DE2344240A1

DE2344240A1 - Treibstoff-verteilungssystem

Info

Publication number: DE2344240A1
Application number: DE19732344240
Authority: DE
Inventors: John Mac Richey; Richard Edward Stenger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-09-05
Filing date: 1973-09-01
Publication date: 1974-03-21
Also published as: JPS4964707A; CA980583A; US3775975A; BE804376A; IT993052B; FR2198055A1; GB1437397A

Description

Dr, rer. nah Horst Schüler

PATENTANWALT

Frankfurt/Main Ϊ, 30.August 1973 Niddasfraße 52 Vo . /kö . /he

Telefon (0611)237220 Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

2457-13DV-5253

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Treibstoff-Verteilungssystem

Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf Verbesserungen in Treibstoff-Fördersystemen, die eine Vielzahl von Treibstoff-Einspritzpunkten verwenden.

Bei den neuen Gasturbinen-Triebwerken wird Treibstoff nach einer von zwei Möglichkeiten in den Brenner eingeführt. Dies bedeutet, daß Treibstoff in den Brenner entweder durch eine mit relativ hohem Druck arbeitende Zerstäuberdüse oder

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mittels eines mit relativ niedrigem Druck arbeitenden Vergaser-Injektors eingeführt wird. In beiden Fällen wird die in den Brenner eingespritzte Treibstoffmenge normalerweise durch einzelne Treibstoff-Verteilungsventile gesteuert, die zu jedem Treibstoff-Einspritzpunkt gehören. Aufgrund des ungeheuren Interesses an rauchlosen und verschmutzungsfreien Gasturbinen-Triebwerken und da Gasturbinen-Triebwerke über einem sehr weiten Bereich von Leistungsbedürfnissen arbeiten, müssen diese einzelnen Verteilungsventile in der Lage sein, für eine gleichförmige Zumessung von Treibstoff zu jedem Einspritzpunkt über einem weiten Strömungsbereich zu sorgen. Notwendigerweise müssen die Ventile nahe an dem Treibstoff-Einspritzpunkt angebracht sein, um die äußere Rohrleitung auf einem Minimum zu halten.

Es ist bisher übliche Praxis gewesen, das Ventil an jedem Treibstoff-Einspritzpunkt- direkt an dem Triebwerksgehäuse anzubringen. In einem derartigen System wird jedem Ventil Treibstoff von einem Verteiler über ein "schweineschwanzförmiges" Ausgleichsrohr zugeführt. Eine derartige Ausgleichsleitung hat die Aufgabe, die thermischen und durch Vibration verursachten Beanspruchungen in der Hochdruck-Rohrleitung während des Betriebes des Triebwerkes wesentlich zu reduzieren. Es traten Probleme bei der Treibstoffzersetzung (Dekomposition) in diesen Ventilen auf, die durch Bolzen direkt an dem heißen Triebwerksgehäuse angebracht sind. Dies bewirkte, daß die Düsenspitze mit Kohlenstoff verstopft wurde und einen nachteiligen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit hatte. Eine größere Steigerung in der Betriebssicherheit der Teile entsteht, wenn das Ventil in einer Entfernung vom Gehäuse angebracht wird, wo niedrigere Temperaturen herrschen. Ein derartiges System muß jedoch kompakt sein, ein geringes Gewicht aufweisen und leicht zu warten sein. Das bedeutet, daß im Falle einer Fehlfunktion die Ventile und ihre zugehörigen Rohrleitungen leicht entfernbar und auswechselbar sein müssen, ohne daß das gesamte Treibstoff-Verteilersystem beseitigt werden muß.

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Ein weiteres Erfordernis für ein derartiges Befestigungssystem besteht darin, daß der Treibstoffverteiler und das Fördersystem in der Lage sein müssen, für kurze Anlaufzeiten zu sorgen. Dies bedeutet, daß das Treibstoff-Verteilungssystem ausreichende Treibstoffmengen an eine Vielzahl von Treibstoff-Einspritz-~ punkten liefern können muß, um ein Anlaufen (lightoff) und einen ruhigen Triebwerksbetrieb innerhalb weniger Sekunden zu gestatten, nachdem durch einen Operateur die Zündung eingestellt ist. Bei bekannten Treibstoff-Verteilungssy—stemen war es übliche Praxis, ein Druckaufbauventil, das die Strömung an jedem Treibstoff-Einspritzpunkt steuerte, und ein Ablaufventil vorzusehen, das das Treibstoff-Verteilungssystem nach dem Abschalten des Triebwerkes leerlaufen ließ. Dies verhinderte eine Treibstoffzersetzung durch thermisches "Zurücksaugen" und vermied weiterhin, daß Treibstoff langsam in das Triebwerk tropfte. Ein Starten von Triebwerken mit einem derartigen Treibstoff-Verteilungssystem konnte jedoch nicht durchgeführt werden, bevor das ganze■Treibstoff-Verteilungssystem oder ein wesentlicher Teil davon mit Treibstoff versorgt war. Ein Treibstoff-Verteilungssystem, das nach dem Abschalten des Triebwerkes nicht entleert werden muß, könnte die Startzeit des Triebwerkes merklich reduzieren.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Treibstoff-Verteilungssystem für ein Gasturbinen-Triebwerk zu schaffen, in welchem die Strömungsteilerventile entfernt von dem Triebwerksgehäuse angebracht sind, so daß das durch Hitze erfolgende "Rücksaugen" des Treibstoffes von dem heißen Gehäuse auf ein Minimum reduziert ist. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges System zu schaffen, in welchem die Startzeiten des Triebwerkes merklich verkleinert sind, da das Treibstoff-Verteilungssystem konstant mit Treibstoff gefüllt ist.

Diese und damit in Zusammenhang stehende Aufgaben werden, kurz gesagt, durch ein Treibstoff-Verteilungssystem für ein Gasturbinen-Triebwerk gelöst, in welchem die Strömungsteilerventile,

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die zu jedem Treibstoff-Einspritzpunkt gehören, einstückig mit einem Treibstoffverteiler ausgebildet sind, der um das Triebwerksgehäuse herumführt und von diesem getrennt ist. Der Verteiler ist an dem Triebwerksgehäuse dreh- oder schwenkbar angebracht und eine einzelne Ausgleichsrohrleitung führt von jedem Strömungsteilerventil zu seinem zugehörigen Treibstoff-Einspritzpunkt. Eine Hochtemperatur-Gasdichtvorrichtung ist an jedem Treibstoff-Einspritzpunkt an dem Triebwerksgehäuse vorgesehen, und das gesamte Strömungsverteilungssystem ist in einem Hohlraum oder einer Kammer angeordnet, die von Luft mit relativ niedriger Temperatur durchströmt werden kann. Die Strömungsteilerventile passen in zylindrische Gehäuse, die mit dem Treibstoffverteiler einstückig ausgebildet sind und einzeln ausgewechselt werden . können, ohne daß irgendein anderer Abschnitt des Treibstoff-Verteilungssystems beeinflußt wird. In ähnlicher Weise sind der Treibstoffverteiler, die Strömungsteilerventile und die zugehörige Rohrleitung alle in Sektoren ausgebildet, von denen einer ausgewechselt werden kann, ohne daß die übrigen Abschnitte des Treibstoff-Verteilungssystems entfernt werden müssen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist ein Teillängsschnitt von einem die Erfindung verkörpernden Gasturbinen-Triebwerk.

Figur 2 ist eine schematische Darstellung der Erfindung.

Figur 3 ist eine Ansicht von oben in vergrößertem Maßstab auf die durch die Linie 3-3 in Figur 1 angegebene Ebene.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszahlen versehen. In—Figur 1 ist ein erfindungsgemäß aufgebautes Treibstoff-Verteilungssystem insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Das Treibstoff-Verteilungssystem 10 ist besonders geeignet für eine Verwendung bei einem Gasturbinen-Triebwerk, wie es in

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der Teilansicht der Figur 1 gezeigt ist* In derartigen Triebwerken wird Luft durch einen Kompressor komprimiert, von dem die letzte Stufe bei 12 gezeigt ist. Ein Teil der aus dem Kompressor austretenden Luft tritt in einen ringförmigen Brenner 13 ein, um mit-^reibstoff zu reagieren, der von zahlreichen Treibstoff/Luft-Vergaservorrichtungen 14 geliefert wird. Der Rest der Luft dient u. a, als ein Kühlmittel und strömt auf entgegengesetzten Seiten des Brenners 13 durch Strömungskanäle 15 und IJ, die von einem Paar Brennerverkleidungen 16 und 18, einem Brennergehäuse 20 und einem Innengehäuse 22 gebildet werden. Die Verbrennungsprodukte werden aus der Kammer 13 durch einen Turbinenstator 2k hindurch ausgestoßen und in bekannter Weise zum Antrieb des Kompressors 12 verwendet, um dann eine Ausgangsleistung zu erzeugen, wie beispielsweise eine Strahlschubkraft oder Wellenleistung.

Die zahlreichen Treibstoff/Luft-Vergaservorrichtungen Ik sind im gleichen Abstand auf einem Kreis um den ringförmigen Brenner 13 herum angeordnet (s. die schematische Ansicht in Figur 2), um in dem Brenner 13 eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur aufrecht zu erhalten. Wie in Figur 1 gezeigt ist, besteht die Treibstoff/Luft-Vergaservorrichtung aus einem Vergaser 26 mit einem Einlaß 28, dem Treibstoff mit niedrigem Druck durch ein Treibstoff-Einlaßrohr 30 hindurch zugeführt wird. Luft tritt in die Vergaservorrichtung Ik auch durch den Einlaß 28 und ferner durch einen sekundären Wirbler 32 ein, und eine Treibstoff/Luft-Mischung wird in bekannter Weise als eine Wirbelströmung aus der Vergaser vorrichtung Ik ausgestoßen.

Die inneren Treibstoff-Zuführleitungen 30 werden durch das Brennergehäuse 20 und durch ein äußeres Triebwerksgehäuse 34 mittels einer geeigneten Hochtemperatur-Gasdichtung und einem Paßstück36 gehaltert. Es genügt der Hinweis, daß das Dichtung/Paßstück 36 ein äußeres Radialrohr 37 aufweist, das den inneren Rohrleitungen 30 Treibstoff zuführt und ferner eine geeignete Dichtung liefert zwischen dem einen relativ hohen Druck und eine hohe Temperatur aufweisenden Strömungskanal 15 und einem ringförmigen

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Strömungskanal 38, der zwischen dem Brennergehäuse 20 und dem Triebwerksgehäuse 34 gebildet ist, und zwischen dem ringförmigen Strömungskanal 38 und einer ringförmigen Kammer 39, in der das Treibstoff-Verteilungssystem 10 angeordnet ist.

Die Treibstoffmenge, die dem Brenner 13 durch die Vergaservorrichtung 14 zugeführt wird, variiert stark für verschiedene Betriebszustände des Triebwerkes. Die Gesamtmenge, der Treibstoff strömung, die dem Brenner 13 zugeführt wird, um für den gewünschten Triebwerksbetrieb zu sorgen, wird normalerweise durch eine Treibstoff-Hauptsteuerung (nicht gezeigt) gesteuert. Das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Art und Weise, in der die Gesamtmenge der Treibstoffströmung, die von der Haupttreibstoffsteuerung geliefert wird, jedem einzelnen Treibstoff-Einspritzpunkt zugeführt wird. Das bedeutet, daß die vorliegende Erfindung ein .Treibstoff-Verteilungssystem beinhaltet, das einen Treibstoffverteiler 40 umfaßt, der das äußere Triebwerksgehäuse 34 umgibt und radial außen davon angeordnet ist, d. h. von dem äußeren Gehäuse 34 durch einen gewissen radialen Abstand getrennt ist. Wie in den Figuren 1 und'3 gezeigt ist, ist der Verteiler 40 an dem Triebwerksgehäuse 34 durch eine Vielzahl von Gelenkbefestigungen 42 angebracht, von denen jede ein erstes Endstück 43, das an einem Befestigungsblock 44 befestigt ist, der einstückig mit dem Gehäuse 34 ausgebildet ist, und ein zweites Endstück 45 aufweist, das den Verteiler 40 umgibt und in einer geeigneten Weise haltert. Die Gelenkbefestigungen 42 gestatten, daß zwischen dem Triebwerksgehäuse 34 und dem Treibstoffverteiler 40 während des Betriebes des Gasturbinen-Triebwerkes eine relative thermische Expansion auftritt. Mit dem Treibstoffverteiler 40 sind zahlreiche Gehäuse 46 für die Strömungsteilerventile einstückig ausgebildet und im gleichen Abstand um diesen herum angeordnet. Jedes Gehäuse 46 enthält ein Strömungsteilerventil 48, von dem in Figur 3 ein Ventil gestrichelt dargestellt ist. Der innere Aufbau des Ventils 48 ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung; ein hervorstechendes Merkmal ist jedoch darin zu sehen, daß irgendeines der Ventile 48 aus seinem Ventilgehäuse 46 herausgenommen

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werden kann, indem einfach eine Endkappe 50 beseitigt wird, die an dem einen Ende des Gehäuses 46 auf irgendeine geeignete Weise befestigt ist. Diese Endkappe kann beispielsweise eine Schraubverbindung aufweisen oder angeschweißt sein.

Wie am deutlichsten in Figur 3 gezeigt ist, verläuft ein "schweineschwanzförmiges" Ausgleichsrohr 52 von jedem Ventilgehäuse 46 zu einem vergrößerten Paßstück 44, das an jedem Außenende von jeder der radialen Rohrleitungen 37 vorgesehen ist. An diesem Punkt ist eine geeignete abgedichtete Verbindung zwischen dem Ausgleichsrohr 52 und dem radialen Rohr 37 hergestellt. Wie ferner aus Figur 3 hervorgeht, ist jede der radialen Rohrleitungen 37 wit einem Paßstück 56 verbunden,_ das das eine Ende der Treibstoff leitung 30 bildet, die sich durch den Dichtmechanismus 36 hindurch erstreckt. Die radiale Rohrleitung 37 ist auf geeignete Weise mit einem Paßstück 56 fest verbunden, was beispielsweise durch eine Mutter 58 geschehen kann. Wenn die Ausgleichsleitungen 52 und die Rohrleitungen 37 in dieser Weise verbunden sind, liefern sie Treibstoff von dem Treibstoff-Verteiler 40 zu jeder Treibstoff leitung 30, von wo er zu den Treibstoff-Luft-Vergaservorrichtungen 14 geleitet wird. Aus den Figuren 1 und 3 ist ersichtlich, daß die Ausgleichsleitungen 52 mit einer Reihe von Biegungen versehen sind, um eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen dem Verteiler 40 und dem Triebwerksgehäuse 3^ aufzunehmen und um eine andere Durchdringung des Gehäuses zu gestatten. Alle Ausgleichsleitungen 52 sind gemäß der vorliegenden Erfindung identisch und gegeneinander austauschbar.

Wie am deutlichsten aus Figur 2 hervorgeht, ist der Treibstoffverteiler 40 aus einer Anzahl von Segmenten aufgebaut, wie beispielsweise vier Segmenten, von denen jedes Ende mit einem geeigneten Paßstück 60 versehen ist, durch das die Segmente miteinander verbunden werden können. Wenigstens zu einem dieser Segmente gehört ein Einlaßrohr 62, das mit einer geeigneten, nicht gezeigten Treibstoffquelle verbunden ist.

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Wie in Figur 1 gezeigt ist, liegt das gesamte Treibstoff-Verteilungssystem in der ringförmigen Kammer 39» die zwischen dem Triebwerksgehäuse ~5k und einem Gebläsekanal 68 ausgebildet ist, der die Innengrenzen eines Gebläseströmungspfades 70 bildet, der zu dem Gasturbinen-Triebwerk gehört. Während des Betriebes des Triebwerkes ist die Ringkammer 39 mit relativ kalter Luft durchströmt, die von dem Gebläseströmungspfad 70 eingeblasen wird. Auf diese Weise wird das gesamte Treibstoff-Verteilungssystem auf Temperaturen gehalten, die zu einer langen Lebensdauer und einem sicheren Betrieb beitragen. Sollte sich zufällig ein Treibstoffleck in irgendeinem Abschnitt des Treibstoff-Verteilungssystems entwickeln, wird der Lecktreibstoff in der Luftströmung durch die Ringkammer 39 mitgerissen und an einer gewissen, stromabwärts gelegenen Stelle nach außen entleert. Weiterhin befindet sich die Ausgleichsleitung stromabwärts von dem Strömungsteiler-Verteilungssystem, und wenn deshalb ein Leck in dem System auftritt, ist der Treibstoffverlust klein im Vergleich zu den bekannten Systemen, wo sich das Ausgleichsrohr stromaufwärts von der Systemverengung befindet.

Da das Treibstoff-Verteilungssystem von dem eine höhere Temperatur aufweisenden Triebwerksgehäuse getrennt und mit dem Gehäuse nur an solchen Stellen verbunden ist, wo Treibstoff mit relativ niedrigem Druck in den Brenner eingespritzt wird, wird das gesamte Treibstoff-Verteilungssystem auf viel niedrigeren Temperaturen und Beanspruchungen gehalten, als bei den bekannten Konstruktionen. Erst dadurch konnte die allgemeine Praxis aufgegeben werden, das gesamte Treibstoff-Verteilungssystem nach Abschalten des Triebwerkes zu entleeren. Das bedeutet also, daß in bekannten Systemen der Treibstoff aus den Ausgleichsröhren und dem Treibstoffverteiler mittels eines Druck erzeugenden und für einen Abfluß sorgenden Ventiles entleert wurde, das außerhalb des Triebwerkes angebracht war. Beim erneuten Starten des Triebwerkes wurde das Druckaufbau- und Ablaufventil dazu verwendet, zunächst das gesamte Treibstoff-Verteilungssystem mit Treibstoff "zu laden", bevor das Zündsystem betätigt wurde. Ein derartiges System kann zur ungleichmäßigen Einführung von Treibstoff während

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des Startzyklus¹ führen, während der Verteiler mit Luft gereinigt •wird. Mit dem erfindungsgemäßen Treibstoff-Verteilungssystem existiert die Notwendigkeit für ein Druckaufbau- und Ablaufventil nicht mehr» da zu allen Zeiten Treibstoff in dem Treibstoffver- teiler 40 gehalten werden kann. Aufgrund dieses Merkmales können die zu dem Triebwerk gehörenden Startzeiten wesentlich verkürzt werden, und zusätzlich ist die Treibstoffeinführung beim Starten gleichförmiger. Weiterhin ist die Komprimierungsfunktion nun vollständig in der nicht gezeigten Treibstoff-Zumeßsteuerung enthalten anstatt in einer separaten Komponente.

Im normalen Betrieb wird dem Treibstoffverteiler 40 Treib-stoff über die Einlaßleitung 62 von einer geeigneten Treibstoffeinspeisung (nicht gezeigt) zugeführt. Der Treibstoff strömt dann durch die einzelnen Strömungsteilerventile 48 und wird durch diese gesteuert, die,in den Ventilgehäusen 46 angeordnet sind. .Die StrömungsteilerYentile 48 liefern die erforderlichen Treib-stoffmengen über die Ausgleichsleitungen 52 und die radialen Rohrleitungen 37 an die Treibstoff-Einführleitungen 30. Dann strömt der Treibstoff durch die Treibstoff-Einführrohrleitungen 30 zu den Treibstoff-Vergasungsvorrichtungen 40, in denen er mit einer erforderlichen Menge vergasender Luft vermischt und in den Brenner 13 eingespritzt wird. Die Treibstoff/Luft-Mischung wird dann durch einen geeigneten Zünder (nicht gezeigt) gezündet und die dabei entstehenden, eine hohe Temperatur aufweisenden Gasprodukte treten in bekannter Weise durch den Turbine*^ at or 24 hindurch aus dem Brenner aus.

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Claims

Ansorüehe

Treibstoff-Verteilungssystem insbesondere für ein Gasturbinen-Triebwerk mit einem Kompressor, einem Verbrennungssystern, einer Turbine zum Antrieb des Kompressors, einem äußeren "Triebwerksgehäuse, das das Verbrennungssystem umgibt, und mit zahlreichen Treibstoff/Luft-Vergaservorrichtungen zum Einspritzen einer Treibstoff/Luft-Mischung in das Verbrennungssystera, gekennzeichnet durch einen Treibstoffverteiler (40), der das äußere Triebwerksgehäuse (34) umgibt und in radialer Richtung von diesem getrennt ist, wenigstens ein Ventilgehäuse (46), das direkt an dem Treibstoffverteiler (40) angebracht ist, zu dem Gehäuse (46) gehörige Ventilmittel (48), Mittel (52) zur Zufuhr von Treibstoff von dem Gehäuse (46) zu wenigstens einer der Treibstoff/Luft-Vergaservorrichtungen (26), Mittel (62) zur Zufuhr von Treibstoff zu dem Treibstoffverteiler (40) und eine Vorrichtung (42) zum Befestigen des Treibstoffvertexlers (40) an dem Triebwerksgehäuse (34).
2. Treibstoff-Verteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Ventilgehäusen (46) direkt an dem Treibstoffverteiler (40) angebracht ist.
3. Treibstoff-Verteilungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ventilgehäuse (46) im wesentlichen im gleichen Abstand um den Umfang des-Treibstoff Verteilers (40) herum angeordnet sind.
4. Treibstoff-Verteilungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel (52) zur Zufuhr von Treibstoff von den Ventilgehäusen (46) zu den Treibstoff/Luft-Vergaservorrichtungen (26) ein einzelnes Ausgleichsrohr bilden, das von jedem der Ventilgehäuse (46)

• ausgeht.

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5» Treibstoff-Verteilungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strömungsteiler-Ventilgehäuse (46) einen im allgemeinen zylinderförmigen Behälter aufweist, der mit dem Treibstoff verteiler (40) fest verbunden ist, und jeder Behälter eine abnehmbare Endkappe (50) aufweist.
6. Treibstoff-Verteilungssystem nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß es vollständig in einer Ringkammer (39) liegt, der Kühlluft zuführbar ist.
7. Treibstoff-Verteilungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (39) durch das äußere Triebwerksgehäuse (3*0 und ein Gebläsegehäuse (68) gebildet ist.
8. Treibstoff-Verteilungssystem nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (42) zum Befestigen des Treibstoffverteilers (40) zahlreiche gelenkartige Befestigungen aufweist.

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