DE3132352A1 - "zweiwegbrennstoffduese" - Google Patents

Description

Zweiwegbrennstoffdüse

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffdüse für ein Gasturbinentriebwerk und betrifft insbesondere eine Brennstoffdüse, bei der es zu geringerer Kohlenstoffbildung kommt, ohne daß eine Luftummantelung erforderlich ist.

In einem herkömmlichen Gasturbinentriebwerk wird ein Brennerabschnitt benutzt, um eine Zone zu schaffen, in welcher Brennstoff und Verdichterauslaßluft verbrannt werden können, wobei die infolgedessen freigesetzte Energie benutzt wird, um andere Betriebsteile des Triebwerks anzutreiben. In dem Brenner ist wenigstens eine Brennstoffdüse angeordnet, die dem Brennerabschnitt Brennstoff zuführt. Ein herkömmlicher Typ von Brennstoffdüse wird häufig als Brennstoffdruckzerstäubungsdüse bezeichnet, was angibt, daß der Brennstoffdruck benutzt wird, um zerstäubten Brennstoff oder einen Brenn-

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stoffnebel aus einer öffnung in dem Ausgangsspitzenteil der Düse in den Brenner hinein für dessen Betrieb austreten zu lassen.

Damit sich die gewünschte Leistungsfähigkeit des Triebwerks beim Start ergibt, ist es häufig erforderlich, einen Doppelbrennstoff durchflußweg, d.h. einen primären und einen sekundären Weg von der Brennstoffdüse zu dem Brenner vorzusehen. Solche Doppeldurchflußweg- oder Zweiwegdüsen sind für viele Verwendungszwecke zwar zufriedenstellend, es ist jedoch bekannt, daß bei herkömmlichen Zweiwegdüsen die Gefahr besteht, daß sich unerwünschte Kohlenstoffablagerungen auf den Düsenoberflächen nahe des Ausgangsteils der Düse bilden. Demgemäß besteht eine bekannte Maßnahme gegen die Bildung von solchen unerwünschten Kohlenstoffablagerungen gegenwärtig darin, die Düse mit einer Luftummantelungsvorrichtung zu versehen, die den Ausgangsteil der Düse umschließt. Die Luftummantelung dient dazu, dem in den Brennerabschnitt aus dem Verdichterabschnitt eintretenden Luftstrom eine Ablenk- oder Kehrbewegung zu geben, durch die die Bildung der unerwünschten Kohlenstoffablagerungen verringert wird. Ein Problem bei dieser bekannten Lösung besteht jedoch darin, daß eine zusätzliche Vorrichtung, d.h. eine Luftummantelung erforderlich ist. Die Luftummantelung bringt für die Düsenbaugruppe zusätzliches Gewicht und zusätzliche Kosten mit sich. Dieses zusätzliche Gewicht ist besonders unerwünscht, weil es bekannt ist, daß ein geringeres Düsenspitzengewicht zu verbesserten Schwingungsprofilen führt, beispielsweise verringert eine geringere Spitzenmasse die Möglichkeit einer Resonanz bei der Grundbiegefrequenz und führt dadurch zu einer längeren Lebensdauer. Darüber hinaus werden bei vielen Verwendungszwecken zusätzliche Drallkörper und Venturivorrichtungen an dem Ausgang der Düse vorgesehen, um die Brennstoff/Luft-Vermischung in der Primärzone des Brenners zu verbessern. Im allgemeinen sind solche Drallkörper und Venturivorrichtungen um den Aus-

gangsteil der Brennstoffdüse herum angeordnet. Wenn solche Drallkörper und Ventur!vorrichtungen in Kombination mit der herkömmlichen Brennstoffdüse benutzt werden, die eine Luftummantelung hat, ist das Ergebnis eine Vorrichtung mit unerwünscht großem Außendurchmesser.

In einer Ausgestaltung schafft die Erfindung eine Zweiweg-Brennstoffdüse für einen Brennerabschnitt eines Gasturbinentriebwerks. Die Düse hat eine Primärweganordnung mit einer Längsmittelachse. Die Primärweganordnung hat ein Eingangsende, das eine Primärbrennstoffzufuhr empfängt, und ein entgegengesetztes Ausgangsende, das eine Primärausgangsströmung erzeugt, die eine vorbestimmte Drehbewegung an dem Ausgangsende hat. Die Düse enthält weiter eine Sekundärweganordnung, die ein Eingangsende hat, das eine Sekundärbrennstoffzufuhr empfängt, und ein entgegengesetztes Ausgangsende zum Erzeugen einer Sekundärausgangsströmung. Die Sekundärausgangsströmung hat eine Drehbewegung, die in der Richtung insgesamt der der vorbestimmten Drehbewegung der Primärausgangsströmung entspricht. Die Sekundärweganordnung ist umfangsmäßig in fester Beziehung um die Primärweganordnung angeordnet, wobei das Sekundärweganordnungsausgangsende umfangsmäßig um das Primärweganordnungsausgangsende herum angeordnet ist, wodurch zusammenwirkende Düsenausgangs strömungen gebildet werden. Eine Düsenaus laß vorrichtung ist umfangsmäßig um das Primär- und das Sekundärweganordnungsausgangsende herum angeordnet, um die zusammenwirkenden Ausgangsströmungen zu empfangen und eine behandelte Düsenausgangsströmung zu erzeugen, die bei der anschließenden Zündung in dem Brennerabschnitt benutzt wird. Die Düsenauslaßvorrichtung enthält einen konischen Teil mit einem Eingangsende relativ kleineren Durchmessers, der längs der Längsmittelachse zu einem Ausgangsende relativ größeren Durchmessers hin zunimmt. Der konische Teil bildet einen Raumwinkel von wenigstens 45° mit der Längsmittelachse des Primärweges.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise weggebrochene schema

tische Darstellung eines als Beispiel gewählten Gasturbinentriebwerks, auf das sich die Erfindung bezieht,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer bekann

ten Brennstoffdüse und

Fig. 3 eine Schnittansicht wie in Fig. 2,

die eine Ausführungsform der Brennstoffdüse nach der Erfindung zeigt, wobei der Übersichtlichkeit halber die Brennstoffdüse von Fig. 3 größer als die Brennstoffdüse von Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt als Beispiel ein Gasturbinentriebwerk, auf das sich die Erfindung bezieht und das insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Das Gasturbinentriebwerk 10 enthält einen Fan-Abschnitt 12, einen Verdichterabschnitt 14, einen Brennerabschnitt 16, einen Hochdruckturbinenabschnitt 18, einen Niederdruckturbinenabschnitt 20 und einen Auslaßabschnitt 22. Der Brennerabschnitt 16 enthält mehrere Düsen 19, die die Triebwerksbrennstoffzufuhr empfangen und zerstäubten Brennstoff zur Zündung in dem Brenner 16 liefern. Die Düse 19 ist über einen Schaft 21 mit einem Brennstoffeinspritzvorrichtungseinlaß 23 verbunden. Der Brennstoffeinspritzvorrichtungseinlaß 23 empfängt den Triebwerksbrennstoff und läßt ihn gesteuert zu der Düse 19 zur anschließenden Zerstäubung und Zündung durch.

In Fig. 2 ist eine typische Doppelbrennstoffweg- oder Zweiwegbrennstoff druckzerstäubungsdüse 19 ausführlicher gezeigt. Die Brennstoffdüse 19 von Fig. 2 hat ein Eingangsende 19A und ein Ausgangsende 19B. Die Düse 19 enthält einen Primärbrennstoffweg 26 mit einem Eingangsende 26A zum Empfangen der Primärbrennstoff zufuhr aus dem Stiel 21 (in Fig. 2 nicht dargestellt) . Der Primärweg 26 hat außerdem ein axial entgegengesetztes Ausgangsende 26B. Schlitze 28 sind in dem Primärweg 26 an einer Stelle zwischen dem Eingangsende 26A und dem Ausgangsende 26B vorgesehen. Die Schlitze 28 leiten die Primärbrennstoff strömung (vgl. die Pfeile) zu zusätzlichen Drallschlitzen 29. Nach dem Passieren der Schlitze 28 und 29 geht die Primärbrennstoffströmung durch eine Primärdrallkammer 30 hindurch, bevor sie aus dem Primärausgangsende 26B hinausgeleitet wird. Die Schlitze 28 und 29 und die Drallkammer 30 haben bekanntlich die Aufgabe, der Primärbrennstoffströmung beim Hinausleiten aus dem Ausgangsende 26B eine vorbestimmte Drehbewegung zu geben.

Die bekannte Brennstoffdüse 19 hat einen Sekundärbrennstoffweg 32 zum Empfangen der Sekundärbrennstoffströmung aus dem Schaft 21 . Der Sekundärweg 32 hat ein Eingangsende 32A und ein Ausgangsende 32B. Der Sekundärweg 32 ist umfangsmäßig in fester Beziehung um den Primärweg 26 herum angeordnet. Das Ausgangsende 32B des Sekundärweges 32 ist umfangsmäßig um das Primärwegausgangsende 26B herum angeordnet. Der Sekundärweg 32 enthält außerdem eine Anzahl von Wirbel erzeugenden Schaufeln 33, über die die Sekundärbrennstoffströmung hinweggeht, bevor sie in eine Sekundärdrallkammer 34 eintritt. Infolge ihres Passierens des Sekundärweges 32 weist die Sekundärbrennstoff strömung an dem Ausgangsende 32B eine Drehbewegung auf, die in der Richtung insgesamt der Drehbewegung der Primärströmung an dem Ausgangsende 26B entspricht.

Die Düse 19 hat einen Düsenaulaßteil 36, der umfangsmäßig um das Primärausgangsende 26B und das Sekundärausgangsende 32B herum angeordnet ist. Der Düsenauslaßteil 36 empfängt die zusammenwirkende Ausgangsströmung aus den Ausgangsenden 26B und 32B und erzeugt daraus eine Ausgangsströmung, die bei der anschließenden Zündung in dem Brennerabschnitt (in Fig. 2 nicht dargestellt) benutzt wird. Der Düsenauslaßteil 36 enthält einen konischen Teil 38. Der konische Teil 38 hat ein Eingangsende 39 relativ kleineren Innendurchmessers d, z.B. typischerweise etwa 3,8 mm (0,15 inches), der längs der Längsmittelachse zu einem Ausgangsende 41 relativ größeren Innendurchmessers D, z.B. typischerweise etwa 11,2 mm (0.44 inches), hin zunimmt. Der konische Teil 38 hat einen Innenfläche 40, die typischerweise einen eingeschlossenen Raumwinkel α von weniger als 36° mit der Längsmittelachse des Primärweges bildet. Die longitudinale Länge 1 der Innenfläche 40 beträgt typischerweise etwa 3,81 mm (0.150 inches).

Die bekannte Düse 19 ist typischerweise, wie oben erwähnt, mit einer herkömmlichen Luftummantelungsvorrichtung 4 2 versehen, die Schlitze 43 aufweist. Die Luftummantelung 42 ist umfangsmäßig um die Brennstoffdüse 19 herum angeordnet und empfängt und leitet Luft, die in den Brennerabschnitt (in Fig. 2 nicht dargestellt) eintritt (vgl. die Pfeile), durch die Schlitze 43, um Kohlenstoffbildungen auf der inneren konischen Fläche 40 zu verringern.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Brennstoffdüse nach der Erfindung insgesamt mit 50 bezeichnet. Die Brennstoffdüse 50 von Fig. 3 gleicht in vieler Hinsicht der bekannten Brennstoffdüse 19 von Fig. 2, weshalb, wo immer möglich, gleiche Bezugszahlen zum Bezeichnen gleicher Teile benutzt worden sind. Die Brennstoffdüse 50 von Fig. 3 unterscheidet sich jedoch von der bekannten Brennstoffdüse 19 von Fig. 2 in wenigstens zwei wichtigen Merkmalen. Die Brennstoffdüse 50 ist

mit einem modifizierten Düsenauslaßteil versehen und hat keine Luftummantelungsvorrichtung.

Insbesondere ist der Düsenauslaßteil 36 der Brennstoffdüse nach der Erfindung mit einem konischen Teil 38 versehen, dessen Innenfläche 40 einen Raumwinkel α von wenigstens 45° mit der Längsmittelachse desselben bildet. Der Raumwinkel α liegt vorzugsweise in dem Bereich von etwa 50° bis etwa 65°, wobei 60° ein besonders bevorzugter Wert ist. Die longitudinale Länge 1 der Innenfläche 40 beträgt typischerweise etwa 2,03 mm (0.080 inches). Außerdem sind typische Innendurchmesser d und D der Düse 50 4,57 mm (0.18 inches) bzw. 10,16 mm (0.40 inches). Die Brennstoffdüse 50 ist vorzugsweise mit einem verschleißbeständigen Überzug 52 auf ihrer freiliegenden Außenfläche versehen, um die Brennstoffdüse 50 vor dem starken Reibvorgang zwischen ihr und dem Brennerteil, in welchen sie eingeführt ist, zu schützen. Typischerweise besteht der verschleißfeste Überzug 52 aus einem herkömmlichen Material, das gegen hohe Temperaturen beständig ist. Ein Beispiel für den verschleißfesten überzug 52 kann beispielsweise eine 0,38 mm (0.015 inches) dicke Schicht aus Chromcarbid sein. Zu Erläuterungszwecken sind zwar für die Brennstoffdüse nach der Erfindung als Beispiel gewisse Abmessungen angegeben worden, für gewisse Verwendungszwecke können jedoch andere Abmessungen geeignet sein.

Im Betrieb der Düse 50 von Fig. 3 ergibt die Primärströmung über den Primärweg 26 und dessen Ausgangsende 26B einen Primärsprühnebel 60, der nicht auf die konische Innenfläche 40 auftrifft. Die Sekundärbrennstoffströmung über den Sekundärweg 32 und dessen Sekundärausgangsende 32B ergibt einen Sekundärsprühnebel 62. Ein äußerer Teil 62A des Sekundärsprühnebels 62 geht zu der konischen Innenfläche 40 und auf dieser entlang. Die besondere Konfiguration des Auslaßteils 36, d.h. der Raumwinkel α von wenigstens 45°, ergibt jedoch, wie wei-

ter oben erwähnt, eine geringere Kohlenstoffbildung auf der Innenfläche 40. Tatsächlich beseitigt die in Fig. 3 gezeigte Konfiguration der Brennstoffdüse 50 die Notwendigkeit einer zusätzlichen Luftummantelungsvorrichtung, wie beispielsweise der bei der bekannten Düse von Fig. 2 dargestellten Luftummantelung 42. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß der Außendurchmesser der Brennstoffdüse 50 von Fig. 3 etwa gleich dem Außendurchmesser der Brennstoffdüse 19 von Fig. 2, ohne die Luftummantelung 42, sein kann.

Für einige Verwendungszwecke kann es erwünscht sein, die Brennstoffdüse nach der Erfindung in Kombination mit weiteren Bauteilen zu verwenden, damit es zu der äußerst erwünschten Zündung in dem Brennerabschnitt kommt. In dieser Beziehung können herkömmliche Vorrichtungen benutzt werden, zu denen Luftblasscheiben, Venturiummantelungen und Sekundärdrallkörper gehören. Solche herkömmlichen Vorrichtungen sind in der US-PS 4 198 815 beschrieben, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.

Die Brennstoffdüse nach der Erfindung ist zwar als eine Brennstoffdüse mit linearer Längsmittelachse und mit einander axial gegenüberliegenden Eingangs- und Ausgangsenden beschrieben worden, für gewisse Düsenverwendungszwecke können jedoch andere Düsenkonfigurationen geeignet sein. Beispielsweise kann für gewisse Verwendungszwecke die Längsmittelachse gekrümmt sein. Darüber hinaus sei angemerkt, daß die Brennstoffdüse nach der Erfindung für Triebwerke geeignet ist, die von anderer Bauart sind als das oben als Beispiel beschriebene Gasturbinentriebwerk. Tatsächlich ist die Brennstoffdüse nach der Erfindung bei irgendeinem Gasturbinentriebwerk verwendbar, beispielsweise einem, das nur einen Verdichterabschnitt, einen Brennerabschnitt und einen Auslaßabschnitt aufweist.

Die Erfindung schafft also eine Brennstoffdüse, bei der es zu einer geringeren Kohlenstoffbildung kommt, ohne daß eine Luftummantelung erforderlich ist. Die Brennstoffdüse nach der Erfindung ist relativ einfach herstellbar. Weiter kann die Brennstoffdüse nach der Erfindung bequem in ihre Betriebsstellung in dem Brennerabschnitt gebracht und aus ihr entfernt werden, ohne daß es erforderlich ist, andere zuge*- ordnete Teile in dem Brennerabschnitt zu entfernen. Außerdem ergibt die Brennstoffdüse nach der Erfindung infolge ihres relativ geringen Gewichtes eine erwünschte Betriebslebensdauer .

Claims (7)

1. Ansprüche :

   Zweiwegbrennstoffdüse für einen Brennerabschnitt (16) in einem Gasturbinentriebwerk (10), gekennzeichnet durch:

   a) eine Primärweganordnung (26) die ein Eingangsende (26A) zum Empfangen einer Primärbrennstoffströmung und ein entgegengesetztes Ausgangsende (26B) zum Erzeugen einer Primärausgangsströmung, die eine vorbestimmte Drehbewegung an dem Ausgangsende aufweist, sowie eine Längsmittelachse hat;

   b) eine Sekundärweganordnung (32) , die ein Eingangsende (32A) zum Empfangen einer Sekundärbrennstoffströmung und ein entgegengesetztes Ausgangsende (32B) zum Erzeugen einer Sekundärausgangsströmung, die eine Drehbewegung aufweist, welche in'der Richtung insgesamt der vorbestimmten Drehbewegung entspricht, hat sowie umfangsmäßig in fester Beziehung um die Primärweganordnung (26) herum angeordnet ist, wobei das Sekundärweganordnungsausgangsende (32B) umfangsmäßig um das Primärweganordnungsausgangsende (26B) herum angeordnet ist, wodurch

   eine zusammenwirkende Ausgangsströmung gebildet wird; und

   c) eine Düsenauslaßvorrichtung (36), die umfangsmäßig um das Primär- und das Sekundärweganordnungsausgangsende (26B, 32B) herum angeordnet ist, um die zusammenwirkende Ausgangsströmung zu empfangen und eine behandelte Düsenausgangsströmung daraus zur Verwendung beim anschließenden Zünden in dem Brennerabschnitt (16) zu erzeugen, wobei die Düsenauslaßvorrichtung einen konischen Teil (38) aufweist, der ein Eingangsende (39) relativ kleineren Durchmessers (d), welcher längs der Längsmittelachse zu einem Ausgangsende (41) relativ größeren Durchmessers (D) hin zunimmt, hat und einen eingeschlossenen Raumwinkel (α) von wenigstens 45° mit der Längsmittelachse der Primärweganordnung (26) bildet.
2. 2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Raumwinkel (α) in dem Bereich von etwa 50° bis etwa 65° liegt.
3. 3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Raumwinkel (α) etwa 60° beträgt.
4. 4. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsmittelachse linear ist.
5. 5. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsmittelachse gekrümmt ist.
6. 6. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärweganordnung (26) , die Sekundärweganordnung (32) und die Düsenauslaßvorrichtung (36) innerhalb eines Düsengehäuses angeordnet sind, dessen Außenfläche mit einem verschleißfesten Überzug (52) versehen ist.
7. 7. Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der verschleißfeste überzug (52) Chromcarbid aufweist.

   8, Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß keine Luftunuaantelungsvorrichtung um das Düsengehäuse herum angeordnet ist.