DE2641605A1

DE2641605A1 - Brennstoff-zerstaeuber mit zentralinjektion

Info

Publication number: DE2641605A1
Application number: DE19762641605
Authority: DE
Inventors: Melvin Bobo; Richard Edward Stenger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1976-09-16
Publication date: 1977-07-07
Also published as: FR2336555B1; GB1563124A; FR2336555A1; JPS6132576B2; IT1074074B; DE2641605C2; JPS5279112A

Description

1 River Road SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Brennstoff-Zerstäuber mit Zentralinjektion

Die Erfindung betrifft allgemein Zerstäuber- oder Vergasereinrichtungen und insbesondere Brennersysterne für Gasturbinen-Triebwerke mit Niederdruck-Brennstoff-Injektionszerstäubern mit Zentralinjektion.

Zusammengefasst wird gemäss einem Aspekt der Erfindung der Brennstoff in den Haubenabschnitt der Brennkammer mit Hilfe einer Brennstoff-Zuleitung mit niedrigem Druck eingeleitet, welche zu einem mittleren oder zentralen Brennstoff-Injektionszerstäuber führt, in dem eine Vielzahl von Öffnungen oder Auslassen gebildet sind, welche den Brennstoffstrom zum Aussenrand des Zerstäubers oder Injektr~s leiten. Der Injektor ist von einer Scheibe umgeben, in der eine Anzahl von praktisch radial verlaufenden

709827/0189

Kanälen gebildet sind, um Luft in Form von Luftstrahlen mit hoher Geschwindigkeit abzugeben und einen konzentrierten Luftstoss zu erhalten, welcher auf den Brennstoff gerichtet ist. Der Brennstoff strömt dann aus dem Rand des Injektors aus und strömt in ein Venturi-Rohr, welches stromabwärts vom Injektor um diesen herum gebildet ist. Ein Teil des angeblasenen Brennstoffes wird zerstäubt und tritt in axialer Richtung aus dem Venturi-Rohr und in den Brenner zur Verbrennung aus. Ein weiterer Teil des Brennstoffes ivird in einer Drehrichtung im Innern des Venturi-Rohrs verwirbelt und bewegt sich axial in diesem Rohr zum Austritt und zur Wechselwirkung mit einem Luftstrom von einer sekundären Verwirbelungseinrichtung, welche eine Drehung oder einen Drall in der entgegengesetzten Richtung besitzt. Das entstehende zerstäubte Gemisch strömt dann stromabwärts in den Brenner zur Verbrennung.

Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die im wesentlichen radial verlaufenden Kanäle oder Durchlässe in der Scheibe so ausgerichtet, dass sie einen Luftstrom in einer Richtung erzeugen, welche im wesentlichen tangential zu dem Umfang des Injektors ist. Ein Teil dieser Kanäle sind räumlich so angeordnet, dass sie einen Luftstrom direkt auf das Auslassende der Auslassöffnungen richten und ein anderer Teil der Kanäle sind so ausgerichtet, dass sie den Luftstoss auf Punkte zwischen den Auslassöffnungen richten. Die einzelnen Luftstrahlen fliessen zu einem verwirbelten Gesamtstrahl zusammen, welcher durch das Venturi-Rohr geführt oder geleitet wird. Auf diese Weise wird der unter niedrigem Druck zugeführte Brennstoff fein zerstäubt ohne das Aufbauen oder Ansammeln von Kohlenstoff auf dem Umfang der Injektorspitze zu gestatten. In den nachstehend beschriebenen Abbildungen ist nur eine Ausführungsform dargestellt. Es können jedoch verschiedene Abwandlungen und konstruktive Änderungen vorgenommen werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.

Die Figur 1 ist eine axiale Schnittansicht eines beispielhaften

709827/0189

-τ-

Brenners für eine Gasturbine als Ausführungsform der Erfindung.

Die Figur 2 zeigt einen vergrösserten Teil mit der Zerstäuberoder Vergasereinrichtung gemäss der Erfindung.

Die Figur 3 ist ein Teilschnitt entlang der Linie 3-7- der Figur 2.

Die Figur 4 zeigt eine Ansicht entlang der Linie 4-4 der Figur 2.

Die Figur 5 zeigt einen Teilschnitt entlang der Linie 5-5 der Figur 2.

Die Figur 6 zeigt einen axialen Teilschnitt des Teils mit dem Injektionszerstäuber oder Injektor und dem Brennstoffrohr.

Die Figur 7 ist ein Teilschnitt des Spitzenteils des Injektors

Die Figur 8 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 8-8 nach Figur 7. .

Die Figur 9 ist eine axiale Draufsicht des Injektors nach der Figur 6.

Die Figur 1o zeigt eine Endansicht des Injektors entlang der Linie 1o-1o der Figur 6.

Es wird nunmehr auf die Abbildungen und insbesondere auf die Figur 1 Bezug genommen. Sie zeigt allgemein bei 1o die erfindungsgemässe/Anordnung in Anwendung auf einen Brenner 11 mit kontinuierlicher Verbrennung in einer Bauform, welche für die

709827/0189

Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeignet ist und einen Hohlkörper 12 umfasst, welcher eine Verbrennungskammer oder Brennkammer 13 im Innern desselben definiert. Der Hohlkörper 12 ist allgemein ringförmig gestaltet und umfasst eine äussere Verkleidung oder Aussenverkleidung 14, eine Innenverkleidung 16 und ein Kuppelende 17. Es ist jedoch zu beachten, dass die Erfindung nicht auf eine solche ringförmige Bauform beschränkt ist und mit gleicher Wirksamkeit auf einen Brenner mit zylindrischer Brennkammer oder mit einer Brennkammer mit einer Anzahl von einzelnen Brennrohren (cannular type) verwendet werden kann. In der vorliegenden Ringform ist das Kuppelende des Hohlkörpers 12 mit einer Anzahl von am Umkreis beabstandet angebrachten Öffnungen 18 ausgestattet, in denen jeweils ein verbesserter Brennstoff-Injektionszerstäuber 1o gemäss der vorliegenden Erfindung zur Zuführung eines Luft-Brennstoff-Gemisches in die Brennkammer 13 angeordnet ist.

Der Hohlkörper 12 kann von einer geeigneten Hülle 19 umschlossen sein, welcher zusammen mit den Verkleidungen 14 und 16 Kanäle 21 und 22 begrenzt, welche zur Zufuhr eines Stroms verdichteter Luft aus einer geeigneten Quelle, beispielsweise einem Verdichter 23 und Diffusor 25^ in die Brennkammer 13 durch geeignete Öffnungen oder Schlitze 24 eingerichtet sind, um den Hohlkörper 12 zu kühlen und die gasförmigen Verbrennungsprodukte in an sich bekannter Weise zu verdünnen. Die stromaufwärts liegende Verlängerung 26 des Hohlkörpers 12 ist für die Funktion eines Strömungsaufteilers vorgesehen und teilt die von dem Verdichter 2 3 gelieferte verdichtete Luft zwischen den Kanälen 21 und 22 und einer stromaufwärts gelegenen Endöffnung 2 7 der Verlängerung 26 auf. Die Öffnung 2 7 steht in Ströiiiungsmittelverbindung mit dem verbesserten erfindungsgemässen Brennstoffinjektor 1o, um die erforderliche Luft für die Zerstäubung oder Vernebelung zu erhalten.

Die Brennstoffzufuhr zu dem Brennstoffinjektor 1o erfolgt

709827/0189

über ein hohles Brennstoffrohr 28, das mittels einer Befestigungsauflage 29 mit dem Aussenmantel oder der Aussenhülle 19 verbunden ist. Das Brennstoff rohr '28 ist so gekrümmt, dass es in die Öffnung 27 passt, und umfasst ein Stück eines hohlen Rohrs mit einem darin ausgebildeten Brennstoff-Leitungskanal oder Kanal 31 (siehe Figur 6), welcher flüssigen Brennstoff der Spitze 32 des Brennstoff-Injektos zur anschliessenden Zerstäubung oder Vernebelung durch die erfindungsgemässe Zerstäubereinrichtung zuführt.

Die Spitze 32 und das zugeordnete Brennstoffrohr 28 sollten nicht verwechselt werden mit den konventionellen Zerstäuberdüsen, in denen Brennstoff einer Brennkammer in Form eines in starkem Masse atomisierten Sprühnebels zugeführt wird. Solche konventionellen Zerstäuberdüsen beinhalten normalerweise kleine Kanäle mit abnehmendem Querschnitt mit dessen Hilfe der Brennstoff beschleunigt, verdichtet und anschliessend bei seiner Expansion aus dem Düsenauslass oder der Engstelle zerstäubt wird. In anderen Anwendungen besassen solche Zerstäuberdüsen Wirbelströmungswege, die zur Beschleunigung des Brennstoffes benutzt werden, welcher durch den Vorgang der Expansion aus dem Auslass eines solchen Strömungsweges atomisiert oder zerstäubt wird. Im Gegensatz zu dieser Art von Zerstäuberdüse beinhaltet die erfindungsgemässe Einrichtung die Verwendung eines Brennstoff-Zuleitungsrohrs 2 8 mit niedrigem Druck, welches den Brennstoff einer Spitze 32 eines Injektors zuführt. In der Injektorspitze ist dabei eine Anzahl von Durchlässen oder Öffnungen 33 ausgebildet, um den unter niedrigem Druck befindlichen Flüssigkeitsstrom zum äusseren Rand des Injektors zu leiten, wo er dann mit der zugeführten Luft in einer besonderen Weise, welche für die voiliegende Erfindung charakteristisch ist, zerstäubt oder vernebelt wird. Allgemein ist ein Niederdruck-Brennstoff-Injektionszerstäubersystem definiert als ein System, in dem der Gesamtquerschnitt der Auslassöffnungen gleich oder grosser ist als der Strömungsquerschnitt des Brenn-

709827/0189

stoff-Zuleitungsrohrs. Der besondere Aufbau des Brennstoffrohres 2 8 und der Brennstoff-Injektorspitze 32 wird noch nachstehend näher beschrieben.

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figuren 2 bis 5. Sie zeigen, dass der Brennstoff-Injektionszerstäuber gemäss der vorliegenden Erfindung strömungsmässig in Reihe eine Luftblasscheibe oder Scheibe 34, ein Venturi-Rohr 36 und eine sekundäre Wirbel- oder Dralleinrichtung 37 umfasst. Zusammengefasst wird die Zerstäubung des Brennstoffes von der Injektorspitze zur anschliessenden Einleitung in den Brenner 13 dadurch bewerkstelligt, dass zunächst eine Vielzahl von Luftstrahlen unter hohem Druck auf den Brennstoffstrom mit niedrigem Druck gerichtet werden, welcher von den Injektoröffnungen 33 austritt, um auf diese Weise die Flüssigkeitsteilchen des Brennstoffes teilweise auseinander zu reissen oder zu zerkleinern und einen Drall oder Wirbel des zerstäubten Gemisches im Gegenuhrzeigersinne im Innern des Venturi-Rohres zu erzeugen. Ein Teil des Brennstoffes benetzt dabei die Wände des Venturi-Rohrs. Das sich mit einem Drall bewegende Gemisch besitzt auch noch eine axiale Geschwindigkeitskomponente und neigt dazu, aus der stromabwärts gelegenen Mündung 39 des Venturi-Rohrs 36 herauszufliessen, wo es mit dem gegenläufig oder im Uhrzeigersinne rotierenden Luftwirbel in Wechselwirkung tritt, welcher durch die sekundäre Verwirbelungs-ο der Dralleinrichtung 37 zugeführt wird. Die Wechselwirkung zwischen den beiden Luftströmen erzeugt einen Bereich mit hohen Scherkräften und dieser Bereich bewirkt eine feine Vernebelung oder Zerstäubung des aus dem Venturi-Rohr 36 in einem Wirbel austretenden Brennstoff so dass dieser für die Zündung oder Verbrennung in der Brennkammer 13 vorbereitet ist.

aus den Figuren 2 und 4 ersichtlich, ist die Luftblas scheibe 34 allgemein symmetrisch um die Achse der Injektorspitze

709827/0189

•kk'

und enthält in ihrem stromaufwärts gelegenen Ende eine kegelstumpfförmige Öffnung 41, welche sich zu einer kreisförmigen Bohrung oder öffnung 42 zur Aufnahme der Brennstoff-Injektorspitze 32 verjüngt. Eine solche verjüngte Öffnung 41 erleichtert den Zusammenbau des Brennstoff-Injektors, in^dem sie gestattet, dass das Brennstoffrohr 2 8 und die Injektorspitze 32 in die Scheibe vom stromaufwärts gelegenen Ende derselben eingeführt werden können. In der Einbaulage passt die Injektorspitze 32 lose in die Öffnung 42, so dass eine relative axiale Bewegung möglich ist, wie sie durch mechanische und thermische Veränderungen verursacht werden kann. Die Luftblasscheibe 34 wird in ihrer Lage mit Hilfe einer Gleitverbindung gehaltert, welche zwischen dem Flansch 45 des Venturi-Rohrs und einem daran befestigten axial beabstandden Bügel oder Haltebügel 44 gebildet wird. Eine solche ringförmige Gleitverbindung 43 ergibt eine positive Lageeinstellung der Scheibe Sie gestattet jedoch eine relative Bewegung zwischen der Scheibe der umgebenden Struktur, wie sie beispielsweise durch thermische Ausdehnung und Toleranzen bewirkt werden kann.

In der Scheibe 34 ist eine Anzal.L von Durchlässen oder Kanälen 38 zur Leitung hochverdichteter Luft vom Brenner entsprechend den Pfeilen in der Figur 2 gebildet. Die Kanäle 38 sind teilweise begrenzt durch eine Einlassöffnung 47, welche in einer schrägen Fläche 48 der Scheibe 34 gebildet sind. Am anderen Ende sind sie begrenzt durch eine längliche Auslassöffnung 49, welche jeweils in der ebenen, stromabwärts gelegenen Fläche der Scheibe gebildet sind. Die Achsen der Kanäle 38 bilden einen Winkel ot mit der Achse des Brennstoff-Injektors. Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, ist der Winkelt so gewählt, dass die Einleitung von Luft in den Brenner mittels der Kanäle '38 allgemein radial erfolgt im Gegensatz zu der axialen Ausrichtung im Stand der Technik. Der Winkelά kann zwischen 35 und 85° liegen. Er wird jedoch vorzugsweise so gewählt, dasi> sich eine optimale Verteilung des Brennstoffes an dem

709827/0189

'■*

Venturi-Körper und in dem freien Strom ergibt. Obwohl die Kanäle als runde Bohrungen dargestellt sind, können auch andere Querschnitts formen in Abhängigkeit von einer bestimmten Gesamtanordnung verwendet werden.

Aus den Figuren 4 und 5 ist ersichtlich, dass die Kanäle 38 allgemein radial ausgerichtet sind; sie sind jedoch geringfügig versetzt bezüglich des Mittelpunktes der Scheibe, so dass sie auf den äusseren Umfang oder Rand der Brennstoff-Injektorspitze 32 gerichtet sind. Insbesondere ist die halbe Zahl der Kanäle 38 a so angeordnet und ausgerichtet, dass die aus jedem der Kanäle strömende Luft unmittelbar auf das Auslassende einer der Öffnungen 33 der Brennstoff-Injektordüse gerichtet ist. Die andere Hälfte der Kanäle ist mit 38 b bezeichnet und sie sind abwechselnd zwischen den vorgenannten Kanälen 38 a angeordnet und so angeordnet und ausgerichtet, dass die von ihnen abgegebene Luft .gegen den Umfang der Brennstoff-Injektorspitze 32 an Punkten gerichtet ist, welche zwischen den Brennstoff-Injektoröffnungen 33 liegen.Mit anderen Worten, es wird unter Annahme eines Zusammenbaus der Düse und der Scheibe gemäss den Figuren 4 und 8 der Brennstoff von den Öffnungen 33 an Punkten austreten, welche einen Winkel abstand von 9o° untereinander besitzen, einschliesslich der Öffnung 33 a, welche in Richtung nach oben ausgerichtet ist. Aus der Figur 4 ist t r-sichtlich, dass der Kanal 38 a auf die i-i^nnstoff-Injektorüpitze 32 an einem Punkt unmittelbar am oberen Rand derselben gerichtet ist und auf diese Weise unmittelbar mit dem Auslassende der Öffnung 33 a zusammenfällt (siehe Figur 8) . Auf diese Weise wird der Strom des untt. r niedrigem Druck stehenden Brennstoffe^, welcher aus der Öffnung 33 a austritt,, unmittelbar durch einen direkten Strom von hochverdichteter Luft angeblasen, um jegliche Verkohlung des Brennstoffes auf der Injektorspitze 32 an diesem Punkt zu verhindern. Es wird nunmehr Bezug genommen auf den benachbarten Kanal ^8 b in der Figur 4. Es ist ersichtlich, dass die-

7 09827/0189

ser Kanal so angeordnet und ausgerichtet ist, dass er den Luftstrom auf eine Stelle richtet, welche zwischen den Brennstoff-Injeltoröffnungen 33 a beziehungsweise 33 b auf dem Umfang der Düse liegt. Die Funktion des Kanals 38 b besteht dabei in einer Änderung der Richtung des Brennstoffes, welcher durch die Luft vom Kanal 38 a angeblasen wurde, um ihn auf diese Weise weiter zu zerstäuben und ihn in dem Venturi-Rohr 36 in eine Wirbelbewegung zu versetzen. Es ist daher ersichtlich, dass die Ausrichtung der Kanäle so gewählt wird, dass man eine abwechselnde Verteilung eines direkten Anblasens (Kanäle 38 a) und eines zusätzlichen Anblasens (Kanäle 38 b) erhält, um auf diese Weise insgesamt ein konzentriertes Anblasen oder einen konzentrierten Luftstoss mit hoch verdichueter Luft zu erhalten, um eine Anfangszerstäubung des Brennstoffstroms unter niedrigem Druck herbeizuführen, ohne dabei eine Verkohlung des Brennstoffes auf dem Umfang der Injektorspitze 32 zuzulassen. Die einzelnen Luftstrahlen fliessen zusammen und bilden einen mit Drall ausgestatteten Wirbel, welcher einen Teil des Brennstoffes auf das Venturi-Rohr und einen weiteren Teil in den freien Strom verteilt.

Das Venturi-Rohr 36 konvergiert von dem Flanschteil 45 desselben zu einem Punkt mit minimalem Radius oder einer Engstelle 52 und divergiert dann geringfügig zur stromabwärts gelegenen Ausstrittsstelle 39 zwecks Bildung eines axialen Strömungsweges, durch welchen das Brennstoff-Luft-Gemisch im Gegenuhrzeigersinne in die aktive Zone der sekundären Verwirbelungseinrichtung 37 verwirbelt werden kann. Auf dem Venturi-Rohr 36 ist an der stromabwärts gelegenen Seite eine ebene Fläche zur Befestigung an der vorderen Wand 54 der sekundären Verwirbelungseinrichtung 37 zur Halterung an derselben vorgesehen. Ein gleichförmiger Ring wird zwischen der Austrittskante 39 des Venturi-Rohrs und der Austrittskante 58 der sekundären Ve. irbelungseinrichtung gebildet.

7098 2 7/0189

- 1o -

Die sekundäre Verwirbelungseinrichtung enthält neben der vor- · deren Wand 5 3 eine axial beabstandete Rückwand 55 und eine Vielzahl von radialen Strömungsieitflächen 56 im Gegenuhrzeigersinn, welche so zwischen den Wänden 53 und 55 angebracht sind, dass sie einen Strom der hochverdichteten Luft in Richtung der Pfeile gemäss Figur 2 bewirken. Die Halterungen für die sekundäre Verwirbelungseinrichtung wird gebildet durch einen von derselben aus nach rückwärts verlaufenden Ringflansch 57, welcher an dem Kuppelende 17 durch Verschweissen oder auf ähnliche Weise befestigt ist. Eine sekundäre Austrittskante 58 ist radial gegenüber dem ersten Ringflansch 57 nach innen versetzt und an ihr ist ein aufgeweiteter trompetenförmiger Auslass 59 befestigt, welcher gemäss den Figuren 1 und 2 in die Verbrenn.ingskammer 13 hineinragt.

Es wird nunmehr besonders Bezug genommen auf den Brennstoff-Zuleitungsteil der vorliegenden Erfindung. Die Einzelheiten der Brennstoff-Injektorspitze 32 unJ des Brennstoffrohres 28 sind deutlicher ersieh tr lieh aus den Figuren 6 bis 1o. Wie aus der Figur 6 ersichtlich ist, umfasst das Brennstoffrohr 28 ein Aussenrohr 61 und ein Innenrohr 62, das radial beabstandet in demselben mit Hilfe eines Abstandsdrahtes 63 angeordnet ist, so dass man einen isolier .iden Zwischenraum 64 zwischen der Aussenwand 61 und der Innenwand 62 erhält. Es ist ersichtlich, dass durch die Verwendung des Abstandsdrahtes 63 ein gesteuerter Luftspalt zwischen dem inneren und äusseren Rohr ohne Verwendung einer starren Befestigung zwischen den Teilen aufrecht erhalten wird. Auf diese Weise ist das Innenrohr 6 2 von den hohen Temperaturen des Aussonrohres 61 isoliert, so dass die Temperatur der Innenwand des Innenrohres 62 unterhalb der Temperatur gehalten wird, bei der der Brennstoff klebrig wird (fuel-gumming temperature). Der bestimmte, zwischen der äusseren und inneren Wand erforderliche Abstand ist abhängig von den Betriebsparametern des Triebwerkes und insbeson-

709827/0189
- 11 -

- ** " 26A1605

-JS'

dere von den Betriebstemperaturen, welchen die Aussenwand ausgesetzt ist.

Man wird erkennen, dass der isolierende Zwischenraum 64 über die gesamte Länge der Kombination aus Aussenrohr und Innenrohr verläuft. Am stromabwärts gelegenen Ende desselben ist ein erweitertes Teil 66 vorgesehen, welches durch Aussparung eines Teils der Wand 61 erhalten wird und die Befestigung des Brennstoffrohres 28 an der Brennstoff-Injektorspitze 32 erleichtert, wobei gleichzeitig die Isolation zwischen dem Brennstoff und der Aussenwand aufrecht erhalten bleibt. Dies wird durch eine Schutzhülse 67 zur Verbindung zwischen dem Rohr 28 und der Injektorspitze 32 erreicht.

Die Schutzhülse 67 umfasst einen ersten zylindrischen Teil und einen zweiten zylindrischen Teil 69, welcher an dem ersten Teil integral stromabwärts von demselben befestigt ist, wobei der zweite zylindrische Teil einen kleineren Durchmesser als der erste zylindrische Teil besitzt. Der erste zylindrische Teil 68 ist so gestaltet, dass er so in die Erweiterung 66 eingesetzt werden kann, dass sein Innendurchmesser mit enger Passung über den AussendurcLmesser des Innenrohrs 62 passt und sein Aussendurchmesser einen Abstand von dem Aussenrohr besitzt, so dass die Isolationswirkung beibehalten wird. Der zweite zylindrische Teil 69 ist so gestaltet, dass er so in den Hauptteil oder Körper 71 der Brennstoff-Injektorspitze passt, dass der Aussendurchmesser des zweiten zylindrischen Teils innerhalb des Innendurchmessers 72 des Körpers 71 liegt. Eine positive axiale Lageeinstellung zwischen der Schutzhülse und dem Hauptti-il 71 wird erreicht durch eine Anpassung der entsprechenden Flächen zur Bildung der radial verlaufenden Grenzfläche 73 zwischen den beiden Teilen. Auf diese Weise werden das Brennstoffrohr 28 und die Brennstoff-Injektorspitze bei 75 zusammengefügt und die Schutzhülse 67 ist an ihrem

709827/0189

- 12 -

einen bnde im Eingriff mit dem Innenrohr 62 und erstreckt sich an ihrem anderen Ende in den Innendurchmesser 72 des Brennstoff-Injektors hinein.

Man wird erkennen, dass der Innendurchmesser 72 des Hauptteils oder Körpers 71 über dessen Länge im wesentlichen konstant ist, während andererseits der Aussendurchmesser des zweiten zylindrischen Teils 69 an einem Punkt 74 verringert ist, um einen ringförmigen Raum 76 zwischen dem zweiten zylindrischen Teil 69 und dem Körper 71 zu schaffen. Dieser Zwischenraum steht über einen Kanal oder eine· Öffnung 77 in Verbindung mit der Brennstoffströmung und ergibt ein isolierendes Medium ^wischen dem Gasstromweg 78 und dem Körper 71, welcher eine Neigung zur Erhitzung durch den Strömungsweg 79 für den relativ heissen Luftstrom an seiner Aussenseite besitzt.

Es wird nunmehr auf die Figuren 6 bis 8 Bezug genommen. Der Körper 71 der Brennstoff-Injektorspitze ist ein allgemein zylindrisches Bauelement und besitzt ein geschlossenes, allgemein halbkugelförmiges stromabwärts gelegenes Ende 81. Der Innendurchmesser des Körpers 71, welcher mit engem Sitz die Schutzhülse 67 zur Begrenzung des Brennstoff-Strömui.gsweges 78 aufnimmt, verjüngt sich zu einer kleinen stromabwärts gelegenen Kammer 82, welche ihrerseits über eine Anzahl von Öffnungen 33 a bis 33 d in Strömungsmittelverbindung mit dem äusseren Umfang der Injektorspitze 32 steht, wobei die Länge jeder der Öffnungen oder Kanäle 33 mittels eines zylindrischen .'Strömungsrohrs 83 verlängert ist, das sich von dem Hauptteil aus praktisch radial nach aussen erstreckt. In der Abbildung sind vier Strömungsrohre 83 und zugeordnete Kanäle 33 gezeigt. Selbstverständlich kann diese Zahl jedoch vergrössert oder verkleinert werden, um die Erfordernisse oder die besonderen Betriebskennwerte zu erfüllen, welche bei einem vorgegebenen Satz von Betriebsparametern erwünscht sind. Weiterhin sind in den Abbildungen die Achsen der Bohrungen oder Kanäle

827/ß1_89

unter einem Winkel© zur Radialebene (gezeigt. Dieser Winkel kann jedoch verändert werden, solange nur die Achse allgemein radial verläuft. Es wurde je doch· gefunden, dass für das erwünschte Betriebsverhalten die Grosse des Winkelst 55° nicht überschreiten sollte. Der Querschnitt der Engstelle des Venturi-Rohrs 52 sollte dabei so gewählt werden, dass eine Belastung durch Rezirkulation von Heissgas auf die Brennstoff-Injektorfläche verhindert wird.

Der Düseninjektor 71 wird konzentrisch von einer Hülle oder einem Mantelrohr 84 umgeben. Die Hülle 84 besitzt allgemein eine zylindrische Form und ist an dem Injektorkörper 71 durch eine Vielzahl von praktisch radial verlaufenden Rippen 86 befestigt. In der dargestellten Ausführungsform werden vier Rippen gezeigt; die Anzahl kann jedoch abgeändert werden, um bestimmten mechanischen konstruktiven Erfordernissen gerecht zu werden. Am rückwärtigen oder stromaufwärts gelegenen Ende der Hülle oder des Mantels 84 ist ein aufgeweiteter Teil 87 vorgesehen, der zusammen mit der Gestalt des inneren Körpers den Einlass-Strömungskanal 88 zu dem Luftstromweg 79 definiert. In der Nähe des stromabwärts gelegenen Endes der Hülle 84 ist in derselben eine Anzahl von Luftauslasskanälen 89 gebildet. Dabei ist die Lage und die Abmessung dieser Luftauslasskanäle so beschaffen, dass sie eines der Strömungsrohre 83 umgeben und auf diese Weise einen ringförmigen Luftdurchlass bilden. Der Zweck des ringförmigen Luftdruchlasses 91 besteht darin, aus dem Luftstromweg 79 einen Strom von hochverdichteter Luft zu dem äusseren Umfang der Hülle 84 zu leiten und auf diese Weise den Strom des Brennstoffes aus dem Strömungsrohr 83 vollständig einzuschliessen und dadurch den Gasstrom von der relativ heissen Hüllenöberflache zu isolieren, welche sonst eine Verkohlung des Brennstoffes und eine Ansammlung desselben auf der Hüllenoberfläche bewirken würde.

709827/0189

- 14 -

Wie aus den Figuren 7 bis 9 ersichtlich, ist in der Hülle in Verbindung mit jeder der Luftauslasskanäle 89 ein Schlitz gebildet, welcher sich von dem Luftauslasskanal 89 aus stromaufwärts zum anderen Ende der Hülle erstreckt. Diese Vielzahl von Schlitzen ist vorgesehen im Hinblick auf die Tatsache, dass die Temperatur des Injeictorkorpers 71 und der Hülle 84 verschieden sein wird und daher eine relative thermische Ausdehnung zwischen den beiden Teilen erzeugen wird. Die Schlitze gestatten daher die grössere thermische Ausdehnung der Hülle ohne Entstehung schädlicher Spannungen in derselben.

Am stromabwärts gelegenen Ende der Hülle 84 ist eine Endwand mit einer mittleren Öffnung 94 vorgesehen, um den Strom der hochverdichteten Luft aus dem Luftströmungswe^ 79 so zu leiten, wie dies durch die Pfeile in der Figur 6 angedeutet ist. Dieser Luftstrom mit hohem Druck besitzt eine Neigung zur Bildung eines Luftsprühweges in Richtung stromabwärts und damit eine weitere Abschirmung des stromabwärts gelegenen Endes der Spitze von der Verbrennungszone.

Im Betrieb wird hochverdichtete Luft vom Verdichter 23 durch den Diffusor 25 zu der Öffnung 2 7 geliefert, wo ein Teil der Luft in die primäre Verwirbelungseinrichtung oder Luftblasscheibe 34 eintritt und ein Teil derselben der sekundären Verwirbelungseinrichtung 37 zugeführt wird, wie dies in Figur gezeigt ist. Gleichzeitig strömt ein Teil der Luft zu der kegelstumpfförmigen Öffnung 41 und tritt über den Einlass-Strömungskanal 88 in den Injektor ein. Von dort aus strömt die Luft entlang des Strömungsweges 79 und wird konzentrisch bezüglich des Strömungsrohres 83 ausgestossen, um auf diese Weise das Strömungsrohr 83 und den dort durchgeleiteten Brennstoff von den relativ heissen Oberflächen der Hülle 84 zu isolieren und auf diese Woise den Aufbau oder das Ansammeln von Kohlenstoff auf dem Strömungsrohr zu verhindern. Weiterhin sind stromaufwärts von dem Brennstoff-Verteilungs- oder

709827/0189
- 15 -

Ausbreitungspunkt Vorkehrungen zur Isolation des Brennstoff-Stroms von den heissen Zonen des Betriebes vorgesehen. Beispielsweise ist im Innern des Brennstoffrohres 28 ein isolierender Zwischenraum 64 und ein erweiterter Raum 66 zwischen dem Aussenrohr 61 und dem inneren Brennstoff führenJen Rohr vorgesehen, so dass eine Aufheizung des Brennstoffes in dem Brennstoffkanal 31 verhindert wird. Der' erste zylindrische Teil 68 der Schutzhülse ist durch einen umgebenden Raum 66 isoliert und der stromabwärts gelegene zweite zylindrische Teils ist mit Hilfe eines Ringkanals 76 isoliert, welcher sich- bis zu der stromabwärts gelegenen Kammer 82 erstreckt, aus der der Brennstoff über die Öffnungen 33 austritt, wie dies bereits vorstehend beschrieben wurde.

Es wird nunmehr erneut Bezug genommen auf den Luftstrom zur Öffnung 27. Ein Teil des Luftstroms tritt in die Vielzahl von Einlassöffnungen 47 ein und verläuft praktisch in radialer Richtung entlang der Kanäle 38 und wird dann von den länglichen Auslassöffnungen 49 in einer Richtung ausgestossen, wie dies durch die Figuren 2 und 4 gezeigt wird. Es ist ersichtlich, dass der unter hohem Druck stehende Luftstrom den Brennstoffströmen unmittelbar bei ihrem Austritt aus der Vielzahl von Öffnungen 33 zugeführt wird, um eine sofortige Verteilung und Zerstäubung derselben zu erzeugen, wobei ein Teil des resultierenden Brennstoff-Luft-Gemisches sich axial stromabwärts bewegt und ein grösserer Teil desselben in dem Venturi-Rohr einen Drall im Gegenuhrzeigersinn enthält. Dieses verwirbelte Gemisch wird dann von der stromabwärts gelegenen Kante 39 des Venturi-Rohrs abgegeben und tritt in Wechselwirkung mit dem Luftstrom von der sekundären Verwi rbelungseinrichtung, wobei der sekundäre Strom einen entgegengesetzten Drall im Uhrzeigersinn besitzt zur weiteren Zerstäubung des Brennstoff-Luft-Gemisches vor seinem Eintritt in die Brennkammer 13.

709827/0189

- 16 -

Claims

P atentansp rüche

1.) Brennstoff-Injektionszerstäubersystem für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Brennstoff-Zuleitung zu einem Zerstäuber oder Injektor, dadurch gekennzeichnet, dass es. umfasst:

a) eine Anzahl von Brennstoff-Injektionsöffnungen in dem Injektor (32) zur Leitung des Brennstoffstroms an den äusseren Umfang desselben und

b) Luftblaseinrichtungen zur Einleitung eines Luftstroms in im wesentlichen radialer Richtung zum Aufprall auf dem äusserem Umfang des Injektors (32) zur Erzeugung einer umkreisförmigen Geschwindigkeitskomponente in dem Brennstoff.

2.) Brennstoff-Injektionszerstäubersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftblaseinrichtung eine Scheibe (34) mit stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Seiten und eine darin ausgebildete"·, mittlere: Öffnung (42) zur Aufnahme eines Injektors (32) besitzt.

3.) Brennstoff-Injektionszerstäubersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Scheibe (34) eine Anzahl von im wesentlichen radial ausgerichteten Bohrungen oder Löcher (38) ausgebildet sind zur Herstellung einer Strömungsmittelverbindung zwischen der stromaufwärts gelegenen und der stromabwärts gelegenen Seite.

4.) Brennstoff-Injektionszerstäubersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftblaseinrichtung ausserdem noch zur Erzeugung einer axialen Geschwindigkeitskompenente in dem Brennstoff eingerichtet ist.

5.) Brennstoff-Injektionszerstäubersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom von der Luftblaseinrichtung so ausgerichtet ist, dass er praktisch tangential zu dem Injektor (32) an mindestens einer der

709827/0189

¹⁷ " AL INSPECTS)

■ ι-

öffnungen (33) strömt.

6.) Brennstoff-Injektionszerstäubersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Luftstroms von der Luftblaseinrichtung so ausgerichtet ist, dass er im wesentlichen tangential zu dem Injektor (32) an einem Punkt zwischen einem Paar von benachbarten Brennstoff-injektionsleitungen (33) strömt.

7.) Brennstoff-Injektionszerstäubersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es noch ein Venturi-Rohr (36) enthält, welches an der stromabwärts gelegenen Seite der Scheibe (34) zur Aufnahme des Brennstoffes mit einer umkreisförmigen Geschwindigkeitskomponente und zur Abgabe des Brennstoffs in einem Wirbelstrom enthält.

8.) Brennstoff-Injektionszerstäubersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es noch eine zweite Luftblaseinrichtung (37) stromabwärts von dem Venturi-Rohr (36) enthält und diese zweite Luftblaseinrichtung (37) eingerichtet ist zur Zuführung von Luft in den Wirbelstrom in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung des Wirbels.

9.) Brennstoff-Zerstäubereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst:

a) einen axial angeordneten Injektor (32) mit einem stromaufwärts gelegenen und einem stromabwärts gelegenen Ende und einer an seinem Umfang ausgebildeten Anzahl von Öffnungen (33) in der Nähe des stromabwärts gelegenen Endes,

b) Einrichtungen (28) zur Injektion eines Brennstoffes in das stromaufwärts gelegene Ende zum Austritt aus der Anzahl von Öffnungen oder Bohrungen (33),

c) ein Venturi-Rohr (36), welches das stromabwärts gele-

' ■ · . 709827/0189

- 18 -

— «Ms -

gene Ende umschliesst und ein offenes stromabwärts
gelegenes Ende besitzt und

d) eine primäre Luftverwirbelungseinrichtung (34), welche den Injektor umschliesst zur Erzeugung eines Luftstroms in im wesentlichen radialer Richtung zum Aufprall auf dem Umfang des Injektors (32) und zur Erzeugung einer Verwirbelung des Brennstoffes im Innern des Venturi-Rohrs (36) mit einer Geschwindigkeitskomponente in
Umfangsrichtung und in axialer Richtung.

1o.) Brennstoff-Injektionszerstäuber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er eine sekundäre Verwirbelungseinrichtung (37) stromabwärts von dem Venturi-Rohr (36) enthält zur Einleitung eines Luftwirbels mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente entgegengesetzt zu derjenigen des primären Luftwirbels in der Nähe des stromabwärts
gelegenen Endes des Venturi-Rohrs.

11.) Brennstoff-Injektionszerstäuber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Luftverwirbelungseinrichtung eine Scheibe (34) mit einer stromaufwärts gelegenen und einer stromabwärts gelegenen Seite und eine darin
ausgebildete mittlere Öffnung (42) zur Aufnahme der Düse umfasst.

12.) Brennstoff-Injektionszerstauber nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Scheibe (34) eine Anzahl von im wesentlichen radial ausgerichteten Bohrungen (3 8) ausgebildet sind zur Herstellung einer Strömungsmittelverbindung zwischen der stromaufwärts gelegenen und der
stromabwärts gelegenen Seite.

13.) Brennstoff-Injektionszerstauber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Luftverwirbelungseinrichtung

709827/0189

- 19 -

Ktit60ζ

noch zur Erzeugung einer axialen Geschwindigkeitskomponente in dem Brennstoff eingerichtet ist.

14.) Brennstoff-Injektionszerstäuber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Luft von
der primären Luftverwirbelungseinrichtung C34) so gerichttet ist, dass sie tangential zu dem Injektor (32) an mindestens einer der Austrittsöffnungen (33) strömt.

709827/0189