DE69421766T2

DE69421766T2 - Wirbelmischvorrichtung für eine Brennkammer

Info

Publication number: DE69421766T2
Application number: DE69421766T
Authority: DE
Inventors: Charles B. Graves
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1994-07-26
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2014-07-27
Also published as: JP3703863B2; DE69431969D1; EP0895024B1; EP0636835B1; EP0636835A3; EP0895024A2; DE69431969T2; DE69421766D1; EP0895024A3; JPH0755148A; EP0636835A2; US5603211A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoff/Luft- Mischer für eine Brennkammer, zum Beispiel eine Brennkammer von der Art, die in einer Gasturbinenmaschine verwendet wird, und insbesondere auf einen Brennstoff/Luft-Mischer, welcher Brennstoff und Luft gleichmäßig mischt, um Rauch zu reduzieren, der durch Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches erzeugt wird, wohingegen die Flammenwiederzündungsstabilität der Brennkammer aufrechterhalten oder verbessert wird.
Ein Ziel von Konstrukteuren für Brennkammern, zum Beispiel solchen, die bei Gasturbinenmaschinen und Hochleistungsflugzeugen verwendet werden, besteht darin, die Menge an Rauch und anderen Verunreinigungsstoffen zu minimieren, welche durch den Verbrennungsprozeß in der Gasturbinenmaschine erzeugt werden. Insbesondere bei Militärflugzeugen erzeugt die Rauchentwicklung eine "Kennzeichnung", welche es ermöglicht, daß hochfliegende Flugzeuge viel leichter zu entdecken sind als dann, wenn keine Rauchspur sichtbar ist. Dementsprechend streben Konstrukteure danach, Brennkammern zu konstruieren, um Rauchentwicklung zu minimieren.
Ein anderes Ziel von Konstrukteuren für Brennkammern für Hochleistungsflugzeuge besteht darin, die "Wiederzündungsstabilität" einer Brennkammer zu maximieren. Der Ausdruck "Wiederzündungsstabilität" bezieht sich auf die Fähigkeit, den Verbrennungsprozeß bei hohen Luftströmen und niedrigen Drücken einzuleiten, nachdem ein gewisses Ereignis den Verbrennungsprozeß hat ausgehen lassen. Eine geringe Wiederzündungsstabilität kann zum Verlust eines Flugzeugs und/oder zum Verlust eines Lebens in Abhängigkeit von den Bedingungen zu dem Zeitpunkt führen, zu dem die ausgefallene Brennkammer wiederzuzünden ist. Bei den typischen Brennkammern, die heute in Gasturbinen in Verwendung sind, ist die Wiederzündungsstabilität unmittelbar auf den gesamten Luftstrom in der Brennkammer bezogen.
Wie es dem Fachmann wohlbekannt ist, kann die Rauchentwicklung durch Abmagern des Brennstoff/Luft-Gemisches in der Brennkammer minimiert werden. Gleichfalls kann die Wiederzündungsstabilität durch Anreichern des Brennstoff/Luft-Gemisches erhöht werden. Somit sind in der Vergangenheit die Konstrukteure von Brennkammern dazu gezwungen worden, zwischen geringer Rauchentwicklung und hoher Wiederzündungsstabilität zu wählen.
Daher sind ein Verfahren und eine Vorrichtung erforderlich, welche die Rauchentwicklung reduzieren und die Stabilität in der Brennkammer einer Gasturbinenmaschine erhöhen.
Infolgedessen besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung zumindest bei ihren bevorzugten Ausführungsformen darin, einen Brennstoff/Luft-Mischer für eine Brennkammer einer Gasturbinenmaschine zu schaffen, welcher die konkurrierenden Ziele der geringen Rauchentwicklung und der hohen Wiederzündungsstabilität erreicht.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht zumindest bei ihren bevorzugten Ausführungsformen darin, einen Brennstoff/Luft- Mischer zu schaffen, welcher Brennstoff und Luft gleichmäßig mischt, um Rauchbildung zu minimieren, wenn das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer gezündet wird.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht zumindest bei ihren bevorzugten Ausführungsformen darin, einen Brennstoff/Luft- Mischer zu schaffen, welcher hohe Wiederzündungsstabilität unter Höhenbedingungen aufweist.
Die US-A- 3 811 278 offenbart einen Brennstoff/Luft-Mischer zum Mischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung in einer Gasturbinenmaschine, wobei der Brennstoff/Luft-Mischer aufweist:
einen Mischkanal mit einer sich hierdurch erstreckenden Längsachse, einem Stromaufwärtsende zum Aufnehmen des Brennstoffs und der Luft und einem Stromabwärtsende zum Abgeben des Gemisches aus Brennstoff und Luft, wobei der Mischkanal aufweist:
einen ersten Kanal, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und eine erste Passage definiert, wobei die erste Passage einen ersten Einlaß zum Einlassen der Luft in die erste Passage und einen ersten Auslaß zum Abgeben der Luft aus der ersten Passage aufweist;
einen mit dem ersten Kanal koaxialen, zweiten Kanal, wobei der zweite Kanal von dem ersten Kanal radial nach auswärts beabstandet ist, um zwischen diesen eine zweite Passage zu definieren, und wobei die zweite Passage einen zweiten Einlaß zum Einlassen der Luft in die zweite Passage und einen zweiten Auslaß zum Abgeben der Luft aus der zweiten Passage aufweist;
einen mit dem zweiten Kanal koaxialen, dritten Kanal, wobei der dritte Kanal von dem zweiten Kanal radial nach auswärts beabstandet ist, um zwischen diesen eine dritte Passage zu definieren, und wobei die dritte Passage einen dritten Einlaß zum Einlassen der Luft in die dritte Passage und einen dritten Auslaß zum Abgeben der Luft aus der dritten Passage aufweist;
eine an einem Ende des Mischkanals angeordnete Brennstoffdüse zum Einleiten von Brennstoff in die erste Passage;
eine Einrichtung, um der durch den ersten Einlaß in die erste Passage eintretenden Luft einen ersten Drallwinkel zu erteilen; und
eine Einrichtung, um der durch den zweiten Einlaß in die zweite Passage eintretenden Luft einen zweiten Drallwinkel zu erteilen;
eine Einrichtung, um der durch den dritten Einlaß in die dritte Passage eintretenden Luft einen dritten Drallwinkel zu erteilen;
wobei die Summe der durch die erste Passage und die zweite Passage strömenden Luft einen Kernluftmassenstrom definiert und die Abgabe des ersten Kanals in den zweiten Kanal zu einem Zusammenkommen des Luftstroms aus dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal führt.
Die vorliegende Erfindung ist gegenüber dem Obigen dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt in jede Passage hinein in der Weise feststehend ist, daß die Masse der durch die dritte Passage strömenden Luft nicht größer als 30% der Summe der Luftstrommassen in der ersten Passage, der zweiten Passage und der dritten Passage ist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart einen Brennstoff/Luft-Mischer und ein Verfahren zum Praktizieren des Betriebs des Mischers, welcher eine erste Passage mit einem kreisförmigen Querschnitt und radial auswärts von dieser zwei ringförmige Passagen aufweist. Die ringförmigen Passagen sind mit der ersten Passage koaxial und Drallerzeuger in der ersten Passage induzieren einen ausreichend hohen Drall in dem Brennstoff und der Luft, welche hierdurch passieren, um die Rauchentwicklung in der Brennkammer zu minimieren. Drallerzeuger in der ringförmigen Passage unmittelbar auswärts von der ersten Passage induzieren einen Drall in dem hierdurch passierenden Medium, wobei dieser Darall von dem Drall in der ersten Passage signifikant unterschiedlich ist. Die erste Passage gibt in die ringförmige Passage unmittelbar auswärts von dieser ab und die relative Differenz in den Drallen der zwei Luftströme reduziert den Drall des resultierenden Luftstroms, wodurch sich eine reichere Rezirkulationszone für Höhen- Wiederzündungsstabilität ergibt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch eine bevorzugte Ausführungsform der Brennstoffdüsen/Mischer-Anordnung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 genommene Schnittansicht der Anordnung nach Fig. 1;
Fig. 3 eine entlang der Linie 3-3 der Fig. 1 genommene Schnittansicht der Anordnung nach Fig. 1;
Fig. 4 eine zur Fig. 2 ähnliche Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine zur Fig. 3 ähnliche Schnittansicht der alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Ein Brennstoff/Luft-Mischer 10 der vorliegenden Erfindung weist einen Mischkanal 12 auf, welcher eine durch diesen hindurch definierte Längsachse 14 aufweist, wie in Fig. 1 gezeigt. Eine Brennstoffdüse 16, die an einer Befestigungsplatte 18 angebracht ist, ist nominell koaxial mit der Längsachse 14 und stromaufwärtig von dem Mischer 10 zum Einleiten von Brennstoff hierzu angeordnet, wie unten beschrieben wird. Die Brennstoffdüse 16 kann so befestigt sein, um eine Verschiebung zu erlauben, um Wärmeausdehnung zu kompensieren, und die resultierende Position der Düse 16 nach einer derartigen Verschiebung braucht nicht genau koaxial zu sein. Somit erlaubt diese Erfindung es ebenfalls, daß die Brennstoffdüse 16 in radialen Positionen abseits der Mittellinie 14 oder der Längsachse 14 angeordnet ist.
Der Mischkanal 12 weist vorzugsweise einen ersten zylindrischen Kanal 20, einen zweiten zylindrischen Kanal 22 und einen dritten zylindrischen Kanal 24 auf, wobei jeder dieser Kanäle mit der Längsachse 14 koaxial ist. Es versteht sich, daß die Kanäle 20, 22 und 24 der vorliegenden Erfindung hierin lediglich für die Zwecke der Klarheit als zylindrisch dargestellt und beschrieben sind. Es ist nicht beabsichtigt, daß die zylindrischen Kanäle eine Beschränkung der beanspruchten Erfindung darstellen, weil die Kanäle konisch gestaltet sein oder irgendeine andere Gestalt aufweisen können, in welcher Schnitte rechtwinklig zu der Längsachse kreisförmige Querschnitte ergeben. Der zweite zylindrische Kanal 22 ist radial auswärts von dem ersten zylindrischen Kanal 20 beabstandet und der dritte zylindrische Kanal 24 ist radial auswärts von dem zweiten Kanal 22 beabstandet. Der erste zylindrische Kanal 22 definiert eine erste Passage 26 mit einem ersten Einlaß 28 zum Einlassen von Luft 100 in die erste Passage 26 und einen ersten Auslaß 30 zum Abgeben der Luft 100 aus der ersten Passage 26. Der erste zylindrische Kanal 20 und der zweite zylindrische Kanal 22 definieren eine zweite Passage 32 zwischen diesen, welche in der Gestalt ringförmig ist. Die zweite Passage 32 weist einen zweiten Einlaß 34 zum Einlassen von Luft 100 in die zweite Passage 32 und einen zweiten Auslaß 36 zum Abgeben der Luft aus der zweiten Passage 32 auf. Der zweite zylindrische Kanal 22 und der dritte zylindrische Kanal 24 definieren eine dritte Passage 38 zwischen diesen, welche ebenfalls in der Gestalt ringförmig ist. Die dritte Passage 38 weist einen dritten Einlaß 40 zum Einlassen der Luft 100 in die dritte Passage und einen dritten Auslaß 42 zum Abgeben der Luft 100 aus der dritten Passage 38 auf.
Der stromabwärtige Bereich des zweiten zylindrischen Kanals 22 endet in einem konisch gestalteten Vorfilmbildner 44. Der erste zylindrische Kanal 20 endet kurz vor dem Vorfilmbildner 44, so daß der aus dem zylindrischen Kanal 20 austretende Teil der Luft in den konischen Abschnitt 44 des zweiten zylindrischen Kanals 22 abgeht. Der Auslaß 30 des ersten Kanals ist von dem zweiten Auslaß 36 um einen Abstand axial beabstandet, welcher aus weiter unten zu erörternden Gründen zumindest so groß wie der Radius des zweiten Auslasses ist. Der stromabwärtige Bereich des dritten zylindrischen Kanals 24 endet gleichfalls in einem konvergierenden Abschnitt 46 und der zweite Auslaß 36 und der dritte Auslaß 42 sind vorzugsweise koplanar.
Das stromaufwärtige Ende des ersten zylindrischen Kanals 20 ist mit einem ersten Randabschnitt 48 einstückig, welcher im wesentlichen rechtwinklig zu der Längsachse 14 ist. Der erste Randabschnitt 48 befindet sich in beabstandeter Beziehung zu der Befestigungsplatte 18, wobei der Raum zwischen diesen den ersten Einlaß 28 definiert. Die Dralleitflächen 50 des ersten Drallerzeugers 52 spannen sich zwischen dem ersten Rand 48 und der Befestigungsplatte 18 und jede Leitfläche 50 ist vorzugsweise mit dem ersten Rand 48 einstückig und es wird eine Gleitflächenanbringung verwendet, um die Leitflächen 50 an der Befestigungsplatte 18 zu befestigen; um eine radiale Bewegung der Brennstoffdüse 16 aufgrund von Wärmeausdehnung zu erlauben.
Das stromaufwärtige Ende des zweiten zylindrischen Kanals 22 bzw. des dritten zylindrischen Kanals 24 ist gleichfalls mit dem zweiten Randabschnitt 54 bzw. dem dritten Randabschnitt 56 einstückig und jeder dieser Randabschnitte 54, 56 ist zu der Längsachse 14 im wesentlichen rechtwinklig. Der zweite Randabschnitt 54 befindet sich in beabstandeter Beziehung zu dem ersten Randabschnitt 48 und der Zwischenraum zwischen diesen definiert den zweiten Einlaß 34 und der dritte Randabschnitt 56 befindet sich in beabstandeter Beziehung zu dem zweiten Randabschnitt 54, wobei der Zwischenraum zwischen diesen den dritten Einlaß 40 definiert. Die Dralleitflächen 58 des zweiten Drallerzeugers 60 spannen sich zwischen dem zweiten Rand 54 und dem ersten Rand 48 und jede Leitfläche 58 ist vorzugsweise mit beiden benachbarten Rändern 48, 54 einstückig, um die relativen Positionen des ersten zylindrischen Kanals 20 und des zweiten zylindrischen Kanals 22 zu fixieren. Gleichfalls spannen sich die Dralleitflächen 62 des dritten Drallerzeugers 64 zwischen dem dritten Rand 56 und dem zweiten Rand 54 und jede Leitfläche 62 ist vorzugsweise mit beiden benachbarten Rändern 54, 56 einstückig, um die relativen Positionen des zweiten zylindrischen Kanals 22 und des dritten zylindrischen Kanals 24 zu fixieren. Somit weisen die erste Passage 26 einen ersten Drallerzeuger 52 benachbart zu dem Einlaß 28 der ersten Passage, die zweite Passage 32 einen zweiten Drallerzeuger 60 benachbart zu dem Einlaß 34 der zweiten Passage 32 und die dritte Passage 38 einen dritten Drallerzeuger 64 benachbart zu dem Einlaß 40 der dritten Passage 38 auf.
Die Drallerzeuger 52, 60, 64 sind vorzugsweise radial, sie können aber axial oder eine gewisse Kombination von axial und radial sein. Die Drallerzeuger 52, 60, 64 weisen (in Fig. 1 schematisch dargestellte) Leitflächen auf, welche um die Längsachse 14 herum symmetrisch angeordnet sind. Der Luftmassenstrom in jeder Passage 26, 32, 38 wird so gesteuert, daß verfügbare Luft 100 durch die getrennten Passagen 26, 32, 38 geleitet werden kann, wie erwünscht. Der Luftstrom in jeder Passage 26, 32, 38 wird dadurch reguliert, daß der erwünschte Massenstrom für jede Passage 26, 32, 38 bestimmt und sodann der effektive Strömungsquerschnitt in jeder Passage in der Weise festgelegt werden, daß die Luft 100 in die Passagen 26, 32, 38 geleitet wird, wie erwünscht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform arbeiten der erste Drallerzeuger 52 und der zweite Drallerzeuger 60 relativ zu der Längsachse 14 gegensinning (d. h. die Leitflächen 50 des ersten Drallerzeugers 52 sind unter einem solchen Winkel eingestellt, um einen Luftstrom in der ersten Passage 26 zu erzeugen, welcher relativ zu dem Luftstrom in der zweiten Passage 32 gegensinning ist), wie in Fig. 2 gezeigt. Für den Zweck dieser Erläuterung wird angenommen, daß die Brennstoffdüse 16 dem Brennstoffstrahl 66 keinen Drall erteilt, und es ist daher irrelevant, in welcher Richtung sich die Luftströme in der ersten Passage 26 und der zweiten Passage 32 drehen, solange als sie sich in entgegengesetzten Richtungen drehen. Jedoch soll dann, wenn die verwendete Brennstoffdüse 26 dem Brennstoffstrahl 66 einen Drall erteilt, der Drall in der ersten Passage 26 mit dem Brennstoffstrahl 66 gleichsinnig sein. Die Leitflächen 50 des ersten Drallerzeugers 52 sind so winklig eingestellt, daß in der ersten Passage 26 ein Drallwinkel von wenigstens 50º, vorzugsweise ein Drallwinkel von 55º, erzeugt wird. Dieser Drallwinkel ist sehr wichtig, weil der Erfinder herausgefunden hat, daß Drallwinkel von weniger als 50º in dem Luftstrom in der ersten Passage 26 bedeutend höhere Rauchgehalte als Drallwinkel erzeugen, die gleich oder größer als 50º sind. Der Ausdruck "Drallwinkel", wie er hierin verwendet wird, bedeutet den Winkel, der aus dem Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeit des Luftstroms innerhalb einer Passage zu dessen axialer Geschwindigkeit abgeleitet wird. Der Drallwinkel eines Luftstroms kann als analog zu der Steigung der Windungen an einer Schraube betrachtet werden, wobei der Luftstrom in jeder Passage 26, 32, 38 einen Verlauf entlang einer Windung nimmt. Ein kleiner Drallwinkel würde durch eine Schraube dargestellt, die lediglich wenige Windungen pro Inch aufweist, und ein hoher Drallwinkel würde durch eine Schraube dargestellt, welche viele Windungen pro Inch aufweist.
Die Leitflächen des zweiten Drallerzeugers 60 sind so winklig eingestellt, daß sie einen resultierenden Drallwinkel von nicht mehr als 60º an der Zusammenkommstelle 68 der ersten Passage 26 und der zweiten Passage 32 erzeugen. Eine experimentelle Auswertung der bevorzugten Ausführungsform, bei der das Luftmassenverhältnis zwischen der ersten Passage 26 und der zweiten Passage 32 in dem Bereich von 83 : 17 bis 91 : 9 ist, hat gezeigt, daß ein resultierender Drallwinkel von etwa 50º an der Zusammenkommstelle 68 dadurch erhalten werden kann, daß ein Drallwinkel in dem Bereich von 68º bis 75º der gegensinnigen Luftströmung durch die zweite Passage 32 erteilt wird. Der Drallwinkel an der Zusammenkommstelle 68 ist ebenfalls sehr wichtig, weil der Erfinder herausgefunden hat, daß Drallwinkel an der Zusammenkommstelle 68, welche größer als 60º sind, eine bedeutend geringere Wiederzündungsstabilität als Drallwinkel an der Zusammenkommstelle 68 ergeben, welche 60º oder weniger betragen. Die oben erläuterte, axiale Beabstandung zwischen dem ersten Auslaß 30 und dem zweiten Auslaß 36 ist erforderlich, um die Einstellung des Drallwinkels an der Zusammenkommstelle 68 zu erlauben, bevor es zu einer Wechselwirkung zwischen dem Teil des Luftstroms aus der dritten Passage 38 und dem Luftstrom an der Zusammenkommstelle kommt.
Der Luftstrom in der dritten Passage 38 ist in Bezug auf den Luftstrom in der ersten Passage 26 gleichsinning und die Masse des Teils der Luftströmung durch die dritte Passage 38 ist nicht größer als 30%, vorzugsweise 15% oder weniger von der Summe der Luftstrommassen in der ersten Passage 26, der zweiten Passage 32 und der dritten Passage 38. Die Leitflächen 62 des dritten Drallerzeugers 64 sind so winklig eingestellt, daß ein resultierender Drallwinkel von etwa 70º in dem Teil der Luftströmung durch die dritte Passage 38 erzeugt wird, weil der Erfinder herausgefunden hat, daß ein derart hoher Drallwinkel, wenn mit dem Zusammenkommen 68 des Luftstroms aus der ersten Passage 26 und der zweiten Passage 32 kombiniert, eine äußere Scherschichtflamme in der Brennkammer erzeugt. Diese äußere Scherschichtflamme ist wichtig, weil sie die Wiederzündungsstabilität von dem Gesamtluftstrom entkoppelt. Stattdessen wird bei dem Vorhandensein der äußeren Scherschichtflamme die Wiederzündungsstabilität eine Funktion des Luftstroms durch die dritte Passage 38. Somit kann durch Erhöhen bzw. durch Herabsetzen des Luftstroms in der dritten Passage 38 die Wiederzündungsstabilität herabgesetzt bzw. erhöht werden, wie erwünscht.
Beim Betrieb wird die Luftabgabe 100 eines (nicht gezeigten) Verdichters in den Mischkanal 12 durch den Drallerzeuger 52 bzw. 60 bzw. 64 an dem Einlaß 28 bzw. 34 bzw. 40 der Passage 26 bzw. 32. bzw. 38 eingeleitet. Von dem in den Mischkanal eingeleiteten Gesamtluftstrom werden 15% zu der dritten Passage 38 gelenkt und die verbleibenden 85 % des Luftstromes, welche als "Kernluftstrom" bezeichnet werden, werden in dem Bereich von 83 : 17 bis 91 : 9 zwischen der ersten Passage 26 und der zweiten Passage 32 aufgeteilt. Der erste Drallerzeuger 52 erteilt der Luft in der ersten Passage 26 in dem Bereich der Brennstoffdüse 16 einen 55º-Drallwinkel. Der Brennstoff wird bei 66 in die sich mit Drall bewegende Luft eingespritzt und der Brennstoff und die Luft vermischen sich, wenn sie sich entlang der Längsachse 14 zu dem Auslaß 30 des ersten zylindrischen Kanals 20 mit Drall bewegen. Dieser hohe Drall bei der ersten Passage reduziert Rauch, weil dieser Drall dazu beiträgt, einen hohlkegelförmigen Brennstrahl bei hohen Brennstoffdurchflüssen zu gewährleisten. Bei dem ersten Auslaß 30 wird das Gemisch aus Brennstoff und Luft aus der ersten Passage 26 in den zweiten zylindrischen Kanal 22 und in den gegensinnigen Luftstrom aus der zweiten Passage 32 abgegeben. Die Turbulenz, welche durch den intensiven Schervorgang des Luftstroms der ersten Passage 26 und des gegensinnigen Luftstroms der zweiten Passage 32 verursacht wird, reduziert den Gesamtdrallwinkel an der Stelle des Zusammenkommens 68 der zwei Luftströme. Der geringere Kernluftstrom-Drallwinkel stromabwärts von der Zusammenkommstelle 68 sorgt für eine reichere Rezirkulationszone, welche die Wiederzündungsstabilität verbessert. Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, daß der resultierende Drallwinkel unmittelbar stromabwärts von der Zusammenkommstelle 68 etwa 50º beträgt, gut unterhalb des maximal zulässigen Drallwinkels von 60º für wünschenswerte Wiederzündungsstabilität. Für den Fachmann ist es ohne weiteres klar, daß durch Verwendung eines verhältnismäßig hohen Drallwinkels, zum Beispiel von 75º, in der zweiten Passage 32 die erwünschte Herabsetzung des Drallwinkels in der ersten Passage mit einer minimalen Menge des Luftstroms in der zweiten Passage 32 erhalten werden kann.
Obwohl der Drallwinkel des Kernluftstroms unmittelbar stromabwärts von der Zusammenkommstelle 68 verringert wird, setzt sich die Drehung des Kernluftstroms in derselben Richtung wie der ursprüngliche Luftstrom in der ersten Passage 26 fort, wie in Fig. 3 gezeigt. Wenn der Kernluftstrom aus dem Vorfilmbildner 44 bei einem Drallwinkel von 50º heraustritt, trifft er auf den Luftstrom der dritten Passage 38, welcher einen Drallwinkel von 70º aufweist. Die Wechselwirkung der zwei Luftströme erzeugt eine äußere Scherschicht und die hierin erzeugten Wirbel ergeben eine Rezirkulationszone, welche sich stromabwärts des dritten Auslasses 42 erstreckt. Wie oben erläutert, sind es die Rezirkulationszonen, welche die Wiederzündungsstabilität erhöhen, und somit verbessert die äußere Scherschicht weiterhin die Wiederzündungsstabilität der vorliegenden Erfindung.
Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der erste Drallerzeuger 52 und der zweite Drallerzeuger 60 relativ zu der Längsachse 14 gleichsinnig arbeitend (das heißt, die Leitflächen des ersten Drallerzeugers 52 sind so winklig eingestellt, daß sie einen Luftstrom in der ersten Passage 26 erzeugen, welcher relativ zu dem Luftstrom in der zweiten Passage 32 gleichsinnig ist), wie in Fig. 4 gezeigt. Die Leitflächen 50 des ersten Drallerzeugers 52 sind erneut so winklig eingestellt, daß sie in der ersten Passage 26 einen Drallwinkel von wenigstens 50º, vorzugsweise einen Drallwinkel von 65º bis 75º erzeugen. Die Leitflächen 58 des zweiten Drallerzeugers 60 sind erneut so eingestellt, daß sie einen resultierenden Drallwinkel von nicht mehr als 60º an der Zusammenkommstelle 68 der ersten Passage 26 und der zweiten Passage 32 erzeugen. Eine experimentelle Auswertung der alternativen Ausführungsform, bei welcher das Luftmassenverhältnis zwischen der ersten Passage 26 und der zweiten Passage 32 in dem Bereich von 9 : 91 bis 17 : 83 liegt, hat gezeigt, daß ein resultierender Drallwinkel von etwa 42º an der Zusammenkommstelle 68 dadurch erhalten werden kann, daß der gleichsinnigen Luftströmung durch die zweite Passage 32 ein 34º-Drallwinkel erteilt wird. Der Luftstrom in der dritten Passage 38 ist so, wie für die bevorzugte Ausführungsform beschrieben.
Beim Betrieb der alternativen Ausführungsform wird die Luft 100 aus einem Verdichter in den Mischkanal 12 durch den Drallerzeuger 50 bzw. 60 bzw. 64 an dem Einlaß 28 bzw. 34 bzw. 40 der Passage 26 bzw. 32 bzw. 38 eingeleitet. Von dem in den Mischkanal 12 eingeleiteten Gesamtluftstrom werden 15% zu der dritten Passage 28 gelenkt und die verbleibenden 85% des Luftstroms werden in dem Bereich von 9 : 91 bis 17 : 83 zwischen der ersten Passage 26 und der zweiten Passage 32 aufgeteilt. Der erste Drallerzeuger 52 erteilt der Luft in der ersten Passage 26 in dem Bereich der Treibstoffdüse 16 einen Drallwinkel von 65º bis 75º. Der Treibstoff wird bei 66 in die sich mit Drall bewegende Luft eingespritzt und der Brennstoff und die Luft vermischen sich, wenn sie sich entlang der Längsachse 14 zu dem Auslaß 30 des ersten zylindrischen Kanals 20 mit Drall bewegen. Dieser hohe Drall bei der ersten Passage reduziert aus den oben erörterten Gründen den Rauch. Bei dem ersten Auslaß 30 wird das Gemisch aus Brennstoff und Luft aus der ersten Passage 26 in den zweiten zylindrischen Kanal 22 und den gleichsinnigen Luftstrom aus der zweiten Passage 32 abgegeben. Die Fehlanpassung zwischen dem hohen Drallwinkel des Luftstroms der ersten Passage 22 und dem geringen Drallwinkel der zweiten Passage 32 erzeugt einen Schervorgang bei der Zusammenkommstelle 68 der zwei Ströme und, weil die Masse des Luftstroms bei dem geringeren Drallwinkel über fünfmal die Masse des Luftstroms bei dem höheren Drallwinkel beträgt, beträgt der resultierende Drallwinkel unmittelbar stromabwärts von der Zusammenkommstelle 68 etwa 42º, ebenfalls gut unterhalb des maximal zulässigen Drallwinkels von 60º für wünschenswerte Wiederzündungsstabilität. Der Kernluftstrom fährt damit fort, sich in derselben Richtung wie der ursprüngliche Luftstrom der ersten Passage 26 zu drehen, wie in Fig. 5 gezeigt. Wenn der Kernluftstrom den Vorfilmbildner 44 bei einem Drallwinkel von 42º verläßt, trifft er auf den Luftstrom der dritten Passage 38, welcher einen Drallwinkel von 70º aufweist. Die Wechselwirkung der zwei Luftströme erzeugt vorteilhafte Ergebnisse, die ähnlich zu denjenigen sind, welche in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform erörtert wurden.
Der Brennstoff und Luft-Drallmischer 10 der vorliegenden Erfindung behält die hohen Leistungsqualitäten der gegenwärtigen Auslegungen mit hoher Scherwirkung bei. Die Drallerzeuger 52, 60, 64 mit radialer Einströmung weisen die gleiche wiederholbare, gleichmäßige Brennstoffverteilung auf, welche bei den gegenwärtigen Auslegungen mit hoher Scherwirkung vorhanden ist. Die Wiederzündungsstabilität spricht zwangsläufig auf Stromteilungsvariationen an, welche bei den gegenwärtigen Auslegungen mit hoher Scherwirkung existieren. Darüberhinaus behalten die neuen Merkmale des Drallmischers 10 die hervorragende Zerstäubungsleistungsfähigkeit der gegenwärtigen Auslegungen mit hoher Scherwirkung bei.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine detaillierte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben worden ist, so versteht es sich für den Fachmann, daß verschiedene Änderungen in Ausgestaltung und Einzelheiten der Erfindung durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung, wie diese in den Ansprüchen beansprucht ist, abzuweichen.

Claims

1. Ein Brennstoff/ Luft-Mischer zum Mischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung in einer Gasturbinenmaschine, wobei der Brennstoff/ Luft-Mischer aufweist:

einen Mischkanal (12) mit einer sich hierdurch erstreckenden Längsachse (14), einem Stromaufwärtsende zum Aufnehmen des Brennstoffs und der Luft und einem Stromabwärtsende zum Abgeben des Gemisches aus Brennstoff und Luft, wobei der Mischkanal (12) aufweist:

einen ersten Kanal (20), der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und eine erste Passage (26) definiert, wobei die erste Passage (26) einen ersten Einlaß (28) zum Einlassen der Luft in die erste Passage (26) und einen ersten Auslaß (30) zum Abgeben der Luft aus der ersten Passage (26) aufweist;

einen mit dem ersten Kanal (20) koaxialen, zweiten Kanal (22), wobei der zweite Kanal (22) von dem ersten Kanal (20) radial nach auswärts beabstandet ist, um zwischen diesen eine zweite Passage (32) zu definieren, und wobei die zweite Passage (32) einen zweiten Einlaß (34) zum Einlassen der Luft in die zweite Passage (32) und einen zweiten Auslaß (36) zum Abgeben der Luft aus der zweiten Passage (32) aufweist;

einen mit dem zweiten Kanal (22) koaxialen, dritten Kanal (24), wobei der dritte Kanal (24) von dem zweiten Kanal (22) radial nach auswärts beabstandet ist, um zwischen diesen eine dritte Passage (38) zu definieren, und wobei die dritte Passage (38) einen dritten Einlaß (40) zum Einlassen der Luft in die dritte Passage (38) und einen dritten Auslaß (42) zum Abgeben der Luft aus der dritten Passage (38) aufweist;

eine an einem Ende des Mischkanals (12) angeordnete Brennstoffdüse (16) zum Einleiten von Brennstoff in die erste Passage (26);

eine Einrichtung (52), um der durch den ersten Einlaß (28) in die erste Passage (26) eintretenden Luft einen ersten Drallwinkel zu erteilen; und

eine Einrichtung (60), um der durch den zweiten Einlaß (34) in die zweite Passage (32) eintretenden Luft einen zweiten Drallwinkel zu erteilen;

eine Einrichtung (64), um der durch den dritten Einlaß (40) in die dritte Passage (38) eintretenden Luft einen dritten Drallwinkel zu erteilen;

wobei die Summe der durch die erste Passage (26) und die zweite Passage (32) strömenden Luft einen Kernluftmassenstrom definiert und die Abgabe des ersten Kanals (20) in den zweiten Kanal (22) zu einem Zusammenkommen (68) des Luftstroms aus dem ersten Kanal (20) und dem zweiten Kanal (22) führt; und

dadurch gekennzeichnet,

daß der Strömungsquerschnitt in jede Passage hinein in der Weise feststehend ist, daß die Masse der durch die dritte Passage (38) strömenden Luft nicht größer als 30% der Summe der Luftstrommassen in der ersten Passage (26), der zweiten Passage (32) und der dritten Passage (38) ist.

2. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach Anspruch 1, bei welchem der Strömungsquerschnitt in jede Passage hinein in der Weise feststehend ist, daß die Masse der durch die dritte Passage (38) strömenden Luft nicht größer als 15% der Summe der Luftstrommassen in der ersten Passage (26), der zweiten Passage (32) und der dritten Passage (38) ist.

3. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die erste Drallerzeugungseinrichtung (52) und die zweite Drallerzeugungseinrichtung (60) in der Weise ausgestaltet sind, daß beim Betrieb der erste Drallwinkel mindestens 50º beträgt und der resultierende Drallwinkel unmittelbar stromabwärts von der Zusammenkommstelle (68) nicht größer als 60º ist.

4. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem die erste Drallerzeugungseinrichtung (52) und die zweite Drallerzeugungseinrichtung (60) in der Weise ausgestaltet sind, daß beim Betrieb der zweite Drallwinkel relativ zu dem ersten Drallwinkel gegensinnig ist.

5. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach Anspruch 4, bei welchem die Strömungsquerschnitte in die erste, die zweite und die dritte Passage hinein in der Weise feststehend sind, daß wenigstens 80% der Kernluftmasse durch den ersten Kanal (20) strömen.

6. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Strömungsquerschnitte in die erste, die zweite und die dritte Passage hinein in der Weise feststehend sind, daß wenigstens 5% der Kernluftmasse durch den zweiten Kanal (22) strömen.

7. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach Anspruch 4, bei welchem die Strömungsquerschnitte in die erste, die zweite und die dritte Passage hinein in der Weise feststehend sind, daß etwa 91% der Kernluftmasse durch den ersten Kanal (20) strömen und 9% der Kernluftmasse durch den zweiten Kanal (22) strömen, und bei welchem der erste Drallwinkel etwa 55º beträgt.

8. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welchem die zweite Drallerzeugungseinrichtung (60) in der Weise ausgestaltet ist, daß der zweite Drallwinkel wenigstens 60º beträgt.

9. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem die erste Drallerzeugungseinrichtung (52) und die zweite Drallerzeugungseinrichtung (60) in der Weise ausgestaltet ist, daß beim Betrieb der zweite Drallwinkel relativ zu dem ersten Drallwinkel gleichsinnig ist.

10. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach Anspruch 9, bei welchem die Strömungsquerschnitte in die erste, die zweite und die dritte Passage hinein in der Weise feststehend sind, daß mindestens 10% der Kernluftmasse durch den ersten Kanal (20) strömen.

11. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem die Strömungsquerschnitte in die erste, die zweite und die dritte Pasasge hinein in der Weise feststehend sind, daß wenigstens 80% der Kernluftmasse durch den zweiten Kanal (22) strömen.

12. Der Brennstoff/ Luft-Mischer nach Anspruch 9, bei welchem die Strömungsquerschnitte in die erste, die zweite und die dritte Passage hinein in der Weise feststehend sind, daß etwa 15% der Kernluftmasse durch den ersten Kanal (20) strömen und etwa 85% der Kernluftmasse durch den zweiten Kanal (22) strömen, und bei welchem die erste Drallerzeugungseinrichtung (52) in der Weise ausgestaltet ist, daß beim Betrieb der erste Drallwinkel etwa 75º beträgt.

13. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem die zweite Drallerzeugungseinrichtung (60) in der Weise ausgestaltet ist, daß der zweite Drallwinkel nicht größer als 40º ist.

14. Der Brennstoff/Luft-Mischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die dritte Drallerzeugungseinrichtung (64) in der Weise ausgestaltet ist, daß der dritte Drallwinkel etwa 70º beträgt.

15. Ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff und Luft in einer Brennkammer, wobei das Verfahren aufweist:

Vorsehen eines ersten Kanals (20), welcher einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und eine erste Passage (26) definiert, eines mit dem ersten Kanal (20) koaxialen, zweiten Kanals (22) und eines mit dem zweiten Kanal koaxialen, dritten Kanals (24), wobei der zweite Kanal (22) von dem ersten Kanal (20) radial nach auswärts beabstandet ist, um zwischen diesen eine ringförmige, zweite Passage (32) zu definieren, und wobei der dritte Kanal (24) von dem zweiten Kanal radial nach auswärts beabstandet ist, um zwischen diesen eine ringförmige, dritte Passage zu definieren;

Einspritzen von Brennstoff in den ersten Kanal (20), während ein erster Teil der Luft in Berührung mit dem Brennstoff bei einem ersten Drallwinkel mit Drall bewegt wird, wodurch der Brennstoff und der erste Teil der Luft gemischt werden;

Mischen des Brennstoffs und des ersten Teils mit einem zweiten Teil der Luft, welcher durch die zweite Passage geströmt wird, bei einem zweiten Drallwinkel, um ein Zusammenkommen (68) des ersten Teils und des zweiten Teils zu erzeugen, wobei die Summe des ersten Teils und des zweiten Teils einen Kernluftmassenstrom definiert;

Kombinieren eines dritten Teils der Luft, welcher durch die dritte Passage geströmt wird, mit dem ersten Teil und dem zweiten Teil, wobei der dritte Teil mit dem Zusammenkommen (68) drallgleichsinnig ist und einen dritten Drallwinkel aufweist; und

Zünden der Mischung aus dem Brennstoff, dem ersten Teil der Luft und dem zweiten Teil der Luft;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Masse des dritten Teils der Luft nicht größer als 30% der Summe der Massen des ersten, des zweiten und des dritten Teils ist.

16. Das Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die Masse des dritten Teils der Luft nicht größer als 15% der Summe der Massen des ersten, des zweiten und des dritten Teils ist.

17. Das Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei welchem der erste Drallwinkel wenigstens 50º beträgt und der resultierende Drallwinkel unmittelbar stromabwärts von der Zusammenkommstelle (68) nicht größer als 60º ist.

18. Das Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, bei welchem der zweite Drallwinkel relativ zu dem ersten Drallwinkel gegensinnig ist.

19. Das Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem wenigstens 80% der Kernluftmasse durch den ersten Kanal (20) strömen.

20. Das Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei welchem wenigstens 5% der Kernluftmasse durch den zweiten Kanal (22) strömen.

21. Das Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem etwa 91% der Kernluftmasse durch den ersten Kanal (20) strömen und 9% der Kernluftmasse durch den zweiten Kanal (22) strömen und bei welchem der erste Drallwinkel etwa 55º beträgt.

22. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei welchem der zweite Drallwinkel wenigstens 60º beträgt.

23. Das Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, bei welchem der zweite Drallwinkel relativ zu dem ersten Drallwinkel gleichsinnig ist.

24. Das Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem wenigstens 10% der Kernluftmasse durch den ersten Kanal (20) strömen.

25. Das Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei welchem wenigstens 80% der Kernluftmasse durch den zweiten Kanal (22) strömen.

26. Das Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem etwa 15% der Kernluftmasse durch den ersten Kanal (20) strömen und etwa 85% der Kernluftmasse durch den zweiten Kanal (22) strömen und bei welchem der erste Drallwinkel etwa 75º beträgt.

27. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei welchem der zweite Drallwinkel nicht größer als 40º ist.

28. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 27, bei welchem der dritte Drallwinkel etwa 70º beträgt.