-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen, insbesondere
eine Wirbel-Diffusions-Fall-Brennkammereinrichtung (swirled diffusion dump
combustor) und insbesondere eine Brennstoff/Gas-Vorvermischeinrichtung,
die mit einer Wirbel-Diffusions-Fall-Brennkammereinrichtung für den Typ
von Gasturbinen verwendet wird, der bei Stromerzeugeranwendungen
verwendet werden kann.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Industrie-Gasturbinenmaschinen
haben zunehmend strenge Emissionsanforderungen. Um ein vermarktbares
Stromerzeugerprodukt bereitzustellen, ist eine Maschine, die die
niedrigstmöglichen Emissionen
erzeugt, grundlegend. Emissionen von Stickoxiden (NOx)
und Kohlenmonoxid (CO) müssen über spezielle
Maschinenbetriebsbereiche minimiert sein. Das Erzielen dieses niedrigen
Emissionsniveaus des Verbrennungssystems erfordert das vollständige Verbrennen
von Brennstoff und Luft bei niedrigen Temperaturen.
-
Brennkammereinrichtungen,
die niedrige NOx-Emissionen ohne Wasserinjektion
erreichen, sind als Trocken-Niedrigemissionsanlagen (DLE – dry-low
emission) bekannt und bieten die Aussicht auf saubere Emissionen,
kombiniert mit hoher Maschineneffizienz. Diese Technologie verlässt sich
auf einen hohen Luftgehalt in der Brennstoff/Luftmischung. Deshalb
benötigt
die aktuelle Technologie zum Erzielen von niedrigen NOx-Emissionen
möglicherweise
eine Brennstoff/Luft-Vorvermischeinrichtung.
-
In
einem DLE-System werden Brennstoff und Luft vor der Injektion in
die Brennkammereinrichtung mager-vorvermischt. Keine Verdünnungszusätze wie
beispielsweise Wasserinjektion, werden benötigt, um signifikant niedrige
Verbrennungstemperaturen zu erzielen, die die Menge an NOx-Bildung minimieren. Jedoch wurden zwei
Probleme beobachtet. Das erste ist Verbrennungsinstabilität und Verbrennungsgeräusch oder
instabiler Maschinenbetrieb, und das zweite betrifft CO-Emissionen
und abnehmende Verbrennungseffizienz. Die Stabilität der Verbrennung
nimmt bei mageren Bedingungen rapide ab, und es kann sein, dass
die Brennkammereinrichtung wegen der exponentiellen Temperaturabhängigkeit
der chemischen Reaktion nahe an ihrem Ausblaslimit arbeitet. Das
kann auch zu Verbrennungsinstabilitäten führen, die das dynamische Verhalten des
Verbrennungsprozesses ändern
und die mechanische Integrität
der gesamten Gasturbinenmaschine gefährden. Dazu kommt es, weil
der Homogenität
der Brennstoff/Luftmischung einige Beschränkungen auferlegt sind, da
Mischungstaschen, die magerer als der Durchschnitt sind, zu Stabilitätsproblemen führen können, und
Taschen, die reicher als der Durchschnitt sind, zu unakzeptabel
hohen NOx-Emissionen führen. Gleichzeitig werden ein
substanzieller Anstieg der CO-Emissionen
und der Emissionen von unverbranntem Kohlenwasserstoff (UHC -unburned hydrocarbon)
als ein „Tracer" für die Verbrennungseffizienz
beobachtet, was auf den exponentiellen Abfall der chemischen Reaktionskinetik
bei magereren Mischungen für
eine vorgegebene Brennkammereinrichtung zurückzuführen ist.
-
Es
hat sich herausgestellt, dass ein Schlüsselerfordernis für ein erfolgreiches
DLE-Brennkammereinrichtungssystem die Reaktion einer perfekt vermischten
Brennstoff/Luftmischung ist, die eine Abweichung von nicht mehr
als ±3%
des Brennstoff/Luft-Verhältnisses
an dem Einlass zu der Brennkammereinrichtung hat. Das in der Brennkammereinrichtung
erzeugte Strömungsfeld
muss stabil sein, um ein vollständiges
Verbrennen des Brennstoffs und der Luft sicherzustellen und dabei
Verbrennungsgeräusch
zu minimieren.
-
Andere
Probleme, die ein Verbrennungssystem betreffen, bei dem Brennstoff
und Luft vor der Injektion in die Brennkammereinrichtung vorvermischt werden,
sind Selbstentzündung
und Flammen-Rückschlagen.
Vorvermischeinrichtungen, die für
Niedrigemissions-Verbrennungssysteme verwendet werden, müssen auch
diese Probleme überwinden.
Es wurden Anstrengungen unternommen, verbesserte Niedrigemissions-Verbrennungssysteme
zu entwickeln, insbesondere mit Brennstoff/Luft-Vorvermischeinrichtungen,
von denen Beispiele in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
09/742 009 mit dem Titel DIFFUSION MIXER, die am 22. Dezember 2000
eingereicht wurde, und in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
09/840 991, mit dem Titel DIFFUSION COM- BUSTER, die am 25. April 2001 eingereicht
wurde, beschrieben sind, die beide auf die Anmelderin der vorliegenden
Patentanmeldung übertragen
wurde. EP-A-1 108
957 (D1) beschreibt eine Drei-Stufen-Brennkammer, bei der jeder
der Verbrennungszonen vorvermischter Brennstoff und Luft zugeführt wird.
Dennoch besteht weiterhin ein Bedürfnis nach verbesserten Niedrigemissions-Verbrennungssystemen
und insbesondere nach verbesserten Vorvermischern für derartige
Verbrennungssysteme.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoff/Luft-Mischeinrichtung
bereitzustellen, die in der Lage ist, eine bessere Brennstoff/Luftmischung
für eine
Niedrigemissions-Brennkammereinrichtung bereitzustellen.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einzige Brennstoff/Luft-Mischeinrichtung
bereitzustellen, die in der Lage ist, die Brennstoff/Luft-Mischungszufuhr zu
stufen, um verschiedene Anforderungen von verschiedenen Betriebsbedingungen
zu erfüllen.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wirbel-Diffusions-Fall-Brennkammereinrichtung
bereitzustellen, die für
Gasturbinenmaschinen verwendet wird, um niedrige NOx-
und CO-Emissionen von Grundlast- bis Teillast-Maschinenbetriebsbedingungen zu erzielen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Mischeinrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Die
Erfindung ist gegenüber
D1 durch den kennzeichnenden Teil von D1 gekennzeichnet. Die Mischeinrichtung
weist eine Ringkammer mit einem strömungsaufwärtigen Ende und einem strömungsabwärtigen Ende
und einem Verzweigungsring auf, der das strömungsaufwärtige Ende der Ringkammer abschließt. Die
Ringkammer weist eine ringförmige
Innenwand und eine ringförmige
Außenwand
auf, um die Kammer dazwischen zu definieren, wobei die ringförmige Innenwand
in Strömungsabwärtsrichtung radial
und nach außen,
und die ringförmige
Außenwand
in Strömungsabwärtsrichtung
radial und nach innen verläuft.
Der Verzweigungsring weist eine Brennstoffpassage in Fluidverbindung
mit der Ringkammer zum Zuführen
von Brennstoff in die Ringkammer und eine Mehrzahl von Wirbelluftpassagen auf,
um verwirbelte Verdichterluftströme
in die Ringkammer zu liefern. Die Wirbelluftströme vermischen sich mit dem
Brennstoff aus den Brennstoffpassagen und erzeugen so eine Brennstoff/Luftmischung
in der Ringkammer. Ein strömungsabwärtiges Ende
der Ringkammer ist daran angepasst, mit der Brennkammereinrichtung
in Fluidverbindung damit verbunden zu sein, um die Brennstoff/Luftmischung
in die Brennkammereinrichtung zur Verbrennung fallen zu lassen.
-
Die
Brennstoffpassage ist vorzugsweise von einem Brennstoffring gebildet,
der koaxial zur Ringkammer ist. Der Brennstoffring weist vorzugsweise eine
ringförmige
Innenwand und eine ringförmige
Außenwand
auf, die von dem Verzweigungsring in Strömungsabwärtsrichtung gehen, um eine
ringförmige Brennstoffpassage
mit einer Mehrzahl von Öffnungen
in einem strömungsabwärtigen Ende
des Brennstoffrings zu definieren. Die Öffnungen sind in einer umfangsmäßig beabstandeten
Relation positioniert. Der Brennstoffring gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist zwei radial positionierte Prallplatten
umfangsmäßig beabstandet
voneinander auf, um die ringförmige
Passage in zwei Passagenabschnitte zu unterteilen, die Brennstoffzufuhr
durch einen der beiden Passagenabschnitte oder durch beide Abschnitte
gleichzeitig erlauben, so dass örtliche
Brennstoff/Luft-Mischverhältnisse
eingestellt werden können,
ohne die Gesamtbrennstoff/Luft-Strömungsmasse zu ändern.
-
Die
Wirbelluftpassagen weisen vorzugsweise eine erste und eine zweite
Gruppe von Luftpassagen auf, welche durch den Verzweigungsring gehen und
in einer umfangsmäßig beabstandeten
Relation entlang einer ersten bzw. einer zweiten Kreislinie koaxial
zum ersten Brennstoffring verteilt sind. Die erste kreisförmige Linie
hat einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des Brennstoffrings,
und die zweite kreisförmige
Linie hat einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser
des Brennstoffrings.
-
Die
Luftpassagen in der jeweiligen ersten und der jeweiligen zweiten
Gruppe gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind tangential in eine Rotationsrichtung
geneigt, entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn, um eine
Spiralluftströmung
in der Ringkammer zu erzeugen, was zu einer relativ stabilen Flamme
in der Brennkammereinrichtung führt.
In einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Luftpassagen in einer der ersten
und der zweiten Gruppe tangential im Uhrzeigersinn geneigt, während die
Luftpassagen der anderen Gruppe in einem Gegenuhrzeigersinn geneigt
sind, um Luftturbulenzen in der Ringkammer der Mischeinrichtung
zu erzeugen, was zu einem besseren Vermischen von Brennstoff und
Luft führt.
-
Es
ist bevorzugt, eine strömungsabwärtige Ringpassage
bereitzustellen, die zwischen einer zylinderförmigen inneren Wand und einer
zylinderförmigen äußeren Wand
definiert ist und die in Strömungsabwärtsrichtung
von dem strömungsabwärtigen Ende
der Ringkammer weg geht. Die strömungsabwärtige Ringpassage
dient als ein Bereich des diffusen Vermischens und ist daran angepasst,
mit der Brennkammereinrichtung in Fluidverbindung zum Ablassen der
Brennstoff/Luftmischung von der Ringkammer in die Brennkammereinrichtung
zur Verbrennung verbunden zu sein.
-
Eine
Gasturbinen-Brennkammereinrichtung kann vorzugsweise vorgesehen
sein. Die Brennkammereinrichtung weist ein zylinderförmiges Brennkammerrohr
zum Aufnehmen einer Brennstoff/Luftmischung auf, um Verbrennungsprodukte
zu erzeugen. Das Brennkammerrohr hat eine zentrale Achse und weist
eine ringförmige
Seitenwand und gegenüber liegend
ein strömungsaufwärtiges und
ein strömungsabwärtiges Ende
auf. Mindestens eine Zündeinrichtung
ist in dem Brennkammerrohr positioniert und ist an dem Brennkammerrohr
angebracht. Die Mischeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist
an dem strömungsaufwärtigen Ende
eines Brennkammerrohrs in einer koaxialen Relation angebracht. Es
ist bevorzugt, dass eine Abschlussplatte an einem Abschlussumfang
der Innenwand der strömungsabwärtigen ringförmigen Passage
der Mischeinrichtung angebracht ist und so einen zentralen Bereich
einer strömungsaufwärtigen Abschlusswand
des Brennkammerrohrs bildet, so dass eine ringförmige Öffnung an dem strömungsaufwärtigen Ende
um den Mittelbereich der strömungsaufwärtigen Abschlusswand
davon gebildet ist. Die ringförmige Öffnung stört die Mischungsströmung nicht,
die dort hindurch geht, so dass die in dem Mischprozess in der Mischeinrichtung
erhaltenen dynamischen Eigenschaften der Brennstoff/Luftmischung
nicht beeinflusst werden, wenn die Brennstoff/Luftmischung in das
Brennkammerrohr zur Verbrennung abgelassen werden.
-
Die
zentrale Öffnung
des Brennstoffrings, die in Fluidverbindung mit einer zentralen
Passage ist, die in der ringförmigen
Innenwand der Ringkammer defi niert ist, nimmt vorzugsweise eine
Pilot-Brennstoffleitung auf, welche dort hindurch geht und mit dem
Zentralbereich der strömungsaufwärtigen Abschlusswand
des Brennkammerrohrs verbunden ist, um Brennstoff in das Brennstoffrohr
zu liefern. Eine Pilotflamme liefert eine stabilisierende Diffusionsflamme
bei Teillastbedingungen. Der Zentralbereich der strömungsaufwärtigen Abschlusswand
weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Öffnungen zum Einlassen von
Luftströmen
von der zentralen Öffnung
und der zentralen Passage auf, um die strömungsaufwärtige Abschlusswand des Brennkammerrohrs
zu kühlen.
Die Mischeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in der Lage, eine Brennstoff/Luftmischung mit Mischverhältnisabweichungen
von weniger als ±3%
an dem Einlass der Brennkammereinrichtung zu liefern. Deshalb erreicht
die Wirbel-Diffusions-Fall-Brennkammereinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung vorteilhafterweise niedrige Emissionen bei NOx von
niedriger als 10 ppm und CO niedriger als 20 ppm von Grundlast-
bis Teillast-Bedingungen. Außerdem
verhindern die Strukturen der Mischeinrichtung der vorliegenden
Erfindung effektiv Selbstentzündung
und Flammen-Rückschlag.
Die verbrennende Brennstoff/Luftmischung in der primären Verbrennungszone
der Brennkammereinrichtung wird durch den in der Ringkammer der
Mischeinrichtung erzeugten Wirbel und durch die durch den Druckgradienten
induzierte Zirkulation in Richtung der strömungsaufwärtigen Abschlusswand des Brennkammerrohrs
stabilisiert.
-
Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung wird man mit Bezugnahme
auf bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die nachfolgend beschrieben sind, besser
verstehen.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Nachdem
so generell die Natur der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde,
wird nun Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen, die anhand
von Beispielen bevorzugte Ausführungsformen
zeigen, wobei:
-
1 eine
Schnittansicht einer Wirbel-Diffusions-Fall-Brennkammereinrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
2 eine
plane Draufsicht auf einen Verzweigungsring gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wie in der Ausführungsform von 1 verwendet;
-
3 eine
plane Draufsicht auf einen Verzweigungsring gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, der alternativ in der Ausführungsform
von 1 verwendet werden kann;
-
4 eine
schematische Teilschnittansicht von 1 ist, die
das Vermischen von Brennstoff und Luft in der Ringkammer der Mischeinrichtung
und insbesondere das axiale Rezirkulieren zeigt; und
-
5 eine
plane Draufsicht auf einen Verzweigungsring gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
In 1 ist
generell mit Bezugszeichen 10 versehen eine eine Mischeinrichtung
aufweisende Wirbel-Diffusions-Fall-Brennkammereinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Die Brennkammereinrichtung weist generell ein
zylinderförmiges
Brennkammerrohr 12 mit einer zentralen Achse 14 und
ein strömungsaufwärtiges Ende 16 und
ein strömungsabwärtiges Ende 18,
definiert durch eine Seitenwand 20 auf. Das Brennkammerrohr 12 empfängt eine
Brennstoff/Luftmischung, die dort hinein durch sein strömungsaufwärtiges Ende 16 abgelassen
wird, und erzeugt Verbrennungsprodukte, die von dem strömungsabwärtigen Ende 18 in
einen (nicht gezeigten) Verbrennungsübergangsabschnitt abgegeben
werden. Zwei Zündeinrichtungen 22 sind an
der Seitenwand 20 des Brennkammerrohrs 12 dem
strömungsaufwärtigen Ende 16 davon
benachbart angebracht und sind der Innenseite des Brennkammerrohrs 12 zum
Entzünden
einer Brennstoff/Luftmischung in dem Brennkammerrohr 12 exponiert,
um den Verbrennungsprozess zu starten. Eine kreisförmige Aufprallkühlhaut 24 ist
um das Brennkammerrohr 12 herum vorgesehen und ist radial
von der Seitenwand 20 beabstandet. Die Aufprallkühlhaut 24 weist
eine Mehrzahl von (nicht gezeigten) Öffnungen auf, um druckbeaufschlagte
Luftströme
zu lenken, um auf die Sei tenwand 20 des Brennkammerrohrs 12 aufzuprallen,
um diese zu kühlen, was
im Stand der Technik bekannt ist und deshalb nicht weiter beschrieben
wird.
-
Die
Brennkammereinrichtung 10 weist ferner eine Mischeinrichtung 30 auf,
die koaxial an dem Brennkammerrohr an dessen strömungsaufwärtigen Ende 16 angebracht
ist. Die Mischeinrichtung 30 weist eine Ringkammer 32 auf,
die ein strömungsaufwärtiges Ende 34 und
ein strömungsabwärtiges Ende 36 hat
und weist eine ringförmige
Innenwand 38 und eine ringförmige Außenwand 40 auf. Die
ringförmige
Innenwand 38 verläuft
in Strömungsabwärtsrichtung
radial und nach außen,
während
die ringförmige
Außenwand 40 in
Strömungsabwärtsrichtung radial
und nach innen verläuft,
um einen umfangsmäßig kontinuierlichen
Kegelstumpfquerschnitt zu bilden. Eine strömungsabwärtige Ringpassage 42 ist
in Fluidverbindung mit der Ringkammer 32 und dem Brennkammerrohr 12 vorgesehen.
Die strömungsabwärtige Ringpassage 42 ist
zwischen einer zylinderförmigen
Innenwand 44 und einer zylinderförmigen Außenwand 46 definiert,
die sich zwischen dem strömungsabwärtigen Ende
der Ringkammer 32 und dem strömungsaufwärtigen Ende 16 des
Brennkammerrohrs 12 erstrecken. Die Länge der Passagen ist durch
die Verweilzeit des Vorvermischers definiert, um sicherzustellen,
dass diese Zeit substanziell niedriger ist als die Selbstentzündungs-Verzögerungszeit einer
Brennstoff/Luftmischung. In dieser speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Außenwand 46 eine integrale
Verlängerung
der Außenwand 40 der
Ringkammer 32 und ist an einem ringförmigen Außenbereich 48 der
Abschlusswand des strömungsaufwärtigen Endes 16 des
Brennkammerrohrs 12 befestigt. Die Innenwand 44 ist
eine integrale Verlängerung
der Innenwand 38 der Ringkammer 32 und weist eine
Abschlussplatte 50 auf, die an dem Abschlussumfang der
Innenwand 44 angebracht ist und einen zentralen Bereich
der Abschlusswand des strömungsaufwärtigen Endes 16 des
Brennkammerrohrs 12 bildet. Somit ist eine Ringöffnung 52 an
dem strömungsaufwärtigen Ende 16 um
den Zentralbereich 50 der strömungsaufwärtigen Abschlusswand des Brennkammerrohrs 12 definiert, um
das Ablassen einer Wirbel-Brennstoff/Luftmischung, die nachfolgend
weiter beschrieben wird, in das Brennkammerrohr 12 ohne
Störung
zu erlauben.
-
Die
Mischeinrichtung 30 weist einen Verzweigungsring 54 auf,
der das strömungsaufwärtige Ende 34 der
Ringkammer 32 schließt.
Der Verzweigungsring 54 weist einen Brennstoffring 56 auf,
der mit dem Verzweigungsring 54 bei dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung integriert ist. Der Brennstoffring 56 hat
eine ringförmige
Innenwand 58 und eine ringförmige Außenwand 60, die jeweils
beide in Strömungsaufwärtsrichtung
und in Strömungsabwärtsrichtung
von dem Verzweigungsring 54 weg ragen und so eine ringförmige Brennstoffpassage 62 definieren.
Der Brennstoffring 56 hat einen vergrößerten strömungsabwärtigen Endbereich 64,
in dem die Innenwand 58 des Brennstoffrings 56 in
Strömungsabwärtsrichtung
radial und nach innen verläuft,
während
die Außenwand 60 in Strömungsabwärtsrichtung
radial und nach außen verläuft, wie
in 4 deutlicher gezeigt.
-
Wie
in 4 gezeigt ist, ist eine ringförmige Ausnehmung 68 an
dem vergrößerten strömungsabwärtigen Abschlussabschnitt 64 des
Brennstoffrings 56 vorgesehen und so ein Paar von Ringlippen 66 an dem
strömungsabwärtigen Ende
des Brennstoffrings 56 gebildet. Eine Mehrzahl von kleinen Öffnungen 70 ist
in dem Grund der Ringausnehmung 68 in einer umfangsmäßig beabstandeten
Relation vorgesehen, um eine Mehrzahl von Brennstoffpassagen 62 in
die Ringkammer 32 zu schaffen. Die kleinen Öffnungen 70 sind
mit einem Winkel tangential angeordnet, um gleichförmig Brennstoff
in die Ringausnehmung 68 in Vorbereitung für ein optimales
Brennstoff/Luft-Vermischen zu verteilen, und um sämtliche
Taschen von brennbarer Brennstoff/Luftmischung in der Ringausnehmung
minimieren.
-
Wie
in 2 gezeigt, sind zwei radial positionierte Prallplatten 72 in
der ringförmigen
Brennstoffpassage 62 des Brennstoffrings 56 vorgesehen,
die radial in einer umfangsmäßig beabstandeten
Relation verlaufen, um, die ringförmige Brennstoffpassage 62 in
einen ersten Brennstoffpassagenabschnitt 74 und einen zweiten
Brennstoffpassagenabschnitt 76 zu teilen, was Brennstoffzufuhr
durch einen der beiden Brennstoffpassagenabschnitte 74 oder 76 oder durch
beide Abschnitte 74 und 76 gleichzeitig erlaubt, um
eine Brennstoff-Stufungsfunktion zu erzielen. Zwei Brennstoffrohre 75 bzw. 77 sind
vorgesehen, die jeweils mit dem ersten bzw. dem zweiten Brennstoffpassagenabschnitt 74 und 76 zur
unabhängigen Brennstoffzufuhr
zu dem ersten und dem zweiten Brennstoffpassagenabschnitt 74 und 76 verbunden sind.
-
Eine
erste Gruppe von Luftpassagen 78 und eine zweite Gruppe
von Luftpassagen 80 ist in dem Verzweigungsring 54 vorgesehen
und geht dort hin durch. Die Luftpassagen 78 und 80 der
zwei Gruppen sind in einer umfangsmäßig beabstandeten Relation jeweils
entlang einer ersten und einer zweiten kreisförmigen Linie 82 und 84 beabstandet,
die mit dem Brennstoffring 56 koaxial sind. Die kreisförmige Linie 82 hat
einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des Brennstoffrings 56,
und dessen Durchmesser ist wiederum kleiner als der Durchmesser
der kreisförmigen
Linie 84, so dass die ringförmige Brennstoffpassage 62 zwischen
den zwei Gruppen von Luftpassagen 78 und 80 positioniert
ist.
-
Die
Luftpassagen 78 und 80 sind tangential in entgegengesetzte
Rotationsrichtungen geneigt. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sind die Luftpassagen 78 im Uhrzeigersinn geneigt
(lediglich zwei der Passagen 78 sind mit unterbrochenen
Linien 79 gezeigt, was die Neigungsrichtung anzeigt), und
die Passagen 80 sind im Gegenuhrzeigersinn geneigt (lediglich
zwei der Passagen 80 sind mit unterbrochenen Linien 81 gezeigt,
was die Neigungsrichtung anzeigt).
-
Ein
Verzweigungsring 54' gemäß der weiteren
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt.
Der Verzweigungsring 54' ist ähnlich der
Ausführungsform 54 (gezeigt
in 2), und ähnliche
Teile und Merkmale sind mit ähnlichen
Bezugszeichen versehen und werden deshalb nicht redundant beschrieben.
Der einzige Unterschied liegt darin, dass die Luftpassagen 78 und 80 in
den zwei jeweiligen Gruppen tangential in eine Rotationsrichtung
geneigt sind, entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn.
Bei dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Luftpassagen 80 tangential
im Uhrzeigersinn geneigt (lediglich zwei von diesen sind mit unterbrochenen
Linien 81' gezeigt),
in der gleichen Richtung, in der die Luftpassagen 78 tangential geneigt
sind (wie mit der unterbrochenen Linie 79 gezeigt). Der
Effekt des Änderns
der Tangentialrichtung der Luftpassagen wird nachfolgend weiter
beschrieben.
-
Der
Verzweigungsring 54 definiert eine zentrale Öffnung 86 und
ist mit einer Mehrzahl von Umfangsöffnungen 88 versehen,
die dem Umfang 90 (in 2 gezeigt)
des Verzweigungsrings 54 benachbart positioniert sind.
Wie in 1 gezeigt, weist die Brennkammereinrichtung 10 zusätzlich ein
zylinderförmiges
Gehäuse 92 auf
(lediglich ein Abschnitt einer Seitenwand des zylinderförmigen Ge häuses 92 ist
gezeigt), um das Brennkammerrohr 12 und die Mischeinrichtung 30 darin
zu beinhalten und abzustützen.
Die Umfangsöffnungen 88 sind
in Fluidverbindung mit einem Ringraum 94, der zwischen
dem Brennkammerrohr 12 und dem zylinderförmigen Gehäuse 92 definiert
ist. Eine Pilotbrennstoffleitung 95 ist in die Zentralöffnung 86 eingesetzt
und geht durch eine zentrale Passage 96, die in den ringförmigen Innenwänden 38 und 44 definiert
ist, um an der Mitte des Zentralbereichs 50 der strömungsaufwärtigen Abschlusswand
des Brennkammerrohrs 12 befestigt zu sein. Eine zentrale Öffnung 98 ist
in dem Zentralbereich 50 der strömungsaufwärtigen Abschlusswand des Brennkammerrohrs 12 vorgesehen,
um das Injizieren von Brennstoff von der Pilotbrennstoffleitung 95 für eine Pilotflamme
in dem Brennkammerrohr 12 von dem strömungsaufwärtigen Ende 16 davon
zu erlauben. Eine Mehrzahl von kleinen Öffnungen (nicht gezeigt) ist
auch in dem Zentralbereich 50 der strömungsaufwärtigen Abschlusswand des Brennkammerrohrs 12 vorgesehen,
durch welche die zentrale Passage 96 in Fluidverbindung
mit dem Brennkammerrohr 12 ist.
-
Bei
Betrieb erreicht Verdichterluft die Mischeinrichtung 30 von
oben. Wie in 1 gezeigt, strömt die Luft
durch Wirbelluftpassagen, welche durch die zwei Gruppen von Luftpassagen 78 und 80 in
dem Verzweigungsring 54 gebildet sind und erzeugt Wirbelluftströme in der
Ringkammer 32. Der Brennstoff, der gasförmig oder flüssig sein
kann (bei dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gasförmig) wird
durch die Brennstoffrohre 75 und 77 (in 1 ist lediglich 75 gezeigt)
in die ringförmige
Brennstoffpassage 62 und wird von den Lippen 66 (wie
in 4 gezeigt) des Verzweigungsrings 54 durch
die wirbelnde Verdichterluft abgeschert. Auf diese Weise wird die Luft
in dem Brennstoff gemischt und deshalb ist der Impuls der Brennstoffinjektion
für den
Brennstoff/Luft-Mischprozess nicht wichtig. Deshalb ist es möglich, eine
System mit einem relativ niedrigen brennstoffseitigen Druckabfall
zu haben, falls das erforderlich ist. Die Luftverwirbelung erhöht die Turbulenz
und erhöht
somit das Vermischen des Brennstoffs und der Luft. Die Anzahl und
die Größe der Luftpassagen 78 und 80,
die ausgelegt sein sollten, individuelle Triebwerkserfordernisse
zu erfüllen, steuern
die Gesamtluftströmung
durch die Vorrichtung, indem sie als ein Widerstand wirken. Die
Brennstoff/Luftmischung strömt
dann nach unten durch die ringförmige
strömungsabwärtige Passage 42,
die als der Bereich des Diffusionsvermischens und auch als ein Flammenrückschlag-Hindernis
dient. Die Brennstoff/Luftmischung fällt dann in das Brennkammerrohr 12,
liefert das abschließende
Mischniveau und verbrennt in der primären Verbrennungszone, die in dem
strömungsaufwärtigen Abschnitt
des Brennkammerrohrs 12 positioniert ist. Die brennende
Brennstoff/Luftmischung wird durch die Verwirbelung, welche durch
die Wirbelluftpassagen 78 und 80 erzeugt wird,
und die durch den Druckgradienten induzierte Rezirkulation zu dem
strömungsaufwärtigen Ende 16 des
Verbrennungsrohrs 12 stabilisiert. Die Zündeinrichtungen 22 sind
so angeordnet, dass sie von der rezirkulierenden Brennstoff/Luftmischung
in der primären
Zone des Brennkammerrohrs 12 profitieren.
-
Die
Wirbelluftpassagen 78 und 80 des Verzweigungsrings 54,
die tangential in entgegengesetzte Rotationsrichtungen geneigt sind,
erzeugen mehr Luftturbulenzen in der Ringkammer 32, was
besser für
das Vermischen von Brennstoff und Luft ist. Jedoch wird die brennende
Brennstoff/Luftmischung in der primären Zone eines Brennkammerrohrs 12 weniger
durch den Wirbel stabilisiert, der durch die entgegengesetzt geneigten
Wirbelpassagen 78 und 80 erzeugt wird.
-
Im
Gegensatz dazu hat der Verzweigungsring 54, der in 3 gezeigt
ist, Wirbelluftpassagen 78 und 80, die tangential
in eine Richtung geneigt sind, so dass die brennende Brennstoff/Luftmischung in
der primären
Zone des Brennkammerrohrs 12 durch einen stärkeren Wirbel
stabilisiert wird, der durch die Wirbelluftpassagen erzeugt wird.
Jedoch ist bei dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die durch die Wirbelluftpassagen in der
Ringkammer 32 erzeugten Luftturbulenz etwas reduziert, was
zu einer beeinträchtigten
Brennstoff/Luft-Mischwirkung führt.
-
In 4 sind
Pfeile verwendet, um Strömungsrichtungen
in der Ringkammer 32 zu zeigen. Die Tangentialorientierung
der Luftpassagen 78, 80 und die Strömungszirkulation
in der Umfangsrichtung sind nicht gezeigt. Der durch die ringförmige Innenwand
und die ringförmige
Außenwand 38, 40 definierte
Kegelstumpfquerschnitt beschleunigt die Strömung strömungsabwärts der ringförmigen Brennstoffpassage 62,
um die Geschwindigkeit der Brennstoff/Luft-Mischungsströmung zu
erhöhen
und so ein Flammen-Rückschlagen
und Selbstentzünden
zu verhindern. Außerdem
beschränkt
der vergrößerte strömungsabwärtige Endabschnitt 64 zusammen
mit dem kegelstumpfförmigen
Querschnitt der Ringkammer 32 Axialströmungs-Rezirkulation, die unmittelbar strömungsabwärts der
Luftpassagen 78, 80 gebildet wird, in Richtung
eines Bereichs generell strömungsauf wärts der
Lippen 66 des Brennstoffrings 56. Somit ist bei
der axialen Strömungsrezirkulation
sehr wenig Brennstoff involviert, was Selbstentzündung effektiv unterbindet.
-
Wir
in 2 gezeigt, sind der Brennstoffpassagenabschnitt 74 und
der Brennstoffpassagenabschnitt 76 mit dem entsprechenden
Brennstoffrohr 75 bzw. 77 verbunden, was kontrollierbar
Brennstoff zu den entsprechenden Brennstoffpassagenabschnitten 74, 76 zuführt, so
dass der Brennstoffpassagenabschnitt 74 als eine Brennstoffpassage
erster Stufe und der Brennstoffpassagenabschnitt 76 als
eine Brennstoffpassage zweiter Stufe wirkt. Wenn etwa ein Drittel
der Gesamtbrennstoffströmungsmasse dem
Brennstoffpassagenabschnitt 74 zugeführt wird, während der verbleibende Teil
der Brennstoffströmungsmasse
dem Brennstoffpassagenabschnitt 76 zugeführt wird,
sind die Brennstoffströme
gleichmäßig entlang
der Ringlippen 66 des Brennstoffrings 56 verteilt
(siehe 1), um sicherzustellen, dass eine gleichmäßige und
relativ magere Brennstoff/Luftmischung in der Ringkammer 32 für normalen
Maschinenbetrieb erzeugt wird. Wenn eine reichere Brennstoff/Luftmischung
für einen
speziellen Betriebszustand benötigt
wird und niedrige Emissionen nicht von Bedeutung sind, kann die
Gesamtbrennstoffströmungsmasse
in den Brennstoffpassagenabschnitt 74 verschoben werden,
was den Brennstoff entlang etwa einem Drittel der Umfangslänge der
Ringlippen 66 des Brennstoffrings 56 verteilt.
Somit wird lediglich ein Teil der Gesamtluftströmungsmasse, welche in die Ringkammer 32 gelangt,
mit dem Brennstoff vermischt, und der verbleibende Teil der Luftströmungsmasse
kann nicht aktiv an der Mischwirkung in der Ringkammer 32 teilnehmen,
so dass eine reichere Brennstoff/Luftmischung erzeugt wird.
-
Wie
in 1 gezeigt, strömt
Verdichterluft, die an die Mischeinrichtung 30 von oben
gelangt, auch durch die Zentralöffnung 86 und
die Umfangsöffnungen 88.
Die Verdichterluft, welche in die Zentralöffnung 86 gelangt,
strömt
durch die zentrale Passage 96 und gelangt in das Verbrennungsrohr 12 durch
eine Reihe von Effusionsöffnungen
(nicht gezeigt) in dem Zentralbereich 50 der strömungsaufwärtigen Abschlusswand
des Brennkammerrohrs 12, um das strömungsaufwärtige Ende 16 des
Brennkammerrohrs 12 zu kühlen. Die in die Umfangsöffnungen 88 gelangende
Verdichterluft füllt
den Ringraum 94 zwischen dem Brennkammerrohr 12 und dem
zylinderförmigen
Gehäuse 92 und
strömt
durch die Öff nungen
(nicht gezeigt) in die Aufprallkühlhaut 24,
um die Seitenwand 20 des Brennkammerrohrs 12 zu
kühlen.
-
In 5 ist
ein Verzweigungsring 54'' gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Verzweigungsring 54'' hat ähnliche Konfigurationen und
Merkmale wie der Verzweigungsring 54 der 2,
welche mit ähnlichen
Bezugszeichen bezeichnet sind und deshalb nicht redundant beschrieben
sind. Der Verzweigungsring 54'' weist
einen zusätzlichen
Brennstoffring 56' und
eine dritte Gruppe von Wirbelluftpassgen 80' auf. Der zusätzliche Brennstoffring 56' ist ähnlich dem
Brennstoffring 56 und hat eine ringförmige Brennstoffpassage 62', welche durch
zwei Prallplatten 72' in
zwei Brennstoffpassagenabschnitte 74' und 76' geteilt ist, welche den Brennstoffpassagenabschnitten 74 und 76 der
ringförmigen
Brennstoffpassage 62 des Brennstoffrings 56 korrespondieren.
Die Brennstoffpassagenabschnitte 74', 76' sind auch mit den jeweiligen Brennstoffrohren 75, 77 in
Fluidverbindung damit verbunden, um zusammen mit den entsprechenden
Brennstoffpassagenabschnitten 74, 76 als Brennstoffpassagen
erster Stufe bzw. zweiter Stufe zu wirken. Der zusätzliche
Brennstoffring 56' hat
einen Durchmesser, der größer ist
als der Durchmesser der kreisförmigen
Linie 84, und die verbleibende Konfiguration ist ähnlich dem
Brennstoffring 56, wie in den 1 und 4 gezeigt,
und wird deshalb nicht redundant beschrieben. Die dritte Gruppe
von Wirbelluftpassagen 80' ist
entlang einer dritten kreisförmigen
Linie 84' in
einer umfangsmäßig beabstandeten
Relation verteilt. Die kreisförmige
Linie 84' hat einen
Durchmesser, der größer ist
als der Durchmesser des zusätzlichen
Brennstoffrings 56'.
Die Wirbelluftpassagen 80', 80 und 78 können in
die gleiche Rotationsrichtung oder in unterschiedliche Rotationsrichtungen
tangential geneigt sein, ähnlich
den in 2 und 3 beschriebenen. 5 zeigt
nicht die Richtung der Tangentialneigung der Wirbelluftpassagen 80', 80 und 78 nicht.
Eine Mischeinrichtung der vorliegenden Erfindung mit dem Verzweigungsring 54'' arbeitet nach den gleichen Prinzipien
wie die Mischeinrichtung 30, die in 1 gezeigt
ist, und schafft eine noch bessere Vermischung von Brennstoff und
Luft.
-
Modifikationen
und Verbesserungen der vorangehend beschriebenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann erkennen. Die vorangegangene
Beschreibung soll beispielhaft und nicht beschränkend sein. Der Umfang der
Erfindung soll deshalb lediglich durch den Umfang der angefügten Ansprüche beschränkt sein.