DE4220060A1 - Einrichtung zur Betätigung mindestens einer, den Durchsatz von Verbrennungsluft steuernden Dralleinrichtung eines Brenners für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Ein bereits vorgeschlagener Brenner für Gasturbinentriebwerke (Patentanmeldung P 41 10 507.9-13) weist mindestens eine hinsichtlich des Durchsatzes von Verbrennungsluft steuerbare Dralleinrichtung auf; diese besteht aus einem düsenkoaxialen Ringkörper, der zwischen gleichmäßig über dem Umfang verteilten Profilen Durchbrüche ausbildet; in die Durch­ brüche greifen radial abgewickelte Finger einer Hülse ein, die außen am Ringkörper axial verstellbar angeordnet ist.

Dabei sind die Finger stegartige Steuerkörper; diese sind so ausgebildet und angeordnet, daß mit Rücksicht auf die axiale Hülsenverstellung va­ riable und über die Gesamtlänge konstant bleibende Durchströmquerschnitte einstellbar sind; auf diese Weise soll an mindestens einer Dralleinrich­ tung eines Brenners der für eine schadstoffarme und homogene Verbrennung betrieblich notwendige Luftdurchsatz unter Aufrechterhaltung einer stets gleichförmig ausgeprägten Luftdrall-, und damit Rotationswirbelausbildung in der Brennkammer ermöglicht werden. Dabei kann ferner mindestens einer stationären Dralleinrichtung eine steuerbare Luftzufuhr für weitere Pri­ märluft "überlagert" werdend, um in Anpassung an den jeweiligen Betriebs- und Lastzustand eine schadstoffarme Verbrennung zu erzielen.

Insbesondere im Hinblick auf die Anwendung bei einer Ringbrennkammer, sieht der erwähnte Vorschlag die Verwendung eines mechanisch betätigten Verstellsystems vor, um sämtliche Hülsen der Dralleinrichtungen, die zu gleichmäßig über dem Umfang verteilten Brennern gehören, gleichzeitig als Funktion des Lastzustands verstellen zu können. Dabei weist das me­ chanische Verstellsystem u. a. auf: Einen am Umfang des Brennkammerge­ häuses verdrehbar gelagerten Verstellring, an dem die einen freien Enden von Hebeln schwenkbar angelenkt sind; am jeweils übrigen Ende greifen die Hebel in eine Vertiefung am Umfang der betreffenden Hülse ein; ferner weisen die Hebel jeweils einen Arm mit einem relativ zur Brennerachse geneigten Führungsschlitz auf; in den Führungsschlitz greift jeweils ein mit der betreffenden Hülse fest verbundener Zapfen ein. Ein derartiges Verstellsystem erfordert einen vergleichsweise ge­ wichtlich schweren, kostenintensiven, hohen Bauaufwand; außerdem ist es verschleiß- und störungsanfällig; ferner sind die Bauteile des Verstell­ systems lastzyklenabhängigen thermischen Differenzdehnungen ausgesetzt, die gegebenenfalls zu Verstellungenauigkeiten und im Extremfall zu Bau­ teilverklemmungen führen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung für mindestens einen Brenner nach der eingangs genannten Art anzugeben, die bei vergleichs­ weise einfachem Aufbau eine störungsfreie und zuverlässige Verstellung und Steuerung der jeweils mindestens einen brennerseitigen Drallein­ richtung gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe ist gemäß Patentanspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Patentansprüche 2 bis 14 entnehmbar.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Mittel-Längsschnitt des Brenners am Düsenstock, nebst steuerbarer Dralleinrichtung am Kopfende einer Ringbrennkammer einschließlich stromaufwärtiger Flammrohrsektionen, wobei eine Zwischenstellung der über die Hülse betätigten fingerartigen Steuerglieder verdeutlicht ist,

Fig. 2 einen Querschnitt des Ringkörpers der Dralleinrichtung gemäß Blickrichtung X der Fig. 1,

Fig. 3 der als Mittellängsschnitt dargestellte Brenner nach Fig. 1, hier jedoch unter Verdeutlichung der luftzufuhrseitig komplett geschlossenen Endstellung der Dralleinrichtung und

Fig. 4 den als Mittellängsschnitt dargestellten Brenner nach Fig. 1 und 3, hier jedoch unter Verdeutlichung einer komplett luftzu­ fuhrseitig geöffneten Endstellung der Dralleinrichtung.

Fig. 1 bis 4 zeigen eine, den Durchsatz von Verbrennungsluft steuernde Dralleinrichtung eines Brenners für Gasturbinentriebwerke, die am Kopf­ ende 1 einer Brennkammer einen koaxial zur Brennstoffdüse 2 angeordneten Ringkörper 3 aufweist, der zwischen gleichmäßig über dem Umfang verteil­ ten Profilen 4 radiale/tangentiale Drallkanäle 5 ausbildet, in die Finger 6 bzw. Steuerkörper eines am äußeren Umfang des Ringkörpers 3 axial ver­ stellbaren Ringes 7 eingreifen; der Ring 7 ist mit einem kolbenartigen Stellglied 8 verbunden, das in einem Ringraum 9 eines Gehäuses 10 gegen die Rückstellkraft einer Feder 11 axial verstellbar angeordnet ist; grundsätzlich herrscht über den gesamten Betriebszustand am Stellglied 8, an dessen gegenüber dem Gehäuse freien Flächen, auf der einen Seite der am Kopfende 1 der Brennkammer existierende Luftdruck P1 aus zugeführter Primärluft Pr und auf der anderen Seite der stromab der Düse 2 existie­ rende Kammerdruck P2 nach einer im wesentlichen konstant bleibenden Druckbeziehung: P1P2; am Ringraum 9, auf der Federseite, sind mindestens zwei vom Stellglied 8 in dessen erster Endstellung freigelegte und in dessen zweiter Endstellung teilweise abgesperrte Öffnungen 12; 13 vorge­ sehen; die Federseite des Ringraums 9 ist über die eine Öffnung 12 durch Umschaltung eines Absperrventils 14 z. B. gegenüber der Atmosphäre frei­ gebbar (P3) oder absperrbar; in Absperrstellung des Ventils 14 - erste Endstellung des Stellgliedes 8, Drallkanäle 5 geschlossen (Fig. 3) - wird der Ringraum 9 über die andere Öffnung 13 von einem Druck P4 beauf­ schlagt, der sich aus dem Anschluß des Ringraums 9 an die im Kopfende 1 herrschende Primärluftzufuhr Pr ergibt.

Zwischen einem die Brennstoffdüse 2 enthaltenden zylindrischen Innenab­ schnitt 15 (Fig. 3) und einer äußeren Gehäusewand 16 des als Düsenträger ausgebildeten Gehäuses 10 ist der Ringraum 9 ausgebildet, in den das Ver­ stellglied 8 mit einem Ringabschnitt 17 axial verschiebbar hineinragt. Die auf der Federseite in den Ringraum 9 geführte Stirnfläche des Ringab­ schnitts 17 ist gemäß Fig. 3 von P4 beaufschlagt.

Der maximale axiale Verstellweg des Stellgliedes 8 ist zwischen einem stromab und radial äußeren Endteil 18 des Stellgliedes 8 gegenüber dem stromabwärtigen Ende der äußeren Gehäusewand 16 einerseits und einer Ge­ genfläche F des Stellgliedes 8 gegenüber einem Abschnitt 19 der Brenn­ stoffdüse 2 andererseits ausgebildet, der am stromabwärtigen Stirnende des Innenabschnitts 15 aufsitzt.

Wie ferner dargestellt, kann das Stellglied 8 teilweise an dem einen Abschnitt 19 (Fig. 3) der Brennstoffdüse 2 axial verschiebbar angeord­ net sein, der gegenüber dem Außendurchmesser des Innenabschnitts 15 rotationssymmetrisch erweitert ist und so den einen Endanschlag gegenüber der korrespondierenden Gegenfläche f (Fig. 4) am Ringabschnitt 17 des Stellglieds 8 ausbildet.

Bautechnisch zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, wie insbesondere in Fig. 1 gezeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Öffnung 12 über eine durch den Düsenträger in das Gehäuse 10 geführte Leitung 20 an das Ventil 14 angeschlossen ist.

Mithin definiert bei der Erfindung also der so zuvor erörterte maximale Verstellweg des Stellgliedes 8 stets gleichzeitig den maximalen axialen Verstellweg des hülsenartigen Ringes 7 zum wahlweisen freilegen oder Ab­ sperren der Drallkanäle 5.

Im Interesse zuverlässiger Betätigung im Hinblick auf Differenz-Dehnungen der kooperierenden Teile 8, 7 kann der Ring 7 in eine äußere Umfangsnut 21 des Stellglieds 8 axial mitbeweglich eingreifen.

Günstige Einbau-Verhältnisse werden ferner dadurch erzielt, daß das Stellglied 8 mit einer stromauf offenen, düsenkoaxialen Ausnehmung 22 gegenüber dem stromabwärtigen Ende der äußeren Wand 16 des als Düsenträ­ ger dienenden Gehäuses 10 radial beabstandet ist.

Zeichnerisch nicht dargestellt, können das kolbenartige Stellglied und der Hülsenring ein einstückiges, axial verstellbares Bauteil ausbilden; dabei können Stellglied 8 und Ring 7 aus einem Stück gefertigt sein; auch eine 2teilige Vorfertigung gemäß Fig. 1 bis 4 wäre möglich, wobei der Ring 7 an der Nut 21 mit dem Stellglied 8 verschweißbar wäre.

Gemäß Fig. 1 bis 4 ist am Brenner jeweils der steuerbaren Dralleinrich­ tung mit dem Ringkörper 3 eine stationäre Dralleinrichtung 23 nachgeord­ net; über diese Dralleinrichtung 23 wird über den gesamten Betriebszu­ stand ein konstant bleibender Anteil an Primärluft gemäß Pfeilrichtung L2 über betreffende radiale/tangentiale Durchbrüche 24 zugeführt. Dem stets konstant bleibenden Luftanteil L2 kann in definierten Lastphasen ein weiterer steuerbarer Primärluftanteil L1 (Fig. 1 und Fig. 4) überla­ gert werden, um ein möglichst verhältnismäßig luftreiches und schad­ stoffarmes Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen ("kalte Verbrennung"). Die Durchbrüche 24 der stationären Dralleinrichtung 23 können gegenüber den Drallkanälen 5 (Fig. 2) der steuerbaren Dralleinrichtung (Ringkörper 3) entgegengerichtet radial/tangential angegeordnet sein; auf diese Weise können in der Primärzone der Brennkammer einander entgegengerichtet rotierende, mit Brennstoff B (Fig. 4) aus der Düse 2 angereicherte Rota­ tionswirbel W1; W2 erzeugt werden, um eine an Schadstoffen arme, homogene Verbrennung zu erzielen.

Am Brenner ist ferner eine Abschirmwand mit 25 bezeichnet, die die Dralleinrichtungen, nämlich Ringkörper 3, steuerbare Drallkanäle 5 (Fig. 2), stationäre Dralleinrichtung 23, Durchbrüche 24 mit fester Geometrie, voneinander aerodynamisch trennt; radial/axial sowie hülsenförmig sowie rotationssymmetrisch zur Brenner-Achse kragt die Abschirmwand 25 zwi­ schen den jeweiligen Luftaustrittsgebieten beider Drallerzeuger aus; sie kann innen, stromab - in Ausbildung einer konvergent/divergenten Kontu­ rierung - eine örtliche Ablagerung hoch- feiner Brennstofftröpfchen be­ sorgen, die in die Rotationswirbelgeometrie W1, W2 nebelförmig bzw. teil­ weise dampfförmig eingebunden werden.

Die Erfindung kann vorteilhafterweise auch bei einem Brennerkonzept ein­ gesetzt werden, bei dem z. B. zwei Dralleinrichtungen mit ihren Ring­ körpern und den darin enthaltenen Drallkanälen bzw. Durchbrüchen hin­ sichtlich jeweiligen Primärluftdurchsatzes gleichzeitig von einem Ring steuerbar wären; letzteres gegebenenfalls in Kombination mit einer drit­ ten Dralleinrichtung, die stationär ausgebildet und relativ zu den beiden anderen steuerbaren Dralleinrichtungen räumlich versetzt angeordnet sein könnte.

Bei einer Ringbrennkammer für Gasturbinentriebwerke, insbesondere Strahltriebwerke, wie in Fig. 1 sinngemäß dargestellt, wäre davon auszu­ gehen, daß jeweils mehrere Brenner in Fig. 1 bis 4 beschriebener Art, bzw. in der Art beschriebener steuerbarer Doppel-Dralleinrichtung, in gleichmäßig über dem Umfang der Brennkammer am Kopfende 1 verteilter An­ ordnung vorgesehen sind.

Zu Fig. 1 sei ferner vermerkt, das die vom Ende eines Hochdruckver­ dichters entnommene Druckluft gemäß Pfeil D über einen Axial-Diffusor 25′ dem Kopfende 1 zugeführt wird, das zwischen Ringwänden 26, 27 des Außenge­ häuses ausgebildet ist; am Kopfende 1, stromauf einer Abschlußhaube 28 teilt sich die zugeführte Druckluft D in einen Primärluftanteil Pr sowie in Sekundärluftanteile Sk auf, von denen letztere in Ringräume, z. B. 29, zwischen dem Flammrohr 30 und den Ringwänden 26 bzw. 27 abströmen. Der Brenner ist also jeweils zwischen der Rückwand 31 des Flammrohrs 30 und der Abschlußhaube 28 angeordnet und dabei mit dem stromabwärtigen Lippe­ nende 32 an der hier ringförmigen Rückwand 31 gehaltert.

In der Stellung nach Fig. 4 sind die Öffnungen 12, 13 teilweise abge­ sperrt; das bedeutet, daß an der Öffnung 12, in dieser zweiten Endstel­ lung des Stellglieds 8, ein Primärluft-Leckfluß - bei geöffneter Stellung des Absperr-Ventils 14 - zwischen dem Kopfende 1 der Brennkammer über den federseitigen Restteil des Ringraums 9, dann über die Öffnung 12 und über die Leitung 20 z. B. nach der Atmosphäre bzw. einer zellenseitigen Umge­ bung gewährleistet ist. Mithin sitzt dabei wie in Fig. 4 dargestellt - die betreffende Stirnfläche des Ringabschnitts 17 des Stellglieds 8 nicht vollständig abdichtend an der Öffnung 12 auf. Im Betrieb ist vom einen Differenzdruck P1P2 auszugehen, der an den gehäusefreien Flächen, rela­ tiv auf beiden Kolbenseiten herrscht; dabei kann z. B. P1 etwa 3%<P 2 sein. Die örtliche Druckentlastung im federseitigen Teil des Ringraums 9 - bei geöffnetem Ventil 14 gegenüber der Atmosphäre - reicht aus, um das Stellglied 8 gegen die Rückstellkraft der Feder 11 in die zweite Endstel­ lung (Fig. 4) gelangen zu lassen.

Dadurch, daß in der zweiten Endstellung des Stellgliedes 8 die Öffnungen 13 nur teilweise abgesperrt ist, kann beim Umschalten des Absperrventils 14 auf Absperrstellung optimal und rasch der notwendige Druckaufbau (P4) erfolgen; d. h., der notwendige Primärluftfluß zwischen Kopfende 1 und federseitig verringertem Teil des Ringraums 9 wird zum Aufbau von P4 be­ reitgestellt, so daß das Stellglied 8 mit Unterstützung der Vorspannkraft der Feder 11 in die erste Endestellung (Fig. 3) verbracht werden kann.

Die mindestens eine Öffnung 13 kann als Bohrung oder als Schlitz ge­ staltet werden.

Im Hinblick auf die zweite Endstellung des Stellgliedes 8 (Stellkolben) - Fig. 4 - besteht die Möglichkeit, am äußeren Umfang des Ringabschnitts 17 des Stellkolbens 8 eine Ausnehmung anzuordnen, die in dieser Endstellung mit einer Öffnungen oder einem Schlitz in der äußeren Gehäusewand 16 korrespondiert, um eine gedrosselte, aber nicht gänzlich abgesperrte fluidische Verbindung zwischen dem Kopfende 1 und dem federseitig ver­ bleibenden Restteil des Ringraums 9 herzustellen.

Das Absperrventil 14 kann als Funktion des Lastzustands des Triebwerks umschaltbar sein; es kann ferner als Funktion örtlicher Drücke und/oder Temperaturen in der Brennkammer umschaltbar sein.

Mit 33 (Fig. 1) ist eine durch den Düsenstock 10 zur Brennstoffdüse 2 ge­ führte Brennstoffzuleitung bezeichnet.

Soweit nicht schon in den Patentansprüchen niedergelegt, sind die vor­ stehend beschriebenen und/oder zeichnerisch verkörperten Merkmale Be­ standteil der Erfindung.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Betätigung einer den Durchsatz von Verbrennungsluft steuernden Dralleinrichtung eines Brenners für Gasturbinentriebwerke, die am Kopfende (1) einer Brennkammer einen koaxial zur Brennstoffdüse (2) angeordneten Ringkörper (3) mit Drallkanälen (5) aufweist, deren Querschnitte durch Kanalwände (6) eines am Ringkörper (3) axial ver­ schiebbaren Ringes (7) steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialverschiebung des Ringes (7) durch einen Stellkolben (8) erfolgt, der in einem Gehäuse (10) axial verschiebbar sowie einseitig federbelastet ist, der durch eine ventil-gesteuerte, auf der Federseite herrschende Druckdifferenz zwischen einem Umgebungsdruck (P3) und einem Primärluftdruck (P4) betätigt wird und mit dem Ventil (14) und dem Kop­ fende (1) der Brennkammer kommunizierende Öffnungen (12, 13) steuert und der an gegenüber dem Gehäuse (10) freien Kolbenflächen auf der einen Seite vom am Kopfende herrschenden Druck (P1) aus zugeführter Primär­ luft, auf der anderen Seite vom am Brenner herrschenden Kammerdruck (P2) beaufschlagt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) an einem zylindrischen Träger der Brennstoffdüse (2) ausgebildet ist und der Stellkolben (8) in einem koaxial zur Brennstoffdüse (2) angeordneten Ringraum (9) gegen eine Feder (11) verschiebbar ist, wo­ bei vom Stellkolben (8) gesteuerte Öffnungen (12, 13) auf der Federseite in den Ringraum (9) münden, von denen zumindest eine (13) stets fluidisch mit dem Kopfende (1), die andere (12) bei geöffnetem Absperrventil (14) an den niedrigen Umgebungsdruck (P3<P4) ange­ schlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen einem die Brennstoffdüse (2) enthaltenden zylindrischen Innen­ abschnitt (15) und einer äußeren Gehäusewand (16) des als Düsenträger ausgebildeten Gehäuses (10) der Ringraum (9) ausgebildet ist, in den der Stellkolben (8) mit einem Ringabschnitt (17) axial verschiebbar hineinragt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale axiale Verstellweg des Stellkolbens (8) zwischen einem stromab und radial äußeren Endteil (18) des Stellkolbens (8) gegenüber dem stromabwärtigen Ende der äußeren Gehäusewand (16) einer­ seits und einer Gegenfläche (F) des Stellkolbens (8) gegenüber einem Abschnitt (19) der Brennstoffdüse (2) andererseits ausgebildet ist, der am stromabwärtigen Stirnende des Innenabschnitts (15) aufsitzt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (8) teilweise an dem einen Abschnitt (19) der Brennstoffdüse (2) axial verschiebbar angeordnet ist, der gegenüber dem Außendurchmesser des Innenabschnitts (15) rotationssymmetrisch erweitert ist und so den einen Endanschlag gegenüber der korres­ pondierenden Gegenfläche (F) am Ringabschnitt (17) des Stellglieds (8) ausbildet.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Öffnung (12) über eine durch den Düsen­ träger in das Gehäuse (10) geführte Leitung (20) an das Ventil (14) angeschlossen ist.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgebildete maximale Verstellweg des Stell­ kolbens (8) stets gleichzeitig den maximalen axialen Verstellweg des hülsenartigen Ringes (7) zum wahlweisen freilegen oder Absperren der Drallkanäle (5) definiert.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (7) in eine äußere Umfangsnut (21) des Stellkolbens (8) axial mitbeweglich eingreift.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (8) mit einer stromauf offenen, düsenkoaxialen Ausnehmung (22) gegenüber dem stromabwärtigen Ende der äußeren Gehäusewand (16) des Gehäuses (10) radial beabstandet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben und der Ring ein einstückiges, axial verstellbares Bauteil ausbilden.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine in der äußeren Gehäusewand (16) angeordnete fluidische Verbindung zwischen dem Ringraum (9) und dem Kopfende (1) der Brennkammer als Bohrung oder Schlitz ausgebildet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch. 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung oder der Schlitz in der zweiten Endstellung des Stellkolbens über min­ destens eine am äußeren Umfang des Ringabschnitts (17) des Stellkol­ bens (8) angeordnete Ausnehmung mit dem federseitigen Teil des Ring­ raums (9) in Verbindung steht.

13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperr­ ventil (14) als Funktion des Triebwerks-Lastzustandes umschaltbar ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperr­ ventil als Funktion örtlicher Drücke und/oder Temperaturen in der Brennkammer umschaltbar ist.