DE69431969T2

DE69431969T2 - Wirbelmischvorrichtung für eine Brennkammer

Info

Publication number: DE69431969T2
Application number: DE69431969T
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: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2014-07-27
Also published as: DE69421766T2; EP0636835A3; EP0895024A3; JP3703863B2; EP0895024A2; US5603211A; EP0636835B1; DE69421766D1; EP0636835A2; DE69431969D1; JPH0755148A; EP0895024B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung für eine Brennkammer, wie z. B. den Brennkammer-Typ, wie er bei Gasturbinenmaschinen verwendet wird, und im spezielleren auf eine Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung, die Brennstoff und Luft gleichmäßig mischt, um den durch Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches erzeugten Rauch zu reduzieren, während die Flammenwiederentzündungsstabilität der Brennkammer aufrechterhalten bleibt oder verbessert wird.
Ein Ziel der Konstrukteure von Brennkammern, wie z. B. den in den Gasturbinentriebwerken von Hochleistungs-Flugzeugen verwendeten Brennkammern, besteht in der Minimierung der Menge an Rauch sowie anderen Verunreinigungen, die durch den Verbrennungsvorgang in dem Gasturbinentriebwerk erzeugt werden. Insbesondere für Militärflugzeuge führt die Erzeugung von Rauch zur Entstehung einer "Signatur", die hoch fliegende Flugzeuge viel leichter erkennbar macht, als wenn kein Rauchschweif sichtbar ist. Aus diesem Grund versuchen die Konstrukteure, Brennkammern derart auszubilden, dass die Raucherzeugung minimiert ist.
Ein weiteres Ziel von Konstrukteuren von Brennkammern für Hochleistungs- Flugzeuge besteht in der Maximierung der "Wiederentzündungsstabilität" einer Brennkammer. Der Begriff "Wiederentzündungsstabilität" bezieht sich auf die Fähigkeit, den Verbrennungsvorgang bei hohen Luftströmen und niedrigen Druckwerten zu initiieren, nachdem irgendein Ereignis den Verbrennungsvorgang zum Erlöschen gebracht hat. Eine schlechte Wiederentzündungsstabilität kann zum Verlust eines Flugzeugs und/oder einem Verlust von Menschenleben führen, je nach den vorherrschenden Bedingungen zu dem Zeitpunkt, zu dem eine Neuzündung der Brennkammer fehlgeschlagen ist. Bei den typischen Brennern bzw. Brennkammern, die heutzutage in Gasturbinen in Gebrauch sind, steht die Wiederentzündungsstabilität in direkter Beziehung zu dem gesamten Luftstrom in der Brennkammer.
Wie für Fachleute leicht erkennbar ist, kann die Raucherzeugung dadurch minimiert werden, dass man das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer magerer gestaltet. Weiterhin kann die Wiederentzündungsstabilität gleichermaßen durch Anreichern des Brennstoff/Luft-Gemisches erhöht werden. In der Vergangenheit mußten Brennkammerkonstrukteure somit zwischen geringer Raucherzeugung und hoher Wiederentzündungsstabilität eine Wahl treffen.
Es besteht daher ein Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung, das bzw. die Raucherzeugung vermindern und die Stabilität in der Brennkammer einer Gasturbinenmaschine erhöht.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen besteht somit in der Schaffung einer Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung für eine Brennkammer einer Gasturbinenmaschine, die die miteinander im Wettstreit stehenden Ziele einer niedrigen Raucherzeugung sowie einer hohen Wiederentzündungsstabilität erreicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen besteht in der Schaffung einer Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung, die Brennstoff und Luft gleichmäßig mischt, um die Rauchbildung ab der Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches in der Brennkammer minimiert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen besteht in der Schaffung einer Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung, die hohe Wiederentzündungsstabilität unter Bedingungen auf hoher Höhe zeigt.
Die US-A-3811278 offenbart ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff und Luft in einer Brennkammer, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer ersten Führung, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und eine erste Passage bildet, sowie einer zweiten Führung, die zu der ersten Führung koaxial ist, wobei die zweite Führung von der ersten Führung radial nach außen beabstandet ist, um dazwischen eine ringförmige zweite Passage zu bilden; Einspritzen von Brennstoff in die erste Führung unter Ver¬ wirbelung eines ersten Teils von Luft in Berührung mit diesem unter einem ersten Verwirbelungswinkel, um dadurch den Brennstoff und den ersten Teil der Luft zu mischen; Mischen des Brennstoffs und des ersten Teils mit einem zweiten Teil von Luft unter einem zweiten Verwirbelungswinkel, um eine Vereinigung des ersten und des zweiten Teils herzustellen; und Zünden der Mischung aus Brennstoff sowie erstem und zweitem Teil von Luft.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich in erster Linie dadurch aus, dass der erste Verwirbelungswinkel mindestens 50º beträgt und der Verwirbelungswinkel an der Vereinigung weniger als 60º beträgt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung offenbart eine Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung sowie ein Verfahren zum Ausführen der Verwendung der Mischvorrichtung, die eine erste Passage mit kreisförmigem Querschnitt sowie zwei ringförmige Passagen radial außerhalb von dieser aufweist. Die ringförmigen Passagen sind koaxial zu der ersten Passage, und Verwirbelungseinrichtungen in der ersten Passage induzieren ausreichend starke Wirbel in dem Brennstoff und der Luft, die durch diese hindurch strömen, um dadurch Raucherzeugung in der Brennkammer zu minimieren. Verwirbelungseinrichtungen in der ringförmigen Passage unmittelbar außerhalb von der ersten Passage induzieren in dem diese durchströmenden Material einen Wirbel, der sich von dem Wirbel in der ersten Passage signifikant unterscheidet. Die erste Passage mündet in die ringförmige Passage unmittelbar außerhalb von dieser, und der relative Unterschied in den Wirbeln der beiden Luftströme reduziert den Wirbel des resultierenden Luftstroms, wodurch sich eine reichere Rezirkulationszone für eine Wiederentzündungsstabilität auf großen Höhen ergibt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben; darin zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennstoffdüsen/Mischvorrichtungs-Anordnung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung der Anordnung der Fig. 1 entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Anordnung der Fig. 1 entlang der Linie 3- 3 der Fig. 1;
Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Querschnittsansicht für ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine der Fig. 3 ähnliche Querschnittsansicht für das alternative Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Eine Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, weist eine Mischungsführung 12 auf, die eine durch diese hindurchgehende Längsachse 14 besitzt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Eine Brennstoffdüse 16, die an einer Befestigungsplatte 18 angebracht ist, befindet sich nominal koaxial zu der Längsachse 14 sowie stromaufwärts von der Mischvorrichtung 10, um Brennstoff in diese einzuleiten, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Die Brennstoffdüse 16 kann derart angebracht sein, dass eine Verschiebung ermöglicht ist, um Wärmeexpansion zu kompensieren, und die resultierende Position der Düse 16 nach einer solchen Verschiebung braucht nicht exakt koaxial zu sein. Die vorliegende Erfindung läßt somit auch eine Anordnung der Brennstoffdüse 16 in von der Mittenlinie 14 oder der Längsachse 14 abgelegenen, radialen Positionen zu.
Die Mischungsführung 12 beinhaltet vorzugsweise eine erste zylindrische Führung 20, eine zweite zylindrische Führung 22 und eine dritte zylindrische Führung 24, die jeweils koaxial zu der Längsachse 14 sind. Es versteht sich, dass die Führungen 20, 22, 24 der vorliegenden Erfindung nur zum Zweck der Verdeutlichung hierin als zylindrisch dargestellt und beschrieben werden. Hinsichtlich der beanspruchten Erfindung besteht keine Einschränkung auf zylindrische Führungen, da die Führungen auch konisch ausgebildet oder eine beliebige andere Form aufweisen könnten, bei der rechtwinklig zu der Längsachse gelegte Schnitte kreisförmige Querschnitte bilden. Die zweite zylindrische Führung 22 ist von der ersten zylindrischen Führung 20 radial nach außen beabstandet, und die dritte zylindrische Führung 24 ist von der zweiten Führung 22 radial nach außen beabstandet. Die erste zylindrische Führung 20 bildet eine erste Passage 26, die einen ersten Einlass 28 für das Einlassen von Luft 100 in die erste Passage 26 sowie einen ersten Auslass 30 für das Abgeben von Luft 100 aus der ersten Passage 26 aufweist. Die erste zylindrische Führung 20 und die zweite zylindrische Führung 22 bilden zwischen sich eine zweite Passage 32, die eine ringförmige Formgebung aufweist. Die zweite Passage 32 weist einen zweiten Einlass 34 für das Einlassen von Luft 100 in die zweite Passage 32 sowie einen zweiten Auslass 36 für das Abgeben der Luft aus der zweiten Passage 32 auf. Die zweite zylindrische Führung 22 und die dritte zylindrische Führung 24 bilden zwischen sich eine dritte Passage 38, die ebenfalls ringförmig ausgebildet ist. Die dritte Passage 38 besitzt einen dritten Einlass 40 für das Einlassen der Luft 100 in die dritte Passage sowie einen dritten Auslass 42 für das Abgeben der Luft 100 aus der dritten Passage 38.
Der stromabwärtige Bereich der zweiten zylindrischen Führung 22 endet in einer konisch ausgebildeten Vorschleierführung (prefilmer) 44. Die erste zylindrische Führung 20 endet kurz vor der Vorschleierführung 44, so dass der aus der ersten zylindrischen Führung 20 austretende Teil der Luft in den konischen Abschnitt 44 der zweiten zylindrischen Führung 22 abgegeben wird. Der Auslass 30 der ersten Führung ist von dem zweiten Auslass 36 über eine Distanz axial beabstandet, die zumindest so groß ist wie der Radius des zweiten Auslasses, wobei die Gründe hierfür nachfolgend noch erläutert werden. Der stromabwärtige Bereich der dritten zylindrischen Führung 24 endet ebenfalls in einem konvergierenden Abschnitt 46, wobei der zweite und der dritte Auslass 36, 42 vorzugsweise koplanar sind.
Das stromaufwärtige Ende der ersten zylindrischen Führung 20 ist einstückig mit einem ersten Randabschnitt 48 ausgebildet, der im wesentlichen rechtwinklig zu der Längsachse 14 ist. Der erste Randabschnitt 48 ist von der Befestigungsplatte 18 beabstandet angeordnet, wobei die dazwischen vorhandene Beabstandung den ersten Einlass 28 bildet. Die Verwirbelungsschaufeln 50 der ersten Verwirbelungseinrichtung 52 erstrecken sich über den Bereich zwischen dem ersten Rand 48 und der Befestigungsplatte 18, und jede Schaufel 50 ist vorzugsweise einstückig mit dem ersten Rand 48 ausgebildet, wobei eine Gleitflächenbefestigung verwendet wird, um die Schaufeln 50 an der Befestigungsplatte 18 derart zu befestigen, dass eine radiale Bewegung der Brennstoffdüse 16 aufgrund von Wärmeexpansion ermöglicht ist.
Das stromaufwärtige Ende der zweiten und der dritten zylindrischen Führung 22, 24 sind ebenfalls mit einem zweiten bzw. dritten Randabschnitt 54, 56 einstückig ausgebildet, wobei jeder dieser Randabschnitte 54, 56 im wesentlichen rechtwinklig zu der Längsachse 14 ist. Der zweite Randabschnitt 54 ist von dem ersten Randabschnitt 48 beabstandet angeordnet, wobei der dazwischen vorhandene Raum den zweiten Einlass 34 bildet, und der dritte Randabschnitt 56 ist im Abstand von dem zweiten Randabschnitt 54 angeordnet, wobei der dazwischen vorhandene Raum den dritten Einlass 40 bildet. Die Verwirbelungsschaufeln 58 der zweiten Verwirbelungseinrichtung 60 erstrecken sich über den Bereich zwischen dem zweiten Rand 54 und dem ersten Rand 48, wobei jede Schaufel 58 mit beiden benachbarten Rändern 48, 54 vorzugsweise einstückig ausgebildet ist, um die relativen Positionen der ersten und der zweiten zylindrischen Führung 20, 22 festzulegen. Gleichermaßen erstrecken sich die Verwirbelungsschaufeln 62 der dritten Verwirbelungseinrichtung 64 über den Bereich zwischen dem dritten Rand 56 und dem zweiten Rand 54, und jede Schaufel 62 ist vorzugsweise mit beiden benachbarten Rändern 54, 56 einstückig ausgebildet, um die relativen Positionen der zweiten und der dritten zylindrischen Führung 22, 24 festzulegen. Die erste Passage 26 beinhaltet somit eine erste Verwirbelungseinrichtung 52, die dem Einlass 28 der ersten Passage benachbart ist, die zweite Passage 32 beinhaltet eine zweite Verwirbelungseinrichtung 60, die dem Einlass 34 der zweiten Passage 32 benachbart ist, und die dritte Passage 38 beinhaltet eine dritte Verwirbelungseinrichtung 64, die dem Einlass 40 der dritten Passage 38 benachbart ist.
Die Verwirbelungseinrichtungen 52, 60, 64 sind vorzugsweise radial, jedoch können sie auch axial sein oder irgendeine Kombination von axial und radial sein. Die Verwirbelungseinrichtungen 52, 60, 64 weisen Schaufeln (in Fig. 1 schematisch dargestellt) auf, die symmetrisch um die Längsachse 14 herum angeordnet sind. Die Masse des Luftstroms in jede Passage 26, 32, 38 hinein wird derart gesteuert, dass die verfügbare Luft 100 in der gewünschten Weise durch die separaten Passagen 26, 32, 38 geleitet werden kann. Der Luftstrom in jede Passage 26, 32, 38 hinein wird vorzugsweise durch Bestimmen der gewünschten Masseströmung für jede Passage 26, 32, 38 sowie durch anschließendes Festlegen des effektiven Strömungsquerschnitts in jede Passage hinein reguliert, so dass die Luft 100 in der gewünschten Weise in die Passagen 26, 32, 38 geleitet wird.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel drehen sich die erste und die zweite Verwirbelungseinrichtung 52, 60 in gegenläufiger Richtung relativ zu der Längsachse 14 (d. h. die Schaufeln 50 der ersten Verwirbelungseinrichtungen 52 sind derart abgestellt, dass sie einen Luftstrom in der ersten Passage 26 erzeugen, der relativ zu dem Luftstrom in der zweiten Passage 32 rotationsmäßig gegenläufig ist) wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Hinsichtlich der vorliegenden Offenbarung sei angenommen, dass die Brennstoffdüse 16 dem Brennstoffnebel 66 keine Verwirbelung erteilt und es somit irrelevant ist, in welcher Richtung sich die Luftströme in der ersten und der zweiten Passage 26, 32 rotationsmä¬ ßig bewegen, solange die Rotation in gegenläufigen Richtungen erfolgt. Wenn jedoch die verwendete Brennstoffdüse 16 dem Brennstoffnebel 66 eine Verwirbelung erteilen würde, dann sollte die Verwirbelung in der ersten Passage 26 die gleiche Rotationsrichtung wie der Brennstoffnebel 66 aufweisen. Die Schaufeln 50 der ersten Verwirbelungseinrichtung 52 sind derart angestellt, dass sie einen Verwirbelungswinkel von mindestens 50º in der ersten Passage 26 erzeugen und vorzugsweise einen Verwirbelungswinkel von 55º erzeugen. Der Verwirbelungswinkel ist äußerst wichtig, da der Erfinder festgestellt hat, dass Verwirbelungswinkel von weniger als 50º in dem Luftstrom der ersten Passage 26 signifikant höhere Niveaus von Rauch erzeugen als Verwirbelungswinkel, die gleich oder größer als 50º sind. Der Begriff "Verwirbelungswinkel", wie er hierin verwendet wird, ist als der Winkel zu verstehen, der abgeleitet ist aus dem Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeit des Luftstroms in einer Passage zu der axialen Geschwindigkeit derselben. Der Verwirbelungswinkel eines Luftstroms kann analog zu der Steigung des Gewindes an einer Schraube gesehen werden, wobei der Luftstrom in jeder Passage 26, 32, 38 der Bahn entlang eines Gewindes folgt. Ein niedriger Verwirbelungswinkel würde durch eine Schraube mit nur wenigen Gewindegängen pro Inch dargestellt werden, und ein hoher Verwirbelungswinkel würde durch eine Schraube mit vielen Gewindegängen pro Inch dargestellt werden.
Die Schaufeln der zweiten Verwirbelungseinrichtung 60 sind derart angestellt, dass ein resultierender Verwirbelungswinkel von nicht mehr als 60º an der Vereinigung 68 der ersten und der zweiten Passage 26, 32 erzeugt wird. Eine experimentelle Auswertung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei dem das Luftmassenverhältnis zwischen der ersten und der zweiten Passage 26, 32 im Bereich von 83 : 17 bis 91 : 9 liegt, hat gezeigt, dass ein resultierender Verwirbelungswinkel von ca. 50º an der Vereinigung 68 erzielt werden kann, indem man der gegenläufig rotierenden Luft, die durch die zweite Passage 32 hindurch strömt, einen Verwirbelungswinkel im Bereich von 68º bis 75º erteilt. Der Verwirbelungswinkel an der Vereinigung 68 ist ebenfalls sehr wichtig, da der Erfinder festgestellt hat, dass Verwirbelungswinkel an der Vereinigung 68, die, größer sind als 60º, zu einer signifikant schlechteren Wiederentzündungsstabilität führen als Verwirbelungswinkel an der Vereinigung 68 von 60º oder weniger. Die vorstehend erwähnte axiale Beabstandung zwischen dem ersten Aus¬ lass 30 und dem zweiten Auslass 36 ist erforderlich, um die Bildung des Ver¬ wirbelungswinkels an der Vereinigung 68 zu ermöglichen, bevor es zu einer Wechselwirkung zwischen dem Teil des Luftstroms aus der dritten Passage 38 und des Luftstroms an der Vereinigung kommt.
Der Luftstrom in der dritten Passage 38 hat in Bezug auf den Luftstrom in der ersten Passage 26 die gleiche Rotationsrichtung, und die Masse des Teils der die dritte Passage 38 durchströmenden Luft ist nicht größer als 30% der Summe der Masse des Luftstroms in der ersten, zweiten und dritten Passage 26, 32, 38 und beträgt vorzugsweise 15% oder weniger. Die Schaufeln 62 der dritten Verwirbelungseinrichtung 64 sind derart angestellt, dass ein resultierender Verwirbelungswinkel von ca. 70º in dem Teil der durch die dritte Passage 38 hindurchströmenden Luft erzeugt wird, da der Erfinder festgestellt hat, dass ein solcher hoher Verwirbelungswinkel in Kombination mit der Vereinigung 68 des Luftstroms aus der ersten und der zweiten Passage 26, 32 eine äußere Scherschichtflamme in der Brennkammer erzeugt. Diese äußere Scherschichtflamme ist wichtig, da sie die Wiederentzündungsstabilität von dem Gesamtluftstrom entkoppelt. Aufgrund des Vorhandenseins der äußeren Scherschichtflamme wird die Wiederentzündungsstabilität statt dessen von dem Luftstrom durch die dritte Passage 33 abhängig. Durch Erhöhen oder Vermindern des Luftstroms in der dritten Passage 38 kann somit die Wiederentzündungsstabilität je nach Wunsch vermindert bzw. gesteigert werden.
Im Betrieb wird Austrittsluft 100 von einem Kompressor (nicht gezeigt) in die Mischungsführung 12 durch die Verwirbelungseinrichtungen 52, 60, 64 an den Einlassen 28, 34, 40 der drei Passagen 26, 32, 38 eingeleitet. Von dem gesamten in die Mischungsführung eingeleiteten Luftstrom werden 15% zu der dritten Passage 38 geführt, und die verbleibenden 85% des Luftstroms, der als "Kernluftstrom" bezeichnet wird, werden im Bereich von 83 : 17 bis 91 : 9 zwischen der ersten und der zweiten Passage 26, 32 aufgeteilt. Die erste Verwirbelungseinrichtung 52 erteilt der Luft in der ersten Passage 26 in dem Bereich der Brennstoffdüse 16 einen Verwirbelungswinkel von 55º. Der Brennstoff wird bei dem Bezugszeichen 66 in die wirbelnde Luft eingespritzt, und der Brennstoff und die Luft mischen sich, während sie ihre Wirbelbewegung entlang der Längsachse 14 zu dem Auslass 30 der ersten zylindrischen Führung 20 fortführen. Diese starke Verwirbelung in der ersten Passage reduziert Rauch, da sie dazu beiträgt, einen hohlkegelförmigen Brennstoffnebel bei hohen Brennstoffströmungen aufrechtzuerhalten. An dem ersten Auslass 36 wird die Mischung aus Brennstoff und Luft aus der ersten Passage 26 in die zweite zylindrische Führung 22 sowie den gegenläufig rotierenden Luftstrom aus der zweiten Passage 32 abgegeben. Die Turbulenz, die durch die intensive Scherwirkung des Luftstroms von der ersten Passage 26 und der gegenläufig rotierende Luftstrom von der zweiten Passage 32 hervorgerufen wird, reduziert den Gesamtverwirbelungswinkel an der Vereinigung 68 der beiden Luftströme. Der niedrigere Verwirbe¬ lungswinkel des Kernluftstroms stromabwärts von der Vereinigung 68 führt zur Bildung einer reicheren Rezirkulationszone, wodurch die Wiederentzündungsstabilität verbessert wird. Resultate aus Experimenten zeigen, dass der resultierende Verwirbelungswinkel unmittelbar stromab von der Vereinigung 68 etwa 50º beträgt, was gut unter dem maximal zulässigen Verwirbelungswinkel von 60º für die gewünschte Wiederentzündungsstabilität liegt. Wie für den Fachmann leicht erkennbar ist, kann durch Verwendung eines relativ hohen Verwirbelungswinkels, wie z. B. 75º, in der zweiten Passage 32 die gewünschte Reduzierung des Verwirbelungswinkels in der ersten Passage mit einem minimalen Betrag an Luftstrom in der zweiten Passage 32 erzielt werden.
Obwohl der Verwirbelungswinkel des Kernluftstroms unmittelbar stromab von der Vereinigung 68 vermindert ist, setzt sich die Rotation des Kernluftstroms in der gleichen Richtung wie der ursprüngliche Luftstrom in der ersten Passage 26 fort, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Wenn der Kernluftstrom die Vorschleiereinrichtung 44 mit einem Verwirbelungswinkel von 50º verläßt, trifft sie auf den Luftstrom aus der dritten Passage 38, der einen Verwirbelungswinkel von 70º aufweist. Die Wechselwirkung zwischen den beiden Luftströmen erzeugt eine äußere Scherschicht, und die darin erzeugten Wirbel schaffen eine Rezirkulationszone, die sich stromabwärts von dem dritten Auslass 42 erstreckt. Wie vorstehend erläutert worden ist, sind es diese Rezirkulationszonen, die die Wiederentzündungsstabilität erhöhen, und somit sorgt die äußere Scherschicht für eine weitere Steigerung der Wiederentzündungsstabilität gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die erste und die zweite Verwirbelungseinrichtung 52, 60 derart ausgebildet, dass sie die gleiche Rotationsrichtung relativ zu der Längsachse 14 aufweisen, d. h. die Schaufeln der ersten Verwirbeiungseinrichtung 52 sind derart angestellt, dass sie einen Luftstrom in der ersten Passage 26 erzeugen, der die gleiche Rotationsrichtung relativ zu dem Luftstrom in der zweiten Passage 32 aufweist, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Die Schaufeln 50 der ersten Verwirbelungseinrichtung 52 sind wiederum derart angestellt, dass sie einen Verwirbelungswinkel von mindestens 50º in der ersten Passage 26 erzeugen und vorzugsweise einen Verwirbelungswinkel von 65º bis 75º erzeugen. Die Schaufeln 58 der zweiten Verwirbelungseinrichtung 60 sind wiederum derart angestellt, dass sie einen resultierenden Verwirbelungswinkel von nicht mehr als 60º an der Vereinigung 68 der ersten und der zweiten Passage 26, 32 erzeugen. Die experimentelle Auswertung des alternativen Ausführungsbeispiels, bei dem das Luftmassenverhältnis zwischen der ersten und der zweiten Passage 26, 32 im Bereich von 9 : 91 bis 17 : 83 liegt, hat gezeigt, dass ein resultierender Verwirbelungswinkel von ca. 42º an der Vereinigung 68 erzielt werden kann, indem der durch die zweite Passage 32 hindurchströmenden, die gleiche Rotationsrichtung aufweisenden Luft ein Verwirbelungswinkel von 44º erteilt wird. Der Luftstrom in der dritten Passage 38 ist so, wie dies für das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist.
Im Betrieb des alternativen Ausführungsbeispiels wird Luft 100 von einem Kompressor durch die Verwirbelungseinrichtungen 50, 60, 64 an den Einlassen 28, 34, 40 der drei Passagen 26, 32, 38 in die Mischführung 12 eingeleitet. Von dem gesamten in die Mischungsführung 12 eingeleiteten Luftstrom werden 15% zu der dritten Passage 38 geleitet, und die übrigen 85% des Luftstroms werden im Bereich von 9 : 91 bis 17 : 83 zwischen der ersten und der zweiten Passage 26, 32 aufgeteilt. Die erste Verwirbelungseinrichtung 52 erteilt der Luft in der ersten Passage 26 in dem Bereich der Brennstoffdüse 16 einen Verwirbelungswinkel von 65º bis 75º. Der Brennstoff wird bei dem Bezugszeichen 66 in die wirbelnde Luft eingespritzt, und der Brennstoff und die Luft mischen sich bei ihrer Wirbelbewegung entlang der Längsachse 14 zu dem Auslass 30 der ersten zylindrischen Führung 20. Diese starke Verwirbelung in der ersten Passage reduziert aus den vorstehend genannten Gründen Rauch. An dem ersten Auslass 30 wird die Mischung aus Brennstoff und Luft aus der ersten Passage 26 in die zweite zylindrische Führung 22 und den die gleiche Rotationsrichtung aufweisenden Luftstrom aus der zweiten Passage 32 abgegeben. Der Unterschied zwischen dem hohen Verwirbelungswinkel des Luftstroms der zweiten Passage 26 und dem niedrigen Verwirbelungswinkel der zweiten Passage 32 erzeugt an der Vereinigung 68 der beiden Ströme eine Scherwirkung, und da die Masse des Luftstroms bei dem geringeren Verwirbelungswinkel mehr als das Fünffache der Masse des Luftstroms bei dem höheren Verwirbelungswinkel beträgt, beträgt der resultierende Verwirbelungswinkel unmittelbar stromab von der Vereinigung 68 ca. 42º, was ebenfalls gut unter dem maximal zulässigen Verwirbelungswinkel von 60º für die erwünschte Wiederentzündungsstabilität liegt. Der Kernluftstrom setzt seine Rotationsbewegung in der gleichen Richtung wie der ursprüngliche Luftstrom in der ersten Passage 26 fort, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Wenn der Kernluftstrom die Vorschleierführung 44 mit einem Verwir¬ belungswinkel von 42º verlässt, trifft er auf den Luftstrom aus der dritten Passage 38, der einen Verwirbelungswinkel von 70º aufweist. Die Wechselwirkung zwischen den beiden Luftströmen erzeugt vorteilhafte Resultate ähnlich denen, die in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert worden sind.
Die Brennstoff- und Luft-Verwirbelungs-Mischvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung hält die Hochleistungsqualitäten derzeitiger Konstruktionen mit hoher Scherwirkung aufrecht. Die Verwirbelungseinrichtungen 52, 60, 64 für den radialen Zustrom zeigen die gleiche reproduzierbare, gleichmäßige Brennstoffverteilung, die bei derzeitigen Konstruktionen mit hoher Scherwirkung "vorliegt. Die Wiederentzündungsstabilität reagiert positiv auf Strömungsteilungsvariationen, die bei derzeitigen Konstruktionen mit hoher Scherwirkung vorliegen. Ferner bleibt aufgrund der neuartigen Merkmale der Verwirbelungs- Mischvorrichtung 10 die ausgezeichnete Zerstäubungsleistung der derzeitigen Konstruktionen mit hoher Scherwirkung erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist zwar in Bezug auf ein detailliertes Ausführungsbeispiel derselben dargestellt und beschrieben worden, jedoch versteht es sich für den Fachmann, dass im Umfang der Ansprüche verschiedene Änderungen hinsichtlich der Form und der Einzelheiten desselben vorgenommen werden können.

Claims

1. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff und Luft in einer Brennkammer, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen einer ersten Führung (20), die einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und eine erste Passage (26) bildet, sowie einer zweiten Führung (22), die zu der ersten Führung (20) koaxial ist, wobei die zweite Führung (22) von der ersten Führung (20) radial nach außen beabstandet ist, um dazwischen eine ringförmige zweite Passage (32) zu bilden;

Einspritzen von Brennstoff in die erste Führung (20) unter Verwirbelung eines ersten Teils von Luft in Berührung mit diesem unter einem ersten Verwirbelungswinkel, um dadurch den Brennstoff und den ersten Teil der Luft zu mischen;

Mischen des Brennstoffs und des ersten Teils mit einem zweiten Teil von Luft unter einem zweiten Verwirbelungswinkel, um eine Vereinigung (68) des ersten und des zweiten Teils herzustellen; und

Zünden der Mischung aus Brennstoff sowie erstem und zweitem Teil von Luft;

dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verwirbelungswinkel mindestens 50º beträgt und der Verwirbelungswinkel an der Vereinigung weniger als 60º beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Verwirbelungswinkel eine gegenläufige Rotationsrich¬ tung relativ zu dem ersten Verwirbelungswinkel hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis der Masse des ersten Teils der Luft zu der Masse des zweiten Teils der Luft in etwa 9 : 1 beträgt, der erste Verwirbelungswinkel etwa 55º beträgt und der zweite Verwirbelungswinkel etwa 75º beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Verwirbelungswinkel die gleiche Rotationsrichtung relativ zu dem ersten Verwirbelungswinkel aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verhältnis der Masse des ersten Teils der Luft zu der Masse des zweiten Teils der Luft in etwa 15 : 85 beträgt, der erste Verwirbelungswinkel etwa 75º beträgt und der zweite Verwirbelungswinkel etwa 34º beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem eine dritte Führung (24) koaxial zu der zweiten Führung (22) vorgesehen wird, wobei die dritte Führung (24) von der zweiten Führung (22) radial nach außen beabstandet ist, um dazwischen eine dritte Passage (38) zu bilden, und bei dem vor dem Zünden der Mischung ein dritter Teil von Luft mit dem ersten und dem zweiten Teil kombiniert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der dritte Teil einen Verwirbelungswinkel von etwa 70º aufweist.

8. Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung zum Mischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung in einer Gasturbinenmaschine, wobei die Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung folgendes aufweist:

eine Mischungsführung (12) mit einer sich durch diese hindurch erstrec¬ kenden Längsachse (14), wobei ein stromaufwärtiges Ende zum Empfangen des Brennstoffs und der Luft dient und ein stromabseitiges Ende zum Abgeben der Mischung aus Brennstoff und Luft dient, wobei die Mischungsführung (12) aufweist:

eine erste Führung (20), die einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und eine erste Passage (26) bildet, wobei die erste Passage (26) einen ersten Einlass (28) für das Einlassen der Luft in die erste Passage (26) sowie einen ersten Auslass (30) für das Abgeben der Luft aus der ersten Passage (26) aufweist;

eine zweite Führung (22), die koaxial zu der ersten Führung (20) ist, wobei die zweite Führung (22) von der ersten Führung (20) radial nach außen beabstandet ist, um dazwischen eine zweite Passage (32) zu bilden, wobei die zweite Passage (32) einen zweiten Einlass (34) für das Einlassen der Luft in die zweite Passage (32) und einen zweiten Auslass (36) für das Abgeben der Luft aus der zweiten Passage (32) aufweist;

eine Brennstoffdüse (16), die an dem einen Ende der Mischführung (12) angeordnet ist, um Brennstoff in die erste Passage (26) einzuleiten;

eine Einrichtung (52), um durch den ersten Einlass (28) in die erste Passage (26) eintretender Luft einen ersten Verwirbelungswinkel zu erteilen; und eine Einrichtung (60), um durch den zweiten Einlass (34) in die zweite Passage (32) eintretender Luft einen zweiten Verwirbelungswinkel zu erteilen;

wobei das Abgeben aus der ersten Führung (20) in die zweite Führung (22) in einem Vereinigen (68) des Luftstroms aus der ersten und der zweiten Führung (20, 22) resultiert;

dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Verwirbelungseinrichtung (52, 60) derart konfiguriert sind, dass im Gebrauch der erste Verwirbelungswinkel mindestens 50º beträgt und der resultierende Verwirbelungswinkel unmittelbar stromab von der Vereinigung (68) nicht größer ist als 60º.

9. Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste und die zweite Verwirbelungseinrichtung (52, 60) derart konfiguriert sind, dass im Gebrauch der zweite Verwirbelungswinkel eine gegenläufige Rotationsrichtung relativ zu dem ersten Verwirbelungswinkel hat.

10. Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Strömungsquerschnitt in die erste und die zweite Passage (26, 32) hinein derart festgelegt sind, dass das Verhältnis der Masse der die erste Passage durchströmenden Luft zu der Masse der die zweite Passage durchströmenden Luft in etwa 9 : 1 beträgt, und wobei die erste und die zweite Verwirbelungseinrichtung (52, 60) derart konfiguriert sind, dass im Gebrauch der erste Verwirbelungswinkel etwa 55º beträgt und der zweite Verwirbelungswinkel etwa 75º beträgt.

11. Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste und die zweite Verwirbelungseinrichtung (52, 60) derart konfiguriert sind, dass im Gebrauch der zweite Verwirbelungswinkel die gleiche Rotationsrichtung relativ zu dem ersten Verwirbelungswinkel aufweist.

12. Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Strömungsquerschnitt in die erste und die zweite Passage (26, 32) hinein derart festgelegt sind, dass das Verhältnis der Masse des ersten Teils der Luft zu der Masse des zweiten Teils der Luft in etwa 15 : 85 beträgt, und wobei die erste und die zweite Verwirbelungseinrichtung (52, 60) derart konfiguriert sind, dass im Gebrauch der erste Verwirbelungswinkel etwa 75º beträgt und der zweite Verwirbelungswinkel etwa 34º beträgt.

13. Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, aufweisend eine dritte Führung (24) koaxial zu der zweiten Führung (22), wobei die dritte Führung (24) von der zweiten Führung (22) radial nach außen beabstandet ist, um dazwischen eine dritte Passage (38) zu bilden.

14. Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung nach Anspruch 13, aufweisend eine dritte Verwirbelungseinrichtung (64), um in die dritte Passage eintretender Luft einen dritten Verwirbelungswinkel zu erteilen, wobei die dritte Verwirbelungseinrichtung derart konfiguriert ist, dass der dritte Verwirbelungswinkel etwa 70º beträgt.