DE2947130A1

DE2947130A1 - Brennstoffinjektor fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2947130A1
Application number: DE19792947130
Authority: DE
Inventors: Denis Richard Carlisle; Neville Raymond Holmes; Eric Hughes
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-11-23
Filing date: 1979-11-22
Publication date: 1980-05-29
Also published as: JPS5575535A; IT1125689B; IT7927279A0; US4327547A; FR2442340A1; FR2442340B1; DE2947130C2

Description

Pa.onLinwälti Dipi.-lr.g. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

3 Dipl.-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: 22. November 1979

Unser Zeichen: 16 766 - ft/Ap

Anmelder: Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London, SV/1 E 6AT
Großbritannien

Bezeichnung: Brennstoffinjektor für Gasturbinentriebwerke

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffinjektor, z.B. für Gasturbinentriebwerke, die mit flüssigem Brennstoff, einem gasförmigen Brennstoff oder einer Mischung von flüssigem und gasförmigem Brennstoff betrieben werden können, und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei derartigen Brennstoffinjektoren den Aufbau von Kohlenstoffpartikeln am Injektor zu vermindern und das Ausstoßen von Stickoxiden auf einem annehmbaren Pegel zu halten.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe bei einem Gasturbinen-Brennstoffinjektor dadurch gelöst, daß ein erster Körper mit einer Kanalanordnung für flüssigen Brennstoff, einer Kanalanordnung für gasförmigen Brennstoff und einer Kanalanordnung für eine Wasserzuführung vorgesehen ist, daß ein zweiter Körper innerhalb des ersten Körpers angeordnet ist, daß ein erster Strömungskanal zum Durchfluß komprimierter Luft in Verbindung mit der Kanalanordnung für den flüssigen Brennstoff und die Wasserzuführung steht, wobei ein zentraler zweiter Strömungsmittelkanal für den Durchfluß komprimierter Luft vorgesehen ist, der einen stromabwärtigen Diffus »«abschnitt und Strömungsrichtmittel aufweist, um eine Luftströmung auf wenigstens einen Teil des Diffusors zu richten.

Die Kanalanordnung für den flüssigen Brennstoff kann einen Speisekanal, eine Ringleitung und mehrere Löcher aufweisen, die tangential in die Leitung eingebohrt sind, wobei der Brennstoff, der in den ersten Strömungskanal eintritt, dadurch verwirbelt wird und einen vollständigen Brennstoffilm auf der Wand des ersten Strömungskanals bildet. Die Kanalanordnung für gasförmigen Brennstoff kann einen Gasbrennstoffkanal, einen partiellen Gasringkanal und eine Austrittsdüse umfassen. Spüllufteinlaßöffnungen können in der Wand des ersten Körpers benachbart zu den Gasaustrittsdüsen vorgesehen werden und Spül-

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luft, die vom Kompressor des Triebwerks zugeführt wird, verhindert daß der flüssige Brennstoff in die Gaskanäle eintritt.

Die Wasserzuführungskanalanordnung kann einen Wasserzuführungskanal, eine Ringleitung und mehrere radial verlaufende Löcher aufweisen, die in den Ringkanal eingebohrt sind, wobei die Wasserzuführungslöcher stromauf der Löcher für den flüssigen Brennstoff angeordnet sind.

Der erste Strömungskanal kann im Querschnitt nach seinem stromabwärtigen Ende schmaler werden, so daß eine Brennstoff-Luftmischung oder eine Brennstoff-Luft- und Wassermischung in dem ersten Strömungskanal am Austritt der Düse des ersten Strömungskanals auf eine maximale Geschwindigkeit beschleunigt wird, wo diese Strömung zwischen zwei Luftströme eingeschlossen wird, die aus den Spüllöchern und dem zweiten Strömungskanal austreten, wodurch die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs weiter verbessert wird, der bereits einer Zerstäubung unterworfen wurde, als er in den ersten Strömungskanal eintrat.

Wenn Wasser in den ersten Strömungskanal eingespritzt wird, dann wird dieses auch einer Zerstäubung unterworfen, und zwar in gleicher Weise wie der flüssige Brennstoff.

Der Diffusor des zweiten Strömungspfades kann aus einem Hauptdiffusor und einem Sekundärdiffusor bestehen, der innerhalb des Hauptdiffusers angeordnet ist. Die Strömungsrichtmittel bestehen zweckmäßigerweise aus mehreren Strömungsrichtöffnungen in der die stromaufwärtigen Enden von Haupt- und Sekundärdiffusor verbindenden Wand, und es verbleibt ein Spalt zwischen der Innenwand des Hauptdiffusors und dem stromabwärtigen Ende des Sekundärdiffusors, so daß ein Teil der komprimierten Luft, die durch den sekundären Strömungspfad abfließt, durch die Strömungs-

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richtöffnungen und den Spalt gelangt und die Innenwände des HauptdiffusOrs abwäscht.

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

Fig. 1 einen Teil eines Gasturbinentriebwerks mit

einem Brennstoffinjektor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 im Schnitt eine detaillierte Ansicht des

Brennstoffinjektors gemäß Fig. 1 in größerem Maßstab;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A gemäß Fig. 2.

Ein Brennstoffinjektor 10 ist in einem Gasturbinentriebwerk angeordnet, von dem nur Teile dargestellt sind, nämlich ein Triebwerksgehäuse 12, eine Verbrennungseinrichtung mit einem äußeren Gehäuse 14 und einer ringförmigen Brennkammer 16 sowie einem Ring von Düsenleitschaufein 18, die am Austritt des nicht dargestellten Kompressors angeordnet sind.

Jeder Brennstoffinjektor 10 weist einen ersten Körper 20 und einen innerhalb des ersten Körpers liegenden zweiten Körper 22 auf, wobei der erste Körper einen Kanal 24 für flüssigen

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Brennstoff, eine Wasserzuführungsleitung 26 und eine Leitung 28 für gasförmigen Brennstoff aufweist. Der Kanal 24 weist eine Leitung 30 auf, die an eine Ringleitung angeschlossen ist, die sämtliche Injektoren 10 des Triebwerks mit Brennstoff versorgt und an die Leitung 30 schließt sich eine Ringleitung 32 an, von der eine Vielzahl von tangential ausgebohrten Löchern 34,die im gleichen Abstand zueinander liegen, ausgehen (vgl. Fig. 3). Der Kanal 26 umfaßt eine Wasserzuführungsleitung 36, die mit einer nicht dargestellten Wasserringleitung verbunden ist, welche sämtlichen Brennstoffinjektoren 10 des Triebwerks Wasser zuführt und außerdem ist eine Ringleitung 38 vorgesehen, von der im gleichen Winkelabstand zueinander radiale Bohrungen 40 ausgehen. Der Kanal 38 besitzt eine Gaszuführungsleitung 42, die an eine nicht dargestellte Gasringleitung angeschlossen ist, welche sämtliche Brennstoffinjektoren 10 des Triebwerks mit gasförmigem Brennstoff versorgt. Der Kanal 28 weist außerdem einen teilkreisförmigen Abschnitt 44 (Fig. 3 und 4), einen Venturi-Abschnitt 46 und einen Diffusor-Abschnitt 48 auf. Der erste Körper 20 besitzt außerdem mehrere tangential eingebohrte Löcher 50, die durch die Außenwand 52 im Bereich des Venturi-Abschnitts 46 gebohrt sind, um Spülluft vom Triebwerkskompressor in den Kanal für den gasförmigen Brennstoff einzublasen.

Der zweite Körper 22 weist einen äußeren Ring 54 auf, der innerhalb des ersten Körpers zwischen den Auslassen der Reihe von Löchern 34 und 28 liegt und der Ring 54 trägt über zwei Stege 58 eine hohle Zapfendüse 56. Ein erster Strömungspfad 60 wird durch den ersten und den zweiten Körper 20 bzw. 22 definiert, und ein zweiter Strömungspfad 62 verläuft durch das Zentrum des zweiten Körpers 22 hindurch. Der Hohlzapfen 56 umfaßt einen Hauptdiffusor 62 und einen Sekundärdiffusor 64, die an ihren stromaufwärtigen Enden durch eine Wand 66 verbunden sind und

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zwischen der Innenwand des Hauptdiffusors und dem stromabwärt igen Ende des Sekundärdiffusors liegt ein Spalt 68. Mehrere Löcher 70, die in die Wand 66 eingebohrt sind, bewirken eine Ausrichtung der Luftströmung, die durch den zweiten Strömungspfad 62 verläuft.

Im Betrieb wird flüssiger Brennstoff durch den Kanal 30 in die Ringleitung 32 geleitet und er gelangt von dort durch die tangentialen Löcher 34 in den ersten Strömungspfad 60, und ein vollständiger Brennstoffvorhang wird auf der Außenwand des Strömungspfades 60 erzeugt. Die Luft vom Kompressor, die durch den ersten Strömungspfad abfließt, trifft auf die Strömung aus den Löchern 34 und bewirkt eine Zerstäubung, und das Brennstoff-Luftgemisch wird längs des Strömungspfades beschleunigt, da die Strömung im Querschnitt auf ein Minimum am Austritt 72 zusammengeschnürt wird.

Die Mischung, die vom Brennstoffinjektor austritt, wird außerdem einem teilweisen Schereffekt unterworfen, da die ausströmende Mischung zwischen eine äußere Luftschicht, die aus den Spüllöchern 50 austritt und eine innere Luftschicht gelangt, die durch den Pfad 62 geströmt ist, und diese Scherwirkung trägt zu einer Zerstäubung von Brennstoff und Wasser bei.

Wenn ein gasförmiger Brennstoff verbrannt wird, dann verläuft die Gasbrennstoff-Strömung aus der Gasringleitung nach dem Gaskanal 42, dem teilkreisförmigem Abschnitt 44, dem Venturi-Abschnitt 46, wo Spülluft durch die Löcher 50 eintritt und von dort nach dem Diffusor 48. Wenn die Gase den Injektor verlassen, werden sie von der mit relativ hoher Geschwindigkeit abströmenden Luft getroffen, die aus dem Austritt 72 abströmt, der das Gasbrennstoffgemisch nach der Brennkammer 16 richtet.

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Die Spüllöcher 50 sind vorgesehen um zu verhindern, daß flüssiger Brennstoff in den Kanal für den gasförmigen Brennstoff eintritt, wenn das Triebwerk mit flüssigem Brennstoff betrieben wird. Sonst würde eine Explosion und ein Feuer beim Umschalten von flüssigem auf gasförmigen Brennstoff die Folge sein. Die Spülluft füllt den Gaskanal und wegen der Gestalt des Kanals 48, die einen natürlichen Diffusor bildet, wird die Luft an die Wände des Kanals angedrückt und verhindert den Eintritt von flüssigem Brennstoff. Außerdem sucht die Luft, die durch die Spüllöcher abfließt, die Gasbrennstoffströmung in diskrete Strahlen aufzubrechen, so daß der Gasstrom stabiler wird. Auf diese Weise nimmt der Gasstrom mehr die Gestalt eines herkömmlichen Gasbrenners an, bei dem das Gas aus einer Düse in Einzelstrahlen ausgeblasen wird.

Stickstoffoxide (NOx), die durch die Verbrennung von Brennstoff in Gasturbinentriebwerken erzeugt werden, entstehen durch eine Kombination von Stickstoff und Sauerstoff in der Verbrennungsluft, und durch die Kombination von Stickstoff in dem Brennstoff mit Sauerstoff aus der Verbrennungsluft. Es gibt vier grundsätzliche Methoden, um NOx zu vermindern: (1) Es wird der Verbrennungsdruck vermindert; (2) es wird die Spitzenflammentemperatur erniedrigt; (j5) es wird die wirksame Verweilzeit vermindert, in der die Verbrennungsgase auf erhöhter Temperatur verbleiben; (4) es werden die Anteile von Stickstoff und Sauerstoff gesteuert, die verfügbar sind für die Erzeugung von NOx. Die vorliegende Erfindung sucht das Problem der NOx Unterdrückung durch Wasserinjektion zu lösen, und das Wasser wird über den Brennstoffinjektor eingeführt.

Dieses Verfahren erfordert daß Wasser in den Verbrennungsprozeß eingeführt wird, um eine Wärmesenke zu bilden, die einen Teil der Hitze absorbiert, welche durch die Verbrennung von Brennstoff und Luft erzeugt wurde, und dadurch wird die Spitzen-

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Verbrennungstemperatur und die Rate der NOx-Bildung vermindert. Das Ausmaß der NOx-Reduktion hängt von der Rate und dem Verfahren des Einspritzens von Wasser ab, und die besten Ergebnisse werden durch direktes Einspritzen verstäubten Wassers in die Primärzone der Brennkammer erreicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß Wasser von einer Ringleitung über den Kanal 36 nach der Ringleitung 38 überführt wird. Dann wird das Wasser in die Kompressor-Luft im Strömungspfad 60 eingespritzt, wobei das Kreuzstrom-Injektorprinzip benutzt wird, und die Einspritzung erfolgt durch die Löcher 40, wo das Wasser zerstäubt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es ein gleichförmiges Muster in Umfangsrichtung ergibt und daß eine minimale Länge erforderlich ist. Die Innengestalt des Strömungspfades 60 ist derart, daß der Hauptteil des Wassers durch den Austritt 72 des Injektors verstäubt wird und direkt mit dem Brennstoff in der Primärzone der Brennkammer vermischt wird. Es darf nur Wasser eines hohen Reinheitsgrades für dieses Verfahren benutzt werden, um eine Korrosion der Triebwerksbauteile zu vermindern. Die NOx Emissionen können um zwischen 70 bis 90# benutzt werden, wenn ein Verhältnis von Wasser zu Brennstoff von 1 : 1 Anwendung findet. Dadurch kann sich eine Verminderung des Gasturbinenwirkungsgrades bis zu 1% ergeben.

Der Hohlzapfen 56 ist in spezieller Weise so ausgebildet, daß er dem Problem des Kohlenstoffansätzes am Brennstoffinjektor Rechnung trägt. Bei allen Verbrennungsoperationen in einem Gasturbinentriebwerk wird eine gewisse Menge von Kohlenstoff bei dem Verfahren erzeugt und ein Teil des Kohlenstoffs baut sich an bestimmten Teilen des Injektors auf. Wenn der Kohlenstoffansatz eine gewisse Höhe erreicht hat, bricht er vom Injektor ab und wandert durch die Brennkammer nach der Turbine,

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wo die Stücke eine Erosion der Turbinenschaufel-Vorderränder zur Folge haben können, oder sogar einen totalen Schaufelbruch.

Durch die erfindungsgetnäße Ausbildung soll versucht werden, dieses Problem dadurch zu lösen, daß anfänglich so weit als möglich die verfügbare Oberfläche vermindert wird, an der der Kohlenstoff anhaften kann, und wenn diese Lösung nicht möglich ist, dann sollen jene Oberflächen,auf denen Kohlenstoff anhaften kann, durch die Luft vom Triebwerkskompressor abgewaschen werden.

In Verbindung mit dem Hohlzapfen 56 wird erreicht, daß die Kompressorluft längs des Strömungspfades 62 verläuft und die innere Oberfläche des Sekundärdiffusors 64 und wenigstens einen Teil der Innenwand des Hauptdiffusors durch natürliche Diffusion auswäscht. Die übrige Kompressorluft strömt durch den Ring von Löchern 70 und dann durch den Ringspalt 68, so daß die gesamte Innenwand des Hauptdiffusors 62 mit Kompressorluft ausgewaschen werden kann. Hierdurch kann die Kohlenstoffablagerung am Brennstoffinjektor auf einen annehmbaren Pegel vermindert werden, bei dem obgleich ein gewisser Anteil von Kohlenstoff sich absetzt, ein Abbrechen nur in relativ kleinen Stücken erfolgen kann, die keine Beschädigung von stromabwärtigen Triebwerkskomponenten zur Folge haben können.

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Claims

? S 4 7 1 3 Q Patentansprüche

1. Brennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß er einen ersten Körper mit einer Kanalführung für einen flüssigen Brennstoff, mit einer Kanalführung für einen gasförmigen Brennstoff und einer Kanalführung für eine Wasserzuführung aufweist, daß ein zweiter Körper innerhalb des ersten Körpers angeordnet ist, daß ein erster Strömungskanal, der von Kompressorluft durchströmt wird, mit der Kanalanordnung für den flüssigen Brennstoff und der Wasserzuführung in Verbindung steht und einen zentralen sekundären Strömungskanal für den Durchfluß komprimierter Luft aufweist, und einen stromabwärtigen Diffuso rabschnitt und Strömungsrichtmittel besitzt, um eine Luftströmung auf wenigstens einen Teil des Diffusors zu richten.

2. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung für flüssigen Brennstoff eine Leitung und mehrere Löcher aufweist, die tangential in der Leitung angeordnet sind, und daß der flüssige Brennstoff von der Leitung in den ersten Strömungsmittelkanal über die tangentialen Löcher eintritt.

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3. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strömungsmittelkanal in der Querschnittsfläche nach dem stroroabwärtigen Ende abnimmt und daß eine minimale Querschnitteflache des ersten Strömungskanals am stromabwartigen Ende hiervon liegt.

4. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal für gasförmigen Brennstoff eine Ringleitung aufweist, die um den ersten Strömungskanal herumführt, daß ein Teil des Ringkanals einen verminderten Querschnitt besitzt und daß Spülluft-Öffnungen im Bereich der reduzierten Querschnittsfläche vorgesehen sind.

5. Brennstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennze lehnet, daß die Wasserzuführung eine Ringleitung aufweist, welche mehrere Löcher im ersten Strömungskanal besitzt, und daß die Wasserzuführungslöcher stromauf der tangentialen Brennstofflöcher vorgesehen sind.

6. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffuser aus einem Hauptdiffusor und einem Sekundärdiffusor besteht, der innerhalb des Hauptdiffusors angeordnet ist.

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7. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtmittel aus mehreren StrömungsrichtÖffnungen in einer Wand bestehen, die den Hauptdiffusor mit dem Sekundärdiffusor verbindet, und daß ein Ringspalt zwischen der Innenwand des Hauptdiffusors und der Außenwand des Sekundärdiffusors vorgesehen 1st.

8. Brennstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er einen zentralen Strömungskanal besitzt, der in einem Diffusor endet, um komprimierte Luft hindurchzuleiten, daß ein innerer ringförmiger Ströraungskanal für den Durchfluß komprimierter Luft und flüssigen Brennstoffs vorgesehen ist, daß der innere Ringströmungskanal in einer Ringdüse endet, und daß ein äußerer ringförmiger Strömungskanal für den Durchfluß des gasförmigen Brennstoffs vorgesehen ist, wobei der äußere ringförmige Strömungskanal einen Anschnitt verminderter Querschnittsfläche und Spüllufteinlaßöffnungen in dem Bereich hiervon besitzt.

9. Brennstoffinjektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor aus einem Hauptdiffusor und einem Sekundärdiffusor besteht, der darin angeordnet ist, daß die Diffusoren an ihren stromaufwärtigen Enden mittels einer Wand miteinander verbunden sind, die mehrere Öffnungen aufweist und daß ein Spalt zwischen dem stromabwärtigen Ende des Sekundärdiffusors und des Hauptdiffusors vor-

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gesehen ist, daß komprimierte Luft durch das Zentrum des Sekundärdiffusors und über die Innenwand des Hauptdiffusars über die öffnungen und den Spalt und den Sekundärdiffusor abschließen kann.

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