DE3901233A1 - Brenner fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffbrenner für ein Gasturbinentriebwerk.

Es sind Brenner für Gasturbinentriebwerke bekannt, bei denen eine ringförmige Anordnung von Brennstoffdüsen so ausgebildet ist, daß diskrete Brennstoffstrahlen auf die radial innere Oberfläche eines Ringkörpers derart gerich­ tet werden, daß der Brennstoff entlang jener Oberfläche abfließt. Am stromabwärtigen Ende des Ringkörpers ist eine Endkappe vorgesehen, die axial vom stromabwärtigen Ende des Ringkörpers im Abstand liegt, so daß dazwischen ein Spalt definiert wird. Die Luft, die im Betrieb durch den Ringkörper strömt, wird über den definierten Spalt ausgeblasen, und dabei wird der Brennstoff zerstäubt, der auf die innere Oberfläche des Körpers gerichtet wurde und an diesem entlanggeströmt ist. Der hierdurch zerstäubte Brennstoff wird dann in die Brennkammer gerichtet, die dem Brenner zugeordnet ist, worauf das Brennstoff/Luft- Gemisch verbrannt wird.

Es hat sich gezeigt, daß bei derartigen Brennern Turbu­ lenzzonen innerhalb des Volumens erzeugt werden können, das vom Ringkörper definiert wird, wenn der Brenner unter Hochleistungsbedingungen arbeitet, d. h. wenn die dem Brenner zugeführte Luft unter hohem Druck steht und eine hohe Temperatur aufweist. Diese so erzeugten Turbulenz­ zonen führen wiederum zu einer Rezirkulation innerhalb des Brenners, so daß Bereiche erzeugt werden, in denen das Brennstoff/Luft-Gemisch mit geringer Geschwindigkeit strömt. Diese Bereiche, in denen das Brennstoff/Luft-Ge­ misch mit geringer Geschwindigkeit abfließt, können wie­ derum zu einer spontanen Zündung führen, wodurch eine schwerwiegende Überhitzung des Brenners verursacht werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brenner für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei dem derartige Turbulenzzonen auf ein Ausmaß vermindert wer­ den, bei dem eine spontane Zündung innerhalb des Brenners ausgeschlossen wird.

Die Erfindung geht aus von einem Brenner für ein Gas­ turbinentriebwerk, bestehend aus einem Ringkörper, der eine radial innere Ringoberfläche definiert, deren strom­ aufwärtiges Ende im Betrieb eine Luftströmung empfängt, aus einer ringförmigen Brennstoffleitung, die am strom­ aufwärtigen Ende des Ringkörpers so angeordnet ist, daß sie koaxial zu dem Ringkörper und wenigstens teilweise innerhalb desselben liegt und Brennstoff auf die innere Oberfläche richtet, und aus einem im Querschnitt kreis­ förmigen Mittelkörper, von dem wenigstens ein Hauptteil koaxial innerhalb des Ringkörpers und allgemein stromab der Brennstoffringleitung derart liegt, daß der Zentral­ körper mit dem Ringkörper zusammenwirken kann, um einen ringförmigen Strömungspfad durch den Brenner zu bilden, wobei die stromabwärtigen Enden des Mittelkörpers und des Ringkörpers so ausgebildet sind, daß sie einen allgemein radial gerichteten Auslaß für den ringförmigen Strömungs­ kanal bilden. Hierbei wird die gestellte Aufgabe erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß die stromaufwärtigen Enden von Mittelkörper und Ringkörper mit wenigstens einem Teil der Brennstoffringleitung zusammenwirken, um zwei Ko­ axialkanäle zu definieren, um die Luftströmung in den ringförmigen Strömungskanal durch den Brenner zu schic­ ken.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Brenners.

Der für ein (nicht dargestelltes) Gasturbinentriebwerk bestimmte Brenner (10) besteht aus einem Ringkörper (11), der im Betrieb an der stromaufwärtigen Wand oder am Kopf (12) einer herkömmlichen Brennkammer eines Gasturbinen­ triebwerks (nicht dargestellt) festgelegt ist.

Der Ringkörper (11) definiert eine radial innere Ring­ oberfläche (13), auf deren stromaufwärtigem Bereich (14) mehrere Brennstoffstrahlen von einer ringförmigen axial langgestreckten Brennstoffleitung (15) her gerichtet wer­ den. Die Brennstoffringleitung (15) hat einen kleineren Durchmesser als der Ringkörper (11) und umfaßt eine Ring­ kammer (16), die über einen Brennstoffzuführungskanal (17) mit Brennstoff versorgt wird. Der Brennstoffzufüh­ rungskanal (17) ist in einem die Ringleitung (15) tragen­ den Arm (18) angeordnet. Die Brennstoffringleitung (15) liegt koaxial zu dem Ringkörper (11) und in einem solchen Maß stromauf desselben, daß ein Teil des stromabwärtigen Endes der Brennstoffringleitung (15) in den Ringkörper (11) derart einsteht, daß ein Ringkanal (21) dazwischen definiert wird. In der Brennstoffringleitung (15) sind mehrere kleine Düsen (19) angeordnet, die die Ringkammer (16) mit dem Ringspalt (21) verbinden und dadurch be­ triebsmäßig Brennstoffstrahlen liefern, die durch die strichlierten Linien (20) angedeutet sind. Die Brenn­ stoffstrahlen (20) erstrecken sich demgemäß über den Ringkanal (21).

Der Ringkörper (11) trägt einen im Querschnitt kreisför­ migen hohlen Mittelkörper (22) über mehrere radial ver­ laufende aerodynamische Streben (23). Der Hauptteil des Mittelkörpers (22) liegt koaxial innerhalb des Ringkör­ pers (11) derart, daß ein Ringströmungskanal (24) dazwi­ schen definiert wird. Das stromaufwärtige Ende (25) des Mittelkörpers (22) hat einen kleineren Durchmesser als der übrige Mittelkörper, so daß jenes Ende (25) koaxial innerhalb des stromabwärtigen Endes der Brennstoffleitung (15) liegt. Das stromaufwärtige Ende (25) des Mittelkör­ pers hat einen kleineren Durchmesser als die Brennstoff­ ringleitung (15), so daß ein zweiter Ringkanal (26) da­ zwischen gebildet wird, der koaxial zu dem ersten Ringka­ nal (21) verläuft und im wesentlichen die gleiche Quer­ schnittsfläche wie dieser besitzt.

Das stromaufwärtige Ende des Brenners (10) wird im Be­ trieb einer unter hohem Druck stehenden Luftströmung aus­ gesetzt, die vom Kompressor des Gasturbinentriebwerks herrührt, in dem der Brenner montiert ist. Diese Druck­ luftströmung wird in zwei Strömungen durch die Brenn­ stoffringleitung (15) aufgeteilt, nämlich eine erste Strömung, die über den ersten radial äußeren Ringkanal (21) verläuft, und eine zweite Strömung, die über den zweiten radial inneren Ringkanal (26) verläuft. Die beiden Strömungen vereinigen sich stromab der Brennstoff­ ringleitung (15) und erzeugen einen kleinen Bereich (27) mit Turbulenz. Diese Turbulenz ist jedoch nur lokal vor­ handen und der Hauptteil der Luft strömt ohne Turbulenz entlang des Ringkanals (24).

Das stromabwärtige Ende (28) des Mittelkörpers (22) ist mit einem im wesentlichen kegelstumpfförmig gestalteten Ring (29) am Umfang versehen, der mit dem stromabwärtigen Ende des Ringkörpers (11) zusammenwirkt, um einen im we­ sentlichen radial gerichteten Ringauslaß (31) für die Luftströmung zu schaffen, die im Ringströmungspfad (24) verläuft. Über fast die gesamte axiale Erstreckung des Auslasses (31) erstrecken sich Leitschaufeln (32), um zu gewährleisten, daß die Luftströmung ohne Turbulenz im Be­ reich des Auslasses (31) verbleibt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Luftströmung vom Auslaß (31) etwas in Richtung stromauf gerichtet. Es ist jedoch klar, daß die tatsächlich gewählte Richtung von den Charakteri­ stiken der Brennkammer abhängt, der der Brenner (10) zu­ geordnet wird.

Der durch die Düsen (19) auf die Ringoberfläche (13) ge­ richtete Brennstoff strömt an dieser Oberfläche (13) ent­ lang und natürlich auch um die aerodynamischen Streben (23) herum, und zwar in Form eines Films, wie durch die strichlierten Linien (33) angegeben. Wenn dieser Brenn­ stoffilm das stromabwärtige Ende des Ringkörpers (11) er­ reicht, wird er durch die Luftströmung zerstäubt, die vom Auslaß (31) ausgeblasen wird, und der zerstäubte Brenn­ stoff vermischt sich mit der Luftströmung und bildet ein brennbares Gemisch innerhalb der Brennkammer, der der Brenner (10) zugeordnet ist.

Es ist somit ersichtlich, daß nur eine geringe Turbulenz innerhalb der Brennkammer (10) auftritt, wodurch im we­ sentlichen die Gefahr einer Rezirkulation und einer spon­ tanen Verbrennung innerhalb des Brenners vermieden wird.

Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Mittelkör­ per (22) als durch aerodynamische Streben (23) am Ring­ körper (11) festgelegt dargestellt ist, ist es ersicht­ lich, daß unter bestimmten Umständen die Streben (23) fortgelassen und die Schaufeln (32) so angeordnet werden können, daß sie mit dem stromabwärtigen Ende des Ring­ körpers (11) verbunden sind und hierdurch die notwendige Zwischenverbindung herstellen.

Während des normalen Arbeitszyklus des Brenners (10) be­ wirken thermische Effekte im Mittelkörper (22) und im Ringkörper (11) ein axiales Ausdehnen und Zusammenziehen unterschiedlichen Ausmaßes. Diese unterschiedliche Aus­ dehnung kann bei Vorhandensein der Streben (23) erfolgen, da die Leitschaufeln (32) den Ringkörper (11) und den kegelstumpfförmigen Ring (29) des Mittelkörpers (22) nicht körperlich verbinden. Mit dieser unterschiedlichen Ausdehnung und Zusammenziehung ist im Hinblick auf die inneren und äußeren Ringkanäle (21 und 26) jedoch ein weiteres Problem verknüpft. Um demgemäß zu gewährleisten, daß die Querschnittsflächen von innerem Ringkanal (21) und äußerem Ringkanal (26) konstant bleiben, verlaufen die Abschnitte der Oberflächen des Ringkörpers (11), des Mittelkörpers (22) und der Brennstoffringleitung (15), durch die jene Kanäle (21 und 26) definiert werden, im wesentlichen parallel zueinander. Die Aufrechterhaltung einer solchen konstanten Querschnittsfläche ist wichtig, damit eine gleichförmige Luftströmung durch den Brenner (10) unter allen Betriebsbedingungen fließt.

Brenner (10) gemäß der Erfindung sind in erster Linie da­ zu bestimmt, Diesel-Brennstoff zu verarbeiten. Es ist je­ doch klar, daß auch andere Brennstoffe benützt werden können, wenn dies zweckmäßig erscheint.

Claims (8)

1. Brenner für ein Gasturbinentriebwerk, der einen Ringkörper aufweist, welcher eine radial innere Ringoberfläche definiert und dessen stromaufwärti­ ges Ende im Betrieb eine Luftströmung empfängt, wo­ bei eine ringförmige Brennstoffleitung am stromauf­ wärtigen Ende des Ringkörpers derart angeordnet ist, daß sie koaxial zum Ringkörper und wenigstens teilweise in diesem liegt, so daß sie Brennstoff nach der Ringoberfläche richten kann, und wobei ein im Querschnitt kreisförmiger Mittelkörper vorgese­ hen ist, von dem wenigstens ein Hauptteil koaxial innerhalb des Ringkörpers und allgemein stromab des Ringkörpers liegt, um einen ringförmigen Strömungs­ pfad durch den Brenner zu schaffen, wobei die stromabwärtigen Enden des Mittelkörpers und des Ringkörpers so ausgebildet sind, daß sie in ihrem Zusammenwirken einen allgemein radial gerichteten Auslaß für den ringförmigen Strömungskanal bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärtigen Enden des Mittelkörpers (22) und des Ringkörpers (11) mit wenigstens einem Teil der Ringleitung (15) zusammenwirken, um zwei koaxiale Ka­ näle (21, 26) von im wesentlichen gleicher Quer­ schnittsfläche zu bilden, um die Luftströmung in den ringförmigen Strömungskanal (24) durch den Brenner mit einer minimalen Turbulenz der Luftströmung zu richten.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennstoffring­ leitung (15) in axialer Richtung langgestreckt ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens der strom­ aufwärtige Teil des Mittelkörpers (22) einen kleine­ ren Außendurchmesser hat als der Innendurchmesser des stromabwärtigen Teils der ringförmigen Brennstofflei­ tung (15) und daß der stromaufwärtige Teil des Mit­ telkörpers (22) innerhalb des stromabwärtigen Teils der Brennstoffringleitung (15) radial im Abstand hiervon derart angeordnet ist, daß einer der Kanäle (21) definiert wird, um die Luftströmung in den ring­ förmigen Strömungskanal im Brenner (10) zu richten.

4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelkörper (22) mit dem Ringkörper (11) über mehrere aerodynamische Streben (23) verbunden ist, die sich über den ringförmigen Strömungskanal (24) erstrecken.

5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strömungsleitschaufeln (32) in dem allgemein radial verlaufenden Auslaß (31) für den ringförmigen Strömungskanal (24) angeordnet sind.

6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden definierten Koaxialkanäle (21, 26) jeweils Wandabschnitte aufweisen, die wenigstens teilweise parallel derart verlaufen, daß eine relative axiale thermische Ausdehnung des Ringkörpers (11), der Brennstoffringleitung (15) und des Mittelkörpers (22) nur einen minimalen Einfluß auf die Querschnitts­ fläche der Koaxialkanäle hat.

7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende des Mittelkörpers (22) einen allgemein kegelstumpfförmig gestalteten Umfang (29) besitzt, um eine axiale stromaufwärtige Komponente am radial gerichteten Auslaß (31) für den ringförmigen Strömungskanal (24) zu schaffen.

8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff Dieselöl ist.