DE2810475A1

DE2810475A1 - Einrichtung zum verringern der rauchdichte eines brenners

Info

Publication number: DE2810475A1
Application number: DE19782810475
Authority: DE
Inventors: Joseph John Faitani; Jun William Edgar Woodburn
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1977-03-15
Filing date: 1978-03-10
Publication date: 1978-09-21
Also published as: CA1091455A; JPS53113911A; AU3411978A; CH634139A5; US4151713A; BE864676A; FR2384112B1; AU516313B2; GB1560827A; DE2810475C2; FR2384112A1; JPS621174B2; BR7801524A

Description

Einrichtung zum Verrringern der Rauchdichte eines Brenners

Die Erfindung betrifft Brenner für Gasturbinentriebwerke und bezieht sich insbesondere auf Einrichtungen zum Verringern der Rauchdichte des Triebwerksabgases.

Die US-PS 3 498 055 befaßt sich mit einem ähnlichen Problem und löst es durch zusätzliches Anbringen von ausgezogenen Löchern, über die eine kritische Menge an Luft in die Primärverbrennungszone geleitet wird. Die Anordnung von ausgezogenen Löchern befindet sich an der Büchse des Brennerzylinders und liegt stromabwärts der Brennstoffdüse, aber innerhalb der Primärverbrennungszone. Das stellt

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eine einzige Anordnung von ausgezogenen Löchern dar, die so dimensioniert ist, daß die kritische Luftmenge geliefert wird.

Die bekannte Anordnung von ausgezogenen Löchern und die kritischen Luftzufuhrwerte sind zur Rauchverringerung in gewissen Anwendungsfällen zwar wirksam, für andere Brenner hat sich diese Lösung jedoch nicht als gangbar erwiesen.

Die Anmelderin hat festgestellt, daß aus einem vorhandenen Brenner ein relativ raucharmer Brenner gemacht werden kann und gleichzeitig die notwendigen Leistungspatameter, die für eine Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk akzeptabel sind, aufrechterhalten werden können und der Brennerwirkungsgrad nicht beeinträchtigt wird. Anders als bei den bekannten Einrichtungen zur Verringerung der Rauchemission, die in der genannten US-PS 3 498 055 beschrieben sind, hat die Anmelderin herausgefunden, daß ein Zusatz von weniger als 6 % Luft zu der Primärverbrennungszone sich als kritisch für eine wirksame Verbrennung erwies, bei der die Rauchemissionen ausreichend verringert und die anderen notwendigen Brennerbetriebsparameter nicht beeinträchtigt wurden. Tatsächlich würde das Betreiben des Brenners und das Einleiten eines größeren Prozentsatzes von Luft zum Erlöschen der Flamme infolge zu mageren Gemisches führen und die Verbrennung für die Anwendung bei Flugzeugen unbefriedigend machen.

Außerdem haben sieb, die zweckmäßige Lage der Löcher und

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die Anzahl der Löcher als bedeutsam erwiesen. Beispielsweise ist herausgefunden worden, daß das richtige Einleiten von Luft nicht übereine einzige Anordnung von Reihen von Löchern erfolgen konnte und daß im gegenseitigen Abstand angeordnete Reihen von ümfangslöchern für den richtigen Betrieb des Brenners erforderlich waren. Die Lochlage in den einzelnen Lochanordnungen erwies sich ebenfalls als kritisch für den Brennerbetrieb bei der Rauchverringerung.

Die Erfindung schafft einen Brenner mit wenigstens einer Einzelbrennkammer in Form eines Brennerzylinders, der einen gleichmäßigen kreisförmigen Querschnitt und ein zentral angeordnetes Rohr aufweist, über das in der Mitte der Primärverbrennungszone Kühl- und Verbrennungsluft zur Verringerung der Rauchemission des Brenners eingeleitet wird.

Weiter schafft die Erfindung einen Brennerzylinder mit zusätzlichen Luftlöchern an dem zentralen Rohr, welches zwei Reihen von in umfangsmäßigen Abständen angeordneten Löchern aufweist, wobei jede Reihe dem Brennerzylinder eine kritische Luftmenge zuführt. Diejenige Reihe, die sich den Brennstoffdüsen am nächsten befindet, enthält zwei Löcher pro Brennstoffdüse, und diejenige Reihe, die von den Brennstoffdüsen weiter entfernt ist, enthält ein Loch pro Brennstoffdüse. Die Löcher in jeder Reihe sind symmetrisch um die Mittellinie angeordnet, wobei das Loch in der entfernteren Lage zwischen benachbarten Löchern in der sich der Brennstoffdüse am nächsten befindenden Reihe angeordnet ist. Außerdem ist herausgefunden worden, daß es

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kritisch ist , die Größe des Loches in jeder Reihe so zu bemessen, daß der Prozentsatz an durch dieses Loch eingelassener Luft in bezug zu der Gesamtluft so groß ist, daß die sich der Düse am nächsten befindende Reihe zwischen 1 und 1,5% Luft und die entferntere Reihe von Löchern zwischen 0,5% und 1% Luft einläßt. Weiter tragen Löcher, die an dem äußeren zylindrischen Körper angeordnet sind, welcher eine Reihe von in umfangsmäßigen Abständen angeordneten Löchern aufweist, zwischen 2,0 und 3,5% der in den Brennerzylinder eingelassenen Gesamtluft bei. Die Luftlöcher in dieser Reihe sind in Gruppen von drei Löchern pro Brennstoffdüse in einer symmetrischen Anordnung um jede Brennstoffdüse herum gebündelt. Ebenso ist die Größe des Loches in dieser Reihe kritisch und so dimensioniert, daß der Prozentsatz an durch dieses Loch eingelassener Luft in bezug auf die Gesamtluft zwischen 2,0 und 3,5% Luft liegt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht und teilweise im

Schnitt einen Brennerzylinder,

Fig. 2 eine Endansicht, die eine Anordnung

von Brennstoffdüsen für den Brennerzylinder zeigt,

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Fig. 3 in Seitenansicht und teilweise im

Schnitt das zentrale Rohr in vergrößerter Darstellung, um die Einrichtungen zur Verbesserung der Rauchverringerung deutlicher sichtbar zu machen,

Fig. 4 einen Schnitt auf der Linie 4-4 von

Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt auf der Linie 5-5 von

Fig. 3,

Fig. 6 in Seitenansicht und teilweise im

Schnitt den zylindrischen Außenkörper, um die Einrichtungen zur Verbesserung der Rauchverrringerung deutlicher sichtbar zu machen, und

Fig. 7 einen Schnitt auf der Linie 7-7 von

Fig. 6.

Die Erfindung ist besonders nutzbringend bei einem Brennerzylinder für ein Gasturbinentriebwerk, beispielsweise das von der Fa. Pratt & Whitney Aircraft, einer Tochtergesellschaft der Anmelderin, hergestellte Triebwerk JT-3D, anwendbar. Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich auch bei anderen Brenner zyl indem anwendbar, die mehrere, am vorderen Ende angeordnete Brennstoffdüsen sowie ein zentrales Rohr zum Einleiten von Kühl-

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luft und von Verbrennungsluft aufweisen.

Der in seiner Gesamtheit mit der Bezugszahl 10 bezeichnete Brenner besteht gemäß den Fig. 1-5 aus mehreren jalousielamellenartigen Elementen 12, die miteinander verbunden sind und einen im wesentlichen gleichförmigen zylindrischen Körper 14 bilden, der die Brennkammer begrenzt. Das Ende, das sich dem Verdichter (nicht dargestellt) am nächsten befindet, ist geschlossen, und das Ende, das sich der Turbine (nicht gezeigt) am nächsten befindet, ist offen. Typischerweise handelt es sich bei den Verbrennungszonen, wie in der Brennertechnik bekannt, um die Primärzone, die neben den Brennstoffdüsen 16 angeordnet ist, und um die Sekundärzone stromabwärts derselben. Da der Betrieb von Brennern bekannt ist, beispielsweise aus der oben genannten US-PS 3 498 055, wird deren ins einzelne gehende Beschreibung der Einfachheit halber weggelassen. Der bekannte Brennerzylinder hat ein mittig angeordnetes Rohr 18, das an dem vorderen Ende zur Aufnahme von Luft offen und an dem hinteren Ende, welches kurz vor dem Ende des Brennerzylinders endet, geschlossen ist. Ebenfalls bekannt ist die Tatsache, daß der Brennerzylinder mehrere zweckdienlich angeordnete Öffnungen zur Zufuhr von Verbrennungsr luft, Verdünnungsluft und Jalousielamellenkühlluft zur Erzielung von optimalen Leistungsparametern, wie gleichmässiger Auslaßtemperatur, niedrigem Druckabfall, usw., aufweist.

Das Mittelrohr 18 ist ebenso wie die äußere Büchse 14 aus einzelnen jalousielamellenartigen Elementen hergestellt, die in geeigneter Weise zu einem patronenförmigen Rohr

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miteinander verbunden sind, beispielweise durch Schweissen. Jedes jalousielamellenartige Element in dem Rohr trägt, ebenso wie die Büchse 14, mehrere in umfangsmäßigen Abständen angeordnete Kühllöcher 20 zur Erzielung der bekannten Schleierkühlung und mehrere in umfangsmäßigen Abständen angeordnete Löcher 70 zum Einleiten von Verbrennungs- und Verdünnungsluft.

Gemäß der Erfindung wurden jalousielamellenartige Elemente, die durch die jalousielamellenartigen Elemente 22 und 24 dargestellt sind, welche bislang keine in der Nähe der Primärverbrennungszone angeordnete Löcher hatten, durch die in den Fig. 3-5 dargestellten jalousielamellenartigen Elemente 26 und 28 ersetzt (die Fig. 3-5 zeigen den Brenner nach der erfindungsgemäßen Verbesserung). Jedes jalousielamellenartige Element hat mehrere umfangsmäßig angeordnete Löcher mit einer bestimmten Beziehung zu den Brennstoffdüsen. Gemäß Fig. 2 sind sechs gleiche Brennstoffdüsen 16 vorgesehen, die in gegenseitigem Abstand symmetrisch um die Brennerachse herum angeordnet sind. Öffnungen 30 in dem jalousielamellenartigen Element 28 sind symmetrisch versetzt um die Rohrmittellinie angeordnet und sind in Phase oder in Deckung mit den Mittellinien der Brennstoffdüsen 16. Diese ausgezogenen Löcher 30 sind so dimensioniert, daß sie zwischen 0,5% und 1% der Gesamtluft in den Brenner leiten, wobei zu beachten ist, daß ein ausgezogenes Loch für jede Brennstoffdüse vorhanden ist.

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Das jalousielamellenartige Element 26 enthält mehrere ausgezogene Löcher 32, die paarweise angeordnet sind, wobei alle Paare symmetrisch versetzt um die Rohrmittellinie angeordnet sind.Es ist wichtig, daß jedes Paar in bezug auf die Löcher 30 in dem jalousielamellenartigen Element 28 besonders angeordnet ist, wobei der Radius 36, der benachbarte ausgezogene Löcher 32 eines Paares gleich teilt, in einer Ebene liegt, die sich mit dem Radius 38 deckt, der die Mittellinie jedes ausgezogenen Loches 30 bildet (Fig. 5). Somit bilden die drei Löcher 32, 32 und 30 gemäß Fig. 4 und 5 eine besondere Anordnung in bezug auf die Lage der Brennstoffdüsen. Außerdem ist zu erkennen, daß die paarweise angeordneten Löcher 32, 32, die den Radius 36 überspannen, im Vergleich zu den nächsten benachbarten, paarweise angeordneten Löchern 32, 32 in engerem gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Der Prozentsatz an Luft in bezug auf die gesamte Brennerluft, der durch die Löcher 32 strömt, muß in den Bereich zwischen 1,0% und 1,5% fallen. Offenbar fällt der Gesamtprozentsatz an Luft, den die ausgezogenen Löcher 30 und 32 beitragen, in den Bereich zwischen 1,0% und 2,5%. In einem tatsächlichen Test wurde festgestellt, daß eine akzeptable Rauchverringerung ohne nachteilige Beeinflussung der Verbrennungsieistung erzielt werden konnte, indem die ausgezogenen Löcher 32 so dimensioniert wurden, daß sie 1,18% der Gesamtverbrennungsluft lieferten, und indem die ausgezogenen Löcher 30 so dimensioniert wurden, daß sie 0,79% der Gesamtverbrennungsluft lieferten. Zur Erzielung der optimalen Verringerung der Rauchdichte sind zusätzliche, umfangsmäßig angeordnete

Löcher 39 mit einer bestimmten Beziehung zu den Brennstoffdüse! an dem äußeren zylindrischen Körper 14 in der Primärverbrennungszone vorgesehen, wie es in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Die Öffnungen 39 in dem jalousie lamellenartigen Element 12 sind symmetrisch um die Brennermittellinie versetzt und decken sich mit den Mittellinien der Brennstoffdüsen 16. Diese ausgezogenen Löcher 39 sind in Bündeln von drei Löchern pro Brennstoffdüse zusammengefaßt, ähnlich wie die Bündel von Löchern in dem Mittelrohr. Für Zusammenbauzwecke hat es sich in dieser besonderen Ausführungsform als notwendig herausgestellt, die Brennkammerverbindungsrohre an einem bestimmten Bündel von Löchern anzubringen, was es erforderlich machte, einige Löcher wegzulassen. Aus den Fig. 2, 4, 5 und 7 ist zu erkennen, daß der Winkel θ gleich ist, was die Beziehung dieser Rauchverringerungslöcher zu einander und zu den Brennstoffdüsen zeigt. Der Prozentsatz an Luft in bezug auf die gesamte Brennerluft, der durch die Öffnungen 39 strömt, muß in den Bereich zwischen 2,0% und 3,5% fallen. In einem tatsächlichen Test wurde herausgefunden, daß eine akzeptable Rauchverringerung ohne nachteilige Beeinflussung der Brennerleistung erzielt wurde, indem die ausgezogenen Löcher 39 so bemessen wurden, daß sie 3,12% der gesamten Brennerluft lieferten. Der Prozentsatz an Luft für Rauchverringerungszwecke belief sich somit auf 5,09% der gesamten Luft, die in den für die Verwendung in einem Flugzeug geeigneten Brenner eingeleitet wurde.

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Vorstehend ist ein relativ einfacher und billiger Weg zum Reduzieren der Rauchdichte der Abgase eines Brenners ohne nachteilige Beeinflussung der Brennerleistungsparameter beschrieben worden. Es ist zwar vorgesehen, mit der Einrichtung nach der Erfindung bereits vorhandene Brenner zu modifizieren oder nachträglich auszurüsten, es ist jedoch klar, daß auch neue Brenner damit versehen werden können.

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Claims

Patentansprüche ;

(l> Einrichtung zum Verringern der Rauchdichte eines Brenners mit einer äußeren Büchse mit mehreren Kühlluft- und Verbrennungsluftlöchern zur Festlegung einer Primär- und einer Sekundärverbrennungszone, die an einem Ende geschlossen und an dem entgegengesetzten Ende offen ist, mit mehreren symmetrisch um die Brennermittellinie herum angeordneten Brennstoffdüsen, die an dem geschlossenen Ende angebracht sind und zum Einspritzen von Brennstoff in die Verbrennungszonen dienen, und mit einem zentral angeordneten Rohr, das sich von dem geschlossenen Ende aus einwärts erstreckt und an seinem stromaufwärtigen Ende offen ist, um mehreren Kühlluft- und Verbrennungsluftlöchern Luft zuzuführen, gekennzeichnet durch mehrere umfangsmäßig versetzt in der Wand des Rohres in der Nähe der Primärverbrennungszone angeordnete Löcher, die so

dimensioniert sind, daß sie Luft in dem Bereich von 1,5 % bis 2,5 % in bezug auf die Gesamtmenge der durch den Brenner angesaugten Luft einlassen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere umfangsmäßig versetzt um die Brennermittellinie in der äußeren Büchse in der Nähe der Primärverbrennungszone gebildete Löcher, die so dimensioniert sind, da3 sie Luft in dem Bereich von 2,0 % bis 3,5% der Gasamtmenge an durch den Brenner angesaugter Luft einlassen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand des Brenners und die Rohrwand aus mehreren im Querschnitt kreisförmigen, jalousielamellenartigen Elementen hergestellt sind, die sich in jedes benachbarte jalousielamellenartige Element erstrekken und aneinander befestigt sind, um die Verbrennungszone zu begrenzen, und daß eine erste Anordnung von umfangsmäßig angebrachten Löchern in einem stromaufwärtigen jalousielamellenartigen Element und eine zweite Anordnung von umfangsmäßig angebrachten Löchern in einem benachbarten stromabwärtigen jalousielamellenartigen Element gebildet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Löcher in der stromabwärtigen Anordnung der Anzahl der Brennstoffdüsen entspricht und Luft in dem Bereich von 0,5 % bis 1,0 % in bezug auf die Gesamtluft in dem Brenner einläßt.

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5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der gegenseitige Abstand der Löcher in der stromabwärtigen Anordnung dieselbe Phasenbeziehung hat wie der gegenseitige Abstand der Brennstoffdüsen.
6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anzahl der Löcher in der stromaufwärtigen Anordnung doppelt so groß ist wie die Anzahl der Brennstoffdüsen und in dem Bereich von 1,0 % bis 1,5 % Luft in bezug auf die Gesamtluft in dem Brenner einläßt.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung von Löchern in dem stromabwärtigen jalousielamellenartigen Element ein Loch für jede Brennstoffdüse enthält, das in derselben Phasenbeziehung wie die Brennstoffdüse um die Brennermittellinie angeordnet ist, und daß die Löcher in der stromaufwärtigen Anordnung paarweise und in derartiger Phasenbeziehung angeordnet sind, daß sie das stromabwärtige Loch überspannen, um ein Bündel von drei Löchern pro Brennstoffdüse zu bilden.
8. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Löcher im wesentlichen gleich dem dreifachen der Anzahl der Brennstoffdüsen ist und daß sie in derartiger Phasenbeziehung zu den Brennstoffdüsen angeordnet sind, daß ein Bündel aus drei Löchern für jede Brennstoffdüse gebildet ist.

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