DE3889370T2

DE3889370T2 - Druckluftzerstäuber für Brennstoff.

Info

Publication number: DE3889370T2
Application number: DE3889370T
Authority: DE
Inventors: Terry A Clark; Robert H Larson; James M Long; Richard S Tuthill
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1988-03-03
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2008-03-04
Also published as: DE3889370D1; EP0283422A2; CA1276473C; JP2696218B2; EP0283422B1; EP0283422A3; US4815664A; JPS63251708A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Düsen zum Einspritzen von Brennstoffin Gasturbinenbrennkammern und insbesondere auf eine Luftblasflüssigbrennstoffdüse für eine Gasturbine des Typs, bei dem eine Drallbrennstoffströmung niedriger Geschwindigkeit durch einen Ringraum abgegeben wird, eine umgebende Sekundärluftströmung zu dem abgegebenen Brennstoff geleitet wird, ein verwirbelter innerer Primärluftstrom konzentrisch innerhalb des Ringraums angeordnet und so gerichtet wird, daß er den abgegebenen Brennstoff dispergiert und zerstäubt, und feststehende Leitschaufeln, die in dem Primärluftstrom angeordnet sind, um den Drall zu erzeugen.
Brennkammern von Gasturbinentriebwerken weisen üblicherweise einen Metallmantel oder ein Flammrohr auf, das ein Volumen begrenzt, in welchem die Verbrennung stattfindet. Der Raum ist beschränkt, und es ist deshalb wichtig, daß die Verbrennung so schnell wie möglich und so gleichmäßig wie möglich erfolgt. Das erfordert nicht nur eine Feinzerstäubung des Brennstoffes, der eingespritzt wird, sondern auch eine gleichmäßige Verteilung desselben.
Eine herkömmliche Brennstoffdruckzerstäubungsdüse verteilt und zerstäubt den Brennstoff ausreichend bei Teilleistungsnennwerten. Wenn die Belastung der Turbine vergrößert wird, führt jedoch die vergrößerte Brennstoffzufuhr zu einem sehr hohen Druckabfall an der Düse und zu sehr feinen Tröpfchen, die eine schlechte Durchdringung und Verteilung des Brennstoffes in der Brennkammer erzeugen.
Demgemäß sind Luftblassprühdüsen eingeführt worden. Bei solchen Düsen wird im allgemeinen die Luftströmung als Zerstäubungs- und Verteilungsenergiequelle benutzt, da die Luftströmungsmuster dazu tendieren, relativ konstant zu bleiben, wenn die Belastung erhöht wird.
Üblicherweise würden solche Düsen eine zentrale Primärströmung von Luft innerhalb einer ringförmigen Zone aufweisen, in welche Brennstoff eingeleitet wird. Den Brennstoff umgibt eine ringförmige Einleitung von Sekundärluft, wobei Teriärluft von einer Stelle aus zugeführt wird, die von dem Brennstoff etwas weiter entfernt ist. Zusätzliche Verdünnungsluft wird stromabwärts des Verbrennungsprozesses eingeleitet, um die Temperatur, die in die Gasturbine gelangt, auf einen akzeptablen Grenzwert zu begrenzen.
In der US-A-3 713 588 ist eine solche Düse dargestellt, bei der der Brennstoff außerhalb über eine Reihe von Drosselbohrungen in den Sekundärluftstrom eingeleitet wird. Dieser wirbelnde Sekundärluftstrom liefert die Zerstäubungskraft und -energie zum Dispergieren des Brennstoffes. Gemäß den Lehren dieses Patents wird die zentral angeordnete Primärluft zu dem Zweck eingeleitet, eine ausreichende Luftversorgung für das Innere des Brennstoffsprühkegels zur Verfügung zu stellen. Eine Gruppe von schraubenförmigen Drallkörperleitschaufeln ist dargestellt, und es sei angemerkt, daß die innere Luft ohne überhaupt einen Drall eingeleitet werden kann.
Spezifische relative Orte sind zwischen den Leitschaufeln, die die Sekundärluft verwirbeln, und den Drosselbohrungen für den Eintritt von Brennstoff gezeigt. Das Ziel in der Lehre dieses Patents ist es, Konzentrationen von Luft an der Stelle der Drosselbohrungen zu erzielen.
Ein weiterer Luftblasinjektor des Typs, der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, ist in der EP-A-0 132 213 oder in der DE-A-2 544 361 beschrieben, wobei der Brennstoff zu dem Zweck verwirbelt wird, einen Ringraum zu füllen, aus welchem er mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit nach außen gelangt. Der Drall der Primärluft wird benutzt, um den Brennstoff zu dispergieren und zu zerstäuben, wenn er die Brennstoffdüse verläßt. Der Drall der Luftströmung ist durch die Verwendung von schraubenförmigen Leitschaufeln erzielt worden.
Schraubenförmige Leitschaufeln sind einfacher und weniger teuer herzustellen als gewölbte Leitschaufeln. Gewölbte Leitschaufeln sind jedoch bereits bei der Sekundärluftströmung benutzt worden (US-A-3 713 588), wo der Hauptteil der die Verbrennung unterstützenden Luft geliefert wird und es einen Bedarf gibt, eine beträchtliche Luftmenge durch einen begrenzten Raum durchzuleiten. In einem solchen Fall war die niedrigere Druckabfallcharakteristik der gewölbten Leitschaufeln ausreichend, um die zusätzlichen Kosten ihrer Herstellung zu rechtfertigen. Der Primärluftleitschaufeldrallkörper ist sehr klein und hat einen Außendurchmesser in der Größenordnung von 12,7 mm (einem halben Zoll). Es ist nicht notwendig gewesen, eine große Menge an Luft durch einen kleinen Raum hindurchzuleiten, sondern nur, einen Drall zu erzielen. Demgemäß hat der herkömmliche Wissensstand nichts anderes vorgeschlagen, als den einfacher herstellbaren, weniger teueren schraubenförmigen Drallkörper, der an dieser Stelle immer benutzt worden ist.
Es ist festgestellt worden, daß die Umfangsbrennstoffverteilung einer Düse, bei der die schraubenförmigen Leitschaufeln benutzt werden, unter einer Fehlverteilung litt, die Konzentrationen von Brennstoff in einem sich wiederholenden Muster enthielt, das in Beziehung zu der Anzahl der installierten schraubenförmigen Leitschaufeln stand, und das Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Luftblasbrennstoffdüse des genannten Typs zu schaffen, die eine gleichmäßige Umfangsverteilung des zerstäubten Brennstoffes ergibt.
Gemäß der Erfindung ist, um das zu erreichen, die Luftblasbrennstoffdüse dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln den stromaufwärtigen Endteil im wesentlichen parallel zu der ankommenden Luftströmung haben und daß die Leitschaufeln so gewölbt sind, daß sie sich unter einem Winkel zu der ankommenden Luftströmung an dem stromabwärtigen Endteil erstrecken, wodurch die Drallströmung ohne die Bildung von lokalen Strömungsstörungen gebildet wird.
Es ist herausgefunden worden, daß die Verwendung von gewölbten Leitschaufeln, welche die Luftströmung mit einer allmählichen Kurve sanft auffangen, um den Drall zu erzeugen, die lokalen Strömungsstörungen vermeiden wird, welche bis zu der Brennstoffverteilung zu gelangen scheinen.
Die verbesserte Luftblasdüse hat eine Drallbrennstoffströmung niedriger Geschwindigkeit, die über einen Ringraum in eine umgebende Sekundärluftströmung abgegeben wird. Der verwirbelte innere Primärstrom, der konzentrisch innerhalb des Brennstoffes angeordnet ist, hat gewölbte Leitschaufeln, die stromaufwärts des Auslasses für die Zwecke angeordnet sind, einen Drall zu erzeugen. Diese feststehenden Leitschaufeln sind in der Luftströmung so angeordnet, daß der stromaufwärtige Rand zu der ankommenden Luftströmung im wesentlichen parallel ist und daß die Leitschaufeln so gewölbt sind, daß sie sich unter einem bestimmten Winkel in bezug auf die ankommende Luftströmung an dem stromabwärtigen Ende erstrecken. Es hat sich gezeigt, daß dieser Drall der Primärluft, der so ohne Strömungsstörung gebildet wird, eine gleichmäßige Umfangsverteilung des atomisierten Brennstoffes schafft.
Das Steigern der Größe der Nabe über die früher benutzte hinaus erleichtert ,die Fabrikation der schwieriger herstellbaren gewölbten Leitschaufeln, kann eine verbesserte Rezirkulationszone stromabwärts der Luftversorgung schaffen und drosselt nicht die Luftströmung im Vergleich zu den schraubenförmigen Leitschaufeln wegen der effizienteren Strömungskenndaten.
Die verbesserte Luftblasbrennstoffdüse wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine allgemeine Anordnung der Brennstoffdüse ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit in dem Düsenbereich ist,
Fig. 3 eine überdimensionierte Ansicht der Leitschaufelbaugruppe ist;
Fig. 4 eine abgewickelte Ansicht um den Umfang der Leitschaufelbaugruppe ist; und
Fig. 5 eine abgewickelte Ansicht eines Drallkörpers mit herkömmlichen schraubenförmigen Leitschaufeln ist.
Dargestellt ist in der allgemeinen Anordnung nach Fig. 1 ein Gehäuse 10, welches einen Luftsammelraum 12 umgibt, der die Luftströmung einschließt. Innerhalb dieses Gehäuses befindet sich ein Brennkammerflammrohr 14, wobei eine Brennstoffdüse 16 an einer Strebe 18 so befestigt ist, daß sie innerhalb des Flammrohres der Brennkammer angeordnet ist. Der Brennstoff geht durch einen Versorgungskanal 20 hindurch und tritt über einen Ringraum 22 aus. Das Drallgebilde 24 ist ein integrales, ringförmiges Metallstück mit einer Vielzahl von Löchern, die unter einem Winkel in bezug auf die Achse gebohrt worden sind. Das ergibt einen nominellen Drall des Brennstoffes derart, daß er gleichmäßig um den Umfang des Ringraums 22 verteilt wird. Die Primärluftströmung 26 wird über das Primärluftrohr 28 zu einer Stelle geleitet, die innerhalb des Ringraums 22 konzentrisch ist. Eine feststehende Leitschaufelbaugruppe 30 ist innerhalb dieses Luftstroms angeordnet, um der hindurchgehenden Primärluft einen Drall zu geben.
Zusätzliche Sekundärluft 32 gelangt durch die Drallkörperleitschaufeln 34 und wird dabei einwärts über den Ringraum 36 in Richtung zu dem abgegebenen Brennstoff hin verwirbelt. Weiter geht tertiäre Luft 38 durch eine Öffnung 40 hindurch als Führungsluft, die so gewählt wird, daß sie die Flamme zusätzlich formt. Zusätzliche Luft aus dem Luftsammelraum 12 vereinigt sich mit den Verbrennungsprodukten an einer stromabwärtigen Stelle (nicht gezeigt).
Die oben beschriebene Düse erzeugt eine insgesamt konisch geformte Flamme 42, die den Brennstoff innerhalb der Brennkammer verbrennt. Wegen des begrenzten Raums, der verfügbar ist, ist es wichtig, daß der Brennstoff so schnell wie möglich verbraucht wird, und eine gleichmäßige Zerstäubung und Verteilung des Brennstoffes erleichtert das, indem irgendwelche langen lokalen Verbrennungsabweichungen vermieden werden. Es ist außerdem wichtig, die gleichmäßige Umfangsverteilung zu haben, um lokale heiße Flecken oder Streifen zu vermeiden, die die Turbinenleitschaufeln des Flammrohres lokal ausbrennen würden. Diese Ziele werden durch die Verwendung des besonderen Drallkörpers 30 erreicht, welcher in Fig. 3 ausführlich dargestellt ist.
Eine zentrale Nabe 50 trägt eine Vielzahl von gewölbten Leitschaufeln 52 an ihrem Umfang. Die Leitschaufelbaugruppe hat einen Außendurchmesser bis zu dem Rand der Leitschaufeln 52 von 12,7 mm (0,5 Zoll), wogegen der Durchmesser der Nabe 50 6,35 mm (0,25 Zoll) beträgt. Das stromaufwärtige Ende 54 wird mit einem gleichmäßigen Radius hergestellt, der eine Geschoßnasenform bildet, wogegen der stromabwärtige Rand 56 eine abgestumpfte konische Oberfläche sein kann.
Fig. 4 zeigt eine abgewickelte Ansicht des äußeren Zylinders, der den äußeren Rand der Leitschaufeln 52 umgibt. Schraubenförmige Leitschaufeln scheinen, wenn sie in einer zweidimensionalen Ansicht dargestellt werden, häufig gekrümmt zu sein, aber ihre wahre Gestalt, wie sie in einer abgewickelten Ansicht gezeigt ist, zeigt, daß sie ganz nach Art von Schraubengewinden ausgebildet sein können. Die abgewickelte Ansicht zeigt tatsächlich die Leitschaufeln, wie sie für die hindurchgehende Primärluftströmung aussehen. Es ist demgemäß in Fig. 4 zu erkennen, daß der stromaufwärtige Endteil 58 jeder Leitschaufel zu der ankommenden Luftströmung 26 im wesentlichen parallel ist, wogegen die gleichmäßige Krümmung der gewölbten Leitschaufeln 52 dazu führt, daß der stromabwärtige Endteil 60 einen Winkel von 30 Grad mit der Achse der Leitschaufelbaugruppe und mit der Richtung der ankommenden Luftströmung bildet. Zu Vergleichszwecken zeigt Fig. 5 eine abgewickelte Ansicht eines Drallkörpers mit herkömmlichen schraubenförmigen Leitschaufeln 63. Testbetrieb und Beobachtung haben gezeigt, daß diese oberflächlich geringfügige Änderung des Ersatzes von gekrümmten oder gewölbten Leitschaufeln für schraubenförmige Leitschaufeln zu einer überraschenden Verbesserung und Leistung der Brennstoffdüse führt.

Claims

1. Luftblasflüssigbrennstoffdüse für eine Gasturbine des Typs, der eine verwirbelte Drallbrennstoffströmung niedriger Geschwindigkeit hat, die durch einen Ringraum (22) abgegeben wird, eine umgebende Sekundärluftströmung, die zu dem abgegebenen Brennstoff geleitet wird, einen verwirbelten inneren Primärluftstrom, der konzentrisch innerhalb des Ringraums (22) angeordnet und so gerichtet ist, daß er den abgegebenen Brennstoff dispergiert und zerstäubt, und feststehende Leitschaufeln (52), die in der Primärluftströmung angeordnet sind, um den Drall zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß

der stromaufwärtige Endteil (58) der Leitschaufeln (52) zu der ankommenden Luftströmung im wesentlichen parallel ist; und

die Leitschaufeln (52) so gewölbt sind, daß sie sich unter einem Winkel gegen die ankommende Luftströmung an dem stromabwärtigen Endteil (60) erstrecken, wodurch die Drallströmung ohne die Bildung von lokalen Strömungsstörungen hergestellt wird.

2. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (52) auf einer Leitschaufelbaugruppe (30) angeordnet sind, deren Achse zu der Primärluftströmung parallel ist;

daß der stromaufwärtige Endteil (60) der Leitschaufeln (52) einen Winkel in bezug auf die Achse von weniger als 10 Grad bildet; und

daß der stromabwärtige Endteil der Leitschaufeln (52) einen Winkel in bezug auf die Achse zwischen 25 und 70 Grad bildet.

3. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve der gewölbten Leitschaufeln (52) einen konstanten Radius hat.

4. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (52) in einer Leitschaufelbaugruppe (30) angeordnet sind, die eine Achse hat, welche zu der Primärluftströmung parallel ist;

daß eine zentrale, sich axial erstreckende Nabe (50) die Leitschaufeln (52) trägt; und

daß das stromaufwärtige Ende (54) der Nabe (50) einen Radius hat, der die Form einer Geschoßnase bildet.

5. Brennstoffdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der Nabe (50) größer als 40% des Außendurchmessers der Leitschaufelbaugruppe (30) ist.