DE2060401A1

DE2060401A1 - Brennstoffinjektor fuer ein Gasturbinenstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE2060401A1
Application number: DE19702060401
Authority: DE
Inventors: Carlisle Dennis Richard
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-12-09
Filing date: 1970-12-08
Publication date: 1971-06-16
Also published as: DE2060401C3; FR2083008A5; GB1284439A; DE2060401B2; US3691765A

Description

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DIPL-ING. CURT WALLACH DIPL-ING. GÜNTHER KOCH

DR. TINO HAIBACH 2 0 6 0 A 0 1

8 München 2, 8.Dezember 1970 uns«_Ze,ch_En_:12 968 - K/vM

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England.

Brennstoffinjektor für ein Gasturbinenstrahltriebwerk

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffinjektor für ein Gasturbinenstrahltriebwerk.

Gemäß der Erfindung ist der Brennstoffinjektor für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Zentralkörper und mehreren Brennstoffkanal en ausgestattet, die jeweils in Düsen enden und mit entsprechenden BrennstoffZuführungsmitteln in Verbindung stehen, wobei ein Abschirmkörper im Abstand zu dem Zentralkörper angeordnet ist und mit diesem zusammen einen ringförmigen Brennstoffkanal bildet und wobei eine Verkleidung im Abstand um den Zentralkörper herum angeordnet ist und einen ringförmigen Strömungskanal hiermit bildet und ein Prallkörper von dem Verkleidungskörper getragen wird und zwar stromunterseitig der Düsen, und wobei Ablenkmittel koaxial innerhalb der Verkleidung angeordnet sind und der aus den Düsen austretende Brennstoff zwischen der Verkleidung und Prallkörper hindurchtritt und wobei der von der mittleren Düse ausgespritzte Brennstoff auf den Ablenkkörper auftrifft und eine Hochdruckströmung durch den Kanal hindurchfließt, der von dem Abschirmkörper und der Verkleidung gebildet wird, wobei die Hochdruckströmung dann in den Kanal eintritt, der von der Verkleidung und dem Zentralkörper gebildet wird.

Bei einem Brennstoffinjektor gemäß der Erfindung ist die Gefahr, daß eine nicht im Betrieb befindliche Düse sich mit Kohlenstoff

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zusetzt, vermindert, weil der Brennstoff der übrigen Düsen durch die Luftströmung weggetragen wird, während der Ablenkkörper den Bereich der Brennstoffspritzwinkel verbreitert, der durch den Injektor erzeugt wird.

Vorzugsweise ist die äußerste Düse eine Düse zur Zuführung gasförmigen Brennstoffs, während die andere Düse oder die anderen Düsen mit flüssigem Brennstoff gespeist werden.

Im Zentralkörper kann ein zentraler Flüssigbrennstoffkanal relativ kleinen Durchmessers angeordnet werden und eine Düse ebenfalls mit kleinem Durchmesser, wobei diese zur Hilfsbrennstoffverbrennung dienen und konzentrisch durch eine ringförmige große Flüssigbrennstoffdüse und einem entsprechenden Zuführungskanal umgeben sind, um die Hauptverbrennung durchzuführen.

Der Ablenkkörper ist vorzugsweise mit der radial äußeren Wand der ringförmigen FlUssigbrennstoffdüse verbunden oder mit dieser einstückig hergestellt und kann eine kegelstumpfförmige Ablenkoberfläche aufweisen, die koaxial zu den Düsen liegt und nach dem Prallkörper hin divergiert.

Der Prallkörper besteht vorzugsweise aus einem Bauteil mit etwa konischer Oberfläche, wobei die Achse dieses Bauteils mit der Achse der Düsen zusammenfällt und der Scheitel des Konus nach den Düsen hin gerichtet ist.

Vorzugsweise ist an dem Körper an dessen stromunterseitigem Ende eine Platte befestigt, die als Wärmesenke zur Verhinderung von Kohlenstoffablagerungen am Bauteil dient.

Das stromunterseitige Ende der Verkleidung kann in Strömungsrichtung konvergierend ausgebildet sein, wobei wenigstens ein Teil der Verkleidung selbst ebenfalls konvergierend ausgebildet sein kann.

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Vorzugsweise ist das stromunterseitige Ende der Verkleidung gelocht, wodurch eine Strömung von Hochdruckluft nach dem Kanal und durch diesen hindurch ermöglicht wird.

Die BrennstoffzufUhrungseinrichtung kann zweckmäßigerweise so gesteuert werden,daß gleichzeitig gasförmiger Brennstoff der äußersten Düse und flüssiger Brennstoff der anderen Düse oder den anderen Düsen zugeführt wird.

Es können Ventile den Düsen für gasförmigen Brennstoff vorgesehen werden, durch welche diese Düsen jeweils an die Brennstoffliefervorrichtung oder an eine Hochdruckluftquelle angeschaltet werden können.

Die Erfindung umfaßt auch ein Gasturbinenstrahltriebwerk,das mit einem Brennstoffinjektor gemäß obiger Kennzeichnung ausgestattet ist.

Nachstehend wird ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise abgebrochene Ansicht eines dasturbinenstrahltriebwerke mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffeinspritzvorrichtung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines BrennstoffInjektors gemäß Fig.l in größerem Maßstab,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig.2.

Ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10 weist in Strömungsrichtung hintereinander einen oder mehrere Verdichter 12, eine Verbrennungseinrichtung 14 und eine oder mehrere Turbinen 16 auf und die Abgase treten direkt über einen Abgaskanal 18 in die Atmosphäre aus, der in einer Strahldüse enden kann.

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Die Verbrennungseinrichtung 14 besitzt mehrere, in Umfangsrlchtung im Abstand zueinander liegende Flammrohre 20, von denen jedes am stromoberseitigen Ende mit Brennstoffinjektoren 22 versehen ist.

Jeder Brennstoffinjektor 22 (Fig.2) weist einen Zentralkörper auf, der aus einem Bauteil 24 besteht, an dessen stromunterseitigern Ende eine Mutter 26 befestigt ist. Der Zentralkörper und die Mutter halten zusammen einen Düsenkörper 28 in ihrer Lage. Dieser Düsenkörper 28 besitzt eine relativ kleine, in der Mitte angeordnete Düse 30 für den Zündbrennstoff und diese Düse 30 wird konzentrisch durch eine relativ große Ringdüse J52 umgeben, die Φ als Hauptbrennstoffdüse bezeichnet wird, deren Brennstoff durch eine Ringöffnung 33 hindurchtritt, wobei Zündbrennstoff und Hauptbrennstoff in diesem Falle vorzugsweise flüssige Brennstoffe sind. Die radial äußere Wand der Düse 32 weist einen axial vorspringenden Abschnitt 3^ auf, der mit einer kegelstumpfförmigen Ablenkfläche 36 an der inneren Oberfläche versehen ist. Die Düse 32 wird selbst konzentrisch durch eine Düse 38 umgeben, die im Betrieb gasförmigen Brennstoff austreten läßt. Der Mittelkörper 24 ist an einem im wesentlichen L-förmig gestalteten Brennstoffzuführungsarm 40 befestigt, in dem die Brennstoffzuführungsleitungen 42,44 und 46 angeordnet sind.

α Die Düse 30 wird durch drei im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnete Bohrungen 48 gebildet, die in einem Winkel von etwa 70 gegenüber der Achse des Bauteils 24 angestellt sind und die Ablenkoberfläche 36 schneiden. Die Bohrungen 48 stehen an ihrem stromoberseitigen Ende mit einem Zündbrennstoff kanal iJO innerhalb des Bauteils 24 in Verbindung und an ihren stromunterseitigen Enden mit dem Inneren einer hohlen ringförmigen Verkleidung 52. Der axial verlaufende Schenkel des Brennstoffzuführungsarms 40 besitzt eine Abschirmung 54, die am stromunter-

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seitigen Ende festgelötet ist und die Abschirmung 54 trägt über Dübel 56 die Verkleidung 52 so, daß letztere im radialen Abstand von der Düse 38 distanziert liegt. Die Verkleidung 52 trägt drei im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnete Tragkörper 58. Jeder Tragkörper weist eine etwa Y-förmige Querschnittsgestalt auf und ist z.B. durch Hartverlötung an einem etwa konischen Prallkörper 6O befestigt, um letzteren zu tragen; die Verkleidung 52 weist einen offenen stromoberseitlgen Abschnitt 62 auf, der zusammen mit der äußeren Oberfläche der Abschirmung 5^ einen Lufteinlaß definiert.

Die Verkleidung 52 konvergiert von ihrem stromoberseitigen Ende 62 nach einem mittleren Punkt 64, der im wesentlichen in der gleichen Ebene wie das stromunterseltige Ende der Düse 30 liegt. Die Verkleidung 52 divergiert dann von dem in der Mitte liegenden Punkt 64 nach einem offenen stromunterseitigen Ende 66, das mit durchgehenden öffnungen 68 versehen ist, die mit dem Strömungskanal 70 in Verbindung stehen, der zwischen dem Zentralkörper 24 und einer Mutter 26 einerseits und der Abschirmung 54 und der Verkleidung 52 andererseits gebildet xtexjcx 1st.

Der Prallkörper 6O liegt innerhalb des stromunterseitigen Endes 66 der Verkleidung 52 und die Achse der konischen Oberfläche fällt im wesentlichen mit der Achse der Düsen 30,32,38 zusammen, wobei der Scheitel des Konus nach der Düse 30 hin gerichtet ist.

Das stromunterseitige Ende des Prallkörpers 6O weist einen metallischen Wärmeschild 72 auf, der daran befestigt ist. Dieser Schild 72 ist im Betrieb der Innentemperatur des Flammrohres ausgesetzt und überträgt daher Wärme auf den konischen Prallkörper 6O und zwar in einem solchen Maße, daß jedwede Ansammlung von Kohlenstoffablagerungen darauf verhindert wird.

Uji Verdichter 12 verdichtete Luft wird im Betrieb^durch die Verkleidung 52 gedrückt.

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Die Anordnung 1st derart getroffen, daß der Scheitelwinkel des im wesentlichen konischen Brennstoffsprühstrahls, der von der Düse 32 ausgespritzt wird, durch die Gestalt der Düse 32 und die Notwendigkeit der Reinigung des Prallkörpers 60 bestimmt wird und beträgt im typischen Fall 90°. Dieser Winkel ist sehr geeignet für einen normalen Lauf des Triebwerks 10. Jedoch ist er zu groß, um eine gute Verbrennungsstabilität oder gute Zündeigenschaften zu liefern, d.h. eine schwache Auslöschung kann leicht auftreten und die Verbrennung setzt nicht leicht im Flammrohr 20 ein und setzt sich dann leicht nach den benachbarten Flammrohren 20 fort. Der aus den Bohrungen 48 ausgestoßene Zündbrennstoff trifft jedoch auf die Ablenkoberfläche 36 und wird dadurch im wesentlichen konisch mit einem Scheitelwinkel von etwa

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70 abgelenkt, was ausreicht, um den Prallkörper 60 infolge des Radius der Ablenkoberfläche J>6 zu reinigen, wodurch die vorerwähnten Probleme hinsichtlich schwacher Verbrennung und Zündung ausgeschaltet werden.

Der Durchtritt von Qas und/oder flüssigem Brennstoff erfolgt durch die Verkleidung 52 gleichzeitig mit einer Luftströmung, wobei die durch die Verkleidung 52 strömende Luft nicht nur die Zerstäubung des Brennstoffs bewirkt, sondern auch mit dazu beiträgt, zu gewährleisten, daß der Brennstoff von den Düsen 30,32,38 weg der Verbrennung ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird die Karbonisierung der Düsen 30*32,38 vermindert, was dann auftreten könnte, wenn eine der Düsen nicht im Betrieb ist. Der Prallkörper βθ unterstützt die Zerstäubung des Brennstoffs und der Brennstoff und die Luft werden in eine gewünschte Richtung zwischen dem Prallkörper 60 und dem stromunterseitigen Ende 66 der Verkleidung 52 gerichtet.

Der Kanal 46 für den gasförmigen Brennstoff steht an einem Ende mit dem Strömungskanal 70 und am anderen Ende mit einer Oasleitung 74 (Fig.l) in Verbindung. Die Kanäle 42 bzw. 44 für den

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flüssigen Brennstoff stehen mit dem Hilfsbrennstoffkanal 76 über eine Ringkammer 78 und mit dem Hauptbrennstoffkanal 80 in Verbindung. Beide PlUssigbrennstoffkanale 42,44 stehen mit einer Flüssigbrennstoffleitung 82 (Fig.l) in Verbindung und empfangen von dieser Brennstoff.

Die Leitungen 72,82 sind über Leitungen 84,86 an eine Doppelbrennstoffströmungsstufe 88 angeschlossen, die nicht dargestellte Mittel besitzt, um gleichzeitig oder getrennt gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoff zuzuführen.

Jedoch
Es hat sich/gezeigt, daß dann, wenn der Brennstoffinjektor 22 allein mit flüssigem Brennstoff betrieben wird, ein Problem auftritt insofern nämlich, als der flüssige Brennstoff gelegentlich in den Ringkanal 70 zurückspritzt und demgemäß auch nach dem Gaskanal, wo er spontan entzündet wird. Diese spontane Zündung kann natürlich den Injektoraufbau beschädigen und muß unter allen Umständen verhindert werden. Außerdem sind im Betrieb die in den verschiedenen Brennkammern eines Triebwerks herrschenden Drücke nicht immer gleich und dies ist der Anlaß dafür, daß heiße Verbrennungsprodukte in den Ringkanal 70 eines Injektors bei relativ hohem Brennkammerdruck zurückströmen können und von dort über die Gasbrennstoffleitung 82 nach einer unter relativ geringem Druck stehenden Brennkammer. Dies ist natürlich unerwünscht.

Diese Probleme werden gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwei Absperrventile 90,92 (Fig.l) mit der Gasbrennstoffleitung 84 verbunden sind. Diese Ventile 90,92 sind so angeordnet, daß dann, wenn eines der Ventile offen ist, das andere geschlossen ist und umgekehrt. Das Ventil 90 liegt in einer Leitung 94, die die Gasbrennstoffleitung 84 mit einer Druckluftquelle verbindet, die nach dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel von einer Luftabzapfung am Ausgang des Verdichters 12 gebildet wird. Das Ventil 92 liegt stromoberseitig der Verbindung zwischen den Leitungen 84 und 94 und in der Qasbrennstoffleitung 84.

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Wenn im Betrieb nur flüssiger Brennstoff verbrannt wird, dann wird die Gasbrennstoffzufuhr mittels des Ventils 92 abgesperrt, während das Ventil 90 geöffnet ist, um eine kontinuierliche Strömung von Druckluft aus der Leitung 94 nach der Grasbrennstoffdüse JyO über die Leitung 84, die Gasringleitung 74 und den Kanal 46 zu bewirken.

Patentansprüche;

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Claims

- 9 Patentansprüche :

1,/ Brennstoff injektor für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Zentralkörper, der mehrere Brennstoffkanäle aufweist, die in Düsen enden und an Brennstoffzuführungsmittel angeschlossen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschirmkörper im Abstand um den Zentralkörper herum angeordnet ist und mit diesem einen ringförmigen Brennstoffkanal bildet, daß eine Verkleidung im Abstand um den Zentralkörper herum angeordnet ist und mit diesem einen ringförmigen Strömungskanal bildet, daß ein Prallkörper von der Verkleidung getragen wird und stromunterseitig der Düsen angeordnet ist und daß ein Ablenkkörper koaxial innerhalb der Verkleidung angeordnet ist, daß der von den Düsen ausgespritzte Brennstoff zwischen die Verkleidung und den Prallkörper gelangt und der von der zentralen Düse ausgespritzte Brennstoff auf den Ablenkkörper auftrifft, und daß eine Hochdruckströmung durch den von der Aoschirmung und der Verkleidung gebildeten Kanal in den von der Abschirmung und dem Zentralkörper definierten Kanal strömt.
2. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper einen zentralen FlUssigbrennstoffkanal relativ kleinen Querschnitts besitzt und in einer Düse endet, die der Hilfsbrennstoffverbrennung dient,und daß hierzu konzentrisch ein ringförmiger Flüssigbrennstoffkanal relativ großen Querschnitts angeordnet ist, der In einer Düse endet, die der Hauptbrennstoffverbrennung dient.

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3. Brennstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet , daß der Ablenkkörper an der Umfangswand der ringförmigen Flüssigbrennstoffdüse befestigt ist.
4. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkkörper eine innere kegelstumpfförmige Ablenkoberfläche aufweist, die koaxial zu den Düsen liegt und nach dem Prallkörper hin divergiert.
t). Brennstoff injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Abschirmung und der Verkleidung angeordnete Düse gasförmigen Brennstoff liefert.
6. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Prallkörper eine im wesentlichen konische Oberfläche aufweist, deren Achse mit der Achse der Düsen zusammenfällt und dessen Scheitel nach den Düsen hin gerichtet ist.
7. Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper eine an seinem stromunterseitigen Ende festgelegte Platte besitzt, die als Wärmesenke dient und die Ablagerung von Kohlenstoff verhindert.
8. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verkleidung einen in Strömungsrichtung konvergierenden Abschnitt aufweist und außerdem einen stromunterseitigen Abschnitt, der in Strömungsrichtung divergiert. %

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9. Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Verdichter, einer Verbrennungseinriehtung, einer Turbine und einem Brennstoffin j ekt or nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die BrennstoffzufUhrungseinrichtung so steuerbar ist, daß gleichzeitig die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff nach der von der Abschirmung und dem Zentralkörper gebildeten Düse und die Zuführung flüssigen Brennstoffs nach wenigstens einer der anderen Düsen ermöglicht wird.
10. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brannstoffinjektor ein Ventil aufweist, daß der Gasbrennstoffdüse zugeordnet ist, um selektiv die Gasbrennstoffdüse mit ihrer BrennstoffZuführungsvorrichtung oder einer Hochdruckluftquelle zu verbinden.

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