DE3213761A1

DE3213761A1 - Brenner fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3213761A1
Application number: DE19823213761
Authority: DE
Inventors: Alan Wynne Clwyd North Wales Roseneath
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-04-24
Filing date: 1982-04-14
Publication date: 1982-11-04
Also published as: JPS57187530A; GB2100409A; GB2100409B; FR2504601A1

Description

Brenner für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere befaßt sich die Erfindung mit dem Problem der Ablagerung von Kohlenstoff auf Teilen der Brenner der Gattung mit Luftbesprühung, z.B. auf dem Zentralkörper,der gewöhnlich über einen Teil des Weges in das Flammrohr des Triebwerks einsteht. Kohlenstoffpartikel, die insbesondere dann leicht erzeugt werden können, wenn das Triebwerk unter Bedingungen arbeitet, die nicht den Nennbedingungen entsprechen (z.B. bei Spitzenbelastung) haben die Tendenz, sich an den offenen steilen Flächen des Zentralkörpers des Brenners abzusetzen, und allmählich kann eine relativ große Kohlenstoffmasse der Basis des Zentralkörpers anhaften. Nach einer gewissen Zeit löst sich diese große Kohlenstoffmasse ab oder Teile hiervon werden vom Zentralkörper abgelöst, und durchlaufen die Brennkammer des Triebwerks und treffen auf stromab gelegene Bauteile des Triebwerks, beispielsweise die Düsenleitschaufeln und die stationären und drehenden Teilen der Triebwerksturbine auf, wodurch eine Erosion oder eine noch schwerwiegendere Beschädigung bewirkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner zu schaffen, bei dem die Ablagerung von Kohlenstoff wesentlich vermindert wird, und die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einer Verbesserung und Abwandlung

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des Brenners, wie er in der GB-PS 79 09 839 beschrieben ist. Gemäß dieser Patentschrift ist der Zentralkörper ausgehöhlt und es sind mehrere Löcher durch die Wandung des Zentralkörpers nach dem stromabwärtigen Ende dieses Zentralkörpers geführt. Diese Ausbildung hat sich als zweckmäßig im Hinblick auf eine Verminderung des Kohlenstoffansatzes erwiesen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß unter gewissen Bedingungen die am weitesten stromab liegenden Löcher ziemlich ähnlich wie kleine Brennstoffinjektoren arbeiteten und es wurde Brennstoff und Luft in diesen Löchern verbrannt. Durch diese Verbrennung wurde der Zentralkörper beschädigt und es ergaben sich weitere Verbrennungsprobleme.

Die Erfindung geht aus von einem Brenner für ein Gasturbinentriebwerk mit einem kreisringförmigen Kanal zur Strömung von Brennstoff und Luft und die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ringkanal durch eine Wandung des Brennstoffbrenners und einen Zentralkörper definiert wird, der innerhalb des Ringkanals abgestützt ist, daß der Zentralkörper hohl ausgebildet ist und ein geschlossenes stromaufwärtiges Ende und ein offenes stromabwärtiges hohles Ende aufweist (in bezug auf die Luftströmung, die durch den Kanal hindurchgeführt ist), daß die stromaufwärt ige Wandung des Zentralkörpers mehrere Öffnungen aufweist, die zwischen dem Ringkanal und dem Inneren des Zentralkörper verlaufen, wobei jede Öffnung Luftverwirbeiungseinrichtungen aufweist, um es einem Teil der den Ringkanal durchströmenden Luft zu ermöglichen über im

wesentlichen die gesamte innere Oberfläche des Zentralkörpers abzufließen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt eines Gasturbinentriebwerks mit einem Brenner gemäß der Erfindung ;

Fig. 2 einen Schnitt eines Teils der Verbrennungseinrichtung des Gasturbinentriebwerks nach Fig. 1 mit einem Brenner gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt des Brenners und des Zentralkörpers gemäß der Ausbildung nach der GB-PS 79 09 838;

Fig. 4 ein der Figur 3 entsprechender Schnitt eines Brenners gemäß der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform eines Brenners gemäß der Erfindung.

Gemäß Figur 1 umfaßt ein Gasturbinentriebwerk 10 ein einstufiges Gebläse 12, welches durch eine Turbine 14 angetrieben wird. Ferner ist ein Zwischendruckkompressor 16 vorgesehen, der durch eine Zwischendruckturbine 18 angetrieben wird. Ein Hochdruckkompressor 20 wird durch eine Hochdruckturbine 22 angetrieben und zwischen Kompressorteil und Turbinenteil befindet sich die Verbrennungseinrichtung 24. Die durch das Gebläse 12 beschleunigte Luft strömt durch einen Nebenstromkanal 26 und wird durch eine Schubdüse 28 ausgeblasen, und die Abgase der Turbinen 14, 18 und 22 strömen durch eine Schubdüse 30 ab. Die Verbrennungseinrichtung 24 ist in den Figuren 2 und im einzelnen dargestellt. Sie weist eine Brennkammer 32 auf, die in diesem Fall ringförmig ist, die jedoch auch als Flammrohr ausgebildet sein kann oder als Ringkammer gestaltet sein kann und mehrere im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnete Brenner 34 aufweist, von denen nur einer dargestellt ist.

Jeder Brenner 34 weist einen Ringkanal 36 auf, der durch eine Wand 38 und einen Zentralkörper 40 definiert wird, welcher durch ein Armkreuz 42 getragen wird, das den Ringkanal durchsetzt. Im Betrieb wird Brennstoff aus einer Leitung 44 dem Brenner über geneigte Öffnungen 46 so zugeführt, daß der Brennstoff über die Wand 38 in Richtung stromab verwirbelt wird. Dabei folgt der Brennstoff einem Pfad, der einer Schraubenlinie mit geringem Anstieg folgt. Die durch den Kanal 36 strömende Luft hat nur eine Axialkomponente und der Zentralkörper ist so gestaltet, daß ein Venturirohr zusammen mit dem Ringauslaß 48 gebildet wird, so

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daß Luft und Brennstoff nach dem Auslaß hin beschleunigt werden, wobei eine maximale Scherkraft zwischen Brennstoff und Luft erreicht wird, was eine Zerstäubung des Brennstoffs zur Folge hat.

Diese Ausbildung führt zu einem Zentralkörper, der eine steile glatte stromabwärtige Basis besitzt, welche teilweise in das Flammrohr einsteht und jeglicher Kohlenstoff, der in der Brennkammer erzeugt wird, sucht sich auf dieser Basis zu sammeln und abzusetzen.

Der Zentralkörper 40, der im einzelnen in Figur 3 dargestellt ist, besitzt einen hohlen Innenraum 50, wodurch nur ein relativ schmaler ringförmiger Steg 52 verbleibt, im Vergleich mit der massiven kreisförmigen Basis, die früher bestanden hat. Zwei Reihen von drei im gleichen Abstand zueinander angeordneten Öffnungen 54 sind in der Wand des Zentralkörpers angeordnet. Die Achse eines jeden Loches verläuft tangential zu einem Kreis, dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Zentralkörpers in jener Ebene, die die Achse enthält und in einer stromabwärtigen Richtung geneigt ist.

Im Betrieb strömt ein geringer Anteil der im Ringkanal 36 axial abfließenden Luft durch die öffnungen 54 in das Innere des Hohlkörpers und strömt dann über die innere Oberfläche des Zentralkörpers ab und verhindert, daß Kohlenstoff auf jener Oberfläche abgelagert wird. Da sich kein Kohlenstoff oder fast kein Kohlenstoff

auf dem Zentralkörper ansammeln kann, werden die stromabwärtigen Bauteile des Triebwerks keiner Erosion aus dieser Quelle unterworfen, und die Lebensdauer wird erhöht.

Es hat sich jedoch gezei-gt, daß unter gewissen Betriebsbedinungen Brennstoff und Luft in einigen der Löcher 54 vorhanden sind, und zwar gewöhnlich in den am weitesten stromab liegenden öffnungen. In diesen öffnungen und benachbart hierzu findet, eine Verbrennung statt und der Venturieffekt bewirkt eine Beschädigung des Zentralkörpers. Außerdem wirkt die Verbrennung von Brennstoff in den öffnungen und der Venturieffekt der Strömung durch das Venturirohr 48 entgegen und bewirkt eine Verminderung des Ge samtWirkungsgrades.

Die Abwandlung und Verbesserung gemäß der Erfindung ergibt sich aus Figur 4. Hier sind gleiche Teile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.

Der Zentralkörper 40 gemäß Figur 4 ist vollständig ausgehöhlt, so daß die Wanddicke im wesentlichen über die Gesamtlänge des Zentralkörpers gleich ist. Dieser besitzt ein geschlossenes stromaufwärtiges Ende und ein offenes stromabwärtiges Ende 58. Der Zentralkörper wird in dem Kanal 36 durch drei Arme 42a getragen, die an einem Ende in Schlitze 42b des Zentralkörpers einstehen und mit ihrem anderen Ende in Schlitzen 42c der Wand 38 verankert und an diesen Stellen hart verlötet sind. Benachbart zum stromaufwärtigen Ende 46 des Zentralkörpers sind mehrere im

gleichen Abstand zueinander angeordnete Öffnungen 60 in der Wand des Zentralkörpers angeordnet, um komprimierte Luft vom Kompressor 20 des Triebwerks 10 nach dem Inneren des Zentralkörpers 40 strömen zu lassen. Diese Luft wird, wie durch den Pfeil A in Figur 4 angedeutet, verwirbelt, so daß die Luft über die innere Oberfläche des Zentralkörpers einen Wascheffekt bewirkt und damit eine Kohlenstoffanlagerung verhindert. Der Verwirbelungseffekt kann durch Verwendung einer Schaufel oder durch Verwendung von Schaufeln in jeder Öffnung erzeugt werden oder vorzugsweise auch dadurch, daß die Achse einer jeden Öffnung tangential zu einem Kreis angestellt wird, dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchr messer des Zentralkörpers in einer Ebene, die jede dieser Lochachsen enthält.

Da die Öffnungen am stromaufwärtigen Ende des Zentralkörpers angeordnet sind, d.h. stromauf der Brennstoffeinlässe 46, besteht keine Möglichkeit daß Brennstoff und Luft in diesen Öffnungen verbrannt werden. Außerdem beeinträchtigt die Luftströmung durch die Öffnungen nicht die Luftströmung durch den Spalt, wie dies der Fall ist wenn die Öffnungen dichter am stromabwärtigen Ende des Zentralkörpers angeordnet sind, da die Öffnungen genügend weit stromauf vom Steuerspalt 48 entfernt liegen.

Der in Figur 6 veranschaulichte Brenner ist dem Brenner gemäß Figur 4 und 5 ähnlich und soweit möglich wurden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung

entsprechender Teile gewählt. Bei diesem Brenner wurde die äußere Luftabschirmung weggelassen, um den Brenner geeigneter zur Verwendung in einem Brenner zu machen, der einen Diffuserkopf besitzt. Dabei wurde die äußere Luftabschirmung ersetzt durch einen Ring von nicht dargestellten Verwirbelungsschaufeln, durch die die Luft strömt und die eine ähnliche Wirkung haben wie die Luft, die durch die Luftabschirmung der Brenner gemäß Figur 4 und 5 strömt.

Claims

Patentanwälte* :..:·*:* -..*._:;. Dipl.-Ing. Curt Wallach

Europäische Patentvertreter" Dipl.-Ing. Günther Koch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Rolls-Royce Limited — Datum: 14. April 1982

Buckingham Gate unser zeichen: 17 417 - K/Ap

London SW1E 6AT
England

Patentanmeldung

Brenner für ein Gasturbinentriebwerk

Patentansprüche:

Brenner für ein Gasturbinentriebwerk mit einem kreisringförmigen Kanal zur Führung der Strömung von Brennstoff und Luft, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal durch eine Wandung des Brennstoff'brenners und einen Zentralkörper definiert wird, der innerhalb des Ringkanals abgestützt ist, daß der Zentralkörper hohl ausgebildet ist und ein geschlossenes stromaufwärtiges Ende und ein offenes stromabwärtiges hohles Ende aufweist (in bezug auf die Luftströmung, die durch den Kanal hindurchgeführt ist), daß die stromaufwärtige Wandung des Zentralkörpers mehrere Öffnungen aufweist, die zwischen dem Ringkanal und dem Inneren des Zentralkörpers verlaufen, wobei jede Öffnung Luftverwirbelungseinrichtungen aufweist, um es einem Teil der den Ringkanal durchströmenden Luft zu ermöglichen, über im wesentlichen die gesamte innere Oberfläche des Zentralkörpers abzufließen.
2. Brenner nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen wenigstens eine Schaufel aufweisen, um die einströmende Luft zu verwirbeln.
3. Brenner nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Achse einer jeden Öffnung tangential zu einem Kreis verläuft, dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Zentralkörpers in jener Ebene, die die Achse enthält, um der einströmenden Luft eine Wirbelkomponente aufzuprägen,