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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine sowie eine Gasturbine mit einem verbesserten Brenner.
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Brenner von Gasturbinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Die Brenner von Gasturbinen sind üblicherweise an einer Brennkammer angeordnet, wobei eine Vielzahl von Brennern auf einem Durchmesser angeordnet ist. Jeder Brenner weist eine Treibstoffdüse zum Zuführen von Brennstoff und einen Luftkanal zum Zuführen von Verbrennungsluft auf. Aus der
US 2014/0291418 A1 ist ferner ein Brenner einer Gasturbine bekannt, bei dem eine Treibstoffdüse zwischen einem inneren Luftkanal und einem äußeren Luftkanal angeordnet ist. Im äußeren Luftkanal sind Schaufeln angeordnet, um die Strömung mit einem Drall zu beaufschlagen. Der äußere Luftkanal ist dabei derart vorgesehen, dass die Luft radial nach innen geführt wird und sich dort zusammen mit der Luft, die durch den inneren Luftkanal strömt, vermischt. Die Luft, die aus dem inneren Luftkanal ausströmt, wurde zuvor bereits mit dem Brennstoff vermischt, welcher kurz vor dem Vermischungsgebiet der beiden Luftströme über einen ebenfalls radial nach innen gerichteten Schlitz zugeführt wird. Der äußere Luftkanal weist eine Kanalinnenwand und eine Kanalaußenwand auf, welche über die gesamte Axiallänge des äußeren Luftkanals parallel zueinander geführt sind. Im geneigten Austrittsbereich des äußeren Luftkanals sind die Kanalinnenwand und die Kanalaußenwand ebenfalls parallel geführt, wodurch sich senkrecht zu einer Brennermittelachse jedoch eine Querschnittsfläche des äußeren Luftkanals in Durchströmungsrichtung reduziert. Die aerodynamische Formgebung des äußeren Luftkanals bestimmt wesentlich die Luftführung durch den äußeren Luftkanal und damit auch die Vermischung von Luft und Brennstoff sowie die Verteilung von Luft und Kraftstrom stromabwärts der Treibstoffdüse. Dieser äußere Luftkanal ist aerodynamisch jedoch nicht optimal ausgebildet.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner einer Gasturbine bereitzustellen, welcher bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine aerodynamisch verbesserte Luftführung im Brenner ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbine mit einem aerodynamisch verbesserten Brenner bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Brenner einer Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass eine verbesserte Aerodynamik hinsichtlich einer Luftführung des äußeren Luftstroms in einem äußeren Luftkanal erreicht wird. Dadurch kann eine bessere Vermischung von Luft und Brennstoff stromabwärts des Brenners erreicht werden, sodass eine verbesserte Verbrennung des Brennstoffs erreicht wird. Hierdurch ergeben sich signifikante Vorteile hinsichtlich der Luft-Treibstoffmischung und somit den Emissionen einer Gasturbine. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Brenner neben dem äußeren Luftkanal einen inneren Luftkanal sowie eine Treibstoffdüse zum Zuführen von Brennstoff aufweist. Ferner ist eine Vielzahl von Umlenkelementen im äußeren Luftkanal angeordnet. Der äußere Luftkanal weist einen Zufuhrbereich und einen Austrittsbereich auf. Der Zufuhrbereich ist parallel zu einer Brennermittelachse angeordnet und weist in Durchströmungsrichtung vor den Umlenkelementen einen ersten Unterbereich und in Durchströmungsrichtung nach den Umlenkelementen einen zweiten Unterbereich auf. In Durchströmungsrichtung weisen der erste und zweite Unterbereich eine konstante gleichgroße erste Querschnittsfläche Q1 senkrecht zur Brennermittelachse auf. Der Austrittsbereich ist in Richtung zur Brennermittelachse geneigt und weist in Durchströmungsrichtung eine konstante zweite Querschnittsfläche Q2 senkrecht zur Brennermittelachse auf. Die zweite Querschnittsfläche Q2 ist dabei gleichgroß wie die erste Querschnittsfläche Q1. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird der äußere Luftkanal aerodynamisch optimal ausgebildet, sodass eine hervorragende Vermischung von Luft aus dem äußeren Luftkanal mit der Luft und dem Brennstoff, welche radial innerhalb des äußeren Luftkanals zugeführt werden, erreicht wird. Somit weist der äußere Luftkanal eine gleichbleibende Querschnittsfläche auf, wobei der Abschnitt des Zufuhrbereichs, in welchem die Umlenkelemente angeordnet sind, eine um den Querschnitt der Umlenkelemente reduzierte Querschnittsfläche aufweist.
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Die Umlenkelemente sind vorzugsweise ausschließlich im Zufuhrbereich des äußeren Luftkanals angeordnet. Die Umlenkelemente beaufschlagen den Luftstrom des äußeren Luftkanals mit einem Drall, um eine noch bessere Vermischung zu erreichen.
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Die Umlenkelemente im äußeren Luftkanal sind vorzugsweise Leitschaufeln.
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Die als Leitschaufeln ausgebildeten Umlenkelemente weisen bevorzugt an einem Schaufelfuß einen ersten Umlenkwinkel auf, welcher kleiner ist als ein zweiter Umlenkwinkel an einer Schaufelspitze. Der erste Umlenkwinkel ist vorzugsweise in einem Bereich von 20° bis 40° und beträgt besonders bevorzugt 30°. Der zweite Umlenkwinkel an der Schaufelspitze ist vorzugsweise in einem Bereich von 40° bis 60° und beträgt bevorzugt 50°.
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Vorzugsweise weist die Leitschaufel an einem in Strömungsrichtung durch den äußeren Luftkanal liegenden Anfang eine erste Kante auf und an einem in Strömungsrichtung im äußeren Luftkanal liegenden Ende eine zweite Kante auf. Besonders bevorzugt sind die erste Kante und die zweite Kante parallel zueinander angeordnet. Weiter bevorzugt sind die erste und zweite Kante senkrecht zu einer Brennermittelachse angeordnet.
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Weiter bevorzugt weist der Austrittsbereich des äußeren Luftkanals einen inneren Wandbereich auf, welcher als Kegelstumpf ausgebildet ist. Somit verläuft eine Kanalinnenwand des äußeren Luftkanals im Bereich des Austrittsbereichs linear und radial nach innen. Ein Winkel zwischen der Kanalinnenwand des äußeren Luftkanals zu einer Brennermittelachse liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 45° bis 65° und beträgt besonders bevorzugt 55°.
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Weiter bevorzugt ist der äußere Luftkanal derart ausgebildet, dass eine erste Axiallänge des Zufuhrbereichs des äußeren Luftkanals mindestens doppelt so groß ist wie eine zweite Axiallänge des Austrittsbereichs.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Gasturbine mit einem erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenner. Weiter bevorzugt ist die Gasturbine eine Fluggasturbine.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ein Brenner einer Gasturbine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 ein Gasturbinentriebwerk mit einer Brennkammer und einem erfindungsgemäßen Brenner,
- 2 eine schematische Schnittansicht des Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 3 eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse des äußeren Luftkanals und eines Umlenkelements im äußeren Luftkanal und
- 4 eine schematische, geschnittene Draufsicht eines Umlenkelements des Brenners im äußeren Luftkanal.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Brenner 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Ein Gasturbinentriebwerk 110 gemäß 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Gasturbinentriebwerk 110 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 111, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 112, einen Mitteldruckkompressor 113, einen Hochdruckkompressor 114, eine Brennkammer 115, eine Hochdruckturbine 116, eine Mitteldruckturbine 117 und eine Niederdruckturbine 118 sowie eine Abgasdüse 119, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksmittelachse 101 angeordnet sind.
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Der Mitteldruckkompressor 113 und der Hochdruckkompressor 114 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 120 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Kerntriebwerksgehäuse 121 in einen ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 113, 114 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 122 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 125 vorstehen, die mit Naben 126 der Hochdruckturbine 116 beziehungsweise der Mitteldruckturbine 117 gekoppelt sind.
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Die Turbinenabschnitte 116, 117, 118 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 123, die radial nach innen vom Gehäuse 121 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 116, 117, 118 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 124, die nach außen von einer drehbaren Nabe 126 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 125 und die darauf angeordneten Schaufeln 122 sowie die Turbinenrotornabe 126 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 124 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksmittelachse 101.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst der Brenner 1 einen äußeren Luftkanal 2 und einen inneren Luftkanal 3. Der äußere Luftkanal 2 umgibt dabei den inneren Luftkanal 3. Zwischen dem äußeren Luftkanal 2 und dem inneren Luftkanal 3 ist ferner eine Treibstoffdüse 7 vorgesehen. Brennstoff wird über die Treibstoffdüse 7, wie durch den Pfeil 70 angedeutet, in die Treibstoffdüse 7 zugeführt und tritt in den inneren Luftkanal 3 ein (Pfeil C).
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Der innere Luftkanal 3 verläuft parallel zu einer Brennermittelachse 10 und führt Verbrennungsluft in Durchströmungsrichtung A zu.
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Der äußere Luftkanal 2 umfasst einen Zufuhrbereich 20 und einen in Strömungsrichtung B unmittelbar danach angeordneten Austrittsbereich 21. Der Zufuhrbereich 20 verläuft ringförmig und parallel zur Brennermittelachse 10. Der Austrittsbereich 21 ist in Richtung zur Brennermittelachse 10 geneigt. Eine erste axiale Länge X1 des Zufuhrbereichs 20 ist dabei mindestens doppelt so groß wie eine zweite axiale Länge X2 des Austrittsbereichs 21, jeweils in Richtung der Brennermittelachse 10.
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Im äußeren Luftkanal 2 ist ferner noch eine Vielzahl von Umlenkelementen 6 angeordnet. Die Umlenkelemente 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel Leitschaufeln. 4 zeigt eine derartige Leitschaufel in einem Schnitt parallel zur Brennermittelachse und in perspektivischer Ansicht. Die Leitschaufel 6 umfasst an einem in Strömungsrichtung liegenden Anfang eine erste Kante 61 und an einem in Strömungsrichtung liegenden Ende eine zweite Kante 62. Die beiden Kanten sind zueinander parallel.
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Somit ist eine Kanalinnenwand 4 des äußeren Luftkanals 2 und eine Kanalaußenwand 5 des äußeren Luftkanals im Bereich des Zufuhrbereichs 20 parallel zur Brennermittelachse geführt. Der Zufuhrbereich 20 umfasst in Durchströmungsrichtung B vor den Umlenkelementen 6 einen ersten Unterbereich 20a und in Durchströmungsrichtung B nach den Umlenkelementen 6 einen zweiten Unterbereich 20b. Hierdurch bleibt eine erste Querschnittsfläche Q1 des äußeren Luftkanals im ersten und zweiten Unterbereich 20a, 20b des Zufuhrbereichs 20 konstant.
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Weiterhin ist eine zweite Querschnittsfläche Q2 im Austrittsbereich 21 senkrecht zur Brennermittelachse 10 in Durchströmungsrichtung ebenfalls konstant. Dabei ist die erste Querschnittsfläche Q1 des ersten und zweiten Unterbereichs 20a, 20b in Richtung der Brennermittelachse gleichgroß wie die zweite Querschnittsfläche Q2 an jedem Punkt des Austrittsbereichs 21 in Richtung der Brennermittelachse 10.
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Somit bleibt eine Querschnittsfläche des äußeren Luftkanals 2 in Durchströmungsrichtung, was in 2 mit den Pfeilen B angedeutet ist, konstant, wobei der Bereich zwischen den Unterbereichen, an dem die Umlenkelemente 6 angeordnet sind, eine um den Querschnitt der Umlenkelemente 6 reduzierte Querschnittsfläche aufweist.
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3 zeigt schematisch eine Darstellung des äußeren Luftkanals 2 sowie des Schaufelfußes 8 und der Schaufelspitze 9. Wie aus der Darstellung des Schaufelfußes 8 und der Schaufelspitze 9 ersichtlich ist, weist das Umlenkelement 6 eine Verwindung in Richtung der Brennermittelachse auf. Dabei ist ein erster Umlenkwinkel b am Schaufelfuß 8 ungefähr 30° und ein zweiter Umlenkwinkel c an der Schaufelspitze 9 ungefähr 50°.
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Weiterhin ist ein Austrittsbereich 21 des äußeren Luftkanals 2 an der Kanalinnenwand 4 als Kegelstumpf ausgebildet. Die Kanalinnenwand 4 am Austrittsbereich 21 ist dabei in einem Winkel a zur Brennermittelachse 10 angeordnet. Wie in 3 schematisch dargestellt, sind dabei die zweiten Querschnittsflächen Q2 am Austrittsbereich 21 in Durchströmungsrichtung jeweils gleichgroß. Da der Innendurchmesser und der Außendurchmesser des Austrittsbereichs 21 in Strömungsrichtung in Richtung zur Brennermittelachse jeweils kleiner wird, müssen die Abstände zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser am Austrittsbereich 21 in Durchströmungsrichtung größer werden, damit eine gleiche Querschnittsfläche senkrecht zur Brennermittelachse 10 erhalten wird.
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Im Bereich des Austrittsbereichs 21 ist die Kanalinnenwand in Form eines Kegelstumpfes gebildet, welcher mit dem Winkel a zur Brennermittelachse 10 angeordnet ist. Eine Kanalaußenwand 5 ist in einem kleineren Winkel e zur Brennermittelachse 10 angeordnet.
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Der Winkel a liegt vorzugsweise in einem Bereich von 45° bis 65°. Da die Querschnittsfläche Q2 im Austrittsbereich konstant ist, ergibt sich ein Durchmesser der Kanalaußenwand in Abhängigkeit eines Durchmessers der Kanalinnenwand. Bezugnehmend auf die nachfolgende Gleichung 1 kann dann entsprechend der Durchmesser der Kanalaußenwand oder der Kanalinnenwand berechnet werden:
wobei D der Durchmesser der Kanalaußenwand ist, d der Durchmesser der Kanalinnenwand ist und π die Kreiszahl ist. Durch Umformen der Gleichung kann dann der Durchmesser der Kanalaußenwand oder der Durchmesser der Kanalinnenwand bei Vorgabe des jeweils anderen Durchmessers bestimmt werden.
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Somit kann durch die Konstanthaltung einer Querschnittsfläche des äußeren Luftkanals 2, jeweils senkrecht zu der Brennermittelachse 10 eine verbesserte Aerodynamik im Bereich des äußeren Luftkanals 2 des Brenners der Gasturbine erreicht werden. Das Vorsehen des Umlenkelements 6 erzeugt zusätzlich einen Drall, welcher eine verbesserte Vermischung der über den äußeren Luftkanal zugeführten Luft mit dem Brennstoff-Luftgemisch, welches am Ende des inneren Luftkanals 3 erzeugt wird, erreicht.
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Weiterhin sind die Umlenkelemente 6 ausschließlich im Zufuhrbereich 20 angeordnet. Entlang des Umfangs des äußeren Luftkanals 2 ist dabei eine Vielzahl von Umlenkelementen 6, vorzugsweise zwischen acht und vierundzwanzig Umlenkelemente, angeordnet. Eine radiale Erstreckung jedes Umlenkelements 6 entspricht dabei einer radialen Höhe des äußeren Luftkanals 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brenner
- 2
- äußerer Luftkanal
- 3
- innerer Luftkanal
- 4
- Kanalinnenwand
- 5
- Kanalaußenwand
- 6
- Umlenkelement/Leitschaufel
- 7
- Treibstoffdüse
- 8
- Schaufelfuß
- 9
- Schaufelspitze
- 10
- Brennermittelachse
- 20
- Zufuhrbereich
- 20a
- erster Unterbereich
- 20b
- zweiter Unterbereich
- 21
- Austrittsbereich
- 61
- erste Kante
- 62
- zweite Kante
- 70
- Brennstoffzufuhr
- 101
- Triebwerksmittelachse
- 110
- Gasturbinentriebwerk / Kerntriebwerk
- 111
- Lufteinlass
- 112
- Fan
- 113
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 114
- Hochdruckkompressor
- 115
- Brennkammer
- 116
- Hochdruckturbine
- 117
- Mitteldruckturbine
- 118
- Niederdruckturbine
- 119
- Abgasdüse
- 120
- Leitschaufeln
- 121
- Kerntriebwerksgehäuse
- 122
- Kompressorlaufschaufeln
- 123
- Leitschaufeln
- 124
- Turbinenschaufeln
- 125
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 126
- Turbinenrotornabe
- 127
- Auslasskonus
- A
- Durchströmungsrichtung durch den inneren Luftkanal
- B
- Durchströmungsrichtung durch den äußeren Luftkanal
- C
- Brennstoff
- Q1
- erste Querschnittsfläche im Zufuhrbereich
- Q2
- zweite Querschnittsfläche im Austrittsbereich
- X1
- erste Axiallänge des Zufuhrbereichs
- X2
- zweite Axiallänge des Austrittsbereichs
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0291418 A1 [0002]
