DE3107936C2

DE3107936C2 -

Info

Publication number: DE3107936C2
Application number: DE3107936A
Authority: DE
Inventors: Joseph Edmund East Hartford Conn. Us Faucher; Richard Robert Willimantic Conn. Us Wright; Francis Charles South Windsor Conn. Us Pane Jun.; David Windsor Conn. Us Kwoka
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-03-03
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1991-07-04
Also published as: FR2479342A1; IL62269A; JPS56168017A; CA1152340A; DE3107936A1; US4362022A; FR2479342B1; SE442890B; SE8101337L; JPH0222290B2; GB2070760A; GB2070760B

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzdüse der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Brennstoffeinspritzdüse ist aus der US 36 85 741 bekannt.

Ein Problem, das sich bei Gasturbinentriebwerken störend bemerkbar macht, ist die Verkokung der inneren Bereiche der Brennstoffeinspritzdüsen. Aus diesem Grund ist das Zeitin tervall zwischen Überholung, Reparatur oder Ausbau der Brennstoffeinspritzdüsen 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 bei vielen Gasturbinentriebwerken ein großer Teil des Triebwerks zerlegt werden muß, um diese Düsen zugänglich zu machen. Außerdem ändert die Verkokung die Sprüheigenschaf ten der Brennstoffeinspritzdüse, wodurch deren Leistungsfä higkeit nachteilig beeinflußt wird und der Gesamtwirkungs grad und die Lebensdauer des Triebwerks beeinträchtigt wer den.

Obwohl das Problem seit beträchtlicher Zeit besteht und ob wohl viele Versuche zur Lösung desselben unternommen worden sind, ist kein Versuch bislang erfolgreich gewesen. Bislang sind nämlich lediglich Maßnahmen getroffen worden, um Koh lenstoffablagerungen von äußeren Oberflächen der Brenn stoffeinspritzdüsen zu beseitigen, beispielsweise durch Blasen von Luft über die Oberfläche, auf der es zu Ablage rungen kommen kann. Diese Methode setzt aber offenbar vor aus, daß im voraus bekannt ist, wo sich der Kohlenstoff ab lagern wird, damit er durch Blasen von Luft beseitigt wer den kann. Diese Methode, für die ein Beispiel für das Verhindern von Ablagerungen an einem Hitzeschild in der US 37 88 067 beschrieben ist, wird im allgemeinen angewandt, wo Brennstoff dazu neigt, sich auf den Oberflächen von Brennstoffeinspritzdüsen während des Betriebes und nach dem Abschalten des Gasturbinentriebwerks anzusammeln. Nach dem Betrieb und nach dem Wiederstarten wird Luft über diese Oberflächen geblasen, um restlichen Brennstoff zu beseiti gen.

Diese Methode ist aber bei einer Brennstoffeinspritzdüse der eingangs genannten Art nicht mit Erfolg anwendbar. Bei einer solchen Brennstoffeinspritzdüse ist der Primärbrenn stoffdurchlaß ständig und der Sekundärbrennstoffdurchlaß nur bei höheren Schubwerten des Triebwerks in Betrieb. Bei alleinigem Betrieb des Primärbrennstoffdurchlasses verhal ten sich der Strom von Brennstoff aus dem Primärbrennstoff durchlaß und der umgebende Luftstrom wie eine Strahlpumpe und erzeugen einen Unterdruck in dem Sekundärbrennstoff durchlaß, was bewirkt, daß aus dem Primärbrennstoffdurchlaß austretender Brennstoff in den Sekundärbrennstoffdurchlaß eindringt und zur Verkokung desselben führt. Diese Verko kung läßt sich aber nicht dadurch beseitigen, daß nachträg lich Luft durchgeblasen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffeinspritzdüse der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei alleini gem Betrieb des Primärbrennstoffdurchlasses der Sekundär brennstoffdurchlaß vor Verkokung geschützt ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Bei der Brennstoffeinspritzdüse nach der Erfindung wird der Luftstrom während des Betriebes des Triebwerks mit geringem Schub, bei dem der Primärbrennstoffdurchlaß allein in Be trieb ist, so geleitet, daß in dem Sekundärbrennstoffdurch laß ein Überdruck aufgebaut wird, welcher den Brennstoff am Eindringen in den Sekundärbrennstoffdurchlaß hindert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Ge genstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einer Teilschnittansicht eine Ausfüh rungsform einer Brennstoffeinspritzdüse,

Fig. 2 in einer Teilschnittansicht eine weitere Ausführungsform einer Brennstoffein spritzdüse und

Fig. 3 in einer Teilschnittansicht noch eine weitere Ausführungsform der Brennstoffeinspritz düse.

Die folgende Beschreibung befaßt sich hauptsächlich mit dem Verhindern des Verkokens eines Sekundärbrennstoffdurchlasses einer Brennstoffeinspritzdüse eines Gasturbinentriebwerks, und der Zweck mäßigkeit und der Einfachheit halber ist nur der zugehörige Teil der Brennstoffeinspritzdüse in den Zeichnungen dar gestellt worden. Es handelt sich bei den dargestellten Ausführungsformen der Brennstoffeinspritzdüse jeweils um einen Typ, bei dem ein Primärbrennstoffdurchlaß sowohl bei einem Triebwerksbetrieb mit niedrigem Schub als auch bei einem Triebwerksbetrieb mit hohem Schub in Betrieb ist, wogegen der Sekundärbrennstoffdurchlaß nur bei den höheren Schubwerten in Betrieb ist.

In den Fig. 1 und 2 ist die Brennstoffeinspritzdüse jeweils insge samt mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Die Brennstoffeinspritzdüse 10 hat einen kegelförmigen Düsenkörper mit einem Primärbrenn stoffdurchlaß 12 zum Ausstoßen von Brennstoff in die Ver brennungszone (nicht gezeigt) und mit dem ringför migen Sekundärbrennstoffdurchlaß 14 ebenfalls zum Ausstoßen von Brennstoff in die Verbrennungszone. Der Primärbrennstoffdurchlaß 12 enthält einen federbelasteten Zapfen 16. Der Sekundärbrennstoffdurchlaß 14 enthält ein Filtersieb 18 und einen Dosierring 20.

Gemäß den Fig. 1 und 2 haben die Düsenkörper jeweils einen kuppelförmigen Hitzeschild 22 bzw. 24 und tragen jeweils eine Düsenmutter 26 bzw. 28.

Das Problem, das bislang bei Brennstoffeinspritz düsen der hier beschriebenen Art aufgetreten ist, besteht darin, daß, wenn der Sekundärbrennstoffdurchlaß 14 in den Betriebszuständen mit geringem Schub außer Be trieb gesetzt wurde, das Druckprofil in der Nähe dieses Durchlasses, das durch den Brennstoff und einen wirbelnden Luftstrom erzeugt wurde, einen Unterdruck in dem Sekundärbrennstoffdurchlaß 14 erzeugte. Das äußerte sich dadurch, daß Brennstoff aus dem Primärbrennstoffdurchlaß 12 austrat und in den Sekundärbrennstoffdurchlaß 14 eintrat und längs der Wände desselben verkokte.

Zur Vermeidung dieses Problems wurden die bisherigen Brennstoffeinspritzdüsen auf in den Fig. 1 und 2 gezeigte und im folgenden beschriebene Weise modifiziert, um zu verhindern, daß der Brennstoff aus dem Primärbrennstoffdurchlaß 12 aus- und in den Sekundärbrenn stoffdurchlaß 14 eintritt, wenn dieser außer Betrieb ist. Zu diesem Zweck wurde das Luftdruckfeld in der Nähe des Sekundärbrennstoffdurchlasses 14 etwas modifiziert, um in diesem einen Überdruck immer dann zu erzeugen, wenn der Primärbrennstoffdurch laß 12 allein in Betrieb ist.

In Fig. 1 ist dafür eine Anzahl von Luftlöchern 30 neben dem Fuß des kuppelförmigen Hitzeschilds 22 vorgesehen und ein Luftauslaß 32 durch Abstand zwischen dem Scheitel 34 des Hitzeschilds und dem kegelförmigen Düsenkörper geschaffen worden.

In Fig. 2 wird der Sekundärbrennstoffdurchlaß 14 durch die besondere Ausbildung der Düsenmutter 28 vor Verkokung geschützt. Eine ringförmige, nach innen vorstehende Wand 40 der Düsenmutter 28 ist so bemessen, daß ein axialer Zwischenraum A und eine mittige Öffnung 42 mit einem Durchmesser B, über die der Brennstoff in die Verbrennungszone eingespritzt wird, zusammen mit der Wahl des Durchmessers B und der Anzahl und des Winkels von als Luftauslaß am Fuß der Düsenmutter vorgesehenen Durchlässen 44 bewirken, daß das Druckprofil der über die Durchlässe 44 eintretenden wirbelnden Luft einen Überdruck in dem Sekundärbrennstoffdurchlaß 14 hervorruft, wenn dieser außer Betrieb ist.

Bei den Ausführungsformen der Brennstoffeinspritzdüse 10 nach den Fig. 1 und 2 wird also das Ver koken des Sekundärbrennstoffdurchlasses 14 dadurch verhindert, daß gewährleistet wird, daß niemals ein Unterdruck in dem Sekundärbrennstoffdurchlaß 14 vorhanden ist. Das kann am besten durch Versuche er reicht werden, das heißt durch Testen der Brennstoffeinspritzdüse 10 unter Modifizierung des Druckprofils, um einen Überdruck in dem Sekundärbrennstoffdurchlaß 14 auf der gesamten Betriebskurve der Brennstoffeinspritzdüse zu erzielen.

Fig. 3 zeigt einen weiteren Typ einer Brennstoffeinspritzdüse, der entwickelt worden ist, um den in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Schutz gegen Verkokung zu erreichen. Fig. 3 zeigt eine Brennstoffeinspritzdüse 50 mit einem Primärbrennstoffdurchlaß 52 und einem Sekundärbrennstoffdurchlaß 56.

Über den Primär brennstoffdurchlaß 52 wird Brennstoff in die Ver brennungszone einspritzt. Brennstoff wird außerdem über den Sekundärbrennstoffdurchlaß 56 in die Verbrennungs zone eingeleitet. Wirbelnde Luft aus ringförmigen Luftdurchlässen 58 und 60 erzeugt wirbelnde Luftströme, die als Schichten zwischen einen kegelförmigen Brennstoffstrom eingelagert sind, der aus dem Sekundärbrennstoffdurchlaß 56 austritt, um einen Zerstäubungseffekt hervorzurufen.

Um das Verkoken des Sekundärbrennstoffdurchlasses 56 zu verhindern, wenn nur der Primärbrennstoffdurchlaß 52 in Betrieb ist, werden die beiden Luftdurchlässe 58, 60 für eine bestimmte Betriebskurve der Brennstoffeinspritzdüse so bemessen, daß ein Überdruck in dem Sekundärbrennstoffdurchlaß immer dann erzeugt wird, wenn der Primärbrennstoffdurchlaß allein in Betrieb ist, damit kein Brennstoff aus dem Primärbrennstoffdurchlaß 52 in den Sekundärbrennstoffdurchlaß 56 eintreten kann.

Claims

1. Brennstoffeinspritzdüse für ein Gasturbinentriebwerk, die Luft aus dessen Verdichter empfängt und einen stromab verjüngten Düsenkörper mit darin zentral angeordnetem Pri märbrennstoffdurchlaß (12) und zu diesem konzentrischem Sekundärbrennstoffdurchlaß (14), welche über eine im wesentlichen gemeinsame, quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Ebene Brennstoff austreten lassen, sowie einen Luftauslaß (32) für die den austretenden Brennstoff umgebende und eine Wirbelkomponente aufweisende Luft hat, wobei nor malerweise der Primärbrennstoffdurchlaß (12) ständig und der Sekundärbrennstoffdurchlaß (14) allein bei hohen Schub werten in Betrieb ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den austretenden Brennstoff umgebende Luft an dem Sekundär brennstoffdurchlaß (14) durch eine Luftführung so geführt ist, daß ein Luftdruckfeld vorhanden ist, welches in dem Sekundärbrennstoffdurchlaß (14) einen Überdruck aufbaut, wenn der Primärbrennstoffdurchlaß (12) allein in Betrieb ist.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftführung mehrere Löcher (30) neben dem Fuß eines kuppel förmigen, den Düsenkörper umgreifenden Hitzeschilds (22) und den durch Abstand zwischen dem Scheitel (34) des Hit zeschilds (22) und dem kegelförmigen Düsenkörper im Bereich der Ebene gebildeten Luftauslaß (32) umfaßt, wobei der Überdruck durch die gewählte Abmessung der Löcher (30) und des Luftauslasses (32) erzielbar ist.

3. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Luftführung eine vom Düsenkörper getragene Düsenmutter (28) dient, die eine innere ringförmige Wand (40) mit einer mittigen Öffnung (42) auf weist und zum Erzeugen der Wirbelkomponente der Luft am Fuß Durchlässe (44) als Luftauslaß hat, wobei der Überdruck durch die Wahl der Größe des Durchmessers (B) der mittigen Öffnung (42) und des axialen Zwischenraums (A) zwischen der ringförmigen Wand (40) und der kuppelförmigen Außenwandung des Düsenkörpers im Bereich von dessen Scheitel erzielbar ist.

4. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftführung als Luftauslaß einen ersten ringförmigen Luft durchlaß (60) konzentrisch zwischen dem Primär- und dem Se kundärbrennstoffdurchlaß (52, 56) und einen zweiten ringförmigen Luftdurchlaß (58) koaxial um den Sekundär brennstoffdurchlaß (56) umfaßt, wobei dem ersten und zwei ten Luftdurchlaß (60, 58) zugeordnete Vorrichtungen die Wirbelkomponente der Luft erzeugen und wobei der Überdruck durch die Wahl der Abmessungen des ersten und zweiten Luft durchlasses (60, 58) erzielbar ist.