DE60216023T2

DE60216023T2 - Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE60216023T2
Application number: DE60216023T
Authority: DE
Inventors: David James Sherwood
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2022-08-24
Also published as: GB2379499A; EP1291581A3; EP1291581B1; GB2379499B; EP1291581A2; GB0215146D0; DE60216023D1; US20030046934A1; US7395669B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Brenneinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk.
Insbesondere betrifft sie verbesserte Mittel zum Kühlen der Lufteinlaufrinnen einer Gasturbinenbrenneinrichtung, insbesondere ein Mittel zum Konfigurieren der Oberfläche einer Lufteinlaufrinne derart, dass der Wärmeübergang zwischen der Rinne und der dadurch strömenden Luft verstärkt wird.
Der größere Teil der in eine Brenneinrichtung eintretenden Luft tritt an dem stromaufwärtigen (Front-)Ende ein, gewöhnlich nahe den Brennstoffeinspritzstellen. Die Luft vermischt sich mit Brennstoff und unterstützt dessen Verdampfung, der dann zündet und verbrennt. Während dieses Prozesses erfolgt die Massenbewegung des brennenden Gases von vorne nach hinten in der Brenneinrichtung und tritt zur Turbine aus.
Das einfache Luft- und Brennstoffmischverfahren erreicht keine vollständige Verbrennung und kann in unerwünschten Emissionen von unverbranntem Kohlenstoff und Kohlenwasserstoff sowie in einem nicht optimalen Turbineneintrittstemperaturprofil resultieren. Eine üblicherweise benutzte Lösung dieser Situation ist das Durchstechen der Brennkammerwand durch eine Vielzahl einfacher Löcher, um zusätzliche oder "Verdünnungs"-Luft zur Vervollständigung des Verbrennungsprozesses bereitzustellen. Da jedoch die Löcher relativ kleine Luftmengen in die Brennkammer leiten, gewöhnlich senkrecht zur Massenströmung, ist das Moment der Verdünnungsluft viel kleiner und sie hat daher eine unzureichende Durchdringungstiefe, um voll wirksam zu sein. Eine Verbesserung kann durch Anwenden von Lufteinlaufrinnen in die Löcher erhalten werden, um die Verdünnungsluft gegen den Hauptgasstrom abzuschirmen und das Umlenken der Luftrichtung in einen spitzen Winkel zur Hauptströmung zu unterstützen.
Die Rinnen haben den Nachteil, sie, weil sie unmittelbar stromab der Brennstoffeinspritzer angeordnet sind, Überhitzung und nachfolgende Erosion aufgrund der Aussetzung gegen hohe Temperaturen und ihrer engen Nähe zum Verbrennungsbereich erfahren. Die UK-Patentanmeldung GB 20 37 419 A (D1) lehrt eine Lufteinlaufrinne, die mit einem honigwabenartigen Einsatz zum Erzeugen einer Mehrzahl von Kanälen innerhalb der Rinne ausgestattet ist. Dies ermöglicht eine größere direkte Kontrolle über die eingeleitete Luft über eine gegebene Länge der Rinne. Daher kann eine mit einem solchen Einsatz versehene kurze Rinne eingesetzt werden, um dasselbe Ausmaß an direkter Kontrolle über die Luftströmung zu erreichen, wie eine längere Rinne ohne den Einsatz, aber muß nur um eine kurze Distanz in die Brennkammer eindringen. Folglich wird eine Rinne mit einer Honigwabe weniger der thermischen Verschlechterung ausgesetzt sein, als eine Rinne ohne einen solchen Einsatz. Jedoch bringt die ebene Oberfläche der den Einsatz bildenden Struktur wenig zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Luft und dem Rinnenmaterial und bildet auch ein teilweises Hindernis, wodurch der Druckabfall erhöht wird, der erforderlich ist, um eine geforderte Menge an Verdünnungsluft in die Brennkammer einzubringen.
Die US 4 233 123 beschreibt einen ringförmigen Kühlring mit einer aufgerauhten Fertigoberfläche zur Steigerung des Wärmeübergangs zwischen der Brennkammerwand und der durch den Ring strömenden Luft. Die zum Erzeugen der Fertigoberfläche verwendete Technik erfordert eine große Menge an zugänglichem Raum und ist nur praktikabel, weil beide Seiten der ringförmigen Lippe zum Erzeugen einer aufgerauhten Oberfläche vor der Montage bearbeitet werden können. Ein solches Verfahren ist nicht in dem kleinen und eingeschlossenen verfügbaren Raum einer typischen Einlaufrinne praktikabel.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Brenneinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, mit einer Brennkammerwand, in der mindestens eine Öffnung für den Eintritt von Luft in die Brennkammer und mindestens eine koaxial mit der Öffnung angeordnete Brennkammerlufteinlaufrinne gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne mit mindestens einer erhabenen Struktur versehen ist, die in das Innere der Rinne hineinragt, und die im Betrieb des Triebwerks bewirkt, dass die Grenzschicht der Luftströmung durch die Rinne unterbrochen wird, um dadurch den Wärmeübergang zwischen dem Material der Rinne und der darüber strömenden Luft zu vergrößern.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht aus einer Rinne mit inneren Rippen oder Vorsprüngen oder irgendeiner Kombination oder Anordnung von erhöhten Strukturen auf ihrer Innenoberfläche. Diese können im Querschnitt eine rechteckige, gerundete oder irgendeine andere Form haben. Die erhabenen Strukturen können um den Innenumfang der Rinne, entlang ihrer Achse oder in einem anderen Muster wie beispielsweise spiralig um die Rinne angeordnet sein. Die Erhebungen können kontinuierlich oder intermittierend ausgebildet sein. Vorsprünge können irgendeine von einer Vielfalt von Geometrien haben, einschließlich zylindrisch oder rechteckig, und in einer Vielfalt von Mustern angeordnet sein.
Jedes erhabene Element ist der durch die Rinne gelangenden Luft ausgesetzt. Dies dient zur Erhöhung des Wärmeübergangs von der Rinne. Jedes der Elemente sollte zum Optimieren der Strömung über diese positioniert sein. Die Erfindung stellt im Hinblick auf eines ihrer Ziele sicher, dass die Lufteinlaufrinne weniger der Überhitzung ausgesetzt ist als eine herkömmliche Rinne, wodurch die Rinnenstandzeit verlängert und die Verschlechterung der Brenneinrichtungsleistung vermindert wird. Des weiteren, da die Rinnen beständiger gegen hohe Temperatur sind, können sie an Positionen innerhalb der Brenneinrichtung angeordnet sein, wo eine Rinne ohne verbesserte Wärmeübergangseigenschaften nicht halten würde.
Erhabene Elemente in den Lufteinlaufrinnen stören die Luftströmung und erhöhen die Turbulenz im Umkreis des Luftstrahls. Zu weiteren Vorteilen der Erfindung gehören jedoch auch eine Möglichkeit der verbesserten Mischung des Luftstrahls innerhalb der Brenneinrichtung. Die erhabenen Elemente können auch zum Beeinflussens des Verhaltens des Luftstrahls durch Wirbelverringerung oder Veränderung des Geschwindigkeitsprofils benutzt werden.
Die Erfindung und wie sie aufgebaut und betrieben werden kann, wird nunmehr mehr im Einzelnen unter beispielsweiser Bezugnahme auf eine Ausführungsform beschrieben, die in den anliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
1 einen Schnitt durch eine Gasturbinentriebwerks-Brenneinrichtung mit einer Mehrzahl von Lufteinlaufrinnen nach der Erfindung zeigt,
die 2A, 2B und 2C eine detailliertere Draufsicht und zwei Schnittdarstellungen der Lufteinlaufrinne nach 1 mit Umfangsrippen als erhabene Elemente zeigen,
die 3A, 3B eine detailliertere Draufsicht und eine Schnittdarstellung der Lufteinlaufrinne nach 1 mit axialen Rippen als erhabene Elemente zeigen,
4 eine detailliertere Schnittdarstellung einer Lufteinlaufrinne mit Vorsprüngen als erhabene Merkmale zeigt.
1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Gasturbinentriebwerksbrenneinrichtung 2. Die Gesamtkonstruktion und der Betriebe des Triebwerks ist von herkömmlicher Art, was auf dem Fachgebiet bekannt ist, und wird in dieser Beschreibung nicht über das hinaus beschrieben, was zum Verständnis der Erfindung notwendig ist.
Die Brenneinrichtung 2 weist eine innere Wand 4 und eine äußere Wand 6 auf, die durch eine Kappe 8 und eine Dosierplatte 10 verbunden sind. Ein Brennstoffeinspritzer 12 verläuft durch die Kappe 8 durch eine Öffnung 14 hindurch, wo der Brennstoffeinspritzerkopf 16 innerhalb einer Hülse 18 in der Dosierplatte 10 angeordnet ist, während das freie Ende des Einspritzers in den Brennbereich hineinragt. Der Einspritzerkopf 16 weist eine Öffnung auf, durch welche Brennstoff strömt, und hat Luftkanäle, um den Lufteintritt in den Brennbereich zu ermöglichen.
Bei diesem Beispiel sind zwei Reihen von Öffnungen 20, 22 mit Abständen um den Umfang der Wände 4, 6 vorgesehen. Koaxial mit den Öffnungen 22 sind Rinnen 24 an den Wänden 4, 6 befestigt. Diese können zylindrisch sein und den gleichen Durchmesser wie die Öffnung 22 sowie ein abgewinkeltes Ende haben.
Im Betrieb wird druckbeaufschlagte Luft hoher Geschwindigkeit aus dem Triebwerksverdichter (nicht dargestellt) stromauf der Brenneinrichtung 2 auf drei Strömungswege aufgeteilt, wenn sie die Brenneinrichtung 2 erreicht. Ein Teil der Luft gelangt durch die Öffnung 14 um den Brennstoffeinspritzer und durch die Luftkanäle im Brennstoffeinspritzerkopf 16 in den Brennbereich. Weitere Luft gelangt um die Außenseite der Brenneinrichtung 2, wo sie durch die (nicht dargestellten) Innen- und Außengehäuse der Brenneinrichtung kanalisiert wird, und tritt durch Öffnungen 20, 22 in die Brennkammer ein, wobei sie über Wärmeübergangselemente 25 gelangt.
Der Verbrennungsprozeß nimmt den gesamten Raum der Brennkammer 2 ein, kann aber, grob gesagt, in einen Kernbrennbereich (mit niedrigem Luft-Brennstoff-Verhältnis) unmittelbar stromab der Dosierplatte 10 und einen Verdünnungsbereich (mit höherem Luft-Brennstoff-Verhältnis) unterteilt werden, der ungefähr die letzten zwei Drittel des Brennbereichs einnimmt, bevor das Gas die Brenneinrichtung 2 zur Turbine (nicht dargestellt) verlässt. Die Öffnungen 20, 22 stellen Luft für die Verdünnung bereit. Die Rinnen 24 sind erforderlich, um die notwendige Eindringung zur wirksamen Verdünnung des Verbrennungsbereichs zu erreichen. Wegen ihrer engen Nähe zum Verbrennungsbereich sind die Rinnen 24 der Überhitzung ausgesetzt.
Die inneren Oberflächen der Lufteinlaufrinnen 24 sind so konfiguriert, dass sie das Wärmeübergangsverhältnis zwischen dem Rinnenmaterial und der darüber strömenden Luft während des Betriebs des Triebwerks vergrößern. Eine mögliche Weise, dies zu erreichen, ist das Anordnen von erhöhten Elementen 25 auf der inneren Oberfläche der Rinne 24, wobei ein Beispiel davon als umfangsmäßige Rippe 26 in 1 und mehr im Einzelnen in Draufsicht und zwei Schnittdarstellungen in den 2A, 2B und 2C dargestellt ist.
Alternativ dazu könnte das erhabene Element 25 als axiale Rippe 28 ausgebildet sein, die in 3A in Draufsicht und in 3B als Schnittdarstellung dargestellt ist. Die umfangsmäßige Rippe 26 und die axiale Rippe 28 sind mit quadratischem Profil gezeigt, können aber in der Praxis irgendeine Form, irgendeinen Abstand und Häufigkeit haben, um den gewünschten Effekt der Verstärkung des Wärmeübergangs zu bringen.
Eine weitere Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Erhebungen 30, die auf der Innenoberfläche der Rinne 24 angebracht sind, wie in 4 gezeigt ist. Die Erhebungen 30 sind als zylindrische Vorsprünge in den Luftstrom gezeigt, jedoch braucht ihre Gestaltung nicht auf eine zylindrische Konfiguration beschränkt sein und kann kugelig, konisch, pyramidenförmig oder rechteckig sein. In gleicher Weise ist der Abstand und das Anordnungmuster der Erhebungen 30 nur schematisch dargestellt, und die Ausführungsform kann irgendein solches Muster haben, das die Wärmeübergangseigenschaften der Rinne 24 verbessert.
Das erhabene Element 25 kann an dem Rinnenmaterial durch mechanische Mittel wie beispielsweise Schweißen oder Nieten befestigt sein, oder es kann durch Maßnahmen wie beispielsweise geformte Metallablagerung aufgebracht werden. Eine weitere Ausführungs form ist die Ausbildung des erhabenen Elements 25 einstückig mit dem Rinnenmaterial, wie beispielsweise durch Gießen. In manchen Fällen kann es bevorzugt sein, die Elemente in die Rinne 24 einzuarbeiten. Alternativ kann die gewünschte Oberflächengestaltung in eine vorgeformte ebene Rinne 24 unter Verformung des Ausgangsmaterials eingedrückt werden.
Das Wärmeübergangsverhältnis zwischen dem Rinnenmaterial und der darüber strömenden Luft wird während des Betriebs des Triebwerks durch Stören eines Teils des Massenluftstroms verstärkt, der laminar oder turbulent sein kann, je nach den Triebwerkslaufbedingungen. In einer Rinne 24 mit im wesentlichen glatten und elementenloser Typologie ist eine laminare Grenzschicht zwischen der Rinnenoberfläche 24 und dem Massenkernluftstrom vorhanden, die einen Wärmefluß der Leitung und Konvektion verhindert. Die erhabenen Elemente 25 nach der Erfindung ragen derart in den Luftstrom, dass selbst unter relativ schwachen Strömungsbedingungen die kontinuierliche laminare Grenzschicht unterbrochen und die Turbulenz an der Peripherie des Massenluftstroms verstärkt wird. Dies steigert den Wärmeübergang zwischen der Rinne 24 und dem Luftstrom. Da in einem Gasturbinentriebwerk hohe Luftgeschwindigkeiten vorhanden sind, brauchen die erhabenen Elemente 25 den Luftstrom nicht wesentlich zu behindern, um den gewünschten Kühleffekt zu bewirken.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die erhabenen Elemente eine Höhe von mindestens 1 mm.

Claims

Brenneinrichtung (2) für ein Gasturbinentriebwerk, mit einer Brennkammerwand (4, 6), in der mindestens eine Öffnung (22) für den Eintritt von Luft in die Brennkammer (2) und mindestens eine koaxial mit der Öffnung (22) angeordnete Brennkammerlufteinlaufrinne (24) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (24) mit mindestens einer erhabenen Struktur (25) versehen ist, die in das Innere der Rinne (24) hineinragt, und die im Betrieb des Triebswerks bewirkt, daß die Grenzschicht der Luftströmung durch die Rinne (24) unterbrochen wird, um dadurch den Wärmeübergang zwischen dem Material der Rinne (24) und der darüber strömenden Luft zu vergrößern.
Brenneinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Lufteinlaufrinnen (24) mindestens eine erhabene Struktur (25) aufweist, die als umfangsmäßige Rippe (26) ausgebildet ist.
Brenneinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Lufteinlaufrinnen (24) mindestens eine erhabene Struktur (25) aufweist, die als axiale Rippe (28) ausgebildet ist.
Brenneinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Lufteinlaufrinnen (24) mindestens eine erhabene Struktur (25) aufweist, die als Noppen (30) ausgebildet ist.
Brenneinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die mindestens eine erhabene Struktur (25) durch Verformung des Materials der Lufteinlaufrinne (24) gebildet ist.
Brenneinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine erhabene Struktur (25) einstückig mit dem Material der Lufteinlaufrinne (24) ausgebildet ist.
Brenneinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine erhabene Struktur (25) durch mechanische Mittel an der Lufteinlaufrinne (24) befestigt ist.
Brenneinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kombination irgendwelcher der mindestens einen erhabenen Strukturen (25, 26, 28, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Brenneinrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine erhabene Struktur (25, 26, 28, 30) eine Höhe von mindestens 1 mm hat.