DE2126849C3

DE2126849C3 - Fuel atomization device for gas turbines

Info

Publication number: DE2126849C3
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: 1977-01-13

Description

5555

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffz.crstäubungsvorrichtung für Gasturbinen mit eitlem Brennstoffdüsenkopf, der eine tnUlig angeordnete sich ^₀ nach außen kegelförmig erweiternde, mit einer scharfen Austriu.skantc endende Düsenöffnung aufweist und dessen äußere Umfaungsfläche sich zunächst in Strömungsrichlung konisch verengt und sich zum Austritt hin wieder erweitert, und mit einem den Brcnnsioffdiisenkopf umgebenden und mit diesem einen ringförmigen Luftdurehgang bildenden Mantel, dessen innen. imfaiiüsfliiche Nanvmenseitig sich zunächst in Stmihungsrichtung ebenfalls verengt und sich /.um Luftaustritt hui konisch erweitert und der stromab über die Austrittskante des Brennstoffdüsenkopfes vorsteht
* Eine derartige Zerstäubungsvorrichtung ist aus der tJS-PS 34 74 970 bekannt Bei solchen Zerstäubung^voF-nchtungen für Gasturbinen wird schon seit langer Zeit ein vom Verdichter kommender Luftstrom über die zu Koksansatz neigenden äußeren Rächen des Brennstoffdflsenkopfes geleitet um unter anderem eine Verschmutzung dieser Flächen zu vermeiden, wie es in der GB-PS 6 94 483 beschrieben ist.The present invention relates to a Brennstoffz.crstäubungsvorrichtung for gas turbines with vain fuel nozzle head having a located ^ ₀ tnUlig outwardly-disposed cone-shaped widening, ending with a sharp Austriu.skantc nozzle opening and whose outer Umfaungsfläche initially narrows conically in the flow Rich Lung and towards the outlet expanded again, and with a jacket surrounding the fountain nozzle head and with it forming an annular air passage, its inside. In the case of the outer surface, it also narrows in the direction of contraction and widens conically around the air outlet and protrudes downstream over the outlet edge of the fuel nozzle head
* Such an atomizing device is known from tJS-PS 34 74 970. In such atomizing devices for gas turbines, an air stream coming from the compressor has been passed over the outer surfaces of the fuel nozzle head, which is prone to coke formation, for a long time to prevent, among other things, contamination of these surfaces as described in GB-PS 6 94 483.

Es hat sich jedoch gezeigt daß infolge der hohen Brenrikammertemperaturen und der in der Brennkammer auftretenden Rauchgasrückströmung auch die in die Brennkammer ragenden Teile des Luftführungsmaniels einer Verkokung ausgesetzt sind. Weiterhin besteht infolge der hohen Temperatur am Brennstoffdüsenkopf die Gefahr des Crackens des Öles in den Brennsioffzufuhrkanälen 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 zu rechnen.However, it has been shown that as a result of the high temperatures in the combustion chamber and in the combustion chamber Occurring flue gas backflow also the parts of the air duct 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 of the oil in the fuel supply channels and thus the risk of contamination of these channels. Also the one coming from the compressor The air flow is already heated to such an extent that it cannot avert this danger. When coking occurs but is too with an uneven atomization and uneven fuel-air mixing calculate.

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 /wischen dem Mantel und dem Brennstoffdüsenkopf eine Abschirmung angeordnet ist. deren stromauf liegendes Ende fest mit der äußeren Umfangsfiäehe des Brennstoffdüsenkopfes verbunden ist und deren stromab liegendes Ende eng an einer an der äußeren Umfangsfiäehe des Brennstoff düsen kopfes angeordneten ringförmigen, axial verlaufenden Trägerfläehe anliegt und die einen ringförmigen Luftraum mit dem Brennstoffdüsenkopf sowie einen sich im wesentlichen axial erstreckenden Luftdurehgang mit dem Mantel bildet, und daß der stromauf mit der Abschirmung verbundene Mantel sich an seiner äußeren Umfangsfiäehe gegen sein flammenseitiges Ende 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 Luftdurehgang zwischen dem Mantel und der Aufnahmevorrichtung freilassen.According to the invention, this object is achieved by wiping the jacket and the fuel nozzle head a shield is arranged. whose upstream end is fixed to the outer circumferential surface of the Fuel nozzle head is connected and its downstream end close to one on the outer Circumferential size 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 at its outer circumferential surface towards its flame-side end that 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 air passage 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 Brcnnstoffsprühnebel und in enger paralleler Nähe dazu austreten. Die auf der Außenfläche des Mantels eingeordneten Rippen halten diesen in einem Abstand von der Aufnahmevorrichtung und ermöglichen dne fiimärtige Strömung entläng dieser Außenfläche. Durch die stromlinienförmige Verjüngung des Mantels kann dieser mit seiner sich nach außen erweiternden inneren Umfangsfiäehe 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 Umfangsfiäehe des Mantels möglichst klein gemacht. Das stromab liegendeThe diverging outlet for the enveloping air flow leaves the enveloping air as a hollow cone around the fuel spray and in close parallel proximity to it. 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 There is a thin temperate current along this outer surface. Due to the streamlined tapering of the jacket, it can move outwards with it widening inner circumferential area forms a downstream edge of small radial extent which the film-like flow is guided without detachment, and also that of the coking exposed parts of the outer peripheral area of the jacket made as small as possible. The downstream one

21 2β21 2β

Ende des Brennstoffdüsenkopfes wird dadurch geschützt, daß der Mantel in axialer Richtung zwar im wesentlichen in der Ebene der Austrittskame des Brennstoffdüsenkopfes eadet, aber doch ein kleines Stück über diese hinausragtThe end of the fuel nozzle head is protected that the jacket in the axial direction in the essentially in the plane of the exit point of the fuel nozzle head eadet, but still a small one Piece protrudes beyond this

Die radiale Ausdehnung der Rippen ist ge ing im Verhältnis zur radialen Ausdehnung des Luftdurchganges für die Umhüllungsluft, so daß die aus dem letzteren ausströmende Luft die filmartige Luftströmung an der stromab liegenden Kante des Mantels ablenkt und verhindert, daß 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 und die Rückstrahlung aus der Brennkammer und verhindert ein Cracken des Brennstoffes in den Kanälen der Zerstäubervorrichtung.The radial expansion of the ribs is low in relation to the radial expansion of the air passage for the enveloping air, so that those from the latter outflowing air deflects the film-like air flow at the downstream edge of the shell and prevents this film-like air flow from narrowing the fuel spray angle between the annular jacket and the fuel nozzle head arranged shield serves as an air guide and mainly as a heat shield against the hot compressor air and the reflection from the combustion chamber and prevents the fuel from cracking in the channels of the atomizer device.

Nachfolgend wird auf die Abbildung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzerstäubungsvorrichtung dargestellt ist.Reference is made to the figure in which an embodiment of the invention Fuel atomization device is shown.

Die Abbildung zeigt im Schnitt den auslaßseitigcn Teil 46 der Brennstoffzerstäubungsvorrichtung mit einem Hauptkörper 56, einem Brennstoffdüsinkopf 58. einer Abschirmung 60. einem Mantel 62 und primären und sekundären Einsatzteilen 64 und 67.The figure shows the outlet side in section Part 46 of the fuel atomization device with 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 Wirbclschlitze 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 Kührungsoberfläche 76 ausgeht, welche sich zur stromab liegenden Austrittskame 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 issue 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 under pressure 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 port 74 which is in the Fuel nozzle head 58 is provided and one of the downstream widening, frustoconical Kührungsfläche 76 goes out, which is to downstream exit comer 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 that 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 6ο stromabliegenden Austrittskame 78, so daß diese scharfkantig ausgebildet ist. Hierdurch ist die Möglichkeit der Ansammlung von Kohlenstoff oder Koks auf dieser Austrittskame verringert.The outer circumferential surface of the fuel nozzle head 58 extends over an extension 82 to the 6ο downstream exit chamfer 78, so that it is sharp-edged. This creates the possibility the accumulation of carbon or coke on this exit came is reduced.

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 58 erstreck! und so diesen gegen die beiße Verdichterluft, die entlang der Innenseite des Mantels 62 strömt, isoliert. Die Abschirmung 60 ist mit dem Brennstoffdüsenkopi 58 an seinem stromauf liegenden Endstück durch eine Schweißnaht 86 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 58 extended! and so this against the biting compressor air, which along the inside of the Jacket 62 flows, insulated. The shield 60 is with the fuel nozzle head 58 at its upstream end piece by a weld 86 connected.

Das stromab liegende Endstück der Abschirmung 60 liegt eng an einer sich axial erstreckenden, ringförmigen Trägerfläehe 88 an, welche 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 Brennstoffdüsenkopi 58 und der Abschirmung 60 ermöglichtThe downstream end of the shield 60 fits snugly against an axially extending annular one Support surface 88, which on the outer peripheral surface of the fuel nozzle head 58 adjacent to his 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 Absland über den Brennstoffdüsenkopf 58 und die Abschirmung 60 geschoben und umschließt so einen im wesentlichen axial verlaufenden, ringförmigen l.ufidurchgang 90. durch den Verdichlerluft strömt. Der Miinlel 62 ist mil der Abschirmung 60, benachbart seinem stromauf liegenden Endstück, durch eine Vicl/ahl auf dem Umfang mit Abstand voneinander angeordneten Rip pen 92 verbunden, welche entweder von der Abschirmung 60 oder dem Mantel 62 getragen sind.The jacket 62 is with radial Absland over the Fuel nozzle head 58 and the shield 60 pushed and thus substantially encloses one axially extending, annular l.ufi passage 90. flows through the compressor air. The Miinlel 62 is mil the shield 60, adjacent to its upstream end piece, by a Vicl / ahl on the Perimeter spaced-apart ribs 92 connected either by the shield 60 or the coat 62 are worn.

Die innere Umfangsfläche des Mantels 62 weist vor seinem flammcnseitigen Ende (Umfangskanic) % 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 Hohlkcgcls 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 su den Brennstoffkegel in der Nähe der Brennstoffdüse und schüt/t diesen wirksam gegen Druckvei änderungen und Umkehrströmungen in der Brennkammer.The inner circumferential surface of the jacket 62 has in front of its flame-side end (circumferential canic) a 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 over in the form of a hollow block along the fuel spray 48. The opening angle of the conical outlet of the shell 62 is approximately equal to the desired spray angle of the fuel spray cone 48 and stabilized su the Fuel cone in the vicinity of the fuel nozzle and protects it effectively against changes in pressure and Reverse flows in the combustion chamber.

Der Mantel 62 umfaßt eine Vielzahl peripher in einem Abstand voneinander angeordneter, sich axial erstrekkendcr Rippen 100 mit relativ geringer radialer Ausdehnung t/n Vergleich zur radialen Höhe des Luftdurchganges 90 des Mantels 62. welche die äußere Oberfläche 102 des Mantels 62 /entrisch in einem radialen Abstand vom Umfang einer öffnung 54 in der Aufnahmevorrichtung 52 halten und eine Strömung in Form eines dünnen Luftfilmes von einer lünlaßkammer entlang der freiliegenden äußeren Umfangsfläche 102 des Mantels 62 gestatten. Die äußere Umfangsfläche 102 des Mantels 62 weist einen sich stromab /ur Umfangskante 96 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 includes a plurality of peripherally spaced apart axially extending ones Ribs 100 with a relatively small radial extent t / n compared to the radial height of the Air passage 90 of the jacket 62. which the outer surface 102 of the jacket 62 / entrisch in one maintain a radial distance from the circumference of an opening 54 in the receiving device 52 and a flow in Form of a thin film of air from an inlet chamber along the exposed outer peripheral surface 102 of the jacket 62 allow. The outer peripheral surface 102 of the shell 62 has a downstream / ur Peripheral edge 96 tapering section 104 on. which is preferably arched in a streamlined manner is to effectively direct the film flow to the downstream end portion of the shell 62.

Durch Ausbildung der Rippen 100 mit einer relativ geringen radialen Ausdehnung im Vergleich /ur 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 der Mantelfiichc 62 von etwa 19 mm und einer radialenBy forming the ribs 100 with a relatively small radial extent in comparison / ur radial height of the air passage 90 of the jacket 62, the film-like flow is sufficient, the surface 102 to clean and prevent any carbon and coke buildup on it; however she is weak enough to deflected by the relatively stronger jacket air flow at the downstream end piece of the jacket 62 without affecting the spray angle of the fuel cone 48. For example, a radial height of the ribs 100 of about 0.38 mm with a diameter of the outer peripheral surface 102 of the Jacket thickness 62 of about 19 mm and one radial

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 in the interior of the jacket 62 of about 1.14 mm has been found suitable to effect satisfactory cleaning without being detrimental affect the fuel spray angle.

Wie in der Abbildung gezeigt, liegt die stromab liegende Unifangskante % des Mantels 62 in einer Ebene, die parallel und in geringem Abstand von der Ebene der stromab liegenden AustrUtskante 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 Austrittskantc 78 während des Betriebes geschaffen.As shown in the figure, the downstream uni-peripheral edge% of the shell 62 lies in one Plane that lies parallel and at a small distance from the plane of the downstream edge 78 (e.g. 0.13 to 0.38mm). In this way, the Surface of the shell 62. which the combustion process is exposed, is reduced and a protection for the trailing edge 78 created during operation.

Durch Verbinden des Brennstoffdüsenkopfes 58. der Abschirmung 60 und des Mantels 62 nur an deren 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 /.wischen diesen Teilen ermöglicht und eine hohe Belastung derBy connecting the fuel nozzle head 58 of the Shield 60 and the jacket 62 only at their upstream end pieces and at a point that is at a distance from the high temperatures of the combustion chamber, becomes a relative thermal expansion or contraction /. wipe 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:

Fuel atomization device for gas turbines with a fuel nozzle head, the one centrally arranged, conical-widening outwards, with a sharp exit edge Has fending nozzle opening and its outer 'circumferential fihehe initially in the direction of flow -conically narrows and widens again towards the outlet, and with a fuel nozzle head surrounding and with this one annular Air passage forming jacket, whose inner circumferential area on the flame side is initially in The flow direction is also narrowed and dimmed , The air outlet widens conically and the downstream over the outlet edge of the fuel nozzle head protrudes by the fact that a shield (60) is arranged between the jacket (62) and the fuel nozzle head (58), the upstream end of which 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 circumferential 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) with the jacket (62) forms, and that the upstream with the shield (60) connected jacket (62) against each other on its outer peripheral surface (102) its flame-side end (96) tapers, which in a a small distance from the outlet edge (78) having plane and several in the Absland has radial ribs (100) arranged from one another and slidable in the opening of a receiving device (52) are arranged and leave a narrow air passage between the jacket (62) and the receiving device (52).

2. Device according to claim!. Characterized in that that the jacket (62) at its flank facing portion (104) of the outer I Infangsflächec (102) tapered.

J. Device according to claim 2, characterized in that that the jacket (62) tapers conically at its section (104).

4. Apparatus according to claim 1, characterized in that that the jacket (62) tapers in a streamlined manner.

5. Apparatus according to claim 1, characterized in that the distance between the flameseiigen Kende (%) of the jacket (62) and the Trailing edge (78 | O.t 3 to 0.38 mm.