DE2641605C2 - Vorrichtung zur Zufuhr von Luft und Brennstoff - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zufuhr von Luft und Brennstoff für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks mit einem Brennstoffinjektor, der mehrere Brennstoff-Auslaßöffnungen an seinem äußeren Umfang aufweist, und mit einer Luftleiteinrichtung zum Einleiten von Luft, deren Strömungsrichtung Geschwindigkeitskomponenten in radialer und in Umfangsrichtung aufweist und die den eingespritzten Brennstoff mitnimmt.

Eine derartige Brennstoff-Einspritzvorrichtung ist in der FR-OS 20 86 476 oder der FR-PS 10 94871 beschrieben. Dort wird Brennstoff unter hohem Druck aus Zerstäuberdüsen zugeführt, während die Verbrennungsluft durch eine Niederdruckströmung mittels radial außen von der Zerstäuberdüse angeordnet und parallel dazu verlaufende Leitblechen zugeführt wird.

Die Erzielung einer vollständigen Verbrennung wird bei den bekannten Einrichtungen jedoch immer komplizierter wegen des stetigen Bestrebens, den Wirkungsgrad des Triebwerks und deshalb den Verbrennungsdruck, die Eingangstemperatur und die Ausgangstemperatur zu erhöhen. Die Leistungsfähigkeit der bekannten Brennstoff-Einspritzvorrichtungen verschlechtert sich jedoch, wenn der Brennkammerdruck erhöht wird, da über einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen gearbeitet werden muß. Dies führt zu einer ungleichförmigen Verteilung des Brennstoffes, was eine ungleichförmige Erwärmung des Brennkammermantels und Wärmekonzentrationen in der Turbine zur Folge hat Damit verbunden sind Probleme bezüglich der Entwicklung von Kohlenstoff und Rauch.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfach aufgebaute und Ausdehnungsbewegungen aufnehmende Vorrichtung zu schaffen, die für eine gleichförmige Brennstoffverteilung und Wärmeentwicklung sorgt.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Brennstoff über eine Niederdruckleitung zugeführt wird, die in der Mittelöffnung einer massiven Scheibe axial verschiebbar aufgenommen ist. Der Injektor ist von im wesentlichen radial innerhalb der Scheibe verlaufenden Luftströmungskanälen umgeben die Luft in der Form von Hochgeschwindigkeitsstrahlen zuführen, um für konzentrierte Luftstrahlen zu sorgen, die auf den austretenden Brennstoff gerichtet sind, der dann vom Umfang des Injektors in ein Rohr strömt, das um den Injektor herum und unmittelbar stromabwärts davon gebildet ist und eine zunächst abnehmende und dann wieder zunehmende Querschnittsfläche hat.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Scheibe ist ein relativ einfaches Bauteil mit einer Mittelöffnung zur Aufnahme des Brennstoffinjektors in einer losen Passung, die eine relative Axialbewegung gestattet, um Wärmeausdehnungsbewegungen aufzunehmen. Die durch die Scheibe hindurchführenden Luftströmungskanäle, die diskrete Luftstrahlen mit hoher Geschwindigkeit auf den Injektor richten, können auf einfache und übliche Weise, beispielsweise durch Bohren, hergestellt werden. Sie führen im wesentlichen in radialer Richtung durch die Scheibe hindurch, bilden aber einen Winkel mit der Injektorachse, um der Luftströmung eine axiale Komponente zu erteilen. Durch eine richtige Gestaltung und Ausrichtung der Luftströmungskanäle kann sichergestellt werden, daß die Luftstrahlen mit hoher Geschwindigkeit auf den Brennstoff-Injektor an Punkten auftreffen, wo der Brennstoff zur zylindrischen Oberfläche des Injektors austritt. Dadurch kann die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Brennstoff-Injektor verhindert werden; anderenfalls würden diese Ablagerungen die Brennstoffströmung und dadurch den Wirkungsgrad der Gesamteinrichtung nachteilig beeinflussen.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine axiale Schnittansicht einer Brennkammer für eine Gasturbine gemäß einem Ausführungsbei-

spiel der Erfindung.

F i g. 2 zeigt einen vergrößerten Teil mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig.3 ist ein Teilschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2.

Fig.4 zeigt eine Ansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 2.

F i g. 5 zeigt einen Teilschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 2.

F i g. 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel eine Breunstoff-Einspriizeinrichtung 10 bei Anwendung in einer Brennkammer 11 mit kontinuierlicher Verbrennung in einer Bauform, welche für die Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeignet ist Ein Flammrohr 12 enthält in seinem Innern einen Brennraum 13. Das Flammrohr 12 ist allgemein ringförmig gestaltet und weist eine Außenverkleidung 14, eine Innenverkleidung 16 und ein Dom oder Kuppelende 17 auf. Es kann jedoch auch eine zylindrische Brennkammer oder eine Brennkammer mit einer Anzahl von einzelnen Flammrohren verwendet werden. Bei der hier beschriebenen Ringform der Brennkammer ist das Kuppelende des Flammrohrs 12 mit mehreren auf dem Umfang im Abstand angeordneten öffnungen 18 versehen, in denen jeweils eine Brennstoff-Einspritzeinrichtung 10 gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Zuführung eines Luft-Brennstoff-Gemisches in den Brennraum 13 angeordnet ist

Das Flammrohr 12 kann von einem Mantel 19 umschlossen sein, welcher zusammen mit den Verkleidungen 14 und 16 Kanäle 21 und 22 begrenzt, welche zur Zufuhr einer Strömung verdichteter Luft aus einer geeigneten Quelle, beispielsweise einem Verdichter 23 und Diffusor 25, in den Brennraum 13 durch geeignete Öffnungen oder Schlitze 24 eingerichtet sind, um das Flammrohr 12 zu kühlen und die gasförmigen Verbrennungsprodukte in an sich bekannter Weise zu verdünnen. Eine stromaufwärtige Verlängerung 26 des Flammrohrs 12 ist für die Funktion eines Strömungsaufteilers vorgesehen und teilt die von dem Verdichter 23 gelieferte verdichtete Luft zwischen den Kanälen 21 und 22 und einer stromaufwärtigen Endöffnung 27 der Verlängerung 26 auf. Die öffnung 27 steht in Strömungsverbindung mit der Brennstoff-Einspritzeinrichtung 10, um die erforderliche Luft für die Zerstäubung oder Vernebelung zu erhalten.

Die Brennstoffzufuhr zu der Einspritzeinrichtung 10 erfolgt über ein hohles Brennstoffrohr 28, das mittels einer Befestigungsauflage 29 mit dem Außenmantel 19 verbunden ist. Das Brennstoffrohr 28 ist so gekrümmt, daß es in die Öffnung 27 paßt, und weist einen darin ausgebildeten Brennstoff-Leitungskanal auf, welcher flüssigen Brennstoff der Spitze eines Brennstoffinjektors 32 zur anschließenden Zerstäubung oder Vernebelung durch die Einspritzeinrichtung 10 zuführt.

Der Brennstoffinjektor 32 und das zugeordnete Brennstoffrohr 28 sollten nicht verwechselt werden mit bekannten Zerstäuberdüsen, in denen Brennstoff einer Brennkammer in Form eines in starkem Maße atomisierten Sprühnebels zugeführt wird. Solche bekannten Zerstäuberdüsen beinhalten normalerweise kleine Kanäle mit abnehmendem Querschnitt, in denen 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 diesen bekannten Zerstäuberdüsen verwendet die Einspritzeinrichtung gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ein Brennstoff-Zuleitungsrohr 28 mit niedrigem Druck, welches den Brennstoff der Spitze des Brennstoffinjektors 32 zuführt In der Injektorspitze sind mehrere Durchlässe oder Brennstoffauslaßöffnungen 33 ausgebildet, um ίο den unter niedrigem Druck befindlichen Brennstoffstrom zum äußeren Rand des Injektors zu leiten, wo er dann mit der zugeführten Luft in einer besonderen Weise zerstäubt oder vernebelt wird. Allgemein ist ein Niederdruck-Brennstoff-Injektionszerstäubersystem definiert als ein System, in dem der Gesamtquerschnitt der AuskSöffnungen gleich oder größer ist als der Strömungsquerschnitt des Brennstoff-Zuleitungsrohrs 28. Der besondere Aufbau des Brennstoffrohrs 28 und der Brennstoff-Injektorspitze 12 wird noch nachstehend näher beschrieben.

Gemäß den Fig.2 bis 5 weist die Brennstoff-Einspritzeinrichtung 10 strömungsmäßig in Reihe, eine Scheibe 34, ein Rohr 36 mit zunächst abnehmendem und dann wieder zunehmendem Innendurchmesser und eine zweite Luftleiteinrichtung 37 in Form einer Wirbeloder Dralleinrichtung auf. Die Zerstäubung des Brennstoffes von dsr Injektorspitze 32 zur anschließenden Einleitung in den Brennraum 13 erfolgt in der Weise, daß zunächst mehrere Luftstrahlen unter hohem Druck auf den Brennstoffstrom gerichtet werden, welcher aus den Auslaßöffnungen 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 Gegenuhrzeigersinn im Innern des Rohrs 36 zu erzeugen. Ein Teil des Brennstoffes benetzt dabei die Wände des Rohrs 36. Das sich mit dem Drall bewegende Gemisch besitzt auch noch eine axiale Geschwindigkeitskomponente und neigt dazu, aus der stromabwärtigen Mündung 39 des Rohrs 36 herauszuströmen, wo es mit dem gegenläufig oder im Uhrzeigersinn rotierenden Luftwirbel in Wechselwirkung tritt, welcher durch die zweite Luftleiteinrichtung 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 Rohr 36 in einem Wirbel austretenden Brennstoffs, so daß dieser für die Zündung oder Verbrennung in der Brennkammer 13 vorbereitet ist.

Wie die Fi g. 2 und 4 zeigen, ist die Scheibe 34 allgemein symmetrisch zur Achse der Injektorspitze 32 und enthält in ihrem stromaufwärtigen 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, indem sie gestattet, daß die Injektorspitze 32 in die Scheibe vom stromaufwärtigen Ende derselben eingeführt werden kann. Im eingebauten Zustand paßt die Injektorspitze 32 lo»e in die öffnung 42, so daß eine axiale Relativbewegung möglich ist, wie sie durch mechanische und thermische Veränderungen verursacht werden kann. Die Scheibe 34 wird in ihrer Lage mit Kufe einer Gleitverbindung 43 gehaltert, welche zwischen dem Flansch 45 des Rohrs 36 und einem daran befestigten axial beabstandeten Bügel oder Haltebügel 44 gebildet wird. Eine solche ringförmige Gleitverbindung 43 ergibt eine sichere Lageeinstellung der Scheibe

34. 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 Anzahl von Luftströmungskanälen 38 zur Leitung hochverdichteter Luft entsprechend den Pfeilen in der F i g. 2 gebildet. Die Kanäle 38 weisen jeweils eine Einlaßöffnung 47 auf, welche in einer schrägen Fläche 48 der Scheibe 34 gebildet ist. Am anderen Ende sind sie jeweils begrenzt durch eine längliehe Auslaßöffnung 49, welche in der ebenen, stromabwärtigen Fläche 51 der Scheibe gebildet ist. Die Achsen der Kanäle 38 in der Bildebene bilden einen Winkel a mit der Achse des Brennstoffinjektors. Wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist, ist der Winkel λ so gewählt, daß die Einleitung von Luft in den Brennraum mittels der Kanäle 38 allgemein radial erfolgt. Der Winkel λ kann zwischen 35 und 85° liegen. Er wird vorzugsweise so gewählt, daß sich eine optimale Verteilung des Brennstoffes an dem Rohr 36 und in dem freien Strom ergibt. Obwohl die Kanäle als runde Bohrungen dargestellt sind, können auch andere Querschnittsformen in Abhängigkeit von einer bestimmten Gesamtanordnung verwendet werden.

Aus den F i g. 4 und 5 ist ersichtlich, daß die Luftströmungskanäle 38 allgemein radial ausgerichtet sind; sie sind jedoch geringfügig versetzt bezüglich des Mittelpunktes der Scheibe, so daß die auf den äußeren Umfang oder Rand des Brennstoffinjektors 32 gerichtet sind. Insbesondere ist die halbe Zahl der Kanäle 38a so angeordnet und ausgerichtet, daß die aus jedem der Kanäle strömende Luft unmittelbar auf das Auslaßende einer der öffnungen 33 des Brennstoffinjektors gerichtet ist. Die andere Hälfte der Kanäle ist mit 386 bezeichnet und sie sind abwechselnd zwischen den vorgenannten Kanälen 38a so angeordnet und ausgerichtet, daß die von ihnen abgegebene Luft gegen den UmFang des Brennstoffinjektors 32 an Punkten gerichtet ist, welche zwischen den Brennstoff-Auslaßöffnungen 33 liegen. Mit anderen Worten, es wird unter Annahme eines Zusammenbaus der Düse und der Scheibe gemäiß Fig.4 der Brennstoff von den öffnungen 33 an Punkten austreten, welche einen Winkelabstand von 90° untereinander besitzen, ausgehend von der Öffnung 33a, welche nach oben ausgerichtet ist. Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß der Kanal 38a auf den Brennstoffinjektor 32 an einem Punkt unmittelbar am oberen Rand desselben gerichtet ist und auf diese Weise unmittelbar mit dem Auslaßende der Öffnung 33a zusammenfällt. Auf diese Weise wird der Strom des unter niedrigem Druck stehenden Brenn-Stoffs, welcher aus der Öffnung 33a austritt, unmittelbar durch einen direkten Strom von hochverdichteter Luft angeblasen, um jegliche Verkohlung des Brennstoffes auf dem Injektor 32 zu verhindern.

Wie bereits gesagt, sind die Kanäle 3&b so angeordnet und ausgerichet, daß sie den Luftstrom auf Stellen richten, welche zwischen den Brennstoff-Auslaßöffnungen auf dem Umfang der Düse liegen. Die Funktion der Kanäle 38b besteht dabei in einer Änderung der Richtung des Brennstoffes, welcher durch die Luft von den Kanälen 38a angeblasen wurde, um ihn auf diese Weise weiter zu zerstäuben und ihn in dem Rohr 36 in eine Wirbelbewegung zu versetzen.

Das Rohr 36 konvergiert von seinem Flanschteil 45 zu einem Punkt mit minimalem Radius oder einer Engstelle 52 und divergiert dann geringfügig zur stromabwärtigen Austrittsstelle 39 zwecks Bildung eines axialen Ströimungsweges, durch weichen das Brennstoff-Luft-Gemisch im Gegenuhrzeigersinne in die aktive Zone der zweiten Luftleiteinrichtung 37 verwirbelt werden kann. Auf dem Rohr 36 ist an der stromabwärtigen Seite eine ebene Fläche zur Befestigung an der vorderen Wand 54 der zweiten Luftleiteinrichtung 37 zur Halterung an derselben vorgesehen. Ein gleichförmiger Ring wird zwischen der Austrittskante 39 des Rohrs 36 und der Austrittskante 58 der zweiten Luftleiteinrichtung gebildet.

Die zweite Luftleiteinrichtung weist neben der vorderen Wand 53 eine axial beabstandete Rückwand 55 und mehrere radiale Strömungsleitflächen 56 im Uhrzeigersinn auf, welche so zwischen den Wänden 53 und 55 angebracht sind, daß sie eine Luftströmung in Richtung der Pfeile gemäß F i g. 2 bewirken. Die Halterung für die zweite Luftleiteinrichtung wird gebildet durch einen von derselben aus nach hinten verlaufenden Ringflansch 57, welcher an dem Kuppelende 17 durch Verschweißen oder auf ähnliche Weise befestigt ist. Eine zweite 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 F i g. 1 und 2 in den Brennraum 13 hineinragt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Zufuhr von Luft und Brennstoff für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks mit einem Brennstoff injektor, der mehrere Brennstoff-Auslaßöffnungen an seinem äußeren Umfang aufweist, und mit einer Luftleiteinrichtung zum Einleiten von Luft, deren Strömungsrichtung Geschwindigkeitskomponenten in radialer und in Umfangsrichtung aufweist und die den eingespritzen Brennstoff mitnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleiteinrichtung eine Scheibe (34) mit einer Mittelöffnung (42) aufweist, in die der Brennstoffinjektor (32) axial verschiebbar eingesetzt ist und in der von ihrer stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite hindurchführende, von außen nach innen verlaufende und in Umfangsrichtung geneigte Luftströmungskanäle (38) ausgebildet sind, die Luftstrahlen auf den Brennstoffinjektor (32) richten.

2. Brennstoff-Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Luftströmungskanäle (3Ba) jeweils an Brennstoffauslaßöffnungen (33) im wesentlichen tangential auf den Brennstoffinjektor (32) gerichtet ist

3. Brennstoff-Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Luftströmungskanäle (386,) jeweils an einem Punkt zwischen zwei benachbarten Brennstoffauslaßöffnungen (33) im wesentlichen tangential auf den Brennstoffinjektor (32) gerichtet ist.

4. Brennstoff-Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (34) auf ihrer stromabwärtigen Seite gegen den Flansch (45) eines Rohres (36) mit in Strömungsrichtung zunächst abnehmendem und dann wieder zunehmendem Innendurchmesser radial verschiebbar anliegt.

5. Brennstoff-Einspritzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts von dem Rohr (36) mit in Strömungsrichtung zunächst abnehmendem und dann wieder zunehmendem Innendurchmesser eine zweite Luftleiteinrichtung (37) angeordnet ist zur Zuführung von Luft mit einer Drallrichtung entgegengesetzt zur Drallrichtung der Luft aus der ersten Luftleiteinrichtung.

6. Brennstoff-Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Luftströmungskanäle (38) nach Parallelverschiebung bis zum Schnitt mit der Achse des Brennstoffinjektors (32) mit dieser einen Winkel (<x) zwischen 35° und 85° einschließen.