DE2131490A1

DE2131490A1 - Luftmischduese

Info

Publication number: DE2131490A1
Application number: DE19712131490
Authority: DE
Inventors: Helmrich William F
Original assignee: Ex-Cell-O Corp
Current assignee: Ex-Cell-O Corp
Priority date: 1970-06-26
Filing date: 1971-06-24
Publication date: 1972-01-13
Also published as: CA926137A; DE2131490C2; US3684186A; FR2095475A5; GB1299696A

Description

^DR-^|NG- DIPL.-INQ.M.eC. DIPL.-PHYS. DR. OIPU..PHVS.

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART O 1 O 1 Γ\ Π

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23.Juni I971

Ex-CeIl-O Corporation
Detroit, Michigan 48232', USA

Luftmischdüse

Die Erfindung betrifft eine Luftmischdüse, insbesondere für eine Gasturbine, mittels welcher der Verbrennungskammer einer solchen Gasturbine Brennstoff zugeführt wird.

Luftmischdüsen sind bekanntgeworden aus den US-PS_> 3 310 240 und 3 489 059· Bei der Luftmischdüse nach der ersten US-Patentschrift wird ein relativ hoher Luftdruck verwendet, um eine Zerstäubung des Brennstoffs zu erreichen, darüberhinaus sind bei dieser bekannten Anordnung keine Wirbelkammerη vorgesehen, die entsprechend der erfindungsgemäßen Anordnung einen sehr hohen Grad an Vermischung von Luft und Brennstoff erreichen. Die in de_r US-Patentsßhrift 3 489 059 beschriebene Düse ist nicht vom Typ der L,uftmischdüse, bei welcher also ei'ne unter Zuführung von Luft erfolgende Zerstäubung auftritt und interessiert daher in diesem Zusammenhang weniger.

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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, Nachteile bekannter Anordnungen zu vermeidenj d.h. insbesondere die Notwendigkeit zu vermeiden, daß eine Anordnung zur Erzeugung eines gesonderten hohen Luftdruckes vorgesehen werden muß und soll eine Luftitüschdüse schaffenj bei welcher durch einfache Zuführung der Brennereinlaßluft eine zufriedenstellende Zerstäubung erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Luftmischdüse, insbesondere für Gasturbinen und besteht darin, daß zur optimalen Brennstoffzerstäubung lediglich Brennereinlaßluft ohne eine eine erhöhte Hilfsdruckluft liefernde! Anordnung verwendet ist, mit einer ringförmigen Brennstoffwirbelkammer, die an ihrem äußeren Ende eine Lippe ausbildet, über welche Brennstoff unter Ausbildung eines Sprühkegels fließt, daß nach innen, ausgehend von der Brennstoffkammer, eine innere Luftkammer und eine die Brennstoffkammer umgebende äußere ringförmige Luftkammer vorgesehen ist mit Auslaßlippen an den äußeren Enden der Luftkammern, über welche die Luft zur Vermischung mit dem Brennstoffsprühkegel strömt und daß Durchlässe vorg? ..eben sind zur Einleitung von Kompressorauslaßluft in so ausreichendem Maße in die Luftkammern, daß ein optimales Brennstoff/Luft-Gemisch erreicht wird.

Die erfindungsgemäße LuftmischcK'se besteht also aus einer ringförmigen Brennstoffwirbelkammer, aus welcher der Brennstoff in Form eines Sprühkegels austritt, dabei wird er mit inneren und äußeren Schichten verwirbelter Luft gemischt. Dies geschieht dadurch, daß aus dem Maschinenkompressor stammende Luft mit

dem Brennstoff vermischt wird, so daß nahe der Düse ein hoher Grad an Luft/Brennstoffgemisch erreicht wird, so daß eine sauberere und vollständigere Verbrennung möglich ist. 5s wird

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also bei der erfindungsgemäßen Luftmischdüse ein beträchtliches Volumen an Brennereinlaßluft verwendet, um ohne irgendwelche zusätzliche Hilfsdruckluft, die von einer anderen Anordnung stammen müßte, eine Brennstoffzerstäubung zu erreichen. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist am Ausgang einer Luftwirbelkammer eine zentrale primäre Brennstofföffnung vorgesehen, während eine sekundäre ringförmige Brennstoffwirbelkammer mit Aunlaßöffnung weiter aussen zu der primären öffnung angeordnet ist. Die primäre Brennstoffkammer ist von einer Luftwirbelkammer umgeben, während die sekundäre Brennstoffkammer von zwei Luftwirbelkammern, nämlich einer inneren und einer äußeren umX geben ist. Die Auslaßbereiche sämtlicher Kammern weisen eine kegelstumpfartige Form auf und erhöhen die Geschwindigkeit der in ihnen verwirbelten Luft bzw. des Brennstoffes, wobei die Auslässe so angeordnet sind, daß ein hohes Maß an Vermischung von Luft und Brennstoff ermöglicht wird.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das primäre Brennstoffauslaßsystem weggelassen, da sich herausgestellt hat, daß das Maß an Luft/Brennstoffverwirbelung so vollständig ist, daß es in manchen Fällen nicht notwendig ist, zum Anlaseen der Maschine oder zum Betrieb in großen Höhen ein primäres Brennstoffsystem vorzusehen.

Bei beiden Ausführungsbeispielen sind die Luftwirbelkammern in Verbindung mit dem die Düse umgebenden Raum, dem von dem Maschinenkonpressor Luft zugeführt wird. Das Verhältnis der inneren Luftmenge zu der äußeren, den Sekundären Br ennstoffsprühkegel umgebenden Luftmenge ebenso wie die relative axiale Position der jeweiligen öffnungen sind so ausgewählt, daß eine optimale Mischvnrksamkeit und optimale Brennstoff/Luftverhältnisse erhalten werden; dies ermöglicht ein vollständiges Ver-

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brennen nahe der Düse im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, wo die Verbrennung weiter unten auftritt.

Bei Versuchslaufen hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Düse verbesserte Verbrennungseigenschaften aufweist, da eine sauberere und vollständigere-'Verbrennung erzielt wird, die eine gleichmäßigerere Temperaturverteilung um den Verbrennungsraum bewirkt. Die Gasturbine kann so mit relativ beträchtlich höheren Temperaturen betrieben werden, ohne daß sich die Notwendigkeit ergibt, teurere oder exotische Materialien zu verwenden« Auch führtdie auf diese Weise erzielte Brennstoffverteilung zu einem erhöhten Maschinenwirkungsgrad. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist in der beträchtlichen Reduzierung von Abgasen (nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen) zu sehen, die aus der Maschine austreten, so daß ein Beitrag zur Vermeidung der Luftverschmutzung geleistet wird.

Weitere.Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem primären und einem sekundärem Brennstoffsystem, wobei die tangentialen Durchlässe aus Gründen der besseren Verständlichkeit voll ausgezogen dargestellt sind, während.

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Pig. 2 in einer Ansicht entsprechend Pig. 1 ein

weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit nur einem Brennstoffsystem darstellt.

Zunächst wird auf das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel genauer eingegangen werden, bei welchem die Düse allgemein mit 11 bezeichnet ist und in der Verbrennungskammer einer. Gasturbine eingebaut ist, die in teilweiser Form dargestellt und mit 12 bezeichnet ist. Die Düse ist auf einem Düsenträger Ik befestigt und besteht aus zwei Abschnitten 15 und 16. Der Abschnitt 15 weist einen primären Brennstoffdurchlaß 18 und einen sekundären Brennstoffdurchlaß 19 auf, weiterhin ist ein Adaptereinsatz 20 jeweils am Abschnitt 15 und am Abschnitt 16 an den Stellen 21 bzw. 22 angeschweißt oder hart angelötet. Der Einsatz 20 weist einen zentralen Durchlaß 23 auf, der mit dem Durchlaß 18 in Verbindung steht.

Mit dem äußeren abgewandten Ende des Einsatzes 20 ist ein erster Körper 2k verschweißt, der eine erste Brennstoffwirbelkammer 25 von kegelstumpfähnlicher Form aufweist, die in eine öffnung 26 münden. In die Kammer 25 ist ein erster Einsatz 27 mit tangentialen Schlitzen 28 eingesetzt, der von einer Feder 29 in Position gehalten wird. Somit fließt tier primäre Brennstoff aus dem Durchlaß 23 durch ein siebähnliches* Filter 21 zu den Schlitzen 28 und der Wirbelkammer 25 und wird von der öffnung 26 versprüht. Auf den als Träger wirkenden Teilabschnitt 16 ist ein zweiter Körper 32 aufgeschraubt und mit diesem bei 33 verschweißt. Dieser Körper preßt einen Eineatz 3k gegen die Fläche 35 des Abschnittes 16, wodurch eine Metall- gegen Metali-Abdichtung gebildet wird. Ein kreisförmiger Kanal 36 in dem Einsatz 3k nimmt dabei einen sekundären Brennstoffzufluß aus einer Vielzahl von über den Umfang zueinander im Abstand gehal-

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tener Durchlässe 37 in dem Abschnitt 1β auf, der von dem sekundären Brennstoffdurchlaß 19 herrührt. Von dem kreisförmigen Kanal 36 bzw. der kreisförmigen Kammer 26 führen eine Reihe von zueinander umfangsmäßig im Abstand gehaltener, tangentialer sekundärer Durchlaßöffnungen 38 zu einer sekundären Wirbelkammer 39, die zwischen dem Körper 32 und dem Einsatz 3²I ausgebildet ist. Die Durchlaßöffnungen 38 weisen eine vorbestimmte Größe auf, derart, daß der Brennstoff in Abhängigkeit von dem Druck jeweils eine bestimmte Durchlaßmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit annimmt, so daß sich eine gewünschte Brennstoffdurchflußkurve ergibt. Der erste Teilbereich der ringförmigen Kammer ist zylindrisch ausgebildet, während der weiter vorn zur Düsenöffnung gerichtete Bereich kegelstumpfartig ist; dabei bildet der Körper 32 eine Lippe 4l aus, über die der Brennstoff fließt, um einen Sprühkegel auszubilden. Durch den Trägerabschnitt l6 erstrecken sich dabei, ausgehend von dem allgemeinen Raum 43, der die Düse 11 umgibt, eine Vielzahl von umfangsmäßig zueinander im Abstand gehaltener Luftdurchlässe 42, die in einen kreisförmigen Durchlaß 44 zwischen den Einsätzen 20 und 34 münden. Der Raum 43, der als Kammer ausgebildet ist, nimmt dabei von dem Gasturbinenkompressor stammende Luft auf, die in Richtung auf die Verbrennungskammer 12 strömt. Die Luft in der Kammer bzw. in dem kreisförmigen Durchlaß 44 strömt dabei an einer Vielzahl innerer Luftwirbelflügel 45 vorbei, die an dem ersten Körper 24 angeformt sind und sich nach außen erstrecken. Ein Teil dieser Luft fließt in die kegelstumpfartige Kammer 46, die am äußeren Ende des Einsatzes 3^ gebildet ist und an einer Lippe 47 dieses Einsatzes vorbei. Es ist darauf hinzuweisen, daß diese Lippe 47 axial nach innen versetzt zu der sekundären Brennstofflippe'. 41 angeordnet ist, so daß die an der Lippe 47 vorbeifließende Luft sich mit dem aus der sekundären Wirbelkammer 39 austretendem Sprühkegel vermischt. Ein anderer Teil

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der an den Wirbelflügeln 45 vorladfließenden Luft wird von einem Deflektor 48 in eine Reihe von öffnungen 49 geleitet, ; von denen er in eine primäre Luftkararaer 51 gelangt und an einer ; Lippe 52 vorbeifließt, um sich mit dem primären Brennstoff- \ sprühkegel zu vermischen. Getragen wird der Deflektor 48 von einem Hitzeschild 53» welcher an dem ersten Körper 34 montiert ist und die Kammer 51 ausbildet.

In dem äußeren Bereich des zweiten Körpers 32 sind eine Vielzahl von tangentialen äußeren Luftwirbelschlitzen 54 ausgebildet, die zu der sekundären Luftwirbelkammer 55 führen, die gebildet ist von dem kegelstumpfartigen Teil der äußeren Ummantelung 56. Diese Ummantelung ist mit dem zweiten Körper 32 ver- ■ bunden. Die von der Ummantelung 56 am Auslaß der Kammer 55 1 gebildete Lippe 57 ist axial gegenüber der sekundären Brenn- \ stofflippe 51 nach außen im Abstand gehalten und so artgeordnet, < daß die aus dem Raum 55 austretende Luft sich mit dem sekun- \ dären Brennstoff vermischt. Es ist festgestellt worden, daß die kegelstumpfartigen Teilbereiche sämtlicher Wirbelkammern die Geschwindigkeit und damit die zentrifugalen Kräfte der durch sie fließenden Luft bzw. Brennstoffe vergrößer .

Beim Betrieb entströmt derprimäre Brennstoff entlang der Lip- ■ pe 52 und der sekundäre Brennstoff entlang der Lippe 41 und j bildet dabei hohle Spühkegel aus. Die an der Lippe 52 vorbei- \ strömende Luft vermischt sich mit dem primären Brennstoff- ϊ kegel, während der sekundäre Brennstoff sich mit der Luft ver- · mischt, die aus den Kammern 46 und 55 austritt. Das Volumen der strömenden Luft, das Verhältnis der inneren und äußeren Luft zu dem sekundären Brennstoffanteil und die relative axiale Anordnung der Brennstoff-und Luftlippen wird so ausgewählt, daß ein Optimum an Brennstoff/Luftmischung erreicht

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wird, dadurch erzielt man ein sauberes Brennstoff/Luftverhältnis und eine relativ vollständige Verbrennung nahe der Düse. Die K*on-¹ figuration der Düsenkammern und der..Lippen ist so gewählt, daß eine nahezu vollständige Mischung bzw. Vermischung von Luft und Brennstoff erreicht wird.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei das primäre Brennstoffsystem weggelassen ist. Normalerweise wird das primäre Brennstoffsystem während des Anlaßvorganges der Maschine benötigt, wenn ein relativ geringer Brennstoffdurchfluß benötigt ist, desgleichen bei großen Höhen, in welchem Fall dünnere Luft der Maschine zugeführt wird. Dabei hat sich jedoch herausgestellt, daß aufgrund der hervorragenden Wirkung der erfindungsgemäßen Luftmischdüse die Maschine in einigen Fällen gestartet und in großen Höhen betrieben werden kann, indem man lediglich das sekundäre Brennstoffsystem verwendet.

Dementsprechend zeigt Fig. 2 eine allgemein mit 201 bezeichnete Düse, die in einer Verbrennungskammer angeordnet ist, die teilweise dargestellt und mit 202 bezeichnet ist. Die Düse umfaßt einen Trägerteil 203 mit einem Brennstoffdurchlaß 204 und einem Hitzeschild 205. Auf den Trägerteil 203 ist ein mit 206 bezeichneter Körper aufgeschraubt und.' " weiterhin bei 207 mit diesem verschweißt. Der Körper 206 hält einen Einsatz 208 auf ein Hitzeschild 209 ausgerichtet, durch welches Luft aus dem Raum 211, der die Verbrennungskammer und den größten Teil der Düse umgibt, fließt. Der Einsatz 208 weist eine Vielzahl von inneren Wirbelflügeln 212 und ein·.; kegelstumpf artigen Teilbereich 213 auf, wobei Luft entlang der Lippe 214 fließt. Der Brennstoffdurchlaß 204 speist dabei, über eine ringförmige Kammer 215 eine Vielzahl von tangentialen Meßöffnungen 216 in

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dem Körper 206. Zwischen dem Körper 206 und dem Einsatz 208 ist eine Brennstoffwirbelkammer 217. ausgebildet, deren auflager, der Verbrennungskammer zugewandter Bereich in seiner Form kegelstumpf artig ausgeführt ist und eine Lippe 218 aufweist, die an dem Körper 206 angeformt ist und entlang welcher der Brennstoff fließt und einen Sprühkegel ausbildet.

Eine Vielzahl von über den Umfang verteilte und zueinander im Abstand gehaltene, äußere Luftwirbelschlitze 219 sind ebenfalls in dem Körper 206 ausgebildet und führen einer äußeren Luftwirbelkammer 221, die von einer Ummantelung 222 gebildet ist, Luft zu. Diese Ummantelung ist mit dem Körper 206 verbunden bzw. an diesem montiert. Die Kammer 221 ist in ihrer Form kegelstumpfartig ausgebildet und mündet an einer Lippe 223 an der Ummantelung 222, entlang welcher die Luft fließt, um sich mit dem Brennstoffsprühkegel zu vermischen. Es ist darauf hinzuweisen, daß, wie in dem weiter vorn beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel die Lippe 223 der äußeren Luftwirbelkammer axial gegenüber der sekundären Brennstofflippe 218 nach außen verschoben ist, wohingegen die Lippe 214 der inneren Luftkammer axial nach innen gegenüber der Brennstofflippe angeordnet ist.

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Claims

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1.j Luftmischdüse, insbesondere für eine Gasturbine, d a ν—' durch gekennzeichnet, daß zur optimalen Brennstoffzerstäubung lediglich Brennereinlaßluft ohne eine eine erhöhte Hilfsdruckluft liefernden Anordnung verwendet ist, mit einer ringförmigen Brennstoffwirbelkammer (39), die an ihrem äußeren Ende eine Lippe (51) ausbildet, über w.elche Brennstoff unter Ausbildung eines Sprühkegels fließt, daß nach innen, ausgehend von der Brennstoffkammer (39)* eine innere Luftkammer (44, 46) und eine die Brennstoffkammer (39) umgebene äußere ringförmige Luftkammer (54, 56) vorgesehen ist, mit Auslaßlippen (47, 57) an den äußeren Enden der Luftkammern, überweiche die Luft zur Vermischung mit dem Brennstoffsprühkegel strömt und daß Durchlässe (42, 54) vorgesehen sind zur Einleitung von Kompressorauslaßluft in so ausreichendem Maße in-die Luftkammern, daß ein optimales Brennstoff/Luft-Gemisch erreicht wird.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippe (47) der inneren Luftkammer (44, 46) axial nach innen zu der Brennstofflippe (4l) und die Lippe (47) der äußeren Luftkammer (55) axial nach außen zu der Brennstofflippe angeordnet ist.

3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper.(32) mit einem Einsatz (34) vorgesehen ist, wobei

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die innere Luftkammer (4¹I, 46) von dem Einsatz (37) ausgebildet ist, daß die Brennstoffkammer zwischen dem Einsatz (3*0 und dem Körper (32) ausgebildet ist und daß eine den Körper (32) umgebende Mantelung (56) vorgesehen ist, wobei die äußere Luftkammer zwischen Körper (32) und Ummantelung (56) gebildet ist.

4. Düse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (32) mit tangentialen, zu der Brennstoffkammer (39) und der äußeren Luftkammer (55) führenden Durchlässen (42, 5¹O versehen ist und daß der Einsatz (3¹I) Wirbelflügel

(45) für die innere Luftkammer (46) aufweist.

5. Düse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkammer (39) Teil eines sekundären Brennstoffsystems ist und daß ein primäres Brennstoffsystem vorgesehen ist, bestehend aus einer kegelstumpf art igen, primären Brennstoffkammer (25) im Inneren der inneren Luftwirbelkammer (46), daß dem primären Brennstoffsystem eine primäre Luftkammer(51) zwischen der primären Brennstoffkammer (25) und der inneren Luftwirbelkammer

(46) zugeordnet ist, und daß zur Ablenkung eines durch die innere Luftwirbelkammer (46) fließenden Luftanteil in die primäre Luftkammer (51) Ablenkungsanordnungen (48) vorgesehen sind und daß die primäre Luftkammer (5I) eine die Auslaßöffnung (26) der primären Brennstoffkammer (25) umgebende Lippe (52) hat.

6., Düse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere (46) und die äußere Luftkammer (55) als Luftwirbelkammern ausgebildet sind.

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7. Düse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Teilbereiche der Luftkammern (46> 55) und der Brennstoffkammern (25> 39) zur Erhöhung der Geschwindigkeit der sie durchströmenden Luft bzw. Brennst of fanteile kegelstumpfartig ausgebildet sind.

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