DE2618219A1

DE2618219A1 - Brennstoffeinspritzvorrichtung fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2618219A1
Application number: DE19762618219
Authority: DE
Inventors: John Alan Mobsby
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1975-04-25
Filing date: 1976-04-26
Publication date: 1976-11-11
Also published as: IT1062978B; GB1537671A; JPS5754688B2; JPS51127912A; FR2308790A1; FR2308790B1

Description

Patentanwälte Di ρ I.-1 ng. C u rt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

2618219 Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 26. April 1976

Unser Zeichen: 15 509 - K/Kl

Rolls-Royce (1971) Limited, London/England

Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk.

Eine bekannte Brennstoffeinspritzvorrichtung für Gasturbinentriebwerk besteht aus einem hohlen Zentralkörper und einem äusseren Körper, der wenigstens teilweise den Zentralkörper umgibt und einen Strömungskanal zwischen dem Zentralkörper und dem äußeren Körper definiert. Der Strömungskanal und der Zentralkörper werden mit komprimierter Luft gespeist^ wenn die Einspritzvorrichtung in Betrieb befindlich ist, und die innere Oberfläche des Zentralkörpers, die normalerweise als Wirbelkammer bekannt ist, wird mit Brennstoff aus mehreren öffnungen versorgt. Der Brennstoff bildet einen Ring und strömt nach hinten aus der Wirbelkammer ab und wird durch, die Luft versprüht, wenn er aus der Wirbelkammer gelangt, so daß ein konisch gestalteter Sprühstrahl aus Brennstoff erzeugt wird, der aus der Einspritzvorrichtung austritt.

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Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine tatsächliche Ringform nicht immer zuverlässig erlangt werden kann, wenn, wie dies typisch für eine solche Einspritzvorrichtung ist, sechs Brennstofföffnungen in der Wand der Wirbelkammer ausgebildet sind und dies kann dazu führen, daß der Sprühstrahl in diesem Falle aus sechs im wesentlichen getrennt voneinander verlaufenden Sprühstrahlen besteht, von denen jeder eine ungünstige Sprühqualität besitzt und die in konischer Form angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Versprühung zu erhalten.

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk bestehend aus einem hohlen Zentralkörper, einem äußeren Körper, der wenigstens teilweise den Zentralkörper umgibt, und einen Strömungskanal dazwischen bildet, wobei der Strömungskanal und das Innere des Zentralkörpers mit komprimierter Luft gespeist werden und mehrere Brennstoffkanäle vorgesehen sind, von denen jeder Brennstoff nach einer Öffnung in der inneren Oberfläche des Zentralkörpers fördert. Gemäß der Erfindung ist innerhalb des hohlen Zentralkörpers ein Ringkörper benachbart zu den Öffnungen derart angeordnet, daß ein Ringspalt zwischen ihm und der innern OberfLäche des Zentralkörpers gebildet wird, dem über die öffnungen eine Brennstoffströmung zugeführt wird, wobei die radiale Breite des Spaltes groß genug ist, damit keine die Strömung störende Öffnung für die Brennstoffströmung erzeugt wird, aber klein genug,, damit eine Glättung der Brennstoffströmung auf der inneren Oberfläche des Zentralkörpers erreicht wird.

Vorzugsweise ist^eder Kanal in einem spitzen Winkel gegenüber der inneren Oberfläche des Zentralkörpers angestellt. Die Kanäle können einen kreisförmigen, einen quadratischen oder einen rechteckigen Querschnitt besitzen.

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

Pig. I eine 'schematische, teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem Brennstoffinjektor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Axialschnitt des Brennstoffinjektors nach Fig. 1;

Fig. J5 einen Schnitt nach der Linie III-III gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 welches in Strömungsrichtung hintereinander einen Kompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12, eine Turbine I^ und eine Schubdüse 14 aufweist. Das Triebwerk als Ganzes arbeitet in herkömmlicher Weise, indem die in den Kompressor 11 eintretende Luft hier komprimiert und dem Verbrennungsabschnitt 12 zugeführt wird, wo Brennstoff injiziert und die sich hieraus ergebende Mischung verbrannt wird« Die Abgase strömen dann durch die Turbine 12 und treiben die Turbine an, die Ihrerseits den Kompressor treibt. Die Rest-gase der Turbine durchströmen dann die Düse 14 und liefern den Antriebsschub.

Das Gehäuse des Triebwerks ist im Bereich der Verbrennungseinrichtung aufgebrochen (Fig. 1), um die Brennkammer darzustellen, die ein Flammrohr 15 aufweist an dessen stromoberseitlgem Ende ein Brennstoffinjektor 116 angeordnet ist.

Der oder die Brennstoffinjektoren 116 sind in einem Flammrohr angeordnet, das in Betrieb mit komprimierter Luft aus dem Kompressor des Triebwerks versorgt wird. Dieser komprimierten Luft wird im Flammrohr Brennstoff zugesetzt, um eine Brennstoff/ Luftmischung zu erzeugen, die dann gezündet wird.

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Fig. 2 zeigt den Brennstoffinjektor 116 in Axialschnitt zusammen mit dem Endabschnitt des entsprechenden Flammrohres 15.

Die Luftströmung verläuft von links nach rechts, wie durch die Pfeile 115 angedeutet.

Der Brennstoffinjektor ist symmetrisch bezüglich seiner Längsmittelachse 101 und besteht aus einem zylindrischen Hohlkörper 121, der im Ende des Flammrohres 15 angeordnet ist. Dieser Zentralkörper 121 wird durch.einen äußeren Körper 122 teilweise umgeben und hierdurch wird ein ringförmiger Strömungskanal 12^ gebildet. Im Betrieb strömt komprimierte Luft durch den hohlen Zentralkörper 121 und ebenso durch den ringförmigen Strömungskanal

Die innere Oberfläche 129 des Zentralkörpers 121 ist mit sechs öffnungen 128 ausgestattet, die über eine gleiche Zahl von Strömungssteuerleitungen 124 und über mehrere Leitungen 125 mit größerer Strömungsquerschnittsfläche als die öffnungen 128 mit einer Ringhauptleitung 126 verbunden sind. Die Ringhauptleitung wird mit Brennstoff vom Fördersystem des Triebwerks über eine Leitung 152 versorgt.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Kanäle mit quadratischem Querschnitt ausgebildet. Es können jedoch auch Leitungen mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt benutzt werden. Sie liegen mit ihren Mittellinien in einer Ebene senkrecht zur Achse 101 und bilden einen spitzen Winkel gegenüber der Oberfläche' 129, so daß im Betrieb eine Verwirbelung des Brennstoffes bewirkt wird, der auf die Oberfläche gelangt. Innerhalb des Zentralkörpers 121 benachbart zu den öffnungen 128 befindet sich eine ringförmige Hülse 1^0. Diese Hülse bildet einen Ringspalt IjJl, in den der Brennstoff zwischen

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die Hülse und die Oberfläche 129 gefördert wird.

Innerhalb des hohlen Innenraums des Körpers 121 befindet sich eine Luft ab lenkvorrichtung

Die Wahl der radialen Breite des Spaltes 1J51 ist ausschlaggebend für die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzvorrichtung. So muß aus den oben erwähnten Gründen die durch den Spalt Ij51 gebildete St r ömungs fläche größer sein als die Gesamtströmungsfläche der sechs Steuerleitungen, und demgemäß muß die radiale Breite des Spaltes so gewählt werden, daß sie klein genug ist, um einen "Quetsch"-Effekt auf die Unregelmäßigkeiten der im wesentlichen ringförmigen Brennstoffströmung auszuüben, die auf der Oberfläche 129 erzeugt wird. Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel hat sich ergeben, daß bei sechs quadratischen Kanälen 124 mit einem Querschnitt von G, 63 mm · 0,63 mm die Radialbreite des Spaltes I3I 0,4 mm für eine optimale Betriebsweise betragen sollte, wenn der Durchmesser der Ringoberfläche 12,5 nra beträgt. Dies ergibt eine Fläche für den Ringspalt die etwa sieben mal so groß ist wie die Gesamtfläche der Kanäle 124.

Bei unterschiedlichen Abmessungen und Strömungen sowie Strömungsflächen der verschiedenen Kanäle ist es notwendig, den jeweils optimalen Spalt 1^1 entsprechend zu wählen, aber in allen Fällen muß dieser optimale Wert zwischen den Extremwerten liegen, die darin bestehen, daß der Spalt I3I so klein ist, daß er eine Strömungseinschnürung bildet bzw. so groß ist, daß er keine Wirkung auf den über die Oberfläche 129 strömenden Brennstoff aufweist.

Im Betrieb bilden die sechs Strömungen aus den Kanälen 124 und den öffnungen 128 eine mehr oder weniger ringförmige Brennstoffströmung, die schraubenlinienförmig längs der Oberfläche 129

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nach dem stromabwärtigen Ende des Körpers 121 verläuft. Ohne die Hülse lj5O wäre die Strömung unregelmäßig und insbesondere wären Räume größerer Brennstofftiefe vorhanden, die jeder der sechs öffnungen 128 entsprechen und dies führt zu Unregelmässigkeiten in dem schließlich erzeugten Brennstoffsprühstrahl. Wenn eine Hülse IjK) vorhanden ist und wenn der Spalt I3I gemäß der Erfindung gewählt wird, dann ist der Spalt so beschaffen, daß die Flächen größerer Brennstofftiefe "verquetscht" werden, um einen gleichmäßigeren Brennstoffilm zu erzeugen.

Diese Strömung schreitet nach hinten längs des Spaltes fort, da die Strömung infolge der Gestalt der Ringhülse 121 nicht im Gegensinn verlaufen kann. Die Ringhülse endet im wesentlichen in der Mitte zwischen der Lage der öffnungen 128 und dem stromabwärtigen Ende des Zentralkörpers 121. Der Brennstoff wandert weiter nach der oberfläche 129 in Form eines dünnen rotierenden Ringes im wesentlichen konstanter Dicke ab, wobei dieser Ring etwa 0,15 bis 0,2 mm dick ist, in diesem Bereich. Am stromabwärtigen Ende des Zentralkörpers 121 bricht dieser Brennstoffring vom Rand der Oberfläche 129 zwischen den Strömungen der komprimierten Luft, die durch den Strömungskanal 12^ bzw. das Innere des Zentralkörpers 121 strömt ab und wird nach außen durch die Ablenkeinrichtung Ij5j5 abgelenkt und die Scherwirkung zwischen diesen beiden Strömungen bewirkt eine Verstäubung des Brennstoffs im wesentlichen in konischer Gestalt, wobei das Ausmaß der Verstäubung wesentlich verbessert ist gegenüber einer Verstäubung die stattfindet, wenn die Ringhülse 1J50 fehlt.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche 129 parallel zur Achse 101 angeordnet, jedoch könnte der von der Oberfläche 129 begrenzte Kanal auch konvergieren und so die Kombination getrennter Brennstoffströmungen längs der Ober fläche 129 in eine einzige Ringströmung unterstützen. Immer

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vorausgesetzt, daß die Querschnittsfläche des Kanals zwischen der Oberfläche 129 und der Hülse 133 nicht kleiner wird als die kombinierte Querschnittsfläche der Kanäle 124.

Es wurde bereits erwähnt, daß die steuernde Strömungsfläche für die Brennstoffströmung im Injektor so angeordnet ist, daß .sie durch die Kanäle 124 geliefert wird. Dies ist wichtig, weil dann, wenn man zuläßt daß der Spalt I3I die Steuerfläche wird, es für einen zweckmäßigen Betrieb notwendig wird, daß der Spalt präzise ringförmig wird und zwar in einem Ausmaß.das bezüglich der Genauigkeit durch die heutigen Herstellungsmethoden schwer erreicht werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die Kanäle 124 relativ leicht mit hoher Genauigkeit gestaltet und kalibriert werden, so daß eine Brennstoffströmung nach der Oberfläche 129 gelangt, deren Unregelmäßigkeiten grundsätzlich nur jene sind, die durch die notwendige Weise vorhandenen diskreten Zuführungen aus den Öffnungen nach der Oberfläche resultieren, die aber nicht durch Ungenauigkeiten der Abmessungen bedingt sind.

Es können verschiedene Abwandlungen getroffen werden ohne den Rahmen der Bfindung zu verlassen. So könnten zusätzliche Brennst offzuführungs- oder Brennstoffeinspritzeinrichtungen vorgesehen werden, z.B. solche, die als Hilfseinspritzeinrichtungen arbeiten.

Patentansprüche: - 8 6Ö9846/0707

Claims

Patentansprüche

(IJ Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk bestehend aus einem hohlen Zentralkörper und einem äußeren Körper, der den Zentralkörper wenigstens teilweise umgibt und mit diesem einen Strömungskanal bildet, wobei der Strömungskanal und das Innere des Zentralkörpers mit komprimierter Luft versorgt werden und eine Reihe von Brennstoffkanälen vorgesehen ist, die den Brennstoff an die jeweiligen öffnungen in der inneren Oberfläche des Zentralkörpers liefern, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des hohlen Zentralkörpers (121) ein Ringkörper (150) angeordnet ist, der benachbart zu der Mehrzahl von öffnungen (128) so angeordnet ist, daß ein Ringspalt (1^1) zwischen ihm und der inneren Oberfläche (129) des Zentralkörpers (121) definiert wird, wobei der Spalt so angeordnet ist, daß eine Brennstoffströmung durch die öffnungen von dem Spalt empfangen wird, daß die radiale Abmessung des Spaltes so gewählt ist, daß er groß genug ist um keine die Brennstoffströmung steuernde öffnung zu bilden, aber klein genug um eine Klettungswirkung auf die Brennstoffströmung auszuüben, die auf der inneren Oberfläche des Zentralkörpers (121) abströmt.

2. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß/lie Abmessungen der Brennstoff kanäle (124) so gewählt sind, daß diese Kanäle die Strömungssteueröffnungen im BrennstoffStrömungspfad durch die Einspritzvorrichtung bilden.

J. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennstoffkanäle (124) mit ihren Mittellinien in einer Ebene senkrecht zur

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Achse der Brennstoffeinspritzvorrichtung liegen und einen spitzen Winkel gegenüber der inneren Oberfläche des Zentralkörpers anschließen.

4. Bre&toffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet , daß die Brennstoffkanäle (124) einen rechteckigen Querschnitt besitzen.

5. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche (129) des zylindrischen Körpers (121) eine im wesentlichen zylindrische Gestalt besitzt.

6. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der inneren Oberfläche des Zentralkörpers (121) in Richtung der Strömung durch den Zentralkörper konvergiert.

7. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (lj50) nur über einen Teil des Weges nach dem stromabwärtigen
Ende des hohlen Zentralkörpers (121) verläuft.

8. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftablenkkörper (133) innerhalb des hohlen Zentralkörpers (121) angeordnet ist.

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