DE3107936A1

DE3107936A1 - "doppellochbrennstoffduese"

Info

Publication number: DE3107936A1
Application number: DE19813107936
Authority: DE
Inventors: Joseph Edmund 06118 East Hartford Faucher; David 06094 Windsor Kwoka; Francis Charles 06074 South Windsor Pane; Richard Robert 06226 Willimantic Wright
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-03-03
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1982-01-28
Also published as: GB2070760A; GB2070760B; JPH0222290B2; SE442890B; CA1152340A; US4362022A; DE3107936C2; JPS56168017A; SE8101337L; FR2479342B1; IL62269A; FR2479342A1

Description

PATENTANWÄLTE :'."■·."': : MENGEST F⁵RAHL

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt w I U / s3 0

Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000 München .I₄.	5	Dipl.-lng. Rolf Menges Dipl -Chem Dr Horst Prahl	U	724
8000 München 5	Telefon (089) 26 3847 Telex 52958IBIPATd Telegramm ΒΙΡΛΤ München	2.	03.81
	Ihr Zeichnn/Your ref
	Unser Zeichen/Our ref
	Üatum/Oate

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, CT 06101, V.St.A.

Doppellochbrennstoffdüse

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffdüsen für Turbinentriebwerke und betrifft insbesondere Doppellochdüsen und Vorrichtungen, die verhindern, daß sich in dem sekundären Brennstoffdurchlaß Koks (coke) aufbaut.

Eines der Anfangsprobleme, das sich bei Strahltriebwerken störend bemerkbar macht, ist der Koksaufbau, insbesondere in den inneren Bereichen der Brennstoffdüsen. Aus diesem Grund ist das Zeitintervall zwischen Überholung, Reparatur oder Ausbau dieser Düsen nicht so lang, wie es sein könnte. Unter dem Gesichtspunkt der Wartung ist das nicht nur ein kostspieliges Problem, sondern auch ein komplexes Problem, da in vielen Triebwerken ein großer Teil des Triebwerks zerlegt werden muß, um diese Düsen zugänglich zu machen.

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Weiter ändert der Koksaufbau die Düsensprüheigenschaften, wodurch deren Leistungfähigkeit nachteilig beeinflußt wird und der Gesamtwirkungsgrad und die Lebensdauer des Triebwerks beeinträchtigt werden.

Ctowohl das Problem seit beträchtlicher Zeit besteht und obwohl viele Versuche zur Lösung desselben unternommen worden sind, ist kein Versuch bislang erfolgreich gewesen. Typischerweise sind Vorrichtungen vorgesehen worden, um äußere Kohlenstoffablagerungen abzuwaschen, beispielsweise durch Blasen von Luft über die Oberfläche, wo es zu der Ablagerung kommen kann. Diese Lösung setzt offenbar voraus, daß im voraus bekannt ist, wo sich der Kohlenstoff ablagert, damit er durch Blasen von Luft beseitigt werden kann. Ein Beispiel für diese Lösung ist in der US-PS 3 788 067 beschrieben. Diese Lösungen werden im allgemeinen angewandt, wenn Brennstoff dazu neigt, sich auf den Düsenoberflächen während des Triebwerksbetriebes und nach dem Abschalten des Triebwerkes anzusammeln. Nach dem Betrieb und nach dem Wiederstarten wird Luft über diese Oberflächen geblasen, um jedweden restlichen Brennstoff zu beseitigen.

Die Erfinder haben festgestellt, daß das Problem in Doppellochdüsen beseitigt werden kann, das heißt in Düsen, in denen es primäre und sekundäre Brennstoffdurchläße gibt und in denen die Primär- oder Hilfsdüse ständig in Betrieb und die Sekundär- oder Hauptdüse nur bei den höheren Schubwerten des Triebwerkes in Betrieb ist. Beispielsweise ist die hier beschriebene Erfindung besonders wirksam in Brennstoffdüsen für Triebwerke des Typs JT-8D und JT-9D eingesetzt worden, die von der Fa. Pratt & Whitney, einer Tochtergesellschaft der Anmelderin,hergestellt werden. Die Erfindung befaßt sich mit dem Unterdrucksetzen oder Erhöhen des Druckes innerhalb des sekundären Brennstoffdurchlasses, wenn nur der primäre Brennstoffdurchlaß in Betrieb ist. In dieser Betriebsart verhalten sich der Strom von Brennstoff aus dem primären

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Durchlaß und der umgebende Luftstrom wie eine Strahlpumpe, die einen Unterdruck in dem sekundären Durchlaß erzeugt und bewirkt, daß aus der Primärdüse austretender Brennstoff in ihn eindringt und sich im Aufbau von Koks äußert. Das Verständnis dieses Problems war für viele Leute, die es zu lösen versuchten, kaum möglich. Da das Problem niemals völlig verstanden worden ist, war seine Lösung nicht ohne weiteres möglich. Die Erfinder haben festgestellt, daß durch richtiges Leiten des Luftstroms während des Betriebes mit geringem Schub die Luft so geleitet werden kann, daß der Druck in dem sekundären Durchlaß aufgebaut wird, der bislang darin erzeugte Unterdruck beseitigt und Brennstoff _am Eindringen in diesen gehindert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, für einen Gasturbinentriebwerksbrenner eine verbesserte Brennstoffdüse zu schaffen.

Ein Merkmal der Erfindung ist es, Triebwerksluft auf diskrete Weise so zu leiten, daß die Sekundärdüse unter Druck gesetzt wird, ohne daß sie tatsächlich mit einem Luftstrom (der normalerweise nur während des Betriebes des Triebwerks bei höherem Schub benutzt wird) durchgeblasen wird, wenn die Primärdüse im Triebwerksbetrieb bei niedrigerem Schub allein in Betrieb ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einer Teilquerschnittansicht die Einzelheiten der Erfindung,

Fig. 2 in im wesentlichen gleicher Darstellung wie in Fig. 1 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die gegenüber der von Fig. 1 etwas abgewandelt ist, und

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Fig. 3 in einer Teilschnittansicht noch eine weitere Ausführungsform einer Doppellochbrennstoffdüse mit einer Luftbeimischungssekundärbrennstoffdüse, die die herkömmliche Primärdruckzerstäubungsdüse aufweist.

Die Erfindung befaßt sich im wesentlichen, wie oben erwähnt, mit dem Verhindern des Koksaufbaues in dem Durchlaß einer Brennstoffdüse eines Turbinentriebwerks, und der Zweckmäßigkeit und der Einfachheit halber ist nur dieser Teil der Brennstoffdüse zur Veranschaulichung der Erfindung dargestellt worden. Bezüglich Einzelheiten von Druckzerstäubungsund Luftzerstäubungsbrennstoffdüsen wird auf die Brennstoffdüsen verwiesen, die in den von der Fa. Pratt & Whitney hergestellten Triebwerken der Typen JT-8D und JT-9D benutzt werden. Es genügt, hier anzumerken, daß bei diesen beiden Triebwerken Doppellochbrennstoffdüsen benutzt werden, die Druckzerstäubungsprimär- und Druckzerstäubungs- oder Luftzerstäubungsekundärdüsen haben, wobei die Primärdüse sowohl für den Triebwerksbetrieb mit niedrigem Schub als auch für den Triebwerksbetrieb mit hohem Schub benutzt wird, während die Sekundärdüse nur bei den höheren Schubwerten in Betrieb ist.

Gemäß den Fig. 1 und 2 sind die Düse und ihr Halter insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnet und haben insgesamt die Form eines konischen Körpers, der einen primären Brennstoff durchlaß 12 zum Ausstoßen von Brennstoff in die Verbrennungszone (nicht gezeigt) und einen sekundären ringförmigen Durchlaß 14 ebenfalls zum Ausstoßen von Brennstoff in die Verbrennungszone aufweist. Der primäre Durchlaß kann den herkömmlichen federbelasteten Zapfen 16 enthalten, während der sekundäre Durchlaß das herkömmliche Filtersieb 18 und den Dosierring 20 enthalten kann.

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Gemäß den Fig. 1 und 2 haben die Körper jeweils einen kuppelförmigen Hitzeschild 22 bzw. 24 und sind je*- weils in im folgenden noch näher erläuterter Weise modifiziert und tragen jeweils eine Düsenmutter 26 bzw 28 , die ebenfalls in im folgenden noch näher erläuterter Weise modifiziert sind.

Das Problem, das in bislang benutzten Doppellochdruckzerstäubungsdüsen der hier beschriebenen Art aufgetreten ist, besteht darin, daß, wenn der sekundäre Brennstoffdurchlaß

14 in den Betriebszuständen mit geringem Schub außer Betrieb gesetzt wurde, das Druckprofil in der Nähe dieses Durchlasses, das durch den Brennstoff und den wirbelnden Luftstrom erzeugt wurde, einen Unterdruck in dem sekundären Durchlaß 14 erzeugte. Das äußerte sich durch die Tendenz, daß Brennstoff aus dem primären Brennstoffdurchlaß 12 austrat und in den sekundären Durchlaß 14 eintrat und längs der Wände desselben verkokte.

Zur Vermeidung dieses Problems und gemäß der Erfindung wurden die bisherigen Brennstoffdüsen auf die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Weise modifiziert, um zu verhindern, daß der Brennstoff aus der Primärdüse aus- und in die Sekundärdüse eintritt, wenn diese außer Betrieb gesetzt wird. Zum Erreichen dieses Ziels wurde das Luftdruckfeld in der Nähe des sekundären Durchlasses 14 etwas modifiziert, um darin einen überdruck immer dann zu erzeugen, wenn die Primärdüse die einzige Düse ist, die in Betrieb ist.

In Fig. 1 wurde diese Antiverkokungseigenschaft erreicht, indem die Anzahl von Luftlöchern 30 vergrößert wurde, die in dem Hitzeschild 22 gebildet sind, und indem eine vorge schriebene Auslaßringöffnung 32 dort geschaffen wurde, wo der Scheitel des kuppelförmigen Hitzeschilds früher die Düsenbaugruppe 10 an dem Verbindungspunkt 34 berührte.

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In Fig. 2 wurde die Antiverkokungseigenschaft erreicht, indem die Düsenmutter 28 modifiziert wurde. Der ringförmige, nach innen vorstehende Teil 40 der Mutter 28 ist so bemessen, daß der mit dem Bezugsbuchstaben A bezeichnete Zwischenraum und die mittige Öffnung 42 , wo der Brennstoff in die mit dem Bezugsbuchstaben B bezeichnete Verbrennungszone eingespritzt wird, zusammen mit dem Durchmesser, der Anzahl und dem Winkel von Luftwirbeleinlaßlochern 44 bewirken, daß das Druckprofil der über die Luftwirbeleinlaßlöcher 44 eingelassenen wirbelnden Luft einen überdruck in dem sekundären Durchlaß 14 hervorruft, wenn dieser außer Betrieb gesetzt ist.

Bei den Düsenkonfigurationen in den Fig. 1 und 2 ist jeweils zu erkennen, daß die Vorrichtung zum Erzeugen der Antiverkokungseigenschaft des sekundären Durchlasses darin besteht, daß gewährleistet wird, daß ein Unterdruck, der bislang vorhanden war, in dem sekundären Brennstoffdurchlaß 14 niemals vorhanden ist. Das kann am besten durch Versuche erreicht werden, das heißt durch Testen der Brennstoffdüse unter Modifizierung des Druckprofils, um einen überdruck in dem sekundären Durchlaß auf der gesamten Brennstoffdüsenbetriebshüllkurve zu erzielen.

Fig. 3 zeigt einen weiteren Typ einer Doppellochbrennstoffdüse, der entwickelt worden ist, um die in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebene Antiverkokungseigenschaft zu erreichen. Fig. 3 zeigt eine Doppellochbrennstoffdüse mit einem Druckzerstäubungsprimärbrennstoffsystem und einem Luftbeimischungs- oder Luftzerstäubungsekundärbrennstoffsystem.

Die Düse und der Halter, die insgesamt mit der Bezugszahl

50 bezeichnet sind, enthalten die herkömmliche Primärdüsen- und Zapfenbaugruppe 52 , die Brennstoff in die Verbrennungszone einspritzt. Brennstoff wird außerdem über

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einen sekundären Brennstoffdurchlaß 56 in die Verbrennungszone eingeleitet. Wirbelnde Luft in den Durchlässen 58 und

60 erzeugt wirbelnde Luftströme, die als Schichten zwischen den kegelförmigen Brenstoffstrom eingelagert sind, der aus dem sekundären Brennstoffdurchlaß 56 austritt, um einen Zerstäubungseffekt hervorzurufen.

Ähnlich dem Problem, welches das Verkoken des Durchlasses

56 erzeugte, wenn nur das primäre Brennstoffsystem in Betrieb war, ist das Druckfeld an dem Durchlaß 56 bestrebt, darin einen Unterdruck zu erzeugen, der bewirkt, daß Brennstoff in diesen eintritt. Nun aber dient das Bemessen der Durchlässe für eine bestimmte Verbrennungshüllkurve zum Erzeugen eines Überdruckes in dem sekundären Durchlaß immer dann, wenn der primäre Durchlaß das einzige in Betrieb befindliche Brennstoffsystem ist.

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Claims

Patentansprüche:

My Doppellochbrennstoff düse für einen Brenner eines Gasturbinentriebwerks, das einen Verdichter aufweist, gekennzeichnet durch ein insgesamt kegelförmiges Gehäuse mit einem primären Brennstoffdurchlaß (12), der darin mittig angeordnet ist, und mit einem sekundären Brennstoffdurchlaß (14), der darin konzentrisch zu dem primären Brennstoff durchlaß angeordnet ist, wobei beide Durchlässe Brennstoff über eine im wesentlichen gegenseitige Querebene in den Brenner leiten, durch Vorrichtungen (30, 32), die der Verdichterauslaßluft, welche den aus dem primären und aus dem sekundären Durchlaß austretenden Brennstoff umgibt, eine Wirbelkomponente geben, wobei der primäre Brennstoffdurchlaß normalerweise auf der gesamten Triebswerksbetriebshüllkurve ständig in Betrieb ist, während der sekundäre Brennstoffdurchlaß normalerweise allein während des Betriebes mit hohen Schubwerten in Betrieb und während d_er Phasen niedriger Schubwerte der Triebwerksbetriebshüllkurve nicht

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in Betrieb ist, und durch eine Vorrichtung zum Unterdrucksetzen des sekundären Durchlasses (14), wenn der primäre Durchlaß (12) allein mit der Verdichterauslaßluft in Betrieb ist, wodurch der sekundäre Durchlaß einen Überdruck aufrechterhält, um Brennstoff daran zu hindern, aus dem primären Durchlaß in den sekundären Durchlaß einzudringen und dessen Wände zu verkoken.
2. Düse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hitzeschild (22), der in einem kuppeiförmigen Teil gebildet ist, das einen an der Queraustrittsebene befestigten Scheitel und einen an dem den größeren Durchmesser aufweisenden Teil des kegelförmigen Gehäuses befestigten Fuß hat, durch mehrere Löcher (30) neben dem Fuß, die in dem Umfang des kuppeiförmigen Teils gebildet sind, wobei der Scheitel des kuppeiförmigen Teils mit Abstand von dem kegelförmigen Gehäuse angeordnet ist, damit ein Austrittsdurchlaß (32) für die Verdichterauslaßluft vorhanden ist, die durch die Löcher strömt, und wobei die Abmessung der Löcher und des Austrittsdurchlasses so gewählt sind, daß in dem sekundären Durchlaß (14) ein Uberdruckt erzielt wird, wenn der primäre Durchlaß (12) allein in Betrieb ist.
3. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen, die der Verdichterauslaßluft eine Wirbelkomponente geben, eine Düsenmutter (28) enthalten, die an dem Ende des kegelförmigen Gehäuses befestigt ist und eine mittige Öffnung hat, welche koaxial zur Längsachse des primären Durchlasses (12) angeordnet ist, einen kuppeiförmigen Hitzeschild (24), dessen Scheitel an der Spitze des kegelförmigen Gehäuses und dessen Fußende an dem Fuß des kegelförmigen Gehäuses befestigt ist, eine ringförmige Wand (40), die sich von der Düsenmutter (28) aus nach innen erstreckt und eine mittige Öffnung (42) aufweist, welche koaxial zu der Längsachse und in axialem Abstand von dem Scheitel des kuppeiförmigen Teils angeordnet ist,

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wobei die mittige öffnung (42) der Wand (40) und der Abstand (A) so bemessen sind, daß die Verdichterauslaßluft, die durch die in dem Fußende der Düsenmutter (28) gebildete Durchlässe (44) verwirbelt wird und über die mittige öffnung austritt, den sekundären Durchlaß (14) unter Druck setzt, wenn der primäre Durchlaß (12) allein in Betrieb ist.
4. Düse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten ringförmigen Durchlaß, der konzentrisch zwischen dem sekundären Durchlaß (56) und dem primären Durchlaß (52) angeordnet ist, durch einen zweiten ringförmigen Durchlaß, der konzentrisch zu dem sekundären Durchlaß und um diesen herum angebracht ist, um aus dem Verdichter austretende Luft in den ersten und in den zweiten ringförmigen Durchlaß zu leiten, damit sie sich mit dem aus dem primären und aus dem sekundären Durchlaß ausgetretenen Brennstoff vermischt, und durch Vorrichtungen (58, 60), die der in dem ersten und in dem zweiten ringförmigen Durchlaß strömenden Luft eine Wirbelkomponente geben, so daß die daraus austretende Luft um den austretenden Brennstoff wirbelt, wobei der erste und der zweite ringförmige Durchlaß so bemessen sind, daß der sekundäre Durchlaß (56) unter Druck gesetzt wird, wenn der primäre Durchlaß (52) allein in Betrieb ist.

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