DE2338210A1

DE2338210A1 - Brennerkuppel mit aufprallkuehlung

Info

Publication number: DE2338210A1
Application number: DE19732338210
Authority: DE
Inventors: Milton James Kenworthy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-08-02
Filing date: 1973-07-27
Publication date: 1974-02-14
Also published as: FR2194881A1; CA994115A; JPS4980411A; BE801615A; FR2194881B1; IL42390A0; NL7310008A; IT992653B

Description

Brennerkuppel mit Aufprallkühlung

Die Erfindung betrifft Brenner und Brennstoffzufuhreinrichtungen zur Verwendung bei Gasturbinentriebwerken.

Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Brennereinrichtung zu schaffen, die übermässige Metalltemperaturen im Bereich der Brennerkuppel verhindert, ohne dabei die
Eigenschaften der aus Brennstoffinjektor und Brenner bestehenden Einrichtung zur Neuziindung in grosser Höhe, geringer Rauchbildung, geringer Emission und Verteilung der Auslasstemperatur zu beeinträchtigen.

Zusammengefasst werden diese und ähnliche Aufgaben dadurch erreicht, dass eine Brenneisinrichtung mit einer Aufprallplatte

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ausgestattet wird, welche den Kuppelbereich der Einrichtung vollständig umgibt. In der Kuppel ist eine relativ kleine Zahl von Kühlluftlöchern vorgesehen. Diese Löcher sind so ausgelegt, dass sie einmal eine bedeutungsvolle Konvektionskühlung der Metallstruktur ergeben und danach einen Kühlmittelfilm entlang der Kuppel und der Brennerauskleidung geben. In dieser Weise wird der Kuppelbereich der Brennereinrichtung auf Temperaturen gehalten, welche bedeutend niedriger sind als bei zuvor verwendeten Konstruktionen mit den gleichen Kühlstromerfordernissen für das Gesamtsystem, und es werden dabei die grundlegenden Eigenschaften zur Wiederzündung und bezüglich der Emission für diese Einrichtung nicht nachteilig beeinflusst.

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

Figur 1 zeigt einen axialen Teilschnitt einer beispielhaften Brennereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, welches den verbesserten Kuppelteil als Ausführungsform der Erfindung enthält.

Figur 2 enthält einen Teilschnitt in Querrichtung, an dem einige Teile weggelassen sind, für eine Anordnung nach Figur 1.

In den Abbildungen werden für die gleichen Bauelemente gleiche Bezugsziffern verwendet. Figur 1 zeigt eine Brennereinrichtung 10 mit kontinuierlicher Verbrennung und einem Bautyp, wie er für die Verwendung in Gasturbinentriebwerken geeignet ist. Die Brennereinrichtung umfasst eine Auskleidung oder Verkleidung 12, in deren Inneren eine Brennkammer 14 definiert ist. Die Verkleidung 12 enthält einen kuppeiförmigen stromaufwärts gelegenen Verschlussteil 16 mit einer mittleren Öffnung 18 zur Aufnahme einer" Brennstoff/Luft-Vergasereinrichtung 20. Der kuppeiförmige Verschlussteil 16 definiert das stromaufwärts gelegene Ende der Brennkammer 14 und kann in geeigneter Weise mit der

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Verkleidung 12 verbunden oder einstückig mit derselben ausgebildet werden. Der Fachmann wird erkennen, dass die Brennkammer 14 eine kreisringför.nige Brennkammer, eine kanalförmige Brennkammer oder eine zylinderförmige Brennkammer sein kann. Die Abbildungen und die nachfolgende Beschreibung beziehen sich zwar hauptsächlich auf einen kanalförmigen Brennkammertyp; die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf diese Brennkammerform beschränkt.

Die Brennstoff/Luft-Vergasereinrichtung 20 kann beispielsweise gemäss der Lehre der US-Patentschrift 3.648.477 aufgebaut sein. Gemäss der dort gegebenen Beschreibung kann die Brennstoff/Luft-Vergasereinrichtung 20 ein Gehäuse 22 besitzen, welches mit axialem Abstand stromaufwärts und stromabwärts angeordnete Wände 24 und 26 besitzt. Dabei ist die stromabwärts gelegene Wand 26 mit einem Auslass 28 ausgestattet, welcher über den Einlass 18 in Strömungsmittelverbindung mit der Brennkammer 14 steht. Eine kreisringförmige Anordnung von Leitschaufeln 30 ist vorgesehen, um einen Strom von Druckluft aus einer geeigneten Quelle, beispielsweise einem nicht gezeigten Verdichter, nach innen in das Gehäuse 22 zu richten, so dass eine wirbelnde Luftmasse im Innern des Gehäuses und eine Wirbel- oder zyklonförmige durch den Auslass 28 austretende Luftmasse gebildet wird, wie dies allgemein bei 32 angedeutet ist.

In Figur 1 sind mit gestrichelten Linien Einrichtungen zur Injektion eines Brennstoffes im Innern des Gehäuses 22 und in Richtung der Leitflächen 30 bei 34 dargestellt. Diese umfassen eine Brennstoffsprühdüse mit einem Auslassende 36, welche die Erzeugung· eines konischen Sprühnebels und eines radialen Sprühnebels des versprühten Brennstoffes durch Ausnutzung des Brennstoff druckes gestattet. Das Auslassende 36 der Brennstoffdüse ragt durch die stromaufwärts gelegene Wand 24 des Gehäuses 22 und ist vorzugsweise so angeordnet, dass die Auslassachse koaxial zum Auslass 28 des Gehäuses ist. Die Brennstoffinjektionseinrichtung 34 wird mit weiteren Einzelheiten in der vorgenannten US-Patentschrift beschrieben und wird hier lediglich beschrieben, um die vorliegende Erfindung in den richtigen Rah-

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men zu stellen.

Das Gehäuse 22 kann Flüssigkeitsleiteinrichtungen ausserhalb der Leitflächen 30 besitzen zur wirksamen und stromlinienmässigen Zuführung der verdichteten Luft in das Gehäuse und zum Zwecke einer Steigerung der Stärke des Wirbelstromes im Innern des Gehäuses. Beispielsweise kann gemäss den Figuren 1 und 2 die stromaufwärts gelegene Wand 24 und auch die stromabwärts gelegene Wand 26 des Gehäuses gekrümmt sein, um einen kreisringförmigen Einlass 28 zur Zuführung verdichteter Luft in das Gehäuse 22 zu definieren.

Die Brennstoff-Luft-Vergasereinrichtung 20 gemäss der bisherigen Beschreibung ist identisch mit der Lehre nach dem vorgenannten US-Patent. Wenn sich die Einlass luft auf einer relativ niedrigen Temperatur befindet, beispielsweise während des Anfahrens des Gasturbinenbetrxebwerkes, oder bei Anwendungsfällen, welche ein hohes Verhältnis von Brennstoff zur Luft erfordern oder in den Fällen einer Wiederzündung bei grösserer Höhe, dann kann in diesen Fällen der Brennstoff durch den Auslass und längs einer ringförmigen Wand 40 strömen, welche den Auslass 28 definiert. Um eine positive und beherrschte Verteilung der Brennstoffströmung längs der Wand 40 zwecks einer Steigerung der Eigenschaften bezüglich des Entzündens (light-off) und des Gesamtbrennverhaltens des von dem Zerstäuber 20 abgegebenen Brennstoffluftgemisches zu erhalten, ist dieser Zerstäuber 20 mit Einrichtungen ausgestattet zur Einführung eines Sekundärluftstromes in die Brennkammer 14 um und entlang der Wand 40 in einer solchen Weise, dass der Brennstoff, welcher sich an der Wand 40 ansammelt, als versprühter Nebel in die Brennkammer 14 weiter getragen wird.

In der Ausführungsform nach Figur 1 verläuft die Wand 40 stromabwärts durch den Einlass 18 in die Brennkammer 14. Die Einrichtungen 42 für den Sekundärluftstrom umfassen hier eine Vielzahl von Leitflächen 44 für einen Gegenwirbel, welche radial ausserhalb der Wand 40 und kreisringförmig im Abstand um dieselbe angeordnet sind. Diese Leitflächen 44 für den Gegen-

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Wirbel werden zweckmässigerweise zwischen der stromabwärts gelegenen Wand 26 unter einem Kreisring 46 befestigt, wobei dieser Ring 46 axial stromabwärts im Abstand von der Wand angeordnet ist. Die Anordnung, bestehend aus den Leitflächen 44 für den Gegenwirbel und dem Kreisring 46, befindet sich radial im Abstand ausserhalb der Wand 40 und bildet dazwischen einen axial verlaufenden kreisringförmigen Durchlassweg 48, der allgemein koaxial mit dem Auslass 28 und dem Wirbelstrom 32 ist. Ein Toil der Luft, welche aus dem nicht gezeigten Verdichter strömt, tritt dadurch in den Durchlassweg 48 ein, dass sie durch die Leitflächen 44 für den Gegenwirbel hindurchströmt. Die Leitflächen 44 sind so ausgelegt, dass sie diesen Luftstrom verwirbeln und einen sekundären Wirbelstrom von einem Auslass 50 am stromabwärts gelegenen Ende des Durchlasskanals 48 erzeugen. Dieser sekundäre Wirbelstrom dreht sich vorzugsweise im entgegengesetzten Sinne wie der primäre Wirbelstrom 32. Auf diese Weise wird stromabwärts von einem durch das Ende der Wand 40 gebildeten Auslass 52 ein Bereich mit hoher Scherbelastung erzeugt.

Beim Betrieb wird jegliche Brennstoffströmung entlang der Wand 40 zu dem stromabwärts gelegenen Ende derselben in einem wirbelnden Strom mit Hilfe des Wirbels 32 getragen oder geschoben. Der Brennstoff wird dann vom stromabwärts gelegenen Ende der Wand 40 durch den primären und den sekundären Wirbelstrom abgeschnitten und in den Bereich der hohen Scherbelastung weitergeführt, wo er in kleine Brennstofftröpfchen zerteilt wird, welche schnell verdunsten. Daher wird eine positive und beherrschte Einleitung des gesamten flüssigen Brennstoffes, welcher von der Brennstoffinjektionseinrichtung 34 austritt, dadurch erreicht, dass die Brennstoff/Luft-Vergasereinrichtung mit der Einrichtung 43 zur Erzeugung eines sekundären Stroms ausgestattet wird und dies wird in dem weiten Bereich von Betriebsbedingungen für Gasturbinentriebwerke erzielt.

Die Brennstoff-Luft-Vergasereinrichtung 20 führt daher zu einer Brennereinrichtung, welche keinen sichtbaren Rauch oder

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nur einen geringen Anteil und relativ geringe Emissionswerte besitzt. TJtn übermässig hohe Metalltemperaturen in dem Bereich unmittelbar stromabwärts vom Auslass 50 und 52 auszuschliessen, welche die dort austretenden Wirbel in nachteiliger Weise beeinflussen, ist das kuppeiförmige Verschlussteil 16 mit einer Aufprallplatte 54 ausgestattet. Diese umgibt den Kuppelteil 16 und wirkt mit demselben zusammen zur Ausbildung eines Paars von ringförmigen Kühlluftkammern 56 und 58. Die Aufprallplatte 54 ist an ihrem stromaufwärts gelegenen Ende mit einer kreisförmigen Öffnung 64 ausgestattet. Diese ist so bemessen, dass sie eng um denjenigen Teil des kuppeIförmigen Teils 16 passt, welcher die Öffnung 18 bildet, und auf diese Weise wird ein Luftstrom zwischen dem kuppeiförmigen Teil 16 und der Aufprallplatte 54 am stromaufwärts gelegenen Ende beider Teile ausgeschlossen.

In ähnlicher Weise ist an dem Mittelpunkt der Länge des kuppeiförmigen Teils 16 die Aufprallplatte 54 mit einer Einrichtung zur Verminderung des Stroms zwischen den Kammern 56 und 58 ausgestattet. Diese umfasst einen ebenen Abschnitt 66, der so bemessen ist, dass er mit einem vergrösserten Teil 68 des Kuppelteils 16 zusammenwirkend eine Strömung zwischen den Kammern 56 und 58 entweder ganz ausschliesst oder auf ein Mindestmass verringert. Schliesslich ist noch das stromabwärts gelegene Ende der Platte 54 mit einem ebenen Teil 70 ausgestattet. Dieser wirkt mit einem zweiten vergrösserten Teil 72 des Kuppelteils 16 zusammen und verhindert eine Strömung zwischen dem stromabwärts gelegenen Ende der Platte 54 und dem Kuppelteil 16. Es ist zu beachten, dass bei solchen Konstruktionen, bei denen der Druck im Innern der Kammern 56 und 58 relativ gleich gross ist, die Notwendigkeit zu einer Behinderung der Strömung zwischen den Kammern nicht so gross ist und daher der ebene Abschnitt 66 in einigen Fällen weggelassen werden kann.

Aus den Figuren 1 und 2 ist ersichtlich, dass die Aufprallplatte 54 mit einer Vielzahl von kleinen Öffnungen 74 ausgestattet ist, welche so eingerichtet sind, dass die Kühlluft vom nicht gezeigten Verdichter von innen unter einem annähernd

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rechten Winkel auf die Aussenseite des kuppeiförmigen Teils 16 aufprallend gerichtet werden kann. Ein Teil der Kühlluft, welcher durch die öffnungen 74 fliesst, tritt anschliessend aus den Kanunern 56 und 58 über eine Vielzahl von Öffnungen aus, welche in den beiden vergrösserten Bereichen 68 und 72 des Kuppelteils 16 ausgebildet sind. Um die Abmessung der Öffnungen 76 auf einem gewünschten Wert zu halten und andere noch nachstehend beschriebene erwünschte Funktionen zu erhalten_; werden eine oder mehr Reihen von Öffnungen 78 und 80 unter relativ flachen Winkeln durch das Kuppelteil 16 stromaufwärts von den vergrösserten Bereichen 68 und 72 gebohrt. Die Öffnungen 78 und 80 ergeben ein Ausströmen von Luft aus den Aufprallkammern 56 und 58 und vermindern dadurch Kreuzströmungseffekte, welche sonst die Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtern könnten.

Die Öffnungen 78 sind in der Nähe des Punktes angeordnet, an dem für einen Teil der Strömung von der Brennstoff/Luft-Ver-· gasereinrichtung 20 eine Neigung zu einem erneuten Anhaften an der heissen Seite des Kuppelteils 16 besteht. Diese Strömung ist in Figur 1 schematisch durch die Pfeile A veranschaulicht. In dieser Weise besitzt die durch die Öffnungen 78 strömende Luft einen stabilisierenden Einfluss bezüglich des erneuten Anhaftens der Strömung und dadurch werden potentielle Wärmegradienten am Umfang vermieden. Eine einzelne Reihe von öffnungen 82 ist in dem erweiterten Bereich 68 angeordnet, um die Wärme aus diesem Bereich 68 durch Konvektionskühlung im Innern der kleinen Durchlässe der Öffnungen abzuziehen und dadurch eine Tendenz zur thermischen Beanspruchung in diesem Bereich zu verringern. Der flache Winkel dieser Öffnungen ergibt eine ausreichende Länge des Durchlasses,um die erwünschte Konvektionskühlung im Innern der Metallstruktur zu erreichen. Die Öffnungen 78 und 80 ergeben auch eine gewisse wertvolle Konvektionskühlung im Innern der Metallstruktur. Der Ausstoss des Kühlmittels aus den Öffnungen 78, 80 und 82 erfolgt unter einem flachen Winkel zur Wand und hierdurch ist diese Luft sehr wirksam zur Erreichung eines guten Films.

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Wie vorstehend beschrieben, vergrössert die Aufprallplatte in bedeutungsvoller Weise die Wärmeübergangskoeffizienten an der kalten Seite des Kuppelteils 16 und vermindert dadurch in bemerkenswerter Weise die Temperatur dieses Teils. Diese Temperaturverringerung wird dabei erzielt, ohne in nachteiliger Weise die Brennstoffinjektionswirbel zu beeinflussen, welche durch den Vergaser 20 gebildet werden. Diese Temperaturverringerung wird dadurch erreicht, dass zuerst Kühlluft zum Aufprall auf der äusseren Oberfläche des Kuppelteils 16 gebracht wird und dass die Kühlöffnungen 78,80 und 82 unter einem hinreichend flachen Winkel, beispielsweise 15 bis 30°, relativ zur Oberfläche der Metallwand ausgebildet werden und auf diese Weise die gleiche Aufpralluft einmal dieJMetallstruktur in den engen Durchlässen der Öffnungen konvektiv kühlen kann und anschliessend eine Filmkühlung der Innenwand des Kuppelteils 16 und der Verkleidung 12 ergibt. Durch Ausgestaltung der Filmöffnungen mit relativ flachen Winkeln zur Oberfläche der Metallwand und durch Anordnung der stromaufwärts gelegenen Reihe von Filmöffnungen in der Nähe des Punktes an der Innenwand des Kuppelteils 16, an dem ein erneutes Anhaften der Strömung erfolgen kann, wird eine beträchtliche Verminderung der thermischen Belastung des Kuppelteils 16 erreicht. Dabei werden jedoch ausserdem die Eigenschaften des Brenners IO bezüglich der Zündung, der Wiederzündung bei grosser Höhe, des niedrigen Rauchgehaltes und der niedrigen Emission nicht nachteilig beeinflusst und es wird die gleiche Gesamtmenge von Kühlluft verwendet, wie sie auch bei einer konventionellen durch Film gekühlten Konstruktion verwendet würde, bei der jedoch übermässig hohe Metalltemperaturen auftreten.

An einer oder mehreren Stellen am Umkreis kann der Brenner 10 mit einer geeigneten Zündeinrichtung 84 (gestrichelt dargestellt) ausgestattet werden. An solchen Stellen enthält dann der Kuppelteil 16 und die Aufprallplatte 54 eine kreisringförmige Öffnung 86 zur Einführung einer zylindrischen Hülse 88, welche zur Aufnahme der Zündeinrichtung 84 ausgestaltet ist. Die Hülse 88 wird dabei mit einem geeigneten Dichtungsteil 90

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ausgestattet, um das Ausströmen von Gas mit hoher Temperatur aus der Brennerzone 14 zu verhindern. Um entlang der Innenwand des Kuppelteils 16 stromabwärts von den Stellen zur Einführung der Zündereinrichtung einen gleichförmigen Kühlstrom entlang der Innenwand aufrecht zu erhalten,ist der Kuppelteil 16 unmittelbar stromabwärts von diesen Plätzen für die Einführung der Zündeinrichtung mit einer Anzahl von zusätzlichen Luftöffnungen 92 ausgestattet. Diese Öffnungen 92 sind so gestaltet, dass sie die kühle Luft einem Lippenteil 94 zuführen, welcher sich stromabwärts vom Zylinder 88 in einer allgemein zur inneren Wand des Kuppelteils 16 parallelen Richtung erstreckt. Dieser Hppenteil 94 dient dazu, die Strömung durch die Öffnungen 92 in eine allgemein axiale Richtung umzulenken. Umkreisförmige thermi&ehe Gradienten, welche durch die Einführung der Zünd einrichtung an diesen Stellen verursacht werden könnten, werden auf diese Weise beseitigt,

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Claims

Patentansprüche

ί l.yGasturbinentriebwerk mit einem Verdichter, einem Brennersystem und einer Turbine und einer Verbrennungszone, welche durch mindestens eine Brennerverkleidung und einen kuppeiförmigen Teil definiert ist, welcher das stromaufwärts gelegene Ende der Verbrennungszone bildet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufprallplatte (54) vorgesehen ist, welche den kuppeiförmigen Teil (16) vollständig umgibt und diese Aufprallplatte (54) eine Vielzahl von engen Luftöffnungen (74) enthält, welche zur Erzeugung eines Aufpralls von Kühlluft auf einen Hauptteil des Kuppelteils gestaltet sind.
2. Verbesserte Brennereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kuppelteil (16) und der Aufprallplatte (54) mehrere unabhängige Kühlluftkammern (56,58) ausgebildet sind und der Kuppelteil und die Aufprallplatte (54) Einrichtungen (66) zur Verhinderung eines Luftstromes zwischen den Luftkammern (56,58) enthalten.
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Kuppelteil (16) eine Vielzahl von Öffnungen (78,8O) zur Filmkühlung und zur Zulieferung von Luft aus den Luftkammern (56, 58) in die Verbrennungszone als Kühlmittelfilm entlang der Innenwand des Kuppelteils (16) enthält.
4. Brenner nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , dass die Kühlluftöffnungen (78) unter einem relativ flachen Winkel bezüglich der Oberfläche des Kuppelteils (16) angeordnet sind und eine Konvektionskühlung im Innern dieser öffnungen (78,80) bei der Strömung des Kühlmittels von den Kammern (56, 58) zur Innenwand des

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- 11 Kuppelteils (16) erzeugbar ist.
5. Brenner nach Anspruch 4 , dad urch gekennzeichnet , dass die Öffnungen (78, 80) für den Kühlfilm in umkreisförmigen Öffnungsreihen angeordnet sind und dassjmindestens eine Reihe dieser Kühlfilmöffnungen (78) in der Nähe des Punktes des erneuten Anhaftens der Strömung an der heissen Seite des Kuppelteils (16) angeordnet ist.
6. Brenner nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine Reihe der Filmkühlöffnungen (76) zur Zuführung von Luft in Form eines Films entlang der Brennerverkleidung ausgestaltet sind.
7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass durch den kuppeiförmigen Teil (16) und die Aufprallplatte (54) mindestens eine Öffnung (18) zur Aufnahme einer Brennstoff/Luft-Injektionseinrichtung (20) definiert ist.
8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Brennstoff-Luft-Injektionseinrichtung (20) ein Gehäuse umfasst, welches mit einem Auslass ausgestattet ist, der in der Öffnung angebracht ist und eine Vielzahl von Fluidleitflachen besitzt, welche in einer kreisringförmigen Anordnung mit radialem Abstand um den Auslass herum angeordnet sind, wobei diese Leitflächen zur Richtung eines Stroms verdichteter Luft radial nach innen und zur Erzeugung eines Wirbelluftstroms im Innern des Gehäuses und eines am Auslass austretenden Wirbels ausgestaltet sind und in dem Gehäuse eine Brennstoffinjektionseinrichtung (20) angeordnet ist zur Zuführung von Brennstoff im Innern des Gehäuses.
9. Brenner nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die Brennstoff-Luft-Injektionsein-

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richtung (20) weiterhin eine Einrichtung zur Erzeugung eines gegenläufigen Luftwirbels um den am Auslass austretenden Wirbel enthält.
10. Brenner für ein Gasturbinentriebwerk mit mindestens einer Brennerverkleidung, welche eine Verbrennungszone definiert, einem kuppeiförmigen Teil, der mit dieser Verkleidung verbunden ist und das stromaufwärts gelegene Ende der Verbrennungszone bildet, sowie eine Aufprallplatte, welche diesen Kuppelteil umschliesst, dadurch gekennzeichnet , dass diese Aufprallplatte eine Vielzahl von Luftöffnungen (74) besitzt, zur Leitung von Kühlluft im Aufprall auf einen Hauptteil des Kuppelteils (16) und der Kuppelteil weiterhin eine Vielzahl von Luftöffnungen (78, 80, 82) enthält, welche einen Durchlassweg mit ausreichender Länge für das durchströmende Kühlmittel besitzen zur anfänglichen Konvektionskühlung der Metallstruktur des Kuppelteils und zur anschliessenden Erzeugung eines Kühlluftfilms für den Kuppelteil und die Verkleidung.

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