­ che einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, daß sich vorliegend der Durchflußquerschnitt des Übergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Übergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, daß der Rohrströmung 40 anschließend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genü­ gend große Strecke verbleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner er­ höht sich durch die oben genannten Maßnahmen auch die Axial­ geschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeu­ gers. Die Übergangsgeometrie und die Maßnahmen im Bereich des Mischrohres 220 bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt dieses Mischroh­ res hin, so daß der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.

Bezugszeichenliste

1 Ringbrennkammer
2, 3 Ringförmiger Kühlluftkanal
4 Kühlluft
5 Beschleunigungsluft
5a Bohrungen
6 Luftstrom aus Kühlluft und Beschleunigungsluft
7 Plenum
8 Injektorsystem, Kanal
9 Injektorsystem, Kanal
10 Wellenachse
11 Heißgase
20 Rohr
21 Bohrungen, Luftdurchlaßöffnungen
30 Flammrohr
40 Strömung, Rohrströmung im Mischrohr
50 Buchsenring
100 Vormischbrenner
100a Drallerzeuger
101, 102 Teilkörper von Brenner 100 und Brenner 300
101a, 102a Zylindrische Angangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffeindüsungsprofil
106 Rückströmzone (Vortex Breakdown)
107 Flammenfront
108, 109 Brennstoffleitungen
110 Frontwand
110a Luftbohrungen
110b Kühlluft
112 Flüssiger Brennstoff
113 Gasförmiger Brennstoff
114 Kegelhohlraum
115 Verbrennungsluft
116 Brennstoff-Eindüsung
117 Brennstoffdüsen
119, 120 Tangentiale Lufteintrittsschlitze
121a, 121b Leitbleche
122 Brennraum
123 Drehpunkt der Leitbleche
130, 131, 132, 133 Teilkörper
130a, 131a, 132a, 133a Längssymmetrieachsen
140, 141, 142, 143 Schaufelprofilförmige Teilkörper
140a, 141a, 142a, 143a Längssymmetrieachsen
200 Übergangsstück
201 Übergangskanäle
220 Mischrohr
300 Brenner

Claims (19)

1. Brennkammer, im wesentlichen bestehend aus einem Plenum zur Aufnahme mindestens eines Verdichterluftstromes, aus minde­ stens einem innerhalb des Plenums plazierten Brenner, einem dem Plenum nachgeschalteten Brennraum und einem dem Brennraum ummantelnden, in das Plenum einmündenden, kühlluftführenden Kanal, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Einmündung des kühlluftführenden Kanals (2, 3) in das Plenum (7) Injek­ torsysteme (8, 9) angeordnet sind, welche jeweils aus einem Durchflußkanal als Fortsetzung des kühlluftführenden Kanals (2, 3) und aus einer Anzahl von in Umfangsrichtung des Durch­ flußkanals angeordneten Öffnungen (5a) bestehen, und daß die Öffnungen (5a) mit einer Beschleunigungsluft (5) beauf­ schlagbar sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (1) eine Ringbrennkammer ist.

3. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Injektorsysteme (8, 9) ringförmig um die Wände des Brennraumes (122) angeordnet sind.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektorsysteme (8, 9) in das Plenum (7) hineinragen.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102) besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen (101b, 102b) zueinander versetzt verlaufen, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper (101, 102) in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstrom (115) bilden, daß im von den Teilkörpern (101, 102) gebilde­ ten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) vorhanden ist.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längser­ streckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.

7. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung unter ei­ nem festen Winkel kegelig erweitern, oder eine zunehmende Ke­ gelneigung, oder eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.

8. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (300) aus einem Drallerzeugers (100a) und einer stromab des Drallerzeugers angeordneten Mischstrecke (220) besteht, und daß die Mischstrecke (220) stromab des Draller­ zeugers (100a) innerhalb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle (201) zur Überführung einer im Drallerzeuger (100a) gebildeten Strö­ mung (40) in den stromab der Übergangskanäle (201) nachge­ schalteten Durchflußquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) aufweist.

9. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallerzeuger (100a) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmi­ gen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkör­ pern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) be­ steht, daß die jeweiligen Längssymmetrieachsen (101b, 102b; 131a, 132a, 133a, 134a; 140a, 141a, 142a, 143a) der Teilkör­ per zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß die be­ nachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstro­ mes (115) bilden, und daß im von den Teilkörpern gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) an­ geordnet ist.

10. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längser­ streckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.

11. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufel­ förmige Profilierung aufweisen.

12. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstrecke (220) als rohrförmiges Mischelement ausgebildet ist.

13. Brennkammer nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anzahl der Übergangskanäle (201) in der Misch­ strecke (220) der Anzahl der Teilkörper (101, 102; 131, 132, 133, 134; 140, 141, 142, 143) des Drallerzeugers (100a) ent­ spricht.

14. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstrecke (220) stromab der Übergangskanäle (201) in Strömungsrichtung und in Umfangsrichtung mit Öffnungen als Filmlegungsbohrungen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes versehen ist.

15. Brennkammer nach Anspruch 8, daß die Mischstrecke (220) stromab der Übergangskanäle (201) mit tangentialen Öffnun­ gen zur Eindüsung eines Luftstromes versehen ist.

16. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) stromab der Übergangskanäle (201) kleiner, gleich groß oder größer als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100a) gebildeten Strö­ mung (40) ist.

17. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangskanäle (201) sektoriell die Stirnfläche der Misch­ strecke (220) erfassen und in Strömungsrichtung drallförmig verlaufen.

18. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Mischstrecke (220) ein Diffusor vorhanden ist.

19. Brennkammer nach einem der Anspruche 5 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromab des Brenners (100, 300) ein Brenn­ raum (122) angeordnet ist, daß zwischen dem Brenner (100, 300) und dem Brennraum (122) ein Querschnittssprung vorhanden ist, und daß im Bereich dieses Querschnittssprunges eine Rückströmzone (106) vorhanden ist.