DE2910464A1 - Brennstoffinjektor fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents
Brennstoffinjektor fuer ein gasturbinentriebwerkInfo
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- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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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
London SWlE 6AT
England
Bezeichnung! Brennstoffinjektor für ein
Gasturbinentriebwerk
909838/0913
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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-0-
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 (6)
- Patentanwaits Dipi.-Ing. Curt WallachDipl.-Ing. Günther Koch2 q -j λ / g ζ Dip!.-Phys. Dr.Tino Haibach* * Dipl.-Ing. Rainer FeldkampD-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89} 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai dDatum: 16 „ MOTZ 1979Unser Zeichen: 16 523 K/NuPat 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,909838/0913der 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 mit909838/0913einem 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.909838/0913
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