DE69513596T2

DE69513596T2 - Brennstoffeinspritz- und Zündeinheit

Info

Publication number: DE69513596T2
Application number: DE69513596T
Authority: DE
Inventors: William C. Pfefferle; Jack E. Sweet
Original assignee: Precision Combustion Inc
Current assignee: Precision Combustion Inc
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1995-04-06
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2015-04-07
Also published as: EP0702135A1; ATE187227T1; US5531066A; EP0702135B1; JPH0861091A; CA2147019A1; DE69513596D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur katalytischen Zündung und ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks, wobei die genannte Anordnung gemäß Anspruch 1 und Anspruch 11 angewendet wird.
Kommerzielle Gasturbinenbrennkammern für Luftfahrzeuge verwenden an der Brennkammerwand angebrachte Zündvorrichtungen, typischerweise eine Zündkerze zum Zünden der Brennkammer. Dies erfordert, daß der Treibstoff wandnah vorhanden ist. In dem Maße, wie die wandnahe Verbrennung während des Betriebs bei voller Leistung dazu neigt, die Wandtemperatur zu erhöhen, neigt die Brennkammergestaltung dazu ein Kompromiß zwischen Zündung und Betriebserfordernissen zu sein. Deshalb wurden zahlreiche Versuche unternommen, eine wandferne Zündung zu erzielen. Idealerweise sollte die Zündung genau an der Treibstoffquelle erfolgen, so daß eine Zündung des anfänglichen Treibstoffflusses möglich ist. Dies vermeidet die Notwendigkeit, unverbrannten Treibstoff vor der Zündung in die Brennkammer zu füllen (was die Möglichkeit für das heiße Anstoßen von explosiven Zündungen mit der darauffolgenden Beschädigung der Turbine schafft) und ermöglicht, daß Sprühmodelle verwendet werden, die den Treibstoff von den Brennkammerwänden fern halten.
Aus der JP-A-59 180220 ist eine Brennkammer, die mit einem gewöhnlichen Edelmetall tragenden Wabenkatalysator ausgestattet ist, bekannt. Diese Anordnung zur katalytischen Zündung umfaßt einen Wabenkatalysator, der auf der Seite der vorderen Stufe der Brennkammer angebracht ist. Dessen Hauptkomponente ist ein Edelmetall tragendes Lanthanchromit. Er umfaßt weiterhin eine sekundäre Treibstoffdüse und eine primäre Treibstoffdüse. Der Katalysator erzeugt durch seine Energieversorgung Hitze. Der aus der Düse ausgespritzte Treibstoff vermischt sich mit der Verbrennungsluft und durchquert den Katalysator. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt die katalytische Verbrennung, unbeachtlich der Temperatur der genannten Mischung des Treibstoffes und der Verbrennungsluft, die niedrig ist. Wenn die katalytische Verbrennung erst einmal erfolgt, wird die Temperatur des Katalysators durch die elektrische Leistung und die Verbrennungswärme beibehalten. Die Gesamtmenge oder ein Teil des primären Treibstoffes wird am Katalysator verbrannt, was zu einer Erhitzung des sekundären Treibstoffes und der Verbrennungsluft auf eine hohe Temperatur führt, die notwendig ist, um die katalytische Verbrennung am Katalysator zu beginnen. Die erhitzte Mischung des Treibstoffes und der Luft wird katalytisch verbrannt, was zur Einstellung eines geringen NOX Gehaltes und einer in hohem Maße effizienten Verbrennung führt.
Es hat ein Interesse dafür bestanden, die Zündquelle in den Treibstoffinjektor zu integrieren. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 4,938,019 eine Treibstoffdüse mit einer integrierten Zündkerzen-Zündvorrichtung und das US-Patent 4,825,658 beschreibt eine Treibstoffdüse mit einer katalytischen Glühkerzen-Zündvorrichtung. Solche Gestaltungen weisen größere Nachteile auf, die ihre Verwendbarkeit begrenzen. Zum Beispiel unterliegt eine in einen Injektor integrierte Zündkerze dem Verrußen, wenn sie durch flüssigen Turbinentreibstoff naß wird, was sie funktionsunfähig macht. Zusätzlich vermindern Größenbeschränkungen die Lebensdauer der Zündkerze. Andererseits, obwohl die Glühkerze des US-Patentes 4,825,658 das Verrußproblem von Zündkerzen beseitigt, ist die Glühkerze so gestaltet, daß stromabwärts des Injektors der Rückfluß des rezirkulierenden Flusses die heiße Glühkerzenoberfläche kontaktiert, was zu einer Zündung der stromabwärts rezirkulierenden Gase führt. In dem Maße wie die anfängliche Richtung der einströmenden Treibstoff-Luft-Strömung aus dem Verwirbler von der Glühkerze weg weist, kann eine beträchtliche Treibstoffmenge stromabwärts strömen, bevor ausreichend Treibstoff eingespritzt ist, um die Treibstoffkonzentration im Rezirkulationsbereich der Glühkerze ausreichend hoch zu machen, um die Zündung zu ermöglichen. Somit sind explosive Zündungen möglich, wie es der Fall bei herkömmlichen Kerzenzündern ist, die derzeit in Gasturbinentriebwerken von Luftfahrzeugen verwendet werden. In vorteilhafter Weise sollte der Treibstoff sofort gezündet werden, wenn er in die Brennkammer eintritt.
Injektoren zum Einspritzen von Treibstoff in die Brennkammern von Gasturbinentriebwerken sind typischerweise entweder von der Art der Druckluft- oder Druckzerstäuber. Beide Arten haben Vorteile und Nachteile. Die ersteren erfordern eine geringe Pumpleistung, liefern jedoch eine schlechte Zerstäubung bei geringem Luftfluß. Druckzerstäuber sind einfacher, haben aber eine höhere Anforderung an die Versorgungsleistung und verstopfen bei einigen Treibstoffen. Eine typische Druckluftdüse zur Zerstäubung von Treibstoff bei der Verwendung in der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks wird im US-Patent Nr. 3,684,186, erteilt am 15. August, beschrieben. Druckluft-Treibstoffdüsen verwenden Kompressorabluft für die Zerstäubung von Treibstoff, und mischen von der Düse abgegebenen Treibstoff und Luft, wohingegen Druckzerstäuber einen hohen Druck verwenden um bei einer hohen Geschwindigkeit eine Strömung durch eine kleine Öffnung zu erzwingen, wobei in Kontakt mit der Verbrennungsluft Treibstoff-Tröpfchen gebildet werden.
Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung die katalytische Zündung zu verbessern und die oben genannten Nachteile zu überwinden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Gegenstandes der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein in eine Gasturbinenbrennkammer eintretender zerstäubter Treibstoff durch Kontakt mit einer Zündvorrichtung mit heißer Oberfläche gezündet, wenn er in die Brennkammer eintritt. In vorteilhafter Weise sind die Oberflächen der Zündvorrichtung katalytisch für die Oxidation von Treibstoff, so daß die Zündvorrichtung bei einer Temperatur bleibt, die hoch genug für die kontinuierliche Zündung von eintretendem Treibstoff ist, wobei sich dadurch die Sicherheit gegen einen Brennschluß in der Brennkammer ergibt. Zum Zünden der Brennkammer wird die Zündvorrichtung durch Stromdurchtritt elektrisch geheizt. Obwohl eine geebnete Oberfläche der Zündvorrichtung verwendet werden kann, hat sich ergeben, daß Zündvorrichtungen mit einer Strömung durch Kanäle, wie zum Beispiel Schlitze, besonders vorteilhaft bei höheren Luftflußgeschwindigkeiten in einem Druckluft-Treibstoffinjektor sind. Bei der vorliegenden Erfindung kann Treibstoff mit jedem einer Vielfalt von Treibstoffinjektoren, einschließlich zum Beispiel Druckluftzerstäuber, Druckzerstäuber, Zerstäuber mit hoher Scherung, und elektrostatischer Zerstäuber, injiziert und zerstäubt werden.
Bei dem Betrieb einer Zündvorrichtung/Injektor der vorliegenden Erfindung wird der Treibstoff zerstäubt und mit Luft gemischt und in eine Brennkammer überführt. Wenigstens ein Teil des eintretenden Treibstoffes kommt mit der heißen Zündoberfläche des Katalysators in Kontakt, und sorgt somit für eine kontinuierliche katalytische Zündung des eintretenden Treibstoffes. Eine solche kontinuierliche Zündung ermöglicht, daß die Brennkammer viel näher an ihrer Magergrenze betrieben wird, als wie andererseits wegen der Gefahr eines Brennschlusses umsichtigerweise vermieden würde. Mit einem elektrischen Vorheizen des Katalysators vor dem anfänglichen Einbringen des Treibstoffes kann sogar das Zünden der Brennkammer an der Magergrenze der Brennkammer erzielt werden.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung der Erfindung.
Figur zeigt eine graphische Darstellung der in Versuchen nachgewiesenen Verbesserung der Verbrennungsgrenzen.
Wie in der Zeichnung der Fig. 1 gezeigt wird, weist die Anordnung 10 eine elektrisch geheizte Zündvorrichtung 1 auf, die in der Mitte der Axiallinie A-A einer herkömmlichen Druckluft-Treibstoffzerstäubungsdüse mit konzentrischem Treibstoffdurchgang 2, der zwischen konzentrischen Luftflußdurchgängen 3 und 4 befindlich angeordnet ist, und den sonst an dieser Stelle befindlichen Anlauf-Druckzerstäuber ersetzt. In den Luftdurchgängen 3 und 4 angeordnete Verwirbler 5 und 6 sorgen jeweils für eine Verwirbelung der durch die Durchtrittswege 3 und 4 strömenden Luft und erzeugen so die notwendigen Scherkräfte für die Zerstäubung und Mischung mit dem aus dem Treibstoffdurchgang 2 durch die Düsenspitze 7 austretenden Treibstoff. Im Betrieb wird zerstäubter Treibstoff durch die Luftströmung durch die Durchgänge 3 und 4 in Kontakt mit der heißen Oberfläche der Zündvorrichtung 1 gebracht, was zu einer Zündung des Treibstoffes während des Übergangs in die Brennkammer führt. Während des Anlaufens eines Gasturbinentriebwerks wird die Zündvorrichtung typischerweise auf eine Temperatur oberhalb der zur Zündung erforderlichen minimalen Temperatur, bei der gegebenen Luftströmung vor dem Einbringen von Treibstoff, geheizt und gewährleistet so ein schnelles Zünden. Nach dem Zünden kann die elektrische Leistung der Zündvorrichtung kontrolliert werden, um die Temperatur der Zündvorrichtung unterhalb eines für die verwendeten Materialien sicheren Wertes zu halten. Typischerweise wird die elektrische Heizung nach dem Zünden unterbrochen, obwohl eine fortgesetzte kontrollierte Heizung bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um für ein nahezu instantanes Wiederanlaufen in jenen Situationen zu sorgen, wo der Betrieb des Luftfahrzeuges zum Beispiel zu einem Brennschluß des Triebwerks, wie etwa durch Eindringen von Wasser in das Triebwerk, führt. Obwohl diese Erfindung anhand einer Druckluftdüse beschrieben wurde, können in der vorliegenden Erfindung Gasturbinen- Treibstoffdüsen, wie Druckzerstäuber oder Düsen mit hoher Scherung verwendet werden.
Für die katalytischen Zündvorrichtungen der vorliegenden Erfindung kann jeder im Stand der Technik bekannte Zündkatalysator, der für die zu verwendenden Treibstoffe reaktiv ist, eingesetzt werden. Jedoch werden Platin enthaltende Katalysatoren wegen ihrer hohen Aktivität mit einer breiten Vielfalt von Treibstoffen und der Festigkeit gegenüber den Einwirkungen von Schwefel im Treibstoff bevorzugt. Die Temperatur des Zündelementes kann überwacht und kontrolliert werden, indem Temperatur aufnehmende Geräte, wie Widerstandselemente, Thermopaare, Infrarotdetektoren und Laserstrahlsensoren verwendet werden.

BEISPIEL

Indem eine Brennkammer-Testausstattung eines technischen Entwicklungslabors verwendet wurde, wurde eine Druckluft-Treibstoffdüse mit einer katalytischen Zündvorrichtung anstelle des entsprechend der üblichen Materialliste in der Mittellinie angeordneten Anlauf- Druckzerstäubers in der Kuppel und Abdeckanordnung einer AGT 1500 Gasturbine angeordnet. Zum Testen der Zündung wurde zuerst eine Luftströmung eingestellt, als nächstes elektrische Leistung auf die Zündvorrichtung gegeben und schließlich ein Treibstofffluß eingestellt. Eine volle Verbrennung wurde in weniger als 1/15 einer Sekunde mit einer anfänglichen Flammenausbreitung innerhalb von 1/30 einer Sekunde des Brennstoffflusses erzielt. Eine Zündung wurde nicht nur für den Treibstofffluß an der normalem Magergrenze für das Materialliste/Kerzenzündungs-System erzielt, sondern auch für die niedrigere Magergrenze der Brennkammer. Die Testergebnisse sind in der Fig. 2 gezeigt. Eine graphische Darstellung zeigt die verbesserten Zündgrenzen der Anordnung der Erfindung verglichen mit der üblichen Materialliste (Herstellungskonfiguration).

Claims

1. Eine Anordnung (10) zur katalytischen Zündung von zerstäubtem Treibstoff für die Verbrennung innerhalb einer Brennkammer, welche umfaßt:

Mittel zum Zerstäuben des flüssigen Treibstoffs und Bilden von Tröpfchen an zerstäubtem Treibstoff innerhalb der Anordnung (10);

eine katalytische Treibstoff-Zündvorrichtung (1) zur Zündung der Treibstoff-Tröpfchen, die in offener Verbindung mit der genannten Brennkammer angebracht ist;

Mittel zum elektrischen Heizen der genannten Zündvorrichtung (1) auf eine Temperatur zur Zündung der Treibstoff-Tröpfchen; und

Mittel für den Übergang der zerstäubten Treibstoff-Tröpfchen in die genannte Brennkammer, dergestalt, daß wenigstens ein Teil der genannten zerstäubten Treibstoff-Tröpfchen in Kontakt mit der genannten Zündvorrichtung (1) tritt und gezündet werden, wenn sie in die genannte Brennkammer eintreten,

dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (10) Sensormittel um die Temperatur der genannten Zündvorrichtung (1) zu messen, und Kontrollmittel um die Temperatur der genannten Zündvorrichtung (1) auf einen Wert unterhalb der maximalen sicheren Betriebstemperatur der genannten Zündvorrichtung (1) zu begrenzen, enthält.

2. Die Anordnung von Anspruch 1, welche eine Druckluft-Treibstoffdüse enthält.

3. Die Anordnung von Anspruch 1, welche einen Druckzerstäuber enthält.

4. Die Anordnung von Anspruch 1, bei welcher die genannten Sensormittel einen Infrarot-Detektor umfassen.

5. Die Anordnung von Anspruch 1, bei welcher die genannten Sensormittel ein Thermopaar umfassen.

6. Die Anordnung von Anspruch 1, bei welcher die genannte Zündvorrichtung einen Platinmetall-Katalysator umfaßt.

7. Die Anordnung von Anspruch 2, bei welcher die genannte Zündvorrichtung innerhalb der Treibstoffdüse koaxial angebracht ist.

8. Die Anordnung von Anspruch 7, bei welcher die genannte Zündvorrichtung im Sprühvorhang der genannten Düse koaxial angebracht ist.

9. Ein Gasturbinentriebwerk, das eine Anordnung (10) zur katalytischen Zündung von zerstäubtem Treibstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche anwendet.

10. Das Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 9, welches weiterhin umfaßt:

eine Treibstoffbrennkammer; eine katalytische Treibstoff-Zündvorrichtung, die in Verbindung mit der Brennkammer angebracht ist; und Mittel zum Injizieren des Treibstoffes in die Brennkammer, wobei die Treibstoff-Zündvorrichtung im Weg des Treibstoffes, wenn er in die Brennkammer eintritt, positioniert ist, wodurch gezündete Treibstoff-Tröpfchen in die Brennkammer eintreten.

11. Ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks, das eine Anordnung zur katalytischen Zündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Brennkammer und katalytischen Zündmitteln anwendet, welches die Schritte umfaßt:

Injizieren des zerstäubten Treibstoffes zur Verbrennung in die genannte Kammer derart, daß wenigstens ein Teil des genannten Treibstoffes während des Übergangs in die genannte Brennkammer direkt auf die genannten Zündmittel auftrifft,

dadurch gekennzeichnet, daß während des Anlaufens der genannten Gasturbine das genannte Zündmittel auf eine Temperatur oberhalb der minimalen Temperatur erhitzt wird, die zur Zündung bei einer gegebenen Luftströmung vor dem Einbringen des Treibstoffs für schnelles Zünden erforderlich ist;

Beibehalten der Temperatur des genannten Zündmittels unterhalb eines sicheren Wertes für das verwendete Material, indem die Temperatur der genannten Zündvorrichtung durch Meßmittel bestimmt wird, und indem die elektrische Leistung nach dem Zünden kontrolliert wird;

Fortführen der kontrollierten Heizung des genannten Zündmittels während des Betriebs des Luftfahrzeuges um einen Brennschluß des Triebwerks zu verhindern.

12. Das Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der genannte Treibstoff zerstäubt wird, indem ein Druckluft-Zerstäuber verwendet wird.

13. Das Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der genannte Treibstoff zerstäubt wird, indem ein Druck-Zerstäuber verwendet wird.

14. Das Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der genannte Treibstoff zerstäubt wird, indem ein elektrostatischer Zerstäuber verwendet wird.