DE1476793A1

DE1476793A1 - Kraftstoff-Zufuhreinrichtung fuer Gasturbinen-Triebwerke mit mehreren Duesen

Info

Publication number: DE1476793A1
Application number: DE19661476793
Authority: DE
Inventors: Hemsworth Martin Carl
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-11-19
Filing date: 1966-08-03
Publication date: 1969-10-23
Also published as: BE685022A; GB1106597A; US3335567A

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrere Düsen aufweisende Kraftstoff-Zufuhreinrichtung für Gasturbinen-Triebwerke.

Der Gegenstand der Erfindung lässt sich am besten verdeutlichen, wenn man ihn in dem ihm zugrundeliegenden technischen Zusammen« hang beschreibt, und zwar in Verbindung mit einem Gasturbinen-Triebwerk für Flugzeuge. Derartige Strahltriebwerke bestehen allgemein aus einem Axialverdichter, der die verdichtete Verbrennungsluft an eine ringförmige Brennkammer abgibt, in der Kraftstoff verbrannt wird. Mit den Verbrennungsprodukten wird eine Turbine beaufschlagt, welche den Axialverdichter antreibt. Die Verbrennungsprodukte strömen dann durch eine Strahldüse hindurch, wobei der

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Strahl eine Vortriebskraft erzeugt. In diesen und anderen Triebwerken mit einer ringförmigen Brennkammer sind um deren Umfang herum mehrere Kraftstoffdüsen derart verteilt angeordnet, dass in der Brennkammer eine im wesentlichen gleich» massige bzw· gleichförmige Verbrennung stattfindet.

Besonders bei der Verwendung der Triebwerke zum Antrieb von Flugzeugen schwankt der Leistungsbedarf in einem weiten Bereich. Damit das Triebwerk diesem Bedarf gerecht werden kann, sind Kraft stoff düsenelemente mit zwei Sprühdüsen entwickelt worden. Beim Betrieb mit niedriger Leistung wird der Kraftstoff nur von einer Sprühdüse abgegeben. Venn der Leistungsbedarf steigt, bewirkt der steigende Kraftstoffdruck das Öffnen eines Absperrorgans, das dann den Zutritt des Kraftstoffs zu der zweiten Sprühdüse freigibt. Die beiden Düsen geben dann mit gutem Wirkungsgrad die höhere Kraftstoff menge ab, die bei einer wirksamen vollständigen Verbrennung für die Erzeugung einer grösseren Energiemenge oder Leistung erforderlich ist.

Bei diesen Kraftstoff düsenelementen tritt nun das Problem auf, dass das Absperrorgan zur Steuerung der Kraftstoff zuf uhr zu der zweiten Sprühdüse manchmal offen bleibt, wenn der Kraftstoffdruck niedriger ist als der Druck, bei dem dieses Absperrorgan normalerweise schliesst. In diesem Zustand gibt dieses eine Düsenelement den Kraftstoff durch seine beiden Sprühdüsen ab,

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während die übrigen DUsenelemente den Kraftstoff nur durch je eine einzig· Sprühdüse abgeben. Die Folge ist eine unerwünscht hohe Wärmekonasentration an der Stelle, wo sich das nicht ordnungsgemäss funktionierende Düsenelement befindet; infolgedessen wird dort gewöhnlich auch weniger Kühlluft zugeführt, so dass die Brennkammer an dieser Stelle ausbrennen oder durch die Wäreespannungen, die auf diese Wärmekonzentration zurückzuführen ist, beträchtlichen Schaden erleiden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten und Mängel, die bei der Zufuhr von Kraftstoff zu mehreren DUsenelementen in der Brennkammer von Triebwerken auftreten, dessen Leistungsbedarf in einem weiten Bereich schwankt, zu vermeiden.

Um dies nun zu erreichen, wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen, die vorstehend beschriebenen Düsenelemente durch Leitungen miteinander zu verbinden, die bewirken, dass der Kraftstoff von einem nicht einwandfrei funktionierenden DUsenelement fortgeleitet und verteilt wird, so dass die Temperatur im Bereich des entsprechenden DUsenelements herabgesetzt und die Wärme über einen relativ grossen Teil der Brennkammer verteilt wird.

In den Figuren 1 bis k der Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung anhand eines besonders bevorzugten AusfUhrungsbeispiels dargestellt, welches nachstehend im einzelnen näher beschrieben ist« Es zeigern

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Gasturbinen« Triebwerkes im Bereich des eintrittsseitigen Endes der Brennkammer;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Brennstoffzufuhrleitungen zu den Sprühdüsen;*

· 3 eine Aufsicht auf das Triebwerk im Bereich der Linie III-III in Fig. 1 j

Fig. k einen Längsschnitt durch ein Düsenelement entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.

Die erfindungsgemässe Kraftstoffzuführeinrichtung ist insbesondere für Gasturbinen-Triebwerke geeignet. Ein Teil eines solchen Triebwerkes ist in Fig. 1 in seinem generellen Aufbau angedeutet. In derartigen Triebwerken wird Luft durch einen Axialverdichter verdichtet, dessen Endstufe 10 unmittelbar vor der Brennkammer 12 liegt. Ein Teil der verdichteten Luft tritt in die ringförmige Brennkammer 12 ein, in der der Kraftstoff verbrannt wird, der von den Düsen 14 versprüht wird. Die restliche Luft dient u.a. als Kühlmittel und strömt auf entgegengesetzten Seiten der Brennkammer 12 an deren Wänden entlang; sie tritt durch Kanäle, die von der ausseren Verkleidung 16 des Triebwerkes und der äusseren Brennkammerwand sowie von dem Innenmantel 18 und der inneren Brennkammer»

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wand begrenzt sind. Die aus der Brennkammer 12 austretenden Verbrennungsprodukte werden in an sich bekannter Weise zum Antrieb des Axialverdichters und zum Erzeugen einer Schubkraft, beispielsweise durch einen Treibstrahl, verwendet.

Die Düsenaggregate 14 sind in gleichen Abständen voneinander im Kreis um die ringförmige Brennkammer 12 herum angeordnet, wie dies aus der schematischen Darstellung in Fig. 2 deutlich hervorgeht, so dass in der Brennkammer übei/den ganzen Umfang hinweg eine im wesentlichen gleichmässige Temperatur aufrechterhalten wird.

Die von den Dtfsenaggregaten 14 abzugebende Kraftstoffmenge ist bei verschiedenen Betriebszuständen des Triebwerkes sehr unterschiedlich. Die Steuerung der Kraftstoffzufuhr selbst zwecks Einstellung des gewünschten Betriebszustandes des Triebwerkes stellt keinen Teil der Erfindung dar. Der Hinweis, dass der Kraftstoff unter Druck in eine ringförmige Verteilerleitung 20 eingeleitet wird, reicht vorliegend aus. Über die Rohrleitungen 24 gelangt der Kraftstoff dann zu den einzelnen Düsenaggregaten 14. Die Rohrleitungen 24 weisen eine Reihe von Krümmungen auf, damit sie die unterschiedliche Wärme«, dehnung aufnehmen können.

Jedes Düsenaggregat 14 besitzt ein Gehäuse 26 mit einem Flansch 28, mit dem das Gehäuse 26 an der Wand der Brennkammer 12 befestigt ist. Das zugehörige Zuleitungerohr 24 ist in das Düsen··

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gehäuse 26 eingeführt und an dieses befestigt. Der Kraftstoff tritt in die obere Kammer JO ein und gelangt dann durch den Kanal 32 zu der inneren Sprüh— bzw» Zerstäuberdüse 34, die geeignet ist, durch Abgabe einer bestimmten Kraftstoff menge die Verbrennung aufrechtzuerhalten, die für den Betrieb des Triebwerkes bei niedriger Leistung erforderlich ist·

Wenn eine höhere Triebwerksleistung erwünscht ist, wird der Kraftstoffdruck erhöht, so dass er die Kraft der Feder j6 überwindet, die auf den Kolbenschieber 33 einwirkt. Der Kolben 38 wird dann weiter in das Innengehäuse 40 gedrückt, bis die Löcher 42, 44 miteinander fluchten. Der Kraftstoff tritt dann durch den Kanal 46, der sich in dem Kolben 38 und den Gehäusen 26 und 40 befindet, zu der zweiten Sprüh'· bzw. Zerstäuberdüse 48. Diese ist grosser als die Düse 34 und liegt zu dieser konzentrisch.

Die vorstehend beschriebenen Teile des Düsenaggregats 14 sind an sich bereits bekannt. Wesentlich ist, dass bei niedriger Leistung des Triebwerkes der Kraftstoff nur aus einer Zerstäuberdüse und bei höherer Leistung aus beiden Zerstäuber·· düsen austritt.

Während des Betriebs des Triebwerkes erfolgt die Umschaltung vom Betrieb mit einer Düse zum Betrieb mit beiden Düsen bei allen Düsenaggregaten 14 im wesentlichen gleichzeitig, so dass die Wärme über den ganzen Umfang der Brennkammer 12 herum gleiohmässig verteilt ist.

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Di· Oiimmnm.fgTmgB.t9 14 arbeiten zwar sehr zuverlässig, doch muss inabesondere bain Batriab «in·· Flugzeuge jeder Funktionafehler unbedingt verhindert werden. Sa kann nun aber vorkommen, dass dar Kolbenschieber 38 in seiner niedergedrückten Stellung verbleibt, auch wenn der Kraftstoffdruck wieder abgesunken ist. Sin derartiger Fahler tritt gewöhnlich nur bei einem Düsen» aggregat 14 auf, während die anderen DUsenaggregate einwandfrei arbeiten· In einen solchen Fall führt dann die ausβerst starke Kraftstoff abgabe an einer bestimmten Stelle in der Brennkammer durch da· fehlerhaft arbeitende Dttsenaggregat zu einer Wärmekonzentration in einem kleinen Teil der Brennkammer. Infolge dieser Värmekonzentration treten Wärmespannungen auf und die Brennkammer kann leicht ausbrennen oder sogar das Triebwerk vollständig ausfallen.

Aus diesem Grund ist nun Jedes der Düsenaggregate 14 durch Rohrleitungen *»0 mit den ihr auf beiden Seiten benachbarten Düsenaggregaten verbunden. Zur Kompensation unterschiedlicher Wärmedehnungen sind die Rohre 50 wendelförmig ausgebildet. Die Enden der Rohrleitungen 50 münden in Anschlußstücke 52, die mit den DUsengehäusen 26 verbunden sind. Der Kanal $k im Düsengehäuae 26 stellt die Verbindung zwischen den Rohrleitungen 50 zu den benachbarten DUsenaggregaten und dem Kanal 46 her, durch den nach Passieren des Absperrorgan« 39 die Sprüh- bzw. Zerstäuberdüse 48 mit Kraftstoff versorgt wird.

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Bei normalem Betrieb strömt durch die Verbindungsleitungen $0 praktisch kein Kraftstoff, da in diesen Leitungen derselbe Druck herrscht, wie in den Kanälen k6 der Düsenaggregate 14. Wenn aber einmal das Absperrorgan 39.in einem der Düsenaggre« gate "Xk ausfällt, strömt Kraftstoff durch die Rohrleitungen und wird dadurch auf andere DÜsenaggregate Ik verteilt, die dem fehlerhaft arbeitenden Düsenaggregat auf beiden Seiten benachbart liegen. Man erzielt auf diese Weise zwei Vorteile. w Erstens wird die aus dem fehlerhaften Düsenaggregataustretende Kraftstoffmenge an der speziellen Stelle und damit auch die auftretende Temperaturspitze auf ein Minimum herabgesetzt und zweitens bewirken die einander benachbarten Düeenaggregate, * dass die Wärmemenge von der kritischen Stelle aus nach beiden Seiten fortschreitend kleiner wird und daher die Wärmespannung gen auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Die Rohrleitungen $Q sind vorzugsweise so bemessen, dass si« den Kraftstoff von einem fehlerhaft arbeitenden Düeenaggregat auf etwa ein Drittel der übrigen Düsenaggregate verteilen. Auf diese Weise lassen sich die zuvor angegebenen Vorteil· erreichen und die Wirkung de* hydrostatischen Druck· wird auf «in Minimum herabgesetzt. Dies· Wirkung könnte dazu führen, da·· die unteren Düeenaggregate 14 im Betrieb heieser werden als di· oberen Düsen«· aggregat·, wenn di··· Dü*«naggr«gat· in tintr vertikalen Eben· angeordnet sind, wi· di·· bei d·» gezeigten Au»führungeb*ispi*l d*r Fall iat. '

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Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschliesslich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

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Claims

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General Electric Company, Schenectady, N.Y. (USA)

Patentansprüche

. jKraftstoff-Zufuhreinrichtung für Gasturbinen-Triebwerke mit mehreren Düsen, wobei jedes Kraftstoff-Düsenaggregat an einen Verteiler für den unter Druck stehenden Kraftstoff angeschlossen ist und zwei Zerstäuberdüsen aufweist, die über Kanäle mit dem Verteiler verbunden sind, und ein durch den Kraftstoffdruck gesteuertes Absperrorgan die Kraftstoff menge steuert, die der Sprüh- bzw. Zerstäuberdüse für den grösseren Leistungsbereich zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei einander benachbarte Düsenaggregate (14) durch eine Rohrleitung (50) miteinander derart verbunden sind, dass die

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Kraftβtoffzuf uhrkanäle (46) zwischen dem die Kraftstoffzufuhr steuernden Absperrorgan (39) und der Sprüh« bzw. Zerstäuberdüse (48) für den grösseren Leistungebereich Miteinander.in Verbindung stehen·

2« Kraftstoff—Zuführeinrichtung nach Anspruch 1, ansonst wie beschrieben und bzw. oder dargestellt·

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