DE2223093A1 - Brenner und brennstoffinjektor - Google Patents

Description

• Brenner und Brennstoffinjektor Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Treibstoffbrenner, die für die Bedürfnisse von Gasturbinentriebwerken besonders geeignet sind, und auf verbesserte Brennstoffinjektoren für diese Brenner.
• Während Brenner zur Verbrennung von Treibstoff zur Erzeugung einer heißen Gasströmung in vielen Applikationen verwendet werden, sind Gasturbinentriebwerke eine der anspruchsvollsten Applikationen, wenn nicht sogar die anspruchsvollste. Gasturbinentriebwerke, die beim Antrieb von Luftfahrzeugen verwendet werden, stellen besonders strenge Anforderungen. Luftfahrttriebwerke arbeiten unter einer breiten Verschiedenheit von Temperatur - und Druckbedingungen in der Umgebung, wobei die Verbrennung über einem weiten Bereich von Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten oder Brennstoff-Luftverhältnissen unterhalten oder verändert werden muß Darüber hinaus sind. die Anforderungen an den Wirkungsgrad der Verbrennung extrem hocn da dieser das damit in Bezug stehende Erfordernis für eine rauchfreie Verbrennung ist.
• Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben angegebenen Erfordernisse besser als bei bekannten Brennersystemen zu erfüllen.
• Bisher wurden diese Anforderungen am wirksamsten durch ringförmige Brenner erfüllt, bei denen Spritzdusen atomisierten Treibstoff in die Verbrennung.szone einführten. Eines der damit verbundenen signifikantesten Probleme bestand darin, den Brennstoff bei stark variierenden Geschwindigkeiten der Brennstoffströmung richtig zu atomisieren. Selbst mit verfeinerten und komplizierten Düsengestaltungen bleibt diese Fähigkeit ein Problem. Ein gleich ernstes Problem besteht darin, daß bei der Ausdehenung des Strömungsdurchsatzes der Spritzdüsen der Brennstoff bis auf hohe Werte komprimiert werden mußte Kies führt zu zu rschiedenen komplizierenden Faktoren in der Pumpengestaltung und vergrößert auch das Gewicht der Bauteile, die den unter einem hohen Druck stehenden Brennstof führen.
• Deshalb ist es eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die Probleme auf ein Minimum herabzusetzen, die normalerweise mit dem Einspritzen von Brennstoff @@ einen Brenner bei sich stark änderen Strömungsgeschwindigkeiten verbunden sind.
• Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durcg einen Brennstoffinjektor gelöst, der einen dovergierenden Becher aufweist, der in Richtung auf eine Verbrennzungszone offen ist. Luft, die durch tangentiale Sclitze in dem Becher eingeführt wird, erzeugt einen axialen @iebel (vorten der den Brennstoff auf wirksame Weise aufspaltet, der über einer tangentinien Kanal in der Rückseite des Bechers eingeführt @@rd.
• Von dem stromabwärts gelegenen Ende des Bechers ragt eine Platte nach außen. Die um die Ränder dieser Platte herum strömende Luft erzeugt einen Wirbel in Umfangsrichtung. Die kombinierte Scherwirkung dieser Wirbel spaltet den Brennstoff in eine höchst brennbare Mischung auf, die eine stabile Flammenfront von sehr kurzer Länge aufrechterhält.
• Die Injektoren können in Umfangsreihen um eine ringförmige Verbrennungszone herum angeordnet sein, die durch innere und äußere Verkleidungen gebildet wird. Die Platten sind vorzugsweise in der Form von Segmenten, die einen kleinen Abstand zueinander und zu den Verkleidungen aufweisen, um die Luftströmung- zu beschleunigen, die die peripheren Wirbel erzeugen, Die Injektoren der Umfangsreihen können radial ausgerichtet und mit einer Befestigungsstrebe aus einem Stück gebildet sein. Alternativ können sie verschoben und in einer Honigwabe angeordnet sein, um die Wirbelwechselwirkung an benachbarten Rändern der Platten auf ein Minimum herabzusetzen.
• Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• Fig. 1 ist ein vereinfachter Längsschnitt eines Gasturbinentriebwerkes, das in seinem Brenner die vorliegende Erfindung verkörpert.
• Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung des stromaufwärts gelege nen Teiles dieses Brenners.
• Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2.
• Fig. 4 zeigt einen Schnitt in noch weiter vergrößertem Maßstab entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.
• Fig. 5 ist ein Schnitt ähnlich der Fig. 2 und zeigt eine alternam tive Brennerkonstruktion Fig. 6 ist ein ähnlicher Schnitt wie Fig. 2 und zeigt eine weitere alternative Brennerkonstruktion.
• Fig. 1 zeigt kurz die Hauptkomponenten eines Gasturbinentriebwerkes 10. Die in einem Einlaß12 an dem einen Ende des Triebwerkgehäuses 14 eintretende Luft wird durch einen Axialkompressor 16 komprimiert. Diese komprimierte Luft unterhält die Verbrennung von Treibstoff in einem Brenner 18, um eine heiße Gasströmung hoher Energie zu erzeugen. Die heiße Gasströmung treibt eine Turbine 20 an, die ihrerseits den Rotor des Kompressors 16 antreibt.
• Der Rest der Energie der Gasströmung wird in eine nutzbare Ausgangsgröße umgewandelt, die, wie in dem dargestellten Triebwerk, aus einer Åntriebsduse 22 ausgestoßen wird. Das Triebwerk 10 ist lediglich als Beispiel für die vorliegende Erfindung dargestellt und braucht nicht notwendigerweise ein Triebwerk für ein fliegendes Fahrzeug zu sein.
• Der Brenner 18 weist innere und äußere Verkleidungen 24, 26 auf, die eine ringförmige Verbrennungszone bilden. Das stromaufwärts gelegene Ende der Verbrennungszone wird von zahlreichen Brennstoff injektoren 28 gebildet, die vorteilhafterweise in zwei oder mehreren Umfangsreihen angeordnet sind. Die komprimierte Luft von dem Kompressor 16 strömt zu einem Diffusor 29 und dann zum Brenner.
• Die Verkleidungen 24, 26 sind auf entsprechende Weise von dem äußeren Gehäuse 14 und einem inneren Gehäuse 30 beabstandet, um für einen Strömungspfad für die Kompressorausgangsluft zu sorgen, der die Verkleidungen von den Gehäusen trennt und durch Löcher 32 in den Verkleidungen hindurchführt, um deren Innenflächen zu kühlen.
• Der Rest der Kompressorausgangsluft (außer denjenigen Teilen, die zu anderen Zwecken als der Kühlung verwendet werden können) tritt durch und um die Injektoren 28 herum in die Verbrennungszone ein, um die Verbrennung von Treib- bzw. Brennstoff zu unterhalten.
• Nun werden die Injektoren näher beschrieben. Jeder Injektor 28 weist einen im allgemeinen divergierenden halbkugelförmigen Becher 34 auf, dessen offenes Ende strömabwärts gerichtet ist. Ein Brennstoffkanal 36 öffnet sich in tangentialer Richtung auf die Rückseite von jedem Becher. In dem Becher wird eine Wirbelströmung durch die Kompressoraustrittsluft erzeugt, die durch die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Schlitze 38 erzeugt wird, welche longitudinal und mit Abstand um den Becher herum ausgebildet sind.
• Dieser axiale Wirbel bildet eine Scherebene, die als eine Grenze wirkt, um einen Austritt von Brennstoff aus dem Becher zu verhindern, bevor dieser aufgespalten und in dem Wirbel mitgerissen worden ist. Die Erzeugung des Wirbels in dem halbkugelförmigen Becher erzeugt die höchsten Drallgeschwindigkeiten und die kleinsten Wirbelkerndrucke am Ausgangsende des Bechers. Dies führt dazu, den aufgespaltenen Brennstoff in einer Ebene unmittelbar stromabwärts von dem Becher zu halten, worauf noch näher eingegangen wird. Zusätzlich haben die kleineren Wirbelgeschwindigkeiten und die höheren Kerndrucke an der Rückseite des Bechers die Neigung, die Bildung einer brennbaren Mischung an diesem Punkt zu verhindern und sie setzen somit die Kohlenstoffbildung in dem Becher selbst bei sehr kleinen Brennstoff/Luftverhältnissen auf ein Minimum herab und elmminieren sie unter Umständen vollständig.
• An dem stromabwärts gelegenen Ende von jedem Becher 34 ist eine Leitplatte 40 angeordnet. Die Platten 40 bilden im allgemeinen den Segmentumriß und die Platten von benachbarten Injektoren sind in engem Abstand angeordnet, wobei ein im wesentlichen gleichförmiger Abstand beibehalten wird. Die Ränder der Platten 40 nahe den Verkleidungen 24, 26 sind von diesen ebenfalls beabstandet, wobei dieselbe Gleichförmigkeit des Abstandes beibehalten wird. Die beabstandeten Platten bilden Düsen, die die Kompressoraustrittsluft beschleunigen, wenn diese in die Verbrennungszone eintritt. Diese Luft mit ihrer hohen Geschwindigkeit besitzt die Neigung, einen Wirbel um den Umfang jeder Platte herum zu erzeugen, wie es in Fig. 2 und 4 angegeben ist. Dieser Umfangswirbel liefert zusammen mit dem axialen Wirbel, der von dem Becher 34 erzeugt wird, ein höchst wirkungsvolles Scherfeld (shear'field), um den Brennstoff in fein verteilte Partikelchen in einer brennbaren Brennstoff/ Luftmischung aufzuspalten, die in einer relativ stabilen Ebene gehalten wird. Dadurch kann der Verbrennungsprozess in einer relativ kurzen axialen Länge ausgeführt werden. Ein hochgradger Wirkungsgrad wird aufgrund der Tatsache erhalten, daß die Umfangswirbel eine kontinuierliche Versorgung mit Luft für den überreichen axialen Wirbel sorgen. Für eine weitere Erläuterung sei bemerkt, daß bei normalen Brennstoff/Luft verhältnissen die in dem Becherwirbel erzeugte Mischung bereich ist und eine Verbrennung nicht unterhalten kann. Die durch die kombinierte Wirkung dieses Wirbels und des Umfangwirbels erzeugte Mischung enthält genügend Luft, um den Verbrennungsprozess ganz zu vervollständigen. Das Resultat ist eine sehr stabile Flammenfront mit einer kurzen axialen Länge.
• Abgesehen von kleinen Mengen an Kühlluft, die durch die Löcher 32 eintritt, tritt die gesamte Luft für den Verbrennungsprozess innerhalb der Verbrennungszone durch die Löcher 38 ein oder strömt um die Leitplatten 40 herum. Dies trägt weiter zu der kurzen stabilen Flammenfront bei.
• Vom strukturellen Standpunkt sei bemerkt, daß die Brennstoffinjektoren 28 auf Streben bzw. Versteifungen 42 angebracht sind, die an dem Gehäuse 14 befestigt sind. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Injektoren in drei Umfangsreihen angeordnet sind, wobei die Injektoren in radialer Richtung fluchten. Jede Strebe 42 ist mit den radial fluchtenden Brennstoffinjektoren 28 in jeder der Umfangsreihen aus einem Stück gebildet. Die Kanäle 36 sind innerhalb der Strebe 42 ausgebildet und mit einer geeigneten Treibstoffquelle einschließlich eines Treibstoff reglers verbunden. Dieser bemißt die erforderliche Treibstoffmenge, die den Brennstoffinjektoren zugeführt werden muß. Der Druck des Treibstoffes ist relativ klein, lediglich ausreichend, um die erforderlichen Treibstoffdurchsätze fließen zu lassen.
• Fig. 5 zeigt eine alternative Anordnung, in der die Injektoren der einen Reihe gegenüber den Injektoren der benachbarten Reihe im Winkel versetzt sind. Durch eine derartige Versetzung des radialen Spaltes zwischen den Platten der einen Reihe gegenüber dem radialen Spalt zwischen den Platten einer benachbarten Reihe wird die Grenzschicht zwischen den Wirbeln an benachbarten Rändern der Platten auf ein Minimum herabgesetzt.
• Fig. 6 zeigt noch eine andere Anordnung zur Minimierung der Grenz-Schicht. In Fig. 6 weisen benachbarte Seiten einer Platte 40', wobei beide im Abstand zu einer weiteren Platte 40' angeordnet sind, einen eingeschlossenen Winkel von etwa 1200 auf, so daß sie eine hexagonale Honigwabe mit den kreisförmigen Verbindungen der Verkleidungen 24, 26 bilden.
• Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Umwandlung eines fltssigen Brennstoff es in eine brennbare Mischung. Wie bei den meisten Brennern gibt es verschiedene Mechanismen, die beteiligt sein können, einschließlich Verdampfung, Atomisierung und Vergasung, und der Begriff "Aufspaltung" wird hier generisch verwendet und soll alle diese Mechanismen bei dem Umwandlungsprozess einschließen.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Brennstoffinjektor, der in einem Luftstrom angeordnet ist, g g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Becher (34), der in einer stromabwärtigen Richtung offen ist, zahlreiche longitudinale Schlitze (38), die im allgemeinen tangential zur Innenfläche des Bechers genN:inkelt sowie um diesen herum mit Abstand angeordnet sind und die Lufteinlässe zur Erzeugung einer axial zum Becher reisenden Strömung bilden, und Mittel (36) zur Leitung von Brennstoff auf die innere Oberflache des Bechers (34) stromaufwärts von den Öffnungen, derart, daß der Brennstoff durch die Scherwirkung der eintretenden Luftströme aufgespalten und in die Wirbelströmung aus dem Becher (34) getragen ist.

2. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, d a d u r ch g e -k e n n z e i c h n e t, daß eine Platte (40) von dem stromabwärtigen Ende des Bechers (34) nach außen ragt und im allgemeinen in einer Ebene angeordnet ist, die auf der Luftströmungsrichtung senkrecht steht, wodurch die Luftströmung um den Injektor herum zum Becher (34) peripher verlaufende Wirbel erzeugt, so daß der Brennstoff durch die Scherwirkung dieser Wirbel zusammen mit dem Becherwirbel weiter aufspaltbar ist.

3. Brennstoffinjektor nach Anspruch 2, d a d u r ch g e -k e n n z e i c h n e t, daß ein zweiter Becher und eine zweite Platte, die mit dem ersten Becher und der ersten Platte im allgemeinen fluchten,und eine Flügelstrebe (42) vorgesehen sind, die mit den zwei Bechern aus einem Stück gebildet ist und diese verbindet, wobei die Mittel (36) zur Leitung des Brennstoffes durch Kanäle gebildet sind, die durch diese Strebe (42) hindurchiuhren

4. Brennstoffinjektor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -ke n n z e i c h n e t, daß zahlreiche weitere Brennstoff injektoren , die im allgemeinen mit benachbarten Rändern von im Abstand angeordneten Platten echten, und Verkleidungen (24,26) vorgesehen sind, die von den Rändern benachbarter Brennstoff injektorplatten (40) beabstandet sind und stromabwärts von den Injektoren eine Verbrennungszone bilden.

5. Brennstoffinjektor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Abstand zwischen benachbarten Platten und der Abstand zwischen den Platten und den Verkleidungen im wesentlichen gleiche Luftmengen für jeden Brennstoff injektor zumessen.

6. Brennstoffinjektor nach Anspruch 4, d a d u r ch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Verkleidungen (24, 26) ein Paar konzentrischer, im Abstand angeordneter, ringförmiger Schalen aufweisen, die eine ringförmige Verbrennungszone b den, die Brennstoffinjektoren in zahlreichen Umfangsreihen angeordnet sind und der Abstand zwischen den Platten sowie zwischen den Platten und den Verkleidungen und ferner die Becherschlitze im wesentlichen die gesamte Luft zuführen, die für den Grad der Verbrennung erforderlich ist, die in der durch die Verkleidungsschalen gebildeten Verbrennungszone erfolgen soll.

7. Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Platten Segmente sind und der Abstand zwischen den Platten sowie zwischen den Platten und den Verkleidungen im wesentlichen gleiche Brennstoffrnengen zu jedem Brennstoffinjektor zuführt.

8. Brennstoffinjektor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Brennstoffinjektoren von jeder Umfangsreihe auf entsprechende Weise in radialer Richtung fluchten und eine Flügelstrebe (42) mit jedem fluchtenden Satz der Brennstoffinjektoren aus einem Stück gebildet ist und diese einstückig verbindet und die Mittel zur Leitung des Brennstoffes von Kanälen gebildet sind, die durch die Streben verlaufen.

9. Brennstoffinjektor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Brennstoffinjektoren von jeder Umfangsreihe bezüglich der Brennstffinjektoren der benachbarten Reihe im Winkel versetzt sind.

10. Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die benachbarten Seiten einer Platte, die gegenüber denjenigen von Platten eines benachbarten Brennstoffinjektors im Abstand angeordnet sind, einen eingeschlossenen Winkel von etwa 1200 aufweisen.