DE2222366A1 - Vergasersystem mit ringspalt fuer brennstoff/luft fuer den brenner von gasturbinenmaschinen - Google Patents

Description

Vergasersystem mit Ringspalt für Brennstoff/Luft für den Brenner #on Gasturbinenmaschinen

Die Erfindung betrifft allgemein Verbrennungssysteme für Gasturbinenmaschinen und insbesondere ein verbessertes Vergasersystem Brennstoff/Luft mit Ringspalt für einen ringförmigen Brenner.

Die Gasturbinenhersteller suchen ständig nach Methoden und Einrichtungen zum Bau einer Maschine mit größerem Wirkungsgrad. Ein Versuch zur Erhöhung des Wirkungsgrades besteht in der Steigerung der Betriebstemperatur der Maschine. Im Ergebnis dieser Versuche arbeiten vMe fortgeschrittene Gasturbinenmaschinen mit

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Brennerauslaßtemperaturen von etwa 137O°C (25OO°F) und darüber. Bei diesen Temperaturwerten besitzt die präzise Kontrolle des Verteilungsmusters der Auslaßtemperatur in radialer und in umkreismäßiger Richtung eine Hauptbedeutung. Die präzise Kontrolle der Temperaturverteilung ist unerläßlich zur Herabsetzung schädlicher Temperaturgradienten auf ein Mindestmaß und zur Beseitigung von potentiellen heißen Flecken in der Brennerverkleidung und den Leitschaufeln am Turbineneinlaß.

Neben dem verbesserten Wirkungsgrad besteht eine weitere wichtige Anforderung für Brenner bei fortschrittlichen Anwendungen von Gasturbinen darin,daß die Rauchemission und die Emission von Verunreinigungestoffen auf möglichstjniedrige Werte herabgesetzt werden. Um diese Herabsetzung zu erreichen, ist es notwendig, im Innern der Verbrennungszone nahezu stöchiometrische Verbrennungsverhältnisse zu erhalten. Dies erfordert seinerseits nahezu gleichförmige Temperaturverteilungsmuster über die ganze Brennerzone.

Die obigen Probleme haben zu zahlreichen Konzeptionen bezüglich der Konstruktion von Vergasern und Brennern geführt, in denen der Brennstoff mit einem Teil des LuftStroms zum Brenner vor dem Verbrennungsvorgang vorgemischt wird, um eine vollständigeVermischung von Brennstoff und Luft vor dem VerbrennungsVorgang zu erhalten. Diese Art der Konstruktion lieferte erfahrungsgemäß kompakte Einrichtungen kurzer Länge mit einer gut beherrschten Verteilung der Auslaßtemperatur. Viele Brennersysterne des Typs sind ausgelegt zum Betrieb mit einfachen Niederdruck-Brennstoffinjektoren anstelle der vorher verwendeten Sprühdüsen. In Systemen dieser Art wird die kinetische Energie des Luftstroms zum Brenner zur Versprühung oder Vernebelung des Brennstoffes verwendet. Ein Typ dieser Art von Konstruktion ist in letzter Zeit gebräuchlich geworden und ist bekannt als "Wirbelbecherkonstruktion" (scroll or swirl cup). Neben der Efmöglichung von kürzeren Brennersystemen hat diese Wirbelbecherkonstruktion auch zu einer sehr niedrigen Rauchemission im Gas geführt.

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Jeder Wirtoelbecher ist ein diskreter Einzelteil. Daher zeigt die Verteilung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses und der Gastemperaturen über den Umfang des Brennerrings bei einer solchen Konstruktion eine Tendenz zur Ungleichförmigkeit. Die ungleichförmigen Temperaturen ergeben bei den gegenwärtigen Betriebstemperaturen der Gasturbinen keine unlösbaren Probleme. Mit der Steigerung der Gastemperatur kann dieses Problem Jedoch schwerwiegender werden. In einigen Fällen können stromabwärts von jedem Virbelbeener lokalisierte Streifen von Hochtemperaturgasen beobachtet werden. Die Umfangsverteilung der Temperaturen und der Schwankungen des Brennstoff/Luft-Verhältnisses dieses Typs können zu lokalisierten heißen Flecken und zu schwerwiegenden Temperaturgradienten in den heißen Teilen der Maschine stromabwärts von den Wirbelbechern führen.

Aus diesem Grunde wurde ein Brennstoff/Luft-Vergasersystem mit Ringspalt gemäß der US-Patentanmeldung der Anmelderin mit der Seriennummer Ij⁵O 604 entwickelt.

>/ie in dieser Anmeldung gezeigt, enthält das Brennstoff/Luft-Verasersystem mit Ringspalt eine ringförmige Vormischkammer, die unmittelbar, stromaufwärts von der primären Brennerzone angeordnet 1st. Der Brennstoff wird im Innern der Kammer mit einem Teil des Luftstrong zum Brenner vermischt und das erhaltene Gemisch wird durch einen kontinuierlichen Ringspalt in die primäre Verbrennungszone eingeführt. Die Luft wird in die Vormischkammer mit Hilfe einer An lil von Lufteinlässen eingebracht, welche um deft Ring herum verteilt sind. Der Brennstoff wird in jeden dieser Einlasse mit Hilfe von geeigneten Brennstoffinjektoren eingeleitet. Das in den Lufteinlässen erzeugte Brennstoff/Luft-Gemisch wird um etwa 90° abgelenkt und in die Vormischkammer ausgestoßen. In der Vormiscfekammer sind eine Vielzahl von Wirbelleitflächen angeordnet, um das sich ergebende Brennstoff/Luft-Gemisch durch den kontinuierlichen Ringspalt in die primäre Verbrennungszone zu richten.

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Mit
/Hilfe eines Rings von gegenläufigen Wirbelleitflächen, welche konzentrisch um den Ringspalt angeordnet sind,w--ird zusätzliche primäre Brennerluft in die primäre Verbrennungszone eingeleitet. Der gegenläufige Luftstrom erzeugt einen Bereich mit hoher Scherbelastung, welcher eine wirksame und schnelle Durchmischung des Brennstoff/Luft-Gemisches aus der Vormischkammer mit der zusätzlichen primären Verbrennungsluft ergibt.

Die gemäß der obigen Darstellung aufgebauten Zonen haben sich als sehr wirksam erwiesen bei der Beseitigung von örtlichen heißen Flecken und schwerwiegenden Temperaturgradienten in den heißen Teilen stromabwärts von der Brennkammer. D.h./diese Konstruktionen haben in dem ringförmigen Brenner ein gleichförmiges Temperaturprofil in Umfangsrichtung und in radialer Richtung ergeben. Diese Konstruktionen besitzen Jedoch einen Nachteil dahingehend, daß bei niedrigen Einlaßtemperaturen die Brennerstabilität (Ausblasen, durch zu mageres Gemisch) (lean blow out) verbessert werden könnte. Die Brennerstabilität ist teilweise definiert durch das Mindestverhältnis von Brennstoff und Luft, bei dem ein Brenner arbeitet. Dieses Brennstoff/Luft-Verhältnis muß hinreichend niedrig sein, so daß die Maschine ,ohne Übertemperatur angefahren von einer hohen Leistungseinstellung auf eine niedrige Leistungseinstellung ohne Flammenaustritt (flame out) abgebremst werden kann. Die Erreichung von zufriedenstellenden Brennstoff/Luft-Gemischen bezüglich des Ausblasens durch zu mageres Gemisch bei niedrigen Einlaßtemperaturen bildet ein Problem für die meisten bisherigen Brennersysteme , welche für einen hohen Temperaturanstieg ausgelegt sind. Dieees Problem wurde in öer Vergangenheit gelöst durch Erhöhung der Zahl von BrennstoffInJektiDnspunkten über die Z<ahl hinaus, welche bei konventionellen Systemen verwendet wird, oder alternativ durch örtliche Anreicherung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses durch Stufung (staging) der Brennstoffinjektion.

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Eine der Aufgaben des ringförmigen Brennstoffinjektionssystems bestand jedoch darin, hohe Temperaturanstiege in einem Brennersystem mit einer konventionellen oder verringerten Zahl von Brennstoffinjektionspunkten zu liefern. Die Gründe hierfür liegen darin, daß die vermehrte Zahl von Brennstoffinjektionspunkten zu einer Gewichtssteigerung und zu einem komplizierteren System führt. Aus den gleichen Gründen sind Brennstoffinjektionssysterne mit Stufung unerwünscht.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes, in höchstem Maße stabiles Brennstoff/Luft-Vergasersystem mit Ringfbrm zu schaffen, das eine relativ geringe Zahl von Brennstoffinjektionspunkten besitzt und keine Stufung der Brennstoffinjektion erfordert.

Kurz dargestellt wird diese Aufgabe erreicht durch Schaffung eines Vergasersystems mit Ringspalt, ähnlich dem Vergasersystem der vorgenannten US-Anmeldung, mit Einrichtungen zur Rezirkulation der Heißgase in der Mitte des Gasstroms. Die Rezirkulation wird dadurch erreicht, daß das Gemisch von Brennstoff/Luft, welches aus dem Ringspalt austritt, mit einer radialen Geschwindigkeitskomponente versehen ist. In einer Ausführungsform umfaßt diese Einrichtung einen "trompetenförmigen" Auslaß (trumpet exit) mit einem Paar radial gerichteter Wände, welche einen divergierenden Ringkanal definieren und die inneren Begrenzungen der gegenläufig gerichteten Wirbelleitflächen bilden . In einer alternativen Ausführungsform wird der trompetenförmige Auslaß noch unterstützt durch einen Strömungsaufteiler im Innern des verengten Teils (throat) des Ringspaltauslasses. Dieser wirkt zusammen mit dem trompetenförmigen Auslaß zur Erzielung einer rezirkulierenden Strömung für die Heißgase in der Mitte des Heißgasstroms. Diese verbesserte Anordnung behält die Mischzone zwischen dem inneren Spaltauslaß und den gegenläufigen Wirbelleitflächen bei, die eine schnelle und vollständige Vernebelung der Teilchen der Strömung gemäß der vorstehend genannten Anmeldung gewährleistet.

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Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen in Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 gibt eine schematische Ansicht einer Gasturbinenmaschine, bei der einige Teile nicht dargestellt sind und welche die erfindungsgemäße Anordnung enthält.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Axialschnitt eines Verbrennungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 enthält einen vergrößerten Teil der Fig. 2.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 2.

Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils des Brennersystems nac-h Fig. 2.

Fig. 6 gibt eine perspektivische Darstellung ähnlich der Fig. 4 für eine andere Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenmaschine 10 mit einem Gehäuse 12 und einem Einlaß 14 und einem Verdichter 16 mit Reihen von Rotorschaufeln 18 zwischen Reihen von Statorleitschaufeln 20, welche an ihren äußeren Enden an der inneren Oberfläche des/3ehäuses 12 befestigt sind. An dem stromabwärts gelegenen Ende des Verdichters 16 ist eine Reihe von Verdichterauslaßleitschaufeln (OGVs) 22 angeordnet, gefolgt von einem ringförmigen Diffusorkanal oder Verdichterauslaßkanal 24.

Der Diffusorkanal oder Verdichterauslaßkanal 24 enthält ein Paar konzentrischer äußerer und innerer Wände 25 und 26, die in Richtung stromabwärts gemäß Fig. 2 divergieren. Der Diffusorkanal 24 liefert die Verdichterluft vom Verdichter 16 an einen Brenner 27, In dem die verdichtete Luft mit Brennstoff hohen Energiege-

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haltes gemischt und zur Erzeugung eines HeißgasStroms hoher Geschwindigkeit für eine Turbine 28 entzündet wird. Die Turbine 28 entnimmt dem Heißgasstrom mechanische Leistung zum Antrieb des Verdichters 16 mit Hilfe einer Verbindungswelle 30, auf der beide Bauteile befestigt sind. Der Heißgasstrom verläßt dann die Maschine durch eine Ausstoßdüse 32, welche eine Düse des Typs mit einstellbarem Querschnitt sein kann.

Die obige Beschreibung ist nur als Beschreibung eines Typs einer Gasturbinenmaschine beabsichtigt, für den das verbesserte Brennersystem anwendbar ist. Wie aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, kann das Brennersystem auf beliebige Typen von Gasturbinenmaschinen angewendet werden.

Fig. 2 zeigt, daß der Brenner 27 eine äußere Gehäusewand 3¹I und eine innere Gehäusewand 36 besitzt, welche jeweils Verlängerungen der Diffusorwände 25 und 26 sind. Die inneren und äußeren Wände 34, 36 sind im Abstand von einemPaar äußerer und innerer Verkleidungen 38 bzw. 40 für die Brennkammer angebracht und im Innern des Brenners in geeigneter Weise gehaltert. Die äußere und innere Brennerverkleidung 38 und 40 wirken daher mit der äußeren und inneren Gehäusewand 34 und 36 zusammen zur Bildung von drei ringförmigen Strömungskanälen, einem äußeren Kühlkanal 42, einem inneren Kühlkanal 44 und einer primären Verbrennungszone 46. Das stromaufwärts gelegene Ende der primären Verbrennungszone 46 ist klar definiert mit Hilfe einer Kuppelwand 48, welche in beliebiger geeigneter Weise mit den Brennerauskleidungen 38 und 40 verbunden seirikann.

Unmittelbar stromaufwärts von der Kuppelwand 48 und in geeigneter Weise mit ihr verbunden ist eine Brennstoffvergasereinrichtung 50 gemäß der vorliegenden Erfindung.

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Wie aus den Fig. 2 bis 5 ersifchtlich, enthält die Brennstoffvergaserelnrichtung 50 eine ringförmige Vormisch^kammer 52, welche aus einer stromaufwärts gelegenen Wand 54, einer äußeren Wand 56 und einer inneren Wand 58 gebildet ist. Wie am besten aus den Fig. 3 und 5 ersichtlich, konvergieren die äußere Wand 56 und die innere Wand 58 zunächst bei ihrem Verlauf in axialer Richtung von der stromaufwärts^elegenen Wand 54 aus und bilden dadurch eine ringförmige Verengung 60. Um dem durch die ringförmige Verengung 60 strömenden Brennstoff/Luft-Gemisch eine radiale Geschwindigkeit skomponente zu erteilen, divergieren die Wände 56 und 58 anschließend zur Bildung einer Diffusorzone 62, die in einem ringförmigen Auslaßspalt 64 endet, welcher durch das stromabwärts gelegene Ende der Wände 56 und 58 gebildet ist. Stromaufwärts von der Verengung 60 sind eine Vielzahl radial verlaufender Verwirbelungsleitflächen 66 in gleichförmigem Abstand um den Ring herum angeordnet und starr in beliebiger geeigneter Weise mit der äußeren Wand 56 und mit der inneren Wand 58 verbunden.

Aus den Abbildungen ist weiterhin ersichtlich, daß der Vormischkammer 52 mit Hilfe einer Anzahl von Luftelnlässen 68 Luft zugeführt wird, welchqfeit gleichförmigem Abstand um die stromaufwärts gelegene Wand 54 herum angeordnet und stari^nit ihr verbunden sind. Der Lufteinlaß 68 umfaßt einen glatt gestalteten Einlaß 70, einen Auslaß 72 im Innern der Vormischkammer 52 und gekrümmte Wände 74 und 76, welche in den Einlaß 70 und den Auslaß 72 übergehen. Wie aus den Fig. 2 und 3 ersifchtlich, ist jeder der Lufteinlässe 68 mit einem geeigneten Brennstoffinjektor 78 ausgestattet. Im Vorliegenden Falle umfaßt dieser ein einfaches Niederdruckinjektionsrohr. Weiterhin zeigt die Fig. 2, daß die Menge der auf den Lufteinlaß 68 gerichteten Ausstoßluft des Verdichters beherrscht werden kann durch geeignete Bemessung eines Ringkanals 80, welcher im Innern der Wände 25 und 26 angeordnet und mit diesen in geeigneter Weise verbunden sein kann.

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Die gekrümmten Wände 74 und 76 der Lufteinlässe 68 sind räumlich so gestaltet, daß das in den Einlassen erzeugte Brennstoff/Luft-Gemisch um etwa 90° umgelenkt und in allgemein tangentialer Richtung in die Vormischkammer 52 durch den Auslaß 72 ausgestoßen wird. Vorzugsweise sind der stromaufwärts gelegene Teil der Vormischkammer 52 und die Auslaßenden der Lufteinlässe 68 so gestaltet, daß Stagnationsbereiche im Innern der Vormischkammer 52 zwischen den Lufteinlässen 68 beseitigt sind. D.h., Jede der gekrümmten Wände 74 und 76 ist so ausgestaltet, daß die Auslässe der Lufteinlässe 68 allgemein in einer einzigen Ebene gemäß Fig. 4 liegen. Auf diese Weise wird ein kontinuierliches tangentiales Brennstoff/Luft-Gemisch in die Vormischkammer 52 eingeleitet. Weiterhin ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß die Eintittskanten 80 der radialen Wirbelleitflächen 66 auf den Austrittsebenen der Lufteinlässe 68 in axialem Abstand angeordnet sind. Das sich ergebende Brennstoff/Luft-Gemisch, welches in die Vormischkammer geliefer-'t wird, bewegt sich daher über eine gewisse Strecke längs des Umfangs der Kammer 52, bevor es durch die radialen Wirbelleitflächen 66 beeinflußt wird. Die tatsächlich zurückgelegte Entfernung und damit die bei der Bewegung des Brennstoff/Luft-Gemisches im Innern derjVormischkammer 52 verstrichene Zeit wird beherrscht durch Variieren des axialen Abstandes zwischen den Austrittsebenen der Lufteinlässe 68 und der Eintrittskanten 80 der Wirbelleitflächen 66.

Die Wirbelleitflächen 66 besitzen allgemein einen profilähnlichen Querschnitt, wobei die Austrittskanten 82 bei oder nahe der Ebene der Verengung 60 gemäß Fig. 2 liegen. Die Wirbelleitflächen 66 sind in der Vormischkammer 52 angeordnet, um das Brennstoff/Luftτ Gemisch aus einer primär tangentialen Strömungsrichtung in eine stärker axial verlaufende Strömungsrichtung umzulenken. Die Leitflächen 66 sind so angeordnet, daß sie dem an der Verengung 60 austretenden Brennstoff/Luft-Gemisch eine nahezu gleichmäßige Geschwindigkeit erteilen. D.h., die Leitflächen 66 sind so angeordnet .und gestaltet, daß sie einen solchen Angriffswinkel für

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das Brennstoff/Luft-Gemisch bieten, daß über die Länge des Profils nur eine geringe oder gar keine Abscheidung oder Separation auftritt. ,

Wie aus den Fig. 2-5 ersichtlich, ist im Innern der Vormischkammer 52 etwa in der Mitte zwischen den Wänden 74 und 76 ein Profilkörper (bluff body) als Strömungsaufteiler 84 angebracht. Der Strömungsaufteiler 84 erstreckt sich über den ganzen Ring und ist mit Hilfe einer starren Verbindung mit jeder der Leitschaufeln 66 an seinem Platz gehalten, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Wie am besten aus den Fig. 3 und 5 ersichtlich, enthält der Strömungsaufteiler 84 eine Eintrittskante 86 und ein Paar gekrümmter Wände 88 und90. Der Strömungsaufteiler 84 endet in einer im wesentlichen vertikalen Austrittswand 92. Die Wände 88 und 90 des Strömungsaufteilers 84 sind so gestaltet, daß sie mit den gekrümmten Wänden 56 und 58 und mit der Form der Wirbelleitflachen 66 zusammenwirken, um stromabwärts von der Verengung der Wirbelleitflächen 66 einen im wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt zu erhalten. D.h., die Form der Wände 88 und 90 ist so gestaltet, daß sie die natürliche Aufweitung zwischen den Leitflächen 66 stromabwärts von der engsten Stelle ausgleicht und dadurch die nahezu gleichförmige Geschwindigkeit des Brennstoff/ Luft-Gemisches von der Verengung 62 bis zur Austrittswand 92 des Strömungsaufteilers 84 aufrechterhält. Die radiale Konvergenz der äußeren Wand 56 und der inneren Wand 58 unterstütst weiterhin das Ziel der Schaffung einer Strömung mit durchaus gleichförmiger Geschwindigkeit in der Austrittsebene der Vormischkammer 52. Durch die Schaffung einer solchen Strömung mit gleichförmiger Geschwindigkeit wird die Möglichkeit des Zurückschiagens aus der primären Verbrennungszone 46 in die Vormischkammer 52 im wesentlichen beseitigt. Ein solches Zurückschlagen tritt normalerweise auf, wenn ein Niederdruckbereich vorhanden ist infolge von Schwankungen in der Strömung zwischen der primären Verbrennungszone und der Brennstoffvergasereinrichtung. Mit der Strömung gleichförmiger

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Geschwindigkeit wird jedoch die Möglichkeit eines solchen Niederdruckbereiches beseitigt.

Wie am besten in den Fig. 3 und 5 gezeigt, tritt das Brennstoff/ Luft-Gemisch stromabwärts von dem Strömungsaufteiler 84 in die Diffusionszone 63 ein, welche von der äußeren Wand 56 und der inneren Wand 58 gebildet ist. Die in dem Mittelbereich liegende Strömungsauftrennung, welche stromabwärts von dem Strömungsaufteiler 84 vorhanden ist, wird in dem Diffusionskanal noch .gefördert und dadurch wird ein viel größerer Zirkulationsstrom symbolisiert durch die Pfeile 94 geschaffen, als er normalerweise für eine Strömungsbehinderüng vorhanden wäre, wie sie durch den Strömungsaufteiler 84 gegeben ist.

Die Fig. 2-5 zeigen weiterhin, daß ein Strom mit zusätzlicher Verbrennungsluft in die primäre Verbrennungszone 46 mit Hilfe von gegenläufigen Wirbellei'tflächen 96 eingeführt wird, welche eine gestaffelte Anordnung außerhalb der äußeren Wand 56 und der inneren Wand 58 an deren Enden bilden. Die Luft wird in die gestaffelte Anordnung der gegenläufigen Wirbelleiflächen 96 mit Hilfe von glockenförmig (bellmouth) gestalteten Wänden 98 gerichtet, welche mit den äußeren Seitfen der äußeren Wände 56 und der inneren Wand 58 zusammenwirken, um Einlasse zu den Staffelungen der gegenläufigen Wirbelleitflächen gö'^ilden.

Vorzugsweise wird der zusätzliche Primärluftstrom für die Verbrennung durch die gegenläufigen Wirbelleitflächen 96 in eine umkreismäßige Strömungsrichtung gerichtet, welche entgegengesetzt ist der Richtung des Brennstoff/Luft-Gemisches, das entsprechend den Pfeilen in Fig. 4 aus dei/Vormischkammer 56 austritt. Aus diesem Grunde sind die gegenläufigen Wirbelleitflächen 96 mit einem Anstellwinkel (cambered) und mit einer Krümmung versehen, die entgegengesetzt liegt wie diejenige der radialen Wirbelleitflächen 66. Die Luft tritt in die gegenläufigen Wlrb^elleitflachen 96 über die glockenförmige Anordnung ein. Axiale Verlängerun-

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gen der Wände 98 der glockenförmigen Anordnung bilden Ringe 100, mit denen die äußeren Enden der gegenläufigen Wirbelleitflächen 96 starr verbunden sein können. Die inneren Enden der gegenläufigen Wirbelleitflächen 96 andererseits sind starr verbunden entweder mit der äußeren Wand 56 oder der inneren Wand 58.

Der aus den gegenläufigen Wirbelleitflächen 96 austretende gegenläufige Luftstrom ergibt Bereiche mit starken Scherkräften an den Enden der äußeren Wand 56 und der inneren Wand 58 gemäß der Darstellung durch die mit 102 bezeichnete Fläche. Die starke Scherwirkung auf das Brennstoff/Luft-Gemisch ergibt eine wirksame und schnelle Durchmischung des Brennstoff/Luftgemisches aus der Vormischkammer 52 mit der zusätzlichen primären Verbrennungsluft und bildet außerdem Flammenstabilisierungsbereiche am stromaufwärts gelegenen Ende der primären Verbrennungszone 46.

Beim Betrieb tritt ein Teil der Ausstoßluft des Verdichters von dem Diffusorkanal 24 in jeden der Lufteinlässe 68 ein und wird mit dem Brennstoff vermischt, welcher durch den Brennstoffinjektor 78 geliefert wird. Das erhaltene Brennstoff/Luft-Gemisch wird etwa um 90° umgelenkt und strömt als kontinuierliche tangentiale Strömung in die Vormischkammer 52 ein. Das Brennstoff/Luft-Gemisch legt eine gewisse Strecke am Umfang der Vormischkammer 52 zurück, bevor es durch die radialen Wirbelleitflächen 56 beeinflußt und durch die Verengung 60 gerichtet wird. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird dann durch den Strömungsaufteiler 84 aufgeteilt und tritt aus der Diffusorzone 62 in die primäre Verbrennungszone 46 mit einer geringen radialen Geschwindigkeitskomponente ein.

Ein weiterer Teil der Austoßluft des Verdichters strömt in den glockenförmigen Kanal 98 und durch die gegenläufigen Wirbelleitflächen 96 in die primäre Verbrennungszone 46. Die Wechselwirkung dieses weiteren Stroms von Verdichterausstoßluft mit dem aus der Diffusorzone 62 austretenden Brennstoff/Luft-Gemisch erfolgt in den Bereichen 102 mit hoher Scherkraft unmittelbar strömungsabwärts von der äußeren Wand 56 und der inneren Wand 58.

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Die übrige Ausstoßluft des Verdichters strömt um die Brennerverkleidung 38 und 40 durch die Kanäle 42 und 44 zur Kühlung der Verkleidung. Ein Teil dieser Luft tritt als sekundäre Luft durch geeignete Öffnungen in den Brennerverkleidungen in die primäre Verbrennungszone 46 ein. Das Brennstoff/Luft-Gemisch im Innern der primären Verbrennungszone 46 wird dann gezündet durch einen geeigneten Zünder (nicht gezeigt) und der auf diese Weise gebildete Gasstrom hoher Energie tritt aus der primären Verbrennungszone aus und treibt die Turbine 28 in bekannter Weise.

Wie bereits beschrieben, ergibt die Diffusorzone 62 und die Anordnung der gegenläufigen Wirbelleitflächen 96 eine gut definierte Zone starker Rezirkulation von heißen Verbrennungsgasen, welche den Ringspaltbrenner mit hohem Kuppelstrom und hohem Temperaturanstieg über einen Bereich von Brennstoff/Luft-Verhältnissen und Arbeitsbedingungen stabilisiert, welche äquivalent sind den bei konventionellen Brennersystemen erhaltenen Verhältnissen. Die neuartigen Anordnungen bewirken auch eine Verbesserung der umkreisförmigen und radialen Verteilung des Brennstoff/Luft-Gemisches in der primären Verbrennungszone 46, welche die Erreichung der Aufgabenstellung der Konstruktion mit einer geringeren Zahl von Brennstoffinjektorpunkten gestatten.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß gewisse Veränderungen an der oben beschriebenen beispielhaften Ausftthrungsform einer Brennstoffvergasereinrichtung vorgeivommen werden können, ohne den Umfang der weitergehenden erfindungsgemäßen Konzeption zu verlassen. Bei spielsweise kann es in bestimmten Anwendungsfällen möglich sein, den Strömungsaufteiler 84 wegzulassen,und die erwünschte Rezirkulationsströmung lediglich durch Verwendung einer Diffusorzone zu erhalten, welche durch die Gestalt der äußeren Wand.56 und der inneren Wand 58 beschrieben ist. Eine solche Konstruktion ist als alternative Ausführungsform in Fig. 6 dargestellt. Die dort gezeigte Ausführungsform ist identisch mit der vorstehend beschriebenen Form mit der Ausnahme, daß der Strömungsaufteller 84 weggenom-

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men ist. Die Gestalt der äußeren Wand 56 und der inneren Wand 58 ist bei dieser Ausführungsform geringfügig geändert, um den Strom des Brennstoff/Luft-Gemisches mit gleichförmiger Geschwindigkeit durch die Verengung 60 gemäß der Ausführungsform nach den Pig, 2 - 5 zu erhalten. In einem solchen Falle würde die Lage und Form der radialen Wirbelleitflächen 66 wahrscheinlich ebenfalls gegenüber der Ausführung nach den Fig. 2-5 geändert.

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Claims (13)

Patentansprüche

1.) Vergasereinrichtung für die Vergasung von Brennstoff zur Verwendung iqfeiner Gasturbinenmaschine mit einer Verbrennungszone in der ein Hochenergiegasstrom erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergasereinrichtung (50) eine ringförmige Vormischkammer (52) mit einem kontinuierlichen ringförmigen Aus^-trittsspalt (64), eine Vielzahl von in diesem Austrittsspalt an/geordneten Wirbelleitflächen (66), eine Einrichtung (68, 78) zur Zuführung eines Brennstoff/Luft-Gemisches zu der Vormischkammer (52) als tangentialen Strom stromaufwärts von den Wirbelleitflächen (66) und eine Einrichtung (96) zur Erzeugung eines gegenläufigen Wirbelstroms um den Austrittsspalt zur Einführung eines kontinuierlichen ringförmigen Brennstoff/Luft-Gemisches in die Verbrennungszone (46), wobei noch eine Einrichtung vorgesehen ist zur Bzeugung eines kontinuierlichen ringförmigen Brennstoff/Luft-Gemisches mit einer radialen Geschwindigkeitskomponente bei der Strömung durch den ringförmigen Austrittsspalt.

2. Vergasereinrichtung nach Anspruch 1, da'durch gekennzeichnet, daß die ringförmige Vormischkammer (52) eine allgemein radial verlaufende, stromaufwärts gelegene Wand (54), eine innrere Wand (58) und eine äußere Wand (56) besitzt, wobei die innere und die äußere Wand sich von der stromaufwärts gelegenen Wand aus axial erstrecken und zur Bildung eines ringförmigen verengten Abschnittes (60) konvergieren·

3. Vergasereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erzeugung der ra^dialen Geschwindigkeitskomponente eine Diffusorzone (62) stromabwärts von der ringförmigen Verengung (60) umfaßt.

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4. Vergasereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet , daß die Diffusorzone (62) durch Verlängerungen der inneren (56) und der äußeren Wand (58) gebildet sind, welche von dem ringförmigen Verengungsabschnitt (60) aus divergieren.

5. Vergasereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen stumpfkörperf^örmigen Strömungsaufteiler (84) in dem Verengungsabschnitt (60) enthält .

6. Vergasereinrichtung nach Anspruch 5* -dadurch gekennzeichnet , daß der Strömungsaufteiler von den Wirbelleitflächen (66) getragen ist.

7. Vergasereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e kennzelchnet , daß der Strömungsaufteiler (SH), die Wirbelleitflächen (66) und die inneren und äußeren Wände (56,58) zusammen* V^S¹¹We sent liehen konstanten Strömungsquerschnitt stromabwärts von dem Verengungsteil (60) der Wirbelleitflächen (66) bilden.

8. Vergasereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erzeugung eines gegenläufigen Wirbelstroms (96) Staffeln von gegenläufigen Wirbelleitflächen umfaßt, die an oder in der Nähe der stromabwärts gelegenen Enden der inneren und äußeren Wand (56,58) an denselben befestigt sind.

9. Vergasereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die gegenläufigen Wirbelleitflächen (96) so angeordnet sind, daß sie primäre Verbrennungsluft in die Verbrennungszone (46) in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung des Brennstoff/Luft-Gemisches abgeben.

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10. Vergasereinrichtung für eine Gasturbinenmaschine mit Verdichter zur Erzeugung eines ringförmigen Gasstroms, einer Turbine zum Antrieb des Verdichters, einem Brennersystem, in dem Hochenergiebrennstoff in den ringförmigen Gasstrom eingeleitet und zur Erzeugung eines Heißgasstroms hoher Energie zum Antrieb der Turbine entzündet wird, wobei das Brennersystem eine Verbrennungszone und eine Brennstoffvergasereinrichtung zur Zuführung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in die Verbrennungszone enthält, dadurch geke nnzeichnet , daß die Vergasereinrichtung (50) umfaßt:

eine ringförmige Vormischkamraer (52) mit einem kontinuierlichen ringförmigen Austrittsspalt (6²O,

eine Vielzahl von in dem Austrittsspalt angeordneten Wifcbelleitflächen (66), eine Einrichtung (68,78) zur Zuführung eines Brennstoff/Luft-Gemisches zu der'Vormischkammer (52) als tangentiale Strömung stromaufwärts von den Wirbelleitflächen,

eine Einrichtung (96) zur Erzeugung eines gegenläufigen WirbellfcftStroms» um den Austrittsspalt (6M) und dadurch zur Einleitung eineskontinuierlichen Brennstoff/Luft-Gemisches in die Verbrennungszone (46) und

eine Einrichtung zur Erteilung einer radialen Geschwindigkeitskomponente an dieses Brennst of f/Ituft -Gemisch beim Durchgang durch den Austrittsspalt.

11. Vergasereinrichtung nach Anspruch 10» dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Vermittlung einer Radialgeschwindigkeitskomponente einen Stumpfkörperströmungsaufteiler (84) enthält, der im Innern des Austrittsspaltes angeordnet ist und eine stromabwärts von dem Strömungsaufteiler angeordnete Piffusorzone.

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12. Vergasereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die ringförmige Vormischkammer (52) eine allgemein radial verlaufende stromabwärts gelegene Wand (54), eine innere Wand (56) und eine äußere Wand (58) enthält, welche sich in axialer Richtung von der stromaufwärts gelegenen Wand aus erstrecken, wobei die innere und äußere Wand zur Bildung eines verengten Abschnittes (607 konvergieren und anschließend auf die Diffusorzone zu divergieren .

13. Vergasereinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erzeugung eines gegenläufigen WirbelluftStromseine Vielzahl von gegenläufigen Wirbelleitflächen (96) umfaßt, die um die Diffusorzone herum angeordnet sind«

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L e e r s e j t e