DE3138614C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verwirbelungs­ einrichtung für eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Verwirbelungseinrichtung ist aus der DE 26 20 424 A1 bekannt. Dort wird zum Verändern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses eine Verschlußvorrichtung zum Öffnen und Schließen von Luftstutzen verwendet, deren Öffnungen senkrecht zur Strömung von verdichteter Luft aus dem Verdichter sind. Diese Verschlußvorrichtungen haben jedoch keine Stellungen zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung. Weiter können sie zwar die Menge der in die Brennkammer eintretender Luft verändern, sie sind jedoch nicht in der Lage, eine entsprechende Veränderung des Drall- bzw. Verwirbelungswinkels der Luft zu bewirken. Weiterhin übt dort die verdichtete Luft starke Beanspruchungen direkt auf die Teile der Verschlußvorrichtung aus. Zum Vermeiden einer Leckage und zum Verhindern von Beschädigungen müssen die Verschlußteile so hergestellt werden, daß sie solche Beanspruchungen aushalten können, was wiederum zu erhöhten Kosten und zu erhöhtem Gewicht führen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verwirbelungseinrichtung der bekannten Art so auszugestalten, daß nicht nur die Menge, sondern auch die Richtung der Luftabgabe aus der Verwirbelungseinrichtung verändert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß gleichzeitig die Luftströmung, die Verweilzeit in der Brennkammer, das stöchiometrische Verhältnis des Gemisches und der Verwirbelungswinkel verändert werden können.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Teillängsschnittansicht einer Brennkam­ mer und einer Verwirbelungseinrichtung nach Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht der Verwirbelungseinrichtung nach der Linie 2-2 von Fig. 1 und

Fig. 3-5 Teilquerschnittansichten der Verwirbelungseinrichtung nach der Linie 3-3 von Fig. 2, die verschie­ dene Relativpositionen einer Platte und einer Flügelbaugruppe zeigen.

Fig. 1 zeigt den stromaufwärtigen Teil einer Brennkammer 20 in einem Gasturbinentriebwerk. Ein Gemisch aus Luft und Brenn­ stoff tritt in die Brennkammer 20 ein und wird in dieser ver­ brannt. Die Energie der sich ergebenden Abgase wird entnommen, um Arbeit zu leisten, beispielsweise um eine Turbine (nicht dargestellt) zu drehen.

Der Brennstoff für die Verbrennung wird aus einer Druckbrenn­ stoffdüse 21 eingeleitet. Wenn der Brennstoff aus der Brenn­ stoffdüse 21 austritt, wird er in dem Drallkörper Verwirbelungseinrichtung 22 mit Luft vermischt, und das sich ergebende Gemisch tritt in die Brenn­ kammer 20 ein, um darin verbrannt zu werden. Der Drallkörper 22 gibt der durch ihn hindurchströmenden Luft und damit dem aus der Brennstoffdüse 21 ausgestoßenen Brennstoff eine Wir­ belbewegung, wobei sich letzterer mit der Luft vermischt, was zur Zerstäubung des Brennstoffes führt, durch die die Vermisch­ ung gefördert wird.

Die Erfindung umfaßt eine Verwirbelungseinrichtung 22, die wenigstens einen Teil ihres Fluids aus einer insgesamt radialen Richtung empfängt, dieses Fluid in einer insgesamt axialen Richtung abgibt und die Menge und die Richtung der Abgabe des sie durchströmenden Fluids, wie beispielsweise Luft, verändern kann. Mit "radial" ist gemeint, in einer Richtung insgesamt rechtwinkelig zu der Drallkör­ perlängsachse, die durch die gestrichelte Linie 27 darge­ stellt ist. Mit "axial" ist gemeint, in einer Richtung ins­ gesamt parallel zu der Drallkörperlängsachse 27. Die Strö­ mungsveränderungsvorrichtung, wie der Drallkörper 22, ent­ hält ein erstes Teil, das eine feste Position hat und we­ nigstens eine insgesamt in die axiale Richtung weisende Durchgangsöffnung aufweist, und ein zweites Teil, das axial neben dem ersten Teil angeordnet ist, relativ zu dem ersten Teil positionierbar ist und wenigstens einen insgesamt in die axiale Richtung weisenden Schlitz aufweist, der mit der Öffnung des ersten Teils in Verbindung bringbar ist.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das erste Teil gemäß den Fig. 1 und 2 eine im wesentlichen ringförmige, radial ausgerichtete Platte 23 (zweite Schaufelgruppe), und die Öffnun- gen sind mehrere sich radial erstreckende Öffnungen 24. Ge­ mäß Fig. 3 haben diejenigen Teile der Platte 23, die sich um­ fangsmäßig neben jeder der Öffnungen 24 befinden, wenigstens eine sich radial erstreckende Fläche 25a oder 25b, die in einer Ebene liegt, welche gegen die Längsachse 27 des Drall­ körpers 22 abgewinkelt ist. In gewissen Relativstellungen des ersten und des zweiten Teils legen die Flächen 25a und 25b, wie weiter unten noch deutlicher werden wird, den Drall­ winkel fest, der der Luft gegeben wird, wenn diese den Drall­ körper 22 verläßt. Der Winkel, den die Flächen 25a und 25b mit der Längsachse 27 bilden, wird daher durch den gewünsch­ ten Wirbelgrad bestimmt. Gemäß Fig. 3 sind die bevorzugten Querschnittsformen der Teile der Platte 23, die sich umfangs­ mäßig neben jedem Schlitz 24 befinden, die eines Parallelepi­ peds, das heißt drei Gruppen von parallelen und einander ge­ genüberliegenden, sich radial erstreckenden Flächen (Strömungsleitflächen) 25a und 25b, 26a und 26b, 28a und 28b. Es können jedoch auch andere Querschnittsformen bei Bedarf benutzt werden.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist das zweite Teil im wesentli­ chen ringförmig und weist eine Flügelbaugruppe 29 (erste Schaufelgruppe) auf, die mehrere sich radial erstreckende Flügel 30 oder Schaufeln hat, die an den radial inneren und äußeren Enden mit ringförmigen Teilen 31 bzw. 32 verbunden sind. Die Flügel 30 sind so angeordnet, daß jeweils ein sich radial erstreckender Schlitz 33 zwi­ schen jeweils zwei Flügeln vorhanden ist.

Gemäß Fig. 3 begrenzen die sich radial erstreckenden Flächen (Strömungsflächen) 34 und 35 die Schlitze 33, und der Winkel, den diese Flächen mit der Längsachse 27 des Drallkörpers bilden, legt wenig­ stens zum Teil den Drallwinkel fest, der der Luft gegeben wird, wenn diese den Drallkörper 22 verläßt. Dieser Winkel sollte daher gemäß dem gewünschten Wirbelgrad vorbestimmt werden. Aus Gründen, die im folgenden erläutert sind, ist der Abstand zwischen den Flächen 34 und 35 von benachbarten Flü­ geln 30 im wesentlichen gleich der Breite der Fläche 28a der Platte 23, und sind die Flächen 34 und 35 der Flügel 30 paral­ lel zu den Flächen 26a und 26b der Platte 23.

Gemäß Fig. 1 hat der Drallkörper 22 eine hohle Nabe 36, die insgesamt ringförmig ist. Der stromaufwärtige Teil der Nabe 36 erstreckt sich insgesamt radial und liegt in einer Ebene, die zu der Drallkörperlängsachse 27 rechtwinkelig ist. Die Nabe 36 ist gekrümmt, so daß der stromabwärtige Teil, der radial einwärts der Platte 23 und der Flügelbaugruppe 29 an­ geordnet ist und einstückig mit der Platte 23 gebildet oder an dieser befestigt sein kann, sich insgesamt axial erstreckt. Die Flügelbaugruppe 29 und der stromaufwärtige Teil der Nabe 36 begrenzen einen ringförmigen, radialen Lufteinlaß 37, über den ein Teil der Luft für die Verbrennung in den Drallkörper eintritt. Die Tatsache, daß die Luft in den verstellbaren Teil des Drallkörpers 22, d. h. in den aus der Flügelbaugrup­ pe 29 und der Platte 23 bestehenden Teil aus einer radialen Richtung statt aus der axialen Richtung eintritt, ist vorteil­ haft, weil die Flügelbaugruppe und die Platte dadurch durch den stromaufwärtigen Teil der Nabe 36 vor den Beanspruchun­ gen geschützt werden, die durch eine direkte Anströmung von verdichteter Luft auf sie ausgeübt würden. Der stromaufwär­ tige Teil der Nabe 36 kann eine einstückig mit ihm gebilde­ te oder eine an ihm befestigte radiale ringförmige Scheibe 39 aufweisen. Brennstoff für die Verbrennung tritt aus der Brennstoffdüse 21, die sich durch einen Spalt in der ringför­ migen Scheibe 39 des stromaufwärtigen Teils der Nabe 36 er­ streckt, aus und strömt durch den hohlen Innenraum der Nabe 36 hindurch, bevor er in die Brennkammer 20 eintritt. Der Drallkörper 22 kann außerdem mehrere Fluidkanäle, wie die Venturidüsen 38, in der ringförmigen Scheibe 39 des stromauf­ wärtigen Teils der Nabe 36 aufweisen, über die Luft aus einer insgesamt axialen Richtung eintritt und sich mit Brennstoff vermischt. Bei dieser Anordnung erfolgt daher die anfängli­ che Vermischung von Luft und Brennstoff im Innern der Nabe 36, weil sich Luft aus den Venturidüsen 38 mit Brennstoff aus der Brennstoffdüse 21 vermischt. Wenn dieses Gemisch dann die Nabe 36 verläßt, wird sie weiter mit Luft aus den radialen Lufteinlässen 37 vermischt, nachdem diese die Flügel­ baugruppe 29 und die Platte 23 passiert hat. Es handelt sich um die Menge und um die Richtung der Luftabgabe durch die zweite Luftquelle, d. h. der Luft, die in den Drallkörper radial eintritt und durch Flügelbaugruppe 29 und die Platte 23 hindurchströmt, die die Erfindung verändern kann.

Das Verändern der Menge und der Richtung der Abgabe oder des Drallwinkels von Luft aus dem Drallkörper 22 erfolgt durch Verstellen, vorzugsweise Verdrehen, des zweiten Teils, wie der Flügelbaugruppe 29, relativ zu dem ersten Teil, wie der Platte 23. Die Flügelbaugruppe 29 ist auf der Drallkörpernabe 36 drehbar gelagert. Eine Einrichtung zum Positionieren des zweiten Teils weist vorzugsweise wenigstens einen betätigbaren Antriebsarm 40 auf, der mit dem zweiten Teil verbunden ist, wie es in den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist. Der radial äußere Teil des Antriebsarms 40 ist mit Einrichtungen ver­ bunden, die den Antriebsarm in Bewegung versetzen. Der An­ triebsarm 40 kann beispielsweise über ein Kugelgleitlager 42 mit einem Gleichlaufring 41 verbunden sein. Ein Gleich­ laufring 41 kann mit weiteren Antriebsarmen 40 verbunden sein, die weiteren Drallkörpern in dem Verbrennungsabschnitt des Triebwerks zugeordnet sind, so daß sämtliche Antriebs­ arme gemeinsam bewegt werden.

Das radial innere Ende des Antriebsarms 40 ist vorzugsweise mit der Flügelbaugruppe 29 über ein Gelenk 43 verbunden. Die Verwendung des Gelenks 43 erlaubt, die Flügelbaugruppe 29 sogar dann zu drehen, wenn es eine axiale Fehlübereinstimmung zwischen der Flügelbaugruppe 29 und dem Gleichlaufring 41 gibt. Gemäß Fig. 2 kann das Gelenk 43 Beilegscheiben 44 auf­ weisen, die das Voreinstellen der Umfangsposition des An­ triebsarms 40 gestatten, um dadurch die Stellung dieses An­ triebsarms mit denen weiterer Antriebsarme zu synchronisieren, die mit dem Gleichlaufring 41 verbunden sein können.

Der Drallkörper 22 ist mit dem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer 20 in geeigneter Weise verbunden, beispielsweise durch Verschweißen oder Verschrauben von Flanschen 45, die von der Platte 23 vorstehen, mit einer Büchse 47 der Brenn­ kammer. Ebenso kann der Gleichlaufring 41 durch geeignete Vorrichtungen abgestützt sein, beispielsweise durch ein Rol­ lenlager 48 und eine Tragkonsole 46.

Die oben beschriebene Strömungsveränderungsvorrichtung (Verwirbelungseinrichtung) ist somit eine relativ einfache und billige Vorrichtung zum Ver­ ändern der Menge und der Richtung der Luftabgabe an die Brenn­ kammer.

Diese Ausführungsform der Strömungsveränderungsvorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Fig. 3 zeigt den Drallkörper in seiner offenen Stellung. Die Flügelbaugruppe 29 ist so angeordnet, daß die Flächen 34 und 35 der Flügel 30 in einer Linie mit den Flächen 26a bzw. 26b der Platte 23 sind. Die Schlitze 33 der Flügelbaugruppe 29 sind daher in einer Linie mit den Öffnungen 24 der Platte 23, so daß die maximale Luftmenge durch sie hindurchgeht. Die Richtung, in der die Luft strömen wird, wenn sie aus den Schlitzen 33 und den Öffnungen 24 austritt, d. h. ihr Drall­ winkel, wird durch den Winkel festgelegt, den die Flächen 34, 35, 26a und 26b, welche vorzugsweise parallel sind, mit der Drallkörperlängsachse 27 bilden.

Fig. 4 zeigt die Flügelbaugruppe 29, nachdem diese in eine Zwischenstellung gedreht worden ist. Ein Teil der Luft, die durch jeden der Schlitze 33 der Flügelbaugruppe 29 hindurch­ strömt, trifft auf eine Fläche 25b der Platte 23 auf und wird durch diese abgelenkt. Dieser Teil der Luft bewirkt, daß die übrige Luft, die durch den Schlitz 33 hindurchströmt, eben­ falls abgelenkt wird und über die benachbarte Fläche 25a hin­ wegströmt. Je mehr die Flügelbaugruppe 29 aus der in Fig. 3 gezeigten offenen Stellung herausgedreht wird, um so größer wird der Luftströmungsaustrittswinkel oder Drallwinkel sein, gemessen von der Drallkörperlängsachse 27 aus.

Wenn die Flügelbaugruppe 29 über die Zwischenstellung von Fig. 4 hinaus weiter gedreht wird, beginnt die Fläche 28a der Platte 23, einen Teil des Schlitzes 33 zu blockieren. Je stär­ ker die Blockierung durch die Fläche 28a ist, um so geringer wird die Menge an Luft sein, die in der Lage ist, durch den Schlitz 33 hindurchzuströmen. Fig. 5 zeigt die Flügelbaugrup­ pe 29 nachdem diese in die geschlossene Stellung gedreht wor­ den ist. Die Flächen 28a der Platte 23 blockieren die Schlitze 33, so daß im wesentlichen keine Luft durch die Schlitze 33 oder die Öffnungen 24 hindurchströmen kann. Wenn die Flügel­ baugruppe 29 in der geschlossenen Stellung ist, ist die ein­ zige Luft, die in die Brennkammer 20 über den Drallkörper 22 eintritt, diejenige, die aus den Venturidüsen 38 durch das Innere der Drallkörpernabe 36 hindurchströmt, wie es in Fig. 1 zu erkennen ist. Selbstverständlich kann die Flügelbaugrup­ pe 29 in viele Zwischenstellungen zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung gebracht werden.

Es ist somit zu erkennen, daß durch Verdrehen des zweiten Teils oder der Flügelbaugruppe 29 relativ zu dem ersten Teil oder der Platte 23 die Menge und die Richtung der Luftabgabe aus dem Drallkörper verändert werden können. Somit kann das Brennstoff/Luft-Verhältnis des Brennstoff/Luft-Gemisches in der Brennkammer 20 verändert werden, und der Drallwinkel der Luft, wenn diese sich mit der Luft vermischt, kann entspre­ chend verändert werden. Das verbessert den Brennerwirkungs­ grad, verringert unerwünschte gasförmige Emissionen und ver­ bessert die Brennstoff/Luft-Vermischung sowie die Verteilung des Gemisches innerhalb der Brennkammer.

Claims (3)

1. Verwirbelungseinrichtung für eine Gasturbine, die Luft in eine Brennkammer einführt und zwei axial benachbarte Schaufelgruppen, von denen die eine auf einer gemeinsamen Achse relativ zur anderen verdrehbar ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (30) der ersten Schaufelgruppe (29) Strömungsleitflächen (34, 35) aufweist zur Erzeugung eines ersten Verwirbelungswinkels und die Schaufeln der zweiten Schaufelgruppe (23) unterschiedliche, im Winkel zueinander angeordnete Strömungsleitflächen (25, 26) aufweist, wobei die ersten Strömungsleitflächen (25) davon ähnlich wie die Strömungsleitflächen (34, 35) der Schaufeln (30) der ersten Schaufelgruppe (29) verlaufen und die zweiten Strömungsleitflächen (26) davon weitere Verwirbelungswinkel bilden.

2. Verwirbelungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaufelgruppe (29) zwischen ihren Schaufeln (30) Schlitze (33) aufweist und die zweite Schaufelgruppe (23) zwischen ihren Schaufeln Öffnungen (24) aufweist und daß

• - in einer Öffnungsstellung der Schaufelgruppen (23, 29) die Schlitze (33) und die Öffnungen (24) etwa fluchend ausgerichtet sind (Fig. 3),
• - in einer Zwischenstellung der Schaufelgruppen (23, 29) die Schlitze (33) teilweise blockiert sind und Luft unter einem größeren Verwirbelungswinkel als in der Öffnungsstellung austritt (Fig. 4) und
• - in einer Schließstellung der Schaufelgruppen (23, 29) die Schlitze (33) der ersten Schaufelgruppe (29) durch die Schaufeln der zweiten Schaufelgruppe (23) blockiert sind (Fig. 5).

3. Verwirbelungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der beiden Schaufelgruppen (29, 23) parallelogrammförmige bzw. hexagonale Querschnitte aufweisen.