DE2060158A1

DE2060158A1 - Brennstoffeinspritzvorrichtung fuer Gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE2060158A1
Application number: DE19702060158
Authority: DE
Inventors: Carlisle Denis Richard
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-12-09
Filing date: 1970-12-07
Publication date: 1972-06-08
Also published as: DE2060158C3; GB1284440A; FR2073176A5; DE2060158B2; US3690093A

Description

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PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. CURT WALLACH

DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH

DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 7· Dezember 1970 = ¹² 956 - K/vM

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England. Brennstoffeinspritzvorrichtung für Gasturbinenstrahltriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk.

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffinjektor für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Hauptkörper, in dem mehrere in Düsen endende Kanäle angeordnet sind, die über Brennstoffspeisevorrichtungen mit Brennstoff versorgt werden, wobei eine hohle ringförmige Verkleidung in radialem Abstand um den Hauptkörper so angeordnet ist, daß dazwischen ein Lufteinlaß gebildet wird, wobei eine Prallanordnung stromunterseitig der Düsen vorgesehen ist.

Gemäß der Erfindung ist ein Ventil einem Kanal zugeordnet, um diesen selektiv mit seiner Brennstoffspeisevorrichtung oder einer Hochdruckluftquelle zu verbinden, so daß im Betrieb Brennstoff oder Brennstoff und Luft, die durch die Düsen hindurchtritt, zwischen die Verkleidung und die Abschirmung gespritzt werden kann und gleichzeitig damit eine Strömung von Hochdruckluft vom Kompressor des Triebwerkes durch den Lufteinlaß gelangt.

Ein mit einem Brennstoffinjektor ausgestattetes Gasturbinenstrahltriebwerk hat den Vorteil, daß die Gefahr, daß eine Düse, die mit

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dem dem Ventil zugeordneten Kanal verbunden ist und die zu einer bestimmten Zeit nicht im Betrieb befindlich ist, sich mit Kohlenstoff zusetzt, vermindert wird, weil zu dieser Zeit eine Luftströmung durch den Kanal den Eintritt von Brennstoff aus den im Betrieb befindlichen Düsen verhindert.

Vorzugsweise sind die Düsen konzentrisch angeordnet und die äußerste Düse ist eine Düse zur Zuführung gasförmigen Brennstoffs, während die anderen Düsen flüssigen Brennstoff zuführen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventil nur der Gasdüse zugeordnet.

Die Brennstoffzuführungseinrichtung wird vorzugsweise so gesteuert, daß gleichzeitig gasförmiger Brennstoff nach der äußersten Düse und flüssiger Brennstoff nach den anderen Düsen gelangt.

In dem Mittelkörper kann ein zentraler Kanal für flüssigen Brennstoff mit relativ kleinem Durchmesser angeordnet sein, der in einer Düse endet, um als Hilfsverbrennungseinrichtung zu dienen, die konzentrisch durch Brennstoffkanäle mit relativ großem Querschnitt umgeben ist, welch letztere in einer Düse enden, um den Hauptbrennstoff zu verbrennen.

Die Prallvorrichtung wird vorzugsweise von der Verkleidung getragen und besteht aus einem Bauteil, das eine im wesentlichen konische Oberfläche besitzt, deren Achse der Achse der Düse gemeinsam ist, wobei der Scheitel nach den Düsen gerichtet ist.

Vorzugsweise ist am stromunterseitigen Ende des Körpers eine Platte befestigt, die als Wärmesenke dient, um Kohlenstoffablagerungen in dem Bauteil zu verhindern.

Erforderlichenfalls ist das stromunterseitige Ende der Verkleidung in Strömungsrichtung divergierend ausgebildet.

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Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil der Verkleidung in Strömungsrichtung konvergierend ausgebildet.

Vorzugsweise ist das stromunterseitige Ende der Verkleidung gelocht, um eine Strömung von Hochdruckluft nach dem Lufteinlaß zuzulassen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische, teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffeinspritzvorrichtung, Fig. 2 einen Längsschnitt eines BrennstoffInjektors, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 3-j5 gemäß Fig.2,

Ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10 weist in Strömungsrichtung hintereinander einen oder mehrere Verdichter 11, eine Verbrennungseihrichtung 12 und eine oder mehrere Turbinen 1> auf und die Abgase treten direkt über einen Abgaskanal 14 in die Atmosphäre aus, der in einer Strahldüse enden kann.

Die Verbrennungseinrichtung 12 besitzt mehrere, in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegende Flammrohre 15» von denen jedes am stromoberseitigen Ende mit Brennstoffinjektoren 16 versehen ist.

Jeder Brennstoffinjektor 16 (Fig.2) weist einen Zentralkörper 17 auf, der eine Mutter 18 trägt, deren stromunterseitiges Ende eine relativ kleine,zentral angeordnete Düse 20 für den Hilfsbrennstoff trägt. Die Düse 20 wird konzentrisch von einer relativ großen ringförmigen Düse 21 umgeben, die von der Mutter 18 für den Hauptbrennstoff gebildet wird, wobei sowohl der Hilfsbrennstoff als auch der Hauptbrennstoff hierbei vorzugsweise flüssige Brennstoffe sind. Der Zentralkörper 17 ist in der Mitte in einem Arm eines im wesentlichen L-förmig gestalteten Zuführungsarmes 19

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befestigt, in-dem drei BrennstoffZuführungskanäle 43,44,45 angeordnet sind. Der linke Kanal 43 gemäß Fig.2 steht mit einer Hilfsbrennstoffleitung 24 im Zentralkörper 20 in Verbindung und der zentrale BrennstoffZuführungskanal 44 steht mit dem Hauptbrennstoffkanal 28 in der großen Ringdüse 21 in Verbindung. Der rechte Kanal 4p steht mit einem Ringkanal 35 in Verbindung, der zwischen dem Zentralkörper 17 und einer Abschirmung 22a ausgebildet ist, die an dem Schenkel des Brennstoffzuführungsarmes 19 befestigt ist, der koaxial zu den Kanälen 20,35 liegt, um hiermit eine Düse 22 zu bilden. Der Zentralkörper 17 und der Brennstoffzuführungsarm 19 bilden zusammen diesen Hauptkörper.

Das stromunterseitige Ende der Düse 20 ist mit in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegenden Bohrungen 23 versehen, die an ihrem stromoberseitigen Ende mit einer Hllfsbrennstoffleitung 24 im Zentralkörper 17 in Verbindung stehen und am stromsiiunterseitigen Ende nach dem Inneren einer hohlen ringförmigen Verkleidung 2;> hin offen sind. Die Abschirmung 28 trägt die Verkleidung 2t> mittels Dübeln 29, so daß letztere im radialen Abstand von der Düse 22 liegt. Die Verkleidung 25 trägt drei im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnete Tragkörper 26. Jeder Tragkörper weist eine etwa Y-förmige Querschnittsgestalt auf und ist z.B. durch Hartveriötung an einem etwa konischen Prallkörper 27 befestigt, um letzteren zu tragen. Die Verkleidung 25 weist einen offenen stromoberseitigen Abschnitt auf, der zusammen mit der äußeren Oberfläche der Abschirmung 2δ einen Lufteinlaß 30 definiert. Die Verkleidung 25 konvergiert von ihrem stromoberseitigen Ende 30 nach einem mittleren Punkt 31* der im wesentlichen in der gleichen Ebene wie das stromunterseitige Ende der Düse 20 liegt. Die Verkleidung 25 divergiert dann von dem in der Mitte liegenden Punkt 31 nach einem offenen stromunterseitigen Ende 32, das mit durchgehenden öffnungen 33 versehen ist, die mit dem Strömungskanal ~^ö in Verbindung stehen, der zwischen dem Zentralkörper 17 und der Mutter l8 einerseits und der Abschirmung 28 und der Verkleidung andererseits gebildet sind.

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Der Prallkörper 27 liegt innerhalb des stromunterseitigen Endes j52 der Verkleidung 25 und die Achse der konischen Oberfläche fällt im wesentlichen mit der Achse der Düsei20,21,22 zusammen, wobei der Scheitel des Konus nach der Düse 20 hin gerichtet ist.

Das stromunterseitige Ende des Prallkörpers weist einen metallischen Wärmeschild 56 auf, der daran befestigt ist. Dieser Schild 36 ist im Betrieb der Innentemperatur des Flammrohres ausgesetzt und überträgt daher Wärme auf den konischen Prallkörper 27 und zwar in einem solchen Maße, daß jedwede Ansammlung von Kohlenstoffablagerungen darauf verhindert werden.

Vom Verdichter 11 verdichtete Luft wird im Betrieb durch den Einlaß 30 der Verkleidung 23 gedrückt.

Der Durchtritt von Gas oder flüssigem Brennstoff erfolgt durch die Verkleidung 25 gleichzeitig mit einer Luftströmung, wobei die durch die Verkleidung 25 strömende Luft nicht nur die Zerstäubung des Brennstoffs bewirkt, sondern auch mit dazu beiträgt, zu gewährleisten, daß der Brennstoff von den Düsen 20,21,22 weg der Verbrennung ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird die Karbonisierung der Düsen 20,21,22 vermindert, was dann auftreten könnte, wenn eine der Düsen nicht im Betrieb ist. Der Prallkörper 27 unterstützt die Zerstäubung des Brennstoffs und der Brennstoff und die Luft werden in eine gewünschte Richtung zwischen dem Prallkörper 27 und dem stromunterseitigen Ende 32 der Verkleidung 25 gerichtet.

Der Kanal 45 für den gasförmigen Brennstoff steht an einem Ende mit dem Ströraungskanal 55 und am anderen Ende mit einer Gasleitung 52 (Fig.1) in Verbindung. Die Kanäle A~$ bzw.44 für den flüssigen Brennstoff stehen mit dem Hilfsbrennstoffkanal 24 Über eine Ringkammer 55 und mit dem Hauptbrennstoffkanal 28 in Verbindung. Beide Flüssigta£±fcDrennstoffkanale 4^,44 stehen mit einer Flüssigbrenn-

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stoffleitung 56 (Fig.l) in Verbindung und empfangen von dieser Brennstoff.

Die Leitungen 52,56 sind über Leitungen 57>58 an eine Doppelbrennstoffströmungssteuerstufe 60 angeschlossen, die nicht dargestellte Mittel besitzt, um gleichzeitig oder getrennt gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoff zuzuführen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß dann, venn der Brennstoffinjektor 16 allein mit flüssigem Brennstoff betrieben wird, ein Problem auftritt insofern nämlich, als der flüssige Brennstoff gelegentlich in den Ringkanal 35 zurück spritzt und demgemäß auch nach dem Gaskanal 45* wo er spontan entzündet wird. Diese spontane Zündung

allen

kann natürlich den mjektoraufbau beschädigen und muß unter/ Umständen verhindert werden. Außerdem sind im Betrieb die in den verschiedenen Brennkammern eines Triebwerks herrschenden Drücke nicht immer gleich und dies ist der Anlaß dafür, daß heiße Verbrennungsprodukte in den Ringkanal 35 eines Injektors bei relativ hohem Brennkammerdruck zurückströmen können und von dort über die Gasbrennstoffleitung 52 nach einer unter relativ geringem Druck stehenden Brennkammer, Dies ist natürlich unerwünscht.

Diese Probleme werden gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwei Absperrventile öl,62 (Fig.l) mit der Gasbrennstoffleitung 57 verbunden sind. Diese Ventile 6l,62 sind so angeordnet, daß dann, wenn eines der Ventile offen ist, das andere geschlossen ist und umgekehrt. Das Ventil 61 liegt in einer Leitung 63, die die Gasbrennstoffleitung 57 mit einer Druckluftquelle verbindet, die nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel von einer Luftabzapfung am Ausgang des Verdichters 11 gebildet wird. Das Ventil 61 liegt stromoberseitig der Verbindung zwischen den Leitungen 57 und 63 und in der Gasbrennstoffleitung 57.

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Wenn im Betrieb nur flüssiger Brennstoff verbrannt wird, dann wird die Gasbrennstoffzufuhr mittels des Ventils 62 abgesperrt, während das Ventil 6l geöffnet ist, um eine kontinuierliche Strömung von Druckluft aus der Leitung 6j5 nach der Gasbrennstoff düse 22 über die Leitung 57, die Gasringleitung 52 und den Kanal 45 zu bewirken.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche :

1.^Brennstoffinjektor für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem -" Hauptkörper, der mehrere Kanäle besitzt, die in Düsen enden, mit einer Brennstoffzufuhr nach den Düsen mit einer hohlen ringförmigen Verkleidung, die radial im Abstand um den Hauptkörper herum so angeordnet ist, daß dazwischen ein Lufteinlaß gebildet wird, und mit einem Prallkörper stromunterseitig der Düsen,

dadurch gekennzeichnet,

daß Ventile (61,62) dem Kanal (45) zugeordnet sind, um selektiv diesen mit einer Brennstoffzuführungsvorrichtung (6O) oder einer Hochdruckluftquelle (6j5) zuzuführen, so daß im Betrieb entweder Brennstoff oder Brennstoff und Luft durch die Düsen ausgeblasen wird und zwischen der Verkleidung (25) und dem Prallkörper (27) hindurchtritt und gleichzeitig hiermit eine Strömung von Hochdruckluft vom Verdichter des Gasturbinentriebwerks durch den Lufteinlaß strömt.

2. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzei chnet ,

daß die Düsen(20,21,22) konzentrisch zueinander liegen und daß die äußerste Düse (22) eine Düse für gasförmigen Brennstoff ist.

j5. Brennstoffinjektor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Ventile (6l,o2) nur der Düse (22) für den gasförmigen Brennstoff zugeordnet sind.

4. Brennstoffinjektor nach den Ansprüchen 2 und 3* dadurch gekennzei chnet ,

daß die BrennstoffZuführungseinrichtung (60) so gesteuert wird, daß eine gleichzeitige Zufuhr von gasförmigem Brennstoff nach der äußersten Düse (22) und flüssigem Brennstoff nach den anderer Düsen (20,21) erfolgt.

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p. Brennstoffinjektor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zentralkörper (17) ein zentraler Kanal (24) für flüssigen Brennstoff mit relativ geringem Durchmesser angeordnet ist, der in einer Düse (20) mündet und als Hilfsbrenner dient und konzentrisch durch einen ringförmigen Brennstoffkanal (28) relativ großen Querschnitts umgeben ist, der in einer Düse (21) endet und für die Hauptverbrennung benutzt wird.

6.- Brennstoffinjektor nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper (27) innerhalb der Verkleidung (25) getragen wird und aus einem Körper mit einer im wesentlichen konischen. Oberfläche besteht, deren Achse mit der Achse der Düsen zusammenfällt, wobei der Scheitel des Konus nach den Düsen (20,21,22) gerichtet ist.

7. Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper eine Platte (~j>6) aufweist, die an seinem stromunterseitigen Ende befestigt ist und als Wärmesenke dient, welche die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Prallkörper verhin-.dert«

8. Brennstoffinjektor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das stromunterseitige Ende (32) der Verkleidung in Strömungsrichtung divergierend ausgebildet ist,

9. Brennstoffinjektor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Verkleidung in Strömun^srichtung konvergierend ausgebildet ist.

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10. Brennstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stromunterseitige Ende der Verkleidung mit einer Öffnung (33) ausgestattet ist, die eine Hochdruckluftströraung nach dem Lufteinlaß (30) hindurchtreten läßt.

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