DE2116429A1

DE2116429A1 - Brennkammer fur Gasturbinenmaschinen

Info

Publication number: DE2116429A1
Application number: DE19712116429
Authority: DE
Inventors: Richard Edward Gleason Clifford Carol Cincinnati Ohio Stenger (V St A)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-07-08
Filing date: 1971-04-03
Publication date: 1972-01-20
Also published as: FR2100874A1; FR2100874B1; CA928086A; US3653207A; GB1344359A; BE765414A

Description

Brennkammer für Gasturbinenmaschinen

Die Erfindung betrifft allgemein Brennkammern für Gasturbinenmaschinen und insbesondere betrifft sie eine Brennkammer, welche eine hohe Brennstoffzufuhrdichte (eine große Anzahl von Punkten für die Brennstoffeinspritzung und für die Plammenstabilisierung) sowie einen Primärluftstrom mit hoher Geschwindigkeit verwendet, um auf einer kürzeren axialen Länge eine rauchfreie Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad zu erzielen.

Die Hersteller von Gasturbinen suchen ständig nach Methoden und Vorrichtungen, mit denen relativ kompakte Gasturbinenantriebsanlagen mit einem hohen Verhältnis zwischen Schubkraft

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und Gewicht, mit besserem Wirkungsgrad und mit größerer Wirtschaftlichkeit hergestellt werden können. Ein Hauptproblem bei der Herstellung solcher Gasturbinenmaschinen besteht darin, eine Maschine zu erhalten, welche eine kürzere Länge und ein geringeres Gewicht als vorher hergestellte Maschinen besitzt, ohne dabei eine Verschlechterung in der Leistungsfähigkeit und im Betriebsverhalten oder in der Lebensdauer der Maschine zu erhalten. Die Herstellung einer solchen Maschine würde eine Anzahl von grundlegenden Vorteilen ergeben. Der offensichtlichste Vorteil würde in d«r Verringerung des Gesamtgewichtes der Maschine oder des Triebwerkes bestehen. Ein mit einem solchen Triebwerk ausgerüstetes Luftfahrzeug hätte dann die Möglichkeit, eine größere Nutzlast mitzuführen. Zusätzlich dazu erfordert ein solches Triebwerk weniger Hauptlager und wäre in dieser Hinsicht noch leichter, weniger kompliziert und weniger kostspielig als die gegenwärtig verfügbaren Triebwerke.

Die hier in Frage kommenden Gasturbinenmaschinen besitzen im allgemeinen einen Kompressor, ein primäres Brennersystem, eine Turbine und einen Endteil, der möglicherweise noch ein zusätzliches Brennersystem enthält, sowie eine Ausstoßdüse mit variablem Querschnitt. Sie können auch noch mit einem zweiten Kompressor (fan) und einer Niederdruckturbine ausgestattet sein. Bei konventionellen Triebwerken dieser Art tritt die Luft an einem Einlaß ein und wird in einem Kompressor komprimiert, in dem primären Brennersystem mit Kohlenwasserstoffbrennstoff zuzusammen gezündet, leistet in der Turbine Expansionsarbeit und tritt durch die Ausstoßdüse mit variablem Querschnitt aus. Der hohe Energiegehalt, mit dem das Gas aus der Ausstoßdüse austritt, erteilt einem durch eine solche Maschine angetriebenen Luftfahrzeug eine Schubkraft.

Die Hersteller von Gasturbinenmaschinen sind ständig bestrebt, neue Konstruktionen zu finden, um die einzelnen oben erwähnten Abschnitte einer Gasturbinenmaschine zu verkürzen. Man würde erwarten, daß das primäre Brennersystem

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am leichtesten verkürzt werden könnte. Typische Brennersysteme enthalten gewöhnlich eine äußere Hülle, eine innere Verkleidung oder Flammrohr und eine Vielzahl von Brennstoffdüsen oder Brennstoffeinspritzrohren. Es ist erwünscht, in dem kuppelartigen oder vorderen Teil des Brenners (der Primärzone) einen Zustand zu erzielen, der als stöchiometrische Verbrennung bekannt ist, da man hierdurch einen breiten Betriebsbereich und hohen Wirkungsgrad erhält und den von dem Triebwerk abgegebenen sichtbaren Rauch verringert oder beseitigt. Typischerweise wird in der Nähe des Brennstoffeinlaßpunktes ein Teil des Kompressorluftstroms zugeführt, um die Zerstäubung des Brennstoffes zu fördern. Die Vorrichtungen zum Eintritt der Luft in die primäre Verbrennungszone in der Nähe des Brennstoffeinlasses können einfach aus einer Vielzahl von Öffnungen oder Jalousieöffnungen bestehen, die eine konventionelle Brennstoff-Zerstäuberdüse umgeben. Oder sie können aus einer Vorrichtung bestehen, in der Luft und Brennstoff vor der Verbrennung miteinander vermischt werden. Ein zusätzlicher Teil der am Kompressor abgegebenen Luft wird dann durch weitere Öffnungen der primären Verbrennungszone zugeführt, um den erwünschten stöchiometrischen Zustand zu erhalten.

Wenn in der primären Verbrennungszone der erwünschte Brennzustand erzielt wird, liegt die Temperatur des Gasstromes im Bereich etwa zwischen I65O ⁰C und 2200 ⁰C (3000 und MOOO ⁰F). Die meist verwendeten Turbinenschaufeln sind jedoch nicht in der Lage, solchen hohen Temperaturen zu widerstehen. Die Temperatur muß daher in den Bereich zwischen etwa 98O ⁰C und I300 ⁰C (I8OO und 2400 ⁰F) abgesenkt werden. Dies wird normalerweise in einen typischen Brenner mit verlängerter Strömung in axialer Richtung dadurch erreicht, daß strömungsabwärts von der primären Verbrennungszone in einer sogenannten Sekundär- oder tyischzone Luft zur Verdünnung oder Abkühlung zugeführt wird. Der Brenner arbeitet daher mit einer brennstoffreichen Zone, welche als Primärzone benannt ist, und einer mageren oder Sekundärzone. Die Länge des Brenners ergibt sich daraus, daß

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die Einzellängen der Primärzone und der Sekundärzone zusammengefügt sind.

Es wurden daher Versuche unternommen, die primäre Verbrennungszone zu verkürzen, um die Gesamtlänge des Brennersystems und damit des Triebwerkes zu reduzieren. Bisherige Versuche zur Verkürzung der. Länge der primären Brennerzone, ohne Veränderung des verwendeten Brennertyps, waren erfolglos infolge einer Verschlechterung der Arbeitsweise des Brenners und einer möglichen Erhöhung des Rauchausstoßes oder einer Vergrößerung des Druckverlustes im Brliner, welche ebenfalls die Leistung der Gesamtmaschine beeinträchtigte.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen rauchfreien Brenner für eine Gasturbinenmaschine mit einer kürzeren primären Verbrennungszone und damit einem kürzeren Brennersystem ohne Einbuße in der Betriebsweise zu erhalten.

Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, einen solchen Brenner zu schaffen, bei dem auch noch ein stöchiometrischer Verbrennungszustand bestehen kann.

Die Aufgaben der Erfindung werden erreicht durch einen Brenner mit einer hohen Dichte, d. h. einer größeren Anzahl auf der gleichen Fläche, der Punkte für den Brennstoffeinlaß und die Flammenstabilisierung. Außerdem enthält das erfindungsgemäße Brennersystem einen Kuppelteil, welcher einen viel höheren Anteil des vom Kompressor abgegebenen Luftstroms erhält als bei bisher bekannten Brennern, und beinhaltet die Verwendung von Luft mit hoher Geschwindigkeit und daher hoher kinetischer Energie, um die Strömung aus dem Kuppelteil in die primäre Verbrennungszone einzubringen. Andere Gesichtspunkte von Ausführungsformen eines Brennersystems gemäß der Erfindung beinhalten Prallbleche in der Primärzone zur Aufnahme der Brennstoff zufuhrorgane und zur Definierung von Flammenstabilisierungspunkten, sekundäre Luftkanäle, ein sekundäres Prallblech in der Brennzone, welches die primäre und sekundäre Brenner-

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zone voneinander trennt und Öffnungen für die Zufuhr von Verdünnungsluft, um den Strom der Sekundärluft in die Sekundärzone zu ermöglichen.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Axialschnittes durch einen typischen Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach dem Stand der Technik.

Fig. 2a und 2b sind Teile von Axialschnitten durch zwei Brennersysteme nach dem Stand der Technik, welche in schematischer Form die Durchmischung und ihren Verlauf in diesen Brennern zeigen.

Fig. 3 ist ein Teil eines Axialschnittes durch ein Brennersystem, welches schematisch die Konzeption der vorliegenden Erfindung und das dadurch erzeugte Muster des Verlaufs und der Verteilung der Mischung zeigt.

Fig. 4 ist ein Teil eines Axialschnittes einer beispielhaften Brenneranordnung für eine Gasturbinenmaschine gemäß der Erfindung.

Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie 5-5 der Fig. 4.

Fig. 1 zeigt ein Brennersystem für Dauerbetrieb von einem Typ wie er für Gasturbinenmaschinen geeignet ist und nach dem Stand der Technik verwendet wurde. Er umfaßt einen hohlen Teil 12, der in seinem Inneren eine Brennkammer 14 definiert. Der Hohlteil 12 enthält einen strömungsaufwärts gelegenen kuppeiförmigen Abschlußteil 16, in dem sich in der Mitte eine Öffnung 18 zur Aufnahme des Brennstoffes oder des Brennstoffluftgemisches befindet.

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Der kuppeiförmige Abschlußteil 16 definiert das strömungsaufwärts gelegene Ende der Brennkammer 14 und kann in geeigneter Weise an dem Hohlteil 12 befestigt oder aus einem Stück mit diesem hergestellt werden. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die Brennkammer 14 einen ringförmigen oder röhrenförmigen oder zellförmigen Aufbau aufweisen kann. Der kuppeiförmige Abschlußteil 16 kann eine einzige öffnung 18 oder eine Vielzahl von am Umkreis im Abstand angeordneten öffnungen 18 besitzen.

_ Normalerweise ist eine äußere Hülle 20 vorgesehen, welche ™ den Hohlteil 12 einschließt und mit ihm zusammen Durchlaßkanäle 20 und 24 bildet, die den Hohlteil 12 umschließen. Eine strömungsaufwärts gelegene Verlängerung 26 des Hohlteils 12 bildet zusammen mit der äußeren Hülle 20 die Einlaßkanäle für die Durchlaßkanäle 20 und 24. Die Durchlaßkanäle 22 und 24 sind so ausgelegt, daß sie einen Druckluftstrom von einer geeigneten Quelle, beispielsweise einem Kompressor 28, durch geeignete öffnungen 29 oder Kühlschlitze 30 in die Brennkammer 14 liefern. Auf diese Weise dienen die Durchlaßkanäle 22 und 24 sowohl zur Kühlung des Hohlteils 12 als auch zur Zufuhr von Verdünnungsluft zu den gasförmigen im Innern der Brennkammer 14 erzeugten Verbrennungsprodukten.

Die strömungsaufwärts gelegene Verlängerung 26 des Hohlkörpers 12 ist so gestaltet, daß sie als Strömungsteiler arbeitet und den Strom der vom Kompressor gelieferten Druckluft zwischen die Durchlaßkanäle 22 und 24 und eine strömungsaufwärts gelegene öffnung 32 aufteilt, welche zentrisch in der Verlängerung 26 ausgebildet ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, steht die öffnung 32 in Verbindung mit einer Diffusionskammer oder einem Diffusorkanal 34, welcher durch die Innenwand der Verlängerung 26 und die Außenwand des Kuppelteils 16 gebildet ist.

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In dem Diffusorkanal 3** ist eine Anordnung 36 zur Zufuhr des Brennstoffes und zur Zerstäubung oder Vernebelung des Brennstoffes angeordnet und ist in an sich bekannter Weise mit dem kuppeiförmigen Teil 16 verbunden. Diese Anordnung 36 liefert durch einen Auslaß 38, der sich in der öffnung 18 befindet, einen zerstäubten Brennstoffstrahl oder ein vergastes Gemisch von Brennstoff und Luft an die Brennkammer IM. Die Anordnung 36 zur Brennstoffzufuhr kann, wie gezeigt, aus einer konventionellen Zerstäuberdüse bestehen oder kann aus einem vergaserähnlichen Zerstäuber bestehen, welcher einen verwirbelten Strahl von Brennstoff und Luft an die Brennkammer 14 liefert. In jedem Falle ist eine geeignete Vorrichtung 40 zur Brennstoffzufuhr vorgesehen, um der Anordnung 36 Brennstoff zuzuführen. Diese Vorrichtung 40 für die Brennstoffzufuhr kann eine Leitung 42 umfassen, welche sich durch die äußere Hülle 20 hindurch erstreckt und mit einer nicht-gezeigten Quelle für unter Druck stehenden Brennstoff in Verbindung steht. Der der Brennkammer 14 durch die Vorrichtung 40 zugeführte Brennstoff wird mit einer Zündvorrichtung 44 gezündet. Diese ist in einer primären Verbrennungszone 46 am strömungsaufwärts gelegenen Ende der Brennkammer 14 angebracht. Der auf diese Weise erzeugte Gasstrom hoher Energie strömt anschließend durch eine sekundäre Verbrennungszone 48, die strömungsalx^rfärts von der Primärzone 46 liegt.

In der primären Verbrennungszone 46 strömt Kühlluft aus den Durchlaßkanälen 22 und 24 durch die Kühlschlitze 30 in die Verbrennungszone. Die Luft kann in die primäre Verbrennungszone auch durch öffnungen 29 eingeführt werden, um die Erzielung eines stöchiometrischen Gemisches zu fördern. Die Verdünnungsluft strömt durch Verdünnungsöffnungen 50, die in dem Hohlkörper 12 vorgesehen sind, in die sekundäre Verbrennungszone Wie bereits erörtert, wirkt der Luftstrom durch die Schlitze so, daß er die Wände des Hohlkörpers 12 kühlt. Der Luftstrom durch die Verdünnungsöffnungen 50 wirkt zur Verringerung der Gesamttemperatur des Heißgasstroms auf einen Wert, welchen die strömungsabwärts von der Brenneranordnung 10 angebrachte

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- 8 Turbine aushalten kann.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß bei einem solchen Brenner 10 nach dem Stand der Technik die primäre Verbrennungszone 46 und die sekundäre Verbrennungszone 48 etwa die gleiche axiale Länge besitzen. Die relativ große Länge der primären Verbrennungszone 46 ist bedingt durch das Bestreben, die Flamme in einem starken Wirbel zu stabilisieren, und weiterhin durch das Bestreben, den stöchiometrischen Verbrennungszustand so nahe wie möglich zu erreichen. Die relativ große Länge der sekundären Verbrennungszone 48 ist bedingt durch den Wunsch, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Strom zur Turbine zu erhalten.

Fig. 2 zeigt schematisch durch Vergleich mit zwei vorbekannten Brenneranordnungen die Entwicklung des Konzeptes gemäß der vorliegenden Erfindung für eine hohe Brennstoffdichte und ein Prallblech. In dem zuvor beschriebenen bekannten System nach Fig. 1 und einer Anordnung entsprechend der schematischen Darstellung der Fig. 2a bildet der Luftstrom in der primären Verbrennungszone nur einen relativ geringen Anteil des Gesamtluftstroms und die Verbrennungsreaktion findet in einer Zone unmittelbar strömungsabwärts von den Einlaßvorrichtungen 36 für den Brennstoff statt, in der ein brennstoffreiches Gemisch mit großem Brennstoff-Luft-Verhältnis vorliegt. Der Verdünnungsstrom wird strömungsabwärts von dieser brennstoffreichen Zone eingeführt, um die Temperatur auf einen Wert zu verringern, welcher für die Turbine zulässig ist. Bei einer solchen Vorrichtung erfolgt die Mischung fast vollständig in axialer Richtung.

Wie in Fig. 2b gezeigt, ist bei einer anderen vorbekannten Anordnung das strömungsaufwärts gelegene Kuppelteil 16 der Fig. 2a durch ein ebenes Prallblech 14 ersetzt, welches die Vorrichtung 36 zur Brennstoffeinführung trägt. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in dem US Patent 2 867 982 beschrieben. Bei einem solchen System entsprechend Fig. 2b ist

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die Umgebung unmittelbar strömungsabwärts von dem Punkt des Brennst of fein lasses ebenfalls sehr brennstoff reich. An der Lippe des Prallbleches 5 ^ jedoch wird reine Luft durch die strömungsaufwärts gelegene Öffnung 32 in die Verbrennungszone eingeführt. Daher erfolgt die Mischung von einem brennstoffreichen Gemisch zu einem brennstoffmageren Gemisch in einer im allgemeinen radialen Richtung anstatt in der axialen Richtung. Die Mischung ist schematisch angedeutet durch die Pfeile 55. Bei dieser Art der Konstruktion wird ebenfalls die endgültige Verringerung der Temperatur mit Verdünnungsluft erreicht, welche durch Verdünnungsöffnungen in der sekundären Zone zugeführt wird. Die Konzeption eines Prallbleches allein führt jedoch nicht zu einer wesentlichen Verringerung der Gesamtlänge des Brenners im Vergleich mit dem bekannten System nach Fig. 2a.

Fig. 3 zeigt schematisch die grundlegende Konzeption der vorliegenden Erfindung. Der Brenner ist mit einer Vielzahl von Prallblechen 5^' und einer gleichen Anzahl von Brennstoffzufuhrstellen 56 ausgestattet. Hier erfolgt ebenfalls die Reaktion in der brennstoffreichen Zone unmittelbar strömungsabwärts von den Prallblechen 5^'· Das Brennstoffluftgemisch wird

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in radialer Richtung /gemagert. Im Falle eines Brenners entsprechend Fig. 3 erfolgt jedoch eine starke Durchmischung, und die Reaktionszone wird in eine Vielzahl von kleineren Reaktionszonen aufgespaltet. Ebenso ist ein Primärluftkanal 58 so bemessen, daß er einen viel größeren Anteil des PrimärluftStroms unmittelbar in die Reaktionszonen um die Prallbleche 5¹J¹ herum einführt als dies bei den vorbekannten Konstruktionen nach •Fig. 2a oder 2b der Fall ist. Das Gesamtergebnis dieser Entwicklung nach der vorliegenden Erfindung entsprechend der schematischen Darstellung in Fig. 3 ist ein Brenner, der eine um etwa 40 % kürzere Länge aufweist als die Brenner nach den Fig. 2a und 2b.

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Die Pig. 3 zeigt die allgemeine Konzeption der vorliegenden Erfindung in schematischer Weise. Die Fig. 4 und 5 geben eine Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung mit weiteren Einzelheiten. Wie dort ersichtlich, umfaßt eine Brenneranordnung 60 mit Ringform und für kontinuierliche Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung im allgemeinen einen Hohlkörper 62, welcher in seinem Inneren eine Brennkammer 64 definiert. Der Hohlkörper 62 enthält ein primäres Prallblech oder Flammenstabilisator 66 mit einer Vielzahl von öffnungen 68 zur Aufnahme einer gleichen Anzahl von Brennstoffdüsen oder anderen Zerstäubereinrichtungen 70 für Brennstoff oder Brenn- ^ stoffluft. Eine äußere Hülle 72 kann vorgesehen werden und

schließt dann den Hohlkörper 62 ein und bi] det mit diesem

zusammen den Hohlkörper 62 umgebende Durchlaßwege 74 und 76. Eine strömungsaufwärts gelegene Verlängerung 78 des Hohlkörpers 62 bildet zusammen mit der äußeren Hülle 72 die Einlasse für die Durchlaßkanäle 74 und 76.

Die freien Enden der strömungsaufwärts gelegenen Verlängerung 78 sind starr an der äußeren Hülle 72 mit Hilfe einer Vielzahl von kleinen Leitblechen 80 und 82 gehalten, welche im Umkreis über den Querschnitt der Durchlaßkanäle 74 und 76 im Abstand angeordnet sind. Die Leitbleche 80 und 82 dienen einmal zur Herstellung einer starren Verbindung und zweitens zur Kon- ^ trolle der Einlaßfläche der Durchlaßkanäle 74 und 76. Die Durchlaßkanäle 74 und 76 sind so beschaffen, daß sie einen Druckluftstrom aus einer geeigneten Quelle, beispielsweise einem Kompressor 84, in die Brennkammer 64 durch geeignete Kühlschlitze 86 in dem inneren Hohlkörper 62 liefern. Auf diese Weise dienen die Durchlaßkanäle 74 und 76 sowohl zur Kühlung des Hohlkörpers als auch zur Zufuhr von Verdünnungsluft zu den gasförmigen, in der Brennkammer 64 gebildeten Verbrennungsprodukten ,

Die strömungsaufwärts gelegene Verlängerung 78 des Hohlkörpers 62 ist so gestaltet, daß sie als Strömungsaufteiler wirkt und die Druckluft aufteilt, die von einem Diffusor

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88 geliefert wird, der strömungsabwärts vom Kompressor Qk liegt. Das Verlängerungsteil 78 teilt den Luftstrom zwischen den Durchlaßkanälen Jk und 76 und einem Kunpeldurchlaßkanal auf, der zwischen den Durchlaßwegen Ik und 76 ausgebildet ist. Wie aus Fig. k ersichtlich, steht der Kuppeldurchlaßkanal 90 in Verbindung mit einer Kammer 92, welche durch die Innenwand der Verlängerung 78 und die strömungsaufwnrts gelegene Seite des primären Prallbleches 66 gebildet wird. Im Gegensatz zu vorbekannten Brennern besitzt der Kuppeldurchlaßkanal 90 eine ^soihe Abmessung, daß er einen Hauptanteil des Luftstroms von dem Diffusorkanal 88 aufnimmt, d. h. mehr als 50 % des Luftstroms. Auf diese Weise wird genügend Sauerstoff in der primären Verbrennungszone zur Verfügung gestellt, um die Reaktion auf einer kürzeren Weglänge zu beenden. Der Primärluftstrom wird mit einem relativ großen Druckabfall über dem Prallblech 66 eingeführt, um eine große Turbulenz zwecks erhöhter Stabilität und zwecks Beseitigung von Rauch zu fördern.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt des primären Prallbleches 66 in der Ansicht von der Brennkammer Sk aus strimungsaufwärts. Wie gezeigt, besteht das primäre Prallblech 66 aus zwei ebenen Plattenteilen, dem äußeren Teil 9¹J und dem inneren Teil 96. Selbstverständlich kann jedOch bei gewissen Anwendungen das Prallblech 66 aus einem einzigen Stück oder aus Abschnitten gebildet sein oder kann aus Abschnitten bestehen, welche eine konische konkave oder konvexe Form besitzen. Das äußere Teil Sk umfaßt ein ringförmiges Band 98 mit einer Vielzahl von Ansätzen 99, welche sich in radialer Richtung nach innen erstrecken. Ihre Zahl ist gleich der halben Zahl der Brennstoff einführungspunkte oder Düsen 70. Der innere· Teil 96 umfaßt ebenfalls einen Kreisring 100, welcher eine Vielzahl von kleinen Prallblechen 102 besitzt. Ihre Zahl ist ebenfalls ,gleich der Zahl der radialen Ansätze 99. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind die Teile 9k und 96 so angeordnet, daß die radialen Ansätze. 99 teilweise durch die kleinen Prallbleche 102 überlappt sind. Die radialen Ansätze 99 und die kleinen

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Prallbleche 102 sind daher in der Lage, eine Gleitbewegung gegeneinander auszuführen, und jede Wärmespannung infolge verschiedener Wärmeausdehnung der Teile 94 und 96 wird auf diese Weise beseitigt. Bei einigen Anwendungsfällen kann das äußere Prallblech 94 und das innere Prallblech 96 aus einzelnen Stücken (jeweils 1 Stück für einen Injektor) gebildet sein, und es können zur Aufnahme der Wärmedehnung zwischen den einzelnen Stücken überlappende Teile vorhanden sein. Der Kreisring 94 enthält eine Vielzahl von Öffnungen 10¹I, welche den Ausstoß aus der einen Hälfte der Brennstoffinjektoren 17 aufnehmen. Das innere Prallblech 96 enthält ebenfalls eine Vielzahl von Öffnungen 106 zur Aufnahme der Ψ übrigen Brennstoffinjektoren 70. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind das äußere Teil Sk und das innere Teil 96 mit dem Hohlkörper 62 durch eine Vielzahl von Teilen 108 starr verbunden, welche im Abstand am Umfang angebracht sind.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß das primäre Prallblech 66 und der Hohlkörper 62 zusammenwirken und einen Strömungsbereich 112 bilden, welcher zur Verdeutlichung in Kreuzschraffur dargestellt ist. Der Strömungsbereich 112 gestattet eine Verbindung zwischen der Kammer 92 und damit dem Kuppeldurchlaßkanal 90 und der Verbrennungszone 64. Daher strömt der Anteil der vom Kompressor ausgestoßenen Luft, fc welcher in den Kuppeldurchlaßkanal 90 eintritt, durch den Strömungsbereich 112 in die Verb renn ungs zone 6¹J.

Die Verbrennungszone 64 ist unterteilt in eine primäre Verbrennungszone 114 und einen'sekundären Bereich II6 mit Hilfe von sekundären Prallblechen 118 und 120. Diese bilden geschlossene Ringe, welche entsprechend Abbildung 4 um den Hohlkörper 62 befestigt sind. Der primäre Verbrennungsbereich 114 ist mit einer oder mehreren Zündvorrichtungen 121 ausgestattet, welche das Brennstoffluftgemisch zünden, das von dem Brennstoffinjektor 70 und dem Prallblech 66 erzeugt worden ist.

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In den sekundären Verbrennungsbereich 116 kann zusätzlich Verdünnungsluft durch eine Vielzahl von napfförmigen Verdünnungsluftöffnungen 122 zugeführt werden, die strömungsabwärts von den sekundären Prallblechen 118 und 120 in dem Hohlkörper 62 angebracht sind. Strömungsabwärts von den öffnungen 120 ist der Hohlkörper 62 mit Dichtungen 124 ausgestattet zwecks Steuerung des Nebenluftstromes längs der Wände des Hohlkörpers 62, die außerdem noch eine freie, an den einzelnen Stellen unterschiedliche axiale Ausdehnung des Brenners 60 gestatten. Es ist auch möglich, den Hohlkörper starr an der Einlaßdüse der Turbine (nicht gezeigt) zu befestigen und eine Wärmeausdehnungsvorrichtung an dem vorderen Ende vorzusehen.

Beim Betrieb wird die Luft von dem Kompressor 84 eines typischen Gasturbinentriebwerkes in den Diffusorkanal 88 zum Brenner abgegeben, und der Gasstrom dort auf den äußeren sekundären Durchlaßkanal 74, den primären Durchlaßkanal und den inneren sekundären Durchlaßkanal 76 aufgeteilt. Wie bereits erwähnt, ist das Querschnittsverhältnis des primären Durchlaßkanals 90 zu dem Querschnitt der sekundären Luftdurchlaßkanäle 74 und 76 so ausgelegt, daß der mit einer relativ hohen Machzahl von dem Kompressor 84 gelieferte Luftstrom in seiner Geschwindigkeit verringert wird, bevor er durch den Strömungsbereich 112 in die primäre Brennerzone 114 eingeführt wird. Mit anderen Worten besitzt der primäre oder Kuppeldurchlaßkanal 90 eine scLche Abmessung, daß mehr als 50 % der aus dem Kompressor 84 austretenden Luft durch diesen Kanal hindurch in die Kammer 92 und von dort durch den Strömungsbereich 112 in die primäre Verbrennungszone 114 strömt. Der Brennstoff wird aus einem Paar von Verteilern 128 den Brennstoffinjektoren 70 zugeführt, welche ein versprühtes Brennstoff- oder Brennstoffluftgemisch in die primäre Verbrennungszone 114 einführen. Der Brennstoff-Luft strahl wird dann mit Hilfe der Zündvorrichtungen 121 gezündet. Der auf diese Weise erzeugte Gasstrom hoher Energie strömt weiter durch den Brenner 60, treibt eine an dem

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strömungsabwärts gelegenen Ende des Brenners angeordnete, nicht gezeigte Turbine an und wird schließlich durch eine Ausstoßdüse unter Expansion ausgestoßen, um in an sich bekannter Weise eine Schubkraft zu liefern. Die Kühlluft von den sekundären Durchlaßkanälen 74 und 76 strömt längs der Wände des Hohlkörpers 62 und tritt durch Kühlschlitze 86 in die primäre und sekundäre Verbrennungszone ein, um die Wände des Hohlkörpers 62 zu kühlen. Die allgemein kühlere Luft strömt längs der Innenseite der Wände des Hohlkörpers 62 in den primären Verbrennungsbereich 114 und wird dort mit dem Heißgasstrom in der Mitte des Brenners mit Hilfe der sekundären Prallbleche 118 und 120 vermischt, welche diesen kühleren Luftstrom in allgemein radialer Richtung nach innen lenken. Die restliche Kühlluft in den Durchlaßkanälen 74 und 76 tritt durch die Verdünnungsöffnung 122 in die sekundäre Verbrennungszone ein und verringert die Temperatur des Heißgasstroms hoher Energie auf einen Wert, welcher für die Turbine zulässig ist.

Wie bereits erwähnt, besteht das Hauptziel der vorliegenden Erfindung darin, einen kürzeren und leistungsfähigeren rauchfreien Brenner für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen. Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, wird dies erreicht durch eine Kombination einer Anzahl von neuartigen Merkmalen, von denen nachstehend einige zusammenfassend aufgeführt seien: Der Brenner 60 entsprechend den Fig. 4 und 5 enthält eine hohe Brennstoffdichte an dem Brennstoffeintritt und dem Prallblech im Vergleich mit vorbekannten Anordnungen. Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, teilt das primäre Prallblech 66 in Kombination mit den Brennstoffinjektoren 70 die primäre Verbrennungszone 114 in eine große Anzahl kleiner Reaktionszonen auf. Es wurde gezeigt, daß die Verwendung von solchen kleinen Reaktionszonen eine kürzere Flamme gestattet als bei einer Anordnung mit einer geringeren Anzahl von Stabilisierungspunkten für die Injektion. Zusätzlich dazu wird durch Zuführung von mehr als 50 % der Kompressorluft in den Kuppeldurchlaßkanal 90 genügend Sauerstoff in

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der primären Verbrennungs zone UM zur Verfügung gestellt, um die Reaktion auf einem kurzen Längsweg zu beenden und Rauch im Auspuffgas des Trieb_werkes zu beseitigen. Außerdem wird kinetische Energie oder ein Geschwindigkeitsdruck zur Einführung des Luftstromes in die Kuppel verwendet (d. h. die Strömung durch den Strömungsbereich 112 erfolgt mit einer viel größeren Geschwindigkeit als sie normalerweise bei einem Brenner nach dem Stand der Technik verwendet wird), man erhält dadurch einen viel größeren Druckabfall in der Kuppel als bei konventionellen Systemen und der Luftstrom liefert mehr Energie an den Reaktionsstrom zur Stabilisierung der Hamme. Das Ergebnis der Verbindung der obengenannten Merkmale ist ein Brenner, der etwa eine um ¹IO % geringere Länge besitzt als ein konventioneller Brenner.

In der vorstehenden Beschreibung wurden die Grundgedanken der Erfindung erläutert in Verbindung mit einem ringförmigen Brenner. Für den Fachmann ist jedoch leicht ersichtlich, daß diese Grundgedanken auch auf andere Formen von Brennersystemen, beispielsweise auf Rohrbrenner oder zellenförmig aufgeteilte Brenner uswo angewendet werden können.

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Claims

- 16 Patentansprüche

1. Brenneranordnung für Gasturbinenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine koaxial im Abstand voneinander angebrachte Hülle und Kernstruktur (72), welche einen ringförmigen Durchlaßkanal (88) für die Luftzufuhr bilden, sowie einen Hohlkörper (62) im Innern dieses Durchlaßkanals (88) besitzt, der in diesem eine Brennkammer (64) definiert, wobei der Hohlkörper (62) einen strömungsaufwärts gelegenen Teil (78) aufweist, welcher primäre (90) und sekundäre Luftdurchlaßkanäle (74, 76) bildet, die in Verbindung mit dem Durchlaßkanal (88) und der Brennkammer (64) stehen, sowie Brennstoffinjektorvorrichtungen (70) zur Zufuhr eines Brennstoffluftgemisches in die Brennkammer (6H)₃ PrallblechVorrichtungen (66), die in Querrichtung in dem Hauptluftdurchlaßkanal (90) angeordnet sind und das strömungsaufwärts gelegene Ende der Brennkammer (6H) bilden, wobei die Prallblechvorrichtungen (66) mindestens zwei radial im Abstand angeordnete Reihen von Brennstoffinjektorvorrichtungen (70) bilden, und der primäre Luftdurchlaßkanal (90) solche Abmessungen besitzt, daß ein Hauptteil des Luftstroms von dem Durchlaßkanal (88) für die Luftzufuhr durch ihn strömt, wodurch die Geschwindigkeit der über die Prallblechvorrichtungen (66) strömenden Luft groß genug für eine Durchmischung des Brennstoffluftgemisches auf einer Verbrennungszone (64) mit geringer axialer Länge ist und das Volumen des primären Luftstroms hinreichend ist, um ausreichenden Sauerstoff in dieser verkürzten Brennzone·(64) zur Vervollständigung der Verbrennungsreaktion innerhalb der verkürzten Zone und zur Beseitigung von Rauch im Auspuffgas der Gasturbinenmaschine zu liefern.

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2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Primärluftkanal (90) solche Abmessungen besitzt, daß mehr als 50 % des Luftstroms von dem Versorgungskanal (88) durchströmen kann.

3. Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Prallblechvorrichtung (66) eine Vielzahl von öffnungen (68) enthält, durch welche die primäre Luft in die Brennkammer (64) eintritt, so daß die Brennzone in eine Vielzahl von kleinen Reaktionszonen aufgeteilt ist,

4. Brenneranordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Prallblechvorrichtung (66) ein äußeres Ringband (98) umfaßt mit einer Vielzahl von Ansatzteilen (99), die sich von diesem Band aus in radialer Richtung nach innen erstrecken, und ein inneres Teil (100) mit einer Vielzahl von kleinen Leitblechen (102), deren Zahl gleich der Zahl der radialen Ansätze (99) ist.

5. Brenneranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallblechvorrichtung (66) die Injektorvorrichtungen (70) für das Brennstoffluftgemisch trägt.

6. Brenneranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der radialen Ansätze (99) und jedes der kleinen Prallbleche (102) eine etwa jeweils in der Mitte angebrachte öffnung (104, 106) enthält.

7. Brenneranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß jede der öffnungen (104, 106) eine Brennstoffinjektorvorrichtung (70) enthält.

8. Brenneranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektorvorrichtung (70) für das Brennstoffluftgemisch eine Vielzahl von Zerstäuberbrennstoffdüsen umfaßt.

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