DE69903415T2

DE69903415T2 - Durchblasvorrichtung zum verhindern des verkokens von kraftstoffeinspritzdüsen

Info

Publication number: DE69903415T2
Application number: DE69903415T
Authority: DE
Inventors: A. Prociw
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1999-04-19
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2019-04-20
Also published as: DE69903415D1; CA2339276A1; US6125624A; CA2339276C; JP2002512339A; EP1071872B1; EP1071872A1; WO1999054610A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Luftspühlsystem zum Verhindern von Kohlebildung in Gasturbinenmaschinen-Brennstoffinjektoren und insbesondere in Druckzerstäubern mit kleinen Öffnungen eines primären Brennstoffinjektors.

STAND DER TECHNIK

Der Erfinder hat erkannt, dass nach dem Abschalten der Maschine die Maschinenrestwärme ausreichend ist, ein Zersetzen von Brennstoff an den benetzten Oberflächen der Injektoren und eine Anlagerung von Kohle zu verursachen.
Eine Kohlebildung führt zum Verengen der Brennstoffinjektoröffnungen. Ohne eine adäquate Wartung führt Verkohlen zu ungleichmäßigem Verbrennen und kann schließlich das Triebwerk ausfallen lassen. Brennstoffinjektoren sind häufig in relativ unzugänglichen Innenbereichen der Maschine angeordnet. Ein Verlängern der Wartungslebensdauer eines Injektors kann zu signifikanten Wartungskosteneinsparungen und verringerter Triebwerksausfallzeit führen.
Besonders kritisch sind kleine Öffnungen in Injektoren, die in Richtung zur Oberseite einer Maschine angeordnet sind, da aufsteigende heiße Gase sich ansammeln und den oberen Maschinenbereich für eine lange Zeitdauer nach dem Abschalten der Maschine signifikant erwärmen. Der Erfinder hat beobachtet, dass eine Kohlebildung in einem viel größeren Maße in oberen Bereichen der Maschine auftraten und hat folglich erkannt, dass die Ursache das Ansammeln heißer Gase mit Temperaturen, die ausreichend waren, zu einer Brennstoffzersetzung und anschließender Kohleanhäufung zu führen, nach dem Abschalten der Maschine war.
Dieses Problem wurde im Stand der Technik bisher noch nicht generell erkannt und speziell der Effekt der Ansammeln der heißen Gase in den oberen Bereichen der Maschine nach dem Abschalten wurde nicht gewürdigt. Es gibt im Stand der Technik einige Injektorspülsysteme, diese Systeme leisten jedoch eine Luftausspülung von Brennstoff aus den Injektoren und ein Heraustreiben von Brennstoff aus den Brennstoffverteilereinrichtungen beim Abschalten des Triebwerks.
Der Stand der Technik scheint nicht den Zustand von Brennstoff benetzten Oberflächen nach dem Abschalten zu berücksichtigen. Möglicherweise hat man angenommen, dass Brennstoff ohne signifikanten Nebeneffekt schnell verdampfen wird.
Beispielsweise liefert das US-Patent 3 541 788, das Schultz erteilt wurde, ein System zum Austreiben von Brennstoff aus Flüssigbrennstoffdüsen beim Abschalten, und USP 4 095 418, das Mansson et al. erteilt wurde, liefert ein System zum Ausspülen oder Spülen von Brennstoff aus Injektkoren mit verdichteter Luft. In beiden Fällen wird ein Sperrventil beim Abschalten betätigt, um ein Entkommen von Brennstoff in die Maschine aus den Injektoren zu verhindern.
Systeme des Stands der Technik betreffen nur die Rückgewinnung von Brennstoff aus dem Inneren der Injektordüsen. Keine Beachtung wird den mit Brennstoff benetzten Injektoroberflächen in Verbindung mit heißen Brennkammergasen geschenkt.
Ein weiteres Beispiel des Stands der Technik ist USP 3 344 602, das Davies et al. erteilt wurde, welches ein Brennstoffspülsystem für Gasturbinenmaschineninjektoren liefert, welches Brennstoffreste aus den Injektoren mit verdichteter Luft austreibt. Es ist darin speziell angegeben (in Spalte 2, Zeilen 20 bis 28), dass während des Spülens die auslaufenden Triebwerksverdichter- und Turbinenrotoren weiterhin rotieren, um eine ausreichende Luftströmung durch die Maschine zum Abgeben des ausgetriebenen/gespülten Brennstoffs aus den Verbrennungszonen der Maschine bereitzustellen.
Ein empfohlener Betrieb einer Gasturbinenmaschine beinhaltet, dass man es dem Triebwerk erlaubt, während einer Leerlaufperiode abzukühlen, bevor man das Triebwerk komplett abschaltet. In der Praxis lassen jedoch Piloten, insbesondere die kleiner Flugzeuge, die Triebwerke häufig nicht im Leerlauf laufen, da der Zugang zum Laden und das Aussteigen der Passagiere nicht sicher durchgeführt werden können, während das Triebwerk im Leerlauf läuft.
DE 39 16 477 beschreibt auch ein Brennstoffspulsystem für Gasturbineninjektoren, welches Brennstoffreste aus den Injektoren mit verdichteter Luft austreibt.
Keine Beachtung findet bei dem Stand der Technik, was später mit den Brennstoff benetzten Injektoroberflächen geschieht. Die Luftströmung durch das Triebwerk hört auf, wenn die Triebwerkrotoren allmählich aufhören zu rotieren. Die Metallbauteile des Triebwerks und insbesondere die Brennkammer bleiben für bis zu eine Stunde nach dem Abschalten des Triebwerks heiß. Wärme aus diesen Triebwerksbereichen verteilt sich schließlich durch Konvektion in die umgebende Triebwerks-Metallstruktur und durch Wärmeaustausch mit der relativ statischen Luft in dem Triebwerk.
Triebwerksbauelemente, welche die Brennkammer umgeben, dienen als eine Isolation, um die Wärme zu halten, und verhindern eine Luftzirkulation. Luftströmung durch ein arbeitendes Gasturbinentriebwerks ist axial gerichtet, und alle Triebwerkstrukturen sind so ausgelegt, dass sie den Widerstand gegen eine axiale Luftströmung minimieren. Wenn jedoch die Rotoren aufhören zu rotieren, hört die axiale Luftströmung auf, und heiße Luft in dem Triebwerk steigt zu den höher liegenden Bereichen des Triebwerks, wo sie gefangen ist. Heiße Luft wird bei Kontakt mit heißen Triebwerksbauteilen produziert, und zusammen mit der Konvektion durch die Triebwerks-Metallstruktur verteilt sie schließlich die Wärme von der Brennkammer. Während der Zeitdauer unmittelbar nach dem Abschalten des Triebwerks verhindert eingefangene heiße Luft in den oberen Bereichen der Brennkammer ein schnelles Abkühlen dieser Bereiche der Brennkammer.
Die Kombination aus den mit Brennstoff benetzen Injektor-Oberflächen und der Wärmerückhaltung in der benachbarten Brennkammer führt zu einem Zersetzen von Brennstoff und einer Kohlebildung. Temperaturen von bis zu 121ºC (250ºF) wurden nach dem Abschalten in den oberen Bereichen der Brennkammer gemessen. Bei diesen erhöhten Temperaturen kann es zu Verkokung kommen. Während des Triebwerksbetriebs liefern das Hindurchleiten von Brennstoff durch das Innere der Injektoren und die Luftströmung über das Äußere der Injektoren ein effizientes Kühlsystem für die Injektoren, und es bildet sich während des Betriebs keine Kohle in einem signifikanten Ausmaß. Jedoch nach dem Abschalten des Triebwerks werden die Injektoren in konventionellen Systemen nicht gekühlt. Die eingefangene heiße Luft, die sich in den oberen Bereichen der Brennkammer ansammelt, ist ausreichend, um die Injektoren auf eine Temperatur aufzuwärmen, so dass sich Brennstoff an den benetzten Oberflächen zersetzt, um eine Kohleschicht zu bilden. Die Kohlebildung ist besonders nachteilig, wo sehr enge Öffnungen verwendet werden, und Kohleschichten in der Größenordnung von ein paar Hundertstel Millimetern (ein paar Tausendstel Inch) können zu einer messbaren Verringerung bei der Brennstoffeffizienz führen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Das Luftspühlsystem der Erfindung wird beim Abschalten des Triebwerks aktiviert, um kontinuierlich Kühlluft durch die Injektoröffnungen für einen längeren Spülzeitraum nach dem Abschalten, beispielsweise 1 bis 1,5 Stunden, abzugeben.
Ein batteriebetriebenes Luftgebläse, welches mit der Brennstoffleitung verbunden ist, zwingt Kühlluft durch den Injektor, bis ein Thermoelement-Schalter das Gebläse beim Erfassen einer Injektortemperatur unterhalb von 67ºC (150ºF) deaktiviert. Bei dieser abgesenkten Temperatur kommt keine Kohlebildung mehr zustande. Während des Triebwerksbetriebs minimieren eine effiziente Verbrennung und das Injektorkühlen die Kohlebildung.
Die Erfindung liefert die folgenden Vorteile:
(1) Brennstoff wird vollständig über einen längeren Zeitraum von dem Injektor ausgespült;
(2) Rückströmen von heißen Verbrennungsgasen in den Injektor wird durch einen andauernden Überdruck und ein Ausfließen von Luft aus dem Injektor verhindert;
(3) brennstoffbenetzte Oberflächen an den Injektoren werden nach einem lang andauernden Ausgesetztsein der Spülluftströmung vollständiger getrocknet; und
(4) die Injektoren werden nach dem Abschalten des Triebwerks intern gekühlt, um Injektortemperaturen unterhalb der Temperatur zu halten, bei der es zu einer Kohlebildung kommt.
Insbesondere liefert die Erfindung in einer Gasturbinenmaschine, aufweisend einen Einlassluftverdichter strömungsaufwärts einer Brennkammereinrichtung, aufweisend mindestens einen Brennstoffinjektor, der mit flüssigem Brennstoff aus einer Brennstoffleitung versorgt wird, wobei die Verbesserung aufweist: eine Anti-Verkokungs-Brennstoffinjektorspüleinrichtung, aufweisend: eine Luftspüleinrichtung, die mit der Brennstoffleitung und einer Kühlluftquelle verbunden ist, zum kontinuierlichen Abgeben von Kühlluft durch die Brennstoff Öffnungen während eines ausgewählten Spülzeitraums, der mit dem Abschalten des Triebwerks beginnt, eine Maschinen-Abschalt-Sensorschalteinrichtung zum Aktivieren der Luftspüleinrichtung beim Erfassen des Abschaltens der Maschine und eine Schalteinrichtung zum Beenden des Spülens, um die Luftspülleinrichtung beim Erfassen einer Injektortemperatur unterhalb einer ausgewählten zulässigen Temperatur zu deaktivieren.
Weitere Details der Erfindung und ihre Vorteile werden aus der detaillierten Beschreibung und der Zeichnung ersichtlich, die nachfolgend angeschlossen sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zum leichteren Verständnis der Erfindung wird mit Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nur beispielhaft beschrieben, wobei gilt:
Fig. 1 ist eine weggeschnittene perspektivische Ansicht eines Teils einer ringförmigen Gasturbinenmaschinen-Brennkammer, die insbesondere einen Brennstoffinjektor mit primären und sekundären Brennstoff-Verteilereinrichtungen und Brennstoffleitungen und die Anti-Verkokungseinrichtung, die mit den primären Brennstoffleitungen verbunden ist, zeigt, mit Rückschlagventilen, Luftgebläse, batteriebetriebener Steuereinheit, einem Drucksensorschalter (Spülstartschalter), der an der Brennkammereinlassführung montiert ist, und einem Thermoelementschalter (Spülstopschalter), der an der Außenwand der Brennkammer montiert ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine weggeschnittene perspektivische Ansicht eines Segments einer ringförmigen Gasturbinenmaschinen-Brennkammer mit zugeordneten Brennstoffinjektoren. Die Reversströmungs-Brennkammer ist zwischen einer inneren Platte 1 und einer äußeren Platte 2 und einer Abschlusswand 3 definiert. Axial verdichtete Luftströmung von dem Maschinenverdichter strömt über die innere Oberfläche der Führungsplatte 4. Ein konventioneller Brennstoffinjektor 5 ist durch die Abschlusswand 3 montiert und an der Führungsplatte 4 mit einem Injektorbasiselement 6 abgestützt.
In der gezeigten Ausführungsform weist der Brenhstoffinjektor 5 primäre Brennstofföffnungen (nicht gezeigt) auf, die von einer primären Brennstoffver teilereinrichtung 7 versorgt werden, die einen Kreis um die Maschine bilden und die Brennstoffinjektor-Basiselemente 6 eines umfangsmäßigen Rings ähnlicher Injektoren 5 verbinden. Die primäre Brennstoffverteilereinrichtung 7 wird mit flüssigem Brennstoff durch die primäre Brennstoffleitung 8 versorgt, wie es durch den Pfeil in der Fig. 1 angegeben ist.
In ähnlicher Weise weist der Brennstoffinjektor 5 sekundäre Brennstofföffnungen (nicht gezeigt) auf, die von einer sekundären Brennstoffverteilereinrichtung 9 und einer sekundären Brennstoffleitung 10 versorgt werden. Die primären Brennstofföffnungen haben relativ zu den sekundären Brennstofföffnungen eine geringere Größe, wie das üblich ist. Bei der gezeigten Ausführungsform kommuniziert die Anti-Verkokungs-Brennstoffinjektorspüleinrichtung nur mit der primären Brennstoffleitung 8. Man wird jedoch verstehen, dass die Erfindung auch auf die sekundäre Brennstoffleitung 10 angewandt werden kann. Es ist jedoch angenommen, dass der meiste Vorteil für den geringsten Aufwand durch den Einsatz der Anti-Verkokungseinrichtung in der primären Brennstoffleitung 8 erhalten werden kann. Die Größe der primären Brennsofföffnungen ist relativ klein, und der Effekt einer dünnen Kohleschicht an derart engen Öffnungen ist signifikanter als die gleiche Schichtdicke an einer größeren sekundären Öffnung. Außerdem erfordern die kleinen primären Öffnungen, die mit der primären Verteilereinrichtung 7 und der primären Brennstoffleitung 8 verbunden sind, relativ geringe Volumina von Druckluft, um die Zwecke der Erfindung zu realisieren. Das viel größere sekundäre Brennstoffsystem würde viel größere Druckluftvolumina benötigen, um den gleichen Zweck zu erfüllen. Jedoch ist die Entscheidung der Anwendung der Erfindung auf eine sekundäre Brennstoffleitung eine Frage der Konstruktionswahl und keine Beschränkung des Umfangs der Erfindung.
Es wird auf die Anti-Verkokungs-Brennstoffinjektorspüleinrichtung selbst Bezug genommen. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung, welche ein Spülluftgebläse 11 aufweist. Das Gebläse 11 wird elektrisch von einer Batterie 12 über einen Verteilerkasten 13 versorgt. Das Gebläse 11 hat einen Einlass 14, der mit einer Quelle von Kühlluft beispielsweise von außerhalb der Maschine verbunden ist. Der Auslass für druckbeaufschlagte Luft aus dem Gebläse 11 ist mit der Brennstoffleitung 8 über eine Druckluftleitung 15 verbunden. Ein Spül- Rückschlagventil 16 ist in der primären Brennstoffleitung 8 positioniert, um ein Zurückfließen von verdichteter Kühlluft strömungsaufwärts in die Brennstoffleitung 8 zu verhindern. Die Druckluftleitung 15 weist auch ein Brennstoff- Rückschlagventil 17 auf, das zwischen dem Spülluftgebläse 11 und der Brennstoffleitung 8 angeordnet ist, um ein Zurückfließen von Brennstoff in das Spülluftgebläse 11 zu verhindern.
Beim Betrieb gibt deshalb das Gebläse 11 kontinuierlich Kühlluft durch die Druckluftleitung 15, durch die primäre Brennstoffleitung 8 an die primäre Brenstoffverteilereinrichtung 7, das Injektorbasiselement 6 und nach außen durch die primären Brennstofföffnungen eines jeden Brennstoffinjektors 5 ab. Beginnend mit dem Abschalten des Triebwerks beginnt ein Spülzeitraum mit einer gewählten Dauer und hält längere Zeit an. Die Dauer des Spülzeitraums kann in das Kontrollsystem vorprogrammiert sein.
Die Kontrollelemente beinhalten einen Triebwerks-Abschaltsensorschalter 18, der das Gebläse 11 beim Erfassen des Abschaltens des Triebwerks aktiviert. Verschiedene elektronische oder mechanische Sensorschalter können verwendet werden, bei der gezeigten Ausführungsform ist jedoch der Abschaltschalter 18 ein Triebwerksluftdruck-Sensorschalter. Wenn das Triebwerk arbeitet, wird die verdichtete Luft von dem Verdichterabschnitt über die Führungsplatte 4 geführt. Der Triebwerksluftdruck-Sensorschalter 18, der mit der Batterie 12 betrieben wird, aktiviert das Gebläse 11 bei Erfassen, dass der Luftdruck in dem Triebwerk unterhalb einen vorbestimmten Betriebsluftdruck fällt. Die Verringerung beim Luftdruck ist ein zuverlässiger Indikator für das Abschalten des Triebwerks, es gibt jedoch andere Indikatoren, die verwendet werden können und dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind.
Das Gebläse 11 wird kontinuierlich Kühlluft durch die primären Brennstofföffnungen der Brennstoffinjektoren 5 abgeben, bis es ein Abschaltsignal erhält. Ein Schalter 19 zum Beenden des Spülens, der mit dem Schaltkasten 13 verbunden ist, liefert ein Deaktivierungssignal in der Form einer Unterbrechung in dem Stromkreis zwischen der Batterie 12 und dem Gebläse 11 beim Erfassen einer Injektortemperatur unterhalb einer gewählten zulässigen Temperatur. Der Schalter für das Beenden des Spülens kann ein Thermoelement aufweisen, welches an der Brennkammer 2 montiert ist. Die von dem Thermoelement 19 an der Brennkammerwand 2 erfasste Temperatur wird proportional zu der Injektortemperatur sein. Thermoelemente 19 können auch in dem Injektor 5 selbst oder an irgendeiner benachbarten Struktur angeordnet sein, die eine ausreichend genaue Abschätzung der Injektortemperatur liefert. Man hat abgeschätzt, dass, wenn die zulässige Temperatur auf 67ºC (150ºF) gesetzt wird, es ausreichend sein wird, eine signifikante Ablagerung von Kohle in dem Injektor 5 und seinen Brennstoffzerstäuberöffnungen zu verhindern. Jede Temperaturbereich-Einstellung kann jedoch abhängig von der Wahl des Konstrukteurs bestimmt werden.
Man wird erkennen, dass die vorangehende Beschreibung sich auf eine einfache Anti-Verkokungs-Brennstoffinjektorspüleinrichtung bezieht. Weitere Verbesserungen können in dem Umfang der beschriebenen Erfindung vorgesehen werden können. Beispielsweise kann der Schaltkasten 13 durch eine ausgefeiltere Kontrolleinheit ersetzt werden, die es dem Piloten oder Wartungspersonal erlaubt, direkte Kontrolle über den Spülbetrieb zu haben. Außerdem können mehrere Sensorschalter 18 und 19 über die Brennkammer und das Triebwerk verteilt sein, um eine genauere Messung zu liefern.
Obwohl die vorangehende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen eine spezielle bevorzugte Ausführungsform betreffen, wie sie momentan von dem Erfinder beabsichtigt ist, wird man erkennen, dass die Erfindung in ihrer breitesten Ausgestaltung mechanische und funktionale Äquivalente der beschriebenen und gezeigten Elemente beinhaltet.

Claims

1. Anti-Verkokungs-Brennstoffinjektor-Spüleinrichtung zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine, aufweisend einen Einlassluftverdichter strömungsaufwärts einer Brennkammer (2), aufweisend mindestens einen Brennstoffinjektor (5), der mit flüssigem Brennstoff von einer Brennstoffleitung (8) versorgt wird, wobei die Anti-Verkokungseinrichtung aufweist:

eine Spüleinrichtung (11), die betriebsmäßig mit der Brennstoffleitung (8) verbunden ist, und eine Kühlluftquelle (14) zum kontinuierlichen Abgeben von Kühlluft durch die Brennstofföffnungen während eines ausgewählten Kühlzeitraums, der beim Abschalten der Maschine beginnt; und

eine Maschinenabschaltsensor-Schalteinrichtung (18) zum Aktivieren der Luftspüleinrichtung (11) beim Erfassen eines Abschaltens der Maschine;

wobei die Anti-Verkokungseinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ferner eine Schalteinrichtung (19) zum Beenden des Spülens aufweist zum Deaktivieren der Luftspüleinrichtung (11) beim Erfassen einer Injektortemperatur unterhalb einer gewählten zulässigen Temperatur.

2. Anti-Verkokungseinrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Spül-Rückschlagventileinrichtung (16), die betriebsmäßig in der Brennstoffleitung (8) angeordnet ist, zum Unterbinden eines Zurückfließens von Kühlluft Strömungsaufwärts in die Brennstoffleitung.

3. Anti-Verkokungseinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner aufweisend:

eine Brennstoff-Rückschlagventileinrichtung (17), die zwischen der Luftspüleinrichtung (11) und Brennstoffleitung (8) angeordnet ist, zum Verhindern eines Zurückfließens von Brennstoff in die Luftspüleinrichtung.

4. Anti-Verkokungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Maschinenabschaltsensor-Schalteinrichtung (18) einen Maschinen-Luftdrucksensorschalter aufweist.

5. Anti-Verkokungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (19) zum Beenden des Spülens einen Thermoelement-Schalter (19) in Verbindung mit der Brennkammer aufweist.

6. Anti-Verkokungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die zulässige Temperatur 67ºC (150ºF) ist.

7. Anti-Verkokungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Luftspüleinrichtung (11) ein Luftgebläse aufweist.

8. Anti-Verkokungseinrichtung nach Ansprüchen 4, 5 und 7, wobei das Gebläse, der Drucksensor-Schalter und der Thermoelement-Schalter von einer elektrischen Batterie (12) versorgt werden.

9. Gasturbinenmaschine aufweisend einen Einlassluftverdichter strömungsaufwärts einer Brennkammer (2), aufweisend mindestens einen Brennstoffinjektor (5), der mit flüssigem Brennstoff aus einer Brennstoffleitung (8) versorgt wird und eine Anti-Verkokungseinrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.

10. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 9, wobei jeder Brennstoffinjektor primäre und sekundäre Brennstofföffnungen aufweist, die von primären Brennstoffleitungen (8) bzw. sekundären Brennstoffleitungen (10) versorgt werden, wobei die primären Brennstofföffnungen relativ zu den sekundären Brennstofföffnungen eine geringere Größe haben; und wobei die Anti- Verkokungs-Brennstoffinjektorspüleinrichtung mit der primären Brennstoffleitung (8) kommuniziert.