DE2104171A1

DE2104171A1 - Brennstoff-Fördergerät

Info

Publication number: DE2104171A1
Application number: DE19712104171
Authority: DE
Inventors: Melvin Cincinnati Ohio Bobo (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-04-30
Filing date: 1971-01-29
Publication date: 1971-11-11
Also published as: GB1333881A; CH529973A; US3648457A; NL7100863A; IL35999A; IL35999A0; FR2086476B1; FR2086476A1; BE762244A; CA936371A

Description

HEINZ LINSER - PATENTANWALT ■ PHYSIKER 2104171

6072 DREIEICHENHAIN BERLINER RlNQ 170 RUF (O«1 03} 819 13

General Eleotrio Company

1 River Road Schenectady, N.Y./USA

Brennstoff-Fördergerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoff-Fördergerät für Verbrennungseinrichtungen, insbesondere für Gasturbinen.

Die Förderung von Brennstoff in eine kontinuierlich brennende Verbrennungseinriohtung, wie sie üblicherweise in Gasturbinen verwendet wird, und zwar derart, daß eine vollständige und wirkungsvolle Verbrennung erzielt wird, während das Auftreten von brennatoffangereioherten laschen auf ein Minimum gebracht wird, die bei der Verbrennung Kohlenetoff oder sichtbaren Rauch erzeugen, hat stets schwierige Konstruktionsprobleme aufgeworfen.

Die Lösung der aufgezeigten Probleme ist bei Gasturbinen besonders schwierig, und zwar aufgrund des großen Bereiches der Strömungsmengen des Brennstoffes, der Temperaturen der Verbrennungeluft und der Drucke, die unter normalen Betriebsbedingungen auftreten und durch die erforderlichen oder erwünschten Eigenschaften der Y*»rbr@nnungseinrichtung hinsichtlich des Abeohaltverhaltens und des Ausgehens aufgrund einer mageren Brennstoffzuführung.

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Während die bekannten Sprühzerstäuberdüsen einen Brennstoffdruck erzeugen, um einen einzigen oder einen Doppelkegel aus serstäubtem Brennstoff durch eine kleine Austrittsöffnung .a die Verbrennungekammer einer Gasturbine liefern und gute Eigenschaften hinsichtlich des Abschaltverhaltens und beim Erlöschen aufgrund einer mageren Brennstoffzufuhr aufweisen, neigen derartige Düsen dazu, bei hohen Brennstoffströmungsraten örtlich brennstoffangereicherte Taschen und daher eine Ausströmung von eichtbarem Hauch zu erzeugen. Andererseits können Brennstoffzerstäuber und/ oder Verdampfereinrichtungen, welche die Energie von Pressluft verwenden, wie beispielsweise die Abströmluft eines Gasturbinenkompreeeofe, und/oder die Wärme aus einem Verbrennungsprozess um ein Brennstoff/Luftgemisch der Verbrennungskammer zuzuführen, bei einigen Ausführungen schlechte ZUndeigenschaften oder ein Erlöschen bei einer mageren Brennstoffzufuhr aufweisen, welche entweder aufgrund eines überlagerten mageren oder verteilten Brennstoff/Luftgemisches bei niedrigen Brennstoffströmungsraten oder aufgrund eines Hangele an genügender Energie in dem Verbrennungsprozess oder eines Mangels an genügender Energie in der Kompressorausströmluft zur Erzielung der erforderlichen Brennstoffzerstäubung auftreten. Ferner führen derartige Zerstäuber und/oder Verdampfereinrichtungen der hierfür verwendeten Art den Brennstoff im allgemeinen in die. Luftströmung bei einem Punkt ein, der von der Primärzone der Verbrennungskammer entfernt liegt oder fast stromaufwärts gelegen ist, wodurch unter gewissen Betriebszustand^ eine Ausbreitung der Flamme in Aufströmrichtung zur Verbrennungskammer, ein Zurückschlagen der Flamme oder eine in anderer Weise unstabile Flammenfront entstehen kann.

Der Erfindung liegt daher primär die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Förderung von Brennstoff in die Verbrennungskammer einer Gasturbine in stark zerstäubter Weise vorzuschlagen, so daß das Auftreten von sichtbarem Hauch in den Verbrennungsprodukten nahezu ausgeschlossen oder vermindert wird.

Eine weitere Aufgabe dervorliegenden Erfindung besteht darin, eine kontinuierlich brennende Verbrennungskammer - 3 -

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für eine Gasturbine mit geringem Rauchaateil vorzuschlagen, welche Über einen weiten Bereich der Betriebszustande stabile Brenneigenechaften besitzt and ein gutes Verhalten hinsichtlich der Abschaltung und des Erlöschens bei aagerer Brennstoffzufuhr aufweist.

Weitere Aufgaben und Vorteile, die der Erfindung zugrundeliegen, sind der weiteren Beschreibung zu entnehmen.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht darin, daß gemäß der Erfin- „ dung ein Gehäuse verwendet wird, das eine Abatrömwand besitzt, ™ die einen Auslass bildet, der mit der Verbrennungskammer in Verbindung steht. Das Gehäuse umfasst eine ringförmige Anordnung von Wirbelblechen eur Umlenkung von Pressluft in das Gehäuse mit einer annähernd tangetialen Komponente, so daß innerhalb des Gehäuses eine wirbelnde Luftoasae und eine kreisende oder zyklonale Ausströmung aus dem Auslas« erzeugt wird. Nach der Erfindung sind Brennstoffeinspritzeinrichtungen zur Versprühung des Brennstoffes in Richtung der Leitbleche vorgesehen. Die Leitbleche sind räumlich radMl vom Auslass nach außen gerichtet angeordnet, so daß die großen und schweren Brennstofftellchen innerhalb des Gehäuses zentrifugal festgehalten werden, bis sie in kleine zerstäubte Tröpfchen zerteilt werden, woraufhin diese von dem M Wirbel mitgerissen und in die Verbrennungskammer getragen werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Brennstoffeinspritzeinrichtung zusätzlich derartig ausgebildet, daß ein ?uhrungesprühkegel aus zerstäubten Brennstoff geschaffen wird, der direkt in die Verbrennungskammer führt, so daß die Abschalteigenschaften während solcher Betriebsabschnitte verbessert werden, in denen entweder die Brennstoffatrömungsraten gering aind oder die Kompressorabströmluft nicht genügend Energie aufweist, um den Brennstoff befriedigend zu zerstäuben. Die Wirbelbleche sind gemäß der Erfindung vorzugsweise einander überlappend angeordnet, so daß eine Brennstoffauströaung durch die Bleche ausgeschlossen ist.

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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird diese anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher beschrieben. Hierbei zeigen:

Figur 1 einen abgebrochenen Axialquerschnitt einer Gasturbine mit der Brennstoff-Fördereinrichtung und der Verbrennungseinrichtung nach der Erfindung;

Figur 2 eine Ansicht wie Figur 1, welche weitere Gesichtspunkte der Erfindung aufzeigt;

Figur 3 einen vergrößerten Teilqueraohnitt des Ausströmendes der Brennstoffdüse nach Figur 2 und

Figur 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 nach Figur 2.

Im folgenden sind in den einseinen Figuren gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen vergehen.

In Figur 1 ist eine kontinuierlich brennende Verbrennungseinrichtung für eine Gasturbine dargestellt, die allgemein mit 10 bezeichnet ist und die sich innerhalb einer geeigneten Maschinengehäusekonstruktion 11 befindet und welche einen Hohlkörper 12 aufweist, der eine Verbrennungskammer 14 bildet. Der Hohlkörper 12 weist ein gewölbtes stromaufwärts gelegenes Ende 16 auf, das eine Einlassöffnung 18 besitzt, die zur Aufnahme eines Brennstoff/Luftgemisches dient. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann die Verbrennungskammer 14 kreisringförmig, rohrförmig oder topfförmig ausgebildet sein, wobei die Einrichtung 10 mehrere kreisförmig angeordnete öffnungen 18 aufweist.

Eine rüschelförraige Anordnung 20 ist mit dem stromaufwärts gelegenen Ende des Hohlkörpers 12 geeignet befestigt und ist derartig ausgebildet, daß ein Druckluftstrom aus einer geeigneten Quelle beispielsweise einem nicht näher dargestellten Kompressor aufgenommen werden kann.

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Am stromaufwärts gelegenen Ende des Hohlkörpers 12 iat eine Brennstoff-Fördereinrichtung 22 vorgesehen, die ein Gehäuse 24 aufweist, das axial angeordnete auf- und abströmseitige Wände 26 bzw. 28 besitzt, wobei die abströmaeitige Wand 28 einen Auslass 30 bildet, der mit der Kammer 14 über den Einlass 18 strömungsmäßig verbunden iat. Eine ringförmige Anordnung von Leitblechen 32 dient dazu, die Pressluft aus der rUsselförmigen Einrichtung 20 in das Innere des Gehäuses umzulenken, so daß eine wirbelnde Luftmasee innerhalb des Gehäuses 24 und eine kreisende oder zyklonale Ausströmung durch den Auslass 30 erzeugt wird, wie durch die Bezifferung 34 dargestellt ist.

Aus Gründen, die noch im folgenden näher erläutert werden, sind die Leitbleche 32 radial und vom Auslass 30 nach außen gerichtet angeordnet, so daß zwischen der radial inneren Kante 37 eines jeden Leitbleches und dem Auslass 30 eine ringförmige Kammer 36 gebildet wird.

In Figur 1 sind mit 38 Einrichtungen zur Einführung von Brennstoff in das Innere des Gehäuses 24 und in Richtung der Leitbleche 32 dargestellt, welche eine Brennstoffsprühdüse mit einem Ausströmende 40 einer an sioh bekannten Art aufweisen, welche einen Brennstoffdruck ausnutzt, um einen Sprühkegel aus zerstäubtem Brennstoff 42 zu erzeugen. Das Ausströmende 40 der Brennstoffdüse erstreckt sich durch ausströaseitige Wand 26 des Gehäuses 24 und iat mit ihrer Ausströmachse zum Gehäuseauslass 30 koaxial angeordnet.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung, die in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, ist das Ausströmende 40 der Brennstoffeinspritzeinrichtung 38 derartig ausgelegt, daß eine Brennstoff -eineprühung 42 in Form mehrerer radial verlaufender Speichen oder Ströme durch öffnungen 44 und einen Brennatoffetröaungskanal 46 erfolgen kann. Zusätzlich ist ein FührungssprUhkegel aus zerstäubtem Brennstoff 48 vorgesehen, der duroh die Auslassöffnung 50 und den Kanal 52 direkt in die Verbrennungskammer 14 gelangt. - 6 -

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Ea hut sich herausgestellt, daß die Eigenschaften der Verbrennungskammer 10 hinsichtlich der Zündung und des Erlöschens wegen magerer Brennstoffzufuhr in dieser Weise erheblich verbessert werden kann. Dies gilt insbesondere bei der Anwendung für Plugzeuge während der erneuten Zündung in großen Höhen, wenn die aus dem Kompressor der Gasturbine ausströmende Luft nicht genügend Energie aufweist, um den Brennstoff 42 endgültig zu zerstäuben.

Das Gehäuse 24 kann außerhalb der Leitbleche 32 Strömungsmittel· umlenkeinrlchtungen zur Erzielung einer wirksamen und stromlinienförmigen Zuführung von Fressluft in das Gehäuse zu erzielen, um die Stärke des kreisenden Stromes innerhalb des Gehäuses zu verstärken. Das Gehäuse kann z.B. gemäß den Figuren 2 und 4 eine äußere Wand 52 aufweisen, die sich zwischen der aufströmseitigen und abströmseitigen Wand 26 bzw. 28 außerhalb der Leitbleche 32 befindet. In der in Figur 4 dargestellten Auafuhrungsform ist die äußere Wand 52 involuten- oder spiralförmig und bildet einen tangentiälta Einlass 54 zur Lieferung von Pressluft in das Gehäuse 24. Zusätzlich kann eine Einrichtung 56 vorgesehen sein, die aufströmseitig zum Gehäuse 24 angeordnet ist und mit dem Einlass 54 in Verbindung steht, um die Pressluft der Einrichtung 22 stromlinienförmig zuzuführen. Derartige Strömungsleiteinrichtungen können jedoch in einem großen Bereich verändert werden.

Während des Betriebs wird die Luft, die einen höheren Gesamtdruck aufweist, als diejenige innerhalb der Kammer 14» durch die Leitbleche 32 mit einer wesentlichen tangentialen Geschwindigkeitskomponente vom Gehäuse 24 aus betrachtet radial nach innen umgelenkt, so daß eine wirbelnde Luftmasse innerhalb des Ringes 36 und eine kreisende oder zyklonale Ausströmung 34 zur Verbrennungskammer 14 durch den Auslass 30 erzeugt wird. Hit Hilfe der Vorrichtung 38 wird Brennstoff in Form eines Sprühkegels in den Hing 36 eingespritzt (siehe Figur 1), und zwar in Form mehrerer radial gerichteter Ströme (siehe Figur 2) oder in einer anderen Form. - 7 -

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Bei der Einströmung in dae Gehäuse 24 wird ein Teil der großen Brennstoffteilchen durch die mit einer hohen Geschwindigkeit kreisenden Luftströmung in kleine Brennstoffteilchen zerstäubt, während die restlichen großen Brennstoffteilchen durch die kreisende Luftströmung innerhalb des Gehäuses 24 zentrifugal gegen die Leitbleche 32 aufschlagen. Der Brennstoff wird sodann von der radial gerichteten inneren Kante 37 eines jeden feuchten Leitbleches in Form eines endgültig zerstäubten Spriihkegels 58 durch die über die Leitbleche führende Luftströmung abgeschwert, wie aus Figur 4 deutlich zu entnehmen ist. In diesem Zusammenhang sei unter Bezugnahme auf Figur 4 erwähnt, daß die Leitbleche 32 in vorteilhafter Weise sich überlappend angeordnet sind oder daß die Führungskante 60 eines jeden Leitbleches 32 die Abschlusskante 37 eines unmittelbar vorangehenden Leitbleches kreisförmig überlappt, so daß der Brennstoff daran gehindert wird, durch die Leitbleche hindurch versprüht oder geschleudert zu werden.

Durch die räumliche Anordnung der Leitbleche 32 vom Auslass 30 radial nach außen werden große oder schwere Brennstoffteilchen, die dann, falls sie in die Verbrennungskammer 14 eingeführt werden, eine örtliche angereicherte Verbrennung und daher ein Hauchen erzeugen würden, zentrifugal hinter der abströmseitigen Wand 23 festgehalten, bis sie durch einen der oben beschriebenen Mechanismen in Tröpfchen einer ausreichenden Größe zerstäubt werden, welche die Zentrifugalkräfte durch die Widerstandskräfte überwinden, woraufhin diese kleinen Teilchen von der wirbelnden Luft mitgerissen und in die Kammer 14 mit dem Wirbel 34 getragen werden. Mit der vorliegenden Erfindung kann in dieser Weise die Größe der Brennstofftröpfchen, die in die Ver-r brennungskammer 14 gelangen, besonders wirksam gesteuert werden.

Für die Anwendung bei Gasturbinen, welche einen weiten Veränderungsbereich der Brennstoffströmungsrate aufweisen, kann die Brennstoffeinspritzeinrichtung 38 in bequemer Weise derartig angepasst werden, daß eine kleine Brennstoffmenge in Form eines zeretäubten SprUhkegela 48 direkt in die - β -

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Verbrennungskammer 14 geleitet werden, ao daß die Maechineneigenaohaften hinsichtlich der Zündung und des Erlöechens bei zu magerer Brennstoffzufuhr verbeaaert werden.

Da der Brennstoff der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung in der Nähe der Verbrennungskammer 14 eingeführt wird, werden die Probleme vermieden, die mit einem Zurückschlagen oder einer irrtümlichen Ausbreitung der Flamme in Aufatrömrichtung zur Verbrennungskammer im Zusammenhang stehen, vermieden.

Wie aua dem Vorangehenden zu entnehmen ist, wird mit der vorliegenden Erfindung eine neue und äußerst wirksame Einrichtung zur Förderung eines Luft/Brennatoffgemisches in die Verbrennungskammer vorgeschlagen, das äußerst fein verteilte kleine Brennstoff teilchen aufweist.

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Claims

Patentansprüche

/1. j Brennstoff-Fördergerät für eine Yerbrennungseinrichtung ^—' einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (24), das mit einem Auslass (30) versehen ist, mehrere Strömungsaittelumlenkbleche (32) aufweist, die^iner radial ausgerichteten ringförmigen Reihe um den Auslass angeordnet sind und daß die Leitbleche (32) derartig ausgebildet sind, daß sie Pressluft radial.nach innen umlenken können und einen kreisenden Luftstrom innerhalb des Gehäuses (24) und eine kreisende Ausströmung (34) aus dem Ausläse (30) erzeugen und daß Brennstoffeinspritzvorrichtungen (3ö,4Q) innerhalb de« Gehäuses (24) angeordnet sind, um den Brennstoff radial nach außen in Richtung der Leitbleche (32) umzulenken, derart, daß fein verteilte Brennstofftröpfchen einer beeinflussbaren Größe mit der kreisenden Strömung ausströmen.
2. Brennatoff-Pördergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinspritzvorrichtung (38,40) derartig ausgebildet ist, daß ein erster und zweiter Brennstoffstrahl (42 bzw. 48) erzeugt wird, wobei der erste Brennstoffstrahl (42) radial nach außen in Richtung der Leitbleche (32) gerichtet ist, während der zweite Strahl (48) durch den Auslass (30) gelenkt wird.
3. Brennstoff-Pördergerät nach Anspruch 1, da d u r c h gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine aufströmseitig angeordnete Wand (26) und eine abströmseitig angeordnete Wand (28) aufweist und die Leitbleche (32) sich axial zwischen den Wänden (26,28) erstrecken und sich einander Überlappend angeordnet sind, so daß ein Entkommen des Brennstoffes durch die Leitbleche (32) verhindert wird.
4. Brennstoff-Pördergerät nach Anspruch 1, oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Brennstoffeinspritzvorrichtung (38,40) mit der kreisenden Luftströmung im Inneren des Gehäuses (24) zusammenwirkt und derartig ausgebildet ist, daß mindestens ein Teil des Brennstoffes sich auf den Leitblechen (32) ablagert, wobei der Brennstoff von einer radial gerichteten inneren Kante (37) einea jeden feuchten Leitblechee (32) durch den Luftdruck-• strom über die Leitbleche (32) als ein Brennstoffstrahl von Tröpfchen abgeschert wird, die genügend klein sind, um von der kreisenden Strömung mitgerissen und aus dem Auslass (30) mit der kreisenden Ausströmung (34) herausgeführt zu werden.
5. Bren^iatoff-Fördergerät nach Anspruch .1, oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohlförmiger Körper (12) eine Verbrennungskammer (14) mit einem Einlass (18) bildet, daß ein Gehäuse (24) mit einem Auslass (30) versehen ist, der mit dem Einlass (18) strömungsmäßig in Verbindung steht, daß mehrere axial sich erstreckende Strömungsmittelumlenkbleche (32) in einer ringförmigen Reihe außerhalb des Auslasses (30) und um diesen herum angeordnet sind, daß Brennstoffeinspritzvorrichtungen (38,40) sich durch eine aufströmseitig angeordnete Wand (26) des Gehäuses (24) erstrecken, derart, daß ein Brennsteif radial und außerhalb des Auslasses (30) in Richtung der Leitbleche (32) versprüht werden kann, daß die Leitbleche (32) derartig ausgebildet sind, daß sie eine unter einem Druck stehende Luftströmung aufnehmen und diese radial nach innen zum Gehäuse (24) umlenken können, so daß eine kreisende Luftströmung im Inneren des Gehäuses erzeugt wird und eine kreisende Ausströmung (34) zur Verbrennungskammer (14) durch den Gehäuseauslasa (30) entsteht, wobei die Brennstofftropfeheη innerhalb des Sprühstrahles in Form winziger Teilchen abgeschert und mit der kreisenden Ausströmung (34) in die Verbrennungskammer (14) in fein verteilter Form getragen werden.
6. Brennetoff-Pördergerät nach Anspruch 1 oder einem der fol-

gendea» dadurchgekennzeichnet* daß

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die Brennstoffeinspritzvorrichtung derartig ausgebildet ist, daß ein zerstäubter Brennstoffstrahl (48) direkt in die Verbrennungskammer (14) eingeführt wird.
7. Brennstoff-Fördergerät nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskante (60) eines Jeden Leitbleches (32) in Bezug auf die Führungskante (60) des vorangehenden Leitbleches (32) kreisförmig Überlappend angeordnet ist.

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