DE3744047A1

DE3744047A1 - Verwirbelungsanordnung fuer die brennkammer eines gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE3744047A1
Application number: DE19873744047
Authority: DE
Inventors: Edward James Wehnerr
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-01-02
Filing date: 1987-12-24
Publication date: 1988-07-14
Anticipated expiration: 2007-12-25
Also published as: GB2199649B; IT1224425B; IT8723250A0; DE3744047C2; GB2199649A; GB8730060D0; FR2609324A1; FR2609324B1; JPS63197813A; US4763482A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbe sondere auf Verwirbelungsanordnungen zum Zuführen von Verbrennungs luft zu der Brennkammer von Gasturbinentriebwerken.

Gasturbinentriebwerke enthalten eine Brenner- bzw. Brennkammer struktur, in der Brennstoff verbrannt wird, um die erforderliche Energie zu liefern. Um eine Verbrennung herbeizuführen, werden einer Verbrennungszone Brennstoff und Luft in einer Weise zuge führt, um ein optimales Mischen der Luft und des Brennstoffes für eine effektive Verbrennungs zu bewirken. Gewöhnlich wird der Brenn stoff durch eine Brennstoffdüse zugeführt, die an dem einen Ende der Verbrennungszone angeordnet ist, und Luft wird durch einen umgebenden Verwirbler zugeführt, der der Luft eine Wirbelbewegung erteilt, damit die Luft innig mit dem Brennstoff gemischt wird.

In einer bekannten Struktur ist der Verwirbler mit mehreren im Winkel gerichteten Durchlässen versehen, die eine Verwirbelung der Luft innerhalb der Verbrennungszone und dadurch eine innige Mischung mit dem Brennstoff bewirken. In dieser bekannten Struk tur ist der Verwirbler auf der Brennstoffdüse angebracht und weist einen Abschnitt auf, der in einem gleitenden Eingriff mit einem Teil der Wand der Verbrennungszone steht. Die Luft durch die im Winkel gerichteten Durchlässe des Verwirblers hat die Tendenz, daß der Verwirbler sich um seine Halterung auf der Brennstoffdüse zu drehen versucht. Damit der Verwirbler in der Lage ist, für die erforderliche Verwirbelung der Luft und die effektive Mischung der Luft und des Brennstoffs zu sorgen, ist es notwendig, daß die Drehung des Verwirblers eingeschränkt ist. In einer bekannten Struktur geschieht dies dadurch, daß ein Ansatzstück auf dem Ver wirbler und ein Anschlag auf der Brennerstruktur vorgesehen sind, wobei der Anschlag die Rotation des Verwirblers begrenzt.

Jedoch ist die Brennerstruktur durch Schwingungen aktiv und dar über hinaus besteht eine wesentliche thermische Expansion der Komponenten während des Betriebs eines Gasturbinentriebswerks. Infolgedessen besteht eine relative Bewegung zwischen dem Ansatz stück und dem Anschlag, wodurch eine wesentlichen Abnutzung ent steht, die eventuell eine Reparatur erfordert und die Wartungs kosten vergrößert.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennerstruktur für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei der den Brennstoffdüsen Verwirbler zugeordnet sind und die eine Anschlaganordnung auf weist zum Begrenzen der Drehung der Verwirbler in einer Weise, die die Abnutzung minimiert und dadurch den Wartungsaufwand ver kleinert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Gastur binentriebwerk eine ringförmige Brennerstruktur auf, die mehrere im Winkel versetzte Verbrennungszonen enthält. Eine Brennstoff düse ist in jeder Verbrennungszone angeordnet, um Brennstoff zu zuführen. Ein Verwirbler ist auf jeder der Brennstoffdüsen ge haltert und weist mehrere im Winkel gerichtete Durchlässe auf, um eine Wirbelbewegung der in die Verbrennungszone eintretenden Luft zu bewirken, wodurch für eine innige Mischung der Luft mit dem Brennstoff gesorgt wird. Um die Drehung der Verwirbler zu begrenzen, sind die Verwirbler in Paaren einander zugeordnet, wo bei jeder Verwirbler von jedem Paar ein Ansatzstück aufweist, das radial nach außen ragt. Wenn Luft durch die im Winkel gerichteten Durchlässe zugeführt wird, werden die Verwirbler in eine Richtung gedrückt, die die Ansatzstücke von jedem Paar im Eingriff mitein ander bringt und dadurch eine weitere Drehbewegung der Verwirbler begrenzt.

Somit wird erfindungsgemäß eine Anordnung zum Begrenzen der Dreh bewegung der Verwirbler erhalten, wodurch die eingangs genannte Abnutzung auf ein Minimum gesenkt wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 - ist eine Schnittdarstellung von einer Brennerstruktur, die die allgemeine Anordnung der Brennerkomponenten zeigt.

Fig. 2 - ist eine teilweise aufgeschnitten dargestellte Ansicht von einem Abschnitt einer ringförmigen Brennerstruktur und zeigt ein Verwirblerpaar gemäß der Erfindung.

Fig. 3 - ist eine Fig. 2 entsprechende Darstellung und zeigt eine bekannte Struktur.

Fig. 4 - ist eine Darstellung von einem bekannten Verwirbler mit einer aufgetretenen Abnutzung.

Fig. 5 - ist eine schematische Darstellung und zeigt die Kräfte, die auf die bekannte Verwirblerstruktur wirken.

Fig. 6 - ist eine schematische Darstellung der Kräfte, die auf die Verwirblerstruktur gemäß der Erfindung wirken.

Fig. 1 ist eine Ansicht von einer der mehreren Verbrennungszonen, die in dem Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung verwendet werden. Die Brennkammerstruktur gemäß der Erfindung ist ringför mig, und die Verbrennungszonen, von denen eine bei 10 in Fig. 1 dargestellt ist, sind in einer im Winkel versetzten Relation in der Ringkammerstruktur angeordnet. In dem speziellen Ausführungs beispiel der Erfindung werden dreißig derartige Verbrennungszo nen in der Brennkammerstruktur verwendet.

Gemäß Fig. 1 enthält das Gasturbinentriebwerk Wände 12 und 14, die die ringförmige Brennerhalterungsstruktur bilden. Die Ver brennungszonen 10 sind in einer im Winkel versetzten Relation innerhalb der Brennerstruktur angeordnet. Jede Verbrennungszone enthält eine ringförmige Auskleidung 16, eine ringförmige Aus kleidung 17 und ein ringförmiges Teil 18.

Um der Verbrennungszone Brennstoff zuzuführen, ist eine Düsen struktur 20 auf der Wand 12 gehaltert. Diese Düsenstruktur 20 endet in einer Düse 22, durch die der Verbrennungszone Brennstoff zugeführt wird.

Verbrennungsluft zum Verbrennen des Brennstoffes wird von einem Verdichter (nicht gezeigt) des Gasturbinentriebwerks in Richtung des Pfeils 24 zugeführt. Um diese Luft in einer Wirbelbewegung in die Verbrennungszone einzuführen und dadurch eine innige Mi schung der Luft mit dem Brennstoff aus der Düse 22 herbeizufüh ren, ist ein Verwirbler 26 vorgesehen. Der Verwirbler ist auf der Brennstoffdüse 22 angebracht und weiterhin durch ein Teil 30 gehaltert.

Wie bereits beschrieben wurde, enthält das Gasturbinentriebwerk mehrere derartige Verbrennungszonen, die in einer im Winkel ver setzten Lage um die volle ringförmige Ausdehnung der Brenner struktur angeordnet sind. In einem speziellen Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung sind dreißig derartige Verbrennzungszonen, die jeweils einen Verwirbler 26 aufweisen, in der Brennkammer struktur vorgesehen. Gemäß der Erfindung sind, wie es nachfolgend näher erläutert wird, die dreißig Verwirbler, die den dreißig Verbrennungszonen zugeordnet sind, in Paaren angeordnet, d. h. es gibt fünfzig derartige Paare in der Gesamtstruktur.

Gemäß Fig. 2 enthält jeder der Verwirbler 26 mehrere im Winkel gerichtete Düsen 32, um die Verbrennungsluft in die entsprechen de Verbrennungszone verwirbelnd einzuführen, um eine innige Mi schung der Luft und des Brennstoffs zu bewirken. Aufgrund der Winkellage der Kanäle 32 bewirkt die Luft, die durch diese Kanäle gerichtet wird, daß beide Verwirbler, die in Fig. 2 gezeigt sind, bei der in Fig. 2 gezeigten Orientierung in Gegenuhrzei gerrichtung drehen.

Die bekannten Verwirbler, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, sind entsprechend angeordnet in einer ringförmig versetzten Weise innerhalb der Ringbrennkammer. Diese bekannten Verwirbler 34 enthalten mehrere im Winkel gerichtete Durchlässe 36, die den Durchlässen 32 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspre chen. Somit haben auch die bekannten Verwirbler gemäß Fig. 3 die Tendenz, sich in Gegenuhrzeigerrichtung zu drehen unter dem Einfluß der Luft, die durch die im Winkel gerichteten Durchlässe 36 strömt. Um diese Drehbewegung zu begrenzen und um dadurch sicherzustellen, daß die Luft in einer Weise in die Brennkammer gerichtet ist, die die erforderliche Verwirbelungswirkung er reicht, sind die bekannten Verwirbler 34 gemäß Fig. 3 so ge formt, daß sie zwei diametral verlaufende Ansatzstücke 38 aufwei sen. Die Brennkammer ist dabei so aufgebaut, daß sie stationäre Anschläge 40 aufweist, die jeweils so angeordnet sind, daß sie mit dem entsprechenden Ansatzstück 38 in Eingriff kommen, um die Drehung der Verwirbler 34 zu begrenzen.

Jedoch ist die Brennkammerstruktur eines Gasturbinentriebwerks aufgrund von Schwingungen aktiv. Darüber hinaus tritt eine Expan sion der Komponenten der Gesamtstruktur während eines Betriebs des Gasturbinentriebwerks auf. Infolgedessen besteht eine rela tive Radialbewegung der Ansatzstücje 38 und der Anschläge 40. Da die Ansatzstücke 38 mit einer wesentlichen Kraft gegen die Anschläge 40 gedrückt werden, bewirkt diese relative Radialbewe gung eine Abnutzung auf den Ansatzstücken 38 der Verwirbler 34, die eine eventuelle Auswechslung der Verwirbler erfordert und zusätzliche Wartungskosten des Gasturbinentriebwerks verursacht.

Ein Beispiel für eine derartige Abnutzung ist bei 42 in Fig. 4 gezeigt.

Gemäß der Erfindung ist das Problem der Abnutzung der Anschläge eliminiert, indem die Anschläge selbst eliminiert sind und die erforderliche Begrenzung der Drehung der Verwirbler durch eine Eingriffslage der Ansatzstücke auf benachbarten Verwirblern von jedem Verwirblerpaar erreicht wird. Wie bereits ausgeführt wurde, sind die Verwirbler gemäß der Erfindung jeweils in benachbarten Paaren angeordnet. Somit werden in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dreißig Verbrennungszonen verwendet, die um die ringförmige Brennerstruktur herum angeordnet sind, fünfzehn derartige Paare von Verwirblern verwendet. Eines dieser Paare ist in Fig. 2 dargestellt.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung wird Nutzen gezogen aus der Drehrelation von benachbarten Verwirblern jedes Paares. Somit wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist, auf jeden Verwirbler 26 unter dem Einfluß von Luft, die durch die im Winkel versetzten Kanäle 32 strömt, eine Drehkraft ausgeübt in Richtung der Pfeile 44. So wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 auf beide Verwirbler 26 eine Drehkraft ausgeübt, die die Verwirbler in Gegenuhrzeigerrichtung zu bewegen versucht. Dies bedeutet, daß an dem benachbarten Bereich der Verwirbler der Umfang des linken Verwirblers 26 sich in einer Aufwärtsrichtung zu bewegen versucht, die durch den Pfeil 46 angedeutet ist. Gleichzeitig versucht der benachbarte Umfang des rechten Verwirblers 26 sich in Abwärts richtung zu bewegen, wie es durch den Pfeil 48 angegeben ist.

Diese Relation wird nun dadurch ausgenutzt, daß jeder Verwirbler mit einem radial verlaufenden Ansatzstück 50 versehen wird. In dem gezeigten speziellen Ausführungsbeispiel hat jedes Ansatz stück 50 eine gegabelte Form mit zwei Fingern 52. Die Finger 52 der Ansatzstücke 50 sind, wie es in Fig. 2 zu sehen ist, so an geordnet, daß sie sich gegenseitig verriegeln. Da die Verwirbler 26 alle einen gleichen Aufbau haben und von einer gemeinsamen Luftquelle gespeist werden, sind die auf jeden Verwirbler ausge übten Drehkräfte im wesentlichen gleich, und deshalb sind die vorgenannten, entgegengesetzt gerichteten Kräfte im wesentlichen gleich. Da sich deshalb die entgegengesetzten Kräfte in Richtung der Pfeile 46, 48 gegeneinander aufheben, sind die Verwirbler von jedem Paar an einer Drehung gehindert.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist das beim Stand der Technik auftretende Problem, d. h. der Eingriff zwischen einem Ansatzstück auf einem Verwirbler und einem Anschlag auf der durch Schwingun gen aktiven Brennerstruktur, wobei die Relativbewegung des An schlags und des Ansatzstückes eine Abnutzung des Ansatzstückes zur Folge hatte, beseitigt. Weiterhin ist die Konstruktion ver einfacht, da die erfindungsgemäße Struktur nur ein einzelnes An satzstück auf jedem Verwirbler erfordert und die separaten An schläge auf der Brennerstruktur vollständig eliminiert sind. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Verwirbler frei, sich radial und in Umfangsrichtung relativ zu den Brennstoffdüsen zu bewegen, um Änderungen durch Montage und Betrieb aufzunehmen. Die radiale Bewegung ist in etwas übersteigerter Form durch die gestrichelten Linien in Fig. 6 dargestellt.

Zwar ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 je des der Ansatzstücke in gegabelter Form mit zwei Fingern 52 aus geführt, wobei die Finger der benachbarten Ansatzstücke für eine gegenseitige Verriegelung angeordnet sind, aber jedes Ansatzstück könnte auf Wunsch auch als ein einzelner radial verlaufender Arm ausgeführt werden, wobei die Arme von benachbarten Ansatzstücken einfach gegeneinander anschlagen, anstatt daß sie sich gegensei tig verriegeln.

In den Fig. 5 und 6 sind die Verbindungskräfte dargestellt, die durch die Drehkraft auf die Verwirbler ausgeübt werden. Fig. 5 zeigt die bekannte Konstruktion, wobei eine Kraft F ₁ an den gezeigten Punkten ausgeübt wird. Die Größe dieser Kraft ist durch die Gleichung

gegeben, wobei M gleich Drehmoment und L ₁ die Strecke zwischen den Angriffspunkten der Kraft F ₁ sind.

In Fig. 6 ist die Relation der Kräfte in der Struktur gemäß der Erfindung gezeigt. Die Kraft F ₂, die in Richtung der in Fig. 6 gezeigten Pfeile ausgeübt wird, ist gegeben durch die Formel

wobei L ₂ die Strecke zwischen den Kraftangriffspunkten auf den Brennstoffdüsen und den zugeordneten Verwirblern ist. Dabei gilt: L ₂ ≅ 2 L ₁ und F ₂ ≅ F ₁.

In der bekannten Einrichtung wurde die resultierende Kraft F ₁ in einer Umfangsrichtung ausgeübt, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Jedoch hat die Brennerstruktur die Neigung, sich in radia ler Richtung zu bewegen, wie es durch die Pfeile 54 in Fig. 5 angedeutet ist. Dies hatte eine gewisse relative Gleitbewegung in dem Bereich 56 zwischen der Düse 22 und dem darauf angebrach ten Verwirbler zur Folge, was eine Abnutzung in dem Bereich 56 bewirkte. Bei den Kraftrelationen gemäß der Erfindung jedoch, wird, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, die resultierende Kraft F ₂ in radialer Richtung ausgeübt. Da auch die Brennerstruktur die Neigung hat, sich in radialer Richtung zu bewegen, gibt es keine relative Gleitbewegung in dem Bereich 58 zwischen der Brenn stoffdüse und den darauf angebrachten Verwirblern, wodurch eine weitere Quelle einer möglichen Abnutzung beseitigt wird.

Durch die Erfindung wird eine vereinfachte Anordnung geschaffen, um eine Drehung der Verwirbler zu verhindern. Die Anschläge, die bei der bekannten Struktur verwendet wurden, sind eliminiert, und dementsprechend ist diese Abnutzungsquelle beseitigt, wo durch die für das Gasturbinentriebwerk erforderliche Wartung ver mindert wird.

Claims

1. Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit folgenden Merkmalen:

(a) eine ringförmige Brennkammerstruktur enthält meh rere im Winkel versetzte Verbrennungszonen,
(b) eine Brennstoffdüse ragt in jeder der Verbrennungs zonen, um den Verbrennungszonen Brennstoff zuzufüh ren,
(c) auf jeder Brennstoffdüse ist ein Verwirbler ange ordnet, wobei jeder Verwirbler mehrere im Winkel versetzte Kanäle bzw. Durchlässe aufweist zum Zuführen von Verbrennungsluft für eine wirksame Mischung der Luft mit dem Brennstoff, wobei die durch die Durchlässe strömende Luft die Tendenz hat, jeden der Verwirbler in der gleichen Drehrichtung zu drehen,

dadurch gekennzeichnet, daß

(d) die Verwirbler (26) in benachbarten Paaren angeordnet sind und
(e) Mittel (50) auf jedem der Verwirbler (26) vorgesehen sind, die mit den Mitteln auf dem benachbarten Verwirbler in Eingriff kommen, um die Drehung der Verwirbler zu begrenzen.

2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verwirbler (26) ein radial verlaufendes An satzstück (50) aufweist und die Ansatzstücke (50) der Verwirbler von jedem Paar für einen Eingriff miteinander angeordnet und gegen einander gedrückt sind durch die Drehkraft, die durch die Verwirbler jedes benachbarten Paares ausgeübt wird, wobei die ineinander greifenden Ansatzstücke jedes Paa res als gegenseitige Anschläge arbeiten zur Begrenzung der Drehung der Verwirbler.

3. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ansatzstück (50) zwei im Abstand angeordnete Finger (52) aufweist, wobei die Finger eines Verwirb lers von jedem Paar mit den Fingern des anderen Ver wirblers des Paares in einen verriegelnden Eingriff kommen.

4. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ansatzstück (50) einen Arm aufweist, der von jedem Verwirbler in radialer Richtung ausgeht, wobei die Arme von jedem Paar der Verwirbler miteinander in einen Anschlageingriff kommen, um die Drehung der Ver wirbler zu begrenzen.