DE2126849B2 - Brennstoffzerstaeubungsvorrichtung fuer gasturbinen - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzerstäubungsvorrichtung für Gasturbinen mit einem Brennstoffdüsenkopf, der eine mittig angeordnete sich nach außen kegelförmig erweiternde, mit einer scharfen Austrittskante endende Düsenöffnung aufweist und dessen äußere Umfangsfläche sich zunächst in Strömungsrichtung konisch verengt und sich zum Austritt hin wieder erweitert, und mit einem den Brennstoffdüsenkopf umgebenden und mit diesem einen ringförmigen Luftdurchgang bildenden Mantel, dessen innere Umfangsfläche flammenseitig sich zunächst in Strömungsrichtung ebenfalls verengt und sich zum Luftaustritt hin konisch erweitert und der stromab über die Austrittskante des Brennstoffdüsenkopfes vorsteht.

Eine derartige Zerstäubungsvorrichtung ist aus der US-PS 34 74 970 bekannt Bei solchen Zerstäubungsvor richtungen für Gasturbinen wird schon seit langer Zeit ein vom Verdichter kommender Luftstrom über die zu Koksansatz neigenden äußeren Flächen des Brennstoffdüsenkopfes geleitet, um unter anderem eine Verschmutzung dieser Flächen zu vermeiden, wie es in der GB-PS 6 94 483 beschrieben ist.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß infolge der hohen Brennkammertemperaturen und der in der Brennkammer auftretenden Rauchgasrückströmung auch die in die Brennkammer ragenden Teile des Luftführungsmantels einer Verkokung ausgesetzt sind. Weiterhin besteht infolge der hohen Temperatur am Brennstoffdüsenkopf die Gefahr des Crackens des Öles in den Brennstoffzufuhrkanälen und somit die Gefahr der Verschmutzung dieser Kanäle. Auch der vom Verdichter kommende Luftstrom ist bereits so hoch erhitzt, daß er diese Gefahr nicht abwenden kann. Bei einer auftretenden Verkokung ist aber mit einer ungleichmäßigen Zerstäubung und ungleichmäßigen Brennstoff-Luft-Vermischung /u rechnen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, bei einer Zerstäubungsvorrichtung der eingangs genannten Art eine gleichmäßige Brennstoff-Zerstäubung und Brennstoff-Luft-Vermischung durch Vermeidung von Kohlenstoff- bzw. Koksansätzen zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst. daß zwischen dem Mantel und dem Brennstoffdüsenkopf eine Abschirmung angeordnet ist, deren stromauf liegendes Ende fest mit der äußeren Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes verbunden ist und deren stromab liegendes Ende eng an einer an der äußeren Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes angeordneten ringförmigen, axial verlaufenden Trägerfläche anliegt und die einen ringförmigen Luftraum mit dem Brennstoffdüsenkopf sowie einen sich im wesentlichen axial erstreckenden Luftdurchgang mit dem Mantel bildet, und daß der stromauf mit der Abschirmung verbundene Mantel sich an seiner äußeren Umfangsfläche gegen sein flammenseitiges EnGe verjüngt, das in einer einen geringen Abstand von der Austrittskante aufweisenden Ebene liegt, und mehrere im Abstand voneinander angeordnete radiale Rippen aufweist, die gleitbar in der Öffnung einer Aufnahmevorrichtung angeordnet sind und einen schmalen Luftdurchgarig zwischen dem Mantel und der Aufnahmevorrichtung freilassen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der divergierende Auslaß für den umhüllenden Luftstrom läßt die Umhüllungsluft als einen Hohlkegel um den Brennstoffsprühnebel und in enger paralleler Nähe dazu austreten. Die auf der Außenfläche des Mantels angeordneten Rippen halten diesen in einem Abstand von der Aufnahmevorrichtung und ermöglichen eine filmartige Strömung entlang dieser Außenfläche. Durch die stromlinienförmige Verjüngung des Mantels kann dieser mit seiner sich nach außen erweiternden inneren Umfangsfläche eine stromab liegende Kante geringer radialer Ausdehnung bilden, zu der die filmartige Strömung ohne Ablösung geleitet wird, und außerdem werden dadurch die der Verkokung ausgesetzten Teile der äußeren Umfangsfläche des Mantels möglichst klein gemacht. Das stromab liegende

Ende des Brennstoffdüsenkopfes wird dadurch geichützt, daß der Mantel in axialer Richtung zwar im wesentlichen in der Ebene der Austrittskante des irennstoffdüsenkopfes endet, aber doch ein kleines Stück über diese hinausragt

Die radiale Ausdehnung der Rippen ist gering im Verhältnis zur radialen Ausdehnung des Luftdurchganges für die Umhüllungsluft, so daß die aus dem letzteren ausströmende Luft die filmartige Luftströmung an eier Itromab liegenden Kante des Mantels ablenkt und verhindert, daii diese filmartige Luftströmung den Brennstoffsprühnebelwinkel verengt Die zwischen dem ringförmigen Mantel und dem Brennstoffdüsenkopf angeordnete Abschirmung dient als Luftführung und vor allem als Hitzeschild gegen die heiße Verdichterluft end die Rückstrahlung aus der Brennkammer und verhindert ein Cracken des Brennstoffes in den Kanälen der Ztrstäubervorrichtung.

Nachfolgend wird auf die Abbildung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform der erfindungsgemä-Ben Brennstoffzerstäubungsvorrichtung dargestellt ist

Die Abbildung zeigt im Schnitt den auslaßseitigen Teil 46 der Brennstoffzerstäubungsvorrichtung mit einem Hauptkörper 56, einem Brennstoffdüsenkopf 58, einer Abschirmung 60, einem Mantel 62 und primären und sekundären Einsatzteilen 64 und 67.

Der Hauptkörper 56 mit seiner Mittellinie 51 weist einen primären Durchgang 57 für die Zuleitung des unter Druck stehenden Brennstoffes von einem Einlaß zum Einsatzteil 64 auf, welcher eine Vielzahl peripher im Abstand voneinander angeordneter axialer Wirbelschlitze 66 enthält, die dem Brennstoff eine Wirbelbewegung erteilen, bevor dieser durch eine erste öffnung 68 tritt, welche den Brennstoffsprühkegel 49 erzeugt In gleicher Weise hat der Hauptkörper 56 einen sekundären Durchgang 70, durch den der unter Druck stehende Brennstoff zu einer Vielzahl im Abstand voneinander angeordneter radialer Wirbelschlitze 72 geleitet wird, welche durch den sekundären Einsatzteil 67 und den Brennstoffdüsenkopf 58 gebildet werden. Der wirbelnde Brennstoff aus den Schlitzen 72 wird zu einer sekundären öffnung 74 geleitet, welche in dem Brennstoffdüsenkopf 58 vorgesehen ist und von der eine sich stromabwärts erweiternde, kegelstumpfförmige Führungsoberfläche 76 ausgeht, welche sich zur stromab liegenden Austrittskante 78 des Brennstoffdüsenkopfes 58 erstreckt. Hierdurch wird der aus der öffnung 74 ausströmende Brennstoffwirbel als ein anliegender konischer Brennstoffilm zu der Austrittskante 78 geleitet, mit einem öffnungswinkel, der im wesentlichen gleich dem gewünschten öffnungswinkel des Sprühnebels 48 ist.

Der Brennstoffdüsenkopf 58 umfaßt ein sich stromauf erstreckendes rohrförmiges Teil 80, welches über den Hauptkörper 56 geschoben und mit diesem verbunden ist, vorzugsweise außerhalb der Brennkammer und stromauf von einer Aufnahmevorrichtung 52, z. B. durch Schweißen oder Schrauben.

Die äußere Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes 58 verläuft über eine Erweiterung 82 zur ^₀ stromabliegenden Austrittskante 78, so daß diese scharfkantig ausgebildet ist Hierdurch ist die Möglichkeit der Ansammlung von Kohlenstoff oder Koks auf dieser Austrittskante verringert.

Die Abschirmung 60 ist über den Brennstoffdüsenkopf 58 geschoben und bildet einen ringförmigen im wesentlichen abgeschlossenen Luftraum 84, der sich axial über den größten Teil der Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes 53 erstreckt und so diesen gegen die heiße Verdichterluft, die entlang der Innenseite des Mantels 62 strömt, isoliert. Die Abschirmung 60 ist mit dem Brennstoffdüsenkopf 58 an seinem stromauf liegenden Endstück durch eine Schweißnaht «6 verbunden.

Das stromab liegende Endstück der Abschirmung 60 liegt eng an einer sich axial erstreckenden, ringförmigen Trägerfläche 88 an, weiche auf der äußeren Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes 58 benachbart zu seiner stromab liegenden Austrittskante 78 gebildet ist. Auf diese Weise ist ein Verschluß für das stromab liegende Ende des isolierenden Luftraumes 84 geschaffen und ein relatives thermisches Ausdehnen und Zusammenziehen zwischen dem Brenr.stoffdüsenkopf 58 und der Abschirmung 60 ermöglicht.

Der Mantel 62 ist mit radialem Abstand über den Brennstoffdüsenkopf 58 und die Abschirmung 60 geschoben und umschließt so einen im wesentlichen axial verlaufenden, ringförmigen Luftdurchgang 90, durch den Verdichterluft strömt. Der Mantel 62 ist mit der Abschirmung 60, benachbart seinem stromauf liegenden Endstück, durch eine Vielzahl auf dem Umfang mit Abstand voneinander angeordneten Rippen 92 verbunden, welche entweder von der Abschirmung 60 oder dem Mantel 62 getragen sind.

Die innere Umfangsfläche des Mantels 62 weist vor seinem flammenseitigen Ende (Umfangskante) % eine Erweiterung 94 auf und bildet, zusammen mit der Erweiterung 82 des Brennstoffdüsenkopfes 58, einen divergierenden Auslaß 98 für die Verdichterluft. Diese strömt dadurch in Form eines Hohlkegels über und entlang dem Brennstoffsprühnebel 48. Der öffnungswinkel des konischen Auslaufes des Mantels 62 ist ungefähr gleich dem gewünschten Sprühwinkel des Brennstoffsprühkegels 48 und stabilisiert so den Brennstoffkegel in der Nähe der Brennstoffdüse und schützt diesen wirksam gegen Druckveränderungen und Umkehrströmungen in der Brennkammer.

Der Mantel 62 umfaßt eine Vielzahl peripher in einem Abstand voneinander angeordneter, sich axial erstrekkender Rippen 100 mit relativ geringer radialer Ausdehnung im Vergleich zur radialen Höhe des Luftdurchganges 90 des Mantels 62, welche die äußere Oberfläche 102 des Mantels 62 zentrisch in einem radialen Abstand vom Umfang einer öffnung 54 in der Aufnahmevorrichtung 52 halten und eine Strömung in Form eines dünnen Luftfilmes von einer Einlaßkammer entlang der freiliegenden äußeren Umfangsfläche 102 des Mantels 62 gestatten. Die äußere Umfangsfläche 102 des Mantels 62 weist einen sich stromab zur Umfangskante % hin verjüngenden Abschnitt 104 auf, der vorzugsweise stromlinienförmig gewölbt ausgebildet ist, um die filmförmige Strömung wirksam zu dem stromab liegenden Endstück des Mantels 62 zu leiten.

Durch Ausbildung der Rippen 100 mit einer relativ geringen radialen Ausdehnung im Vergleich zur radialen Höhe des Luftdurchganges 90 des Mantels 62 reicht die filmartige Strömung aus, die Oberfläche 102 zu säubern und jegliche Kohlenstoff- und Koksansammlung darauf zu verhindern; sie ist jedoch schwach genug, um durch die relativ stärkere Mantelluftströmung am stromab liegenden Endstück des Mantels 62 abgelenkt zu werden, ohne den Sprühnebelwinkel des Brennstoffkegels 48 zu beeinflussen. So wurde beispielsweise eine radiale Höhe der Rippen 100 von etwa 0,38 mm bei einem Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 102 deir Mantelfäche 62 von etwa 19 mm und einer radialen

Höhe des Luftdurchganges 90 im Innern des Mantels 62 von etwa 1,14 mm als geeignet befunden, um eine zufriedenstellende Reinigung zu bewirken, ohne nachteilig den Brennstoffsprühnebelwinkel zu beeinflussen.

Wie in der Abbildung gezeigt, liegt die stromab liegende Umfangskante % des Mantels 62 in einer Ebene, die parallel und in geringem Abstand von der Ebene der stromab liegenden Austrittskante 78 liegt (z.B. 0,13 bis 0,38mm). Auf diese Weise wird die Oberfläche des Mantels 62, welche dem Verbrennungsprozeß ausgesetzt ist, verringert und ein Schutz für die Austrittskante 78 während des Betriebes geschaffen.

Durch Verbinden des Brennstoffdüsenkopfes 58, dei Abschirmung 60 und des Mantels 62 nur an derer stromauf liegenden Endstücken und an einer Stelle, die sich in einem Abstand von den hohen Temperaturen der Verbrennungskammer befindet, wird eine relative thermische Ausdehnung oder Kontraktion zwischen diesen Teilen ermöglicht und eine hohe Belastung der

ίο Verbindungsstellen vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Brennstoffzerstäubungsvorrichtung für Gasturbinen mit einem Brennstoffdüsenkopf, der eine mittig angeordnete sich nach außen kegelförmig erweiternde, mit einer scharfen Austrittskante endende Düsenöffnung aufweist und dessen äußere Umfangsfläche sich zunächst in Strömungsrichtung konisch verengt und sich zum Austritt hin wieder erweitert, und mit einem den Brennstoffdüsenkopf umgebenden und mit diesem einen ringförmigen Luftdurchgang bildenden Mantel, dessen innere Umfangsfläche flammenseitig sich zunächst in Strömungsrichtung ebenfalls verengt und sich zum Luftaustritt hin konisch erweitert und der stromab über die Austrittskante des Brennstoffdüsenkopfes vorsteht, dadurch gekennzeichnet, daß !zwischen dem Mantel (62) und dem Brennstoffdüsenkopf (58) eine Abschirmung (60) angeordnet ist, deren stromauf liegendes Ende fest mit der äußeren Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes (58) verbunden ist und deren stromab liegendes Ende eng an einer an der äußeren Umfangsfläche des Brennstoffdüsenkopfes (58) angeordneten ringförmigen, axial verlaufenden Trägerfläche (88) anliegt und die einen ringförmigen Luftraum (84) mit dem Brennstoffdüsenkopf (58) sowie einen sich im wesentlichen axial erstreckenden Luftdurchgang (90) mit dem Mantel (62) bildet, und daß der stromauf mit der Abschirmung (60) verbundene Mantel (62) sich an seiner äußeren Umfangsfläche (102) gegen sein flammenseitiges Ende (96) verjüngt, das in einer einen geringen Abstand von der Austrittskante (78) aufweisenden Ebene liegt, und mehrere im Abstand voneinander angeordnete radiale Rippen (100) aufweist, die gleitbar in der öffnung einer Aufnahmevorrichtung (52) angeordnet sind und einen schmalen Luftdurchgang zwischen dem Mantel (62) und der Aufnahmevorrichtung (52) freilassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (62) sich an seinem flammenzugewandten Abschnitt (104) der äußeren Umfangsfläche (102) verjüngt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (62) sich an seinem Abschnitt (104) konisch verjüngt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (62) sich stromlinienförmig verjüngt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem flammenseitigen Ende (96) des Mantels (62) und der Austrittskante (78) 0,13 bis 0,38 mm beträgt.