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Brennstoffversorgungsanlage für Gasturbinentriebwerke mit mehreren
Brennstoffrücklaufdüsen Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffversorgungsanlage
für Gasturbinentriebwerke mit mehreren Rücklaufdüsen, die alle einerseits an eine
gemeinsame Zulaufringleitung und andererseits an eine gemeinsame Rücklaufringleitung
angeschlossen sind und die einen Drallraum aufweisen, in den an die Zulaufleitung
angeschlossene Bohrungen tangential münden und der über eine Drossel an die Rücklaufleitung
angeschlossen ist.
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Bei dieser Art von Rücklaufdüsen sind Düsenzulauf- und -rücklaufkanal
vielfach koaxial ineinander angeordnet, und zwar verläuft der Zulaufkanal außen
und endet vor den tangentialen Einströmbohrungen, die in den vor der Düsenmündung
vorgesehenen Drallraum münden. Durch die im Drallraum entstehende Drallströmung
und den Brennstoffdruck wird der Brennstoff durch die Düsenmündung in den vorderen
Teil der Brennkammer kegelförmig ausgespritzt und zerstäubt und dann von der in
die Brennkammer gleichzeitig einströmenden primären Verbrennungsluft zerrissen und
mit dieser vermischt. Die überschüssige Brennstoffmenge strömt an der Rücklaufdrossel
vorbei und durch Rücklaufbohrungen in dieser in den zentral liegenden Düsenrücklaufkanal,
der in den sogenannten Verteilerkopf mündet, an den einerseits die Rücklaufringleitung
und andererseits die Zulaufringleitung angeschlossen ist.
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Bei einer Brennstoffversorgungsanlage mit Rücklaufdüsen herrschen
auch im Brennstoffrücklaufsystem hohe Drücke vor, die abhängig sind vom jeweiligen
Düsenzulaufdruck und bestimmt werden von dem in Strömungsrichtung der Rücklaufmenge
gesehen nach der Rücklaufringleitung in der zum Brennstoffbehälter führenden Rücklaufleitung
eingebauten Rücklaufregelventil, das vielfach so arbeitet, daß eine konstante Rücklaufmenge
gehalten wird.
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Trotz sorgfältigster Filterung des Brennstoffs kann es vorkommen,
daß feinste Schmutzteilchen in den Brennstoffzulaufkanal irgendeiner der vorhandenen
Düsen gelangen und sich in den mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser ausgeführten,
tangential in den Drallraum einmündenden Einströmbohrungen festsetzen und diese
ganz oder zum Teil verstopfen. Beim Eintreten dieses ungewollten Zustands bricht
der Druck im Drallraum der betroffenen Düse von der Zulaufseite her gesehen ganz
oder teilweise zusammen, so daß sich der im Rücklaufsystem herrschende Rücklaufdruck
über den Düsenrücklaufkanal in der jeweils verstopften Düse auswirken kann, wodurch
Brennstoff, da die Rücklaufmenge über einen weiten Leistungsbereich wesentlich größer
ist als die normalerweise einzuspritzende Menge, in überreicher Menge über den jeweiligen
Düsenrücklaufkanal - nun in umgekehrter Richtung - und die Öffnungen in der Rücklaufdrossel
sowie über den Drallraum durch die Düsenmündung in die Brennkammer 0
langt.
Hinzu kommt der besondere Übelstand, daß der über den Rücklaufkanal vor die Düsenmündung
gelangenden, ungewollten Brennstoffmenge kein Drall aufgezwungen wird, so daß ein
konzentrierter Brennstoffstrahl in die Brennkammer strömt.
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Die vorerwähnten Mängel führen zu ungleicher Temperaturverteilung
innerhalb der Brennkammer und insbesondere zu örtlicher Überhitzung, so daß Wärmeschäden
hervorgerufen werden können, die von einem Verwerfen verschiedener Brennkammerteile
bis zur völligen Zerstörung von Maschinenteilen, wie des Turbinenleitgitters und
der Beschaufelung des Laufrades, reichen, da es vorkommen kann, daß bei überreicher
Brennstoffmenge im Rücklauf noch unverbrannter Brennstoff durch den Brennkammeraustritt
in den Turbineneinlauf gelangt, dort ausbrennt und eine hohe örtliche Überhitzung
hervorruft.
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Um diese Gefahrenmomente mit Sicherheit zu vermeiden, wird gemäß der
Erfindung vorgeschlagen, in an sich bei Gasturbinen-Brennstoffversorgungsanlagen
mit Rücklaufdüsen bekannter Weise im Rücklaufsystem eine die Brennstoffströmung
nur in normaler Rücklaufrichtung zulassende Absperreinrichtung vorzusehen, die derart
angeordnet und verteilt ist, daß im Düsenrücklaufkanal jeder Einspritzdüse, d. h.
in dem Leitungsabschnitt zwischen der Rücklaufdrossel und dem Anschluß des Düsenrücklaufkanals
an die Rücklaufringleitung, ein Absperrorgan (z. B. ein Rückschlagventil) vorgesehen
ist.
In Ausgestaltung der Erfindung wird weiter vorgeschlagen, die
Rückschlagventile in den sogenannten Verteilerköpfen, über die die Zulaufringleitung
mit den Düsenzulaufkanälen und die Düsenrücklaufkanäle mit der Rücklaufringleitung
verbunden sind, an den hier befindlichen Enden der Düsenrücklaufkanäle einzubauen.
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NUoh` der britischen Patentschrift 760852 sind zwar schon Brennstoffeinspritzdüsen
mit einem vor ihrer Mündung eingebauten kugelförmigen Rückschlagventil bekannt;
diese Einspritzdüsen stellen jedoch eine ganz bestimmte Art von Einspritzdüsen,
nämlich »Einwegdüsen« dar, bei denen das Rückschlagventil einen integrierenden Bestandteil
der Brennstoffdüse bildet; d. h. ohne dieses Rückschlagventil wäre die bekannte
Einspritzdüse nicht funktionsfähig, denn durch diese wird nicht nur die Zerstäuberwirkung,
sondern im weiten Sinn auch die einzuspritzende Brennstoffmenge bestimmt. Auf eine
solche Art von Einspritzdüsen bezieht sich die Erfindung jedoch nicht, vielmehr
betrifft diese ausschließlich Brennstoffrücklaufdüsen der eingangs genannten Gattung.
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Ferner ist es nach der deutschen Auslegeschrift 1166 239- bekannt;
im Rücklauf eines Brennstoffregelsystems für Gasturbinentriebwerke mit Rück-C, ein
Rückschlagventil vorzusehen, das so gesteuert ist, daß es bei hohem Brennstoffverbrauch
durch den Druck einer Umwälzpumpe geöffnet wird, so daß Brennstoff sowohl durch
die Düsenzulaufleitung bzw. -zulaufleitungen als auch - im Gegensatz zur Erfindung
- durch die Düsenrücklaufleitung bzw. -rücklaufleitungen zu den Brennern strömen
kann. Diese bekannte Absperreinrichtung, ganz allgemein angeordnet, im Brennstoffrücklauf
und auf die angegebene Weise gesteuert, ist nicht in der Lage, das erfindungsgemäße
Problem zu lösen. Auch die in der vorgenannten Auslegeschrift im Rahmen des Standes
der Technik angedeutete Anordnung eines einfachen Rückschlagventils in der Rücklaufleitung
einer Brennstoffzufuhranlage für Rücklaufbrenner, die in einem Umwälzsystem vorgesehen
sind, um unter allen Umständen zu verhindern, daß beim Anlassen des Triebwerks Brennstoff
durch die Rücklaufleitung zu den Brennern gelangt, ist nicht geeignet, die bei Verstopfung
der in den Düsendrallraum mündenden tängentiälen Einströmbohrungen auftretenden
Schwierigkeiten zu beheben, weil bei Verstopfung der tangentialen Einströmbohrungen
einer Einspritzdüse der Druck im Rücklaufsystem vor dem einzigen Rückschlagventil
genügt, Brennstoff über den Rücklauf der verstopften Einspritzdüse unzerstäubt in
die Brennkammer zu fördern.
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Dagegen wird durch die Erfindung bei Verstopfung der tangentialen
Einströmbohrungen, also bei verstärktem Brennstoffzulauf zum Drallraum, eine ungewollte
Zufuhr von Rücklaufbrennstoff über den Düsenrücklaufkanal zum Drallraum und zur
Düseneinspritzmündung mit Sicherheit vermieden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 die Brennstoffversorgungsanlage im Schema, F i g. 2 eine Brennstoffrücklaufdüse
teilweise im Schnitt, welche normal arbeitet, d. h. in nicht verstopftem Zustand,
F i g. 3 a das vordere Ende einer intakten, also normal arbeitenden Rücklaüfdüse
im Schnitt nach der Linie 111-IIi der F i g. 2 und F i g. 3 b eine der F i g. 3
a entsprechende Darstellung, wobei jedoch der Brennstoffzulauf zum Drallraum der
Düse verstopft ist und noch kein den Brennstoff in Gegenrichtung des normalen Rücklaufstroms
sperrendes Organ eingebaut ist.
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Die Brennstoffversorgungsanlage besteht, wie aus der F i g. 1 hervorgeht,
in der Hauptsache aus einer den erforderlichen Druck im Brennstoffsystem erzeugenden
Brennstoff-Förderpumpe 11, aus einem Brennstoffregelventil 12, das die durch die
Zulaufleitung 13 zu den einzelnen Einspritzdüsen 14 strömende Zulaufmenge
Z bestimmt, die sich aus der jeweils einzuspritzenden Brennstoffmenge E sowie aus
einer durch die Rücklaufleitung 15 zurückfließenden Brennstoffmenge R zusammensetzt,-
die von -einem Rücklaufregelventil 16 bestimmt wird, aus einer Brennstoffzulaufringleitung
17 und schließlich aus einer Brennstoffrücklaufringleitung 18, die beide an den
einzelnen Verteilerköpfen 19 angeschlossen sind.
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Wie aus der F i g. 3 a ersichtlich ist, gelangt bei intakter (nicht
verstopfter)- Düse 14 die Brennstoffzulaufmenge Z über den Düsenzulaufkanal
20 in die. Drallkammer 21, und zwar über tangential in die letztere einmündende
Einströmbohrungen 22, wodurch dem Brennstoff eine Drallbewegung aufgezwungen wird,
die sich über die Düsenmündung 29 hinaus fortsetzt und einen Ausspritzkegel E erzeugt,
so daß eine gute Brennstoffverteilung gewährleistet ist. Die hintere Begrenzung
des Drallraums 21 bildet eine Rücklaufdrossel 24. - Die überschüssige Brennstoffmenge
(Rücklaufmenge R) gelangt über einen durch die Rücklaufdrossel 24 gebildeten Ringspalt
25 und Rücklaufbohrungen 26 in den Düsenrücklaufkanal 27.
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Die F i g. 3 b zeigt eine der Brennstoffeinspritzdüsen 14 in verstopftem
Zustand, wobei die tangentialen Einströmbohrungen 22 durch Schmutzteilchen b ganz
oder teilweise verschlossen sind. Hierdurch tritt nun folgende ungewollte und schädliche
Erscheinung auf: Durch den im gesamten Rücklaufsystem (d. h. in den Leitungen 15
und 18) weiterhin vorherrschenden Druck fließt Rücklaufbrennstoff R' aus der Rücklaufringleitung
18 in den Düsenrücklaufkanal 27 und strömt durch diesen und über die Rücklaufdrossel
24 in den Drallraum 21, ohne daß hier eine Drallströmung erzeugt wird, und gelangt
von dort durch die Düsenmündung 29 als konzentrierter Strahl 30 in die Brennkammer,
wo dieser die bereits geschilderten gefährlichen Erscheinungen hervorrufen kann.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist, wie die F i g. 2 zeigt, in jedem
Brennerkopf 19 an dem hier befindlichen Ende des jeweiligen Düsenrücklaufkanals
27 jeweils ein Rückschlagventil 31 eingebaut, das bei intakter Einspritzdüse 14
den in Richtung zur Rücklaufringleitung 18 hin durch den Rücklaufkanal 27 zurückfließenden
Brennstoff R durchläßt, bei verstopfter Einspritzdüse 13 jedoch ein Einströmen von
Rücklaufbrennstoff R' aus der Rücklaufringleitung 18 in den Düsenrücklaufkanal 27
mit Sicherheit verhindert. _ Die Federn der Rückschlagventile 31 sind schwach ausgelegt,
so daß durch sie das Rücklauf_regelventil 16 nur unwesentlich beeinflußtwird.