DE962391C - Einrichtung zur Zerstaeubung und Mischung von Brennstoff mit Druckluft an Brennkammern, insbesondere fuer Brennkraftturbinen - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Zerstäubung und Mischung von Brennstoff mit Druckluft an Brennkammern, insbesondere für Brennkraftturbinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Zerstäubung und Mischung von Brennstoff mit Druckluft an Brennkammern, insbesondere für Brennkraftturbinen, mit einer Zerstäubungsdüse, bei der unmittelbar vor der Düsenmündung dem Brennstoff Druckluft beigemischt und. der Brennstoff bzw. das Brennstoff-Luft-Gemisch vor dem Austritt aus der Düsenmündung in Drehung um die Achse der Düsenmündung versetzt wird.
• Ziel der Erfindung ist eine besonders feine und vollständige Zerstäubung und Mischung von Brennstoff und Luft.
• Das geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Düsenmündung trichterförmig mit großem Kegelwinkel von r2o bis r8o° ausgebildet ist und in eine flache scheibenförmige Führungsfläche übergeht, welche in einem ringförmigen Luftkanal derart angeordnet ist, daß das sich über die Führungsfläche verbreitende, rotierende Brennstoff-Luft-Gemisch, etwa tangential mit der aus dem ringförmigen Luftkanal austretenden Luft zusammengeführt wird, wobei die Wandung der Brennkammer als Außenwand des ringförmigen Luftkanals und zur Umlenkung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu einem Wirbel benutzt wird.
• Bei einer bekannten Einrichtung zur Zerstäubung und Mischung von Brennstoff und Druckluft, bei welcher dem Brennstoff vor dem Austritt aus der Düsenmündung eine Drehbewegung erteilt. wird, fehlt einerseits die weitkegelige Mündungsöffnung und, andererseits die. Führung des brennenden Luft-Brennstoff-Gemisches über eine flache Führungsfläche und seine Zusammenführung mit einem äußeren ringförmigen Luftstrom. Die enge Austrittsöfnung vermindert zudem die Ausbreitung des Brennstoff-Luft-Gemisches über die ebene Vorderfläche der Düse und damit die allseitige Verteilung in der Brennkammer. Infolgedessen kann mit der bekannten Einrichtung auch nicht die erfindungsgemäß erzielbare besonders günstige Durchmischung von Luft und Brennstoff herbeigeführt werden.
• Vorzugsweise werden sowohl Luft und Brennstoff vor der vor der Düsenmündung angeordneten Mischungsstelle in - gegebenenfalls entgegengesetzte - Umdrehung versetzt.
• Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind zur Ausbildung der Drehbewegung von Luft bzw. Brennstoff der Düsenmündüng an sich bekannte scheibenförmige Räume vorgeschaltet.
• Bei einer bekannten Düse bei welcher scheibenförmige Räume zur Drallerzeugung bzw. Mischung von Luft und Brennstoff fehlen, verengert sich im Gegensatz zur Erfindung der Brennstoffdrallerzeugungsraum trichterförmig, so .daß die Drallenergie dadurch wieder weitgehend verlorengeht und sich nicht dem Luftstrom mitteilen kann. Demgemäß fehlt auch das Merkmal eines aus der Düse austretenden rotierenden Luft-Brennstoff-Gemisches sowie einer Zusammenführung dieses Gemisches mit einer durch einen äußeren ringförmigen Kanal zutretenden Luft.
• Bei einer weiteren bekannten Einrichtung ragen die Brennstoff- und Luftdüsenmundstücke ohne kegelfö-rm.ige Erweiterung mit großem Kegelwinkel frei in die Brennkammer hinein. Obwohl Brennstoff und Luft gegenläufig zueinander rotieren, kann daher nicht die gemäß der Erfindung angestrebte gute Durchmischung von Brennstoff und Luft erzielt werden. Ebenso fehlt hierbei sowohl eine äußere scheibenförmige Führungsfläche als auch ein zusätzlicher ringförmiger Luftstrom, welcher sich mit dem über die Führungsfläche verbreitenden Ltlft-Brennstoff-GemiSCh vereinigt.
• Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht ferner darin, daß der engste Durchmesser der Mündungsöffnung mindestens auf dem Kegel oder außerhalb des Kegels liegt, welcher durch die divergierende Mündungsöffnung des Drallraumes für den Brennstoff gebildet wird, im Gegensatz zu einer bekannten Anordnung, bei welcher eine konvergierende kegelförmige Austrittsöffnung für den Brennstoff verwendet wird, und infolgedessen die ausbreitende Wirkung des Brennstoffkegels auf die ringförmig zugeführte Luft wie im Falle der Erfindung nicht erzielbar ist.
• Des weiteren sieht die Erfindung einen tellerrandartigen, die Düsenmündung umgebenden Führungskörper mit scharfer Außenkante vor, an welcher die Flamme mit der auf der Rückseite des Führungskörpers zugeleiteten Verbrennungsluft zusammengeführt wird.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Düse und Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. i. Zur Zuführung des Brennstoffes dient einDüsenrohr io mit der axialen Bohrung r r, zur Zuführung der Zerstäubungsluft ein hierzu konzentrisches Rohr 12, dem die Druckluft durch einen Ringraum 13 zugeführt wird. Das Rohr 12 ist in den Düsenkörper 14. eingeschraubt, der seinerseits in den zur Brennkammer 32 führenden Luftkanal 15 für die Verbrennungsluft konzentrisch eingesetzt ist. Das obere Ende des Rohres io ist durch eine Querwand 16 abgeschlossen und mit Bohrungen 17 versehen, die in einen Ringraum 18 einmünden, welcher durch eine auf das Rohr io aufgeschraubte Kappe i9 gebildet wird. In dem oberen, über die Querwand 16 hinausragenden Ende des Rohres io sind Nuten 2o eingearbeitet, welche tangential in den scheibenförmigen Drallraum 21 einmünden, der zwischen der Querwand 16' und der oberen Abschlußwandung 22 der Kappe i9 ' gebildet wird. Durch eine sich kegelförmig erweiternde Öffnung 23 ist der Drallraum 21 nach oben geöffnet.
• In ähnlicher Weise ist der Ringkanal 13 des Rohres 12 durch eine ringförmige Abschlußwandung 2q. axial abgeschlossen und durch radiale Öffnungen 25 mit dem Ringraum 26 verbunden, der zwischen dem oberen Ende des Rohres 12 und des Düsenkörpers 14 gebildet wird. In das über die Abschlußwandung 24. hinausragende Ende des Rohres 12 sind schräge Nuten 27 eingearbeitet, und zwar zweckmäßig schräg entgegengesetzt den Nuten 2o, derart, daß sie tangentiale Durchtrittsbohrungen zu dem Ringraum 28 bilden der als Drallraum für die Zerstäubungsluft dient.
• Die tangentialen Durchtrittsöffnungen 27 und der Drallraum 28 werden durch eine Abschlußwandung 29 am Düsenkörper i.4 gegen die Brennkammer abgeschlossen, wobei sie zwischen der Abschlußwandung 22 des Drallraumes 21 und der Abschlußwandung 29 des Düsenkörpers einen scheibenförmigen Raum oder Ringspalt 3o bilden, in welchen der Drallraum 21 mittels der kegelförmigen Mündung 23 einmündet. Der Raum 30 mündet seinerseits durch eine kegelförmige Öffnung 31 in die Brennkammer 32 aus, wobei der Kegelwinkel der Düsenöffnung 31 größer als der Kegelwinkel der Düsenmündung 23 ist, zwischen i2o und i8o° liegt, und die engste Stelle der Düsenmündung 31 einen solchen Durchmesser hat, daß dieser etwa in der Verlängerung des durch die Düsenmündung 23 bestimmten Kegels liegt.
• Auf der Außenseite des Düsenkörpers 14 ist ein Führungs- oder Ablenkkörper 33 aufgeschraubt, dessen Oberseite 34 ungefähr bündig mit der brennkammerseitigen Stirnfläche der Abschlußwandung 29 liegt und mit der Führungswandung 35 für die durch den Kanal 15 zutretende Verbrennungsluft eine scharfe Umfangskante 36 bildet.
• Der Brennstoff wird durch die Leitung ii axial der Düse zugeführt, indem er durch die Bohrungen 17, den Ringraum 18 und die tangentialen Nuten oder Bohrungen 2o in den Drallraum 21 übertritt. Infolge derZentrifugalwirkung strebt er bei seinem Austritt aus der Düse 23 nach außen, so daß ein in die Brennkammer 32 austretender, rotierender schirmförmiger Brennstoffschleier erzeugt wird. In ähnlicher Weise wie der Brennstoff wird die unter Druck stehgnde Zerstäubungsluft zugeleitet. Die durch den Ringkanal 13 zutretende Luft gelangt über. die Öffnungen 25 in den Ringraum 26 und von dort durch die tangentialen Öffnungen 27 in den Drallraum 28, 3o, derart, daß ihr in diesem ein dem Drall des Brennstoffes entgegengesetzter Drall erteilt wird. Der in die Brennkammer austretende Brennstoff wird hierbei von der entgegengesetzt rotierenden Luft erfaßt, wodurch eine innige Mischung von Brennstoff und Luft stattfindet und die aus den Kraftstoffdüsen austretenden Brennstofftröpfchen wirksam zerstäubt werden.
• Wie Versuche gezeigt haben, kann insbesondere bei richtiger Bemessung des durch den Drallraum 28 gebildeten Ringspaltes 30 und der Austrittsmündung 31 der Luftdüse erreicht werden, daß sich das austretende Brennstoff-Luft-Gemisch bzw. die hierbei entstehende Flamme radial in Pfeilrichtung 38 ausbreitet, wobei sich der Gemischschleier bzw. die Flamme dicht an der Oberfläche 34 des Führungskörpers 33 hält. An der Außenkante 36 des Führungskörpers trifft sie etwa bei 39 mit der auf der Außenseite 35 des Führungskörpers entlangströmenden Verbrennungsluft zusammen, was eine intensive Mischung der Verbrennungsluft mit dem radial zuströmenden, teilweise brennenden Gemisch zur Folge hat.
• Infolge der radialen Ausbreitung des Gemisches bzw. der Flamme in Richtung 38 entsteht im Innern der Flamme ein Unterdruck, wodurch Luft von außen in das Zentrum der Flamme nachströmt, wie etwa bei 4o angedeutet ist. Die Mischung der Verbrennung kann dadurch noch intensiver gestaltet werden. Infolge der langen Zeit, während derer jedes einzelne Brennstofftröpfchen sich in der Brennzone der Brennkammer befindet, wird ein besonders günstiger Ausbrennungsgrad des Brennstoffes erreicht.
• Mit wachsender Verbrennungsluftmenge werden zwar die in Pfeilrichtung 38 nach außen strömenden Gemischmengen stärker nach innen abgelenkt, so daß statt einer teller- oder flachschalenförmigen Ausbreitung eine mehr kugelförmige Ausbreitung des Brennstoff-Luft-Gemisches bzw. der Flamme erzielt wird. Doch bleibt auch in diesem Fall die schalenförmige Gemisch- bzw. Flammenströmung grundsätzlich erhalten.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Zerstäubung und Mischung von Brennstoff mit Druckluft an Brennkammern, insbesondere für Brennkraftturbinen, mit einer Brennstoffzerstäubungsdüse, bei der unmittelbar vor der Düsenmündung dem Brennstoff Druckluft beigemischt und der Brennstoff bzw. das Brennstoff-Luft-Gemisch vor dem Austritt aus der Düsenmündung in Drehung um die Achse der Düsenmündung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmündung trichterförmig mit großem Kegelwinkel von i20 bis i80° ausgebildet ist und in eine flache scheibenförmige Führungsfläche übergeht, welche in einem ringförmigen Luftkanal derart angeordnet ist, daß das sich über die Führungsfläche verbreitende rotierende Brennstoff-Luft-Gemisch etwa tangential mit der aus dem ringförmigen Luftkanal austretenden Luft zusammengeführt wird, wobei die Wandung der Brennkammer als Außenwand des ringförmigen Luftkanals und zur Umlenkung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu einem Wirbel benutzt wird.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Luft und Brennstoff vor der vor der Düsenmündung angeordneten Mischungsstelle in - gegebenenfalls entgegengesetzte - Umdrehung versetzt werden.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch. a und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Drehbewegung von Luft bzw. Brennstoff der Düsenmündung an sich bekannte scheibenförmige Räume vorgeschaltet sind. 4. Einrichtung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der engste Durchmesser der Mündungsöffnung (31) mindestens auf dem Kegel oder außerhalb des Kegels liegt, welcher durch die divergierende Mündungsöffnung (23) des Drallraurnes (21) für den Brennstoff gebildet wird. 5. Einrichtung nach Anspruch i bis 4, gekennzeichnet durch einen tellerrandartigen, die Düsenmündung (29) umgebenden Führungskörper (33) mit scharfkantiger Außenkante (36), an welcher die Flamme reit der auf der Rückseite (35) des Führungskörpers (33) zugeleiteten Verbrennungsluft zusammengeführt wird. In Betracht gezogene Druckschriften.: Französische Patentschriften. Nr. 963. 507, 955 1359 USA.-Patentschriften Nr. 2 635 42$, 2 551 276, 2 434 815; Interavia, Bd. 7, 1952, Nr. 7, S. 398; Motor und Gasturbine, Bd. 2, 195o, Nr.
4. 4, S. 58; Engineering, Bd. 169, 195o, Nr. 4403, S. 677.