Treibstoff-Einspritzsystem Die vorliegende Erfindung betrifft ein Treib- stoff-Einspritzsystem für eine Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes und insbesondere für ein Ein- spritzsystem mit einem breiten Betriebsbereich für die Treibstoffeinspritzung in eine Brennkammer eines Flugzeug-Gasturbinentriebwerkes.
Bei Flugzeug-Gasturbinentriebwerken strömt die Luft durch einen Verdichter, wobei sie nach Erhö hung des Druckes in eine Brennkammer eintritt, in welche das Haupttreibstoffsystem für den Verbren nungsprozess Treibstoff zuführt. Die heissen Verbren nungsgase strömen hierauf durch eine Turbine, in welcher den heissen Verbrennungsgasen genügend Energie entnommen wird, um den Verdichter an 7utreiben. Sofern es sich um ein Strahltriebwerk han delt, treten die Verbrennungsgase durch eine Düse aus, in welcher die verbleibende Energie Schub er zeugt. Da die Turbine nicht in der Lage ist, extrem hohen Temperaturen zu widerstehen, muss die Tem peratur der aus der Brennkammer austretenden Gase begrenzt werden. Eine vollständige Verbrennung ist deshalb unerwünscht.
Demzufolge tritt ein relativ gro sser Anteil von überschüssiger Luft durch die Düse in die Atmosphäre aus. Diese überschüssige Luft stellt Energie für die Erzeugung eines grösseren Schu bes dar.
Um mit einem Minimum an zusätzlichem Ge wichtsaufwand einen grösseren Schub aus einem Flug zeug-Gasturbinentriebwerk herauszuholen, ist es üb lich, der Turbine einen Nachbrenner nachzuschalten, in welchem die überschüssige Luft für einen weiteren Verbrennungsprozess verwendet wird. Der Nachbren ner besitzt ein eigenes Treibstoff-Einspritzsystem, wel ches der überschüssigen Luft für den zusätzlichen Verbrennungsprozess Treibstoff zuführt. Im Zusam menhang mit der vorliegenden Erfindung stellt das zusätzliche Treibstoffsystem ein solches dar, welches neben dem Haupttreibstoffsystem verwendet und nur beim Betrieb des Nachbrenners in Gang gesetzt wird.
Eine stöchiometrische Verbrennung ist eine sol che, bei welcher vorbestimmte Mengen von Treib stoff und Luft sich chemisch verbinden, um eine vollständige Verbrennung herbeizuführen. Ein Ver- brennungsprozess muss, wenn er möglichst wirksam sein soll, angenähert stöchiometrisch sein. In Brenn- kammern, in welchen hohe Gasgeschwindigkeiten und hohe Gasdurchsätze auftreten und wo eine stöchio- metrische Verbrennung erzeugt werden soll, können konventionelle Einspritzdüsen nicht wirksam ver wendet werden.
Dies ist insbesondere bei den Nach brennern von Flugzeuo, Gasturbinen der Fall. Die üblichen Einspritzsysteme erzeugen keine ausrei chende Vermischung des Treibstoffes mit der Luft, um eine annähernd stöchiometrische Verbrennung zu erzeugen. überdies lassen sich solche Einspritzsysteme nicht über einen grossen Bereich von Betriebsbedin- dungen, d. h. hohen Treibstoffdurchsatz und hohen Druck bzw. relativ geringen Treibstofffluss und niedri gen Druck mit zufriedenstellender Wirkung verwen den.
Wenn das Einspritzsystem für maximalen Schub ausgelegt ist (wobei hoher Treibstoffdurchsatz und hohe Temperaturen auftreten), besitzt dasselbe keine Eignung bei geringem Schub (kleiner Treibstoffdurch satz und niedrige Temperaturen). Bei hohen Mach geschwindigkeiten kann die Temperatur des Treib stoffes vor dem Eintritt in die Brennkammer 100 bis 200 C betragen. Der minimal zulässige Druck zur Unterdrückung des Siedens des Treibstoffes ist somit hoch. Bei geringem Durchsatz ist der Treib stoffdruck ungenügend, um den Treibstoff am Sie den zu hindern.
Wenn ein Einspritzsystem mit einem einzigen Anschluss und einem einzigen Satz von Sprühstäben verwendet wird, müssen die Austritts öffnungen für den maximalen Treibstofffluss dimen- sioniert werden. In diesem Falle stellt sich bei einem minimalen Durchsatz ein sehr kleiner Treibstoff druck ein.
Da die Temperatur der in den Nachbren ner eintretenden Gase hoch ist und kein genügender Treibstoffdruck besteht, verdampft oder siedet der Treibstoff bei geringem Durchsatz. Überdies stellt sich bei geringem Treibstoffdruck eine schlechte Vertei lung des Treibstoffes auf die verschiedenen öffnun- gen ein, da der Druck nicht ausreicht, um eine ein heitliche Zuströmung an alle Austrittsöffnungen so wohl am oberen Teil der Brennkammer wie auch am unteren Teil derselben zu gewährleisten.
Um in dem vorerwähnten breiten Betriebsbereich zu arbeiten, werden heute für Brennkammern so genannte Duplex-Einspritzsysteme verwendet. Bei sol chen Duplexsystemen sind zwei Gruppen von in die Brennkammer ragenden Einspritzdüsen vorhan den, die parallel geschaltet über einen Strömungsver teiler gespienen werden, der normalerweise Treibstoff einer Düsengruppe zuführt, wenn ein geringer Durch satz bzw. Verbrauch vorhanden ist, währenddem beide Gruppen bei hohem Treibstoffdurchsatz und hohem Druck gespienen werden.
Bei solchen Syste men werden statt der üblichen Einspritzdüsen Sprüh stäbe verwendet, da der von einer üblichen Einspritz düse erzeugte Sprühkegel bei Strömungsgeschwindig keiten in der Grössenordnung von 300-350 m/Sek., die in Nachbrennern üblich sind, sofort in sich zu sammenfällt.
Bei einem Sprühstab handelt es sich um ein elliptisches oder kreisförmiges Rohr, das innerhalb der Brennkammer in einer zur Triebwerksachse senk rechten Ebene angeordnet ist. Der Sprühstab besitzt eine Anzahl von kleinen über seine Länge verteilten Öffnungen, die so angeordnet sind, dass der Treib stoff senkrecht zur Strömung in den Stäben in den Luftstrom eingespritzt wird. Eine Anzahl von sol chen Sprühstäben, etwa 20 bis 40, die durch einen Verteiler verbunden sind, erstrecken sich innerhalb des Nachbrenners radial einwärts. Mit etwa zehn Öffnungen pro Sprühstab und vierzig Sprühstäben ergibt sich ein Total von vierhundert Einspritzstellen, durch welche eine Verteilung des Treibstoffes mög lich ist.
Die Stelle, an welcher Treibstoff in den Gas strom eingespritzt wird, wird üblicherweise experi mentell bestimmt, und zwar entsprechend der Strö mungsverteilung der Brennkammer. Die Strömungs verteilung in einer Brennkammer ist nicht einheitlich, da keine gleichmässige Verteilung des eintretenden Gases erfolgt. Die in einen Nachbrenner eintretende Gasströmung ist teilweise turbulent. Jedoch lässt sich die Strömungsverteilung messen, indem an einer Mehrzahl von radial verteilten Stellen Druckmessun gen gemacht werden. In demjenigen Bereich der Brennkammer, in welchem der grösste Durchsatz festgestellt wird, muss die grösste Zahl von Einspritz- öffnungen vorgesehen sein.
Eine wirksame Verbren nung lässt sich somit erreichen, indem die Verteilung der Einspritzöffnungen genau der Strömungsvertei lung über den Querschnitt angepasst wird. Die bekannten Duplex-Systeme sind bei Verwen dung in einem breiten Betriebsbereich nicht befrie digend. Die Öffnungen in den Sprühstäben besitzen eine Durchflusscharakteristik wie sie üblich ist, d. h. der Durchfluss ändert als Funktion der Quadratwurzel der Druckdifferenz. Um deshalb einen Durchfluss- bereich von 10:1 kg/Std. zu erzeugen, muss der Druck in einem Bereich von 100: 1 variieren kön nen.
Dieser Druckbereich macht eine sehr grosse Treibstoffpumpe notwendig. Der Durchflussbereich kann jedoch für zukünftige Nachbrenner als noch ständig zunehmend vorausgesetzt werden. Bei den Sprühstäben von Duplexsystemen werden die öff- nungen verwendet, um den Durchfluss zu begrenzen. Der Druckabfall an diesen Öffnungen ist gross und der gesamte Öffnungsquerschnitt ist klein. Um des halb eine gute Treibstoffverteilung zu erzeugen, ist es notwendig, eine grosse Zahl von Einspritzstellen vorzusehen. Dementsprechend werden sehr kleine Löcher benötigt, die schwierig herzustellen sind.
Ein Sprühstab mit vielen kleinen Öffnungen hat keinen grossen Durchsatzbereich. überdies verstopfen sich die kleinen Öffnungen solcher Sprühstäbe leicht, wenn das System ausser Betrieb ist. Durch die häufig auf tretenden Verstopfungen ergibt sich eine schlechte Verteilung und damit eine ungenügende Verbren nung. Ein weiterer Nachteil besteht auch darin, dass der Treibstoff zum einen Ende eines Sprühstabes einen grösseren Weg an die den Durchfluss bemes sende Austrittsöffnung zurückzulegen hat als derje nige am andern Ende des Sprühstabes.
Ein Teil des Treibstoffes hat also innerhalb des Sprühstabes eine längere Verweilzeit, wobei derselbe der in der Brenn- kammer herrschenden hohen Temperatur ausgesetzt ist, so dass der Treibstoff verdampft oder siedet. Da mit stellt sich eine schlechte Verteilung ein, da bei einem bestimmten Treibstoffdruck durch eine öff- nung eine grössere Menge von flüssigem als von dampfförmigen Treibstoff austritt. Die beschriebenen Duplexsysteme sind nicht nur kompliziert und schwer, sondern sie haben auch be triebsmässige Nachteile. Es werden generell Strö- mungsteiler verwendet, um das System ein- oder aus zuschalten.
Wenn der Strömungsteiler knapp öffnet, erfolgt die Strömung im System bei niedrigem Druck, so dass die Strömung nicht an alle Punkte des Systems gleichmässig verteilt wird. Somit erhalten die Sprüh stäbe an der Unterseite der Brennkammer eine grö ssere Strömung als diejenigen an der Oberseite.
Im Betrieb arbeitet ein Duplexsystem den An forderungen des Verbrennungsprozesses einer Flug zeuggasturbine entgegen. Bei grosser Höhe, niedrigem Druck und kleiner Treibstoffströmung, wo die Ver brennungsbedingungen am schwierigsten sind, und damit eine vollständige Treibstoffverteilung am not wendigsten ist, arbeitet ein solches System nur mit der kleinsten Anzahl von Sprühstäben. Dies ist nicht befriedigend, da der Treibstoff im Nachbrenner nicht wirksam verteilt wird. Zudem besteht die Gefahr des Siedens des Treib stoffes, wenn im Verteiler des Duplexsystems niedri ger Druck herrscht und der Strömungsteil zu öffnen beginnt. Bis dieser relativ niedrigen Druck aufwei sende Treibstoff die Öffnungen im Sekundärteil er reicht hat, erzeugen die hohen Umgebungstemperatu ren im Nachbrenner ein Sieden des Treibstoffes.
Demnach sind die heutigen Duplexsysteme nicht in der Lage, den hohen Treibstoffdruck, welcher zur Verhinderung des Siedens bei kleinem Durchsatz not wendig ist, zu gewährleisten.
Es sind schon Treibstoff-Einspritzdüsen mit ver änderlichem Querschnitt verwendet worden. Eine sol che Düse besitzt zur Veränderung des öffnungsquer schnittes bewegliche Teile und gestattet damit einen breiten Bereich von Strömungsbedingungen. Eine sol che Düse ist jedoch bei den herrschenden hohen Temperaturen unzuverlässig, insbesondere im Hin blick auf die unterschiedliche Wärmeausdehnung der beweglichen Teile. Solche Düsen bilden auch grosse Hindernisse im Hochgeschwindigkeits-Gasstrom und erzeugen unerwünscht hohe Druckverluste. Ander seits stellen die Sprühstäbe dem Gasstrom kleinere Hindernisse entgegen und erzeugen deshalb kleinere Druckverluste.
Es ist bekannt, bei Treibstoffsystemen Rück schlagventile zwischen den Einspritzelementen in der Brennkammer und der Treibstoffpumpe zu verwen den. Diese werden im allgemeinen verwendet, um das Entweichen von Treibstoff in die Brennkammer zu verhindern, wenn das System nicht in Betrieb ist, oder aber, um die Rückströmung von Gasen in das Treibstoffsystem zu verhindern. Diese Rückschlag ventile sind jedoch nicht so angeordnet, dass sie den Treibstoff gleichmässig an die Einspritzelemente ver teilen. Auch hier erhalten die Einspritzelemente am Boden der Brennkammer mehr Treibstoff als die jenigen an der Oberseite derselben.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun ein Treibstoff-Einspritzsystem für Brennkammern für Gasturbinentriebwerke zu schaffen, welches gestattet, eine einheitliche Treibstoffströmung an jedes einer Mehrzahl von Einspritzelementen innerhalb eines gro ssen Bereiches von Strömungsbedingungen zu führen, so dass jedes Einspritzelement eine gleiche oder vor bestimmte Menge von Treibstoff erhält.
Das erfindungsgemässe Treibstoff-Einspritzsystem für eine Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, das eine Mehrzahl von am Umfang der Verbren nungskammer verteilten Einspritzelementen aufweist, die über einen Verteiler verbunden sind, und von denen jedes eine Gruppe von Sprühstäben besitzt, wobei zwischen dem Verteiler und jeder Sprühstab gruppe Ventilmittel vorgesehen sind, zeichnet sich dadurch aus, dass zwei parallele Strömungswege zu jeder Sprühstabgruppe führen, und dass jeder Strö mungsweg mit einem Steuerventil versehen ist, wo bei diese Steuerventile eingestellt sind, um bei unter schiedlichen Treibstoffdrücken zu öffnen,
so dass der eine Strömungsweg bei relativ niedrigem Treibstoff- druck Treibstoff an die Sprühstabgruppe führt, wäh rend ein anderer Strömungsweg bei relativ hohem Treibstoffdruck geöffnet wird und der Sprühstab gruppe gemeinsam mit dem ersten Strömungsweg Treibstoff zuführt. Die parallelen Strömungswege be sitzen zweckmässig je eine Dosieröffnung mit hohem Druckabfall, so dass der Treibstoff so verteilt wird,
dass innerhalb des Verteilers bei allen Strömungs bedingungen ein gleicher Druck aufrechterhalten wird. Die Einspritzelemente besitzen vorteilhaft einen Hauptventilkörper, der in zwei gleiche Abteile unter teilt ist, wobei die Strömung in jedes Abteil durch ein Steuerventil beherrscht wird und jedes Abteil einen Abschnitt eines parallelen Strömungsweges bil det.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfüh rungsform des erfindungsgemässen Treibstoffeinspritz- systems dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 das hintere Ende eines Gasturbinentrieb werkes mit einem Nachbrenner-Einspritzsystem, Fig. 2 eine vergrösserte Darstellung eines Ein- spritzelementes, Fig. 3 einen Querschnitt entlang Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 eine vergrösserte Schnittdarstellung eines Teiles von Fig. 3,
und Fig. 5 einen Schnitt entlang Linie 5-5 in Fig. 3. Das in Fig. 1 dargestellte Einspritzsystem ist in Zusammenhang mit dem Nachbrenner eines Flug zeuggasturbinentriebwerkes gezeigt. Jedoch könnte das System für jede ringförmige Brennkammer ver wendet werden. Das hintere Ende des Triebwerkes ist allgemein mit 10 bezeichnet und besitzt eine Brennkammer 12, einen Auslasskonus 14 und einen Nachbrenner 16. Der Nachbrenner 16 besitzt ein Ge häuse 17 und eine Schubdüse 18.
Mit 20 ist ein Treibstoffsystem allgemein bezeich net, das einen Treibstofftank 22 und eine Haupt treibstoffpumpe 24 aufweist, welch letztere Treib stoff über die Leitung 25 in die Brennkammer 12 fördert. Es sind eine Nachbrennerpumpe 26, ein Steuerventil 28 und eine Leitung 29 vorgesehen, um Treibstoff an einen Verteiler 30 zu fördern, der eine Mehrzahl von Einspritzelementen 31 für den Nach brenner 16 miteinander verbindet. In der Leitung 29 sind Rückschlagventile <I>V</I> und<I>VP</I> vorgesehen, um zu verhindern, dass Treibstoff aus dem Steuersystem 28 abläuft, wenn das Nachbrennersystem nicht im Betrieb ist.
Es kann selbstverständlich eine Mehrzahl von Einspritzelementen vorgesehen sein, jedoch wird nachfolgend nur ein einziges solches beschrieben.
Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist im Nachbrennergehäuse 17 eine Öffnung 32 zur Auf nahme des Einspritzelementes 31 vorgesehen. Das Einspritzelement besitzt eine Gruppe von Sprühstä ben 33, die so ausgebildet sind, dass sie ein mög lichst kleines Hindernis für die Strömung im Nach brenner bilden und dadurch die Druckverluste auf einem Minimum halten. Die Sprühstabgruppe 33 er streckt sich radial in die Brennkammer 16. Zur starren Abstützung des Einspritzelementes auf dem Gehäuse 17 ist ein Bügel 34 vorgesehen, der am Gehäuse 17 mittels Schrauben 36 befestigt ist.
Zur Befestigung lassen sich statt dessen aber auch I\Tiete verwenden, oder der Bügel kann mittels Schweissung oder Lötung oder andern Befestigungsmitteln gehal ten werden. Die Sprühstabgruppe 33 besitzt eine Mehrzahl von unterschiedliche Länge aufweisenden Einspritzrohren, die mit 40, 42, 44, 46 und 48 be zeichnet sind. Jedes Rohr besitzt eine relativ grosse Treibstoff-Verteilöffnung 50, 52, 54, 56 bzw. 58 mit einem geringen Druckabfall und möglichst kleinem Strömungswiderstand.
Die Verteilöffnungen sind an vorbestimmten radialen Punkten der Brennkammer angeordnet, um die Strömungsverteilung in derselben zu berücksichtigen. Aus dem Vorstehenden lässt sich entnehmen, dass es sich bei den Öffnungen nicht um Dosier-, sondern lediglich um Verteilöffnungen han delt.
Um an jedem Umfangspunkt an der Brennkam- mer innerhalb des Verteilers 30 den gleichen Treib stofffluss zu gewährleisten, besitzt jede Sprühstab gruppe 33 einen Hauptventilkörper 38 (Fig.3 und 4), der an seinem einen Ende geschlossen ist und an seinem andern Ende einen Anschlussstutzen 62 aufweist. Der Anschlussstutzen enthält eine Öffnung, die mit dem Verteiler 30 in Verbindung steht. Der Ventilkörper besitzt eine Trennwand 65, welche den selben in zwei Kammern unterteilt, nämlich eine Primärkammer 66 und eine Sekundärkammer 68.
Für jede der beiden Kammern ist ein Ventil vor gesehen, und zwar für die Primärkammer das Primär ventil 70 und für die Sekundärkammer das Sekundär- i, entil 72. Das Primärventil 70 besitzt eine Feder 74 mit kleinerer Federkraft als die Feder 76 für das Sekundärventil 72. Das Primärventil ist eingestellt, um bei kleinerem Treibstoffdruck als das Sekundär ventil_ zu öffnen. Um zu gewährleisten, dass der Treib stoff an allen Stellen des Verteilers 30 unter gleichem Druck steht, gestattet die Feder 74 die Öffnung des Ventils 70 bei einem vorbestimmten Druck.
Beispiels weise kann am Einspritzelement 31 ein Einlassdruck von 3,5 kp/cm2 aufrechterhalten werden. Dieser Wert ist kleiner als der der Federvorspannung ent sprechende Druck, welcher auf 5,6 kp/cm2 ein gestellt werden kann. Dadurch wird die Strömung durch das Primärventil 70 dosiert, sobald der Ein lassdruck über 5,6 kp/cm2 liegt, wodurch an jedem Ventil die gleiche Strömung vorhanden ist.
Wenn es erwünscht ist, einen Breitenbereich von Strömungsverhältnissen zu erhalten, wird das Ventil 72 eingestellt, um bei einem höheren Druck zu öff nen. Beispielsweise kann die Feder 76 die Öffnung des Ventils bei 7 kp/cm2 gestatten.
Die Primärkammer 66 ist mit einer Mehrzahl von Dosieröffnungen 78 versehen, von denen je eine mit einem Rohr in Verbindung steht. Diese Öffnungen 78 verteilen den Treibstoff gleichmässig an einer Stelle, an welcher derselbe sich noch in vollständig flüssigem Zustand befindet und keine Verdampfung stattgefun- den hat. Die Öffnungen 78 gewährleisten eine gleich mässige Treibstoffverteilung, da sie infolge ihrer rela tiv kleinen Fläche einen verhältnismässig grossen Druckabfall erzeugen und der Treibstoffströmung einen grossen Widerstand entgegensetzen, welcher stromaufwärts der Öffnungen in einem genügenden Druck resultiert, um eine Verdampfung des Treibstof fes zu verhindern.
Durch jede dieser Öffnungen tritt also eine gleiche Menge von Treibstoff hindurch. Die Sekundärkammer 66 ist ebenfalls mit je einer Dosieröffnung 80 für jedes Rohr versehen. Diese Sekundäröffnungen werden wirksam, wenn ein höhe rer Treibstoffdurchsatz benötigt wird. Demzufolge wird bei der Verwendung beider Kammern 66 und 68 jedes Rohr mit Treibstoff gespiesen, und zwar einerseits aus der Primärkammer und anderseits aus der Sekundärkammer, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist.
Im Betrieb des Nachbrennersvstems fördert die Pumpe 26 Treibstoff an das Steuerventil 28. Das Steuerventil dosiert die der Leitung 29 zugeführte Treibstoffmenge über den Druck, welcher notwendig ist, um den Strömungswiderstand des Systems zu überwinden. Vom Ventil aus gelangt der Treibstoff an den Verteiler 30.
Da die Primärfeder 74 dem Ventil 70 die Öff nung erst bei einem vorbestimmten Druck gestattet, verhindert der Treibstoffdruck im Verteiler eine Ver dampfung und gewährleistet, dass der Treibstoff in flüssigem Zustand verbleibt. Jedem Einspritzelement 31 am ganzen Umfang der Brennkammer wird die gleiche Treibstoffmenge zugeführt, da vor dem Ventil 70 ein genügend hoher Druck herrscht.
Bei der Erreichung des vorbestimmten Druckes im Verteiler 30 öffnet sich das Ventil 70 und gestat tet den Zutritt des Treibstoffes in die Kammer 66. Infolge des Druckabfalles an den Öffnungen 78 ver bleibt auch hier der Treibstoff in flüssigem Zustand und derselbe wird gleichmässig an die Rohre 40-48 abgegeben. Da die Verteilöffnungen 50-58 relativ gross sind, behindern sie den Austritt des Treibstoffes nicht, so dass durch jede Öffnung die gleiche Treib stoffmenge in die Brennkammer austritt, selbst wenn der Treibstoff verdampfen sollte.
Die Ventileinheit 60 ermöglicht infolge der Unter teilung in zwei Kammern, die parallel zueinander arbeiten, einen breiten Betriebsbereich. Wenn ein höherer Schub benötigt wird, wird das Steuerventil 28 betätigt, um eine höhere Treibstoffmenge unter grösserem Druck an den Verteiler zu führen und das Ventil 72 zu öffnen. In diesem Falle verteilen die Dosieröffnungen 80 den Treibstoff in der Sekundär kammer 68 gleichmässig an die Einspritzrohre zu sätzlich zu dem von der Primärkammer 66 zugeführ ten Treibstoff. In diesem Betriebszustand erhält also jedes Einspritzrohr Treibstoff sowohl aus der Primär- als auch aus der Sekundärkammer, und zwar über eine Öffnung 78 bzw. 80.
Demzufolge wird an allen Stellen bzw. radialen Lagen Treibstoff in gleichen Mengen zugeführt, selbst wenn derselbe nicht mehr vollständig flüssig ist.