EP0751351B1

EP0751351B1 - Brennkammer

Info

Publication number: EP0751351B1
Application number: EP96810353A
Authority: EP
Inventors: Hans Peter Knöpfel; Peter Dr. Senior
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 2002-10-16
Anticipated expiration: 2016-05-31
Also published as: JPH0914635A; DE59609792D1; EP0751351A1; US5832732A; JP4001952B2; DE19523094A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei Gasturbinen der neueren Generation wird ein Teil der Verdichterluft zu Kühlzwecken abgezweigt. Bestimmungsgemäss wird diese Verdichterluft zur Kühlung der thermisch hochbelasteten Aggregate eingesetzt, anschliessend dann als Verbrennungsluft in den Kreislauf der Gasturbine eingeführt. Da die Einleitung dieser Kühlluft in den Kreislauf an geeigneter Stelle stattfinden muss, besteht dort die immanente Gefahr, dass die Druckverluste bei dieser Ueberleitung zu hoch ausfallen, was zwangsläufig eine Verminderung des Wirkungsgrades der Anlage zur Folge hat. Die genannte Verdichterluft muss darüber hinaus beispielsweise nach Kühlung der Brennkammer vor der Verbrennungszone wieder in den Kreislauf rückgeführt werden, soll die spezifische Leistung der Anlage keine Einbrüche erleiden. Gerade bei letztgenannter Operation, im Zusammenhang mit dem Einsatz eines Vormischbrenners in der Brennkammer, treten, soweit aus dem Stand der Technik ersichtlich ist, Druckverluste auf, welche regelmässig infolge der Querschnittserweiterung zwischen Kühlluft-Zuführung und Plenum zu hohen Wirkungsgradverluste führen. zwar ist es richtig, dass sich diese Wirkungsgradverluste durch einen Diffusor vermeiden liessen, indessen würde eine solche Vorkehrung, insbesondere bei den heute üblichen Ringbrennkammern, die Länge der Gasturbine stark anwachsen lassen, mit allen sich daraus ergebenden Nachteilen, die dem Fachmann bestens geläufig sind. Diese Nachteile würden sich sodann akzentuieren, wenn die Gasturbine auf eine sequentielle Verbrennung ausgelegt ist, d.h., wenn die Gasturbine aus je zwei nachgeschalteten Brennkammern und Turbinen besteht. Die bekanntgewordenen Konfigurationen, welche eine Reduzierung der Gesamtlänge der Gasturbine aufgrund einer zu langen Brennkammer durch eine Ueberlagerung der Brennkammer gegenüber den beiden in Wirkverbindung stehenden Strömungsmaschinen anstreben, weisen auch Nachteile auf, denn hier muss die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien jeweils zwei Mal umgelenkt werden, was für den Wirkungsgrad und für die Güte der Mischung der Verbrennungsluft nicht förderlich ist.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art die Einführung der Kühlluft in den Verbrennungsluftstrom mit minimierten Druckverlusten bei optimaler Vermischung der beiden Luftströme zu gestalten.

Die Druckverluste bei der Implementierung der Kühlluft in den Verbrennungsluftstrom werden minimiert, indem durch mindestens ein Injektorsystem am Uebergang zum Plenum an sich ein körperloser Diffusor gebildet wird.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass es sich hier um eine kompakte Konfiguration handelt, welche die Einströmung der Kühlluft in den anderen Luftstrom im selben Rahmen wie beim Einsatz eines verhältnismässig langen, strömungsoptimal ausgelegten Uebergangsdiffusors gewährleistet. Daraus ergibt sich, dass die Brennkammer kompakter ausgelegt werden kann, und dass die Zumischung der Kühlluft strömungstechnisch optimal abläuft, dergestalt, dass auf die Flammentemperatur eingewirkt werden kann, in dem Sinne, dass daraus eine Minimierung der Schadstoff-Emissionen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft, resultiert.

Darüber hinaus werden durch die Erfindung nicht nur die Druckverluste minimiert, sondern es wird in positiver Weise auch auf die Unterdrückung von Pulsationen eingewirkt.

Die Erfindung entfaltet insbesondere bei Gasturbinen mit Ringbrennkammern grosse Vorteile, denn die vorgeschlagene Zumischung der Kühlluft bedingt keine Verlängerung des Plenums, womit als augenfällige Folge eine kürzere Rotorwelle-der Anlage daraus resultiert.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1: eine Ringbrennkammer im Bereich der Implementierung der Kühlluft in den Verbrennungsluftstrom,
Fig. 2: eine Ansicht der Ringbrennkammer entlang der Schnittebene II.-II. aus Fig. 1,
Fig. 3: einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,
Fig. 4-6: Ansichten durch verschiedene Schnittebenen des Brenners gemäss Fig. 3,
Fig. 7: einen weiteren Brenner,
Fig. 8: einen Drallerzeuger als Bestandteil des Brenners gemäss Fig. 7, in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,
Fig. 9: eine Schnittebene durch den als zweischalig ausgebildeten Drallerzeuger gemäss Fig. 8,
Fig. 10: eine Schnittebene durch einen vierschaligen Drallerzeuger,
Fig. 11: eine Schnittebene durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind und
Fig. 12: eine Darstellung der Form der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und nachgeschaltetem Mischrohr.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt, wie aus der eingezeichneten Wellenachse 10 hervorgeht, dass es sich bei vorliegender Brennkammer um eine Ringbrennkammer 1 handelt, welche im wesentlichen die Form eines zusammenhängenden annularen oder quasi-annularen Zylinders einnimmt. Darüber hinaus kann eine solche Brennkammer auch aus einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig angeordneter und einzeln in sich abgeschlossener Brennräume bestehen. An sich kann eine solche Brennkammer auch aus einem einzigen Rohr bestehen. Des weiteren kann diese Brennkammer die einzige Verbrennungsstufe einer Gasturbine oder eine Verbrennungsstufe einer sequentiell befeuerten Anlage bildet. Die Ringbrennkammer 1 besteht kopfseitig aus einem Plenum 7, dass endseitig in Strömungsrichtung mit einer Konfiguration von Brennern 100 abschliesst. Ueber die Verteilung sowie Ausgestaltung der Brenner 100 wird in den nachfolgenden Figuren näher eingegangen. Stromab dieser Brenner 100 schliesst sich der eigentliche Brennraum 122 der Brennkammer 1 an. Die in diesem Raum erzeugten Heissgase 11 beaufschlagen dann in der Regel eine nachgeschaltete Turbine. Der Brennraum 122 ist mit einem doppelten ringförmigen Kanal 2, 3 ummantelt, durch welche eine Kühlluft 4 in Gegenstromrichtung fliesst. Etwa in der Ebene zwischen Ende Brenner 100 und Anfang Brennraum 122, also in der Ebene der Frontwand 110, steht diese Kühlluft 4 in Wirkverbindung mit einer von aussen kommenden Luftmenge 5 höheren Potentials, im folgenden Beschleunigungsluft genannt, wobei das Zusammenwirken dieser beiden Luftströme 4, 5 über Injektorsysteme 8, 9 stattfindet, welche in Umfangsrichtung gegenüber Innen- und Aussenwand der Ringbrennkammer 1 angeordnet sind. Auf die Ausgestaltung dieser Injektorsysteme wird unter Fig. 2 näher eingegangen. Innerhalb dieser Injektorsysteme 8, 9 erhält die Kühlluft 4 durch die Wirkung der Beschleunigungsluft 5 innerhalb eine sehr kurzen Strecke ein räumlich kompaktes, optimales Geschwindigkeitsprofil, das typischerweise demjenigen eines relativ langen Diffusors entspricht. Dieses Geschwindigkeitsprofil weist keine Strömungsablösungen entlang der Wände des entsprechenden Injektorsystems auf, so dass die Druckverluste, die insbesondere virulent bei jeder Querschnittserweiterung auftreten, bei der nachfolgenden Implementierung dieses Luftstromes 6 in die weitere Verdichterluft innerhalb des Plenums 7 minimiert werden. Daraus ergibt sich auch, dass aus der Vermischung der beiden letztgenannten Hauptluftströmungen eine gleichförmige Verbrennungsluft 115 bereitgestellt wird, dergestalt, dass die Brenner 100 mit einer optimalen Verbrennungsluft 115 geladen werden, wodurch die nachfolgende Vermischung mit einem Brennstoff zu einem zündfähiges Gemisch unter bestmöglichen Verhältnissen stattfinden kann. Die anschliessende Verbrennung zeichnet sich dann folgerichtig durch einen minimierten Ausstoss an Schadstoff-Emissionen aus. Vorzugsweise sind die hier zum Einsatz kommenden Brenner nach einem Vormischtechnik aufgebaut, wobei für bestimmte Anwendungen auch Diffusionsbrenner in Frage kommen können.

Aus Fig. 2 ist der Aufbau der einzelnen Injektorsysteme 8, 9 ersichtlich. Des weiteren geht aus dieser Fig. 2 die Anordnung der Brenner 100 innerhalb der Frontwand 110 zum anschliessenden Brennraum hervor. Diese Anordnung kann von Fall zu Fall verschieden sein, wobei auch die Anzahl der Brenner varieren kann. Ferner findet innerhalb des Brennerverbundes vorzugsweise eine Aufteilung in Pilotbrenner und Hauptbrenner statt, wodurch mit dieser Vorkehrung die transienten Lastbereiche optimal angefahren werden können. In beiden Umfangsrichtungen beidseits der Brenner 100 wird die Kühlluft 4 durch einzelne in sich abgeschlossene Injektorsysteme 8, 9 geleitet, welche die Form rechteckiger Kanäle haben. In Umfangsrichtung jedes Kanals wird die Beschleunigungsluft 5 über dort in regelmässigem Abstand vorhandene Bohrungen 5a eingebracht und bewirkt, dass die Kühlluft 4 innerhalb der sehr kurzen Länge der Kanäle ein optimales Geschwindigkeitsprofil erhält, bevor sie in das Plenum einströmt. Selbstverständlich ist die geometrische Querschnittsform der Kanäle nicht auf die dargestellte rechteckige Form beschränkt. Auch der Durchflussquerschnitt und schlussendlich die Zahl dieser Kanäle in Umfangsrichtung ist von Fall zu Fall zu bestimmen, wobei das Ziel bei jeder Auslegung die Optimierung des Geschwindigkeitsprofils der Kühlluft 4 innerhalb einer kürzesten Strecke sein muss.

Nachfolgend kommen zwei Vormischbrennertypen zur Darstellung und näheren Erläuterung: Zum einen handelt es sich um den Vormischbrenner 100, gemäss Fig. 3-6, der in den Fig. 1 und 2 bereits schematisch dargestellt ist, zum anderen um einen weiteren Vormischbrenner, der in den Fig. 7-12 näher gezeigt und erläutert wird.

Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 3 die einzelnen Schnitte nach den Figuren 4-6 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 3 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figuren 4-6 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 3 nach Bedarf auf die restlichen Figuren 4-6 hingewiesen.

Der Brenner 100 nach Fig. 3 ist ein Vormischbrenner und besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz oder Kanal 119, 120 frei (Vgl. Fig. 4-6), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Brenners 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete oder Tulpe resp. Diffusor oder Konfusor. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Brenners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, deren Brennstoff-Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraums 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners 100. Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, aus einem einzigen Teilkörper mit einem einzigen tangentialen Lufteintrittsschlitz, oder aus mehr als zwei Teilkörpern ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten Bohrungen 110a treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, dass Verdünnungsluft oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Brenners 100. Diese Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich um einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff 112, der allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff 112 wird, insbesondere wenn es sich um einen flüssigen handelt, unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut. Wird der Brenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Oeffnungsdüsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Uebergang der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zum Kegelhohlraum 114 hin zustande kommt. Die Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 erfüllt die Funktion einer Kopfstufe; sie kommt normalerweise bei Inbetriebsetzung und bei Teillastbetrieb zum Zuge. Selbstverständlich ist über diese Kopfstufe auch ein Grundlastbetrieb mit einem flüssigen Brennstoff möglich. Am Ende des Brenners 100 stellt sich einerseits die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt, andererseits die kritische Drallzahl ein; letztgenannte führt dann im Zusammenwirken mit der dort disponierten Querschnittserweiterung zu einem Wirbelaufplatzen, gleichzeitig auch zur dortigen Bildung einer Rückströmzone 106. Die Zündung erfolgt an der Spitze dieser Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des allenfalls eingesetzten flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwinkels und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Rückströmzone 106 am Ausgang des Brenners einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die Rückströmzone 106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, dass die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Brenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Brenners 100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des-weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Es ist auch ohne weiteres möglich, die kegeligen Teilkörper 101, 102 spriralförmig ineinander zu verschachteln.

Aus Fig. 4-6 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 verändert wird. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.

Fig. 7 zeigt den Gesamtaufbau eines weiteren Brenners 300. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100a wirksam, dessen Ausgestaltung weitgehend derjenigen des Brenners 100 gemäss Fig. 3 entspricht. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100a auch um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von dem tangential einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100a vorgesehenen Uebergangsgeometrie nahtlos in ein Uebergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt, dass dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiguration dieser Uebergangsgeometrie wird unter Fig. 12 näher beschrieben. Dieses Uebergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220 des Brenners 300 bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d.h. dann, dass das Uebergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Uebergangsstück 200 und Rohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 50 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 50 kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100a dient. Ein solcher Buchsenring 50 hat darüber hinaus den Vorteil, dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig des Rohres 20 befindet sich der eigentliche Brennraum 122, der im wesentlich demjenigen aus Fig. 1 entspricht und der hier lediglich durch ein Flammrohr 30 versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die Bedingung, dass stromab des Drallerzeugers 100a eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Uebergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass im Mischrohr 220 selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl von regelmässig oder unregelmässig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit induziert. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220 abströmungsseitig der Uebergangskanäle 201, welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur entspricht der Auslauf der Uebergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220. Die genannten Uebergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 220 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres 220 ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schliesst sich das Flammrohr 30 des Brennraumes 122 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 106, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 106. Stirnseitig, also in der Frontwand 110, sind mehrere Oeffnungen 31 vorgesehen, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unteren anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone 106 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 106 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt.

Der Drallerzeuger 100a gemäss Fig. 8 entspricht von der körperlichen Ausgestaltung her, wie bereits erwähnt, weitgehend dem Brenner 100 gemäss Fig. 3, wobei dieser Drallerzeuger 100a nunmehr keine Frontwand mehr aufweist. Betreffend die hier auszumachende Unterschiede wird auf die Ausführungen unter Fig. 7 verwiesen.

Betreffend Fig. 9 wird auf die Ausführungen unter den Fig. 4-6 verwiesen.

Fig. 10 zeigt gegenüber Fig. 9, dass der Drallerzeuger 100a nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers 110a im Mischrohr 220 zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.

Fig. 11 unterscheidet sich gegenüber Fig. 10 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d.h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.

Fig. 12 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100a mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 10 oder 11, aufgebaut. Dementsprechend weist die Uebergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Uebergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelflächen der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneiden. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 8 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Uebergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt des Uebergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Uebergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, dass der Rohrströmung 40 anschliessend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend grosse Strecke verbleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Uebergangsgeometrie und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres 220 bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt dieses Mischrohres hin, so dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.

Bezugszeichenliste

1: Ringbrennkammer
2, 3: Ringförmiger Kühlluftkanal
4: Kühlluft
5: Beschleunigungsluft
5a: Bohrungen
6: Luftstrom aus Kühlluft und Beschleunigungsluft
7: Plenum
8: Injektorsystem, Kanal
9: Injektorsystem, Kanal
10: Wellenachse
11: Heissgase
20: Rohr
21: Bohrungen, Luftdurchlassöffnungen
30: Flammrohr
40: Strömung, Rohrströmung im Mischrohr
50: Buchsenring
100: Vormischbrenner
100a: Drallerzeuger
101, 102: Teilkörper von Brenner 100 und Brenner 300
101a, 102a: Zylindrische Angangsteile
101b, 102b: Längssymmetrieachsen
103: Brennstoffdüse
104: Brennstoffeindüsung
105: Brennstoffeindüsungsprofil
106: Rückströmzone (Vortex Breakdown)
107: Flammenfront
108, 109: Brennstoffleitungen
110: Frontwand
110a: Luftbohrungen
110b: Kühlluft
112: Flüssiger Brennstoff
113: Gasförmiger Brennstoff
114: Kegelhohlraum
115: Verbrennungsluft
116: Brennstoff-Eindüsung
117: Brennstoffdüsen
119, 120: Tangentiale Lufteintrittsschlitze
121a, 121b: Leitbleche
122: Brennraum
123: Drehpunkt der Leitbleche
130, 131, 132, 133: Teilkörper
130a, 131a, 132a, 133a: Längssymmetrieachsen
140, 141, 142, 143: Schaufelprofilförmige Teilkörper
140a, 141a, 142a, 143a: Längssymmetrieachsen
200: Uebergangssstück
201: Uebergangskanäle
220: Mischrohr
300: Brenner

Claims

Brennkammer (1), im wesentlichen bestehend aus einem Plenum (7) zur Aufnahme mindestens eines Verdichterluftstromes, aus mindestens einem innerhalb des Plenums (7) plazierten Brenner (100), einem dem Plenum nachgeschalteten Brennraum (122) und einem dem Brennraum ummantelnden, in das Plenum einmündenden, kühlluftführenden Kanal (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einmündung des kühlluftführenden Kanals (2, 3) in das Plenum (7) Injektorsysteme (8, 9) angeordnet sind, welche jeweils aus einem Durchflusskanal als Fortsetzung des kühlluftführenden Kanals (2, 3) und aus einer Anzahl von in Umfangsrichtung des Durchflusskanals angeordneten Oeffnungen (5a) bestehen, und dass die Oeffnungen (5a) mit einer Beschleunigungsluft (5) beaufschlagbar sind.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnet, dass die Brennkammer (1) eine Ringbrennkammer ist.
Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektorsysteme (8, 9) ringförmig um die Wände des Brennraumes (122) angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektorsysteme (8, 9) in das Plenum (7) hineinragen.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102) besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen (101b, 102b) zueinander versetzt verlaufen, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper (101, 102) in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstrom (115) bilden, dass im von den Teilkörpern (101, 102) gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) vorhanden ist.
Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung unter einem festen Winkel kegelig erweitern, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine abnehmende kegelneigung aufweisen.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (300) aus einem Drallerzeugers (100a) und einer stromab des Drallerzeugers angeordneten Mischstrecke (220) besteht, und dass die Mischstrecke (220) stromab des Drallerzeugers (100a) innerhalb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Uebergangskanäle (201) zur Ueberführung einer im Drallerzeuger (100a) gebildeten Strömung (40) in den stromab der Uebergangskanäle (201) nachgeschalteten Durchflussquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) aufweist.
Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (100a) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) besteht, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen (101b, 102b; 131a, 132a, 133a, 134a; 140a, 141a, 142a, 143a) der Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstromes (115) bilden, und dass im von den Teilkörpern gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) angeordnet ist.
Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.
Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischstrecke (220) als rohrförmiges Mischelement ausgebildet ist.
Brennkammer nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Uebergangskanäle (201) in der Mischstrecke (220) der Anzahl der Teilkörper (101, 102; 131, 132, 133, 134; 140, 141, 142, 143) des Drallerzeugers (100a) entspricht.
Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischstrecke (220) stromab der Uebergangskanäle (201) in Strömungsrichtung und in Umfangsrichtung mit Oeffnungen als Filmlegungsbohrungen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes versehen ist.
Brennkammer nach Anspruch 8, dass die Mischstrecke (220) stromab der Uebergangskanäle (201) mit tangentialen Oeffnungen zur Eindüsung eines Luftstromes versehen ist.
Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) stromab der Uebergangskanäle (201) kleiner, gleich gross oder grösser als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100a) gebildeten Strömung (40) ist.
Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Uebergangskanäle (201) sektoriell die Stirnfläche der Mischstrecke (220) erfassen und in Strömungsrichtung drallförmig verlaufen.
Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Mischstrecke (220) ein Diffusor vorhanden ist.
Brennkammer nach einem der Anspruche 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Brenners (100, 300) ein Brennraum (122) angeordnet ist, dass zwischen dem Brenner (100, 300) und dem Brennraum (122) ein Querschnittssprung vorhanden ist, und dass im Bereich dieses Querschnittssprunges eine Rückströmzone (106) vorhanden ist.