DE4118284C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Starteinrichtung für eine Fahrzeuggasturbine mit einer Brennstoff-Zerstäuberdüse für den Start-Brennstoff gemäß den weiteren im Oberbegriff des einzigen Patentanspruchs angegebenen Merkmalen.

Eine Starteinrichtung der gattungsgemäßen Bauart ist aus der DE-OS 27 27 795 bekannt. Die Starteinrichtung besitzt eine Zünd­ einrichtung, welche im unmittelbaren Austrittsbereich einer Brennstoff-Zerstäuberdüse für den Start-Brennstoff angeordnet ist.

Von Nachteil ist hierbei, daß mangels einer optimalen Gemisch­ aufbereitung der Brennbeginn in der Startphase verzögert und unter Wirkung von Weißrauch erfolgen kann.

Ferner ist aus der US-PS 33 06 333 eine Gasturbine mit einer Starteinrichtung bekannt, welche eine Brennstoff-Zerstäuberdüse für den Startkraftstoff und eine diametral zur Düse in der Brennkammer angeordnete Zündkerze umfaßt. Für den Start der Turbine wird von der Brennstoff-Zerstäuberdüse ein Gemisch aus Start-Brennstoff und Start-Luft als Gemischstrahl in Richtung der Zündkerze abgegeben. Durch die gebündelte Form des Zündstrahls ist ebenfalls eine optimale Durchmischung von Start-Brennstoff und Start-Luft nicht möglich, so daß in der Startphase die Verbrennung nur unter starker Weißrauchbildung erfolgen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Starteinrichtung für eine Gasturbine zu schaffen, durch die das Kaltstartverhalten durch eine bessere Verbrennung des Start- Brennstoff-Luftgemisches verbessert ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des einzigen Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Starteinrichtung zeichnet sich durch eine besonders günstige Lage der Zündkerze aus, welche in einem Bereich mit optimaler Durchmischung von Start-Brennstoff mit der Start-Luft und der in die Brennkammer einströmende Hauptluft angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, daß bereits in der Startphase der Turbine eine optimale Verbrennung des Start- Brennstoff-Luftgemisches möglichk ist, wodurch ferner bereits in der Startphase der Turbine sowohl die Schadstoffemissionen als auch die Rauchentwicklung stark verringert sind.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den Vormischraum mit nach­ geschalteter Brennkammer einer Gasturbine mit einer durch den Vormischraum in die Brennkammer ragenden Starteinrichtung,

Fig. 2 einen Längsschnitt allein durch die Starteinrichtung,

Fig. 3 einen Schnitt durch das zentrale Rohr der Starteinrichtung,

Fig. 4 eine Ansicht des in das zentrale Rohr der Start­ einrichtung einzusetzenden zylindrischen Kerns,

Fig. 5 einen Schnitt durch das Mundstück der Start-Ein­ spritzdüse,

Fig. 6 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles VI auf den zylindrischen Kern des zentralen Rohres der Startein­ richtung,

Fig. 7 ein Schaltbild für die Kraftstoffzuführung in die Starteinrichtung sowie in die Betriebseinspritzdüse der Gasturbine.

Während des Gasturbinenbetriebes strömt verdichtete erwärmte Luft durch die Zuführkanäle 1 über einen Vormischraum in die Turbinen-Brennkammer 3 ein. Von der Brennkammer 3 ist der Vor­ mischraum 2 durch einen Flammhalter 4 getrennt. Der Flammhalter 4 besitzt eine Trompetenöffnung, wobei die Öffnung der Brenn­ kammer zugewandt ist. Zusammen mit dem Turbinengehäuse bildet der Flammhalter 4 über seinen Umfang einen ringförmigen Strö­ mungskanal 5 aus, durch den die in dem Vormischraum 2 mit Haupt- Brennstoff vermischte verdichtete Hauptluft in die Brennkammer 3 einströmt. An den Auslaufkanten des Flammhalters 4 bilden sich in das Innere des Flammhalters 4 rückfließende Rezirku­ lationswirbel 6 aus.

Eine Brennstoff-Zerstäuberdüse 7 ist im Schaft 11 des Flamm­ halters 4 etwa in demjenigen Bereich angebracht, von dem aus sich die äußere Wand des Flammhalters 4 trompetenartig nach radial außen erweitert. Durch die Zerstäuberdüse 7 wird während der Startphase der Gasturbine der für den Start erforderliche Brennstoff eingespritzt. Die Zerstäuberdüse 7 ist derart aus­ gebildet, daß der Start-Brennstoff in der Gestalt eines Kegelmantels durch den trompetenförmigen Öffnungsbereich des Flammhalters 4 aus diesem in die Brennkammer 3 eindringen kann. Um den zerstäubten Brennstoff mit zur Verbrennung erforderlicher Luft vermischen zu können, umgibt die Zerstäuberdüse 7 in konzentri­ schem Abstand ein Ringspalt 8, durch den verdichtete Start-Luft in die trompetenförmige Öffnung des Flammhalters 4 eingeführt wird. Stromauf des in das Innere des Flammhalters 4 mündenden Ringspaltes 8 ist in diesem ein Drallerzeuger 9 mit wendel­ förmigen Rippen zur Bildung von Wendelkanälen vorgesehen. Innerhalb dieses Drallerzeugers 9 erhält die zugeführte verdichtete Luft einen Drall, durch den die zugeführte Luft innerhalb des Flammhalters 4 an dessen Innenwand einen an dieser entlangglei­ tenden Luftschleier bildet. In diesen Luftschleier dringt etwa tangential der auf einem Kegelmantel eingespritzte Start-Brenn­ stoff ein. Auf diese Weise kommt es zu einer ausgezeichneten Durchmischung des Start-Brennstoffes mit der im Inneren des Flammhalters 4 zugeführten Start-Luft.

Die bereits in der Startphase durch die Zuführkanäle 1 über den Vormischraum 2 durch den Ringkanal 5 an dem Flammhalter 4 vor­ bei in die Brennkammer 3 einströmende verdichtete Hauptluft trägt durch die von ihr erzeugten Rezirkulationswirbel 6 an der Umströmungskante des Flammhalters 4 noch zusätzlich zu einer guten Durchmischung des Start-Brennstoffes mit der zur Verbrennung benötigten Hauptluft bei.

Gezündet wird das Start-Brennstoff-Luft-Gemisch am Austritt aus dem Inneren des Flammhalters 4 durch eine in diesem Bereich angeordnete Zündkerze 10.

Der konkrete Aufbau der Brennstoff-Zerstäuberdüsen 7-Ein­ richtung läßt sich recht deutlich anhand der Fig. 2 bis 6 darlegen.

Danach ist der Flammhalter 4 das Kopfstück eines in den Vor­ mischraum 2 ragenden Schaftes 11, der längsverschieblich in dem Gehäuse der Betriebseinspritzdüse 21 gelagert ist. Innerhalb dieses Schaftes 11 ist ein Rohr 12 fixiert. An dem zu dem Flamm­ halter 4 zugewandten Ende dieses Rohres befindet sich in diesem gelagert ein Mundstück 13 mit der darin zentral liegenden Öffnung der Einspritzdüse 7. Im Inneren des Rohres 12 stützt sich dieses Mundstück 13 an einem radial nach innen eingezogenen Kragen 14 ab. An den Kragen angepreßt wird das Mundstück 13 durch einen zylindrischen Kern 15, der an seinem dem Mundstück 13 abgewandten Ende unter dem Druck eines Tellerfederpaketes 16 steht.

Damit die Zerstäuberdüse 7 so wirken kann, daß der ausgespritzte Kraftstoff auf einem Kegelmantel ausströmen kann, sind vier tangential an die Öffnung der Zerstäuberdüse 7 heranführende Zerstäubungskanäle 17 erforderlich. Diese Zerstäubungskanäle 17 sind auf der konvexen an der konkav ausgehöhlten Mundstück 13 anliegenden Stirnseite des zylindrischen Kernes 15 vorgesehen. Der Start-Brennstoff strömt durch einen zwischen der Wand des Rohres 12 und dem zylindrischen Kern 15 ausgebildeten Ringkanal 32 an die Zerstäubungskanäle heran. Die Start-Luft wird durch einen zwischen der Wand des Rohres 12 und der Innenwand des Schaftes 11 ausgebildeten Ringkanal 18 an den Ringspalt 8 über den Drallerzeuger 9 hinweg herangeführt. Die Zuführungen für den Start-Brennstoff sowie die Start-Luft sind mit 19 und 20 bezeichnet.

Das Andrücken des zylindrischen Kernes 15 mit Hilfe eines Teller­ federpaketes 16 an das Mundstück 13 der Zerstäuberdüse 7 ist erforderlich, um bei den auftretenden Temperaturunterschieden stets eine feste Anlage der Stirnfläche des zylindrischen Kernes 15 in dem Mundstück 13 der Zerstäuberdüse 7 gewährleisten zu können.

Anhand des Kraftstoff-Flußdiagrammes in Fig. 7 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Starteinrichtung dargelegt.

Die Zerstäuberdüse 7 ist dort ebenso schematisch angedeutet wie eine in den Vormischraum 2 mündende Betriebseinspritzdüse 21. In einem strichpunktiert angedeuteten Ventilsteuerblock 22 wird über ein Zumeßventil 23 der Turbinenkraftstoff dosiert. Ein Umschaltventil 24 leitet den Brennstoff entweder zu der Zer­ stäuberdüse 7 oder zu der Betriebseinspritzdüse 21. Über eine das Umschaltventil 24 überbrückende, ein Bypass-Ventil 25 ent­ haltende Bypass-Leitung 26 wird ein geringer Brennstoffstrom unabhängig von der Stellung des Umschaltventils ab einem bestimmten Druckniveau in der Bypass-Leitung 26 an den der Betriebs­ einspritzdüse 21 vorgeschaltetes 3/2-Wege-Ventil 27 ge­ leitet. Auch der Zerstäuberdüse 7 ist ein eigenes 3/2-Wege-Ventil 28 vorgeschaltet. Durch diese Ventile 27 und 28 können die Düsen 7 und 21 von ihren jeweiligen Brennstoffzuführleitungen 29 bzw. 30 abgetrennt werden. Ein solches Abtrennen ist jeweils nach einer Außerbetriebsetzung der jeweiligen Düse erforderlich, um diese jeweils mit verdichteter Luft von Brennstoff ausspülen zu können.

Die in der Fig. 7 gezeigte Stellung der Ventile 27 und 28 gibt einen Betriebszustand wieder, bei dem die Gasturbine sich außer Betrieb befindet.

Bei einem Start der Gasturbine leitet das Zumeßventil 23 über das Umschaltventil 24 Brennstoff über die Leitung 29 und ein von diesem zu der Zerstäuberdüse 7 geöffnetes Ventil 28 durch die Zerstäuberdüse 7 hindurch in das Innere des Flammhalters 4. Erreicht der Brennstoffdruck in der Bypass-Leitung 26 den Schließdruck des Bypass-Ventils 25, so öffnet dieses und eine bestimmte Teilmenge Kraftstoff gelangt über die Bypass-Leitung 26, das Bypass-Ventil 25 und die Brennstoffleitung 30 durch die Betriebsdüse 21 in den Vormischraum 2. Zu diesem Zweck ist das Ventil 27 so geschaltet, daß die Leitung 30 mit der Betriebs­ einspritzdüse 21 verbunden ist. Unterhalb des Schließdruckes des Bypass-Ventils 25 ist zunächst ausschließlich die Zer­ stäuberdüse 7 brennstoffbeaufschlagt. Bei geöffnetem Bypass-Ventil 25 erfolgt eine durch die Schließcharakteristik dieses Ventils einstellbare Brennstoffaufteilung.

Der Brennstofffluß durch die Zerstäuberdüse 7 wird durch Betä­ tigung des Umschaltventils 24 unterbrochen, sobald die durch den Vormischraum 2 in die Brennkammer 3 einströmende verdich­ tete Hauptluft einen bestimmten vorgegebenen Temperaturwert, der beispielsweise bei 400 Grad Celcius liegen kann, über­ schritten hat. Der Brennstoff kann beispielsweise ein Diesel­ brennstoff sein. Gleichzeitig mit dem Abschalten der Zerstäu­ berdüse 7 wird über das Umschaltventil 24 die Haupt-Brennstoff­ zufuhr in die Betriebsdüse 21 freigegeben. Der Übergang zur Brennstoffversorgung von der Zerstäuberdüse 7 zur Betriebsein­ spritzdüse 21 wird durch den während der Startphase bereits die Betriebseinspritzdüse 21 durchströmenden Kraftstoff-Bypass- Strom, den das Bypass-Ventil 25 bestimmt, erleichtert. Ein Brennstoffspeicher, der die Dynamik des Brennstoffsystems ver­ schlechtern würde, kann somit entfallen.

Sobald die Zerstäuberdüse 7 zum Abschluß der Startphase ver­ schlossen ist, schaltet das Ventil 28 um, damit die Spülluft 31 die Zerstäuberdüsen 7-Einrichtung von darin noch befindlichem Brennstoff befreien kann.

In gleicher Weise schaltet das Ventil 27 bei einem Ausschalten der Gasturbine so, daß die Betriebseinspritzdüse 21 durch die Spülluft 31 von Kraftstoffen freigeblasen werden kann.

Zum Abschluß der Startphase ist noch zu bemerken, daß bei der Öffnung der Betriebseinspritzdüse 21 die Zerstäuberdüse 7 nicht abrupt, sondern mit Verzögerung geschlossen wird. Auf diese Weise ist ein rauchfreier und emissionsarmer Anfangsbetrieb der Fahrzeuggasturbine gewährleistet.

Claims (1)

1. Starteinrichtung für eine Fahrzeuggasturbine mit einer Brennstoff-Zerstäuberdüse für den Start-Brennstoff, die im Schaft eines Flammhalters innerhalb eines sich trompetenartig erweiternden Öffnungsbereichs des Schaftes angeordnet und von einem Ringkanal zur Zuführung von Start-Luft umgeben ist, wobei der sich trompetenartig erweiternde Schaft des Flammhalters zwischen einer Brennkammer und einem Vormischraum angeordnet ist und zusammen mit der Brennkammer einen ringförmigen Strö­ mungskanal zwischen Vormischraum und Brennkammer zur Durch­ strömung eines im Vormischraum aufbereiteten Haupt- Brennstoff-Luftgemisches bildet, und wobei von der Brenn­ stoff-Zerstäuberdüse in den trompetenartigen Öffnungsbereich abgegebener Start-Brennstoff mit der Start-Luft zu einem Start-Brennstoff-Luftgemisch vermischt, von einer Zündeinrichtung gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (10) außerhalb des Flammhalters (4) im Bereich eines sich an einer Umströmungskante des Flammhalters (4) von der durch den Strömungskanal (5) strömenden Hauptluft gebildeten Rezirkulationswirbels (6) angeordnet ist.