DE3147564C2

DE3147564C2 -

Info

Publication number: DE3147564C2
Application number: DE3147564A
Authority: DE
Inventors: Edmund Emil Striebel; Francis Charles South Windsor Conn. Us Pane Jun.; Joseph Edmund East Hartford Conn. Us Faucher; Richard Robert Willimantic Conn. Us Wright; David Windsor Conn. Us Kwoka
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-12-02
Filing date: 1981-12-01
Publication date: 1991-07-11
Also published as: IL64422A0; IL64422A; SE8107164L; DE3147564A1; FR2495229A1; FR2495229B1; GB2091410A; GB2091410B; IT8125388A0; SE456601B; IT1139889B

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzdüse der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a fuel injector in the Preamble of claim 1 specified type.

Eine solche Brennstoffeinspritzdüse ist aus der DE-OS 20 12 941 bekannt.Such a fuel injector is from DE-OS 20 12 941 known.

Aus ökologischen Gründen und wegen behördlicher Forderun gen zur Verringerung von in die Atmosphäre geleiteten Schadstoffen sind konzertierte Bemühungen in Gang gesetzt worden, um die Qualität der Abgase von Flugzeuggasturbi nentriebwerken zu verbessern. Das Hauptaugenmerk richtet sich dabei auf die Brennkammer und die Brennstoffein spritzdüsen.For ecological reasons and due to official requirements to reduce emissions into the atmosphere Concerted efforts are under way to start pollutants been to the quality of the exhaust gas from aircraft gas turbine to improve engines. The main focus is directed focus on the combustion chamber and the fuel spray nozzles.

Die aus der DE-OS 20 12 941 bekannte Brennstoffeinspritz düse weist Durchlässe für verwirbelten Primär- und Sekun därbrennstoff sowie für zwei verwirbelte Luftströme auf, wobei nur die beiden Luftkegel in gleicher Richtung wirbeln. The fuel injection known from DE-OS 20 12 941 nozzle has passages for swirled primary and second intestinal fuel as well as for two swirled air currents, whereby only the two air cones swirl in the same direction.

Aus der US 29 65 303 ist außerdem das Einführen eines Kühlmediums in einen eine Brennstoffeinspritzdüse umgeben den Luftstrom bekannt.From US 29 65 303 is also the introduction of a Coolant in a fuel injector surrounded known the airflow.

In der US 37 88 067 schließlich ist eine Brennstoffeinspritzdüse mit mehreren Brennstoffströmen beschrieben, die einen Hit zeschild aufweist und bei der Kohlenstoffablagerungen durch Lufteinsatz verhindert werden.Finally, in US 37 88 067 a fuel injector is included described several fuel flows that are a hit has zeschild and carbon deposits can be prevented by using air.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffeinspritzdüse der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß sich geringere Emissionen an Kohlen wasserstoff, Stickoxid und Kohlenmonoxid ergeben.The object of the invention is a fuel injector the type specified in the preamble of claim 1 to be trained so that there are lower emissions of coal hydrogen, nitrogen oxide and carbon monoxide.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.This object is the in the characterizing nenden part of claim 1 specified features in Released with the generic terms.

Die Erfinder haben herausgefungen, daß es durch gewisse Modifizierungen an gattungsgemäßen Brennstoffein spritzdüsen möglich ist, die Schadstoffemissionen be trächtlich zu verringern. Zu diesem Zweck hat die Brenn stoffeinspritzdüse nach der Erfindung Einrichtungen, die dem Brennstoff und der Luft beim Austritt aus der Brennstoffeinspritzdüse eine Wirbelbewegung in einer ge meinsamen Richtung gegeben. Der erfindungsgemäße Wert des Querschnittsverhältnisses von ringförmiger Austrittsöff nung für die Luft und Brennstoff/Luft-Auslaß bewirkt, daß ein Überdruck innerhalb der Brennstoffeinspritzdüse rela tiv zu dem Druck in der Verbrennungszone in der Brennkam mer erzeugt wird. Die gemeinsame Richtung der Wirbelbewe gung von Brennstoff und Luft bei dem Austritt in die Ver brennungszone der Brennkammer verringert so Emissionen an Kohlenwasserstoff, Stickoxid und Kohlenmonoxid. Die Brenn stoffeinspritzdüse nach der Erfindung ist dabei so ausge bildet, daß das Brennstoff- und Luftprofil in der Verbren nungszone der Brennkammer die Form von Kegeln annimmt, die sich von der Spitze an der Brennstoffeinspritzdüse aus verbreitern und sich stromabwärts in die Brennkammer aus breiten.The inventors have found that it is due to certain Modifications to generic fuels spray nozzles is possible, the pollutant emissions be to decrease dramatically. For this purpose, the Brenn Material injection nozzle according to the invention devices that the fuel and air at the exit from the Fuel injector has a swirling motion in a ge given common direction. The value of the invention Cross-sectional ratio of annular outlet opening Air and fuel / air outlet causes an overpressure within the fuel injector rela tiv to the pressure in the combustion zone in the combustion chamber mer is generated. The common direction of the vortex movement supply of fuel and air at the outlet into the Ver The combustion chamber's combustion zone thus reduces emissions Hydrocarbon, nitrogen oxide and carbon monoxide. The focal The fuel injector according to the invention is so out that forms the fuel and air profile in the cremation zone of the combustion chamber takes the form of cones that from the top of the fuel injector widen and spread downstream into the combustion chamber broad.

Aus der US 39 37 011 ist es zwar an sich bekannt, konzen trischen Brennstoff- und Luftströmen eine Wirbelbewegung in derselben Richtung zu verleihen, jedoch bei einer ande ren Art von Brennstoffeinspritzdüse für ein Gasturbinen triebwerk, die einen zwischen zwei Luftströmen angeordne ten Brennstoffstrom erzeugt.From US 39 37 011 it is known per se, conc electric fuel and air flows a vortex movement lend in the same direction, but in another Ren type of fuel injector for a gas turbine engine that places you between two air flows generated fuel flow.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Ge genstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention form the Ge subject of the subclaims.

Bekanntlich kann der Schub eines Gasturbinentriebwerks vergrößert werden, indem der Brennkammer Wasser zugeführt wird. Dabei können sich eine große Rauchdichte, übermäßige heiße Stellen an dem Turbineneinlaß und übermäßige Verzerrungen des radialen Turbineneinlaßtem peraturprofils einstellen. Ein Teil dieser Probleme wird in der Aus gestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 vermieden.As is well known, the thrust of a gas turbine engine can be enlarged by adding water to the combustion chamber becomes. Doing so a large smoke density, excessive hot spots on the turbine inlet and excessive radial turbine inlet distortion set temperature profile. Part of these problems are in the off design of the invention avoided according to claim 3.

Brennstoff und Luft werden in die Brennkammer mit einer Tangentialkomponente eingespritzt, um so eine schnelle und vollständige Vermischung zu erreichen. Da das Wasser stromauf wärts der Zusammentreffstelle eingeleitet wird, wo es sich mit dem Brennstoff vermischt, wird es in dem Luftstrom mitgenommen und nimmt dieselbe Drehrichtung an. Die Brenn stoffeinspritzdüse hat deshalb in der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 Einrichtungen, die ein Teil des Luft-Was ser-Gemischs eine Wirbelkomponente in derselben Richtung wie die Brennstoffwirbeleinrichtungen geben. Dadurch, daß der Brennstoff und das Luft-Wasser-Gemisch beide in der selben Richtung wirben, wird der äußere Kegel (Luft-Was ser-Gemisch) daran gehindert, den inneren Kegel (Brenn stoffsprühnebel) zu stören, wie es bei gegenläufigem Wir belprofil der Fall wäre, und die Umfangsgleichförmigkeit des Brennens verbessert, wodurch örtliche heiße Stellen in der Turbine verhindert werden. Das Wasser in dem Luftstrom neigt auch nicht zur Bildung von Einzelstrahlen. Tests haben eine be merkenswerte Verringerung der Rauchemission während des Naßbetriebes gezeigt.Fuel and air are fed into the combustion chamber with a Tangential component injected so as to be quick and to achieve complete mixing. Because the water is upstream is initiated at the meeting point, where it is mixed with the fuel, it gets in the air flow taken and takes the same direction of rotation. The focal has therefore in the design of the Invention according to claim 4 facilities which are part of the air-What water mixture a vortex component in the same direction how the fuel swirl devices give. As a result of that the fuel and the air-water mixture both in the the outer cone (air-what mixture) prevented the inner cone (Brenn spray spray) to disrupt, as is the case with opposite us belprofil would be the case, and the circumference uniformity of burning improves, eliminating local hot spots in the turbine can be prevented. The water in the airflow is also not inclined to Formation of single rays. Tests have a be remarkable reduction in smoke emissions during the Wet operation shown.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen den unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrie ben. Es zeigtTwo embodiments of the invention will follow the described in more detail with reference to the drawings ben. It shows

Fig. 1 in einer vergrößerten Teillängsschnittan sicht Einzelheiten einer ersten Ausführungs form einer Brennstoffeinspritzdüse für ein Gasturbinentriebwerk und Fig. 1 in an enlarged partial longitudinal section view details of a first embodiment form of a fuel injector for a gas turbine engine and

Fig. 2 in einer vergrößerten Teillängsschnittan sicht Einzelheiten einer weiteren Ausfüh rungsform der Brennstoffeinspritzdüse. Fig. 2 in an enlarged partial longitudinal section view details of another embodiment of the fuel injector.

Die im folgenden beschriebene Brennstoffeinspritzdüse ist bevorzugt als Druckzerstäubungsdüse brauchbar. Einzelheiten des Gasturbinentriebwerks und sei ner Brennkammer, die durch diese Brennstoffeinspritzdüse gespeist wird, werden der Einfachheit halber weggelassen. Es ist ausreichend festzustellen, daß bei einem solchen Triebwerk Brennstoffeinspritzdüsen benutzt werden, die einen Primär- und einen Sekundärbrennstoffdurchlaß haben, wobei der Primärbrennstoffddurchlaß sowohl für den Triebwerksbetrieb mit geringem Schub als auch für den Triebwerksbetrieb mit starkem Schub benutzt wird, wogegen der Sekundärbrennstoffdurchlaß nur bei dem Betrieb mit stärkerem Schub wirksam ist. Gemäß Fig. 1 hat die Brennstoffeinspritzdüse 10 einen insgesamt konisch geformten Primärbrennstoffdurchlaß 14 mit einer Mündung 12 und einen im Querschnitt ringförmigen Sekundärbrennstoffdurchlaß 18 mit einer Mündung 16, welcher zwischen einem konischen Düsenkörper 20 und dem von diesem Abstand aufweisenden Primärbrennstoffdurchlaß 14 gebildet ist. Ein Drallring 22 als eine zweite Brennstoffwirbeleinrichtung und ein Düsenkegel 24 als eine erste Brennstoffwirbeleinrichtung dienen dazu, dem Brennstoff vor dessen Austritt in die Verbrennungszone eine Tangentialgeschwindigkeit zu geben und das dargestellte Strömungsprofil zu erzeugen.The fuel injector described below is preferably useful as a pressure atomizing nozzle. Details of the gas turbine engine and its combustor fed by this fuel injector are omitted for simplicity. Suffice it to say that such an engine uses fuel injectors that have primary and secondary fuel passages, the primary fuel passageway being used for both low thrust engine operation and high thrust engine operation, while the secondary fuel passage is used only for that Operation with stronger thrust is effective. Referring to FIG. 1, the fuel injection nozzle 10 has a total conical Primärbrennstoffdurchlaß 14 having a mouth 12 and an annular cross-section Sekundärbrennstoffdurchlaß 18 with a mouth 16 which is formed between a conical nozzle body 20 and having on this distance Primärbrennstoffdurchlaß 14. A swirl ring 22 as a second fuel swirl device and a nozzle cone 24 as a first fuel swirl device serve to give the fuel a tangential velocity before it emerges into the combustion zone and to generate the flow profile shown.

Ein Teil der Luft aus dem Verdichter des Treibwerks wird innen in einer Düsenmutter 26 über als Drallschlitze ausgebildete Durchlässe 28 eingeleitet, die der Luft ebenfalls eine Tangentialgeschwindigkeit geben, also als Luftwirbeleinrichtung wirken, wenn die Luft sich in die Verbrennungszone bewegt, wie es durch das Strömungsprofil dargestellt ist.Part of the air from the compressor of the engine is introduced inside a nozzle nut 26 via passages 28 designed as swirl slots, which also give the air a tangential velocity, i.e. act as an air swirl device when the air moves into the combustion zone, as is caused by the flow profile is shown.

Luft wird um den Brennstoff herum auch über einen Drallbecher 30 mit einer durch Drallbleche 32 hervorgerufenen Tangen tialgeschwindigkeit eingeleitet. Ein Teiler 34 kann auf die dargestellte Weise benutzt werden. Das Strömungsprofil hat, wie angegeben, die dargestellte Form. Air is also introduced around the fuel through a swirl cup 30 with a tangen speed caused by swirl plates 32 . A divider 34 can be used in the manner shown. As indicated, the flow profile has the shape shown.

Es ist ohne weiteres klar, daß die Wirbelrich tung und die Tangentialkomponente durch die Drallbleche 32 und die Durchlässe 28 diktiert werden. Die Luft und der Brennstoff, die in die Verbrennungszone eintreten, haben eine Wirbelbewegung in derselben Richtung, denn der Düsenkegel 24 und der Drallring 22 sowie die Durchlässe 28 und die Drallbleche 32 erzeugen eine Wirbel bewegung in einer gemeinsamen Richtung.It is readily apparent that the Vorbelrich device and the tangential component are dictated by the swirl plates 32 and the passages 28 . The air and fuel entering the combustion zone have a vortex movement in the same direction because the nozzle cone 24 and the swirl ring 22 as well as the passages 28 and the swirl plates 32 produce a vortex movement in a common direction.

Der Druck innerhalb des Sekundärbrennstoffdurchlasses 18 stromauf wärts der Mündung 16 ist höher als der Druck stromabwärts derselben, wenn nur Primärbrennstoff strömt. Außerdem hat es sich gezeigt, daß gute Emissionsergebnisse erzielt werden, wenn der Querschnitt einer ringförmigen Austrittsöffnung zwischen einer inneren ringförmigen Wand der Düsenmutter 26, die einen zentralen Brennstoff/Luft-Auslaß 36 aufweist, und einem kuppelförmigen Wärmeschild 50 und der Querschnitt des Brennstoff/Luft-Auslasses 36 im wesentlichen gleich sind.The pressure within the secondary fuel passage 18 upstream of the orifice 16 is higher than the pressure downstream thereof when only primary fuel is flowing. In addition, it has been found that good emission results are obtained when the cross section of an annular exit opening between an inner annular wall of the nozzle nut 26 , which has a central fuel / air outlet 36 and a dome-shaped heat shield 50, and the cross section of the fuel / air Outlet 36 are substantially the same.

Zum Erzielen des richtigen Druckwertes ist die Anzahl der Durchlässe 28 der Düsenmutter auf 16 für einen Querschnitt von 1,32 cm² festgelegt.In order to achieve the correct pressure value, the number of passages 28 of the nozzle nut is set to 16 for a cross section of 1.32 cm ² .

Ein Triebwerkstest zeigte eine wesentliche Verringerung in den Kohlen monoxid-, Kohlenwasserstoff- und Stickoxidemissionen.An engine test showed a substantial reduction in the coals monoxide, hydrocarbon and nitrogen oxide emissions.

Die in Fig. 2 gezeigte Brennstoffeinspritzdüse stimmt in allen we sentlichen Merkmalen mit der Brennstoffeinspritzdüse von Fig. 1 über ein. In den Fig. 1 und 2 tragen gleiche Teile gleiche Bezugs zahlen. Die Brennstoffeinspritzdüse von Fig. 2 unterscheidet sich von der Brennstoffeinspritzdüse von Fig. 1 nur dadurch, daß der Brenn stoff/Luft-Auslaß 36′ einen größeren Querschnitt relativ zu dem Wärmeschild 50 als in der Ausführungsform von Fig. 1 hat und daß als ein Einlaß 40 dargestellte Einrichtungen vorgesehen sind zum Ein spritzen von Wasser in den Luftstrom an einer bestimmten Stel le stromaufwärts der Luftwirbeleinrichtung in Form der Durchlässe 28, das in dem Luftstrom mitgenommen und mit diesem durch die Düsenmutter 26 und den Drallbecher 30 verwirbelt wird.The fuel injector shown in FIG. 2 coincides in all essential features with the fuel injector of FIG. 1. In Figs. 1 and 2, like parts bear like reference numbers. The fuel injector of Fig. 2 differs from the fuel injector of Fig. 1 only in that the fuel / air outlet 36 'has a larger cross-section relative to the heat shield 50 than in the embodiment of Fig. 1 and that as an inlet 40 shown devices are provided for injecting water into the air stream at a certain position le upstream of the air swirl device in the form of the passages 28 , which is entrained in the air stream and swirled with it by the nozzle nut 26 and the swirl cup 30 .

Fig. 2 zeigt, daß die Richtungen der Wirbelbewegung sowohl für den Brenn stoffstrom als auch für das Luft-Wasser-Gemisch dieselben sind. Dieser Aspekt des Wirbelns in derselben Rich tung dient dazu, die Wassertröpfchen daran zu hindern, zu einem örtlich begrenzten Strom zu verschmelzen, der das aus der Brennkammer kommende Temperaturprofil verzerren würde. Aus Tests ist ermittelt worden, daß das Merkmal des Wirbelns in derselben Richtung eine verbesserte Brennkammer leistung und geringere Rauchemissionen aus dem Triebwerks abgas während des Betriebs mit Wassereinspritzung ergibt. Fig. 2 shows that the directions of the vortex movement are the same for both the fuel flow and for the air-water mixture. This aspect of swirling in the same direction serves to prevent the water droplets from merging into a localized stream that would distort the temperature profile coming from the combustion chamber. From tests, it has been determined that the swirl feature in the same direction provides improved combustion chamber performance and lower smoke emissions from the engine exhaust during water injection operation.

Claims

1. Fuel injection nozzle for a gas turbine engine, which receives air from its compressor, which has a downstream conically tapered nozzle body ( 20 ) with centrally arranged primary fuel passage ( 14 ) and to this con centric secondary fuel passage ( 18 ), which a first or second fuel swirl device ( 24, 22 ) is arranged and which allows fuel to emerge swirled over a substantially common plane running transversely to the main flow direction, and which has a nozzle nut ( 26 ) surrounding the nozzle body ( 20 ) with a central fuel / air outlet ( 36 ; 36 ' ) in an inner annular wall at an axial distance from the nozzle body ( 20 ) such that an annular outlet opening between the annular wall and the outer wall of the nozzle body pers ( 20 ) is formed for the air by in the foot end of the nozzle nut ( 26 ) formed passages ( 28 ) as a device for air swirl Vortex component receives, characterized in that the first fuel swirling device ( 24 ), the second fuel swirling device ( 22 ) and the air swirling device (passages 28 ) produce a swirling movement in a common direction and that the cross section of the annular outlet opening for the air and the cross section of the Fuel / air outlet ( 36; 36 ' ) are essentially the same.

In that the nozzle body (20) 2. A nozzle according to claim 1, characterized in that the outer wall of a dome-shaped heat shield (50) whose tip is fixed to the tip of the SI senkörpers (20) and its foot at the foot of the nozzle body (20) .

3. Nozzle according to claim 1 or 2, characterized in that means ( 40 ) for injecting water into the air are provided immediately before the air swirling device (passages 28 ).

4. Nozzle according to claim 3, characterized in that a swirl cup ( 30 ) with coaxial swirl plates ( 32 ) is arranged around the nozzle nut ( 26 ), which mixes a part of the air-water mixture a vortex component in the same direction as the first and second fuel swirl device ( 24, 22 ) ge ben.