DE3213549C2 - Brennstoffversorgungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffversorgungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Brennstoffversorgungseinrichtung ist aus der GB-PS 7 02 945 bekannt.

Gasturbinentriebwerke müssen mit sehr hohen Temperaturen gefahren werden, damit sie mit gutem Wirkungsgrad arbeiten. Erwartungsgemäß sind diese Temperaturen in einem Brennkammerabschnitt des Triebwerks, wo der Triebwerksbrennstoff verbrannt wird, besonders hoch. Hohe Brennkammertemperaturen sind notwendig, um den Brennstoff vollständig zu zünden und um außerdem dem verbrennenden Brennstoff die maximale Menge an verfügbarer Energie entnehmen zu können. Wenn der Brennstoff gezündet wird, vereinigt er sich mit Hochdruckluft zur Bildung von Verbrennungsgasen hoher Temperatur und hohen Druckes. Diese Gase werden stromabwärts der Brennkammer durch einen Turbinenabschnitt ausgenutzt, wo die kinetische Energie der Gase in nutzbare mechanische Energie umgewandelt wird. Nach thermodynamischen Grundprinzipien führt das Erhöhen der Temperatur und des Druckes der Verbrennungsgase zur Erhöhung der Menge an erzeugter mechanischer Energie.

Wegen der notwendigerweise hohen Brennkammertemperaturen muß eine Triebwerksbrennstoffversorgungseinrichtung so ausgebildet sein, daß sie in der Lage ist, während des Triebwerksbetriebes bei hoher Temperatur die Brennkammer sicher und zuverlässig ständig mit Brennstoff zu versorgen. Im gegenwärtigen Stand der Triebwerksentwicklung sind Brennstoffversorgungseinrichtungen typischerweise Temperaturen von über 427°C ausgesetzt. Das US-Bundesluftfahrtamt (FAA) verlangt, daß kommerzielle Triebwerkbrennstoffversorgungseinrichtungen einer Flammendauerprüfung unterzogen werden, damit sich zeigt, ob eine bestimmte Triebwerksbrennstoffversorgungseinrichtung in dieser rauhen Umgebung sicher arbeiten kann. Wenigstens teilweise wird darüber hinaus verlangt, daß die Brennstoffversorgungseinrichtung in der Lage sein muß, jeglichen Brennstoffleckverlust über Bord zu leiten, wenn ein Verbindungsstück oder eine Leitung in einem Primärdurchflußweg ausfallen sollte.

Es ist zwar aus der DE-OS 25 23 582 eine abgeschirmte Hochdruckleitung, insbesondere Brennstoffeinspritzleitung für Dieselmotoren, bekannt, bei der ein Leckstrom von Brennstoff über ein äußeres Hüllrohr abgeleitet werden kann. Dort besteht aber das Hüllrohr aus einem metallischen Schutzrohr, das an mehreren Bereichen auf ein Brennstoffdruckrohr aufgepreßt ist, so daß eine weitgehend starre Einheit entsteht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Brennstoffversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art die Brandschutzsicherheit dahingehend zu verbessern, daß Leckströme auch bei mechanisch oder thermisch bedingter Verschiebung der Versorgungsleitungen nicht nach außen dringen können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der doppelwandige Aufbau einen Flammen- und Wärmeschutz für den inneren Brennstoffströmungskanal und außerdem eine Vorrichtung zum Sammeln von möglichem Leckbrennstoff bildet, um diesen über Bord zu leiten. Außerdem werden thermische Expansionen und Kontraktionen durch die teleskopartig ineinanderschiebbaren Hülsen aufgenommen.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer teilweise zerlegten Brennstoffversorgungseinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Brennstoffverteilerabschnitts, der Teil der Erfindung ist,

Fig. 3 teilweise im Schnitt und teilweise weggebrochen eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, die Teil der Erfindung ist, und

Fig. 4 eine Längsschnittansicht einer Brennstoffversorgungsleitung und eines Teils eines Brennstoffverteilerabschnitts nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Längsschnittansicht eines typischen Gasturbinentriebwerks,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer bekannten Brennstoffversorgungseinrichtung.

In Fig. 5 ist ein typisches Gasturbinentriebwerk 10 so dargestellt, daß zu erkennen ist, wo die grundlegenden Triebwerksteile in bezug aufeinander angeordnet sind. Wenn am stromaufwärtigen Ende des Triebwerks 10 begonnen wird, so strömt Außenluft in das Triebwerk über eine Triebwerksansaugöffnung 12 ein. Diese Luft wird zuerst durch einen Triebwerksfan 14 verdichtet und beschleunigt. Die Luft tritt dann in einen Verdichterabschnitt 16 ein, wo sie weiter bis zu dem Punkt verdichtet wird, an welchem sie den Verbrennungsprozeß voll stützen kann.

Die Verbrennung selbst erfolgt in einer Brennkammer 18. Die verdichtete Luft wird dem Verdichter 16 entnommen und mit Brennstoff vermischt, der durch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 20 in die Brennkammer 18 geleitet wird. Das Luft/Brennstoff-Gemisch wird innerhalb der Brennkammer 18 ständig gezündet und verbrannt, damit Verbrennungsgase hohen Druckes und hoher Temperatur gebildet werden, die eine Energiequelle für das Triebwerk 10 bilden.

Die Verbrennungsgase werden, um von dieser Energiequelle Gebrauch zu machen, mit einer hohen Geschwindigkeit in einen Turbinenabschnitt 22 geleitet, wo die Gase einen drehbaren Turbinenrotor 24 antreiben. Der Turbinenrotor 24 gibt Leistung an eine Turbinenwelle 25 ab, die dann benutzt werden kann, um mechanische Energie irgendeinem gewünschten Gebrauchszweck zuzuführen. Schließlich kann die Welle 25 benutzt werden, um einen Flugzeugpropeller, einen Hubschrauberrotor oder einen Vorwärtsschub liefernden Fan anzutreiben oder Energie für irgendeinen anderen nützlichen Zweck abzugeben.

Eines der Probleme, die im Betrieb eines Gasturbinentriebwerks auftreten, ist die Auswirkung von hohen Temperaturen, welche sich in dem Verbrennungsgebiet entwickeln. Diese hohen Temperaturen führen zu einer starken thermischen Beanspruchung der Triebwerksteile, welche die Auswirkungen von thermischer Expansion und Kontraktion baulich aufnehmen müssen. Sogar noch bedeutsamer ist, daß durch hohe Temperaturen verursachte Sicherheitsgefahren durch den Triebwerksentwerfer voll berücksichtigt werden müssen. Überlegungen hinsichtlich einer Brennstoffleckage erlangen in dem die Brennkammer 18 umgebenden Gebiet Bedeutung, wo der Brennstoff sicher und zuverlässig durch eine Brennstoffversorgungseinrichtung 26 geleitet werden muß. In einem typischen Gasturbinentriebwerk muß die Brennstoffversorgungseinrichtung 26 in der Lage sein, Temperaturen über 427°C auszuhalten, die gewöhnlich um ein Brennkammeraußengehäuse 28 herum herrschen.

Fig. 6 zeigt eine bekannte Brennstoffversorgungseinrichtung 30, die bei dem in Fig. 5 gezeigten Triebwerk benutzt werden könnte. Diese Brennstoffversorgungseinrichtung 30 besteht aus einer Brennstoffversorgungsleitung 32 und einem Brennstoffverteiler 34. Üblicherweise erstreckt sich der Verteiler 34 um das Brennkammeraußengehäuse des Triebwerks herum, um mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen 20 Brennstoff zuzuführen.

Fig. 1 zeigt eine Brennstoffversorgungseinrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in teilweise zerlegter Form. Auch diese Brennstoffversorgungseinrichtung 26 könnte bei einem typischen Gasturbinentriebwerk, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, verwendet werden. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 26 enthält eine Brennstoffversorgungsleitung 32, die einem Brennstoffverteiler 34 Brennstoff zuführt. Der Verteiler 34 umgibt das Brennkammeraußengehäuse (in Fig. 1 nicht dargestellt) und führt mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen 20 jeweils Brennstoff zu.

Der Verteiler 34 hat einen Aufbau, aufgrund dessen mehrere Wände einen Primärbrennstoffdurchflußweg umschließen. Ermöglicht wird das durch die Verwendung von doppelwandigen Verteilerabschnitten 36, welche die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 20, die jeweils zwei Brennstoffdurchflußwege aufweisen, miteinander verbinden, um eine einstückige doppelwandige Brennstoffverteilerbaugruppe zu bilden. Dadurch hat der Verteiler 34 einen Primärdurchflußweg innerhalb einer inneren Wand (Innenwand) 38 in Form eines Schlauches und einen Sekundärdurchflußweg zwischen der Innenwand 38 und einer äußeren Wand (Außenwand) 40. In Fig. 1 sind die Innenwand 38 und Außenwand 40 eines vollständigen Verteilerabschnittes 36 neben dem teilweise zerlegten Brennstoffverteiler 34 dargestellt.

Der Sekundärdurchflußweg ist vorgesehen, um jedweden Leckbrennstoff, der aus dem Primärdurchflußweg entweicht, zu der Brennstoffversorgungsleitung 32 zu leiten, aus welcher der Leckbrennstoff nach außerhalb des Triebwerks geleitet wird. Die Außenwand 40 bildet außerdem einen Wärmeisolator und eine Feuerabschirmung zum Schutz des Primärdurchflußweges. In anderen Ausführungsbeispielen könnten zusätzliche Brennstoffdurchflußwege vorgesehen sein.

In Fig. 2 sind ein vollständiger Verteilerabschnitt 36 und ein Basisabschnitt 42 einer Einspritzvorrichtung 20 gezeigt. Aus Fig. 2 ist der doppelwandige Aufbau des Verteilers ohne weiteres ersichtlich. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Außenwand 40 aus zwei oder mehr ineinanderschiebbaren Hülsen 44 und 48. Dort, wo die Hülsen 44, 48 konzentrisch sind, ist eine Nut 46 in der inneren Hülse 48 gebildet, und ein O-Ring 50 ist in die Nut eingesetzt, um eine Schiebeverbindung zwischen der inneren Hülse 48 und der äußeren Hülse 44 zu schaffen, die dort abdichtet, wo die Hülsen einander überlappen. Die Schiebeverbindung zwischen den Hülsen gestattet dem Abschnitt 36, in einer teleskopischen Bewegung zu expandieren und zu kontraktieren. Dadurch kann eine räumliche Verlagerung an ihren Verbindungsstellen kompensiert werden. Die Hülsen 44 , 48 sind außerdem mit O-Ringen 50 abgedichtet, die in Rastschultern 51 an den Verbindungsstellen mit den Basisabschnitten 42 als Mittel zur mechanischen Befestigung und zur Abdichtung vorgesehen sind.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Innenwand 38 Teil einer Schlauchbaugruppe 52 aus Polytetrafluoräthylen (Teflon). Als zusätzliche Sperre kann die Schlauchbaugruppe 52 ein eine Brandhülse 53 eingeschlossen sein. An einem Ende der Schlauchbaugruppe 52 wird ein mechanischer Verbinder 54 benutzt, um die Baugruppe 52 mit dem Einspritzvorrichtungs-Basisabschnitt 42 zu verbinden. Am anderen Ende ist die Baugruppe 52 in den Basisabschnitt 42 eingeführt und bildet eine Steckverbindung, die mit einer Doppel-O-Ringdichtung 56 versehen ist. Die Steckverbindung gestattet der Schlauchbaugruppe 52, sich innerhalb des Basisabschnittes 42 zu verschieben, um thermisches Wachstum und mechanische Toleranzen zu kompensieren.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Brennstoffeinspritzvorrichtung 20. Der Basisabschnitt 42 ist, wie in dem Fall der doppelwandigen Verteilerabschnitte 36, sowohl mit einem Primär- als auch mit einem Sekundärdurchflußweg versehen. Der Primärdurchflußweg ist ein innerer Brennstoffströmungskanal 58, der durch den Basisabschnitt 42 hindurchgeführt und Öffnungen an jedem Ende hat, die mit dem Primärdurchflußweg der benachbarten Verteilerabschnitte 36 in Strömungsverbindung sind. Der Sekundärdurchflußweg ist ein äußerer Brennstoffströmungskanal 60, der mit dem Sekundärdurchflußweg jedes benachbarten Verteilerabschnittes 36 in Strömungsverbindung ist. Aufgrund dieser besonderen Verbindung zwischen den Verteilerabschnitten 36 und der Einspritzvorrichtungen 20 ist die Brennstoffverteilereinrichtung 26 mit einem doppelwandigen Aufbau versehen, der vollständige Primär- und Sekundärdurchflußwege enthält.

Innerhalb der Einspritzvorrichtung 20 erstreckt sich über dessen volle Länge ein Brennstoffdurchlaß 62 zu einer Einspritz-Sprühspitze 64, die Brennstoff in die Brennkammer 18 sprüht, um den Verbrennungsprozeß aufrechtzuerhalten.

Fig. 4 zeigt einen Teil der Brennstoffversorgungsleitung 32, wo diese einen Verteilerabschnitt 36 schneidet. Wieder wird, wie in dem Fall des Brennstoffverteilers, ein doppelwandiger Aufbau benutzt, um einen Primär- und einen Sekundärdurchflußweg zu schaffen. Der Primärdurchflußweg 66 der Versorgungsleitung 32 steht in direkter Strömungsverbindung mit dem Primärdurchflußweg des Einspritzvorrichtungs-Basisabschnittes 42, und ebenso steht der Sekundärdurchflußweg 68 der Versorgungsleitung in direkter Strömungsverbindung mit dem Sekundärdurchflußweg des Einspritzvorrichtungs-Basisabschnittes 42. Das gestattet Leckbrennstoff aus dem Brennstoffverteiler über einen Abfluß 69 abzuführen.

Claims (2)

1. Brennstoffversorgungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Brennkammer und mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen zum Zuführen von Brennstoff zur Brennkammer durch das Brennkammer-Außengehäuse hindurch, wobei ein Brennstoffverteiler um das Brennkammer-Außengehäuse herum angeordnet ist und mehrere mit den Brennstoffeinspritzvorrichtungen verbundene Basisabschnitte aufweist, die jeweils einen inneren und einen äußeren Brennstoffströmungskanal aufweisen, und durch mehrere doppelwandige Verteilersegmente dichtend verschiebbar verbunden sind, die eine innere Wand und eine äußere Wand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennstoff durch den inneren Brennstoffströmungskanal (58) zugeführt wird und Leckbrennstoff durch den äußeren Brennstoffströmungskanal (60) abgeführt wird,
die äußere Wand (40) wenigstens zwei teleskopartig ineinanderschiebbare, zwischen den Brennstoffeinspritzvorrichtungen teilbare Hülsen (44, 48) aufweist, die durch O-Ringdichtungen (50) miteinander und mit benachbarten Basisabschnitten (42) verbunden sind, und
ein Abfluß (69) in der äußeren Wand (40) angeordnet ist.

2. Brennstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Brennstoffströmungskanal (58) durch eine zusätzliche Brandhülse (53) umschlossen ist.