DE1114676B - Schleudervorrichtung zum Zerstaeuben fluessiger und kolloider fester Brennstoffe in Brennkammern von Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schleudervorrichtung zum Zerstäuben flüssiger und kolloider fester Brennstoffe in Brennkammern von Gasturbinen mit einem umlaufenden Zerstäuberkörper, der als Topfrad mit einem nach der Brennkammer zu kegelförmig sich erweiternden Hohlraum ausgebildet ist, dem Brennstoff zugeführt wird.

Für Brennkammern derartiger Turbinen wird gefordert, daß bei geringster Baulänge ein möglichst kleiner Druckverlust eintritt und eine gleichmäßige Temperaturverteilung am Brennkammeraustritt erreicht wird. Einen wesentlichen Einfluß übt hierbei die Art der Einbringung des Brennstoffes in die Brennkammer aus.

Bei den bekannten Gas- bzw. Heißluftturbinen wird der Brennstoff meist durch Düsen unter hohem Druck in Form eines drallbehafteten Spritzkegels in die Brennkammer eingebracht. Diese örtlich eng begrenzte Einbringung des Brennstoffes hat jedoch den Nachteil einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung; es ist also erforderlich, die Primärverbrennung auf mehrere mehr oder weniger komplizierte Brennkammerköpfe aufzuteilen, um dann am Sekundärteil eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen. Durch diese Anordnung vergrößert sich aber notwendigerweise die Baulänge der Brennkammer; ein weiterer Nachteil ist der große Bedarf an hochwertigen Einspritzdüsen, die nur eine begrenzte Lebensdauer haben.

Es sind ferner Gasturbinen bekannt, bei denen der Brennstoff mit Hilfe eines mit radialen Bohrungen versehenen Schleuderrades unter Fliehkraftwirkung und geringem Druck in die Brennkammer eingebracht wird.

Hierbei ist vor allem von Nachteil, daß der Brennstoff dem Schleuderrad durch die zentrisch aufgebohrte Welle zwischen Verdichter und Turbine zugeführt wird. Von den langen Zuführwegen abgesehen, bereitet insbesondere die Abdichtung bei der Zuführung des Brennstoffes zur rotierenden Welle sowohl konstruktive als auch fertigungstechnische Schwierigkeiten. Außerdem steht einer Anwendung des bekannten Schleuderrades bei Kleinturbinen mit hoher Läuferumlaufzahl das erforderliche Getriebe im Wege.

Es sind ferner Schleudervorrichtungen teils für Ölfeuerungen an Kesseln, teils für Brennkammern an Gasturbinen bekannt, mit denen der Brennstoff in den Brennraum unter Verwendung eines umlaufenden Zerstäuberkörpers eingebracht wird, der als Topfrad mit einem nach der Brennkammer zu kegelförmig sich erweiternden Hohlraum — dem der Schleudervorrichtung zum Zerstäuben

flüssiger und kolloider fester Brennstoffe

in Brennkammern von Gasturbinen

Anmelder:

VEB Entwicklungsbau Pirna,
Pirna-Sonnenstein

Gerhard Gutter, Dresden,
ist als Erfinder genannt worden

Brennstoff zugeführt wird — ausgebildet ist. Diesen kegelförmigen Topfrädern wird der Brennstoff ebenfalls zentral durch eine in der hohlen Antriebswelle angeordnete Leitung zugeführt, und zwar entweder mittelbar von einer Vorkammer aus über außermittig angeordnete Kanäle oder unmittelbar in den Hohlraum. Im Hohlraum wird der Brennstoff bei diesen Vorrichtungen unter der Wirkung der Fliehkraft gegen die Innenwand des Kegelmantels des rotierenden Zerstäuberbechers geschleudert.

Auf dieser Freiflugstrecke in radialer Richtung werden die Flüssigkeitsteilchen unter dem Einfluß der Fliehkraft beschleunigt. Beim Auftreffen des Brennstoffes an der Becherwand wird die der Flüssigkeit innewohnende Energie in Druck umgesetzt, so daß die Geschwindigkeit und die Beschleunigung bis auf Null absinken. Der Brennstoff ist somit nicht mehr beschleunigt, wenn er an der Wand des Zerstäuberbechers auftrifft. Dies hat zur Folge, daß nur ein geringer Teil der Flüssigkeitsmenge weitergefördert wird, nämlich der Teil, der an der Wandung als Folge der Adhäsion haftet und unter der Wirkung der entsprechenden Fliehkraftkomponente allmählich an ihr entlangfließt, um an der äußeren freien Kante des Bechers in Tropfenform — also in nicht vernebeltem Zustand — abgeschleudert zu werden. Es zerstäubt also nur ein geringer Teil der Brennstoffmenge ordnungsgemäß und wird im richtigen Verhältnis mit der Verbrennungsluft gemischt. Der größere Teil der gegen die Wand geschleuderten Flüssigkeit prallt von dieser wiederholt ab, gleitet über die an der Wandung haftende, ordnungsgemäß geförderte filmdünne Brennstoffschicht hinweg und

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fließt in einem zusammenhängenden Strahl, der unter der Wirkung der Umfangsgeschwindigkeit unter einem gewissen Winkel entgegen der Umlaufrichtung geneigt ist, nach unten ab. Bei den großen Brennräumen bzw. Brennkammern von Kesselfeuerungen hat dieser Mangel keinen oder nur geringen Einfluß auf eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennkammer. Bei den hochbelasteten, in ihrem Volumen kleinen Brennkammern von Fahrzeug- bzw. Flugzeuggasturbinentriebwerken verursacht abtropfender Brennstoff jedoch empfindliche Störungen oder schwere Havarien, weil tropfenförmiger Brennstoff infolge der ungenügenden Mischung mit Luftsauerstoff eine um ein Mehrfaches intensive, örtlich auf kleinsten Raum begrenzte Verbrennung bewirkt, und zwar vorwiegend an der dünnen Brennkammerwand, die ihrerseits eine unzulässig hohe, zu Deformierungen und zu Störungen führende Erhitzung des Wandwerkstoffes zur Folge hat. Mit Rücksicht auf die sehr hohe Umlaufgeschwindigkeit des Zerstäuberbechers ao bei derartigen Gasturbinen ist es im Hinblick auf das richtige Mischungsverhältnis zwischen Brennstoffdampf und Verbrennungsluft ein zwangläufiges Erfordernis, daß der Brennstoff unmittelbar vor dem Eintritt in den Zerstäuberbecher tangential beschleunigt wird, um ein restloses Zerstäuben des gesamten Brennstoffes und damit ein brauchbares Flammenbild zu erhalten.

Angesichts dieser geschilderten Mangel besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Einspritzvorrichtung zu schaffen, mit der bei jedem Betriebszustand die gesamte zugeführte Brennstoffmenge ohne Tropfenbildung einwandfrei zerstäubt wird. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine solche Zuführung und Weiterleitung des Brennstoffes, daß spätestens vom Augenblick des Eintrittes des beschleunigten Brennstoffes in den brennkammerseitigen kegelförmigen Hohlraum des Topfrades die Geschwindigkeit der Brennstoffteilchen an jeder Stelle der inneren Kegelmantelfläche bis zum Ort der Zerstäubung am Rande des Kegelbandes der Umfangsgeschwindigkeit des Topfrades entspricht, damit ein Abschleudern von Brennstoffteilchen an feststehenden Bauteilen im Bereich des Hohlraumes und erne daraus resultierende Tropfenbildung an der tiefsten Stelle dieser feststehenden Bauteile verhindert wird.

Der Zerstäuberkörper ist als Topfrad nach der Erfindung in der Weise ausgebildet, daß ein eintrittsseitig geöffneter Ringraum zur Aufnahme und Beschleunigung des außerhalb der Triebwerkswelle zugeführten Brennstoffes angeordnet ist, der durch die Topfradscheibe des Zerstäuberkörpers vom brennkammerseitig angeordneten Kegelhohlraum getrennt ist, daß der Kegelöffnungswinkel des Kegelhohlraumes in axialer Richtung zur Brennkammer hin größer wird und daß beide Innenräume des Zerstäuberkörpers mittels divergent in der Topfradscheibe angeordneter Öffnungen verbunden sind.

Ein weiteres bauliches Merkmal des Zerstäuberkörpers besteht nach der Erfindung in einer derart divergenten Anordnung der zur Zuführung des Brennstoffes in den eintrittsseitig offenen Ringraum außerhalb der Triebwerkswelle dienenden Kanäle, daß die Flüssigkeitsstrahlen in Umlaufrichtung tangential an der Trennwand zwischen Ringraum und Hohlraum auftreffen.

Mit der Schleudervorrichtung nach der Erfindung werden durch die Zuführung des Brennstoffes über kurze Zuführungskanäle außerhalb des Bereiches der Umlauf achse der Triebwerkswelle in Verbindung mit der Anordnung eines Ringraumes Verzögerungen in bezug auf die Regelung des Triebwerks durch eine Entleerung des Zuführungskanals vermieden. Ferner kann der Ort der Zerstäubung des Brennstoffes in Richtung der Achse der Brennkammer beliebig gewählt werden, und es werden alle Schwierigkeiten vermieden, die mit einer zuverlässigen Abdichtung zwischen dem feststehenden und dem umlaufenden Teil der Leitung bei einer zentralen Zuführung des Brennstoffes durch die hohle Triebwerkswelle zwangsweise verbunden sind.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand an einem im Schnitt dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert, und zwar in Verbindung mit Teilen der Brennkammer bzw. des Brennkammergehäuses.

Das Topfrad 4 ist auf der Welle 3 in bekannter Weise befestigt. Im Gehäuse 1 befinden sich eine oder mehrere auf dem Umfang verteilte Bohrungen bzw. Kanäle 2, um den flüssigen Brennstoff in den auf der einen Seite des umlaufenden Topfrades 4 befindlichen Ringraum 5 in Umlaufrichtung einzubringen. Hierbei ist der in den Ringraum 5 mündende Teil der Zuführkanäle 2 in der Weise räumlich schräg zur Umlaufachse angebracht, daß die Brennstoffstrahlen unter einem kleinen Winkel an der Rückwand des Ringraumes 5, also nahezu tangential auftreffen.

Der nach der Brennkammer? zu offene Hohlkegelraum 6 des Topfrades 4 wird durch zwei Hohlkegel mit divergierenden Mantellinien gebildet. Die Mantellinien des inneren Kegels 6 a weisen eine geringe Neigung, die Mantellinien des äußeren Kegels 6 b dagegen eine stärkere Neigung auf. Der Ringraum 5 ist mit dem Hohlkegelraum 6 durch Kanäle 9 verbunden, die nach dem Hohlkegelraum 6 zu ebenfalls divergent verlaufen. Der größere Teil der Primärluft wird der Brennkammer? durch einen axial verlaufenden Ringdrallraum 9 außerhalb des Topfrades 4 zugeführt. Zur Zuführung des restlichen kleineren Teiles der Primärluft ist ein zweiter ringförmiger Körper 10 gegenüber dem Hohlkegelraum 6 des Topfrades 4 derart angeordnet, daß zwischen dem Topf rad 4 und dem Ringkörper 10 ein Ringspalt 13 geschaffen ist. Im Ringkörper 10 befinden sich Öffnungen 11, durch die ein Teil der durch den Ringkörper 10 zuzuführenden Primärluft unmittelbar in die Brennkammer 7 eintritt, während der andere Teil durch Öffnungen 12 über den Ringspalt 13 in die Brennkammer 7 eintritt.

Die Wirkungsweise der Schleudervorrichtung nach der Erfindung ist folgende:

Sobald der flüssige Brennstoff über die Bohrungen bzw. Kanäle 2 in den Ringraum 5 des mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Topfrades 4 eingetreten und etwa tangential an der den Ringraum 5 von dem Hohlkegelraum 6 trennenden Wand aufgetroffen ist, bildet sich im Ringraum unter der Wirkung der Fliehkraft ein Flüssigkeitsring, in dessen Bereich die Eintrittsöffnungen der Verbindungskanäle 8 liegen. Der Brennstoff gelangt somit in den Hohlkegelraum 6 des Topfrades 4 und verteilt sich ebenfalls unter der Wirkung der Fliehkraft gleichmäßig in Form eines nach außen schwächer werdenden Flüssigkeitsfilmes auf dem Kegelmantel 6a, gelangt auf den stärker geneigten Kegelmantel 6 b, um in feinstverteilter Form an der Kante abzureißen und in zerstäubtem Zu-

stand in die Brennkammer 7 geschleudert zu werden. Der kleinere Teil der beim offenen Gleichdruckprozeß bei Heißluftturbinen aus der Turbine nach der Expansion bzw. bei Gasturbinen aus dem Verdichter nach der Verdichtung austretenden und als Primärluft in die nachgeschaltete Brennkammer? eintretenden Heißluft bewirkt im Bereich des Ringspaltes 13 eine Erwärmung und Vorverdampfung des flüssigen Brennstoffes, wodurch die Nebelbildung gefördert wird. Durch an sich bekannte, in der Zeichnung dargestellte, mit der Erfindung aber nicht in unmittelbarem Zusammenhang stehende Maßnahmen, insbesondere durch labyrinthartige Abdichtungselemente und ein aus dem Primärluft-Hauptstrom gebildetes Luftpolster wird ein Zurückschlagen der Brenngase aus der Brennkammer 7 verhindert.

Der Vorteil der Schleudervorrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß eine feine und gleichmäßige Verteilung bzw. Zerstäubung des Brennstoffes auf dem gesamten Umfang des Topfrades 4 im Brennraum erreicht wird. Hierdurch ist es möglich, eine Ringbrennkammer zu schaffen, mit der bei kleinen Abmessungen und bei geringeren Druckverlusten gegenüber den bekannten Vorrichtungen ein wesentlich besserer Verbrennungswirkungsgrad erzielt wird. Daneben wird durch den Fortfall der Einspritzdüsen und durch die Verkürzung der Brennkammer an hochwertigem warmfestem Werkstoff und damit an Arbeitszeit sowie an Kosten gespart. Da der Förderdruck der Brennstoffpumpe nur einen Bruchteil des Druckes bei Verwendung von Einspritzdüsen beträgt, ergibt sich auch eine einfachere bauliche Ausführung für die Pumpen. Außerdem ist eine leichte Zugänglichkeit aller zur Zuführung des Brennstoffes in die Zerstäubervorrichtung dienenden Bauteile gewährleistet.

Die Schleudervorrichtung nach der Erfindung eignet sich für alle in Gas- bzw. Heißluftturbinen verwendbaren Brennstoffe_s insbesondere aber für minderwertige Bunkeröle bzw. kolloide Kohlenstaubgemische.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:
   1. Schleudervorrichtung zum Zerstäuben flüssiger und kolloider fester Brennstoffe in Brennkammern von Gasturbinen mit einem umlaufenden Zerstäuberkörper, der als Topfrad mit einem nach der Brennkammer zu kegelförmig sich erweiternden Hohlraum ausgebildet ist, dem Brennstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Zerstäuberkörper (4) ein eintrittsseitig geöffneter Ringraum (5) zur Aufnahme und Beschleunigung des außerhalb der Triebwerkswelle

   (3) zugeführten Brennstoffes angeordnet ist, der durch die Topfradscheibe (4) des Zerstäuberkörpers vom brennkammerseitig angeordneten Kegelhohlraum (6) getrennt ist, daß der Kegelöffnungswinkel (6 b) des Kegelhohlraumes (6) in axialer Richtung zur Brennkammer hin größer wird und daß beide Innenräume des Zerstäuberkörpers mittels divergent in der Topfradscheibe

   (4) angeordneter Öffnungen verbunden sind.
2. 2. Schleudervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch derart divergente Anordnung der zur Zuführung des Brennstoffes in den Ringraum (5) außerhalb der Triebwerkswelle (3) dienenden Kanäle (2), daß die Flüssigkeitsstrahlen in Umlaufrichtung tangential an der Wandung des Ringraumes (5) auftreffen.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 734 101, 701 672.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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