DE2126849B2

DE2126849B2 - FUEL ATTENUATION DEVICE FOR GAS TURBINES

Info

Publication number: DE2126849B2
Application number: DE19712126849
Authority: DE
Inventors: Gregory Edward; Ekstedt Edward Ernst; Cincinnati Ohio McEneny (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-08-31
Filing date: 1971-05-29
Publication date: 1976-05-13
Also published as: FR2103621B1; DE2126849A1; CA939420A; US3638865A; FR2103621A1; GB1350454A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzerstäubungsvorrichtung für Gasturbinen mit einem Brennstoffdüsenkopf, der eine mittig angeordnete sich nach außen kegelförmig erweiternde, mit einer scharfen Austrittskante endende Düsenöffnung aufweist und dessen äußere Umfangsfläche sich zunächst in Strömungsrichtung konisch verengt und sich zum Austritt hin wieder erweitert, und mit einem den Brennstoffdüsenkopf umgebenden und mit diesem einen ringförmigen Luftdurchgang bildenden Mantel, dessen innere Umfangsfläche flammenseitig sich zunächst in Strömungsrichtung ebenfalls verengt und sich zum Luftaustritt hin konisch erweitert und der stromab über die Austrittskante des Brennstoffdüsenkopfes vorsteht.The present invention relates to a fuel atomizing device for gas turbines with a fuel nozzle head, which has a centrally arranged, outwardly conical widening, with a sharp one Has exit edge ending nozzle opening and the outer circumferential surface initially in the direction of flow conically narrows and widens again towards the outlet, and with one the fuel nozzle head surrounding and with this an annular air passage forming jacket, the inner The circumferential surface on the flame side initially also narrows in the flow direction and becomes the air outlet widened out conically and which protrudes downstream over the trailing edge of the fuel nozzle head.

Eine derartige Zerstäubungsvorrichtung ist aus der US-PS 34 74 970 bekannt Bei solchen Zerstäubungsvor richtungen für Gasturbinen wird schon seit langer Zeit ein vom Verdichter kommender Luftstrom über die zu Koksansatz neigenden äußeren Flächen des Brennstoffdüsenkopfes geleitet, um unter anderem eine Verschmutzung dieser Flächen zu vermeiden, wie es in der GB-PS 6 94 483 beschrieben ist.Such an atomizing device is known from US Pat. No. 3,474,970 directions for gas turbines has been an air flow coming from the compressor over the to for a long time Coke build-up tending to the outer surfaces of the fuel nozzle head led to, among other things, a contamination to avoid these areas, as described in GB-PS 6 94 483.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß infolge der hohen Brennkammertemperaturen und der in der Brennkammer auftretenden Rauchgasrückströmung auch die in die Brennkammer ragenden Teile des Luftführungsmantels einer Verkokung ausgesetzt sind. Weiterhin besteht infolge der hohen Temperatur am Brennstoffdüsenkopf die Gefahr des Crackens des Öles in den Brennstoffzufuhrkanälen und somit die Gefahr der Verschmutzung dieser Kanäle. Auch der vom Verdichter kommende Luftstrom ist bereits so hoch erhitzt, daß er diese Gefahr nicht abwenden kann. Bei einer auftretenden Verkokung ist aber mit einer ungleichmäßigen Zerstäubung und ungleichmäßigen Brennstoff-Luft-Vermischung /u rechnen.However, it has been shown that as a result of the high combustion chamber temperatures and in the combustion chamber occurring flue gas backflow also the parts of the air ducting jacket protruding into the combustion chamber are exposed to coking. Furthermore, there is due to the high temperature at the fuel nozzle head the risk of cracking the oil in the fuel supply channels and thus the risk of contamination of these channels. The air flow coming from the compressor is already heated to such an extent that it poses this risk can not avert. If coking occurs, however, there is an uneven atomization and uneven fuel-air mixing / u.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, bei einer Zerstäubungsvorrichtung der eingangs genannten Art eine gleichmäßige Brennstoff-Zerstäubung und Brennstoff-Luft-Vermischung durch Vermeidung von Kohlenstoff- bzw. Koksansätzen zu gewährleisten.The object of the invention is, in an atomizing device of the type mentioned at the beginning Kind of uniform fuel atomization and fuel-air mixing by avoiding To ensure carbon or coke approaches.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst. daß zwischen dem Mantel und dem Brennstoffdüsenkopf eine Abschirmung angeordnet ist, deren stromauf liegendes Ende fest mit der äußeren Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes verbunden ist und deren stromab liegendes Ende eng an einer an der äußeren Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes angeordneten ringförmigen, axial verlaufenden Trägerfläche anliegt und die einen ringförmigen Luftraum mit dem Brennstoffdüsenkopf sowie einen sich im wesentlichen axial erstreckenden Luftdurchgang mit dem Mantel bildet, und daß der stromauf mit der Abschirmung verbundene Mantel sich an seiner äußeren Umfangsfläche gegen sein flammenseitiges EnGe verjüngt, das in einer einen geringen Abstand von der Austrittskante aufweisenden Ebene liegt, und mehrere im Abstand voneinander angeordnete radiale Rippen aufweist, die gleitbar in der Öffnung einer Aufnahmevorrichtung angeordnet sind und einen schmalen Luftdurchgarig zwischen dem Mantel und der Aufnahmevorrichtung freilassen.This object is achieved according to the invention. that between the jacket and the fuel nozzle head a shield is arranged, the upstream end of which is fixed to the outer peripheral surface of the Fuel nozzle head is connected and its downstream end close to one on the outer Circumferential surface of the fuel nozzle head arranged annular, axially extending support surface is applied and an annular air space with the fuel nozzle head and a substantially axially extending air passage forms with the jacket, and that the upstream with the shield connected jacket tapers on its outer circumferential surface against its flame-side narrowness, which in a plane at a small distance from the trailing edge, and several at a distance having mutually arranged radial ribs which are slidable in the opening of a receiving device are arranged and a narrow Luftdurchgarig between the jacket and the receiving device set free.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements result from the subclaims.

Der divergierende Auslaß für den umhüllenden Luftstrom läßt die Umhüllungsluft als einen Hohlkegel um den Brennstoffsprühnebel und in enger paralleler Nähe dazu austreten. Die auf der Außenfläche des Mantels angeordneten Rippen halten diesen in einem Abstand von der Aufnahmevorrichtung und ermöglichen eine filmartige Strömung entlang dieser Außenfläche. Durch die stromlinienförmige Verjüngung des Mantels kann dieser mit seiner sich nach außen erweiternden inneren Umfangsfläche eine stromab liegende Kante geringer radialer Ausdehnung bilden, zu der die filmartige Strömung ohne Ablösung geleitet wird, und außerdem werden dadurch die der Verkokung ausgesetzten Teile der äußeren Umfangsfläche des Mantels möglichst klein gemacht. Das stromab liegendeThe diverging outlet for the enveloping air flow leaves the enveloping air as a hollow cone around and in close parallel proximity to the fuel spray. The ones on the outer surface of the Ribs arranged in the jacket keep it at a distance from the receiving device and enable it a film-like flow along this outer surface. The streamlined taper of the With its outwardly widening inner circumferential surface, this can be a downstream of the jacket Form lying edge of small radial extent to which the film-like flow is directed without detachment is, and also the exposed to coking parts of the outer peripheral surface of the Made the coat as small as possible. The downstream one

Ende des Brennstoffdüsenkopfes wird dadurch geichützt, daß der Mantel in axialer Richtung zwar im wesentlichen in der Ebene der Austrittskante des irennstoffdüsenkopfes endet, aber doch ein kleines Stück über diese hinausragtThe end of the fuel nozzle head is protected that the jacket is in the axial direction essentially in the plane of the trailing edge of the fuel nozzle head ends, but protrudes a little over this

Die radiale Ausdehnung der Rippen ist gering im Verhältnis zur radialen Ausdehnung des Luftdurchganges für die Umhüllungsluft, so daß die aus dem letzteren ausströmende Luft die filmartige Luftströmung an eier Itromab liegenden Kante des Mantels ablenkt und verhindert, daii diese filmartige Luftströmung den Brennstoffsprühnebelwinkel verengt Die zwischen dem ringförmigen Mantel und dem Brennstoffdüsenkopf angeordnete Abschirmung dient als Luftführung und vor allem als Hitzeschild gegen die heiße Verdichterluft end die Rückstrahlung aus der Brennkammer und verhindert ein Cracken des Brennstoffes in den Kanälen der Ztrstäubervorrichtung.The radial expansion of the ribs is small in relation to the radial expansion of the air passage for the enveloping air, so that the air flowing out of the latter forms the film-like air flow on eggs Itromab lying edge of the jacket deflects and prevents this film-like air flow from the The fuel spray angle narrows between the annular jacket and the fuel nozzle head arranged shielding serves as an air duct and above all as a heat shield against the hot compressor air ends the back radiation from the combustion chamber and prevents the fuel from cracking in the channels the atomizing device.

Nachfolgend wird auf die Abbildung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform der erfindungsgemä-Ben Brennstoffzerstäubungsvorrichtung dargestellt istReference is made below to the figure, in which an embodiment of the invention-Ben Fuel atomization device is shown

Die Abbildung zeigt im Schnitt den auslaßseitigen Teil 46 der Brennstoffzerstäubungsvorrichtung mit einem Hauptkörper 56, einem Brennstoffdüsenkopf 58, einer Abschirmung 60, einem Mantel 62 und primären und sekundären Einsatzteilen 64 und 67.The figure shows in section the outlet-side part 46 of the fuel atomization device a main body 56, a fuel nozzle head 58, a shield 60, a jacket 62, and primary and secondary inserts 64 and 67.

Der Hauptkörper 56 mit seiner Mittellinie 51 weist einen primären Durchgang 57 für die Zuleitung des unter Druck stehenden Brennstoffes von einem Einlaß zum Einsatzteil 64 auf, welcher eine Vielzahl peripher im Abstand voneinander angeordneter axialer Wirbelschlitze 66 enthält, die dem Brennstoff eine Wirbelbewegung erteilen, bevor dieser durch eine erste öffnung 68 tritt, welche den Brennstoffsprühkegel 49 erzeugt In gleicher Weise hat der Hauptkörper 56 einen sekundären Durchgang 70, durch den der unter Druck stehende Brennstoff zu einer Vielzahl im Abstand voneinander angeordneter radialer Wirbelschlitze 72 geleitet wird, welche durch den sekundären Einsatzteil 67 und den Brennstoffdüsenkopf 58 gebildet werden. Der wirbelnde Brennstoff aus den Schlitzen 72 wird zu einer sekundären öffnung 74 geleitet, welche in dem Brennstoffdüsenkopf 58 vorgesehen ist und von der eine sich stromabwärts erweiternde, kegelstumpfförmige Führungsoberfläche 76 ausgeht, welche sich zur stromab liegenden Austrittskante 78 des Brennstoffdüsenkopfes 58 erstreckt. Hierdurch wird der aus der öffnung 74 ausströmende Brennstoffwirbel als ein anliegender konischer Brennstoffilm zu der Austrittskante 78 geleitet, mit einem öffnungswinkel, der im wesentlichen gleich dem gewünschten öffnungswinkel des Sprühnebels 48 ist.The main body 56 with its center line 51 has a primary passage 57 for the supply line of the pressurized fuel from an inlet to the insert 64, which has a plurality of peripherally in the Contains spaced apart axial swirl slots 66, which the fuel a swirling motion before it passes through a first opening 68 which generates the fuel spray cone 49 In similarly, the main body 56 has a secondary passage 70 through which the pressurized standing fuel to a plurality of radial vortex slots 72 arranged at a distance from one another which are formed by the secondary insert 67 and the fuel nozzle head 58. The swirling fuel from the slots 72 is directed to a secondary opening 74, which is in the Fuel nozzle head 58 is provided and one of the downstream widening, frustoconical Guide surface 76 starts, which extends to the downstream exit edge 78 of the fuel nozzle head 58 extends. As a result, the fuel vortex flowing out of the opening 74 becomes a adjoining conical fuel film directed to the trailing edge 78, with an opening angle which is in the is essentially equal to the desired opening angle of the spray 48.

Der Brennstoffdüsenkopf 58 umfaßt ein sich stromauf erstreckendes rohrförmiges Teil 80, welches über den Hauptkörper 56 geschoben und mit diesem verbunden ist, vorzugsweise außerhalb der Brennkammer und stromauf von einer Aufnahmevorrichtung 52, z. B. durch Schweißen oder Schrauben.The fuel nozzle head 58 includes an upstream tubular member 80 which extends over the Main body 56 is pushed and connected to this, preferably outside the combustion chamber and upstream of a receiving device 52, e.g. B. by welding or screwing.

Die äußere Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes 58 verläuft über eine Erweiterung 82 zur ^₀ stromabliegenden Austrittskante 78, so daß diese scharfkantig ausgebildet ist Hierdurch ist die Möglichkeit der Ansammlung von Kohlenstoff oder Koks auf dieser Austrittskante verringert.The outer circumferential surface of the fuel nozzle head 58 passes over an extension 82 to ₀ ^ downstream trailing edge 78 so that the latter is formed with sharp edges result, the possibility of accumulation of carbon or coke is reduced to the trailing edge.

Die Abschirmung 60 ist über den Brennstoffdüsenkopf 58 geschoben und bildet einen ringförmigen im wesentlichen abgeschlossenen Luftraum 84, der sich axial über den größten Teil der Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes 53 erstreckt und so diesen gegen die heiße Verdichterluft, die entlang der Innenseite des Mantels 62 strömt, isoliert. Die Abschirmung 60 ist mit dem Brennstoffdüsenkopf 58 an seinem stromauf liegenden Endstück durch eine Schweißnaht «6 verbunden.The shield 60 is pushed over the fuel nozzle head 58 and forms an annular im essentially closed air space 84, which extends axially over most of the circumferential surface of the Fuel nozzle head 53 extends and so this against the hot compressor air, which along the inside of the Jacket 62 flows, insulated. The shield 60 is upstream of the fuel nozzle head 58 lying end piece connected by a weld «6.

Das stromab liegende Endstück der Abschirmung 60 liegt eng an einer sich axial erstreckenden, ringförmigen Trägerfläche 88 an, weiche auf der äußeren Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes 58 benachbart zu seiner stromab liegenden Austrittskante 78 gebildet ist. Auf diese Weise ist ein Verschluß für das stromab liegende Ende des isolierenden Luftraumes 84 geschaffen und ein relatives thermisches Ausdehnen und Zusammenziehen zwischen dem Brenr.stoffdüsenkopf 58 und der Abschirmung 60 ermöglicht.The downstream end of the shield 60 fits snugly against an axially extending annular one Support surface 88 soft on the outer peripheral surface of the fuel nozzle head 58 adjacent to it downstream trailing edge 78 is formed. In this way there is a closure for the downstream End of the insulating air space 84 created and a relative thermal expansion and contraction between the fuel nozzle head 58 and the shield 60 allows.

Der Mantel 62 ist mit radialem Abstand über den Brennstoffdüsenkopf 58 und die Abschirmung 60 geschoben und umschließt so einen im wesentlichen axial verlaufenden, ringförmigen Luftdurchgang 90, durch den Verdichterluft strömt. Der Mantel 62 ist mit der Abschirmung 60, benachbart seinem stromauf liegenden Endstück, durch eine Vielzahl auf dem Umfang mit Abstand voneinander angeordneten Rippen 92 verbunden, welche entweder von der Abschirmung 60 oder dem Mantel 62 getragen sind.The jacket 62 is radially spaced over the fuel nozzle head 58 and the shield 60 pushed and thus encloses a substantially axially extending, annular air passage 90, through which compressor air flows. The jacket 62 is upstream with the shield 60 adjacent it lying end piece, by a plurality of ribs spaced from one another on the circumference 92 connected, which are carried by either the shield 60 or the jacket 62.

Die innere Umfangsfläche des Mantels 62 weist vor seinem flammenseitigen Ende (Umfangskante) % eine Erweiterung 94 auf und bildet, zusammen mit der Erweiterung 82 des Brennstoffdüsenkopfes 58, einen divergierenden Auslaß 98 für die Verdichterluft. Diese strömt dadurch in Form eines Hohlkegels über und entlang dem Brennstoffsprühnebel 48. Der öffnungswinkel des konischen Auslaufes des Mantels 62 ist ungefähr gleich dem gewünschten Sprühwinkel des Brennstoffsprühkegels 48 und stabilisiert so den Brennstoffkegel in der Nähe der Brennstoffdüse und schützt diesen wirksam gegen Druckveränderungen und Umkehrströmungen in der Brennkammer.The inner circumferential surface of the jacket 62 has a% in front of its flame-side end (circumferential edge) Extension 94 and forms, together with the extension 82 of the fuel nozzle head 58, a diverging outlet 98 for the compressor air. This flows over and in the form of a hollow cone along the fuel spray 48. The opening angle of the conical outlet of the jacket 62 is approximately equal to the desired spray angle of the fuel spray cone 48 and thus stabilizes the Fuel cone in the vicinity of the fuel nozzle and protects it effectively against pressure changes and Reverse flows in the combustion chamber.

Der Mantel 62 umfaßt eine Vielzahl peripher in einem Abstand voneinander angeordneter, sich axial erstrekkender Rippen 100 mit relativ geringer radialer Ausdehnung im Vergleich zur radialen Höhe des Luftdurchganges 90 des Mantels 62, welche die äußere Oberfläche 102 des Mantels 62 zentrisch in einem radialen Abstand vom Umfang einer öffnung 54 in der Aufnahmevorrichtung 52 halten und eine Strömung in Form eines dünnen Luftfilmes von einer Einlaßkammer entlang der freiliegenden äußeren Umfangsfläche 102 des Mantels 62 gestatten. Die äußere Umfangsfläche 102 des Mantels 62 weist einen sich stromab zur Umfangskante % hin verjüngenden Abschnitt 104 auf, der vorzugsweise stromlinienförmig gewölbt ausgebildet ist, um die filmförmige Strömung wirksam zu dem stromab liegenden Endstück des Mantels 62 zu leiten.The jacket 62 comprises a plurality of peripherally spaced axially extending ribs 100 with a relatively small radial extent compared to the radial height of the air passage 90 of the jacket 62, which the outer surface 102 of the jacket 62 centrally at a radial distance from the circumference an opening 54 in the receptacle 52 and allow a flow in the form of a thin film of air from an inlet chamber along the exposed outer peripheral surface 102 of the shell 62. The outer circumferential surface 102 of the casing 62 has a section 104 which tapers downstream towards the circumferential edge and which is preferably designed to be arched in a streamlined manner in order to effectively guide the film-shaped flow to the downstream end piece of the casing 62.

Durch Ausbildung der Rippen 100 mit einer relativ geringen radialen Ausdehnung im Vergleich zur radialen Höhe des Luftdurchganges 90 des Mantels 62 reicht die filmartige Strömung aus, die Oberfläche 102 zu säubern und jegliche Kohlenstoff- und Koksansammlung darauf zu verhindern; sie ist jedoch schwach genug, um durch die relativ stärkere Mantelluftströmung am stromab liegenden Endstück des Mantels 62 abgelenkt zu werden, ohne den Sprühnebelwinkel des Brennstoffkegels 48 zu beeinflussen. So wurde beispielsweise eine radiale Höhe der Rippen 100 von etwa 0,38 mm bei einem Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 102 deir Mantelfäche 62 von etwa 19 mm und einer radialenBy forming the ribs 100 with a relatively small radial extent compared to the radial height of the air passage 90 of the shell 62, the film-like flow is sufficient to clean the surface 102 and prevent any accumulation of carbon and coke thereon; however, it is weak enough to be deflected by the relatively stronger jacket air flow at the downstream end of the jacket 62 without affecting the spray angle of the fuel cone 48. For example, a radial height of the ribs 100 of approximately 0.38 mm with a diameter of the outer circumferential surface 102 of the jacket surface 62 of approximately 19 mm and a radial height

Höhe des Luftdurchganges 90 im Innern des Mantels 62 von etwa 1,14 mm als geeignet befunden, um eine zufriedenstellende Reinigung zu bewirken, ohne nachteilig den Brennstoffsprühnebelwinkel zu beeinflussen.Height of the air passage 90 inside the jacket 62 of about 1.14 mm has been found suitable to provide a effecting satisfactory cleaning without adversely affecting the fuel spray angle.

Wie in der Abbildung gezeigt, liegt die stromab liegende Umfangskante % des Mantels 62 in einer Ebene, die parallel und in geringem Abstand von der Ebene der stromab liegenden Austrittskante 78 liegt (z.B. 0,13 bis 0,38mm). Auf diese Weise wird die Oberfläche des Mantels 62, welche dem Verbrennungsprozeß ausgesetzt ist, verringert und ein Schutz für die Austrittskante 78 während des Betriebes geschaffen.As shown in the figure, the downstream peripheral edge% of the shell 62 lies in one Plane that is parallel and at a short distance from the plane of the downstream trailing edge 78 (e.g. 0.13 to 0.38mm). In this way, the Surface of the shell 62, which is exposed to the combustion process, is reduced and a protection for the Trailing edge 78 created during operation.

Durch Verbinden des Brennstoffdüsenkopfes 58, dei Abschirmung 60 und des Mantels 62 nur an derer stromauf liegenden Endstücken und an einer Stelle, die sich in einem Abstand von den hohen Temperaturen der Verbrennungskammer befindet, wird eine relative thermische Ausdehnung oder Kontraktion zwischen diesen Teilen ermöglicht und eine hohe Belastung derBy connecting the fuel nozzle head 58, the shield 60 and the jacket 62 only to the other upstream end pieces and at a point that is at a distance from the high temperatures of the Combustion chamber is located, there will be a relative thermal expansion or contraction between allows these parts and a high load of the

ίο Verbindungsstellen vermieden.ίο connection points avoided.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Fuel atomization device for gas turbines with a fuel nozzle head, which is a centrally arranged cone-shaped outward having widening, ending with a sharp outlet edge nozzle opening and its outer The circumferential surface initially narrows conically in the direction of flow and then tapers again towards the outlet expanded, and with a surrounding the fuel nozzle head and with this one annular Air passage forming jacket, whose inner peripheral surface on the flame side is initially in The direction of flow also narrows and widens conically towards the air outlet and the one downstream protrudes over the trailing edge of the fuel nozzle head, characterized in that ! a shield (60) is arranged between the jacket (62) and the fuel nozzle head (58), whose upstream end is fixed to the outer peripheral surface of the fuel nozzle head (58) is connected and its downstream end closely to one on the outer peripheral surface of the Fuel nozzle head (58) arranged annular, axially extending support surface (88) rests and an annular air space (84) with the fuel nozzle head (58) and one in the substantially axially extending air passage (90) forms with the jacket (62), and that the upstream with the shield (60) connected jacket (62) against each other on its outer circumferential surface (102) its flame-side end (96) tapers, which is at a small distance from the trailing edge (78) having plane, and a plurality of spaced apart radial ribs (100) has, which are slidably arranged in the opening of a receiving device (52) and one Leave a narrow air passage between the jacket (62) and the receiving device (52).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the jacket (62) tapers at its flame-facing portion (104) of the outer peripheral surface (102).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the jacket (62) tapers conically at its portion (104).

4. Apparatus according to claim 1, characterized in that the jacket (62) is streamlined rejuvenates.

5. Apparatus according to claim 1, characterized in that the distance between the flame side The end (96) of the jacket (62) and the trailing edge (78) is 0.13 to 0.38 mm.