DE2839703C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Doppelringbrenner für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Ein derartiger Doppelringbrenner ist bekannt aus der US-Z "Aviation Week & Space Technology", 26. August 1974, S. 56-59. Bei diesem sind zwei Stufen konzentrisch in einer Brennkammerauskleidung angeordnet, wobei in der an der Au­ ßenseite angeordneten Pilotstufe eine Zündeinrichtung vor­ handen ist, die relativ einfach in der äußeren Verkleidung montiert sein kann. Die Pilotstufe arbeitet bei niedrigen Temperaturen und einem kleinen Brennstoff/Luft-Verhältnis während des Leerlaufes des Triebwerkes. Die Hauptstufe, die an der Innenseite angeordnet ist, wird später mit Brenn­ stoff versorgt und von der Pilotstufe gezündet, um bei ho­ hen Temperaturen und einem relativ großen Brennstoff/Luft- Verhältnis zu arbeiten.

Bei diesem Doppelringbrenner, wo die Höhe der Brennkammer größer ist als der Düsenringraum der Turbine, ist der äu­ ßere Abschnitt gerade und von kurzer Länge, und der innere Abschnitt ist gekrümmt und hat eine größere Länge. Diese strukturellen Relationen sind aus einer Reihe von Gründen nachteilig. Bei Trieb­ werksleerlauf arbeitet die Pilotstufe bei niedrigen Temperaturen und Drücken am Kompressorausgang, und die Reaktionsgeschwindig­ keiten sind somit relativ langsam. Um eine nahezu vollstän­ dige Verbrennung zu gestatten, um dadurch die Menge an Koh­ lenwasserstoff- und Kohlenstoffmonoxid-Emissionen zu ver­ ringern, ist es vorteilhaft, eine lange Verweilzeit zu ha­ ben, eine Charakteristik, die bei der kürzeren, radial au­ ßen liegenden Pilotstufe naturgemäß nicht vorhanden ist.

Andererseits ist es in der Hauptstufe, wo die Emission von Distickstoffoxiden das Hauptproblem darstellt, wünschens­ wert, die Verweilzeit möglichst kurz zu halten, um auf diese Weise auch die Bildung von Distickstoffoxiden auf ein Minimum zu reduzieren. Wiederum ist die Anordnung der Hauptstufe auf der radial innen liegenden Seite für diesen Zweck abträglich, da dieser Abschnitt notwendigerweise län­ ger ist als derjenige auf der Außenseite.

Ein weiterer Nachteil bei der Anordnung der Hauptstufe auf der radial inneren Seite besteht darin, daß die aus dem Brenner austretenden Gase mit einer höheren Temperatur die Tendenz haben, gegen die gekrümmte, innere Auskleidung der Brennkammer zu strömen. Deshalb muß für eine hochgradige Kühlung dieser Verkleidung gesorgt werden, um ein Durch­ brennen zu verhindern. Außerdem wäre es für die Turbinenle­ bensdauer ideal, ein Temperaturprofil zu haben, bei dem die Temperaturen an dem inneren Durchmesser niedriger sind als an dem äußeren Durchmesser. Bei radial innen angeordneter Hauptstufe jedoch befinden sich die höheren Temperaturen an der Innenseite der Turbine.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, an einem Doppelringbrenner der gattungsgemäßen Art die genannten Emissionen zu vermindern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hierdurch werden die relativen Positionen der Pilot- und der Hauptstufe des bekannten Doppelringbrenners umgekehrt, das heißt, die Pilotstufe wird in dem radial inneren Ab­ schnitt des Brenners und die Hauptstufe in dem radial äuße­ ren Abschnitt angeordnet. Auf diese Weise wird die effek­ tive Länge des Hauptstufenabschnittes relativ kurz und die effektive Länge des Pilotstufenabschnittes relativ lang. Weiterhin ist das Profil der Hauptstufe gerade, so daß die heißen Gase nicht auf die Brennkammerauskleidung aufpral­ len, sondern stattdessen prallen die eine niedrige Tempera­ tur aufweisenden Gase von der Pilotstufe gegen die innere Auskleidung des Brenners. Schließlich weist das resultie­ rende Temperaturprofil am Turbineneinlaß höhere Temperatu­ ren in Richtung auf die radial äußere Seite auf.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Bei der Anordnung der Zündeinrichtung gemäß Anspruch 2 kann diese als Rohr entweder gerade oder gekrümmt sein und weist keramische Isolatoren auf, die zwischen den Zündleitern und dem äußeren Rohr angeordnet sind.

Aus der DE-OS 22 23 093 ist ein Doppelringbrenner bekannt, der in zwei konzentrischen Ringen angeordnete Brenner auf­ weist.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 ist eine axiale Schnittansicht von einem Doppelringbrenner gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht von einem modifizierten Brenner.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 3.

In Fig. 1 ist bei 10 eine kontinuierlich brennende Verbren­ nungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk gezeigt. Diese weist in einem Gehäuse 11 einen hohlen Körper 12 auf, in dem eine Brennkammer 13 gebildet ist. Der Hohlkörper 12 ist ringförmig und weist eine äußere Verkleidung 14 und eine innere Verkleidung 16 auf. Am stromaufwärtigen Ende des Hohlkörpers 12 befindet sich eine Ringöffnung 17 für das Einführen von Druckluft von einem nicht gezeigten Kom­ pressor.

Der Hohlkörper 12 ist von einem Mantel 19 umschlossen, der zusammen mit den Verkleidungen 14 und 16 Strömungskanäle 21 bzw. 22 bildet, die in einer stromabwärtigen Strömung die Druckluft von einem Diffusor 23 führen. Die Druckluft von dem Diffusor 23 strömt vorwiegend in die Ringöffnung 17, um die Verbrennung zu unterstützen, und teilweise in die Strö­ mungskanäle 21 und 22, wo sie zur Kühlung der Verkleidungen 14 und 16 mittels einer Anzahl von Öffnungen 24 und zur Kühlung der stromabwärts angeordneten Turbine verwendet wird.

Zwischen den Verkleidungen 14 und 16 und diese verbindend sind nahe den stromaufwärtigen Enden ein äußerer und ein innerer Brennerdom 26 bzw. 27 angeordnet, die an den Ver­ kleidungen durch Löten oder Schweißen befestigt sind. Die Dome 26 und 27 sind in einer Doppelring-Konfiguration ange­ ordnet, wobei die zwei Dome die vorderen Grenzen von ge­ trennten, radial beabstandeten Ringbrennern bilden, die während des unterschiedlichen Betriebes der beiden Stufen in etwa unabhängig als getrennte Brenner arbeiten und als innerer Ringbrenner und äußerer Ringbrenner 25 bzw. 30 be­ zeichnet werden.

Als Verbindung zwischen dem äußeren und inneren Dom 26 und 27 befindet sich ein Mittelkörper 35, der die gemeinsame Grenze zwischen dem inneren und äußeren Ringbrenner 25 bzw. 30 teilweise bildet. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, weist der Mittelkörper 35 in Umfangsrichtung beabstan­ det abwechselnd Schlitze 40 und Rippen 45 auf, die die Luftströmung nach hinten leiten, wie es durch Pfeile ge­ zeigt ist, um wirkungsmäßig die gemeinsame Grenze zu ver­ längern. Das bedeutet, daß entlang dieser Linie der Luft­ strömung ein Hochdruckbereich besteht, der zu verhindern sucht, daß Verbrennungsgase aus dem inneren Ringbrenner 25 in den äußeren Ringbrenner 30 eintreten und umgekehrt. Der Mittelkörper 35 weist auch eine Vielzahl von Kühlöffnungen 50 und eine Lippe 55 auf, um für eine Kühlluftströmung ent­ lang der Oberfläche des Mittelkörpers 35 zu sorgen.

In dem äußeren Dom 26 ist eine Anzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Mischvorrichtungen 28 als Bestandteil des äu­ ßeren Ringbrenners 30 angeordnet, der im wesentlichen ge­ radlinig mit der äußeren Verkleidung 14 ausgerichtet ist und eine kurze Länge für die Strömung aufweist. Die Misch­ vorrichtung 28 nimmt Brennstoff von einer Brennstoffleitung 29 und Luft aus der Ringöffnung 17 auf, und der Brennstoff wird durch die Luftströmung zerstäubt, wie es durch die Pfeile gezeigt ist, um einen Sprühnebel aus Brennstoff an die Brennkammer 13 zu liefern.

In ähnlicher Weise wie der äußere Dom 26 weist der innere Dom 27 in Umfangsrichtung beabstandete Mischvorrichtungen 31 auf, deren Achsen im wesentlichen parallel zur Achse der Mischvorrichtung 28 ausgerichtet sind. Diese Mischvorrich­ tungen 31 bilden zusammen mit dem inneren Dom 27, der inne­ ren Verkleidung 16 und dem Mittelkörper 35 den inneren Ringbrenner 25, der im wesentlichen unabhängig von dem äu­ ßeren Ringbrenner betrieben werden kann. Der spezielle Auf­ bau der Mischvorrichtungen 28, 31 ist bezüglich Wirkungs­ grad und geringen Emissionen optimiert. Die Mischvorrich­ tung 31 weist wie die Mischvorrichtung 28 ein Brennstoff­ rohr 32 und eine Brennstoffdüse 33 zum Einführen von Brenn­ stoff auf, der durch hohen Druck atomisiert oder in flüssi­ gem Zustand bei niedrigem Druck eingeführt wird. Ein primä­ rer Verwirbler 34 empfängt Luft, wie es durch die Pfeile gezeigt ist, um in Wechselwirkung mit dem Brennstoff zu treten, und wirbelt sie in die Venturidüse 36. Ein sekun­ därer Verwirbler 37 hat dann die Wirkung, einen Luftwirbel in der entgegengesetzten Richtung zu bilden, um mit der Brennstoff/Luft-Mischung in Wechselwirkung zu treten, damit die Mischung weiter atomisiert wird und in die Brennkammer 13 strömt. An dem stromabwärtigen Ende der Mischvorrichtung 31 ist eine schräge Ablenkplatte 38 verwendet, um eine übermäßige Ausbreitung der Brennstoff/Luft-Mischung zu ver­ hindern.

Damit der innere Ringbrenner 25 gezündet werden kann, führt ein Zündrohr 39 durch den Brennermantel 19 hindurch und ra­ dial nach innen durch den inneren Dom 27 hindurch, damit sich das Ende der Mittelelektrode 41 nahe an den Mischvor­ richtungen 31 auf einer ihrer beiden Seiten befindet.

Der innere Ringbrenner 25 kann einzeln oder zusammen mit dem äußeren Ringbrenner 30 verwendet werden, um für den ge­ wünschten Verbrennungszustand zu sorgen. Dabei wird der in­ nere Ringbrenner 25 alleine zum Starten und bei kleinen Drehzahlen verwendet und als die Pilotstufe bezeichnet. Der äußere Ringbrenner 30 wird bei höheren Drehzahlen und höhe­ ren Temperaturen verwendet und als die Hauptstufe bezeich­ net. Beim Starten des Triebwerkes und im Leerlaufbetrieb strömt die Luft vom Diffusor 23, wie es durch die Pfeile gezeigt ist, sowohl durch die aktiven Mischvorrichtungen 31 als auch durch die inaktiven Mischvorrichtungen 28. Während dieses Leerlaufs, wo sowohl die Temperaturen als auch die Luftmengen relativ niedrig sind, arbeitet die Pilotstufe in einem relativ niedrigen Brennstoff/Luft-Verhältnis, und die innere Verkleidung 16, die sich in der direkten axialen Li­ nie der Mischvorrichtungen 31 befindet, erfährt nur schmale Ausschläge in relativ niedrigen Temperaturbereichen. Da­ durch kann die Kühlströmung in den Öffnungen 24 auf einem Minimum gehalten werden. Da ferner die Pilotstufe relativ lang ist im Vergleich zu der Hauptstufe, ist die Verweil­ zeit relativ lang, wodurch die Menge an Kohlenwasserstoff­ und Kohlenstoffmonoxid-Emissionen auf ein Minimum reduziert wird.

Wenn die Triebwerksdrehzahl steigt, wird Brennstoff über die Brennstoffleitung 29 in die Mischvorrichtungen 28 ein­ geführt, um die Hauptstufe zu aktivieren. Während des Be­ triebes bei höheren Drehzahlen bleibt die Pilotstufe in Be­ trieb, aber die Hauptstufe verbraucht den größeren Anteil an Brennstoff und Luft. Aufgrund der Ausrichtung der Haupt­ stufe prallen die heißen Gase nicht auf die Verkleidung 14 auf, sondern strömen direkt nach hinten, so daß die erfor­ derliche Kühlluft an der Verkleidung 14 auf ein Minimum re­ duziert wird. Da ferner die Hauptstufe eine kurze axiale Länge für die Strömung besitzt, ist die Verweilzeit relativ kurz, wodurch die Emissionen an Distickstoffmonoxiden ver­ mindert werden.

Diese Anordnung von Pilot- und Hauptstufe bringt ein vor­ teilhaftes Temperaturprofil an der Turbine mit sich. Das bedeutet, daß im Leerlauf die radial innere Seite der Tur­ bine heißer ist, aber die Gase sind trotzdem relativ kalt. Bei höheren Drehzahlen ist das Profil an der Turbine so, daß sich die relativ kälteren Temperaturen an der radial inneren Seite und die höheren Gastemperaturen aus der Hauptstufe an der radial äußeren Seite befinden. Dies ist das angestrebte Profil, um der Turbine eine längere Lebens­ dauer zu geben.

Die Verwendung eines geraden Rohres 39 als Zündeinrichtung, das sich durch das Gehäuse 11 hindurch nach unten und durch den inneren Dom 27 erstreckt, zeigt Fig. 1. Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 gezeigt, das ein gekrümm­ tes Zündrohr 42 aufweist, das durch das Gehäuse 11 hin­ durchführt und sich dann nach unten krümmt, um durch den inneren Dom 27 in einer im wesentlichen normalen Relation hindurchzuführen. Das gekrümmte Rohr 42 ist in dem Gehäuse 11 in ähnlicher Weise befestigt wie das gerade Rohr 39, d. h. mit einem Gewindeeinsatz 43, an dem sich eine Schraub­ schlüsselfläche 44 befindet. Bei der Wahl zwischen dem ge­ raden Zündrohr 39 und dem gekrümmten Rohr 42 sollte der Hauptgesichtspunkt die Lage des Gewindeeinsatzes 43 sein. Bei der Verwendung des geraden Zündrohres 39 sind die wähl­ baren Positionen für den Gewindeeinsatz 43 relativ gering, aber bei der Verwendung des gekrümmten Rohres 42 steht eine größere Anzahl von Positionen zur Verfügung. Auch wenn bei beiden Rohren ein Isolator 46 aus einem Keramikmaterial nö­ tig ist, um die äußere Elektrode oder das Rohr 42 gegenüber der Mittelelektrode 41 zu isolieren, so sind sie im Falle des gekrümmten Rohres 42 von größerer Wichtigkeit, für das eine größere Anzahl von ringröhrenförmigen Keramikscheiben erforderlich ist.

Claims (5)

1. Doppelringbrenner für ein Gasturbinentriebwerk mit konzentrisch angeordneten und radial getrennten Ab­ schnitten für eine Pilot- und eine Hauptstufe, die jeweils einen ringförmigen Brennerdom (27, 26) und an diesem an eine Zufuhr für Druckluft und Brennstoff angeschlossene in Umfangsrichtung beabstandete Mischvorrichtungen (31, 28) für letztere aufweisen, wobei dem eine Zündeinrichtung (39) aufweisenden Abschnitt für die Pilotstufe Brennstoff für einen Betrieb bei kleiner Leistung und dem Abschnitt für die Hauptstufe Brennstoff nur für einen Betrieb bei größe­ rer Leistung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt für die Pilotstufe radial innen und der Abschnitt für die Haupt­ stufe radial außen angeordnet ist.

2. Doppelringbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zündeinrich­ tung (39) radial nach innen bis zum Abschnitt für die Pi­ lotstufe durch den zugehörigen Brennerdom (27) hindurch erstreckt.

3. Doppelringbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (39) zwischen einem Paar benachbarter Mischvorrichtungen (31) angeordnet ist.

4. Doppelringbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem radial inneren und äußeren Brennerdom (27, 26) ein Mittelkörper (35) angeordnet ist.

5. Doppelringbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die axiale Länge des Abschnitts für Pilotstufe größer ist als die axiale Länge des Abschnitts für die Hauptstufe.