DE2442895C2

DE2442895C2 - Vorrichtung zur Zuführung von Luft und Brennstoff in eine Brennkammer

Info

Publication number: DE2442895C2
Application number: DE2442895A
Authority: DE
Inventors: Edward Donald Groveland Mass. Riley; Barry Georgetown Mass. Weinstein
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-09-10
Filing date: 1974-09-07
Publication date: 1986-07-03
Also published as: FR2243332A1; US3946552A; JPS5922129B2; CA1027380A; IT1021212B; FR2243332B1; GB1478395A; JPS5076424A; BE819722A; DE2442895A1

Description

gekennzeichnet durch

— eine Ausbildung des den Brennstoff führenden Rohrkörpers (38) als Venturirohr mit einer umlaufenden Kante (52) am Bren? ,toffaustritt,

— einen im wesentlichen zylindrischen Mantel (56), der mit Abstand stromabwärts von dem ein Venturi-Rohr bildenden Brennstoffinjektor (34) koaxial zu diesem angeordnet ist zur Bildung eines zentrischen Kern-Luftkanals (57),

— einem dritten Luft-Drallerzeuger (58), der zwisehen dem Brennstoff-Injektor (34) und dem zylindrischen Mantel (56) angeordnet ist und radial von außen eine Luftströmung einführt, deren Drallbewegung in der gleichen Umfangsrichtung wie diejenige des ersten Luft-Drallerzeugers (51) und entgegengesetzt zu derjenigen des zweiten Luft-Drallerzeugers (76) gerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Luft-Drallerzeuger (58) mehrere auf dem Umfang beabstandete Leitschaufeln (60) aufweist, die zwischen einer ersten radial verlaufenden Umfangswand (62), die konzentrisch zum Brennstoff-Injektor (34) ist, und einer zweiten axial beabstandeten, radial verlaufenden Umfangswand (64) angeordnet sind, die mit dem zylindrischen Mantel (56) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Luft-Drallerzeuger (58) zusammen mit dem zweiten Luft-Drallerzeuger (76) radial außen von einer Mini-Verkleidung (68) umschlossen sind, die eine zylindrische Wand (70) aufweist, die mit dem Außenumfang der zweiten Umfangswand (64) verbunden ist, und die eine erste und es eine zweite Ringkammer (66, 86) bildet zur Zuführung eines Luftstromes aus einer äußeren Druckluftauelle zum /weiten und zum dritten Luft-Draller-

zeuger.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (68) eine sich von der zylindrischen Wand (70) erstreckende dritte Umfangswand (72) aufweist, die mit radialem Abstand außen von der ersten Wand (62) angeordnet ist derart, daß eine erste kreisringförmige Einlaßöffnung (74) zur ersten Ringkammer (66) gebildet ist, und daß die stromabwärtige Kante der zylindrischen Wand (70) mit axialem Abstand zu einer vierten Umfangswand (84) angeordnet ist zur Bildung einer zweiten kreisringförmigen Einlaßöffnung (88) zur zweiten Ringkammer (86).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Oberflächen des ersten Luft-Drallerzeugers (51) zunächst konisch nach innen zu einem minimalen Querschnitt zusammenlaufen und dann konisch nach außen auseinanderlaufen zur Bildung eines Venturi-Ringkanals koaxial zu dem im Rohrkörper (38) angeordneten Brennstoff-Venturirohr, wobei die sirornabwärtige Kante (53) des zylindrischen Gehäuses (36) in gleicher Ebene mit der stromabwärtigen Kante (52) des Rohrkörpers (38) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Verwirbelangseinrichtung (42) mindes ens eine Nut (44) im Winkel zur Achse des Rohrkörpers (38) aufweist.

30 Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zuführung von Luft und Brennstoff in eine Brennkammer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 37 03 259 bekannt.

Die Brennstoffinjektion für kontinuierlichen Zufluß in einer Brennkammer, beispielsweise in einem Gasturbinentriebwerk, ergab ständige konstruktive Probleme. Es ergaben sich Schwierigkeiten bei der Injektion des Brennstoffes in einer in höchstem Grade dispergiertcn Weise zur Erzielung einer vollständigen und wirksamen Verbrennung des Brennstoffes, wenn gleichzeitig das Auftreten von mit Brennstoff angereicherten Zonen vermieden werden sollte, welche bei der Verbrennung Ruß oder Rauch erzeugen. Die Schwierigkeiten bei der Injektion des Brennstoffes wurden weiterhin gesteigert durch die Einführung von Gasturbinentriebwerken mit einem erhöhten Brennerdruck und der Möglichkeit zur Verwendung höherer ■ Einlaßtemperaturen. Der Wirkungsgrad von vorhandenen Brennstoffsprühverncbelungseinrichtungen vermindert sich mit der Erhöhung des Brennerdruckes, und dies ergibt eine ungleichförmipere Verteilung des Brennstoffes und weiterhin eine Vermehrung von mit Brennstoff angereicherten Zonen im Innern der Brennkammer. Solche Zonen bewirken jedoch einen verminderten Wirkungsgrad des Brenners, übermäßigen Rauch im Abgas und eine ungleichförmige Erhitzung des Brennermanteis, Dieser Zustand wird auch als Bildung von heißen Streifen bezeichnet, welche zu einem schnellen Verschleiß des Mantels führen kunn.

Als eine mögliche Lösung wurde vorgeschlagen, den Brennstoffdruck für solche Sprühvergaser-Einrichtungen zu erhöhen. Das erhöhte Gewicht einer Hochdruck-Pumpe und die Neigung zur Leckage des unter hohem Druck stehenden flüchtigen Brennstoffes bildet jedoch ein so großes Risiko, daß zumindest für die nahe Zu-

kunll die Verwendung solcher Hochdruckpumpen unwahrscheinlich erscheint.

Aus der eingangs genannten US-PS 37 03 259 sind VergasereinrichHingen zur Verwendung mit unter niedrigem Druck stehendem Brennstoff bekannt, die ein System von gegenläufigen primären und sekundären Wirbelleitschaufeln benutzen. Ferner ist in der US-PS 34 74 970 eine Brennstoffdüse beschrieben, bei der dem Brennstoff stromaufwärts von der Zumischung von Luft eine Wirbel- oder Drallbewegung erteilt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß sich bei solchen Vernebelungseinrichtungen Verkokungen bilden, wenn der Luftstrom am Einlaß und der Brennstoff erhitzt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß die Geschwindigkeit und Gleichförmigkeit der Verteilung von Brennstoff beträchtlich gesteigert wird zur Erzielung eines größeren Gesamtwirkungsgrades der Vernebclung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf die Brennstoffteilchen eine äußerst kräftige Zenirifugalkraft ausgeübt wird, wobei die Drallerzeuger für den Brennstoff und die radial benachbarten Luftströmungen diese Zentrifugalkraft stufenweise erhöhen, bis /u einem Maximum in der Grenzschicht der gegenläufigen äußeren Luftströmungen. Dadurch wird eine schnelle und gleichförmige Vermischung von Brennstoff und Luft erreicht, die zu einer optimierten Verbrennung führt.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert

Fig. I zeigt einen Teilschnitt einer typischen Brennkammer einer für ein Gasturbinentriebwerk geeigneten Bauform, die eine Vorrichtung zur Zuführung von Luft und Brennstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.

F i g. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Schnittansichi der Brennstoffinjektionseinrichtung nach Fi g. 1.

Fi g. 1 zeigt eine Brennkammer 10 mit einem Flammrohr 12, in dem ein kreisringförmiger Brennraum 14 gebildet ist. Das Flammrohr 12 enthält einen quer verlaufenden, stromaufwärtigen Dom 16, der integral mit dem Flammrohr ausgebildet ist und mehrere Öffnungen 18 besitzt, die auf dem Umfang um die Triebwerksachse herum beabsiandet sind, j^de dieser Öffnungen 18 dient zur Aufnahme einer Zuführvorrichtung 20 für Luft und Brennstoff. Der stromaufwärtige Dom 16 bildet zusammen mit der Zuführvorrichtung 20 das stromaufwärtige Ende des Flammrohrs 12. Der Dom 16 kann auch noch mehrere Jalousien oder Klappen enthalten, die in den Abbildungen nicht gezeigt sind. Das Flammrohr 12 kann auch einen rohrförmigen Aufbau besitzen.

Um das Flammrohr 12 herum ist ein äußerer Mantel 22 vorgesehen, der zusammen mit dem Flammrohr innere und äußere Kanäle 24 und 26 bildet, die zur Zuführung verdichteter Lufi aus einer geeigneten Quelle, beispielsweise aus einem Verdichter 28, in den Brennraum 14 durch geeignete Öllntingen oder Klappen 30 dienen. Die verdichten Luft wird vom Verdichter 28 über mehrere auf dem Umfang bcabstandete Auslaßleitschaufeln 32 abgegeben, und anschließend wird die Luft zwischen den äußeren und inneren Kanälen 24 und 26 aufgeteilt, wobei ein Teil des Lulistioms in die Zuführvorrichtung 20 eintritt. Die verdichtste Luft kühlt dann das Flammrohr 12 und verdünnt die gasförmigen Verbrennungsprodukte in an sich bekannter Weise.

Gemäß den Figuren enthält die Zuführvorrichtung 20 einen Brennstoffinjektor 34 mit einem zylindrischen Gehäuse 36 und einem Rohrkörper 38, der darin zentrisch so angeordnet ist. daß zwischen den beiden Teilen ein kreisringförmiger Luftkanal 40 gebildet ist. Das stromaufwärtige Ende des Rohrkörpers 38 ist mit einer Brennstoffzuleitung 46 verbunden. Ein Wirbelteil 42 ist zentrisch im Innern des Rohrkörpers 38 angeordnet und enthält mindestens eine Nut 44, die unter einem Winkel zur Achse des Rohrkörpers 38 angeordnet ist. Stromabwärts von dem Wirbelteil 42 konvergiert die innere Oberfläche 50 des Rohrkörpers 38 zu einer Engsteile 48 mit kleinstem Durchmesser, divergiert anschließend nach außen und endet in einer scharfen Kante 52 und bildet daher die allgemeine Form eines Venturi-Rohrs. Ein erster Luft-Drallerzeuger51 weist mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Leitschaufeln 54 auf. Dieser Drallerzeuger 51 ist zwische:· dem Rohrkörper 38 und dem zylindrischen Gehäuse 36 am ^Einiaß zu dem kreisringförmigen Luftkanal 40 angeordnet. Vorteilhafterweise konvergieren die inneren und äußeren Oberflächen des kreisringförmigen Luftkanals 40 konisch nach inn^n auf einen kleinsten Querschnitt und divergieren dann konisch nach außen. Sie bilden daher ein zweites Venturi-Rohr, das koaxial um das erste Venturi-Rohr herum angeordnet ist. Bevorzugt befindet sich die Kante 52 des Rohrkörpers 38 in der gleichen Ebene wie die Austrittskante 53 des zylindrischen Gehäuses 36. Die Gründe hierfür werden noch erläutert.

Vor dem Brennstoffinjektor 34 ist ein im wesentlichen zylindrischer Mantel 56 koaxial so beabstandet, daß er einen zylindrischen Kern-Luftkanal 57 bildet. Mehrere auf dem Umfang beabstandete Wirbelleitschaufeln 60 bilden einen weiteren Luft-Draiierzeuger 58. Die Leitschaufeln 60 werden dadurch auf den Umfang im Abstand gehalten, daß sie zwischen einer ersten radialen Umfangswand 62, die konzentrisch zum Brennstoffinjektor 34 ist, und einer zweiten radialen Umfangswand 64 angeordnet sind, die integral mit dem vorderen Ende des zylindrischen Mantels 56 gebildet sein kann. Der weitere Luft-Drallerzeuger 58 erteilt der radial zuströmenden Luft vom Verdichter 28 eine Wirbel- oder Drallkomponente, wobei der Luftwirbel den gleichen Umlaufsinn besitzt wie die von dem ersten Luft-Drallerzeuger 51 und von dem Wirbelteil 42 erzeugten Wirbel. Die Luft von dem weiteren Luft-Drallerzeuger 58 wird radial nach innen relativ zum kreisringförmigen Luftkanal 40 eingeleitet, um die Zentrifugalwirkung des Brennstoff-Luftgemisches zu erhöhen, das aus dem Brenn· Stoffinjektor 34 austritt. Der Mantel 56 endet an seinem stromabwärtigen Ende in einer im wesentlichen quer verlaufenden Umfangskante 59 und bildet daher den Kernauslaß.

Noch ein weiterer Luft-Drallerzeuger 76 wird durch mehrere auf dem Umfang beabstandete Leitschaufeln 78 gebildet, um einrm radialen Luftzustrom eine Wirbelbewegung zu erteilen. Der aus dem Luft-Drallerzeuger 76 austretende Luftstrom besitzt einen Umlaufsinn entgegengesetzt zu dem Umlaufsinn des Luftsiroms aus den beiden anderen Luft-Drallerzeugern 51 und 58. Eine im wesentlichen zylindrische Hülle 80 besitzt einen grö-

b5 ßeren Durchmesser ;,U der Mantel 56 und umschließt diesen koaxial, wodurch ein kreisringförmiger Kern 82 gebildet wird. Die Leitschaufeln 78 werden dadurch auf dem Umfang im Abstand gehalten, daß sie zwischen der

zweiten Umfangswand 64 und einer weiteren Umfangswand 84 angeordnet werden, die einstückig mit dem vorderen Ende der Hülle 80 ausgebildet ist.

Um nahezu gleichförmige Profile für den Druck und die Geschwindigkeit des radialen Luftzuflusses zu den Luft-Drallerzeugern 51, 58 zu gewährleisten, ist eine Mini-Verkleidung 68 vorgesehen, die eine äußere zylindrische Wand 70 in Verbindung mit dem äußeren Umfang der zweiten radialen Umfangswand 64 und einer dritten radialen Umfangswand 72 enthält, wobei diese Teile zusammen erste und zweite kreisringförrnige Sammelräume 66 bzw 86 bilden. Die Umfangswand 72 ist radial zur ersten Umfangswand 62 so beabstaridet, daß zwischen den Teilen eine kreisringförmige Einlaßöffnung 74 gebildet ist zum Einlaß des verdichteten Luftstroms vom Verdichter 28 zum ersten Sammelraum 66. Der in den Sammelraum 66 eintretende Luftstrom wird schnell verteilt, so daß die Schwankungen in der Geschwindigkeit und im Druck des zufließenden L.uitstroms zu den Leitschaufeln 60 beträchtlich verringert werden. In gleicher Weise ist die zylindrische Wand 70 von der vierten Umfangswand 84 beabstandet zur Bildung einer zweiten kreisringförmigen Öffnung 88 für einen Eintritt des verdichteten Luftstroms vom Verdichter 28 zum Samrneiraum 86. Der in den Sammelraum 86 eintretende Strom wird ebenfalls schnell verteilt zur Verminderung von Schwankungen des Drucks und der Geschwindigkeit des Luftstroms, welcher in die Leitschaufeln 78 eintritt.

Im Betrieb wird flüssiger Brennstoff, welcher nicht stark verdichtet sein muß. dem Brennstoffinjektor 34 durch die Brennstoffzuleitung 46 zugeführt. Der in den Rohrkörper 38 eintretende Brennstoff wird durch das Wirbelteil 42 im Uhrzeigersinn verwirbelt, gesehen von einem Punkt stromaufwärts vom Brennstoffinjektor 34. Die Geschwindigkeit des aus dem Wirbelteil 42 austretenden verwirbelten Brennstoffes wird zunächst durch die Venturi-Wirkung des Rohrkörpers 38 beschleunigt. Anschließend divergieren die Brennstofftröpfchen in einem Wirbelstrom nach außen, der einen Film auf der inneren Oberfläche 50 des Rohrkörpers 38 bildet. Die Wirbelljftströme. welche aus den Leitschaufeln 54 und den Leitschaufeln 60 austreten, besitzen den gleichen Umlaufsinn im Uhrzeigersinn wie der Wirbelbrennstoffstrom, der einen Film auf der inneren Oberfläche des Rohrkörpers 38 bildet. Daher wird der die Umfangskante 52 erreichende Brennstoff durch Scherwirkung von derselben abgerissen und in dem Kern-Luftkanal 57 durch das Zusammenwirken der Wirbelluftströme beschleunigt, die aus den beiden Luft-Drallerzeugern 51, 58 austreten.

Da die Wirbelluftströme aus diesen beiden üuft-Drallerzeugern 51,58 den gleichen Umlaufsinn besitzen wie der an der Umfangskante 52 ankommende Brennstoffstrom, wird dem aus dem Injektor 34 austretenden Brennstoff eine größere Drehgeschwindigkeit erteilt.

Obwohl es oft schwierig ist. die genaue Verteilung des Brennstoffes im Innern des Kern-Luftkanals 57 mit großer Genauigkeit vorauszusagen, wird angenommen, daß ein größerer Teil des von der Umfangskante 52 durch Scherwirkung abgetrennten flüssigen Brennstoffes durch Zentrifugalwirkung nach außen geführt wird durch das Zusammenwirken der Wirbelluftströme, welche aus den beiden Luft-Drallerzeugern 51, 58 austreten, und es zu einem direkten Aufprall auf die innere &5 Oberfläche des zylindrischen Mantels 56 kommt. Der aufprallende Brennstoff bildet einen Wirbelfilm des flüssieen Brennstoffes auf der inneren Manteloberfiäche und bewegt sich axial stromabwärts in Richtung der quer verlaufenden Umf;ingsk;inte 59 des Manlels5fi. !!in gegenläufiger Wirbellulistrom Irin ;ius den l.citfliichcn 78 im Gegenuhrzeigeisinn ims. gesehen von einem Punkt stromaufwärts von der Zuführvorrichtung 20. Der an der Umfangskante 59 des Mantels 56 ankommende Brennstoff wird in hohem Maße vernebelt durch die großen aerodynamischen Scherkräfte, die beim Zusammenströmen der gegenläufigen Wirbelluftslröme erzeugt werden. An der durch die gestrichelten Linien 90 gezeigten Grenzfläche zwischen den gegenläufig rotierenden Wirbelluftströmen entsteht ein kegelförmiger Bereich einer turbulenten Luftströmung und dieser bewirkt eine weitere Verteilung der vernebelten Brennstofftröpfchen. Dabei sind die oben angegebenen Umlaufrichtungen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhr/eigersinn willkürlich festgelegt und könnten entsprechend umgekehrt werden.

Es wird angenommen, daß die Mehrzahl der vernebelten Brennstofftröpfchen durch Zentrifugalwirkung in den äußeren Wirbelstrom 94 geführt werden. Von dort werden sie allgemein nach außen in Richtung des Flammrohrs 12 getrieben. Die hohe differenzielle Geschwindigkeitskomponente zwischen den gegenläufig rotierenden Wirbelströmen ermöglicht eine hohe relative Geschwindigkeitskomponentc der Brennstofftröpfchen, ohne daß hierzu die Brennsiofftröpfehcn auf eine solche horn. Absolutgeschwindigkeit beschleunigt werden müssen. Der Vollständigkeit halber wird noch darauf hingewiesen, daß im Innern des Brennraums 14 eine geeignete Zündeinrichtung 92 vorgesehen ist, um eine Zündung des brennbaren Brennstoff/LufiGemisehes zu erhalten, das aus der Zuführvorrichtung 20 für Brennstoff und Luft gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung abgegeben wird. Der Kern des aus der Zuführvorrichtung 20 abgegebenen Wirbelstroms bleibt auf einem verminderton Druck und nimmt daher einen Teil der heißen Verbrennungsprodukt auf und bewirkt eine Rezirkulation derselben, um die Aufrechterhaltung einer ständigen Zündung im Innern des Brennraums 14 zu bewirken.

Es wird angenommen, daß (.lic verbesserte Vcrnebelung des Brennstoffes durch die Zuführvorrichtung 20 gemäß der Erfindung der erhöhten Geschwindigkeit und Gleichförmigkeit zuzuschreiben ist, mit welcher der Brennstoff einen Film auf der inneren Oberfläche des Mantels 56 bildet. Die Anordnung der quer verlaufenden Umfangskanten 52, 53 des Rohrkörpers 38 und des zylindrischen Gehäuses 36 in einer Ebene bewirkt ebenfalls eine Verringerung der Ansammlung von Kohlenstoff auf ein Minimum. Ein solches Ansammeln von Kohlenstoff würde eine Verringerung des Kinlaßluftstroms durch die Leitflächen bewirken und letztendlich den Wirkungsgrad der Vernebelung vermindern.

Hierzu 1 Biatt Zeichnunsen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Zuführung von Luft und Brennstoff in eine Brennkammer mit folgenden Merkmalen:

— einem Brennstoffinjektor (34) mit einem zylindrischen Gehäuse (36) zum Einspritzen von Brennstoff mit einer Drallbewegung,

— einem zentrisch im Innern des zylindrischen Gehäuses (36) angeordneten Rohrkörper (38), der von dem Gehäuse (36) so beabstandet ist, daß dazwischen ein Luftringkanal (40) gebildet ist,

— einem ersten Luft-Drallerzeuger (51) mit mehreren auf dem Umfang beabstandeten Leitschaufeln (54), die zwischen dem Rohrkörper (38) und dem zylindrischen Gehäuse (36) zur Drallerzeugung eines zufließenden Luftstroms in gleicher Richtung wie der Brennstoffwirbel angeordnet sind,

— einem zweiten Luft-Drallerzeuger (76) zur Erteilung einer Drallkomponente in Umfangsrichtung an einen Luftstrom durch einen zweiten Luftkanal, wobei der zweite Luft-Drallerzeuger (76) den entgegengesetzten Umlaufsinn erzeugt gegenüber der Brennstoffströmung und der ersten Luftströmung,