Die Erfindung betrifft eine axial gestufte Ring-Brennkammer einer Gasturbine mit mehreren Pilotbrennern sowie mit stromab und radial außerhalb dieser in die Brennkammer mündenden Hauptbrennern, an die sich eine Hauptbren¬ nerzone anschließt, mit einer äußeren und einer inneren jeweils ringförmigen Brennkammerwand, die sich jeweils zum Brennkammer-Austritt hin er¬ strecken, wobei die innere Brennkammerwand im Bereich der Pilotbrenner- zone einen im wesentlichen parallel zur Pilotbrenner-Achse verlaufenden Wandabschnitt aufweist. Zum bekannten Stand der Technik wird beispiels¬ halber auf die WO 93/25851 oder die DE-OS 28 38 258 verwiesen.

An einer derartigen axial gestuften Ring-Brennkammer Verbesserungen ins- besondere im Hinblick auf die Vermischung der Pilotbrennergase mit den Hauptbrennergasen und somit auf die Abgasemissionen bzw. auf die Tem¬ peraturverteilung im Bereich des Brennkammeraustrittes aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die innere Brennkammer¬ wand im Anschluß an den die Pilotbrennerzone bildenden Wandabschnitt sowie stromauf des zum Brennkammer-Austritt führenden Wandabschnittes einen zur Hautbrennerzone hin verlaufenden Umlenkabschnitt aufweist. Eine weitere Maßnahme zur Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der dem Hauptbrenner zugewandte äußere Wandabschnitt der Pilotbrennerzone ge¬ genüber der Längsachse des zugeordneten Pilotbrenners geneigt verläuft, wodurch sich der Querschnitt der Pilotbrennerzone in Strömungsrichtung verringert. Besonders wirkungsvoll ist dabei eine Kombination der genannten Maßnahmen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteran¬ sprüche.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungs¬ beispiele, wobei in den Fig. 1 , 2 jeweils ein Teil-Längsschnitt einer erfin- dungsgemäßen Ring-Brennkammer dargestellt ist, und Fig. 3 zwei mögliche Teilquerschnitte einer erfindungsgemäßen Ring-Brennkammer zeigt.

Mit der Bezugsziffer 1 ist die Zentralachse einer grundsätzlich bekannten Ring-Brennkammer 2 insbesondere einer Fluggasturbine bezeichnet. In der Ring-Brennkammer 2 sind über deren Umfang verteilt mehrere Pilotbrenner 3 sowie mehrere Hauptbrenner 4 angeordnet. Die Hauptbrenner 4 liegen wie üblich in radialer Richtung außen und können in einer bevorzugten Ausfüh¬ rungsform mit ihren Längsachsen bzw. Hauptbrenner-Achsen 4a geneigt gegenüber den Längsachsen 3a der Pilotbrenner 3, d. h. geneigt gegenüber den sog. Pilotbrenner-Achsen 3a angeordnet sein. Die in radialer Richtung außerhalb der Pilotbrenner 3 angeordneten Hauptbrenner 4 münden somit stromab der Pilotbrenner 3 in die Brennkammer 2. Dabei schließt sich an die Pilotbrenner 3 eine sog. Pilotbrenner-Zone 5 an, während direkt stromab der Hauptbrenner 4 eine sog. Hauptbrennerzone 5' gebildet wird.

Begrenzt wird die gesamte Brennkammer 2, d. h. die Einheit von Pilotbren¬ nerzone 5 und Hauptbrennerzone 5' von einer äußeren ringförmigen Brenn¬ kammerwand 10 sowie zur Zentralachse 1 hin von einer inneren Brennkam- merwand 11. Die letztere besteht aus einzelnen sog. Wandabschnitten, und zwar aus einem der Pilotbrenner-Zone 5 zugeordneten inneren Wandab¬ schnitt 6a, ferner beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 aus einem sich daran anschließenden sog. Umlenkabschnitt 12, sowie bei beiden Ausfüh¬ rungsbeispielen aus einem zum Brennkammer-Austritt 8 (dieser kann auch als Brennkammer-Ende 8 bezeichnet werden) führenden Wandabschnitt 13. In radialer Richtung nach außen hin begrenzt wird die Pilotbrenner-Zone 5 von einem äußeren Wandabschnitt 6b, der sich bis zum Hauptbrenner 4 er¬ streckt. An den äußeren Wandabschnitt 6b schließt bzw. schließen sich der/die Hauptbrenner 4 an, wobei - wie ersichtlich - jeder Hauptbrenner 4 bzw. jede Hauptbrennerachse 4a geneigt zur Pilotbrennerachse 3a jedes Pilotbrenners 3 angeordnet ist. Stromabwärts weit außerhalb der Brenn¬ kammer würden sich die beiden Längsachsen 3a, 4a der Brenner 3, 4 schneiden, während die Längsachse 3a im wesentlichen parallel zur Zen¬ tralachse 1 ausgerichtet ist. Diese Anordnung betrifft jedoch lediglich die hier gezeigten Ausführungsbeispiele; selbstverständlich wäre es auch möglich, die einzelnen Längsachsen 3a, 4a der Pilotbrenner 3 bzw. der Hauptbrenner 4 anders (beispielsweise parallel) zueinander anzuordnen. Auch müssen sich die Pilotbrenner 3 und Hauptbrenner 4 nicht - wie hier gezeigt - jeweils in einer gemeinsamen Längsschnitt-Ebene befinden, sondern es können die Pilotbrenner 3 und die Hauptbrenner 4 auch in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sein. Ferner ist in der Brennkammer 2 noch allge¬ mein die Strömungsrichtung der Verbrennungsgase durch den Pfeil 7 dar¬ gestellt.

Im übrigen ist ein weiterer äußerster Wandabschnitt 6c der äußeren ringför¬ migen Brennkammerwand 10 zwischen dem Hauptbrenner 4 sowie dem Brennkammer-Austritt 8 vorgesehen.

Hier wesentlich ist zunächst der Verlauf der inneren Brennkammerwand 11. Diese weist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - wie dargestellt - an¬ schließend an den die Pilotbrenner-Zone 5 bildenden Wandabschnitt 6a einen zur Hauptbrenner-Zone 5' hin verlaufenden Umlenkabschnitt 12 auf. Dieser Umlenkabschnitt 12 ist zumindest teilweise in radialer Richtung (diese ist definitionsgemäß senkrecht zur Zentralachse 1) ausgerichtet, d. h. der Umlenkabschnitt 12 schneidet die Zentralachse 1 beim hier gezeigten Aus¬ führungsbeispiel beispielsweise unter einem Winkel von ca. 45°. Dies be¬ wirkt, daß die Verbrennungsgase der Pilotbrenner 3 geführt durch diesen Umlenkabschnitt 12 im wesentlichen in radialer Richtung in die Hauptbren- nerzone 5' eintreten. Dieser Verlauf der inneren Brennkammerwand 11 läßt sich in konkreter Form auch derart beschreiben, daß diese Brennkammer¬ wand 11 im Bereich des Umlenkabschnittes 12 sowie in Bezug auf die Brennkammer 2 bei stromabwärtiger Betrachtung (nämlich in Strömungs¬ richtung 7) konkav-konvex geformt ist. Dies bedeutet, daß ausgehend vom Wandabschnitt 6a zunächst eine konkave Krümmung in den Umlenkab¬ schnitt 12 hinein vorgesehen ist, an welchen sich über eine konvexe Krüm¬ mung dann der zum Brennkammer-Austritt 8 führende Wandabschnitt 13 anschließt. Diese Gestaltung stellt eine optimale Mischung des über die Hauptbrenner 4 in die Hauptbrennerzone 5' gelangenden Brennstoffes mit der Luft in der Hauptbrennerzone 5' sicher. Hierdurch werden die Abgas¬ emissionen minimiert und es kann die Temperaturverteilung am Brenn¬ kammer-Austritt 8 an diejenige einer nicht gestuften Brennkammer angegli¬ chen werden.

Eine andere Maßnahme zur Erzielung einer besseren Vermischung der Pi¬ lotbrennergase mit den Hauptbrennergasen ist in Fig. 2 gezeigt. Dabei ist der äußere, dem Hauptbrenner 4 zugewandte Wandabschnitt 6b der Pilot¬ brenner-Zone 5 gegenüber der Längsachse 3a des zugeordneten Pilotbren¬ ners 3 derart geneigt, daß sich der Querschnitt D der Pilotbrenner-Zone 5 in Strömungsrichtung, d. h. vom Pilotbrenner 3 gemäß Pfeilrichtung 7 zum Zentrum der Brennkammer 2 hin, verringert. Dies bedeutet, daß der Haupt¬ brenner 4 quasi in die Pilotbrenner-Zone 5 eintaucht bzw. eindringt, wie dies aus Fig. 2 in Form der sog. Eindringtiefe Δ besonders gut ersichtlich wird.

Diese Querschnittsverringerung der Pilotbrenner-Zone 5 bzw. dieses Ein¬ dringen des Hauptbrenners 4 in die Pilotbrenner-Zone 5 bewirkt zum einen eine besonders gute Vermischung der Hauptbrennergase mit den Gasen des Pilotbrenners 3, da letztere eine vorteilhafte Veränderung ihres Strö- mungsfeldes erfahren. Die Pilotbrennergase werden nämlich durch den äußeren Wandabschnitt 6b verstärkt verwirbelt und aufgrund der Quer¬ schnittsverringerung zusätzlich beschleunigt. Eine bessere Mischung im Zentrum der Brennkammer 2 mit den von den Hauptbrenner 4 emittierten Gasströmungen ist somit die Folge.

Im übrigen lassen sich die hier beschriebenen erfindungsgemäßen axial ge¬ stuften Ring-Brennkammern 2 grundsätzlich als ein Zusammenbau zweier eigenständiger nicht gestufter Ringbrenner bezeichnen. Dies bedeutet, daß sowohl die Hauptbrennerzone 5' als auch die Pilotbrennerzone 5 jeweils für sich die Konstruktionsmerkmale von nicht gestuften Ringbrennkammern aufweisen und dabei auf den oberen (für die Hauptbrennerzone 5') bzw. auf den unteren Lastbereich (dies gilt für die Pilotbrennerzone 5) der Gasturbine hin optimiert sind. Wie ersichtlich ist nämlich die außen liegende Hauptbren¬ nerzone 5' wie eine konventionelle nicht gestufte Ringbrennkammer aufge-

baut, wobei die Hauptbrennerachse 4a im wesentlichen in Richtung der Brennkammerachse zeigt bzw. mit dieser zusammenfällt. Auch Mischluft¬ strahlen 9 werden in die Hauptbrennerzone 5' bzw. in die Ring-Brennkam¬ mer 2 beidseitig, d. h. von innen und von außen zugemischt - dies ist nur in Fig. 1 gezeigt -, wie dies bei konventionellen Ringbrennkammern üblich ist. Weiterhin vorgesehen ist nun bei dieser (konventionellen) Ring-Brennkam¬ mer 2 eine angekoppelte Pilotbrennerzone 5, d. h. quasi eine separate Pilotbrennkammer, die radial innen sowie stromauf zur Hauptbrennerzone 5' liegt. Um nun die Verbrennungsgase dieser Pilotbrennkammer bzw. Pilot- brennerzone 5 optimal in die Hauptbrennerzone 5' einzuleiten und dabei in dieser eine optimale Mischung von Brennstoff und Luft zu ermöglichen, kann dafür Sorge getragen sein, daß die Verbrennungsgase der Pilotbrennkam¬ mer im wesentlichen in radialer Richtung in die Hauptbrennerzone 5' bzw. in die entsprechende Hauptbrennkammer eintreten. Diese radiale Richtungsge¬ bung erfolgt bei Fig. 1 durch den sog. Umlenkabschnitt 12 der inneren ring¬ förmigen Brennkammerwand 11 , während bei Fig. 2 durch die Veränderung des Strömungsfeldes die Pilotbrennergase verstärkt verwirbelt und zu den Hauptbrennergasen hin beschleunigt werden.

Vorteilhafterweise ergibt sich insbesondere mit der in Fig. 2 gezeigten und beschriebenen Gestaltung der Ring-Brennkammer 2 zusätzlich eine äußerst kompakte Bauweise, d. h. der Durchmesser einer derart gestalteten Ring- Brennkammer bzw. deren sog. Bauhöhe kann hierdurch minimiert werden. Dabei ergeben sich günstigste Verhältnisse, wenn das Maß der Eindringtiefe Δ bezogen auf den Querschnitt D ^* der Pilotbrenner-Zone 5 im Bereich der Pilotbrenner 3 im Wertebereich von 0,1 bis 0,3 liegt, d. h. 0,1 < Δ /D ^* < 0,3. Weiter gesteigert wird die kompakte Bauweise ferner durch die auch aus Fig. 3 ersichtliche versetzte Anordnung der Pilotbrenner 3 sowie der

Hauptbrenner 4. Dabei liegt quasi zwischen zwei Hauptbrennern 4 jeweils ein Pilotbrenner 3.

Fig. 2 zeigt ferner, daß auch der innere Wandabschnitt 6a der Pilotbrenner- Zone 5 in seinem Endbereich gegenüber der Pilotbrenner-Längsachse 3a geneigt verlaufen kann, so daß der äußere Wandabschnitt 6b sowie der innere Wandabschnitt 6a in seinem Endbereich quasi aufeinander zulaufen. Dies verursacht nochmals eine gewünschte Querschnittsverringerung der Pilotbrenner-Zone 5, wobei sich diese Neigung der inneren Brennkammer- wand 11 im wesentlichen gleich ausgerichtet bis zum Brennkammerende 8 fortsetzen kann und somit in der gleichen Orientierung die gesamte Ring- Brennkammer 2 nach innen hin begrenzt. Entsprechend der jeweils gün¬ stigsten Gestaltung kann ferner die äußere Brennkammerwand 10, die die Ring-Brennkammer 2 im Bereich zwischen dem Hauptbrenner 4 sowie dem Brennkammerende 8 begrenzt, geformt sein. Auch hier empfiehlt sich zunächst im direkt sich an den Hauptbrenner 4 anschließenden Bereich ein zur Längsachse 4a hin konvergierender Verlauf des Wandabschnittes 6c, während in der Nähe des Brennkammer-Endbereiches 8 ein ausreichender Querschnitt für die ausströmenden Gase zur Verfügung stehen muß und somit ein bezüglich der Zentralachse 1 divergierender Verlauf erforderlich sein kann.

Der äußere Wandabschnitt 6b der Pilotbrenner-Zone 5 verläuft sowohl bei Fig. 1 als auch bei Fig. 2 ebenfalls wie die gesamte Ring-Brennkammer 2 zwar im wesentlichen ringförmig, jedoch bedeutet dies nicht, daß die Querschnittsverringerung der Pilotbrenner-Zone 5 im wesentlichen über der gesamten Ring-Brennkammer 2 umlaufend in gleicher Größe vorgesehen sein muß, wenngleich dies durchaus möglich ist. Vielmehr können nur im Bereich der Hauptbrenner 4 quasi schalenförmige Vertiefungen im anson- sten im wesentlichen parallel zur Pilotbrenner-Längsachse 3 verlaufenden

äußeren Wandabschnitt 6b vorgesehen sein. Die letztgenannte Gestaltung ist in der unteren Hälfte von Fig. 3 schematisch dargestellt, während die erstgenannte Gestaltung in der oberen Hälfte von Fig. 3, die prinzipiell die Ansicht X aus Fig. 2 zeigt, dargestellt ist. Ist somit die Querschnittsverringe- rung der Pilotbrenner-Zone 5 durch schalenförmige Vertiefungen gebildet, so ist die Querschnittsverringerung der Pilotbrenner-Zone 5 im wesentlichen in den durch die Längsachsen 4a der Hauptbrenner 4 sowie die Zentralachse 1 der Ring-Brennkammer 2 gebildeten Ebenen vorgesehen.

Insbesondere beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Wandabschnitt 13 der inneren Brennkammerwand 11, der sich stromab an den Umlenkab¬ schnitt 12 anschließt und zum Brennkammer-Austritt 8 führt, wieder im we¬ sentlichen parallel zur Hauptbrenner-Achse 4a bzw. im wesentlichen in Richtung der Zentralachse 1 ausgerichtet. Dieser Wandabschnitt 13 ist somit im wesentlichen wieder ein Bestandteil der Hauptbrennerzone 5' bzw. der entsprechenden Hauptbrennkammer. Die Pilotbrennerzone 5 hingegen hat in Strömungsrichtung 7 betrachtet im Bereich des Umlenkabschnittes 12 ihr Ende. Bereits kurz stromauf des Umlenkabschnittes 12 können in dieser Pilotbrennerzone 5 über nicht näher dargestellte Öffnungen in der Brennkammerwand 11 Mischluftstrahlen 14 sowohl innenseitig als auch - kurz stromauf der Hauptbrenner 4 - außenseitig zugeführt werden.

Selbstverständlich können die genauen Abmessungen und auch die Winkel, die die einzelnen Wandabschnitte 6a, 6b, 12, 13 miteinander einschließen, durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. In gleicher Weise sind weitere Abweichungen vom gezeigten Ausführungsbeispiel möglich. So kön¬ nen für die Pilotbrenner 3 sowie für die Hauptbrenner 4 die verschiedenar¬ tigsten Brennstoffzerstäuberkonzepte zum Einsatz kommen, in gleicher

Weise können die Öffnungen bzw. Löcher für die Mischluftstrahlen 9 bzw. 14 unterschiedlich angeordnet sein. Auch können diese Mischluftstrahlen 9, 14 verdrallt oder unverdrallt zugeführt werden, ohne daß dies immense Auswir¬ kungen hinsichtlich der wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung, nämlich einer optimalen Mischung insbesondere in der Hauptbrennerzone 5', hat.