DE3029095C2

DE3029095C2 - Doppelbrennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3029095C2
Application number: DE3029095A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Douglas Earnsford Grange Coventry Willis
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1982-12-09
Also published as: JPS5625607A; FR2462556A1; DE3029095A1; GB2055186B; US4342198A; FR2462556B1; JPS5828491B2; GB2055186A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Doppelbrennstoffinjektor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solcher Brennstoffinjektor ist aus der DE-OS 20 60158 bekannt. Bei derartigen Brennstoffinjektoren, die sowohl mit gasförmigen als auch mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden können, muß der Übertritt des einen Brennstoffs nach der Leitung des jeweils anderen Brennstoffs verhindert werden. Bei dem Brennstoffinjektor nach der DE-OS 60 158 wird dieser Übertritt durch Zuführung komprimierter Luft in den Zuführungskanal für den gasförmigen Brennstoff verhindert, wenn der Brennstoffinjektor mit flüssigem Brennstoff arbeitet. Dies erfordert eine ständige Zuführung komprimierter Luft und außerdem die Anordnung von Ventilen und Leitungen, was einen erheblichen Aufwand erfordert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Doppelbrennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, der in der Lage ist, unterschiedliche flüssige und gasförmige Brennstoffe zu verarbeiten, die sich hinsichtlich ihres Brennwertes beträchtlich unterscheiden, wobei der Übertritt von einem Kanal in den anderen ohne Ventilanordnungen lediglich durch aerodynamische Wirkungen gewährleistet wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Demgemäß sind die Kanäle für Flüssigbrennstoff und gasförmigen Brennstoff so angeordnet, daß die Verbrennungsprodukte nicht in irgendeinen der Kanäle zurückfließen können und der Brennstoff nicht zwischen den Kanälen für gasförmigen und flüssigen Brennstoff übertreten kann. Durch die verjüngte Ausbildung des Gaskanals und des Flüssigbrennstoffkanals wird erreicht, daß die Anordnung als Venturirohr wirkt, und die Luftströmung in dem zweiten Gaskanal und dem Flüssigbrennstoffkanal verhindert daher jede Rückströmung, und zwar unabhängig davon, ίο welcher Brennstoff verbraucht wird.

Durch die Erfindung wird es möglich, gasförmige Brennstoffe unterschiedlichen Heizwertes und demgemäß mit unterschiedlicher Massenströmung zuzuführen, um einen konstanten Wärmeausgang pro Zeiteinheit zu is erreichen.

Weiter weist der Doppelbrennstoffinjektor, welcher lediglich aus zwei Hauptteilen, nämlich dem Brennstoffzuführungsarm und dem Brennstoffdurchlufteinlaß besteht, den Vorteil auf, daß er leicht durch eine relativ kleine Zugriffsöffnung im Triebwerksgehäuse ausgetauscht werden kann, während der Brennstoff-Lufteinlaß am Flammrohr verbleibt.

Die Art und Weise, in der das die Stickoxide vermindernde Wasser in die Luftströmung eingespritzt wird, die sich dann mit dem flüssigen Brennstoff vermischt, gewährleistet, daß im wesentlichen da* gesamte Wasser in die Rezirkulationsströmung innerhalb der Flammrohres einbezogen wird.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. I eine schematische Ansicht eines erfindungsgemaß ausgebildeten Doppelbrennstoffinjektors;

Fig.2 in größerem Maßstab einen Schnitt des Doppelbrennstoffinjektors nach F i g. 1.

Jeder Brennstoffinjektor 22 weist einen Brennstoffzuführungsarm 30 und einen hiermit zusammenwirkenden, aber getrennten Brennstofflufteinlaß 32 auf, der am stromaufwärtigen Ende eines jeden Flammrohres angeordnet ist.

Der Brennstoffzuführungsarm 30 weist einen Mantel 34 sowie ein erstes Gehäuse 36 und ein zweites Gehäuse 38 auf, das vom ersten Gehäuse getragen wird. Der Mantel 34 und das Gehäuse 36 definieren dazwischen einen ersten ringförmigen Gaskana) 40, und die Gehäuse 36 und 38 definieren zwischen sich einen ringförmigen Luftkanal 42.

Der gasförmige Brennstoff wird dem Inneren des Mantels zugeführt und tritt von dort in den ringförmigen Gaskanal 40 ein. Innerhalb des Mantels 34 befindet sich ein Zuführungsrohr 44 für den flüssigen Brennstoff, welches nach einer Kammer 46 innerhalb des Gehäuses 38 führt.

Innerhalb des Mantels 34 liegt weiter ein Wasserzuführungsrohr 48, welches nach einer Ringleitung 50 führt, die Auslässe 52 in der Weise aufweist, daß Wasser in den ringförmigen Luftkanal 42 eingespritzt werden kann.

In einer zentralen Bohrung im Gehäuse 38 ist eine in die Kammer 46 einstehende Hülse 53 montiert, und diese besitzt einen Brennstoffeinlaß 54 sowie mehrere Primärbrennstoffdüsen 56 und eine Hauptbrennstoffdü- < >5 se 58, die durch ein Ventil 60 absperrbar ist. Eine an einem Block 64 abgestützte Feder 62 hält das Ventil 60 in Schließstellung, und die Hülse wird durch den Druck des flüssigen Brennstoffs in ihrer Stellung festgehalten,

wobei dieser Brennstoffdruck die Hülse gegen eine Schulter 66 im Gehäuse 38 drückt.

Das stromabwärtige Ende des Gehäuses 38 weist eine Primär-Brennstoff-Ablenkoberfläche 68 auf, gegen die der Primärbrennstoff von den Düsen 56 au itreffen kann und die Oberfläche 68 ist konisch ausgeführt, so daß der Primärbrennstoff das Gehäuse in Form eines Hohlkegels verläßt.

Der Brennstoff-Lufi-Eingang 32 weist einen inneren und einen äußeren Ringkörper 70 bzw. 72 auf, zwischen denen mehrere im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnete Wirbelschaufeln 74 angeordnet sind. Die Ringkörper 70 und 72 definieren einen zweiten ringförmigen Gaskanal 76, der sich im Querschnitt in Strömungsrichtung nach hinten verjüngt

Eine konisch gestaltete Prallplatte 78 mit einem Hitzeschild 80 liegt zentral innerhalb des Ringkörpers 70 und wird von mehreren radial verlaufenden Armen 82 abgestützt Die Prallplatte 78 und der Ringkörper 70 definieren zwischen sich einen ringförmi_ben Flüssigbrennstoffkanal 84. Ein stromabwärtiger Fortsatz des Ringkörpers 70 paßt in eine Hinterschneidung des Gehäuses 36 ein.

Die Kombination von Brennstoffzuführungsarm 30 und Brennstofflufteinlaß 32 bildet den Brennstoffinjektor 22 mit zwei getrennten definierten Brennstoffpfaden, von denen der eine für gasförmigen Brennstoff aus einem ersten und einem zweiten Ringgaskanal 40 und 76 besteht, wobei komprimierte Luft vom Kompressor des Triebwerks auch durch den ringförmigen Gaskanal 76 und den ringförmigen Flüssigbrennstoffkanal 84 fließt Wenn das Triebwerk nur mit gasförmigem Brennstoff betrieben wird, dann strömt das Gas in das Innere des Gehäuses längs dem Ringkanal 40 und in den Ringkanal 76 benachbart zu dem inneren Ringkörper 70. Die Kompressorluft strömt sowohl in den Kanal 84 über den Luftkanal 42 als auch in den Gaskanal 76. Der Brennstoff wird teilweise mit Luft im Gaskanal 76 gemischt und das teilweise mit Luft vermischte Gas wird zwischen zwei Ströme eingeleitet, wenn es den ίο Gaskanal verläßt.

Der Brennstoff und die Luft werden durch die Wirbelschaufeln 74 in starkem Maße verwirbelt und das verwirbelte Gemisch wird von der Luft beaufschlagt, die aus dem Flüssigbrennstoffkanal 84 austritt, wodurch eine weitere Vermischung zwischen Brennstoff und Luft dicht benachbart zum Kopf des Flammrohres erfolgt.

Der Brennstoffinjektor ist so ausgelegt, daß er gasförmige Brennstoffe in einem weiten Bereich verbrennen kann, beispielsweise kann er mit einem aus Kohlen gewonnenen Gas mit großen Mengen von Einschlüssen arbeiten, das einen Heizwert von 3725 kj/m³ aufweist, jedoch kann auch ein Gas mit einem sehr viel höheren Heizwert beispielsweise Propan mit einem Heizwert von 86 771 kj/m³ benutzt werden.

Wenn der Brennstoffinjektor nur mit flüssigem Brennstoff betrieben wird, dann strömt der flüssige Brennstoff durch das Zuführungsrohr 44 in die Kammer 46 und durch den Einlaß 54 und aus den Primärdüsen 56 aus. Der Brennstoff trifft auf die Oberfläche 68 und der so gebildete Brennstoffkonus wird in den Flüssigbrennstoffkanal 84 und den Luftstrom aus dem Gaskanal 40 versprüht Wenn der Brennstoffdruck einen gewissen vorbestimmten Wert erreicht, dann reicht die Kraft auf dem Block 64 aus, um die Feder 62 zu überwinden und das Ventil 60 zu öffnen, so daß der Brennstoff aus der Hauptbrennstoffdüse 58 sowie aus den Primär-Brennstoffdüsen austreten kann. Der Brennstoff fließt in den Luftstrom ab, der längs der Kanäle 40 und 84 verläuft und in dem Flüssigbrennstoffkanal 84 werden Brennstoff und Luft teilweise vermischt. Die teilweise vermischte Brennstoff/Luft-Strömung aus dem Kanal 84 wird weiter mit der verwirbelten Luftmasse vermischt die aus den Wirbelschaufeln 74 dicht am Kopf des Flammrohres austritt.

Um die Erzeugung von Stickoxiden, insbesondere bei der Verbrennung flüssiger Brennstoffe zu reduzieren, kann Wasser in den Luftstrom eingespritzt werden, der durch den Luftzuführungskanal 42 abfließt, und dieses Wasser wird durch die Wassereinlässe 52 eingeführt, um die Brenntemperatur herabzusetzen, wodurch die Stickoxiderzeugung vermindert wird.

Das Wasser wird über die gesamte Verbrennungszone des Flammrohres dispergiert, weil es schnell im Luftkanal 42 verstäubt wird, wo außerdem eine Vormischung mit flüssigem Brennstoff stattfindet. Das Ausspritzen aus dem Kanal gewährleistet, daß eine im wesentlichen gleichförmige Dispergierung im Flammrohr stattgefunden hat, wobei diese Vermischung günstig ist im Vergleich mit Wassereinspritzeinrichtungen, bei denen das Wasser durch die Wirbeischaufeln eingespritzt wird und ein Teil des Wassers stromab verlorengeht, bevor es benutzt werden kann, um in die Verbrennungszone zur Abschreckung zu gelangen.

Der Block 64 kann mit mehreren vorstehenden Stegen versehen sein, die an der Zentralbohrung im Gehäuse 38 angreifen und die Stege sind so bemessen, daß ein kleiner Zwischenraum zwischen der Bohrung und den Stegen aufrechterhalten bleibt, damit flüssiger Brennstoff den Raum auf der stromaufwärtigen Seite des Blocks 64 ausfüllen kann. Das Vorhandensein von flüssigem Brennstoff in diesem Raum bewirkt eine Dämpfung von Schwingungen der Hülse 53, die bei plötzlichen Änderungen des Brennstoffbedarfs auftreten können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Doppelbrennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk mit Strömungspfaden für gasförmigen und flüssigen Brennstoff, wobei der Pfad für gasförmigen Brennstoff eine erste Ringgasleitung aufweist, die mit einer zweiten Ringgasleitung in Verbindung steht und der Pfad für den flüssigen Brennstoff Primär-Flüssigbrennstoff-Düsen und eine Haupt-Flüssigbrennstoff-Düse sowie einen ringförmigen Flüssigbrennstoff-Kanal stromab der Flüssigbrennstoff-Düsen aufweist, und wobei Primär- und Hauptflüssigbrennstoff-Düsen so angeordnet sind, daß flüssiger Brennstoff in einen ringförmigen Luftströmungskanal eingespritzt wird, und wobei der ringförmige Flüssigbrennstoff-Kanal, der zweite ringförmige Gaskanal und der Luftströmungskanal im Beirieb derart angeordnet sind, dab sie eine Strömung von komprimierter Luft enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungspfade (40, 76, 84) für gasförmigen und flüssigen Brennstoff voneinander durch ein Gehäuse (36) und einem inneren Ringkörper (70) des Brennstoff-Einspritzaufbaus getrennt sind, und daß sowohl der zweite ringförmige Gaskanal (76) als auch der ringförmige Flüssigbrennstoff-Kanal (84) sich in Strömungsrichtung verjüngen.
2. Doppelbrennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite ringförmige Gaskanal (76) Wirbelschaufeln (74) aufweist.
3. Doppelbrennstoffinjektor nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Flüssigbrennstoff-Kanal (84) innen von einem konischen Prallkörper (78) definiert ist, der zentral innerhalb des inneren Ringkörpers (70) angeordnet ist.