DE807450C - Fuel evaporator for gas turbine combustion chambers - Google Patents
Fuel evaporator for gas turbine combustion chambersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Brennstoff-Verdampfer für Gasturbinen-Brennkammern. Bei Gasturbinentriebwerken wird der Brennstoff in unter hohem Druck stehende und mit hoher Geschwindigkeit strömende Luft eingespritzt, und die Brenngase gelangen aus den Brennkammern in eine Turbine. Tm allgemeinen findet die Verbrennung in einem zylindrischen Einsatz statt, der im folgenden als Flammrohr bezeichnet wird und der im Innern einer Brennkammer mit Abstand von deren Wänden angeordnet ist. Das Flammrohr wird also rundherum von Luft umspült, die dem Flammrohr nach und nach zugeführt wird, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und ein Arbeitsmedium für die Turbine zu erzeugen. Die Verbrennung wird am Eintrittsende des Flammrohrs durch die Einführung von Brennstoff in einen Teilluftstrom eingeleitet, der entgegen der Strömungsrichtung umgeleitet wird, so daß sich die einmal durch eine Zündkerze o. dgl. entzündete Flamme immer selbst aufrechterhält.The invention relates to fuel evaporators for gas turbine combustors. In gas turbine engines the fuel is injected into air under high pressure and flowing at high speed, and the fuel gases enter from the combustion chambers into a turbine. The combustion generally takes place in a cylindrical shape Use instead, which is referred to below as a flame tube and which is inside a combustion chamber is arranged at a distance from the walls. The flame tube is so all around by air which is gradually fed to the flame tube in order to maintain the combustion and to generate a working medium for the turbine. The combustion is at the inlet end of the flame tube initiated by the introduction of fuel in a partial air flow, which opposes the the direction of flow is diverted so that it was once ignited by a spark plug or the like Flame always self-sustaining.
Der Brennstoff kann in die Flammrohre der Brennkammern von Gasturbinentriebwerken durch Zerstäuberdüsen als Dampf oder als ein reiches Gemisch aus Dampf und Luft eingebracht werden. Im letzteren Fall wird flüssiger Brennstoff und eine bestimmte Menge Luft laufend in besondere Verdampferelemente eingebracht, die von außen der Verbrennungswärme ausgesetzt sind, so daß der durch sie hindurchgeleitete Brennstoff verdampft, ehe er in die Flammenzone austritt. Die bekannten Verdampfungselemente bestehen üblicherweise aus Rohren, die unmittelbar in die Flammenzone einmünden. Hierbei ist es aber schwierig, den Brennstoff gleichmäßig über die Innenfläche dieser RohreThe fuel can flow into the flame tubes of the combustion chambers of gas turbine engines Atomizing nozzles can be introduced as steam or as a rich mixture of steam and air. In the latter case, liquid fuel and a certain amount of air are constantly in special evaporator elements introduced, which are exposed from the outside to the heat of combustion, so that the fuel passed through them evaporates, before exiting into the flame zone. The known evaporation elements usually consist of Pipes that open directly into the flame zone. However, it is difficult to get the fuel evenly over the inner surface of these tubes
zu verteilen, und da der Brennstoff beim Verdampfen als Kühlmittel für die Rohre dient, ergibt diese ungleichmäßige Verteilung infolge örtlicher Überhitzungen viele Rohrschäden. Außerdem werden die örtlichen Überhitzungen durch Anlagerungen von Kohle an der Außenfläche der Verdampferrohre verstärkt, was Vorsichtsmaßnahmen, wie Einrichtungen zur Bildung einer isolierenden Luftströmung über diese Oberflächen, nötig macht. Solche Komplikationcn haben sich jedoch nicht als vollkommen wirksam erwiesen.to distribute, and since the fuel is used as a coolant for the pipes when it evaporates, results this uneven distribution due to local overheating causes many pipe damage. Also be the local overheating due to the accumulation of coal on the outer surface of the evaporator tubes reinforced what precautions, such as means to create an isolating air flow over these surfaces. Such complications, however, have not been found to be perfect proven effective.
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein Verdampfungselement für Flammrohre zu schaffen, das örtlichen Überhitzungen nicht ausgesetzt ist und bei dem nicht die Gefahr der Loslösung von Teilen besteht, die dann von dem Gasstrom mitgerissen und beim Eintritt in die Turbine diese gefährden würden. Das neue Element soll auch ein Kracken des Brennstoffs durch Berührung mit überhitzten Oberflächen und das sich dadurch ergebende Zusetzen des Rohres verhindern. Schließlich soll sich das neue Verdampferelement infolge einfacher Ausbildung und robuster Konstruktion leicht und billig herstellen lassen.The main object of the invention is to create an evaporation element for flame tubes, which is not exposed to local overheating and with which there is no risk of parts becoming detached exists, which are then carried away by the gas flow and endanger it when entering the turbine would. The new element also aims to crack the fuel when it comes into contact with overheated surfaces and prevent the resulting clogging of the pipe. Finally, the new one is supposed to Easily and cheaply produce evaporator element due to simple training and robust construction permit.
Dies wird dadurch erreicht, daß das Verdampfungssystem als ringförmiges Element ausgebildet ist, das fest mit der Wand des Flammrohres verbunden ist und sich von dem Einlaßende ein Stück in Strömungsrichtung erstreckt. Das Verdampfungselement weist eine Einlaßöffnung auf, durch die ein Teil der dem Flammrohr zuströmenden Luft eintritt, Organe zur Einspritzung des Brennstoffs in das Element und Mittel, durch die die in das Element eingetretene Luft zusammen mit dem Brennstoff an dem Austrittsende entgegen der allgemeinen Strömungsrichtung umgelenkt wird.This is achieved by the evaporation system is designed as an annular element which is fixed to the wall of the flame tube is connected and extends from the inlet end a little in the direction of flow. The evaporation element has an inlet opening through which a part of the air flowing into the flame tube enters, organs for the injection of the Fuel in the element and means through which the air that has entered the element is combined deflected with the fuel at the outlet end against the general direction of flow will.
In der Zeichnung ist eine solche ringförmige Brennkammer dargestellt, doch läßt sich die Erfiudung natürlich auch bei Verbrennungssystemen mit rohrförmigen Brennkammern anwenden. Insofern stellt die folgende Beschreibung der Zeichnung also keine Einschränkung des Geltungsbereichs der Erfindung dar.In the drawing, such an annular combustion chamber is shown, but the invention can be can of course also be used in combustion systems with tubular combustion chambers. To that extent The following description of the drawings does not therefore constitute a limitation on the scope of the invention represent.
Fig. ι ist eine Seitenansicht eines teilweise aufgeschnittenen Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung;Fig. Ι is a side view of a partially cut away Gas turbine engine according to the invention;
Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie 2-2 in Fig. r. undFig. 2 is a cross section taken along line 2-2 in Fig. R. and
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der aufgeschnittenen ringförmigen Brennkammer.3 is a perspective view of the cutaway annular combustion chamber.
Während des Betriebs führt der Verdichter 10 dem Verbrennungssystem 11 Luft durch einen Diffusor 13 zu. Der Brennstoff wird in dieses System eingespritzt und in der durch dieses hindurchströmenden Luft verbrannt. Die Verbrennungsgase gelangen mit hoher Geschwindigkeit in die Turbine 14. die den Verdichter antreibt und je nach ihrer Bauart gegebenenfalls auch noch für andere Zwecke Leistung abgibt. Die durch die Düse 15 aus der Turbine austretenden Verbrennungsgase können noch für den Strahlvortrieb der Einheit ausgenutzt werden.During operation, the compressor 10 feeds air through a combustion system 11 Diffuser 13 to. The fuel is injected into and through this system Air burned. The combustion gases enter the turbine at high speed 14. which drives the compressor and, depending on its design, possibly also for other purposes Performance. The combustion gases emerging from the turbine through the nozzle 15 can can still be used for jet propulsion of the unit.
Das Verbrennungssystem besteht aus einer ringförmigen Brennkammer, die durch die innere Wand 16 und die äußere Wand 17 begrenzt wird und gleichachsig mit dem üblichen Haupttragglied 18 angeordnet ist. Zwischen den Wänden 16 und 17 ist das Flammrohr vorgesehen, das durch die innere Wand 20 und die äußere Wand 21 gebildet wird. Diese beiden Wände sind mit Abstand von den Wänden der Brennkammer angeordnet, so daß Ringräume 22 und 23 zwischen den Wänden der Brennkammer und des Flammrohrs vorhanden sind.The combustion system consists of an annular Combustion chamber, which is delimited by the inner wall 16 and the outer wall 17 and is arranged coaxially with the usual main support member 18. Between the walls 16 and 17 is the flame tube is provided, which is formed by the inner wall 20 and the outer wall 21. These two walls are arranged at a distance from the walls of the combustion chamber, so that annular spaces 22 and 23 are present between the walls of the combustion chamber and the flame tube.
Die ringförmige Eintrittsöffnung des Flammrohrs zwischen den Wänden 20 und 21 ist durch eine Wand 24 in zwei konzentrische Ringflächen unterteilt. Diese Wand verläuft, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, etwa parallel zur inneren Wand 20 und erstreckt sich ein kurzes Stück in Strömungsrichtung. Sie bildet so zusammen mit der Wand 20 einen Ringraum 25. Am Eintrittsende dieses Raumes sind auf den Umfang verteilt mehrere Leitschaufeln 26 angeordnet, die dem in diesen Ringraum eintretenden Luftstrom einen Drall erteilen. Auch die äußere dieser beiden Ringflächen, durch die die Hauptluftmenge in das Flammrohr eintritt, ist mit einer Reihe von auf den Umfang verteilten Leitschaufeln 26° versehen, die die Wände 21 und 24 miteinander verbinden.The annular inlet opening of the flame tube between the walls 20 and 21 is through a wall 24 divided into two concentric annular surfaces. This wall runs as shown in FIG. 3 can be seen, approximately parallel to the inner wall 20 and extends a short distance in the direction of flow. It thus forms, together with the wall 20, an annular space 25. At the entry end of this space A plurality of guide vanes 26 are arranged distributed over the circumference, which are in this annular space give the incoming air stream a twist. Also the outer of these two ring surfaces, through which the main amount of air enters the flame tube is with a series of distributed around the circumference Guide vanes 26 ° provided which connect the walls 21 and 24 to one another.
In Strömungsrichtung etwas hinter dem Ende der Wand 24 ist außen auf der Innenwand 20 des Flammrohrs ein ringförmiges Umlenkblech 27 angeordnet. Dieses Umlenkblech weist an seinem äußeren Rand einen Flansch 28 auf, der sich entgegen der Strömungsrichtung über das hintere Ende der Wand 24 hinaus erstreckt und einen etwas größeren Durchmesser als jene hat, so daß sich zwischen beiden ein entgegen der Strömungsrichtung offener Ringraum ergibt.In the direction of flow, something behind the end of the wall 24 is on the outside of the inner wall 20 of the flame tube an annular baffle 27 is arranged. This baffle has on its outer edge a flange 28, which extends against the direction of flow over the rear end of the wall 24 extends out and has a slightly larger diameter than that, so that there is a results in an annular space that is open against the direction of flow.
Der Brennstoff wird durch eine Leitung und mehrere auf den Limfang verteilte Düsen 30 unmittelbar hinter den Leitschaufeln 26 in den Raum 25 eingespritzt. Die Düsen sind so angeordnet, daß sie den Brennstoff im gleichen Sinne tangential in den Raum einspritzen, in dem die Luft durch die Leitschaufeln in Drehung versetzt wird.The fuel is delivered directly through a line and several nozzles 30 distributed over the Limfang injected behind the guide vanes 26 into the space 25. The nozzles are arranged so that they inject the fuel tangentially into the space in the same sense in which the air passes through the Guide vanes is set in rotation.
Wie bei den üblichen Flammrohren sind die inneren und äußeren Wände 20 und 21 in Strömungsrichtung hinter dem Umlenkblech mit über die Länge verteilten Löchern 32 und 33 versehen, durch die j Luft aus den Räumen 22 und 23 zwischen den Wänden des Flammrohrs und der Brennkammer nach und nach in das Flammrohr eintreten kann.As with the usual flame tubes, the inner and outer walls 20 and 21 are in the flow direction behind the baffle with over the length distributed holes 32 and 33, through which j air from the spaces 22 and 23 between the walls of the flame tube and the combustion chamber can gradually enter the flame tube.
Während des Betriebes tritt Luft aus dem Verdichter in Richtung der Pfeile. 4 in das Verbrennungssystem ein. Ein Teil der Luft gelangt in die Ringräume 22 und 23 und bildet so rund um das Flammrohr einen verhältnismäßig kühlen Mantel. Ein anderer Teil der Luft gelangt zwischen den Leitschaufeln 26 hindurch in den Ringraum .25 und der Rest zwischen den Leitschaufeln 26" hindurch in das Flammrohr und erhält hierbei durch die Leitschaufeln einen Drall in Richtung der Pfeile R. Die. Luft bewegt sich also auf Schraubenbahnen in dem Flammrohr, und die dabei auftretenden Zentri-During operation, air exits the compressor in the direction of the arrows. 4 enters the combustion system. Part of the air enters the annular spaces 22 and 23 and thus forms a relatively cool jacket around the flame tube. Another part of the air passes between the guide vanes 26 into the annular space .25 and the remainder between the guide vanes 26 ″ into the flame tube and is swirled in the direction of the arrows R by the guide vanes. The air thus moves on helical paths in the flame tube, and the centri-
fugalkräfte bewirken, daß die Luft entsprechend den Pfeilen C an der Außenwand 21 entlang strömt.Fugal forces cause the air to flow along the outer wall 21 according to the arrows C.
Der flüssige Brennstoff wird durch die Düsen 30 in die Luft eingespritzt, die durch den Ringraum 25 strömt. Wegen der tangentialen Einspritzrichtung und des der Luft durch die Leitschaufeln 26 erteilten Dralls wird der Brennstoff durch die Zentrifugalkraft nach außen gegen die Innenfläche der Wand 24 getragen. Das Gemisch aus Brennstoff und Luft,The liquid fuel is injected into the air through the nozzles 30, which pass through the annular space 25 flows. Because of the tangential direction of injection and that of the air given by the guide vanes 26 The centrifugal force swirls the fuel outward against the inner surface of the wall 24 carried. The mixture of fuel and air,
ίο das durch den Raum 25 strömt, wird durch das Umlenkblech 27 und dessen Flansch 28 um ungefähr i8o° umgelenkt, so daß es in Richtung der Pfeile D entlang der Außenfläche der Wand 24 in das Flammrohr ausmündet.ίο that flows through the space 25, is deflected by the baffle 27 and its flange 28 by approximately i8o °, so that it opens out in the direction of the arrows D along the outer surface of the wall 24 into the flame tube.
Der in das Flammrohr in Richtung der Pfeile C eintretende Hauptluftstrom und das in Richtung der Pfeile D eintretende reiche Gemisch erzeugen einen geschlossenen Wirbel E in einer zwischen ihnen liegenden Zone niedrigen Drucks. Dieser Wir-The main air flow entering the flame tube in the direction of arrows C and the rich mixture entering in the direction of arrows D create a closed vortex E in a zone of low pressure between them.
ao bei erstreckt sich rund um den Ringraum des Flammrohrs und bewirkt eine innige Vermischung der beiden Ströme. Der Wirbel bildet den Kern der in dem Flammrohr stattfindenden Verbrennung, und während seine äußeren Schichten dauernd in der Hauptströmungsrichtung fortgetragen werden, tritt weitere Luft durch die Löcher 32 und 33 ein, um die Verbrennung weiter aufrechtzuerhalten und das Arbeitsmedium für die Turbine zu erzeugen. Nachdem das Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Wirbel einmal entzündet ist, setzt sich die Flamme von allein weiter fort.ao at extends around the annulus of the flame tube and brings about an intimate mixing of the two streams. The vortex forms the core of the in combustion taking place in the flame tube, and while its outer layers are permanently in the Are carried away in the main flow direction, more air enters through the holes 32 and 33 to the Keeping combustion going and generating the working fluid for the turbine. After this Once the fuel-air mixture in the vortex is ignited, the flame continues go on alone.
Die Wand 24 ist der in dem Wirbel stattfindenden Verbrennung unmittelbar ausgesetzt und wird infolgedessen sehr heiß. Ein Verbrennen wird aber durch die Kühlwirkung des durch die Düsen auf die Innenseite dieser Wand aufgespritzten Brennstoffs und zusätzlich durch den Einfluß der durch den Ringraum 25 strömenden Luft verhindert. Beim Kühlen der Wand verdampft der Brennstoff, und das Dampf-Luft-Gemisch wird erhitzt, so daß die in die Verbrennungszone des Flammrohrs austretenden Gase für die Verbrennung gut aufbereitet sind. Die die Verdampfung bewirkende Oberfläche der Wand 24 ist im Vergleich zu den in den rohrförmigen Verdampfern zur Verfügung stehenden Flächen so beträchtlich, daß bei geringeren Temperaturen eine bessere Verdampfung erzielt werden kann. Dadurch werden ein Zusetzen und Kohleablagerung vermieden und Verbesserungen der Verbrennung und eine Verlängerung der Lebensdauer des Verdampferelements erzielt. Außerdem besteht infolge der vollkommenen Verdampfung keine Gefahr mehr, daß sich Brennstoff unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte ausscheidet, wenn das Gemisch durch das Umlenkblech 27 umgelenkt wird.The wall 24 is and is immediately exposed to the combustion taking place in the vortex consequently very hot. Burning is caused by the cooling effect of the nozzles the inside of this wall sprayed fuel and additionally by the influence of the the annular space 25 prevents air flowing. When the wall is cooled, the fuel evaporates, and the steam-air mixture is heated so that it exits into the combustion zone of the flame tube Gases are well prepared for combustion. The surface causing the evaporation the wall 24 is compared to that available in the tubular evaporators Surfaces so considerable that better evaporation can be achieved at lower temperatures can. This avoids clogging and carbon deposition and improves combustion and an extension of the life of the evaporator element is achieved. In addition, there is as a result of the complete evaporation there is no longer any risk of fuel being affected the centrifugal forces are eliminated when the mixture is deflected by the deflection plate 27.
Im vorstehenden wurden die Worte innere und äußere usw. mit Bezug auf die Längsachse des Triebwerks verwendet. Zum Beispiel hat die innere Wand des Flammrohrs einen geringeren Durchmesser als die äußere. Doch wurden Bezeichnungen wie »innerhalb der Brennkammer«, »im Innern des Flammrohrs« usw. in dem Sinne verwendet, daß die Brennkammer und das Flammrohr im wesentlichen in sich ge- ! schlossene Kammern oder Leitungen sind, ohne j dabei auf die besondere Form Rücksicht zu nehmen, und daß das Flammrohr ein Einsatz der Brennkammer ist. So bedeutet also die Bezeichnung »innerhalb des Flammrohrs« bei einer ringförmigen Ausbildung des Systems, wie es beschrieben wurde, »außerhalb der inneren Wand und innerhalb der äußeren Wand«, während es bei einem einfach rohrförmigen System »von der Wand umgeben« bedeuten würde. Solche erläuternden Sätze können also ganz allgemein für beide Systeme angewendet werden und werden auch in den Ansprüchen in diesem Sinne verwendet.In the foregoing, the words inner and outer etc. have been used with reference to the longitudinal axis of the engine used. For example, the inner wall of the flame tube has a smaller diameter than that outer. But terms such as "inside the combustion chamber", "inside the flame tube" etc. used in the sense that the combustion chamber and the flame tube are essentially ! are closed chambers or lines without taking the special shape into account, and that the flame tube is an insert of the combustion chamber. So that's what the label means "Inside the flame tube" in the case of a ring-shaped design of the system, as described, "Outside the inner wall and inside the outer wall," while a simply tubular one System would mean "surrounded by the wall". Such explanatory sentences can therefore be whole are generally used for both systems and are also used in the claims in this sense used.
Es versteht sich, daß die vorstehende Beschreibung einige Merkmale enthält, die speziell einem ringförmigen Verbrennungssystem eigen sind, und daß bei Anwendung der Erfindung auf ein rohrförmiges Verbrennungssystem aus der durch die besondere Führung der Brennstoff- und Gasströme entstehenden Zentrifugalwirkung keine Vorteile gezogen werden können. Außerdem kann es bei verschiedenen ringförmigen Verbrennungssystemen im Interesse einer besseren Zugänglichkeit der Brennstoffzuführungseinrichtungen oder aus anderen Gründen wünschenswert sein, das Verdampferelement Heber an der äußeren als an der inneren Wand des Flammrohrs anzuordnen. In solchen Fällen würden die auf das Brennstoff-Luft-Gemisch wirkenden Zentrifugalkräfte das Gemisch daran hindern, die Verdampfungsfläche zu kühlen. Jedenfalls wird die erzielte Kühlung immer ausreichen, und die Verwendung von Leitschaufeln zur Erzeugung eines Dralls, wie sie beschrieben wurde, ist für das einwandfreie Arbeiten der Erfindung nicht unbedingt notwendig. Das wesentliche Merkmal ist das Verdampferelement in Gestalt einer Doppelwand, die sich rund um die Flammenzone über die ganze oder einen Teil der Flammrohrwand erstreckt, wobei die zusätzliche Wand entweder innerhalb, wie es beschrieben wurde, oder außerhalb des Flammrohrs angeordnet sein kann. Dieses Element kann mit Vorteil bei jeder Brennkammer verwendet werden, die dazu dient, einen Wirbelkern und eine bessere Verteilung der Flamme im Flammrohr" gegenüber den zur Zeit im Gebrauch befindlichen Brennkammern zu entwickeln, und schafft gleichzeitig einen billig herzustellenden und robusten Verdämpfer, der bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen arbeitet und nicht zu örtlichen Überhitzungen neigt.It is to be understood that the foregoing description includes some features that are unique to one annular combustion system are peculiar, and that when the invention is applied to a tubular Combustion system from the through the special guidance of the fuel and gas flows resulting centrifugal effect no advantages can be drawn. It can also be different ring-shaped combustion systems in the interest of better accessibility to the fuel supply devices or for other reasons it may be desirable to lift the evaporator element on the outside rather than on the inside To arrange the wall of the flame tube. In such cases it would affect the fuel-air mixture acting centrifugal forces prevent the mixture from cooling the evaporation surface. In any case the achieved cooling will always be sufficient, and the use of guide vanes for generation a twist, as it has been described, is not essential for the proper functioning of the invention necessary. The main feature is the evaporator element in the form of a double wall, which extends around the flame zone over all or part of the flame tube wall, with the additional wall either inside, as described, or outside of the Flame tube can be arranged. This element can be used with advantage in any combustion chamber which serves to create a vortex core and a better distribution of the flame in the flame tube " to develop compared to the combustion chambers currently in use, and create at the same time a cheap to manufacture and robust evaporator that works at relatively low temperatures works and is not prone to local overheating.
Die Anwendung der Erfindung, wie sie dargestellt und beschrieben wurde, stellt daher nur ein besonders günstiges Beispiel dar, und Abweichungen in der Form, Größe und Anordnung der Teile können vorgenommen werden, ohne daß damit das Wesen der Erfindung verlassen \vird.The application of the invention as shown and described is therefore only a special one a favorable example, and deviations in the shape, size and arrangement of the parts may be made without departing from the essence of the invention.
Claims (1)
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