DE10250208A9

DE10250208A9 - Vorrichtung zur Flammenstabilisierung für mager vorgemischte Brenner für Flüssigbrennstoff in Gasturbinenbrennkammern mittels Turbolatorelementen im Hauptstrom

Info

Publication number: DE10250208A9
Application number: DE2002150208
Authority: DE
Inventors: Ralf Sebastian V.D. Bank
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-12-23
Also published as: DE10250208A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Flammenstabilisierung für mager vorgemischte Brenner für Flüssigbrennstoff in Gasturbinenbrennkammern mit einem äußeren 1 und einem konzentrisch zu diesem angeordneten inneren 2 Strömungsrohr, welche stromab eines Drallerzeugers angeordnet sind und einen Ringraum 3 bilden, durch welchen eine Brennstoff-Luft-Mischung einem Innenraum einer Brennkammer zugeleitet wird, wobei in dem Ringraum mehrere Turbulatorelemente 4 angeordnet sind, wobei die Turbulatorelemente 4 sich jeweils in radialer Richtung über einen Bereich erstrecken, welcher kleiner ist als 30% der radialen Höhe des Ringraums 3.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Flammenstabilisierung für mager vorgemischte Brenner für Flüssigbrennstoff in Gasturbinenbrennkammern mit einem äußeren und einem konzentrisch zu diesem angeordneten inneren Strömungsrohr, welche stromab eines Drallerzeugers angeordnet sind und einen Ringraum bilden, durch welchen eine Brennstoff-Luft-Mischung einem Innenraum einer Brennkammer zugeleitet wird, wobei in dem Ringraum mehrere Turbulatorelemente angeordnet sind.
Eine Anordnung der beschriebenen Art zeigt beispielsweise die US 5,669,766 A .
Bei Magervormischbrennern bzw. LPP-Modulen soll erreicht werden, dass die Verbrennung schadstoffarm erfolgt, wobei insbesondere eine NOx-Reduzierung wichtig ist.
Bei derartigen Brennern erweist es sich als wichtig, Maßnahmen zu ergreifen, um auch bei extrem magerer Verbrennung einen zuverlässigen Betrieb des Triebwerks sicherzustellen.
Ein Zünden der Brennermodule ist nur bei sehr fetter, nahezu stöchiometrischer Luft-Brennstoff-Mischung und bei vorgeheizter Verbrennungsluft möglich. Insgesamt muss eine relativ hohe Verbrennungslufttemperatur eingestellt werden, um den Sättigungs-Dampfdruck des flüssigen Brennstoffs hoch zu halten. Hierdurch wird eine schnelle Verdampfung des als Spray eingedüsten Tröpfchennebels erreicht. Ein derartig verdampfter Flüssigbrennstoff lässt sich in der Brennkammer entsprechend gut zünden.
Eine gängige Methode zur Erhöhung der Flammensicherheit besteht darin, Flammenhalter in die Brennkammern einzubauen. Hinter diesen bilden sich Rezirkulationszonen aus, durch welche heiße Gase rückgeleitet und dem Brennstoff-Luft-Strom wieder zugeführt werden. Alternativ hierzu ist es auch bekannt, die Brenner so einzustellen, dass sich durch einen aufgeprägten Drall relativ große Wirbel um die Brennerlängsachse ausbilden. Diese führen ebenfalls zu einer Drallstabilisation des Verbrennungsvorganges. Auch hierbei ergibt sich (im Längsschnitt betrachtet) eine Rezirkulationszone. In diesen Rezirkulationszonen wird somit heißes Brennkammergas an die Flammenwurzel zurückgeführt und dient dort dazu, neu eintretendes, relativ kaltes Luft-Brenngas-Gemisch zu zünden. Hierdurch ergibt sich eine Flammstabilisierung bzw. eine Erhöhung der Flammensicherheit.
Der Stand der Technik zeigt bei LPP-Modulen bzw. Magervormischbrennern meist gestufte Brennkammern, welche über einen Zünd- und/oder Stützbrenner verfügen. Diese Konstruktion ist technisch aufwändig und in der Ausführung kostenintensiv.
Ohne Stützmaßnahmen neigen die LPP-Module bzw. die Magervormischbrenner zur Flammenverlöschung bei niedriger Lufttemperatur, da sich dann ein schlechtes Verdampfungsverhalten, bedingt durch den Sättigungsdampfdruck des Flüssigbrennstoffs ergibt. Die notwendigen Magerverlöschgrenzen können unter bestimmten Umständen weit ausgedehnt werden. Dies kann insbesondere zu flammenstabilitätsseitigen Komplikationen bei der schnellen Schubentlastung und bei Schlechtwettereinfluss (Regen- oder Hagelansaugung) kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellbarkeit ein hohes Maß an Flammstabilität gewährleistet bzw. dazu beträgt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Turbulatorelemente sich jeweils in radialer Richtung über einen Bereich erstrecken, welcher kleiner ist als 30% der radialen Höhe des Ringraums zwischen dem inneren und dem äußeren Strömungsrohr.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.
Durch die erfindungsgemäße Formgebung der Turbulatorelemente ist es möglich, die Durchströmung des Ringraumes entsprechend zu beeinflussen, ohne dass sich ein zu großer Strömungswiderstand ergibt.
Hinter den Abreißkanten der Turbulatorelemente bilden sich Mikrowirbel. Hierdurch wird zum einen die Flamme durch den sich dabei ausbildenden Rezirkulationseffekt von heißem Brennkammergas stabilisiert. Weiterhin wird eine weitere Turbalenzzone angeregt, durch welche die Durchmischung weiter stromabwärts in der Ausströmung, d. h. in der Brennkammer, verbessert wird.
Durch die in dem Ringraum angeordneten Turbulatorelemente erfolgt eine Verringerung des freien Strömungsquerschnitts. Hierdurch wird die Austrittstemperatur des Brenngases-Luft- Gemisches erhöht. Auch hieraus ergibt sich eine zusätzliche Sicherheit gegen eine Flammenrückzündung. Weiterhin ermöglicht diese Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit eine Verringerung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit im weiter stromaufwärts liegenden Bereich des Hauptluftkanals. Eine weitere Folge ist, dass die gesamte Länge des Hauptluftkanals verkürzt werden kann, um die Verweildauer des Luft-Brenngas-Gemisches im Hauptkanal zu reduzieren bzw. nicht weiter zu erhöhen. Dies führt zu einer kompakten Bauweise.
Zusätzlich kann der auftretende Druckverlust durch diese Bauweise reduziert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass benachbarte Turbulatorelemente jeweils einen Abstand zueinander aufweisen, der in Umfangsrichtung des Ringraums im Wesentlichen der Breite der Turbulatorelemente in Umfangsrichtung entspricht. Es wechseln sich somit in der Umfangsrichtung Freiräume und Turbulatorelemente ab, wobei jeweils gleiche Umfangsbereiche abgedeckt bzw. nicht mit Turbulatorelementen bestückt sind.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Turbulatorelemente in Umfangsrichtung jeweils gleich breit sind. Hierdurch ergibt sich ein symmetrischer Aufbau des durch die Mikrowirbel oder die Turbulenzen ausgebildeten Bereichs der Brennstoff-Luft-Strömung.
Als besonders vorteilhaft kann es sich erweisen, die Turbulatorelemente bezüglich ihrer angeströmten Seite in einem Winkel zur Anströmrichtung anzuordnen. Dieser Winkel kann beispielsweise 45° betragen. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann die Abströmung von einem stromauf des Hauptströmungskanals angeordneten Drallerzeuger besonders günstig ge nutzt werden. Die Turbulatorelemente werden somit „schräg" angeströmt.
Erfindungsgemäß können sich die Turbulatorelemente sowohl von der Innenseite des äußeren Strömungsrohres aus als auch von der äußeren Seite des inneren Strömungsrohres aus erstrecken. Es ist auch möglich, diese beiden Anordnungen zu kombinieren, sodass der Ringraum sowohl mit von außen in den Ringraum ragenden als auch von innen in den Ringraum stehenden Turbulatorelementen besetzt ist.
Die Turbulatorelemente, die an dem äußeren Strömungsrohr bzw. an dem inneren Strömungsrohr befestigt sind, können in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, diese fluchtend oder auf Lücke zu setzen.
Zur effektiven Ausbildung der Turbulenzen bzw. der Mikrowirbel kann es günstig sein, die angeströmte Seite des Turbulatorelements senkrecht zur Strömungsrichtung auszubilden. Es ergibt sich somit eine im Wesentlichen ebene Drallwand. Es ist jedoch auch möglich, die angeströmte Seite abzuschrägen oder als widerstandsarmer Stromlinienkörper auszubilden. In den beiden letztgenannten Fällen gleitet die Strömung leichter auf die Turbulatorelemente und bildet an deren Abrisskante die erwähnten Verwirbelungen oder Turbulenzen. Dabei ist es besonders günstig, wenn die stromab angeordnete Seite des Turbulatorelements senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet ist, d. h. eine im Wesentlichen ebene Abrisskante oder Abrissfläche bildet.
Um den Umfang des Ringraumes sind erfindungsgemäß zumindest zehn Turbulatorelemente angeordnet. Diese vorteilhafte Aus gestaltungsform ermöglicht eine gleichmäßige Strömungsbeeinflussung am Umfang des Hauptströmungskanals.
In axialer Richtung ist es möglich, die Turbulatorelemente zueinander zu versetzen, insbesondere die an dem äußeren Strömungsrohr gegenüber denen am inneren Strömungsrohr angeordneten Turbulatorelemente.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Teil-Schnittansicht eines äußeren und eines inneren Strömungsrohres mit den erfindungsgemäßen Turbulatorelementen,
2 eine vergrößerte Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels des Turbulatorelements,
3 eine abgewandelte Ausführungsform, analog der Darstellung von 2,
4 eine Darstellung der Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Turbulatorelements, und
5 eine weitere Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform, analog der 2 und 3, wobei die Anströmseite der Turbulatorelemente sowohl abgeschrägt als auch seitlich schräg gestellt ist.
Erfindungsgemäß ist ein äußeres Strömungsrohr 1 vorgesehen, zu welchem zentrisch ein inneres Strömungsrohr 2 angeordnet ist. Diese bilden zusammen einen Ringraum 3, welcher als Hauptstromkanal von einem Luft-Brenngas-Gemisch durchströmt wird.
In dem Ringraum 3 sind mehrere Turbulenzelemente 4 angeordnet. Diese sind bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel (welches der Einfachheit halber nur einige der Turbolenzelemente 4 zeigt) zueinander versetzt angeordnet. Die Turbulatorelemente 4 weisen in Umfangsrichtung jeweils einen Abstand zueinander auf, welcher im Wesentlichen der Umfangsbreite der einzelnen Turbulatorelemente entspricht.
Aus der Darstellung der 1 ergibt sich, dass die Turbulatorelemente 4 sich sowohl von der Innenseite des äußeren Strömungsrohrs 1 als auch von der Außenseite des inneren Strömungsrohrs 2 aus erstrecken können. Die einzelnen Turbulatorelemente weisen in ihrer radialen Richtung jeweils eine Höhe auf, welche kleiner ist als 30% der radialen Gesamthöhe des Ringraums 3. Die radiale Höhe des Ringraums 3 ist in 1 durch den Doppelpfeil H dargestellt. Es versteht sich, dass der Ringraum 3 um seinen Umfang gleichmäßig mit den Turbulatorelementen 4 besetzt sein kann. Aus konstruktiven Gründen kann es jedoch auch möglich sein, nur Teilbereiche des Umfangs des Ringraums 3 mit Turbulatorelementen 4 auszustatten, so wie dies beispielsweise in 1 gezeigt ist.
Die 2 zeigt in vergrößerter Detaildarstellung ein an der Außenseite eines inneren Strömungsrohres 2 angeordnetes Turbulatorelement 4. Aus der Darstellung ergibt sich, dass das Turbulatorelement sowohl an seiner angeströmten Seite 5 als auch an seiner stromab angeordneten Seite 6 jeweils eben und senkrecht zur Mittelachse 7 ausgebildet ist.
Bei der in der 3 gezeigten Ausgestaltungsform ist die stromab angeordnete Seite 6 ebenfalls eben und senkrecht zur Mittelachse 7 ausgestaltet, während die angeströmte Seite 5 abgeschrägt ist, um ein leichteres Aufgleiten der schematisch durch den großen Pfeil dargestellten Strömung zu ermöglichen.
Die 4 zeigt den sich durch die Turbulatorelemente 4 ergebenden Effekt. An der stromab angeordneten Seite 6 bilden sich Mikrowirbel 8 aus, die der Flammenstabilisierung dienen. Weiterhin ergeben sich Wirbelschleppen 9, welche zu einer Intensivierung der Brennstoff-Luft-Durchmischung führen.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anströmseite 5 der Turbulatorelemente 4 jeweils sowohl abgeschrägt als auch zusätzlich schräg gestellt bzw. schraubenlinienartig verdreht, um die Wirbelbildung zu optimieren.

1: äußeres Strömungsrohr des Hauptstromkanals
2: inneres Strömungsrohr des Hauptstromkanals
3: Ringraum des Hauptstromkanals
4: Turbulenzelemente/Turbulatoren
5: angeströmte Seite (Anströmseite der Turbulatorelemente 4)
6: stromab angeordnete Seite (Abströmseite der Turbulatorelemente 4)
7: Mittelachse des Brenners
8: Mikrowirbel (Rezirkulationswirbel, Rezirkulationszone)
9: Wirbelschleppe
H: Höhe des Hauptstromkanals

Claims

Vorrichtung zur Flammenstabilisierung für mager vorgemischte Brenner für Flüssigbrennstoff in Gasturbinenbrennkammern mit einem äußeren (1) und einem konzentrisch zu diesem angeordneten inneren (2) Strömungsrohr, welche stromab eines Drallerzeugers angeordnet sind und einen Ringraum (3) bilden, durch welchen eine Brennstoff-Luft-Mischung einem Innenraum einer Brennkammer zugeleitet wird, wobei in dem Ringraum (3) mehrere Turbulatorelemente (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatorelemente (4) sich jeweils in radialer Richtung über einen Bereich erstrecken, welcher kleiner ist als 30% der radialen Höhe des Ringraums (3).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Turbulatorelemente (4) jeweils einen Abstand zueinander aufweisen, der in Umfangsrichtung des Ringraums (3) im Wesentlichen der Breite der Turbulatorelemente (4) in Umfangsrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Turbulatorelemente (4) in Umfangsrichtung jeweils gleich breit sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatorelemente (4) bezüglich ihrer angeströmten Seite (5) in einem Winkel zur Anströmrichtung angestellt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 30° und 60° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel mit dem Abströmwinkel am Drallerzeuger im Wesentlichen identisch ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Turbulatorelemente (4) von der Innenseite des äußeren Strömungsrohres (1) aus erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Turbulatorelemente (4) von der äußeren Seite des inneren Strömungsrohrs (2) aus erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Turbulatorelemente (4) sowohl von der Innenseite des äußeren Strömungsrohrs (1) aus als auch von der Außenseite des inneren Strömungsrohrs (2) aus erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatorelemente (4) in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatorelemente (4) radial fluchtend zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die angeströmte Seite (5) des Turbulatorelements (4) senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die angeströmte Seite (5) des Turbulatorelements (4) schräg zur Strömungsrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die angeströmte Seite (5) des Turbulatorelements (4) als widerstandsarmer Stromlinienkörper ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die stromab angeordnete Seite (6) des Turbulatorelements (4) senkrecht zur Strömungrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass um den Umfang des Ringraums (3) mindestens zehn Turbulatorelemente (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die am äußeren Strömungsrohr (1) und die am inneren Strömungsrohr (2) angeordneten Turbulatorelemente (4) in axialer Richtung zueinander versetzt sind.