EP0807213B1 - Flow-guiding body for gas turbine combustion chambers - Google Patents

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EP0807213B1
EP0807213B1 EP95907643A EP95907643A EP0807213B1 EP 0807213 B1 EP0807213 B1 EP 0807213B1 EP 95907643 A EP95907643 A EP 95907643A EP 95907643 A EP95907643 A EP 95907643A EP 0807213 B1 EP0807213 B1 EP 0807213B1
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EP
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fuel
shell
flow
combustion chamber
air
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EP95907643A
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Achim Schmid
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Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Publication date
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    • F23R3/02Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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    • B01F25/43197Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor characterised by the mounting of the baffles or obstructions
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    • F23M9/02Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in air inlets
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    • F23D2900/11101Pulverising gas flow impinging on fuel from pre-filming surface, e.g. lip atomizers

Definitions

  • the invention relates to a flow guide body on a gas turbine combustion chamber for swirling an impinging air flow, consisting of at least one tapered molded shell of essentially conical shape, the base surface projection of which is formed by at least one straight line and any curve connecting the end points of the straight line, wherein the tip of the molded shell essentially faces the air flow hitting the outside.
  • a comparable flow guide body is known from EP-A-0 063 729 as a device for inverting and mixing flowing substances.
  • Air atomizers known which have two or more coaxial ring channels, through which the air mass flows conveyed by the compressor with different Stream swirl. It became known in this context already a mixture with fuel; there are two air channels separated by a tapered circular ring on which a fuel film is applied. This is from the air masses to the end edge of the Driven circular ring and atomized there. In the vicinity of the atomizing edge has the fuel drop spray trailing character, what a poor homogeneity of the resulting air-fuel mixture results.
  • delta wings To improve the mixing processes of gases in or on gas turbine combustion chambers so-called delta wings have also become known. For this purpose, reference is made, for example, to EP 0 623 786 A1 or to US 3,974,646. Delta wings of this type are sharp-edged Bodies that have an impinging flow field in two each a vortex axis divides possessing partial flows in such a way that the vortex axes run convergent. The mixing processes that can be achieved hereby can be convergent Do not fully satisfy vortex formation.
  • the object of the invention is therefore to demonstrate measures by means of which mixing processes of gases in gas turbine combustion chambers can be improved.
  • non-convergent and preferably divergent vortex axes or vortex braids are to be generated downstream of the flow guide body.
  • the so-called flow guide is in all the figures designated with the reference number 1. It is always a Shaped shell 1 of substantially conical shape.
  • the projected Base 2 of this molded shell 1, the interior of which is hollow, is made from a straight line 3a as well as any one, the end points of the straight line connecting curve 3b.
  • the molded shell 1 is formed by the Shell surface, which connects the curve 3b with the tip 4 of the molded shell 1. However, those running from tip 4 to curve 3b must Rays not necessarily Be straight, but can even curves represent.
  • the shape of this molded shell is the respective one Freely selectable requirements accordingly, d. H.
  • the circulation of the pegs 8 is from Angle of attack depends on ⁇ . With a sufficiently high swirl the pegs 8 burst open downstream of the molded shell 1, as shown in Fig. 4. It forms a recirculation zone which has an inner interface 9a to the central main flow of fluid. Further the fluid in rotation has one outer interface 9b to the surrounding main flow fluid, which only displaces under the curvature of its streamlines becomes.
  • FIG. 5 A preferred application for an inventive Flow guide body shows Fig. 5.
  • each other adjacent, but spaced apart, two molded shells 1 arranged by a broken open Housing 10 are surrounded.
  • Each of the two molded shells 1 is the angle of attack ⁇ relative to the horizontal, which is equal to the direction of flow of the fluid stream be employed in such a way that levels 5 of these Shells 1, which were defined in Fig. 3, between enclose the angle 2 ⁇ .
  • So-called double-shell atomizer which is essentially from two flow guide bodies 1 according to the invention is an air atomizer with a flame holder, where liquid fuel makes sense on the convex Side of the two molded shells 1 is applied.
  • gaseous or solid fuels can also be used also on the convex sides or outer sides of the Shells 1 are applied, then the one shown acts Arrangement as a mixer with flame holder. Always there a stabilization of the flame through the connection 4 illustrated recirculation zone within the split vertebrae (see reference number 8) reached.
  • the eddy current field of the molded shell 1 or molded shells 1 perpendicular to a second main stream is quick, for example Air admixture can be achieved in gas turbine combustion chambers.
  • This second main stream represents the fuel gas and is sucked into the recirculation zone of the vortex braids 8.
  • the fuel gas mixes at the interfaces 9a, 9b (see FIG. 4) with the fresh gas.
  • a gas turbine can be arranged to the admixing air optimal with the fuel gas inside the combustion chamber 6, 7 show how to mix.
  • the molded shell is again with the reference number 1 denotes while the combustion chamber wall Reference number 11 carries.
  • the fuel gas flows according to Arrow direction 13.
  • This fuel gas stream 13 should be like known admixture air can be added.
  • the admixed air flow 6 as the one hitting a molded shell 1 Fluid flow outside of the combustion chamber 12 along the Combustion chamber wall 11 brought up and can Opening 14 in the combustion chamber wall 11 in the combustion chamber 12 occur.
  • the molded shell 1 surrounded by a scoop 15, which is part of the incoming Mixing air flow 6 intercepts and in the direction of Breakthrough 14 redirects. This is the domed scoop 15 arranged on the outside of the combustion chamber wall 11 in such a way that the opening 14 is included.
  • the cold admixing air 17 forms with the Fuel gas stream 13 again has an outer interface 9b.
  • the admixing air 17 is strongly swirled and compared to that Fuel gas 13 has a high density, it comes from centrifugal and buoyancy forces in the area of this interface 9b to a rapid and intensive rearrangement of both Air masses that lead to fine-grained turbulence and rapid mixing to lead.
  • the surface of the interface 9b is around many times larger than that at the previous status technology-forming surface between hot gas and admixing air. The hot gas slip through the admixing level thereby greatly reduced.
  • FIGS. 8-10 Another application for an inventive Shaped shell 1 or a flow guide body according to the invention is shown in Figs. 8-10.
  • the molded shell 1 in the flow path of two fluid flows namely an air flow 6 and a fuel flow 20 arranged and acts as a so-called shell air atomizer for a fuel film layer.
  • the molded shell 1 is again from one surrounded in the form of a hood 15 in which the fuel film layer 21 is arranged.
  • the fuel film layer 21 has a fuel channel 22 which in one Flat funnel 23 ends.
  • FIG. 10 shows the view Z from FIG. 8 of the fuel film layer 21.
  • the fuel channel 22 can be seen as well as the flat funnel 23.
  • the outer contour makes sense of the film layer 21 as can be seen aerodynamically shaped.
  • 11 shows a double-sided load Double-shell atomizer with two molded shells, similar Fig. 5.
  • the Fuel on two channels 22 here without flat funnel 23
  • the flow guide body 1 according to the invention or the one according to the invention Shaped shell 1 act in the last explained Exemplary embodiments in connection with a Fuel film layer 21 as a shell air atomizer, wherein the fuel through one or more fuel channels 22 can be supplied, the fuel channels 22 and possibly in one or more Flat funnels 23 open and the atomizer or Shaped shell 1 at a short distance from the flat funnel 23 or is arranged from the mouth of the channels 22, and the film layer 21 in the plane of symmetry of the molded shell (s) 1 lies.
  • an inventive Flow guide body or a molded shell 1 also as a vortex generator are used, which then in particular one or more arbitrarily shaped molded shells 1 as well as one or more matching scoops 15 consists.
  • This arrangement can be used for admixing and swirling cold air in gas turbine combustors.
  • This arrangement can be anywhere on the flame tube of any combustion chamber in any Location can be attached.
  • this molded shell 1 as an air atomizer used for any liquid fuel become. But it is also used as a mixing element and flame holder when using gaseous or powdered or granulated solid fuels any Kind possible.
  • any number of different ones can of course also be used Gas or fluid flows mixed together become.
  • a variety of details in particular constructive type quite different from the shown Embodiments can be designed without the Leave the content of the claims.

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Abstract

A flow-guiding body is designed as a pointed, substantially conical moulded shell (1). The projection of its base surface is formed by a straight line (3a) and by a curve (3b) that interconnects the ends of the straight line. The curve (3b) forms no significant angles. The moulded shell (1) faces with its point the fluid flow that hits its outer side and may be used as a mixing element for gaseous fuel and air, as an air sprayer with flame-holder, as a mixing element for admixed air in combustion chambers, as a swirling element or as a shell-shaped air sprayer combined with a fuel film generator or a fuel pressure spraying nozzle.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsleitkörper an einer Gasturbinen-Brennkammer zur Verdrallung eines auftreffenden Luftstromes, bestehend aus zumindest einer spitz zulaufenden Formschale von im wesentlichen kegelförmiger Gestalt, deren Grundflächen-Projektion durch zumindest eine Gerade sowie eine die Endpunkte der Geraden verbindende beliebige Kurve gebildet ist, wobei die Formschale im wesentlichen mit ihrer Spitze dem auf der Außenseite auftreffenden Luftstrom zugewandt ist.
Als eine Vorrichtung zur Invertierung und Mischung von strömenden Stoffen ist ein vergleichbarer Strömungsleitkörper aus der EP-A-0 063 729 bekannt.
The invention relates to a flow guide body on a gas turbine combustion chamber for swirling an impinging air flow, consisting of at least one tapered molded shell of essentially conical shape, the base surface projection of which is formed by at least one straight line and any curve connecting the end points of the straight line, wherein the tip of the molded shell essentially faces the air flow hitting the outside.
A comparable flow guide body is known from EP-A-0 063 729 as a device for inverting and mixing flowing substances.

An Gasturbinen-Brennkammern insbesondere für Flugtriebwerke sind sog. Luftzerstäuber bekannt, die zwei oder mehrere koaxiale Ringkanäle besitzen, durch die die vom Verdichter geförderten Luftmassenströme mit unterschiedlichem Drall strömen. Bekannt wurde in diesem Zusammenhang bereits auch eine Vermengung mit Kraftstoff; dabei sind zwei Luftkanäle durch einen scharf zulaufenden Kreisring getrennt, auf den ein Kraftstoffilm aufgebracht wird. Dieser wird dabei von den Luftmassen zur Endkante des Kreisringes getrieben und dort zerstäubt. Im Nahbereich der Zerstäubungskante besitzt dabei das Kraftstoff-Tropfenspray Nachlaufcharakter, was eine schlechte Homogenität des entstehenden Kraftstoff-Luft-Gemisches ergibt.So-called gas turbine combustion chambers, in particular for aircraft engines. Air atomizers known which have two or more coaxial ring channels, through which the air mass flows conveyed by the compressor with different Stream swirl. It became known in this context already a mixture with fuel; there are two air channels separated by a tapered circular ring on which a fuel film is applied. This is from the air masses to the end edge of the Driven circular ring and atomized there. In the vicinity of the atomizing edge has the fuel drop spray trailing character, what a poor homogeneity of the resulting air-fuel mixture results.

Weiterhin ist ein Strömungsleitkörper mit einer spitz zulaufenden Formschale in Verbindung mit einem Brennstoffzufuhrsystem für eine Brennkammer aus der EP-A-0 619 456 und in Verbindung mit einem Vormischbrenner aus der EP-A-0 619 457 bekannt.Furthermore, there is a flow guide body with a tapered molded shell in connection with a fuel supply system for a combustion chamber EP-A-0 619 456 and in connection with a premix burner from the EP-A-0 619 457 known.

Ferner ist es an Gasturbinen bekannt, die Zumischluft für die verschiedenen Brennzonen einer Brennkammer durch gedrückte oder gebohrte Löcher in der Brennkammerwand zuzuführen. Dies geschieht häufig derart, daß sich die einzelnen Luftstrahlen, die durch verschiedene Löcher in der Brennkammerwand gelangen, in einem Staupunkt treffen und dort lokal für hohe Turbulenz sorgen. Dabei werden die eingeblasenen Luftstrahlen im Inneren der Brennkammer vom dort befindlichen Heißgas jedoch in der Art eines massiven Stabes umströmt, so daß sich im Bereich des Zusammentreffens von Heißgas und Zumischluft keine optimale Luftvermischung ergibt. Lediglich im Grenzschichtbereich zwischen dem Zumisch-Luftstrahl und dem Heißgas tritt eine Mischung auf. Dieser sog. Heißgasschlupf durch den Lochquerschnitt einer Brennkammer ist bekanntermaßen relativ hoch.It is also known on gas turbines, the admixing air for the different Burning zones of a combustion chamber through pressed or drilled holes in to feed the combustion chamber wall. This often happens in such a way that the individual air jets through different holes in the combustion chamber wall arrive, meet at a stagnation point and there locally for high turbulence to care. The blown air jets inside the Combustion chamber from the hot gas located there, however, in the manner of a massive one Flows around the rod, so that in the area of the meeting of Hot gas and admixing air do not result in optimal air mixing. Only in Interface area between the admixed air jet and the hot gas occurs a mix up. This so-called hot gas slip through the hole cross-section a combustion chamber is known to be relatively high.

Zur Verbesserung der Mischprozesse von Gasen in oder an Gasturbinen-Brennkammern sind ferner bereits sog. Delta-Flügel bekannt geworden. Verwiesen wird hierzu beispielsweise auf die EP 0 623 786 A1 oder auf die US 3,974,646. Bei derartigen Delta-Flügeln handelt es sich um scharfkantige Körper, die ein auftreffendes Strömungsfeld in zwei jeweils eine Wirbelachse besitzende Teilströme aufteilt, derart, daß die Wirbelachsen konvergent verlaufen. Die hiermit erzielbaren Mischprozesse können aufgrund dieser konvergenten Wirbelbildung nicht voll befriedigen.To improve the mixing processes of gases in or on gas turbine combustion chambers so-called delta wings have also become known. For this purpose, reference is made, for example, to EP 0 623 786 A1 or to US 3,974,646. Delta wings of this type are sharp-edged Bodies that have an impinging flow field in two each a vortex axis divides possessing partial flows in such a way that the vortex axes run convergent. The mixing processes that can be achieved hereby can be convergent Do not fully satisfy vortex formation.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Maßnahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer Mischprozesse von Gasen an Gasturbinen-Brennkammern verbessert werden können. Insbesondere sollen nicht konvergente und bevorzugt divergent verlaufende Wirbelachsen bzw. Wirbelzöpfe stromab des Strömungsleitkörpers erzeugt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 oder 2 vorgesehen, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
The object of the invention is therefore to demonstrate measures by means of which mixing processes of gases in gas turbine combustion chambers can be improved. In particular, non-convergent and preferably divergent vortex axes or vortex braids are to be generated downstream of the flow guide body.
To solve this problem, the characterizing features of independent claims 1 or 2 are provided, advantageous training and further developments are the content of the subclaims.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele. Im einzelnen zeigt

Fig. 1
zur Erläuterung der Grundlagen eine Perspektivdarstellung lediglich eines Strömungsleitkörpers (Formschale) sowie einen auftreffenden Fluidstrom,
Fig. 2
das von der Formschale induzierte Strömungs-Wirbelfeld in einem Schalenschnitt senkrecht zur Hauptstromrichtung,
Fig. 3
eine Seitenansicht der Formschale bzw. des Strömungsleitkörpers, aus der der Anstellwinkel, der Öffnungswinkel sowie der Verlauf einzelner Stromlinien hervorgeht,
Fig. 4
einen Blick von oben auf die Formschale bzw. den Strömungsleitkörper, wobei schematisch das Strömungsfeld eines aufgeplatzten Wirbelpaares dargestellt ist, während
Fig. 5
immer noch zur Erläuterung der Grundlagen einen sog. Doppelschalenzerstäuber, im wesentlichen bestehend aus zwei Strömungsleitkörpern, zeigt.
The invention is explained in more detail with reference to preferred exemplary embodiments. In detail shows
Fig. 1
to explain the basics, a perspective view of only one flow guide body (molded shell) and an impinging fluid flow,
Fig. 2
the flow vortex field induced by the molded shell in a shell section perpendicular to the main flow direction,
Fig. 3
2 shows a side view of the molded shell or of the flow guide body, from which the angle of attack, the opening angle and the course of individual streamlines are evident,
Fig. 4
a view from above of the molded shell or the flow guide body, the flow field of a split vortex pair is shown schematically, while
Fig. 5
still shows a so-called double-shell atomizer, consisting essentially of two flow guide bodies, to explain the basics.

Ein erster erfindungsgemäßer Anwendungsfall für einen solchen Strömungsleitkörper an einer Gasturbinen-Brennkammer ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt, wobei

Fig. 6
die Seitenansicht einer derartigen Formschale im Bereich der Zumisch-Luftlöcher einer Gasturbinen-Brennkammerwand, und
Fig. 7
die Ansicht X aus Fig. 6 zeigt.
A first application according to the invention for such a flow guide on a gas turbine combustion chamber is shown in FIGS. 6 and 7, wherein
Fig. 6
the side view of such a molded shell in the area of the admixing air holes of a gas turbine combustion chamber wall, and
Fig. 7
the view X from Fig. 6 shows.

Weitere Anwendungsfälle für einen derartigen Strömungsleitkörper an einer Gasturbinen-Brennkammer sind in den Figuren 8 - 14 dargestellt, wobei

Fig. 8
eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Strömungsleitkörpers mit einem sog. Kraftstorf-Filmleger in einem Seitenschnitt. und
Fig. 9
die Ansicht Y aus Fig. 8, sowie
Fig. 10
die Ansicht Z aus Fig. 8 zeigt.
Fig. 11
zeigt eine andere Ausgestaltung mit einem Kraftstoff-Filmleger,
Fig. 12
den Schnitt A-A aus Fig. 11,
Fig. 13
zeigt noch eine weitere Variante eines Doppelschalen-Zerstäubers mit einem Kraftstoff-Filmleger, sowie
Fig. 14
den Schnitt B-B aus Fig. 13.
Further applications for such a flow guide on a gas turbine combustion chamber are shown in FIGS. 8-14, wherein
Fig. 8
an application of a flow guide body according to the invention with a so-called Kraftstorf film layer in a side section. and
Fig. 9
the view Y from Fig. 8, as well
Fig. 10
the view Z from FIG. 8 shows.
Fig. 11
shows another embodiment with a fuel film layer,
Fig. 12
the section AA from FIG. 11,
Fig. 13
shows yet another variant of a double-shell atomizer with a fuel film layer, as well
Fig. 14
the section BB from FIG. 13.

In sämtlichen Figurendarstellungen ist der sogenannte Strömungsleitkörper mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Dabei handelt es sich stets um eine Formschale 1 von im wesentlichen kegelförmiger Gestalt. Die projezierte Grundfläche 2 dieser Formschale 1, deren Inneres hohl ausgebildet ist, besteht aus einer Geraden 3a sowie einer beliebigen, die Endpunkte der Geraden verbindenden Kurve 3b. Gebildet wird die Formschale 1 dabei durch die Mantelfläche, die die Kurve 3b mit der Spitze 4 der Formschale 1 verbindet. Dabei müssen jedoch die von der Spitze 4 zur Kurve 3b verlaufenden Strahlen nicht notwendigerweise Geraden sein, sondern können selbst Kurven darstellen. Die Gestalt dieser Formschale ist den jeweiligen Anforderungen entsprechend frei wählbar, d. h. in einer Versuchsreihe kann für den jeweiligen Anwendungszweck dieses erfindungsgemäßen Strömungsleitungkörpers die jeweils geeignetste Form der Kurve 3b sowie der jeweils geeignetste Wert für den sog. Öffnungswinkel α des durch die Formschale 1 gebildeten Kegels bestimmt werden. Beste Ergebnisse im Hinblick auf das sich einstellende Strömungsfeld stromab des Strömungsleitkörpers 1 wurden dabei erzielt, wenn die Kurve 3b keine signifikanten Eckpunkte besitzt, d. h. die Oberfläche des Strömungsleitkörpers 1 besitzt mit Ausnahme der Randkanten keine sonstigen scharfen Kanten. Der bereits zitierte, sich durch die konstruktive Gestaltung ergebende Öffnungswinkel α ist in Fig. 3 explizit dargestellt.The so-called flow guide is in all the figures designated with the reference number 1. It is always a Shaped shell 1 of substantially conical shape. The projected Base 2 of this molded shell 1, the interior of which is hollow, is made from a straight line 3a as well as any one, the end points of the straight line connecting curve 3b. The molded shell 1 is formed by the Shell surface, which connects the curve 3b with the tip 4 of the molded shell 1. However, those running from tip 4 to curve 3b must Rays not necessarily Be straight, but can even curves represent. The shape of this molded shell is the respective one Freely selectable requirements accordingly, d. H. in A series of tests can be used for the respective application this flow line body according to the invention the most suitable form of curve 3b and each most suitable value for the so-called opening angle α des be determined by the molded shell 1 cone. Best results in terms of what is emerging Flow field downstream of the flow guide 1 were achieved when curve 3b has no significant corner points owns, d. H. the surface of the flow guide With the exception of the marginal edges, 1 has no other sharp edges. The one already quoted through the opening angle resulting from the design α is shown explicitly in FIG. 3.

Ebenfalls Fig. 3 entnehmbar ist der sog. Anstellwinkel β, um den die durch die Spitze 4 sowie die Gerade 3a definierte Ebene 5 der Formschale 1 gegenüber der Anströmrichtung des Fluidstromes geneigt ist. Der auf den Strömungsleitkörper bzw. die Formschale 1 auftreffende Fluidstrom ist dabei durch den Strömungsvektor 6 dargestellt. Wie ersichtlich wird die Formschale 1 vom Fluidstrom 6 auf ihrer konvexen Seite angeströmt, wobei sich die in den Fig. 1, 3 skizzierten Stromlinien 7 ausbilden.The so-called angle of attack β can also be seen in FIG. 3, around that defined by the tip 4 and the straight line 3a Level 5 of the molded shell 1 in relation to the flow direction of the fluid flow is inclined. The one on the Flow guide or the shell 1 striking Fluid flow is represented by the flow vector 6. As can be seen, the molded shell 1 from the fluid flow 6 flowed on its convex side, whereby form the streamlines 7 outlined in FIGS. 1, 3.

Auf der konkaven Seite der Formschale 1 bildet sich das in Fig. 2 in einem Schnitt senkrecht zur Hauptstromrichtung des Fluidstromes 6 dargestellte Wirbelfeld aus, welches zwei gegenläufig drehende Wirbelzopfe 8 besitzt. Aufgrund der Gestaltung insbesondere der Kurve 3b laufen diese beiden Wirbelzöpfe 8 stromab des Strömungsleitkörpers 1 auseinander, d. h. sie divergieren. Insofern unterscheidet sich dieser Strömungsleitkörper 1 wesentlich von einem an sich bekannten Delta-Flügel, der konvergierende Wirbelzöpfe erzeugt.This forms on the concave side of the molded shell 1 in Fig. 2 in a section perpendicular to the main flow direction of the fluid flow 6 shown vortex field, which has two counter-rotating pegs 8. Because of the design, curve 3b in particular runs these two vortex braids 8 downstream of the flow guide 1 apart, d. H. they diverge. In this respect differs this flow guide body 1 essential from a known delta wing, the converging Swirl braids created.

Die Zirkulation der Wirbelzöpfe 8 ist dabei vom Anstellwinkel β abhängig. Bei genügend hohem Drall können die Wirbelzöpfe 8 stromab der Formschale 1 aufplatzen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei bildet sich eine Rezirkulationszone, die eine innere Grenzfläche 9a zum zentral weiterlaufenden Hauptfluidstrom besitzt. Ferner besitzt das sich in Drehung befindliche Fluid eine äußere Grenzfläche 9b zum umgebenden Hauptstromfluid, welches lediglich unter Krümmung seiner Stromlinien verdrängt wird.The circulation of the pegs 8 is from Angle of attack depends on β. With a sufficiently high swirl the pegs 8 burst open downstream of the molded shell 1, as shown in Fig. 4. It forms a recirculation zone which has an inner interface 9a to the central main flow of fluid. Further the fluid in rotation has one outer interface 9b to the surrounding main flow fluid, which only displaces under the curvature of its streamlines becomes.

Einen bevorzugten Anwendungsfall für einen erfindungsgemäßen Strömungsleitkörper zeigt Fig. 5. Hier sind einander benachbart, jedoch voneinander beabstandet zwei Formschalen 1 angeordnet, die von einem aufgebrochen dargestellten Gehäuse 10 umgeben sind. Jede der beiden Formschalen 1 ist um den Anstellwinkel β gegenüber der Horizontalen, die gleich der Strömungsrichtung des Fluidstromes sei, angestellt, derart, daß die Ebenen 5 dieser Formschalen 1, die in Fig. 3 definiert wurden, zwischen sich den Winkel 2 β einschließen. Dieser in Fig. 5 gezeigte sog. Doppelschalenzerstäuber, der somit im wesentlichen aus zwei erfindungsgemäßen Strömungsleitkörpern 1 besteht, stellt einen Luftzerstäuber mit Flammhalter dar, wobei flüssiger Kraftstoff sinnvollerweise auf die konvexe Seite der beiden Formschalen 1 aufgebracht wird. Die Strömung bildet sich wie gewünscht auf der Rückseite der Formschalen 1 aus, wobei der Fluidstrom zwischen diesen Formschalen 1 durch das durch den Winkel 2β beschriebene Winkelsegment im wesentlichen linksseitig sowie rechtsseitig der Symmetrielinie der Formschalen hindurchtritt. Dabei können abweichend von der gezeigten Anordnung die beiden Schalen 1 auch eine gemeinsame Spitze 4 besitzen. A preferred application for an inventive Flow guide body shows Fig. 5. Here are each other adjacent, but spaced apart, two molded shells 1 arranged by a broken open Housing 10 are surrounded. Each of the two molded shells 1 is the angle of attack β relative to the horizontal, which is equal to the direction of flow of the fluid stream be employed in such a way that levels 5 of these Shells 1, which were defined in Fig. 3, between enclose the angle 2 β. This one shown in Fig. 5 So-called double-shell atomizer, which is essentially from two flow guide bodies 1 according to the invention is an air atomizer with a flame holder, where liquid fuel makes sense on the convex Side of the two molded shells 1 is applied. The Current forms on the back of the as desired Shells 1, the fluid flow between them Shells 1 by that described by the angle 2β Angular segment essentially left and right the line of symmetry of the molded shells. In this case, deviating from the arrangement shown both shells 1 also have a common tip 4.

Im übrigen können auch gasförmige oder feste Kraftstoffe ebenfalls auf die konvexen Seiten bzw. Außenseiten der Formschalen 1 aufgebracht werden, dann wirkt die gezeigte Anordnung als Mischer mit Flammhalter. Stets wird dabei eine Stabilisierung der Flamme durch die in Verbindung mit Fig. 4 erläuterte Rezirkulationszone innerhalb der aufgeplatzten Wirbelzöpfe (vgl. Bezugsziffer 8) erreicht.Otherwise, gaseous or solid fuels can also be used also on the convex sides or outer sides of the Shells 1 are applied, then the one shown acts Arrangement as a mixer with flame holder. Always there a stabilization of the flame through the connection 4 illustrated recirculation zone within the split vertebrae (see reference number 8) reached.

Wird dabei zusätzlich das Wirbelstromfeld der Formschale 1 bzw. Formschalen 1 senkrecht zu einem zweiten Hauptstrom gestellt, so ist damit beispielsweise eine rasche Luftzumischung in Gasturbinen-Brennkammern erzielbar. Dieser zweite Hauptstrom stellt dabei das Brenngas dar und wird in die Rezirkulationszone der Wirbelzöpfe 8 eingesogen. Dabei vermischt sich das Brenngas auf den Grenzflächen 9a, 9b (vgl. Fig. 4) mit dem Frischgas. Wie dabei eine erfindungsgemäße Formschale 1 auf der Brennkammerwand einer Gasturbine angeordnet sein kann, um die Zumischluft optimal mit dem Brenngas innerhalb der Brennkammer zu vermischen, zeigen die Fig. 6, 7.In addition, the eddy current field of the molded shell 1 or molded shells 1 perpendicular to a second main stream is quick, for example Air admixture can be achieved in gas turbine combustion chambers. This second main stream represents the fuel gas and is sucked into the recirculation zone of the vortex braids 8. The fuel gas mixes at the interfaces 9a, 9b (see FIG. 4) with the fresh gas. How about it a molded shell 1 according to the invention on the combustion chamber wall a gas turbine can be arranged to the admixing air optimal with the fuel gas inside the combustion chamber 6, 7 show how to mix.

In den Fig. 6, 7 ist die Formschale abermals mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet, während die Brennkammerwand die Bezugsziffer 11 trägt. Innerhalb der von der Brennkammerwand 11 begrenzten Brennkammer 12 strömt das Brenngas gemäß Pfeilrichtung 13. Diesem Brenngas-Strom 13 soll wie bekannt Zumischluft beigefügt werden. Dabei wird der Zumischluft-Strom 6 als der auf eine Formschale 1 auftreffende Fluidstrom außerhalb der Brennkammer 12 entlang der Brennkammerwand 11 herangeführt und kann über einen Durchbruch 14 in der Brennkammerwand 11 in die Brennkammer 12 eintreten. Um dabei die gewünschte Strömung des Zumischluft-Stromes 6 zu erzielen, ist die Formschale 1 von einer Hutze 15 umgeben, die einen Teil des ankommenden Zumischluft-Stromes 6 abfängt und in Richtung des Durchbruches 14 umleitet. Hierzu ist die gewölbte Hutze 15 auf der Außenseite der Brennkammerwand 11 derart angeordnet, daß der Durchbruch 14 eingeschlossen wird.6, 7, the molded shell is again with the reference number 1 denotes while the combustion chamber wall Reference number 11 carries. Inside of the combustion chamber wall 11 limited combustion chamber 12, the fuel gas flows according to Arrow direction 13. This fuel gas stream 13 should be like known admixture air can be added. The admixed air flow 6 as the one hitting a molded shell 1 Fluid flow outside of the combustion chamber 12 along the Combustion chamber wall 11 brought up and can Opening 14 in the combustion chamber wall 11 in the combustion chamber 12 occur. In order to achieve the desired flow of the To achieve admixture air flow 6 is the molded shell 1 surrounded by a scoop 15, which is part of the incoming Mixing air flow 6 intercepts and in the direction of Breakthrough 14 redirects. This is the domed scoop 15 arranged on the outside of the combustion chamber wall 11 in such a way that the opening 14 is included.

Der Zweck dieser Anordnung ist der folgende: Während beim bekannten Stand der Technik die Beimengung von Zumischluft häufig so geschieht, daß sich zwei oder mehrere Luftstrahlen in einem Staupunkt treffen und dort Turbulenz erzeugen, wodurch ein starker Heißgasschlupf zwischen den Luftstrahlen entsteht, wird bei einer erfindungsgemäßen Anordnung die Zumischluft verdrallt. Der beim bekannten Stand der Technik vorliegende Nachteil, daß sich die Luftstrahlen im Staupunktbereich in Luftblasen aufspalten, die vom Heißgasstrom mittransportiert werden und sich somit langsam ausmischen, wird mit einer erfindungsgemäßen Formschale, die als Wirbelgenerator wirkt, vermieden. Wie bereits erläutert, werden nämlich auch hier mit dieser Formschale 1 Wirbelzöpfe 8 erzeugt, die bei genügend hohem Drall aufplatzen, wodurch sich das in Fig. 6 dargestellte Strömungsfeld mit der Rezirkulationszone 16 ausbildet, die von der Zumischluft 17 umgeben ist. Die Verbesserung der Mischwirkung gegenüber dem bekannten Stand der Technik wird dabei durch folgende Effekte erreicht: Die kalte Zumischluft 17 bildet mit dem Brenngas-Strom 13 wieder eine äußere Grenzfläche 9b. Da die Zumischluft 17 stark verdrallt ist und gegenüber dem Brenngas 13 eine hohe Dichte besitzt, kommt es durch Zentrifugal- und Auftriebskräfte im Bereich dieser Grenzfläche 9b zu einer raschen und intensiven Umlagerung beider Luftmassen, die zu feinkörniger Turbulenz und rascher Mischung führen. Die Oberfläche der Grenzfläche 9b ist um ein vielfaches größer als die sich beim bisherigen Stand der Technik bildende Oberfläche zwischen Heißgas und Zumischluft. Der Heißgasschlupf durch die Zumischebene wird dadurch stark verringert. The purpose of this arrangement is as follows: known prior art the admixture of admixture air often happens so that two or more Air jets hit at a stagnation point and there turbulence generate, causing a strong hot gas slip between the air jets are created in an inventive Arrangement the admixing air swirls. The the disadvantage of the known prior art, that the air jets in the stagnation point area in air bubbles split up, which is also transported by the hot gas flow and mix slowly with one another Shaped shell according to the invention, which acts as a vortex generator works, avoided. As already explained, namely here too, with this molded shell 1, vortex braids 8 are produced, which burst at a sufficiently high swirl, which 6 with the recirculation zone 16 trained by the admixture air 17th is surrounded. The improvement of the mixing effect compared the known prior art is thereby by the following Effects achieved: The cold admixing air 17 forms with the Fuel gas stream 13 again has an outer interface 9b. There the admixing air 17 is strongly swirled and compared to that Fuel gas 13 has a high density, it comes from centrifugal and buoyancy forces in the area of this interface 9b to a rapid and intensive rearrangement of both Air masses that lead to fine-grained turbulence and rapid mixing to lead. The surface of the interface 9b is around many times larger than that at the previous status technology-forming surface between hot gas and admixing air. The hot gas slip through the admixing level thereby greatly reduced.

Ein weiterer Anwendungsfall für eine erfindungsgemäße Formschale 1 bzw. einen erfindungsgemäßen Strömungsleitkörper ist in den Fig. 8 bis 10 dargestellt. Auch hierbei ist die Formschale 1 im Strömungsweg zweier Fluidströme, nämlich eines Luftstromes 6 sowie eines Kraftstoffstromes 20 angeordnet und wirkt dabei als sog. Schalenluftzerstäuber für einen Kraftstoff-Filmleger. Wie die Fig. 8, 9 zeigen, ist dabei die Formschale 1 abermals von einer mantelförmigen Hutze 15 umgeben, in der der Kraftstoff-Filmleger 21 angeordnet ist. Der Kraftstoff-Filmleger 21 besitzt dabei einen Kraftstoffkanal 22, der in einem Flachtrichter 23 endet. Wie bereits in den vorherigen Anwendungsbeispielen auch wird die gezeigte Schalenluftzerstäuberanordnung vom Fluidstrom 6 angeströmt.Another application for an inventive Shaped shell 1 or a flow guide body according to the invention is shown in Figs. 8-10. Here too is the molded shell 1 in the flow path of two fluid flows, namely an air flow 6 and a fuel flow 20 arranged and acts as a so-called shell air atomizer for a fuel film layer. Like FIGS. 8, 9 show, the molded shell 1 is again from one surrounded in the form of a hood 15 in which the fuel film layer 21 is arranged. The fuel film layer 21 has a fuel channel 22 which in one Flat funnel 23 ends. As in the previous application examples also the shell air atomizer arrangement shown flowed against by the fluid stream 6.

Für die Funktion des Kraftstoff-Filmlegers 21 ist es wichtig, daß dieser wie in Fig. 9 gezeigt, in der Symmetrieachse der Formschale 1 liegt. Desweiteren ist es wichtig, daß sich die Öffnung bzw. der Flachtrichter 23 des Filmlegers 21 in einem geringen Abstand zur Oberfläche der Formschale 1 befindet, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Dadurch wird erreicht, daß der austretende Kraftstoffstrom 20 sofort nach Verlassen des Filmlegers 21 ohne Zerstäubung auf die Oberfläche/Kontur der Formschale 1 umgelenkt wird. Dadurch kann eine gewünschte Kraftstoffverteilung auf der Formschale 1 eingestellt werden. Fig. 10 zeigt die Ansicht Z aus Fig. 8 auf den Kraftstoff-Filmleger 21. Man erkennt den Kraftstoffkanal 22 sowie den Flachtrichter 23. Sinnvollerweise ist die Außenkontur des Filmlegers 21 wie ersichtlich aerodynamisch geformt.It is for the function of the fuel film layer 21 important that this, as shown in Fig. 9, in the axis of symmetry the molded shell 1 is. Furthermore, it is it is important that the opening or the flat funnel 23 of the film layer 21 at a short distance from the surface the mold shell 1 is located, as shown in Fig. 8 is. This ensures that the escaping fuel flow 20 immediately after leaving the filmmaker 21 without atomizing onto the surface / contour of the molded shell 1 is redirected. This can provide a desired fuel distribution can be set on the mold shell 1. FIG. 10 shows the view Z from FIG. 8 of the fuel film layer 21. The fuel channel 22 can be seen as well as the flat funnel 23. The outer contour makes sense of the film layer 21 as can be seen aerodynamically shaped.

Anstelle eines Kraftstoff-Filmlegers können auch eine oder mehrere Kraftstoff-Druckzerstäuberdüsen mit beliebiger Spritzdüsencharakteristik in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Formschale 1 (Strömungsleitkörper) angeordnet sein, um eine günstige Luft-Kraftstoff-Vermischung zu erzielen. Dabei wird auch von einer Druckzerstäuberdüse in Analogie zum Filmleger Kraftstoff auf die konvexe Seite der Formschale 1 aufgebracht.Instead of a fuel film layer, one can or several fuel pressure atomizing nozzles with any Spray nozzle characteristics in connection with an inventive Shaped shell 1 (flow guide body) arranged to be a cheap air-fuel mixture to achieve. It also uses a pressure atomizer nozzle analogous to the film layers fuel on the convex Side of the mold shell 1 applied.

Weitere Ausführungsbeispiele für einen aus zwei Formschalen 1 bestehenden Doppelschalen-Zerstäuber mit einem Kraftstoff-Filmleger 21 - alternativ können Druckzerstäuberdüsen vorgesehen sein - zeigen die Fig. 11, 13, von denen in den Fig. 12, 14 jeweils Schnitte dargestellt sind. Dabei zeigt Fig. 11 einen doppelseitig beaufschlagten Doppelschalen-Zerstäuber mit zwei Formschalen, ähnlich Fig. 5. In einem geeigneten Filmleger 21 wird der Kraftstoff auf zwei Kanäle 22 (hier ohne Flachtrichter 23) aufgeteilt. Es ist aber auch möglich, den Doppeischalen-Zerstäuber nur einseitig zu beaufschlagen, wie dies die Fig. 12, 14 zeigen.Further embodiments for one of two molded shells 1 existing double-shell atomizer with one Fuel film layer 21 - alternatively, pressure atomizing nozzles be provided - show FIGS. 11, 13, sections of which are shown in FIGS. 12, 14 are. 11 shows a double-sided load Double-shell atomizer with two molded shells, similar Fig. 5. In a suitable film layer 21, the Fuel on two channels 22 (here without flat funnel 23) divided. But it is also possible to use the double-bowl atomizer to act only on one side, like this 12, 14 show.

Der erfindungsgemäße Strömungsleitkörper 1 bzw. die erfindungsgemäße Formschale 1 wirken bei den zuletzt erläuterten Ausführungsbeispielen somit in Verbindung mit einem Kraftstoff-Filmleger 21 als Schalenluftzerstäuber, wobei der Kraftstoff durch einen oder auch mehrere Kraftstoffkanäle 22 zugeführt werden kann, wobei die Kraftstoffkanäle 22 sowie ggf. in einem oder mehreren Flachtrichtern 23 münden und der Zerstäuber bzw. die Formschale 1 in geringem Abstand vom Flachtrichter 23 oder von der Mündung der Kanäle 22 angeordnet ist, und wobei der Filmleger 21 in der Symmetrieebene der Formschale(n) 1 liegt. Daneben kann ein erfindungsgemäßer Strömungsleitkörper bzw. eine Formschale 1 auch als Wirbelgenerator eingesetzt werden, der dann insbesondere aus einer oder auch mehreren beliebig geformten Formschalen 1 sowie einer oder auch mehreren dazu passenden Hutzen 15 besteht. Verwendet werden kann diese Anordnung zur Zumischung und Verdrallung kalter Luft bei Gasturbinen-Brennkammern. Dabei kann diese Anordnung an beliebiger Stelle auf dem Flammrohr beliebiger Brennkammern in beliebiger Lage angebracht werden. Generell kann bzw. können diese kegelförmige(n) Formschale(n) 1 der in Fig. 1 gezeigten Gestalt von beliebigem Querschnitt sein, wobei die von der Spitze 4 zur Basis bzw. Grundfläche 2 des Kegelausschnitts gehenden Strahlen keine Geraden sein müssen. Wie ausführlich erläutert, kann diese Formschale 1 als Luftzerstäuber für beliebige flüssige Kraftstoffe verwendet werden. Es ist aber auch die Verwendung als Mischelement und Flammhalter bei Verwendung gasförmiger oder pulverisierter oder granulierter fester Kraftstoffe beliebiger Art möglich. Ferner können natürlich auch beliebige verschiedene Gas- oder Fluidströme miteinander vermischt werden. Dabei können eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.The flow guide body 1 according to the invention or the one according to the invention Shaped shell 1 act in the last explained Exemplary embodiments in connection with a Fuel film layer 21 as a shell air atomizer, wherein the fuel through one or more fuel channels 22 can be supplied, the fuel channels 22 and possibly in one or more Flat funnels 23 open and the atomizer or Shaped shell 1 at a short distance from the flat funnel 23 or is arranged from the mouth of the channels 22, and the film layer 21 in the plane of symmetry of the molded shell (s) 1 lies. In addition, an inventive Flow guide body or a molded shell 1 also as a vortex generator are used, which then in particular one or more arbitrarily shaped molded shells 1 as well as one or more matching scoops 15 consists. This arrangement can be used for admixing and swirling cold air in gas turbine combustors. This arrangement can be anywhere on the flame tube of any combustion chamber in any Location can be attached. Generally, these can conical shaped shell (s) 1 of the shown in Fig. 1 Be of any cross-section, the shape of the tip 4 to the base 2 of the conical section going rays do not have to be straight lines. How explained in detail, this molded shell 1 as an air atomizer used for any liquid fuel become. But it is also used as a mixing element and flame holder when using gaseous or powdered or granulated solid fuels any Kind possible. Furthermore, any number of different ones can of course also be used Gas or fluid flows mixed together become. A variety of details in particular constructive type quite different from the shown Embodiments can be designed without the Leave the content of the claims.

Claims (4)

  1. Fuel-guiding body on a gas turbine combustion chamber for the swirling of an impinging air stream (6), consisting of at least one essentially conoidally tapering form shell (1) whose base projection (2) is generated by at least one straight line (3a) and by any curve (3b) connecting the end points of the straight line (3a), with the form shell (1) facing the air stream (6) applied to the outer surface essentially with its apex (4),
    characterized in that the form shell (1) is surrounded by a hood (15) and is arranged externally on the combustion chamber wall (11), so that the cold air stream (6) is added to the combustion gas stream (13) flowing in the combustion chamber (12) via an opening enclosed by the hood (15).
  2. Fuel-guiding body on a gas turbine combustion chamber for the swirling of an impinging air stream (6), consisting of at least one essentially conoidally tapering form shell (1) whose base projection (2) is generated by at least one straight line (3a) and by any curve (3b) connecting the end points of the straight line (3a), with the form shell (1) facing the air stream (6) applied to the outer surface essentially with its apex (4),
    characterized in that the form shell (1) is surrounded by a hood (15) and is combined with a fuel film applicator (21) or a pressure fuel atomizer nozzle, where fuel is applied to the outside of the form shell (1), this fuel being supplied to the combustion chamber together with the air stream (6).
  3. Flow-guiding body of Claim 1 or 2,
    characterized in that the plane (5) of the form shell (1) defined by the apex (4) and the straight line (3a) is inclined relative to the inflow direction of the air stream (6) (incidence angle β).
  4. Flow-guiding body of one of the preceding Claims,
    characterized in that several form shells (1) are arranged in a common casing (10), the form shells (1) being adjacent to each other but at least sectionally distant from each other.
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