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EP0910776B1 - Brenner mit zerstäuberdüse - Google Patents

Brenner mit zerstäuberdüse Download PDF

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Publication number
EP0910776B1
EP0910776B1 EP97936627A EP97936627A EP0910776B1 EP 0910776 B1 EP0910776 B1 EP 0910776B1 EP 97936627 A EP97936627 A EP 97936627A EP 97936627 A EP97936627 A EP 97936627A EP 0910776 B1 EP0910776 B1 EP 0910776B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
atomiser
burner
component
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97936627A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0910776A1 (de
Inventor
Nikolaos Zarzalis
Thomas Ripplinger
Bernhard Glaeser
Burkhard Simon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP0910776A1 publication Critical patent/EP0910776A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0910776B1 publication Critical patent/EP0910776B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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 in the German patent application P 44 44 961.
  • the reduction of pollutants in the combustion of kerosene in combustion chambers of aircraft engines is a constant development goal.
  • the pollutant-reduced combustion chamber is a starting point.
  • components of the combustion chamber be optimized. For example, it applies to fuel in all operating areas atomize as finely as possible and mix with the combustion air.
  • This fuel preparation is used in the combustion chambers of modern aircraft gas turbines Air atomizing nozzles accomplished. The fuel flows according to their operating principle on a cylindrical surface to the end where due to air shear forces atomization begins.
  • the mass flow of the secondary air flow must be greater than that of the primary airflow, so in the short distance from the end of the atomizer lip until it enters the combustion chamber, the peripheral pulse of the secondary air flow is not completely broken down and the formation of the recirculation vortex is endangered becomes. This in turn results in the distribution of the air-fuel ratio does not have the desired homogeneity at the nozzle outlet because the primary Airflow that is primarily involved in the mixing process is less than that secondary airflow is.
  • An injection device for a combustion chamber is known from GB 2 272 756 A, which comprises an atomizer, several channels and a premixing section, the First of all, fuel to the guiding elements surrounding the channels with atomizer lips atomized and then in the premixing section with the air streams the channels that open into the premixing section are mixed.
  • the premixing section is convergent-divergent to ensure good mixing of the atomized To ensure fuel with the air flows.
  • GB 1 099 959 and GB 2 094 464 A describe a burner for solid or liquid Fuels disclosed in which the fuel mixes with multiple air streams is, whose channels through concentrically arranged pipes with divergent outlet nozzles be formed. When using liquid fuels, this is in one Pressure atomization at the point of entry into the nozzle area.
  • the object of the invention is a generic burner specify a largely homogeneous distribution of the air-fuel mixture in the combustion chamber.
  • the invention has the advantage that by twisting the two in the same direction Airflows considering mixing them before entering the combustion chamber to a high peripheral speed must not be avoided, so that too Dimensional current ratio can be selected regardless of the swirl of the currents can to make the distribution of the air-fuel mixture homogeneous. Regardless of a mixture of the two streams, the swirl number of the Air flow can be varied to a detached or a wall-to-wall Set the flow state in the combustion chamber. By positioning the atomizer lip narrowest flow cross-section in the atomizer nozzle or shortly before can atomize the fuel in a range of maximum air shear forces take place so that the atomization can take place optimally.
  • the burner 1 shown in FIG. 1 is one of several arranged in a ring Burners of the combustion chamber 2 shown in sections of a not shown Aircraft gas turbine.
  • 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 two flow channels 4, 5 are in their channel course by ring or sleeve-shaped components 6, 7 determined and limited.
  • the two concentric to the burner axis Z Flow channels 4, 5 each have a radial inlet section E. in order to then be deflected into a substantially axially extending outlet section A. to become.
  • the sleeve-shaped component 6 separates the two channels 4, 5 from one another and has an annular atomizer lip in its downstream portion 8 with a conical taper.
  • the component 6 On its upstream section the component 6 has a radially extending flange 9, the two axially spaced, annular inlet sections E of the channels 4.5 separates.
  • the secondary flow channel running between the two components 6 and 7 5 is in its radially extending inlet section E of two parallel, annular wall sections of the two components 6 and 7 limited.
  • the secondary flow channel 5 In the outlet section A, the secondary flow channel 5 is downstream radially outward from one, seen in the direction of flow, convergent-divergent running inner wall I of component 7 limited.
  • the atomizer lip 8 ends immediately in front of the location with the narrowest flow cross section Q, which through the convergent-divergent course of the component 7 is defined so that downstream the atomizer lip 8, within the divergent section of the component 7 and downstream this results in a homogeneous mixing of the two air flows.
  • the conically tapered inner wall of the atomizer lip 8 is by means of the injector 15 arranged in the primary flow channel 4 fine fuel sprayed in the form of a cone widening downstream like a fan, see above that it is deposited on the inner wall like a film.
  • the same directional twist is responsible for the formation of the rotation vortex W the air flow in the flow channels 4 and 5, which in each case in the Entry sections E of the flow channels 4 and 5 arranged swirl devices 12 is generated.
  • the cross sections of the two flow channels 4, 5 are dimensioned such that a mass flow ratio between primary and secondary air flow of is greater than 0.4. This ensures homogeneous mixing of the combustion chamber guaranteed with air-fuel mixture.
  • the swirl formation in the same direction in the Flow channels 4 and 5 by varying the number of swirl in the two channels 4.5 a detached or wall-mounted combustion chamber flow can be represented, so that on location and formation of the rotary vortex W can be influenced.

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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

Die Erfindung betrifft einen Brenner für Brennkammern von Gasturbinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher Brenner ist in der deutschen Patentanmeldung P 44 44 961 beschrieben.
Die Reduktion von Schadstoffen, die bei der Verbrennung von Kerosin in Brennkammern von Flugtriebwerken entstehen, ist ein ständiges Entwicklungsziel. Hierbei ist die schadstoffreduzierte Brennkammer ein Ansatzpunkt. Für Verwirklichung der schadstoffreduzierten Verbrennungskonzepte müssen Komponenten der Brennkammer optimiert werden. So gilt es beispielsweise den Brennstoff in allen Betriebsbereichen möglichst fein zu zerstäuben und mit der Verbrennungsluft zu vermischen. Diese Brennstoffaufbereitung wird bei Brennkammern moderner Fluggasturbinen mit Luftzerstäuberdüsen bewerkstelligt. Nach deren Funktionsprinzip fließt der Brennstoff auf einer zylindrischen Oberfläche bis an dessen Ende, wo aufgrund der Luftscherkräfte die Zerstäubung einsetzt. Um örtlich unerwünschte Brennstoffanreicherungen im Brennraum der Brennkammer, die zur Rußbildung Anlaß geben könnten, zu vermeiden, wird die Luftströmung durch die Zerstäuberdüse in einen primären und sekundären Strömungskanal geteilt und gegensinnig verdrallt, so daß im Brennraum entgegengerichtete Rotationswirbel erzeugt werden. Hierzu ist jedem Strömungskanal eine radial angeströmte Drallvorrichtung zugeordnet. Eine hohe Drallzahl des Luftstromes 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 vermeiden, 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- Brennstoffverhältnisses am Düsenaustritt nicht die gewünschte Homogenität aufweist, weil der primäre Luftstrom, der sich hauptsächlich am Mischungsprozeß beteiligt, geringer als der sekundäre Luftstrom ist.
Aus der GB 2 272 756 A ist eine Einspritzvorrichtung für eine Brennkammer bekannt, die einen Zerstäuber, mehrere Kanäle und eine Vormischstrecke umfaßt, wobei der Brennstoff zunächst an die Kanäle umschließenden Leitelementen mit Zerstäuberlippen zerstäubt und anschließend in der Vormischstrecke mit den Luftströmen aus den Kanälen, die in die Vormischstrecke münden, vermischt wird. Die Vormischstrecke ist konvergent-divergent ausgebildet, um eine gute Vermischung des zerstäubten Brennstoffs mit den Luftströmen zu gewährleisten.
In der GB 1 099 959 und der GB 2 094 464 A wird ein Brenner für feste oder flüssige Brennstoffe offenbart, bei dem der Brennstoff mit mehreren Luftströmen vermischt wird, deren Kanäle durch konzentrisch angeordnete Rohre mit divergenten Austrittsdüsen gebildet werden. Beim Einsatz von flüssigen Brennstoffen wird dieser in einer Druckzerstäubung an der Eintrittsstelle in den Düsenraum zerstäubt.
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 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 Luftscherkräfte 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 Kanalverlauf bestimmt und begrenzt. Die beiden konzentrisch zur Brennerachse 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 Zerstäuberlippe 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 mittels 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 11 der Brennkammer 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 11 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 (5)

  1. Brenner für Brennkammern (2) von Gasturbinen mit einer Zerstäuberdüse (3) zum Zerstäuben von Brennstoff in der Verbrennungsluft, die einen primären und einen sekundären Strömungskanal (4,5) stromaufwärts des Brennraumes (11) der Brennkammer (2) durchströmt, wobei der Brennstoff auf eine Wandung in der Zerstäuberdüse (3) gespritzt wird und die in den Brennraum (11) mündenden Strömungskanäle (4,5) von einem bezüglich der Brennerachse A konzentrisch angeordneten, ersten Bauteil (6) mit einer hülsenförmigen, zylindrisch oder konisch verjüngend verlaufenden Zerstäuberlippe (8) getrennt werden und der äußere, sekundäre Strömungskanal (5) von einem konzentrisch angeordneten ringförmigen zweiten Bauteil (7) mit konvergent-divergent verlaufender Innenwandung (14) nach radial außen begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil (7) in der Zerstäuberdüse (3) 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 durchströmt.
  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 in den Strömungskanälen (4,5) jeweils vor ihren Austrittsabschnitten (A) Drallvorrichtungen (12) angeordnet sind.
  4. Brenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (4,5) so ausgebildet sind, daß das Massenstromverhältnis der 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 Zerstäuberliuppe (8) eingespritzt wird.
EP97936627A 1996-07-10 1997-07-08 Brenner mit zerstäuberdüse Expired - Lifetime EP0910776B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19627760 1996-07-10
DE19627760A DE19627760C2 (de) 1996-07-10 1996-07-10 Brenner mit Zerstäuberdüse
PCT/EP1997/003595 WO1998001706A1 (de) 1996-07-10 1997-07-08 Brenner mit zerstäuberdüse

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0910776A1 EP0910776A1 (de) 1999-04-28
EP0910776B1 true EP0910776B1 (de) 2001-08-22

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP97936627A Expired - Lifetime EP0910776B1 (de) 1996-07-10 1997-07-08 Brenner mit zerstäuberdüse

Country Status (5)

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EP (1) EP0910776B1 (de)
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