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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzvorrichtung
für die
Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks und insbesondere auf einen
Prefilmer (zylinderförmige
Teilerwand) eines solchen Triebwerks.
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Es
besteht ein zunehmender Bedarf nach einer Verminderung der Emissionen,
die von den Brennkammern von Fluggasturbinentriebwerken, Schiffstriebwerken
und industriellen Anlagen erzeugt werden. Eine Möglichkeit zur Verminderung
der Emissionen besteht darin, ein mageres, vorgemischtes, vorverdampftes
Verbrennungsgemisch (LPP) zu benutzen, bei dem der flüssige Brennstoff
in einem Vormischkanal vermischt und verdampft wird. Eine typische
LPP-Brennstoffeinspritzvorrichtung
ist in der
EP 0660038 beschrieben.
Das Brennstoff/Luft-Gemisch strömt
dann in die Brennkammer ab, wo es verbrannt wird. Es werden dabei
nur geringe Pegel von Stickoxidemissionen (NOx) erzeugt, weil der
Vormischer ein gleichmäßig gemischtes
Brennstoff/Luft-Gemisch mit einem Äquivalenzverhältnis erzeugt,
das geringer ist als der stoichiometrische Wert. Dieses Gemisch
brennt mit einer relativ niedrigen Flammentemperatur, wodurch die
Erzeugung von NOx vermieden wird, die bei herkömmlichen Verbrennungssystemen
bei hohen Temperaturen auftritt.
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Um
die Vermischung zu unterstützen,
weisen zahlreiche Vormischkanäle
einen Prefilmer auf, der in dem Kanal montiert ist. Dieser liegt
gewöhnlich zwischen
radial benachbarten Verwirbelungsschaufeln. Der Brennstoff wird
von der stromabwärtigen Kante
des Prefilmers abgezogen und zerstäubt, wenn er durch einen Abscherungsbereich
hindurchläuft,
der durch die Verwirbelungsschaufeln erzeugt wird. Auf diese Weise
wird der Brennstoff immer von der Mitte des Kanals her verteilt,
und es wird vermieden, dass eine fehlerhafte Vermischung infolge
einer übermäßigen oder
untermäßigen Brennstoffeinführung erfolgt.
Bei einem typischen LPP-Brennstoffinjektor ist dies der einzige
Zweck des Prefilmers. Ein solcher Brennstoffinjektor ist in der
GB 713406 beschrieben.
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Obgleich
LPP-Verbrennungssysteme NOx-Emissionen erzeugen können, die
beträchtlich niedriger
sind als bei herkömmlichen
Systemen, so gibt es dort doch schwerwiegende Nachteile. Einer der
Nachteile ist die Verbrennungsinstabilität. Wenn die Veränderungen
in Wärmeabgabe
und Druck in Phase liegen, dann steigt die Größe der beiden Fluktuationen
an. Die Härte
der erzeugten Verbrennungsinstabilität ändert sich von einem lästigen Geräusch zu
einer Stärke,
die ausreicht, um die Strömung
in den Kompressoren des Gasturbinentriebwerks abreißen zu lassen,
wodurch eine strukturelle Beschädigung
der Verbrennungssysteme verursacht wird. Bei einem herkömmlichen
Fluggasturbinen-Verbrennungssystem
arbeiten verschiedene Bereiche innerhalb der Brennkammer mit unterschiedlichen
Brennstoff/Luft-Verhältnissen.
Hier liegen die Fluktuationen in der Wärmeabgabe außer Phase
miteinander, und dies führt
zu einer Verminderung der Gesamtwärmeabgabe. Bei einem LPP-System
tendieren alle Teile des Verbrennungssystems dazu, in Phase miteinander
zu oszillieren, da das System mit einem gleichförmigen Brennstoff/Luft-Verhältnis arbeitet.
Die Gesamtwärmeabgabefluktuationen
tendieren demgemäß dazu,
hoch zu werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel zu schaffen,
die die Verbrennungsinstabilität
vermindern und insbesondere die Gesamtwärmeabgabefluktuationen innerhalb
der Brennkammer vermindern.
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Demgemäß schafft
die Erfindung eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk
mit einem Prefilmer, der einen Körper
aufweist, welcher eine Achse, eine zylindrische Oberfläche und
eine stromabwärtige
Kante definiert, wobei der Prefilmer so angeordnet ist, dass dann,
wenn er betriebsmäßig mit
der Brennstoffeinspritzvorrichtung zusammenwirkt, Brennstoff auf
die Oberfläche
auftrifft und durch einen hindurchtretenden Luftstrom gefördert nach
der stromabwärtigen
Kante strömt,
von wo der Brennstoff abfließt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung
außerdem Mittel
aufweist, um die Verweilzeit des Brennstoffs in Umfangsrichtung über der
Oberfläche
zu verändern.
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Vorzugsweise
weist die Brennstoffeinspritzvorrichtung einen Brennstoffauslasskanal
auf, der so angeordnet ist, dass er Brennstoff auf die Oberfläche spritzt,
wobei die Mittel, die in Umfangsrichtung die Verweilzeit des Brennstoffs
auf der Oberfläche
verändern,
darin bestehen, dass der Brennstoffauslasskanal in Umfangsrichtung
an verschiedenen Axialstellen austritt, so dass der Brennstoff auf
die Oberfläche an
wenigstens zwei unterschiedlichen Axialstellen aufgespritzt wird.
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Stattdessen
können
die Mittel zur Veränderung
der Verweilzeit des Brennstoffs auf der Oberfläche aus einer Oberfläche bestehen,
die eine in Umfangsrichtung unterschiedliche axiale Länge besitzt, so
dass der von der stromabwärtigen
Kante abgezogene Brennstoff an wenigstens zwei unterschiedlichen
Axialstellen abgerissen wird. Vorzugsweise hat die Oberfläche eine
allgemein sinusförmige
Gestalt, oder stattdessen kann die Oberfläche zinnenförmig oder allgemein sägezahnförmig oder
abgeschrägt verlaufend
ausgebildet sein, oder sie kann bogenförmige Abschnitte besitzen oder
eine Spirale definieren.
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Stattdessen
können
die Mittel zur Veränderung
der Verweilzeit des Brennstoffs auf der Oberfläche darin bestehen, dass die
Oberfläche
wenigstens einen aufgerauten Abschnitt aufweist.
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Stattdessen
können
die Mittel zur Veränderung
der Verweilzeit des Brennstoffs auf der Oberfläche asymmetrisch um die Brennstoffeinspritzvorrichtung
herum angeordnet sein.
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Stattdessen
können
die Mittel zur umfangsmäßig veränderten
Verweilzeit des Brennstoffs auf der Oberfläche darin bestehen, dass der
Brennstoffauslasskanal allgemein in einer Ebene liegt und so ausgebildet
ist, dass der Brennstoff unter mehr als einem Winkel aufgespritzt
wird, derart, dass der Brennstoff auf der Oberfläche an wenigstens zwei unterschiedlichen
Axialstellen auftrifft und die Verweilzeit des Brennstoffs über der
Oberfläche
sich in Umfangsrichtung ändert.
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Stattdessen
kann der Brennstoffauslasskanal wenigstens zwei Winkelstellungen
aufweisen, wobei der Winkel des Auslasskanals zwischen 45 und 135
Grad beträgt.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Schnittansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß der Erfindung,
die am stromaufwärtigen
Ende einer Brennkammer angeordnet ist;
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3a bis
d zeigen vier Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Prefilmers;
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4 ist
eine Teilschnittansicht der Brennstoffeinspritzvorrichtung nach 2 mit
einem fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine Teilschnittansicht der Brennstoffeinspritzvorrichtung nach 2 mit
einem sechsten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Das
in 1 dargestellte Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk 110 weist
in axialer Strömungsrichtung
hintereinander einen Lufteinlass 112, einen Vortriebsfan 114,
ein Kerntriebwerk 116 und einen Abgasdüsenaufbau 118 auf,
die alle um eine zentrale Achse 120 herum angeordnet sind.
Das Kerntriebwerk 116 umfasst in axialer Strömungsrichtung
mehrere Kompressoren 122, eine Brennkammer 124 und
mehrere Turbinen 126. Die Richtung der Luftströmung durch
das Triebwerk 110 im Betrieb ist durch den Pfeil A gekennzeichnet.
Die Luft wird über den
Lufteinlass 112 eingesaugt und durch den Fan 114 komprimiert
und beschleunigt. Die Luft aus dem Fan 114 wird aufgespalten
in eine Kerntriebwerksströmung
und eine Nebenschlussströmung.
Die Kerntriebwerksströmung
durchläuft
eine ringförmige Anordnung
von Statorschaufeln 128 und tritt in das Kerntriebwerk 116 ein
und strömt
dann durch den Kompressor 122 des Kerntriebwerks und wird
weiter hierdurch komprimiert und strömt in die Brennkammer 124,
wo die Luft mit Brennstoff vermischt wird, der Brennkammer 124 zugeführt und
in dieser verbrannt wird. Die Verbrennung des mit der komprimierten
Luft aus den Kompressoren 122 vermischten Brennstoffs erzeugt
einen Gasstrom hoher Energie und hoher Geschwindigkeit, der nach
Austritt aus der Brennkammer 124 durch die Turbinen 126 stromab strömt. Bei
Durchströmen
der Turbinen 126 dreht der Gasstrom hoher Energie die Turbinenrotoren
an, die aus dem Gasstrom Energie abziehen, die benutzt wird, um
den Fan 114 und die Kompressoren 122 über Triebwerkswellen 130 anzutreiben,
die die Rotoren der Turbinen 126 mit den Kompressoren 122 und dem
Fan 114 verbinden. Nach Durchströmen der Turbinen 126 besitzt
der aus der Brennkammer mit hoher Energie austretende Gasstrom immer
noch eine erhebliche Energie und Geschwindigkeit, und dieser Gasstrom
wird über
den Abgasdüsenaufbau 118 des
Kerntriebwerks ausgeblasen, um einen Antriebsschub zu erzeugen.
Der Rest der Luft, der vom Fan 114 beschleunigt wurde,
strömt
durch einen ringförmigen
Aufbau von Leitschaufeln 132 innerhalb eines Nebenstromkanals 134 um
das Kerntriebwerk 116 herum. Die Nebenschlussströmung, die
durch den Fan 114 beschleunigt wurde, strömt nach
dem Abgasdüsenaufbau 118,
wo die Nebenstromluft ausgeblasen wird, um einen weiteren Anteil
und tatsächlich
den Hauptanteil des ausnutzbaren Vortriebsschubs zu erzeugen. Die
Brennkammer 124 weist eine nicht dargestellte Brennstoffeinspritzvorrichtung auf,
die gemäß der Erfindung
ausgebildet ist.
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Im
Folgenden wird auf
2 Bezug genommen. Eine für das Gasturbinentriebwerk
110 geeignete
Brennstoffeinspritzvorrichtung ist mit dem Bezugszeichen
10 gekennzeichnet.
Diese Brennstoffeinspritzvorrichtung
10 gemäß
2 entspricht
der Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß
EP 0660038 .
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Die
Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 ist am stromaufwärtigen Ende
der Brennkammer 11 des Gasturbinentriebwerks angeordnet,
und ein Teil der Brennkammer ist aus 2 ersichtlich.
Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung sollen die Ausdrücke "stromauf" und "stromab" in Bezug auf die
allgemeine Strömungsrichtung
des flüssigen
und gasförmigen
Materials durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 und
die Brennkammer 11 benutzt werden, wie dies durch den Pfeil
A angedeutet ist. Demgemäß befindet
sich in Bezug auf die beiliegende Zeichnung das "stromaufwärtige" Ende auf der linken Seite der Zeichnung,
und das "stromabwärtige" Ende befindet sich
auf der rechten Seite der Zeichnung. Die allgemeine Ausbildung der
Brennkammer 11 ist von herkömmlicher Bauart und wird daher
nicht im Einzelnen beschrieben. Es genügt jedoch zu sagen, dass die
Brennkammer 11 eine bekannte Ringbrennkammer sein kann
oder stattdessen aus Flammrohren besteht, d.h. aus einer ringförmigen Anordnung
gleicher einzelner Brennkammern oder Flammrohren. Im Falle einer
aus Flammrohren bestehenden Brennkammer wird normalerweise jeweils
eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 für jede Brennkammer 11 benötigt. Im
Falle einer ringförmigen
Brennkammer 11 würde
die Brennkammer jedoch mit einer Mehrzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen 10 zu
versehen sein, die in einer ringförmigen Anordnung am stromaufwärtigen Ende
angeordnet sind. Außerdem
könnte
jedoch mehr als eine derartige ringförmige Anordnung vorgesehen
werden, wenn dies erforderlich ist. Beispielsweise könnten zwei
koaxiale Anordnungen vorgesehen werden.
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Die
Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 weist einen axial symmetrischen
Mischkanal 12 auf, in dem ein Zentralkörper 13 koaxial angeordnet
ist.
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Der
Zentralkörper 13 weist
seinerseits einen zentralen axial langgestreckten Kern 14 auf,
der erste und zweite Brennstoffzuführungskanäle 15 und 16 umfasst.
Das stromaufwärtige
Ende des Kerns 14 ist mit einer integralen radial verlaufenden
Strebe 17 versehen, die den Zentralkörper 13 mit einem
Trägerring 18 verbindet.
Die Strebe 17 ist integral mit dem Trägerring 18 verbunden.
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Der
Trägerring 18 trägt das stromaufwärtige Ende
einer Haube 19, die die radial äußere Oberfläche des Zentralkörpers 13 definiert.
Das stromabwärtige
Ende der Haube 19 wird vom stromabwärtigen Ende des Kerns 14 über mehrere
allgemein radial verlaufende Verwirbelungsschaufeln 20 getragen. Daher
wird ein erster Ringkanal 21 zwischen dem Mischkanal 12 und
der Haube 19 definiert. In gleicher Weise wird ein zweiter
Ringkanal 22 durch die Haube 19 und den Kern 14 definiert.
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Unter
Druck stehende Luft wird einem Ringbereich 30, d.h. stromauf
des Hauptteiles der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 zugeführt. Zwei
allgemein radial, verlaufende axial im Abstand zueinander liegende
Wände 23 und 23a definieren
diesen Bereich 30. Die weitere stromabwärtige Wand 23a trägt zusätzlich das
stromaufwärtige
Ende der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10. Die Hochdruckluft
wird im Betrieb über
die Kompressoren 122 des Gasturbinentriebwerks 110 der
Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 zugeführt.
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Der
Mischkanal 12 besitzt zwei ringförmige Anordnungen von Verwirbelungsschaufeln 24 und 25 an
seinem stromaufwärtigen
Ende, die durch einen zylindrischen Prefilmer 26 voneinander
getrennt sind. Der zylindrische Prefilmer 26 erstreckt
sich von den Verwirbelungsschaufeln 24 und 25 stromab
und endet in einer stromabwärtigen
Ringlippe 27. Die zylindrische Teilerwand (Prefilmer 26)
teilt dadurch das stromaufwärtige
Ende des Ringkanals 21 in zwei koaxiale Abschnitte 28 und 29,
die eine allgemein gleiche radiale Erstreckung besitzen. Es ist
daher ersichtlich, dass Druckluft aus dem Bereich 30 über die Verwirbelungsschaufeln 24 und 25 fließt, um zwei
koaxiale Luftverwirbelungsströmungen
zu erzeugen, die anfänglich
durch die zylindrische Tellerwand (Prefilmer 26) unterteilt
sind. Die beiden Luftverwirbelungsströme werden dann im Ringkanal 21 stromab der
Ringlippe 27 des Prefilmers 26 kombiniert. Die Verwirbelungsschaufeln 24 und 25 können so
ausgebildet sein, dass die beiden Luftströmungen entweder im gleichen
Sinn umlaufen oder im Gegensinn.
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Ein
weiterer durch die Wand 23 definierter Bereich 31 enthält ebenfalls
Druckluft. Die Luft aus diesem Bereich 31 strömt durch
die Mitte des Trägerrings 18 und
dann in den zweiten Ringkanal 22. Dann strömt die Luft
weiter durch den Ringkanal 22, bis sie das erweiterte stromabwärtige Ende 32 des
zentralen Kerns 14 erreicht. Dort wird die Luftströmung unterteilt.
Ein Teil der Luftströmung
verläuft über Verwirbelungsschaufeln 20,
die das stromabwärtige
Ende des Kerns 14 abstützen
und die Luftströmung
verwirbeln. Die verwirbelte Luftströmung wird dann vom stromabwärtigen Ende
des Zentralkörpers 13 ausgeblasen,
worauf sie mit der Luft gemischt wird, die aus dem Ringkanal 21 austritt.
Der übrige
Teil der durch den Ringkanal 22 strömenden Luft fließt dann
durch Löcher 33,
die im Kern 14 vorhanden sind, um in einen Kanal 34 einzutreten,
der am stromabwärtigen Ende 32 des
zentralen Kerns angeordnet ist. Die Luftströmung wird danach aus dem stromabwärtigen Ende
des Kanals 34 abgegeben, wo sie mit der verwirbelten Luftströmung gemischt
wird, die aus den Verwirbelungsschaufeln 20 austritt. Die
radial innere Oberfläche
des stromabwärtigen
Endes des Zentralkörpers 13 hat
eine konvergent-divergente Form, wie bei 34 angedeutet
ist, wodurch die Vermischung fortschreitet.
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Der
erste Brennstoffkanal 15 führt flüssigen Brennstoff durch die
Strebe 17 in einen ringförmigen Stollen 35,
der dicht benachbart zur radial äußeren Oberfläche des
Trägerringes 18 angeordnet
ist. Eine Vielzahl von radial verlaufenden Kanälen 36 kleinen Durchmessers
verbinden den ringförmigen
Stollen 35 mit der radial äußeren Oberfläche des
Trägerringes 18.
Die Kanäle 36 lassen
eine Brennstoffströmung
aus dem ringförmigen
Stollen 35 in den Teil 28 des Ringkanals 21 austreten.
Dort trifft der Brennstoff auf die verwirbelte Luftströmung, die
aus den Verwirbelungsschaufeln 24 austritt. Ein Teil des
Brennstoffs wird durch die Luftströmung verdampft und fließt weiter
in Richtung stromab durch den Ringkanal 21. Der übrige Brennstoff,
der zu dieser Zeit die Form von Tropfen hat, trifft auf die radial
innere Oberfläche 40 eines
Ringkörpers 50,
der den zylindrischen Prefilmer 26 definiert. Dort wird
ein Film aus flüssigem Brennstoff
gebildet, der dann in Richtung stromab über die radial innere Oberfläche des
zylindrischen Prefilmers 26 abströmt. Der Brennstofffilm strömt nach
der stromabwärtigen
Ringlippe 27 am stromabwärtigen Ende des zylindrischen
Prefilmers 26 und fließt
von dieser Lippe ab. Hier trifft der Brennstofffilm auf die verwirbelte
Luftströmung,
die aus den Verwirbelungsschaufeln 25 ausgetreten ist und über die
radial äußere Oberfläche des
zylindrischen Prefilmers 26 geströmt ist.
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Gemäß der vorstehenden
Beschreibung wurde der Brennstoff über die verwirbelte Luftströmung, die
aus den Verwirbelungsschaufeln 24 austrat, auf die radial
innere Oberfläche 40 des
Prefilmers 26 ausgeblasen, aber dies ist in der Tat nicht wichtig.
Beispielsweise könnte
der Brennstoff auf die radial innere oder auch auf die radial äußere Oberfläche des
Prefilmers 26 über
die Brennstoffkanäle
geleitet werden, die innerhalb des Prefilmers 26 angeordnet
sind.
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Die
benachbarte Wirbelluft strömt über die radial
inneren und äußeren Oberflächen des
zylindrischen Prefilmers 26 ab, wodurch der Brennstoff
zerstäubt
wird, wenn er von der Ringlippe 27 abreißt. Der
zerstäubte
Brennstoff wird dann schnell durch die Luftströmung verdampft, die aus den
Verwirbelungsschaufeln 25 austritt, bevor der Brennstoff
in den Hauptteil des Ringraumes 21 eintritt. Der Ringkanal 21 ist
genügend
lang, um zu gewährleisten,
dass der verdampfte Brennstoff und die ihn führende Verwirbelungsluftströmung innig
miteinander während der
Zeit vermischt werden, bis sie das stromabwärtige Ende des Kanals 12 erreichen.
Um weiter den Mischprozess zu verbessern, hat der Kanal 12 allgemein
eine konvergentdivergente Konfiguration. Der divergente Auslass
des Kanals 12 gewährleistet auch
eine Flammenrezirkulation in dem äußeren Bereich, wodurch wiederum
gewährleistet
wird, dass die notwendige Flammenstabilität innerhalb der Brennkammer 124 gewährleistet
wird.
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Die
innige Vermischung von Brennstoff und Luft in dem Ringkanal 21 gewährleistet,
dass das resultierende Brennstoff/Luft-Gemisch, das danach in die
Brennkammer 124 gerichtet wird, keine örtlich lokalisierten hohen
Konzentrationen von Brennstoff, weder in Dampfform noch in Tropfenform,
enthält. Dies
gewährleistet,
dass örtliche
Bereiche hoher Temperatur innerhalb der Brennkammer 124 vermieden
werden, so dass wiederum die Erzeugung von Stickoxiden vermindert
wird. Da außerdem
kein flüssiger
Brennstoff sich auf der radial inneren Oberfläche des Kanals 12 ablagern
kann, kann flüssiger Brennstoff
nicht an der Wand entlang und in die Brennkammer 124 strömen und
dort örtliche
Bereiche hoher Temperatur erzeugen. Das Brennstoff/Luft-Gemisch,
das aus dem Ringkanal 21 ausströmt, dient primär zum Betrieb
des Gasturbinentriebwerks, das die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 benutzt,
wenn das Triebwerk unter voller Leistung oder Hochgeschwindigkeitsreisebedingungen
arbeitet. Unter gewissen anderen Triebwerksbetriebsbedingungen,
primär
beim Anlassen des Triebwerks und geringem Leistungsbedarf, ist das
Brennstoff/Luft-Gemisch, das aus dem Ringkanal 21 ausströmt, nicht
in idealer Weise geeignet, um das Triebwerk wirksam arbeiten zu
lassen. Unter diesen Bedingungen wird Brennstoff zusätzlich durch
den zweiten Brennstoffzuführungskanal 16 eingeleitet.
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Der
zweite Brennstoffzuführungskanal 16 erstreckt
sich über
die gesamte Länge
des zentralen Kerns 14. Wo er das stromabwärtige Ende 32 des zentralen
Kerns 14 erreicht, setzt er sich in Löchern 33 im Kernende 32 fort
und endet in einem Ringkanal 38. Der Ringkanal 38 wird
durch die radial äußere Oberfläche des
Kernendes 32 und eine Ringkappe 37 definiert,
die über
das Kernende 32 im radialen Abstand hierzu angepasst ist.
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Die
stromabwärtigen
Enden des Kernendes 32 und der Kappe 37 sind bis
zu einem gewissen Grade konvergent, so dass der Brennstoff in dem Ringkanal 38 aus
diesem in einer Richtung radial nach innen ausgeblasen wird. Der
Brennstoff wird demgemäß als Film
auf den Pfad der vorher erwähnten
Luftströmung
gerichtet, die vom stromabwärtigen Ende
des Kanals 34 ausgeblasen wird. Dies bewirkt eine Vernebelung
des Brennstoffs, worauf das resultierende Brennstoff/Luft-Gemisch
sich mit der verwirbelten Luftströmung vermischt, die aus den
Verwirbelungsschaufeln 20 ausgeblasen wird, um eine Verdampfung
des Brennstoffs zu erreichen. Dann tritt das Brennstoff/Luft-Gemisch
in die Brennkammer 124 ein, wo eine Verbrennung stattfindet.
Wie im Falle des stromabwärtigen
Endes des Kanals 12 ist die innere Oberfläche des
stromabwärtigen
Endes der Haube 19 bei 47 divergent, so dass eine
Rezirkulation und demgemäß eine Flammenstabilität gewährleistet
wird.
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Die
Brennstoffzuführung
nach dem ersten und dem zweiten Brennstoffzuführungskanal 15 bzw. 16 wird
durch herkömmliche
Mittel (nicht dargestellt) moduliert, so dass entweder ein Teil
oder die gesamte Brennstoffzuführung
nach der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 durch jeden
der Kanäle 15 und 16 strömt. Im typischen
Fall strömt
daher beim Start des Triebwerks und unter geringen Lastbedingungen
der gesamte Brennstoff oder fast der gesamte Brennstoff durch den
zweiten Kanal 16, um am stromabwärtigen Ende des Zentralkörpers 13 abzuströmen. Bei
Hochlast jedoch und bei Hochgeschwindigkeitsreisebedingungen strömt der gesamte
Brennstoff oder der größte Teil
durch den ersten Kanal 15, um in den Ringkanal 21 abgegeben
zu werden. Es gibt jedoch Umstände,
unter denen es erwünscht
ist, den Brennstoff sowohl durch den ersten als auch durch den zweiten Kanal 15 bzw. 16 gleichzeitig
zu schicken, beispielsweise bei Übergangsbedingungen,
wenn die Leistungseinstellung des Gasturbinentriebwerks, das die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 enthält, geändert wird.
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Wenn
die Brennstoffzuführung
sowohl durch den ersten Zuführungskanal 15 als
auch durch den zweiten Zuführungskanal 16 abgesperrt
wird, dann strömt
die Luft weiter durch die Kanäle 21 und 22. Dies
ist wichtig, um zu gewährleisten,
dass jene Abschnitte der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10,
die dem heißen
Verbrennungsprozess innerhalb der Brennkammer 124 ausgesetzt
sind, gekühlt
werden, damit ihre Beschädigung
verhindert wird. Es kann jedoch erwünscht sein, die Luftzufuhr
nach dem Ringkanal 21 zu modulieren, um eine wirksame Verbrennung
zu erreichen. Eine solche Luftzuführungsmodulation ist auf diesem
Gebiet bekannt.
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Obgleich
die LPP-Verbrennungssysteme, beispielsweise die oben beschriebenen
bekannten Systeme, einen NOx-Ausstoß haben, der beträchtlich
niedriger ist als bei herkömmlichen
Verbrennungssystemen, so haben diese doch schwerwiegende Nachteile.
Einer der Nachteile ist die Instabilität der Verbrennung.
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Bei
der Überprüfung dieser
bekannten Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 hat es sich
gezeigt, dass bei Benutzung einer einzigen axialen Brennstoffeinspritzebene,
d.h. an der ringförmigen
stromabwärtigen
Lippe 27, ein hohes Maß an
Verbrennungsinstabilität
vorhanden ist. Die Ursache sind Druckfluktuationen, die von der
Verbrennung des Brennstoffdampfes herrühren, der stromauf in den ersten ringförmigen Vormischkanal 21 wandert,
wo verursacht wird, dass die Luftgeschwindigkeit innerhalb des axial
symmetrischen Mischkanals 12 pulsiert. Die Luftmasse strömt daher
an der Brennstoffeinspritzebene (27) vorbei und ändert sich
demgemäß auch. Wenn
jedoch die Luftdruckfluktuationen klein relativ zu dem Brennstoffeinspritzdruck
sind, dann ergibt sich keine hieraus resultierende Änderung
der augenblicklichen Brennstoffströmung. Anstatt ein zeitlich
gleichförmiges
Brennstoff/Luft-Verhältnis
zu erzeugen, erzeugt der Vormischer ein räumlich gleichförmiges vermischtes
Luft/Brennstoff-Verhältnis,
das sich zyklisch mit der Zeit mit der Frequenz der Druckfluktuationen ändert. Da
die Wärmeabgabe
aus dem Verbrennungsprozess eng auf das Luft/Brennstoff-Verhältnis bezogen
ist, erzeugen zeitliche Veränderungen
in dem Luft/Brennstoff-Verhältnis
innerhalb des Vormischers zeitliche Veränderungen der Wärmeabgabe
innerhalb der Brennkammer 11. Dies wiederum erzeugt die
Druckfluktuationen innerhalb der Brennkammer, die bewirken, dass
das Brennstoff/Luft-Verhältnis
innerhalb des Mischkanals 12 bei dem nächsten Zyklus oszilliert. Auf
diese Weise wird eine Rückführungsschleife
errichtet.
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Wenn
die Veränderungen
in der Wärmeabgabe
und im Druck in Phase sind, dann steigt die Größe beider Fluktuationen an.
Die Heftigkeit der erzeugten Verbrennungsinstabilität ändert sich
von einem lästigen
Geräusch
bis zu einer Stärke,
die ausreicht, um die Strömung
in den Kompressoren des Gasturbinentriebwerks abreißen zu lassen
und eine strukturelle Beschädigung
des Verbrennungssystems zu verursachen. Bei herkömmlichen Flugzeug-Gasturbinenverbrennungssystemen
arbeiten verschiedene Bereiche innerhalb der Brennkammer mit unterschiedlichen
Brennstoff/Luft-Verhältnissen. Hier
kommen die Fluktuationen in der Wärmeabgabe außer Phase
relativ zueinander, was zu einer Verminderung der Gesamtwärmeabgabe
führt.
Bei einem LPP-System tendieren alle Teile des Verbrennungssystems
dazu, in Phase miteinander zu oszillieren, da das System mit einem
gleichförmigen
Brennstoff/Luft-Verhältnis
läuft.
Die Gesamtwärmeabgabefluktuationen
tendiern dazu, hoch zu werden.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, Mittel vorzusehen, die die Verbrennungsinstabilität vermindern
und die insbesondere die Gesamtwärmeabgabefluktuationen
innerhalb der Brennkammer vermindern.
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Die 3a bis 3c zeigen
drei verschiedene Ausführungsbeispiele
eines Prefilmeraufbaus 42 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Prefilmeraufbau 42 ist allgemein zylindrisch ausgebildet
und besteht aus einem zylindrischen Prefilmer 26, der eine
stromabwärtige
Kante 44 und radial innere und äußere Verwirbelungsschaufeln 24 bzw. 25 aufweist, die
um eine gemeinsame Achse 51 herum angeordnet sind. Bei
diesen drei Ausführungsbeispielen
liegt die stromabwärtige
Kante 44 des Prefilmers 26 nicht in einer durchgehenden,
senkrecht zur Achse liegenden Ebene. Stattdessen ändert sich
die Kante 44 in ihrer axialen Position in Umfangsrichtung,
und dies ergibt eine Möglichkeit,
die Verweilzeit des Brennstoffs am Prefilmer zu verändern, wenn
der Brennstoff langsamer über
die Oberfläche
des Prefilmers strömt
als dann, wenn er in der Luftströmung
verbleibt. Die Länge
des Prefilmers 26 ist daher veränderlich im Hinblick auf seine
Umfangsposition.
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Im
Betrieb wird, wie unter Bezugnahme auf 2 erläutert, Brennstoff
radial in den Kanal 28 aus den Brennstoffauslasskanälen 36 eingespritzt,
und dieser Brennstoff trifft auf die radial innere Oberfläche des
Prefilmers 26 auf. Dann läuft der Brennstoff längs der
axialen Länge
des Prefilmers 26 und löst
sich von der stromabwärtigen
Kante 44 ab. Da die axiale Länge des Prefilmers 26 sich
in Umfangsrichtung ändert, so ändert sich
deshalb auch die Gesamtverweilzeit des Brennstoffs innerhalb des
Mischkanals 21 mit seiner Position in Umfangsrichtung.
Dies bedeutet, dass der Brennstoff an unterschiedlichen axialen Stellen
innerhalb des Mischkanals 12 verdampft und ein nicht gleichförmiges räumlich vermischtes Luft/Brennstoff-Verhältnis erzeugt,
das demgemäß in einer
zeitlich ungleichförmigen
Weise verbrennt, wodurch die Druckfluktuationen daran gehindert
werden, eine Rückführungsschleife
zu erzeugen.
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Der
Prefilmer 26 arbeit immer noch in herkömmlicher Weise, wobei Brennstoff
in die Mitte des Kanals 21 eingeführt wird, wobei ein übermäßiges Durchdringen
bei hohen Brennstoffströmungen
verhindert wird.
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Gemäß 3a besteht
die stromabwärtige Kante 44 aus
zwei halbkreisförmigen
Abschnitten 48, 50, die jeweils eine andere axiale
Länge besitzen. Weitere
Ausführungsbeispiele
des Prefilmers 26 können
mehr als zwei in ihrer axialen Länge
unterschiedliche Abschnitte aufweisen. Stattdessen kann die stromabwärtige Kante
zinnenartig ausgebildet sein.
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In 3b definiert
die stromabwärtige
Kante 44 bogenförmige
Abschnitte 52, so dass sich eine glatt verändernde
stromabwärtige
Kante 44 ergibt. Dieses Kantenprofil erzeugt ein hohes
Ausmaß bezüglich der
Veränderung
der Verweilzeit des Brennstoffs und daher ein besser räumlich vermischtes
ungleichförmiges
Luft/Brennstoff-Verhältnis.
Andere ähnliche
Profile (nicht dargestellt) umfassen eine sinusförmig verlaufende und eine sägezahnförmig verlaufende
stromabwärtige
Kante 44. Die Zahl und das Ausmaß der bogenförmigen Abschnitte 52 hängen jeweils
von der Einspritzausbildung und Faktoren, wie Länge des Vormischkanals und
dem Ausmaß ab, in
dem die Luftströmung
verwirbelt wird.
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Bei
dem Prefilmer 26 gemäß 3c ist
die stromabwärtige
Kante 44 abgeschrägt.
Dieses Kantenprofil erzeugt wiederum eine starke Veränderung der
Brennstoffverweilzeit und daher ein räumlich sehr ungleichförmiges Luft/Brennstoff-Verhältnis. Andere ähnliche
Profile, die jedoch nicht dargestellt sind, umfassen eine spiralförmige stromabwärtige Kante.
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Für den Fachmann
ist es klar, dass unter Benutzung des Konzeptes einer variablen
axialen Länge
des Prefilmers 26 auch noch andere Profile für die stromabwärtige Kante 44 konstruiert
werden können, und
all diese Konstruktionen sollen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung
fallen.
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3d zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, bei dem der Prefilmer 26 eine stromabwärtige Kante 44 aufweist,
die in einer durchgehenden Ebene senkrecht zur Achse verläuft. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
bestehen die Mittel zur Veränderung
der Verweilzeit des Brennstoffs auf dem Prefilmer aus Änderungen
der Rauigkeit auf der Oberfläche
des Prefilmers 26, über
die der Brennstoff strömt.
Aufgeraute Abschnitte 46 sind im Umfangsrichtung im Abstand
zueinander auf der inneren Oberfläche des Prefilmers 26 angeordnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
bestehen die aufgerauten Abschnitte 46 aus einer Reihe
von flachen Nuten 48, die allgemein in Umfangsrichtung
verlaufen. Es ist jedoch für
den fachkundigen Leser klar, dass andere Ausbildungen von Oberflächenrauigkeiten
benutzt werden können,
ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Das Ziel aller Ausbildungen
von Oberflächenrauigkeiten
besteht darin, die Brennstoffströmung über jenen
Teil der Oberfläche
des Prefilmers 26 zu verzögern. Dieses Ausführungsbeispiel
zeigt, dass die aufgerauten Abschnitte 46 im gleichen Abstand
angeordnet sind. Sie könnten
jedoch auch in ungleichen Abständen über den
Umfang des Prefilmers 26 verteilt sein.
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Bei
all diesen Ausführungsbeispielen
der Erfindung wird angenommen, dass der Vormischkanal 12 allgemein
zylindrisch ausgebildet ist und dass der hiermit in Verbindung stehende
Prefilmer 26 ebenfalls allgemein zylindrisch gestaltet
wurde. Jedoch ist es für
den Fachmann klar, dass auch andere Formen für die Einspritzvorrichtung 10 und
den Prefilmer 26 unter Anwendung der erfindungsgemäßen Prinzipien geschaffen
werden könnten.
Außerdem
zeigen die 3a bis 3d Verwirbelungsschaufeln 24, 25 im Wesentlichen
parallel zur Achse 120 und zum Prefilmer 26 im
Gegensatz dazu, wie es in 2 dargestellt
ist. Es wäre
für den
Fachmann einfach, die Prefilmeranordnungen gemäß 3a bis 3d so
zu modifizieren, dass sie den Prefilmer 26 gemäß 2 ersetzen.
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In 4 wurden
die gleichen Bezugszeichen benutzt, um die gleichen Elemente zu
kennzeichnen wie in 2. Die Mittel zur Änderung
der Verweilzeit des Brennstoffs in Umfangsrichtung über der
Oberfläche 40 bestehen
hierbei darin, dass der Brennstoffauslasskanal 36 allgemein
sinusförmig über die Haube 19 verlaufend
ausgebildet ist. Der Brennstoffauslasskanal 36 ist so angeordnet,
dass er den Brennstoff auf die Oberfläche 40 im Betrieb
derart spritzt, dass der Brennstoff auf der Oberfläche 40 des Prefilmers
in Form eines sinusförmigen
Musters über den
Umfang verteilt auftrifft. Obgleich nicht dargestellt, so ist es
doch für
den Fachmann naheliegend, dass dieses Ausführungsbeispiel eines Brennstoffauslasskanals 36 nur
eine von zahlreichen Möglichkeiten
darstellt, wie der Brennstoff auf die Oberfläche 40 auf wenigstens
zwei unterschiedliche axiale Stellen aufgespritzt werden kann. Beispielsweise
können andere
Ausführungsformen
eine "Quadratwellen"-Form, eine gezahnte
Ausbildung oder eine Anordnung von in Umfangsrichtung angeordneten Schlitzen
aufweisen, wo wenigstens zwei der Schlitze an unterschiedlichen
axialen Stellen angeordnet sind.
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In 5 sind
wieder die gleichen Bezugszeichen wie in 2 beschrieben
benutzt. Die Mittel, mit denen die Verweilzeit des Brennstoffs auf
der Oberfläche 40 in
Umfangsrichtung verändert
wird, bestehen hier in einem Brennstoffauslasskanal 36,
der allgemein in einer axialen Ebene angeordnet und so ausgebildet
ist, dass der Brennstoff unter mehr als einem Winkel (a) derart
aufgespritzt wird, dass der Brennstoff auf die Oberfläche 40 an
wenigstens zwei verschiedenen axialen Stellen auftrifft, so dass
sich die Verweilzeit des Brennstoffs auf der Oberfläche 40 in
Umfangsrichtung verändert.
Der obere Teil von 5 zeigt den Brennstoffauslasskanal 36', der durch
die Haube 19 verläuft,
angestellt in einem Winkel stromab gerichtet, während im unteren Teil der Figur
der Brennstoffauslasskanal 36" im Wesentlichen senkrecht zur
Richtung stromab verläuft.
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Es
gibt noch zahlreiche Ausführungsbeispiele,
die vorstehend nicht beschrieben wurden, die jedoch innerhalb des
Rahmens der Erfindung liegen, wobei z.B. der Winkel (a) des Brennstoffauslasskanals 36 in
zwei verschiedenen Winkeln angestellt ist, so dass der Brennstoff
auf die Oberfläche 40 an
wenigstens zwei verschiedenen axialen Stellen auftrifft, was in
Umfangsrichtung die Verweilzeit des Brennstoffs auf der Oberfläche 40 verändert. Es
ist klar, dass der Winkel (a) des Brennstoffauslasskanals 36 sich über den
Umfang der Haube 19 ändern
kann. Eine Bestimmung des Winkels (a) umfasst die Berücksichtigung
der Luftgeschwindigkeit durch die Einspritzvorrichtung 10,
die axiale Länge
der Oberfläche und
die erforderliche Veränderung
der Verweilzeit auf der Oberfläche 40.
Es ist anzunehmen, dass ein geeigneter Bereich von Winkeln (a) zwischen
45 Grad und 135 Grad liegt.