DE3626545A1 - Gasturbinentriebwerksvergaser und dafuer vorgesehener brennstoffinjektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentrieb­ werksvergaser und betrifft insbesondere Vergaser zur Ver­ wendung von gasförmigen Brennstoffen relativ niedriger Ka­ lorienzahl.

Neuere Fortschritte in der Kohle- und Biomassenvergaser­ technik haben ein wachsendes Interesse an Lufteinblasver­ gasergasturbinentriebwerksanlagen sowohl für stationäre als auch für mobile Energieerzeugungszwecke mit sich ge­ bracht. In Abhängigkeit von der Art des Kohle- oder Bio­ massenmaterials, das dem Vergaser zugeführt wird, und von dem Vergasertyp werden Heizgase erzeugt, die relativ niedrige Wärmewerte von etwa 3,72 bis etwa 5,58 Megajoule pro Standardkubikmeter (MJ/m³) oder, äquivalent, von etwa 100 bis 150 BTU (englische Kalorie) pro Standardkubikfuß (BTU/SCF) haben (im folgenden als gasförmiger Brennstoff oder einfach als Brennstoff niedrigen Wärmewertes bezeich­ net).

Schiffs- und Industriegasturbinentriebwerke werden typisch von Flugzeuggasturbinentriebwerken abgeleitet, bei denen üblicherweise Vergaser benutzt werden, die Luft mit einem zerstäubten flüssigen Brennstoff vermischen, der relativ hohe Wärmewerte hat. Zwei Beispiele von herkömmlichen Gas­ turbinentriebwerksvergasern, die einen flüssigen Brenn­ stoff zerstäuben, um ihn mit Luft zu vermischen, sind in den US-PS 41 80 974 und 38 53 273 beschrieben, auf die be­ züglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.

Ein Schiffs- und Industrietriebwerk ist typisch mit dem Flugzeugtriebwerk, von dem es abgeleitet wird, im wesent­ lichen identisch. Einige Schiffs- und Industrietriebwerke werden jedoch baulich verändert, damit sie mit alternati­ ven Brennstoffen, wie beispielsweise Erdgas, arbeiten kön­ nen. Erdgas hat einen Wärmewert von etwa 32 bis etwa 34 MJ/m³ (etwa 850 bis etwa 900 BTU/SCF), der niedriger ist als der flüssiger Brennstoffe, die einen relativ höheren Wärmeinhalt haben. Zur Verwendung von Erdgas ist ein her­ kömmlicher Zerstäubungsbrennstoffinjektor in dem Vergaser nicht erforderlich oder nicht verwendbar und wird typisch durch einen relativ einfachen Gasinjektor ersetzt.

Ein bekannter Heizgasinjektor weist ein Gaszuführrohr und eine einfache, hohle Injektorspitze auf, die mehrere Öff­ nungen hat, welche direkt in stromabwärtige Richtung längs der Mittellinie einer typischen Brennkammer weisen. Für ein relativ großes Schiffs- und Industrietriebwerk können die Spitzenauslaßöffnungen auf vorbestimmte Weise bemes­ sen werden, damit sie einen ausreichenden Volumendurchsatz an Erdgas für die Verbrennung liefern. Selbstverständlich muß, sofern das grundlegende Schiffs- und Industrietrieb­ werk mit seinem entsprechenden Flugzeugtriebwerk im we­ sentlichen identisch ist, der Volumendurchsatz an Erdgas demgemäß proportional höher sein als der Volumendurchsatz an flüssigem Brennstoff, der für den Entwurfsenergiebe­ darf des Triebwerks erforderlich ist, um den relativ nied­ rigeren Wärmeinhalt von Erdgas im Vergleich zu dem des flüssigen Brennstoffes zu berücksichtigen.

Es ist jedoch festgestellt worden, daß bei relativ kleinen Brennkammern, wie sie in von Flugzeugtriebwerken abgelei­ teten kleinen Schiffs- und Industrietriebwerken anzutref­ fen sind, die Verwendung eines herkömmlichen Erdgasinjek­ tors nicht akzeptabel ist. Beispielsweise im Hinblick auf den relativ hohen Brennstoffvolumendurchsatz, der erfor­ derlich ist, um die Entwurfserfordernisse des Triebwerks zu erfüllen, führen Raumbeschränkungen des herkömmlichen Drallkörpers oder Verwirblers, der in dem Vergaser der Brennkammer benutzt wird, zu einer Beschränkung der maxi­ malen Durchströmungsquerschnittsgröße der Brennstoffin­ jektorspitzenauslaßöffnungen und zu relativ hoher Aus­ strömgeschwindigkeit der durch sie hindurchgehenden Gase. Die Ausströmgeschwindigkeit würde so hoch sein, daß sich das Gas mit der Luft aus dem Drallkörper nicht richtig vermischen könnte und statt dessen als Strahl durch die Brennkammer geleitet würde, ohne darin richtig vermischt und verbrannt zu werden.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen neuen und ver­ besserten Vergaser für ein Gasturbinentriebwerk zu schaf­ fen.

Weiter soll durch die Erfindung ein neuer und verbesserter Vergaser geschaffen werden, der zur Verwendung in einem relativ kleinen Gasturbinentriebwerk geeignet ist, bei dem ein gasförmiger Brennstoff benutzt wird.

Ferner soll durch die Erfindung ein Vergaser geschaffen werden, der einen neuen und verbesserten Brennstoffinjek­ tor hat, welcher in Zusammenwirkung mit einem Drallkörper oder Verwirbler Brennstoff relativ niedrigen Wärmewertes der Brennkammer zuführt.

Außerdem soll durch die Erfindung ein Vergaser geschaffen werden, der einen neuen und verbesserten Brennstoffinjek­ tor hat, welcher in Zusammenwirkung mit einem Drallkörper ein Gemisch aus einem brennbaren Gas und Luft einer re­ lativ kurzen Brennkammer zuführt.

Die Erfindung schafft einen Gasturbinentriebwerksvergaser mit einem ringförmigen Drallkörper oder Verwirbler und einem mit diesem zusammenwirkenden neuen und verbesserten Brennstoffinjektor. Der Drallkörper weist mehrere in ge­ genseitigem Umfangsabstand angeordnete Drallbleche oder Wirbelschaufeln auf, die Luft über eine ringförmige inne­ re Oberfläche des Drallkörpers leiten. Der Brennstoffin­ jektor weist eine hohle Injektorspitze auf, die einen hin­ teren Teil hat, der mehrere in gegenseitigem Umfangsab­ stand angeordnete Auslaßöffnungen in seiner äußeren Ober­ fläche aufweist. Die äußere Oberfläche ist schräg auf ei­ ne Längsmittelachse der Injektorspitze ausgerichtet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teillängsschnittansicht eines be­ kannten Heizgasinjektors,

Fig. 2 eine Teilquerschnittansicht der Injek­ torspitze des bekannten Injektors nach der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine Teillängsschnittansicht eines Brennkammerbereiches eines Gasturbi­ nentriebwerks mit einem Vergaser ge­ mäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 4 eine vergrößerte Teillängsschnittan­ sicht des kuppelförmigen Endes der Brennkammer und des Vergasers nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Endansicht des Brennstoffinjek­ tors nach Fig. 4 und

Fig. 6 eine Längsschnittansicht der Injektor­ spitze nach den Fig. 4 und 5.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen bekannten Vergaser 10, der eine Brennkammer eines Schiffs- und Industrietriebwerks mit einem Gemisch aus Luft und einem gasförmigen Brenn­ stoff, wie beispielsweise Erdgas, versorgt. Der Vergaser 10 hat einen herkömmlichen gegenläufigen ringförmigen Drallkörper oder Verwirbler 12 und einen Brennstoffinjek­ tor 14 zur Zufuhr von Brennstoff zu dem Drallkörper 12. Der Injektor 14 hat eine zylindrische Spitze 16, die in einem stromaufwärtigen Ende des Drallkörpers 12 angeord­ net ist. Die Spitze 16 hat eine kreisförmige hintere End­ fläche 18, die mehrere Auslaßöffnungen 20 aufweist, welche rechtwinkelig zu ihr angeordnet sind. Der Drallkörper 12 weist eine erste Reihe 22 und eine zweite Reihe 24 von ge­ genseitigen Umfangsabstand aufweisenden Drallblechen oder Wirbelschaufeln auf, welche die Luft in entgegengesetzte Richtungen leiten und verwirbeln.

Im Betrieb wird Brennstoff über die Öffnungen 20 in strom­ abwärtiger Richtung abgegeben und mit Luft aus der ersten Reihe 22 und der zweiten Reihe 24 von Drallblechen vor dem Eintritt in die Brennkammer (nicht dargestellt) vermischt. Bei einer relativ großen Brennkammer, beispielsweise mit einer Länge von etwa 406 mm (16 Zoll) von dem Injektor 14 bis zu dem Auslaßende der Brennkammer, ist der Vergaser 10 in der Lage, gasförmigen Brennstoff mit ausreichenden Volu­ mendurchsätzen zum Betreiben des Triebwerks in dessen Ent­ wurfszustand zu liefern, der anfänglich für die Verwendung eines flüssigen Brennstoffes festgelegt worden ist. Es hat sich gezeigt, daß eine akzeptable Verbrennung erfolgt, so­ fern die Öffnungen 20 ausreichend groß gemacht werden kön­ nen, um einen ausreichend hohen Volumendurchsatz an Gas zu liefern, ohne daß dieses in der Brennkammer eine übermäßi­ ge Geschwindigkeit aufweist.

Bei einem relativ kleinen Gasturbinentriebwerk mit rela­ tiv kleiner Brennkammer hat es sich jedoch gezeigt, daß der in den Fig. 1 und 2 dargestellte bekannte Vergaser 10 nicht einfach verkleinert werden kann, um den Volumen­ durchsatz an Gas niedrigen Wärmewertes zu liefern, der zum Erzielen des äquivalenten Wärmeinhalts eines flüssigen Brennstoffes erforderlich ist. Das ist beispielsweise dar­ auf zurückzuführen, daß der herkömmliche Drallkörper 12 die Größe der Injektorspitze 16 baulich begrenzt, wodurch der Ausströmquerschnitt der Öffnungen 20 begrenzt wird.

Demgemäß muß zum Erzielen des Volumendurchsatzes an Gas durch die Öffnungen 20 eine übermäßig hohe Gasgeschwin­ digkeit in diesen Öffnungen erzeugt werden. In einer klei­ nen Brennkammer würde das Gas deshalb einen Strahl durch die Brennkammer erzeugen, der sich nicht wirksam mit der Luft vermischen und darin richtig verbrennen würde.

Fig. 3 zeigt eine Teillängsschnittansicht einer herkömm­ lichen Brennkammer 26 mit einem Vergaser 28 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Brennkammer 28 weist ein ringförmiges inneres Flammrohr 30 mit Abstand von einem ringförmigen äußeren Flammrohr 32 und eine ring­ förmige Kuppel 34 auf, die die stromaufwärtigen Enden derselben miteinander verbindet und ein Brennkammerein­ laßende bildet. Die Brennkammer 26 hat außerdem ein Auslaßen­ de 36, durch das die Verbrennungsgase an eine herkömmliche Turbinendüse 38 abgegeben werden. Ein herkömmlicher Diffusor 40 ist stromaufwärts der Brennkammer 26 angeordnet und führt verdichtete Luft 42 aus einem herkömmlichen Verdichter (nicht dargestellt) zu.

Der Vergaser 28 weist den herkömmlichen Drallkörper oder Ver­ wirbler 12 und einen Injektor 44 für gasförmigen Brennstoff gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung auf.

Der Injektor 44 weist ein geeignetes Zuführrohr 46 und eine hohle Injektorspitze 48 in Strömungsverbindung mit diesem auf.

Ein gasförmiger Brennstoff 50 wird dem Injektor 44 auf her­ kömmliche Weise zugeführt. Der Brennstoff 50 wird von der Spitze 48 aus in den Drallkörper 12 abgegeben, wo er mit Luft 42 vermischt und in die Brennkammer 26 geleitet wird. Die Brennkammer 26 ist relativ kurz und hat eine Brennlänge L von der Spitze 48 zu ihrem Auslaßende 36 von etwa 170 mm (6,7 Zoll). Der Vergaser 28 nach der Erfindung führt den gasförmi­ gen Brennstoff 50 relativ niedrigen Wärmewertes der Brennkam­ mer 26 mit ausreichenden Volumendurchsätzen zum Erzielen der akzeptablen herkömmlichen Leistung der Brennkammer 26 zu, die der äquivalent ist, die erzielt würde, wenn ein herkömmlicher Vergaser und flüssiger Brennstoff verwendet würden.

Der Vergaser 28 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist ausführlicher in der vergrößerten Ansicht in Fig. 4 gezeigt. Der Drallkörper 12 weist einen ersten rohrförmigen Flansch 52 auf, in welchem die Injektorspitze 48 lose abgestützt ist. Ein zweiter rohrförmiger Flansch 54 ist mit Abstand stromabwärts von dem ersten Flansch 52 angeordnet und weist einen ersten, vertikalen Teil 56 auf, der zusammen mit einem vertikalen Teil 58 des ersten Flansches 52 die er­ sten Drallbleche 22 trägt, die an ihnen fest angebracht sind.

Der zweite Flansch 54 weist weiter einen ringförmigen hori­ zontalen Teil 60 auf, der eine ringförmige innere Oberflä­ che 62 hat. Der horizontale Teil 60 hat ein stromaufwärti­ ges Ende 64, das mit dem vertikalen Teil 56 fest verbunden ist, und ein stromabwärtiges Ende 66. In der dargestellten exemplarischen Ausführungsform bildet die innere Oberflä­ che 62 ein Venturi, das einen konvergierenden Teil 68 hat, der sich zu einem Verengungsteil 70 erstreckt, welcher ei­ nen kleinsten Durchmesser hat, und einen divergierenden Teil 72, der sich von dem Verengungsteil 70 zu dem strom­ abwärtigen Ende 66 erstreckt. Der Drallkörper 12 weist weiter einen ringförmigen Tragflansch 74 auf, der einen vertikalen Teil 76 mit Abstand von dem vertikalen Teil 56 des zweiten Flansches 54 hat, die gemeinsam zwischen sich die zweiten Drallbleche 24 festhalten. Mit einem inneren Ende des vertikalen Teils 76 ist ein horizontaler Teil 78 fest verbunden, der Abstand von dem horizontalen Teil 60 des zweiten Flansches 54 hat, so daß diese zwischen sich einen ringförmigen Kanal 80 bilden. Der Drallkörper 12 ist mit der Kuppel 34 durch einen Tragring 82 fest verbunden, welcher die Kuppel 34 mit dem Tragflansch 74 fest verbin­ det.

Der Drallkörper 12 ist herkömmlich und leitet die Luft 42 in bezug auf eine erste Längsmittelachse 84 des Wirblers radial nach innen und dann in im wesentlichen axialer Richtung parallel zu der ersten Achse 84 sowohl durch das Venturi 62 als auch durch den Kanal 80, um eine gegenläu­ fige Drehung der Luft 42 zu erzielen.

Die hohle Injektorspitze 48 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist allgemein in Fig. 4 und ausführlicher in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Die Spitze 48 hat eine zweite Längsmittelachse 86, die gemäß der Darstel­ lung in Fig. 4 mit der ersten Achse 84 des Drallkörpers 12 zusammenfällt. Die Spitze 48 hat einen ersten vorderen Teil 88 mit einem Einlaßende 90 in Strömungsverbindung mit einem Auslaß 92 des Zuführrohres 46. Die Spitze 48 hat weiter einen angeformten hohlen hinteren Teil 94, der sich in Strömungsverbindung von dem ersten Teil 88 aus er­ streckt. Der hintere Teil 94 hat eine äußere Oberfläche 96, die mehrere Auslaßöffnungen 98 aufweist, welche rechtwin­ kelig zu ihr angeordnet sind.

In der in den Fig. 4-6 dargestellten exemplarischen Aus­ führungsform der Erfindung ist die äußere Oberfläche 96 konisch und nimmt im Umfang in stromabwärtiger Richtung von einem Basisende 100 zu einem Spitzenende 102 des hin­ teren Teils 94 ab. Die äußere Oberfläche 96 ist unter ei­ nem Winkel A in bezug auf die zweite Achse 86 schräg aus­ gerichtet, wobei der Winkel A größer als etwa 0° und klei­ ner als etwa 90° ist.

Drei relativ große und in gleichem gegenseitigen Umfangs­ abstand angeordnete Auslaßöffnungen 98 sind dargestellt und vorzugsweise dreieckförmig, um die Größe des Ausström­ querschnitts des hinteren Teils 94 der Spitze 48 zu maxi­ mieren. Jede Auslaßöffnung 98 hat eine gleichschenklige Dreiecksform mit einer Basis 104, die an dem Basisende 100 des hinteren Teils 94 angeordnet ist, und mit einer Spitze 106, die auswärts davon in stromabwärtiger Richtung an dem Spitzenende 102 des hinteren Teils 94 angeordnet ist.

Die Injektorspitze 48 gemäß der Erfindung, die oben be­ schrieben ist, ergibt einen größeren Gasausströmquerschnitt pro Einheit des Frontflächeninhalts. Bei der Verwendung von identischen Drallkörpern, wie sie in den Fig. 1 und 4 dargestellt sind, ist zu erkennen, daß die Spitzenöffnun­ gen 20 des bekannten Injektors im Querschnitt auf den be­ grenzt sind, den die kreisförmige Endfläche 18 bietet. Ge­ mäß der Erfindung bietet jedoch die schräg abgewinkelte äußere Oberfläche 96 nach den Fig. 4 und 5 einen größeren Oberflächeninhalt gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten. Für einen bestimmten Durchmesser der bekannten Injektor­ spitze 16 und den in dem Drallkörper 12 befestigten ersten Teil 88 der Injektorspitze 48 hat die schräg abgewinkelte äußere Oberfläche 96 einen größeren Flächeninhalt, weil sie sich auch in stromabwärtiger Richtung erstreckt. Dem­ gemäß ist mehr Oberflächeninhalt zum Vorsehen der Auslaß­ öffnungen vorhanden, wodurch das maximale Ausmaß an ver­ fügbarem Flächeninhalt für die Auslaßöffnungen 98 vergrö­ ßert wird. Das ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, weil durch Vergrößern des Querschnitts der Auslaßöffnungen 98 die Geschwindigkeit des Brennstoffs 50, der durch sie abgegeben wird, proportional verringert werden kann.

Damit der Vergaser 28 einen ausreichend hohen Volumendurch­ satz an gasförmigem Brennstoff relativ niedrigen Wärme­ werts liefert,so daß er dem Wärmeinhalt eines Flüssigbrenn­ stoffvergasers gleichkommt, der ersetzt wird, müssen dem­ gemäß Einrichtungen vorgesehen werden, um einen solchen relativ hohen Volumendurchsatz erzielen zu können, ohne daß die oben beschriebenen unakzeptabel hohen Geschwindig­ keiten auftreten.

Weiter ergibt die schiefwinkelige äußere Oberfläche 96 ei­ nen zusätzlichen Vorteil durch das Abgeben des Brennstoffs 50 unter einem schiefen Winkel in bezug auf die zweite Mittelachse 86 und nicht parallel zu dieser. Das hilft, das Problem eines Strahls von Brennstoff 50 zu reduzieren, der wie oben beschrieben gerade durch die Brennkammer ge­ richtet wird.

Deshalb hat der Brennstoffzuführrohrauslaß 92 einen Auslaß­ querschnitt B, und die Spitzenausströmöffnungen 98 haben gemeinsam einen Querschnitt C, der wenigstens so groß wie der Querschnitt B ist. Eine solche Beziehung kann bei dem bekannten Injektor 14 praktisch nicht benutzt werden, weil es einen unakzeptablen Brennstoffstrahl ergeben würde, der keine akzeptable Brennkammerleistung ergeben würde. Selbst­ verständlich kann der Querschnitt C kleiner oder größer als der Querschnitt B sein, je nach den besonderen Entwurfs­ erfordernissen. Der Fachmann wird jedoch anhand der hier angegebenen Lehren feststellen, daß ein größerer Bereich für den Querschnitt C nun zur Verwendung bei jedem beson­ deren Entwurf zur Verfügung steht.

Weiter hat die äußere Oberfläche des hinteren Teils der Spitze 48 einen Gesamtflächeninhalt D. In der exemplari­ schen Ausführungsform ist die Ausströmöffnungsquerschnitts­ fläche C wenigstens so groß wie D/4. Selbstverständlich wird das Verhältnis des Flächeninhalts C zum Flächeninhalt D ge­ mäß besonderen Entwurfszielen und Konstruktionsüberlegungen bestimmt.

Diese exemplarischen Beziehungen des Ausströmquerschnitts des Rohrauslasses 92, der Spitzenausströmöffnung 98 und der äußeren Oberfläche 96 der Spitze 48 bieten die Möglich­ keit eines relativ großen Brennstoffausströmquerschnitts pro Frontflächeneinheit der Spitze 48 innerhalb der bauli­ chen Beschränkungen des Rohres 46 und des Drallkörpers 12.

Ein zusätzliches wesentliches Merkmal der Erfindung ist die schiefwinkelige äußere Oberfläche 96. In der exemplari­ schen Ausführungsform, die in Fig. 4 gezeigt ist, ist die äußere Oberfläche 96 so gerichtet, daß der Winkel A vor­ zugsweise größer als etwa 0° und kleiner als etwa 45° ist, um die Geschwindigkeitskomponente des Brennstoffs 50 in der radialen Richtung zu vergrößern und die Geschwindig­ keitskomponente in der axialen Richtung zu verkleinern.

Der Winkel A beträgt insbesondere 15°.

Ferner ist die Spitze 48 längs der ersten Mittelachse 84 ausgerichtet und innerhalb der axialen Positionen der er­ sten Drallbleche 22 und des Venturis 62 angeordnet. Die Ausströmöffnungen 98 sind im wesentlichen dem konvergie­ renden Teil 68 der inneren Oberfläche 62 zugewandt.

Diese bevorzugte Ausrichtung der Spitze 48 in bezug auf das Venturi 62 gestattet, den Brennstoff 50 aus den Aus­ strömöffnungen 98 so abzugeben, daß er auf den konvergie­ renden Teil 68 auftrifft, um dadurch seine Geschwindigkeit teilweise zu reduzieren. Der Brennstoff 50 vermischt sich außerdem mit der Luft 42, die durch die ersten Drallbleche 22 geleitet wird, was bewirkt, daß die Geschwindigkeit des Brennstoffs 50 in stromabwärtiger Richtung durch dieses Vermischen reduziert wird.

Die Luft 42 und der Brennstoff 50, die miteinander ver­ mischt sind, werden dann durch die Venturiverengung 70 und den divergierenden Teil 72 geleitet, um sich mit der Luft 42 zu vermischen, die durch die zweiten Drallbleche 24 und den Kanal 80 geleitet wird.

Die Erfindung, die unter Bezugnahme auf die dargestellte besondere Ausführungsform beschrieben worden ist, ist ana­ lysiert und in einer Brennkammer eines relativ kleinen Turbowellentriebwerks in der 4-Megawatt-Klasse getestet worden und hat im Vergleich zu einem identischen Triebwerk, bei dem ein herkömmlicher Flüssigbrennstoffvergaser benutzt wird, eine akzeptable Brennkammerleistung ergeben. Es wur­ de eine konische Injektorspitze 48 benutzt, die eine äußere Oberfläche hatte, welche unter einem Winkel A von 15° ange­ ordnet war, wobei der Ausströmquerschnitt C ungefähr 1,3 B und etwa 0,25 D betrug. Die Brennkammer 26 hatte eine Län­ ge L von etwa 170 mm (6,7 Zoll) und ein Verhältnis von Brennlänge zu Kuppelhöhe von etwa 2,98.

Tests ergaben eine akzeptable Brennkammerleistung für Gase mit Wärmewerten von nur etwa 3,72 MJ/m³ (100 BTU/SCF). Bei­ spielsweise waren die Temperaturprofil- und Musterfaktoren am Auslaßende 36 der Brennkammer 26 insgesamt gleich denen einer gleichen Brennkammer mit einem Erdgasbrennstoffin­ jektor und gleichermaßen abzeptabel. Weiter waren diese Faktoren auch im Vergleich zu denjenigen Faktoren, die bei einer Flüssigbrennstoffinjektorbrennkammer erzielt wurden, akzeptabel.

Es sei angemerkt, daß die benutzten Testeinrichtungen kei­ ne Tests mit Brennstoff mit weniger als etwa 3,72 MJ/m³ (100 BTU/SCF) gestatteten. Die Erfindung dürfte aber in Verbindung mit Brennstoffen verwendbar sein, die weniger als 3,72 MJ/m³ (100 BTU/SCF) haben, was sich leicht durch Einrichtungen bestätigen läßt, mittels welchen Tests mit solchen Brennstoffen niedrigeren Wärmewerts durchgeführt werden können.

Demgemäß gestattet der Vergaser 28 mit dem neuen und ver­ besserten Brennstoffinjektor 44 einem Flüssigbrennstoff­ gasturbinentriebwerk, gasförmigen Brennstoff relativ nie­ drigen Wärmewerts zu verbrennen und dabei eine akzeptable Brennkammerleistung mit relativ wenigen Triebwerksmodifi­ zierungen zu erzielen.

Beschrieben worden ist zwar eine bevorzugte Ausführung der Erfindung, es sind jedoch andere Modifizierungen im Rahmen der Erfindung möglich, weshalb alle derartigen Modifizie­ rungen unter den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen. Beispielsweise können auch andere herkömmliche oder gegenläufig rotierende oder nur in einer Richtung ro­ tierende Drallkörper benutzt werden, obgleich ein beson­ derer gegenläufig rotierender Drallkörper 12 beschrieben worden ist. Obgleich ein Brennstoffinjektor 44 beschrie­ ben worden ist, der eine geradseitige konische Spitze 48 aufweist, können andere Spitzen, die äußere Oberflächen haben, welche in stromabwärtiger Richtung im Umfang ab­ nehmen, benutzt werden. Ferner können, obgleich drei drei­ eckförmige Spitzenausströmöffnungen 98 zum Maximieren des Ausströmquerschnittsflächeninhalts bevorzugt werden, an­ dere Ausströmöffnungsformen und -zahlen im Rahmen der Er­ findung benutzt werden.

Claims (21)

1. Gasturbinentriebwerksvergaser zum Vermischen von Luft mit einem brennbaren Gas, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Drallkörper (12), der eine erste Längs­ mittelachse (84) hat, eine ringförmige innere Oberfläche (62), die koaxial in bezug auf die erste Achse (84) ange­ ordnet ist, und mehrere gegenseitigen Umfangsabstand auf­ weisende Drallbleche (22, 24), die mit einem stromaufwär­ tigen Ende der inneren Oberfläche (62) verbunden sind, zum Leiten der Luft (42) über die innere Oberfläche (62); und einen Brennstoffinjektor (44), der eine hohle Injektor­ spitze (48) hat mit einer zweiten Längsmittelachse (86), einem Einlaß (90) zum Empfangen des Gases (50) und einem hinteren Teil (94) hat, der eine äußere Oberfläche (96) aufweist, die unter einem Winkel (A) in bezug auf die zwei­ te Achse (86) schräg ausgerichtet ist, wobei der Winkel (A) größer als etwa 0° und kleiner als etwa 90° ist und wobei der hintere Teil (94) der Spitze (48) mehrere gegenseiti­ gen Umfangsabstand aufweisende Auslaßöffnungen (98) auf­ weist, die in der äußeren Oberfläche (96) angeordnet sind, zum Leiten des Gases (50) von dem Spitzeneinlaß (90) zu der Drallkörperinnenoberfläche (62) zur Vermischung mit der Luft (42) aus den Drallblechen (22, 24).

2. Gasturbinentriebwerksvergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffinjektor (44) ein Gaszu­ führrohr (46) in Strömungsverbindung mit dem Injektorspit­ zeneinlaß (90) aufweist, das einen Auslaß (92) mit einer Querschnittsfläche B hat, und daß die Injektorspitzen­ öffnungen (98) gemeinsam eine Ausströmquerschnittsfläche C haben, die wenigstens so groß wie die Querschnittsfläche B ist.

3. Gasturbinentriebwerksvergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektorspitzenöffnungen (98) ge­ meinsam eine Ausströmquerschnittsfläche C haben und daß die äußere Oberfläche (96) des hinteren Teils (94) der In­ jektorspitze (48) einen Flächeninhalt D hat, wobei der Flächeninhalt C größer als etwa D/4 ist.

4. Gasturbinentriebwerksvergaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche (96) des hinteren Teils (94) des Injektors (44) im Umfang von dem Injektorspitzeneinlaß (90) längs des hinteren Teils (94) des Injektors (44) abnimmt.

5. Gasturbinentriebwerksvergaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Teil (94) des Injektors (44) konisch ist.

6. Gasturbinentriebwerksvergaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektorspitzen­ auslaßöffnungen (98) dreieckförmig sind und jeweils eine Basisendposition (104) benachbart zu dem Spitzeneinlaß (90) und ein von da aus in stromabwärtige Richtung weisendes Scheitelende (102) aufweisen.

7. Gasturbinentriebwerksvergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Teil (94) des Injektors (44) konisch ist und daß die Injektorspitzenauslaßöffnun­ gen (98) dreieckförmig sind und jeweils eine Basisendposi­ tion (104) benachbart zu dem Spitzeneinlaß (90) und ein von da aus in stromabwärtige Richtung weisendes Scheitel­ ende (102) aufweisen, wobei der Winkel (A) größer als etwa 0° und kleiner als etwa 45° ist.

8. Gasturbinentriebwerksvergaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffinjektor (44) ein Gaszu­ führrohr (46) in Strömungsverbindung mit dem Injektorspit­ zeneinlaß (90) aufweist, das einen Auslaß (92) mit einer Querschnittsfläche B hat, und daß die Injektorspitzenöff­ nungen (98) gemeinsam eine Ausströmquerschnittsfläche C haben, die wenigstens so groß wie die Querschnittsfläche B ist.

9. Gasturbinentriebwerksvergaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektorspitzenöffnungen (98) ge­ meinsam eine Ausströmquerschnittsfläche C haben und daß die äußere Oberfläche (96) des hinteren Teils (94) der In­ jektorspitze (48) einen Oberflächeninhalt D hat, wobei die Querschnittsfläche C größer als etwa D/4 ist.

10. Gasturbinentriebwerksvergaser nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkörperinnen­ oberfläche (62) ein Venturi bildet, das einen konvergieren­ den Teil (68) hat, und daß die äußere Oberfläche (96) des hinteren Teils (94) der Injektorspitze (48) so angeordnet ist, daß das Gas (50), das von den Injektorspitzenauslaß­ öffnungen (98) abgegeben wird, zu der Venturiverengung (70) geleitet wird, um sich mit der Luft (42) aus den Drallblechen (22, 24) zu vermischen.

11. Gasturbinentriebwerksvergaser nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drall­ körperinnenoberfläche (62) ein Venturi bildet, das einen konvergierenden Teil (68) hat, und daß die äußere Oberflä­ che (96) des hinteren Teils (94) der Injektorspitze (48) so angeordnet ist, daß das Gas (50), das von den Injektor­ spitzenauslaßöffnungen (98) abgegeben wird, zu dem konver­ gierenden Teil (68) des Venturis geleitet wird, um es mit der Luft (42) aus den Drallblechen (22, 24) zu vermischen.

12. Gasturbinentriebwerksvergaser, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Drallkörper (12) mit einer ersten Längs­ mittelachse (84), einer ringförmigen inneren Oberfläche (62), die koaxial in bezug auf die erste Achse (84) ange­ ordnet ist, und mehreren gegenseitigen Umfangsabstand auf­ weisenden Drallblechen (22), die mit einem stromaufwärti­ gen Ende der inneren Oberfläche (62) fest verbunden sind, zum Leiten von Luft (42) über die innere Oberfläche (62); einen Brennstoffinjektor (44) mit einer hohlen Injektor­ spitze (48), die eine zweite Längsmittelachse (86) hat, welche koaxial zu der ersten Achse (84) ausgerichtet ist, einem Einlaß (90) zum Empfangen des Gases (50) und einem konischen hinteren Teil (48), der eine äußere Oberfläche (96) hat, die im Umfang in stromabwärtiger Richtung ab­ nimmt und unter einem Winkel (A) von etwa 15° gegen die zweite Achse (86) gerichtet ist, wobei der hintere Teil (94) der Spitze (48) mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende dreieckige Auslaßöffnungen (98) aufweist, die in der äußeren Oberfläche (96) angeordnet sind und je­ weils ein Basisende (104) haben, das benachbart zu dem Spitzeneinlaß (90) angeordnet ist, und ein Scheitelende (102), das von da aus in stromabwärtige Richtung weist, zum Leiten des Gases (50) von dem Spitzeneinlaß (90) zu der Drallkörperinnenoberfläche (62) zur Vermischung mit der Luft (42) aus den Drallblechen (22).

13. Gasturbinentriebwerksvergaser nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß der Brennstoffinjektor (44) ein Gaszuführrohr (46) in Strömungsverbindung mit dem Injek­ torspitzeneinlaß (90) aufweist, das einen Auslaß (92) mit einer Querschnittsfläche B hat, und daß die Injektorspit­ zenöffnungen (98) gemeinsam eine Ausströmquerschnittsflä­ che C haben, die wenigstens so groß wie die Fläche B ist.

14. Gasturbinentriebwerksvergaser nach Anspruch 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche (96) des hinteren Teils (94) der Injektorspitze (48) einen Flächeninhalt D hat und daß die Querschnittsfläche C grös­ ser als etwa D/4 ist.

15. Gasturbinentriebwerksvergaser nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drallkörperinnenoberfläche (62) ein Venturi bildet, das einen konvergierenden Teil (68) hat, und daß die äußere Oberfläche (96) des hinteren Teils (94) der Injektorspitze (48) so angeordnet ist, daß das Gas (50), das von den Injektorspitzenauslaßöffnungen (98) abgegeben wird, zu dem konvergierenden Teil (68) des Venturis geleitet wird, um es mit der Luft (42) aus den Drallblechen (22) zu vermischen, und daß der Drallkörper (12) mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende zweite Drallbleche (24) aufweist, die stromabwärts der ersten Drallbleche (22) angeordnet sind und dazu dienen, die Luft (42) in einer Richtung zu verwirbeln, die zu der Richtung der Luft (42) aus den ersten Drallblechen (22) entgegengesetzt ist, und die Luft (42) stromabwärts des Drallkörpers (12) zu leiten, um sie mit der Luft (42) aus den ersten Drallblechen (22) und dem Gas (50) aus den Injektorspitzenauslaßöffnungen (98) zu vermischen.

16. Brennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:
ein Gaszuführrohr (46) zum Empfangen und Leiten eines Gases (50), wobei das Gaszuführrohr einen Auslaß (90) mit einer Querschnittsfläche B hat;
eine hohle Injektorspitze (48) mit einer Längsmittellinie (86) und einem Einlaß (90) in Strömungsverbindung mit dem Zuführrohr (46) zum Empfangen des Gases (50) aus diesem sowie einem hinteren Endteil (94), der eine äußere Ober­ fläche (96) hat, die im Umfang ab dem Einlaß (90) längs des hinteren Endteils (94) abnimmt, wobei der hintere Endteil (94) mehrere gegenseitigen Umfangsabstand auf­ weisende Auslaßöffnungen (98) hat, die in der äußeren Oberfläche (96) angeordnet sind und gemeinsam eine Aus­ strömquerschnittsfläche C haben, welche wenigstens so groß wie die Rohrauslaßquerschnittsfläche B ist.

17. Brennstoffinjektor nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußere Oberfläche (96) des hinteren End­ teils (94) der Spitze (48) einen Flächeninhalt D hat und daß die Ausströmquerschnittsfläche C größer als etwa D/4 ist.

18. Brennstoffinjektor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Endteil (94) der Spitze (48) konisch ist und daß die äußere Oberfläche (96) unter einem Winkel (A) gegen die Achse (86) ausgerichtet ist, wobei der Winkel (A) größer als etwa 0° und kleiner als etwa 90° ist.

19. Brennstoffinjektor nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Winkel (A) größer als etwa 0° und kleiner als etwa 45° ist.

20. Brennstoffinjektor nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Winkel (A) etwa 15° beträgt.

21. Brennstoffinjektor nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Injektorspitzenauslaßöffnungen (98) drei­ eckförmig sind und jeweils ein Basisende (104) haben, das benachbart zu dem Spitzeneinlaßende (90) angeordnet ist, und ein Scheitelende (102), das sich von da nach außen er­ streckt.