DE2710618A1

DE2710618A1 - Brennstoffeinspritzduese fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2710618A1
Application number: DE19772710618
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1977-03-11
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1978-09-14
Also published as: GB1600158A; FR2383319A1; FR2383319B3; DE2710618C2; US4229944A

Description

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MÖNCHEN GMBH £f 2 7 I O O I O

München, den 28. Februar 1977 Brennstoffeinspritzdüse für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzdüse für mit mindestens einem Wärmetauscher zur Verbrennungsluftaufheizung ausgerüstete Gasturbinentriebwerke, wobei die Brennstoffeinspritzdüse einen koaxial zur Düsenlängsachse verlaufenden Ringkanal aufweist, der mittels vom Wärmetauscher nicht aufgeheizter Kühlluft belüftbar ist.

Bei Gasturbinentriebwerken mit Wärmetauschern wird häufig beobachtet, daS die Einspritzdüsen an den Brennkammern verkoken, was erheblichen Betriebsstörungen, bisweilen aber auch zum Ausfall der Maschine führt. Derartige Störungen sind im Prinzip leicht zu beheben, jedoch ist je nach Konzeption und Einbauverhältnissen der Maschine mit einem erheblichen Aufwand an Zeit und Mitteln zu rechnen. Bei Wärmetauschergasturbinen mit Ringumkehrbrennkammern ist es z.B. üblich, die Brennstoffringleitung samt den Einspritzdüsen innerhalb des Maschinengehäuses anzuordnen, eine Reinigung verkokter Einspritzdüsen würde in diesem Falle eine Teilzerlegung der Maschine bedeuten, was so gut wie nie bei eingebauter Gasturbine erfolgen kann.

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Die Verkokung der Düsen entsteht durch Crack-Prozesse, wenn der Brennstoff innerhalb des Düsensystems über die für die jeweiligen Kohlenwasserstoffe im Brennstoff charakteristische Temperatur hinaus erhitzt wird. Die höchsten Temperaturen treten üblicherweise an der Düsenspitze auf, die Aufheizung erfolgt dort durch Konvektion und vor allem durch Strahlung aus dem Brennraum. Mit Rücksicht auf die Festigkeit werden Einspritzdüsen üblicherweise aus warmfesten Werkstoffen hergestellt, die in der Regel sehr niedrige Wärmeleitzahlen aufweisen. Dadurch kommt es in den Bereichen, in denen die Wärme einfällt, zu örtlich hohen Bauteiltemperaturen, weil die eingefallene Wärme nicht schnell genug an kühlere Zonen weitergeleitet oder an den Brennstoff abgegeben wird. Dies hat zur Folge, daß im niederen Teillastbereich (kleiner Brennstoffdurchfluß) und vor allem nach dem Abstellen der Maschine (Brennstoffdurchfluß null) an der Düsenspitze die Bedingungen für das Cracken des Brennstoffs gegeben sind und die eingangs geschilderten Störungen entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Rahmen des angesprochenen Problemkreises auftretenden Nachteile zu beseitigen und eine Einspritzdüse für Gasturbinentriebwerke zu schaffen, die weitgehend vor unmittelbarem Wärmeeinfall geschützt ist und gezielt gekühlt werden kann, wobei insbesondere die im Bereich der Düsenspitze eingefallene Wärme so schnell wie möglich an kühlere Bauteile bzw. Maschinenbereiche abgeführt werden soll.

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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungsgemäß die Kombination folgender Merkmale vorgesehen:

a) Die Brennstoffeinspritzdüse ist in einem zum Teil das Außengehäuse der Brennkammer bildenden, in das Maschinengehäuse integrierten Bauteil gehaltert und von dort Ober eine in der Flammrohrrückwand enthaltene Primärluftzufuhrbohrung in die Primärzone der Brennkammer geführt;

b) der mittels Kühlluft beaufschlagbare Ringkanal der Einspritzdüse ist zwischen einer äußeren Abschirmwand und einem für die Brennstoffzuführung hülsenartgen Zentralkörper angeordnet der mittels im Einspritzkopf enthaltener Brennstoffzufuhrbohrungen mit dem stirnseitigen Abschnitt des Ringkanals und weiter mittels in diesem Bereich in der Abschirmwand enthaltener Zuströmöffnungen mit der Primärzone in Verbindung steht;

c) der Zentralkörper für die Brennstoffzuführung stützt sich ausschließlich über im Bereich des Brennkammeraußengehäuses sowie im Bereich des Einspritzkopfes angeordnete Berührungsflächen an der äußeren Abschirmwand ab, die vorzugsweise im außengehäuseseitigen Bereich der Brennkammer zum festen Bestandteil des Düsenkörpers gehört.

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Die Erfindung geht im übrigen von einer bekannten Brennstoffeinspritzdüse nach der DT-AS 2 036 756 aus, mit dem Ziel einer vorteilhaften Heiterentwicklung dieser bekannten Lösung, insbesondere im Rahmen des eingangs behandelten Problemkreises.

Bezüglich weiterer vorteilhafter Erfindungsmerkmale wird auf die übrigen Dnteransprüche verwiesen.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung dann beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen hauptsächlich eine ümkehrringbrennkammer mit Einspritzdüse und zugeordnetem Verdampfer erläuternden Hittellängsschnitt einer Gasturbinentriebwerkspartie,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößert wiedergegebene Darstellung der Einspritzdüse unter Zuordnung von Einzelheiten der Brennkammer und des Brennstoffverdampfers - jeweils als Mittellängsschnitt und

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III - III der Fig.

Gemäß Fig. 2 weist die Brennstoffeinspritzdüse 1 einen koaxial zur Düsenlängsachse 2 verlaufenden Ringkanal 3 auf, der mittels vom in der Zeichnung nicht weiter dargestellten Wärmetauscher nicht aufgeheizter Kühlluft beaufschlagbar ist.

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Die Kühlluft wird hierbei unmittelbar am Verdichteraustritt entnehmen und über eine in das Triebwerksgehäuse 4 (Fig. 1) integrierte Leitung 5 dem Ringraum 6 zugeführt, von wo die Kühlluft über die Kühlluftzufuhrkanäle 7, 8 in den Ringkanal 3 gelangt.

Die Brennstoffeinspritzdüse 1 ist weiter in einem zum Teil das Außengehäuse der Brennkammer bildenden, in das Maschinengehäuse 4 integrierten Bauteil 9 (Fig. 1) gehaltert und von dort über eine in der Flammrohrrückwand 10 der Ring-Umkehr-Brennkammer enthaltene Primärluftzufuhrbohrung 11 in die Primärzone der Brennkammer geführt; im übrigen durchragt die Brennstoffeinspritzdüse 1 weiter einen zwischen dem Bauteil 9 bzw. dem Brennkammeraußengehäuse 12 und dem Flammrohr 13 gebildeten Ringkanal 14, der über einen Eintrittsdiffusor 15 und ein rohrförmiges Gehäuseeinlaßstück 16 mittels vom Wärmetauscher aufgeheizter Verdichterluft beaufschlagbar ist, die u.a. als Verbrennungs- und Nischluft für den Verbrennungsprozess herangezogen werden soll.

Wie weiter aus Fig. 2 ersichtlich, soll der Einspritzdüse 1 zwischen einer äußeren Abschirmwand 17, 18* und einem für die Brennstoffzuführung - Pfeil B - hülsenartigen Zentralkörper angeordnet sein, der mittels im Einspritzkopf 19 enthaltener Brennstoffzufuhrbohrungen 20, 22 mit dem stirnseitigen Abschnitt des Ringkanals 3 und weiter mittels in diesem Bereich 17' in der Abschirmwand enthaltener Zustromöffnungen 23, 24, mit der Primärzone in Verbindung steht.

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Im Interesse einer möglichst geringen Temperaturbelastung, insbesondere im einspritzkopfseitigen Bereich, soll sich weiter der Zentralkörper 18 ausschließlich über im Bereich des Einspritzkopfes 19 sowie im Bereich des Brennkammeraußengehäuses (Bauteil 9) angeordnete Berührungsflächen 26 bzw. 27 (Fig. 3) an der äußeren Abschirmwand 17 bzw. 18' abstützen, die vorzugsweise im auBengehäuseseitigen Bereich der Brennkammer zum festen Bestandteil des Düsenkörpers gehört. Die zwecks geringer Temperaturbelastung des Zentralkörpers 18 möglichst klein zu wählenden Berührungsflächen 26 bzw. 27 werden von in Umfangsrichtung gleichförmig verteilt an den jeweiligen Umfangsstellen des Zentralkörpers 18 vorspringenden Stegen 28, 29 gebildet.

Wie aus Fig. 1 und 2 weiter entnehmbar, kann die Brennstoffeinspritzdüse 1 in das Bohr 30 eines Brennstoff-Verdampfers eingebaut sein, welcher mit gegen die Flammrohrrückwand 10 abgebogenen Rohrendstücken 31 versehen ist.

Ob besonders die im einspritzseitigen Bereich einfallende Warme möglichst rasch in kühlere Maschinenbereiche (DOsenhalterung, Maschinengehause) abzuführen, kann weiter der Zentralkörper - (Düsenstock) - einschließlich des übrigen, die Kühlluftzufuhrkanäle 7, 8 sum Ringkanal 3 enthaltenden, aus einem Stück gefertigten Düsenkörpers aus einem Werkstoff mit verhältnismäßig hoher Wärmeleitzahl, z.B. einer Kupferlegierung, hingegen der gesondert vom Düsenkörper zu fertigende Teil der äußeren

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Abschirmwand 17 aus einem Werkstoff, z.B. einer Nickellegierung, mit verhältnismäßig niedriger Wärmeleitzahl, aber mit der erforderlichen hohen Warmfestigkeit gefertigt sein.

Z.B. bei einer Umkehr-Ring-Brennkammer nach Fig. 1 ist selbstverständlich die Verwendung mehrerer derartiger Brennstoffeinspritzdüsen vorgesehen, die in gleichförmigen Abständen zueinander, koaxial zur Triebwerkslängsachse angeordnet sind und die durch eine ringförmige gemeinsame Brennstoffleitung 32 untereinander verbunden sein sollen.

In den Zeichnungen nicht weiter dargestellt, soll erfindungsgemäß als ergänzende Maßnahme zur Vermeidung des Verkokens der Einspritzdüsen das Brennstoffeinspritzsystem (Düsen nebst Ringleitung) nach dem Abschalten des Triebwerks durch Umschalten eines Drei-Wege-Ventils mit der Atmosphäre bzw. mit dem gegen die Atmosphäre entlüfteten Brennstofftank in Verbindung bringbar sein.

Dieses Ventil ist so zu schalten, daß während des normalen Betriebs der Durchfluß von der Brennstoffpumpe zur Einspritzdüse bzw. zur Ringleitung mit den Einspritzdüsen erfolgt. Beim Abstellen der Haschine wird mit dem Stopsignal das Drei-Wege-Ventil so umgelegt, daß die Einspritzdüse, gegebenenfalls die Einspritzdüsen mit der Brennstoffringleitung, mit dem Brennstofftank, gegebenenfalls mit der Umgebung verbunden wird. Da während des Auslaufens des Gasgenerators der Druck im Brennkammerbereich immer

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höher als im Tank oder der Triebwerksumgebung ist, wird der in der Einspritzdüse bzw. der in den Einspritzdüsen und der Brennstoff ringleitung stehende Brennstoff aus dem Triebwerk gedrückt. Dabei werden die Düsen automatisch durchgeblasen, ein Verkoken der Düsen wahrend des Stillstands der Gasturbine unmittelbar nach deren Abstellen ist somit ausgeschlossen. Damit bei Brennkammern mit mehreren Einspritzdüsen (z.B. Ringuinkehrbrennkanraern) sämtliche Düsen auf diese Weise vor dem Verkoken geschützt werden, ist es notwendig, daß die Brennstoffeinspeisung in die Brennstoff ringleitung an deren tiefster Stelle erfolgt.

Beim Gasturbinentriebwerk nach Fig. 1 kann es sich z.B. um ein Aggregat mit einwelligem Gaserzeuger handeln, bestehend aus einem in der Zeichnung nicht weiter dargestellten Radialverdichter, der in Fig. 1 wiedergegebenen Ümkehr-Ring-Brennkammer sowie der teilweise weiter aus Fig. 1 entnehmbaren Verdichterantriebsturbine deren Leit-bzw. Laufschaufeln der Reihe nach mit 33, 34 bzw. 35, 36 bezeichnet sind. Der Verdichterantriebsturbine kann eine fliegend gelagerte Nutzturbine nachgeschaltet sein. Die die Nutzturbine verlassenden Abgase sollen - bevor sie über eine Auspuffleitung ins Freie abströmen - einem z.B. als Rekuperativ-Wärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher zugeführt werden, der gleichzeitig mittels vom Radialverdichter geförderter Luft vor deren Eintritt in die Brennkammer - durchströmt wird. Auf diese Weise soll hauptsächlich die Verbrennungsluft mittels

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eines Teiles der im Abgas enthaltenen Härme stets vorgewärmt der Brennkammer zugeführt werden.

Im Rahmen der Erfindung ist es hierbei zwecks intensiver Kühlung und möglichst geringer Verkokungsgefahr der Einspritzdüse wichtig, daß die zur Düsenkühlung verwendete Luft am Verdichteraustritt entnommen und unter Umgehung des Wärmetauschers unmittelbar den Kühlzwecken zugeführt wird.

Die Erfindung ist ferner für alle Gasturbinentriebwerksarten einsetzbar, sei es, daß es sich hierbei um sogenannte "Kleingasturbinentriebwerke" oder um Gasturbinenstrahltriebwerke zum Antrieb von Flugzeugen handelt.

Im letzeren Fall kann die erfindungsgemäße Einspritzdüse durchaus vorteilhaft einsetzbar sein, obwohl z.B. ein Wärmetauschersystem der beschriebenen Art nicht vorgesehen sein sollte. In diesem Falle wäre eine Kühlung der in den Ringkanal 3 der Einspritzdüse eingeleiteten Kühlluft, z.B. mit Brennstoff, von Vorteil.

Die erfindungsgemäße Einsprxtzdüsenanordnung und -ausbildung kann durchaus weiter auch bei anderweitigen Brennkammertypen vorteilhaft zum Einsatz gebracht werden, so z.B. bei reinen Ringbrennkammern, die im Sinne der Triebwerkshauptströmung axial durchströmt werden oder bei Einzel- bzw. Rohrbrennkammern oder bei sogenannten "kombinierten Ring-Rohrbrennkammern".

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

Brennstoffeinspritzdüse für mit mindestens einem Wärmetauscher zur Verbrennungsluftaufheizung ausgerüstete Gasturbinentriebwerke, wobei die Brennstoffeinspritzdüse einen koaxial zur Düsenlängsachse verlaufenden Ringkanal aufweist, der mittels vom Wärmetauscher nicht aufgeheizter Kühlluft belüftbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmalet

a) Die Brennstoffeinspritzdüse (1) ist in einem zum Teil das Außengehäuse der Brennkammer bildenden, in das Maschinengehäuse (4) integrierten Bauteil (9) gehaltert und von dort über eine in der Flammrohrrückwand (10) enthaltene Primärluftzufuhrbohrung (11) in die Primärzone der Brennkammer geführt;

b) der mittels Kühlluft beaufschlagbare Ringkanal (3) der Einspritzdüse (1) ist zwischen einer äußeren

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ORIGINAL INSPECTED

Abschirmwand (17, 18') und einem für die Brennstoffzuführung hülsenartigen Zentralkörper (18) angeordnet, der mittels im Einspritzkopf (19) enthaltener Brennstoffzufuhrbohrungen (20, 22) mit dem stirnseitigen Abschnitt des Ringkanals und weiter mittels in diesem Bereich (17*) in der Abschirmwand enthaltener Zuströmöffnungen (23, 24, 25) mit der Primärzone in Verbindung steht;

c) der Zentralkörper (18) für die Brennstoffzuführung stützt sich ausschließlich über im Bereich des Einspritzkopfes (19) sowie im Bereich des Brennkammeraußengehäuses (Bauteil 9) angeordnete Berührungsflächen (26, 27) an der äußeren Abschirmwand (17, 18') ab, die vorzugsweise im außengehäuseseitigen Bereich zum festen Bestandteil des Düsenkörpers gehört.
2. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in das Rohr (30) eines Brennstoff-Verdampfers hineinragt.
3. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (18) -(Düsenstock)-einschließlich des übrigen, die Kühlluftzufuhrkanäle (7, 8) zum Ringkanal (3) enthaltenden aus einem Stück gefertigten

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Düsenkörpers aus einem Werkstoff mit verhältnismäßig hoher Wärmeleitzahl, z.B. einer Kupferlegierung, hingegen die gesondert zugeordnete äußere Abschirmwand (17) aus einem Werkstoff, z.B. einer Nickellegierung, mit verhältnismäßig niedriger Wärmeleitzahl aber ausreichender Warmfestigkeit gefertigt ist.
4. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1,2 und 3, gekennzeichnet durch die Verwendung mehrerer derartiger Brennstoffeinspritzdüsen, die durch eine gemeinsame Brennstoffringleitung (32) untereinander verbunden sind, vorzugsweise bei einer Umkehr-Ringbrennkammer eines Gasturbinentriebwerks.
5. Brennstoffeinspritzdüse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzsystem (Düsen nebst Ringleitung) - wie an sich bekannt - nach dem

' Abschalten des Triebwerks durch Umschalten eines Ventils mit der Atmosphäre bzw. mit dem gegen die Atmosphäre entlüfteten Brennstofftank in Verbindung bringbar ist.

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