CH697801B1

CH697801B1 - Treibstoffdüse und Diffusionsspitze dafür.

Info

Publication number: CH697801B1
Application number: CH01304/08A
Authority: CH
Inventors: Geoffrey David Myers; Scott Simmons; Stephen R Thomas
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2014-01-15
Also published as: CN101387410B; JP2009047414A; JP5411467B2; CH697801A2; DE102008044444A1; US20090050710A1; CN101387410A; US7861528B2

Abstract

Treibstoffdüse mit einem dedizierten Kreis zur Kühlung der Diffusionsspitze (110) und mit niedrigerer Teilezahl und geringerer Komplexität. Das heisst, der vorgeschlagene Entwurf der Diffusionsspitze (110) verwendet einen unabhängigen Kreis, um die Spitze mit Diffusionstreibstoff oder Spülluft zu kühlen. Eine Prallplatte (130) kann vorgesehen sein, um die Kühlwirkung zu erhöhen.

Description

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft eine Diffusionsspitze für eine Treibstoffdüse zur Verwendung in Gasturbinen. Ferner betrifft die Erfindung die Treibstoffdüse selber.

[0002] In einer Gasturbine werden Treibstoffdüsen benutzt, um Luft und Treibstoff zur späteren Verbrennung stromabwärts zu mischen. Während des Anfahrens wird ein Diffusionsmodus zur stabilen Verbrennung verwendet, bis der Vormischmodus zur Senkung der NOx-Emissionen verwendet werden kann. Die Diffusionsspitze der Düse muss einen Mechanismus bereitstellen, um beim Anfahren die Diffusionsflamme zu erzeugen, und kühl genug bleiben, um einer Beschädigung durch heisse Verbrennungsgase während des Vormischmodus zu widerstehen. Gegenwärtige Designs nutzen zur Kühlung der Diffusionsspitze Luft, die vom Hauptweg abgezweigt wird, was ein ungewisses Kühlstrom/Hauptstrom-Verhältnis und einen komplizierten Strömungsweg zur Folge hat.

[0003] Eine konventionelle Diffusionsspitze 10 wird in Fig. 1 veranschaulicht. Wie dort gezeigt, teilt der gegenwärtige Entwurf den Luftvorhang 12 in Brennerrohr-Kühlluft 14, Diffusionsluft 16 und Duschkopfluft 18 auf. Wie dem als Phantombild dargestellten Kanal zu entnehmen ist, strömt die Diffusionsspülluft nicht in den Duschkopfabschnitt 22. Die Stromaufteilung und demnach die effektive Kühlung in den drei Kreisen 14, 16, 18 kann auf der Basis der Eingangsbedingungen variieren, und die Kühlung der Spitze (durch Duschkopfluft-Effusionskühlung) kann nicht auf unabhängige Weise geändert werden. Wie gezeigt, verwendet die Konfiguration von Fig. 1 eine Vielzahl von Löchern 24, um die Effusionskühlung in der Diffusionsspitze durchzuführen. In Fällen mit hoher thermischer und/oder struktureller Belastung können diese Löcher als Spannungsverstärkungsstellen wirken, was zu verkürzter Lebensdauer und Rissbildung führt. Zudem können diese Löcher den Eintritt von Verbrennungsgasen in den Diffusionskühlkreis erlauben, wenn der Druck des Verbrennungsgases lokal höher ist als der Druck im Diffusionskühlkreis.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Spannungsverstärkungsstellen bzw. Spannungsverstärkungsquellen zu vermeiden und eine verbesserte Diffusionsspitze mit niedrigerer Teilezahl und geringerer Komplexität bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist auch die Bereitstellung einer mit einer solchen verbesserten Düsenspitze ausgestatteten Treibstoffdüse. Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 erfüllt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Die Erfindung schlägt die Verwendung eines dedizierten Kühlkreises vor, um die Diffusionsspitze mit niedrigerer Teilezahl und geringerer Komplexität zu kühlen. Das heisst, der vorgeschlagene Entwurf verwendet einen unabhängigen Kühlkreis, um die Spitze mit Diffusionstreibstoff oder Spülluft zu kühlen. Um die Kühlwirkung zu erhöhen, kann eine Prallplatte vorgesehen werden. Daher kann die Erfindung in einer Treibstoffdüse ausgeführt werden, umfassend: eine Brennerrohrkomponente; einen Düsenkern, der in dieser Brennerrohrkomponente konzentrisch angeordnet ist; einen Vormisch-Strömungskanal, der zwischen der Brennerrohrkomponente und dem Düsenkern angeordnet ist; eine Diffusionsspitze, wobei diese Diffusionsspitze eine Umfangswand aufweist, die am Düsenkern befestigt ist, eine unperforierte Endwand an einem äusseren Axialende dieser Umfangswand, mindestens eine Öffnung, die in der Umfangswand benachbart zur axialen Endwand definiert ist, und einen Diffusionsspitzenmantel, der in umgebender Beziehung zur Umfangswand angeordnet ist und an dem Düsenkern an einer vorderen Nahtstelle befestigt ist, um einen Kühlluft-Strömungskanal dazwischen zu definieren, wobei die mindestens eine Öffnung mit mindestens einem vom Kühlluft-Strömungskanal und einer Rückführungszone hinter der Diffusionsspitze in Strömungsverbindung steht; und einen Diffusionstreibstoffkanal, der im Düsenkern definiert ist und aussen an einer Innenseite der unperforierten Endwand endet.

[0006] Die Erfindung kann auch in einer Diffusionsspitze für eine Treibstoffdüse ausgeführt werden, umfassend: eine Umfangswand, eine unperforierte Endwand an einem äusseren Axialende dieser Umfangswand, mindestens eine Öffnung, die in der Umfangswand benachbart zur axialen Endwand definiert ist, und einen Diffusionsspitzenmantel, der in umgebender Beziehung zur Umfangswand angeordnet ist, um einen Kühlluft-Strömungskanal dazwischen zu definieren, wobei die mindestens eine Öffnung mit mindestens einem vom Kühlluft-Strömungskanal und einer Rückführungszone hinter der Diffusionsspitze in Strömungsverbindung steht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0007] Diese und andere Vorteile dieser Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung hervor, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, wobei: <tb>Fig. 1<SEP>eine schematische Querschnittsansicht einer konventionellen Diffusionsspitze ist; <tb>Fig. 2<SEP>eine schematische Querschnittsansicht einer Diffusionsspitze nach einer Ausführungsform der Erfindung ist; <tb>Fig. 3<SEP>eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Diffusionsspitze und eines Mantels ist; <tb>Fig. 4<SEP>eine vergrösserte perspektivische Ansicht ist, die die Befestigung des äusseren Endes des Mantels an der Diffusionsspitze veranschaulicht; und <tb>Fig. 5<SEP>eine vergrösserte perspektivische Ansicht ist, die die zusammengebaute Baugruppe aus Mantel und Diffusionsspitze zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0008] Es wird eine Baugruppe aus bearbeiteten und gegossenen Teilen bereitgestellt, die während des Diffusionsbetriebs die Einspritzung von Treibstoff in die Gasturbine erlaubt. Während des Vormischbetriebs erlaubt die einzigartige Anordnung der Merkmale der erfindungsgemässen Diffusionsspitze dieser, wirksam gekühlt zu werden und dadurch einen hohen Zuverlässigkeitsgrad zu erreichen.

[0009] Im Vergleich zu Fig. 1 ist in Fig. 2 die Vielzahl von Löchern, die konventionell vorgesehen sind, um die Effusionskühlung der Diffusionsspitze zu erreichen, weggelassen worden, wodurch der vorgeschlagene Entwurf keine derartigen Löcher als Spannungsverstärkungsquelle aufweist und der Rücklauf im Wesentlichen ausgeschlossen ist. Stattdessen ist die Endwand bzw. der zentrale Abschnitt 122 der Diffusionsspitze 110 unperforiert, und Öffnungen 124 sind vorgesehen, um dem Düsenbetrieb entsprechend Diffusionsspülluft oder Diffusionstreibstoff durchzulassen und mit dem Luftvorhang zu vereinen, der in einem Kühlluft-Strömungskanal 112, 116 erst bei 112 im Inneren des Diffusionsspitzenmantels 128 und dann bei 116 an der Diffusionsspitze strömt. Es ist anzumerken, dass die Öffnungen 124 im Wesentlichen den Öffnungen entsprechen, die in der Struktur von Fig. 1 für die Diffusionsspülung vorgesehen sind, um sie bei 16 mit dem Luftvorhang zu vereinen.

[0010] In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist eine Prallplatte 130 in beabstandeter paralleler Beziehung zur unperforierten Endwand bzw. zum unperforierten zentralen Abschnitt 122 der Endwand der Diffusionsspitze 110 befestigt. Die Prallplatte 130 umfasst eine oder mehrere Prallöffnungen 132 für den Prallstrom als Kühlmedienstrom, z. B. an Diffusionsspülluft, zur und gegen die Innenseite der unperforierten Endwand bzw. des zentralen Abschnitts 122.

[0011] Wie auch in Fig. 2 dargestellt, weist diese beispielhafte Ausführungsform in der prallluftgekühlten Diffusionsspitze ein die Kühlung verstärkendes Merkmal auf. Das heisst, eine gekräuselte, gewellte Rückseite ist vorgesehen, wie bei 134 gezeigt. Dieses Merkmal verstärkt die Kühlung, indem es die Oberfläche der Rückseite vergrössert und/oder den Kühlmedienstrom nach dem Aufprall verwirbelt. Statt der gezeigten gekräuselten, gewellten Rückseite kann die Kühlung durch Rippen, Flügel, Stifte oder dergleichen verstärkt werden. Wie oben erwähnt, ist eine Vielzahl von Öffnungen 124 am Umfang der prallluftgekühlten Innenseite entlang angeordnet, um die Diffusionsspülluft mit dem Luftvorhang zu vereinen, der konzentrisch dazu strömt.

[0012] In einer beispielhaften Ausführungsform ist auch eine Hitzebarriereschicht 136 auf der Vorderseite der Diffusionsspitze hinzugefügt, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Eine TBC-Beschichtung («Thermal Barrier Coating», Wärmedämmschicht) der Klasse B schützt die Spitze vor Temperaturgradienten und erhöht die Kühlleistung der Rückseite.

[0013] Der konventionelle Entwurf, der in Fig. 1 gezeigt wird, besteht aus drei Teilen, die aus Stangenmaterial bearbeitet und dann zusammengelötet werden. Die Diffusionsspitze, die z. B. in Fig. 2 veranschaulicht wird, besteht aus nur einem aus Stangenmaterial bearbeiteten Teil und verwendet statt mehrfacher Lötstellen eine durchgeschweisste Naht. Dadurch verringert ein Diffusionsspitzendesign die Zahl der Teile und Lötverbindungen und ermöglicht Wirbellöcher mit Auskehlungen.

[0014] Wie zu ersehen ist, ergeben das vereinfachte Diffusionsspitzendesign und die Strömungswege, wie in der beispielhaften Ausführungsform von Fig. 2 gezeigt, dieselbe Strömungsgeometrie wie das aktuelle Diffusionsspitzendesign für den Diffusionsbetrieb. Doch statt einen Teil des Luftvorhangs durch eine perforierte Diffusionsspitzenendseite strömen zu lassen, wie im Entwurf von Fig. 1 , wird die Spitzenendseite während der Vormischung auf der Rückseite mit Diffusionsspülluft prallluftgekühlt, und der ganze Luftvorhang wird zum Diffusionsstrom (Diffusionsspülluft- oder Diffusionstreibstoffstrom) und Brennerrohrkühlung 114 durchgelassen. Das Diffusionsspitzendesign verwendet auch Diffusionstreibstoff, um die Rückseite der Diffusionsspitze zu kühlen, wodurch die durchschnittliche Metalltemperatur im Diffusions- und gesteuerten Vormischmodus sehr kühl ist, z. B. nur 37,8 °C, entsprechend 100 °F, wärmer als die Diffusionstreibstofftemperatur.

[0015] Einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäss, als eine besondere Ausführungsform einer Treibstoffdüse, wie sie allgemeiner in Anspruch 7 beansprucht wird, halten der Mantel 128 und die Spitze sich auf redundante Weise gegenseitig vorne und hinten zurück. Das heisst, Fig. 3 zeigt den Mantel, der vom Rest der Diffusionsspitze auseinandergezogen ist. Dem Rückhaltemerkmal entsprechend ist eine Vielzahl von Keilen 160 zum äusseren Ende des Mantels 128 benachbart, aber von diesem beabstandet definiert. Auch wenn in der dargestellten Ausführungsform eine Vielzahl von Keilen vorgesehen ist, wird die Optimierung der Herstellung wahrscheinlich zu weniger Keilen als gezeigt führen, vielleicht 3 bis 6 auf dem vollen 360-Grad-Teileumfang. Wie gezeigt, weist der Umfang der unperforierten Endwand bzw. des äusseren Endes 122 der Diffusionsspitze eine Vielzahl von Nuten 162 auf, die darin definiert sind, und die Keile 160 sind beabstandet, um durch die jeweilige Nut zu gleiten, wenn der Mantel auf der Diffusionsspitze eingeschoben wird, wie in Fig. 4 dargestellt. Sobald der Mantel voll eingeführt ist, um mit der Düse im Eingriff zu stehen, wie in Fig. 5 dargestellt, sind die Keile direkt vor dem Aussenumfang der unperforierten Endwand bzw. des Spitzenendes 122 angeordnet. Durch Drehen des Mantels, wie durch den Pfeil R gezeigt, werden die Keile 160 dann in Bezug auf die Nuten 162 verschoben, wodurch sie mit der Diffusionsspitzenstruktur ausgerichtet werden, um den vorderen Rückhalt zu gewährleisten. Unterdessen ist in dieser beispielhaften Ausführungsform das äussere Ende des Mantels keilförmig, wie bei 164 gezeigt, um den hinteren Rückhalt zu gewährleisten. Die Teile werden dann an ihrer vorderen Nahtstelle 166 zusammengelötet.

[0016] Die Diffusionsspitze 110 ist nicht von Besonderheiten des Entwurfs für das Gleichgewicht der Treibstoffdüse abhängig und kann daher in verschiedenen Treibstoffdüsen des Typs integriert werden, die ein Brennerrohr, einen konzentrisch im Brennerrohr angeordneten Düsenkern, einen zwischen dem Brennerrohr und dem Düsenkern definierten Vormisch-Strömungskanal und einen im Düsenkern definierten Diffusionstreibstoffkanal aufweist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Diffusionsspitze in einer Treibstoffdüse des Typs vorgesehen sein, der in der US-Patentschrift Nr. 6.438.961 dargestellt wird, deren Offenbarung durch diese Bezugnahme hierin aufgenommen wird.

Claims

1. Diffusionsspitze (110) für eine Treibstoffdüse, umfassend: eine Umfangswand, eine unperforierte Endwand (122) an einem äusseren Axialende dieser Umfangswand, mindestens eine Öffnung (124), die in der Umfangswand benachbart zur axialen Endwand definiert ist, und einen Diffusionsspitzenmantel (128), der in umgebender Beziehung zur Umfangswand angeordnet ist, um einen Kühlluft-Strömungskanal (112, 116) dazwischen zu definieren, wobei die mindestens eine Öffnung (124) mit mindestens einem vom Kühlluft-Strömungskanal (112, 116) und einer Rückführungszone hinter der Diffusionsspitze (110) in Strömungsverbindung steht.

2. Diffusionsspitze (110) nach Anspruch 1, wobei die unperforierte Endwand (122) eine Rückseite (134) mit einer Oberfläche aufweist, die dazu geeignet ist, einen Kühlmedienstrom zu verwirbeln, um die Kühlung zu verbessern.

3. Diffusionsspitze (110) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ausserdem umfassend eine Hitzebarriereschicht (136), die auf einer vorderen Aussenseite der unperforierten Endwand (122) angeordnet ist.

4. Diffusionsspitze (110) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, ausserdem umfassend eine perforierte Prallplatte (130), die in beabstandeter, paralleler Beziehung zur Innenseite der unperforierten Endwand (122) angeordnet ist, wobei diese perforierte Prallplatte (130) mindestens eine Prallöffnung (132) für den gegen die Innenseite der unperforierten Endwand (122) prallenden Kühlmedienstrom definiert.

5. Diffusionsspitze (110) nach Anspruch 4 und dazu geeignet, den Kühlmedienstrom nach dem Aufprall durch die mindestens eine Öffnung (124) in der Umfangswand strömen zu lassen.

6. Diffusionsspitze (110) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei in der Prallplatte (130) eine einzige Prallöffnung (132) definiert ist.

7. Treibstoffdüse, umfassend: eine Brennerrohrkomponente; einen Düsenkern, der im Inneren dieser Brennerrohrkomponente konzentrisch angeordnet ist; einen Vormisch-Strömungskanal, der zwischen der Brennerrohrkomponente und dem Düsenkern angeordnet ist; eine Diffusionsspitze (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Diffusionsspitzenmantel (128) an dem Düsenkern an einer vorderen Nahtstelle (166) befestigt ist, um einen Kühlluft-Strömungskanal (112, 116) dazwischen zu definieren; und einen Diffusionstreibstoffkanal, der im Düsenkern definiert ist und aussen an einer Innenseite der unperforierten Endwand (122) endet.

8. Treibstoffdüse nach Anspruch 7, ausserdem umfassend eine perforierte Prallplatte (130), die in beabstandeter, paralleler Beziehung zur Innenseite der unperforierten Endwand (122) angeordnet ist, wobei diese perforierte Prallplatte (130) mindestens eine Prallöffnung (132) für den gegen die Innenseite der unperforierten Endwand (122) prallenden Kühlmedien-Strom an Diffusionstreibstoff oder Spülluft definiert.

9. Treibstoffdüse nach Anspruch 8 und dazu geeignet, den Kühlmedien-Strom an Diffusionstreibstoff oder Spülluft nach dem Aufprall durch die mindestens eine Öffnung (124) in der Umfangswand strömen zu lassen.

10. Treibstoffdüse nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei in der Prallplatte (130) eine einzige Prallöffnung (132) definiert ist.