DE3522828A1

DE3522828A1 - Brennstoffduese

Info

Publication number: DE3522828A1
Application number: DE19853522828
Authority: DE
Inventors: Joseph David Danvers Mass. Cohen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-06-28
Filing date: 1985-06-26
Publication date: 1986-01-09
Also published as: GB8513546D0; US4638636A; GB2160793A; FR2566841B1; GB2160793B; FR2566841A1

Description

3522628

9624.2-13LN-1703

Brennstoffdüse

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennstoffdüsen und insbesondere auf eine Brennstoffdüse.mit variabler Querschnittsfläche zur Verwendung in einem Gasturbinenmotor.

Ein Gasturbinenmotor bzw. ein Gasturbinentriebwerk arbeitet vom Anlauf bis zu maximaler Leistung und erfordert relativ kleine Brennstoffströmungsraten bis zu relativ großen Brennstoff Strömungsraten. Es sind verschiedene Brennstoffdüsentypen bekannt, um einem Brenner des Motors bzw. Triebwerks Brennstoff auf geeignete Weise zuzuführen. Zu den üblichen Brennstoffdüsen gehören beispielsweise die Typen, die als Simplex-, Duplex-, Dualblendendüsen, Düsen mit variabler öffnung, überlauf- oder Rücklauf düsen und Zapfendüsen bezeichnet werden.

Diese verschiedenen Brennstoffdüsen haben eine unterschiedliche Komplexität und Leistungsfähigkeit und versuchen für eine optimale Brennstoffzerstäubung und Strömungseigenschaften bei den verschiedenen Leistungseinstellungen des Triebwerks bzw. Motors zu sorgen.

Weiterhin ist eine übliche Brennstoffdüse im allgemeinen so ausgelegt, daß sie nur mit einer bestimmten Klasse von' Brennstoffen arbeitet. Bei einem Gasturbinentriebwerk eines Landfahrzeugs kann jedoch beispielsweise die Möglichkeit wünschenswert sein, daß alternative Brennstoffe verwendet werden; beispielsweise kann ein Fahrzeugmotor von Interesse sein, der mit flüssigen Brennstoffen, wie beispielsweise Dieselöl, Benzinkraftstoffen arbeiten kann. Jedoch kann die Verwendung von Brenzin bzw. Gasolin in einem Fahrzeugmotor mit üblichen Brennstoff düsen zur Folge haben, daß der Brennstoff bei einem Betrieb mit kleiner Leistung, wenn der Motor relativ heiß ist,

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siedet. Ein Sieden des Brennstoffs würde den Betrieb des Motors auf nachteilige Weise beeinflussen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte Brennstoffdüse für einen Gasturbinenmotor zu schaffen. Diese Brennstoffdüse soll einen relativ einfachen Aufbau mit nur einem sich bewegenden Teil haben. Weiterhin soll eine Brennstoffdüse mit variabler Querschnittsfläche geschaffen werden. Dabei soll die Brennstoffdüse eine Ausgangsöffnung mit variabler Verengung haben, um den Brennstoffdruck über dem Brennstoffdampfdruck halten zu können, um ein Sieden des Brennstoffes zu vermeiden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Brennstoffdüse geschaffen, die einen Hohlkörper mit einem Einlaß, einem Auslaß und einer feststehendenOberflache aufweist. Ferner sind Mittel zum Steuern der Brennstoffströmung vom Einlaß zum Auslaß vorgesehen, die eine flexible druckabhängige Membran oder Öffnungsblende aufweisen, die in dem Körper fest angebracht ist und einen frei gehalterten Rand aufweist, der neben der feststehenden Oberfläche des Hohlkörpers angeordnet ist, um dazwischen eine Ausgangsöffnung zu bilden. Die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung ist vergrößerbar bei einem ansteigenden Brennstoffdruck in dem Einlaß, wenn der Brennstoffdruck gegen die Blende wirkt, um den Rand von der feststehenden Oberfläche des Hohlkörpers wegzudrücken.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht von einer Brennstoffdüse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Düse nach einem Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

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In den Fig. 1 und 2 ist eine Brennstoffdüse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Verwendung einer Brennstoffdüse in einem Gasturbinenmotor ist üblich. Beispielsweise kann die Brennstoffdüse 10 in einem Gasturbinenmotor gemäß der US-PS 3 589 127 verwendet werden. Deshalb werden im folgenden nur Einzelheiten von der Brennstoffdüse 10 beschrieben.

Die Brennstoffdüse TO weist einen im allgemeinen zylindrischen Hohlkörper 12 auf/ dessen Brennstoffeinlaß.14 unter Druck stehenden Brennstoff 16 von einer Brennstoffpumpe (nicht gezeigt) erhält. Der Hohlkörper 12 weist auch einen Brennstoffauslaß 18 auf,, der zusammen mit dem Einlaß 14 koaxial um eine Längsachse 20 der Düse 10 angeordnet ist.

Der Hohlkörper 12 weist ferner einen Außenmantel 22 und einen Mittelkörper 24 auf, der im Abstand radial innen von dem Außenmantel angeordnet ist. Der Mittelkörper 24 besitzt ein stromabwärtiges, konisches Ende 26, dessen Durchmesser in stromabwärtiger Richtung abnimmt. Das konische Ende 26 des Mittelkörpers bildet eine feststehende, ringförmige Außenfläche 28.

Es ist ferner eine Einrichtung 30 vorgesehen, um die. Brennstoff strömung vom Einlaß 14 zum Auslaß 18 zu verändern bzw. zu steuern. Diese Einrichtung 30 weist eine elastisch verformbare, selbsttätige, druckabhängige Membran oder Öffnungsblende 32 aus Metall auf, die in dem Gehäuse 22 auf geeignete Weise fest angebracht ist. Die Öffnungsblende 32 besitzt einen frei gehalterten Rand 34, der in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine Mittelöffnung 36 der Membran bzw. Blende 32 gebildet ist. Der Rand 34 ist neben der Außenfläche 28 des.konischen Endes des Mittelkörpers angeordnet, um dazwischen eine Auslaßöffnung 38 zu bilden.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt die Öffnungsblende 32 eine anfangs unbelastete, erste Stellung,

in der der Rand 34 in direktem Kontakt mit der Außenfläche 28 angeordnet ist. Um für eine minimale Strömungsfläche der Ausgangsöffnung 38 zu sorgen, ist in der konischen Außenfläche 28 eine tangential gewinkelte Nut 40 angeordnet. Vorzugsweise sind zwei Nuten 40 im Winkel von 180° zueinander vorgesehen (siehe Fig. 2). Die Nuten 40 sind vorzugsweise gerade, sie können aber auch gekrümmt sein.

Die Öffnungsblende 32 ist in vorbestimmter Weise ausgelegt bezüglich Größe und Materialeigenschaften, so daß die Mittelöffnung 36 von der konischen Außenfläche 28 weg verschoben wird, wenn der Druck des Brennstoffes 16 ansteigt, der gegen die Öffnungsblende 32 wirkt, um dadurch die Strömungsfläche der Ausgangsöffnung 38 zu vergrößern. In dem dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, weist die Öffnungsblende eine tellerfederartige Scheibe auf, die im wesentlichen nur in zwei Stellungen arbeitet, um sicherzustellen, daß alle von mehreren derartigen Düsen 10, die in einem Gasturbinenmotor verwendet werden, mit im wesentlichen gleichen Ausgangsströmungsflächen arbeiten* Vorausbestimmte, im wesentlichen feste Ausgangsströmungsflächen, die unter den mehreren Düsen angepaßt sind, sind vorzuziehen und würden möglicherweise nicht auftreten, wenn eine kontinuierlich variable Öffnungsblende 32 verwendet werden würde. Dies liegt beispielsweise an den Unterschieden in den Fertigungstoleranzen.

Die zwei Betriebsstellungen der Öffnungsblende 32 beinhalten: eine erste gezeigte Stellung, in der die Ausgangsöffnung 38 einen minimalen Strömungsquerschnitt hat, der denjenigen der Nuten 40 ausmacht, und eine zweite Betriebsstellung, die in gestrichelten Linien dargestellt ist und in der die Ausgangsöffnung 38 einen maximalen Strömungsquerschnitt hat. Die Membran bzw. Öffnungsblende 32 ist in der Größe so bemessen, daß die erste Betriebsstellung für relativ kleine Brennstoffdrucke eingehalten werden kann, beispielsweise bei Leerlauf und geringer Leistung des Motors, wo nur wenig Brennstoff er-

forderlich ist, und bei Erreichen eines Zwischendruckes springt die Blende 32 in die zweite Stellung und bleibt dort für relativ hohe Drucke, beispielsweise von dem Zwischenzustand bis zu maximaler Motorleistung, wo wesentliche Brennstoffmengen erforderlich sind. Selbstverständlich kann die Blende 32 auch so bemessen sein, daß die Fläche der Ausgangsöffnung 38.kontinuierlich variiert in Abhängigkeit von einem ansteigenden Druck der Brennstoffpumpe 16.

Der Mittelkörper 24 enthält einen ringförmigen Endflansch 42, der sich von einem stromaufwärtigen Ende des Mittelkörpers radial nach außen erstreckt bis zur Innenfläche des Gehäuses 22, um den Mittelkörper 24 an dem Gehäuse 22 zu befestigen. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, besitzt die Membran 32 einen Außenumfang 44, der gegen eine Schulter 46 des Gehäuses 22 angeordnet ist. Eine ringförmige Hülse 48 ist zwischen dem Endflansch 42 des Mittelkörpers und dem Außenumfang 44 der Blende angeordnet. Ein Halterungsring 50 ist auf geeignete Weise, beispielsweise durch Gewindeschrauben, in dem Gehäuse 22 befestigt, um den Endflansch 42 seinerseits gegen die Hülse 48, den Außenumfang 44 der Blende und die Gehäuseschulter 46 zu drücken, um diese Elemente an dem Gehäuse 22 sicher zu befestigen.

Der Endflansch 42 weist wenigstens eine und vorzugsweise zwei tangential im Winkel angeordnete Einlaßöffnungen 52 auf, die mit dem Gehäuseeinlaß 14 in Strömungsverbindung sind. Der Mittelkörper 24 bildet in Verbindung mit dem Flansch 42, dem Gehäuse 22 und der Blende 32 dazwischen eine Wirbelkammer 54. Der aus dem Einlaß 14 durch die Einlaßöffnung 52 erhaltene Brennstoff 16 wird durch die Einlaßöffnungen 52 kanalisiert, um dadurch in der Kammer 54 zu verwirbeln. Da die tangential angeordneten Nuten 40 ebenfalls in der Auslaßöffnung 38 angeordnet sind und die Auslaßöffnung 38 mit der Kammer 54 in Strömungsverbindung steht, wird dem Brennstoff 16 eine zusätzliche Wirbelbewegung beim Verlassen der Auslaßöffnung 38 erteilt.

Der Auslaß 18 des Hohlkörpers 12 (und des Gehäuses 22) weist eine kegelstumpfförmige Innenfläche 56 auf, die von der Blende 32 ausgeht und ihren Durchmesser in der stromabwärtigen Richtung vergrößert. Die Innenfläche 56 empfängt den verwirbelten ■Brennstoff 16 aus der Auslaßöffnung 38 und hat in Verbindung mit dem Einlaß 52, der Kammer 54 und der Auslaßöffnung 38 die Wirkung, den Brennstoff 16 in einem im allgemeinen konischen, hohlen Brennstoffsprühmuster von dem Auslaß 18 um die Mittellinie 20 zu leiten.

Die Brennstoffdüse 10 mit der Brennstoffsteuereinrichtung 30 sorgt für eine relativ einfache Brennstoffdüse, die eine variable Querschnittsfläche besitzt und nur ein einziges, sich zu bewegendes Element aufweist, nämlich die Öffnungsblende 32. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Brennstoffdüse 10 auch die Wirkung, eine variable Strömungsbegrenzung an der Auslaßöffnung 38 zu bilden.

Wenn Brennstoff 16 durch die Einlaßöffnung 52 und in die Wirbelkammer 54 eingeleitet wird, sorgt die Auslaßöffnung 38, wenn sie sich in der ersten Stellung befindet, für eine Strömungsbegrenzung aufgrund ihrer minimalen Strömungsquerschnittsfläche. Auf diese Weise kann der Druck des Brennstoffes 16 innerhalb der Wirbelkammer 54 aufrechterhalten bleiben. Wenn beispielsweise flüssiger Brennstoff verwendet wird, wie beispielsweise Gasolin, und wenn der Motor bzw. das Triebwerk bei kleiner Leistung arbeitet, wo der Verbrennungsgasdruck P am Düsenauslaß 18 relativ klein ist, und wenn die Brennstofftemperatur relativ hoch ist, kann ein Sieden des Brennstoffes 16 vermieden werden, da die Strömungsverengung an der Auslaßöffnung 38 die Wirkung hat, den Druck des Brennstoffes 16 über seinem Dampfdruck zu halten. Ohne eine Strömungsbegrenzung würde in diesem Betriebszustand der Brennstoff 16 freier aus der Ausgangsöffnung 38 strömen, und wenn der Verbrennungsdruck P kleiner als der Brennstoffdampfdruck ist,wird der Druck des Brennstoffes 16 unter den Dampfdruck abfallen und es würde ein Sieden auftreten.

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Bei einem Betrieb des Motors bei höherer Leistung steigt jedoch der Verbrennungsgasdruck P ein gutes Stück über den Brennstoff dampf druck an, und so wird ein angemessener Brennstoffdruck in der Wirbelkammer 54 aufrechterhalten, um ein Sieden zu verhindern. Während dieses Betriebs bei erhöhter Leistung des Triebwerks ist die Öffnungsmembran 32 in ihrer zweiten Stellung angeordnet, in der sie eine kleinere Strömungsbegrenzung darstellt, wodurch der Strömungsquerschnitt der Ausgangsöffnung 38 vergrößert wird, während der Strömungswiderstand verkleinert wird.

Somit wird deutlich, daß die Brennstoffdüse 10 gemäß der Erfindung die Wirkung hat, für eine gute Leistungsfähigkeit unter variierenden Betriebsbedingungen des Motors zu sorgen, die unterschiedliche Brennstoffmengen erfordern. Insbesondere trägt die Brennstoffsteuereinrichtung 30 dazu bei, erhöhte Brennstoffströmungsraten zu erhalten ohne unerwünscht hohe Brennstoffdrucke, die anderenfalls eine Brennstoffdüse mit fester Geometrie erforderlich machen würden. Weiterhin wird eine Strömungsbegrenzung ausgebildet bei relativ kleinen BrennstoffStrömungsraten und Drucken, wo es wünschenswert ist, aber die Strömungsbegrenzung wird verkleinert bei relativ hohen BrennstoffStrömungsraten und Drucken, wo die Begrenzung nicht erwünscht ist.

Demzufolge werden sowohl ein variabler Strömungsquerschnitt als auch eine variable Strömungsverengung ausgebildet durch die Brennstoffdüse 10 in einem bevorzugten Zusammenwirken mit Betriebszuständen des Motors und, selbstverständlich, mit einer akzeptablen Brennstoffzerstäubung entsprechend den Erfordernissen im gesamten Betriebsbereich des Motors bzw. Triebwerks.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise ist zwar die Öffnungsblende 32 an ihrem Außenumfang 44 fest angebracht und enthält eine Mittelöffnung 36, die mit dem konischen Ende 26 zusammenarbeitet, aber ein anderes Ausführungsbeispiel kann eine Membran oder Blende 32 ohne

Loch enthalten, die an ihrem Mittelabschnitt fest angebracht ist/ wobei der Außenumfang 44 frei gehaltert ist gegenüber der konischen Oberfläche 56. Dort würde eine Druckerhöhung des Brennstoffes 16 den Außenumfang 44 der Blende 32 verschieben, um eine Auslaßöffnung mit variablem Querschnitt zu bilden. Dieses Ausführurigsbeispiel sorgt zwar auch für eine Brennstoffverwirbelung, aber die Tangentialgeschwindigkeit dieses Wirbels ist wesentlich kleiner als sie durch die Auslaßöffnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 erhalten wird, was in den unterschiedlichen Radien der entsprechenden Auslaßöffnungen begründet ist.

Claims

Patentansprüche

M ./Brennstoffdüse, gekennzeichnet durch

einen Hohlkörper (12) mit einem Einlaß (14), einem Auslaß

(18) und einer stationären Oberfläche (28), Mittel zum Steuern der Brennstoffströmung von dem Einlaß

(14) zum Auslaß (18), die eine flexible, druckabhängige Membran bzw. Öffnungsblende (32) aufweisen, die in dem Hohlkörper (12) fest angebracht ist und einen Rand (34) aufweist, der neben der stationären Oberfläche (28) des Hohlkörpers (12) angeordnet ist und dazwischen eine Auslaßöffnung (38) bildet, wobei die Auslaßöffnung (38} eine Strömungsfläche besitzt, die in Abhängigkeit von einem ansteigenden Brennstoffdruck in dem Einlaß (14) vergrößerbar ist, wenn der Brennstoffdruck gegen die Membran bzw. Öffnungsblende (32) arbeitet, um den Rand (34) von der stationären Oberfläche (28) wegzudrücken.
2. Brennstoffdüse nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Membran bzw. Öffnungsblende (32) und die Auslaßöffnung

(38) eine Strömungsbegrenzung an der öffnung bilden derart, daß der Brennstoffdruck in dem Körper auf einem höheren Wert gehalten werden kann als der Dampfdruck des Brennstoffes, um ein Sieden des Brennstoffes zu verhindern.
3. Brennstoffdüse nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (12) einen Außenmantel (22) und einen Mittelkörper (24) aufweist, der im Abstand radial innen davon angeordnet ist, wobei der Mittelkörper (24) ein stromabwärtiges konisches Ende (26) mit einer Außenfläche (28) "~ aufweist, die die stationäre Oberfläche des Körpers bildet, und die Membran (32) einen Außenumfang, der an dem Außenmantel (22) fest angebracht ist, und.eine Mittelöffnung aufweist, die den Rand (34) bildet und mit dem konischen Ende (26) zusammenarbeitet zur Bildung der Auslaßöffnung (38).

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4. Brennstoffdüse nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelkörper (24) ferner einen Endflansch (42) an seinem stromaufwärtigen Ende aufweist für eine feste Anbringung des Mittelkörpers an dem Gehäuse, wobei das Gehäuse (22), der Plansch (42), der Mittelkörper (24) und die Membran (32) eine Kammer (54) bilden, daß der Plansch (42) eine tangentiale Einlaßöffnung (52) in Strömungsverbindung mit dem Körpereinlaß (14) aufweist, wobei die Auslaßöffnung (38) eine Strömungsverbindung von.der Kammer (54) zum Körperauslaß (18) bildet, und daß die Kammer (54) für eine Verwirbelung des Brennstoffes von der Einlaßöffnung (14) zur Auslaßöffnung (38) sorgt.
5. Brennstoffdüse nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß das konische Ende des Mittelkörpers (24) eine darin angeordnete tangentiale Nut (40) aufweist, die einen Teil der Auslaßöffnung (38) bildet und für eine Verwirbelung des

* Brennstoffes sorgt, der in den Körperauslaß ausgestoßen wird.
6. Brennstoffdüse nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Körperauslaß (18) eine kegelstumpfförmige Innenfläche (56) aufweist, die. sich von der Membran (32) erstreckt und ihren Durchmesser in stromabwärtiger Richtung vergrößert, wobei die Einlaßöffnung (52), die Kammer (54) und die.Auslaßöffnung (38) für eine Verwirbelung des Brennstoffes um die mittlere Längsachse der Düse sorgen zur Erzeugung eines hohlen, konischen Brennstoffverwirbelungs-Sprühmusters entlang der kegelstumpfförmigen Oberfläche und aus der Düse heraus.
7. Brennstoffdüse, gekennzeichnet durch: ein Außengehäuse mit einer longitudinalen Mittellinie, einem Einlaß und einem Auslaß,

einen langgestreckten Mittelkörper, der im radialen Abstand innen von dem Gehäuse und koaxial mit der Mittellinie angeordnet ist, wobei der Mittelkörper einen ringförmigen Endflansch an seinem stromaufwärtigen Ende aufweist für eine feste Anbringung des Mittelkörpers an. dem Gehäuse, wobei der Flansch eine Einlaßöffnung in Strömungsverbindung mit dem Gehäuseeinlaß aufweist und der.Mittelkörper ferner ein stromabwärtiges, konisches Ende aufweist, dessen Durchmesser in stromabwärtiger Richtung abnimmt_/und Mittel zum Steuern der Brennstoffströmung aus dem Einlaß zu dem Auslaß, die eine flexible, .druckabhängige Membran aufweisen, dessen Außenumfang an dem Gehäuse fest angebracht ist und die eine Mittelöffnung aufweist, die neben und koaxial mit dem konischen Ende des Mittelkörpers angeordnet ist und dazwischen eine Auslaßöffnurig bildet, deren Strömungsquerschnitt vergrößerbar ist bei einer Vergrößerung des Brennstoffdruckes.in dem Einlaß, wobei der Brennstoffdruck gegen die Membran arbeitet zur Verschiebung der Mittelöffnung von dem konischen Ende des Mittelkörpers weg.
8. Brennstoffdüse nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Flansch, der Mittelkörper, das Gehäuse und die Membran eine Ringkammer in Strömungsverbindung mit der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung bilden, wobei die Einlaßöffnung tangential angeordnet ist für eine Verwirbelung des Brennstoffes in der Kammer, daß der Mittelkörper ein konisches Ende aufweist,, in dem eine tangentiale Nut angeordnet ist für eine Verwirbelung von Brennstoff durch die Auslaßöffnung_/und daß der Gehäuseauslaß eine kegeistumpfförmige Innenfläche aufweist, deren Durchmesser sich in stromabwärtiger Richtung vergrößert, wobei der Brennstoff durch die Kammer und den Gehäuseauslaß verwirbelbar ist zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen, hohlen, konischen Brennstoffströmungs-Sprühmusters.
9. Brennstoffdüse nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Membran im wesentlichen nur in zwei Stellungen arbeitet, wobei in einer ersten Stellung die Auslaßöffnung einen minimalen Strömurigsquerschnitt aufweist und in einer zweiten Stellung die Auslaßöffnung einen maximalen Strömungsquerschnitt aufweist, wobei die erste Stellung für relativ kleine Brennstoffdrucke und die zweite Stellung für relativ hohe Brennstoffdrucke vorgesehen ist.