DE2912103C2 - Brenner für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solcher Brenner ist ζ λ der DE-OS 23 45 282 bekannt. Hierbei ist in den inneren zentralen Kanal konzentrisch ein zylindrischer Schaft eingesetzt, der am stromabwärtigen Ende einen Ablenkkörper trägt, der der zusammen mit dem stromabwärtigen Ende des den zentralen Kanal umschließenden Rohres einen radialen ringförmigen Auslaßspalt bildet. Der gesamte mit Luft durchsetzte Brennstoff wird über diesen Ringspalt in die Brennkammer eingespritzt und bildet den stromaufwärtigen bzw. den stromabwärtigen Toruswirbel. Über den äußeren Ringkanal wird ausschließlich Druckluft zugeführt. Hierdurch wird gegenüber vergleichbaren Brennern das Verhalten bei Leerlauf verbessert und auch im Hochleistungsbereich ergeben sich annehmbare Verhältnisse.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Brenner noch weiter derart zu verbessern, daß unter allen Lastbedingungen, d. h. auch im Übergangsbereich, eine optimale Verbrennung ohne Rückstände und insbesondere ohne den Ausstoß von Stickoxiden gewährleistet wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Es sind zwar aus der GB 13 28 623 bereits einzelne Merkmale des KennzHchnungsteils des Anspruchs I bekannt, jedoch nicht bei einem gattungsgemäßen Brenner.

Dadurch, daß erfindungsgemäß der Brennstoff im äußeren und inneren Kanal individuell zugeführt werden kann, ergibt sich eine günstige Steuerung der Verbrennung im stromaufwärtigen und stromabwärtigen Toruswirbel. Gemäß Anspruch 4 kann dabei die Steuerung derari vorgenommen werden, daß bei geringer Triebwerksleistung, d. h. bei Leerlauf oder beim Rollen am Boden, Brennstoff nur in den äußeren Ringkanal eingespritzt wird, der dann in dem stromaufwärtigen Toruswirbel verbrannt wird. Bei erhöhtem Leistungsbedarf kann der Brennstoff dann zunehmend in den zentralen Kanal eingespritzt werden, um in dem stromabwärtigen Toruswirbel verbrannt zu werden. Dabei kann die Brennstoffzufuhr nach dem äußeren Ringkanal verringert werden, so daß die Verbrennung im stromaufwärtigen Toruswirbel vermindert wird. Bei Vollast erfolgt dann eine Einspritzung in beide Kanäle und eine Verbrennung in beiden Toruswirbeln. Auf diese Weise hat man es in der Hand, die Verbrennung bevorzugt in dem einen oder anderen Toruswirbel zu bewirken, so daß eine optimale Verbrennung mit gutem Wirkungsgrad und geringem Schadstoffausstoß gewährleistet wird,
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer, in deren stromaufwärtige Wand ein ausführungsgemäßer Brenner eingesetzt ist,
Fi g. 2 in größerem Maßstab einen Axialschnitt von Brennkammer und Brenner.
Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 weist in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß 11,

einen Kompressor 12, eine Verbrennungseinrichtung 13, eine Turbine 14 und eine Abgasdüse 15 auf. Die Verbrennungseinrichtung 13 besteht aus mehreren getrennten zylindrisch ausgebildeten Brennkammern 16, die in ringförmiger Anordnung um die Achse des Triebwerks 10 eingebaut bind.

Jede Brennkammer 16 weist eine zylindrische Ringwand 18 und eine stromaufwärtige Stirnwand 20 auf. Sowohl die Ringwand 18 als auch die Stirnwand 20 sind mit kleinen Löchern 22 versehen, durch die Luft in die Brennkammer eintreten kann, um die Wandung zu kühlen. Außerdem sind größere Löcher 24 in der Wand 18 vorgesehen, um Verbrennungsluft in die Kammer eintreten zu lassen. Die Wand 18 ist außerdem mit Kühlluft- oder Verdünnungsluftlöchern 26 versehen, und die hierdurch strömende Luft kühlt die Verbrennungsgase auf eine Temperatur ab, auf die die Turbinenschaufeln ausgelegt sind, weiche stromab der Brennkammer 16 umlaufen.

In der Mitte der stromaufwärtigen Brennkammerwand 20 ist ein Brenner 28 eingesetzt, der aus zwei koaxialen Rohren 30 und 32 besteht, wobei das äußere Rohr 32 das Innenrohr 30 umgibt und etwas kürzer ist als dieses, wodurch ein zentraler innerer Kanal 30 und ein diesen umschließender Ringkanal 34 zwischen den beiden Rohren gebildet werden. Der zentrale Kanal besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und divergiert in Strömungsrichtung. Am stromaufwärtigen Ende des Inenrohres 30 liegt eine Gruppe von Wirbelschaufeln 36 und am stromaufwärtigen Ende des Außenrohres 3?. befindt sich eine weitere Gruppe von Wirbelschaufeln 38, und diese Schaufeln dienen auch dazu, das Innenrohr 30 in seiner Lage abzustützen. Die beiden Gruppen von Wirbelschaufeln 36 und 38 können so angeordnet werden, daß sie Wirbelströmungen entweder mit gleicher Umlaufrichtung oder mit entgegengesetzter Umlaufrichtung erzeugen.

Das Innenrohr 30 ist am stromaufwärtigen Ende von zwei Brennstoffzuführungs-Ringleitungen 40 und 42 umschlossen. Brennstoffinjektoren 44 verbinden die Leitungen 40 mit dem Innenkanal 30 und Brennstoffinjektoren 46 verbinder, die Ringleitung 42 mit dem Ringkanal 34. Die die Brennstoffinjektoren bilderiif.n Löcher 44 sind im wesentlichen senkrecht zur Achse des Brenners 28 angeordnet.

Die stromaufwärtigen Enden von Innenrohr 30 und Außenrohr 32 sind nach außen erweitert ausgebildet, und das Außenrohr 32 endet etwas stromauf des Innenrohres 30, um einen im wesentlichen radial verlaufenden Ringspalt 47 am Ende des Ringkanals 34 zu bilden.

Die Brennstoffzufuhr nach den beiden Ringleitungen 40, 42 wird durch einen Brennstoffregler 50 eingestellt, der von einer Brennstoffquelle 52 Brennstoff erhält und diesen den Ringleitungen gemäß einem Triebwerksparameter 54 zumißt, wie dies weiter unten im einzelnen beschrieben wird.

Im Betrieb tritt Luft in den Ringkan.-l 34 und den zentralen Kanal 30 über die Wirbelschaufeln 38 bzw. 36 ein, und diese Wirbelschaufeln verleihen der Luft einen hohen Verwirbelungsgrad. Die Luft tritt aus dem Ringspalt 47 und dem Ende des Rohres 30 in Richtung der Pfeile aus, und es wird ein erster torusförmiger Wirbel 100 im wesentlichen stromauf des Ringspaltes 47 erzeugt, unü ein zweiter torusförmiger Wirbel 200 bildet sich im wesentlichen stromab des Ringspaites 47. Diese Wirbel werden unterstützt durch die über die Löcher 22 in der Stirnplatte 20 einströmende Luft, und die Luft tritt in die Brennkammer durch diese Öffnungen 24 ein.

Bei geringer Triebwerksleistung fördert der Brennstoffregler 50 den Hauptteil des Brennstoffs in die Ringleitung 42, von wo er in den Ringkanal 34 eingespritzt wird und demgemäß in den ersten Toruswirbel 100. Durch eine bestimmte Auslegung der Brennkammer können die Äquivalenzverhältnisse

Brennstoff/Luftverhältnis (Istverhältnis) Ί

Γ-rennstofT/Luftverhältnis (stochiometrisch.es Verhältnis) J

von erstem und zweitem Wirbel im Hinblick auf einen maximalen Verbrennungsgrad bei Leerlaufdrehzahlen optimiert werden. Da die Brennstoffstrahlen, die aus den Injektoren 46 austreten, im Winkel so angestellt werden, daß sie im wesentlichen senkrecht zu der verwirbelten Luftströmung verlaufen, kann eine sehr hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Brennstoff erreicht werden, wodurch sich eine maximale Zerstäubung ergibt

Wenn das Verhältnis von Brennstoffströmung/Leistung erhöhl wird, dann fördert der Brennstoffregler 50 einen größeren Anteil von Brennstoff in die Rin.gleitung 40. von wo der Brennstoff in den zentralen Kanal 30 eingespritzt wird und demgemäß in den zweiten Toruswirbel 200 gelangt. So wird bei hoher Leistung das Äquivalenzverhältnis unfsr jenem gehalten, welches zu einer übermäßigen Rauchentwicklung führt, weil nur ein Teil des Brennstoffes in den ersten Wirbel 100 gerichtet wird.

Das Äqi.ivalenzverhältiiis des zweiten Wirbels 200 bei hoher Leistung wird größtenteils durch die Luftströmungsproportionierung bestimmt, die notwendig ist, um einen Verbrauch mit optimaler Kohlenstoffmonoxiderzeugung bei Leerlaufdrehzahl zu erreichen, aber im allgemeinen ist das Brennstoff/Luflverhältnis in dem zweiten Wirbel 200 gleich jenem eines herkömmlichen Brennstoffbrenners. Da jedoch der Brennstoff des zentralen Kanals 30 vorher mit Luft versetzt wird, ist die Raucherzeugung in dem zweiten Wirbel 200 minimal.

Die unterschiedliche Brennstoffversorgung der beiden Wirbel 100 und 200 gewährleistet, daß der erste Wirbel 100 relativ reich an Brennstoff bleibt, so daß die Gefahr der Erzeugung von Stickoxiden vermindert wird.

Bei voller Leistung können die beiden Wirbel 100 und 200 Äquivalenzverhäi'.nisse haben, die zu reich sind für die Erzeugung von Stickoxiden. Dann erfolgt eine rapide Verdünnung durch Luft, die durch die Löcher 26 eintritt, so daß ein niedriges Äquivalenzverhältnis erhalten wird, welches beispielsweise unter 0,7 liegt.

Der ausführungsgemäße Brenner kann nicht nur für Brennkammern bzw. Flammrohre in ringförmiger Anordnung Anwendung finden, sondern auch für konzentrisch zur Achse liegende kreisförmige Einzelbrennkammern oder eine durchgehende ringförmige Brennkammer.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brenner für ein Gasturbinentriebwerk, der zentral in einer stromaufwärtigen Brennkammerwand angeordnet ist, mit einem ersten zentralen, axial von Druckluft durchströmten mit Leitschaufeln versehenen Kanal, in dessen stromaufwärtigem Teil ein Bennstoffinjektor angeordnet ist, mit einem zweiten, den zentralen Kanal über einen Teil der Länge umschließenden, in Strömungsrichtung konvergierenden Ringkanal, der axial von Druckluft durchströmt ist, und mit einer Leitvorrichtung, die ein Brennstoff/Luft-Gemisch zwei konzentrisch zur Brennkammerachse verlaufenden Torsionswirbeln zuführt, von denen der erste im wesentlichen stromauf und der zweite stromab des Brennstoff/Luft-Auslasses verläuft, dadurch gefcennzeichnet, daß am stromaufwärtigen Ende beider Kanäle (30,34) Wirbelschaufeln (36,38) und unmi ttelbar stromab hierzu Brennstoffinjektoren (44,46) angeordnet sind, daß der zentrale Kanal (30) einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und in Strömungsrichtung divergiert und daß das stromabwärtige Ende der sich trichterförmig erweiternden Außenwand des zentralen Kanals (30) zusammen mit dem stromabwärtigen Ende der im wesentlichen zylindrisch verlaufenden Außenwand des Ringkanals (34) einen im wesentlichen radial gerichteten Ringspalt (47) bildet

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffinjektoren von über den Umfang verteilten Düsen (44,46) gebildet sind, die mit Brennstoffzuführungs-Ringleitungen (40, 42) in Verbindung stehen, die individuell über den Brennstoffregler (50) mit Brennstoff versorgt werden.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringleitungen (40, 42), den hinteren Abschnitt der Außenwand des zentralen Kanals (30) umgebend, hintereinander angeordnet sind und daß die Brennstopeinspritzdüsen (44) für den zentralen Kanal radial nach innen und stromab gerichtet sind, während die Düsen für den stromab der Brennstoffzuführungsringe befindlichen Ringkanai (34) radial nach außen gerichtet verlaufen.

4. Brenner nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenzeichnet, daß bei geringer Triebwerksleistung Brennstoff nur in den äußeren Ringkanal (34) eingespritzt wird, der im wesentlichen innerhalb des stromaufwärtigen Toruswirbels (100) verbrannt wird, daß bei erhöhtem Leistungsbedarf der Hauptanteil des Brennstoffs in den zentralen Kanal (30) eingespritzt wird und in dem stromabwärtigen Toruswirbel (20G^ verbrennt, und daß bei Vollast Brennstoff in beide Kanäle (30, 34) eingespritzt und in beiden Toruswirbeln (100, 200) verbrannt wird.