DE3323490A1

DE3323490A1 - Gemischbildungsvorrichtung und verfahren zum steuern des ausstroemspruehwinkels derselben

Info

Publication number: DE3323490A1
Application number: DE19833323490
Authority: DE
Inventors: Edward Ernst 45243 Madeira Ohio Ekstedt; John Michael 45240 Forest Park Ohio Koshoffer; Billy Proctor 45242 Montgomery Ohio Samuel; Edward Ivan Stamm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-07-06
Filing date: 1983-06-30
Publication date: 1984-01-12
Also published as: GB2123137B; IT8321934A1; IT8321934A0; FR2529954B1; IT1168267B; GB2123137A; JPS5935724A; US4584834A; JPH045894B2; GB8316373D0; FR2529954A1

Description

9143-13DV-O7263

GENERAL ELECTRIC COMPANY

Gemischbildungsvorrichtung und Verfahren zum Steuern des Ausströmsprühwinkels derselben

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerksverbrennungssysteme und betrifft insbesondere eine verbesserte Gemischbildungs- oder Vergasungsvorrichtung zum Vermischen von Brennstoff und Luft und zum Abgeben des Brennstoff/Luft-Gemisches in einen Brenner.

Gemischbildungssysteme in Gasturbinentriebwerken enthalten typisch mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende Gemischbildungs- oder Wirbelvorrichtungen, die in einem gewölbten Ende oder Kopfeinsatz eines Brenners angeordnet sind. Jede Wirbelvorrichtung wirkt mit einer zentralen Brennstoffeinspritzvorrichtung zusammen, die koaxial stromaufwärts von ihr angeordnet ist, um Brennstoff aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung und unter Druck stehende Luft aus einem Verdichter des Gasturbinentriebwerks miteinander zu vermischen. Die Wirbelvorrichtung hat im allgemeinen wenigstens eine Stufe von Wirbel

erzeugenden Schaufeln, die einen Teil der unter Druck stehenden Luft verwirbeln und diese Luft mit Brennstoff aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung vermischen. Das vereinigte Brennstoff/Luft-Gemisch wird unter einem ausgewählten Ausströmsprühwinkel gegen eine Längsachse der Wirbelvorrichtung in den Brenner abgegeben.

Beispiele von Gemischbildungssystemen, die Wirbelvorrichtungen und zentrale Brennstoffeinspritzvorrichtungen enthalten, sind in den US-Patentschriften 3 899 884, 3 589 und 3 703 259 beschrieben.

Bei der Konstruktion von Gasturbinentriebwerksverbrennungssystemen ist das wirksame Vermischen von Brennstoff und Luft ein Hauptmerkmal zur Erzielung einer vollständigeren Verbrennung. Das Gemischbildungssystem sollte beispielsweise in der Lage sein, niedrigere Werte von Abgasemissionen, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und sichtbarem Rauch, zu erzielen.

Die Gemischbildungssysteme sollten auch in der Lage sein, einen vorbestimmten Ausströmsprühwinkel des Brennstoff/Luft-Gemisches aufrechtzuerhalten. Wenn der Ausströmsprühwinkel relativ breit ist, ist die Wahrscheinlichkeit größer, daß das Brennstoff/Luft-Gemisch auf die Mäntel des Brenners trifft und heiße Streifen oder Schlieren erzeugt. Diese heißen Schlieren sind brennstoffreiche Gebiete, die eine unerwünschte örtliche überhitzung der Mäntel verursachen. Weiter wird das Brennstoff/Luft-Gemisch durch die Kühlluftströmung gekühlt, die typisch längs der Manteloberfläche vorhanden ist, was zu verstärkten Abgasemissionen führen kann.

Wenn der Ausströmsprühwinkel relativ schmal ist, ist das

Ergebnis ein brennstoffreiches Gebiet zentral innerhalb des Brenners. Dieses brennstoffreiche Gebiet verursacht heiße Schlieren an einem hinteren Ende des Brenners sowie verstärkte Abgasemissionen.

In einem erwünschten Gemischbildungssystem werden Brennstoff und Luft wirksam vermischt und in den Brenner unter einem vorbestimmten und gesteuerten Ausströmsprühwinkel eingeleitet. Da jedoch das Gasturbinentriebwerk unter mehreren Betriebsarten, wie beispielsweise Leerlauf und Reiseflug, arbeiten muß, stellt ein typisches Gemischbildungssystem im allgemeinen einen Kompromiß dar, damit eine ausreichende Leistung in sämtlichen Betriebsbereichen des Gasturbinentriebwerks erzielt wird.

Beispielsweise sind Ausströmsprühwinkel, die sich von relativ schmal auf relativ breit verändern, in allen Betriebsbereichen des Gasturbinentriebwerks erforderlich. Da die Wirbelvorrichtungen im allgemeinen feste Gebilde sind, sind sie im allgemeinen auf die Erzielung eines mittleren Ausströmsprühwinkels, der eine akzeptable Leistung ergibt, festgelegt. Weiter ist zum Erzielen von angemessenen Höhenneuzündeigenschaften des Gasturbinentriebwerks ein relativ breiter Ausströmsprühwinkel bei denjenigen Wirbelvorrichtungen erforderlich, die in der Nähe der Brennstoffzündvorrichtungen des Verbrennungssystems angeordnet sind. Breite Ausströmsprühwinkel werden typisch durch zusätzliche Einrichtungen erzielt, wie sie in den US-Patentschriften 3 990 834 und 4 180 974 beschrieben sind.

Typische bekannte Wirbelvorrichtungen, die zentrale Brennstoffeinspritzdüsen haben, welche ihnen Brennstoff zuführen, enthalten Einrichtungen zum Begrenzen der Axialbewegung der Wirbelvorrichtung und zum Gestatten einer Radial-

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bewegung derselben, um unterschiedliche thermische radiale Expansion und Kontraktion der Teile derselben zu kompensieren. Diese unterschiedliche radiale Expansion und Kontraktion hat jedoch zur Folge, daß der Ausströmsprühwinkel der Wirbelvorrichtung radial verschoben wird und daß dadurch zusätzlich heiße Schlieren verursacht werden, wenn das abgegebene Brennstoff/Luft-Gemisch auf die Mäntel des Brenners auftrifft.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Gemischbildungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen.

Weiter soll eine verbesserte Gemischbildungsvorrichtung geschaffen werden, die die Wahrscheinlichkeit der Bildung von heißen Schlieren verringert.

Ferner soll eine verbesserte Gemischbildungsvorrichtung geschaffen werden, die Einrichtungen zum Steuern des Ausströmsprühwinkels eines Brennstoff/Luft-Gemisches aufweist.

Außerdem soll eine verbesserte Gemischbildungsvorrichtung geschaffen werden, bei der es zu einer geringeren Bildung von heißen Schlieren aufgrund von unterschiedlicher thermischer radialer Expansion und Kontraktion von Bauteilen derselben kommt.

Schließlich soll eine verbesserte Gemischbildungsvorrichtung geschaffen werden, die verbesserte Zündeigenschaften hat.

Die Erfindung schafft eine Gemischbildungsvorrichtung mit einer Strömungssteuereinrichtung zum Steuern eines Ausströmsprühwinkels eines Brennstoff/Luft-Gemisches. In einer Aus-

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führungsform der Erfindung kann die Strömungssteuereinrichtung mehrere in gegenseitigem ümfangsabstand angeordnete Löcher in einer Trommel aufweisen, die einen Steueranteil der Verdichterluftströmung in stromabwärtiger, axialer Richtung aus einer Wirbelstufe der Wirbelvorrichtung liefern. Die Löcher leiten eine vorbestimmte Menge der Luftsrömung in Umfangsrichtung um das Brennstoff/Luft-Gemisch, um das Gemisch zu begrenzen und den Ausströmsprühwinkel desselben zu steuern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1, eine Längsschnittansicht eines

Brenners eines Gasturbinentriebwerks mit einer Ausführungsform der Gemischbildungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht

der Gemischbildungsvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer

weiteren Ausführungsform der Gemischbildungsvorrichtung nach der Erfindung, die zur Verwendung an einer Brennstoffzündvorrichtung bestimmt ist, und

Fig. 4 eine Endansicht nach der Linie 3-3

in Fig. 3, die eine Ringbüchse zeigt, welche einen örtlich nach außen erweiterten Teil zum Vergrößern des

Zündvermögens der Gemischbildungsvorrichtung aufweist.

Fig. 1 zeigt die Erfindung in Verbindung mit einer Verbrennungsvorrichtung in einem Gasturbinentriebwerk, die einen Brenner 10 mit einer Brennkammer 12 aufweist. Der Brenner 10 ist im Querschnitt insgesamt ringförmig und besteht aus einem äußeren Mantel 14, einem inneren Mantel 16 und einem gewölbten Ende oder Kopfeinsatz 18. Der Kopfeinsatz 18 des Brenners 10 ist mit mehreren in gegenseitigem ümfangsabstand angeordneten öffnungen 20 versehen, in denen jeweils eine Ausführungsform der verbesserten Gemischbildungsvorrichtung 22 nach der Erfindung zum Fördern eines Brennstoff/Luft-Gemisches in die Brennerkammer 12 angeordnet ist.

Der Brenner 10 ist von einem Gehäuse 24 umschlossen, das zusammen mit dem äußeren Mantel 14 und dem inneren Mantel 16 einen im Querschnitt ringförmigen äußeren Kanal 26 bzw. einen im Querschnitt ringförmigen inneren Kanal 28 bildet. Der äußere Kanal 26 und der innere Kanal 28 fördern einen Teil der Verdichterluftströmung 30 aus einem Verdichter (nicht dargestellt) durch Löcher 32, die in dem äußeren Mantel 14 und dem inneren Mantel 16 angeordnet sind, in die Brennkammer 12, um den Brenner 10 zu kühlen und gasförmige Produkte der Verbrennung auf bekannte Weise zu verdünnen. Ein stromaufwärtiger Fortsatz 34 des Brenners 10 dient als Strömungsteiler, der die Verdichterluft 30 zwischen dem äußeren Kanal 26, dem inneren Kanal 28 und einer stromaufwärtigen Endöffnung 36 des Fortsatzes 34 aufteilt. Die Endöffnung 36 steht in Strömungsverbindung mit der verbesserten Gemischbildungsvorrichtung 22 nach der Erfindung, um die zur Gemischbildung erforderliche Luft zu liefern.

Die Zufuhr von Brennstoff zu dem Brenner 10 erfolgt über eine hohle Brennstoffeinspritzvorrichtung 38, die mit dem Gehäuse 24 verbunden ist. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 38 ist gekrümmt, so daß sie in die Endöffnung 36 paßt, und in ihr ist ein Brennstoffkanal gebildet, der den flüsligen Brennstoff einer Brennstoffeinspritzdüse 40 zur anschließenden Zerstäubung durch die Vergasungs- oder Gemischbildungsvorrichtung 22 nach der Erfindung zuführt.

Gemäß Fig. 2 hat jede Kopfeinsatzöffnung 20 ein im wesentlichen ringförmiges Übergangssegment oder Ablenkblech 42, das darin befestigt ist und zum Befestigen der Gemischbildungsvorrichtung 22 in dem Kopfeinsatz 18 dient. Das Ablenkblech 42 hat einen im wesentlichen zylindrischen vorderen Teil 44 und einen Zwischenteil 50, der sich von der Kopfeinsatzöffnung 20 aus stromaufwärts erstreckt. Das Ablenkblech 42 hat außerdem einen integralen, insgesamt vierseitigen hinteren Teil 46, der sich von der Kopfeinsatzöffnung 20 aus stromabwärts erstreckt. Der hintere Teil des Ablenkbleches 42 ist in bezug auf eine Längsachse 48 der Gemischbildungsvorrichtung 22, welche mittig und rechtwinkelig zu der Kopfeinsatzöffnung 20 angeordnet ist, nach außen erweitert oder radial nach außen geneigt.

Der hintere Teil 46 des Ablenkbleches 42 ist außerdem im wesentlichen parallel zu und mit Abstand von dem Kopfeinsatz 18 angeordnet, so daß ein Ablenkblechströmungskanal 52 gebildet ist. Mehrere Ablenkblechkühllöcher 54 erstrecken sich durch den Kopfeinsatz 18 und stehen mit dem Strömungskanal 52 in Strömungsverbindung, um einen Teil der Verdichterluft 30 zum Kühlen des Ablenkbleches 42 zu liefern. Ein geeigneter Brenner, der die Ablenkbleche 42 und die Brennstoffeinspritzvorrichtung 38 aufweist, ist in der US-PS 3 899 884 beschrieben, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.

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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird die Gemischbildungsvorrichtung 22 oder einfach der Drallkörper 22 ausführlicher beschrieben. Der Drallkörper 22 hat eine im wesentlichen zylindrische Trommel 56, die an ihrem Mittelteil 58 an dem vorderen Teil 44 des Ablenkbleches 42 befestigt ist. Die Trommel 56 ist koaxial zu der Längsachse 48 angeordnet. Die Trommel 56 hat außerdem einen vorderen Teil 60, der sich von dem vorderen Teil 44 des Ablenkbleches 42 aus stromaufwärts erstreckt, und einen hinteren Teil 62/ der sich von dem Zwischenteil 58 aus zu dem hinteren Teil des Ablenkbleches 42 erstreckt. Der Zwischenteil 50 des Ablenkbleches 42 ist im wesentlichen parallel zu und mit Abstand von dem hinteren Teil 62 der Trommel 56 angeordnet, so daß ein im Querschnitt ringförmiger Trommeiströmungskanal 64 zwischen ihnen vorhanden ist. Umfangsmäßig und in dem Zwischenteil 50 des Ablenkbleches 42 sind mehrere Trommelkühllöcher 66 vorgesehen, die mit dem Trommelströmungskanal 64 in Strömungsverbindung stehen und einen Teil der Verdichterluft 30 zum Kühlen der Trommel 56 liefern.

Die Gemischbildungsvorrichtung oder der Drallkörper 22 hat außerdem eine ringförmige erste Dralleinrichtung 68, die koaxial um die Längsachse 48 angeordnet ist und in stromauf wärtiger Strömungsverbindung mit einem Einlaßende 70 der Trommel 56 steht. Die erste Dralleinrichtung 68 hat ein erstes Ringteil 72, das eine zentrale öffnung 74 hat, die die Brennstoffeinspritzdüse 40 axial verschiebbar aufnimmt, um Brennstoff aus der Brennstoffdüse 40 in den Drallkörper 22 zu leiten. Die erste Dralleinrichtung 68 hat außerdem mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete erste Leitschaufeln 76, die radial außerhalb von dem ersten Ringteil 72 angeordnet sind. Die ersten Leitschaufeln 76 geben einem ersten Teil 78 der Verdichterluft 30 einen Umfangsdrall und leiten diese Luft in einer im wesentlichen axialen, stromabwärtigen Richtung. Die erste Dralleinrichtung 68 hat weiter einen Ringflansch 80, der an dem radial äuße-

ren Teil der ersten Leitschaufeln 76 starr befestigt ist und zur Befestigung der ersten Dralleinrichtung 68 an der Trommel 56 auf im folgenden beschriebene Weise dient. Die erste Dralleinrichtung 68 vermischt den Brennstoff aus der Brennstoffeinspritzdüse 40 mit dem ersten Teil 78 der Verdichterluft 30 und erzeugt ein erstes Brennstoff/ Luft-Gemisch 82, das sie in das Einlaßende 70 der Trommel 56 leitet.

Der Drallkörper 22 nach Fig. 2 hat einen gegendrehenden Drallkörper und enthält deshalb außerdem eine zweite Dralleinrichtung 84. Die zweite Dralleinrichtung 84 ist koaxial in und stromabwärts von der ersten Wirbeleinrichtung 68 angeordnet und an dem vorderen Teil 60 der Trommel 56 starr befestigt. Die zweite Dralleinrichtung 84 hat ein zweites Ringteil 86 mit einer zentralen öffnung, die das erste Brennstoff/Luft-Gemisch 82 in der Trommel 56 weiter stromabwärts leitet. Das zweite Ringteil 86 hat einen vorderen Teil 88, der sich in stromaufwärtiger Richtung und von der Längsachse 48 aus radial nach außen erstreckt. Der vordere Teil 88 hat einen im Querschnitt insgesamt ü-förmigen Endteil 90, der radial nach innen gerichtet ist und den Ringflansch 80 der ersten Dralleinrichtung 68 radial verschiebbar aufnimmt. Diese Anordnung kompensiert unterschiedliche thermische radiale Expansionen und Kontraktionen zwischen der Brennstoffeinspritzvorrichtung 38 und dem Kopfeinsatz 18 des Brenners 10, an dem der Drallkörper 22 starr befestigt ist. Das zweite Ringteil hat außerdem einen hinteren Teil 92, der eine konvexe innere Oberfläche kleineren Durchmessers zum Bilden eines Venturi hat.

Die zweite Dralleinrichtung 84 hat außerdem mehrere in gegenseitigem ümfangsabstand angeordnete zweite Leitschaufeln 94, die radial außerhalb von dem hinteren Teil 92 des zwei-

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ten Ringteils 86 angeordnet sind, um einem zweiten Teil 96 der Verdichterluft 30 einen Umfangsdrall zu geben. Die zweiten Leitschaufeln 94 sind vorzugsweise einstückig mit dem zweiten Ringteil 86 hergestellt. Die zweite Dralleinrichtung 84 vermischt das erste Brennstoff/Luft-Gemisch 82 mit dem zweiten Teil 96 der Verdichterluft 30 und liefert ein zweites Brennstoff/Luft-Gemisch 98.

Der Drallkörper 22 hat außerdem ein zylindrisches Teil oder eine Ringbüchse 100 mit einem vorderen Teil 102, die einstückig mit den radial äußersten Teilen der zweiten Leitschaufeln 94 ausgebildet sein kann, um die zweite Dralleinrichtung 84 an dem vorderen Teil 60 der Trommel 56 starr zu befestigen. Die Ringbüchse 100 hat außerdem einen Zwischenteil 104 und einen hinteren Teil 106, die sich von den zweiten Leitschaufeln 94 aus stromabwärts erstrecken und mit Abstand radial einwärts von dem Zwischenteil 58 der Trommel 56 angeordnet sind, um einen Strömungssteuerkanal 108 zu begrenzen. Der Zwischenteil 104 der Ringbüchse 100 hat eine insgesamt konvexe innere Oberfläche kleineren Durchmessers zum Bilden eines Venturi. Der hintere Teil 106 der Ringbüchse 100 ist radial nach außen und axial in stromabwärtiger Richtung geneigt oder erweitert.

Im Betrieb wird Brennstoff aus der Brennstoffeinspritzdüse 40 mit dem ersten Teil 78 und dem zweiten Teil 96 der Verdichterluft 30 vermischt, und das sich ergebende zweite Brennstoff/Luft-Geraisch 98 wird über ein Auslaßende 110 der Trommel 56 in die Brennkammer 12 mit einem insgesamt kegelstumpfförmigen Sprühprofil abgegeben, das einen Austritts- oder Ausströmsprühwinkel D mit der Längsachse 48 bildet. Der Ausströmsprühwinkel D kann teilweise durch geeignete Wahl von Variablen, wie der Geometrie der ersten und der zweiten Dralleinrichtung und die Brennstoff- und

Luftdurchsätze, gesteuert werden. Es ist jedoch eine zusätzliche Steuerung des Ausströmsprühwinkels D erwünscht.

Eine verbesserte Eigenschaft ergibt sich gemäß der Erfindung durch die zweite Dralleinrichtung 84, die an der Trommel 56 starr befestigt ist. Dadurch werden Verschiebungen zwischen der zweiten Dralleinrichtung 84 und dem Kopfeinsatz 18 aufgrund von unterschiedlichen thermischen radialen Expansionen und Kontraktionen derselben verhindert, die sonst das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch 98 radial nach innen oder außen zu dem inneren Mantel 16 bzw. dem äußeren Mantel 14 verschieben wurden. Die Kompensation der unterschiedlichen thermischen radialen Expansion und Kontraktion der Brennstoffeinspritzvorrichtung 38 und des Drallkörpers 22 erfolgt durch den Schiebesitz der ersten Dralleinrichtung 68, die die Brennstoffeinspritzdüse 40 aufnimmt, an dem zweiten Ringteil 86. Die Brennstoffeinspritzdüse 40 kann sich zwar frei radial verschieben, die zweite Dralleinrichtung 84 wird jedoch an einer Bewegung gehindert, wodurch bewirkt wird, daß die Möglichkeit der Bildung von heißen Schlieren, zu der es sonst kommen könnte, verringert wird.

Ein weiteres verbessertes Merkmal der Gemischbildungsvorrichtung nach der Erfindung ist eine Strömungssteuereinrichtung 112, die bewirkt, daß die Strömung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemisches 98 auf vorbestimmte Weise beschränkt wird, um den Ausströmsprühwinkel D zusätzlich und genauer zu steuern und dadurch die Möglichkeit der Bildung heißer Schlieren zusätzlich zu reduzieren. Die Strömungssteuereinrichtung 112 enthält in einer Ausführungsform mehrere Steuerlöcher 114 vorbestimmter Größe, die in gegenseitigem Umfangsabstand in dem Zwischenteil 58 der Trommel 56 hinter der ersten Dralleinrichtung 68 und der zweiten Dralleinrichtung 84 angeordnet sind und mit dem Strömungssteuerkanal 108 in Strömungsverbindung stehen. Außerdem sind Löcher in dem vorderen Teil 44 des Ablenkbleches 42 vorgesehen, die

mit den Löchern 114 in Strömungsverbindung stehen.

Die Steuerlöcher 114 empfangen einen Steueranteil 116 der Verdichterluft 30 und leiten diesen Luftanteil in den Strömungssteuerkanal 108. Der Steueranteil 116 wird dann ohne Drallbewegung in im wesentlichen axialer, stromabwärtiger Richtung und radial außen um die Strömung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemisches 98 abgegeben. Die Größe des Steueranteils 116 wird vorher so festgelegt, daß ein ausgewählter Ausströmsprühwinkel D während eines gewünschten Triebwerksbetriebs zustands, beispielsweise während des Reisefluges eines Flugzeuges, erreicht wird. Bei dem dargestellten besonderen Drallkörper 22 ist beispielsweise ein Steueranteil 116 von ungefähr 10 % bis ungefähr 20 % der gesamten Strömung des ersten Teils 78, des zweiten Teils 96 und des Steueranteils 116, d.h. der vereinigten Drallkörperluftströmungfestgelegt worden, um den Ausströmsprühwinkel D auf einen geeigneten Wert zu bringen, damit beispielsweise die Bildung von heißen Schlieren verringert wird. Ein Steueranteil 116 von ungefähr 17 % der gesamten Drallkörperluftströmung wird bevorzugt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die einen Drallkörper 118 zur Verwendung an einer Zündvorrichtung 120 aufweist. Eine geeignete Zündvorrichtung 120 und ihre bauliche Zusammenwirkung mit einem Brenner und einem Drallkörper sind in der US-PS 3 990 834 beschrieben, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird. Der Drallkörper 118 nach Fig. 3 stimmt im wesentlichen mit dem Drallkörper 22 nach den Fig. 1 und 2 überein, mit Ausnahme der im folgenden beschriebenen Merkmale.

Zusätzlich zu den mehreren, in gegenseitigem ümfangsabstand angeordneten Drallkörpern 22 kann der Brenner 10 beispiels-

weise zwei Drallkörper 118 und Zündvorrichtungen 120 aufweisen. Da die Drallkörper 22 auf vorbestimmte Weise ausgelegt werden, um einen bevorzugten Ausströmsprühwinkel D zu liefern, wird ein größerer Ausströmsprühwinkel P bei denjenigen Drallkörpern 118 bevorzugt, die sich neben den Zündvorrichtungen 120 befinden, um ein ausgewähltes Verhältnis von Brennstoff zu Luft und eine ausgewählte Verteilung des Brennstoffes und der Luft in der Nähe der Zündvorrichtung 120 zu schaffen. Das kann erreicht werden, indem das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch 98 näher zu der Zündvorrichtung 120 geleitet wird, um das Zünden desselben zu Unterstützen. Deshalb ist der Drallkörper 118 mit einem gekrümmten, weggeschnittenen Teil 122 im hinteren Teil 62 der Trommel 56 versehen, der der Zündvorrichtung 120 zugewandt ist. Der weggeschnittene Teil 122 gestattet einen besseren Zugang des zweiten Brennstoff/Luft-Gemisches 98 zu der Zündvorrichtung 120. Außerdem hat die Ringbüchse 100 einen gekrümmten, schneppenartigen (pitcher) Lippenteil 124 an ihrem stromabwärtigen Ende, der radial nach außen und in axialer, stromabwärtiger Richtung erweitert ist. Die radial nach außen gerichtete Erweiterung ist relativ größer als die Anfangserweiterung der Ringbüchse 100, um örtlich begrenzt einen größeren Ausströmsprühwinkel P zur Verbesserung der Zündeigenschaften, insbesondere des Hohenneuzündvermögens, zu gestatten.

Der Lippenteil 124 kann bei jeder Wirbelvorrichtung zur Verbesserung des Zündvermögens benutzt werden. Nur ein Lippenteil 124 braucht bei einem zylindrischen Gebilde, wie der Ringbüchse 100, vorgesehen zu werden, die stromabwärts der Drallschaufeln angeordnet ist, um das Brennstoff/Luft-Gemisch in einen Brenner zu leiten. Dadurch, daß ein gekrümmter hinterer Teil der Ringbüchse mehr radial nach außen erweitert ist als der übrige Teil des Umfangs der Ringbüchse, kann der Ausströasprühwinkel P des Brennstoff/Luft-Gemisches an der Zündvorrichtung so gesteuert werden, daß das Zündvermögen

vergrößert wird.

Fig. 4 zeigt eine Endansicht des Drallkörpers 118, in der der Lippenteil 124 ausführlicher dargestellt ist. Der Lippenteil 124 ist vorzugsweise über ungefähr 125° des Umfangs der Ringbüchse 100 nach außen erweitert. Selbstverständlich könnte der Lippenteil 124 sich über einen Winkel von ungefähr 10° bis ungefähr 180° des ümfangs erstrecken, was von den besonderen Entwurfserfordernissen, die bevorzugt werden, abhängig ist. Dadurch, daß nur ein Bogenteil der Ringbüchse 100 nach außen erweitert wird, wird ein größerer Ausströmsprühwinkel* P nur an der Zündvorrichtung 120 geschaffen, wo er erwünscht ist. Der übrige Teil des Umfangs der Ringbüchse 100 dient zum Erzeugen des Ausströmsprühwinkels D und zum Erzielen der mit diesem verbundenen Vorteile.

Während ein Steueranteil 116 von ungefähr 17 % der gesamten Drallkörperluftströmung bei einem Drallkörper ohne Zündvorrichtung, wie dem Drallkörper 22 in Fig. 1, bevorzugt wird, wird ein relativ kleinerer Steueranteil 126 von ungefähr 13 % bei einem Drallkörper 118 bevorzugt, der den Lippenteil 124 hat.

Demgemäß führt die Verwendung eines Drallkörpers 22 und eines Drallkörpers 118 nach der Erfindung zu einer Vergrößerung der Kontrolle über die Strömung des Brennstoff/Luft-Gemisches und die Ausströmsprühwinkel desselben und damit zur Verbesserung der Vergasungs- oder Gemischbildungseigenschaften in dem Brenner 10.

Die Erfindung ist zwar anhand einer Ausführungsform beschrieben worden, die einen gegendrehenden Drallkörper 22 aufweist, es sind jedoch andere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise kann die Strömungssteuereinrichtung 112 in jeder Wirbelvorrichtung vorgesehen werden, um deren Ausströmsprühwin-

kel zu steuern. Eine Wirbelvorrichtung, die nur eine Stufe von Drallschaufeln hat, könnte die Strömungssteuereinrichtung 112 zum Steuern des Ausströmsprühwinkels stromabwärts angeordnet haben. Bei einem solchen einstufigen Drallkörper zur Verwendung in der Nähe einer Zündvorrichtung 120 könnte ein Lippenteil 124 an dem hinteren Ende 110 der Trommel 56 vorgesehen werden, um das Brennstoff/Luft-Gemisch zu der Zündvorrichtung 120 zu leiten.

Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf einen Drallkörper beschrieben worden, der erste Leitschaufeln 76 und zweite Leitschaufeln 94 hat, die als Axialströmungsdrallschaufeln gekennzeichnet sind, es kann jedoch jede Art von Drallkörper benutzt werden, wie beispielsweise solche, die Radialströmungsdrallschaufeln haben.

Weiter kann eine Einrichtung vorgesehen werden zum Beeinflussen der Steuerströmungen 116 und 126 und zum Verändern der Ausströmsprühwinkel D bzw. P während des Triebwerksbetriebes nach Bedarf.

Claims

Ansprüche :

nJ Gemischbildungsvorrichtung zum Vermischen von Brennstoff aus einer Brennstoffdüse und von Luft aus einem Verdichter und zum Fördern des vereinigten Brennstoff/Luft-Gemisches zu einem Brenner eines Gasturbinentriebwerks, gekennzeichnet durch:

eine insgesamt zylindrische Trommel (56), die ein Einlaßende (70)_reinen Zwischenteil (58), ein Auslaßende (110) und eine Längsachse (48) hat;

eine ringförmige erste Dralleinrichtung (68), die koaxial um die Längsachse (48) und in stromaufwärtiger Strömungsverbindung mit dem Einlaßende (70) der Trommel (56) angeordnet ist, wobei die erste Dralleinrichtung ein erstes Ringteil (72), das eine zentrale Öffnung (74) hat, um den Brennstoff aus der Brennstoffdüse (40) in das Einlaßende (70) der Trommel (56) zu leiten, und mehrere in gegenseitigem ümfangsabstand angeordnete erste Leitschaufeln (76) aufweist, die radial außerhalb von dem ersten Ringteil (72) angeordnet sind, um einen ersten Teil (78) der Luft (30) aus dem Ver-

dichter mit dem Brennstoff zu vermischen und ein Brennstoff/ Luft-Gemisch (82) zu schaffen; und

eine Strömungssteuereinrichtung (112), die einen Steueranteil (116) der Luft (30) aus dem Verdichter empfängt und diesen Steueranteil in im wesentlichen stromabwärtiger Richtung in der Trommel (56) und umfangsmäßig um das Brennstoff/Luft-Gemisch leitet, um das Brennstoff/Luft-Gemisch zu begrenzen und einen Ausströmsprühwinkel (D) desselben von dem Auslaßende (110) der Trommel (56) und in den Brenner (10) zu steuern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssteuereinrichtung (112) mehrere Löcher (114) vorbestimmter Größe aufweist, die in der Trommel (56) hinter der ersten Dralleinrichtung (68) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssteuereinrichtung (112) mehrere Löcher (114) vorbestimmter Größe aufweist, die in gegenseitigem Umfangsabstand in dem Zwischenteil (58) der Trommel (56) hinter der ersten Dralleinrichtung (68) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch:

eine ringförmige zweite Dralleinrichtung (84), die koaxial zu und axial zwischen der ersten Dralleinrichtung (68) und der Strömungssteuereinrichtung (112) in Strömungsverbindung mit dem Einlaßende (70) der Trommel (56) angeordnet ist, wobei die zweite Dralleinrichtung (84) ein zweites Ringteil (86), das eine zentrale Öffnung hat, die das erste Brennstoff/Luft-Gemisch (82) durchläßt, und mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete zweite Leitschaufeln (94) aufweist, welche radial außerhalb von dem zweiten Ringteil (86) angeordnet sind, um einen zweiten Teil (96) der Luft (30) aus dem Verdichter mit dem ersten Brennstoff/Luft-Gemisch

(82) zu vermischen und ein zweites Brennstoff/Luft-Gemisch (98) zu schaffen;

wobei die Strömungssteuereinrichtung (112) einen Ausströmsprühwinkel (D) des zweiten Brennstoff/Luft-Gemisches (98) steuert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Dralleinrichtung (84) an der Trommel (56) starr befestigt ist und daß die erste Dralleinrichtung (68) an der Trommel (56) starr befestigt ist, um eine Radialbewegung derselben zum Kompensieren von unterschiedlicher thermischer radialer Expansion und Kontraktion zu gestatten.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch: eine Ringbüchse (100), die ein vorderes Ende (102) hat, das radial außerhalb von der zweiten Dralleinrichtung (84) angeordnet ist, sowie einen Zwischenteil (104) und einen hinteren Teil (106), der sich stromabwärts von der zweiten Dralleinrichtung erstreckt und mit Abstand radial einwärts von der Strömungssteuereinrichtung (112) angeordnet ist, um einen ringförmigen Strömungssteuerkanal (108) zum Empfangen und Weiterleiten des Steueranteils (116) der Luft (30) zu begrenzen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenteil (104) der Ringbüchse (100) eine insgesamt konvexe innere Oberfläche kleineren Durchmessers zum Bilden eines Venturi hat.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Leitschaufeln (76) und die zweiten Leitschaufeln (94) den ersten Teil (78) bzw. den zweiten Teil (96) der Luft (30) empfangen und in eine insgesamt axiale Richtung leiten.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Verwendung an einer Brennstoff Zündvorrichtung (120) in dem Brenner (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (56) einen gekrümmten, weggeschnittenen Teil (122) an ihrem hinteren Ende hat, der der Zündvorrichtung (120) zugewandt ist, und daß das hintere Ende der Ringbüchse (100) einen schneppenartigen Lippenteil (124) hat, der dem weggeschnittenen Teil der Trommel zugewandt ist, um das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch (98) zu der Brennstoffzündvorrichtung zu leiten und dadurch das Zündvermögen zu steigern.
10. Gemischbildungsvorrichtung zum Vermischen von Brennstoff aus einer Brennstoffdüse und von Luft aus einem Verdichter und zum Leiten des vereinigten Brennstoff/Luft-Gemisches durch ein Auslaßende eines rohrförmigen Teils und in die Nähe einer Brennstoff zündvorrichtung in einem Brenner eines Gasturbinentriebwerks, dadurch gekennzeichnet,

daß das Auslaßende des rohrförmigen Teils (100) einen schneppenartigen Lippenteil (124) aufweist, der über einem bogenförmigen Teil des hinteren Endes des rohrförmigen Teils radial nach außen erweitert ist, um das Brennstoff/Luft-Gemisch in die Nähe der Brennstoffzündvorrichtung (120) zu leiten.
11. Verfahren zum Steuern eines Ausströmsprühwinkels eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das von einer Gemischbildungsvorrichtung eines Brenners eines Gasturbinentriebwerks abgegeben wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Einleiten eines Steueranteils von Verdichterluft in stromabwärtiger Richtung und in ümfangsrichtung um das Brennstoff/ Luft-Gemisch zum vorbestimmten Begrenzen des Brennstoff/Luft-Gemisches und zum Steuern des Ausströmsprühwinkels desselben.