DE4116405A1 - Selbst-betaetigter verwirbler mit variabler geometrie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen­ triebwerks-Verbrennungssysteme und insbesondere auf einen Verwirbler mit variabler Geometrie zum Mischen von Luft und Brennstoff in derartigen Verbrennungsystemen.

Viele Brennkammern in Gasturbinentriebwerken verwenden die Strömung verändernde Vorrichtungen, wie beispielsweise Verwirbler, um Brennstoff und Luft zu mischen und die Verteilung des daraus resultierenden Gemisches in der Brennkammer zu unterstützen. Die Verwirbelungsluft ver­ größert die Tendenz des Brennstoffes für eine Atomisierung bzw. Zerstäubung, wodurch ein besseres Gemisch und somit eine effizientere Verbrennung des Gemisches in der Brennkammer entsteht.

Üblicherweise kann der Verwirbler eine Verwirbelungskappe aufweisen, die um eine Brennstoffdüse in einem Dom an dem stromaufwärtigen Ende einer hohlen Auskleidung angeordnet ist, die die Brennkammer bildet. Die Verwirbelungskappe enthält mehrere radiale, axiale oder eine Hybrid-Kombina­ tion von radialen und axialen Verwirbelungsschaufeln, die in der Verwirbelungskappe stromaufwärts von der Ausgangs­ ebene des Brennstoffs angeordnet sind. Die Verwirbelungs­ schaufeln sorgen für eine sehr turbulente Scherströmung, die eine schnelle Zerstäubung und Vermischung von Brenn­ stoff und Luft bewirkt. Üblicherweise haben diese Ver­ wirbler eine feste Geometrie. Das heißt, die Menge oder Austrittsrichtung oder der Verwirbelungswinkel der Luft aus dem Verwirbler ist relativ konstant, unabhängig von der Brennstoffmenge, die in die Brennkammer injiziert wird.

Diese eine feste Geometrie aufweisenden Verwirbler können jedoch nicht für einen stabilen Betrieb und eine hohe Effizienz über einem breiten Bereich von Temperaturan­ stiegsbedingungen sorgen, der in derzeitigen fortgeschrit­ tenen Gasturbinentriebwerken gefordert wird. Bei kleineren Leistungen sind geringe Luftströmungen in den Brennkammer­ dom erforderlich für eine gute Verbrennungsstabilität. Weiterhin erfordern das Anlassen (d. h. Triebwerkszündung) und Leerlaufbedingungen relativ reiche Brennstoff/Luft- Gemische und geringe Luftgeschwindigkeiten in dem Brenn­ kammerdom für einen stabilen Betrieb. Andererseits erfordert bei großen Leistungen, wo die Brennkammer- Ausgangstemperatur hohe Werte erreicht, die Brennkammer große Luftströmungen und große Geschwindigkeiten in dem Brennkammerdom für einen hohen Verbrennungs-Wirkungsgrad und geringe Entwicklung von Rauch und NOx.

Dieses Problem kann gelöst werden durch Verwendung von eine variable Geometrie aufweisenden Verwirblern, wo der Brenn­ stoff und die Luft zunächst gemischt werden. Verwirbler mit variabler Geometrie sind mit gutem Erfolg verwendet worden, um die gewünschte Brennkammerdom-Stöchiometrie über einem weiten Bereich von Temperaturanstiegszuständen zu liefern. Verwirbler mit variabler Geometrie enthalten im allgemeinen eine Verwirbelungskappe mit extern betätigten Verwirbe­ lungsschaufelsystemen. Die extern betätigten Verwirbelungs­ schaufelsysteme von Verwirblern mit variabler Geometrie erfordern jedoch eine sehr komplexe Anordnung von rotieren­ den Wellen, großen Gleichlaufringen und Hebeln, um die Verwirbelungsschaufeln mechanisch zu bewegen und die Luftströmung in der Verwirbelungskappe zu verändern. Diese mechanisch betätigten Systeme haben zusätzliche Kosten, zusätzliches Gewicht und Probleme bezüglich der Betriebs­ sicherheit des Verbrennungssystems zur Folge.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen Vewirbler mit variabler Geometrie zu schaffen, der kein extern betätigtes System benötigt. Der Verwirbler soll auch kein komplexes, mechanisch betätigtes System erfordern. Ferner soll ein Verwirbler mit variabler Geometrie geschaffen werden, der wenige Bauteile hat und somit geringere Kosten und weniger Triebwerksgewicht benötigt. Schließlich soll ein automatisch betätigtes System geschaffen werden, das Triebwerks-Steuerungserfordernisse oder -mechanismen eliminiert.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird, kurz gesagt, ein Verwirbler mit variabler Geometrie geschaffen, der ein selbst-betätigtes System mit variabler Geometrie aufweist, um zunächst den Brennstoff und die Luft zu mischen. Der Verwirbler mit variabler Geometrie enthält mehrere Verwirbelungsschaufeln, die aus einem auf Tempera­ tur ansprechenden Material hergestellt und zwischen offenen und geschlossenen Position bewegbar sind als eine Funktion der Temperatur, wenn die Verwirbelungsschaufeln einer Erhitzung ausgesetzt sind.

Somit wird erfindungsgemäß kein extern betätigtes System für den Verwirbler mit variabler Geometrie benötigt. Infolgedessen eliminiert die Erfindung das Erfordernis für externe Gleichlaufringe, Hebel und Steuerungssysteme, die gewöhnlich in einem komplexen mechanischen Betätigungs­ system gefunden werden. Ferner erfordert die Erfindung weniger Teile, wodurch das Gewicht und die mechanische Komplexität des Triebwerks vermindert werden, woraus ein Triebwerk mit geringeren Kosten resultiert. Ferner schafft die Erfindung ein automatisch betätigtes System, das Triebwerkssteuerungserfordernisse oder -mechanismen eliminiert.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht von einem Gasturbinen­ triebwerk.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht von dem in Fig. 1 eingekreisten Abschnitt und stellt eine Brennkammer dar.

Fig. 3 ist ein Teilschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 und zeigt den selbst-betätigten Verwirbler mit variabler Geometrie gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein übliches Gasturbinentriebwerk 10, wie beispielsweise ein Turbonfan-Gasturbinentriebwerk, gezeigt. Das Gasturbinentriebwerk 10 enthält ein äußeres Gehäuse oder eine Gondel 12, die an ihrem stromaufwärtigen Ende eine Einströmung 14 bildet, die für eine vorbestimmte Luftströmung bemessen ist. In der Einströmung 14 ist ein Fan bzw. Bläser 16 angeordnet. Der Fan 16 verdichtet die Luftströmung aus der Einströmung 14. Stromabwärts von dem Fan 16 ist ein Kerntriebwerk 18 angeordnet. Das Kern­ triebwerk 18 enthält einen Axialströmungsverdichter 20. Verdichtete Luft aus dem Fan 16 tritt in das Kerntriebwerk 18 ein und wird durch den Verdichter 20 weiter verdichtet und in einen Brennkammerabschnitt 22 ausgestoßen. Dort wird Brennstoff verbrannt, um für hochenergetische Verbrennungs­ gase zu sorgen, die eine Kerntriebwerksturbine 24 an­ treiben. Die Kerntriebwerksturbine 24 treibt ihrerseits den Verdichter 20 über eine Welle 26 an, wie es bei einem Gasturbinentriebwerk üblich ist. Heiße Gase können dann zu einer Fanturbine 28 strömen und diese antreiben, die ihrer­ seits den Fan 16 in üblicher Weise über eine Welle 13 antreibt. Eine genauere Beschreibung des Gasturbinen­ triebwerks 10 ist in den US-Patentschriften 38 79 941 oder 40 80 785 gegeben.

In Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung der Brennkammer 20 gezeigt. Vorzugsweise ist die Brennkammer 22 eine ring­ förmige Brennkammer mit vielen Brennstoffdüsen, die in Umfangsrichtung in der ringförmigen Brennkammer angeordnet sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Brenn­ kammerabschnitt 22 ringförmig sein kann, wo zahlreiche derartige Abschnitte in Umfangsrichtung um das Gasturbinen­ triebwerk 10 herum angeordnet sind. Der Brennkammer­ abschnitt 22 enthält eine hohle Auskleidung 32, die darin eine Brennkammer 34 bildet. Die hohle Auskleidung 32 weist einen in Querrichtung verlaufenden, stromaufwärtigen Dom 36 auf, der integral darin ausgebildet ist. Wie allgemein bekannt ist, kann die Brennkammer 34 ring- oder becher­ förmig sein.

Die Brennkammer 22 enthält auch einen äußeren Mantel 38 und ein inneres Gehäuse 40, das um die hohle Auskleidung 32 herum ausgebildet ist und in Kooperation mit der hohlen Auskleidung 32 äußere bzw. innere Strömungskanäle 42 und 44 bildet.

Die Strömungskanäle 42 und 44 können bekanntlich einen Teil der verdichteten Luft von einer geeigneten Quelle, wie beispielsweise den Verdichter 20, in die Brennkammer 34 über geeignete Öffnungen oder Jalousien 46 in der hohlen Auskleidung 32 einführen.

Die verdichtete Luft wird von dem Verdichter 20 über einen Stufendiffusor 50 zugeführt, woraufhin die Luft zwischen den äußeren und inneren Strömungskanälen 42 und 44 aufge­ teilt wird, wobei ein Teil der Luftströmung durch eine Öffnung 52 eintritt, die durch ein Rüsselteil 54 gebildet ist, der stromaufwärts von dem Dom 36 angeordnet ist und mit diesem zusammenarbeitet, um eine Ringkammer 56 zu bilden. Der Rüsselteil 54 kann einstückig mit dem Dom 36 ausgebildet oder daran befestigt sein und kann an dem äußeren Gehäuse 38 durch geeignete Mittel, wie beispiels­ weise Befestigungselemente 58, befestigt sein. Die Luft­ strömung aus der Ringkammer 56 tritt in einen Verwirbler 60 ein. Die verdichtete Luft, die den Strömungskanälen 42 und 44 zugeführt ist, kühlt die hohle Auskleidung 32 und strömt durch die Jalousien 46, um die gasförmigen Verbrennungs­ produkte in bekannter Weise zu verdünnen. Eine Zündein­ richtung 61 ist in das äußere Gehäuse 38 eingeschraubt und erstreckt sich in die Brennkammer 34 nahe dem stromab­ wärtigen Ende des Verwirblers 60, um das Brennstoff- und Luftgemisch in bekannter Weise zu zünden.

Der Brennstoff für die Verbrennung wird von einer Brennstoffquelle (nicht gezeigt) einem Brennstoffrohr 62 zugeführt, das mit dem äußeren Gehäuse 38 durch einen Befestigungsbügel 64 verbunden ist. Der Befestigungsbügel 64 ist an dem äußeren Gehäuse 38 durch geeignete Mittel, wie beispielsweise Befestigungsglieder 66, befestigt. Das Brennstoffrohr 62 ist gekrümmt, um so in die Öffnung 52 des Rüsselteils 54 zu passen. Eine Brennstoffdüse 68 ist an dem Ende des Brennstoffrohres 62 innerhalb der Ringkammer 56 angeordnet.

Der Verwirbler 60 ist um die Brennstoffdüse 68 herum angeordnet oder umgibt diese und ist mit dem Dom 36 verbunden. Der Verwirbler 60 weist einen im wesentlichen zylindrischen Verwirbelungsbecher 70 auf, der einstückig mit dem Dom 36 ausgebildet oder an diesem befestigt sein kann. Der Verwirbelungsbecher 70 ist von einem sich erweiternden, trichterförmigen Auslaß 72 an dem stromab­ wärtigen Ende umgeben, das sich in die Brennkammer 34 hinein erstreckt. Der Verwirbelungsbecher 70 hat einen ringförmigen und radial verlaufenden Flansch 73 an seinem stromaufwärtigen Ende. Ein Venturi-Mantel 74 ist teilweise innerhalb des Verwirbelungsbechers 70 angeordnet und umgibt das Ende der Brennstoffdüse 68. Der Venturi-Mantel 74 hat eine ringförmige Scheibe 76, die einstückig mit dem Verwirbelungsbecher 70 ausgebildet oder daran befestigt sein kann. Die ringförmige Scheibe 76 ist mit axialem Abstand von dem radialen Flansch 73 angeordnet, um einen Strömungskanal zu bilden, durch den hindurch Luft aus einer im wesentlichen radialen Richtung eintritt, wie es durch die Pfeile angegeben ist, für eine sekundäre Strömung, die mit dem Brennstoff gemischt werden soll, der aus dem Venturi-Mantel 74 austritt. Der Venturi-Mantel 74 weist einen im wesentlichen ringförmigen, L-förmigen Teil 78 auf, der sich zwischen der Brennstoffdüse 68 und der ringförmigen Scheibe 76 erstreckt und der einstückig mit der ringförmigen Scheibe 76 ausgebildet oder daran befestigt sein kann. Der Verwirbler 60 weist ferner mehrere Strömungskanäle oder Öffnungen 80 in dem L-förmigen Teil 78 auf, durch die Luft aus einer im wesentlichen radialen und axialen Richtung, wie es durch die Pfeile angegeben ist, in den Venturi-Mantel 74 eintritt für eine primäre Strömung, die mit Brennstoff in dem Venturi-Mantel 74 gemischt werden soll.

Gemäß den Fig. 2 und 3 enthält die Verwirbelungs­ einrichtung 60 mehrere Verwirbelungsschaufeln 84, die selbst-betätigend sind, um eine sich selbst betätigende Verwirbelungseinrichtung variabler Geometrie gemäß der Erfindung zu bilden. Die Verwirbelungsschaufeln 84 verlaufen in radialer Richtung und sind in Umfangsrichtung innerhalb der Verwirbelungseinrichtung 60 zwischen dem radialen Flansch 73 und der Ringscheibe 76 angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwirbelungseinrichtung 60 eine unterschiedliche Geometrie haben kann, so daß die Verwirbelungsschaufeln 84 axial verlaufen können oder eine Mischung von radial und axial verlaufenden Schaufeln.

Die Verwirbelungsschaufeln 84 haben ein erstes Ende 86, das um einen ersten Stift 88 befestigt ist, der sich axial zwischen dem radialen Flansch 73 und der Ringscheibe 76 erstreckt. Die Verwirbelungsschaufeln 84 haben ein zweites Ende 90, dessen Bewegungsbahn durch Anschläge begrenzt sein kann, wie beispielsweise ein zweiter und dritter Stift 92 bzw. 93, die in axialer Richtung entweder von dem radialen Flansch 73 oder der Ringscheibe 76 ausgehen. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, begrenzt der zweite Stift 92 die Bewegungsbahn der Schaufel und positioniert präzise die Verwirbelungs­ schaufel 84 in der voll geöffneten Stellung, wie es durch die ausgezogenen Linien dargestellt ist. Der dritte Stift 93 begrenzt die Schaufelbewegungsbahn und positioniert präzise die Verwirbelungsschaufel 84 in der vollständig geschlossenen Stellung, wie es in gestrichelten Linien dargestellt ist.

Die Verwirbelungsschaufel 84 ist aus einem Bimetall- Material hergestellt, das auf Temperatur anspricht bzw. temperaturempfindlich ist. Die Verwirbelungsschaufel 84 kann ein erstes Band 94 aus einem ersten Material und ein zweites Band 96 aus einem zweiten Material aufweisen, das an dem ersten Band 94 befestigt oder einstückig damit ausgebildet ist. Das zweite Band 96 spricht auf Temperatur an, um das erste Band 94 als eine Funktion der Temperatur zu bewegen, wenn es erwärmt wird. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Verwirbelungs­ schaufeln 84 aus der Schließstellung in Gegen- Uhrzeigerrichtung ausgelenkt, wenn die Temperatur der Einlaßluftströmung ansteigt, wodurch der Meßspalt und die Luftströmung der Verwirbelungseinrichtung vergrößert werden. Ein bevorzugter Übergangsbereich der Verwirbelungsschaufeln 84 liegt zwischen 200°C (400°F) für geschlossene Schaufeln und 315°C (600°F) für geöffnete Schaufeln. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Bimetall­ streifen verwendet werden könnte, um einen Hebel zu betätigen, der die Verwirbelungsschaufeln 84 bewegt, oder es könnte ein temperaturempfindliches Metall "mit Gedächtnis" verwendet werden, um die Verwirbelungsschaufeln 84 zu betätigen.

Im Betrieb tritt eine verdichtete Luftströmung aus dem Verdichter 20 durch Öffnung 52 in die Ringkammer 56 ein. Die Luftströmung aus der Ringkammer 56 strömt durch die Strömungskanäle 80 und den Venturi-Mantel 74 für eine primäre Strömung. Die Luftströmung aus der Ringkammer 56 tritt durch den Kanal zwischen der Ringsscheibe 76 und den radialen Flansch 73. Die Verwirbelungsschaufeln 84 erteilen der in dem Kanal strömenden Luft eine Wirbelbewegung zur Ausbildung einer sekundären Strömung. Wenn der Brennstoff aus der Brennstoffdüse 68 austritt, wird er in der Verwirbelungseinrichtung 60 mit Luft gemischt, und das dabei entstehende Gemisch tritt in die Brennkammer 34 ein, um verbrannt zu werden. Die Wirbelbewegung der Luftströmung mischt die Luft mit dem Brennstoff, der aus der Brennstoff­ düse 68 in den Venturi-Mantel 74 austritt, wodurch eine Atomisierung bzw. Zerstäubung des Brennstoffes herbei­ geführt und dadurch eine bessere Mischung unterstützt wird.

Somit sind die Verwirbelungsschaufeln 84 selbst-betätigt, um sich zwischen Öffnungs- und Schließstellungen zu bewegen in Abhängigkeit von der Expansion und Kontraktion des die Verwirbelungsschaufel 84 bildenden Bimetallmaterials- oder Streifens. Die variable Geometrie der Verwirbelungs­ schaufeln 84 als Folge ihrer Bewegung oder Betätigung sorgt für eine sichere Steuerung der Brennkammerdom-Stöchio­ metrie. Da extern betätigte Mechanismen für die Verwirbelungsschaufeln 84 eliminiert sind, bilden die Verwirbelungsschaufeln 84 ein einfaches und zuverlässiges System mit geringem Gewicht. Da die Verwirbelungsschaufeln 84 selbst-betätigend sind, wird ein automatisch betätigendes System für die Verwirbelungsschaufeln 84 gebildet, bei dem das Erfordernis für eine Triebwerks­ steuerung eliminiert ist.

Claims (11)

1. Verwirbelungseinrichtung, die eine Brennstoffdüse in einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks umgibt, gekennzeichnet durch: Mittel zur Bildung einer Verwirbelungskappe (70), die ein stromaufwärtiges, die Brennstoffdüse (68) umgebendes Ende aufweist und sich in axialer Richtung zu einem strom­ abwärtigen Ende erstreckt, um dazwischen eine ringförmige Strömungsbahn zu bilden, und eine selbst-betätigte Verwir­ belungsschaufeleinrichtung (60), die in der Strömungsbahn angeordnet ist, zur Erzeugung einer Verwirbelungsluft­ strömung an ihrem stromabwärtigen Ende.

2. Verwirbelungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selbst-betätigte Schaufel­ einrichtung (60) mehrere Verwirbelungsschaufeln (84) mit einem festen ersten Ende (86) und einem bewegbaren zweiten Ende (90) aufweist.

3. Verwirbelungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungsschaufeln (84) aus einem auf Temperatur ansprechenden Material hergestellt sind, das das zweite Ende (90) zwischen ersten und zweiten Positionen als eine Funktion der Temperatur bewegt, wenn die Verwirbelungsschaufeln (84) Wärme ausgesetzt sind.

4. Verwirbelungsseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (92, 93) zum Begrenzen der Bewegungsbahn des zweiten Endes (90) vorgesehen sind.

5. Verwirbelungseinrichtung, die eine Brennstoffdüse in einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks umgibt, gekennzeichnet durch:
einen Venturi-Mantel (74), der die Brennstoffdüse (68) umgibt,
einen Verwirbelungsbecher (70), der den Venturi-Mantel (74) teilweise umgibt und mit diesem zusammenarbeitet zur Bildung einer ringförmigen Strömungsbahn dazwischen, mehrere Verwirbelungsschaufeln (84), die in der Strömungs­ bahn angeordnet sind und die hindurchströmende Luftströmung verwirbeln, und
auf Temperatur ansprechende Mittel (94, 96) zum Bewegen der Verwirbelungsschaufeln (84) zwischen geöffneten und geschlossenen Positionen als eine Funktion der Temperatur, wenn die Verwirbelungsschaufeln Wärme ausgesetzt sind.

6. Verwirbelungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungsschaufeln und die auf Temperatur ansprechenden Mittel einen Bimetall­ streifen bilden.

7. Verwirbelungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Temperatur ansprechen­ den Mittel wenigstens einen Streifen (96) aufweisen, der aus einem auf Temperatur ansprechenden Material hergestellt ist, um sich als eine Funktion der Temperatur zu bewegen.

8. Verwirbelungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Band (96) zwischen Öffnungs- und Schließstellungen bewegt, wenn die Temperatur in einem Bereich zwischen 200°C bzw. 400°F und 315°C bzw. 600°F ist.

9. Verwirbelungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (96) ein erstes, festes Ende (86) und ein zweites, bewegbares Ende (90) hat.

10. Verwirbelungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (92, 93) zum Begrenzen der Bewegungsbahn des zweiten Endes (90) vorgesehen sind.

11. Verwirbelungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Venturi-Mantel (74) ein die Brennstoffdüse (68) umgebendes stromaufwärtiges Ende hat und sich in axialer Richtung zu einem stromabwärtigen Ende erstreckt und eine radiale ringförmige Scheibe (76) aufweist,
der Verwirbelungsbecher (70) den Venturi-Mantel (74) umgibt und einen radialen Flansch (73) aufweist, der mit axialem Abstand von der Ringscheibe (76) angeordnet ist und mit dieser zusammenarbeitet zur Bildung einer ringförmigen Strömungsbahn dazwischen,
die radialen Verwirbelungsschaufeln (84) zwischen der Ringscheibe (76) und dem radialen Flansch (73) angeordnet sind und die durch diese Strömungsbahn strömende Luft verwirbeln,
ein erster Stift (88) sich in axialer Richtung zwischen der Ringscheibe (76) und dem radialen Flansch (73) erstreckt und
die radialen Verwirbelungsschaufeln (84) jeweils mit ihrem ersten Ende (86) an dem ersten Stift (88) befestigt sind,
wobei die radialen Verwirbelungsschaufeln (84) aus einem Bimetall-Material hergestellt sind, das das zweite Ende (90) zwischen Öffnung- und Schließstellungen als eine Funktion der Temperatur in dem Bereich zwischen 200°C bzw. 400°F und 315°C bzw. 600°F bewegt, wenn die radialen Verwirbelungsschaufeln Wärme ausgesetzt sind.