CH700993A2

CH700993A2 - System mit einem Turbinentriebwerk und einem Luftstromkonditionierer.

Info

Publication number: CH700993A2
Application number: CH00631/10A
Authority: CH
Inventors: Jonathan Dwight Berry; Jason Thuman Stewart
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2009-05-01
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2010-11-15
Also published as: DE102010016543A1; JP5485006B2; US20100275601A1; JP2010261706A; CH700993A8; US8234872B2; CN101876437A

Abstract

Ein System enthält einen Luftstromkonditionierer (50), der dazu eingerichtet ist, getrennt von einer Brennkammer in einer Luftkammer (68) eines Turbinenbrennkammersystems anzusteigen. Der Luftstromkonditionierer (50) weist eine perforierte Ringwand (72) auf, die dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom in Bezug auf eine Achse (46) des Turbinenbrennkammersystems sowohl in eine Axialrichtung als auch in eine Radialrichtung zu lenken. Darüber hinaus ist der Luftstromkonditionierer (50) dazu eingerichtet, den Luftstrom einheitlich in Lufteinlassöffnungen einer oder mehrerer Brennstoffdüsen (12) einzuspeisen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG

[0001] Die im Vorliegenden offenbarte Erfindung betrifft allgemein Turbinentriebwerke, und speziell ein Luftstromkonditio-nierungssystem zur Verbesserung der Luftverteilung in einer Luftkammer.

[0002] Die Vermischung von Brennstoff und Luft beeinflusst die Turbinenleistung und Emissionen in einer Reihe unterschiedlicher Triebwerke, z.B. in Turbinentriebwerken. Beispielsweise kann ein Gasturbinentriebwerk eine oder mehrere Brennstoffdüsen verwenden, um Luft und Brennstoff aufzunehmen, um die Vermischung von Brennstoff und Luft in einer Brennkammer zu fördern. Die Düsen können in einem Kopfendabschnitt einer Turbine angeordnet sein und können dazu eingerichtet sein, einen Luftstrom anzusaugen, der mit einer Brennstoffeingäbe zu vermischen ist. Nachteilig ist, dass der Luftstrom möglicherweise nicht gleichmässig auf mehrere Düsen verteilt wird, was eine inhomogene Mischung von Brennstoff und Luft zur Folge hat.

Darüber hinaus kann der Luftström in der Düse in einem Ausführungsbeispiel, das nur eine Düse enthält, aufgrund der in dem Kopfende der Turbinenbrennkammer vorliegenden Geometrie ungleichmässig sein. Dementsprechend kann ein nicht einheitlicher oder ungleichmässiger Strom in der Brennstoffdüse zu einer mangelhaften Vermischung mit Brennstoff führen, was die Leistung und den Wirkungsgrad des Turbinentriebwerks mindert. Im Ergebnis kann der in das Kopfende strömende Luftstrom Emissionen vermehren und aufgrund der Tatsache, dass ein in jede Düse hinein ungleichmässiger und auf mehrere Düsen uneinheitlich verteilter Luftstrom die Leistung reduziert.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0003] Spezielle Ausführungsbeispiele gemäss dem Gegenstand der ursprünglich vorliegenden Erfindung sind im Folgenden zusammenfassend beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sollen den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht begrenzen, vielmehr sollen diese Ausführungsbeispiele lediglich eine kurze Kurzbeschreibung möglicher Ausprägungen der Erfindung unterbreiten. In der Tat kann die Erfindung vielfältige Ausprägungen abdecken, die den nachstehend dargelegten Ausführungsbeispielen ähneln oder sich von diesen unterscheiden können.

[0004] In einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst ein System ein Turbinentriebwerk. Das Turbinentriebwerk weist ein Brennkammersystem auf. Das Brennkammersystem umfasst eine Brennkammer. Das Brennkammersystem umfasst ferner eine Luftkammer. Das Brennkammersystem umfasst darüber hinaus einen zwischen der Brennkammer und der Luftkammer angeordneten Verteiler. Weiter umfasst das Brennkammersystem eine sich durch den Verteiler hindurch erstreckende Brennstoffdüse. Die Brennstoffdüse weist in der Luftkammer eine Lufteinlassöffnung und in der Brennkammer einen Auslass auf. Das Brennkammersystem enthält ferner einen Luftstromkonditionierer, der in der Luftkammer längs eines in die Luftkammer führenden Luftstrompfads angeordnet ist.

Der Luftstromkonditionierer weist eine perforierte Umlenkschaufel auf, die dazu eingerichtet ist, einen aus dem Luftstrompfad stammenden Luftstrom nach innen in Richtung eines zentralen Bereichs der Luftkammer umzulenken.

[0005] In einem zweiten Ausführungsbeispiel enthält ein System einen Luftstromkonditionierer, der dazu eingerichtet ist, in einer Luftkammer getrennt von einer Brennkammer einer Turbinenbrennkammer anzusteigen. Der Luftstromkonditionierer weist eine perforierte Ringwand auf, die dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom in Bezug auf eine Achse der Turbinenbrennkammer sowohl in axialer als auch in radialer Richtung zu lenken. Darüber hinaus ist der Luftstromkonditionierer dazu eingerichtet, den Luftstrom einheitlich in Lufteinlassöffnungen einer oder mehrerer Brennstoffdüsen einzuspeisen.

[0006] In einem dritten Ausführungsbeispiel umfasst ein System eine Turbinenbrennkammer. Die Turbinenbrennkammer weist eine Brennkammer auf. Die Turbinenbrennkammer umfasst ferner ein Kopfende, das relativ zu einem Strom von Verbrennungsprodukten stromaufwärts der Brennkammer angeordnet ist. Das Kopfende weist eine in dem Kopfende angeordnete Brennstoffdüse auf. Die Brennstoffdüse weist an einer relativ zu einer Längsachse der Turbinenbrennkammer ersten axialen Position eine Lufteinlassöffnung auf. Das Kopfende enthält ferner einen in dem Kopfende angeordneten Luftstromkonditionierer. Der Luftstromkonditionierer ist mit Bezug auf die Längsachse an einer zweiten axialen Position angeordnet. Die erste axiale Position unterscheidet sich von der zweiten axialen Position.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0007] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:
<tb>Fig. 1<sep>zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Turbinensystems, das einen Luftstromkonditionierer enthält;

<tb>Fig. 2<sep>zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des Turbinensystems, wie es in Fig. 1veranschaulicht ist, mit einer Brennkammer, die eine oder mehrere Brennstoffdüsen aufweist;

<tb>Fig. 3<sep>zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Brennkammer, die eine oder mehrere Brennstoffdüsen aufweist, wie sie in Fig. 2veranschaulicht sind, die angeordnet sein können, um aus einem Kopfendbereich verdichtete Luft anzusaugen;

<tb>Fig. 4<sep>veranschaulicht in einer geschnittenen Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des innerhalb der Linie 4-4 von Fig. 3 dargestellten Kopfendbereichs die in den Kopfendbereich strömende verdichtete Luft;

<tb>Fig. 5<sep>veranschaulicht in einer weiteren geschnittenen Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des innerhalb der Linie 4-4 von Fig. 3 dargestellten Kopfendbereichs die in den Kopfendbereich strömende verdichtete Luft;

<tb>Fig. 6<sep>veranschaulicht in einer entlang der Schnittlinie 6-6 von Fig. 5 geschnittenen Draufsicht eines Ausführungsbei-spiels des Kopfendbereichs eine in radialer Richtung einheitliche Verteilung verdichteter Luft zwischen den Brennstoffdüsen;

<tb>Fig. 7<sep>veranschaulicht in einer längs der Schnittlinie 7-7 von Fig. 6 teilweise geschnittenen Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer der Brennstoffdüsen eine axial gleichmässige Verteilung verdichteter Luft;

<tb>Fig. 8<sep>zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verteilers und Luftstromkonditionierers, die in dem Kopfendbereich genutzt werden können;

<tb>Fig. 9A<sep>zeigt eine teilweise geschnittene Profilansicht einer perforierten Umlenkschaufel des Luftstromkonditionierers gemäss Fig. 3 und 4;

<tb>Fig. 9B<sep>zeigt eine teilweise geschnittene Profilansicht der perforierten Umlenkschaufel von Fig. 9A, wobei eine Anströmkante der perforierten Umlenkschaufel nicht mit einer äusseren Wand des Kopfendbereichs verbunden ist;

<tb>Fig. 9C<sep>zeigt eine teilweise geschnittene Profilansicht einer perforierten Umlenkschaufel des Luftstromkonditionierers gemäss Fig. 5 und 8;

<tb>Fig. 9D<sep>zeigt eine teilweise geschnittene Profilansicht der perforierten Umlenkschaufel von Fig. 9C, wobei eine Anströmkante der perforierten Umlenkschaufel nicht mit einer äusseren Wand des Kopfendbereichs verbunden ist;

<tb>Fig. 9E<sep>zeigt eine teilweise geschnittene Profilansicht einer L-förmigen perforierten Umlenkschaufel des Luftstromkonditionierers;

<tb>Fig. 9F<sep>zeigt eine teilweise geschnittene Profilansicht einer hakenförmigen perforierten Umlenkschaufel des Luftstromkonditionierers;

<tb>Fig. 9G<sep>zeigt eine teilweise geschnittene Profilansicht einer gekrümmten perforierten Umlenkschaufel des Luftstromkonditionierers;

<tb>Fig. 9H<sep>zeigt eine teilweise geschnittene Profilansicht einer weiteren gekrümmten perforierten Umlenkschaufel des Luftstromkonditionierers; und

<tb>Fig. 10<sep>veranschaulicht einen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels der perforierten Umlenkschaufel in einer perspektivischen Ansicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0008] Im Folgenden werden ein Ausführungsbeispiel oder speziellere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bemühen, eine kurzgefasste Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele vorzulegen, sind möglicherweise nicht sämtliche Ausstattungsmerkmale einer tatsächlichen Verwirklichung in der Beschreibung aufgeführt. Es sollte klar sein, dass bei der Entwicklung einer jeden solchen Verwirklichung, wie in jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche für eine Verwirklichung spezifische Entscheidungen zu treffen sind, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, beispielsweise die Konformität mit System- und geschäftsimmanenten Beschränkungen, die von einer Verwirklichung zur anderen unterschiedlich sein können.

Darüber hinaus sollte es klar sein, dass eine derartige Entwicklungsbemühung zwar komplex und zeitraubend sein könnte, jedoch für den Fachmann, der den Vorteil dieser Offenbarung nutzen könnte, nichtsdestoweniger eine Routinemassnahme der Entwicklung, Fertigung und Herstellung bedeuten würde.

[0009] Bei der Einführung von Elementen vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollen die unbestimmten und bestimmten Artikel "ein, eine" bzw. "der, die, das" das Vorhandensein von mehr als einem Element einschliessen. Die Begriffe "umfassen", "enthalten" und "aufweisen" sind als einschliessend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden. Beliebige Beispiele von Betriebsparametern und/oder die Umwelt betreffende Bedingungen schliessen andere Parameter/Bedingungen der offenbarten Ausführungsbeispiele nicht aus. Darüber hinaus sollte es klar sein, dass Bezüge auf "ein Ausführungsbeispiel" der vorliegenden Erfindung nicht als Ausschluss der Existenz zusätzlicher, die aufgeführten Merkmale ebenfalls beinhaltender Ausführungsbeispiele interpretiert wird.

[0010] Wie weiter unten im Einzelnen erörtert, können vielfältige Ausführungsbeispiele von Luftstromkonditionierern und verwandter Strukturen verwendet werden, um die Leistung zu verbessern und Emissionen eines Turbinentriebwerks zu reduzieren. Beispielsweise kann der offenbarte Luftstromkonditionierer in einem Kopfendbereich einer Gasturbinenbrennkammer angeordnet sein, so dass der Luftstromkonditionierer die Verteilung und Gleichmässigkeit eines Luftstroms hin zu einer oder mehreren Brennstoffdüsen verbessert.

Der Luftstromkonditionierer ist dazu eingerichtet, die gleichmässige Verteilung des Luftstroms auf mehrere Brennstoffdüsen (d.h., sofern mehr als eine vorhanden ist) zu verbessern, während ausserdem die Einheitlichkeit des Luftstroms in jede Brennstoffdüse hinein (beispielsweise, in einen um einen Umfang jeder Brennstoffdüse angeordneten Luftstromkonditionierer) verbessert ist.

[0011] Beispielsweise können Ausführungsbeispiele des Luftstromkonditionierers eine perforierte Umlenkschaufel beinhalten, wobei die perforierte Umlenkschaufel eine ringförmige Konstruktion ist, deren Durchmesser entlang der Längsachse der Brennkammer variiert. Insbesondere kann die perforierte Umlenkschaufel konvex oder konkav sein, wobei die perforierte Umlenkschaufel dazu eingerichtet ist, den Luftstrom längs der Brennkammerlängsachse axial und radial nach innen und nach aussen zu lenken. Durch Lenken der Luft in mehrere Richtungen, z.B. radial und axial, ist die perforierte Umlenkschaufel dazu eingerichtet, ausgedehnte Strömungsstrukturen in kleinere Strömungsstrukturen zu zerteilen, um dadurch eine ausgewogene Luftdurchflussmenge in der Luftkammer des Kopfendes der Brennkammer hervorzubringen.

[0012] In noch einem Ausführungsbeispiel kann die Geometrie der perforierten Umlenkschaufel konisch oder ringförmig sein und kann ferner dazu eingerichtet sein, den Luftstrom in der Luftkammer axial und radial zu lenken. Darüber hinaus kann die perforierte Umlenkschaufel auch mit einem perforierten Zylinder bzw. einer Wand verbunden sein, die eine ringförmige Konstruktion aufweisen kann, die dazu eingerichtet ist, Luft in radialer Richtung zu lenken. Die perforierte Ringwand bzw. der Zylinder kann zusammen mit der perforierten Umlenkschaufel genutzt werden, um Strömungsstrukturen in der Luftkammer zu zerteilen, um Luft gleichmässig und im Wesentlichen ausgewogen an eine oder mehreren Brennstoffdüsen in der Luftkammer zu verteilen.

[0013] Dementsprechend wird der verbesserte und ausgewogene Luftstrom, der der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen zugeführt wird, genauer voraussagbare Mischungen von Luft und Brennstoff in der Brennkammer erlauben, wodurch die Leistung gesteigert wird. Darüber hinaus kann der perforierte Luftstromkonditionierer, beispielsweise das ringförmige Element der perforierten Umlenkschaufel, den Strom zu einzelnen Brennstoffdüsen hin verbessern, indem der Luftstrom in die Brennstoffdüse hinein gleichmässiger gestaltet wird. Der perforierte Luftstromkonditionierer, z.B. die perforierte Umlenkschaufel, kann ausserdem Luft gleichmässiger und besser abgestimmt in der Luftkammer des Kopfendes verteilen, wodurch eine gleichmässige Verteilung von Ansaugluft auf mehrere Brennstoffdüsen sichergestellt ist.

Dementsprechend verbessert eine gleichmässige Verteilung von Luft auf die Brennstoffdüsen die Verbrennungsleistung, was Emissionen verringert und den Wirkungsgrad des Systems steigert.

[0014] Indem nun auf die Zeichnungen eingegangen und zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen wird, ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Turbinensystems 10 veranschaulicht. Wie weiter unten im Einzelnen erörtert, kann das offenbarte Turbinensystem 10 einen Luftstromkonditionierer verwenden, der dazu dient, die Leistung zu verbessern und von dem Turbinensystem 10 ausgehende Emissionen zu reduzieren. Das Turbinensystem 10 kann zum Betrieb des Turbinensystems 10 flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Erdgas und/oder ein Wasserstoffreiches Synthesegas einsetzen. Wie dargestellt, nehmen mehrere Brennstoffdüsen 12 einen Brennstoffvorrat 14 auf, vermischen den Brennstoff mit Luft und bringen das Brennstoff-Luft-Gemisch in ein Brennkammersystem 16 ein.

Das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt in einer Kammer im Innern des Brennkammersystems 16 und erzeugt dadurch heisse, unter Druck gesetzte Abgase. Das Brennkammersystem 16 lenkt die Abgase durch eine Turbine 18 in Richtung eines Auslasses ins Freie 20. Während die Abgase durch die Turbine 18 strömen, bewirken die Gase, dass eine oder mehrere Turbinenschaufeln eine Welle 22 längs einer Achse des Systems 10 in Drehung versetzen. Wie zu sehen, kann die Welle 22 mit vielfaltigen Komponenten des Turbinensystems 10 verbunden sein, beispielsweise mit einem Verdichter 24. Der Verdichter 24 weist ebenfalls Laufschaufeln auf, die mit der Welle 22 verbunden sein können.

Während sich die Welle 22 dreht, rotieren auch die Laufschaufeln in dem Verdichter 24, wodurch Luft aus einer Luftansaugöffnung 26 durch den Verdichter 24 hindurch und in die Brennstoffdüsen 12 und/oder das Brennkammersystem 16 hinein gedrückt wird. Die Welle 22 kann ferner mit einer Last 28 verbunden sein, die ein Fahrzeug oder eine stationäre Last sein kann, beispielsweise ein elektrischer Generator in einem Kraftwerk oder ein Propeller eines Luftfahrzeugs. Selbstverständlich kann die Last 28 eine beliebige geeignete Einrichtung beinhalten, die durch die Drehmomentausgabe des Turbinensystems 10 angetrieben werden kann.

[0015] Fig. 2 veranschaulicht eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des in Fig. 1 schematisch dargestellten Turbinensystems 10. Das Turbinensystem 10 weist eine oder mehrere Brennstoffdüsen 12 auf, die im Innern einer oder mehrerer Brennkammern 16 angeordnet sind. Im Betrieb tritt Luft durch die Luftansaugöffnung 26 in das Turbinensystem 10 ein und kann in dem Verdichter 24 unter Druck gesetzt werden. Die verdichtete Luft kann anschliessend mit Gas vermischt werden, um in dem Brennkammersystem 16 verbrannt zu werden. Beispielsweise können die Brennstoffdüsen 12 ein Brennstoff-Luft -Gemisch in das Brennkammersystem 16 in einem Verhältnis injizieren, das geeignet ist Verbrennung, Emissionen, Brennstoffverbrauch und Leistungsabgabe zu optimieren.

Die Verbrennung erzeugt heisse, unter Druck gesetzte Abgase, die anschliessend eine oder mehrere Laufschaufeln 30 in der Turbine 18 antreiben, um die Welle 22 und somit den Verdichter 24 in Drehung zu versetzen und die Last 28 anzutreiben. Die Rotation der Turbinenschaufeln 30 bewirkt, das sich die Welle 22 dreht, wodurch Laufschaufeln 32 in dem Verdichter 22 veranlasst werden, die durch die Ansaugöffnung 26 aufgenommene Luft anzusaugen und zu verdichten.

[0016] Wie weiter unten im Einzelnen erörtert, enthält ein Ausführungsbeispiel des Turbinensystems 10 in einem Kopfende des Brennkammersystems 16 gewisse Strukturen und Komponenten, um den in die Brennstoffdüsen 12 abgegebenen Luftstrom zu verbessern, wobei dadurch die Leistung gesteigert wird und Emissionen verringert werden. Beispielsweise kann ein Luftstromkonditionierer, der eine perforierte Umlenkschaufel umfasst, in dem in eine Luftkammer führenden Luftstrompfad angeordnet sein, wobei die perforierte Umlenkschaufel Luft im Wesentlichen gleichmässig und ausgewogen lenkt, um die Verteilung von Luft in die Brennstoffdüsen 12 zu verbessern, so dass das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Luft verbessert und die Genauigkeit des Verhältnisses gesteigert wird.

[0017] Fig. 3 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des Brennkammersystems 16 mit einer oder mehreren Brennstoffdüsen 12, die angeordnet sein können, um von einem Kopfendbereich 34 verdichtete Luft anzusaugen. Eine Endabdeckung 36 kann Rohre oder Kanäle aufweisen, die Brennstoff und/oder unter Druck gesetztes Gas zu den Brennstoffdüsen 12 verzweigen. Aus dem Verdichter 24 stammende verdichtete Luft 38 strömt in das Brennkammersystem 16 durch einen ringförmigen Durchlasskanal 40, der zwischen einer Brennkammerströmungshülse 42 und einer Brennkammerwand 44 gebildet ist. Die verdichtete Luft 38 strömt in den Kopfendbereich 34, der mehrere Brennstoffdüsen 12 aufweist.

Im Besonderen kann der Kopfendbereich 34 in speziellen Ausführungsbeispielen eine zentrale Brennstoffdüse 12, die sich durch eine zentrale Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 erstreckt, und mehrere um die zentrale Längsachse 46 angeordnete äussere Brennstoff-düsen 12 aufweisen. Allerdings kann der Kopfendbereich 34 in anderen Ausführungsbeispielen lediglich eine einzige Brennstoffdüse 12 enthalten, die sich durch die zentrale Längsachse 46 erstreckt. Die spezielle Konstruktion von Brennstoffdüsen 12 in dem Kopfendbereich 34 kann zwischen speziellen Entwürfen variieren.

[0018] Im Allgemeinen jedoch kann die in den Kopfendbereich 34 strömende verdichtete Luft 38 durch einen Düseneinlassstromkonditionierer in die Brennstoffdüsen 12 strömen, der Einlassperforationen 48 aufweist, die in äusseren zylindrischen Wänden der Brennstoffdüsen 12 angeordnet sein können. Wie weiter unten eingehender beschrieben, kann ein Luftstromkonditionierer 50, während die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 verzweigt wird, ausgedehnte Strömungsstrukturen (beispielsweise einen einzelnen ringförmigen Strahl) der verdichteten Luft 38 in feinere Strömungsstrukturen zerteilen.

Darüber hinaus lenkt oder leitet der Luftstromkonditionierer 50 den Luftstrom in einer Weise, die eine einheitlichere Verteilung des Luftstroms auf die verschiedenen Brennstoffdüsen 12 ermöglicht, was ebenfalls die Einheitlichkeit des in jede einzelne Brennstoffdüse 12 strömenden Luftstroms verbessert. Dementsprechend kann die verdichtete Luft 38 gleichmässiger verteilt werden, um die angesaugte Luft ausgewogen auf die Brennstoffdüsen 12 in dem Kopfendbereich 34 zu verteilen. Die verdichtete Luft 38, die über die Einlassperforationen 48 in die Brennstoffdüsen 12 eintritt, vermischt sich mit Brennstoff und durchströmt, wie durch Pfeil 54 veranschaulicht, ein inneres Volumen 52 der Brennkammerwand 44. Das Brennstoff-Luft-Gemisch strömt in einen Verbrennungshohlraum 56, der als Verbrennungszone dienen kann.

Die aus dem Verbrennungshohlraum 56 stammenden erwärmten Verbrennungsgase strömen, wie durch Pfeil 60 veranschaulicht, in einen Turbinenleitapparat 58, wo sie der Turbine 18 zugeführt werden.

[0019] Fig. 4 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des Kopfendbereichs 34, genommen innerhalb der Linie 4-4 von Fig. 3. Wie zu sehen, kann die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 eintreten und, wie durch Pfeile 62 veranschaulicht, in die Einlassperforationen 48 der Brennstoffdüsen 12 abbiegen. Wie oben erörtert, kann die verdichtete Luft 38 in den Brennstoffdüsen 12 mit Brennstoff und/oder mit unter Druck gesetztem Gas 64 vermischt werden, der bzw. das über Rohre und Ventile durch die Endabdeckung 36 hindurch in die Brennstoffdüsen 12 eingeführt wird. Das Luft/Brennstoffgemisch 66 kann anschliessend, wie in Fig. 3 veranschaulicht, aus dem Kopfendbereich 34 heraus und in das innere Volumen 52 der Brennkammerwand 44 geleitet werden.

[0020] Wie in Fig. 4 veranschaulicht, kann die in den Kopfendbereich 34 strömende verdichtete Luft 38 vor dem Eintritt in die Brennstoffdüsen 12 den Luftstromkonditionierer 50 durchqueren, der in einer Luftkammer 68 in dem Kopfendbereich 34 angeordnet ist. Die Luftkammer 68 kann als ein Luftstromkipp-bereich oder ein Luftstromumkehrbereich beschrieben sein, da der Luftstrom in ein grösseres Volumen expandiert und seine Richtung von einer Aufwärtsströmungsrichtung in eine Abwärts-Strömungsrichtung umkehrt. Wie oben erörtert, kann der Luftstromkonditionierer 50 die Leistung des Brennkammersystems 16 verbessern, dadurch dass sichergestellt ist, dass die verdichtete Luft 38 einheitlicher in die Brennstoffdüsen 12 eintritt.

Insbesondere verteilt der Luftstromkonditionierer 50 die verdichtete Luft 38 gleichmässig auf die Brennstoffdüsen 12 und verteilt die verdichtete Luft 38 auch einheitlich über einzelne Düsenprofile. D.h., der Luftstromkonditionierer 50 ist dazu eingerichtet, den Strom verdichteter Luft 38 einheitlich in die Einlassperforationen 48 der Brennstoffdüsen 12 einzuspeisen und den Strom verdichteter Luft 38 einheitlich auf die vielen Brennstoffdüsen 12 zu verteilen. Im Besonderen ist der Luftstromkonditionierer 50 dazu eingerichtet, den Strom verdichteter Luft 38 mit Bezug auf die zentrale Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung zu lenken.

[0021] Wie zu sehen, kann der Luftstromkonditionierer 50 zwei Hauptausstattungsmerkmale aufweisen, die zu den Strömungsverbesserungen der verdichteten Luft 38 beitragen. Insbesondere kann der Luftstromkonditionierer 50 eine perforierte Umlenkschaufel 70 beinhalten, die dazu eingerichtet ist, die verdichtete Luft 38 in Richtung eines zentralen Bereichs der Luftkammer 68 umzulenken. Im Besonderen kann die perforierte Umlenkschaufel 70 die verdichtete Luft 38 sanft in Richtung der Einlassperforationen 48 der Brennstoffdüsen 12 umlenken.

[0022] Beispielsweise lenken spezielle Ausführungsbeispiele der perforierten Umlenkschaufel 70 den Luftstrom im Wesentlichen mittels einer oder mehrerer abgewinkelter oder gekrümmter Strukturen um, die einen Winkel von mindestens mehr als 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 oder 80 Grad zu der Längsachse aufweisen können. Die perforierte Umlenkschaufel 70 kann eine perforierte Ringwand 72 beinhalten, die um die zentrale Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 angeordnet ist. Der Durchmesser der perforierten Ringwand 72 kann sich entlang der zentralen Längsachse 46 ändern. Beispielsweise kann der Durchmesser der perforierten Ringwand 72, wie in Fig. 4veranschaulicht, entlang der zentralen Längsachse 46 ausgehend von einem Brennkammerende 74 zu einem Kopfende 76 hin allmählich abnehmen.

In speziellen Ausführungsbeispielen kann die perforierte Ringwand 72 mehr als eine konische Wand aufweisen, die im Wesentlichen linear entlang der zentralen Längsachse 46 konvergieren oder divergieren. Beispielsweise beinhaltet die perforierte Ringwand 72, wie in Fig. 4 veranschaulicht, eine erste perforierte Ringwand 78, die mit einer zweiten perforierten Wand 80 verbunden ist. Wie gezeigt, konvergiert die erste perforierte Ringwand 78 in Richtung der zentralen Längsachse 46 lediglich allmählich, während die zweite perforierte Wand 80 schärfer in Richtung der zentralen Längsachse 46 konvergiert. In der Tat kann die perforierte Ringwand 72, wie weiter unten eingehender beschrieben, vielfältige Konstruktionen und fluchtende Stellungen aufweisen, die den Strom der verdichteten Luft 38 in Richtung der Brennstoff düsen 12 verbessern können.

[0023] In speziellen Ausführungsbeispielen kann der Luftstromkonditionierer 50 zusätzlich zu der perforierte Ringwand 72 ausserdem einen perforierten Zylinder 82 aufweisen. Im Wesentlichen kann der perforierte Zylinder 82 eine innere perforierte Ringwand des Luftstromkonditionierers 50 sein, der an der perforierten Ringwand 72 befestigt ist und sich in Richtung des Brennkammerendes 74 des Kopfendbereichs 34 zurück erstreckt. Wie in Fig. 4 veranschaulicht, kann der perforierte Zylinder 82 auf einer perforierten zylindrischen Wand basieren, die um die zentrale Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 angeordnet ist. Der perforierte Zylinder 82 kann entlang der zentralen Längsachse 46 einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweisen.

Im Besonderen können der perforierte Zylinder 82 und die perforierte Ringwand 72 in speziellen Ausführungsbeispielen im Wesentlichen zueinander konzentrisch sein. Im Allgemeinen kann der perforierte Zylinder 82 die perforierte Ringwand 72 bei dem Umlenken der verdichteten Luft 38 in Richtung der Brennstoffdüsen 12 in einer optimierten Weise ergänzen.

[0024] Fig. 5 zeigt eine weitere geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des Kopfendbereichs 34. Wie oben erörtert, kann die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 eintreten und über den Luftstromkonditionierer 50 strömen. Wie in Fig. 5 veranschaulicht, kann der Luftstromkonditionierer 50 in speziellen Ausführungsbeispielen lediglich die perforierte Umlenkschaufel 70 aufweisen. Während die verdichtete Luft 38 über den Luftstromkonditionierer 50 strömt, kann die verdichtete Luft 38 mit Bezug auf die zentrale Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 sowohl in eine Axialrichtung 84 als auch eine Radialrichtung 86 gelenkt werden.

Im Allgemeinen wird die in einer axialen Richtung 84 gelenkte verdichtete Luft 38 in Richtung von Brennstoffdüsen 12 um eine radiale Peripherie des Kopfendbereichs 34 konzentriert, wohingegen die in radialer Richtung 86 gelenkte verdichtete Luft 38 vermehrt in Richtung der Brennstoffdüsen 12, die sich näher an der zentralen Längsachse 46 befinden, gestreut wird. Somit ist es möglich, die verdichtete Luft 38 gleichmässiger auf die Brennstoffdüsen 12 zu verteilen, anstatt sie in Richtung der Brennstoffdüsen 12 zu konzentrieren, die sich in der Nähe der Stelle befinden, wo die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 eintritt. Beispielsweise veranschaulichen Pfeile 88 die verdichtete Luft 38, die gleichmässiger auf die vielen Brennstoffdüsen 12 in dem Kopfendbereich 34 verteilt wird.

In speziellen Ausführungsbeispielen kann die perforierte Umlenkschaufel 70 hinsichtlich der speziellen Anordnung von Brennstoffdüsen, Strömungskonditionierern, und so fort abgestimmt sein. Beispielsweise kann die perforierte Umlenkschaufel 70 durch Einstellen des Winkels, der Geometrie und der Länge der perforierten Umlenkschaufel 70 abgestimmt sein, während ausserdem die Anzahl, Abmessung und Verteilung von Perforationen angepasst wird.

[0025] Fig. 6 veranschaulicht in einer längs der Schnittlinie 6-6 in Fig. 5 geschnittenen Draufsicht eines Ausführungsbei-spiels des Kopfendbereichs 34 die einheitliche Verteilung der verdichteten Luft 38 zwischen den Brennstoffdüsen 12 in radialer Richtung. Der Kopfendbereich 34 kann mehrere Brennstoff-düsen 12 aufweisen. Insbesondere kann der Kopfendbereich 34 in speziellen Ausführungsbeispielen eine zentrisch angeordnete Brennstoffdüse 90 und mehrere Brennstoffdüsen 92, 94, 96, 98 und 100 aufweisen, die radial um die zentrisch angeordnete Brennstoffdüse 90 positioniert sind. Wie oben erörtert, kann der Luftstromkonditionierer 50 dazu beitragen, sicherzustellen, dass die verdichtete Luft 38 sowohl zwischen den Brennstoffdüsen 90, 92, 94, 96, 98 und 100 einheitlich verteilt wird als auch um jede einzelne Brennstoffdüse herum einheitlich verteilt wird.

Beispielsweise sind Luftgeschwindigkeitsvektoren 102 für die zentrisch angeordnete Brennstoffdüse 90 und Luftgeschwindigkeitsvektoren 104, 106, 108, 110 und 112 für die radial angeordneten Brennstoffdüsen 92, 94, 96, 98 und 100 dargestellt, um zu veranschaulichen, wie die verdichtete Luft 38 durch den Luftstromkonditionierer 50 einheitlich verteilt werden kann. Wie zu sehen, kann der Betrag der Luftgeschwindigkeitsvektoren 102, 104, 106, 108, 110 und 112 für sämtliche der Brennstoffdüsen 90, 92, 94, 96, 98 und 100 weitgehend ähnlich sein. D.h., die Luftgeschwindigkeit kann in jeder der Brennstoffdüsen 90, 92, 94, 96, 98 und 100 im Wesentlichen übereinstimmen.

[0026] Ohne den Einsatz eines Luftstromkonditionierers 50 kann die hohe Geschwindigkeit in der Nähe der äusseren Brennstoff-düsen 92, 94, 96, 98 und 100 in einigen Ausprägungen, dazu führen, dass die äusseren Brennstoffdüsen 92, 94, 96, 98 und 100 unzureichend Luft erhalten, während die zentrisch angeordnete Brennstoffdüse 90 übermässig versorgt wird. Der Luftstromkonditionierer 50 reduziert die Tangentialgeschwindigkeit in der Nähe der äusseren Brennstoffdüsen 92, 94, 96, 98 und 100 und steigert in der Folge den statischen Druck um die äusseren Brennstoffdüsen 92, 94, 96, 98 und 100 und ermöglicht ein gleichmässigere Verteilung von Luft.

[0027] Darüber hinaus kann bei Einsatz des Luftstromkonditionierers 50 der Betrag der Luftgeschwindigkeitsvektoren 102, 104, 106, 108, 110 und 112 für jede einzelnen Brennstoffdüse 90, 92, 94, 96, 98 und 100 um den Umfang der speziellen Brennstoffdüse 90, 92, 94, 96, 98 und 100 weitgehend ähnlich sein. Beispielsweise können die Beträge jedes der Luftgeschwindigkeitsvektoren 104 um den Umfang der radial angeordneten Brennstoffdüse 92 im Wesentlichen übereinstimmen. Auch hier ist dies wenigstens teilweise auf die Fähigkeit des Luftstromkonditionierers 50 zurückzuführen, die verdichtete Luft 38 in einer Weise einheitlich zu verteilen, die sich auf anderem Wege nicht erzielen lässt.

[0028] Zusätzlich veranschaulicht Fig. 7in einer längs der Schnittlinie 7-7 von Fig. 6 teilweise geschnittenen Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer der Brennstoffdüsen (beispielsweise 92) eine axial einheitliche Verteilung der verdichteten Luft 38. Insbesondere sind Luftgeschwindigkeitsvektoren 114, 116, 118 und 120 für die Brennstoffdüse 92 an mehreren axialen Stellen über die gesamte Länge der Brennstoffdüse 92 veranschaulicht. Im Besonderen können die Luftgeschwindigkeitsvektoren 114 sich in der Nähe eines Kopfendes 122 der Brennstoffdüse 92 befinden, und die Luftgeschwindigkeitsvektoren 120 können in der Nähe eines Brennkammerendes 124 der Brennstoffdüse 92 angeordnet sein.

D.h., die Luftgeschwindigkeitsvektoren 120 können sich näher an einer Stelle befinden, wo die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 eintritt, wohingegen die Luftgeschwindigkeitsvektoren 114 weiter von einer Stelle entfernt sein können, an der die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 eintritt.

[0029] Wie in Fig. 7 veranschaulicht, können sämtliche Beträge der Luftgeschwindigkeitsvektoren 114, 116, 118 und 120 weitgehend ähnlich sein. D.h., die Luftgeschwindigkeit kann an sämtlichen entsprechenden axialen Stellen im Wesentlichen übereinstimmen. Dies veranschaulicht, wie die verdichtete Luft 38 für die Brennstoffdüse 92 axial einheitlicher verteilt werden kann.

[0030] Indem nun nochmals auf Fig. 5eingegangen wird, kann die Luftkammer 68 des Kopfendbereichs 34 durch einen auch als "Abdeckung/Kappe" bekannten Verteiler 126 von dem Brennkammersystem 16 getrennt sein. Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Verteilers 126 und des Luftstromkonditionierers 50. Wie in Fig. 8 veranschaulicht, kann der Verteiler 126 eine Anzahl von Öffnungen 128 aufweisen, die dazu dienen, die Brennstoffdüsen 12 aufzunehmen und zu tragen. Insbesondere können die Öffnungen 128 dazu eingerichtet sein, gegenüber äusseren zylindrischen Wänden der Brennstoffdüsen 12 Dichtungen zu bilden. In speziellen Ausführungsbeispielen kann der dem Luftstromkonditionierer 50 zugeordnete perforierte Zylinder 82, wie veranschaulicht, mit dem Verteiler 126 verbunden sein.

Darüber hinaus können die Brennstoffdüsen 12 in speziellen Ausführungsbeispielen zwischen Öffnungen 130 eines sekundären Verteilers 132 angeordnet sein, was die Luftkammer 68 des Kopfendbereichs 34 zusätzlich von dem Brennkammersystem 16 isoliert. In speziellen Ausführungsbeispielen können in dem Raum zwischen den Verteilern 126, 132 Vormischeinrichtungen angeordnet sein.

[0031] Wie oben beschrieben, kann die perforierte Umlenkschaufel 70 des Luftstromkonditionierers 50 eine einheitliche Verteilung der verdichteten Luft 38 zwischen den Brennstoffdüsen 12 des Kopfendbereichs 34 ermöglichen. Wie in Fig. 8 veranschaulicht, kann die perforierte Umlenkschaufel 70 eine ringförmige Form mit einem in einer Umfangsrichtung um die Achse 46 im Wesentlichen konstanten Profil aufweisen. Allerdings kann das spezielle Querschnittsprofil der ringförmigen perforierten Umlenkschaufel 70 variieren. Beispielsweise können die Geometrie, Verteilung von Perforationen und Abmessung von Perforationen in der axialen Richtung, in der Radialrichtung und/oder in Umfangsrichtung in Bezug auf die Achse 46 konstant oder variabel sein.

In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Perforationen 73 an der perforierten Ringwand 72 kleiner bemessen und gedrängter angeordnet als die Perforationen 83 an dem perforierten Zylinder 82. Darüber hinaus weisen die Perforationen 73 einen konstanten Durchmesser auf, wohingegen die Durchmesser der Perforationen 83 in der stromaufwärts verlaufenden Richtung abnehmen. Es können auch andere vielfältige Kombinationen der Geometrie, Verteilung von Perforationen und Abmessung von Perforationen verwendet werden.

[0032] Fig. 9A bis 9H zeigen teilweise geschnittene Profilansichten von Ausführungsbeispielen der perforierten Umlenkschaufel 70 des Luftstromkonditionierers 50. Fig. 9A veranschaulicht eine teilweise geschnittene Profilansicht der perforierten Umlenkschaufel 70 gemäss dem in Fig. 3und 4gezeigten Luftstromkonditionierer 50. Insbesondere weist die veranschaulichte perforierte Umlenkschaufel 70 eine erste perforierte Ringwand 78 auf, die mit einer zweiten perforierten Ringwand 80 verbunden ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel konvergiert die erste perforierte Ringwand 78 in Richtung der zentralen Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 lediglich allmählich, während die zweite perforierte Wand 80 in Richtung der zentralen Längsachse 46 schärfer konvergiert.

Im Allgemeinen weist das veranschaulichte Ausführungsbeispiel der perforierten Umlenkschaufel 70 jedoch ein Querschnittsprofil auf, das zwei linear konvergierende perforierte Wandabschnitte 78, 80 umfasst. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann eine Anströmkante 134 der ersten perforierten Ringwand 78 mit einer Innenfläche einer äusseren Wand 136 des Kopfendbereichs 34 verbunden sein. Allerdings ist die Anströmkante 134 der ersten perforierten Ringwand 78, wie in Fig. 9B veranschaulicht, möglicherweise nicht mit der äusseren Wand 136 des Kopfendbereichs 34 verbunden. Ausserdem kann die Anströmkante 134 der ersten perforierten Ringwand 78 in speziellen Ausführungsbeispielen radial zentrisch in dem ringförmigen Durchlasskanal 40, durch den die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 strömt, angeordnet sein.

Hierdurch kann um die perforierte Umlenkschaufel 70 ein Ringspalt für den Luftstrom gebildet sein.

[0033] Fig. 9C veranschaulicht eine teilweise geschnittene Profilansicht der perforierten Umlenkschaufel 70 gemäss dem in Fig. 5und 8gezeigten Luftstromkonditionierer 50. Insbesondere weist die veranschaulichte perforierte Umlenkschaufel 70 eine gekrümmte perforierte Ringwand 138 auf. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die gekrümmte perforierte Ringwand 138 eine in Richtung der zentralen Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 konkave Form auf. Allerdings kann die gekrümmte perforierte Ringwand 138 in anderen Ausführungsbeispielen stattdessen geringfügig konvex sein. Darüber hinaus kann die perforierte Umlenkschaufel 70 in speziellen Ausführungsbeispielen mehrere Wandabschnitte mit unterschiedlichen Graden einer (beispielsweise C-förmigen, U-förmigen, J-förmigen, S-förmigen, und so fort) Krümmung aufweisen.

In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann eine Anströmkante 140 der gekrümmten perforierten Ringwand 138 mit der äusseren Wand 136 des Kopfendbereichs 34 verbunden sein. Allerdings ist die Anströmkante 140 der gekrümmten perforierten Ringwand 138, wie in Fig. 9D veranschaulicht, möglicherweise nicht mit der äusseren Wand 136 des Kopfendbereichs 34 verbunden. Ausserdem kann die Anströmkante 140 der gekrümmten perforierten Ringwand 138 in speziellen Ausführungsbeispielen in dem ringförmigen Durchlasskanal 40, durch den die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 strömt, radial zentrisch angeordnet sein. Auch hier kann dies einen Ringspalt für den Luftstrom um die perforierte Umlenkschaufel 70 bilden.

[0034] Allerdings repräsentieren diese linearen bzw. krummlinigen Profile lediglich einige der Arten von Profilen, die für die perforierten Umlenkschaufeln 70 genutzt werden können. Darüber hinaus können komplexere Formen genutzt werden. Beispielsweise veranschaulicht Fig. 9Eeine teilweise geschnittene Profilansicht für eine L-förmige perforierte Umlenkschaufel 70. Wie zu sehen, kann die perforierte Umlenkschaufel 70 eine erste perforierte Wand 142, die linear in Richtung der zentralen Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 konvergiert, und eine zweite perforierte Wand 144 aufweisen, die mit der ersten perforierten Wand 142 verbunden ist und ebenfalls linear in Richtung der zentralen Längsachse 46 konvergiert.

Allerdings weist die zweite perforierte Wand 144 zurück in Richtung des Verteiler 126, wobei zwischen der ersten perforierten Wand 142 und der zweiten perforierten Wand 144 ein L-förmiger Querschnitt gebildet wird. Während die Form zwischen der ersten perforierten Wand 142 und der zweiten perforierten Wand 144 im Wesentlichen dreieckig sein kann, sind die erste und zweite perforierten Wand 142, 144 in speziellen Ausführungsbeispielen möglicherweise nicht vollkommen linear. Vielmehr können die erste und zweite perforierte Wand 142, 144 krummlinig sein, während sie dennoch eine im Wesentlichen dreieckige Form zwischen sich bilden. Wie oben anhand von Fig. 9Abis 9Derörtert, kann eine Anströmkante 146 der perforierten Umlenkschaufel 70 mit der äusseren Wand 136 des Kopfendbereichs 34 verbunden sein, oder auch nicht.

[0035] Fig. 9F veranschaulicht eine teilweise geschnittene Profilansicht für eine hakenförmige perforierte Umlenkschaufel 70. Wie zu sehen, kann die perforierte Umlenkschaufel 70 eine erste perforierte Wand 148, die linear in Richtung der zentralen Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 konvergiert, und eine zweite perforierte Wand 150 aufweisen, die mit der ersten perforierten Wand 148 verbunden ist und ebenfalls linear in Richtung der zentralen Längsachse 46 konvergiert. Allerdings weist die zweite perforierte Wand 150 zurück in Richtung des Verteiler 126.

Darüber hinaus kann der Luftstromkonditionierer 50 eine dritte perforierte Wand 152 aufweisen, die mit der zweiten perforierten Wand 150 verbunden ist, sich jedoch von der zentrale Längsachse 46 entfernt, während sie in Richtung der äusseren Wand 136 des Kopfendbereichs 34 zurück weist, wobei zwischen der ersten perforierten Wand 148, der zweiten perforierten Wand 150 und der dritten perforierten Wand 152 ein hakenförmiger Querschnitt gebildet wird. Während die Form zwischen der ersten perforierten Wand 148, der zweiten perforierten Wand 150 und der dritten perforierten Wand 152 im Wesentlichen rechtwinklig sein kann, sind die erste, zweite und dritte perforierte Wand 148, 150, 152 in speziellen Ausführungsbeispielen möglicherweise nicht vollkommen linear.

Vielmehr können die erste, zweite und dritte perforierte Wand 148, 150, 152 krummlinig sein, während sie dennoch eine im Allgemeinen rechteckige Gestalt zwischen sich bilden. Auch hier kann eine Anströmkante 154 der perforierten Umlenkschaufel 70, wie im Vorausgehenden mit Bezug auf Fig. 9Abis 9Derörtert, mit der äusseren Wand 136 des Kopfendbereichs 34 verbunden sein, oder auch nicht.

[0036] Fig. 9G und 9H veranschaulichen zwei weitere teilweise geschnittene Ansichten von für die perforierte Umlenkschaufel 70 geeigneten Profilen, die sich in gewisser Weise ähneln. Beispielsweise veranschaulicht Fig. 9G eine teilweise geschnittene Profilansicht der perforierten Umlenkschaufel 70, die eine perforierte Wand 156 mit einem %-Torus 158 aufweist. Darüber hinaus können andere Grade der Krümmung (beispielsweise mindestens 50, 60, 70, 80 oder 90 % eines Vollkreises) der perforierten Wand 156 genutzt werden. Dementsprechend hüllt sich die perforierte Wand 156 im Wesentlichen kreisförmig zu sich selbst hinein.

In ähnlicher Weise veranschaulicht Fig. 9H eine teilweise geschnittene Profilansicht der perforierten Umlenkschaufel 70, die eine perforierte Wand 160 mit einer gekrümmten Abströmkante 162 enthält, die in Richtung des ringförmigen Durchlasskanals 40, durch den die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 strömt, zurück weist. Für sämtliche dieser Ausführungsbeispiele kann die spezielle Form des Querschnittsprofils der perforierten Umlenkschaufel 70 variieren. Allerdings beinhalten die Ausführungsbeispiele im Allgemeinen Querschnittsprofile der perforierten Umlenkschaufel 70, bei denen eine Abströmkante einer gekrümmten perforierten Wand in Richtung des ringförmigen Durchlasskanals 40 zurück weist.

Auch hier können Anströmkanten 164, 166 der in Fig. 9Gund 9Hveranschaulichten perforierten Umlenkschaufeln 70, wie im Vorausgehenden mit Bezug auf Fig. 9A bis 9Derörtert, mit der äusseren Wand 136 des Kopfendbereichs 34 verbunden sein, oder auch nicht.

[0037] Jedem der Ausführungsbeispiele der in Fig. 9Ebis 9Hveranschaulichten perforierten Umlenkschaufel 70 ist das spezielle Merkmal einer Abströmkante gemein, die den Strom verdichteter Luft 38 in der Luftkammer 68 des Kopfendbereichs 34 bis zu einem gewissen Grad unmittelbar einschränken kann. Beispielsweise veranschaulicht Fig. 10 einen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels der perforierten Umlenkschaufel 70 in einer perspektivischen Ansicht. Insbesondere ist die in Fig. 10 veranschaulichte perforierte Umlenkschaufel 70 die perforierte Umlenkschaufel 70 von Fig. 9H, die die gekrümmte Abströmkante 162 aufweist, die in Richtung des ringförmigen Durchlasskanals 40 zurück weist, durch den die verdichtete Luft 38 in den Kopfendbereich 34 strömt.

Während verdichtete Luft 38 in die Luftkammer 68 des Kopfendbereichs 34 eintritt, kann die gekrümmte Abströmkante 162 den Strom der verdichteten Luft 38 wesentlich einschränken. Um diesen Effekt etwas abzuschwächen, kann die Abströmkante 162 "zinnen"- oder "Zickzack"- förmig entworfen sein; beispielsweise können in der Abströmkante 162 Ausschnitte 168 ausgebildet sein. In speziellen Ausführungsbeispielen können die Ausschnitte 168 rechtwinklig sein, jedoch kommen auch andere Formen der Ausschnitte (beispielsweise, dreieckige, runde, und dergleichen) in Betracht. Die Ausschnitte 168 können verhindern, dass die Abströmkante 162 der ungebremsten Geschwindigkeit der verdichteten Luft 38 ausgesetzt ist.

[0038] Im Gegensatz dazu weisen spezielle Ausführungsbeispiele der in Fig. 9A bis 9H beschriebenen perforierten Umlenkschaufel 70 keine Abströmkanten auf, die den Strom verdichteter Luft 38 in die Luftkammer 68 des Kopfendbereichs 34 hinein bis zu einem gewissen Grade unmittelbar einschränken. Beispielsweise weisen die Ausführungsbeispiele der in Fig. 9A bis 9D veranschaulichten perforierten Umlenkschaufel 70 Querschnittsprofile auf, die die verdichtete Luft 38 sanfter in die Luftkammer 68 umleiten. Dementsprechend können die in Fig. 9Abis 9Dveranschaulichten Ausführungsbeispiele in speziellen Ausführungsbeispielen massive Wände anstelle perforierter Wände verwenden.

Obwohl der Einsatz massiver Wände es der verdichteten Luft 38 zwar nicht erlaubt, durch die Wände der Umlenkschaufeln 70 gelenkt zu werden, lenken die massiven Wände die verdichtete Luft 38 dennoch in Richtung der zentralen Längsachse 46 des Kopfendbereichs 34 um, wodurch eine einheitlichere Verteilung der Luft auf die Brennstoffdüsen 12 gefördert wird. In Ausführungsbeispielen, die Perforationen benutzen, lassen sich auch die Abmessung, Anzahl und Verteilung von Perforationen variieren.

[0039] Die im Vorliegenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Luftstromkonditionierers 50 können in vieler Hinsicht von Vorteil sein. Da der Luftstromkonditionierer 50 eine einheitlichere Verteilung verdichteter Luft 38 zwischen den Brennstoff düsen 12 bewirkt, werden im Besonderen in ähnlicher Weise einheitliche statische Druckfelder um die Lufteinlassöffnungen der Brennstoffdüsen 12 vorhanden sein. Darüber hinaus erlaubt der gleichmässige statische Druck eine besser abgestimmte Luftdurchflussmenge durch sämtliche der Brennstoffdüsen 12, was ein homogeneres Mischen von Luft und Brennstoff fördert. Da jede Brennstoffdüse 12 weitgehend übereinstimmende Luftdurchflussmengen erfährt, kann darüber hinaus eine Konstruktion 12 genutzt werden, die eine einzige Brennstoffdüse aufweist, was Material- oder Gestehungskosten reduziert.

Ausserdem können Emissionen verbessert werden, da Luft und Brennstoff konstanter vermischt werden. Weitere Vorteile können einheitlichere Luftprofile in den Brennstoffdüsen 12 beinhalten, was den Brennstoffdüsen 12 eine verbesserte Leistung der Flammhaltung verleiht. Da das Luftprofil in der Brennstoffdüse 12 einheitlicher ist, ist es insbesondere unwahrscheinlicher, dass Bereiche reduzierter Geschwindigkeit auftreten, die es einer Flamme möglicherweise erlauben, sich innerhalb der Brennstoffdüse 12 festzusetzen und Ausrüstung zu zerstören.

[0040] Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschliesslich des besten Modus zu offenbaren, und um ausserdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.

[0041] Ein System enthält einen Luftstromkonditionierer 50, der dazu eingerichtet ist, getrennt von einer Brennkammer 52 in einer Luftkammer 68 eines Turbinenbrennkammersystems 16 anzusteigen. Der Luftstromkonditionierer 50 weist eine perforierte Ringwand 72 auf, die dazu eingerichtet ist, einen Luft-strom in Bezug auf eine Achse 46 des Turbinenbrennkammersystems 16 sowohl in eine Axialrichtung 84 als auch in eine Radialrichtung 86 zu lenken. Darüber hinaus ist der Luftstromkonditionierer 50 dazu eingerichtet, den Luftstrom einheitlich in Lufteinlassöffnungen einer oder mehrerer Brennstoffdüsen 12 einzuspeisen.

Bezugszeichenliste:

[0042]
<tb>10<sep>Turbinensystem

<tb>12<sep>Brennstoffdüsen

<tb>14<sep>Brennstoffzufuhr

<tb>16<sep>Brennkammer

<tb>18<sep>Turbine

<tb>20<sep>Auslass ins Freie

<tb>22<sep>Welle

<tb>24<sep>Verdichter

<tb>26<sep>Luftansaugöffnung

<tb>28<sep>Last

<tb>30<sep>Turbinenschaufeln

<tb>32<sep>Verdichterlaufschaufeln

<tb>34<sep>Kopfendbereich

<tb>36<sep>Endabdeckung

<tb>38<sep>verdichtete Luft

<tb>40<sep>ringförmiger Durchlasskanal

<tb>42<sep>Brennkammerströmungshülse

<tb>44<sep>Brennkammerwand

<tb>46<sep>Längsachse

<tb>48<sep>Einlassperforationen

<tb>50<sep>Luftstromkonditionierer

<tb>52<sep>inneres Volumen

<tb>54<sep>verdichteter Luftstrom

<tb>56<sep>Verbrennungshohlräum

<tb>58<sep>Turbinenleitapparat

<tb>60<sep>erwärmter Verbrennungsgasström

<tb>62<sep>verdichteter Luftstrom

<tb>64<sep>unter Druck gesetztes Gas

<tb>66<sep>Luft/Brennstoffgemisch

<tb>68<sep>Luftkammer

<tb>70<sep>Umlenkschaufel

<tb>72<sep>perforierte Ringwand

<tb>73<sep>Perforationen

<tb>74<sep>Brennkammerende

<tb>76<sep>Kopfende

<tb>78<sep>erste perforierte Ringwand

<tb>80<sep>zweite perforierte Wand

<tb>82<sep>perforierter Zylinder

<tb>83<sep>Perforationen

<tb>84<sep>Axialrichtung

<tb>86<sep>Radialrichtung

<tb>88<sep>Druckluftverteilung

<tb>90<sep>zentrisch angeordnete Brennstoffdüse

<tb>92<sep>radial angeordnete Brennstoffdüse

<tb>94<sep>radial angeordnete Brennstoffdüse

<tb>96<sep>radial angeordnete Brennstoffdüse

<tb>98<sep>radial angeordnete Brennstoffdüse

<tb>100<sep>radial angeordnete Brennstoffdüse

<tb>102<sep>zentrisch angeordnete Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>104<sep>radial angeordnete Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>106<sep>radial angeordnete Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>108<sep>radial angeordnete Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>110<sep>radial angeordnete Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>112<sep>radial angeordnete Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>114<sep>Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>116<sep>Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>118<sep>Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>120<sep>Brennstoffdüsenluftgeschwindigkeitsvektoren

<tb>122<sep>Kopfende

<tb>124<sep>Brennkammerende

<tb>126<sep>Verteiler

<tb>128<sep>Öffnungen

<tb>130<sep>Öffnungen

<tb>132<sep>sekundärer Verteiler

<tb>134<sep>Anströmkante

<tb>136<sep>äussere Wand

<tb>138<sep>gekrümmte perforierte Ringwand

<tb>140<sep>Anströmkante

<tb>142<sep>erste perforierte Wand

<tb>144<sep>zweite perforierte Wand

<tb>146<sep>Anströmkante

<tb>148<sep>erste perforierte Wand

<tb>150<sep>zweite perforierte Wand

<tb>152<sep>dritte perforierte Wand

<tb>154<sep>Anströmkante

<tb>156<sep>perforierte Wand

<tb>158<sep>Torus

<tb>160<sep>perforierte Wand

<tb>162<sep>gekrümmte Abströmkante

<tb>164<sep>Anströmkante

<tb>166<sep>Anströmkante

<tb>168<sep>Ausschnitte

Claims

1. System, aufweisend:

ein Turbinentriebwerk (10), mit:

einem Brennkammersystem (16), zu dem gehören: eine Brennkammer (52); eine Luftkammer (68);

ein Verteiler (126), der zwischen der Brennkammer (52) und der Luftkammer (68) angeordnet ist;

eine Brennstoffdüse (12), die sich durch den Verteiler (126) hindurch erstreckt, wobei die Brennstoffdüse (12) eine Lufteinlassöffnung in der Luftkammer (68) und einen Auslass in der Brennkammer (52) aufweist; und

ein Luftstromkonditionierer (50), der in der Luftkammer (68) entlang eines Luftstrompfads (38) angeordnet ist, der in die Luftkammer (68) führt, wobei der Luftstromkonditionierer (50) eine perforierte Umlenkschaufel (70) aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom (88) aus dem Luftstrompfad (38) in Richtung eines zentralen Bereichs der Luftkammer (68) nach innen umzulenken.

2. System nach Anspruch 1, wobei die perforierte Umlenkschaufel (70) eine erste perforierte Ringwand (72) auf-weist, die um eine Längsachse (46) des Brennkammersystems (16) angeordnet ist, und wobei sich der Durchmesser der ersten perforierten Ringwand (72) entlang der Längsachse (46) ändert.

3. System nach Anspruch 2, wobei die erste perforierte Ringwand (72) eine oder mehrere perforierte konische Wände (78, 80, 142, 144, 148, 150, 152) aufweist, die entlang der Längsachse (46) im Wesentlichen linear konvergieren oder divergieren.

4. System nach Anspruch 2, wobei die erste perforierte Ringwand (72) entlang der Längsachse (46) im Wesentlichen konvex oder konkav gekrümmt ist.

5. System nach Anspruch 2, wobei der Luftstromkonditionierer (50) einen perforierten Zylinder (82) umfasst, der eine zweite perforierte Ringwand aufweist, die um die Längsachse (46) des Brennkammersystems (16) angeordnet ist, und wobei die zweite perforierte Ringwand entlang der Längsachse (46) einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist.

6. System nach Anspruch 5, wobei die erste und zweite perforierte Ringwand zueinander konzentrisch sind.

7. System nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffdüse (12) an der Lufteinlassöffnung einen Einlassstromkonditionierer aufweist, und wobei der Einlassstromkonditionierer Düsenperforationen (48) aufweist.

8. System nach Anspruch 1, wobei der Luftstromkonditionierer (50) dazu eingerichtet ist, den Luftstrom einheitlich in die Lufteinlassöffnung der Brennstoffdüse (12) einzuspeisen.

9. System nach Anspruch 1, mit mehreren Brennstoffdüsen (12), die sich durch den Verteiler (126) hindurch erstrecken, wobei der Luftstromkonditionierer (50) dazu eingerichtet ist, den Luftstrom einheitlich auf die Anzahl von Brennstoffdüsen (12) zu verteilen.

10. System nach Anspruch 1, wobei der Luftstromkonditionierer (50) dazu eingerichtet ist, in der Luftkammer (68) an einer axialen Position anzusteigen, die gegenüber der Lufteinlassöffnung der Brennstoffdüse (12) axial versetzt ist.