EP1801504A2 - Magervormischbrenner mit einer Zerstäuberlippe - Google Patents

Magervormischbrenner mit einer Zerstäuberlippe Download PDF

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EP1801504A2
EP1801504A2 EP06090215A EP06090215A EP1801504A2 EP 1801504 A2 EP1801504 A2 EP 1801504A2 EP 06090215 A EP06090215 A EP 06090215A EP 06090215 A EP06090215 A EP 06090215A EP 1801504 A2 EP1801504 A2 EP 1801504A2
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film
lip
burner according
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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    • F23D—BURNERS
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
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    • F23D2900/11101—Pulverising gas flow impinging on fuel from pre-filming surface, e.g. lip atomizers
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a lean burn burner for the combustion chamber of a gas turbine engine having a connected to a fuel line annular central body with a rotating atomizer lip and formed on this, supplied with fuel film laying surface for generating a fuel flow acted upon by a fuel film.
  • Combustion chambers of gas turbine engines can be equipped with lean burn burners to burn in the combustion chamber, a fuel-air mixture with high air content and low combustion temperature and correspondingly reduced nitrogen oxide formation.
  • lean burn burner main burner
  • a centrally integrated in this supportive support burner In order to ensure the ignition of the lean air-fuel mixture at any time, for example, even at low outside temperatures and corresponding unfavorable evaporation behavior, it is also known to combine the lean burn burner (main burner) with a centrally integrated in this supportive support burner.
  • the lean burn burner main burner
  • the main burner In the from the EP 0 660 038 B1 known burner of this type are arranged in the annular air supply ducts for the support burner and the main burner swirl elements in order to achieve a strong Beerverwirbelung and as complete as possible mixing of the air with the fuel supplied downstream of the swirl elements. It has already been proposed to form these swirl elements as aerodynamic air guide vanes in order to effect an even more intensive mixing and a uniform registration of the fuel
  • the invention has the object of providing a equipped with a circular atomizer lip for the fuel lean burn burner so that the mixing of fuel and air improves and the formation of combustion-driven pressure oscillations is reduced.
  • the basic idea of the invention is that a large number of closely juxtaposed fuel channels is molded into the film-laying surface of the atomizer lip in order to ensure a uniform fuel distribution on the film-laying surface or to prevent the fuel film from tearing into individual fuel strands and thus to ensure good heat transfer to effect the fuel film both from the nebulizer lip and from the supplied air or singular To avoid fuel overheating.
  • the individual fuel fins cause a Marangoni circulation caused by the voltage difference, that is to say a transverse flow in those located in the fuel fins small fuel flows, so that the heat transfer from the atomizer lip and the air to the fuel is further improved.
  • the increase of the fuel temperature leads to a better and early evaporation of the fuel and a fine well mixed spray, so that the fuel can be fully implemented and the nitrogen oxide emission is reduced and combustion-driven pressure oscillations are suppressed.
  • the fuel grooves in the film lay-up surface are formed in cross-sectional shape and size such that the difference in surface tension at the boundary layer between fuel and air is as large as possible to effect effective cross-flow (Marangoni circulation).
  • the fuel fins are V- or trapezoidal in cross-section and so large that they are almost completely filled with fuel.
  • the integrated in the wall of the combustion chamber of a gas turbine lean burn burner 1 has an annular central body 2, which is surrounded on the one hand by an outer ring 3 and in which on the other hand surrounded by a flame stabilizer 4, separately supplied with fuel support burner 5 is arranged centrally.
  • the central body 3 has an annular channel 6, to which fuel is supplied via a fuel line 7.
  • the central body 2 forms at the fuel exit side by means of a conically outwardly opening end face or film laying surface 8 a nebulizer lip 9.
  • the conically opening circumferential film laying surface 8 emanates from the annular channel 6 outgoing narrow fuel distribution channel 10, over the fuel at the periphery of the atomizer lip 9 is applied evenly and on the film laying surface 8 of the atomizer lip 9 to produce a thin fuel film.
  • the central body 2 and the flame stabilizer 4 and the flame stabilizer 4 and the support burner 5 are swirl elements 11, supplied via the air and premixed or mixed with the fuel.
  • In the Filmlege Design 8 is a plurality of substantially parallel, closely juxtaposed and towards the front edge of the atomizer 9 out, that is formed in the direction of flow extending fuel troughs 12 having a triangular (V-shaped) cross-section.
  • These fuel channels 12 ensure, on the one hand, that the fuel applied via the fuel distributor channel 10 to the film-laying surface 8 is distributed uniformly uniformly on the inner circumference of the atomizer lip 9 and thus the fuel can also be uniformly heated and intensively mixed with the supplied air. That is, uncontrolled rupture of the fuel film in the circumferential direction and so that the formation of individual small fuel streams on the film laying surface 8, which occurs in particular in the case of very thin fuel films, is prevented.
  • the fuel fins 12 formed in the filmlaying surface 8 of the nebulizer lip 9 preferably have a triangular or trapezoidal cross-sectional area (not shown) dimensioned to be substantially completely filled with fuel. Due to the higher temperature and the correspondingly low surface tension of the fuel located in the near wall areas of the fuel fins 12 and the lower temperature and the corresponding higher surface tension of the middle, wall remote area of the fuel fins 12 fuel is generated via the channel cross-section microcirculation of the fuel. Thereby, the heat transfer into the liquid fuel and the heating of the fuel film are further improved, so that the above-mentioned advantageous effects are further intensified. Depending on the expected temperature and voltage conditions, the cross-sectional shape and size required for the microcirculation are calculated.
  • a profiling of the fuel channels 12 to form turbulence elements (not shown) arranged in their longitudinal direction provides an additional possibility for mixing the fuel film in the fuel channels 12 and for improving the heat transfer.

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Abstract

Bei einem Magervormischbrenner (1) ist in die umlaufende, mit Brennstoff versorgte Filmlegefläche (8) der Zerstäuberlippe (9) eine Vielzahl vorzugsweise V-förmiger, dicht nebeneinander liegender, in Strömungsrichtung verlaufender Brennstoffrinnen (12) eingeformt, um aufgrund der gleichmäßigen Brennstoffverteilung und einer infolge des Marangoni-Effekts bewirkten Querströmung in den vielen kleiner Brennstoffströmen eine Verbesserung des Wärmeübergangs auf den Brennstoff zu erzielen und durch frühzeitiges Verdampfen und verbessertes Versprühen den Brennstoff vollständig umzusetzen und die Stickoxidemission zu vermindern sowie verbrennungsgetriebene Druckschwingungen zu unterdrücken.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Magervormischbrenner für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, der einen an eine Brennstoffleitung angeschlossenen ringförmigen Zentralkörper mit einer umlaufenden Zerstäuberlippe und an dieser ausgebildeter, mit Brennstoff versorgter Filmlegefläche zur Erzeugung eines mit einem Luftstrom beaufschlagten Brennstofffilms aufweist.
  • Brennkammern von Gasturbinentriebwerken können mit Magervormischbrennern ausgerüstet werden, um in der Brennkammer ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit hohem Luftanteil und niedriger Verbrennungstemperatur sowie entsprechend reduzierter Stickoxidbildung verbrennen zu können. Um die Zündung des mageren Luft-Brennstoff-Gemisches jederzeit, zum Beispiel auch bei niedrigen Außentemperaturen und entsprechend ungünstigem Verdampfungsverhalten, zu gewährleisten, ist es weiterhin bekannt, den Magerbrenner (Hauptbrenner) mit einem zentrisch in diesen integrierten Stützbrenner zu kombinieren. Bei dem aus der EP 0 660 038 B1 bekannten Brenner dieser Art sind in den ringförmigen Luftzuführungskanälen für den Stützbrenner und den Hauptbrenner Drallelemente angeordnet, um eine starke Luftverwirbelung und eine möglichst vollständige Vermischung der Luft mit dem stromab der Drallelemente zugeführten Brennstoff zu erreichen. Es wurde bereits vorgeschlagen, diese Drallelemente auch als aerodynamische Luftleitschaufeln auszubilden, um bei erhöhtem Luftmassenstrom eine noch intensivere Vermischung und eine gleichmäßige Eintragung des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer zu bewirken.
  • Darüber hinaus sind - beispielsweise aus der US 6 560 964 B2 - Brenner mit einer - auch als Filmleger bezeichneten - Zerstäuberlippe bekannt. Die ringförmige Zerstäuberlippe, auf der ein stetiger, mit einem konzentrischen Luftstrom beaufschlagter Brennstofffilm erzeugt werden soll, bewirkt eine deutliche Verbesserung der Zerstäubungswirkung und der Vermischung von Brennstoff und Luft. Bei den Magervormischbrennern mit Filmlegern kommt es jedoch zu für den Verbrennungsvorgang in der Brennkammer nachteiligen Verbrennungs- bzw. Druckschwingungen. Zur Beseitigung dieses Nachteils werden beispielsweise in der Brennkammer aufwendige passive Dämpfer (Helmholtz-Resonatoren) angeordnet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit einer kreisförmigen Zerstäuberlippe für den Brennstoff ausgerüsteten Magervormischbrenner so auszubilden, dass die Vermischung von Brennstoff und Luft verbessert und die Ausbildung von verbrennungsgetriebenen Druckschwingungen reduziert wird.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgeführten Magervormischbrenner gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass in die Filmlegefläche der Zerstäuberlippe eine Vielzahl dicht nebeneinander liegender Brennstoffrinnen eingeformt ist, um einerseits eine gleichmäßige Brennstoffverteilung auf der Filmlegefläche zu gewährleisten bzw. ein Aufreißen des Brennstofffilms in einzelne Brennstoffsträhnen zu verhindern und bereits dadurch eine gute Wärmeübertragung auf den Brennstofffilm sowohl von der Zerstäuberlippe als auch aus der zugeführten Luft zu bewirken bzw. singuläre Brennstoffüberhitzungen zu vermeiden. Andererseits bewirken die einzelnen Brennstoffrinnen durch die gegenüber den Randbereichen niedrigere Temperatur im mittleren Bereich und die in diesem Bereich entsprechend höhere Oberflächenspannung an der Grenzschicht zwischen Brennstoff und Luft eine durch den Spannungsunterschied hervorgerufene Marangoni-Zirkulation, das heißt, eine Querströmung in den in den Brennstoffrinnen befindlichen kleinen Brennstoffströmen, so dass der Wärmeübergang von der Zerstäuberlippe und der Luft auf den Brennstoff noch weiter verbessert wird. Die Erhöhung der Brennstofftemperatur führt zu einer besseren und frühzeitigen Verdampfung des Brennstoffs und einem feinen gut vermischten Spray, so dass der Brennstoff vollständig umgesetzt werden kann und die Stickoxidemission vermindert und verbrennungsgetriebene Druckschwingungen unterdrückt werden.
  • Die Brennstoffrinnen in der Filmlegefläche sind in der Querschnittsform und -größe so ausgebildet, dass der Unterschied in der Oberflächenspannung an der Grenzschicht zwischen Brennstoff und Luft möglichst groß ist, um eine effektive Querströmung (Marangoni-Zirkulation) zu bewirken. Vorzugsweise sind die Brennstoffrinnen V- oder trapezförmig ausgebildet und im Querschnitt so groß, dass sie nahezu vollständig mit Brennstoff gefüllt sind.
  • In weiterer Ausbildung der Erfindung können in den Brennstoffrinnen Verwirbelungselemente angeordnet sein, um durch eine dadurch bewirkte Verwirbelung den Wärmeübergang auf den Brennstoffstrom weiter zu verbessern.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur ein Magervormischbrenner mit einer im Hauptluftstrom angeordneten Zerstäuberlippe für die Vermischung der Luft mit dem Brennstoff im Schnitt dargestellt ist, näher erläutert.
  • Der in die Wand der Brennkammer einer Gasturbine integrierte Magervormischbrenner 1 weist einen ringförmigen Zentralkörper 2 auf, der einerseits von einem Außenring 3 umgeben ist und in dem andererseits ein von einem Flammenstabilisator 4 umgebener, separat mit Brennstoff versorgter Stützbrenner 5 zentrisch angeordnet ist. Der Zentralkörper 3 weist einen Ringkanal 6 auf, dem über eine Brennstoffleitung 7 Brennstoff zugeführt wird. Der Zentralkörper 2 bildet an der Brennstoffaustrittsseite mittels einer sich konisch nach außen öffnenden Stirnfläche oder Filmlegefläche 8 eine Zerstäuberlippe 9. An der Stirnfläche des Zentralkörpers, das heißt, der sich konisch öffnenden umlaufenden Filmlegefläche 8, mündet ein von dem Ringkanal 6 ausgehender schmaler Brennstoffverteilerkanal 10, über den der Brennstoff am Umfang der Zerstäuberlippe 9 gleichmäßig ausgebracht wird und auf der Filmlegefläche 8 der Zerstäuberlippe 9 einen dünnen Brennstofffilm erzeugen soll. In dem jeweiligen Ringspalt zwischen dem Außenring 3 und dem Zentralkörper 2, dem Zentralkörper 2 und dem Flammenstabilisator 4 sowie dem Flammenstabilisator 4 und dem Stützbrenner 5 befinden sich Drallelemente 11, über die Luft zugeführt und mit dem Brennstoff vorvermischt bzw. vermischt wird.
  • In die Filmlegefläche 8 ist eine Vielzahl im Wesentlichen paralleler, dicht nebeneinander liegender und zur Vorderkante der Zerstäuberlippe 9 hin, das heißt in Strömungsrichtung verlaufender Brennstoffrinnen 12 mit dreieckigem (V-förmigem) Querschnitt eingeformt. Diese Brennstoffrinnen 12 gewährleisten zum einen, dass der über den Brennstoffverteilerkanal 10 auf die Filmlegefläche 8 aufgebrachte Brennstoff völlig gleichmäßig am Innenumfang der Zerstäuberlippe 9 verteilt ist und somit der Brennstoff auch gleichmäßig erwärmt und intensiv mit der zugeführten Luft vermischt werden kann. Das heißt, ein unkontrolliertes Aufreißen des Brennstofffilms in Umfangsrichtung und damit die - insbesondere bei sehr dünnen Brennstofffilmen auftretende - Ausbildung einzelner kleiner Brennstoffströme auf der Filmlegefläche 8 wird verhindert. Die Neigung von Magervormischbrennern mit Zerstäuberlippe zur Erzeugung verbrennungsgetriebener Druckschwingungen wird verringert. Aufgrund der gleichmäßigen Filmausbildung wird die Wärmeübertragung aus dem Festkörper und aus der Luft auf den Brennstoff verbessert. Partielle Brennstoffüberhitzungen werden reduziert. Der Brennstoff kann frühzeitig verdampfen und in ein feines, gut mit der zugeführten Luft vermischbares Spray zerfallen, das eine vollständiges Verbrennung und einen niedrigen NOx-Gehalt gewährleistet.
  • Die in die Filmlegefläche 8 der Zerstäuberlippe 9 eingeformten Brennstoffrinnen 12 haben, wie oben erwähnt, vorzugsweise eine dreieckige oder trapezförmige Querschnittfläche (nicht dargestellt), die so dimensioniert ist, dass sie im Wesentlichen vollständig mit Brennstoff gefüllt sind. Aufgrund der höheren Temperatur und der entsprechend niedrigen Oberflächenspannung des in den wandnahen Bereichen der Brennstoffrinnen 12 befindlichen Brennstoffs sowie der niedrigeren Temperatur und der entsprechend höheren Oberflächenspannung des im mittleren, wandfernen Bereich der Brennstoffrinnen 12 befindlichen Brennstoffs wird über den Rinnenquerschnitt eine Mikrozirkulation des Brennstoffs erzeugt. Dadurch wird der Wärmeübergang in den flüssigen Brennstoff und das Aufheizen des Brennstofffilms weiter verbessert, so dass die oben erwähnten vorteilhaften Wirkungen noch intensiviert werden. Entsprechend den zu erwartenden Temperatur- und Spannungsverhältnissen wird die für die Mikrozirkulation erforderliche Querschnittsform und Größe rechnerisch ermittelt.
  • Eine Profilierung der Brennstoffrinnen 12 zur Ausbildung von in deren Längsrichtung angeordneten Verwirbelungselementen (nicht dargestellt) stellt eine zusätzliche Möglichkeit zur Vermischung des Brennstofffilms in den Brennstoffrinnen 12 und zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung dar.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Magervormischbrenner
    2
    Zentralkörper v. 1
    3
    Außenring v. 1
    4
    Flammenstabilisator v. 1
    5
    Stützbrenner v. 1
    6
    Ringkanal v. 2
    7
    Brennstoffleitung v. 6
    8
    Filmlegefläche v. 9
    9
    Zerstäuberlippe
    10
    Brennstoffverteilerkanal v. 9
    11
    Drallelemente
    12
    Brennstoffrinnen

Claims (6)

  1. Magervormischbrenner für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, der einen an eine Brennstoffleitung angeschlossenen ringförmigen Zentralkörper (2) mit einer umlaufenden Zerstäuberlippe (9) und an dieser ausgebildeter, mit Brennstoff versorgter Filmlegefläche (8) zur Erzeugung eines mit einem Luftstrom beaufschlagten Brennstofffilms aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Filmlegefläche (8) in Strömungsrichtung verlaufende, nebeneinander liegende Brennstoffrinnen (12) zur Erzeugung einer Vielzahl kleinster Brennstoffströme und gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs in Umfangsrichtung der Zerstäuberlippe (9) eingeformt sind, und die Brennstoffrinnen (12) eine Querschnittsform und - größe aufweisen, die aufgrund des Marangoni-Effekts eine Zirkulation der kleinen Brennstoffströme senkrecht zu deren Strömungsrichtung bewirken.
  2. Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffrinnen (12) zur Erzielung der Marangoni-Zirkulation eine im Wesentlichen dreieckige oder trapezförmige Querschnittform haben, so dass - bedingt durch den Temperaturunterschied - die Oberflächenspannung des Brennstoffstroms in den wandnahen Bereichen niedriger als in dem mittleren Bereich ist, um den Brennstoff in der Brennstoffrinne (12) aufgrund des Spannungsunterschieds umzuwälzen.
  3. Magervormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Zerstäuberlippe (9) zugeführte Brennstoffmenge und die Größe der einzelnen Brennstoffrinnen (12) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Brennstoffrinnen (12) im Wesentlichen mit Brennstoff ausgefüllt sind.
  4. Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffrinnen (12) an den Innenflächen mechanische Verwirbelungselemente zur Erzeugung einer weiteren Verwirbelung der kleinen Brennstoffströme aufweisen.
  5. Magervormischbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungselemente durch ein welliges oder kantiges Seitenwandprofil gebildet sind.
  6. Magervormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffrinnen (12) aneinandergrenzend in die Filmlegefläche (8) eingeformt sind.
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