DE3233832A1 - Oil-fired gas turbine with oil-air mixture injection - Google Patents

Oil-fired gas turbine with oil-air mixture injection

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DE3233832A1 DE19823233832 DE3233832A DE3233832A1 DE 3233832 A1 DE3233832 A1 DE 3233832A1 DE 19823233832 DE19823233832 DE 19823233832 DE 3233832 A DE3233832 A DE 3233832A DE 3233832 A1 DE3233832 A1 DE 3233832A1
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Hans Georg Ing(grad.) 7100 Heilbronn Zimmermann
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22—Fuel supply systems
    • F02C7/236—Fuel delivery systems comprising two or more pumps
    • F02C7/2365—Fuel delivery systems comprising two or more pumps comprising an air supply system for the atomisation of fuel

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

The efficiency of combustion in combustion chambers of gas turbines will be improved to nearly 100% and pollutant emissions in the exhaust gas reduced by virtue of the fact that, instead of oil injection, an oil-air mist is injected into the combustion chambers by means of a pressurised-oil pump and an atomiser nozzle. Rotary piston mixture compressors are used to produce the mist. The intake air for the mixture compressor(s) is taken from the delivery flow of the turbine compressor, with the state P2 and T2 (Figure 1 (4)), and a small portion, e.g. 5%, from the quantity delivered by the turbine compressor. An oil metering pump assigned in each case to one mixture compressor delivers the quantity of combustion oil required for the particular power of the turbine into the intake flow of the mixture compressor. The mist formed in the mixture compressor, in the state P3 and T3, flows into a pressure chamber. In the case of turbines having a plurality of combustion chambers - for example an aircraft engine - the pressure chamber is designed as an annular manifold (Figure 1 (3)) and can be supplied by one or more mixture compressors. The injection nozzles (Figure 1 (6)) are connected to the pressure chamber (manifold). <IMAGE>

Description

Anlage zur PatentanmeldungAttachment to the patent application

Ölbefeuerte Gasturbine mit O uftgemisch-Einblasung Durch die Patentanmeldungen P 2950 114.8 und P 2943 957.4 ist, für Ölbrenner zu Heizzwecken'eine Aufbereitung des Brenngemisches bekanntgeworden,welches eine wesentliche Verbesserung der Brennstoffausnutzung erbringt. Oil-fired gas turbine with air mixture injection Through the patent applications P 2950 114.8 and P 2943 957.4 is a preparation for oil burners for heating purposes of the fuel mixture has become known, which significantly improves fuel efficiency he brings.

Bei diesem bekannten Verfahren wird das Brenngemisch dadurch gebildet,daß das Brennöl in den Ansaugstrom eines Kolbenverdichters eingesprüht wird;im Kolbenverdichter wird die angesaugte Luft so hoch verdichtet,daß das eingesprühte Brennöl weitgehend vergast. Dabei ist -die vom Kolbenverdichter angesaugte Luft nur ein-kleiner Teil der Gesamtbrennluft.In this known method, the fuel mixture is formed in that the fuel oil is sprayed into the suction flow of a reciprocating compressor; in the reciprocating compressor the sucked in air is compressed so much that the fuel oil sprayed in is largely gassed. The air sucked in by the piston compressor is only a small part of the total combustion air.

Durch die Vermischung des eingesprühten Brennöles im Ansaugkanal des Kolbenverdichters,die Strömungen und Turbulenzen im Ansaug-und Verdichtungstakt und die Wärmeaufnahme des Brennöles beim Verdichtungstakt,wird ein sehr feines Aerosol gebildet,welches über eine Einblaseleitung und eine Hinblasedüse,in die,in der Regel von einem Radialgebläse geförderte Brennluft,eingeblasen wird.By mixing the injected fuel oil in the intake duct of the Reciprocating compressor, the currents and turbulence in the intake and compression cycle and the heat absorption of the fuel oil during the compression stroke becomes a very fine aerosol formed, which via an injection line and an injection nozzle, into which, as a rule Combustion air conveyed by a radial fan is blown in.

Aufgrund dieser Gemischaufbereitung entsteht eine Verbrennung mit Blauflamme welche das Brennöl nahezu 100% ausnutzt und weniger schädliche Abgasemission und praktisch keine Ölrußniederschläge erzeugt,also umweltfreundlicher ist.Due to this mixture preparation, combustion also occurs Blue flame which uses the fuel oil almost 100% and less harmful exhaust emissions and produces practically no soot deposits, so it is more environmentally friendly.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist,dieses vorstehend beschriebene bekannte Verfahren für die Anwendung bei ölbefeuerten Gasturbinen auszugestalten.The object of the present invention is to achieve this as described above to design known methods for use in oil-fired gas turbines.

Als Beispiel wird ein Turbinen-Strahltriebwerk für Flugzeuge gewählt.A turbine jet engine for aircraft is chosen as an example.

In Figur 1 ist schematisch ein Turbinen-Strahltriebwerk mit der Anordnung der Öl-Luftgemisch-Einblasung dargestellt.In Figure 1 is a turbine jet engine with the arrangement schematically the oil-air mixture injection shown.

Es bedeuten: 1 Lufteintritt in den Verdichter 2 Verdichter 3 Sammelrohr 4 Saugleitung des Gemischverdichter3 5 Druckleitung des Gemischverdichters 6 Einblasedüse mit Leitung 7 Brennkammer 8 Turbine In Figur 2 ist schematisch der Gemischverdichter mit vorgeschalteter Brennstoffdosierpumpe dargestellt.The symbols mean: 1 air inlet into the compressor 2 compressor 3 header pipe 4 Suction line of the mixture compressor 3 5 Pressure line of the mixture compressor 6 Injection nozzle with line 7 combustion chamber 8 turbine In Figure 2 is the schematic Mixture compressor shown with upstream fuel metering pump.

Es bedeuten: 9 Gemischverdichter 10 Brennstoffansaugleitung 11 Regelhebel für Brennstoffmenge 12 Brennstoffdosierpumpe 13 Brennstoffdruckleitung 14 Antriebswelle des GemiSchverdichters 4 Saugleitung.des Gemischverdichters 5 Druckleitung des Gemischverdichters Beschreibung der Anordnung und Wirkungsweise: In dem-Turbinentriebwerk sind am Umfang, gleichmäßig verteilt,mehrere Brennkammern 7 angeordnet.The figures mean: 9 mixture compressor 10 fuel intake line 11 control lever for fuel quantity 12 fuel metering pump 13 fuel pressure line 14 drive shaft of the mixture compressor 4 suction line of the mixture compressor 5 pressure line of the mixture compressor Description of the arrangement and mode of operation: In the turbine engine are on the circumference, evenly distributed, several combustion chambers 7 arranged.

Im Innern jeder Brennkammer,am Ende des Brennkammerhalses (Xufteintritt),befindet-si¢h je eine Einblasedüse 6 Die Einblasedüse steht über eine Rohrleitung mit dem am melrohr 3 in Verbindung.Inside each combustion chamber, at the end of the combustion chamber neck (air inlet), is located One injection nozzle each 6 The injection nozzle is connected to the one on the melrohr via a pipe 3 in connection.

Das Sammelrohr wird über die Druckleitung des Gemischverdichters 5 , von dem Gemischverdichter 9 , mit Öl-Luftgemisch (Aerosol) beschickt.The collecting pipe is via the pressure line of the mixture compressor 5 , from the mixture compressor 9, charged with an oil-air mixture (aerosol).

Die Saugleitung des Gemischverdichters 4 mündet in die Eingangszone des Brennkammerhalses, Dem Gemischverdichter 9 ist eine Brennstoffdosierpumpe 12 vorgeschaltet,welehe direkt oder über eine Untersetzung, von der Antriebswelle 14 angetrieben wird.The suction line of the mixture compressor 4 opens into the inlet zone the combustion chamber neck, the mixture compressor 9 is a fuel metering pump 12 upstream of the drive shaft 14, either directly or via a reduction gear is driven.

In die Saugleitung des Gemischverdichters 4 mündet die Brennstoffdruckleitung 13 Uber die Brennstoffsaugleitung 10 wird die Brennstoffdosierpumpe mit Brennöl beschickt.The fuel pressure line opens into the suction line of the mixture compressor 4 13th The fuel metering pump is via the fuel suction line 10 charged with fuel oil.

Der Regelhebel für Brennstoffdosierpumpe 11 betätigt die Brennst offMengenregelung.The control lever for fuel metering pump 11 actuates the fuel quantity control.

Je nach Anzahl der Brennkamern des Triebwerkes sind mehrere Gemischverdichter am Umfang des Triebwerkes verteilt, sodaß je 2 bis 3 Brennkammern je ein Gemischverdichter zugeordnet ist.Depending on the number of combustion chambers in the engine, there are several mixture compressors Distributed around the circumference of the engine, so that each 2 to 3 combustion chambers each have a mixture compressor assigned.

Damit wird bezweckt,daß die Gemischverdichter möglichst klein bauen und sich so im Profil des Triebwerkes einordnen lassen.The aim is that the mixture compressor build as small as possible and can thus be classified in the profile of the engine.

Außerdem können kleinere Verdichter, aufgrund der kleineren Gleitgeschwindigkeiten der Dichtteil und der geringeren Massen, mit höheren Drehzahlen gefahren werden.In addition, smaller compressors, due to the lower sliding speeds the sealing part and the lower masses are driven at higher speeds.

er Antreib der Gemischverdichter erfolgt nach bekannter Weise, von der Hauptwelle des Triebwerkes aus, über radiale Wellen mit Kegel-oder Schraubenradgetrieben.he driving the mixture compressor takes place in a known manner, from the main shaft of the engine, via radial shafts with bevel or helical gears.

Die Ansaugluft für den Gemischverdichter 9 wird am Eingang der Brennlcanuner 7 entnommen. Diese Luft wird von dem Verdichter 2 des Triebwerkes gefördert und hat in der Entnahmezone annahernd den Druck P2 und die Temperatur T2. Im Gemischverdichter wird die eingeströmte Luft auf den Druck P3 und die Temperatur T3 gesteigert.The intake air for the mixture compressor 9 is at the entrance of the Brennlcanuner 7 taken. This air is conveyed by the compressor 2 of the engine and has approximately the pressure P2 and the temperature T2 in the removal zone. In the mixture compressor the air that has flowed in is increased to pressure P3 and temperature T3.

Die für den jeweiligen Leistungszustand erforderliche Brennstoffmenge fördert die Brennstoffdosierpumpe 12 in die Saugleitung des Gemischverdichters 4 . Dabei ist die Mündung der Brennstoffdruckleitung 13 so in der Saugleitung 4 angeordnet,daf3 der Brennstoff,von der durchströmenden Luft, vorzerstäubt und im Luftstrom verteilt wird, Zur Intensivierung dieses Vorganges kann auch zusatzlich, an der Breenstoffeintrittsstelle,im.Saugrohr,ein Venturieinsatz angeordnet sein.The amount of fuel required for the respective performance status the fuel metering pump 12 conveys into the suction line of the mixture compressor 4 . The opening of the fuel pressure line 13 is arranged in the suction line 4 in such a way that the fuel is pre-atomized by the air flowing through it and distributed in the air stream will, To intensify this process can also additionally, A Venturi insert can be arranged at the Breenstoffeintrittsstelle, in the suction pipe.

Das in den Gemischverdichter eintretende Brennstoff-Luftgemisch hat,wie schon erwahnt, den Zustand P2 und T2 Im Gemischverdichter wird die anteilige Luft weiterverdichtet auf den Druck P3 Das im Gemisch enthaltene Brennöl wird dabei, infolge der sich einstellenden Temperatur T3, schon weitgehend vergast und mit Unterstiitzung der Strömungsvorgänge im Gemischverdichter, ein feines Aerosol gebildet.The fuel-air mixture entering the mixture compressor has, as Already mentioned, the state P2 and T2 In the mixture compressor, the proportion of air further compressed to the pressure P3 The fuel oil contained in the mixture is as a result of the temperature T3 that is established, it is already largely gassed and with support the flow processes in the mixture compressor, a fine aerosol is formed.

Dieses Aerosol mit dem Zustand P3 und T3 strömt nun über die .Druckleitung 5 in das,hinter dem Verdichter 2 angeordnete, ringförmige Sammelrohr 3 . Das Sainmelrohr wirkt gleichzeitig als Druckkessel zur Beruhigung der Gemischverdichterpulsation.This aerosol with the state P3 and T3 now flows over the pressure line 5 into the annular manifold 3 arranged behind the compressor 2. The Sainmelrohr acts at the same time as a pressure vessel to calm the mixture compressor pulsation.

Von dem Sammelrohr 3 kann das Aerosol, über die angeschlossenen Rohrleitungen, zu den jeweiligen Einblasedüsen 6 strömen.From the collecting pipe 3, the aerosol can, via the connected pipelines, flow to the respective injection nozzles 6.

Die Einblasedüse 6 ist etwa so und dort in der Brennkammer 7 angeordnet, wie die Brennerdüsen bei bekannten Gasturbinen.The injection nozzle 6 is arranged in the combustion chamber 7 in this way and there, like the burner nozzles in known gas turbines.

Zur Bildung des Einblase-Brenngcmisches (Aerosol) wird nur ein kleiner Teil der vom Verdichter 2 geförderten Gesamtluft benötigt. Diese Luftmenge kann beispielsweise um 5yo von der Luftmenge betragen'welche'für ein stöchiometrisches Mischungsverhältnis des Gesamtbrenngemisches bei Vollast, erforderlich ist. Aus dieser Luftmenge bestimmt sich auch die Förderleistung des bzw. der Gemischverdichter.Only a small one is required to form the injection fuel mixture (aerosol) Part of the total air conveyed by the compressor 2 is required. This amount of air can for example around 5yo of the air volume 'which' for a stoichiometric Mixing ratio of the total combustion mixture at full load, is required. the end this amount of air also determines the delivery rate of the mixture compressor (s).

Das Druckverhältnis des Gemischverdichters wird von dem Zustand P2 und rf2 der aus dem Verdichter 2 ausströmenden Luft bestimmt.The pressure ratio of the mixture compressor is from the state P2 and rf2 of the air flowing out of the compressor 2 is determined.

Das Druckverhältnis des Gemischverdichters wird dabei so niedrig wie möglich gewählt,nur so hoch,daß infolge der Temperatur T3 der Brennstoff schon weitgehend vergast. und P3 hoch genug ist um das Aerosol,über die Einblasedüsen in die Haupt luft der Brennkammer einzublasen.The pressure ratio of the mixture compressor is as low as Chosen possible, only so high that the fuel is already largely due to the temperature T3 gassed. and P3 is high enough to get the aerosol into the main via the injection nozzles to blow air into the combustion chamber.

Die Leistungsregelung des Turbinen-Triebwerkes mit Aerosol-Einblasung, wie vorstehend beschrieben, erfolgt über die Mengenregelung der Brennstoffdosierpumpe 12 Der Regelhebel 11, mit einem Verstellbereich von Leerlaufbis Vollastmenge,wird über ein Gestinge manuell und überlagert durch einen Rechner,welcher bestimmte Daten wie z.B.The power control of the turbine engine with aerosol injection, as described above, takes place via the quantity control of the fuel metering pump 12 The control lever 11, with an adjustment range from idling to full load, is manually over a frame and superimposed by a computer, which certain data such as.

Lauftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchte, Brennkammertemperatur, gewählte Leistung, usw. verarbeitet, betätigt.Running pressure, air temperature, air humidity, combustion chamber temperature, selected Power, etc. processed, operated.

Zum Kaltstart des Turbinen-Triebwerkes kann das Einblasegemisch, über die Regelung der Öldosiepumpe, zusatzlich angereichert werden, Durch das vorstehend beschriebene Verfahren soll,durch die Erzielung einer Verbrennung mit Blauflamme,weitgehend über den gesamten Leistungsbereich,eine nahezu 100%-ige Brennst offausnut zung erreicht werden.For a cold start of the turbine engine, the injection mixture can be used via the regulation of the oil metering pump, additionally enriched by the above The method described should, by achieving a combustion with a blue flame, largely Almost 100% fuel utilization is achieved over the entire performance range will.

Dadurch kann, z.B. bei Flugzeugen, die Reichweite verlangert, bzw. die Nutzlast erhöht werden Außerdem wird,durch Verbesserung der Abgas-Emissionswerte, die Umweltbelastung verringert.As a result, e.g. in the case of airplanes, the range can be extended or the payload will also be increased by improving the exhaust gas emissions, reduces the environmental impact.

Schließlich wird die Betriebssicherheit erhöht, besonders deshalb,weil die Einblasedüse weniger empfindlich gegen Verkoken und-Verstopfen ist als die bisher verwendete Einspritzdüse.Ultimately, operational reliability is increased, especially because the injection nozzle is less sensitive to coking and clogging than before injector used.

Außerdem sind die Betriebsdrücke in Brennstoffpumpen und Brennstoffleitungen niedriger als bei Brennst off-Einsprit zanlagen.In addition, the operating pressures are in fuel pumps and fuel lines lower than with fuel injection systems.

Das Kaltstartverhalten wird verbessert weil das warme Aerosol zündwilliger ist als nur fein zerstaubter,flüssiger Brennstoff.The cold start behavior is improved because the warm aerosol is more ignitable is available as just finely powdered liquid fuel.

Claims (8)

Patent ansprüche 1. Ölbefeuerte Gasturbine mit Öl-Lauftgemisch-Einblasung, dadurch gekennzeichnet,daß die von einem Gemischverdichter 9 angesaugte Luftmenge, aus der von dem Verdichter 2 geförderten Hauptluft mit dem Zustand P2 und T2, entnommen wird. Patent claims 1. Oil-fired gas turbine with oil-running mixture injection, characterized in that the amount of air sucked in by a mixture compressor 9, taken from the main air conveyed by the compressor 2 with the status P2 and T2 will. 2. Gasturbine nach Anspruch 1.,dadurch gekennzeichnet, daß bei Gasturbinen mit mehreren, an einem Kreisumfang gleichmaßig verteilt angeoraneten Brenrikanunern,das von einem oder mehreren Gemischverdichtern gebildete Einblasegemisch zunächst in ein ringförmige3 Sammelrohr 3 gefördert wird. 2. Gas turbine according to claim 1, characterized in that gas turbines with several Brenrikanunern evenly distributed on a circumference, the Injection mixture formed by one or more mixture compressors initially in an annular3 collecting pipe 3 is conveyed. 3. Gasturbine nach den Ansprüchen 1.u.2., dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr 3 hinter dem Verdichter 2 und unterhalb der Brennkammer-LuTt e inlä.ufe angeordnet ist;jedoch so,daß das Sammelrohr nicht von dem Austrittstrahl des Verdichters 2 beaufschlagt wird. 3. Gas turbine according to claims 1.u.2., Characterized in that that the manifold 3 behind the compressor 2 and below the combustion chamber air Inlets are arranged; however, in such a way that the collecting tube is not exposed to the outlet jet of the compressor 2 is applied. 4. Gasturbine nach den Ansprüchen 1.bis 3.,dadurch gekennzeichnet, daß von dem Sammelrohr 3 einzelne Rohrleitungen zu den jeweils in den Brennkammern 7 angeordneten Einblasedüsen 6 führen. 4. Gas turbine according to claims 1 to 3, characterized in that that from the manifold 3 individual pipelines to each in the combustion chambers 7 arranged injection nozzles 6 lead. 5. Gasturbine nach den Ansprüchen 1.bis 4.,dadurch gekennzeichnet, daß bei Gasturbinen mit mehreren Brennkammern, zu jeweils zwei bis drei Brennkammern, ein Gemischverdichter zugeordnet ist. 5. Gas turbine according to claims 1 to 4, characterized in that that in gas turbines with several combustion chambers, each with two to three combustion chambers, a mixture compressor is assigned. 6. Gasturbine nach den Ansprüchen 1.bis 5.,dadurch gekennzeichnet, daß daß die Leistungsregelung über die Mengenregelung einer oder mehrerer Brennstoffdosierpumpen 12 erfolgt.6. Gas turbine according to claims 1 to 5, characterized in that that that the power control via the volume control of one or more fuel metering pumps 12 takes place. 7. Gasturbine nach den Ansprüchen 1.bis 6., dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdosierpumpe 12 mit den Gemischverdichter 9 zu einem Aggregat vereinigt ist,wobei die Brennstoffdosierpumpe von der Antriebswelle des Gemischverdichters direkt oder über eine Untersetzung angetrieben wird.7. Gas turbine according to claims 1 to 6, characterized in that that the fuel metering pump 12 is combined with the mixture compressor 9 to form one unit is, wherein the fuel metering pump from the drive shaft of the mixture compressor is driven directly or via a reduction. 8. Gasturbine nach den Ansprüchen 1 bis 7.,dadurch gekennzeichnet,daß die Brennstoffdruckleitung 13 in die Saugleitung 4 des Gemischverdichters 9 mündet.8. Gas turbine according to claims 1 to 7, characterized in that the fuel pressure line 13 opens into the suction line 4 of the mixture compressor 9.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5216876A (en) * 1990-11-05 1993-06-08 Consolidated Natural Gas Service Company, Inc. Method for reducing nitrogen oxide emissions from gas turbines
EP0718483A3 (en) * 1994-12-24 1997-08-13 Abb Management Ag Steam injection in gas turbine

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