DE2143012A1

DE2143012A1 - Brennersysteme

Info

Publication number: DE2143012A1
Application number: DE19712143012
Authority: DE
Inventors: Edward Ernst Cincinnati Ohio Edstedt (V.StA.). P
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-12-02
Filing date: 1971-08-27
Publication date: 1972-06-15
Also published as: FR2116363B1; DE2143012C3; BE771990A; NO134997B; DK132539C; US3899884A; CA943352A; GB1353335A; NL7111784A; CH537519A; JPS5521250B1; FR2116363A1; DE2143012B2; DK132539B; NO134997C; AU3263471A; AU452434B2

Description

2H3012

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Dr. rer. nah Horst Schüler ⁶ f™>Wurt/Main ι, den 26. aus- 1971 MTINTANWAIT Niddortrofl. 52 Vo/ro

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Konto: 2K420 Frankfiirt/M. •anlt-Kontei 225/03» Dertteh· lenk AO, Frankfurt/M.

181*9-130-5719

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y.» U.S.A.

Brennersysteme

Die Erfindung betrifft Verbesserungen in Verbrennungssystemen und insbesondere bei der Erzeugung eines heissen Gasstrahles, wie z.B. in Gasturbinentriebwerken.

Brennersysterne, wie sie in Gasturbinentriebwerken verwendet werden, enthalten eine Spritzdüse, die Brennstoff in eine Verbrennungszone einspritzt. Sobald einmal eine Entzündung erfolgt ist, wird in der Verbrennungskammer eine kontinuerliehe Flammenfront aufrechterhalten, solange Brennstoff und Druckluft einströmen, und aus der Verbrennungskammer tritt ein hochenergetischer, heisser Gasstrahl aus.

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In letzter Zeit wurde besonderes Gewicht auf das Problem gelegt, den Rauch bzw. Qualm möglichst gering zu halten, der bei dem Verbrennungsprozess erzeugt und von den Gasturbinentriebwerken an die Atmosphäre abgegeben wird. Eine höchst erfolgreiche Lösung dieses Problems bestand darin, den Brennstoff in eine Leitung oder Mischkammer ausströmen zu lassen, die in die Verbrennungskammer mündet. Druckluft wird in axialer» Richtung eingeführt und um die Ausstossachse der Spritzdüse kreisend verwirbelt. Hierbei erzeugt das hervorgerufene turbulente Strömungsfeld eine stark dispergierte, überstöchionetrisehe Mischung von Brennstoff und Luft in der Leitung. Diese Mischung wird in im allgemeinen konischer Form in die Verbrennungskammer abgegeben, wo sie durch zusätzliche Luft weiter dispergiert bzw. verteilt wird, die durch andere Öffnungen in die Verbrennungskammer eintritt. Diese zusätzliche Luft ist ausreichend, ram eine Verbrennung zu unterstützen, und in dieser Mischzone wird am Ausgang der Mischkammer eine Flammenfront erzeugt. Auf Grund dieses hohen Grades der erhaltenen Dispersion bzw. Werteilung werden überreiche Brennstoffzonen im wesentlichen wemoieden und der Rauch wird soweit vermindert, dass er praktisch nicht mehr feststellbar ist.

Obwohl somit zwar der Rauch wirksam vermindert: wird, ist die Häufigkeit der Wartung der Brennstoff düsen angestiegen. Der Grund hierfür liegt darin, dass der Brennstoff auf den Düsen verkohlt, wodurch die Form des aus diesen abstreitenden Brennstoff-Spritzkegels nachteilig beeinflusst wird. Werschiedene Formen von Spritzdüsen und Luftummantelungeini für diese hatten nur begrenzte Erfolge bei der Oberwindung dieses Problems und führten immer¹ noch zu geringen Raucheimitwickl.iiiimgen. Diese Erfolglosigkeit ist auf die feine Brennstofiß&persion zurückzuführen, die in lokalisierten Bereichen Mmrrocfcsibpomt und mit: dem Ausstossende der Düse in Berührung kommt- !infolge der" hohem Temperatur der Düse verkohlt oder karbonisiert star Brennstoff,, wenn er mit der» Düse in Berührung kommt.

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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Temperaturwerte der Brennstoffdüsen herabzusetzen und dadurch die Bildung von Kohlenstoff auf diesen auf einem Minimum zu halten und ferner eine nur minimale Rauchentwicklung im Verbrennungsprozess zu erhalten.

Diese Aufgaben werden im weitesten Sinne dadurch gelöst, dass eine Venturi-Vorrichtung vorgesehen ist, in die der Brennstoffnebel ausgestossen wird. Die durch den Anfangsabschnitt des Venturirohres hervorgerufene Beschleunigung beschleunigt die Mischluft, die um die Düse herum eingeführt wird, in ausreichendem Maße, um eine Verbrennung in einem vorbestimmten Abstand von der Düse zu verhindern. Indem somit die Flammenfront von der Düse entfernt bzw. verschoben wird, kann die Temperatur der Düse genügend herabgesetzt werden, um eine unerwünschte Bildung von Kohlenstoff auf ihr zu vermeiden. Der divergierende Abschnitt des Venturirohres expandiert dann die Mischluft wieder, um sie unter einem relativ weiten Winkel in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Dispersionsverfahren zur Herabsetzung der Rauchentwicklung in die Verbrennungskammer einströmen zu lassen.

Andere Merkmale der Erfindung betreffen die Relation des Venturirohres zu der Einrichtung zur Einführung von Mischluft und weiterhin die Menge der eingeführten Mischluft.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen zweier Ausführungsbeispiele erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes, in dem ein Brenner der hier interessierenden Art verwendet ist.

Fig. 2 ist ein vergrösserter Längsschnitt und zeigt die erfindungsgemässen Einzelheiten des Brenners gemäss Fig. 1.

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Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2.

Fig. M- ist ein Längsschnitt ähnlich wie Fig. 2 und zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Triebwerk umfasst einen Axialkompressor 10, der Luft komprimiert. Diese Druckluft strömt durch einen ringförmigen Kanal 12 hindurch in einen ringförmigen Brenner 14-, wo Brennstoff eingeführt wird. Die Druckluft unterstützt die Verbrennung des Brennstoffes innerhalb des Brenners, um einen hochenergetischen, heissen Gasstrahl zu erzeugen.

»Dieser heisse Gasstrahl treibt eine Turbine 16 an, die ihrerseits den Rotor des Kompressors 10 antreibt. Der heisse Gasstrahl wird dann in eine nutzbare Ausgangsgrosse umgewandelt, indem er beispielsweise aus einer Düse 17 ausgestossen wird, um einen Antriebsschub für ein Luftfahrzeug zu erzeugen.

Der Brenner 14, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, umfasst äussere und innere Gehäuseteile bzw. Büchsen 18 und 20, die eine ringförmige Verbrennungskammer 21 bilden. Diese Gehäuseteile sind an ihren stromaufwärts gelegenen Enden durch einen zusammengesetzt ausgebildeten Aufsatzteil 2 2 miteinander verbunden. Zylindrische Leitungen oder Mischkammern 24 münden in den Aufsatzteil 22 und die Verbrennungskammer 21. ÜbergangsSegmente Wk passen die Leitungsöffnungen|in den Aufsatzteil 2 2 ein. Am stromaufwärts gelegenen Ende jeder Leitung 24 ist ein axialer Strömungsverwirbler 2 8 angebracht.

Der Verwirbler weist eine zentrale öffnung auf, die das Austrittsende 29 der Brennstoff-Spritzdüse 30 aufnimmt. Die Düse 30 kann viele· Formen annehmen, aber vorzugsweise zeichnet sie sich durch wenigstens einen Düsenauslass aus, der einen kegelförmigen Spritzausstoss mit einem relativ grossen eingeschlossenen Winkel bezüglich einer Achse^erzeugt, die längs der Mischkammer verläuft. Der Verwirbler 28 umfasst eine Reihe von Durchlässen 32, die die Achse des Düsenaustrittsendes 29 ringförmig umgeben.

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Die Durchlässe 32 sind bezüglich der Düsenachse in einem solchen Winkel angeordnet, dass ein kreisendes Strömungsfeld erzeugt wird.

Es wird nun die Einführung von Druckluft aus dem ringförmigen Ausstosskanal 12 des Kompressors in die Verbrennungskammer beschrieben. Der Durchlass 12 wird von äusseren und inneren im allgemeinen zylindrischen Gehäusen 34 und 36 gebildet, die entlang der Längen der Gehäuseteile 18 und 20 verlaufen und diesen gegenüber einen entsprechenden Abstand aufweisen, um liigförmige Kanäle 38 und 40 zu bilden, An den Gehäuseteilen 18 und 20 ist eine ringförmige, rüssel- bzw. schnauzenähnliche Vorrichtung 42 befestigt, die von diesen in stromaufwärtiger Richtung verläuft. Diese Vorrichtung 42 weist einen zentralen Durchlass 43 mit einem Eingang auf, der zum Auslasskanal 12 gerichtet ist und in eine ringförmige Kammer 44 mündet, die die Eingänge zu den Mischkammern, d.h. die Verwirblerkanäle 32, umgibt. Die komprimierte Strömung aus dem Kompressor wird somit in drei ringförmige Strömungspfade entlang der Kanäle 38, 40 und 43 aufgeteilt.

Die Luft aus den Kanälen 38 und 40 kann in die Verbrennungskammer 21 eintreten, um drei Funktionen zu dienen. Erstens kann sie durch relativ kleine Löcher 46 strömen, die zur Kühlung der Gehäuseteile 18 und 20 ausgerichtet sind. Zweitens kann sie in relativ grosse Löcher 48 eintreten, um in die Verbrennungskammer zu gelangen und entsprechende, primäre Luft für den Verbrennungsprozess zu liefern. Drittens kann sie als Verdünnungsluft durch nicht gezeigte, noch weiter stromabwärts gelegene Löcher strömen, um die Temperatur des heissen Gasstrahles auf eine Temperatur herabzusetzen, die mit den Eigenschaften der die Turbine bildenden Materialien verträglich ist. Auch die in die Löcher 4 8 eintretende Luft kann eine Verdünnungsfunktion ausüben.

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Die in den rüsselartigen Kanal 43 und die Kammer 44 eintretende Luft wird dann bemessen und durch die Verwirbelungskanäle 32 als diskrete Strahlen in die Mischkammer eingeblasen. Die kreisende Mischluftströmung ist sehr wirkungsvoll bei der Dispergierung oder Mischung des Brennstoffes aus dem Spritzkegel in feine Tröpfchen, die einen Verbrennungsprozess mit einer Flammenfront unterstützen, die allgemein durch die unterbrochene Linie in Fig. 2 angedeutet ist.

Sobald einmal eine Entzündung erfolgt ist, wird die Flammenfront fe hauptsächlich von zwei Faktoren gesteuert. Dies sind das Vorhandensein sowie der Grad einer brennbaren Mischung und die Geschwindigkeit dieser Mischung. Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Faktoren für die Aufrechterhaltung eines gewünschten Abstandes zwischen der Flammenfront und dem Ausstossende 29 der Brennstoffdüse berücksichtigt, um die Temperatur der Brennstoffdüse möglichst niedrig zu halten.

Zu diesem Zweck wird ein Venturirohr 50 derart angeordnet, dass es konzentrisch zur Düsenachse a ist und den Spritzkegel umgibt, der durch die Düse ausgestossen wird. Der Innendurchmesser des Venturirohres ist näherungsweise gleich dem mittleren Durchmesser der ringförmigen Reihe der Verwirblerkanäle 32. Somit wird etwa 1/3 der Mischluft des Verwirblers von dem konvergierenden Abschnitt des Venturirohres 50 eingefangen und von diesem in axialer Richtung beschleunigt. Dadurch wird ein Zustand hervorgerufen, wo die Mischung am Hals bzw. an der engsten Stelle des Venturirohres genügend überstöchiometrisch ist, um eine Verbrennung nicht zu unterstützen, und die Geschwindigkeit der Mischung ist vergrössert, um eine Verbrennung weiter abzuhalten. Der divergierende Abschnitt des Venturirohres expandiert dann die Mischung wieder auf etwa die ursprüngliche Kegelform des Düsenaustrittes. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der divergierende Abschnitt des Venturirohres in einer im allgemeinen tangentialen Relation zum Spritzkegel endet.

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Während die gewünschten geringfügigen RauchCharakteristiken aufrechterhalten werden, ist das Venturirohr 50 höchst wirksam, um die Flammenfront in einem gewünschten stromabwärts gerichteten Abstand zu halten. Dieser Abstand kann wunschgemäss durch die Länge des Venturirohres und dessen Verengungsverhältnis und desgleichen die Menge der hindurchtretenden Mischungsluftströmung gesteuert werden, wobei alle diese Faktoren derart aufeinander abgestimmt werden, so dass der Winkel des Spritzkegels relativ divergierend ist, wenn der Spritzkegel von dem Venturirohr in die Verbrennungskammer austritt.

Der Effekt des Venturirohres kann in anderer Weise dahingehend ausgedrückt werden, dass es den Gesamtdruck im Kern des kreisenden Strömungsfeldes vergrössert, das durch den axialen Strömungsverwirbler hervorgerufen wird. Ohne das Venturirohr würde der geringe Druck des kreisenden Kernes es ermöglichen, dass umgewälzte Primärluft nach vorne strömt, wie es durch die unterbrochenen Pfeile angedeutet ist, und eine brennbare Mischung und eine Flammenfront sehr nahe an dem Düsenaustritt erzeugt. Mit dem Venturirohr tritt eine derartige Rezirkulation zwar auch auf, wie es durch die ausgezogenen Pfeile angegeben ist, aber sie ist in der Grosse ihrer Stromaufwärtsbewegung stärker begrenzt.

Es sei bemerkt, dass das Venturirohr zwischen den Längen der Kanäle 32 mit dem Verwirbler 2 8 verschweisst ist oder auf andere Weise mit diesem verbunden ist. Auf diese Weise wird für den Verwirbler eine zusätzliche Festigkeit und Stabilität erhalten.

Fig. h zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem die gesamte Mischluft durch ein Venturirohr 52 strömt, das auch als eine Mischkammer zur Einführung der dispergierten Brennstoffmischung in die Verbrennungszone dient. Die Wirkung dieses Venturirohres hinsichtlich der Erzielung einer gewünschten stromabwärts gerichteten Verschiebung der Flammenfront und einer daraus folgenden Herabsetzung der Düsentemperatur ist im wesentlichen die gleiche wie die vorstehend beschriebene, ausser

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dass der Geschwindigkeitsfaktor des Venturirohres noch entscheidender bei der Verschiebung der Flanunenfront ist, da eine grössere Luftmenge in das Venturirohr eintritt. Tatsächlich können die Vorteile der Erfindung im weiteren Sinne erzielt werden, wo die Menge "der Mischluftströmung ausreichend ist, um eine brennbare Mischung in der Mischkammer zu erzeugen.

Es wurde somit dargelegt, dass die beschriebene Verwendung eines Venturirohres höchst wirksam bei der Verhinderung der Bildung von Kohlenstoff auf Brennstoffdüsen ist und somit einen langen wartungsfreien Betrieb sicherstellt. Gleichzeitig bleiben die kleinen Werte der Rauchentwicklung weiterhin bestehen.

Die Erfindung wurde zwar anhand eines ringförmigen Verbrennungssystems beschrieben, sie ist aber in gleicher Weise bei einem kantilenartigen (cannular) System anwendbar. Darüber hinaus könnte die Mischluft im weiteren Sinne der Erfindung ohne oder mit einer kleineren Kreiskomponente durch die Mischkammer strömen.

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Claims

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Ansprüche

ί 1.J Brennersystem, gekennzeichnet durch eine Verbrennungskammer (21), eine Mischkammer (24), die in das stromaufwärts gelegene Ende der Verbrennungskammer (21) mündet, eine Spritzdüse (30) zum Ausstossen von Brennstoff als einem atomisierten Kegel in die Mischkammer (24), wobei die Achse (a) des Spritzkegels längs der Mischkammer (24) in Richtung auf die Brennkammer (21) verläuft, eine Einrichtung (2 8) zur Einführung von Druckluft in das stromaufwärts gelegene Ende der Mischkammer (24) und zur Erzeugung eines axialen Strömungsfeldes zur Dispergierung des Brennstoffes in feine Tröpfchen und ein Venturielement (50; 52), das den Spritzkegel umgibt und durch das wenigstens ein Teil der axial und kreisförmig strömenden Luft hindurchtritt.
2. Brennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung (2 8) zur Einführung von Luft dem Strömungsfeld der Luft zusätzlich eine Kreiskomponente gibt.
3. Brennersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Mischkammer (24) z.T. durch ein Venturirohr (50) begrenzt ist, das das Venturielement bildet.
4. Brennersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Venturielement durch ein Venturirohr (52) gebildet ist, das innerhalb der Mischkammer (24) angebracht ist.
5. Brennersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass eine zylindrische Leitung und ein

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axialer Verwirbler (2 8) am stromaufwärts gelegenen Ende der Leitung die Mischkammer bilden, die Einrichtung zur Einführung von Luft eine ringförmige Reihe von im allgemeinen radial ausgerichteten Kanälen (32) aufweist, die durch den Verwirbler (2 8) hindurch gewinkelt sind, der axiale Verwirbler (28) eine zentrale Öffnung aufweist, durch die das Auslassende (29) der Spritzdüse (29) hindurchragt, und dass das Einlassende des Venturirohres (50) einen zwischen den-minimalen und maximalen Durchmessern der ringförmigen Reihe der Verwirblerkanäle (32) liegenden Durchmesser aufweist und mit dem Verwirbler (28) verbunden ist.
6. Brennersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass das divergierende Auslassende des Venturirohres (50$ 52) im allgemeinen als eine Tangente zu dem Spritzkegel aus der Düse (30) endet.
7. Brennersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass eine unter Druck stehende Kammer (U4) vorgesehen ist, die mit der stromaufwärts gelegenen Stirnfläche des axialen Verwirblers (28) in Verbindung steht, die Luftmenge in die Mischkammer (24) durch die Verwirblerkanäle (32) derart bemessen ist, dass sie zur Erzeugung einer brennbaren Mischung mit dem durch die Spritzdüse (30) eingeführten Brennstoff nicht ausreichend ist, und eine Einrichtung zur Einführung weiterer Druckluft in die Verbrennungskammer (21) vorgesehen ist, die zur Erzeugung einer brennbaren Mischung in der Verbrennungskammer ausreichend ist.
8. Brennersystem, dadurch gekennzeichnet, dass es die in der vorstehenden Beschreibung und den Zeichnungen beschriebenen Merkmale aufweist.

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