DE2261038A1 - Luftzerstaeubungs-brennstoffduese fuer zwei brennstoffarten - Google Patents

Luftzerstaeubungs-brennstoffduese fuer zwei brennstoffarten

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Description

Dr. Horst Schüler
Patentanwalt
6 Frankfurt /Main 1
Niddastr. 52
13. Dezember 1972 Vo./es.
219O-51-GA-2O63
GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.
Luftzerstäubungs^-Brenns toff düse für zwei Brennstoffarten
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennstoffdüsen des Typs, wie er in Gasturbinen-Verbrennungskammern weit verbreitet ist, und insbesondere auf Doppelbrennstoffdüsen, die zerstäubende oder atomisierende Luft hoher Temperatur verwenden.
Flüssiger Brennstoff, der in einer Gasturbinen-Verbrennungskammer verwendet werden soll, muß am Düsenteil zerstäubt bzw. atomisiert werden, bevor eine richtige Verbrennung erfolgen kann. Eine atomisierung des Brennstoffes besteht in der Aufspaltung des Brennstoffes in feine Partikelchen, um am Düsenteil einen Sprühnebel zu bilden. Es gibt im allgemeinen zwei Verfahren zum Zerstäuben von Brennstoff, nämlich das Druckzerstäuben und das Luftzerstäuben t
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Die Druckzerstäubung beinhaltet, daß ein flüssiger Brennstoff unter hohem Druck durch eine stark verengte Öffnung oder Düse geschickt wird. Die Luftzerstäubung besteht darin, daß man flüssigen Brennstoff mit einem Luftstrahl hoher Temperatur und hohen Druckes zusammenprallen läßt, wenn der flüssige Brennstoff die Düse verläßt. Dadurch wird bewirkt, daß der flüssige Brennstoff in Partikelchen aufgespalten wird und einen kegelförmigen Sprühnebel bildet. Luftzerstäubungsdüsen haben ökologische Vorteile, da sie die Rauchmenge verkleinern, die beim Verbrennungsprozeß auftritt.
Eine Doppelbrennstoffdüse ist eine solche, die entweder mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff arbeiten kann. Die Kriterien, welche bestimmen, welcher Brennstoff verwendet wird, kann auf ökonomische oder auf Lieferungs- bzw. Beschaffungsüberlegungen gegründet werden. In einer Doppelbrennstoff-Luftzerstäubungsdüse wird atomisierte Luft hoher Temperatur zusammen mit einem Strom des flüssigen Brennstoffes verwendet. Ein Problem entsteht, wenn von flüssigem Brennstoff auf gasförmigen Brennstoff übergegangen wird, da ein Rest des flüssigen Brennstoffes in den Flüssigbrennstoff- oder Ölkanälen der Düse zurückbleibt und langen Perioden der Hitzeeinwirkung ausgesetzt ist, die das Öl in herzförmige Rückstände bzw. Kleister, Kohlenstoff und Lack aufspaltet. Eine Wärmequelle ist die Zerstäubungsluft hoher Temperatur, die gewöhnlich neben und parallel zum Durchlaß des flüssigen Brennstoffes verläuft. Die Ausscheidungen von herzförmigem Rückstand, Kohlenstoff und Lack verstopfen die kleinen Öffnungen in der Düse, und bei der Rückkehr von gasförmigen auf flüssige Brennstoffe wird der Druck des Flüssigkeitsbrennstoffes zu groß und die Strömung eingeschränkt.
Ein Verfahren für den Versuch, den Aufbau von Resten zu vermindern, besteht darin, eine kleine Strömung atomisierender Luft durch die Düse für den flüssigen Brennstoff zu leiten, während
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mit Gas gearbeitet wird. Dieses Verfahren ist jedoch nicht erfolgreich gewesen, da die atomisierende Luft über die Ölkanäle und nicht durch diese hindurch strömt und infolgedessen das System nicht von dem Öl reinigt; weiterhin ist die Temperatur der Zerstäubunp-sluftso hoch, daß sie zu einer thermischen Aufspaltung des flüssigen Brennstoffrestes führen kann.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer mit zwei Brennstoff arten arbeitenden Luf tzerstäubungs-Brennstoffdüse für eine Gasturbinen-Verbrennungskammer zu verhindern, daß flüssige Restbrennstoffe thermisch aufgespalten werden und infolgedessen die Düse verstopfen, wenn die Düse mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Betriebstemperaturen der Düse zu senken, während die Düse mit flüssigen Brennstoffen betrieben wird.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine LuftZerstäubungs-Brennstoff düse für zwei Brennstoffarten gelöst, die einen Düsenhalterungsring mit konzentrischen Flanschteilen und einer Mittelöffnung aufweist. Eine Leitung für flüssigen Brennstoff oder Öl ist in der Mittelöffnung angeordnet und greift an einem ersten Flanschteil an. Eine Düsenkappe ist um die Ölleitung herum angeordnet und greift an einem zweiten Flanschteil an, wobei ein ringförmiger Gasraum gebildet wird. Ein Haltering ist teilweise über der Düsenkappe angeordnet und greift an einem dritten Flanschteil an, wobei ein ringförmiger Zerstäubungsluftraum gebildet wird. Der Zerstäubungsluftraum ist von der Leitung für den flüssigen Brennstoff entfernt angeordnet, um zu verhindern, daß die Zerstäubungsluft den flüssigen Brennstoff oder den flüssigen Brennstoff rest erhitzt. Der Gasraum sorgt für eine zusätzliche Düsenkühlung, wenn die Düse mit gasförmigem Brennstoff arbeitet, und hat weiterhin die Wirkung, daß·eine thermische Aufspaltung von flüssigen Brennstoffresten verhindert wird.
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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht von einer erfindungsgemäßen Luftzerstäubungsdüse für zwei Brennstoffarten mit einer Wirbel- oder Drallkappe.
Fig. 2 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht von einer erfindungsgemäßen Luftzerstäubungsdüse mit einer umhüllten DUsenkappe.
In Fig. 1 ist eine Doppel brennstoff-Luftzerstäubungsdüse insgesamt bei 11 gezeigt, die einen Düsenträgerring 15 umfaßt, der an einem nicht gezeigten Außengehäuse befestigt ist.
Die Doppelbrennstoff-Luftzerstäubungsdüse weist eine zentrale Ölzuführung oder Flüssigbrennstoffleitung 19 auf, die an dem einen Ende mit einer nicht gezeigten Versorgungsquelle verbunden und an ihrem anderen Ende durch eine Öldüse 21 abgeschlossen ist. Die Öldüse und Ölleitung sind innerhalb eines Gehäuses 25 ausgebildet, das einen äußeren Gewindeteil aufweist. Der Gewindeteil ist in einem ersten Gewindef-lanschteil 29 auf dem Düsenträgerring befestigt.
Um das Ölleitungsgehäuse 25 herum ist eine Luftverwirbeler-Düsenkappe (cap) 31 des Typs angeordnet, wie er in der deutschen Patentanmeldung P 21 04 145.2 beschrieben ist. Die Verwirbelerkappe 31 weist ein Außengewinde auf, das an einem zweiten Gewindeflanschteil 35 auf dem Düsenträgerring 15 befestigt ist. Die Verwirbelerkappe ist mit zahlreichen Verwirbelungsblättern 37 versehen, die am vorderen Ende der Verwirbelerkappe in Umfangsrichtung angeordnet sind, und weist Gasverteilungslöcher 38 auf, die
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zwischen gewählten Blättern angeordnet sind. Ein Umfangsbefestigungsring 39 umgibt die Verwirbelungsblätter und fixiert die Lage eines Verbrennungskammergehäuses 40 und einer Auskleidung 41.
Ein ringförmiger Gasraum 45 wird durch den Düsenträgerring 15, das Ölleitungsgehäuse 25 und die Düsenkappe 31 umgrenzt. Der Gasraum wird durch eine Vielzahl in Umfangsrichtung angeordneter Einlaßleitungen 49 (von denen nur eine gezeigt ist) gespeist, die mit einer außenseitigen Zuleitung verbunden sind. Das Gas wird dann von der Kammer über gewählte Verwirbelungsblätter mittels einer Vielzahl von Gaskanälen 51 (von denen nur einer gezeigt ist) verteilt, die in einer Umfangsreihe innerhalb der Gasdüse angeordnet sind und jeweils in einem Gasverteilungsloch 38 enden.
Der Haltering 59, der ein Außengewinde aufweist, ist in einem dritten Gewindeflanschteil 61 auf dem Düsenträgerring 15 befestigt und ist mit einem na<;h. innen gerichteten Flansch versehen, der an der Verwirbelerkappe anliegt, auf der ein passender nach außen gerichteter Flansch ausgebildet ist, um eine Dichtung 65 zu bilden.
Ein ringförmiger Zerstäubungsluftraum 71 ist in dem Haltering 59, der Düsenkappe 31 und dem Düsenträgerring 15 gebildet. Der Raum 71 wird mittels einer Vielzahl in Umfangsrichtung angeordneter Einlaßleitungen 75 (von denen nur eine gezeigt ist) versorgt, die mit einer außenseitigen Versorgungsleitung verbunden sind. Atomisierende Luft wird der Düsenfläche durch zahlreiche Luftkanäle 79 (von denen nur einer gezeigt ist) zugeführt, die mit einem Verteilerring 80 in Verbindung stehen. Der Verteilerring 80 ist ein Ringraum neben dem Düsengehäuse, der atomisierende Luft in die in Umfangsrichtung angeordneten Schlitze oder Öffnungen 81 in der Stirnfläche des Gehäuses 25 einführt, um zerstäubende Luft auf den Brennstoff zu verteilen, der aus der Brennstoffdüse austritt.
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S.'/i) IO3ii
In FIr. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Doppelbrenns tof f-Zers täubungsbrenns tof f düse III gezeigt, die eLnen Düsenträgerrlng 115 nufweist. Eine in der Mitte angebrachte Ölzuführungslultung 119 1st an dem einen Ende mit einer Ölversorgungsquelle verbunden und endet an dem anderen Ende in eLner üld.Use L21. Die Ölleitung ist innerhalb eines Gehäuses 125 mit einem Außengewindeteil ausgebildet. Dieser Gewindeteil Ist in einem ersten Gewindeflanschteil 129 auf dem Düsenträgerr Ing befestigt.
Eine umhüllte (shrouded) Düs_enkappe 13L ist über dem Vorderende des Ölleitungsgehäuses L25 angeordnet und weist einen Außengewindeteil auf, der in einem zweiten Gewindeflanschteil i'J5 des Düsenträgerringes befestigt ist. Die Außenteile der ummantelten Düsenkappe stehen mit einem Verbrennungfikammergehäuse 140 und einer Auskleidung 141 in Kontakt. Der Düsenträgerring, das Ölleitungsgehäuse und die umhüllte DUsenkappe umgrenzen einen ringförmigen Gasraum 145. Zahlreiche in Umfangsrlchtung angeordnete Einlaßleitungen 159 (von denen nur eine gezeigt ist) führen gasförmigen ISrennstoff von einer Versorgungsleitung in die Kammer ein, der auf die Stirnfläche der ummantelten Düi.enkappe durch Gaskanä-Ie 151 und Auslaßlöchor IPTt in der Stirnfläche der DUsenkappe verteilt wird. Sowohl die Gn skanäIe als auch die Aus laß löcher sind In Uinfnngsrichtung über.die DUsenkappe (nozzle cap) verteilt.
Ein Haltering 159 mLt einem Außengewindute IL 1st Ln einem dritten Gewindeflanschteil UiL auf dem DUsenträgerring LL5 befestigt und mit einem nach innen gerichteten Flansch vergehen, der an der DUsenkappe L3L an eLnem nach außen gerichteten passenden Flansch anliegt, diesen in seiner Lage hält und ferner eine Richtung 165 bildet.
Ein ringförmiger Zerstäubungsluftraum 171 wird in dem Haiteuring L59, der Düsenkappe 13L und dem DUsenträgerring 115 gebildet. Der Raum 171 wird mittels zahlreicher in Umfangsrichtung angeordneter Einlaßleitungen 175 (von denen nur eine gezeigt 1st) versorgt,
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die mil einer außonseitigen Versorgungsleitung verbunden sind. Zerstäubungsluft wird der Düsenstirnfläche durch viele Luftkanäle 179 (von denen nur einer gezeigt ist) zugeführt, die in einem Verteilerring IRO enden. Der Verteilerring bildet einen Ringraum neben der Stirnfläche des Düsengehäuses 125, der atomisierte bzw. zerstäubte Luft über Schlitze oder Öffnungen 181 in die Nähe der Öffnung der Brennstoffdüse 121 verteilt.
Es gibt zwei Betriebsarten, die mit einer Doppelbrennstolidüse möglich sind. Die Düse kann mit flüssigen Brennstoffen wie beispielsweise Öl arbeiten oder sie kann mit einem gasförmigen Brennstoff botrieben werden. Wenn die Düse mit flüssigem Brennstoff arbeitet, wird heiße Zerstäubungsluft durch die Luftkanäle geschickt, so daß durch die Öldüse strömendes Öl zerstäubt wird. Die Zerstäubungsluft hat eine Temperatur von etwa 177°C (3150F).
Die Düse kann umgeschaltet werden, um mit einem gasförmigen Brennstoff zu arbeiten, der gewöhnlich eine Temperatur von 21 - 32 0C (70 - DO0F) hat. Wenn die Düse mit gasförmigem Brennstoff betrieben wird, führen die Zerstäubungsluftkanäle eine kleinere Luftmenge und die Ölleitung ist abgeschaltet.
Das Problem entsteht, wenn die Düse mit gasförmigem Brennstoff arbeitet, da ein Rest an flüssigem Brennstoff in der Ölleitung verbleibt und aufgespalten wird in Klumpen aus harzigem Rückstand, Kohlenstoff und Lack, wenn sich die Leitung der heißen Zerstäubungsluft neben der Ölleitung befindet. Durch eine Umordnung der Gas- und Zerstäubungsluftleitungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden Verstopfungen durch Restöl verhindert, weil die Zerstäubungsluftleitung durch den Gasraum 45, 145 von der Ölleitung getrennt und von dieser weiter entfernt ist und da die Strömung des relativ kalten gasförmigen Brennstoffes die Düse kühlt, wenn der Gasbetrieb der Düse in Benutzung ist.
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Ein weiterer Vorteil der Umordnung der Gas- und Luftzerstäubungsleitungen besteht darin, daß die Düse selbst kälter Als 65°C (15O0F) bleibt, wenn sie mit flüssigem Brennstoff arbeitet.
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Claims (1)

  1. Patenta nsprüche
    1.) Brennstoffdüse mit Luftzerstäubung für zwei Brennstoffarten, die in Verbrennungskammern für ein Gasturbinentriebwerk verwendbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination eines Düsenträgerringes (15; 115) mit konzentrischen Flanschteilen und einer Mittelöffnung.
    einer Leitung (19; 119) für flüssigen Brennstoff, die teilweise in der Mittelöffnung angeordnet ist und an einem ersten konzentrischen Flansch (29; 129) angreift, ^
    einer ringförmigen Düsenkappe (31; 131), die teilweise über der Leitung (19; 119) für den flüssigen Brennstoff angeordnet ist und an einem zweiten konzentrischen Flansch (35; 135) angreift, derart, daß mit dem Düsenträgerring (15; 115) und der Leitung (19; 119) für den flüssigen Brennstoff ein ringförmiger Gasraum* (45; 145) gebildet ist, und
    eines ringförmigen Halteringes (59; 159), der an der Düsenkappe (31; 131) anliegt und an einem dritten konzentrischen Flansch (61; 161) angreift, derart, daß mit dem Düsenträgerring (15; 115) und der Düsenkappe (31; 131) ein ringförmiger Zerstäubungsluftrautn (71; 171) gebildet ist.
    2. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl Gaseinlaßleitungen (49; 149) durch den Düsenträgerring (15; 115) hindurchführen und den Gasraum (45; 145) mit einer Gasquelle verbinden.
    3. Brennstoffdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zahlreiche Gaskanäle (51;
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    151) den Gasraum (45; 145) mit der Verbrennungskammer verbinden.
    Brennstoffdüse nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet , daß die Düsenkappe (31; 131) mit einer Vielzahl in Umfangsiichtung angeordneter Blätter (37) versehen ist, die in der Verbrennungskammer angeordnet sind und Löcher (38) zwischen gewählten Blättern (37) aufweisen, und die Gaskanäle (51) den Gasraum (45) mit den Löchern (38) zwischen den in Umfangsrichtung angeordneten Blättern (37) verbinden.
    5. Brennstoffdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Düsenkappe (131) mit einer Vielzahl konzentrisch aufgereihter Auslaßlöcher (153) versehen ist, die mit der Verbrennungskammer und mit der Stirnfläche der Düsenkappe (131) in Verbindung stehen, und die Gaskanäle (151) den Gasraum (145) mit den in Umfangsrichtung aufgereihten Löchern (153) verbinden.
    6. Brennstoffdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl Einlaßleitungen (75; 175) für Zerstäubungsluft durch den DUsenträgerring (15; 115) hindurchführen und den Zerstäubungslufträum (71; 171) mit der Zerstäubungsluftquelle. verbinden.
    Brennstoffdüse nach Anspruch 6, dadurch g e kennze lehnet , daß eine Vielzahl Zerstäubungsluftkanäle (79; 179) den Zerstäubungsluftraum (71; 171) mit einem Verteilerring (BO; 180) verbinden, der mit einer Öldüse (21; 12t) In der Leitung für den flüssigen Brennstoff in Verbindung steht.
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    8. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten, zweiten und dritten konzentrischen Flansche für eine einfache Montage und Demontage mit Gewinden versehen sind.
    9. Brennstoffdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet , daß die ΡΠκοη-kappe und der HaIterring mit nach innen und nach außen gerichteten Flanschen versehen sind, die eineDichtung (65; 165) bilden.
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    L e e r s e i t e
DE2261038A 1971-12-16 1972-12-14 Doppelbrennstoff-Luftzerstäubungs-Brennstoffdüse Expired DE2261038C2 (de)

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