DE2618219A1 - FUEL INJECTION DEVICE FOR A GAS TURBINE ENGINE - Google Patents
FUEL INJECTION DEVICE FOR A GAS TURBINE ENGINEInfo
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Description
Patentanwälte Di ρ I.-1 ng. C u rt WallachPatent Attorneys Di ρ I.-1 ng. C u rt Wallach
Dipl.-Ing. Günther KochDipl.-Ing. Günther Koch
Dipl.-Phys. Dr.Tino HaibachDipl.-Phys. Dr Tino Haibach
2618219 Dipl.-lng. Rainer Feldkamp2618219 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai dD-8000 Munich 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telephone (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d
Datum: 26. April 1976Date: April 26, 1976
Unser Zeichen: 15 509 - K/KlOur reference: 15 509 - K / Kl
Rolls-Royce (1971) Limited, London/EnglandRolls-Royce (1971) Limited, London / England
Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein GasturbinentriebwerkFuel injector for a gas turbine engine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk.The invention relates to a fuel injector for a gas turbine engine.
Eine bekannte Brennstoffeinspritzvorrichtung für Gasturbinentriebwerk besteht aus einem hohlen Zentralkörper und einem äusseren Körper, der wenigstens teilweise den Zentralkörper umgibt und einen Strömungskanal zwischen dem Zentralkörper und dem äußeren Körper definiert. Der Strömungskanal und der Zentralkörper werden mit komprimierter Luft gespeist^ wenn die Einspritzvorrichtung in Betrieb befindlich ist, und die innere Oberfläche des Zentralkörpers, die normalerweise als Wirbelkammer bekannt ist, wird mit Brennstoff aus mehreren öffnungen versorgt. Der Brennstoff bildet einen Ring und strömt nach hinten aus der Wirbelkammer ab und wird durch, die Luft versprüht, wenn er aus der Wirbelkammer gelangt, so daß ein konisch gestalteter Sprühstrahl aus Brennstoff erzeugt wird, der aus der Einspritzvorrichtung austritt.A known fuel injector for gas turbine engines consists of a hollow central body and an outer body which at least partially surrounds the central body and defines a flow channel between the central body and the outer body. The flow channel and central body are fed with compressed air when the injector is in operation, and the inner surface of the central body, usually known as the swirl chamber, is supplied with fuel from multiple orifices. The fuel forms a ring and flows backward out of the swirl chamber and is sprayed through the air as it exits the swirl chamber to create a conical spray of fuel which exits the injector.
603846/0707603846/0707
Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine tatsächliche Ringform nicht immer zuverlässig erlangt werden kann, wenn, wie dies typisch für eine solche Einspritzvorrichtung ist, sechs Brennstofföffnungen in der Wand der Wirbelkammer ausgebildet sind und dies kann dazu führen, daß der Sprühstrahl in diesem Falle aus sechs im wesentlichen getrennt voneinander verlaufenden Sprühstrahlen besteht, von denen jeder eine ungünstige Sprühqualität besitzt und die in konischer Form angeordnet sind.However, it has been shown that an actual ring shape cannot always be reliably obtained when like this Typical of such an injector is that six fuel openings are formed in the wall of the swirl chamber and this can result in the spray jet in this case consisting of six extending essentially separately from one another There is spray jets, each of which has an unfavorable spray quality and which are arranged in a conical shape.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Versprühung zu erhalten.The invention is based on the object of obtaining improved spraying.
Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk bestehend aus einem hohlen Zentralkörper, einem äußeren Körper, der wenigstens teilweise den Zentralkörper umgibt, und einen Strömungskanal dazwischen bildet, wobei der Strömungskanal und das Innere des Zentralkörpers mit komprimierter Luft gespeist werden und mehrere Brennstoffkanäle vorgesehen sind, von denen jeder Brennstoff nach einer Öffnung in der inneren Oberfläche des Zentralkörpers fördert. Gemäß der Erfindung ist innerhalb des hohlen Zentralkörpers ein Ringkörper benachbart zu den Öffnungen derart angeordnet, daß ein Ringspalt zwischen ihm und der innern OberfLäche des Zentralkörpers gebildet wird, dem über die öffnungen eine Brennstoffströmung zugeführt wird, wobei die radiale Breite des Spaltes groß genug ist, damit keine die Strömung störende Öffnung für die Brennstoffströmung erzeugt wird, aber klein genug,, damit eine Glättung der Brennstoffströmung auf der inneren Oberfläche des Zentralkörpers erreicht wird.The invention is based on a fuel injection device for a gas turbine engine consisting of a hollow central body, an outer body which at least partially surrounds the central body and forms a flow channel therebetween, wherein the flow channel and the interior of the central body are fed with compressed air and a plurality of fuel channels are provided, each of which delivers fuel to an opening in the inner surface of the central body. According to the Invention, an annular body is arranged within the hollow central body adjacent to the openings in such a way that an annular gap between it and the inner surface of the central body is formed, to which a fuel flow is fed via the openings, the radial width of the gap being large enough is so that no flow-disturbing opening is created for the flow of fuel, but small enough, so that one Smoothing the flow of fuel on the inner surface of the Central body is reached.
Vorzugsweise ist^eder Kanal in einem spitzen Winkel gegenüber der inneren Oberfläche des Zentralkörpers angestellt. Die Kanäle können einen kreisförmigen, einen quadratischen oder einen rechteckigen Querschnitt besitzen.Preferably, each channel is at an acute angle opposite employed on the inner surface of the central body. The channels can be circular, square or rectangular Own cross-section.
809848/0707809848/0707
Nachstehend ist ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:An exemplary embodiment of the invention is based on the following described in the drawing. In the drawing show:
Pig. I eine 'schematische, teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem Brennstoffinjektor gemäß der Erfindung;Pig. I a 'schematic, partially broken away view a gas turbine engine having a fuel injector according to the invention;
Fig. 2 einen Axialschnitt des Brennstoffinjektors nach Fig. 1;FIG. 2 shows an axial section of the fuel injector according to FIG. 1;
Fig. J5 einen Schnitt nach der Linie III-III gemäß Fig. 2.FIG. J5 shows a section along the line III-III according to FIG. 2.
Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 welches in Strömungsrichtung hintereinander einen Kompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12, eine Turbine I^ und eine Schubdüse 14 aufweist. Das Triebwerk als Ganzes arbeitet in herkömmlicher Weise, indem die in den Kompressor 11 eintretende Luft hier komprimiert und dem Verbrennungsabschnitt 12 zugeführt wird, wo Brennstoff injiziert und die sich hieraus ergebende Mischung verbrannt wird« Die Abgase strömen dann durch die Turbine 12 und treiben die Turbine an, die Ihrerseits den Kompressor treibt. Die Rest-gase der Turbine durchströmen dann die Düse 14 und liefern den Antriebsschub. 1 shows a gas turbine engine 10 which has a compressor 11, a combustion device 12, a turbine I ^ and a thrust nozzle 14 one behind the other in the direction of flow. The engine as a whole operates in a conventional manner in that the air entering the compressor 11 is compressed here and is fed to the combustion section 12 where fuel is injected and the resulting mixture is burned. «The exhaust gases then flow through the turbine 12 and drive the Turbine, which in turn drives the compressor. The residual gases of the turbine then flow through the nozzle 14 and deliver the drive thrust.
Das Gehäuse des Triebwerks ist im Bereich der Verbrennungseinrichtung aufgebrochen (Fig. 1), um die Brennkammer darzustellen, die ein Flammrohr 15 aufweist an dessen stromoberseitlgem Ende ein Brennstoffinjektor 116 angeordnet ist.The housing of the engine is in the area of the combustion device broken open (Fig. 1) to show the combustion chamber, which has a flame tube 15 at its stromoberseitlgem End a fuel injector 116 is arranged.
Der oder die Brennstoffinjektoren 116 sind in einem Flammrohr angeordnet, das in Betrieb mit komprimierter Luft aus dem Kompressor des Triebwerks versorgt wird. Dieser komprimierten Luft wird im Flammrohr Brennstoff zugesetzt, um eine Brennstoff/ Luftmischung zu erzeugen, die dann gezündet wird.The fuel injector or fuel injectors 116 are in a flame tube arranged, which is supplied in operation with compressed air from the compressor of the engine. This compressed air fuel is added in the flame tube to create a fuel / air mixture which is then ignited.
- 4 809848/0707 - 4 809848/0707
Fig. 2 zeigt den Brennstoffinjektor 116 in Axialschnitt zusammen mit dem Endabschnitt des entsprechenden Flammrohres 15.2 shows the fuel injector 116 together in axial section with the end section of the corresponding flame tube 15.
Die Luftströmung verläuft von links nach rechts, wie durch die Pfeile 115 angedeutet.The air flow runs from left to right, as indicated by arrows 115.
Der Brennstoffinjektor ist symmetrisch bezüglich seiner Längsmittelachse 101 und besteht aus einem zylindrischen Hohlkörper 121, der im Ende des Flammrohres 15 angeordnet ist. Dieser Zentralkörper 121 wird durch.einen äußeren Körper 122 teilweise umgeben und hierdurch wird ein ringförmiger Strömungskanal 12^ gebildet. Im Betrieb strömt komprimierte Luft durch den hohlen Zentralkörper 121 und ebenso durch den ringförmigen StrömungskanalThe fuel injector is symmetrical with respect to its central longitudinal axis 101 and consists of a cylindrical hollow body 121 which is arranged in the end of the flame tube 15. This Central body 121 is partially surrounded by an outer body 122 and this creates an annular flow channel 12 ^ formed. Compressed air flows through during operation the hollow central body 121 and also through the annular flow channel
Die innere Oberfläche 129 des Zentralkörpers 121 ist mit sechs öffnungen 128 ausgestattet, die über eine gleiche Zahl von Strömungssteuerleitungen 124 und über mehrere Leitungen 125 mit größerer Strömungsquerschnittsfläche als die öffnungen 128 mit einer Ringhauptleitung 126 verbunden sind. Die Ringhauptleitung wird mit Brennstoff vom Fördersystem des Triebwerks über eine Leitung 152 versorgt.The inner surface 129 of the central body 121 is equipped with six openings 128, which have an equal number of Flow control lines 124 and over multiple lines 125 with a larger flow cross-sectional area than the openings 128 are connected to a main ring line 126. The main ring line is supplied with fuel from the engine delivery system via line 152.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Kanäle mit quadratischem Querschnitt ausgebildet. Es können jedoch auch Leitungen mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt benutzt werden. Sie liegen mit ihren Mittellinien in einer Ebene senkrecht zur Achse 101 und bilden einen spitzen Winkel gegenüber der Oberfläche' 129, so daß im Betrieb eine Verwirbelung des Brennstoffes bewirkt wird, der auf die Oberfläche gelangt. Innerhalb des Zentralkörpers 121 benachbart zu den öffnungen 128 befindet sich eine ringförmige Hülse 1^0. Diese Hülse bildet einen Ringspalt IjJl, in den der Brennstoff zwischenIn the embodiment described, the channels are designed with a square cross section. It can, however lines with a circular or rectangular cross-section can also be used. They lie with their center lines in one Plane perpendicular to the axis 101 and form an acute angle with respect to the surface '129, so that a turbulence during operation of the fuel that reaches the surface. Within the central body 121 adjacent to the openings 128 is an annular sleeve 1 ^ 0. These Sleeve forms an annular gap IjJl in which the fuel between
- 5 609846/0707 - 5 609846/0707
die Hülse und die Oberfläche 129 gefördert wird.the sleeve and surface 129 is conveyed.
Innerhalb des hohlen Innenraums des Körpers 121 befindet sich eine Luft ab lenkvorrichtungWithin the hollow interior of the body 121 there is an air deflecting device
Die Wahl der radialen Breite des Spaltes 1J51 ist ausschlaggebend für die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzvorrichtung. So muß aus den oben erwähnten Gründen die durch den Spalt Ij51 gebildete St r ömungs fläche größer sein als die Gesamtströmungsfläche der sechs Steuerleitungen, und demgemäß muß die radiale Breite des Spaltes so gewählt werden, daß sie klein genug ist, um einen "Quetsch"-Effekt auf die Unregelmäßigkeiten der im wesentlichen ringförmigen Brennstoffströmung auszuüben, die auf der Oberfläche 129 erzeugt wird. Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel hat sich ergeben, daß bei sechs quadratischen Kanälen 124 mit einem Querschnitt von G, 63 mm · 0,63 mm die Radialbreite des Spaltes I3I 0,4 mm für eine optimale Betriebsweise betragen sollte, wenn der Durchmesser der Ringoberfläche 12,5 nra beträgt. Dies ergibt eine Fläche für den Ringspalt die etwa sieben mal so groß ist wie die Gesamtfläche der Kanäle 124.The choice of the radial width of the gap 1J51 is decisive for the operation of the fuel injection device according to the invention. For the reasons mentioned above, the flow area formed by the gap Ij51 must be larger than the total flow area of the six control lines, and accordingly the radial width of the gap must be selected so that it is small enough to avoid a "pinch" - Have an effect on the irregularities of the substantially annular fuel flow created on surface 129. In the special embodiment it has been found that with six square channels 124 with a cross section of G, 63 mm x 0.63 mm, the radial width of the gap I3I should be 0.4 mm for optimal operation if the diameter of the ring surface 12, 5 nra. This results in an area for the annular gap that is approximately seven times as large as the total area of the channels 124.
Bei unterschiedlichen Abmessungen und Strömungen sowie Strömungsflächen der verschiedenen Kanäle ist es notwendig, den jeweils optimalen Spalt 1^1 entsprechend zu wählen, aber in allen Fällen muß dieser optimale Wert zwischen den Extremwerten liegen, die darin bestehen, daß der Spalt I3I so klein ist, daß er eine Strömungseinschnürung bildet bzw. so groß ist, daß er keine Wirkung auf den über die Oberfläche 129 strömenden Brennstoff aufweist.With different dimensions and flows as well as flow areas of the different channels, it is necessary to use the choose optimal gap 1 ^ 1 accordingly, but in all cases this optimal value must lie between the extreme values, which consist in the fact that the gap I3I is so small that it is a Flow constriction forms or is so large that it does not Has an effect on the fuel flowing over the surface 129.
Im Betrieb bilden die sechs Strömungen aus den Kanälen 124 und den öffnungen 128 eine mehr oder weniger ringförmige Brennstoffströmung, die schraubenlinienförmig längs der Oberfläche 129In operation, the six flows from the channels 124 and the openings 128 form a more or less annular fuel flow, which are helical along surface 129
- 6 609848/0707 - 6 609848/0707
nach dem stromabwärtigen Ende des Körpers 121 verläuft. Ohne die Hülse lj5O wäre die Strömung unregelmäßig und insbesondere wären Räume größerer Brennstofftiefe vorhanden, die jeder der sechs öffnungen 128 entsprechen und dies führt zu Unregelmässigkeiten in dem schließlich erzeugten Brennstoffsprühstrahl. Wenn eine Hülse IjK) vorhanden ist und wenn der Spalt I3I gemäß der Erfindung gewählt wird, dann ist der Spalt so beschaffen, daß die Flächen größerer Brennstofftiefe "verquetscht" werden, um einen gleichmäßigeren Brennstoffilm zu erzeugen.extends to the downstream end of the body 121. Without the sleeve 15O, the flow would be irregular and particular there would be spaces of greater fuel depth that each of the six openings correspond to 128 and this leads to irregularities in the fuel spray ultimately generated. If a sleeve IjK) is present and if the gap I3I according to the invention is selected, then the gap is such that the surfaces of greater fuel depth "squeezed" to produce a more uniform fuel film.
Diese Strömung schreitet nach hinten längs des Spaltes fort, da die Strömung infolge der Gestalt der Ringhülse 121 nicht im Gegensinn verlaufen kann. Die Ringhülse endet im wesentlichen in der Mitte zwischen der Lage der öffnungen 128 und dem stromabwärtigen Ende des Zentralkörpers 121. Der Brennstoff wandert weiter nach der oberfläche 129 in Form eines dünnen rotierenden Ringes im wesentlichen konstanter Dicke ab, wobei dieser Ring etwa 0,15 bis 0,2 mm dick ist, in diesem Bereich. Am stromabwärtigen Ende des Zentralkörpers 121 bricht dieser Brennstoffring vom Rand der Oberfläche 129 zwischen den Strömungen der komprimierten Luft, die durch den Strömungskanal 12^ bzw. das Innere des Zentralkörpers 121 strömt ab und wird nach außen durch die Ablenkeinrichtung Ij5j5 abgelenkt und die Scherwirkung zwischen diesen beiden Strömungen bewirkt eine Verstäubung des Brennstoffs im wesentlichen in konischer Gestalt, wobei das Ausmaß der Verstäubung wesentlich verbessert ist gegenüber einer Verstäubung die stattfindet, wenn die Ringhülse 1J50 fehlt.This flow advances backwards along the gap, since the flow due to the shape of the annular sleeve 121 cannot go in the opposite direction. The ring sleeve ends essentially in the middle between the position of the openings 128 and the downstream end of the centerbody 121. The fuel continues to migrate to the surface 129 in the form a thin rotating ring of essentially constant thickness, this ring being about 0.15 to 0.2 mm thick, in this area. At the downstream end of the central body 121, this fuel ring breaks from the edge of the surface 129 between the flows of the compressed air flowing through the flow channel 12 ^ or the interior of the central body 121 flows off and becomes outward through the deflector Ij5j5 deflected and the shear between these two flows essentially atomizes the fuel in a conical shape, the extent of the atomization being significantly improved compared to an atomization that takes place, if the ring sleeve 1J50 is missing.
Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche 129 parallel zur Achse 101 angeordnet, jedoch könnte der von der Oberfläche 129 begrenzte Kanal auch konvergieren und so die Kombination getrennter Brennstoffströmungen längs der Ober fläche 129 in eine einzige Ringströmung unterstützen. ImmerAccording to the illustrated embodiment, the surface 129 is arranged parallel to the axis 101, but that of The channel bounded by the surface 129 also converge and so the combination of separate fuel flows along the surface support surface 129 in a single annular flow. always
- 7 $09848/0707 - 7 $ 09848/0707
vorausgesetzt, daß die Querschnittsfläche des Kanals zwischen der Oberfläche 129 und der Hülse 133 nicht kleiner wird als die kombinierte Querschnittsfläche der Kanäle 124.provided that the cross-sectional area of the channel between surface 129 and sleeve 133 does not become less than the combined cross-sectional area of the channels 124.
Es wurde bereits erwähnt, daß die steuernde Strömungsfläche für die Brennstoffströmung im Injektor so angeordnet ist, daß .sie durch die Kanäle 124 geliefert wird. Dies ist wichtig, weil dann, wenn man zuläßt daß der Spalt I3I die Steuerfläche wird, es für einen zweckmäßigen Betrieb notwendig wird, daß der Spalt präzise ringförmig wird und zwar in einem Ausmaß.das bezüglich der Genauigkeit durch die heutigen Herstellungsmethoden schwer erreicht werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die Kanäle 124 relativ leicht mit hoher Genauigkeit gestaltet und kalibriert werden, so daß eine Brennstoffströmung nach der Oberfläche 129 gelangt, deren Unregelmäßigkeiten grundsätzlich nur jene sind, die durch die notwendige Weise vorhandenen diskreten Zuführungen aus den Öffnungen nach der Oberfläche resultieren, die aber nicht durch Ungenauigkeiten der Abmessungen bedingt sind.It has already been mentioned that the controlling flow surface for the fuel flow in the injector is arranged so that .it is delivered through channels 124. This is important because then, if the gap I3I is allowed to become the control surface, it becomes necessary for proper operation that the gap be precisely annular to an extent relative to that the accuracy can be difficult to achieve by today's manufacturing methods. In the arrangement according to the invention For example, the channels 124 can be designed and calibrated relatively easily with high accuracy so that fuel flow reaches the surface 129, its irregularities are basically only those that follow the necessary discrete feeds from the openings the surface result, which are not due to inaccuracies in the dimensions.
Es können verschiedene Abwandlungen getroffen werden ohne den Rahmen der Bfindung zu verlassen. So könnten zusätzliche Brennst offzuführungs- oder Brennstoffeinspritzeinrichtungen vorgesehen werden, z.B. solche, die als Hilfseinspritzeinrichtungen arbeiten.Various modifications can be made without leaving the scope of the binding. So could additional fuel Offzuführungs- or fuel injection devices provided e.g. those used as auxiliary injectors work.
Patentansprüche: - 8 6Ö9846/0707 Patent claims: - 8 6Ö9846 / 0707
Claims (1)
gekennzeichnet , daß die Brennstoffkanäle (124) einen rechteckigen Querschnitt besitzen.4. Fuel injection device according to claim 3, characterized
characterized in that the fuel channels (124) have a rectangular cross-section.
Ende des hohlen Zentralkörpers (121) verläuft.7. Fuel injection device according to claim 3 *, characterized in that the annular body (lj50) only over part of the way to the downstream
End of the hollow central body (121) runs.
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