CH697790A2

CH697790A2 - Düse zum Leiten eines Fluids in einen Brennkammeraufbau sowie Brennkammeraufbau.

Info

Publication number: CH697790A2
Application number: CH01255/08A
Authority: CH
Inventors: Carey Edward Romoser
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2009-02-27
Also published as: US20110252806A1; US20110259013A1; US8763359B2; US20090223228A1; CN101368739A; CN102748776B; US7966820B2; JP5400936B2; CH697790B1; JP2012229697A; US8839628B2; DE102008044422A1; JP2009047410A; CN101368739B; CN102748776A

Abstract

Es wird eine Düse zum Leiten eines Fluids in einen Brennkammeraufbau bereitgestellt. Die Düse weist einen Körper einschliesslich einer Mittellinie (514), einen ersten Durchgang, der sich entlang der Mittellinie durch den Körper erstreckt, und eine Düsenspitze (500), die mit einem stromabwärts befindlichen Ende des ersten Durchgangs gekoppelt ist, auf, wobei die Düsenspitze einen Radius R aufweist, der sich von einer Mitte der Düsenspitze zu einer Aussenfläche der Düsenspitze erstreckt. Die Düsenspitze weist eine stromabwärts gerichtete Fläche und mehrere Auslassdurchgänge (502), die jeweils eine in der stromabwärts gerichteten Fläche definierte Öffnung (516) umfassen, auf, wobei jede Öffnung eine jeweilige X-, Y- und Z-Achse aufweist, die in Bezug auf eine tangentiale Linie, den Radius und die Mittellinie definiert sind, wobei jeder der mehreren Auslassdurchgänge in einem in Bezug auf die jeweilige Z-Achse in einer jeweiligen X-Z-Ebene gemessenen Ausstosswinkel von mehr als 30° liegt.

Description

Allgemeiner Stand der Technik

[0001] Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Gasturbinenmotor und genauer ein Verbrennungssystem für einen Gasturbinenmotor.

[0002] In zumindest einigen bekannten Gasturbinenmotor-Verbrennungssystemen wird zur Erleichterung des Verringerns der Möglichkeit eines mageren Erlöschens oder eines Erlöschens, das verursacht wird, wenn die Umgebung ein geringes Kraftstoff-Luft-Verhältnis aufweist, Diffusionskraftstoff verwendet, um den Turbinenbetrieb zu starten. Abhängig von der Turbine kann Diffusionskraftstoff, der durch Kraftstoffdüsen eingespritzt wird, stromabwärts von den Kraftstoffeinspritzdüsen konzentriert werden.

Die erhöhte Konzentration des Diffusionskraftstoffs kann ein kraftstoffreiches Kraftstoff-Luft-Verhältnis stromabwärts der Kraftstoffeinspritzdüsen unerwünscht erhöhen, so dass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis über die zulässige obere Grenze ansteigt. Eine derartige kraftstoffreiche Umgebung kann eine fette Löschgrenze (rieh blow out, RBO) überschreiten, was ein Erlöschen der Diffusionskraftstoff-Flamme verursacht. Genauer treten die meisten bekannten fetten Erlöschungen bei etwa 80% der Turbinengeschwindigkeit während des Anlaufens der Turbine auf.

[0003] Einige bekannte Verbrennungssysteme gleichen die kraftstoffreiche Umgebung aus, indem der Strom des Diffusionskraftstoffs verringert wird und ein Kraftstoff, der mit Luft vorgemischt ist, eingespritzt wird, bevor die Turbine die volle Betriebsgeschwindigkeit erreicht.

Ein Turbinenanlaufen, das vorgemischten Kraftstoff einspritzt, bevor die Turbine die volle Geschwindigkeit erreicht, kann zum Beispiel als "Mager-Mager-Start" bezeichnet werden. Doch da die Vormischkraftstoff-Flamme instabiler als die Diffusionskraftstoff-Flamme ist, muss einer Vormischkraftstoff-Flamme mehr Kraftstoff als einer Diffusionskraftstoff-Flamme geliefert werden, um das Stabilisieren der Flamme zu erleichtern. Zum Beispiel handelt es sich in einigen bekannten Systemen bei ungefähr 50% oder mehr des gesamten Kraftstoffs, der in die Brennkammer eingespritzt wird, um vorgemischten Kraftstoff, der durch eine der mehreren Düsen in der Brennkammer eingespritzt wird.

[0004] In zumindest einigen bekannten Brennkammern kann ein Mager-Mager-Start die lokale Auskleidungswandtemperatur in der Nähe der Vormischkraftstoff-Flamme erhöhen.

Ein derartiger Temperaturanstieg tritt im Allgemeinen aufgrund der unverhältnismässigen Menge an Kraftstoff, die zu einer der Kraftstoffdüsen geliefert wird, im Vergleich zur Menge an Kraftstoff, die zu den anderen Düsen in der Brennkammer geliefert wird, auf. Überdies kann ein derartiger Temperaturanstieg die Brennkammerhardware, die die Flamme umgibt, wie etwa zum Beispiel die Brennkammerauskleidung und/oder Übergangsstücke vorzeitig abnutzen. Als Ergebnis kann es sein, dass diese Brennkammerhardware häufiger ersetzt werden muss, als wenn die Anlauf-Verbrennungstemperaturen bei einer niedrigeren Temperatur gehalten würden. Um die höheren Temperaturen auszugleichen, enthalten einige bekannte Brennkammern Bestandteile, die einem thermischen Verschleiss gegenüber beständiger sind.

Derartige Bestandteile können die Kosten und/oder das Gewicht des Motors im Vergleich zu Motoren, die Brennkammern aufweisen, welche keine thermisch beständigen Bestandteile enthalten, erhöhen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0005] Nach einem Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenmotors, der einen Brennkammeraufbau aufweist, bereitgestellt.

Das Verfahren beinhaltet das Leiten eines ersten Fluids durch eine erste Düse in den Brennkammeraufbau, das Zünden des ersten Fluids im Brennkammeraufbau stromabwärts der Düse, das Leiten eines zweiten Fluids durch eine zweite Düse in den Brennkammeraufbau, wenn der Gasturbinenmotor eine Geschwindigkeit von mehr als 85% der Nenndrehzahl erreicht, das Zünden des zweiten Fluids im Brennkammeraufbau stromabwärts der zweiten Düse, das Beenden eines Stroms des ersten Fluids durch die erste Düse, und das Leiten des zweiten Fluids zur ersten Düse.

[0006] Nach einem anderen Gesichtspunkt wird eine Düse zum Leiten eines Fluids in einen Brennkammeraufbau bereitgestellt.

Die Düse weist einen Körper einschliesslich einer Mittellinie, einen ersten Durchgang, der sich entlang der Mittellinie durch den Körper erstreckt, und eine Düsenspitze, die mit einem stromabwärts befindlichen Ende des ersten Durchgangs gekoppelt ist, auf. Die Düsenspitze weist einen Radius auf, der sich von einer Mitte der Düsenspitze zu einer Aussenfläche der Düsenspitze erstreckt. Die Düsenspitze weist eine stromabwärts befindliche Fläche und mehrere Auslassdurchgänge, die jeweils eine in der stromabwärts befindlichen Fläche definierte Öffnung aufweisen, auf. Jede Öffnung weist eine jeweilige X-, Y- und Z-Achse auf, die in Bezug auf eine tangentiale Linie, den Radius und die Mittellinie definiert sind.

Jeder der mehreren Auslassdurchgänge liegt in einem in Bezug auf die jeweilige Z-Achse in einer jeweiligen X-Z-Ebene gemessenen Ausstosswinkel von mehr als 30 .

[0007] Nach noch einem anderen Gesichtspunkt wird ein Brennkammeraufbau zur Verwendung mit einem Gasturbinenmotor bereitgestellt. Das System weist mehrere erste Düsen auf, die mit dem Brennkammeraufbau gekoppelt sind. Jede der ersten Düsen weist eine Düsenspitze mit mehreren Auslassdurchgängen auf, die mit einer ersten Kraftstoffquelle gekoppelt sind. Jede der ersten Düsen weist ferner mehrere erste Leitschaufeldurchgänge auf, die mit einer zweiten Kraftstoffquelle gekoppelt sind. Das System weist ferner eine zweite Düse auf, die mit dem Brennkammeraufbau gekoppelt ist. Die zweite Düse weist mehrere zweite Leitschaufeldurchgänge auf, die mit der zweiten Kraftstoffquelle gekoppelt sind.

Das System weist ein Steuersystem auf, das mit dem Brennkammeraufbau gekoppelt ist. Das Steuersystem ist dazu gestaltet, einen ersten Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle durch die Auslassdurchgänge der ersten Düsen zu leiten, und einen zweiten Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle durch die zweiten Leitschaufeldurchgänge der zweiten Düse zu leiten, wenn der Gasturbinenmotor eine Geschwindigkeit von mehr als 85% der Nenndrehzahl erreicht.

Das System ist ferner dazu gestaltet, den zweiten Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle durch die mehreren ersten Leitschaufeldurchgänge der mehreren ersten Düsen zu leiten, wenn sich der Gasturbinenmotor bei einer Last befindet, die grösser als ein erster vorbestimmter Prozentsatz einer Grundlast ist, und einen Strom des ersten Kraftstoffs, der die mehreren Düsen betritt, zu verringern, wenn sich der Gasturbinenmotor bei einer Last befindet, die grösser als der erste vorbestimmte Prozentsatz der Grundlast ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0008]
<tb>Fig. 1<sep>ist eine teilweise Querschnittansicht eines beispielhaften Gasturbinenverbrennungssystems.

<tb>Fig. 2<sep>ist eine schematische Ansicht eines Teils des in Fig. 1 gezeigten Verbrennungssystems.

<tb>Fig. 3<sep>ist eine Vorderansicht des in Fig. 2 gezeigten Verbrennungssystems.

<tb>Fig. 4<sep> ist eine Querschnittansicht einer beispielhaften Kraftstoffdüsenanordnung, die mit dem in Fig. 1 gezeigten Verbrennungssystem verwendet werden kann.

<tb>Fig. 5<sep>ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Kraftstoffdüsenspitze, die mit der in Fig. 4 gezeigten Kraftstoffdüse verwendet werden kann.

<tb>Fig. 6<sep>ist eine Querschnittansicht der in Fig. 5 gezeigten Kraftstoffdüsenspitze.

<tb>Fig. 7<sep>ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben des in Fig. 1 gezeigten Verbrennungssystems.

<tb>Fig. 8<sep>ist eine graphische Darstellung, die beispielhafte Kraftstoffkreisverhältnisse veranschaulicht, welche bei der Verwendung des in Fig. 7 gezeigten Verfahrens verwendet werden können.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0009] Fig. 1 ist eine teilweise Querschnittansicht eines beispielhaften Gasturbinenmotors 10, der mehrere Kraftstoffdüsenanordnungen 400 aufweist. Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht eines Teils des Gasturbinenmotors 10. Fig. 3 ist eine Vorderansicht des in Fig. 2 gezeigten Teils des Gasturbinenmotors 10.

[0010] Der Gasturbinenmotor 10 weist einen Kompressor 12, eine Brennkammer 14 und eine Turbine 16 auf. In Fig.1 ist nur eine Düse 18 der ersten Stufe der Turbine 16 gezeigt.

In der beispielhaften Ausführungsform ist die Turbine 16 mit Rotoren (nicht gezeigt), die durch eine einzelne gemeinsame Welle (nicht gezeigt) verbunden sind, treibend mit dem Kompressor 12 gekoppelt. Der Kompressor 12 beaufschlagt Einlassluft 20 mit Druck, die dann zur Brennkammer 14 geleitet wird, wo sie die Brennkammer 14 kühlt und dem Verbrennungsprozess Luft bereitstellt. Genauer strömt Luft 22, die zur Brennkammer geleitet wird, in eine Richtung, die zum Strom von Luft durch den Motor 10 im Allgemeinen entgegengesetzt verläuft. In der beispielhaften Ausführungsform weist der Gasturbinenmotor 10 mehrere Brennkammern 14 auf, die um ein Motorgehäuse 24 in der Umfangsrichtung ausgerichtet sind.

Genauer sind die Brennkammern 14 in der beispielhaften Ausführungsform zum Beispiel Rohr-Ringbrennkammern, doch sind sie nicht darauf beschränkt.

[0011] In der beispielhaften Ausführungsform weist der Motor 10 einen doppelwandigen Übergangskanal 26 auf. Genauer erstreckt sich der Übergangskanal 26 in der beispielhaften Ausführungsform zwischen einem Auslassende 28 jeder Brennkammer 14 und dem Einlassende 30 der Turbine 16, um Verbrennungsgase 32 in die Turbine 16 zu leiten. Ferner weist in der beispielhaften Ausführungsform jede

[0012] Brennkammer 14 ein im Wesentlichen zylinderförmiges Brennkammergehäuse 34 auf. Das Brennkammergehäuse 34 ist an einem offenen hinteren Ende 36 mit dem Motorgehäuse 24 gekoppelt.

Das Brennkammergehäuse 34 kann beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung darauf, unter Verwendung von Schrauben 38, mechanischen Befestigungen (nicht gezeigt), Schweissen und/oder jedem beliebigen anderen geeigneten Kopplungsmittel, das dem Motor 10 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten, mit dem Motorgehäuse 24 gekoppelt sein. In der beispielhaften Ausführungsform ist ein vorderes Ende 40 des Brennkammergehäuses 34 mit einem Enddeckelaufbau 42 gekoppelt. Der Enddeckelaufbau 42 weist zum Beispiel Zuflussrohre, Verteiler, Ventile zum Leiten von gasförmigem Kraftstoff, flüssigem Kraftstoff, Luft und/oder Wasser zur Brennkammer, und/oder alle beliebigen anderen Bestandteile auf, die dem Motor 10 ermöglichen, wie hierin beschrieben zu arbeiten.

In der beispielhaften Ausführungsform sind die Bestandteile im Enddeckelaufbau 42 mit einem Steuersystem 44 gekoppelt, um zumindest die Luft und den Kraftstoff, die die Brennkammer betreten, zu steuern, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Das Steuersystem 44 kann zum Beispiel ein Computersystem und/oder jedes beliebige andere System sein, das der Brennkammer ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten, ist aber nicht darauf beschränkt.

[0013] In der beispielhaften Ausführungsform ist eine im Wesentlichen zylinderförmige Strömungshülse 46 so im Brennkammergehäuse 34 gekoppelt, dass die Hülse 46 mit dem Gehäuse 34 im Wesentlichen gleichachsig ausgerichtet ist. Die Strömungshülse 46 ist an einem hinteren Ende 48 mit einer Aussenwand 50 des Übergangskanals 26 gekoppelt, und an einem vorderen Ende 52 mit dem Brennkammergehäuse 34 gekoppelt.

Genauer ist das vordere Ende 52 in der beispielhaften Ausführungsform zum Beispiel durch derartiges Koppeln eines radialen Flanschs 54 der Hülse 46 an einer Stossverbindung 56 mit dem Brennkammergehäuse 34, dass ein vorderer Abschnitt 58 und ein hinterer Abschnitt 60 des Gehäuses 34 aneinander gekoppelt sind, mit dem Brennkammergehäuse 34 gekoppelt. Alternativ kann die Hülse 46 unter Verwendung jedes beliebigen anderen Kopplungsaufbaus, der dem Motor 10 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten, mit dem Gehäuse 34 und/oder dem Übergangskanal 26 gekoppelt sein.

[0014] Die Strömungshülse 46 weist in der beispielhaften Ausführungsform eine darin gekoppelte Verbrennungsauskleidung 62 auf.

Die Verbrennungsauskleidung 62 ist in der Strömungshülse 46 im Wesentlichen derart konzentrisch ausgerichtet, dass ein hinteres Ende 64 mit einer Innenwand 66 des Übergangskanals 26 gekoppelt ist, und dass ein vorderes Ende 68 mit einem Verbrennungsauskleidungskappenaufbau 70 gekoppelt ist. Der Verbrennungsauskleidungskappenaufbau 70 ist durch mehrere Streben 72 und einen zugehörigen Anbringungsaufbau (nicht gezeigt) im Brennkammergehäuse 34 befestigt. In der beispielhaften Ausführungsform ist zwischen der Auskleidung 62 und der Strömungshülse 46 und zwischen der Innen- und der Aussenwand 66 und 50 des Übergangskanals ein Luftdurchgang 74 definiert. Die Aussenwand 50 des Übergangskanals weist mehrere darin definierte Öffnungen 76 auf, die ermöglichen, dass Druckluft 20 vom Kompressor 12 den Luftdurchgang 74 betritt.

In der beispielhaften Ausführungsform strömt Luft 22 in eine Richtung, die zu einer Richtung des Kernstroms (nicht gezeigt) vom Kompressor 12 zum Enddeckelaufbau 42 entgegengesetzt verläuft. Ferner weist die Brennkammer 14 in der beispielhaften Ausführungsform auch mehrere Zündkerzen 78 und mehrere Kreuzflammrohre 80 auf. Die Zündkerzen 78 und Kreuzflammrohre 80 erstrecken sich durch Öffnungen (nicht gezeigt) in der Auskleidung 62, die stromabwärts des Verbrennungsauskleidungskappenaufbaus 70 in einer Verbrennungszone 82 definiert sind. Die Zündkerzen 78 und Kreuzflammrohre 80 zünden den Kraftstoff und die Luft in jeder Brennkammer 14, um Verbrennungsgase 32 zu erzeugen.

[0015] In der beispielhaften Ausführungsform sind mehrere Kraftstoffdüsenanordnungen 400 mit dem Enddeckelaufbau 42 gekoppelt.

Genauer weist die Brennkammer 14 in der beispielhaften Ausführungsform fünf Düsenanordnungen 400 auf. Alternativ kann die Brennkammer 14 mehr oder weniger als fünf Kraftstoffdüsenanordnungen 400 aufweisen. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Kraftstoffdüsenanordnungen 400 in einer im Allgemeinen kreisförmigen Anordnung um eine Mittellinie 84 der Brennkammer 14 angeordnet. Alternativ können die Kraftstoffdüsenanordnungen 400 in einer nicht kreisförmigen Anordnung angeordnet sein. Obwohl hierin nur eine Art von Kraftstoffdüsenanordnung beschrieben ist, kann in der Brennkammer 14 mehr als eine Art von Düsenanordnung, oder jede beliebige andere Art von Kraftstoffdüse enthalten sein.

Ferner weist die Brennkammer 14 in der beispielhaften Ausführungsform mehrere quaternäre Zapfen 86 auf, die sich vom Brennkammergehäuse 34 radial einwärts erstrecken und die Kraftstoffdüsenanordnungen 400 im Wesentlichen umschreiben. Obwohl die beispielhafte Ausführungsform quaternäre Zapfen 86 aufweist, können andere Ausführungsformen keine quaternären Zapfen 86 aufweisen.

[0016] Der Verbrennungsauskleidungskappenaufbau 70 weist mehrere Vormischrohranordnungen 88 auf. In der beispielhaften Ausführungsform umschreibt jede Vormischrohranordnung 88 jede Kraftstoffdüsenanordnung 400 im Wesentlichen, und somit ist die Anzahl der Vormischrohranordnungen 88 der Anzahl der Düsenanordnungen 400 gleich. Alternativ kann die Anzahl der Vormischrohranordnungen 88 grösser oder geringer als die Anzahl der Düsenanordnungen 400 sein.

In der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich jede Vormischrohranordnung 88 derart teilweise in den Verbrennungsauskleidungskappenaufbau 70, dass die Vormischrohranordnungen 88 mit einer hinteren Halteplatte 90 und einer vorderen Halteplatte 92 gekoppelt sind. Genauer erstreckt sich ein hinteres Ende 91 jeder Vormischrohranordnung 88 durch Öffnungen (nicht gezeigt) in der hinteren Platte 90, und erstreckt sich ein vorderes Ende 93 der Vormischrohranordnung 88 durch Öffnungen (nicht gezeigt) in der Platte 92.

[0017] In der beispielhaften Ausführungsform sind vordere Halteabdeckungen (nicht gezeigt) beinhaltet und jeweils mit der Halteplatte 92 gekoppelt. Die Halteabdeckungen erleichtern die Befestigung der Platte 92 einer jeden der Vormischrohranordnungen 88 an der Brennkammer 14.

Ferner kann die hintere Platte 90 eine Prallplatte sein, die eine Anordnung von Effusionskühlungsöffnungen (nicht gezeigt) aufweist, und die durch Abschirmplatten (nicht gezeigt) vor der Wärme, die durch die Brennkammerflamme erzeugt wird, abgeschirmt sein kann. In der beispielhaften Ausführungsform weist jede Vormischrohranordnung 88 eine Anordnung auf, die zwei Rohre (nicht gezeigt) beinhaltet, die durch eine Vormischrohr-Ringdichtung (hula seal) (nicht gezeigt) getrennt sind. Die Ringdichtung ermöglicht, dass sich die Doppelrohranordnung thermisch ausdehnt und zusammenzieht, wenn sich der Verbrennungsauskleidungskappenaufbau 70 während der Betriebsbedingungen ausdehnt.

Somit können sich die Vormischrohranordnungen 88 bei der Veränderung des Abstands zwischen den Platten 92 und 90 infolge der Wärmeausdehnung entlang einer Symmetrieachse (nicht gezeigt) frei entsprechend ausdehnen.

[0018] Die Platte 92 ist in der beispielhaften Ausführungsform mit mehreren sich vorwärts erstreckenden Schwebemanschetten (nicht gezeigt) gekoppelt. Die Manschetten sind mit einer jeden der Öffnungen, die in der Platte 92 definiert sind, im Wesentlichen konzentrisch ausgerichtet, so dass jede Vormischrohranordnung 88 eine Manschette aufweist. Alternativ kann jede Vormischrohranordnung 88 mehr oder weniger als eine Manschette aufweisen.

In der beispielhaften Ausführungsform trägt jede Manschette eine Drallvorrichtung (nicht gezeigt), die zum Beispiel neben einer radial äussersten Wand (nicht gezeigt) von jeder Kraftstoffdüsenanordnung 400 positioniert sein kann, einstückig mit jeder Düsenanordnung 400 gebildet sein kann, und/oder in jeder beliebigen anderen geeigneten Konfiguration gestaltet sein kann, die dem Motor 10 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten. Die Anordnung der Drallvorrichtungen ist derart, dass Luft, 22, die durch den Luftdurchgang 14 strömt, gezwungen wird, ihre Richtung an einem Brennkammereinlassende 94 der Brennkammer 14 (zwischen dem Enddeckelaufbau 42 und dem Verbrennungsauskleidungskappenaufbau 70) umzukehren und durch die Drallvorrichtungen und Vormischrohranordnungen 88 zu strömen.

Kraftstoffdurchgänge (nicht gezeigt) in jeder der Drallvorrichtungen leiten Kraftstoff durch eine Anordnung von Öffnungen, die, abhängig von der Betriebsart des Gasturbinenmotors 10, fortlaufend gasförmigen Kraftstoff in die durchziehende Luft 22 einbringen, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, das in der Verbrennungsbrennzone 82 und stromabwärts von den Vormischrohranordnungen 88 gezündet wird.

[0019] In der beispielhaften Ausführungsform weist die Brennkammer 14 vier Kraftstoff kreise 200, 202, 204 und 206 auf, die mit einer Kraftstoffversorgung 208 und dem Steuersystem 44 gekoppelt sind. Obwohl nur eine Kraftstoffversorgung 208 gezeigt und beschrieben ist, kann der Motor 10 mehr als eine Kraftstoffversorgung 208 aufweisen. Überdies kann die Kraftstoffversorgung 208 mehrere Arten von Kraftstoff aufweisen.

Spezifisch weist die Brennkammer 14 in der beispielhaften Ausführungsform einen primären Kraftstoffkreis 200, einen sekundären Kraftstoffkreis 202, einen tertiären Kraftstoffkreis 204 und einen quaternären Kraftstoffkreis 206 auf. Alternativ kann die Brennkammer 14 mehr oder weniger als vier Kraftstoff kreise 200, 202, 204 und/oder 206 aufweisen. In der beispielhaften Ausführungsform weist der primäre Kraftstoffkreis 200 einen Primärkreiseinlass 210 auf, um Kraftstoff, zum Beispiel Diffusionskraftstoff 212, zum primären Kraftstoffkreis 200 zu liefern. Der sekundäre Kraftstoffkreis 202 weist einen Sekundärkreiseinlass 214 auf, um Kraftstoff, zum Beispiel Vormischkraftstoff 216, zum sekundären Kraftstoffkreis 202 zu liefern.

In der gleichen Weise weist der tertiäre Kraftstoffkreis 204 einen Tertiärkreiseinlass 218 auf, um Kraftstoff, zum Beispiel Vormischkraftstoff 216, zum tertiären Kraftstoffkreis 204 zu liefern. Der quaternäre Kraftstoffkreis 206 weist einen Quaternärkreiseinlass 228 auf, um Kraftstoff, zum Beispiel Vormischkraftstoff 230, zum quaternären Kraftstoffkreis 206 zu liefern.

[0020] In der beispielhaften Ausführungsform weist die Brennkammer 14 auch einen Spülluftkreis 220 mit einem Spülluftkreiseinlass 222 auf, der verwendet wird, um Luft 224 von einer Luftversorgung 226 zu zumindest einer Kraftstoffdüsenanordnung 400 zu liefern, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Luftversorgung 226 Luft, die vom Luftdurchgang 74 her geleitet wird.

Alternativ kann die Luftversorgung 226 Luft von jeder beliebigen anderen geeigneten Versorgung mit Luft wie etwa, zum Beispiel, der Umgebungsluft liefern. Der Spülluftkreis 220 ist mit dem Steuersystem 44 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform weisen der Vormischkraftstoff 216 und der Vormischkraftstoff 230 im Allgemeinen ähnliche Zusammensetzungen auf. Alternativ kann der Vormischkraftstoff 230 eine Zusammensetzung aufweisen, die sich von der Zusammensetzung des Vormischkraftstoffs 216 unterscheidet. Überdies bezieht sich der Ausdruck "Vormischkraftstoff" wie hierin verwendet auf Kraftstoff, welcher ein gasförmiger, flüssiger oder pulverisierter fester Kraftstoff sein kann, der vor dem Betreten der Verbrennungszone 82 mit Luft gemischt ist.

Ferner bezieht sich der Ausdruck "Diffusionskraftstoff" wie hierin verwendet auf Kraftstoff, welcher ein gasförmiger, flüssiger oder pulverisierter fester Kraftstoff sein kann, der vor dem Betreten der Verbrennungszone 82 nicht mit Luft gemischt ist.

[0021] In der beispielhaften Ausführungsform sind vier der fünf Kraftstoffdüsenanordnungen 400 primäre Kraftstoffdüsenanordnungen 402 und mit dem primären Kraftstoffkreis 200 und dem sekundären Kraftstoffkreis 202 gekoppelt, und ist die verbleibende Kraftstoffdüsenanordnung 400 eine tertiäre Kraftstoffdüsenanordnung 404, die mit dem tertiären Kraftstoffkreis 204 und dem Spülluftkreis 220 gekoppelt ist. Jeder quaternäre Zapfen 86 ist mit dem quaternären Kraftstoffkreis 206 gekoppelt.

Ferner weist in der beispielhaften Ausführungsform jeder Kraftstoff kreis 200, 202, 204 und 206 ein jeweiliges Ventil V1, V2, V3 und V4 auf, das verwendet wird, um den Kraftstoffstrom in jedem Kreis 200, 202, 204 und/oder 206 zu steuern. Der Spülluftkreis 220 weist ein Ventil VA auf, das verwendet wird, um den Luftstrom in den Kreis 220 zu steuern. Genauer steuert in der beispielhaften Ausführungsform das Ventil V1 eine Menge des Diffusionskraftstoffs 212, der den primären Kraftstoffkreis 200 betritt, steuert das Ventil V2 einen Strom des Vormischkraftstoffs 216 in den sekundären Kraftstoffkreis 202, steuert das Ventil V3 einen Strom des Vormischkraftstoffs 216 in den tertiären Kraftstoffkreis 204, und steuert das Ventil V4 eine Menge des Vormischkraftstoffs 230, der den quaternären Kraftstoffkreis 206 betritt.

In einer alternativen Ausführungsform ist ein Vormischventil (nicht gezeigt) sowohl mit dem sekundären als auch mit dem tertiären Kraftstoffkreis 202 und 204 gekoppelt, um einen Strom des Vormischkraftstoffs 216 von der Kraftstoffversorgung 208 in die Ventile V2 und V3 zu steuern. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Kraftstoffkreise 200, 202, 204 und 206 mit dem Steuersystem 44 gekoppelt, um den Kraftstoff ström zu den Kreisen 200, 202, 204 und 206 und zu den Kraftstoffdüsenanordnungen 400 zu steuern. Genauer kann das Steuersystem 44 den Kraftstoffstrom zum Beispiel, jedoch ohne Beschränkung darauf, durch das Steuern der Ventile V1, V2, V3 und V4 steuern.

In der gleichen Weise ist das Spülluftkreisventil VA derart mit dem Steuersystem gekoppelt, dass ein Spülluftstrom reguliert werden kann.

[0022] Im Betrieb betritt Luft 20 den Motor 10 durch einen Einlass (nicht gezeigt) und wird im Kompressor 12 verdichtet. Die Druckluft 20 wird vom Kompressor 20 abgegeben und zur Brennkammer 14 geleitet. Die Luft 20 betritt die Brennkammer durch die Öffnungen 76 und strömt dann durch den Luftdurchgang 74 zum Enddeckelaufbau 42 der Brennkammer 14. Luft 22, die durch den Luftdurchgang 74 strömt, wird gezwungen, ihre Strömungsrichtung am Brennkammereinlassende 94 umzukehren, und wird durch die Drallvorrichtungen und die Vormischrohranordnungen 88 umgeleitet. Kraftstoff 212, 216 und/oder 230 wird durch den Enddeckelaufbau 42 in die Brennkammer 14 geliefert.

Das Steuersystem 44 reguliert die Luft 22 und/oder 224 und den Kraftstoff 212, 216 und/oder 230, die zu den Düsenanordnungen 400 und/oder Vormischrohranordnungen 88 geliefert werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Die Zündung wird anfangs erreicht, wenn das Steuersystem 44 eine Anlassabfolge des Gasturbinenmotors 10 einleitet, und die Zündkerzen 78 werden aus der Verbrennungsbrennzone 82 zurückgezogen, sobald eine Flamme fortdauernd hergestellt wurde. Am entgegengesetzten Ende der Verbrennungsbrennzone 82 werden heisse Verbrennungsgase durch den Obergangskanal 26 und die Turbinendüse 18 zur Turbine 16 geleitet.

[0023] Fig. 4 ist eine Querschnittansicht einer beispielhaften Kraftstoffdüsenanordnung 400, die mit der Brennkammer 14 verwendet werden kann.

Zu Erklärungszwecken wird die primäre Kraftstoffdüsenanordnung 402 beschrieben werden, doch es wird sich verstehen, dass die tertiäre Kraftstoffdüsenanordnung 404 der primären Kraftstoffdüsenanordnung 402 im Wesentlichen gleich ist, ausser dass anstelle von Diffusionskraftstoff 212 vielmehr Spülluft 224 zur tertiären Kraftstoffdüsenanordnung 404 geliefert wird. In der beispielhaften Ausführungsform ist die tertiäre Kraftstoffdüsenanordnung 404 dazu gestaltet, Vormischkraftstoff 216 auf eine Weise einzuspritzen, die der Gestaltung des Einspritzens von Vormischkraftstoff 216 der primären Kraftstoffdüse 402 im Wesentlichen gleich ist.

[0024] In der beispielhaften Ausführungsform weist jede Kraftstoffdüsenanordnung 402 einen Körper 406, eine Basis 406 und einen Leitschaufelaufbau 410 auf. Der Körper 406 erstreckt sich axial entlang einer Düsenmittellinie 412.

Der Körper 406 ist mit mehreren Durchgängen 414, 416 und 418 ausgeführt, die sich jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittellinie 412 von einem Spitzenende 420 durch die Basis 408 zu einem Basisende 422 erstrecken. Genauer weist die Düsenanordnung 402 in der beispielhaften Ausführungsform einen Mitteldurchgang 414, einen Diffusionsdurchgang 416 und einen Vormischdurchgang 418 auf.

[0025] In der beispielhaften Ausführungsform weist der Mitteldurchgang 414 eine Öl/Wasser-Patrone auf, und er ist mit einem Auslass 424 durch eine Düsenspitze 500 gebildet, und der Diffusionsdurchgang 416 weist einen Diffusionsdüseneinlass 426 auf.

Die tertiäre Kraftstoffdüsenanordnung 414 weist einen Spülluftdurchgang (nicht gezeigt) einschliesslich eines Düsenspüllufteinlasses (nicht gezeigt) auf, die jeweils im Wesentlichen ähnlich wie der Diffusionsdurchgang 416 und der Diffusionsdüseneinlass 426 gestaltet sind, ausser dass der Spüllufteinlass mit dem Spülluftkreis 220 gekoppelt ist. Der Diffusionsdurchgang 416 weist mehrere Diffusionsauslässe 502 auf, die sich durch die Düsenspitze 500 erstrecken, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Der Vormischdurchgang 418, der sowohl in der primären als auch in der tertiären Kraftstoffdüsenanordnung 402 und 404 enthalten ist, weist einen Vormischkraftstoffeinlass 428 auf, der in der Basis 408 definiert ist. Der Vormischdurchgang 418 weist mehrere sich radial auswärts erstreckende Leitschaufeldurchgänge 430 auf.

Genauer erstrecken sich die Leitschaufeldurchgänge 430 in der beispielhaften Ausführungsform jeweils durch eine Leitschaufel 432 (in Fig. 3 gezeigt) des Leitschaufelaufbaus 410. Jeder Leitschaufeldurchgang 430 weist mehrere Vormischleitschaufeldurchgänge 434 auf (ebenfalls in Fig. 3 gezeigt).

[0026] In der beispielhaften Ausführungsform ist die Basis 408 zum Beispiel unter Verwendung, jedoch ohne Beschränkung darauf, mehrerer mechanischer Befestigungen 436 mit dem Enddeckelaufbau 42 gekoppelt. Alternativ ist die Basis 408 unter Verwendung jedes beliebigen anderen geeigneten Befestigungsmechanismus, der der Düsenanordnung 402 und/oder 404 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten, mit dem Enddeckelaufbau 42 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Diffusionsdurchgang 416 in einer Fliessverbindung mit dem primären Kraftstoffkreis 200 gekoppelt.

Ferner ist in der beispielhaften Ausführungsform der Vormischdurchgang 418 in den primären Kraftstoffdüsenanordnungen 402 mit dem sekundären Kraftstoffkreis 202 gekoppelt, und ist der Vormischkraftstoff in der tertiären Kraftstoffdüsenanordnung 404 mit dem tertiären Kraftstoffkreis 204 gekoppelt.

[0027] Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Düsenspitze 500, die mit der Kraftstoffdüsenanordnung 402 und/oder 404 (in Fig. 4 gezeigt) verwendet werden kann. Fig. 6 ist eine Querschnittansicht der Düsenspitze 500. In Fig. 6 wurden der Mitteldurchgang 414 und der Mittelauslass 424 zur Klarheit weggelassen.

[0028] In der beispielhaften Ausführungsform weist die Düsenspitze 500 den Mittelauslass 424 und mehrere Diffusionsauslässe 502 auf.

Zu Erklärungszwecken sind die Diffusionsauslässe 502 beschrieben, doch sollte sich verstehen, dass die Spülluftauslässe (nicht gezeigt) in der tertiären Kraftstoffdüsenanordnung 404 den Diffusionsauslässen 502 im Wesentlichen gleich sind, ausser dass durch die Spülluftauslässe anstelle von Diffusionskraftstoff vielmehr Spülluft geliefert wird. In der beispielhaften Ausführungsform weist eine vordere Fläche 504 der Düsenspitze 500 einen mittleren abgeschrägten Abschnitt 506 und einen ringförmigen vertieften Abschnitt 508 auf. Der vertiefte Abschnitt 508 ist im Wesentlichen ringförmig und weist eine radial innere Wand 510 und eine radial äussere Wand 512 auf, die in Bezug zueinander derart ausgerichtet sind, dass der vertiefte Abschnitt 502 ein im Allgemeinen V-förmiges Querschnittprofil aufweist.

In der beispielhaften Ausführungsform ist der vertiefte Abschnitt 508 derart ausgerichtet, dass er dem Strom von Diffusionskraftstoff 212 (in Fig. 2 gezeigt), der die Diffusionsauslässe 502 verlässt, ausweicht. Alternativ kann der vertiefte Abschnitt 508 derart ausgerichtet sein, dass er den Fluss des Diffusionskraftstoffs 212 (in Fig. 2 gezeigt), der die Diffusionsauslässe 502 verlässt, lenkt.

[0029] In der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich der Mittelauslass 424 im Allgemeinen entlang einer axialen Mittellinie 514 durch die Düsenspitze 500. Jeder Diffusionsauslass 502 weist eine vordere Öffnung 516 und eine hintere Öffnung 518 auf, und der Auslass 502 erstreckt sich zwischen den Öffnungen 516 und 518.

In der beispielhaften Ausführungsform befinden sich die vorderen Öffnungen 516 jeweils in einer im Wesentlichen kreisförmigen Anordnung an einem Radius R von der Mittellinie 514. Genauer sind die vorderen Öffnungen 516 in der beispielhaften Ausführungsform jeweils in der radial inneren Wand 510 definiert und weisen einen Durchmesser D auf. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Durchmesser D grösser als 0,110 Zoll, und kann er genauer zum Beispiel 0,126 Zoll betragen.

[0030] An jeder vorderen Öffnung 516 ist ein jeweiliges Koordinatensystem definiert. In der beispielhaften Ausführungsform ist eine X-Achse tangential zu einem Kreis mit einem Radius R ausgerichtet, ist eine Y-Achse senkrecht zur X-Achse in einer radialen Richtung ausgerichtet, und ist eine Z-Achse im Wesentlichen mit der Mittellinie 514 ausgerichtet.

Ein Winkel alpha wird von der Z-Achse in einer X-Z-Ebene gemessen, und ein Winkel beta wird von der Z-Achse in einer Y-Z-Ebene gemessen. In der beispielhaften Ausführungsform ist jeder Diffusionsauslass 502 entlang einer jeweiligen Linie F ausgerichtet, die sich von jeder jeweiligen vorderen Öffnung 516 im Winkel alpha und im Winkel beta erstreckt. Somit sind die Diffusionsauslässe 502 in der Düsenspitze 500 in einer schraubenförmigen Anordnung definiert. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Winkel alpha dem Winkel beta im Wesentlichen gleich. Alternativ kann der Winkel alpha anders als der Winkel beta sein. Ferner ist in der beispielhaften Ausführungsform sowohl der Winkel alpha als auch der Winkel beta grösser als ungefähr 30 .

Genauer sind in einer beispielhaften Ausführungsform der Winkel alpha und der Winkel beta beide ungefähr gleich 45 , so dass der Kraftstoffstrom unmittelbar stromabwärts von den Kraftstoffdüsenanordnungen 400 mager genug ist, um zu zünden und die Verbrennung aufrechtzuerhalten.

[0031] Wenn die Brennkammer 14 in Betrieb steht, wird Diffusionskraftstoff 212 von der Kraftstoffversorgung 208 durch den primären Kraftstoffkreis 200 und die primären Kraftstoffdüsenanordnungen 402 in die Verbrennungszone 82 geleitet. Genauer steuert das Steuersystem 44 den Betrieb des Ventils V1, um dem Diffusionskraftstoff 212 zu ermöglichen, den primären Kraftstoffkreis 200 zu betreten. Der Diffusionskraftstoff 212 wird vom primären Kraftstoffkreis 200 durch den Diffusionskreis und die Düseneinlässe 210 und 426 in die primären Düsenanordnungen 402 abgegeben.

Der Diffusionskraftstoff 212 wird durch jede Düsenspitze 500 aus den primären Düsenanordnungen 402 ausgestossen. Die Diffusionsauslässe 502 stellen sicher, dass der Diffusionskraftstoff 212 in den Winkeln alpha und beta und im Allgemeinen entlang jeder Linie F ausgestossen wird. Somit breitet sich der Diffusionskraftstoff 212 neben jedem Düsenanordnungsspitzenende 420 aus und bleibt mager genug, um zu zünden. Der Diffusionskraftstoff 212 wird in der Verbrennungszone 82 zerstreut und vermischt sich mit Luft 22, die die Verbrennungszone 82 durch den Luftdurchgang 74 und/oder die Vormischanordnungen 88 betritt.

Die Zündkerzen und Kreuzflammrohre 80 zünden das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Verbrennungszone 82, um Verbrennungsgase 32 zu erzeugen.

[0032] Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Gasturbinenmotors, der wie oben beschrieben primäre Kraftstoffdüsenanordnungen 402 und eine tertiäre Kraftstoffdüsenanordnung 404 aufweist. Fig. 8 ist eine graphische Darstellung 800 von beispielhaften Kraftstoffkreisverhältnissen, in Prozentsätzen, in Bezug auf die mittlere Zündtemperatur (TTRF), in Grad Fahrenheit, die verwendet werden können, wenn das in Fig. 7 veranschaulichte Verfahren ausgeführt wird.

Wie hierin verwendet sind die Kreisverhältnisse unter Verwendung der Konvention P/S/T-Q dargestellt, wobei P der ungefähre Prozentsatz des gesamten Kraftstoffs in der Zone 82 (in Fig. 1 gezeigt) ist, der durch den primären Kraftstoffkreis 200 (in Fig. 2 gezeigt) eingespritzt wird, S der ungefähre Prozentsatz des gesamten Kraftstoffs, der durch den sekundären und den tertiären Kraftstoffkreis 204 und 204 (jeweils in Fig. 2 gezeigt) eingespritzt wird, in Bezug auf den sekundären Kraftstoffkreis 202 ist, T der ungefähre Prozentsatz des gesamten Kraftstoffs, der durch den sekundären und den tertiären Kraftstoffkreis 204 und 204 eingespritzt wird, in Bezug auf den tertiären Kraftstoff kreis 204 ist, und Q der ungefähre Prozentsatz des gesamten Kraftstoffs in der Zone 82 ist, der durch den quaternären Kraftstoffkreis 206 (in Fig. 2 gezeigt) eingespritzt wird.

P ist im Diagramm 800 als Linie 802 dargestellt, S ist im Diagramm 800 als Linie 804 dargestellt, T ist im Diagramm 800 als Linie 806 dargestellt, und Q ist im Diagramm 800 als Linie 808 dargestellt.

[0033] In der beispielhaften Ausführungsform wird zum Beginnen des Betriebs des Motors 10 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer 14 gezündet. Das Steuersystem 44 steuert einen Strom von Kraftstoff 212, 216 und/oder 230 über Kraftstoff kreise 200, 202, 204 und/oder 206 zur Brennkammer 14. Der Zündvorgang wird durch Einbringen eines Stroms von Diffusionskraftstoff 212 in die Verbrennungszone 82 eingeleitet, 700.

Genauer wird das Ventil Vi geöffnet, um zu ermöglichen, dass Diffusionskraftstoff 212 den primären Kraftstoffkreis 200 betritt und durch die primären Kraftstoffdüsenanordnungen 402 strömt, bevor er durch die Diffusionsauslässe 502 in die Verbrennungszone 82 ausgestossen wird. In der beispielhaften Ausführungsform liefert der primäre Kraftstoffkreis 200 in diesem Stadium des Motorbetriebs ungefähr 100% des Kraftstoffs, der die Verbrennungszone 82 betritt, so dass das Kraftstoffverhältnis ungefähr 100/0/0-0 beträgt.

[0034] Der Diffusionskraftstoff 212 wird gezündet, 702, indem zum Beispiel das Steuersystem 44 die Zündkerzen 78 und Kreuzflammrohre 800 veranlasst, den Diffusionskraftstoff 212 in der Verbrennungszone 82 zu zünden.

Sobald der Diffusionskraftstoff 212 gezündet ist, werden erzeugte Verbrennungsgase 32 von der Verbrennungszone 82 durch den Übergangskanal 26 zur Turbine 16 geleitet. Wenn die Turbine 16 die Betriebsbedingung einer vollständigen Geschwindigkeit ohne Last (full-speed, no-load, FSNL) erreicht, befindet sich die Brennkammer 14 bei einer mittleren Zündtemperatur (TTRF) von zum Beispiel 1280 F. Somit verbrennt die Brennkammer 14 in der Verbrennungszone 82 von der Zündung über FSNL bis zu einem anfänglichen vorbestimmten Prozentsatz einer Grundlast Diffusionskraftstoff 212 ohne Zusatz von Vormischkraftstoff 216 und/oder 230.

Eine derartige Zündung kann als "Diffusionsstart"-Betriebsart 810 bezeichnet werden.

[0035] Nachdem FSNL erreicht wurde, beginnt der Motor 10, eine Last anzunehmen, und verändert das Steuersystem 44 den Kraftstoffstrom zu den Kraftstoffkreisen 200, 202, 204 und/oder 206. Genauer wird das Steuersystem 44 in der beispielhaften Ausführungsform von der Diffusionsstart-Betriebsart 810 zu einer Mager-Mager-Betriebsart 814 umgestellt, bevor der Motor 10 an einem ersten Umstellungspunkt 812, zum Beispiel, jedoch ohne Beschränkung darauf, einem Punkt bei ungefähr 1950 F, so dass sich die Turbine bei im Wesentlichen 30% der Grundlast befindet, einen ersten vorbestimmten Prozentsatz der Grundlast erreicht.

Eine "Mager-Mager-Betriebsart" bezieht sich auf eine Betriebsart des Turbinenbetriebs, in der die primären Düsenanordnungen 402 Diffusionskraftstoff 212 in die Verbrennungszone 82 liefern, und die tertiäre Düsenanordnung 404 Vormischkraftstoff 216 in die Verbrennungszone 82 liefert.

[0036] In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Übergang von der Diffusionsstart-Betriebsart 810 zur Mager-Mager-Betriebsart 814 das Fortsetzen eines Stroms des Diffusionskraftstoffs 212 zu den primären Düsenanordnungen 402, während ein Strom von Vormischkraftstoff 216 zur tertiären Kraftstoffdüsenanordnung 404 begonnen wird, 704. Genauer öffnet das Steuersystem 44 in der beispielhaften Ausführungsform das Ventil V3 zumindest teilweise, um dem Vormischkraftstoff 216 zu ermöglichen, den tertiären Kraftstoffkreis 202 zu betreten.

Alternativ kann der Strom des Vormischkraftstoffs 216 durch jede beliebige andere geeignete Weise begonnen werden, die der Brennkammer 14 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten. Sobald er von den Kraftstoffdüsenanordnungen 402 und 404 ausgestossen wurde, wird der Vormischkraftstoff 216 zum Beispiel durch die Flamme, die durch das Verbrennen des Diffusionskraftstoffs 212 erzeugt wird, gezündet, 706. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt das Kraftstoffverhältnis während der Mager-Mager-Betriebsart 814 bei einer TTRF von ungefähr 2025 F ungefähr 77/0/23-0.

[0037] Mit dem Ansteigen der Last des Motors 10 nimmt die Menge des Vormischkraftstoffs 216, der zur Verbrennungszone 82 geliefert wird, zu.

Genauer stellt das Steuersystem 44 die Brennkammer 14 bei einem zweiten vorbestimmten Prozentsatz der Grundlast an einem zweiten Umstellungspunkt 818 von der Mager-Mager-Betriebsart 814 zu einer gesteuerten Vormisch-Betriebsart (piloted premix mode, PPM) 816 um. Zum Beispiel stellt das Steuersystem 44 die Brennkammer 14 in einer Ausführungsform von der Mager-Mager-Betriebsart 814 zur PPM-Betriebsart 816 um, wenn der Umstellungspunkt 818 ein Punkt bei ungefähr 2100 F ist.

[0038] "Gesteuerte Vormisch-Betriebsart" bezieht sich auf eine Betriebsart, in der die primären Düsenanordnungen 402 und die tertiäre Düsenanordnung 404 Vormischkraftstoff 216 in die Verbrennungszone 82 ausstossen, während durch die primären Düsenanordnungen 402 eine verringerte Menge an Diffusionskraftstoff 212 ausgestossen wird.

Der Vormischbetrieb erleichtert das Verringern der Menge an Schadstoffen wie etwa, zum Beispiel, Stickstoffoxiden (NOx) und/oder Kohlendioxid (CO2), die während der Verbrennung vom Kraftstoff 212 und/oder 216 freigesetzt werden, indem die Luft, die die Verbrennungszone 82 betritt, gestuft wird. In der beispielhaften Ausführungsform erleichtert eine erhöhte Luftmenge in der Verbrennungszone 82 das Verringern der Flammentemperatur, oder der Reaktionstemperatur, was die thermische Bildung von NOx in der Brennkammer 14 verringert. Genauer wird Luft, zum Beispiel Luft 22 vom Durchgang 74, anfänglich mit dem Kraftstoff im sekundären Kraftstoffkreis 202, im tertiären Kraftstoffkreis 204 und/oder im quaternären Kraftstoffkreis 206 gemischt, um den Vormischkraftstoff 216 und/oder 230 zu erzeugen.

Dann wird Luft 22 vom Luftdurchgang 74 in der Verbrennungszone 82 mit dem Vormischkraftstoff 216 gemischt. Das Vormischen der Luft und des Kraftstoffs, bevor das Gemisch in die Verbrennungszone 82 ausgestossen wird, erleichtert das Minimieren von lokalisierten kraftstoffreichen Einschlüssen und hohen Temperaturen in der Zone 82.

[0039] In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Übergang von der Mager-Mager-Betriebsart 814 zur gesteuerten Vormisch-Betriebsart 816 das Beginnen, 708, eines Stroms von Vormischkraftstoff 216 zu den primären Kraftstoffdüsenanordnungen 402, während ein Strom des Diffusionskraftstoffs 212 zu den primären Kraftstoffdüsenanordnungen 402 verringert wird, 708.

Ein derartiger Übergang findet im Allgemeinen statt, wenn der Motor 10 bei einem zweiten vorbestimmten Prozentsatz der Grundlast tätig ist, der grösser als der erste vorbestimmte Prozentsatz der Grundlast ist. Genauer schliesst das Steuersystem 44 in der beispielhaften Ausführungsform das Ventil V1 teilweise und öffnet das Ventil V2 zumindest teilweise, um dem Vormischkraftstoff 216 zu ermöglichen, den sekundären Kraftstoffkreis 202 zu betreten. Alternativ kann das Verringern, 708, des Stroms des Diffusionskraftstoffs 212 und das Beginnen, 708, des Stroms des Vormischkraftstoffs 216 auf jede beliebige andere geeignete Weise erfolgen, die der Brennkammer 14 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten.

Der Vormischkraftstoff 216 von den primären Kraftstoffdüsenanordnungen 402 zündet in der beispielhaften Ausführungsform durch die Flamme, die während der Verbrennung des Diffusionskraftstoffs 212 und/oder des tertiären Vormischkraftstoffs 216 erzeugt wird. In der beispielhaften Ausführungsform wird bei zum Beispiel einer TTRF von ungefähr 2165 F Kraftstoff 212 und 216 in einem Verhältnis von ungefähr 25/79/21-0 durch die Kreise 200, 202 und 204 eingespritzt.

[0040] Mit dem Ansteigen der Last des Motors 10 nimmt die Menge des Vormischkraftstoffs 216, der zur Verbrennungszone 82 geliefert wird, zu, und nimmt die Menge des Diffusionskraftstoffs 212, der zur Verbrennungszone 82 geliefert wird, ab.

Genauer stellt das Steuersystem 44 die Brennkammer 14 von der gesteuerten Vormisch-Betriebsart 816 zu einer stabilen Vormisch-Betriebsart (premix steady State, PMSS) 820 um, wenn sich der Motor 10 an einem dritten Umstellungspunkt 822 bei einem dritten vorbestimmten Prozentsatz der Grundlast befindet. Zum Beispiel geht das Steuersystem 44 in einer Ausführungsform zu PMSS 820 über, wenn der Motor bei einem Prozentsatz der Grundlast tätig ist, der dem Umstellungspunkt 822 bei einer TTRF von ungefähr 2240 F entspricht.

[0041] "Stabile Vormisch-Betriebsart" bezieht sich auf eine Betriebsart, in der die primären Düsenanordnungen 402 und die tertiäre Düsenanordnung 404 Vormischkraftstoff 216 in die Verbrennungszone 82 ausstossen, während der durch die primären Düsenanordnungen 402 ausgestossene Diffusionskraftstoff 212 beendet wird.

Die stabile Vormisch-Betriebsart 820 ist der oben beschriebenen Vormischtätigkeit im Wesentlichen gleich, ausser dass die stabile Vormisch-Betriebsart 820 eine zusätzliche Verringerung einer Menge an Schadstoffen, zum Beispiel NOx und/oder CO2, die während der Verbrennung durch den Kraftstoff 212 und/oder 216 freigesetzt werden, erleichtert, indem die Verbrennung von Diffusionskraftstoff 212 im Wesentlichen beseitigt wird.

[0042] In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Übergang von der gesteuerten Vormisch-Betriebsart 816 zur stabilen Vormisch-Betriebsart 820 das Beenden, 710, des Stroms von Diffusionskraftstoff 212 zu den primären Kraftstoffdüsenanordnungen 402, während ein Strom von Vormischkraftstoff 216 zu den primären Kraftstoffdüsenanordnungen 402 erhöht wird, wenn der Motor 10 den dritten vorbestimmten Prozentsatz der Grundlast erreicht.

In der beispielhaften Ausführungsform wird ein Strom von Vormischkraftstoff 230 durch den quaternären Kraftstoffkreis 206 zu den quaternären Zapfen 86 begonnen, 712. Die Verwendung des Vormischkraftstoffs 230 verringert die Verbrennungsdynamik, die in der Brennkammer 14 auftreten kann, wie etwa zum Beispiel akustische Geräusche einer schwachen Verbrennung oder dynamische Druckschwankungen. In einer alternativen Ausführungsform wird der Vormischkraftstoff 230 anders als hierin beschrieben geliefert. In der beispielhaften Ausführungsform schliesst das Steuersystem 404 das Ventil V1 im Wesentlichen, öffnet das Ventil V2, um dem Vormischkraftstoff 216 zu ermöglichen, den sekundären Kraftstoffkreis 202 zu betreten, und öffnet das Ventil V4, um dem Vormischkraftstoff 230 zu ermöglichen, den quaternären Kraftstoffkreis 206 zu betreten.

Alternativ kann das Beenden des Stroms des Diffusionskraftstoffs 212 und das Beginnen des Stroms des Vormischkraftstoffs 230 auf jede beliebige andere geeignete Weise erfolgen, die der Brennkammer 14 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt das Kraftstoffverhältnis bei Turbinenbedingungen von zum Beispiel einer TTRF, die ungefähr gleich 2240 F ist, so dass die Turbinenlast etwa 50% der Grundlast beträgt, ungefähr 0/85/18-13.Bei einer derartigen Turbinenbedingung kann ein Umschlagpunkt auftreten.

[0043] Wenn der Motor 10 im Wesentlichen bei seiner Grundlast tätig ist, 714, ist der Motor 10 in der beispielhaften Ausführungsform in der stabilen Vormisch-Betriebsart 820 tätig.

Genauer befindet sich in der beispielhaften Ausführungsform der Motor 10 bei der Grundlast bei einer Turbinenbedingung, bei der ein Bezugspunkt 824 bei zum Beispiel einer TTRF liegt, die gleich ungefähr 2400 F ist, und beträgt das Kraftstoffverhältnis bei der Grundlast ungefähr 0/82/19-8.

[0044] Die oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen erleichtern das Verbrennen von Kraftstoff in einem Gasturbinenmotor derart, dass die Höchstauskleidungswandtemperatur leichter verringert wird und die Flammenstabilität leichter erhöht wird, indem das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Diffusionskraftstoffs stromabwärts von den Kraftstoffdüsen verbessert wird.

Das Verhältnis des Kraftstoffs zur Luft stromabwärts der Kraftstoffdüsen bleibt unter einer fetten Löschgrenze, indem der Diffusionskraftstoff in einem Einspritzwinkel in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, der das Mischen des Diffusionskraftstoffs mit Luft in der Verbrennungskammer erleichtert. Dieses Einspritzen des Diffusionskraftstoffs erleichtert das Beseitigen des Einspritzens von Vormischkraftstoff, bevor die Turbine den Betrieb der vollständigen Geschwindigkeit ohne Last erreicht. Somit wird das Vermeiden eines Mager-Mager-Starts erleichtert, indem der Diffusionskraftstoff wie hierin beschrieben eingespritzt wird. Durch das Vermeiden eines Mager-Mager-Starts wird das Verringern der Nichtgleichmässigkeit der Auskleidungswandtemperatur erleichtert, was das Verringern des Ausmasses der Abnutzung an der umgebenden Hardware erleichtert.

Ferner umfasst die hierin beschriebene Mager-Mager-Betriebsart das Einspritzen eines geringeren Prozentsatzes an Vormischkraftstoff durch eine einzelne Düse, etwa 25% des gesamten Kraftstoffs in der Brennkammer, im Vergleich zu Systemen, die etwa 50% des gesamten Kraftstoffs in der Brennkammer durch eine einzelne Düse einspritzen. Somit wird das Verringern einer lokalisierten Auskleidungstemperatur nahe an der Düse, die den Vormischkraftstoff einspritzt, erleichtert.

[0045] Überdies erleichtert der hierin beschriebene Diffusionskraftstoffeinspritzwinkel das Bilden einer stabileren und besser verankerten Flamme im Vergleich zu den im Allgemeinen kleinen, instabilen Diffusionsflammen, die während bekannter Mager-Mager-Starts auftreten. Die stabilere und besser verankerte Flamme erleichtert das Verringern der Möglichkeit eines Erlöschens, und genauer eines fetten Erlöschens.

Der hierin beschriebene Diffusionskraftstoffeinspritzwinkel erleichtert das Erzeugen einer gleichmässigeren Temperatur in der Verbrennungskammer, was das Verringern der Abnutzung an der umgebenen Hardware erleichtert. Überdies erleichtert der wie hierin beschriebene Durchmesser der Spitzenöffnungen das Verringern des Verstopfens der Düse, und erleichtert ein steigendes Vermischen von Kraftstoff und Luft stromabwärts der Kraftstoffdüsen.

[0046] Das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Vorrichtung erleichtern ferner das Abstufen der Kraftstoff- und/oder Lufteinspritzung, was das Verringern der Emission von Schadstoffen, die vom Verbrennen des Kraftstoffs stammen, erleichtert.

Genauer erleichtert das Kraftstoff- und/oder Luftabstufen das Verringern der an einer Abgasebene der Gasturbine gemessenen NOx- und/oder CO2-Emissionen; das Erhöhen der Flammenstabilität durch Verwenden einer Diffusionsbetriebsart; das Aufrechterhalten von Kraftstoff-Luft-Verhältnissen zwischen einer mageren Löschgrenze und einer fetten Löschgrenze über einen weiten Bereich von Gasturbinenlasteinstellungen hinweg; und/oder das Verringern der Verbrennungsdynamik.

[0047] Im Vorhergehenden sind beispielhafte Ausführungsformen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Verbrennen eines Kraftstoffs in einem Gasturbinenmotor ausführlich beschrieben.

Das Verfahren und die Vorrichtung sind nicht auf die bestimmten Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, beschränkt, sondern Bestandteile des Verfahrens und der Vorrichtung können vielmehr unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Bestandteilen benutzt werden. Zum Beispiel kann die Kraftstoffdüsenspitze auch in Kombination mit anderen Verbrennungssystemen und -verfahren verwendet werden, und ist sie nicht auf die Ausführung nur mit dem wie hierin beschriebenen Gasturbinenmotor beschränkt. Ferner kann das Verfahren zum Betreiben des Gasturbinenmotors auch in Kombination mit anderen Verbrennungssystemen und -verfahren verwendet werden, und ist es nicht auf die Ausführung nur mit der wie hierin beschriebenen Brennkammer beschränkt.

Die vorliegende Erfindung kann vielmehr in Verbindung mit vielen anderen Kraftstoffverbrennungsanwendungen ausgeführt und benutzt werden.

[0048] Obwohl die Erfindung im Hinblick auf verschiedene bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung innerhalb des Geists und des Umfangs der Ansprüche mit Abwandlungen ausgeführt werden kann.

Claims

1. Düse (18) zum Leiten eines Fluids in einen Brennkammeraufbau, wobei die Düse Folgendes umfasst: einen Körper (406) einschliesslich einer Mittellinie; einen ersten Durchgang, der sich entlang der Mittellinie durch den Körper erstreckt; und eine Düsenspitze (500) die mit einem stromabwärts befindlichen Ende des ersten Durchgangs gekoppelt ist, wobei die Düsenspitze einen Radius aufweist, der sich von einer Mitte der Düsenspitze zu einer Aussenfläche der Düsenspitze erstreckt, wobei die Düsenspitze Folgendes umfasst: eine stromabwärts befindliche Fläche;

und mehrere Auslassdurchgänge, die jeweils eine in der stromabwärts befindlichen Fläche definierte Öffnung aufweisen, wobei jede Öffnung eine jeweilige X-, Y- und Z-Achse umfasst, die in Bezug auf eine tangentiale Linie, den Radius und die Mittellinie definiert sind, wobei jeder der mehreren Auslassdurchgänge in einem in Bezug auf die jeweilige Z-Achse in einer jeweiligen X-Z-Ebene gemessenen Ausstosswinkel von mehr als 30 deg. liegt.

2. Düse (18) nach Anspruch 1, wobei sich jeder der mehreren Auslassdurchgänge in einem in Bezug auf die jeweilige Z-Achse in einer jeweiligen Y-Z-Ebene gemessenen Ausstosswinkel von mehr als 30 befindet.

3. Düse (18) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten Durchgang, der sich durch den Körper (406) erstreckt, wobei der zweite Durchgang zumindest einen Teil des ersten Durchgangs im Wesentlichen umschreibt.

4. Düse nach Anspruch 3, ferner umfassend mehrere Leitschaufeln (432), die sich vom Körper radial auswärts erstrecken, wobei jede der mehreren Leitschaufeln Folgendes umfasst: einen Leitschaufeldurchgang in einer Fliessverbindung mit dem zweiten Durchgang; und mehrere Öffnungen (76), die sich von jedem Leitschaufeldurchgang durch eine jeweilige Leitschaufel erstrecken.

5. Düse (18) nach Anspruch 1, wobei jede Auslassdurchgangsöffnung einen Durchmesser umfasst, der grösser als im Wesentlichen 0,110 Zoll ist.

6. Düse (18) nach Anspruch 5, wobei jede Auslassdurchgangsöffnung einen Durchmesser umfasst, der grösser als im Wesentlichen 0,126 Zoll ist.

7. Düse (18) nach Anspruch 1, wobei der erste Durchgang darin ein Fluid umfasst, wobei das Fluid zumindest eines aus einem flüssigen Kraftstoff, einem gasförmigen Kraftstoff und einem festen Kraftstoff umfasst.

8. Brennkammeraufbau zur Verwendung mit einem Gasturbinenmotor (10), wobei das System Folgendes umfasst: mehrere erste Düsen (400), die mit dem Brennkammeraufbau gekoppelt sind, wobei jede der mehreren ersten Düsen eine Düsenspitze (500) umfasst, die mehrere Auslassdurchgänge umfasst, welche mit einer ersten Kraftstoffquelle gekoppelt sind, und wobei jede der mehreren ersten Düsen mehrere erste Leitschaufeldurchgänge umfasst, die mit einer zweiten Kraftstoffquelle gekoppelt sind; eine zweite Düse, die mit dem Brennkammeraufbau gekoppelt ist, wobei die zweite Düse mehrere zweite Leitschaufeldurchgänge aufweist, die mit der zweiten Kraftstoffquelle gekoppelt sind;

und ein Steuersystem (44), das mit dem Brennkammeraufbau gekoppelt ist, wobei das Steuersystem dazu gestaltet ist, einen ersten Kraftstoff (212) von der ersten Kraftstoffquelle durch die mehreren Auslassdurchgänge der mehreren ersten Düsen zu leiten; einen zweiten Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle durch die mehreren Leitschaufeldurchgänge der zweiten Düse zu leiten, wenn der Gasturbinenmotor eine Geschwindigkeit von mehr als 85% der Nenndrehzahl erreicht; den zweiten Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle durch die mehreren ersten Leitschaufeldurchgänge der mehreren ersten Düsen zu leiten, wenn sich der Gasturbinenmotor bei einer Last befindet, die grösser als ein erster vorbestimmter Prozentsatz einer Grundlast ist;

und einen Strom des ersten Kraftstoffs, der die mehreren ersten Düsen betritt, zu verringern, wenn sich der Gasturbinenmotor bei einer Last befindet, die grösser als der erste vorbestimmte Prozentsatz der Grundlast ist.

9. System nach Anspruch 8, ferner umfassend mehrere dritte Düsen (400), die sich von einem Brennkammeraufbaugehäuse (34) radial einwärts erstrecken, wobei die mehreren dritten Düsen mit einer dritten Kraftstoffquelle gekoppelt sind.

10. System nach Anspruch 9, wobei das Steuersystem (44) ferner dazu gestaltet ist, ein drittes Fluid zu den mehreren dritten Düsen (400) zu leiten, wenn sich der Gasturbinenmotor (10) bei einer Last befindet, die grösser als ein zweiter vorbestimmter Prozentsatz der Grundlast ist, wobei der zweite vorbestimmte Prozentsatz grösser als der erste vorbestimmte Prozentsatz ist.