DE3328682A1

DE3328682A1 - Brennerauskleidung fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3328682A1
Application number: DE19833328682
Authority: DE
Inventors: Jacob Sherman 01938 Ipswich Mass. Hofman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-08-16
Filing date: 1983-08-09
Publication date: 1984-03-08
Also published as: IT8322399A0; IT1194584B; FR2531748A1; JPS5969626A; GB8316374D0; FR2531748B1; CA1208922A; GB2125950A; GB2125950B

Description

Brennerauskleidung für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf Brennerauskleidungen für Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf solche Brennerauskleidungen, die eine Verdünnungsluftströmung in die Verbrennungszone liefern.

Ein erhöhter Wirkungsgrad bei Gasturbinentriebwerken wird zumindest teilweise durch eine Erhöhung der Betriebstemperaturen im Triebwerksbrenner erreicht, um diesen höheren Temperaturen innerhalb einer angemessenen Lebensdauer zu widerstehen, müssen nicht nur höchst komplizierte Legierungen und Materialien verwendet werden, sondern es müssen auch wirksame und zuverlässige Mittel zum Kühlen der Auskleidungen der Brennkammern geschaffen werden.

Eine der wirksamen Kühlmöglichkeiten für die Brennerauskleidung ist die Filmkonvektionskühlung. Dabei wird eine Schutzfilmgrenzschicht aus Kühlluft so gerichtet, daß sie entlang der inneren Oberfläche einer Brennerauskleidung strömt, um dadurch die Auskleidung von den benachbarten heißen Verbrennungsgasen zu trennen bzw. zu isolieren. Der kühlende Luftfilm bildet nicht nur eine schützende Grenzschicht zwischen der Auskleidung und den heißen Gasen, sondern er sorgt auch für eine Konvektionskühlung der Auskleidung selbst. Die Luft, die auf diese Weise ausgenutzt wird, kann als Brennerauskleidungs-Filmkühlluft beschrieben werden.

Zusätzlich zur Fimkühlung der Brennerauskleidung wird auch verdichtete Luft, die vom Verdichter des Triebwerks ausgestoßen wird, durch die Brennerauskleidung in das Innere des Brenners gerichtet, um Sauerstoff für die innerhalb des Brenners

ablaufend© Verbrennung su liefern „ Es müssen wesentliche Lüftungen Ia den Brenner entlang der gesamten Länge des Brenneraufbaues gerichtet i-jerelen, Bm den Verbrennungsprozeß zu unterbalt@n» Auf diese Weise verwendete Luft wird als Verdünnungsliaft bezeichnet ο

Ein recht üblicher üeg sur Einführung dieser Verdünnungsluft fe@st.eht darin, Veräünmangsströmungsöffnungen mit einem relativ großen Radius au verwenden» Diese öffnungen sind üblicherweise In der Form von Rohrteilen aufgebaut _e die sich über die g©saate Länge der Brennerauskleidung erstrecken»

Eines der Probleme Mit der derseitigen Verwendung von Verdünaungsströmungsöffnungea besteht darin , daß große Mengen von ¥©rdiehterluft in den Brenaer durch eine Strömungsbahn gezogen werden,, die das Kühlpotential der Verdxchterausgangsluft nicht voll ausnutzt= Es ist eine wesentliche Arbeit aufgewendet worden, um diese Luft zu verdichten, so daß es sehr wünschenswert ist, diese Laft in einer möglichst effektiven Weise auszunutzen«

Es Ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennerauskleidung zu schaffen, die die nutzbaren Eigenschaften der Verdünnungsluft besser ausnutzt., Dabei soll die Verdünnungsluft für zusätzliche Zwecke beim Eintritt in die Verbrennungszone ausgenutzt werden»

Erfindungsgemäß wird verdichtete Luft, die aus einem den Brenner umgebenden Bereich abgezogen wird, für wenigstens zwei getrennte Zwecke benutzt« Erstens v/ird die Luft durch eine äußere Brennerauskleidung für eine Prallkühlung der inneren ÄuskleidungsSegmente des Brenners gezogen. Zweitens strömt ein Teil der Luft, die zur Prallkühlung der inneren Auskleidung verwendet worden ist, anschließend durch Verdünnungslöcher zur Ausbildung einer Verdünnungsströxnung in die Brennkammer» Zusätzlich itfird der übrige Teil der Luft, die Ursprung-

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lieh für eine Prallkühlung verwendet wurde, auch durch FiImkühlungslöcher gerichtet für eine Filmkühlung der inneren Wände der inneren Auskleidungssegmente. Die verdichtete Luft kann auf diesen getrennten Wegen verwendet werden aufgrund eines neuartigen Aufhaus der Brennerauskleidung, wobei die innere und äußere Auskleidung durch einen Raum getrennt sind, wo die verdichtete Luft eine Pralldecke zwischen den zwei Auskleidungen bildet. Die Luftdecke dient als eine Quelle für die Verdünnungsströmung und kann auch eine Quelle für Filmkühlungsluft sein.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen erläutert.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung von einem Gasturbinentriebwerk, in dem die Erfindung angewendet werden kann.

Figur 2 ist ein schematisches Schnittbild von einem typischen Brenner eines derartigen Gasturbinentriebwerkes.

Figur 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung von einem· Ausführungsbeispiel eines Brenners für ein Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist ein typisches Gasturbinentriebwerk 10 gezeigt, um die Funktionen der Komponenten innerhalb des Triebwerkes zu beschreiben. Das Triebwerk 10 weist ein äußeres Gehäuse mit einem Einlaßende 12 auf, um Umgebungsluft in einen vielstufigen Axialverdichter 10 aufzunehmen. Der Verdichter 14 enthält Reihen von Laufschaufeln 16, zwischen denen Reihen nicht umlaufender Statorschaufeln 18 angeordnet sind. Die Laufschaufeln 16 dienen zum Verdichten der Einlaßluft, die nach ihrer Verdichtung an einem stromabwärtigen Ende des Verdichters 14 durch eine Reihe von Auslaßführungsschaufeln 20 ausgestoßen wird, an die sich ein ringförmiger Diffusor 22

abschließtο Der Diffusor 22 stößt die verdichtete Ausgangslüft des Verdichters in einen Bereich 28 aus, der einen Brenner 30 umgibt»

Teile dieser verdientsten Luft in dem den Brenner 30 umgebenden Bereich 28 werden in den Brenner 30 gerichtet, wo sie mit Brennstoff gemischt und entzündet wird, um einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Verbrennungsgase zn bilden» Di® Verbrennungsgase Herden mit hoher Geschwindigkeit in einen Turbinenabschnitt 32 geleitet. Der Turbinenabschnitt entnimmt den Verbrennungsgasen Arbeit, um die Laufsehauf ela des Verdichters 14 über eine Verbindungswelle 34 anzutreiben» Zusätzlich kann der Turbinenabschnitt 32 zusätzliche Arbeit aus den Verbrennungsgasen ziehen, um eine Welle anzutreiben„ die mechanische Leistung für beliebige, vom Benutzer gei-ränschte Leistung liefert. Beispielsweise könnte über eine Welle eins rotierende Hubschrauberschaufel (nicht geneigt) oder ein Propeller (ebenfalls nicht gezeigt) oder irgendetwas anderes angetrieben werden. Nachdem sie durch den Turbinenabschnitt 32 geströmt sind,, können die Verbrennungs gasedurch eine Schubdüse 38 in die Atmosphäre ausgestoßen warden, um dadurch Vorwärtsschub für das Triebwerk 10 zu

Die Grundprinzipien von Gasturbinentriebwerken, deren allgemeiner Aufbau und ihre Wirkungsx^eise sind an sich bekannt. Das in Figur 1 gezeigte Triebwerk ist ein Turbojet-Triebwerk , aber es kann auch irgendein anderes Gasturbinentriebwerk verwendet x-jerden« Das Triebttferk 10 soll nur das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern.

In Figur 2 ist ein Brenner 30 mit einem Aufbau, wie er in einem typischen Gasturbinentriebwerk gemäß Figur 1 verwendet werden könnte, gezeigt, um die Luftströmung von dem den Brenner umgebenden Bereich 28 in den Brenner selbst zu zeigen. Die Luft in dan den Brenner 30 umgebenden Bereich 28 ist stark

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verdichtet, da sie aus einem Verdichter (nicht gezeigt) entnommen ist. Sie ist auch relativ kalt in bezug auf die Temperaturen innerhalb des Brenners, wo der Verbrennungsprozeß während des Triebwerksbetriebs abläuft.

Die vom Verdichter 30 abgegebene Luft, die auch als Verdichterausgangsluft bekannt ist, wird verwendet, um sowohl den Verbrennungsprozeß zu unterstützen als auch den Brenneraufbau selbst zu kühlen.

Brennstoff wird in den Brenner 30 durch einen Brennstoffeinspritzer 40 als eine feine Strömung von Tröpfchen eingespritzt, die sich leicht mit der verdichteten Luft mischen, um ein brennbares Gemisch zu bilden. Die Verdichterausgangsluft tritt in den Brenner durch eine Anzahl von Öffnungen in dem Brenneraufbau ein. An seinem stromaufwärtigen Ende weist der Brenner 30 einen Dom 42 auf, der mit Lufteinlaßlöchern 44 versehen ist, die für eine Prallkühlung eines Domflansches 46 sorgen.

In stromabwärtiger Richtung richten die Filmkühlungslöcher 48 verdichtete Luft in den Brenner in Form eines dicken Filmes, der entlang den Innenwänden 50 des Brenners strömt. Weiter stromabwärts wird Verdünnungsluft durch Verdünnungsöffnungen 52 eingeführt. Der Zweck dieser Verdünnungsluft besteht darin, die Verbrennungsprozesse innerhalb einer inneren Kammer 54 zu unterstützen. Die einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Verbrennungsgase strömen stromabwärts durch einen Brennerauslaß 56 in einen Turbinenabschnitt (nicht gezeigt).

Es wird auf einfache Weise deutlich, daß die Verdichterausgangs luft, die durch die Verdünnungsöffnungen 52 in den Brenner eingeführt ist, lediglich die Funktion hat, Luft zur Unterstützung der Verbrennungsprozesse zu liefern.

In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit ©inern typisehen Br©nn<sr 30 gezeigt. Wie bei den meisten Brennern ist ein Brennstoffeinspritzer 40 am stromaufttfärtigen Ende vorgesehen, im einen feinen Brennstoffsprühnebel iß die Innenkammer 54 des Brenners 30 einzuspritzen. Innerhalb der Kammer 54 mischt sich der Sprühnebel mit Luft und wird gezündet, um die einen hohen Druck und eine hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgase zu bilden, die stromabwärts aus einem Brennerauslaß 56 strömen. An seinem stromaufwärtigen Ende hat der Brenner die Form eines Domes 42. Der Dom 42 ist mit Lufteinlaßlöchern 44 versehen für eine Prallkühlung eines Domflansches 46« In stromabwärtiger Richtung wird eine erste Reihe von Filmkühlluftlöchern 48 verwendet, ■um einen Film von Kühlluft entlang den Innenwänden des Brenners für eine Filmkühlung su richten. Bis hierher ist der in Figur gezeigte Brenner 30 ähnlich wie bekannte Brenner.

Stromabwärts einer ersten Reih© 49 von Filmkühllöchern weist der Brenner einen Auskleidungsaufbau 58 auf, der in besonderer Weise gestaltet ist und die Verdünnungsluft in einer neuen und nutzbringenden Weise ausnutzt„ Die Auskleidung 58 weist eine äußere Auskleidungswand 60 auf, die im allgemeinen eine svlindrische Form um die Mittellinie des Triebwerks aufweist, um so die Hauptgrenzen äos Brenners 30 zu bilden. Auf der äußeren Verkleidungsifand 60 sind mehrere Kühlluftlöcher 62 verteilt, um dadurch der Verdichterausgangsluft aus dem den Brenner umgebenden Bereich 28 einen Zugang zu verschaffen, um durch die äußere Auskleidungswand 60 zu strömen. Diese verdichtete Luft, die durch die Kühlluftlöcher 62 der äußeren

für ein Auskleidung strömt, sorgt für eine Prallkühlung/oder mehrere Wandsegmente 64 der inneren Auskleidung.

Die Wandsegmente 64 der Innenauskleidung sind radial von der äußeren Auskleidungswand 60 beabstandet, um dadurch einen Raum zu bilden, in den eine Pralldecke 66 aus Kühlluft gebildet wird. Die Pralldecke 66 dient dazu, die inneren Auskleidungs-

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segmente 64 kontinuierlich zu kühlen. Die Beabstandung wird durch Umfangswülste 72 gebildet, die Teil der Innenwandsegmente 64 sind. Die Wülste 72 liegen an der Außenwand 60 an.

Die Luft, die die Pralldecke 66 bildet, kann anschließend auf zwei unterschiedlichen Wegen ausgenutzt werden. Ein Teil der Pralldeckenluft kann durch Verdünnungsströmungslöcher 68 gerichtet werden, um eine wesentliche Luftquelle zu bilden, die die Verbrennungsprozesse in der Brennkammer 54 unterstützen. Der verbleibende Teil der Luft in der Pralldecke 66 kann durch sekundäre Filmkühlungslöcher 70 geleitet werden, um einen Film aus Kühlluft entlang den innenseitigen Wänden der Innenwandsegmente 64 zu bilden.

Mit diesem Aufbau der Brennerauskleidung kann verdichtete Luft in dem den Brenner 30 umgebenden Bereich 28 für zwei oder drei getrennte und unterschiedliche Funktionen ausgenutzt werden. Erstens wird die verdichtete Luft zur Prallkühlung der Wandsegmente 64 der Innenauskleidung des Brenners benutzt. Zweitens kann die gleiche Luft, die zur Prallkühlung verwendet worden ist, für eine Verdünnungsströmung in die Brennkammer 54 und/oder drittens für eine Filmkühlung der Innenwandsegmente 64 verwendet werden. Deshalb übt die Luft, die die Pralldecke bildet, wenigstens zwei Funktionen aus und kann möglicherweise drei Funktionen ausüben.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist an einem stromabwärtigen Abschnitt des Brenners 30 gezeigt, wo Pralluft nur zur Prallkühlung und für die Verdünnungsströmung verwendet wird. Dieses andere Ausführungsbeispiel ist bei Segmenten von Brennern brauchbar, wo eine Filmkühlung der Innenwände nicht mehr so wünschenswert ist.

Eines der höchst nützlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die möglichen Kühleigenschaften

der Verdünnungsströmungsluft für die Prallkühlung der Innenwandsegmente 64 des Brenners 30 verwendet werden. Diese Funktion ist bei derzeitigen Brennern wünschenswert, wo die Verbrennungstemperaturen 16 5O°C (3000°F) überschreiten und für die Brennermaterialien sehr schädlich sein können.

In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die allgemeine Strömungsverteilung der Kühlluft in der folgenden Weise beschrieben werden» Von der Gesamtmenge (100 %) der in die Innenkammer 54 des Brenners strömenden Luft strömt etwa 30 % durch den Brennstoffeinspritzer 40 und die Domeinlaßlöcher 44 in dem Dom 42 „ und weitere etwa 10 % dieser Luft strömt durch die erste Reih© 49 der Filmkühllöcher. Die restlichen 60 % dieser Luftmenge x-?erden zur Prallkühlung verwendet, um das Prallpolster 66 zu bilden.

Von dem Prallpolster 66 v/erden etwa 2/3 (oder etwa 40% der Gesamtmenge der Xnnenkammerluftj verwendet für die Verdünnungsströmung durch die Verdünnungslöcher 68, und das restliche Drittel (oder etwa 20 % der Gesamtmenge der Innenkammerluft) wird als Filmkühlungsluft verwendet„ die durch die sekundären Filmkühllöcher 70 geleitet wird»

Es sei darauf hingewiesen, daß die vorgenannten Prozentsätze nur überschlägig gelten und in anderen Äusführungsbeispielen der Erfindung wesentlich geändert werden können.

Beispielsweise könnte in einem Äusführungsbeispiel der Erfindung eine Brennerauskleidung verwendet werden, bei der keine Luft des Prallpolsters bzw* der Pralldecke für eine Filmkühlung verwendet wird, und daß die gesamte Luft durch die Verdünnungsluftlöcher als eine Verdünnungsluftströmung geleitet wird«

Leerseite

Claims

6000 Frankfurt/Main 1 Kaiserstrasse 41

Teiefen

Telex

Telegramm

Bankkonto

Posteeheckkonto

(0611) 235555 04-16759 mapat d mainpatent frankfurt (0611)251615 (CCITT Gruppe 2 und 3)

225/0389 Deutsche Bank AG 282420-602 Frankfurt/M.

JIw Zelehen/Your -ref. :

Unser Zeichen / Our ref.: 9107 -1 3LN-015 8 Date/Date :8. August 1983

Vo./he.

Electric Company 1 River Road Schenectady,, K„y,/Ü.S.Ä.

Brennerauskleidung für ein Gasturbinentriebwerk

Ansprüche

Brennerauskleidung für einen Brenner in einem Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter, der verdichtete Luft liefert , dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (30) eine äußere Verkleidungswand (60), Kühlluftlöcher (62), die in der äußeren Auskleidungswand verteilt sind und einen Zugang für die verdichtete Luft bilden, um durch die äußere Äuskleidungswand zu strömen, ein oder mehrere Innenauskleidungswandsegmente (64), die im Abstand von der äußeren Auskleidungswand angeordnet sind, um für eine Prallkühlung der Innenwandsegmente mit der verdichteten Luft zu sorgen, und VerdünnungsstrÖmungsöffnungen(68)aufweist, die in den Innenwandsegmenten verteilt sind zur Bildung einer Verdünnungsströmung in den Brenner, wobei die Verdünnungsströmung wenigstens teilweise durch die Luft gebildet ist, die

zur Prallkühlung der Innenwandsegmente verwendet ist.
2. Brennerauskleidung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Verdünnungsströmung durch die Luft gebildet ist, die zur Prallkühlung der Innenwandsegmente (64) verwendet ist.
3. Brennerauskleidung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Pralldecke bzw. ein Prallpolster (66) aus Kühlluft zwischen der äußeren Auskleidungswand (60) und den inneren Auskleidungswandsegmenten (64) gebildet ist, wobei die das Prallpolster (66) bildende Kühlluft für eine Prallkühlung der inneren Auskleidungswandsegmente sorgt und zusätzlich eine Quelle für Verdünnungsluft bildet.
4. Brennerauskleidung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Auskleidungswandsegmente (64) darin ausgebildete Umfangswülste (72) aufweisen, die an der äußeren Auskleidungswand(60^anliegen und dadurch wenigstens teilweise einen Abstand zwischen der äußeren Auskleidungswand und den inneren Auskleidungswandsegmenten bilden.
5. Brennerauskleidung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerauskleidung einen prallgekühlten Dom am stromaufwärtigen Teil des Brenners aufweist, wobei der Dom durch Dompralluft gekühlt ist, und daß eine Menge von verdichteter Luft in den Brenner einleitbar ist, wobei diese Menge im allgemeinen so proportioniert ist, daß etwa 30 % der Menge für die Brennstoffeinspritzung am Dom und die Dompralluft verwendet ist, etwa 60 % der Menge zur Bildung der Pralldecke bzw. des Prallpolsters (66) für eine Prallkühlung der inneren Auskleidungswandsegmente (64)

10 % d@r Menge nur zur Filmkühlung verwendet ist.

So Brennerausklsidung nach Anspruch 5_P dadurch gekennzeichnet, daß die sur Bildung d@r Pralldecke bw. d@s Prallpolsters (66) verwendete Luft im allgemeinen so proportioniert ist, daß etwa 1/3 sur Filakühlung der Ixmenauskleidungssegmente (64) und etwa 2/3 für die Verdünnungsströmung verwendet

ο Brennerauskleidung für einsn Brenner in einem Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter,, dadurch gekennzeichnet , daß die Äuskleidungs Mittel aufweist sum Verwenden der Verdichterausgangsluft für eine Prallkühlung der Innenauskleidungswandsegmente des Brenners und zur Verwendung eines Teiles der gleichen Verdichterausgangsluft als Prallkühlungsluft,, um als Verdünnungsluft zur Unterstützung der Verbrennung im Brenner zu dienenο