DE1254911B

DE1254911B - Anordnung des Einspritzduesenkoerpers an bzw. in der Brennkammer von Gasturbinentriebwerken

Info

Publication number: DE1254911B
Application number: DED48267A
Authority: DE
Inventors: Christian Schmitz; Dipl-Ing Werner Bruder
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1965-09-23
Filing date: 1965-09-23
Publication date: 1967-11-23

Description

Anordnung des Einspritzdüsenkörpers an bzw.
in der Brennkammer von Gasturbinentriebwerken Die. Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung des Einspritzdüsenkörpers an bzw. innerhalb der Brennkammer von Gasturbinentriebwerken, wobei das Düsenmundstück im Flammenhalter eingesetzt ist.
Bei Gasturbinentriebwerken ist es bekannt, das dem Düsenmundstück entgegengesetzte Ende des Düsenkörpers, also dessen außenliegendes Ende bzw. den Brennerkopf als Kugelzone auszubilden und innerhalb einer an der Brennkammeraußenwand vorgesehenen Kugelpfanne winkelbeweglich zu lagern. Das Düsenmundstück sitzt dabei in radialer Richtung fixiert in einem nabenförmigen Teil des Flammenhalters. Diese bekannte Anordnung eines Einspritzdüsenkörpers erlaubt wohl bei der Montage eine spannungsfreie Einstellung des außenliegenden Endes des Einspritzdüsenkörpers in bezug auf die Brennkammeraußenwand, birgt jedoch gleichzeitig den Nachteil in sich, daß die während des Betriebes auftretenden Wärmespannungen und Wärmedehnungen den Düsenkörper und die zu seiner Anordnung und Befestigung dienenden Bauteile erheblichen Belastungen aussetzen.
Eine andere Befestigungsart des Einspritzdüsenkörpers an der Brennkammeraußenwand besteht darin, an dem aus der Brennkammer herausragenden Teil des Einspritzdüsenkörpers einen Flansch vorzusehen und diesen mit der Brennkammeraußenwand durch Schrauben lösbar zu verbinden. Das innerhalb eines nabenförmigen Teiles des Flammenhalters eingesetzte Düsenmundstück ist dabei in radialer Richtung fixiert. Bei dieser bekannten Anordnung treten besonders Schwierigkeiten in der Beherrschung der während des Betriebes auftretenden Wärmespannungen und Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Düsenkörper und den Brennkammerwänden sowie dem Flammenhalter und der Befestigungsnabe für das Düsenmundstück auf. Zur Aufnahme dieser Ausdehnungsunterschiede verzichtet man auf eine in axialer Richtung feste Fixierung des vorderen Endes des Einspritzdüsenkörpers in der Nabe des Flammenhalters, was aber den Nachteil mit sich bringt, daß die Einspritzdüsenmündung bei verschiedenen Betriebstemperaturen, d. h. in verschiedenen Leistungsbereichen, ihre Stellung gegenüber dem Flammenhalter verändert, so daß der Verbrennungsablauf über den ganzen Lastbereich nicht optimal abläuft. Bei der Installierung von sogenannten Hakendüsen tritt außerdem der Nachteil ein, daß sich mit zunehmender Betriebstemperatur bzw. größer werdenden Wärmedehnungen der radial um das Düsenmundstück befindliche Ringspalt oder die innerhalb des nabenförmigen Düsenhalters vorgesehenen, sternförmigen Luftdurchlaßöffnungen durch exzentrische Versetzungen des Düsenmundstückes verändern, wodurch Störungen im Verbrennungsablauf eintreten, wie Verkokungen an der Düsenmündung, örtliche Überhitzungen, Schwierigkeiten beim Anlassen, möglicherweise Verlöschen der Flamme und ähnliche Erscheinungen. Ferner besteht durch große Wärmespannungen die Gefahr der Rißbildung an der Brennkammeraußenwand und am Befestigungsflansch des Düsenkörpers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Anordnungen von Einspritzdüsenkörpern und die damit verbundenen Gefahrenmomente zu vermeiden.
Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei hakenförmigen Einspritzdüsen vorgeschlagen, den mit seinem Düsenmundstück im Flammenhalter sitzenden Einspritzdüsenkörper gegenüber den Brennkammerwandungen verschiebbar zu lagern.
In Ausführung der Erfindung ist der äußere Teil des hakenförmigen Einspritzdüsenkörpers in einer der Brennkammeraußenwand zugeordneten, gegebenenfalls besonderen Führung verschiebbar gelagert und eine parallel zum Düsenmundstück gerichtete Spanneinrichtung zum Halten des vorderen Endes des Düsenmundstückes gegen einen in einer Nabe des Flammenhalters angebrachten Anschlag vorgesehen.
Um die Mündung der Einspritzdüse gegenüber dem Flammenhalter in eine optimale Lage bringen zu können, ist zwischen dem Düsenmundstück und dem Flammenhalter eine in Längsachse der Düse wirksame Einstelleinrichtung vorgesehen und die besondere Führung für den äußeren Teil des Düsenkörpers gegenüber der Brennkammeraußenwand ist parallel zur Längsachse des Düsenmundstückes einstellbar befestigt.
Ferner ist gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung zur axialen Fixierung und Einstellung des Düsenmundstückes im bzw. gegenüber dem Flammenhalter auf dem Düsenmundstück ein Distanzring bestimmter Länge angeordnet, dessen hintere Stirnfläche gegen eine am Außenumfang des Düsenmundstückes vorgesehene Abstufung anliegt, während seine vordere Stirnfläche an einem radial nach innen gerichteten Bund der Nabe des Flammenhalters anliegt, die innen zur Durchströmung von Brennstoffzerstäuberluft in an sich bekannter Weise sternförmig ausgebildet ist.
Durch die Erfindung wird trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnungen zwischen dem Brennkammersystem und dem Einspritzdüsenkörper eine spannungsfreie, ungefährliche Anordnung des Einspritzdüsenkörpers erreicht. Außerdem wird durch die Erfindung gleichzeitig eine beliebige Einstellung des Düsenkörpers und dessen Fixierung gegenüber dem Flammenhalter ermöglicht.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen F i g. 1 (1 a) bis 3 drei verschiedene Ausführungsvarianten einer jeweils verschiebbaren Anordnung von Brennstoffeinspritzdüsen an bzw. innerhalb der Brennkammer von Gasturbinentriebwerken.
Gemäß der F i g. 1 der Zeichnung ist das Düsenmundstück 11 der hakenförmig ausgebildeten Brennstoffeinspritzdüse 12 in einer Nabe 13 des insbesondere aus warmfestem Stahl hergestellten Flammenhalters 14 in radialer und axialer Richtung fixiert. Der äußere Teil des Düsenkörpers 15 weist einen Kolben 16 auf, der in einer zylindrischen Führung 17 gleitet, an der ein Befestigungsflansch 18 mit Langlöchern oder Bohrungen 19 vorgesehen ist, die von Befestigungsschrauben 20 mit größerem Spiel durchsetzt werden. Hierdurch ist es möglich, die Führung 17 in Richtung zur Längsachse 21 des Düsenmundstückes 11 einstellbar auf einem Haltebock 22 anzuordnen, der fest mit der Außenwand 23 der Brennkammer verbunden ist. Im Haltebock 22 ist eine Spannvorrichtung 24 in Form eines Schraubenbolzens 2` mit Befestigungsmuttern 26 geführt, mit dessen Hilfe der Düsenkörper 15 bzw. das Düsenmundstück 11 in Richtung X gegen einen Anschlag 39b (F i g. 1 a) der Nabe 13 des Flammenhalters 14 gehalten wird. Das vordere Ende 25a des Schraubenbolzens 25 @lyreift dabei in einen Sitz 27, 28 am Düsenkörper 15, so, daß der Schraubenbolzen 25 während des Betriebes durch Wärmeausdehnungsunterschiede nicht auf Biegung beansprucht wird. Während des Betriebes wird der Reibungskoeffizient zwischen der Stirnfläche des vorderen Endes 25a des Schraubenbolzens 25 und dem Boden des Sitzes 27 durch die auftretenden hohen Schwingungsfrequenzen (Vibrieren) herabgesetzt, so daß der Schraubenbolzen 25 durch Wärmeausdehnungsunterschiede nicht abgebogen wird. Die Abdichtung nach außen übernehmen im Kolben 16 sitzende Dichtringe 29. Im Brennerkopf 30 wird in einer Bohrung 31 die Brennstoffzulaufringleitung (nicht gezeichnet) und in einer zweiten Bohrung 32 die Brennstoffrücklaufringleitung (nicht gezeichnet) eingesetzt. Von der Bohrung 31 strömt der Brennstoff durch eine Zulaufleitung 33 zur Einspritzdüse 34. Der Rücklaufbrennstoff fließt durch eine Rücklaufleitung 35 wieder in die Rücklaufringleitung zurück.
Am vorderen Ende des Düsenmundstückes 11 sitzt ein Distanzring 36 (F i g. l a), dessen hintere Stirnfläche an einer auf dem Umfang des Düsenmund-Stückes 11 befindlichen Abstufung 37 anliegt. Die Nabe 13 des Flammenhalters 14 ist an ihrem Innenumfang sternartig ausgebildet, wobei durch die vorhandenen Lücken des Sternes die Brennstoffzerstäuberluft 38 strömt. Die Sternzacken 39 bilden vorn einen radialen Bund 39a, der als axialer Anschlag 39 b für das vordere Stirnende des Distanzringes 36 dient.
Bei der Montage der Brennstoffeinspritzdüse 12 wird zuerst deren Düsenmundstück 11 in die Nabe 13 des Flammenhalters 14 eingesetzt und mit Hilfe der Spanneinrichtung 24 gegen den Anschlag 39 b gehalten. Sodann werden die Schrauben 20 zum Befestigen des Flansches 18 angezogen.
Gemäß der Ausführung nach F i g. 2 weist der Düsenkörper 115 einen Führungsbund 40 auf, der in einer Führung 41 in der Innenwand 42 des Sekundärluftkanals 43 fest oder längsverschieblich gelagert ist. Am äußeren Teil des Düsenkörpers 115 ist ein Flansch 44 vorgesehen, der zur Befestigung eines Metallfaltenbalges 45 dient, der andererseits mit der Brennkammeraußenwand 23 fest verbunden ist. Der Metallfaltenbalg 45, an dessen beiden Enden Anschlußringflansche 46 und 47 vorgesehen sind, nimmt die zwischen dem Düsenkörper 115 und dem Brennkammersystem einerseits und der Brennkammeraußenwand 23 andererseits auftretenden Wärmedehnungsunterschiede elastisch auf und kompensiert Fertigungs- und Montageungenauigkeiten, In Höhe der Brennkammeraußenwand 23 ist am Düsenkörper 115 ein Bund 48 vorgesehen, der den Raum 49 innerhalb des Metallfaltenbalges 45 gegenüber dem Sekundärluftkana143 abschirmt. Das Düsenmundstück 11 ist in der Nabe 13 des Flammenhalters 14 zentriert, d. h. es ist in radialer Richtung fixiert und kann in axialer Richtung frei beweglich angeordnet sein, oder aber auch in axialer Richtung gegen einen Anschlag anliegen (wie in F i g. 1 a gezeigt ist).
Gemäß der dritten Ausführung nach F i g. 3 besteht der Düsenkörper 215 aus zwei Hauptteilen, nämlich aus dem inneren Düsenkörperteil 215a und dem äußeren Düsenkörperteil 215b. Der letztere setzt sich zusammen aus dem Brennerkopf 50 sowie aus einem Brennstoffzulaufrohr 51 und einem Brennstoffrücklaufrohr 52, die beide fest mit dem Brennerkopf 50 verbunden sind, beispielsweise durch Einpressen. Zwischen den beiden Düsenkörperteilen 215a und 215b verbleibt ein Wärmeausdehnungsspalt53, durch den gleichzeitig Herstellungsungenauigkeiten ausgeglichen werden können. Zu beiden Seiten des Wärmeausdehnungsspaltes 53 sind auf den Rohren 51 und 52 Abdichtringe 54 angeordnet. Die eigentliche Zentrierung des inneren Düsenkörpers 215a erfolgt durch das länger ausgebildete Brennstoffzulaufrohr 51, das zwei Führungsflächen 55 und 56 aufweist. Andererseits ist der innere Düsenkörper 215 noch über das Düsenmundstück 11 in der Nabe 13 des Flammenhalters 14 in radialer und axialer Richtung, wie nach der Ausführung der F i g. 1 und 1 a, fixiert. Am Brennerkopf 50 ist ein Befestigungsflansch 57 vorgesehen, der in gleicher Weise wie der Befestigungsflansch 18 nach F i g. 1 auf einem Haltebock 222 angeordnet ist, so daß wiederum die Brennstoffeinspritzdüse 215 in axialer Richtung 21 gegen einen axialen Anschlag 39 b in der Nabe 13 des Flammenhalters 14 zugestellt werden kann.
Im inneren Düsenkörperteil 215 a ist ein Mitnehmerstift 58 befestigt, der in einer Länsnut oder Anim flächung 59 im Brennstoffzulaufrohr 51 eingreift, so daß beim Ausbau der Brennstoffeinspritzdüse 215 der äußere Düsenkörperteil 215 b mit dem inneren Düsenkörperteil 215a herausgezogen werden kann. Die Länge der Längsnut 59 entspricht mindestens der während des Betriebes auftretenden größten Wärmeausdehnungsdifferenz.

Claims

Patentansprüche: 1. Anordnung von hakenförmigen Einspritzdüsen (d. h. von Einspritzdüsen mit L- einschließlich stumpfwinkliger L-Gestalt, wobei der eine Schenkel des L als »Düsenmundstück« und der andere Schenkel als »Einspritzdüsenkörper« bezeichnet ist) an bzw. in der Brennkammer von Gasturbinentriebwerken, mit einer Halterung (Zentrierung) des Düsenmundstückes im Flammenhalter, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdüsenkörper (15 bzw. 115 bzw. 215) gegenüber der Brennkammer verschiebbar gelagert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil des Einspritzdüsenkörpers (15) in einer der Brennkammeraußenwand (23) zugeordneten Führung (17) verschiebbar gelagert ist und daß eine parallel zum Düsenmundstück (11) gerichtete Spanneinrichtung (24) zum Halten des vorderen Endes des Düsenmundstückes (11) gegen einen in einer Nabe (13) des Flammenhalters (14) vorgesehenen axialen Anschlag (39 b) vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (17) für den äußeren Teil des Einspritzdüsenkörpers (15) gegenüber der Brennkammeraußenwand (23) oder einem mit dieser fest verbundenen Haltebock (22) parallel zur Längsachse (21) des Düsenmundstückes (11) einstellbar befestigt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (17) für den äußeren Teil des Einspritzdüsenkörpers (15) einen Befestigungsflansch (18) aufweist, in dem zum Einstellen des Einspritzdüsenkörpers (15) parallel zur Längsachse (21) des Düsenmundstückes (11) gerichtete Langlöcher oder Bohrungen (19) vorgesehen sind, durch die Befestigungsschrauben (20) mit großem Spiel geführt sind.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdüsenkörper (15) im Bereich der Führung (17) als Kolben (16) ausgebildet ist, auf bzw. in dem Abdichtringe (29) sitzen.
6. Anordnung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung (24) aus einem in der Brennkammerwand oder im Haltebock (22) geführten und einstellbaren Schraubenbolzen (25) besteht, dessen vorderes Ende (25a) gegen den Einspritzdüsenkörper (15) drückt.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende (25 a) des Schraubenbolzens (25) der Spanneinrichtung (24) in einem am Einspritzdüsenkörper (15) vorgesehenen Sitz (27) formschlüssig mit Spiel (28) eingreift, das größer ist als die maximale Wärmeausdehnungsdifferent zwischen Einspritzdüsenkörper (15) und Brennkammer. B.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdüsenkörper (115) in einer der Außenwand (23) zugeordneten Führung oder in einer der Innenwand (42) des Sekundärluftkanals (43) zugeordneten Führung (41) verschiebbar gelagert ist und der äußere Teil des Einspritzdüsenkörpers (115) über einen mit der Brennkammeraußenwand (23) gasdicht verbundenen Metallfaltenbalg (45) aufgehängt ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdüsenkörper (215) aus zwei teleskopartig gegeneinander verschiebbaren Teilen besteht, und zwar aus einem inneren Düsenkörperteil (215a) und aus einem der Brennkammeraußenwand (23) bzw. einem hierauf befestigten Haltebock (222) zugeordneten äußeren Düsenkörperteil (215b) mit dem Brennerkopf (50), wobei zwischen den beiden Düsenkörperteilen (215 a und 215 b) ein Wärmeausdehnungs- und Montagespalt (53) verbleibt.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Brennerkopf (50) ein besonderes Brennstoffzulaufrohr (51) und, sofern eine sogenannte Rücklaufdüse vorgesehen ist, ein besonderes Brennstoffrücklaufrohr (52) fest eingesetzt, sind, auf denen der innere Düsenkörperteil (215a), der mit dem Düsenmundstück (11) in der Nabe (13) des Flammenhalters (14) zentriert ist, längsverschiebbar sitzt.
11. Anordnung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beiden Brennstoffrohren (51 und 52) zu beiden Seiten des Ausdehnungsspaltes (53) Abdichtungen (54) angeordnet sind.
12. Anordnung nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierung zwischen dem inneren Düsenkörperteil (215 a) und dem äußeren Düsenkörperteil (215 b) über nur ein Brennstoffrohr, z. B. über das Brennstoffzulaufrohr (51) erfolgt, das wesentlich länger ausgebildet ist als das Brennstoffrücklaufrohr (52) und zwei Führungsflächen (55 und 56) aufweist.
13. Anordnung nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im inneren Düsenkörperteil (215 a) ein Mitnehmerstift (58) eingesetzt ist, der in eine im Zulaufbrennstoffrohr (51) vorgesehene Längsnut (59) mit großem axialem Spiel eingreift.
14. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Fixierung und Einstellung des Düsenmundstückes (11) im bzw. gegenüber der Nabe (13) des Flammenhalters (14) auf dem Düsenmundstück (11) ein Distanzring (36) bestimmter Länge (L) sitzt, dessen hintere Stirnfläche gegen eine am Außenumfang des Düsenmundstückes (11) vorgesehene Abstufung (37) anliegt, während seine vordere Stirnfläche an einem radial nach innen gerichteten Bund (39 a) der Nabe (13) anliegt (bei 39 b), die innen zur Durchströmung von Brennstoffzerstäuberluft (38) sternförmig ausgebildet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 276 515.