DE19627760C2 - Brenner mit Zerstäuberdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für Brennkammern von Gasturbinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher Brenner bei, dem auch Brennstoff auf eine Wandung einer Zerstäuber-Einrichtung gespritzt wird, ist in der DE 44 44 961 A1 beschrieben.

Die Reduktion von Schadstoffen, die bei der Verbrennung von Kerosin in Brennkam­ mern von Flugtriebwerken entstehen, ist ein ständiges Entwicklungsziel. Hierbei ist die schadstoffreduzierte Brennkammer ein Ansatzpunkt. Für Verwirklichung der schadstoffreduzierten Verbrennungskonzepte müssen Komponenten der Brennkam­ mer optimiert werden. So gilt es beispielsweise den Brennstoff in allen Betriebsberei­ chen möglichst fein zu zerstäuben und mit der Verbrennungsluft zu vermischen. Diese Brennstoffaufbereitung wird bei Brennkammern moderner Fluggasturbinen mit Luftzerstäuberdüsen bewerkstelligt. Nach deren Funktionsprinzip fließt der Brenn­ stoff auf einer zylindrischen Oberfläche bis an dessen Ende, wo aufgrund der Luft­ scherkräfte die Zerstäubung einsetzt. Um örtlich unerwünschte Brennstoffanreiche­ rungen im Brennraum der Brennkammer, die zur Rußbildung Anlaß geben könnten, zu vermeiden, wird die Luftströmung durch die Zerstäuberdüse in einen primären und sekundären Strömungskanal geteilt und gegensinnig verdrallt, so daß im Brennraum entgegengerichtete Rotationswirbel erzeugt werden. Hierzu ist jedem Strömungskanal eine radial angeströmte Drallvorrichtung zugeordnet. Eine hohe Drallzahl des Luft­ stromes führt zudem zu einem Rezirkulationswirbel an der rückseitigen Wand des Brennraumes wodurch eine homogene Verbrennung erzielt werden soll. Um eine vorzeitige Vermischung der beiden Luftströme zu vermeiden, die wiederum zu einer Reduktion der Umfangsgeschwindigkeit im sekundären Luftstrom führen würde, wird die Zerstäuberlippe, die den primären vom sekundären Luftstrom trennt, möglichst lang, bis an die brennraumseitige Mündung der Zerstäuberdüse ausgeführt. Bei kon­ vergent-divergent ausgeführten Strömungskanälen hat dies allerdings zur Folge, daß die Zerstäubung sich nicht im Bereich der maximalen Luftscherkräfte abspielt und aus diesem Grund die Zerstäubung nicht das mögliche Optimum erreicht.

Darüber hinaus muß der Massenstrom des sekundären Luftstroms größer als der des primären Luftstroms sein, damit in der kurzen Strecke vom Ende der Zerstäuberlippe bis zum Eintritt in den Brennraum der Umfangsimpuls des sekundären Luftstroms nicht vollständig abgebaut wird und die Entstehung des Rezirkulationswirbels gefähr­ det wird. Hieraus resultiert wiederum, daß die Verteilung des Luft- Brennstoffverhält­ nisses am Düsenaustritt nicht die gewünschte Homogenität aufweist, weil der primäre Luftstrom, der sich hauptsächlich am Mischungsprozeß beteiligt, geringer als der sekundäre Luftstrom ist.

Aus der DE 34 43 066 A1 ist eine Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinen­ triebwerk bekannt, bei der zur Vereinfachung der stromaufwärtigen Wand einer Brennkammer und zur Schaffung einer Konvektionskühlung am stromaufwärtigen Ende eines Konvergent/Divergent-Topfes zwei radiale Verwirbelungsvorrichtungen vorgesehen sind, die zwischen sich eine Ringlippe aufweisen, welche radial nach innen vorsteht und in Strömungsrichtung in den Konvergent/Divergent-Topf weist und Luft aus der einen Verwirbelungsvorrichtung über die innere Oberfläche des Topfes richtet, damit sich der durch die Ringlippe abfließende Brennstoff nicht auf der Oberfläche des Topfes ablagert. Die Drallrichtung der Luftströmung wird ebenso wie deren Massenstromverhältnis nicht beschrieben.

Die US 4,180,974 offenbart einen Brenner, der stromabwärts der Einspritzdüse ei­ nen Ring einer einen gekrümmten mit und einen linearen Abschnitt aufweisenden Innenwandung besitzt, wobei die einzelnen Luftströme, deren Massenstromverhält­ nis offen gelassen wird, einen gegensinnigen Drall aufweisen sollen.

Der aus der DE 42 20 060 A1 bekannte Brenner weist eine Einrichtung zur Betäti­ gung einer den Durchsatz von Verbrennungsluft steuernden Dralleinrichtung auf, die eine die einzelnen Drallkanäle trennende nach innen vorstehende Abschirmwand umfaßt, wobei wiederum eine gegensinnige Drallausbildung vorgesehen ist.

Hiervon ausgehend, ist es Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Brenner anzugeben, der eine weitgehend homogene Verteilung des Luftbrennstoffgemisches im Brennraum ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die gleichsinnige Verdrallung der beiden Luftströme ein Vermischen derselben vor dem Eintritt in den Brennraum im Hinblick auf eine hohe Umfangsgeschwindigkeit nicht vermieden werden muß, so daß auch das Maßenstromverhältnis unabhängig von der Verdrallung der Ströme gewählt werden kann um die Verteilung des Luft-Brennstoffgemisches homogen gestalten zu können. Auch kann ohne Rücksicht auf eine Vermischung der beiden Ströme die Drallzahl der Luftströmung variiert werden, um einen abgelösten oder einen wandanliegenden Strömungszustand im Brennraum einzustellen. Durch die Positionierung der Zerstäu­ berlippe am engsten Strömungsquerschnitt in der Zerstäuberdüse oder kurz davor kann die Zerstäubung des Brennstoffes in einem Bereich der maximalen Luftscher­ kräfte erfolgen, so daß die Zerstäubung optimal erfolgen kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Patent­ ansprüchen 2 bis 5.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnah­ me auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. I einen Halbschnitt eines vorderen Brennkammerabschnittes mit Bren­ ner,

Fig. 2a im Halbschnitt den Strömungszustand in der Brennkammer und in der Zerstäuberdüse mit abgelöster Strömung

Fig. 2b im Halbschnitt den Strömungszustand in der Brennkammer und in der Zerstäuberdüse mit wandanlieger Strömung.

Der in Fig. 1 gezeigte Brenner 1 ist einer von mehreren ringförmig angeordneten Brennern der abschnittsweise dargestellten Brennkammer 2 einer nicht weiter darge­ stellten Fluggasturbine.

Der Brenner 1 weist eine Zerstäuberdüse 3 mit einem primären und einem sekundären Strömungskanal 4 bzw. 5 sowie eine Einspritzdüse 15 auf. Die beiden Strömungs­ kanäle 4, 5 werden durch ring- oder hülsenförmige Bauteile 6, 7 in ihrem Kanalver­ lauf bestimmt und begrenzt. Die beiden konzentrisch zur Brennerachse Z geführten Strömungskanäle 4, 5 weisen jeweils einen radialen verlaufenden Eintrittsabschnitt E auf, um dann in einen im wesentlichen axial verlaufenden Austrittsabschnitt A umge­ lenkt zu werden. Das hülsenförmige erste Bauteil 6 trennt die beiden Kanäle 4, 5 vonein­ ander und weist in seinem stromabwärtigen Abschnitt eine ringförmige Zerstäuber­ lippe 8 mit konisch verjüngendem Verlauf auf. An seinem stromaufwärtigen Ab­ schnitt weist das Bauteil 6 einen radial sich erstreckenden Flansch 9 auf, der die bei­ den axial voneinander beabstandeten, ringförmigen Eintrittsabschnitte E der Kanäle 4, 5 trennt. Der zwischen den beiden Bauteilen 6 und 7 verlaufende sekundäre Strö­ mungskanal 5 wird in seinem radial sich erstreckenden Eintrittsabschnitt E von zwei parallel zueinander verlaufenden, ringförmigen Wandabschnitten der beiden Bauteile 6 und 7 begrenzt. Im Austrittsabschnitt A wird der sekundäre Strömungskanal 5 nach radial außen hin von einer, in Strömungsrichtung gesehen, konvergent-divergent verlaufende Innenwandung 14 des zweiten Bauteils 7 begrenzt. Die Zerstäuberlippe 8 endet unmittelbar vor dem Ort mit dem engsten Strömungsquerschnitt Q, welcher durch den konvergent-divergenten Verlauf des Bauteils 7 definiert wird, so daß stromabwärts der Zerstäuberlippe 8, inerhalb des divergenten Abschnitts des Bauteils 7 und strom­ abwärts hiervon eine homogene Vermischung der beiden Luftströme erfolgt.

Auf die konisch verjüngt verlaufende Innenwandung der Zerstäuberlippe 8 wird mit­ tels der im primären Strömungskanal 4 angeordneten Einspritzdüse 15 Brennstoff fein zerstäubt in Form eines sich stromab fächerartig aufweitenden Kegels aufgespritzt, so daß sich dieser filmartig an der Innenwandung ablagert. An der stromabwärtigen scharfkantigen Endkante 10 der Zerstäuberlippe 8 reißt der Brennstoffilm im Wege einer ausgebildeten Scherströmung ab, so daß in den im Brennraum 11 der Brenn­ kammer 2 sich ausbildenden Rotationswirbel W der Brennstoff nebelartig und teil­ weise dampfförmig sowie gleichmäßig verteilt eingebracht wird.

Verantwortlich für die Ausbildung des Rotationswirbels W ist der gleichsinnige Drall der Luftströmung in den Strömungskanälen 4 und 5, welcher durch jeweils in den Eintrittsabschnitten E der Strömungskanäle 4 und 5 angeordnete Drallvorrichtungen 12 erzeugt wird.

Die beiden Strömungskanäle 4, 5 sind in ihren Querschnitten derart dimensioniert, daß sich ein Massenstromverhältnis zwischen primärer und sekundärer Luftströmung von größer als 0,4 ergibt. Hierdurch wird eine homogene Vermischung des Brennraumes mit Luft-Brennstoffgemisch gewährleistet.

Wie in den Fig. 2a und 2b zu sehen ist, ist durch die gleichsinnige Drallbildung in den Strömungskanälen 4 und 5 durch Variation der Drallzahl in den beiden Kanälen 4, 5 eine abgelöste bzw. wandanliegende Brennraumströmung darstellbar, so daß auf Lage und Ausbildung des Rotationswirbels W Einfluß genommen werden kann. Bei der wandanliegenden Strömung gemäß Fig. 2b mündet die Luftströmung stromabwärts des divergenten Abschnitts des Bauteils 7 in den Brennraum und strömt parallel zur radial verlaufenden Rückwand 13 des Brennraumes 11 ab, um dann in einem Rezirku­ lationswirbel W etwa parallel zur Brennerachse Z zentral in Richtung des Brenners 1 zu strömen.

Bei der in Fig. 2a gezeigten Strömung hingegen sind zwei Rezirkulationswirbel W zu erkennen, wobei sich der eine im Bereich der Rückwand 13 ausbildet und der andere sich mit entgegengesetzter Drallrichtung im zentralen Bereich des Brennraumes 11 ausbildet.

Bezugszeichenliste

1

Brenner

2

Brennkammer

3

Zerstäuberdüse

4

Strömungskanal primär

5

Strömungskanal sekundär

6

erstes Bauteil

7

zweites Bauteil

8

Zerstäuberlippe

9

Flansch

10

Endkante

11

Brennraum

12

Drallvorrichtung

13

Rückwand

14

Innenwandung

15

Einspritzdüse
A Austrittsabschnitt
E Eintrittsabschnitt
Z Brennerachse

Claims (4)

1. Brenner für Brennkammern (2) von Gasturbinen mit einer Zerstäuberdüse (3) zum Zerstäuben von Brennstoff in der Verbrennungsluft, die einen primären und einen sekundären Strömungskanal (4, 5) stromaufwärts des Brennraumes (11) der Brennkammer (2) durchströmt, wobei die in den Brennraum (11) mündenden Strömungskanäle (4, 5) von einem bezüglich der Brennerachse A konzentrisch an­ geordneten, ersten Bauteil (6) mit einer hülsenförmigen, zylindrisch oder konisch verjüngend verlaufenden Zerstäuberlippe (8) getrennt werden und der äußere, sekundäre Strömungskanal (5) von einem konzentrisch angeordneten ringförmi­ gen zweiten Bauteil (7) mit konvergent-divergent verlaufender Innenwandung (14) nach radial außen begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff auf eine Wandung in der Zerstäuberdüse (3) gespritzt wird und das zweite Bauteil (7) in der Zerstäuberdüse (3) einen Ort (Q) mit engstem Strömungsquerschnitt aus­ bildet, auf dessen axialer Höhe oder stromaufwärts hiervon das radial innen an­ geordnete erste Bauteil (6) mit der Zerstäuberlippe (8) endet und die Luftströ­ mung (L) die Strömungskanäle (4, 5) mit einem gleichsinnigen Drall durchströmt, wobei das Massenstromverhältnis der primären und sekundären Luftströmung größer als 0,4 ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bauteile (6, 7) bezüglich der Brennerachse (Z) konzentrisch angeordnet sind und zwischen sich den ringförmigen, sekundären Strömungskanal (5) ausbilden.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strö­ mungskanälen (4, 5) jeweils vor ihren Austrittsabschnitten (A) Drallvorrichtungen (12) angeordnet sind.

4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (1) eine Einspritzdüse (15) aufweist, über welche in den primären Strömungskanal (4) auf die Innenwandung (14) des ersten Bauteils (6) Brennstoff stromaufwärts der Zerstäuberlippe (8) eingespritzt wird.