DE3034555A1

DE3034555A1 - Brenner fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3034555A1
Application number: DE19803034555
Authority: DE
Inventors: William Ching To Derby Kwan
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1979-09-13
Filing date: 1980-09-12
Publication date: 1981-03-19
Also published as: GB2062839B; JPS56113910A; US4407128A; DE3034555C2; GB2062839A; FR2465094A1

Description

Patentanwälte ]_)ipl.~ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

^5. Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

_Datum: 12. September I980

Unser Zeichen: IJ 001 - K/Ap

Anmelder: Rolls-Royce Limited

Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Titel: Brenner für Gasturbinentriebwerke

130012/0898

β -

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoff-Brenner für ein Gasturbinentriebwerk.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Form eines Brennstoff-Brenners zu schaffen, mit dem eine gute Brennstoffverteilung erreicht wird, und die Vermischung von Brennstoff und Luft und die Zerstäubung des Brennstoffs verbessert wird, und die Ablagerung von Kohlenstoff am Brenner insbesondere am Innenkörper entweder überhaupt vermieden oder weitgehend vermieden wird.

Die Erfindung geht aus von einem Brenner für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Brennstoffζufuhrungsarm und einer Brennstoffeinlaßleitung,der Brennstoff vom Brennstoffzuführungsarm zugeführt wird. Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch einen Strömungskanal, der konvergierende und divergierende Abschnitte und eine Einschnürung dazwischen aufweist, wobei der Strömungskanal stromauf der Einschnürung Brennstoff aus der Brennstoffzuführungsleitung über Brennstoff-Verwirbelungsmittel und komprimierte Luft über Luftverwirbelungsmittel erhält, und der divergierende Abschnitt weitere Luftverwirbelungsmittel aufweist, die die komprimierte Luft und die Mischung von Brennstoff und Luft empfangen, die aus der Einschnürung austreten und durch die Verwirbelungsluft, die aus der weiteren Luftverwirbelungsvorrxchtung austritt, aufgenommen werden.

Der Brennstoff und die komprimierte Luft, die in den Strömungskanal stromauf des konvergierenden Abschnitts eintreten, können entweder in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen verwirbelt werden, und die beiden Luftverwirbelungsvorrichtungen können ebenso eingerichtet sein, um die komprimierte Luft in gleicher Richtung oder in entgegen-

130012/0898

gesetzten Richtungen zu verwirbeln.

Der Strömungskanal kann eine vorstehende Lippe aufweisen, die den Brennstoff aus der Brennstoffverwirbelungsvorriohtung in die Wirbelmasse der Luft leitet. Die Lippe kann stromauf der Luftverwirbelungsmittel angeordnet werden und in den Strömungskanal hinein verlaufen, oder sie kann stromab der Luftverwirbelungsmittel liegen und sich in den Strömungskanal von der äußeren Oberfläche her erstrecken.

Die Brennstoffzuführungsleitung ist durch einen Ring definiert, der eine ringförmige Ausnehmung besitzt und in einer Öffnung am Ende des Brennstoffzuführungsarms und eines Zwischenkörpers liegt, in denen die Brennstoffverwirbelungsmittel und die weiteren Luftverwirbelungsmittel ausgebildet sind. Der Strömungskanal kann durch Zusammenwirken von Zwischenkörper und Innenkörper definiert werden, der mit den Luftverwirbelungsmitteln versehen ist. Die Brennstoff-Luftverwirbelungsmittel können aus Löchern, Schlitzen oder Schaufeln oder jeder Kombination hiervon bestehen, und tangential im Strömungskanal angeordnet werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Brennstoffbrenner;

Fig. 2: in größerem Maßstab Einzelheiten des in Fig. 1 dargestellten Brenners;

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform eines Brenners

130012/0898

gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen Teilschnitt nach der Linie 4-4 gemäß Fig. 3; Fig. 5 einen Teilschnitt nach der Linie 5-5 gemäß Fig. 3; Fig. 6 einen Teilschnitt nach der Linie 6-6 gemäß Fig. 3; Fig. 7 einen Teilschnitt nach der Linie J-J gemäß Fig. 3;

Fig. 8 eine abgewandelte Ausführungsform eines Brennstoff-Brenners gemäß der Erfindung;

Fig. 9 einen Teilschnitt nach der Linie 9-9 gemäß Fig. 8;

Fig. 10 einen Teilschnitt nach der Linie 10-10 gemäß Fig. 9;

Fig. 11 einen Teilschnitt längs der Linie 11-11 gemäß Fig. 9;

Fig. 12 einen Teilschnitt nach der Linie 12-12 gemäß Fig.

Figur 1 zeigt die typische Auslegung eines Gasturbinentriebwerks 20 mit hohem Nebenstromverhältnis. Das Triebwerk 20 besitzt einen Frontfan 22 und eine Antriebsturbine 24 für diesen Frontfan. Ein Zwischendruckkompressor 26 wird von einer zugeordneten Zwischendruckturbine 28 angetrieben und ein Hochdruckkompressor 30 von einer zugeordneten Hochdruckturbine 32. Außerdem ist eine ringförmige Brennkammer 34 mit mehreren im gleichen Abstand angeordneten Brennstoff-Brennern 26 vorhanden, von denen einer in Figur 2 im einzelnen dargestellt ist.

130012/0898

Jeder Brenner 36 weist einen Brennstoff zuführungsarm 38 auf, der in einer Öffnung 40 endet, in der ein Ring 42 angeordnet und festgelegt ist, wobei dieser Ring 42 teilweise eine Brennstoffzuführungsringleitung 44 bildet, die einen tangentialen Brennstoffeinlaß 46 besitzt.

Ein Aufbau bestehend aus einem Zwisehenkörper 48 und einem inneren Körper 50 ist innerhalb des Rings 42 festgelegt und der Zwisehenkörper definiert in Kombination mit dem Ring die Brennstoffzuführungsleitung.

Der Zwisehenkörper und der innere Körper definieren zwischen sich einen Strömungskanal mit einem konvergierenden Abschnitt 52, einem divergierenden Abschnitt 54 und einer Einschnürung 56, und der Körper 48 besitzt mehrere im gleichen Abstand zueinander angeordnete Brennstoffeinlässe 58 stromauf des konvergierenden Abschnitts und in dem divergierenden Abschnitt 54 sind Luftwirbelschaufeln 60 angeordnet.

Der innere Körper 50 besitzt Luftverwirbelungsmittel, die aus mehreren im gleichen Abstand zueinander angeordneten tangentialen Schlitzen 62 und einer Lippe 64 bestehen, die in den Strömungskanal von der inneren Oberfläche des Kanals vorsteht.

Im Betrieb strömt Brennstoff vom Brennstoffzuführungsarm 48 in die Brennstoffleitung 44 über den Einlaß 46 und dann in den Strömungskanal stromauf des konvergierenden Abschnitts 52 durch die Brennstoffverwirbelungseinlässe 58. Komprimierte Luft vom Hochdruckkorapressor 30 strömt über einen Ringeinlaß 66 der Brennkammer 34 nach den Luftverwirbelungsvorrichtungen 60 und 62 eines jeden Brenners 36, wodurch eine Gesamtzuführung über den Kopf erfolgt. Der verwirbelte Brennstoff im Strömungskanal wird durch die Lippe 64 nach der äußeren Oberfläche ge-

13001 2/0898

richtet und mit der Luft gemischt, die durch die Schlitze 62 abströmt. Die Verwirbelungsmischung wird durch die Einschnürung gesteuert und wenn sie die scharfe Öffnung durchläuft, wird eine gute Zerstäubung in feine Tröpfchen gewährleistet. Der verstäubte Brennstoff vermischt mit Luft wird dann von der Wirbelluft aufgenommen, die aus den Schaufeln 60 austritt und nach außen in die Brennkammer verwirbelt, wobei sich eine weitere Zerstäubung ergibt.

Ein Anteil der Mischung von verwirbeltem Brennstoff und Luft strömt über das gewölbte stromabwärtige Ende des Innenkörpers 50 ab, wäscht diesen und verhindert eine Kohlenstoffablagerung auf diesem Innenkörper oder es wird diese Ablagerung wenigstens reduziert.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bis J weist zahlreiche Ähnlichkeiten mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 auf, und der Hauptunterschied besteht in der Ausbildung der Luftverwirbelungsvorrichtung 60, die in diesem Fall Schlitze aufweist, die im stromabwärtigen Ende des Zwischenkörpers 48 eingearbeitet sind, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Figur 5 zeigt die Brennstoffverwirbelungseinlässe 58 in dem Zwischenkörper 48, und Fig. 6 zeigt die Luftverwirbelungseinlässe 62 und die Lippe 64 des Innenkörpers 50, und Fig. 7 zeigt den tangentialen Brennstoffeinlaß 46 im Ring 42, der nach der Brennstoffleitung 44 führt.

Die Arbeitsweise dieses Brenners entspricht jener, die unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 bis 12 weist viele Ähnlichkeiten mit den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen auf, mit

130012/0898

dem Unterschied, daß die Lippe 64 von. der inneren Oberfläche des Strömungskanals entfernt und eine Lippe an der äußeren Oberfläche des Kanals stromab der Luftverwirbelungseinlässe 62 vorgesehen ist. Die Luftverwirbelungseinlässe 6O haben die Gestalt tangentialer Schlitze, von denen in Pig. 9 nur einer dargestellt ist. Es sind jedoch mehrere derartige Schlitze in gleichen Abstand angeordnet.

Die Figuren 10, 11 und 12 entsprechen den Figuren 5, 6 und 7, wobei festzustellen ist, daß mehrere Luftverwirbelungseinlässe 62 vorgesehen sind, wie aus Fig. 11 ersichtlich.

Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet in gleicher Weise wie die vorbeschriebenen beiden Ausführungsbeispiele mit dem Unterschied, daß die Verwirbelungsluft aus den Einlassen 62 den von der nunmehr in den Strömungskanal von der äußeren Oberfläche her einstehenden Lippe ankommenden Brennstoff aufnimmt .

Die Brennstoff- und Luftverwirbelungseinlässe 58, 60 und 62 können so angeordnet sein, daß Brennstoff bzw. Luft jeweils in der gleichen Richtung verwirbelt werden, oder einer oder beide Einlasse 58, 60 und 62 können so angeordnet werden, daß die Jeweiligen Strömungsmittel in einer Richtung entgegengesetzt zur Abströmrichtung durch den verbleibenden Einlaß verwirbelt werden.

130012/0898

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Al.) Brenner für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Brennstoffzuführungsarm, einer Brennstoffeinlaßleitung,der Brennstoff vom Brennstoffzuführungsarm zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungskanal mit konvergierenden und divergierenden Abschnitten und einer Einschnürung zwischen diesen Abschnitten vorgesehen ist, wobei der Strömungskanal stromauf der Einschnürung Brennstoff von der Brennstoffleitung über Brennstoffverwirbelungsmittel und komprimierte Luft durch erste Kanalverwirbelungsmittel erhält, und daß im divergierenden Abschnitt eine zweite Luftverwirbelungsvorrichtung derart angeordnet ist, daß sie komprimierte Luft und die Brennstoff-Luftmischung empfängt, die aus der Einschnürung austritt und durch die Verwirbelungsluft aufgenommen wird, die von den zweiten Verwirbelungsmitteln austritt.
2. Brenner nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffverwirbelungsmittel den Brennstoff in der gleichen Richtung verwirbeln wie die Luft durch die erste Luftverwirbelungsvorrichtung verwirbelt wird.

130012/0898

-I-
3. Brenner nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dai die Brennstoffverwirbelungsmittel den Brennstoff in der entgegengesetzten Richtung zu der Luft verwirbeln, die durch die erste Luftverwirbelungsvorrichtung beeinflußt wurde.
4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, daß die erste Verwirbelungsvorriehtung derart angeordnet ist, daß die Luft in der gleichen Richtung wie die Luft durch die zweite Luftverwirbelungsvorrichtung verwirbelt wird.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennze ichnet, daß erste und zweite Luftverwirbelungsraittel so angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Luftströmungen in Richtung entgegengesetzt zueinander verwirbelt werden.
6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff-Ablenkmittel in den Strömungskanal der Brennstoff-Verwirbelungsvorriehtung gegenüberliegend einstehen.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Verwirbelungsvorriehtung stromab einer Schulter angeordnet ist, die in den Strömungskanal einsteht.

130012/0898

BAD
8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffleitung einen Ring aufweist, der in einer Öffnung am Ende des Brennstoffzuführungsarmes angeordnet ist, und daß ein Zwischenglied und ein Ring vorgesehen sind, der eine Ausnehmung besitzt, welche die Brennstoffzuführungsleitung bildet, und daß ein tangentialer Brennstoffeinlaß mit dem Brennstoffzuführungsarm in Verbindung steht.
9. Brenner nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet^ daß der Strömungskanal durch einen Zwischenkörper und einen Innenkörper definiert ist, und daß der Zwischenkörper mit den Brennstoff-Verwirbelungsmitteln und der zweiten Luftverwirbelungsvorrichtung versehen ist, während der Innenkörper mit der ersten Luftverwirbelungsvorrichtung ausgestattet ist.
10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Luftverwirbelungsvorrichtungen einen Ring mit im gleichen Abstand zueinander liegenden Öffnungen aufweisen, deren Achsen tangential zum Strömungskanal angeordnet sind.
11. Brenner nach Anspruch 11_r

dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in dem Zwischenkörper und iru dem Innenkörper ausgearbeitet sind.

13 0 0 12/0898
12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Luftverwirbelungsmittel jeweils von mehreren im gleichen Abstand zueinander angeordneten Schaufeln gebildet sind.
130012/0898