DE3901232A1 - Brenner fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffbrenner für ein Gasturbinentriebwerk.

Eine Bauart von Brennern, die zur Benutzung in einem Gas­ turbinentriebwerk geeignet sind, umfaßt einen allgemein ringförmigen Körper, der eine innere Oberfläche aufweist, auf die Brennstoff aufgesprüht wird. Der Brennstoff strömt auf der Oberfläche entlang nach dem Ende des ring­ förmigen Körpers, wo der Brennstoff und die Luftströmung, die betriebsmäßig durch den Körper strömt, radial nach außen durch einen Auslaß gerichtet werden, der durch das stromabwärtige Ende des ringförmigen Körpers und eine Endkappe definiert ist, die in axialem Abstand zum strom­ abwärtigen Ende des ringförmigen Körpers montiert ist.

Es hat sich gezeigt, daß bei derartigen Brennstoffbren­ nern die Tendenz besteht, daß die Endkappe des Brenners überhitzt wird und sich Kohlenstoff in den Umfangsberei­ chen der Stirnplatte ablagert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenn­ stoffbrenner zu schaffen, der eine Endkappe besitzt, wel­ che weniger anfällig für eine Überhitzung und einen Koh­ lenstoffaufbau ist als es bisher der Fall war.

Gemäß der Erfindung weist der für ein Gasturbinentrieb­ werk geeignete Brenner einen ringförmigen Körper auf, dessen stromaufwärtiges Ende mit seinem Inneren im Betrieb mit Brennstoff und einer Luftströmung gespeist wird, während sein stromabwärtiges Ende mit einer End­ platte versehen ist, die mit dem Ringkörper zusammenwirkt, um einen allgemein radial gerichteten Auslaß für den ge­ samten Brennstoff, der in den Ringkörper geleitet wird, und einen Teil der Luft zu schaffen, die betriebsmäßig den Ringkörper durchströmt, wobei die Endkappe einen Um­ fangsabschnitt aufweist, der eine allgemein stromab ge­ richtete Oberfläche und einen Mittelabschnitt besitzt, wobei der Rest der Luftströmung, die betriebsmäßig den Ringkörper durchströmt, in der Weise gerichtet wird, daß die Endkappe im Mittelabschnitt gekühlt wird und eine Luftströmung wenigstens über den radial äußeren Umfang der stromab weisenden Oberfläche des Umfangsabschnitts geleitet wird, um eine Kühlung zu bewirken und um die Ab­ lagerung von Kohlenstoff hierauf zu vermeiden.

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

Fig. 1 einen Schnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäß ausgebildeten Brenners.

In Fig. 1 ist ein Brenner für ein (nicht dargestelltes) Gasturbinentriebwerk allgemein mit dem Bezugszeichen (10) bezeichnet. Der Brenner (10) weist einen ringförmigen Körper (11) auf, der im Betrieb an der stromaufwärtigen Wand oder dem Kopf (12) einer herkömmlichen Gasturbinen­ brennkammer festgelegt ist, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Der Ringkörper (11) definiert eine radial innere Ring­ fläche (13), auf deren stromaufwärtigen Bereich (14) meh­ rere Brennstoffstrahlen gerichtet werden, die beispiels­ weise aus Dieselkraftstoff bestehen können, und dieser Brennstoff tritt aus einer axial gestreckten ringförmigen Brennstoffringleitung (15) aus. Die Brennstoffringleitung (15) hat einen kleineren Durchmesser als der Ringkörper (11) und weist eine Ringkammer (16) auf, die mit Brenn­ stoff über einen Zuführungskanal (17) gespeist wird, der in einem Arm (18) angeordnet ist, welcher die Ringleitung (15) trägt. Die Brennstoffringleitung (15) liegt koaxial zu dem Ringkörper (11) und stromauf hierzu derart, daß ein Teil des stromabwärtigen Endes der Brennstoffringlei­ tung (15) in den Ringkörper (11) derart einsteht, daß ein Ringkanal (21) dazwischen gebildet wird. Eine Vielzahl kleiner Düsen (19) ist in der Ringleitung (15) angeord­ net, um die Ringkammer (16) mit dem Ringspalt (21) zu verbinden und dadurch betriebsmäßig Brennstoffstrahlen zu erzeugen, die durch die strichlierten Linien (20) gekenn­ zeichnet sind. Die Brennstoffstrahlen (20) laufen daher quer über den Ringkanal (21).

Der Ringkörper (11) trägt einen im Querschnitt allgemein kreisförmigen hohlen Zentralkörper (22) über mehrere ra­ dial verlaufende aerodynamische Streben (23). Der Haupt­ teil des Zentralkörpers (22) liegt koaxial innerhalb des Ringkörpers (11), so daß ein ringförmiger Strömungskanal (24) dazwischen gebildet wird. Das stromaufwärtige Ende (25) des Zentralkörpers (22) hat einen kleineren Durch­ messer als der übrige Teil, so daß das Ende (25) koaxial innerhalb des stromabwärtigen Endes der Brennstoffring­ leitung (15) liegen kann. Das stromaufwärtige Ende (25) des Zentralkörpers hat einen kleineren Durchmesser als die Brennstoffringleitung (15), so daß ein zweiter Ring­ kanal (26) dazwischen gebildet wird, der koaxial zu dem ersten Ringkanal (21) liegt.

Das stromaufwärtige Ende des Brenners (10) ist im Betrieb einer Hochdruck-Luftströmung ausgesetzt, die vom Kompres­ sor des Gasturbinentriebwerks geliefert wird, in dem der Brenner eingebaut ist. Diese Luftströmung wird in drei Einzelströmungen durch die Brennstoffringleitung (15), den Ringkörper (11) und den Zentralkörper (22) aufge­ teilt, nämlich in eine erste Strömung durch den ersten radial äußeren Ringkanal (21), eine zweite Strömung durch den zweiten radial inneren Ringkanal (26) und eine dritte Strömung durch eine Öffnung (27) im stromaufwärtigen Ende (25) des Zentralkörpers (22).

Die beiden Luftströmungen durch den inneren Ringkanal (21) und den äußeren Ringkanal (26) vereinigen sich stromab der Brennstoffringleitung (15) und erzeugen einen kleinen Bereich mit Turbulenz (28). Diese Turbulenz ist jedoch lokalisiert, so daß der Hauptteil der Luftströmung, der über den Ringkanalpfad (24) abströmt, nicht turbulent ist.

Das stromabwärtige Ende des Mittelkörpers (22) wird durch eine Endkappe (28) gebildet. Die Endkappe (28) weist einen am Umfang befindlichen ringförmigen Abschnitt (29) auf, der kegelstumpfförmige Gestalt hat und mit dem stromabwärtigen Ende des Ringkörpers (11) zusammenwirkt, um einen allgemein radial gerichteten Ringauslaß (30) für die Luftströmung des Ringströmungskanals (24) zu schaf­ fen. Mehrere Leitschaufeln (31) erstrecken sich quer fast über die gesamte Axialerstreckung des Auslasses (30), um zu gewährleisten, daß die Luftströmung turbulenzfrei im Bereich des Auslasses (30) verbleibt. Gemäß dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel wird die Luftströmung vom Auslaß (30) ein wenig stromauf gerichtet. Es ist jedoch klar, daß die tatsächliche Richtung von den Charakteri­ stiken der Brennkammer abhängt, der der Brenner (10) zu­ geordnet ist.

Der durch die Düsen (19) auf die Ringoberfläche (13) auf­ gespritzte Brennstoff strömt entlang dieser Oberfläche (13) und natürlich auch um die aerodynamischen Streben (23) in Gestalt eines Films herum, wie dies durch die strichlierten Linien (32) gekennzeichnet ist.

Wenn jener Brennstoffilm das stromabwärtige Ende des Ringkörpers (11) erreicht, wird er durch die Luftströmung zerstäubt, die aus dem Auslaß (30) ausgeblasen wird, und der Brennstoff vermischt sich mit dieser Luftströmung, um ein brennbares Kraftstoff/Luft-Gemisch innerhalb der Brennkammer zu bilden, der der Brenner (10) zugeordnet ist.

Es ist somit ersichtlich, daß nur eine geringe Turbulenz innerhalb des Brenners (10) vorhanden ist, wodurch die Gefahr der Rezirkulation und der hieraus resultierenden spontanen Verbrennungen darin wesentlich vermindert wird.

Die Luftströmung durch die Öffnung (27) und in das Innere (33) des Zentralkörpers (22) hinein dient dazu, den Mit­ telabschnitt (34) der Endkappe (28) zu kühlen, und dies erfolgt in einem Bereich, der im Betrieb speziell für eine Überhitzung anfällig ist. Der Mittelabschnitt (34) der Endkappe besteht aus Material, welches einer Transpi­ rationskühlung ausgesetzt ist, wie dies beispielsweise in der GB-PS 20 49 152 B beschrieben ist.

Ein Teil der Luft, die in das Innere (33) des Zentralkör­ pers einströmt, fließt durch eine Vielzahl radial verlau­ fender Kanäle (35) ab, die in der Endkappe (28) angeord­ net sind. Jeder dieser Kanäle (35) verbindet das Innere (33) des Zentralkörpers mit der stromabwärtigen Oberfläche des ringförmig gestalteten Umfangsabschnitts (29) der Endplatte (28). Hierdurch wird gewährleistet, daß ein Teil der Luft aus dem Inneren (33) des Zentralkörpers über die stromabwärtige Oberfläche des äußeren Abschnitts (29) der Endplatte abfließt, wodurch sowohl eine Kühlung des Randabschnitts (29) der Endplatte bewirkt wird und außerdem die Ablagerung von Kohlenstoff verhindert wird.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, bei dem ein Brenner (10 a) allgemein gleicher Aus­ bildung wie in Fig. 1 mit einer unterschiedlich geformten Endkappe versehen ist. Jene Abschnitte des Brenners (10 a) gemäß Fig. 2, die dem Brenner (10) gemäß Fig. 1 entspre­ chen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Endkappe (36) des Brenners (10 a) gemäß Fig. 2 wird von einer unperforierten Platte (37) gebildet, die das stromabwärtige Ende des Zentralkörpers (22) abschließt und den Mittelabschnitt (38) der Endkappe (36) defi­ niert.

Unmittelbar stromauf des Mittelabschnitts (38) der End­ kappe (36) und im axialen Abstand hierzu ist eine geloch­ te Platte (39) vorgesehen. Die Luft, die in das Innere (33) des Zentralkörpers einströmt, fließt durch die Öff­ nungen (40) in der Platte (39), und bewirkt eine Auf­ prallkühlung des Mittelabschnitts (38) der Endkappe. Dann strömt die Luft über mehrere radial verlaufende Kanäle (41) ab, die in der Endkappe (36) vorgesehen sind. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verbindet jeder der Kanäle (41) das Innere (33) des Zentralkörpers mit der stromabwärtigen Oberfläche des ringförmigen Umfangs­ abschnitts (29) der Endplatte (36). Der ringförmige Teil (29) wird demgemäß gekühlt und es wird verhindert, daß sich Kohlenstoff auf seiner Oberfläche ablagert.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit Brennstoffbrennern (10 und 10 a) beschrieben, die einen Endkappenmittelab­ schnitt aufweisen, der durch Transpiration oder Aufprall gekühlt wird. Es ist jedoch klar, daß auch andere Kühl­ verfahren Anwendung finden können.

Claims (5)

1. Brenner für ein Gasturbinentriebwerk, bestehend aus einem ringförmigen Körper, dessen inneres stromauf­ wärtiges Ende im Betrieb mit Brennstoff und einer Luftströmung gespeist wird und dessen stromabwärti­ ges Ende mit einer Endplatte versehen ist, die mit dem ringförmigen Körper zusammenwirkt, um einen allgemein radial gerichteten Auslaß für den gesam­ ten Brennstoff zu schaffen, der in den ringförmigen Körper eingeleitet wird, wobei ein Teil der Luft betriebsmäßig durch den ringförmigen Körper strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappe bzw. Endplatte (28) am stromabwärtigen Ende eines hohlen Zentralkörpers (22) angeordnet ist, dessen Hauptteil koaxial innerhalb des ring­ förmigen Körpers (11) im radialen Abstand hierzu liegt, daß die Endkappe (28) einen Umfangsabschnitt (29) besitzt, der eine allgemein stromab gerichtete Oberfläche und einen Mittelteil (34) aufweist, daß der Rest der Luftströmung, die betriebsmäßig den Ringkörper (11) durchströmt, in den hohlen Zentral­ körper (22) eingeleitet wird, um den Endkappenmittel­ abschnitt (34) zu kühlen, und daß eine Luftströmung über wenigstens den radial äußeren Umfang der stromab gerichteten Oberfläche des Umfangsabschnitts (29) über mehrere Kanäle (35) verläuft, die das Innere (33) des Zentralkörpers (22) mit der stromab gerich­ teten Fläche der Endkappe (28) verbinden, um eine Kühlung des radial äußeren Umfangs der stromab ge­ richteten Oberfläche des Umfangsabschnitts (29) zu bewirken und um die Ablagerung von Kohlenstoff darauf zu verhindern.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gesamterstreckung der Mehrzahl von Kanälen (35), die das Innere des Zentralkörpers (22) mit der stromab gerichteten Ober­ fläche der Endkappe (28) verbinden, innerhalb der Endkappe (28) verläuft.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endkappen­ mittelabschnitt (34) einer Transpirationskühlung aus­ gesetzt ist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Endkappenmittelabschnitt (34) einer Aufprallkühlung ausgesetzt ist.

5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsabschnitt (29) der Endkappe (36) allgemein kegelstumpfförmig ausgebildet ist.