DE1162136B - Umlaufzerstaeubungsvorrichtung fuer Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: F 02 c

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 46f-14

1162136
V18485Ia/46f
23. April 1960
30. Januar 1964

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerstäuben flüssiger und kolloider fester Brennstoffe in Brennkammern von Gasturbinentriebwerken mit einem mit der Rotorwelle umlaufenden topfradförmigen Zerstäuberkörper, dem der Brennstoff außerhalb der Rotorwelle zugeführt wird und dessen Hohlraum durch eine radiale Trennwand in einen schmalen, eintrittsseitig offenen Ringraum zur Aufnahme und Beschleunigung des Brennstoffes sowie in einen mehrfach längeren, brennkammerseitig offenen, in axialer Richtung zur Brennkammer hin größer werdenden Raum unterteilt ist, wobei beide Räume mittels divergent in der Trennwand angeordneter Öffnungen verbunden sind, nach Patent 1114 676.

Die Vorrichtung ist innerhalb der Brennstoffzuführung zur Brennkammer angeordnet und hat den Zweck, insbesondere flüssige Brennstoffe zu atomisieren und in dieser Form der Brennkammer zuzuführen.

Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung also darin, die Zerstäubung in einer Form durchzuführen, daß der Brennstoff nicht in flüssigem Zustand, sei es in Tropfenform oder in Form eines zusammenhängenden Strahles, in die Brennkammer gelangt.

Nach dem Hauptpatent ist im Zerstäuberkörper ein eintrittsseitig geöffneter Ringraum zur Aufnahme und Beschleunigung des außerhalb der Triebwerkswelle zugeführten Brennstoffes angeordnet, der durch die Topfradscheibe des Zerstäuberkörpers vom brennkammerseitig angeordneten Kegelhohlraum getrennt ist. Der Kegelöffnungswinkel des Kegelhohlraumes wird in axialer Richtung zur Brennkammer hin größer, und beide Innenräume des Zerstäuberkörpers sind mittels divergent in der Topfradscheibe angeordneter Öffnungen verbunden. Die zur Zuführung des Brennstoffes in den Ringraum außerhalb der Triebwerkswelle dienenden Kanäle sind hierbei in solcher Weise divergent angeordnet, daß die Flüssigkeitsstrahlen in Umlaufrichtung tangential an der Wandung des Ringraumes auftreffen. Durch diese Maßnahme erfährt der Brennstoff in dem Ringraum gleichzeitig eine Vorbeschleunigung. Die in der als radiale Trennwand ausgebildeten Topfradscheibe divergent angeordneten Öffnungen sind als Bohrungen ausgeführt und derart angebracht, daß der den Brennstoff aufnehmende und zu seiner Vorbeschleunigung dienende Ringraum mit dem brennkammerseitigen Hohlraum konturschlüssig verbunden ist. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung des zugeführten Brennstoffes bei der Weiterförderung durch die Öffnungen ist es erforderlich, eine größere Anzahl von Bohrungen in der Trennwand anzubringen. Die Umlaufzerstäubungsvorrichtung für
Gasturbinentriebwerke

Zusatz zum Patent: 1114 676

Anmelder:

VEB Gasturbinenbau und Energiemaschinenentwicklung Pirna, Pirna/Elbe, Sonnenstein

Als Erfinder benannt:
Gerhard Gutter, Dresden

Zerstäubervorrichtung arbeitet also nur dann mit der notwendigen Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit, wenn das Anliegen des Brennstoffes an der Wandung der Hohlräume im Sinne der Aufgabenstellung, d. h. Tropfen- und Strahlbildung an der Abschleuderkante des Zerstäuberkörpers zu verhindern, auf einer genügend großen Länge des Umfanges gewährleistet ist. Es hat sich nun gezeigt, daß diese Forderung durch Bohrungen nicht erfüllt werden kann, weil die Symmetrieachse der Bohrungen einen zu großen radialen Abstand von der Innenwandung des Zerstäuberkörpers hat und Konturschlüssigkeit zwischen der Wandung des Ringraumes und derjenigen des brennkammerseitigen Hohlraumes im Bereich jeder Bohrung nur in einer Linie gegeben ist. Unter Wirkung der hohen Rotationsgeschwindigkeit wird die Haftverbindung zwischen Flüssigkeit und Wandung infolgedessen unterbrochen, und der Brennstoff tritt aus jeder Bohrung in Strahlform in den brennkammerseitigen Hohlraum ein. Obwohl eine Haftverbindung zwischen den Flüssigkeitsstrah!len und der Innenwand des Zerstäuberkörpers in einem gewissen Abstand von den Austrittsöffnungen der Bohrungen wieder zustande kommt — wiederum als Folge der hohen Rotationsgeschwindigkeit —, ist keine Gewähr dafür gegeben, daß der Brennstoff in einer filmdünnen, sich im Bereich der Grenzschichtdicke haltenden Schicht weitergefördert wird, um ausschließlich in atomisiertem Zustand in die Brennkammer eingebracht zu werden. Diese Erscheinung wird noch dadurch begünstigt, daß die Bohrungen in einer bestimmten Richtung in der Zwischenwand des Zerstäuberkörpers angebracht werden müssen, um Konturschlüssigkeit der Bohrungswandung mit der Wandung des Ringraumes und des brennkammer-

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seitigen Hohlraumes herzustellen, und daß ferner der Ort der Anbringung der Bohrungen sich an einer schwer zugänglichen Stelle befindet. Die Herstellung dieser Bohrungen ist daher mit Schwierigkeiten und mit einem unerwünschten Zeitaufwand verbunden, ohne daß ein konturschlüssiger Übergang vom Ringraum zum brennkammerseitigen Hohlraum gewährleistet werden kann.

Es ist die Aufgabe und der Zweck der Erfindung,

Teil, einem mit diesem verbundenen, außen im wesentlichen zylindrischen Teil und einer zwischen diesen beiden Teilen eingeklemmten Trennwand, deren konzentrische Innenbohrung einen die Brennstoffzuführkanäle aufweisende und das Turbinenwellenlager tragende feststehende Nabe dichtend umhüllt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Ausbildung des Randes und der brennkammerseitigen

diese Schwierigkeiten zu vermeiden und die Haft- io Austrittsöffnung des rotierenden Zerstäuberkörpers verbindung zwischen der Flüssigkeit und der Innen- für das Abschleudern der Brennstoffteilchen, der im wandung des Zerstäuberkörpers vom Ort des Auftreffens des in Form eines Strahles oder mehrerer
Strahlen zugeführten Brennstoffes bis zum Ort des
Abschleudern des Brennstoffes in die Brennkammer 15
aufrechtzuerhalten.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung zur Lösung der
Aufgabe besteht darin, daß der Zerstäuberkörper
innen eine im wesentlichen hyperbolische Meridianbegrenzung aufweist und daß die den Ringraum mit 20 linig und mit geringer Neigung zur Radialebene ausdem brennkammerseitig offenen Hohlraum verbin- läuft. Bei dieser baulich einfachen und betriebsdenden Öffnungen als konzentrischer, in Strömungs- sicheren Ausführung treten die Brennstoffteilchen sorichtung konvergierender Ringschlitz ausgebildet ist. mit in atomisiertem Zustand in Form eines geschlos-Das Wesen des Mittels zur Lösung der Aufgabe senen, ganz flachen Kegelmantels in den Brennkambesteht somit in der Form und Größe der in der 25 merraum ein.

ringförmigen Trennwand befindlichen Öffnungen, die Die andere Variante der Bauform besteht erfinden zur Aufnahme und Beschleunigung des züge- dungsgemäß darin, daß bei Anordnung des Axialführten Brennstoffes dienenden Ringraum mit dem drucklager der Turbinenwelle in größerer Entferden vorbeschleunigten Brennstoff bis zum Abschleu- nung vom Zerstäuberkörper dieser im Anschluß an dem weiter fördernden brennkammerseitigen Hohl- 30 seine innen im wesentlichen hyperbolische Meridianraum verbinden. Die Größe des eintrittsseitigen und begrenzung eine ringförmige Hohlkehle aufweist, in austrittsseitigen Querschnittes und der Konvergenz welcher am Umfang gleichmäßig verteilt radiale Ausdes Ringschlitzes ist von der zu fördernden Brenn- Spritzbohrungen angeordnet sind. Bei einer solchen stoffmenge, vom Düsenverhalten des wirksamen Ausführung treten die Brennstoffteilchen in atomi-Düsenquerschnittes und von den gegebenen strö- 35 siertem Zustand in einer entsprechenden Anzahl mungstechnischen Verhältnissen abhängig. Die An- radialer Strahlen in den Brennkammerraum ein. Ordnung eines Ringschlitzes nach der Erfindung an Der Grund für die verschiedenartige Ausführung

Hinblick auf verschiedene Möglichkeiten für die Ausführung der Lagerung des Gasturbinenrotors ebenfalls verschieden ausgebildet werden kann.

Die eine Variante der Bauform besteht erfindungsgemäß darin, daß bei Anordnung des Axialdrucklagers der Turbinenwelle in der Nähe des Zerstäuberkörpers, dessen innen im wesentlichen hyperbolischen Meridianbegrenzung an der Abschleuderkante gerad-

Stelle von Bohrungen nach dem Hauptpatent hat den Vorteil, daß Tropfen- und Strahlbildung innerhalb

des rotierenden Zerstäuberkörpers am Rand der brennkammerseitigen Austrittsöffnung für das Ab-

des Zerstäuberkörpers, insbesondere aber an dessen 40 schleudern der Kraftstoffteilchen ist in der Notwen-Abschleuderkante nicht eintreten kann. Sollten unter digkeit einer sicheren Flammenhaiterung und in der bestimmten, vorher nicht übersehbaren Betriebs- Erzielung einer symmetrischen Flamme zu suchen, zuständen wirklich »vagabundierende« Tropfen auf- Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, am Umfang treten, so liegt deren Größe im Mikrobereich, d. h. in des rotierenden Zerstäuberkörpers ein in seiner der Größenordnung der zerstäubten bzw. atomisierten 45 Form symmetrisch ausgebildetes Unterdruckgebiet Brennstoffteilchen. zu schaffen. Der Rotor der Gasturbine mit dem Zer-Die im wesentlichen hyperbolische Meridian- Stäuberkörper dehnt sich unter dem mehr oder begrenzung dient dazu, einen kontinuierlichen Ver- weniger großen Einfluß der Temperatur des Kreislauf an der den Brennstoff fördernden Oberfläche prozesses in axialer Richtung im Vergleich zum ohne Stellen plötzliche Richtungsänderung zu er- 50 Stator bekanntlich stärker aus, d. h., der Zerstäuberzielen. Hierdurch wird vermieden, daß insbesondere körper bewegt sich in axialer Richtung und ändert an der Stelle, an der Mantellinien geringer Neigung dadurch die Symmetrie der Flamme, in Mantellinien stärkerer Neigung übergehen, bereits Zur Erzielung eines günstigen Beschleunigungsein Abschleudern eines Teiles des Brennstoffes in Verhaltens des Zerstäuberkörpers sind die den Brenneinem Bereich stattfindet, in welchem sich teils in- 55 stoff außerhalb der Rotorwelle zuführenden Kanäle

folge ungenügend hoher Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen, teils infolge von Prallwirkung ungenügend zerstäubter Brennstoffe in Form größerer Tropfen zurückbildet, die dann unerwünschte Betriebsstörungen verursachen.

Ein anderes Hauptmerkmal der Erfindung besteht in einer mehrteiligen Ausführung des Zerstäuberkörpers und in einer anderen entsprechenden Anordnung der das Zuführen, das Beschleunigen, das Ver-

brennkammerseitig im Inneren des auf der Rotorwelle befestigten Zerstäuberkörpers in einem feststehenden, in den Zerstäuberkörper hineinragenden und gegenüber diesem durch Labyrinthe abgedichteten Bauteil nach der Erfindung im Nahbereich der Wellenoberfläche räumlich schräg angeordnet, d.h. also in einem Bereich, in dem die Relativgeschwindigkeit zwischen den den Brennstoff zuführenden Strahlen und der Umfangsgeschwindigkeit des Zerstäuber-

teilen, das Weiterfördern und das Abschleudern des 65 körpers an der Auftreffstelle der Strahlen möglichst

Brennstoffes bewirkenden Teile zueinander. Der Zer- niedrig ist.

Stäuberkörper besteht erfindungsgemäß aus einem In der Zeichnung ist die Erfindung an zwei Ausscheibenförmigen, auf der Turbinenwelle befestigten führungsbeispielen erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Gasturbinentriebwerk, in welchem die Erfindung verwirklicht ist,

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs des Brennkammereintrittes mit einer Variante des Gegenstandes der Erfindung im Längsschnitt aus der Darstellung des in F i g. 1 gezeigten Triebwerkes,

Fig. 3 die in Fig. 2 im Längsschnitt gezeigte vergrößerte Darstellung mit einer anderen Variante des Gegenstandes der Erfindung.

Das in F i g. 1 dargestellte, mit 4 bezeichnete Gasturbinentriebwerk ist in seiner Gesamtheit in an sich bekannter Weise aufgebaut und besteht aus dem Radialverdichter 5, der Brennkammer 12, der Turbine 13 und dem ringförmigen Abgasstutzen 18. Die atmosphärische Luft strömt über den Ringkanal 6 des Eintrittsstutzens 19 des Radialverdichters 5 ein und gelangt in verdichtetem Zustand über den Luftführungskanal 8 in den die Brennkammer 12 und die Turbine 13 umgebenden Brennkammerkesselraum 11, der vom Triebwerksgehäusemantel 9 umgeben ist. Aus dem Brennkammerkesselraum 11 tritt die verdichtete Luft über die in der Brennkammerwand 27 befindlichen Öffnungen 28, 29, 30 in die Brennkammer 12 ein, in der sie aufgeheizt wird. Die aus der Brennkammer 12 austretenden heißen Gase werden in der zweistufigen Turbine 13 entspannt und verlassen das Triebwerk über die Austrittsöffnung 36 des Abgasstutzens.

Der Turbinenrotor 35 ist in den Lagern 37, 38 drehbar und über das Kupplungsglied 48 mit der in den Lagern 46, 47 drehbaren Verdichterrotorwelle 45 verbunden, auf welcher der aus dem Vorsatzläufer 21 und dem Laufrad 23 bestehende Verdichterrotor befestigt ist. Auf dem Turbinenrotor 35 ist im Bereich des vorderen Turbinenrotorlagers 37 der in seiner Gesamtheit mit 44 bezeichnete, im Innern hyperbolisch geformte Zerstäuberkörper befestigt, der den eigentlichen Gegenstand der Erfindung bildet und mit der Umlaufzahl des Turbinenrotors 35 rotiert, die etwa zwischen 3 bis 5 · ΙΟ⁴ η · min"¹ liegt.

An dem freien Ende der Verdichterrotorwelle 45 befindet sich der Anschlußstutzen 49 für die Abnahme der Nutzleistung des Turbinenrotors 35, beispielsweise für den Antrieb von Feuerlösch- oder Notstromaggregaten in Industriebetrieben, von Kühlaggregaten in Eisenbahnkühlwaggons, von Lenzpumpen auf Schiffen, von Straßen- oder Schienenfahrzeugen. In jedem Falle ist zwischen Gasturbine und Nutzleistungsaggregat ein entsprechend ausgelegtes Untersetzungsgetriebe geschaltet.

In den Fi g. 2 und 3 sind der Aufbau und die Befestigung des auf dem Turbinenrotor 35 angeordneten, im Inneren hyperbolisch geformten Zerstäuberkörpers 44 sowie die außerhalb des Turbinenrotors 35 stattfindende Zuführung des Brennstoffes in den Zerstäuberkörper44 — d.h. also die Beschikkung des Zerstäuberkörpers — in Einzelheiten dargestellt. Der Zerstäuberkörper 44 besteht aus einem auf dem Turbinenrotor 35 befestigten, tragenden, scheibenförmigen Teil 52, einem am Außenmantel im wesentlichen zylindrischen Teil 53 und einer ringförmigen Trennwand 54. Der zylindrische Teil 53 ist mit dem tragenden Teil 52 vorzugsweise durch Gewinde 55 verbunden und am tragenden Teil 52 an dessen Außenseite bei 56 außerdem noch verschweißt oder verlötet, und zwar in der Weise, daß die zwischen die beiden Teile 52, 53 eingeschlossene, durch Klemmwirkung an drei oder mehr Stegen 57 festgehaltene ringförmige Trennwand 54 von dem gesamten Innenraum des Zerstäuberkörpers 44 einen ringförmigen Raum 58 zur Aufnahme des zugefü'hrten Brennstoffes abtrennt. Die Innenflächen des scheibenförmigen, tragenden Teiles 52 sowie des zylindrischen Teiles 53 verlaufen an der Trennstelle konturschlüssig. Zwischen den Stegen 57 ist die äußere Begrenzung der Trennwand 54 in radialer Richtung derart zurückgesetzt, daß zwischen dem

ίο Außenrand der Trennwand und der Innenfläche der miteinander verbundenen Teile 52, 53 ein schmaler Spalt 59 mit einer vorherbestimmbaren Breite verbleibt, die in der Zeichnung übertrieben groß dargestellt ist. Der tragende Teil 52 liegt mit seiner Außenfläche an einem Bund 60 des Rotors 35 an und ist durch das brennkammerseitige Turbinenlager 37 sowie unter zusätzlicher Verwendung eines hülsenförmigen Zwischenstückes 61 mittels der Mutter 62 ebenfalls durch Klemmwirkung festgehalten. Eine zwischen dem Lager 37 und der Mutter 62 eingelegte ringförmige Sicherung 66 verhindert das Lösen der Mutter während des Betriebes in der Weise, daß an der Sicherung befindliche Zungen 66 a in am Rotor 35 angebrachte Nuten 63 eingreifen und durch Umbiegen sich in entsprechende Nuten 64 der Mutter 62 einlegen, während die Nuten 65 zum Ansetzen eines entsprechend geformten Mutternschlüssels zum Betätigen der Mutter 62 dienen. Das brennkammerseitige Ende des Verdichtertragkörpers 39 ist in Form eines vorspringenden zylindrischen nabenartigen Teiles 67 ausgebildet, welcher das den Zerstäuberkörper 44 tragende Ende des Rotors 35 konzentrisch zur Rotationsachse umgibt und in den Innenraum des zylindrischen Teiles 53 des Zer-Stäuberkörpers 44 hineinragt. Das freie Ende des Teiles 67 ist seinerseits derart ausgebildet, daß an einem scheibenförmigen Steg 68 ein in seinem Durchmesser kleinerer Zylinder 69 befestigt ist, der in axialer Richtung nach vorn und hinten übersteht in der Weise, daß der nach vorn überstehende Teil durch die zentrische Öffnung der Trennwand 54 in den Ringraum des Zerstäuberkörpers 44, 58 hineinragt. Die Mantelfläche der zentrisohen Öffnung in der Trennwand 54 ist als Labyrinth 70 und die Mantelfläche des Zwischenstückes 61 als Labyrinth 71 ausgebildet, die den Ringraum 58 an der äußeren und inneren Mantelfläche des Zylinders 69 gegenüber dem Brennkammerraum 12 und der Atmosphäre abdichten. In dem nabenartigen Teil 67 befinden sich an einer Stelle oder in gleichmäßiger Verteilung an mehreren Stellen Bohrungen bzw. Kanäle 72, 73, 74, 75, die als zusammenhängende Leitung zur Zuführung des von einer nicht dargestellten Förderpumpe aus einem ebenfalls nicht dargestellten Vorratsbehälter gelieferten Brennstoffes dienen. Diese Zuführleitung bzw. -leitungen enden in Düsen 76, die in Richtung der Rotation des Zerstäuberkörpers 44 räumlich schräg angeordnet sind und deren Aus-

. trittsöffnungen auf einem zur Rotationsachse konzenirischen Kreis liegen. In den nabenartigen Teil 67 des aus einem Nichteisenmetall bestehenden Verdichtertragkörpers 39 ist eine Büchse 77 aus Stahl eingesetzt, in der das brennkammerseitige, die auftretenden Axialkräfte aufnehmende Turbinenlager 37 mit seinem äußeren Laufring 37 α eingesetzt ist. Eine zweite Büchse 80 drückt den Lagerring gegen den Bund 79 der Büchse 77. Beide Büchsen sind mittels durch die strichpunktierten Linien 82, 83 dargestell-

ten Schrauben mit ihren Flanschen 78, 81 an dem nabenartigen Teil 67 befestigt.

Das besondere Merkmal der in Fig. 2 dargestellten Variante des Zerstäuberkörpers 44 besteht darin, daß die zur Rotationsachse divergierenden Mantellinien der Innenfläche des brennkammerseitigen hyperbolischen Hohlraumes des Zerstäuberkörpers 44 im Bereich seiner Austrittsöffnung mit geringer Neigung gegenüber der Radialebene bis zur Abgeradlinig verlaufenden, zur Rotationsachse divergierenden Mantellinien der Innenflächen des Zerstäuberkörpers 44 konturschlüssig anschließen. An seinem Umfang ist der Zerstäuberkörper 44 im 5 Bereich dieses zweiten Ringraumes 95 durch Anbringung eines entsprechenden Ringes 97 zylindrisch ausgebildet, so daß — im Querschnitt betrachtet — dieser Ring 97 ebenfalls die Wirbung einer Stauscheibe auf die durch die Brennkammermantelhalter

Der Grund für diese Ausbildung des Zerstäuberkörpers 44 ist darin zu sehen, daß die Auswirkung der Wärmedehnung des Turbinenrotors 35 gegenüber dem Stator in axialer Richtung unter dem mehr

rung durch Beeinträchtigung der Symmetrie der Flamme praktisch nicht gefährdet wird. Die Flammenhalterung hängt bekanntlich von Form und Zu-

über dem Spalt 85 ausbildet. Zur Schaffung eines symmetrisch ausgebildeten Unterdruckdomes befindet sioh auf dem nabenartigen Teil 67 ein ringförmiger

schleuderkante 53 α etwa geradlinig verlaufen und io 86' befindlichen Öffnungen 89', 90' in Richtung der dort enden. Diese Bauform ist für eine Ausführung Pfeile 91', 92' in den Brennkammerraum 12 einder Gasturbine vorgesehen, bei der das Turbinen- strömende Primärluft ausübt. Analog der Ursache lager 37, das als Hochschulterlager die auftretenden für die bei der Bauausführung der in F i g. 2 darge-Axialkräfte aufnimmt, im Nahbereich der Kraftstoff- stellten Variante getroffenen Maßnahme ist der zerstäubung eingebaut ist, wie es in Fi_g. 2 zeigt. 15 Grund für die Anbringung des zweiten Ringraumes

~ ~ - — -- - 95 dann _Zu suchen, daß die aus dem mehr oder

weniger großen Einfluß der Temperatur des Kreisprozesses resultierende Wärmedehnung des Turbinenrotors 35 in axialer Richtung infolge der entfernten

oder weniger großen Einfluß der Temperatur des 20 Anordnung des die Axialkräfte aufnehmenden Lagers Kreisprozesses nur gering ist und die Flammenhalte- 37 um ein Vielfaches größer ist als die entsprechende

Wärmedehnung des Rotors 35 bei der in F i g. 2 dargestellten Variante. Es mußte somit Vorsorge dafür getroffen werden, daß die Veränderungen der nahezu

stand des Gebietes des Unterdruckes ab, das sich 25 symmetrischen Form des Unterdruckgebietes über etwa bei domartigem Querschnitt etwa symmetrisch dem als Stauscheibe wirkenden Ring 97 die Flam-

menhalterung nicht gefährden. Dies wird am einfachsten durch die gewählte dargestellte Formgebung des die Basis des Unterdruckdomes bildenden

Körper 84, der an seiner Peripherie als Gegenstück 30 Ringes 97 als ein zusammenhängender Bauteil erzur Ausbildung des Randes des Zerstäuberkörpers reicht.

44 im Bereich der Abschleuderkante 53 α in ähnlicher Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vor-

Weise ausgebildet ist. Die seitlich überstehenden richtung zum Zerstäuben flüssiger Brennstoffe in Ränder 53 b bzw. 84 b sind bezüglich des — im Brennkammern von Gasturbinentriebwerken unter Querschnitt betrachtet — wie eine Düse wirkenden 35 Verwendung eines umlaufenden, brennkammerseitig Spaltes 85 in ihrer Gesamtheit mit einer Stauscheibe offenen, topfradförmigen Zerstäuberkörpers in einer vergleichbar. Der Stau entsteht infolge der schmalen Ausbildung wie nach der Erfindung ergibt sich mit Spalte 87, 88, die zwischen dem Halter 86 des Brenn- der erforderlichen Eindeutigkeit aus den Zeichnungen kammermantels 27 und den Rändern 53 b bzw. 84 δ und aus der Beschreibung. Diese Wirkungsweise der Bauteile 53 bzw. 84 gebildet sind, und beein- 40 basiert auf der konstruktiven Ausführung der Vorflussen die durch die Öffnungen 89, 90 in Richtung richtung und der funktionellen Verbindung ihrer einder Pfeile 91, 92 in den Brennkammerraum 12 ein- zelnen Bauteile, die durch die Anwendung der erströmende Primärluft. findungsgemäßen Vorrichtung in Kleingasturbinen Die in Fig. 3 dargestellte Variante entspricht in extrem hoher Rotordrehzahlen gegeben ist. Die ihrem Aufbau grundsätzlich dem Aufbau der in 45 Funktion der Vorrichtung nach der Erfindung beruht F i g. 2 dargestellten Variante; gleiche Bauteile sind im wesentlichen auf der Art der Zuführung des daher mit gleichen Bezugszeichen benannt, zur Brennstoffes außerhalb der Läuferwelle und auf der Unterscheidung sind sie lediglich mit einem Beistrich Tatsache, daß der Brennstoff im Zerstäuberkörper versehen. Die Tatsache der andersartigen Variante 44 beschleunigt wird. Der Brennstoff wird dem Zerist — von der anderen Ausbildung des Zerstäuber- 50 Stäuberkörper 44 in Richtung dessen Rotation in der körpers 44 abgesehen — weiterhin noch dadurch Weise zugeführt, daß der Brennstoffstrahl an der zum Ausdruck gebracht, daß das Turbinenlager 37, Innenwand des tragenden scheibenförmigen Teiles 52 das die auftretenden Axialkräfte aufnimmt, turbinen- des mit dem Gasturbinenrotor 35 umlaufenden Zerseitig, also in größerer Entfernung von der Kraftstoff- Stäuberkörpers 44, die der den Brennstoff zuführenzerstäubung, eingebaut und daher in der Zeichnung 55 den Düse bzw. bei Anordnung mehrere Düsen diesen nicht dargestellt ist. An Steile des in F ig. 2 eingezeich- den Brennstoff zuführenden Düsen gegenüberliegt, neten Hochschulterlagers 37 ist daher in F i g. 3 ein unter einem spitzen Winkel nahezu tangential angewöhnliches Rollenlager 93 eingezeichnet. trifft. Der Vorteil dieser Zuführungsart besteht darin, Das besondere Merkmal der in F i g. 3 dargestell- daß die Brennstoffteilchen an der radialen Wand ten Variante des Zerstäuberkörpers 44 besteht darin, 60 bereits in einem vorbeschleunigten Zustand antreffen daß der rotierende Zerstäuberkörper 44 im Bereich und von dieser Auftreffstelle an weiter beschleunigt des Randes an seiner brennkammerseitigen Austritts- werden. Diese Beschleunigung bleibt wiederum bis Öffnung durch Anordnung einer radialen, ringförmi- zum Abschleudern durch die Anordnung des Schlitzes gen Wand 94 einen zweiten Ringraum 95 aufweist, in der Trennwand unmittelbar an den divergierenden der mit radialen, symmetrisch angeordneten Bohrun- 65 Innenflächen der Teile 47, 48 des Zerstäuberkörpers gen 96 versehen ist, die sich an die im Bereich der 39 in der Weise erhalten, daß der Brennstoff an Austrittsöffnung des Zerstäuberkörpers 44 mit ge- den konturschlüssig aneinanderliegenden Innenflächen ringer Neigung gegenüber der Radialebene etwa ungehindert entlang strömen kann.

Das sogenannte »Düsenverhalten« des wirksamen Durc'htrittsquerschnittes ist durch die Forderung gegeben, die zur Aufheizung in der Brennkammer benötigte Kraftstoffmenge in einer solchen Art und Weise »durchzusetzen«, daß ein ungehinderter Durchfluß gewährleistet ist und eine unzulässige Vergrößerung der in dem eintrittsseitigen Ringraum des Zerstäuberkörpers 44 eingeschlossenen und mit diesem umlaufenden Brennstoffmenge vermieden wird. Die entsprechende praktische Maßnahme zur Erzielung eines solchen »Düsenverhaltens« besteht in einer bestimmten Vergrößerung der Schlitzhöhe über das für das »Durchsetzen« der benötigten maximalen Brennstoffmenge erforderliche Maß hinaus.

Die ideale Schlitzhöhe entspricht zweifellos der Dicke der an der Innenwand des brennkammerseitig offenen Hohlraumes des Zerstäuberkörpers sich ausbildenden, im Bereich der Grenzschichtdicke haltenden Flüssigkeitsschicht. Eine derartige Mindestschlitzhöhe wäre jedoch nur für das Durchsetzen einer bestimmten Brennstoffmenge entsprechend einer bestimmten durch diese Brennstoffmenge erzielbaren Triebwerksleistung verwendbar, während für höhere Leistungen auch eine größere Brennstoffmenge benötigt wird. Für das Durchsetzen der für jede Triebwerksleistung jeweils erforderlichen Brennstoffmenge müßte die Sohlitzhöhe somit stufenlos änderbar sein. Von den technischen Schwierigkeiten für die praktische Ausführung eines in seiner Höhe stufenlos änderbaren Schlitzes abgesehen, würden sich beim Durchsetzen des Brennstoffes unerwünschte Drosselerscheinungen bemerkbar machen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung erfüllt bei einfachem Aufbau die an sie zu stellenden Forderungen, insbesondere die Forderung nach Betriebssicherheit. Hieraus resultieren auch ihre Vorteile. Der für den Betrieb der genannten Gasturbinen-Triebwerke verwendete Brennstoff, unter dem Namen Kerosin bekannt, ist von geringer Viskosität und wird an der jeweils äußeren freien Kante des Zer-Stäuberkörpers 44 in feinstverteilter, atomisierter Form allseitig abgeschleudert. Es wird also einerseits verhindert, daß der Brennstoff in Tropfenform, d. h. in einem nicht vernebelten Zustand, abgeschleudert wird und andererseits, daß ein Teil des aus dem Ringraum 58 in den brennkammerseitigen Hohlraum geförderten Brennstoffes über die an der Innenwand des Zerstäuberkörpers 44 haftende und ordnungsgemäß entlangströmende filmdünne Brennstoffschicht in entsprechender willkürlicher Richtung hinweggleitet und in einem zusammenhängenden, unter der Wirkung der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Zerstäuberkörpers 44 unter einem gewissen Winkel entgegen der Umlaufrichtung geneigten Strahl nach unten abfließt. Bei den hochbelasteten, in ihrem Volumen kleinen Brennkammern der Kleingasturbinentriebwerke nach der Erfindung verursacht abtropfender bzw. abfließender Brennstoff jedoch empfindliche Störungen oder schwere Havarien, weil tropfenförmiger Brennstoff infolge der ungenügenden Mischung mit Luftsauerstoff eine um ein Mehrfaches intensive, örtlich auf kleinstem Raum begrenzte Verbrennung bewirkt, und zwar vorwiegend an der dünnen Brennkammerwand, die ihrerseits eine unzulässig hohe, zu Deformierunigen und zu Störungen führende Erhitzung des Wandwerkstoffes zur Folge hat. Mit Rücksicht auf die sehr hohe Rotationsgeschwindigkeit des Zerstäuberkörpers 44 bei der artigen Gasturbinentriebwerken ist die eine Vorbeschleunigung in tangentialer Richtung bewirkende Art der Zuführung des Brennstoffes nach der Erfindung funktionsgegeben, um das richtige Mischungsverhältnis zwischen Brennstoffdampf und Verbrennungsluft zu erzielen bzw. ein restloses Zerstäuben des gesamten Brennstoffes und damit ein brauchbares Flammenbild zu erhalten. Ein Vorteil des einfachen Aufbaues der Vorrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß der Brennstoff aus dem Vorratsbehälter durch die Brennstoffpumpe nur mit einem geringen Druck solcher Höhe in die Brennstoffzuführleitung gefördert zu werden braucht, wie er zur Überwindung der verschiedenen, durch die Kanalführung in der Zuführleitung, insbesondere durch die Umlenkstellen in dieser Leitung bzw. durch die Strömung selbst bedingten Reibungswiderständ'e erforderlich ist, weil eine druckabhängige Regelung wie bei Verwendung von Einspritzdüsen, entfällt. Es genügt vielmehr eine einfache Mengenregelung unter Verwendung einer Bypass-Anordnung für das Abfließen der jeweils zuviel gelieferten Brennstoffmenge, die mittels einer solchen Anordnung der Vorratsmenge wieder zugefügt wird.

Bei Verwendung kolloider fester Brennstoffe, bei denen die Kolloide an ein flüssiges oder festes Dispersionsmittel gebunden sind, ist die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zerstäuben der Brennstoffe funktionell die gleiche wie bei an sich flüssigen Brennstoffen.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   !.Vorrichtung zum Zerstäuben flüssiger und kolloider fester Brennstoffe in Brennkammern von Gasturbinentriebwerken mit einem mit der Rotorwelle umlaufenden topfradförmigen Zerstäuberkörper, dem der Brennstoff außerhalb der Rotorwelle zugeführt wird, und dessen Hohlraum durch eine radiale Trennwand in einen schmalen, eintrittsseitig offenen Ringraum zur Aufnahme und Beschleunigung des Brennstoffes sowie in einen mehrfach längeren, brennkammerseitig offenen, in axialer Richtung zur Brennkammer hin größer werdenden Raum unterteilt ist, wobei beide Räume mittels divergent in der Trennwand angeordneter öffnungen verbunden sind, nach Patent 1114 676, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäuberkörper (44) innen eine im wesentlichen hyperbolische Meridianbegrenzung aufweist und daß die den Ringraum (58) mit dem brennkammerseitig offenen Hohlraum verbindenden Öffnungen als konzentrischer, in Strömungsrichtung konvergierender Ringschlitz (59) ausgebildet sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäuberkörper (44) aus einem scheibenförmigen, auf der Turbinenwelle (35) befestigten Teil (52), einem mit diesem verbundenen, außen im wesentlichen zylindrischen Teil (53) und einer zwischen diesen beiden Teilen eingeklemmten Trennwand (54) besteht, deren konzentrische Innenbohrung eine die Brennstoffzufuhrkanäle (72 bis 76) aufweisende und das Turbinenwellenlager (37) tragende feststehende Nabe (67) dichtend umhüllt.
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung des Axialdrucklagers (37) der Turbinenwelle (35) in

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   der Nähe des Zerstäuberkörpers (44) dessen innen im wesentlichen hyperbolische Meridianbegrenzung an der Abschleuderkante (53 a) geradlinig und mit geringer Neigung zur Radialebene ausläuft.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung des

   Axialdrucklagers (37) der Turbinenwelle (35) in größerer Entfernung vom Zerstäuberkörper (44) dieser im Anschluß an seine innen im wesentlichen hyperbolische Meridianbegrenzung eine ringförmige Hohlkehle (95) aufweist, in welcher am Umfang gleichmäßig verteilt radiale Ausspritzbohrungen (96) angeordnet sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen