DE69911008T2

DE69911008T2 - Gasturbinenkraftstoffeinspritzdüse

Info

Publication number: DE69911008T2
Application number: DE69911008T
Authority: DE
Inventors: L. Alexander PROCIW; Parthasarathy Sampath
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2019-05-08
Also published as: US6289677B1; US6082113A; CA2332359A1; JP2002516976A; PL344339A1; EP1314931A2; RU2000132717A; CZ20004341A3; EP1080327A1; EP1314931A3; EP1314931B1; CA2332359C; EP1080327B1; US6247317B1; DE69911008D1; PL191791B1; WO1999061838A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere einen Brennstoffinjektor für derartige Maschinen.
Beschreibung des Stands der Technik
Die Brennkammer von bestimmten Gasturbinenmaschinen kann ein ringförmiges Rohr mit einer Mehrzahl von Brennstoffinjektoren oder -düsen sein, die umfangsmäßig beabstandet sind. Jeder Brennstoffinjektor in einer derartigen Anordnung muss effizient sein und eine korrekte Verteilung einer zerstäubten Brennstoff- und Luftmischung in der den speziellen Injektor umgebenden Zone liefern. Vorzugsweise wird diese Mischung als ein konischer Sprühstrahl verteilt. Es ist auch wichtig, dass der Brennstoff zerstäubt wird, um eine effiziente Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer zu fördern. Die Kontrolle des Sprühstrahlkonus kann bewirkt werden, indem man der Mischung beim Verlassen des Injektors eine Verwirbelung mitgibt. Die Verwirbelung kann durch Ablenkelemente oder durch das Lenken von Luftstrahlen zur Ausbildung eines Wirbels geschaffen werden. Derartige Vorrichtungen sind jedoch häufig von den tatsächlichen Brennstoffdüsen, die Teil des Brennstoffinjektors bilden, beabstandet.
Das US-Patent 5 579 645, welches am 3. Dezember 1996 der Anmelderin erteilt wurde, beschreibt eine Brennstoffdüse mit einer ersten und einer zweiten ringförmigen Luftpassage und einer ringförmigen Brennstoffpassage zwischen der ersten und der zweiten Luftpassage. Das Ergebnis ist ein konisches Luft- Brennstoff-Luft-Sandwich, was deutlich die Ausbildung von zerstäubten Brennstofftröpfchen verstärkt, um ein effizientes Verbrennen des Brennstoffs zu verbessern. Man hat herausgefunden, dass in manchen Fällen der durch die Düse gebildete Sprühstrahlkonus zu breit ist und es zu einem Auftreffen auf die Wand kommt. Deshalb besteht ein Bedürfnis, den Winkel und das Muster des Sprühstrahlkonus zu kontrollieren.
Das US-Patent Nr. 5 505 045 an Lee et al. beschreibt einen Doppel-Luftstrahl-Brennstoffinjektor mit einem ersten und einem zweiten konzentrisch angeordneten Luftstrahlinjektor, die aus konzentrischen Luft- und Brennstoffkammern bestehen.
US-Patent Nr. 4 773 596 beschreibt eine Brennstoffinjektoranordnung für eine Gasturbinenbrennkammer, welche einen hohlen konischen Sprühstrahl aus Brennstoff ausstößt. Eine Mehrzahl von diskreten umgebenden Luftdüsen richtet Luft direkt in Richtung auf die Achse des Injektors mit einem Winkel, um eine brennstoffreiche externe Rezirkulationszone einzurichten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen, einen verbesserten Brennstoffinjektor bereitzustellen, der einige der Bedürfnisse beantwortet, die angesprochen wurden, die jedoch momentan nicht von der existierenden Brennstoffinjektortechnologie angesprochen sind.
Es ist auch vorteilhaft, ein höheres Luft/Brennstoffverhältnis bereitzustellen. In Anbetracht der vorgegebenen Beschränkungen bei aktuellen Brennstoffinjektorkonstruktionen ist es schwierig, dieses Verhältnis zu erhöhen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in bevorzugten Ausführungsformen, einen Brennstoffinjektor für eine Gasturbine zu konstruieren, der eine kompakte Anordnung aus Düsen und Passagen zum Zuführen so wohl von Luft als auch von Brennstoff hat, um einen divergierenden Sprühstrahl einer Mischung von zerstäubtem Brennstoff und Luft mit einem erhöhten Luft/Brennstoffverhältnis zu bilden.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen, eine kontrolliertere Form des Sprühstrahls bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung liefert einen Brennstoffinjektor gemäß Anspruch 1.
In einer spezifischeren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede Passage in der zweiten und dritten Reihe mit einer axialen Komponente und einer nach innen gerichteten Komponente gebildet, was das Ergebnis eines nach innen gerichteten Winkels ist, der versetzt und parallel zu einer Ebene ist, weiche sich durch die Achse der Injektorspitze erstreckt, um eine Verwirbelung der Mischung zu liefern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem so generell die Natur der Erfindung beschrieben wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform davon zeigen und für die gilt:
1 ist eine vereinfachte axiale Schnittansicht der Brennkammer einer Gasturbinenmaschine, welche die vorliegende Erfindung beinhaltet;
2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine vergrößerte Teilschnitt-Axialansicht der in 2 gezeigten Ausführungsform;
4a ist eine Ansicht von vorne des in den 2 und 3 gezeigten Brennstoffinjektors;
4b ist eine Ansicht von vorne des Brennstoffinjektors gemäß der vorliegenden Erfindung, zeigt jedoch eine andere Ausführungsform davon;
4c ist eine Ansicht von vorne ähnlich zu den 4a und 4b, zeigt jedoch noch eine weitere Ausführungsform davon;
5 ist eine perspektivische Teilansicht der in 4c gezeigten Ausführungsform;
6 ist eine schematische Ansicht, die die Strömung von Luft und zerstäubtem Brennstoff und die durch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffene Eindämmung zeigt; und
7 ist eine schematische Ansicht ähnlich zu 6 und zeigt die Auswirkung einer anderen Anordnung der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 zeigt einen Brennkammerabschnitt 10, der ein ringförmiges Gehäuse 12 und ein zu einem Turbinenabschnitt 16 konzentrisches ringförmiges Brennkammerrohr 14 zeigt. Der Turbinenabschnitt 16 ist mit einem typischen Rotor 18 mit Laufschaufeln 19 und einer Statorleitschaufel 20 strömungsaufwärts von den Laufschaufeln 19 gezeigt.
Ein Brennstoffinjektor 22, der die vorliegende Erfindung beinhaltet, ist in den 1 und 2 gezeigt, an dem Ende des ringförmigen Brennkammerrohrs 14 angeordnet und axial dazu gerichtet. Der Injektor 22 ist an dem Gehäuse 12 mittels einer Halterung 30 angebracht. Der Injektor weist ein Anschlussstück 31 zur Verbindung mit einer typischen Brennstoffleitung auf. Es können einige Brennstoffinjektoren 22 an der Wand 28 der Brennkammer angeordnet sein, und sie können umfangsmäßig beabstandet sein. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung wird nur ein Brennstoffinjektor 22 beschrieben. Der Brennstoffinjektor 22 weist einen Stammbereich auf, der von dem Typ sein kann, wie er in der US-Patentanmeldung 08/960 331, die am 29. Oktober 1997 eingereicht wurde und als US-Patent 6 141 968 am 7. November 2000 erteilt wurde, mit dem Titel "Fuel Nozzle for Gas Turbine Engine" beschrieben ist. Eine Abschirmung 32 umgibt den Stamm 24.
Der Brennstoffinjektor 22 weist auch eine Injektorspitze 26 auf, die an der Brennkammerwand 28 angebracht ist, wie in den 2 und 3 gezeigt. Nur die Vorderseite der Spitze 26 ragt in die Brennkammer, während das meiste der Spitze 26 in der Kühlluftpassagen-Außenseitenwand 28 ist.
Die Injektorspitze 26 weist einen z. B. maschinell bearbeiteten Körper 34 auf. Eine axiale Ausnehmung in dem Körper 34 definiert die Primärbrennstoffkammer 36. Ein Einsatz 50, der in der Ausnehmung vorgesehen ist, definiert die Düsenöffnung 44, die mit der Brennstoffkammer 36 zum Passierenlassen des Primärbrennstoffs kommuniziert. Eine Ventilanordnung 38 weist ein Spiral-Leitelement auf, welches ein Wirbeln des Primärbrennstoffs in der Kammer 36 bewirkt. Der Stift 46 dieser Ventilvorrichtung wirkt als ein Zumessventil für den Primärbrennstoff, wenn er durch die Düse 44 austritt. Der Primärbrennstoff wird hauptsächlich für Zündzwecke verwendet.
Eine Wärmeabschirmung 42 umgibt die Spitze des Einsatzes 50 und umgibt insbesondere die Düsenöffnung 44. Die Wärmeabschirmung 42 passt an den Einsatz 50.
Ein zweiter ringförmiger Einsatz 51 ist an dem Körper 34 konzentrisch zu dem Einsatz 50 angebracht und bildet einen Teil der Sekundärbrennstoff-Verteilgalerie und -düse. Der Sekundärbrennstoff passiert durch in gewissem Maße spiralartige Passagen, welche die Brennstoffgalerie 48 bilden. Der Zweck des Zirkulierens des Sekundärbrennstoffs auf diese Weise ist es, den Brennstoff in den Passagen rotieren zu lassen und so Stagnationszonen in der Brennstoffga lerie zu eliminieren, um ein Verkoken zu verhindern und auch um beizutragen, den Injektor zu kühlen. Der Sekundärbrennstoff wird schließlich an eine ringförmige Brennstoffdüse 54 geliefert, die auch ein Wirbelbildner ist, um dem Sekundärbrennstoff einen Wirbel mitzugeben. Der Sekundärbrennstoff hält die Verbrennung in der Brennkammer aufrecht, nachdem der Brennstoff entzündet wurde.
Die Brennstoffdüse 54 ist durch den Einsatz 51 und einen zylinderförmigen, rohrförmigen Kopf 55 gebildet, der auf den Spitzenkörper 34 passt und mit den Einsätzen 50 und 51 konzentrisch ist. Der Kopf 55 weist Öffnungen auf, welche die Kernluftpassage definieren, die wiederum mit den Kernluft-Verwirbelungspassagen 58 in dem Einsatz 51 kommuniziert. Diese Kernluftpassagen 58 können mit einem Kernluftkanal 60 kommunizieren, um druckbeaufschlagte Luft, die von der Kühlluft zwischen dem Gehäuse und der Brennkammerwand kommt, strömen zu lassen, dass sie in die Brennkammer gelangt. Theoretisch ist die Kernluft, die aus dem Kanal 60 kommt, konzentrisch und innerhalb des ringförmigen Films von Sekundärbrennstoff, der aus der Düse 54 kommt.
Eine zweite Reihe von ringförmigen Luftpassagen 62 ist auch in dem Kopf 55 vorgesehen und kommuniziert mit der druckbeaufschlagten Kühlluft unmittelbar außerhalb der Brennkammerwand 28. Die einzelnen Passagen 62 sind generell konstruiert, dass sie der Mischung aus Luft und Brennstoff eine Verwirbelung bereitstellen, und tatsächlich ist es der Zweck der druckbeaufschlagten Luft, die aus den Passagen 62 kommt, den Sekundär-Brennstofffilm, der aus der Düse 54 kommt, zu zerstäuben. Die Passagen 62 haben jeweils eine Achse x. Die Passagen 62 haben einen Verwirbelungswinkel, der durch die Achse x definiert ist, die in einer Ebene liegt, die parallel zu einer Ebene durch die Mittellinie CL der Spitze 26 ist und eine Strecke D von dieser versetzt ist mit einem Winkel nach innen in der versetzten parallelen Ebene zu der Mittellinie CL. Der Versatz ist durch die Strecke D in der 4a dargestellt, und der Neigungswinkel der Achse x zur Mittellinie CL ist als θ in der 3 gezeigt, wo die Schnittebene von 3 parallel zu der Ebene ist, in der die Achse x liegt, die um D von der Ebene durch die Mittellinie CL versetzt ist.
Nie in den 2 bis 4a gezeigt, ist der Spitzenkopf 55 mit einer dritten ringförmigen Reihe von Luftpassagen versehen, die als Hilfsluftpassagen 64 bezeichnet sind. Wie man in diesen Zeichnungen erkennt, sind die Luftpassagen gerade Bohrungen durch den vergrößerten Ring 66 des Kopfs 55. Jede Passage 64 hat eine Achse y. Die Passagen 64 können in der gleichen Weise wie die Passagen 62 definiert werden, d. h. dadurch dass die Achse y in einer Ebene liegt, die parallel zu einer Ebene durch die Mittellinie CL der Spitze 26 ist und von dieser um eine Strecke D₁ versetzt ist, mit einem Winkel nach innen in dieser versetzten Ebene zu der Mittellinie CL. Der Versatz wird durch die Strecke D₁ in der 4a dargestellt und der Neigungswinkel der Achse y zu der Mittellinie CL ist als φ in der 3 gezeigt. Die Passagen 64 kommunizieren auch mit der Kühlluft, wobei derartige Luft relativ zu der Atmosphäre in der Brennkammer druckbeaufschlagt ist.
Der Hauptzweck der druckbeaufschlagten Luft, welche durch die Passagen 64 strömt, ist es, den Konus der Brennstoffmischung, die von der Vorderseite der Spitze 26 abgegeben wird, zu formen. Die Passagen 64 können so vorgesehen sein, dass sie den Divergenzwinkel des Konus verringern, und das kann auf die Brennkammerkonstruktion maßgeschneidert sein. Die schematische Darstellung in der 6 macht einen Versucht, dieses Phänomen darzustellen. Der Konus ist durch die Achsen x repräsentiert und stellt den Konus aus zerstäubtem Sprühstrahl von Brennstoff und Luft dar bei gegebenem Winkel θ der Passagen 62, wie in den 3 und 4a gezeigt. Die Luftpassagen 64 liefern jedoch druckbeaufschlagte Luft, die einen Konus mit einem viel kleineren Winkel bildet, der durch die Achsen y in der 6 gezeigt ist, um dem zerstäubten Brennstoffkonus die Form zu geben, wie beim x₁ , gezeigt. Folglich werden es die Passagen 64 der druckbeaufschlagten Luft erlauben, in die Brennkammer in einer spiralförmigen konischen Form zu gelangen, was die Sprühstrahlverteilung des zerstäubten Brennstoffs und der druckbeaufschlagten Luft, welche durch Düsen oder Luftpassagen 62 tritt, beeinflusst.
Man erkennt auch, dass die Zugabe der Hilfsluft aus der Passage 64 die Verfügbarkeit von Luft in der Brennstoffluftmischung erhöht und somit das Luft-Brennstoffverhältnis erhöht.
Innerhalb der vorangehend gegebenen Formel kann der Winkel θ der Passage 62 und der Winkel φ der Passage 64 variiert werden, um unterschiedliche Formen zu liefern. 7 ist eine Ausführungsform, die auf der Spitze 126, wie in der 4b gezeigt, basiert. Wie in der 4b gezeigt, weist die Spitze 126 Passagen 162 auf, die in dem Kopf 155 gebildet sind, die in ihrem Winkel von den in 4a Gezeigten verschieden sind. Der Sprühstrahlkonus ist in 7 dargestellt. Die Luftpassagen 164, wie in den 4b und 7 gezeigt, sind mit einem Winkel angeordnet, um einen mehr geschlossen geformten Konus x₁ mittels der Luft zu liefern, welche den Achsen y folgt und dem Konus Form gibt, der durch die Achsen x gebildet ist, um schließlich den Konus x₁ zu formen.
Die 4c und 5 definieren eine weitere Ausführungsform einer Brennstoffinjektorspitze 226. 5 zeigt lediglich den Kopf 255 und nicht die komplette Spitze. In jedem Fall sind hier Luftpassagen, die normalerweise wie in den 4a und 4b gezeigt, separiert sind, verschmolzen, um extensivere Schlitze 262, 264 zu bilden, die den Ring 266 durchstoßen und sich in die Brennstoffdüse 254 erstrecken. Somit haben gemäß der vorangegangenen Formel die Passagen 264 den gleichen Versatz, d. h. der Abstand D = D₁ und die Versatzebenen fallen zusammen. Außerdem gilt ∠ θ = ∠ φ. Die Schlitze 262, 264 liefern eine viel größere Luftzufuhr, verglichen mit den Spitzen des Stands der Technik.
Die Passagen 62, 64, 162, 164 und Schlitze 262, 264 können andere Querschnittsgestalten besitzen und müssen nicht notwendigerweise als kreisförmige zylindrische Bohrungen gebildet sein. Natürlich können die Passagen durch aktuell bekannte Techniken gebildet werden. Derartige Techniken beinhalten das Fräsen und das Löten, Elektro-Entladungsbearbeiten oder Lasern.

Claims

Brennstoffinjektor (22) für eine Brennkammer (10) in einer Gasturbinenmaschine, wobei die Brennkammer (10) eine Brennkammerwand (28) aufweist, die ein von druckbeaufschlagter Luft umgebenes Brennkammerrohr (14) definiert, wobei der Injektor (22) dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Injektorspitzenanordnung (26) daran angepasst ist, in Verwendung durch die Brennkammerwand (28) in die Kammer zu ragen, wobei die Injektorspitze (26) aufweist: eine erste Luftpassage (58, 60), die eine ringförmige Reihe (58) bildet, die druckbeaufschlagte Luft von außerhalb der Wand (28) in die Brennkammer kommuniziert, eine zweite Luftpassage, die aus einer ringförmigen Reihe von individuellen Luftpassagen (62) gebildet ist, die radial von der ersten Luftpassage (58, 60) beabstandet ist und die druckbeaufschlagte Luft von außerhalb der Brennkammerwand (28) in die Brennkammer kommuniziert, eine erste Brennstoffgalerie, welche sich durch die Brennstoffinjektorspitze (26) erstreckt und eine ringförmige Brennstoffdüse (54) zwischen der ersten Luftpassage (58, 60) und der zweiten Luftpassage (62) definiert, wodurch die zweite Luftpassage (62) angeordnet ist, den aus der ringförmigen Brennstoffdüse (54) kommenden Brennstoff zu zerstäuben, und wobei ein Satz von dritten Luftpassagen in einer ringförmigen Reihe (64) in der Injektorspitze (26) radial außerhalb von den zweiten Luftpassagen (52) beabstandet angeordnet ist, wodurch Luft von den dritten Passagen (64) vorgesehen ist, um der Mischung aus zerstäubtem Brennstoff und Luft eine Form zu geben und zusätzliche Luft der Mischung zuzugeben, wodurch die Brennstoffinjektorspitze (26) mit einer axialen Brennstoffdüse (44) versehen ist, die konzentrisch und zentral zu der ersten Luftpassage (58, 60) ist, wobei die axiale Brennstoffdüse (44) daran angepasst ist, Primärbrennstoff zu Zündzwecken zuzuführen.
Brennstoffinjektor (22) nach Anspruch 1, wobei jede Passage in der zweiten (62) und der dritten (64) der ringförmigen Reihen mit einer Axialkomponente und einer nach innen gerichteten Komponente gebildet ist, die das Ergebnis eines nach innen gerichteten Winkels ist, der zu einer sich durch die Achse der Injektorspitze (26) erstreckenden Ebene versetzt und zu dieser parallel ist, um der Mischung eine Wirbelung mitzugeben.
Brennstoffinjektor (22) nach Anspruch 2, wobei die Passagen in der zweiten ringförmigen Reihe (62) jeweils in einer Ebene sind, die von der Ebene durch die Achse der Injektorspitze (26) eine Strecke D versetzt ist, und wobei der Winkel der nach innen gerichteten Komponente der Achse der Passage θ ist, während die Strecke von einer durch eine jede Passage in der dritten ringförmigen Reihe gehende Ebene von der durch die Achse der Injektorspitze gehenden Ebene D1 ist und der Winkel der nach innen gerichteten Komponente einer jeden Passage zu der Achse φ ist.
Brennstoffinjektor (22) nach Anspruch 1, wobei die Spitze (26) aufweist einen bearbeiteten Körper (34) mit einer zentralen axialen Ausnehmung, die eine Primärbrennstoffkammer (36) definiert, ein Einsatzelement (50), welches die axiale Düse (44) aufweist, zum Leiten des Primärbrennstoffs in einem Strahl von der axialen Düse (44), eine Ventileinrichtung (38) zum Zumessen des Primärbrennstoffs durch die axiale Düse (44), wobei die erste Luftpassage (58, 60) einen ringförmigen Kanal (60), der konzentrisch zu der axialen Düse (44) ist und radial von dieser beabstandet ist, aufweist, wobei der Kanal durch einen zweiten maschinell bearbeiteten Einsatz (51) definiert ist, der mit dem ersten Einsatz (50) konzentrisch ist, wobei der zweite Einsatz (51) die Brennstoffgalerie und -verteilereinrichtung definiert, und einen Kopf (55), der ein rohrförmiges kreisförmiges zylindrisches Element (66) aufweist, das über den ersten und den zweiten Einsatz (50, 51) und auf den bearbeiteten Körper (34) passt, um die ringförmige Brennstoffdüse (54) zu bilden, und Luftpassagen, welche sich durch den Kopf (55) erstrecken, um die zweite ringförmige Reihe (62) und die dritte ringförmige Reihe (64) der Luftpassagen zu definieren.
Brennstoffinjektor (22) nach Anspruch 3, wobei gilt: D1 = D und Winkel θ = Winkel φ, so dass korrespondierende Passagen in der zweiten (62) und dritten (64) ringförmigen Reihe miteinander verschmelzen, um Schlitze durch die Injektorspitze (26) zu den Zwecken des Zerstäubens, Formgebens und Bereitstellen zusätzlicher Luft durch die Spitze (26) zu bilden.