DE3544653A1 - Brennstoffzufuhrsystem - Google Patents

Description

Brenn s.toff zufuhrsystem

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke bzw. -motoren und insbesondere auf Brennstoffinjektoren und Verwirbelungsbecher für darin verwendete Brenner.

Gasturbinentriebwerke enthalten einen Brenner, wo Brennstoff und Luft verbrannt werden, um eine Gasströmung mit hoher Energie zu erzeugen. Die Einrichtung und das Verfahren, durch die der Brennkammer Brennstoff zugeführt werden, spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Leistungsfähigkeit des Brenners. Eine erfolgreiche Verbrennung hängt von einer gleichmäßigen feinen Tröpfenatomisierung des Brennstoffs ab.

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Gegenwärtig werden zwei Hauptverfahren zur Atomisierung bzw. zur Zerstäubung von Brennstoff verwendet. Das erste Verfahren enthält einen Druckzerstäuber, bei dem Brennstoff unter Druck durch eine kleine Öffnung gedrückt wird, aus d_{er er a}±_s eine Vielzahl von atomisierten Brennstofftröpfchen mit hoher Geschwindigkeit austritt. Ein zweites Verfahren verwendet einen Luftblas-Atomisierer, bei dem flüssiger Brennstoff durch die Kraft von Luft mit hoher Geschwindigkeit zu Tröpfchen zerstäubt wird.

Sowohl Druckzerstäuber als auch Luftblaszerstäuber enthalten einen Brennstoffinjektor und auch Mittel zum Einführen und Mischen von Luft mit dem Brennstoff. Typisch für die letztgenannten Mittel ist ein Verwirbelungsbecher oder ein Verwirbler, der so gestaltet ist, daß Luft in den Brenner eingelassen und eine innige Mischung mit dem eingespritzten Brennstoff sichergestellt ist.

Normalerweise ist der Verwirbler an dem Brenner starr befestigt, wobei der Brennstoffinjektor lösbar mit dem Verwirbler verbunden ist« Dies ist nötig, damit das Brennstoffrohr für periodische Wartungen von dem Brenner gelöst werden kann. Ferner haben TemperaturSchwankungen in dem Brenner eine thermisch induzierte Bewegung des Brenners und des Verwirbelungsbechers zur Folge. Eine derartige Bewegung erfordert eine Gleitpassung zwischen dem Brennstoffinjektor und dem Verwirbler. Derartige Passungen können großen Kräften ausgesetzt werden, die zu einer übermäßigen Abnutzung folgen. Infolgedessen sind diese Passungen kostspielig in der Fertigung und Reparatur und stellen einen wesentlichen Anteil des Gewichtes des Verbrennungssystems dav.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Brennstoffzufuhrsystem zu schaffen. Ferner sollen ein neuer und verbesserter Brennstoffinjektor und ein Luftblaszer-

stäuber geschaffen werden. Das Brennstoffzufuhrsystem soll ein geringes Gewicht haben und. leicht aus dem Brennstoff injektor lösbar sein.

Das verbesserte Brennstoffzufuhrsystem gemäß der Erfindung weist eine . Brennerhalterung/ einen Brennstoffzerstäuber und ein Rohr zur Zufuhr von Brennstoff zum Zerstäuber auf. Die Brennerhalterung schafft eine axiale Halterung für den Brenner und enthält einen hindurchführenden Kanal. Das Brennstoffzufuhrrohr ist in dem Ka- _*al lösbar angeordnet.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Brennstoffzerstäuber äußere, mittlere und innere koaxiale Luftkanäle. Die äußeren und inneren Kanäle weisen Schaufeln auf zur Erzeugung eines Wirbels mit entgegengesetzter Drehung für hindurchströmende Luft. Das Brennstoffzufuhrrohr liefert Brennstoff an den mittleren Kanal. Der mitt.lere Kanal enthält Schaufeln zur Verwirbelung von hindurchströmender Luft, wodurch ein Brennstofffilm gebildet wird.

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

Figur 1 - ist eine schematische Ansicht von einem Gasturbinentriebwerk mit einem Brenner gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 - zeigt eine Ansicht von einem Brennstoffzufuhrsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung .

Figur 3 - ist eine Ansicht nach einem Schnitt entlang der Linien 3-3 in Figur 2.

Figur 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Verdichter 12, einem Brenner 14 und einer Turbine 16, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Nach hinten durch das Triebwerk 10 strömende Luft wird durch den Verdichter 12 verdichtet und dann im Brenner 14 mit Brennstoff gemischt und gezündet, um eine Gasströmung mit hoher Energie zu erzeugen. Ein Teil der Energie dieser Abgasströmung wird durch die Turbine 16 entzogen, die den Verdichter antreibt.

s Figur 2 zeigt eine Detaildarstellung eines Brennstoffzufuhr sy stems 18 zur Lieferung eines Brennstoff/Luftgemisches zum Brenner 14. Die Hauptkomponenten dieses Systems enthalten einen Brennstoffinjektor 20 und einen Brennstoffzerstäuber 22. Der Brenner 16 ist an einem äußeren Gehäuse 24 durch mehrere Brennerhalterungsstifte bzw. -bolzen gehalten. Jeder Halterungsstift ist auf dem vorderen Ende des Brenners 14 angeordnet und von dem Brennstoffzerstäuber 22 im wesentlichen radial versetzt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeder Halterungsstift 26 im wesentlichen radial gerichtet und sorgt für eine axiale Halterung des Brenners 14. Ein Merkmal des Halterungsstiftes 26 ist ein Kanal 28, der durch den Stift

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Ein Brennstoffrohr 30 zur Zufuhr von Brennstoff von einer Quelle 32 zu dem Zerstäuber 22 ist innerhalb des Kanals lösbar angeordnet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verläuft das Brennstoffrohr 30 im wesentlichen geradlinig innerhalb und zwischen dem Stift 26 und dem Zerstäuber 22. Die Anordnung des Brennerhalterungsstiftes 26 im wesentlichen in der gleichen radialen Ebene wie der Brennstoffzerstäuber 22 hat eine geringe axiale Bewegung des Brenners 14 relativ zum äußeren Gehäuse 24 in dessen Nähe zur Folge. Weiterhin wird irgendein thermisch bedingtes radiales Wachsen des Brenners 14 aufgenommen durch die

Gleitverbindung 33 zwischen dem Brenner 14 und dem Brennerhai terungsstift 26. Somit sollten keine übermäßigen Kräfte auftreten, die auf das Brennstofxrohr 30 einwirken.

Der Brennstoffzerstäuber 22 enthält einen.äußeren Luftkanal 34, einen mittleren Luftkanal 36 und einen inneren Luftkanal 38. Die Kanäle 34, 36 und 38 sind koaxial und außen von einem Mittelkörper 40 angeordnet. Der äußere Luftkanal 34 weist mehrere Schaufeln 42 auf zum Verwirbeln von hindurchströmender Luft 44. Der innere Luftkanal 38 weist mehrere Schaufeln 46 auf zum Verwirbeln von hindurchströmender Luft 48. Die Schaufeln 42 und 46 weisen eine entgegengesetzte Orientierung auf, so daß die Wirbeiluftströme 44 und 48 in entgegengesetzte Richtungen gedreht sind. Der mittlere Luftkanal 36 weist mehrere Schaufeln 50 auf, die hindurchströmende Luft 52 verwirbeln.

Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, hat der mittlere Luftkanal 36 einen im wesentlichen ringförmigen Querschnitt. Der Kanal 36 hat eine Außenwand 54 mit einer schrumpfenden bzw. einlaufenden Nut 56, die darin im Umfangsrichtung angeordnet ist. Mit einer "schrumpfenden Nut" ist eine Nut gemeint, die mit einer gegeoenen Höhe h beginnt und sich graduell auf null verkleinert auf ihrer Umfangsbahn um den Luftkanal 36 herum. Die Nut 56 nimmt ein Ende des Brennstoffrohrs 30 auf. Auf diese Weise tritt durch das Rohr zu^eführtsr Brennstoff in die Nut 56 ein, von wo er in den mittleren Kanal 36 gelangt. Luft 52, die mit durch den Kanal 36 eintretendem Brenn-β Lu JT j. ii'i BciTiiiii" Uiiy Λ-Oiiuux., eiieuyL t:iiit:ii Bi eiiiib Lü J. 11 xiu entlang der Außenwand 54.

Der Innenkanal 38 hat eine divergierende stromabwärtige Öffnung 58. Daraus austretende Luft 48 wirkt mit aus dem äußeren Luftkanal 34 austretender Luft 44 zusammen, um

den aus dem Mittelkanal 36 austretenden Brennstoffilm durch Blaswirkung zu zerstäuben.

Das Rohr 30 verläuft tangential zur Nut 56, so daß von dem Rohr 30 gelieferter Brennstoff in ümfangsrichtung verwirbelt wird. In Abhängigkeit von der Orientierung der Schaufeln 50 kann der Drall bzw. die Verwirbelung, die der durch die Schaufeln 50 strömenden Luft erteilt ist_r entweder den Anfangsdrall verstärken oder in entgegengesetzter Richtung dazu sein. Jede Orientierung kann dazu verwendet werden, für einen zufriedenstellenden Brennstoffilm auf der Außenwand 54 zu sorgen. Zusätzlich kann die ümfangsverteilung des Brennstoffilms weiter gesteuert werden durch die Geometrie der schrumpfenden bzw. einlaufenden Nut 56.

Im Betrieb wird Brennstoff von der Quelle 32 durch das Brenns to ff rohr -.0 in die einlaufende Nut 56 eingeführt und von dort in den Kanal 36 geleitet. In der oben beschriebenen Weise wird ein Brennstoffilm auf der Außenwand 54 ausgebildet, der durch die Luftströmungen 44 und 48 zerstäubt bzw. atomisiert wird, die aus dem äußeren Luftkanal 34 bzw. dem inneren Luftkanal 38 austreten. Das somit gebildete Brennstoff/Luftgemisch wird durch eine Zündeinrichtung (nicht gezeigt) gezündet, um eine Gasströmung mit hoher Energie zu bilden.

Die Wärme des Verbrennungsprozesses bewirkt eine unterschiedliche Bewegung des Brenners 14 in bezug auf das äußere Gehäuse 24. Der Brennerhaiterungsstift 26 ist

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eine relativ kleine Axialbewegung darauf übertragen wird. Jedes Brennstoffrohr 30, das innerhalb eines Brennerhalterungsstiftes 26 angeordnet ist, ist von diesem leicht lösbar und erfordert keine spezielle Anpaßstücke, um es mit dem Atomisierer 22 zu verbinden. Sowohl das Brenn-

stoffrohr 30 als auch die "schrumpfende" Nut 56 sind relativ groß, wodurch eine kleinere Wahrscheinlichkeit besteht, daß diese verstopfen oder sich Kohlenstoffablagerungen darauf bilden.

Ein weiteres signifikantes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine Qzvzxge Öffnung im Außengehäuse 24 dazu dient, sowohl α . ι Brennerhalterungsstift 26 als auch das Brennsto '.-.rohr 30 zu haltern. Dies verkleinert die Anzahl vü^ öffnungen, die anderenfalls in dem AuUenge— häuse 24 erforderlich sind, wodurch die Gesamtfesi-igkeit der Einrichtung verbessert wird. Da ferner das Brennstoffrohr 30 innerhalb des BrennerhalterungsStiftes 26 angeordnet ist, wird sowohl eine mechanische als auch thermische Abschirmung des Rohres 30 erreicht.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich, und der hier beschriebene Brennstoffinjektor ist auch nicht auf den hier gezeigten Brennstoffatomisierer beschränkt. Beispielsweise kann der Brennstoffinjektor dazu verwendet werden, anders aufgebauten Zerstäubern bzw. Atomisierern Brennstoff zuzuführen.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   Gasturbinentriebwerk bzw. -motor mit einem Brenner, gekennzeichnet durch eiiien Lrennerhal ter ungs bolzen (26) , der den Brenner {14) axial haltert und einen hindurchführenden Kanal (28) aufweist, einen Brennstoffatomisierer bzw. -zerstäuber (22) und ein Rohr (30), das dem Zerstäuber (22) Brennstoff zuführt und innerhalb des Kanals (28) lösbar angeordnet ist.

   Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (26) im wesentlichen radial gerichtet ist.

   Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 ,

   der Zerstäuber (22) fest mit dem Brenner (14) verbunden ist.

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   4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch. 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffzerstäuber (20) äußere, mittlere und innere koaxiale Luftkanäle (34,36,38) aufweist, wobei die äußeren und inneren Kanäle Schaufeln (42, -i ■; aufweisen zur Erzeugung in entgegengesetzr-wii ^Lichtungen umlaufender Drallbewegungen für ~ ^durchströmende Luft, wobei das Rohr (3O) Can Brennstoff deia mittleren Kanal (36) zuführt, der Schaufeln (50) aufweist zum Verwirbeln, von hindurchstrcmender Luft zur Bildung eines Brennstoff ilms -

   5„ Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kanal (38) eine divergierende stromabwärtige Öffnung (58) aufweist, wobei die daraus austretende Luftströmung (48) mit der aus dem äußeren Kanal (34) austretenden Luftströmung (44) zusammenarbeitet zum Zerstäuben des Brennstofffilms, der aus dem mittleren Kanal (36) austritt.

   6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäuber (22) einen Luftkanal (36) aufweist, dar einen ringförmigen Querschnitt besitzt und eine Außenwand (54) mit einer schrumpfenden bzw. einlaufenden Nut (56) aufweist, die in Umfangsrichtung darin angeordnet ist und ein Ende des Rohres (30) aufnimmt.

   7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (30) tangential zur Nut (56) angeordnet ist.

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   8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 7,

   dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (30) innerhalb und zwischen dem Bolzen (26) und dem Brennstoffzerstäuber (22) im wesentlichen geradlinig ist.