CH702575B1 - Kraftstoffdüse und Gasturbinenmotor. - Google Patents

Abstract

Eine Kraftstoffdüse (122) umfasst eine Dralleinrichtung (151) mit einer radialen Innenfläche (160) und einer radialen Aussenfläche (162) sowie einer Mehrzahl von Schaufeln (152), die mit der radialen Aussenfläche der Dralleinrichtung gekoppelt sind. Jede Schaufel umfasst eine erste Seitenwand und eine zweite Seitenwand, die miteinander an einer Vorderkante und an einer axial beabstandeten Hinterkante verbunden sind, und eine Mehrzahl von in die jeweiligen Schaufeln eingeformten Gaseinspritzlöchern (210). Jedes Gaseinspritzloch (210) erstreckt sich von der Schaufelvorderkante ausgehend zu einer Vormischrohrdurchführung (171).

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffdüse und einen Gasturbinenmotor.

[0002] Mindestens einige Gasturbinenmotoren zünden ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Brenner und erzeugen eine Verbrennungsgasströmung, die zu einer Turbine über einen Heissgaspfad geleitet wird. Druckluft ist zu dem Brenner durch einen Verdichter geleitet. Brenner-Baugruppen weisen typischerweise Kraftstoffdüsen auf, die eine einfachere Zuführung von Kraftstoff und Luft in einen Verbrennungsbereich der Brenner ermöglichen. Die Turbine setzt die thermische Energie der Verbrennungsgasströmung in mechanische Energie um, die eine Turbinenwelle in Drehung bringt. Die Leistung der Turbine kann zur Versorgung eines Motors, zum Beispiel eines Stromgenerators oder einer Pumpe, benutzt werden.

[0003] Einige bekannte Kraftstoffdüsen beinhalten eine Dralleinrichtung und eine Mehrzahl von Schaufeln, die mit der Dralleinrichtung gekoppelt sind. Bei der Herstellung wird eine Ummantelung hergestellt und an die Kraftstoffdüse derart angebracht, dass die Ummantelung die Schaufeln im Wesentlichen begrenzt. Somit bildet eine innere Fläche der Ummantelung und eine äussere Fläche der Dralleinrichtung einen Strömungsweg zur Aufnahme der durch die Kraftstoffdüse geführten Luftströmung.

[0004] Im Betriebszustand ist der Kraftstoff typischerweise durch eine Mehrzahl von Durchführungen geführt, die im Inneren der Dralleinrichtung gebildet sind, und durch eine Mehrzahl von Öffnungen, die sich in mindestens einer Seite der jeweiligen Schaufel befinden. Bekannte Schaufeln können auch einen Hohlraum umfassen, der innerhalb der Schaufel durch einen Giess- oder Herstellungsprozess derart gebildet ist, dass Kraftstoff, der durch die Dralleinrichtungsdurchführungen geleitet ist, in den Schaufelhohlraum abgeleitet wird. Darüber hinaus weist jede Schaufel eine Mehrzahl von Öffnungen auf, allgemein Gaseinspritzlöcher genannt, die durch eine Schaufelseitenwand derart eingebracht werden, dass die Öffnungen in einer Richtung ausgerichtet sind, die rechtwinklig zu der Oberfläche der Schaufelseitenwand liegt, um den in eine Schaufelvertiefung geführten Kraftstoff aus dem Schaufelhohlraum durch eine Schaufelseitenwand abzuführen, wobei der Kraftstoff mit einem stromabwärtsfliessenden Luftstrom gemischt wird.

[0005] Um eine bekannte Kraftstoffdüse herzustellen, wird typischerweise ein Kern zur Ausbildung des Hohlraumes verwendet, wodurch die Komplexität des Giessverfahrens und die notwendige Dauer zum Giessen der Kraftstoffdüse erhöht wird. Zusätzlich kann der Kern sich bei dem bekannten Giessen im Inneren der Schaufel verlagern, was zu Wandstärkenschwankungen und Abweichungen in den Längen- und Durchmesserverhältnissen (L/D) für die Gaseinspritzlöcher führen kann. Diese Schwankungen haben eine Veränderung des Gasstroms zur Folge, was den Verbrennungsbetrieb beeinträchtigt.

[0006] Ausserdem, da die Kraftstoffdüsenschaufeln den Kraftstoffdüsenkörper umgeben, ist der Zwischenraum zwischen benachbarten Schaufeln eingeschränkt. Somit muss bei der Einführung von Löchern durch die Seite einer Schaufel und in den Hohlraum hinein eine speziell angefertigte Aufspannvorrichtung benutzt werden, die derart ausgebildet ist, um Löcher rechtwinklig zu der Seitenfläche der Schaufel einzuführen. Darüber hinaus muss die Aufspannvorrichtung eine geeignete Grösse aufweisen, um zwischen zwei benachbarten Schaufeln zur Durchführung des Vorgangs eingesetzt zu werden. Während der Herstellung kann die Aufspannvorrichtung, die in diesen engen Raum hineinpassen muss, in die Seite der Schaufel «hineinrollen» und dadurch mehr Durchmesserabweichungen des Loches verursachen, was in Bezug auf den Verbrennungsbetrieb unerwünscht ist. Infolgedessen ist die Herstellung der bekannten Schaufeln mit dem Hohlraum und die Einführung der Öffnungen durch die Seiten der Schaufeln in den Hohlraum hinein eine relativ schwierige und zeitaufwendige Verfahrensweise, die mit höheren Gesamtkosten der Kraftstoffdüse verbunden ist.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0007] Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffdüse gemäss Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Gasturbinenmotor gemäss Patentanspruch 9.

[0008] Kurzbeschreibung der Zeichnungen <tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Gasturbinenmotors; <tb>Fig. 2<sep>ist eine schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften Brenners, der mit dem auf Fig. 1gezeigten Gasturbinenmotor verwendbar ist; <tb>Fig. 3<sep>ist eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Kraftstoffdüse, die mit dem in Fig. 2gezeigten Brenner verwendbar ist; <tb>Fig. 4<sep>ist eine Perspektivansicht eines Teils einer in Fig. 3 gezeigten Kraftstoffdüse mit entferntem Deckband; <tb>Fig. 5<sep>ist eine Querschnittsansicht durch eine beispielhafte Drallschaufel, die mit einer in Fig. 3und 4 gezeigten Kraftstoffdüse einsetzbar ist, und <tb>Fig. 6<sep>ist eine Querschnittsansicht durch eine beispielhafte Drallschaufel, die mit einer in Fig. 3und 4 gezeigten Kraftstoffdüse einsetzbar ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0009] Fig. 1 ist eine schematische Abbildung eines beispielhaften Gasturbinenmotors 100. Der Motor 100 umfasst einen Verdichter 102 und eine Mehrzahl von Brennern 104. Der Motor umfasst ebenfalls eine Turbine 108 und eine gemeinsame Verdichter- und Turbinenwelle 110 (manchmal als Rotor 110 bezeichnet).

[0010] Im Betriebszustand strömt Luft durch den Verdichter 102 hinein, und Druckluft wird den Brennern 104 zugeführt. Kraftstoff wird zu einer Verbrennungszone innerhalb von Brennern 104 geleitet, wo der Kraftstoff mit Luft gemischt und entzündet wird. Verbrennungsgase werden erzeugt und zu der Turbine 108 geleitet, wo die thermische Energie des Gasstromes in mechanische Rotationsenergie umgesetzt wird. Die Turbine 108 ist mit der Welle 110 zu deren Antrieb drehbar angekoppelt.

[0011] Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht durch einen Brenner 104. Der Brenner 104 steht mit der Turbine 108 und mit dem Verdichter 102 in Strömungsverbindung. Der Verdichter 102 umfasst einen Diffusor 112 und eine Verdichtervorkammer 114, die in Strömungsverbindung miteinander gekoppelt sind.

[0012] In einem Beispiel umfasst der Brenner 104 einen Abschlussdeckel 120 zur strukturalen Abstützung von einer Kraftstoffdüse 122. Der Abschlussdeckel 120 ist mit einem Brennergehäuse 124 mit einem Befestigungsmodul (nicht in Fig. 2 gezeigt) gekoppelt. Ein Brennkammermantel 126 ist in dem Gehäuse 124 angeordnet und mit diesem derart angekoppelt, dass der Mantel 126 eine Brennkammer 128 definiert. Eine Kühldurchführung 129 einer Ringbrennkammer erstreckt sich zwischen dem Brennergehäuse 124 und dem Brennkammermantel 126.

[0013] Ein Übergangsteil oder -stück 130 ist an der Brennkammer 128 angekoppelt, um eine leichtere Durchführung von in der Kammer 128 durch Turbinendüsen 132 erzeugten Brenngasen zu ermöglichen. In einem Beispiel umfasst das Übergangsstück 130 eine Mehrzahl von in einer Aussenwand 136 ausgebildeten Öffnungen 134. Das Übergangsteil 130 umfasst ebenfalls eine zwischen einer Innenwand 140 und einer Aussenwand 136 ausgebildete Ringdurchführung 138. Die Innenwand 140 bildet einen Führungshohlraum 142.

[0014] Im Betrieb treibt die Turbine 108 den Verdichter 102 über die Welle 110 (gezeigt in Fig. 1) an. Wenn der Verdichter 102 rotiert, wird Druckluft dem Diffusor 112 zugeführt, wie mit dem jeweiligen Pfeil gezeigt. In dem Beispiel wird die aus dem Verdichter 102 abgeführte Luft zum grössten Teil durch die Verdichtervorkammer 114 zu dem Brenner 104 geführt, und ein kleinerer Luftdruckanteil kann zur Kühlung von Bauteilen des Motors 100 zugeführt werden. Insbesondere wird die in der Vorkammer enthaltene Druckluft in das Übergangsstück 130 durch Wandöffnungen 134 und in die Ringdurchführung 138 hineingeleitet. Die Luft ist anschliessend von der Ringdurchführung 138 des Übergangsstücks 130 in die Kühldurchführung 129 geleitet. Luft wird aus der Kühldurchführung 129 abgeführt und in die Kraftstoffdüsen 122 hineingeleitet.

[0015] Luft und Kraftstoff werden in der Brennkammer 128 gemischt und entzündet. Das Gehäuse 124 erleichtert die Isolierung der Brennkammer 128 und deren zugeordneter Verbrennungsprozesse der Umgebung gegenüber, zum Beispiel, den umgebenden Turbinenbauteilen. Erzeugte Verbrennungsgase werden von der Kammer 128 aus durch den Führungshohlraum 142 des Übergangsstücks zu der Turbinendüse 132 geführt. In dem Beispiel ist die Kraftstoffdüse 122 mit dem Abschlussdeckel 120 durch einen Kraftstoffdüsenflansch 144 angeschlossen.

[0016] Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht durch eine Kraftstoffdüse 122. Fig. 4 ist eine Perspektivansicht eines Abschnitts einer in Fig. 3gezeigten Kraftstoffdüse 122 mit abgenommenem Deckband. In einem Beispiel weist die Kraftstoffdüse 122 eine Mittellinienachse 146 auf und umfasst eine Dralleinrichtung 151, eine Nabe 150, eine Mehrzahl von mit der Nabe 150 verbundenen Schaufeln 152 und einen Mittenrohrkörper 154, der mit einem stromabwärtigen Ende 156 der Nabe 150 verbunden ist. Insbesondere umfasst die Nabe 150 eine Radialinnenfläche 160 und eine Radialaussenfläche 162, und die Mehrzahl von Schaufeln 152 erstrecken sich radial nach aussen von der Radialaussenflache 162 der Dralleinrichtung 151. In einem Beispiel werden die Nabe 150, die Schaufel 152 und der Flansch 144 gegossen oder als Einzelbauteile angefertigt, wie in Fig. 4 gezeigt. Als Alternative können die Schaufel 152 und der Flansch 144 an die Nabe 150 durch beispielsweise Schweiss- oder Lötverfahren angeschlossen werden. Die Kraftstoffdüse 122 umfasst ebenfalls einen Deckel oder ein Deckelband 166, das mit der Kraftstoffdüse 122 verbunden ist und deren Aussenumfang bildet. Darüber hinaus bildet das Deckelband 166 ebenfalls eine Luftdurchführung 168. Spezifisch ist die Luftdurchführung 168 zwischen einer Radialinnenfläche 169 des Deckelbandes 166 und der Radialaussenfläche 162 der Nabe 150 gebildet.

[0017] Die Kraftstoffdüse 122 umfasst ebenfalls ein ringförmiges Vormischrohr 170, das eine Vormischkraftstoffdurchführung bildet, die nachstehend erläutert wird. Das Vormischrohr 170 ist in dem Flansch 144, der Nabe 150 und dem Mittelkörperrohr 152 angeordnet. Insbesondere hat das Vormischrohr 170 ein erstes Ende 172, das mit dem Flansch 144 verbunden ist, und ein zweites Ende 174, das stromabwärts von Gaseinspritzlöchern 210 mündet. Das Vormischrohr 170 weist ein im Wesentlichen kreisförmiges Querschnittsprofil und einen Aussendurchmesser 178 auf, der kleiner ist als der jeweilige Innendurchmesser 180 von dem Deckelband 150 und dem Mittelkörperrohr 154. In einem Beispiel kann die Kraftstoffdüse 122 ebenfalls eine Flüssigbrennstoffzerstäubungspatrone 196 enthalten, die radial innerhalb von dem Vormischrohr 170 angeordnet ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, bilden eine Radialaussenfläche 184 des Flüssigbrennstoffstabes 196 und eine Radialinnenfläche 192 des Mittelkörperrohres 154 eine weitere Kraftstoffdurchführung 194, die dazu dient, den Kraftstoff oder die Luft durch die Kraftstoffdüse 122 derart zu leiten, dass der Kraftstoff oder die Luft aus einem Kraftstoffdüsenmundstück 198 abgeführt wird. Das Vormischrohr 170 kann ebenfalls eine Faltenbalgbaugruppe 186 umfassen, die den Ausgleich von variierbaren Wärmedehnungswerten zwischen Nabe 150 und Vormischrohr 170 vereinfacht.

[0018] Im nochmaligen Bezug auf Fig. 4umfasst jede Schaufel 152 eine erste Seitenwand 200 und eine zweite Seitenwand 202. Die ersten und zweiten Seitenwände 200 und 202 sind an einer Vorderkante 204 und an einer axial beabstandeten Hinterkante 206 miteinander verbunden. Jede Schaufel umfasst ebenfalls eine Mehrzahl von Öffnungen 210, nachstehend als Gaseinspritzlöcher 210 bezeichnet, die sich von der Schaufelvorderkante 204 zu der Vormischrohrdurchführung 171 erstrecken, so dass der durch die Vormischrohrdurchführung 171 geleitete Kraftstoff durch die jeweiligen Gaseinspritzlöcher 210 geführt und von der Vorderkante 204 jeder jeweiligen Schaufel 152 abgeführt wird. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist die Hinterkante jeder Schaufel 152 derart verdrillt, dass sie einen Wirbel in dem Luftstrom 168 um den Mittenkörper 154 herum erzeugt.

[0019] Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht durch eine beispielhafte Schaufel 152. In diesem Beispiel wurde die Schaufel 152 derart verarbeitet oder gegossen, dass die Vorderkante 204 von einem Schaufelfuss 212 abgehend verjüngend ausläuft, der die Schaufel 152 mit der Nabe 150 an einem axial stromabwärtigen Schaufelende 214 verbindet. In einem Beispiel sind die Vorderkanten 204 derart hergestellt oder verarbeitet, dass die Vorderkanten 204 an einem Winkel Theta (θ) ausgebildet sind, der ca. zwischen 90 Grad und ca. 150 Grad relativ zu der Nabe 150 liegt. Ausserdem umfasst ebenfalls die Kraftstoffdüse 122 eine Mehrzahl von Gaseinspritzlöchern 210, die von der Schaufelvorderkante 204 aus durch die Schaufel 152 und die Nabe 150 verläuft, so dass der durch die Vormischrohrdurchführung 171 über die Schaufel 152 geleitete Kraftstoff dann aus der Schaufel 152 an der Schaufelvorderkante 204 über ein jeweiliges Gaseinspritzloch abgeführt wird.

[0020] In einem Beispiel, das in Figur 5 eine beispielhafte Schaufel 152 mit drei Gaseinspritzlöchern 210 zeigt, ist vorgeschlagen, dass jede Schaufel 152 ein einziges Gaseinspritzloch 210, zwei Gaseinspritzlöcher 210 oder n-Gaseinspritzlöcher 210 umfassen kann, wobei n ≥ 3. Zum Beispiel umfasst die Schaufel 152 mindestens eine erste Öffnung oder Gaseinspritzloch 220, ein zweites Gaseinspritzloch 222 und ein drittes Gaseinspritzloch 224. In diesem Beispiel zeigt Figur 5, dass das erste Gaseinspritzloch 220 im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Gaseinspritzloch 222 ist, das im Wesentlichen parallel zu dem dritten Gaseinspritzloch 224 ist. Darüber hinaus sind das erste, zweite und dritte Gaseinspritzloch 220, 222 und 224 von der Mittelinienachse 146 der Kraftstoffdüse 112 unter einem Winkel α versetzt. In einem Beispiel liegt der Winkel α ca. zwischen 45 Grad und ca. 110 Grad oder über die normale Ausrichtung hinaus. In dem Beispiel liegt der Winkel α bei ca. 60 Grad.

[0021] Die erste Öffnung oder das erste Gaseinspritzloch 220 ist stromaufwärts von einem zweiten Gaseinspritzloch 222 angeordnet, das stromaufwärts von einem dritten Gaseinspritzloch 224 angeordnet ist. Insbesondere hat das erste Gaseinspritzloch 220 einen Einlass 230, das zweite Gaseinspritzloch 222 hat einen Einlass 232, der stromabwärts vom Einlass 230 axial angeordnet ist, und das dritte Gaseinspritzloch 224 hat einen Einlass 234, der stromabwärts vom Einlass 232 axial angeordnet ist. Wie in Fig. 5gezeigt, kann durch die jeweiligen Einlasse der durch die Vormischrohrdurchführung 171 geleitete Kraftstoff durch jeden Einlass 230, 232 und 234 und in jedes jeweilige Gaseinspritzloch 220, 222 und 224 hineingeführt und an der Vorderkante 204 der Schaufel 152 abgeführt werden.

[0022] Fig. 6 ist eine Querschnittansicht einer anderen beispielhaften Schaufel 152. In diesem Beispiel wurde die Schaufel 152 derart verarbeitet oder gegossen, dass die Vorderkante 204 eine Mehrzahl von Stufen 240 umfasst, die sich zwischen dem Schaufelfuss 212 und dem Schaufelende 214 erstrecken. In diesem Beispiel werden die Stufen 240 in aufsteigender Reihenfolge von dem Schaufelfuss 212 zu dem Schaufelende 214 gebildet, so dass eine erste Stufe 241 in der Nähe von dem Schaufelfuss 212 gebildet und stromaufwärts vor einer n-ten Stufe axial angeordnet ist, die in der Nähe des Schaufelendes 214 gebildet ist, und als solche das Schaufelende 214 bildet.

[0023] Ausserdem umfasst die Schaufel 152 ebenfalls eine Mehrzahl von Gaseinspritzlöchern 250, die von der Schaufeloberfläche 282 aus durch die Schaufel 152 und durch die Nabe 150 verlaufen, so dass der durch die Vormischrohrdurchführung 171 geleitete Kraftstoff durch die Schaufel 152 geführt und aus der Schaufel 152 an der Oberfläche 282 abgeführt wird.

[0024] Obwohl Fig. 6 die beispielhafte Schaufel 152 mit vier Stufen 240 und drei Gaseinspritzlöchern 250 darstellt, ist es zu verstehen, dass jede Schaufel 152 n Stufen 240 und n-1 Gaseinspritzlöcher 210 umfassen kann, wobei n ≥ 2. Zum Beispiel umfasst die Schaufel mindestens eine erste Stufe 242, eine zweite Stufe 252, eine dritte Stufe 254 und eine vierte Stufe 256. Die Schaufel 152 umfasst ebenfalls eine erste Öffnung oder Gaseinspritzloch 260, das durch die erste Stufe 242 verläuft, ein zweites Gaseinspritzloch 262, das durch eine zweite Stufe 252 verläuft, und ein drittes Gaseinspritzloch 264, das durch eine dritte Stufe 254 verläuft. Wie in Fig. 6gezeigt, liegt das erste Gaseinspritzloch 260 im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Gaseinspritzloch 262, das ebenfalls im Wesentlichen parallel zu dem dritten Gaseinspritzloch 264 liegt. Ausserdem ist jedes der ersten, zweiten und dritten Gaseinspritzlöcher 260, 262 und 264 durch eine jeweilige Stufe gebildet, so dass jedes Gaseinspritzloch 260, 262 und 264 ungefähr senkrecht zu der Mittellinienachse 146 liegt, die durch die Kraftstoffdüse 122 verläuft.

[0025] Darüber hinaus ist die erste Öffnung oder das erste Gaseinspritzloch 260 stromaufwärts von dem zweiten Gaseinspritzloch 262 angeordnet, das stromaufwärts von dem Gaseinspritzloch 264 angeordnet ist. Insbesondere hat das Gaseinspritzloch 260 einen Einlass 270, das zweite Gaseinspritzloch 262 einen Einlass 272, der stromabwärts vom Einlass 270 axial angeordnet ist, und das Gaseinspritzloch 264 hat einen Einlass 274, der stromabwärts vom Einlass 272 axial angeordnet ist. Wie in Fig. 6 gezeigt, ermöglicht jeder Einlass, den durch die Vormischrohrdurchführung 171 geleiteten Kraftstoff durch jede Öffnung 270, 272 und 274 und in jedes Gaseinspritzloch 260, 262 und 264 zu führen und an der Oberfläche 282 der Schaufel 152 abzuführen.

[0026] Jede Stufe 240 umfasst eine Vorderkantenfläche 280 und eine obere Fläche 282, die miteinander kombiniert sind, um jeweils eine einzelne Stufe 240 zu bilden. In dem Beispiel ist die obere Fläche 282 rechtswinklig oder senkrecht zu der Vorderkantenfläche 280 gebildet. Optional kann die obere Fläche 282 in einem anderen Winkel als einem rechten Winkel gebildet sein. Wie in Fig. 6 gezeigt, bildet die Kombinierung von allen Vorderkantenflächen 280 und den oberen Flächen die Schaufelvorderkante 204.

[0027] Bei der Herstellung werden der Flansch 144, die Nabe 150 und eine Mehrzahl von Schaufeln 152 als Einheitsstruktur gegossen, um eine Dralleinrichtung 151 zu bilden. Ausserdem, wie oben erwähnt, ist die Mehrzahl von Schaufeln 152 nach dem Giessverfahren im Wesentlichen fest. Es gibt keine Hohlräume oder Vertiefungen, die absichtlich mit den Schaufelblättern 152 gegossen werden, um die Kraftstoffströmung aufzunehmen. Das Deckelband 166 ist an die Dralleinrichtung 151 gekoppelt, so dass das Deckelband 166 dann um die Schaufeln 152 herum angeordnet ist, wie in den Figuren gezeigt.

[0028] Die Mehrzahl der Gaseinspritzlöcher 250 wird durch die Oberfläche 282 der Schaufeln 152 eingeführt, wie in beiden Fig. 5 und/oder 6 gezeigt. Die Gaseinspritzlöcher 250 werden in die obere Fläche 282 vor der Befestigung des Deckelbandes 166 eingebracht. Zusätzlich können die Gaseinspritzlöcher 250 in die Schaufeln 152 eingegossen werden.

[0029] Im Betrieb erhält die Kraftstoffdüse 122 Druckluft aus der Kühldurchführung 129 (gezeigt in Fig. 2) durch eine Vorkammer 131 (gezeigt in Fig. 2), welche die Einrichtung 122 umgibt. Der grösste Anteil der für die Verbrennung verwendeten Luft strömt über eine Durchführung 168 in die Kraftstoffdüse 122 und ist Vormischbauteilen zugeführt. Ein Anteil von der in die Vorkammer 131 eindringenden Hochdruckluft kann ebenfalls in eine Luftzerstäubungsflüssigbrennstoffpatrone 196 hineingeführt werden.

[0030] Der Kraftstoffdüse 122 wird Kraftstoff von einer Kraftstoffquelle (nicht in Fig. 3gezeigt) durch Kraftstoffdurchführungen 171 und 194 zugeführt. Der Kraftstoff wird von der Vormischkraftstoffdurchführung 171 aus zu der Mehrzahl von Schaufeln 152 geleitet, wie oben erwähnt. Zusätzlich ist die in die Durchführung 168 geleitete Luft mit dem Kraftstoff gemischt und das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch rotierende Schaufeln 152 gewirbelt, stromabwärtsgeführt und aus der Kraftstoffdüse 122 abgeführt. In ähnlicher Weise wird der Kraftstoff durch die Kraftstoffdurchführung 194 und durch das Kraftstoffdüsenmundstück 198 in bestimmten Betriebsarten abgeführt.

[0031] Hierbei wird eine beispielhafte Kraftstoffdüse beschrieben, die in einem Gasturbinenmotor verwendet werden kann. Die Kraftstoffdüse umfasst eine Mehrzahl von Gaseinspritzlöchern, die Kraftstoff, wie Erdgas, in einen durchströmbaren Luftstrom einspritzt. Zum Beispiel umfassen bekannte Schaufeln Zuführlöcher, die rechtwinklig zu der Fläche der Schaufel auf mehreren Radialhöhen ausgerichtet sind. Diese Schaufelflächen liegen im Wesentlichen parallel zu der Axialströmung zwischen benachbarten Schaufeln. Jedoch umfasst die hier beschriebene Kraftstoffdüse Gaseinspritzlöcher, die durch die Vorderkante der Drallschaufel angebracht sind. Darüber hinaus wird in einem Beispiel die Vorderkante der Schaufel derart hergestellt, dass sie in einem Winkel zu der Mittellinie der Kraftstoffdüse angeordnet ist, im Gegensatz zu bekannten Schaufeln, die eine Vorderkante haben, die senkrecht oder von der Mittellinie 146 um 90 Grad versetzt sind. Optional kann die Kraftstoffdüse durch Abstufung der Vorderkante der Schaufel hergestellt werden, so dass die Gaseinspritzlöcher radial nach innen ausgerichtet sind.

[0032] Während der Herstellung sind die Gaseinspritzlöcher somit entlang der Vorderkante angeordnet, so dass sie Gas an den gewünschten Radialstellen freisetzen, was notwendig ist, um das gewünschte Kraftstoff-Luft-Profil zu erreichen. Da die beschriebene Kraftstoffdüse Gaseinspritzlöcher umfasst, die an der Vorderkante der Schaufel angeordnet sind, wird der aus den Gaseinspritzlöchern abgeführte Kraftstoff in zwei Strömungen um die Schaufeln herum geteilt, das heisst saug- und druckseitig, was zu der Umfangsmischung von Kraftstoff und Luft beiträgt. Zusätzlich wird aus der Schaufel Kraftstoff über einen gegebenen Axialabstand relativ zu der Stelle freigesetzt, wo das Gemisch in dem Brenner verbrannt wird. Diese axial verteilte Einspritzung wird als vorteilhaft in Bezug auf magere Vormischverbrennungssysteme betrachtet, weil die mit der Transportzeitkonstante des Kraftstoffes verbundenen dynamischen Verbrennungsfrequenzen nun verteilt sind. Dies hat zur Folge, dass irgendwelche gegebene natürliche Systemfrequenzen weniger Energie haben und daher niedrige Verbrennungsdynamik ergeben.

[0033] Ein Vorteil dieser hierin beschriebenen Kraftstoffdüsen besteht darin, dass die Schaufeln keinen Hohlraum benötigen, der während dem Giessverfahren angeformt wird, was zu einer Reduzierung der Herstellungskosten der Kraftstoffdüse und gleichzeitig zu guten Mischungsverhältnissen führt. Ausserdem werden die Gaseinspritzlöcher radial nach innen eingeführt oder eingegossen, wobei die Verwendung von einem Giesskern und komplexen und zeitaufwendigen Werkzeugen sich erübrigt. Ausserdem erlaubt das einfache Bohren der Gaseinspritzlöcher leichter auszuführende Veränderungen in Lochabmessungen, wenn eine «Redimensionierung» (Resizing) von Kraftstoffdüsen durch Veränderung von Betriebsbedingungen (Kraftstoffzusammensetzung) anfallen. Zum Beispiel könnten engere Löcher durch einfaches Ausbohren breiter gemacht werden, um breite Löcher zu erhalten, und breitere Löcher können durch Einsätze kleiner gemacht werden.

[0034] Als solche reduzieren die axial verteilten Gaseinspritzlöcher im Betriebszustand die hohe Dynamikinstabilität der Verbrennungssysteme, indem die Energie über einen Bereich von natürlichen Frequenzen verteilt wird. Ausserdem sind die Gaseinspritzlöcher und die Durchmessertoleranzen im Verhältnis zu dem Grundkonzept, überwiegend aufgrund der Orientierung der Löcher, leichter genau zu erzielen.

[0035] Dementsprechend erleichtert die hierin beschriebene Kraftstoffdüse einerseits wesentlich die Reduzierung der Kosten der Kraftstoffdüse, die den grössten Anteil der Kosten in einem Verbrennungssystem ausmacht, und anderseits führt die Beseitigung und/oder die Reduzierung der Verbrennungsdynamik, die das Problem Nummer eins bei üblichen schwach vorgemischten Gasturbinenverbrennungssystemen darstellen, zu einer verbesserten bis gleichmässigen Verteilung der Zufuhr aus den Kraftstoffdüsen, was zu niedrigeren Emissionen führt.

[0036] Während die Erfindung in verschiedenen Beispielen beschrieben wurde, liegt es den Fachleuten klar auf der Hand, dass die Erfindung mit Änderungen ausgeführt werden kann, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen.

Claims (9)

1. Kraftstoffdüse (122), umfassend: eine Dralleinrichtung (151) mit einer Radialinnenfläche (160) und einer Radialaussenfläche (162); eine Mehrzahl von Schaufeln (152), die mit der Dralleinrichtung (151) gekoppelt ist, wobei jede Schaufel (152) eine erste Seitenwand (200) und eine zweite Seitenwand (202) umfasst, wobei die erste und zweite Seitenwand (200, 202) an einer Vorderkante (204) und an einer axial beabstandeten Hinterkante (206) miteinander verbunden sind; und eine Mehrzahl von Gaseinspritzlöchern (210; 250), die in die jeweiligen Schaufeln (152) eingeformt sind, wobei jedes Gaseinspritzloch (210; 250) sich von der Vorderkante (204) zu einer Vormischrohrdurchführung (171), welche zum Leiten von Kraftstoff ausgebildet ist, erstreckt, um eine Strömungsdurchführung zu definieren, die sich von der Vormischrohrdurchführung (171) zu der Vorderkante (204) erstreckt.

2. Kraftstoffdüse (122) nach Anspruch 1, wobei jede Schaufel (152) einen Fuss (212) und ein Schaufelende (214), welches relativ zu dem Fuss (212) axial stromabwärtig angeordnet ist, aufweist, wobei die Vorderkante (204) von dem Fuss (212) zu dem Schaufelende (214) hin verjüngend ausläuft.

3. Kraftstoffdüse (122) nach Anspruch 2, wobei die Vorderkante (204) relativ zu einer Mittellinienachse (146) der Kraftstoffdüse (122), stromabwärts gerichtet, in einem Winkel Theta (θ) versetzt ist, der zwischen 90 Grad und 150 Grad liegt.

4. Kraftstoffdüse (122) nach Anspruch 3, wobei die Mehrzahl von Gaseinspritzlöchern (210; 250) von der Mittellinienachse (146) der Kraftstoffdüse (122) um einen Winkel (α) versetzt ist.

5. Kraftstoffdüse (122) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Gaseinspritzlöchern (210; 250) mindestens ein erstes Gaseinspritzloch und ein zweites Gaseinspritzloch umfasst, wobei das zweite Gaseinspritzloch stromabwärts von dem ersten Gaseinspritzloch eingeformt ist.

6. Kraftstoffdüse (122) nach Anspruch 5, wobei das erste Gaseinspritzloch im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Gaseinspritzloch liegt.

7. Kraftstoffdüse (122) nach Anspruch 1, wobei jede Schaufel (152) einen Fuss (212) und ein Schaufelende (214), welches relativ zu dem Fuss (212) axial stromabwärtig angeordnet ist, umfasst, wobei die Vorderkante (204) eine Mehrzahl von n Stufen (240) umfasst, die sich zwischen dem Fuss (212) und dem Schaufelende (214) erstrecken, wobei die n Stufen (240) in aufsteigender Reihenfolge von dem Fuss (212) zu dem Schaufelende (214) gebildet sind, so dass eine am Fuss (212) gebildete erste Stufe vor einer stromaufwärts am Schaufelende (214) gebildeten n-ten Stufe angeordnet ist.

8. Kraftstoffdüse (122) nach Anspruch 7, wobei die Mehrzahl von Gaseinspritzlöchern (250) senkrecht zu der Mittellinienachse (146) der Kraftstoffdüse (122) liegt.

9. Gasturbinenmotor (100), umfassend: einen Verdichter (102); und einen Brenner (104), der in Strömungsverbindung mit dem Verdichter (102) steht, wobei der Brenner (104) mindestens eine Kraftstoffdüse (122) umfasst, und die Kraftstoffdüse (122) umfasst: eine Dralleinrichtung (151) mit einer Radialinnenfläche (160) und einer Radialaussenfläche (162); eine Mehrzahl von Schaufeln (152), die mit der Dralleinrichtung (151) gekoppelt ist, wobei jede Schaufel (152) eine erste Seitenwand (200) und eine zweite Seitenwand (202) umfasst, wobei die erste und zweite Seitenwand (200, 202) an einer Vorderkante (204) und an einer axial beabstandeten Hinterkante (206) miteinander verbunden sind; und eine Mehrzahl von Gaseinspritzlöchern (210; 250), die in die jeweiligen Schaufeln (152) eingeformt sind, wobei jedes Gaseinspritzloch (210; 250) sich von der Vorderkante (204) zu einer Vormischrohrdurchführung (171), welche zum Leiten von Kraftstoff ausgebildet ist, erstreckt, um eine Strömungsdurchführung zu definieren, die sich von der Vormischrohrdurchführung (171) zu der Vorderkante (204) erstreckt.