DE2639578A1

DE2639578A1 - Brennstoffinjektor fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2639578A1
Application number: DE19762639578
Authority: DE
Inventors: Roger John Parkes
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1975-09-06
Filing date: 1976-09-02
Publication date: 1977-03-17
Also published as: JPS5234110A; FR2323013A1; GB1547770A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · KaufingerstraßeB · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 2. September I976

Unser Zeichen: I5 626 - K/Ap

Rolls-Royce (I97I) Limited,

Norfolk House, St. James's Square, London SWlY 4JR/England

Brennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor für ein Gasturbinentri ebwerk.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abgasemissionen von Gasturbinentriebwerken zu vermindern. Ein bekanntes Verfahren zur Verminderung dieser Abgasemission besteht darin, Wasser in die Brennkammer einzuspritzen. Ein Problem, welches mit diesem Einspritzverfahren verknüpft 1st, besteht jedoch darin eine zufriedenstellende Mischung von Wasserdampf und Brennstoffdampf zu erreichen, um die Möglichkeit örtlicher heißer und kalter Stellen zu vermeiden· Die spezielle Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt besteht demgemäß darin, einen Brennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, welcher eine zufriedenstellende Durchmischung gewährleistet.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist ein Brennstoff injektor für ein Gasturbinentriebwerk mit einem umgebenden Ringkanal versehen, dem eine Luftströmung zugeführt wird, und es sind Mittel vorgesehen, um eine begrenzte Wasserströmung in diesen Ringkanal einzuführen.

70981 1/0286

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine aufgebrochene schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem Brennstoffinjektor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Schnittansicht des Brennstoffinj ektors.

Die Zeichnung zeigt einen Brennst off injektor 116 für ein Gasturbinentriebwerk 20 und es sind in einem Triebwerk mehrere derartige Brennstoffinjektoren 116 angeordnet, die einen Teil der Hauptverbrennungseinrichtung oder des Nachbrenners des Triebwerks bilden. Jeder Brennstoffinjektor 16 ist symmetrisch bezüglich seiner Längsmittellinie bzw· bezüglich der mit 101 gekennzeichneten Achse angeordnet und jeweils in einem zugehörigen Flammrohr montiert. Das stromoberseitige Ende des Flammrohres ist mit 10 gekennzeichnet. Das Flammrohr kann kreisförmig sein, oder es kann aus mehreren zylindrischen Flammrohren bestehen, die in Umfangsrichtung um die Achse des Triebwerks herum angeordnet sind. Im Betrieb wird komprimierte Luft dem Flammrohr vom Kompressor 12 zugeführt und in jedem Flammrohr wird über die Brennstoffinjektoren 116 Brennstoff zugesetzt, um ein Brennstoff/Luftgemisch zu schaffen« das dann gezündet wird. Nach Abkühlung in bekannter Weise im Flammrohr werden die Verbrennungsprodukte der Turbine 14 zugeführt, die antriebsmäßig mit dem Kompressor verbunden ist, und die Abgase der Turbine werden dann durch ein Strahlrohr 16 mit Schubdüse 18 ausgestoßen.

Die Luftströmung erfolgt gemäß der Zeichnung von links nach rechts, wie dies in Figur 2 durch die Pfeile 115 gekennzeichnet ist.

70981 1/0286

Der Brennstoff injektor 116 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen hohlen Zentralkörper 121, der im Ende des Flammrohres 10 eingebaut ist. Ein äußerer Körper 122 umgibt teilweise den Mittelkörper 121 und wird durch stromlinienförmig gestaltete Streben 140 gehaltert, um einen ringförmigen Strömungskanal 125 zu bilden. Wenn das Triebwerk arbeitet, wird komprimierte Luft durch den hohlen Zentralkörper 121 und durch den ringförmigen Strömungspfad 123 geleitet. Der ringförmige Strömungspfad 123 konvergiert in Strömungsrichtung nach einer Stelle mit minimalem Durchmesser, die benachbart zum stromunterseitigen Ende des Brennstoffinjektors liegt.

Die innere Oberfläche 129 des Zentralkörpers 121 ist mit mehreren öffnungen 128 versehen, die über eine gleiche Zahl von Kanälen 124 und eine Zahl von Leitungen 125 mit einer ringförmigen Zuleitung 126 verbunden sind. Die ringförmige Zuleitung 126 wird vom Brennstoffsystem des Triebwerks über einen Kanal 138 mit Brennstoff versorgt.

Im Zentralkörper 121 benachbart zu den öffnungen 128 befindet sich eine Ringhülse 130, deren Zweck in der deutschen Patentanmeldung Mr· P 26 18 219.4 beschrieben ist. Im Betrieb wird ein im wesentlichen konisch gestalteter Sprühstrahl versprühten Brennstoffs vom stromabwärtigen Ende des Zentralkörpers 121 geliefert.

Im Zentralkörper 121 ist eine zweite Ringleitung 142 angeordnet und diese wird über einen Kanal 146 mit Wasser gespeist. Die Zufuhr von Wasser wird durch ein äußeres, nicht dargestelltes Wassereinspritzsystem gesteuert. Von der Ringleitung 142 führen mehrere relativ kleine Kanäle 144 weg, die sich nach dem ringförmigen Strömungspfad 123 hin öffnen. Die Kanäle 144 liegen benachbart zu dem stromabwärtigen Ende des Strömungspfades 123. Im Betrieb strömt daher das Wasser durch die Kanäle

70981 1/0286

- * - 2633578

144 und vermischt sich mit der Luft in dem ringförmigen Strömungskanal 125, um einen Wassersprühstrahl zu schaffen, der sich mit dem Brennstoffsprühstrahl vermischt, der aus dem Injektor austritt.

Die Kanäle 144 können im Querschnitt kreisförmig oder rechteckig sein, jedoch ist es zweckmäßig im Sinne einer Vergrößerung der Zerstäubungsrate die Kanäle als rechteckige Schlitze auszubilden. Diese Schlitze sind in einem spitzen Winkel gegenüber der Längsachse 101 des Injektors so angeordnet, daß das Wasser eine direkt stromabwärts gerichtete Komponente aufweist, wenn es in den Strömungspfad 123 eintritt und die Schlitze sind außerdem in einem Winkel gegenüber einer radialen Linie durch die Achse des Injektors angestellt (d.h. sie treffen den Ströinungspfad 123 im wesentlichen tangential), so daß der Wasserströmung eine Wirbelbewegung aufgeprägt wird, die die Zerstäubung weiter unterstützt.

Durch Einspritzen von Wasser in den Strömungskanal 123 wird das Wasser nach dem heißesten Bereich des Flammrohres gerichtet und kühlt auf diese Weise die Verbrennungsgase.

Es ist beabsichtigt, die Wasserinjektion nur zu benutzen, wenn das Triebwerk mit maximaler Leistung und maximaler Drehzahl arbeitet, beispielsweise beim Start des Flugzeuges und bei hohen Umgebungstemperaturen und hoch über dem Meer gelegenen Flughäfen wo nur ein geringerer Schub verfügbar ist, weil die Luftmassenströmung durch das Kompressorsystem des Flugzeugs vermindert wird.

Die Wassereinspritzung dient zwei Zielen: Durch Verminderung der Verbrennungsgastemperaturen kann die Drehzahl der Wellen erhöht werden, wodurch der Schub vergrößert wird und die Abgasemissionen insbesondere ihr NO -Gehalt vermindert wird. Da der

709811/0288

maximale Schub gewöhnlich nur beim Start des Plugzeugs benötigt wird, braucht die Wasserinjektion nur während des Starts, beispielsweise nur für etwa 3 Minuten zu arbeiten. Wenn der Schub des Triebwerks vermindert wird und das Plugzeug in den Reiseflug übergeht, dann fallen die Temperaturen in der Verbrennungseinrichtung und die Abgasemissionen werden in entsprechender Weise vermindert.

Dem Wasser wird gewöhnlich ein die Vereisung verhindernder Stoff, z.B. Methanol, zugesetzt.

Patentansprüche

70 98 11/0286

Claims

Patentansprüche

1. } Brennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk, - -^ dadurch gekennzei chnet, daß er mit einem umgebenden ringförmigen Kanal (123) versehen ist, dem eine Luftströmung (115) zugeführt wird, und daß Mittel (142, 144) vorgesehen sind, über die eine begrenzte Wasserströmung in den Ringkanal eingeführt wird.

2. Brennst off injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zuführung einer begrenzten Wasserströmung nach dem Ringkanal aus einer Ringleitung (142) bestehen, der Wasser zugeführt wird und daß die Ringleitung mit dem Kanal (123) über mehrere öffnungen (144) in Verbindung steht·

3. Brennst off injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringleitung (142) und die öffnungen (144) innerhalb des Körpers (121) des BrennstoffInjektors (116) angeordnet sind.

4· Brennstoff injektor nach einem der vorhergehenden

Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (123) am stromabwärtigen Ende nach einem minimalen Durchmesser in der Nähe des stromabwärtigen Endes des BrennstoffInjektors (116) konvergiert·

70981 1/0286

5. Brennstoff injektor nach den Ansprüchen 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet« daß die Außenwand (122) des Ringkanals (123) vom Brennstoffinjektor (116) über stromlinienförmige Streben 140 getragen wird.

6« Brennstoffinjektor nach den Ansprüchen 2 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (144) einen rechteckigen Querschnitt besitzen.

7. Brennstoffinjektor nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (144) in einem Winkel gegenüber der Längsachse des Brennstoffinjektors (116) so angestellt sind, daß das Wasser eine stromab gerichtete Komponente besitzt, wenn es in den ringförmigen Kanal (123) eintritt.

8. Brennst off injektor nach den Ansprüchen 2 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (144) in einem Winkel gegenüber einer radialen Linie durch die Längsachse des Injektors (116) derart angestellt sind, daß der Wasserströmung eine Wirbelbewegung aufgeprägt wird, wenn das Wasser in den Ringkanal (123) eintritt.

9. Brennst off injektor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (144) benachbart zum stromoberseitlgen Ende des Ringkanals (123) angeordnet sind.

7 09811/0286