DE2910464A1

DE2910464A1 - Brennstoffinjektor fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2910464A1
Application number: DE19792910464
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Douglas Willis
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-03-18
Filing date: 1979-03-16
Publication date: 1979-09-20
Also published as: JPS597886B2; FR2420039A1; FR2420039B1; IT7920721A0; IT1111890B; JPS54130718A

Description

Patentanwälte DιcI,-Ing. Curt Wallach

^ Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

2910484 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 16. Mär Z 1979

Unser Zeichen: 16 52^ -

Anmelder: Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Bezeichnung! Brennstoffinjektor für ein

Gasturbinentriebwerk

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Die Ei'findung bezieht sich auf einen Brennst off injektor für Gasturbinentriebwerksanlagen, die mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden müssen, beispielsweise mit flüssigem und gasförmigem Brennstoff, verflüssigtem Naturgas, verflüssigtem Ithan und mit Ithan angereichertem Gas und Dieselöl.

G-emäß der Erfindung ist ein solcher Brennst off insekt or, der in der Lage ist, diese Brennstoffe zu verarbeiten, in der Weise ausgebildet, daß er einen Aufbau besitzt, welcher einen Flüssigbrennstoffkanal, einen Gasbrennstoffkanal und eine Brennstoffablenkvorrichtung aufweist, wobei beide Brennstoffkanale in entsprechenden Flüssigbrennstoff- und Gasbrennstoffdüsen enden, daß die flüssigbrennstoff düse mehrere Primärbrennstofföffnungen aufweist, aus denen Primärbrennstoff auf die Brennstoffablenkvorrichtung austreten kann, daß die Flüssigbrennstoffdüse außerdem einen Hauptbrennstoffauslaß besitzt, der durch einen vorgespannten Yentilkörper abschließbar ist, daß ein Prallkörper stromab des Hauptflüssigbrennstoffauslasses vorgesehen ist und daß in Kombination mit dem Aufbau, der den Gasbrennstoffkanal bildet, ein Brennstoffauslaßkanal definiert wird, durch den öowohl Flüssigbrennstoff als auch Gasbrennstoff strömen kann, und daß eine Hochdruckluft strönnmg durch den Brennstoffauslaßkanal hindurchgeleitet werden kann·

Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist ein Brennstoffinjektor gemäß vorliegender Erfindung einen Zentralkörper auf, der einen Flüssigbrennstoffkanal besitzt, welcher in

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einer Vielzahl von Düsen endet und an eine Brennstoffzufuhr einriebtung angeschlossen werden kann. Eine Ummantelung ist im Abstand um den Zentralkörper angeordnet und bildet einen ringförmigen G-asbrennstoffkanal mit diesem Zentralkörper. Dieser Kanal ksnn mit der Brennstoffzuführungsvorrichtung verbunden werden. Sin Prallkörper wird von der Ummantelung getragen und liegt stromab der Düsen. Eine Brennstoffablenkvorrichtung liegt koaxial innerhalb des Zentralkörpers. Der von den Düsen ausgespritzte Brennstoff tritt zwischen dem Prallkörper und der Ummantelung hindurch. Der flüssige Brennstoff, der durch die Mehrzahl der Düsen emittiert wird, trifft auf die Ablenkvorrichtung derart auf, daß der Brennstoffsprühkegelwinkel vermindert wird. Eine der übrigen Düsen wird durch einen "Ventilkörper geschlossen, der in Schließstellung vorgespannt ist. Eine Hochdruckluftströmung kann durch die Leitung in den Kanal strömen, der zwischen der Ummantelung und dem Zentralkörper ausgebildet ist, und demgemäß durch den Ringkanal zwischen Ummantelung und Prallkörper.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem Brennstoffinjektor gemäß der Erfindung,

Pig. 2 in. größerem Maßstab einen Teilschnitt des aus ]fig. 1 ersichtlichen Brennst of fin j ekt or s.

Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 weist in Strömungsrichtung hintereinander einen oder mehrere Verdichter

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12, eine Verbrennungseinrichtung 14· und eine oder mehrere Turbinen 16 auf, deren Abgase nach der Atmosphäre über eine lutzleistungsturbine 18 abgelassen werden, die zum Antrieb einer nicht dargestellten Last benutzt werden kann, beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators oder einer Pumpe.

Die Verbrennungseinrichtung 14 weist mehrere im Winkelabstand zueinander angeordnete Flammrohre 20 auf, und jedes dieser Flammrohre ist am stromaufwärtigen Ende mit einem Brennstoffinjektor 22 versehen.

Jeder Brennstoff injektor 22 weist einen Zentral körper 24 auf, der an einem Brennstoffzuführungsarm 26 mittels einer Ummantelung 28 festgelegt ist. Der Zentralkörper 24 weist eine hohle äußere Hülse 30, eine Düse 32, eine innere Hülse 3^- "und eine Endkappe 36 auf, die über die Innenhülse 34-die Düse 32 in ihrer Lage festhält. Die Innenhülse 34 besitzt mehrere in TJmfangsriclrtung, angeordnete Öffnungen 38, um der Düse 32 flüssigen Brennstoff zuzuführen. Die Düse 32 weist mehrere Primärbrennst off off mangen 40 und eine Haupt brennst off öffnung 42 auf, die durch, einen federbelasteten Ventilzapfen 44 abgeschlossen ist. Per Ventilzapfen 44 wird durch eine Feder 46 in Schließstellung gehalten, die mib einem Ende gegen einen Flansch 48 des Ventilkörpers 50 der Düse 32 abgestützt ist und mit dem anderen Ende einem Bund 52 anliegt, der auf dem Ventilzapfen gleitbar ist und auf diesem Ventilzapfen durch eine aus Mutter und Unterlegscheibe bestehende Anordnung 54- gehalten wird. Der Bund 52 ist mit mehreren Kolbenringstegen 56 versehen, die in einer Bohrung 58 laufen, welche in der Innenhülse 34 ausgebildet ist, und die Bohrungen und die Kolbenstege

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sind so bemessen, daß ein kleines Spiel zwischen ihnen vorhanden ist, durch welches flüssiger Brennstoff gelangen und den «Raum 60 hinter dem Ventilzapfen ausfüllen kann. Der Ventilkörper 50 der Düse 32 besitzt mehrere im gleichen Abstand zueinander angeordnete Öffnungen 62, durch die flüssiger Brennstoff nach den öffnungen 40 und 42 gelangen kann. Die äußere Hülse 30 besitzt eine Primärbrennstoffablenkoberfläche 64, gegen die im Betrieb Brennstoff aus den Öffnungen 40 auftrifft, wobei er einen Konus 66 aus Primärbrennstoff bildet.

Die Ummantelung 28 bildet zusammen mit dem Zentralkörper 24 einen ringförmigen Gasbrennstoffkanal 68 und ist mit mehreren im gleichen Abstand zueinander angeordneten Lufteinlaßöffnungen 70 ausgestattet, durch die im Betrieb komprimierte Luft vom Kompressor 12 strömen kann.

Ein im wesentlichen konisch gestalteter Prallkörper 72 liegt stromab des Ventilzapfens 44 und wird von nicht dargestellten Trägern von der Ummantelung 28 aus gehaltert. Das stromabwärtige Ende des Prallkörpers 72 besitzt einen metallischen wärmeschild 74 und im Betrieb wird der wärmeschild der Innentemperatur des Flammrohres ausgesetzt und überträgt demgemäß auf den Prallkörper 72 genügend Wärme, um auf dem Prallkörper die Ansammlung vonKohlenstoffzusammenballungen zu verhindern.

Der Prallkörper 72 bildet zusammen mit dem stromabwärtigen Ende der Ummantelung 28 einen Ringkanal 76, durch den Primär- und Hauptbrennstoff (beide flüssig und gasförmig) strömen kann.

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Der Brennstoff zuführungsarm besitzt zwei Brennstoffzuführungsleitungen 78 und 80, wobei die Leitung 78 die Leitung für flüssigen Brennstoff ist, die mit den Öffnungen 40 und 42 über die Öffnungen 38 und 62 in Verbindung steht , während die Leitung 80 die Gasbrennstoffzuführleitung ist, die mit dem Kanal 76 über den Kanal 68 in Verbindung steht.

Der Brennstoffinjektor 22 ist so ausgelegt, daß er hauptsächlich mit flüssigem Naturgas (NGL) oder flüssigem Xthan betrieben werden kann, und um diese Brennstoffe am Austrittspunkt vom Injektor an der Öffnung 42 bis zu Temperaturen von 65,56°C (150⁰J¹) flüssig zu halten, müssen die Brennstoffe in der Lage sein, innerhalb des Körpers 50 unter einem Druck von 41,3 bar zu stehen, und es ist daher eine nicht dargestellte Pumpe in der Brennstoffzuführungsleitung stromab sämtlicher BrennstoffZuführungskanäle 78 angeordnet, die einen Förderdruck bis zu 68,9 bar hat. Der Injektor ist außerdem in der Lage, Dieselbrennstoff zu verarbeiten, der ebenfalls über die Leitungen 78 zugeführt wird.

Wenn im Betrieb das Gasturbinentriebwerk 10 mit flüssigem Erdgas oder flüssigem Ithan oder mit Dieseltreibstoff betrieben wird, dann strömt der Brennstoff zuerst durch die PrimärbrennstoffÖffnungen 40 und bildet den Primärbrennstoffkonus 66 infolge der Wirkung der konischen Ablenkoberfläche 64. Wenn der Druck des Brennstoffes in dem Körper 50 ausreicht, um die Kraft der Feder 46 zu überwinden, dann wird sich der Yentilkolben, bewegen und der Brennstoff verläßt denlnjektor über die öffnung 42 und bildet einen Hauptbrennstoff konus 82, der zusammen mit dem

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Primärbrennstoffkonus durch die Öffnung 76 hindurchtritt. Das Vorhandensein von flüssigem Brennstoff in dem Raum 60 bewirkt eine Dämpfung sämtlicher Schwingungen des Ventilzapfens, die infolge plötzlicher Änderungen des Brennstoffbedarfs auftreten könnten.

Der Scheitelwinkel des im wesentlichen konischen Sprühstrahles des Hauptbrennstoffs wird durch die Notwendigkeit bestimmt, daß er an dem Prallkörper vorbeistreicht, und im typischen Fall beträgt der Winkel 90°. Dieser Winkel ist sehr geeignet für den Formallauf des Triebwerks 10, aber er ist zu groß, um eine gute Stabilität bei Schwachlast aufrechtzuerhalten oder um günstige Hochbrenn- oder Rundbrenneigenschaften zu gewährleisten.(d. h. es kann leicht eine schwache Auslöschung auftreten und die Verbrennung läuft in einem Flammrohr 20 nicht schnell genug an und es erfolgt dann nicht schnell genug eine Ausbreitung nach benachbarten Flammrohren 20). Der aus den Öffnungen 40 ausgespritzte Brennstoff trifft jedoch auf die Ablenkoberfläche 64 und wird von dieser in einem im wesentlichen konischen Sprühstrahl abgelenkt, dessen Spitzenwinkel ungefähr 70° beträgt, was ausreicht, um an dem Prallkörper 72 frei vorbeizugelangen, und wodurch im wesentlichen die Probleme einer Schwachverbrennung und des Hochlaufs bzw. des Rund— laufs der Verbrennung gelöst werden.

Der Durchtritt von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff durch die ummantelung 28 findet gleichzeitig mit der Strömung der Luft durch die Ummantelung statt und die Luftströmung durch die Ummantelung bewirkt nicht nur eine Atomisierung des Brennstoffs, sondern sie trägt auch dazu bei zu gewährleisten, daß der Brennstoff von den öffnungen 40,

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42 und dem Kanal 68 weg verbrannt wird. Dev Prallkörper ■unterstützt die Atomisierung des Brennstoffs und der Brennstoff und die Luft werden in einer gewünschten Eichtung zwischen Prallkörper 72 und stromabwärtigem Ende der ■ummantelung 28 gerichtet.

Der Gasführungskanal 80 steht an einem Ende mit dem Strömungskanal 68 in Verbindung und am anderen Ende mit einer Gasringleitung 84 (Fig. 1). Die Leitung 78 für flüssigen Brennstoff steht mit einer Ringleitung 86 für flüssigen Brennstoff (Fig. 1) in Verbindung und empfängt hiervon Brennstoff.

Die Ringleitungen 8A-, 86 sind über Leitungen 88, 90 mit einer Zwillingsbrermstoffsteuerstufe 92 verbunden, die Mittel aufweist (nicht dargestellt), um die Möglichkeit zu schaffen, gasförmigen Brennstoff und flüssigen Brennstoff entweder gleichzeitig oder getrennt voneinander zu benutzen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß dann, wenn der Brennstoffinjektor 22 mit flüssigem Brennstoff allein betrieben wird, ein Problem auftritt, indem der flüssige Brennstoff gelegentlich in den Gasbrennstoffkanal 68 zurückspritzen kann, wo eine spontane Zündung erfolgt.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß zwei Abschaltventile 94, 96 (Fig. 1) an die Gasbrennstoffleitung 88 angeschaltet sind. Die Ventile 94, 96 sind so angeordnet, daß in der Öffnungsstellung des einen Ventils das andere abgesperrt ist und umgekehrt. Das Ventil 94 liegt in einer Leitung 98, die die Gasbrennstoffleitung 88 mit einer

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Druckluftquelle verbindet, die gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Abzapfung am Auslaß des Kompressors 12 ist. Das Yentil 96 liegt stromauf der Verbindung zwischen den Leitungen 88 und 98 und liegt in der Gasbrennstoff leitung 83.

Wenn im Betrieb nur flüssiger Brennstoff verbrannt werden soll, dann wird die Gasbrennstoffzufuhr durch das Ventil 96 abgesperrt, während das Ventil 94· geöffnet wird, um eine kontinuierliche Strömung komprimierter Luft aus der Leitung 98 nach dem Gasbrennstoffkanal 88 über die Leitung 88, die Gasringleitung 84 und den Kanal 80 zu überführen.

Durch das Vorhandensein des Prallkörpers 72 und der Ummantelung 28 wird verhindert, daß zersetzter Brennstoff, z. B. Kohlenstoff usw., auf dem Ventilzapfen 44 abgelagert wird und die Primärbrennstofföffnungen 40 blockiert.

Der Zentralkörper 24- kann von flüssigem Brennstoff dadurch gereinigt werden, daß gasförmiger Brennstoff aus dem Kanal 80 abgezapft und in den Kanal 78 geblasen wird, wodurch der flüssige Brennstoff aus dem Zentralkörper durch die Primärbrennstofföffnungen 40 ausgestoßen wird.

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Claims

Patentanwaits Dipi.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

2 q -j λ / g ζ Dip!.-Phys. Dr.Tino Haibach

* * Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89} 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 16 „ MOTZ 1979

Unser Zeichen: 16 523 K/Nu

Pat ent anspräche

.y Brennst off injektor für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Aufbau, der einen Brennstoffkanal für flüssigen Brennstoff, einen Brennstoffkanal für gasförmigen Brennstoff und eine Brennstoffablenkvorrichtung aufweist, wobei beide Brennstoffkanäle jeweils in einer Brennstoffdüse für den flüssigen bzw. gasförmigen Brennstoff enden, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse für flüssigen Brennstoff mehrere Primärbrennstofföffnungen und einen Hauptbrennstoffauslaß besitzt, der durch einen vorbelasteten Ventilkörper verschließbar ist, daß ein Prallkörper stromab der Hauptbrennstoffauslaßöffnung vorgesehen ist und in Kombination mit dem den gasförmigen Brennstoffkanal definierenden Aufbau einen Brennstoffauslaßkanal definiert, durch den sowohl flüssiger als auch gasförmiger Brennstoff strömen kann, wobei eine Hochdruckluftströmung durch den Brennstoffauslaßkanal geschickt werden kann.
2. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau einen Zentralkörper aufweist,

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der einen Kanal für flüssigen Brennstoff "besitzt, der in einer Vielzahl von Primärbrennstoffdüsen -und einer Eaupt brennstoff düse endet, daß der Primärbrennstoff auf die Brennstoffablenkvorrichtung auftrifft, die eine teilkegelförmige Oberfläche auf dem Zentralkörper bildet, und daß die Hauptbrennstoffdüse durch ein federbelastetes Ventil absperrbar ist.
3. Brennstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper eine äußere Hülse aufweist, die eine innere Hülse umgibt, in der ein Düsenkörper angeordnet ist, daß der Düsenkörper die Primärbrennstoffdüsen und die Hauptbrennstoffdüse und den federbelasteten Ventilkörper umfaßt, während die äußere und innere Hülse zwischen sich einen Ringabschnitt des Kanals für flüssigen Brennstoff definieren, der über Öffnungen in der Innenhülse mit einem weiteren Eingab— schnitt des Plüssigbrennstoffkanals in Verbindung steht, welcher zwischen der Iimenhülse und dem Düsenkörper ausgebildet ist.
4-. Brennst offing ekt or nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau eine Ummantelung aufweist, die im Abstand um den Zentralkörper herumgelegt ist und mit diesem den Gasbrennstoffkanal bildet.
5· Brennst offing ekt or nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper von der Ummantelung getragen wird und einen Wärmeschild enthält.
6. Brennstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß er einen Zentralkörper mit

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einem Flüssigbrennstoffkanal aufweist, der in mehreren Düsen endet und an eine Brennstoffiiufütrungsvorrichtung anschaltbar ist, daß eine Ummantelung im Abstand um den Zentralkörper herum angeordnet ist und einen ringförmigen Gasbrennstcffkanal hiermit bildet, d-ex· mit einer Brennstoffsuführungsvorrichtung verbindbar ist, daß ein Px'allkörper von der Ummantelung getragen wird und stromab der Düsen angeordnet ist, daß eine Brennstoffablenkvorrichtung koaxial innerhalb des Zentralkörpers angeordnet ist, daß der von den Düsen für flüssigen und gasförmigen Brennstoff emittierte Brennstoff zwischen dem Prallkörper und der Ummantelung nach außen tritt, daß der flüssige Brennstoff, der durch die meisten Düsen emittiert wird, auf die Ablenkvorrichtung so auftrifft, daß der Brennstoffsprühwinkel verkleinert wird, wobei eine der verbleibenden Flüssigbrennstoffdüsen durch einen "Ventilkörper abschließbar ist, der in die Schließstellung vorgespannt ist, und daß eine Hochdruckluftströmung durch den Kanal in die Leitung strömt, die zwischen der Ummantelung und dem Zentralkörper ausgebildet ist,und demgemäß durch den Kanal zwischen der Ummantelung und dem Prallkörper.

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