DE3228025A1

DE3228025A1 - Doppelbrennstoffinjektor fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3228025A1
Application number: DE19823228025
Authority: DE
Inventors: Bernard Wilfred Weddington Nuneaton Boyce; Arthur Bernard Burbage Leicester Griffin; Jeffrey Douglas Earnsford Grange Coventry Willis
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-07-28
Filing date: 1982-07-27
Publication date: 1983-02-10
Also published as: FR2510665A1; GB2102936B; JPS5950887B2; JPS5845413A; GB2102936A; FR2510665B1; US4463568A; DE3228025C2

Description

Doppelbrennstoff injektor für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoff injektoren für Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Brennstoff injektoren, die in der Lage sind, sowohl flüssigen Brennstoff als auch gasförmigen Brennstoff zu verarbeiten. Derartige Triebwerke werden gewöhnlich bei industriellen Gasturbinenanlagen benutzt. Die Erfindung basiert auf einem Brennstoff injektor wie dieser in der GB-PS 14 27 146 beschrieben ist. Dieser Brennstoff injektor umfaßt einen zentralen Kanal, der komprimierte Luft und eine Brennstoff strömung empfängt. Ein Ablenkkörper ist benachbart zum stromabwärtigen Ende des Kanals angeordnet, der zusammen mit diesem Ende des Kanals einen ringförmigen Auslaß zum Auslassen der Brennstoffluftmischung in allgemein radialer Richtung bildet. Ferner ist eine Abschirmhülse vorgesehen, die einen Teil des zentralen Kanals umschließt und einen Ringkanal bildet, der Luftströmung am stromaufwärtigen Ende empfängt, und diese Luft am stromabwärtigen Ende austreten läßt, wobei dieser Auslaß stromauf des ringförmigen Auslasses des zentralen Kanals liegt. Diese Bauart von Brennstoff Injektoren soll in Verbindung mit der Brennkammer,in der sie angeordnet werden, zwei benachbarte sich in Gegenrichtung drehende Gürtelwirbel erzeugen. Ein Hauptteil des Brennstoff-Luftgemisches strömt in den stromoberseitigen Wirbel, wo eine Zündung erfolgt und die brennende Brennstoffluftmischung strömt in Richtung nach hinten und sie wird teilweise durch die

Strömung vom Brennstoff injektor und teilweise durch Sekundärluft gespeist, die in die Brennkammer strömt. Es ist wichtig, daß das Brennstoff-Luftgemisch in jedem Wirbel auf einem vorbestimmten Mischungsverhältnis bei den verschiedenen Triebwerksbedingungen gehalten wird. Insbesondere sollte der stromaufwärtige Wirbel ein reiches Gemisch aufweisen, jedoch hat es sich gezeigt, daß unter gewissen Bedingungen der stromaufwärtige Wirbel eine weniger reiche Mischung enthält als dies erwünscht ist, und daß der stromabwärtige Wirbel ein Gemisch aufweist, das reicher als erwünscht ist, was eine Folge davon ist, daß ein bestimmter Anteil von Brennstoff vom Injektor in unerwünschter Verteilung in die beiden Wirbel einfließt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffinjektor der beschriebenen Bauart zu schaffen, bei welchem das Brennstoff-Luftverhältnis in dem stromaufwärtigen Wirbel auf einem gewissen minimalen Mischungsverhältnis gehalten werden kann oder auf einem Verhältnis, welches darüber liegt, so daß die Stickoxidemissionen auf einem annehmbaren Wert gehalten werden können. Außerdem bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Brennstoffinjektors der beschriebenen Bauart, wobei dieser in der Lage ist, sowohl mit flüssigem als auch mit gasförmigem Brennstoff zu arbeiten, und zwar mit einem weiten Bereich kalorischer Werte.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines

Brennstoffinjektors der beschriebenen Bauart, bei welchem die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Ablenkkörper vermindert wird.

Die Erfindung geht aus von einem Doppelbrennstoff injektor für ein Gasturbinentriebwerk mit einem zentralen Kanal, der ein offenes stromaufwärtiges und ein offenes stromabwärtiges Ende aufweist, mit einem Ablenkkörper benachbart zum stromabwärtigen Ende des zentralen Kanals und löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Ablenkkörper und das stromabwärtige Ende zusammen einen ringförmigen allgemein radial nach außen gerichteten Auslaß bilden, daß eine Abschirmhülse wenigstens teilweise den Mittelkanal umschließt, um einen Ringkanal zu bilden, der stromoberseitig und stromunterseitig offen ist, wobei das stromabwärtige Ende einen ringförmigen allgemein radial gerichteten Auslaß aufweist, daß der zentrale Kanal und der Ringkanal so angeordnet sind, daß Druckluft vom Kompressor des Triebwerks, in dem der Brennstoff injektor eingebaut ist, zugeführt wird, und daß die innere Brennstoffleitung so ausgebildet ist, daß eine Brennstoff strömung nach dem Zentralkanal erfolgt, während der äußere Brennstoffkanal so angeordnet ist, daß eine Brennstoff strömung nach dem Ringkanal erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung liefert die innere Brennstoffleitung eine gasförmige Brennstoff strömung und die äußere Brennstoffleitung liefert flüssigen

Brennstoff nach dem Ringkanal. Hierbei wird im Betrieb mit flüssigem Brennstoff eine Brennstoff Luftmischung allgemein in radialer Richtung vom Auslaß am stromabwärtigen Ende des Ringkanals abgeblasen und es wird eine Luftströmung allgemein radial vom Ringauslaß des Zentralkanals abgeblasen. Diese Luftströmung unterstützt die Aufrechterhaltung des flüssigen Brennstoffs in dem am weitesten stromauf liegenden Gürtelwirbel, wodurch das Brennstoff Luftverhältnis in jenem Wirbel auf dem gewünschten Wert gehalten werden kann. Die radiale Luftströmung verhindert auch die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Ablenkkörper.

Die innere und äußere Brennstoffleitung kann von dem zentralen und dem ringförmigen Kanal und dem Ablenkkörper getrennt sein, so daß die Brennstoffleitung am Triebwerksgehäuse befestigt ist, während der Rest des Brennstoffinjektors am Kopf des Flammrohres festgelegt ist. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Verminderung der Größe der öffnung für die Brennstoffleitung am Triebwerksgehäuse, wobei auf den zentralen Kanal und den Ringkanal sowie den Ablenkkörper keine Rücksicht genommen zu werden braucht.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinen triebwerks mit gemäß der Erfindung ausgebildeten Brennstoffinjektoren;

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teil eines Flammrohres des Triebwerks nach Fig. 1 mit einem Brennstoff injektor ;

Fig. 3 in größerem Maßstab den Brennstoff injektor nach Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 weist das Gasturbinentriebwerk 10 einen Niederdruckkompressor 12, einen Hochdruckkompressor 14, eine den Kompressor 12 antreibende Niederdruckturbine 16 und eine den Kompressor 14 antreibende Hochdruckturbine 18 auf. Ein Teil der vom Kompressor 12 gelieferten Luft strömt durch einen Nebenschlußkanal und vermischt sich mit den Abgasen der aus dem Triebwerk über eine Düse 22 ausgestoßenen Abgase. Die Abgase werden dann benutzt um eine nicht dargestellte Nutzleistungsturbine anzutreiben, die ihrerseits eine Last, beispielsweise einen elektrischen Generator oder eine Pumpe antreibt.

Die Verbrennungseinrichtung 24 des Triebwerks weist eine Anzahl von im gleichen Abstand zueinander angeordn.eten Flammrohren 26 auf, die in einem Ringgehäuse 28 untergebracht sind, wobei jedes Flammrohr einen Brennstoff injektor gemäß Fig. 2 und 3 aufweist.

Da das Triebwerk für industrielle Anwendung bestimmt

ist, soll es sowohl mit flüssigem Brennstoff als auch mit gasförmigem Brennstoff arbeiten können.

Gemäß Fig. 2 und 3 weist der Brennstoff injektor 30 einen zentralen Kanal 32 auf, der am stromaufwärtigen Ende 24 bzw. am stromabwärtigen Ende 36 offen ausgebildet ist. Eine Ablenkplatte 38 befindet sich am stromabwärtigen Ende 36 des Kanals 32 und wird von der Kanalwandung über einen Arm oder über mehrere Arme 40 getragen. Die Ablenkplatte 38 bildet zusammen mit dem stromabwärtigen Ende 36, welches eine nach außen weisende Lippe 36a aufweist, einen Ringauslaß 42, der so ausgebildet ist, daß Luft oder Brennstoff oder ein Luft-Brennstoffgemisch, welches aus dem Auslaß austritt, in allgemein radialer Richtung nach der Umfangswand des Flammrohres 26 abströmt.

Der zentrale Kanal 32 ist über einen oder mehrere Arme 46 an einer den Kanal umschließenden Hülse 44 festgelegt, und die Hülse ist ihrerseits am Kopf des Flammrohres 26 montiert. Die Hülse umschließt wenigstens teilweise den zentralen Kanal, um einen Ringkanal 48 zu bilden, der ein offenes stromaufwärtiges Ende 50 und ein offenes stromabwärtiges Ende 52 besitzt. Das stromabwärtige Ende 52 bildet zusammen mit der Lippe 36a des zentralen Kanales einen Ringauslaß 54 für Luft oder ein Brennstoff-Luftgemisch, so daß dieses allgemein radial nach der Umfangswand des Flammrohres 26 abströmen kann.

Das Flammrohr 26 weist einen Kühlring 68 auf, der die

Kühlluft sowohl in Richtung stromauf als auch in Richtung stromab fließen läßt, und außerdem weist das Flammrohr 26 Sekundär-Lufteinlässe 70 auf. Der Brennstoff injektor 30 und das Flammrohr 26 arbeiten auf dem gleichen Grundprinzip wie bei der Anordnung nach der GB-PS 14 27 146,insofern als zwei Gürtelwirbel 72 und 74 entgegengesetzter Drehrichtung im Flammrohr ausgebildet werden. Das stromaufwärtige Ende der Hülse 44 ist erweitert und besitzt eine Schulter 45₉ von der flüssiger Brennstoff, der in Richtung stromauf zu fließen trachtet, durch einen Druckluftstrom abgelöst werden kann.

Wenn der Brennstoff injektor 30 im Betrieb befindlich ist und mit flüssigem Brennstoff arbeitet, dann wird eine aus flüssigem Brennstoff und Luft bestehende Mischung durch den Ringkanal 48 strömen und in das Flammrohr in allgemein radialer Richtung nach der Wand des Flammrohres eingespritzt und diese Mischung wird Teil des stromaufwärtigen Wirbels 72, der außerdem durch Luft aus dem Kühlring 68 gespeist wird. Gleichzeitig strömt komprimierte Luft durch den zentralen Kanal 32 und durch den Auslaß 42 ebenfalls allgemein in Radialrichtung nach der Flammrohrwand und trennt die beiden Wirbel voneinander.

Das Brennstoff-Luftgemisch (AFR) in dem stromaufwärtigen Wirbel ist ein reiches Brennstoffgemisch mit einem Brennstoff-Luftverhältnis zwischen 6 : 1 bis 10 : 1, jedoch vorzugsweise 7 : 1 oder 8 : 1, damit die Emission von Stickoxiden auf einem annehmbaren Wert

gehalten werden kann- Der Brennstoff wird in dem stromaufwärtigen Wirbel verbrannt und die Verbrennungsprodukte, die unverbrannten oder teilweise verbrannten Brennstoff enthalten können, strömen in den stromabwärtigen Wirbel, der mit Sekundärluft gespeist wird, und dieses Brennstoff-Luftgemisch ist schwach mit einem Verhältnis zwischen 22 : 1 bis 28 : 1, jedoch vorzugsweise 25 : 1. Die Strömung komprimierter Luft aus dem Auslaß 42 hat die Neigung den Brennstoff in dem stromaufwärtigen Wirbel zu halten, um das gewünschte Brennstoff-Luftgemisch in diesem Bereich aufrecht zu erhalten,statt daß gewisse Mengen von Brennstoff nach dem stromabwärtigen Wirbel gelangen, wodurch der stromaufwärtige Wirbel geschwächt und der stromabwärtige Wirbel angereichert würde, was die Emission von Stickoxiden erhöhen statt vermindern würde.

Die Luftströmung vom Auslaß 42 sucht die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Ablenkkörper zu verhindern, weil diese Strömung die Verbrennungsprodukte von dem Ablenkkörper abzuhalten sucht. Es ist wichtig, daß die Kohlenstoff ablagerung vermindert wird, wei.l der Kohlenstoff, wenn er sich in genügenden Mengen ablagert, schließlich in Stücken abbricht und die stromabwärtigen Bauteile des Triebwerks beschädigt.

Wenn das Triebwerk mit gasförmigem Brennstoff betrieben wird, dann strömt der Brennstoff zusammen mit komprimierter Luft in den Kanal 32 und die Mischung strömt

in das Flammrohr durch den Auslaß 42, während eine Strömung komprimierter Luft in das Flammrohr durch den Ringkanal 48 und den Auslaß 54 abströmt. Diese letztere Luftströmung verbessert den Wirbel 72, aber im Falle eines gasförmigen Brennstoffs ist die Plazierung und Verteilung des Brennstoffs innerhalb der Wirbel nicht so kritisch wie bei flüssigen Brennstoffen, soweit es die Erzeugung von Stickoxiden betrifft. Es brauchen auch keine speziellen Maßnahmen bei Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen getroffen zu werden, soweit es sich um die Ablagerung von Kohlenstoff handelt, da im allgemeinen derartige Brennstoffe sauber verbrennen und keine wesentlichen Anteile von freiem Kohlenstoff erzeugen.

Die Brennstoffzuführungsleitung 56, 64 ist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel unabhängig von den Leitungen 32, 48 und dem Ablenkkörper 38, damit ein kleiner bemessenes Zutrittsloch für die Brennstoffleitung im Triebwerksgehäuse angebracht werden kann. In gewissen Fällen kann die Brennstoffleitung jedoch auch mit dem übrigen Brennstoff injektor integriert oder an diesem befestigt werden, wenn z.B. der Injektor nachträglich an einem bestehenden Triebwerk eingebaut wird und wenn die Zugriffslöcher im Triebwerksgehäuse nicht geändert werden können.

- 42-

Leerseite

Claims

Patentanwälte^:* :.,: : %,^: ,"-Dipl.-Ing. Curt Wallach

Europäische Patentvertreter Dipl.-lng. Günther Koch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

27. Juli 1982

Rolls-Royce Limited . Unser zeichen: 17 496 - K/Ap

Buckingham Gate
London SW1E 6AT
England

Patentanmeldung:

Doppelbrennstoff injektor für ein Gasturbinentriebwerk

Patentansprüche:

Doppelbrennstoff injektor für ein Gasturbinentriebwerk mit einem zentralen Kanal, der ein offenes stromaufwärtiges und ein offenes stromabwärtiges Ende aufweist, mit einem Ablenkkörper benachbart zum stromabwärtigen Ende des zentralen Kanals, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkkörper (38) und das stromabwärtige Ende (36) zusammen einen ringförmigen allgemein radial nach außen gerichteten Auslaß (42) bilden, daß eine Abschirmhülse (44) wenigstens teilweise den Mittelkanal (32) umschließt um einen Ringkanal (48) zu bilden, der stromoberseitig und stromunterseitig offen ist, wobei das stromabwärtige Ende einen ringförmigen, allgemein radial gerichteten Auslaß (54) aufweist, daß der zentrale Kanal (34) und der Ringkanal (48) so angeordnet sind, daß Druckluft vom Kompressor des Triebwerks ,in dem der brennstoff injektor eingebaut ist, zugeführt wird, und daß die innere Brennstoffleitung so ausgebildet ist, daß eine Brennstoff strömung nach dem Zentralkanal

erfolgt während der äußere Brennstoffkanal so angeordnet ist, daß eine Brennstoffströmung nach dem Ringkanal erfolgt.
2. Doppelbrennstoff injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Brennstoffkanal gasförmigen Brennstoff nach dem zentralen Kanal (34) strömen läßt, und daß der äußere Brennstoffkanal so ausgebildet ist, daß flüssiger Brennstoff nach dem Ringkanal (48) gefördert wird.
3. Doppelbrennstoff injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innere und äußere Brennstoffleitung zusammenwirken, jedoch von dem zentralen und dem ringförmigen Kanal abgesetzt sind.
4. Doppelbrennstoff injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Brennstoffleitung einen im Querschnitt kreisförmigen Kanal aufweist, der in einer Ringdüse endet, und daß der äußere Brennstoffkanal eine Leitung umfaßt, die mit einer Ringleitung in Verbindung steht, welche mehrere Auslaßdüsen besitzt.
5. Doppelbrennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmhülse ein erweitertes stromaufwärtiges Ende aufweist, und daß die Aufweitung eine

Schulter besitzt, die jeglichen Brennstoff auffängt, der in Richtung stromauf zu strömen trachtet.