DE69216990T2

DE69216990T2 - Gasturbinenbrennkammer für sehr grosse höhen

Info

Publication number: DE69216990T2
Application number: DE69216990T
Authority: DE
Inventors: Jack Shekleton
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1991-05-13
Filing date: 1992-05-11
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2012-05-12
Also published as: US5456080A; EP0539580B1; DE69216990D1; WO1992020971A1; JPH06500617A; US5277021A; EP0539580A1; EP0539580A4

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Turbinen und genauer auf einen einfachen, preiswerten Turbinenbrenner für sehr große Höhen.

Hintergrund der Erfindung

In vielen Fällen ist es erforderlich, daß Hilfstriebwerksgasturbinen in sehr großen Höhen starten, z.B. in der Größenordnung von 12 000 Metern (40 000 Fuß) oder mehr. Es ist bekannt, daß große Hauptantriebsgasturbinen in solch großen Höhen nicht starten können und daher ist dies eine sehr anspruchsvolle Anforderung für kleine Hilfstriebwerksgasturbinen, da es insbesondere allgemein anerkannt ist, daß Verbrennung in solchen Höhen und speziell bei Anwendungen kleinen Maßstabs sehr schwierig ist. Weiterhin sind bei kleinen Hilfstriebwerksgasturbinen die hochentwickelten Brennstoffinjektor- und Brennerkonstruktionen nicht erschwinglich, die in großen Hauptantriebsgasturbinen üblich sind.
Fur gewohnlich haben Verbrennungsexperten angenommen, daß die chemische Kinetik der maßgebliche Parameter von Bedeutung in sehr großen Hohen ist. Dies ist nicht richtig, was bedeutet, daß unrichtige Wechselbeziehungen oftmals zur Entwicklung ungeeigneter Lösungen verwendet wurden. In sehr großen Höhen liegt das hauptsächliche Problem bezüglich der Verbrennung oder zündung typischerweise bei schlechter Brennstoffzerstäubung.
Allgemein gesagt ist dies richtig, da die Brennstofftröpfchengröße mit steigender Höhe wächst. Die hohen "g"-Kräfte, die speziell in Wirbelbrennern auftreten, verursachen, daß diese großen Brennstofftröpfchen in der Hauptsache auf die Brennerwände schleudern, wodurch sie zu den Problemen beitragen, die mit der normalerweise schlechten Brennstoffzerstäubung verbunden sind. Folglich ist es schwierig, unter solchen Umständen eine ausreichende Verbrennung zu erreichen.
Unter Berücksichtigung des oben Gesagten steht eine vollständig befriedigende Lösung solcher bekannter Probleme bei kleinen Turbinen noch aus. Ziel ist daher, eine Turbine, speziell ein kleines Hilfstriebwerk, bereitzustellen, die in der Lage ist, in sehr großer Höhe zu starten, aber eine einfache, preiswerte Konstruktion aufweist.
Die internationale Patentveröffentlichung Wo 89/06308 beschreibt einen ringförmigen Brenner für eine Gasturbine, der darauf abzielt, eine gleichförmige Temperaturverteilung um den Umfang des Brenners zu erzeugen, ohne zusätzliche Brennstoffinjektoren zu erfordern. Kühlluftinjektoren sind vorgesehen, um Kühlluftschichten auf den Wänden des Brenners zu erzeugen. Die zuvor erwähnten Probleme, die speziell Brenner für große Höhen betreffen, sind jedoch nicht berücksichtigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt eine Turbine bereit, die folgendes aufweist: Ein Turbinenrad, das mit einem Rotationsverdichter gekoppelt ist, um den Verdichter anzutreiben; eine Düse, um Verbrennungsgase auf das Turbinenrad zu richten; einen ringförmigen Brenner, der einen ringförmigen Brennraum festlegt, der stromaufwärts des Turbinenrads angeordnet ist und sowohl mit dem Verdichter als auch der Düse in Fluidverbindung steht, wobei der Brenner Brennstoff von einer Quelle und Luft von dem Verdichter erhält und Brennstoff und Luft in dem Brennraum verbrennt, um die Verbrennungsgase zu erzeugen, und der Brenner durch eine ringförmige äußere Wand, eine ringförmige innere Wand und eine radiale Wand festgelegt ist, die sich zwischen den inneren und äußeren Wänden gegenüberliegend der Düse erstreckt; Mittel, um zerstäubten Brennstoff im wesentlichen tangential zu der äußeren Wand und außerhalb einer Flammzone in den Brennraum einzuspritzen, wobei die Mittel zur Brennstoffeinspritzung wenigstens einen Luftstrahl-Brennstoffinjektor aufweisen, der in der ringförmigen äußeren Wand des ringförmigen Brenners angeordnet ist; und gekennzeichnet durch Mittel zur Kühlung des Brenners mit einer Luftschicht auf einer inneren Fläche einer oder mehrerer der Wände, die den Brenner festlegen, während gleichzeitig die Schichtung von Luft auf einem Bereich der äußeren Wand vermieden wird, der von der Flammzone aus radial außen liegt und im wesentlichen die axial gleiche Ausdehung wie die Flammzone aufweist.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel weisen die Luftschichtkühlmittel einen oder mehrere Luftschichtstreifen auf einer nach innen gewandten Fläche einer oder mehrerer der Wände auf, die den Brenner festlegen. Weiterhin können die Luftschichtkühlmittel eine Vielzahl von Löchern in einer oder mehrerer der Wände aufweisen, die den Brenner festlegen, um Luft von dem Verdichter zuzuführen und eine Luftschicht zu erzeugen, und die Luftschichtkühlmittel sind vorzugsweise geeignet, Luft von dem Verdichter im wesentlichen tangential zuzuführen, um eine Luftschicht zur Kühlung des Brenners zu erzeugen. Zusätzlich ist eine Vielzahl tangential ausgerichteter Rohre in der äußeren Wand des Brenners vorgesehen, um Luft von dem Verdichter zum Zweck der Vervollständigung der Verbrennungsreaktion zuzuführen.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel grenzt die Flammzone im allgemeinen an die sich radial erstreckende Wand an und erstreckt sich axial von dieser in Richtung auf die Düse. Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die Brennstoffeinspritzmittel mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Luftstrahl-Brennstoffinjektoren aufweisen, die in der äußeren Wand des ringförmigen Brenners angeordnet sind, und wenn die Luftschichtkühlmittel der äußeren Wand so zugeordnet sind, daß die Schichtung von Luft auf dem Abschnitt der äußeren Wand verhindert wird, der radial an die Flammzone angrenzt und im wesentlichen axial die gleiche Ausdehung wie die Flammzone aufweist. Zusätzlich erzeugen die Luftschichtkühlmittel vorzugsweise ebenfalls eine Luftschicht auf einer nach innen gewandten Fläche der inneren als auch der sich radial erstreckenden Wände.
Zusätzlich zu dem oben Gesagten sind die Luftschichtkühlmittel vorteilhafterweise geeignet, um Luft von dem Verdichter imn allgemeinen tangential zuzuführen, um die Luftschicht zur Kühlung des Brenners zu erzeugen. Die Luft wird dann im wesentlichen in derselben Richtung wie der zerstäubte Brennstoff in den Brenner eingeführt. Mit dieser Anordnung erzeugen die Luftschichtkühlmittel und die Brennstoffinjektoren gemeinsam eine tangentiale Rotationsströmung innerhalb des Brenners, um den zerstäubten Brennstoff auf die äußere Wand zu schleudern.
Bezüglich zusätzlicher Einzelheiten der Erfindung kann die Turbine vorteilhafterweise ein Brennergehause im Abstand von den Wänden aufweisen, um einen Luftströmungspfad zu bilden, der sich von dem Verdichter aus im wesentlichen vollständig um den ringförmigen Brenner erstreckt. Vorteilhafterweise ist eine Vielzahl von Löchern in den Wänden vorgesehen, die gegenüber jedem der mehreren sich axial erstreckenden Luftschichtstreifen auf den nach innen gerichteten Flächen der inneren und äußeren Wände des ringförmigen Brenners liegen, und es kann ebenfalls eine Vielzahl mehr oder weniger tangential ausgerichteter Rohre in der äußeren Wand des Brenners, etwas stromabwärts der Luftstrahl-Brennstoffinjektoren vorgesehen sein, um Luft in der gleichen tangentialen Richtung wie die Schichtluft einzubringen, und zum Zweck, genügend Luft bereitzustellen, um die Verbrennungsreaktion zu vervollständigen. Weiterhin können die Luftstrahl-Brennstoffinjektoren vorteilhafterweise jeweils ein Brennstoffzuführungsrohr aufweisen, das sich im wesentlichen axial in ein Luftstrahlrohr erstreckt, das sich durch die äußere Wand des Brenners erstreckt.
Andere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus einer Betrachtung der folgenden Beschreibung deutlich werden, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gegeben wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 und
Fig. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

In den vorhandenen Abbildungen und zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 allgemein eine Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Turbine 10 weist ein Turbinenrad 12, das mit einem Verdichter 14 gekoppelt ist, um diesen anzutreiben, eine Düse 16, um Verbrennungsgase auf das Turbinenrad 12 zu richten, und einen ringförmigen Brenner 18 auf, der einen ringförmigen Brennraum festlegt, der stromaufwärts des Turbinenrads 12 angeordnet ist, und sowohl mit dem Verdichter 14 als auch der Düse 16 in Fluidverbindung steht. Der Brenner 18 erhält Brennstoff von einer Quelle und Luft von dem Verdichter 14 und verbrennt Brennstoff und Luft in dem Brennraum, um die Verbrennungsgase zu erzeugen. Der Brenner 18 wird durch eine ringförmige äußere Wand 20, eine ringförmige innere Wand 22 und eine radiale Wand 24 festgelegt, die sich zwischen den inneren und äußeren Wänden gegenüberliegend der Düse 16 erstreckt. Die Turbine 10 weist ebenfalls wenigstens einen Luftstrahl-Brennstoffinjektor 26 auf, der in der ringförmigen äußeren Wand 20 des Brenners 18 angeordnet ist, um zerstäubten Brennstoff im wesentlichen tangential zu der äußeren Wand 20 und außerhalb einer Flammzone 28 in den Brennraum einzuspritzen. Innerhalb dieser Anordnung weist die Turbine 10 weiterhin Mittel zur Kühlung des Brenners 18 mit einer Luftschicht auf einer nach innen gewandten Fläche einer oder mehrerer der Wände 20, 22 und 24 auf, die den Brenner 18 festlegen, während zur gleichen Zeit die Schichtung von Luft auf der äußeren Wand 20 radial außerhalb der Flammzone 28 und axial im wesentlichen gleich ausgedehnt wie die Flammzone 28 vermieden wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Turbine 10 vom radialen Strömungstyp und das Turbinenrad 12 ist daher mit einem Rotationsverdichter 14 gekoppelt, um diesen axial anzutreiben. Die Düse 16 ist dann im wesentlichen ringförmig, um Verbrennungsgase radial auf das Turbinenrad 12 zu richten. Zusätzlich ist der ringförmige Brennraum innerhalb des Brenners 18 stromaufwärts des Turbinenrads 12 angeordnet, und die radiale Wand 24 ist axial gegenüberliegend der Düse 16 angeordnet.
Wie in der Fig. 3 zu erkennen ist, weist die Radialturbine 10 vorzugsweise mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Luftstrahl-Brennstoffinjektoren 26 auf, die in der äußeren Wand 20 des ringförmigen Brenners 18 angeordnet sind. Es ist ebenfalls zu sehen, daß die Flammzone 28 im wesentlichen ringförmig ist und im wesentlichen an die sich radial erstreckenden Wand 24 angrenzt und sich von dieser axial in Richtung auf die ringförmige Düse 16 erstreckt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 weist die Radialturbine 10 Mittel zur Kühlung des ringförmigen Brenners 18 mit einer Luf tschicht auf einer nach innen gewandten Fläche 20a eines Abschnitts der äußeren Wand 20 des ringförmigen Brenners auf. Speziell aus der Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Luftschichtkühlmittel, die der äußeren Wand 20 zugeordnet sind, die Schichtung von Luft auf dem verbleibenden Teil der äußeren Wand 20 vermeidet, der radial an die ringförmige Flammzone 28 angrenzt und axial die im wesentlichen gleiche Ausdehung wie die ringförmige Flammzone 28 hat. Zusätzlich weist die Turbine 10 Mittel zur Kühlung des ringformigen Brenners 18 mit einer Luftschicht auf nach innen gewandten Flächen 22a und 24a der inneren und sich radial erstreckenden Wände 22 und 24 auf.
Die Luftschichtkühlmittel sind geeignet, Luft von dem Verdichter 14 im wesentlichen tangential zuzuführen, um die Luftschicht zur Kühlung des Brenners 18 zu erzeugen. Die Luft wird in den Brenner im wesentlichen in der gleichen Richtung wie der zerstäubte Brennstoff eingeführt, der durch die Luftstrahl-Brennstoffinjektoren 26 eingespritzt wird. Durch diese Anordnung erzeugen die Luftschichtkühlmittel und die Brennstoffinjektoren gemeinsam eine tangentiale Rotationsströmung innerhalb des Brenners 18, um den zerstäubten Brennstoff auf die äußere Wand 20 zu schleudern, wie beispielsweise bei 30.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 weist die Radialturbine 10 ein Brennergehäuse 32 im Abstand von den Wänden 20, 22 und 24 auf, um einen Luftströmungspfad 34 zu bilden, der sich von dem Verdichter 14 aus im wesentlichen vollständig um den ringförmigen Brenner 18 erstreckt. Die Luftschichtkühlmittel weisen dann vorteilhafterweise mehrere sich axial erstreckende Luftschichtstreifen 36 und 38 auf den nach innen gewandten Flächen 20a und 22a der Wände 20 und 22 und mehrere sich radial erstreckende Luftschichtstreifen 40 auf der nach innen gewandten Fläche 24a der Wand 24 auf. Wie ebenfalls in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, weisen die Luftschichtkühlmittel eine Vielzahl von Löchern 20b, 22b und 24b in den Wänden 20, 22 und 24 gegenüber jedem der Luftschichtstreifen 36, 38 und 40 auf, um Luft von dem Luftströmungspfad 34 zuzuführen und die Luftschichten zu erzeugen.
Zusätzlich kann ebenfalls eine Vielzahl von Rohren 42 in der ringförmigen äußeren Wand 20, die den Brenner 18 festlegt, etwas stromabwärts der Luftstrahl-Brennstoffinjektoren 26 vorgesehen sein. Wie am besten in der Fig. 4 gezeigt ist, sind diese Rohre alle mehr oder weniger tangential angeordnet, um so Luft von dem Verdichter 14 im wesentlichen tangential zu dem Brenner 18 in der gleichen tangentialen Richtung wie die Schichtluft zuzuführen und zum Zweck genügend Luft bereitzustellen, um die Verbrennungsreaktion zu vervollständigen. Wie am besten in der Fig. 3 gezeigt ist, weisen die Luftstrahl-Brennstoffinjektoren 26 jeder vorzugsweise ein Brennstoffzuführungsrohr 44 auf, das sich im wesentlichen axial in ein Luftstrahlrohr 46 erstreckt, das sich durch die äußere Wand 20 des Brenners 18 erstreckt und in Verbindung mit dem Luftströmungspfad 34 steht.
In der Fig. 1 ist zu erkennen, daß sich der Luftstrompfad 34 im wesentlichen vollständig um den ringförmigen Brenner bis zu einem Luftauslaßpunkt, wie beispielsweise bei 48, erstreckt. Auf diese Weise kann die beispielsweise bei 48 entlassene Luft zu Kühlzwecken auf das Turbinendeckband 50 gerichtet werden, von wo es zu dem Brennerauslaß fortschreitet, wie beispielsweise bei 52, um sich vor dem Eintreten in die Düse 16 mit den Verbrennungsgasen zu vermischen. Während diese Einzelheit ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt, wird nicht angenommen, daß sie für die Verwendung der vorliegenden Erfindung wichtig ist.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 1 ist zu erkennen, daß sich das zentrifugierte Brennstoff/Luft-Gemisch 30 direkt auf der nach innen gewandten Fläche 20a der äußeren Wand 20 befindet, entfernt von dem Bereich der Luftschicht, die durch die Luftschichtstreifen 36 gebildet wird. Für gewöhnlich verursacht die Abwesenheit einer Luftschicht ein Problem bezüglich der Kohlenstoffbildung und/oder heißer Wände, bei der vorliegenden Erfindung ist dies jedoch kein Problem, da der zentrifugierte Brennstoff 30 sich radial außerhalb der Flammzone 28 befindet und im wesentlichen die gleiche Ausdehnung wie die Flammzone 28 aufweist. Im Fall eines Kühlproblems kann die Turbulenz der Luft in dem Luftströmungspfad 34 durch Ablösestreifen 54 vergrößert werden, die an der äußeren Fläche 20c der äußeren Wand 20 befestigt sind.

Claims

1. Turbine mit

- einem Turbinenrad (12), das mit einem Rotationsverdichter (14) gekoppelt ist, um den Verdichter anzutreiben;

- einer Düse (16), um Verbrennungsgase auf das Turbinenrad (12) zu richten,

- einem ringförmigen Brenner (18), der einen ringförmigen Brennraum festlegt, der stromaufwärts des Turbinenrads (12) angeordnet ist und sowohl mit dem Verdichter (14) als auch der Düse (16) in Fluidverbindung steht, wobei der Brenner (18) Brennstoff von einer Quelle und Luft von dem Verdichter (14) erhält und Brennstoff und Luft in dem Brennraum verbrennt, um die Verbrennungsgase zu erzeugen, und der Brenner durch eine ringförmige äußere Wand (20), eine ringformige innere Wand (22) und eine radiale Wand (24) festgelegt ist, die sich zwischen den inneren und äußeren Wänden gegenüberliegend der Düse (16) erstreckt,

- Mitteln (26), um zerstäubten Brennstoff im wesentlichen tangential zu der ringförmigen äußeren Wand (20) und außerhalb einer Flammzone (28) in den Brennraum einzuspritzen, wobei die Brennstoffeinspritzmittel (26) wenigstens einen Luftstrahl-Brennstoffinjektor aufweisen, der in der ringförmigen äußeren Wand (20) des ringförmigen Brenners angeordnet ist, und

gekennzeichnet durch Mittel zur Kühlung des Brenners (18) mit einer Luftschicht auf einer inneren Fläche einer oder mehrerer der Wände (20, 22, 24), die den Brenner festlegen, während gleichzeitig die Schichtung von Luft auf einem Bereich der äußeren Wand (20) vermieden wird, der von der Flammzone (28) aus radial außen liegt und im wesentlichen die axial gleiche Ausdehnung wie die Flammzone (28) aufweist.

2. Turbine nach Anspruch 1, wobei die Luftschichtkühlmittel einen oder mehrere Luftschichtstreifen (36, 38, 40) auf einer inneren Fläche einer oder mehrerer der Wände (20, 22, 24) aufweisen, die den Brenner (18) festlegen.

3. Turbine nach Anspruch 2, wobei die Luftschichtkühlmittel einen oder mehrere sich axial erstreckende Luftschichtstreifen (36) in einem Bereich der inneren Fläche der äußeren Wand (20) aufweisen, der sich von der Flammzone (28) aus nicht radial außen befindet.

4. Turbine nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Luftschichtkühlmittel eine Vielzahl von Löchern (20b, 22b, 24b) in einer Wand (20, 22, 24) des Brenners gegenüber jedem der Luftschichtstreifen (36, 38, 40) aufweisen, um Luft von dem Verdichter (14) zuzuführen und die Luftschicht zu erzeugen.

5. Turbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Luftschichtkühlmittel geeignet sind, Luft von dem Verdichter (14) im wesentlichen tangential in den Brenner in der gleichen Richtung wie der zerstäubte Brennstoff von den Brennstoffinjektoren einzuführen, um die Luftschicht zur Kühlung des Brenners (18) zu erzeugen.

6. Turbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Luftschichtkühlmittel und die Brennstoffinjektoren gemeinsam eine tangentiale Rotationsströmung innerhalb des Brenners (18) erzeugen, um den zerstäubten Brennstoff auf die äußere Wand (20) zu schleudern.

7. Turbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Vielzahl von Rohren (42) in der ringförmigen äußeren Wand (20) aufweist, um Luft von dem Verdichter (14) für eine vollständige Verbrennung zuzuführen.

8. Turbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Luftstrahl-Brennstoffinjektoren (26) jeweils ein Brennstoffzuführrohr (44) aufweisen, das sich im wesentlichen entlang der Achse eines Luftstrahlrohrs (46) erstreckt, das sich durch die äußere Wand (20) des Brenners erstreckt.

9. Turbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ein Brennergehäuse (32) im Abstand von den Wänden (20, 22, 24) aufweist, um einen Luftströmungspfad zu bilden, der sich von dem Verdichter (14) aus im wesentlichen vollständig um den ringförmigen Brenner (18) erstreckt.

10. Turbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Flammzone im wesentlichen an die radiale Wand (24) angrenzt und sich von dieser axial in Richtung auf die Düse (16) erstreckt.