WO1998001706A1 - Brenner mit zerstäuberdüse - Google Patents

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WO1998001706A1
WO1998001706A1 PCT/EP1997/003595 EP9703595W WO9801706A1 WO 1998001706 A1 WO1998001706 A1 WO 1998001706A1 EP 9703595 W EP9703595 W EP 9703595W WO 9801706 A1 WO9801706 A1 WO 9801706A1
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burner
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air
lip
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Nikolaos Zarzalis
Thomas Ripplinger
Bernhard Glaeser
Burkhard Simon
Original Assignee
MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MüNCHEN GMBH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11101—Pulverising gas flow impinging on fuel from pre-filming surface, e.g. lip atomizers

Definitions

  • the invention relates to a burner for combustion chambers of gas turbines according to the preamble of claim 1.
  • a burner is described in German patent application P 4444 961.
  • the pollutant-reduced combustion chamber is a starting point.
  • Components of the combustion chamber have to be optimized in order to implement the pollutant-reduced combustion concepts.
  • the fuel must be atomized as finely as possible in all operating areas and mixed with the combustion air. This fuel preparation is carried out in the combustion chambers of modern aircraft gas turbines with air atomizing nozzles. According to their functional principle, the fuel flows on a cylindrical surface to the end where, due to the air Shear forces that atomize.
  • the air flow through the atomizer nozzle is divided into a primary and secondary flow channel and swirled in opposite directions, so that counter-rotating vortices are generated in the combustion chamber Flow channel assigned to a radially inflated swirl device A high swirl number of the air Electricity also leads to a recirculation vortex on the rear wall of the combustion chamber, which is to achieve homogeneous combustion.
  • the atomizer lip which separates the primary from the secondary air stream, is extended as far as possible to the mouth of the atomizer nozzle on the combustion chamber side. In the case of convergent-divergent flow channels, however, this has the consequence that the atomization does not take place in the region of the maximum air shear forces and, for this reason, the atomization does not reach the possible optimum.
  • the mass flow of the secondary air flow must be greater than that of the primary air flow, so that the peripheral impulse of the secondary air flow is not completely reduced in the short distance from the end of the atomizer lip to the entry into the combustion chamber and the formation of the recirculation vortex is endangered.
  • the invention has the advantage that the twisting of the two air streams in the same direction causes them to mix before entering the combustion chamber 3 does not have to be avoided to a high peripheral speed, so that the mass flow ratio can be selected independently of the swirl of the currents in order to be able to make the distribution of the air-fuel mixture homogeneous. Regardless of a mixture of the two currents, the swirl number of the
  • Air flow can be varied to set a detached or wall-mounted flow state in the combustion chamber.
  • the atomizer lip By positioning the atomizer lip at the narrowest flow cross section in the atomizer nozzle or shortly before, the atomization of the fuel can take place in a range of the maximum air shear forces, so that the atomization can take place optimally.
  • FIG. 1 shows a half section of a front combustion chamber section with a burner
  • Fig. 2a in half section the flow state in the combustion chamber and in the
  • Fig. 2b in half section the flow state in the combustion chamber and in the atomizer nozzle with wall-flowing flow.
  • the burner 1 shown in FIG. 1 is one of several annularly arranged burners of the combustion chamber 2, which is shown in sections, of an aircraft gas turbine (not shown further).
  • the burner 1 has an atomizing nozzle 3 with a primary and a secondary flow channel 4 or 5 and an injection nozzle 15.
  • the channel flow of the two flow channels 4, 5 is determined and limited by annular or sleeve-shaped components 6, 7.
  • the two led concentrically to the Btenner axis Z.
  • Flow channels 4, 5 each have a radially extending inlet section E, in order then to be deflected into an essentially axially extending outlet section A.
  • the sleeve-shaped component 6 separates the two channels 4, 5 from one another and has an annular atomizer lip 8 with a conically tapering course in its downstream section. At its upstream section, the component 6 has a radially extending flange 9, which separates the two axially spaced, annular inlet sections E of the channels 4, 5.
  • the secondary flow channel 5 running between the two components 6 and 7 is, in its radially extending inlet section E, of two annular wall sections of the two components running parallel to one another
  • the secondary flow channel 5 is delimited radially outwards by an inner wall I of the component 7, which is convergent-divergent, viewed in the flow direction.
  • the atomizer lip 8 ends immediately before the location with the narrowest flow cross section Q, which is defined by the convergent-divergent profile of the component 7, so that downstream of the atomizer lip 8, within the divergent portion of the component 7 and downstream thereof, a homogeneous mixing of the two air streams he follows.
  • Fuel is finely atomized onto the conically tapered inner wall of the atomizer lip 8 by means of the injection nozzle 15 arranged in the primary flow channel 4 in the form of a cone which widens downstream in the manner of a fan, so that it deposits on the inner wall like a film.
  • the fuel film tears off in the form of a shear flow, so that the fuel is introduced into the rotary vortex W forming in the combustion chamber 11 of the combustion chamber 2 in a mist-like and partly vaporous manner and evenly distributed.
  • the swirl of the air flow in the flow channels 4 and 5, which is generated by swirl devices 12 arranged in the inlet sections E of the flow channels 4 and 5, is responsible for the formation of the rotation vortex W.
  • the cross sections of the two flow channels 4, 5 are dimensioned in such a way that a mass flow ratio between primary and secondary air flow of greater than 0.4 results. This ensures homogeneous mixing of the combustion chamber with the air / fuel mixture.
  • the air flow opens downstream of the divergent section of the component 7 into the combustion chamber and flows parallel to the radially extending rear wall 13 of the combustion chamber 11, in order to then flow centrally in a recirculation vortex W approximately parallel to the burner axis Z in the direction of Stream 1 burner.

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Abstract

Ein Brenner für Brennkammern (2) von Gasturbinen mit einer Zerstäuberdüse (3) zum Zerstäuben von Brennstoff in der Verbrennungsluft weist einen primären und sekundären Strömungskanal (4, 5) auf. Bei derartigen, meist in Flugantrieben verwendeten Brennern ist eine weitgehend homogene Verteilung des Luft-Brennstoffgemisches im Brennraum zur Reduktion von Emissionen zu erzielen. Die in den Brennraum (11) mündenden Strömungskanäle (4, 5) werden von einem bezüglich der Brennerachse (A) konzentrisch angeordneten ersten Bauteil (6) mit einer hülsenförmigen, zylindrisch oder konisch verjüngend verlaufenden Zerstäuberlippe (8) getrennt und der äußere, sekundäre Strömungskanal (4) von einem konzentrisch angeordneten ringförmigen zweiten Bauteil (7) mit konvergent-divergent verlaufender Innenwandung (14) nach radial außen begrenzt. Das zweite Bauteil (7) bildet einen Ort (Q) mit engstem Strömungsquerschnitt aus, auf dessen axialer Höhe oder stromaufwärts hiervon das radial innen angeordnete erste Bauteil (6) mit der Zerstäuberlippe (8) endet, wobei die Luftströmung (L) die Strömungskanäle (4, 5) mit einem gleichsinnigen Drall durchströmen. Durch die Positionierung der Zerstäuberlippe (8) am engsten Strömungsquerschnitt in der Zerstäuberdüse oder kurz davor kann die Zerstäubung des Brennstoffes in einem Bereich der maximalen Luftscherkräfte erfolgen, so daß die Zerstäubung optimal erfolgen kann.

Description

Brenner mit Zerstäuberdüse
Die Erfindung betrifft einen Brenner für Brennkammern von Gasturbinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 Ein solcher Brenner ist m der deutschen Patentanmeldung P 4444 961 beschrieben.
Die Reduktion von Schadstoffen, die bei der Verbrennung von Kerosin in Brennkammern von Flugtriebwerken entstehen, ist ein standiges Entwicklungsziel. Hierbei ist die schadstoffreduzierte Brennkammer ein Ansatzpunkt. Für Verwirklichung der schadstoffreduzierten Verbrennungskonzepte müssen Komponenten der Brennkam- mer optimiert werden. So gilt es beispielsweise den Brennstoff in allen Betriebsbereichen möglichst fein zu zerstauben und mit der Verbrennungsluft zu vermischen Diese Brennstoff aufbereitung wird bei Brennkammern moderner Fluggasturbinen mit Luftzerstäuberdusen bewerkstelligt Nach deren Funktionsprinzip fließt der Brennstoff auf einer zylindrischen Oberfläche bis an dessen Ende, wo aufgrund der Luft- Scherkräfte die Zerstäubung einsetzt. Um örtlich unerwünschte Brennstoff anreiche- rungen im Brennraum der Brennkammer, die zur Rußbildung Anlaß geben konnten, zu vermeiden, wird die Luftströmung durch die Zerstäuberdüse in einen primären und sekundären Stromungskanal geteilt und gegensmnig verdrallt, so daß im Brennraum entgegengerichtete Rotationswirbel erzeugt werden Hierzu ist jedem Stromungskanal eine radial angeströmte Drall Vorrichtung zugeordnet Eine hohe Drallzahl des Luft- Stromes führt zudem zu einem Rezirkulationswirbel an der rückseitigen Wand des Brennraumes wodurch eine homogene Verbrennung erzielt werden soll. Um eine vorzeitige Vermischung der beiden Luftströme zu vermeide'n, die wiederum zu einer Reduktion der Umfangsgeschwindigkeit im sekundären Luftstrom führen würde, wird die Zerstäuberlippe, die den primären vom sekundären Luftstrom trennt, möglichst lang, bis an die brennraumseitige Mündung der Zerstäuberdüse ausgeführt. Bei konvergent-divergent ausgeführten Strömungskanälen hat dies allerdings zur Folge, daß die Zerstäubung sich nicht im Bereich der maximalen Luftscherkräfte abspielt und aus diesem Grund die Zerstäubung nicht das mögliche Optimum erreicht.
Darüber hinaus muß der Massenstrom des sekundären Luftstroms größer als der des primären Luftstroms sein, damit in der kurzen Strecke vom Ende der Zerstäuberlippe bis zum Eintritt in den Brennraum der Umfangsimpuls des sekundären Luftstroms nicht vollständig abgebaut wird und die Entstehung des Rezirkulationswirbels gefährdet wird. Hieraus resultiert wiederum, daß die Verteilung des Luft- Brenn Stoffverhältnisses am Düsenaustritt nicht die gewünschte Homogenität aufweist, weil der primäre Luftstrom, der sich hauptsächlich am Mischungsprozeß beteiligt, geringer als der sekundäre Luftstrom ist.
Hiervon ausgehend, ist es Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Brenner anzugeben, der eine weitgehend homogene Verteilung des Luftbrennstoffgemisches im Brennraum ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die gleichsinnige Verdrallung der beiden Luftströme ein Vermischen derselben vor dem Eintritt in den Brennraum im Hinblick 3 auf eine hohe Umfangsgeschwindigkeit nicht vermieden werden muß, so daß auch das Maßenstromverhältnis unabhängig von der Verdrallung der Ströme gewählt werden kann um die Verteilung des Luft- Brennstoffgemisches homogen gestalten zu können. Auch kann ohne Rücksicht auf eine Vermischung der beiden Ströme die Drallzahl der
Luftströmung variiert werden, um einen abgelösten oder einen wandanliegenden Strömungszustand im Brennraum einzustellen. Durch die Positionierung der Zerstäuberlippe am engsten Strömungsquerschnitt in der Zerstäuberdüse oder kurz davor kann die Zerstäubung des Brennstoffes in einem Bereich der maximalen Luftscher- kräfte erfolgen, so daß die Zerstäubung optimal erfolgen kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Halbschnitt eines vorderen Brennkammerabschnittes mit Brenner,
Fig. 2a im Halbschnitt den Strömungszustand in der Brennkammer und in der
Zerstäuberdüse mit abgelöster Strömung
Fig. 2b im Halbschnitt den Strömungszustand in der Brennkammer und in der Zerstäuberdüse mit wandanlieger Strömung.
Der in Fig. 1 gezeigte Brenner 1 ist einer von mehreren ringförmig angeordneten Brennern der abschnittsweise dargestellten Brennkammer 2 einer nicht weiter dargestellten Fluggasturbine. Der Brenner 1 weist eine Zerstäuberdüse 3 mit einem primären und einem sekundären Strömungskanal 4 bzw. 5 sowie eine Einspritzdüse 15 auf. Die beiden Strömungskanäle 4, 5 werden durch ring- oder hülsenförmige Bauteile 6, 7 in ihrem Kanalver- lauf bestimmt und begrenzt. Die beiden konzentrisch zur Btennerachse Z geführten
Strömungskanäle 4, 5 weisen jeweils einen radialen verlaufenden Eintrittsabschnitt E auf, um dann in einen im wesentlichen axial verlaufenden Austrittsabschnitt A umgelenkt zu werden. Das hülsenförmige Bauteil 6 trennt die beiden Kanäle 4,5 voneinander und weist in seinem stromabwärtigen Abschnitt eine ringförmige Zerstäuber- lippe 8 mit konisch verjüngendem Verlauf auf. An seinem stromaufwärtigen Abschnitt weist das Bauteil 6 einen radial sich erstreckenden Flansch 9 auf, der die beiden axial voneinander beabstandeten, ringförmigen Eintrittsabschnitte E der Kanäle 4,5 trennt. Der zwischen den beiden Bauteilen 6 und 7 verlaufende sekundäre Strömungskanal 5 wird in seinem radial sich erstreckenden Eintrittsabschnitt E von zwei parallel zueinander verlaufenden, ringförmigen Wandabschnitten der beiden Bauteile
6 und 7 begrenzt. Im Austrittsabschnitt A wird der sekundäre Strömungskanal 5 nach radial außen hin von einer, in Strömungsrichtung gesehen, konvergent-divergent verlaufende Innenwandung I des Bauteils 7 begrenzt. Die Zerstäuberlippe 8 endet unmittelbar vor dem Ort mit dem engsten Strömungsquerschnitt Q, welcher durch den konvergent-divergenten Verlauf des Bauteils 7 definiert wird, so daß stromabwärts der Zerstäuberlippe 8, inerhalb des divergenten Abschnitts des Bauteils 7 und stromabwärts hiervon eine homogene Vermischung der beiden Luftströme erfolgt.
Auf die konisch verjüngt verlaufende Innenwandung der Zerstäuberlippe 8 wird mit- tels der im primären Strömungskanal 4 angeordneten Einspritzdüse 15 Brennstoff fein zerstäubt in Form eines sich stromab fächerartig aufweitenden Kegels aufgespritzt, so daß sich dieser filmartig an der Innenwandung ablagert. An der stromabwärtigen scharfkantigen Endkante 10 der Zerstäuberlippe 8 reißt der Brennstoffilm im Wege einer ausgebildeten Scherströmung ab, so daß in den im Brennraum 1 1 der Brenn- kammer 2 sich ausbildenden Rotationswirbel W der Brennstoff nebelartig und teilweise dampfförmig sowie gleichmäßig verteilt eingebracht wird. Verantwortlich für die Ausbildung des Rotationswirbels W ist der gleichsinnige Drall der Luftströmung in den Strömungskanälen 4 und 5, welcher durch jeweils in den Eintrittsabschnitten E der Strömungskanäle 4 und 5 angeordnete Drallvorrichtungen 12 erzeugt wird.
Die beiden Strömungskanäle 4,5 sind in ihren Querschnitten derart dimensioniert, daß sich ein Massenstromverhältnis zwischen primärer und sekundärer Luftströmung von größer als 0,4 ergibt. Hierdurch wird eine homogene Vermischung des Brennraumes mit Luft-Brennstoffgemisch gewährleistet.
Wie in den Fig. 2a und 2b zu sehen ist, ist durch die gleichsinnige Drallbildung in den Strömungskanälen 4 und 5 durch Variation der Drallzahl in den beiden Kanälen 4,5 eine abgelöste bzw. wandanliegende Brennraumströmung darstellbar, so daß auf Lage und Ausbildung des Rotationswirbels W Einfluß genommen werden kann. Bei der wandanliegenden Strömung gemäß Fig. 2b mündet die Luftströmung stromabwärts des divergenten Abschnitts des Bauteils 7 in den Brennraum und strömt parallel zur radial verlaufenden Rückwand 13 des Brennraumes 1 1 ab, um dann in einem Rezirkulationswirbel W etwa parallel zur Brennerachse Z zentral in Richtung des Brenners 1 zu strömen.
Bei der in Fig. 2a gezeigten Strömung hingegen sind zwei Rezirkulationswirbel W zu erkennen, wobei sich der eine im Bereich der Rückwand 13 ausbildet und der andere sich mit entgegengesetzter Drallrichtung im zentralen Bereich des Brennraumes 11 ausbildet.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner für Brennkammern (2) von Gasturbinen mit einer Zerstäuberdüse (3) zum Zerstäuben von Brennstoff in der Verbrennungsluft, die einen primären und sekundärenStrömungskanal (4,5) stromaufwärts des Brennraumes (1 1) der Brennkammer (2) durchströmt, wobei die in den Brennraum (11) mündenden Strömungskanäle (4,5) von einem bezüglich der Brennerachse A konzen- trisch angeordneten ersten Bauteil (6) mit einer hülsenförmigen, zylindrisch oder konisch verjüngend verlaufenden Zerstäuberlippe (8) getrennt werden und der äußere, sekundäre Strömungskanal (4) von einem konzentrisch angeordneten ringförmigem zweiten Bauteil (7) mit konvergent-divergent verlaufender Innenwandung (14) nach radial außen begrenzt wird, dadurch gekenn- zeichnet, daß das zweite Bauteil (7) einen Ort (Q) mit engstem Strömungsquerschnitt ausbildet auf dessen axialer Höhe oder stromaufwärts hiervon das radial innen angeordnete erste Bauteil (6) mit der Zerstäuberlippe (8) endet und die Luftströmung (L) die Strömungskanäle (4,5) mit einem gleichsinnigen Drall durchströmen.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bauteile
(6,7) bezüglich der Brennerachse (A) konzentrisch angeordnet sind und zwischen sich den ringförmigen, sekundären Strömungskanal (5) ausbilden.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Strömungskanälen (4,5) jeweils vor ihren Austrittsabschnitten (A) Drallvorrichtungen (12) angeordnet sind.
4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenstromverhältnis des primären und sekundären Luftströmung größer als 0,4 ist.
5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (1) eine Einspritzdüse (15) aufweist, über welche in den primären Strömungskanal (4) auf die Innenwandung (14) des ersten Bauteils (6) Brennstoff stromaufwärts der Zerstäuberlippe (8) eingespritzt wird.
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