CH707456A2

CH707456A2 - Brennstoffinjektor zur Zuführung von Brennstoff zu einer Brennkammer.

Info

Publication number: CH707456A2
Application number: CH02167/13A
Authority: CH
Inventors: Jun Cai; Gregory Allen Boardman; Lucas John Stoia; Hasan Karim
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-07-15
Also published as: US9534790B2; DE102013114973A1; US20140190170A1; JP2014132214A

Abstract

Ein Brennstoffinjektor für eine Brennkammer enthält einen ringförmigen äusseren Körper (64), der einen Einlass und einen Auslass aufweist. Der äussere Körper (64) definiert wenigstens teilweise einen äusseren Strömungskanal (94). Ein innerer Strömungskanal erstreckt (96) sich wenigstens teilweise durch den äusseren Strömungskanal (94) hindurch, und ein radialer Drallerzeuger ist an dem Einlass des äusseren Körpers (64) angeordnet. Der radiale Drallerzeuger enthält einen ersten radialen Durchgang, der von einem zweiten radialen Durchgang (76) getrennt ist. Der erste radiale Durchgang weist mehrere erste Drallerzeugerschaufeln auf, und der zweite radiale Durchgang (76) weist mehrere zweite Drallerzeugerschaufeln auf. Der erste radiale Durchgang steht mit dem äusseren Strömungskanal (94) in Strömungsverbindung, und der zweite radiale Durchgang (76) steht mit dem inneren Strömungskanal (96) in Strömungsverbindung.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung umfasst allgemein einen Brennstoffinjektor zur Zuführung von Brennstoff zu einer Brennkammer. Insbesondere enthält der Brennstoffinjektor zwei radiale Strömungskanäle, wobei jeder Kanal mehrere Leitschaufeln aufweist, um einem verdichteten Arbeitsfluid einen radialen Drall zu verleihen, um das verdichtete Arbeitsfluid und einen Brennstoff für eine Verbrennung vorzuvermischen.

Hintergrund zu der Erfindung

[0002] Brennkammern werden gewöhnlich in industriellen und Energieerzeugungsbetrieben dazu verwendet, einen Brennstoff zu zünden, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisen. Zum Beispiel enthalten Turbomaschinen, wie beispielsweise Gasturbinen, eine oder mehrere Brennkammern, um Leistung oder Schub zu erzeugen. Eine typische Gasturbine enthält einen Einlassabschnitt, einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Auslassabschnitt. Der Einlassabschnitt reinigt und bereit ein Arbeitsfluid (z.B. Luft) auf und liefert das Arbeitsfluid zu dem Verdichterabschnitt. Der Verdichterabschnitt erhöht den Druck des Arbeitsfluids und liefert ein verdichtetes Arbeitsfluid zu dem Verbrennungsabschnitt. Der Verbrennungsabschnitt vermischt Brennstoff mit dem verdichteten Arbeitsfluid und zündet das Gemisch, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisen. Die Verbrennungsgase strömen zu dem Turbinenabschnitt, in dem sie expandieren, um Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel kann eine Expansion der Verbrennungsgase in dem Turbinenabschnitt eine Welle drehen, die mit einem Generator verbunden ist, um Elektrizität zu erzeugen.

[0003] Der Verbrennungsabschnitt kann eine oder mehrere Brennkammern enthalten, die ringförmig zwischen dem Verdichterabschnitt und dem Turbinenabschnitt angeordnet sind, und die Temperatur der Verbrennungsgase beeinflusst unmittelbar den thermodynamischen Wirkungsgrad, die Auslegungsgrenzen und die resultierenden Emissionen der Brennkammer. Zum Beispiel verbessern höhere Verbrennungsgastemperaturen allgemein den thermodynamischen Wirkungsgrad der Brennkammer. Jedoch unterstützen höhere Verbrennungsgastemperaturen auch Flammenhaltebedingungen, in denen die Verbrennungsflamme zu dem durch die Düsen gelieferten Brennstoff hin wandert, was möglicherweise eine schnellere Beschädigung an den Düsen in einer relativ kurzen Zeit hervorruft. Ausserdem vergrössern höhere Verbrennungsgastemperaturen allgemein die Dissoziationsrate von zweiatomigem Stickstoff, was die Erzeugung von Stickoxiden (NOx) bei der gleichen Verweildauer in der Brennkammer steigert. Umgekehrt reduziert eine niedrigere Verbrennungsgastemperatur, die mit einem reduzierten Brennstofffluss und/oder einem Teillastbetrieb (Turn Down) im Zusammenhang steht, allgemein die chemischen Reaktionsraten der Verbrennungsgase, was die Erzeugung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen bei der gleichen Verweildauer in der Brennkammer steigert.

[0004] In einer bestimmten Brennkammerkonstruktion kann die Brennkammer eine Kappenanordnung enthalten, die sich in Radialrichtung über wenigstens einen Abschnitt der Brennkammer erstreckt, und eine oder mehrere Brennstoffdüsen können in Radialrichtung über der Kappenanordnung angeordnet sein, um Brennstoff zu der Brennkammer zu liefern. Die Brennkammer kann ferner wenigstens einen ringförmigen Einsatz enthalten, der sich stromabwärts von der Kappenanordnung erstreckt. Der Einsatz definiert wenigstens teilweise eine Verbrennungskammer innerhalb der Brennkammer. Der Einsatz definiert ferner einen Heissgaspfad, der sich zwischen dem Brennraum und einem Einlass zu der Turbine erstreckt. Die Brennstoffdüsen können Drallerzeugerschaufeln und/oder andere Strömungslenkeinrichtungen enthalten, um eine Vermischung zwischen dem. Brennstoff und dem verdichteten Arbeitsfluid zu verstärken, um ein mageres Brennstoff-Luft-Gemisch für eine Verbrennung zu erzeugen. Das wirbelnde Brennstoff-Luft-Gemisch strömt in den Brennraum ein, in dem es sich entzündet, um die heissen Verbrennungsgase zu erzeugen. Die heissen Verbrennungsgase werden durch den Heissgaspfad zu dem Einlass der Turbine geleitet.

[0005] Die Brennkammer kann ferner einen oder mehrere Brennstoffinjektoren enthalten, die längs des Umfangs um den Brennraum und/oder den Einsatz herum angeordnet sind, um zusätzlichen Brennstoff für die Verbrennung zu dem Brennraum und/oder dem Heissgaspfad allgemein stromabwärts von dem Brennraum zu liefern. Dieses System und Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer wird üblicherweise in der Energieerzeugungsindustrie als späte magere Injektion oder LLI (Late Lean Injection) bezeichnet. Der zusätzliche Brennstoff, der durch die Brennstoffinjektoren geliefert wird, erhöht die Feuerungstemperatur der Brennkammer, ohne eine entsprechende Erhöhung der Verweilzeitdauer der Verbrennungsgase im Inneren des Brennraums hervorrufen.

[0006] Obwohl sie allgemein zur Ermöglichung höherer Betriebstemperaturen effektiv ist, hängt die Gesamteffektivität der LLI wenigstens teilweise davon ab, wie gut sich die Brennstoff-Luft-Kombination, die von dem Injektor aus strömt, mit dem wirbelnden Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Brennraum und/oder mit den heissen Verbrennungsgasen, die durch den Einsatz im Wesentlichen stromabwärts von dem Brennraum strömen, vermischt. Zum Beispiel reduziert eine verstärkte Vermischung der Brennstoff-Luft-Kombination aus dem Injektor mit dem wirbelnden Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Brennraum und/oder mit den heissen Verbrennungsgasen, die durch den Einsatz strömen, eine Spitzenflammentemperatur innerhalb der Brennkammer, wodurch NOx-Werte reduziert werden. Infolgedessen würde ein System zu Zuführung von Brennstoff zu einer Brennkammer, das eine Vermischung der Brennstoff-Luft-Kombination, die aus den Brennstoffinjektoren strömt, die längs des Umfangs um den Brennraum und/oder den Einsatz herum angeordnet sind, mit dem wirbelnden Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Brennraum und/oder mit den heissen Verbrennungsgasen, die durch den Einsatz strömen, nützlich sein.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0007] Aspekte und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung erläutert oder können aus der Beschreibung offenkundig sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.

[0008] Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffinjektor für eine Brennkammer. Der Brennstoffinjektor enthält einen ringförmigen äusseren Körper, der einen Einlass und einen Auslass aufweist. Der äussere Körper definiert wenigstens teilweise einen äusseren Strömungskanal. Ein innerer Strömungskanal erstreckt sich wenigstens teilweise durch den äusseren Strömungskanal hindurch, und ein radialer Drallerzeuger ist an dem Einlass des äusseren Körpers angeordnet. Der radiale Drallerzeuger enthält einen ersten radialen Durchgang, der von einem zweiten radialen Durchgang getrennt ist. Der erste radiale Durchgang weist mehrere erste Drallerzeugerschaufeln auf, und der zweite radiale Durchgang weist mehrere zweite Drallerzeugerschaufeln auf. Der erste radiale Durchgang steht mit dem äusseren Strömungskanal in Strömungsverbindung, und der zweite radiale Durchgang steht mit dem inneren Strömungskanal in Strömungsverbindung.

[0009] Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Brennstoffinjektors gemäss dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere der folgenden enthalten:

[0010] Der Brennstoffinjektor kann ferner einen Brennstoffkreislauf aufweisen, der sich wenigstens teilweise durch den äusseren Körper erstreckt.

[0011] Dann kann wenigstens eine der sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln oder der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln einen Brennstoffinjektionsanschluss enthalten, wobei der Brennstoffinjektionsanschluss mit dem Brennstoffkreislauf in Strömungsverbindung steht.

[0012] In jeder vorstehend erwähnten Ausführungsform kann der Brennstoffinjektor ferner eine sich radial erstreckende ringförmige Platte aufweisen, die zwischen den mehreren ersten Drallerzeugerschaufeln und den mehreren zweiten Drallerzeugerschaufeln angeordnet ist, wobei die Platte einen Einlass zu dem inneren Strömungskanal wenigstens teilweise definiert.

[0013] Im letzteren Fall kann der Brennstoffinjektor ferner einen inneren Körper aufweisen, der sich stromabwärts von dem Einlass der ringförmigen Platte erstreckt.

[0014] In jeder vorstehend erwähnten Ausführungsform enthält jede Drallerzeugerschaufel der mehreren ersten Drallerzeugerschaufeln vorzugsweise eine Vorderkante und eine Hinterkante, wobei die Hinterkante unter einem ersten Drallwinkel in Bezug auf eine erste radiale Linie angeordnet ist, die sich zwischen der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors und der Vorderkante erstreckt.

[0015] Ferner enthält jede Drallerzeugerschaufel der mehreren zweiten Drallerzeugerschaufeln vorzugsweise eine Vorderkante und eine Hinterkante, wobei die Hinterkante unter einem zweiten Drallwinkel in Bezug auf eine zweite radiale Linie angeordnet ist, die sich zwischen der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors und der Vorderkante erstreckt.

[0016] In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Drallwinkel in Bezug auf die erste radiale Linie und der zweite Drallwinkel in Bezug auf die zweite radiale Linie unterschiedlich.

[0017] Der erste Drallwinkel kann vorzugsweise zwischen etwa 40 Grad und 60 Grad betragen, und der zweite Drallwinkel kann vorzugsweise zwischen etwa –40 Grad und etwa 40 Grad betragen.

[0018] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffinjektor für eine Brennkammer. Der Brennstoffinjektor enthält einen ringförmigen äusseren Körper mit einem Einlass an einem stromaufwärtigen Ende. Der äussere Körper definiert wenigstens teilweise einen äusseren Strömungskanal. Ein innerer Strömungskanal erstreckt sich wenigstens teilweise durch den äusseren Strömungskanal hindurch. Ein radialer Drallerzeuger ist an dem Einlass des äusseren Körpers des Brennstoffinjektors angeordnet. Der radiale Drallerzeuger enthält eine sich radial erstreckende Kappenplatte, die an einem oberen Abschnitt des radialen Drallerzeugers angeordnet ist. Eine sich radial erstreckende ringförmige Platte ist zwischen dem Einlass des äusseren Körpers und der Kappenplatte angeordnet. Die ringförmige Platte definiert wenigstens teilweise einen inneren Strömungskanal, der sich innerhalb des äusseren Strömungskanals erstreckt. Ein erster radialer Durchgang enthält mehrere erste sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufeln, die sich in Axialrichtung zwischen dem stromaufwärtigen Ende des äusseren Körpers und der ringförmigen Platte erstrecken. Der erste radiale Durchgang steht mit dem äusseren Strömungskanal des äusseren Körpers in Strömungsverbindung. Ein zweiter radialer Durchgang enthält mehrere zweite sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufeln, die sich in Axialrichtung zwischen der ringförmigen Platte und der Kappenplatte erstrecken. Der zweite radiale Durchgang steht mit dem inneren Strömungskanal in Strömungsverbindung.

[0019] Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Brennstoffinjektors gemäss dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere der folgenden enthalten:

[0020] Der Brennstoff(injektor) kann ferner eine Flüssigbrennstoffplenumkammer aufweisen, die sich durch die Kappenplatte erstreckt, wobei die Flüssigbrennstoffplenumkammer mit wenigstens entweder dem zweiten radialen Durchgang und/oder dem inneren Strömungskanal in Strömungsverbindung steht.

[0021] Dann kann der Brennstoffinjektor vorzugsweise ferner einen axialen Strömungspfad aufweisen, der sich wenigstens teilweise durch die Flüssigbrennstoffplenumkammer hindurch und in wenigstens entweder den zweiten radialen Durchgang oder den inneren Strömungskanal hinein erstreckt.

[0022] In jeder vorstehend erwähnten Ausführungsform kann der Brennstoffinjektor ferner einen Brennstoffkreislauf aufweisen, der sich wenigstens teilweise durch den äusseren Körper erstreckt, wobei wenigstens eine der sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln oder wenigstens eine der sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln einen Brennstoffinjektionsanschluss enthält, wobei der Brennstoffinjektionsanschluss mit dem Brennstoffkreislauf in Strömungsverbindung steht.

[0023] In jeder vorstehend erwähnten Ausführungsform kann der Brennstoffinjektor ferner einen ringförmigen inneren Körper aufweisen, der ferner den inneren Strömungskanal definiert, wobei sich der innere Körper stromabwärts von der ringförmigen Platte erstreckt.

[0024] Jede sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufel der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln enthält vorzugsweise eine Vorderkante und eine Hinterkante, wobei die Hinterkante unter einem ersten Drallwinkel in Bezug auf eine erste radiale Linie angeordnet ist, die sich zwischen der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors und der Vorderkante erstreckt.

[0025] Ausserdem enthält jede sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufel der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln vorzugsweise eine Vorderkante und eine Hinterkante, wobei die Hinterkante unter einem zweiten Drallwinkel in Bezug auf eine zweite radiale Linie angeordnet ist, die sich zwischen der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors und der Vorderkante erstreckt, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform der erste Drallwinkel in Bezug auf die erste radiale Linie und der zweite Drallwinkel in Bezug auf die zweite radiale Linie unterschiedlich sind.

[0026] Die vorliegende Erfindung kann ferner eine Gasturbine mit einem Verdichter, einer Brennkammer stromabwärts von dem Verdichter und einer Turbine stromabwärts von der Brennkammer enthalten. Die Brennkammer enthält allgemein einen Brennraum, einen Einsatz, der wenigstens einen Teil des Brennraums längs des Umfangs umgibt, mehrere Brennstoffdüsen, die radial über der Brennkammer stromaufwärts von dem Brennraum angeordnet sind, und einen Brennstoffinjektor, der sich wenigstens teilweise durch den Einsatz hindurch stromabwärts von den mehreren Brennstoffdüsen erstreckt. Der Brennstoffinjektor weist einen ringförmigen äusseren Körper mit einem Einlass und einem äusseren Strömungskanal auf. Ein innerer Strömungskanal erstreckt sich wenigstens teilweise durch den äusseren Strömungskanal hindurch. Ein radialer Drallerzeuger ist an dem Einlass des äusseren Körpers angeordnet. Der radiale Drallerzeuger enthält einen ersten radialen Durchgang, der mehrere erste Drallerzeugerschaufeln aufweist, und einen zweiten radialen Durchgang, der mehrere zweite Drallerzeugerschaufeln enthält. Der erste radiale Durchgang steht mit dem äusseren Strömungskanal in Strömungsverbindung, und der zweite radiale Durchgang steht mit dem inneren Strömungskanal in Strömungsverbindung.

[0027] Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Gasturbine gemäss der vorliegenden Erfindung können diejenigen des Brennstoffinjektors gemäss dem ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthalten und enthalten insbesondere eine oder mehrere der folgenden:

[0028] Jede sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufel der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln enthält vorzugsweise eine Vorderkante und eine Hinterkante, wobei die Hinterkante unter einem ersten Drallwinkel in Bezug auf eine erste radiale Linie angeordnet ist, die sich zwischen der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors und der Vorderkante erstreckt.

[0029] Ferner enthält jede sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufel der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln vorzugsweise eine Vorderkante und eine Hinterkante, wobei die Hinterkante unter einem zweiten Drallwinkel in Bezug auf eine zweite radiale Linie angeordnet ist, die sich zwischen der axialen Mittelinie des Brennstoffinjektors und der Vorderkante erstreckt, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform der erste Drallwinkel in Bezug auf die erste radiale Linie und der zweite Drallwinkel in Bezug auf die zweite radiale Linie unterschiedlich sind.

[0030] Der Brennstoffinjektor kann ferner einen Brennstoffkreislauf, der sich wenigstens teilweise durch den äusseren Körper hindurch erstreckt, und wenigstens einen Brennstoffinjektionsanschluss aufweisen, der sich durch wenigstens eine der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln oder der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln erstreckt, wobei der Brennstoffinjektionsanschluss mit dem Brennstoffkreislauf in Strömungsverbindung steht.

[0031] Fachleute auf dem Gebiet werden die Merkmale und Aspekte derartiger Ausführungsformen und anderer bei einer Durchsicht der Beschreibung besser erkennen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0032] Eine vollständige und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschliesslich der besten Ausführungsart, für einen Fachmann ist in grösseren Einzelheiten in dem Rest der Beschreibung dargelegt, die eine Bezugnahme auf die beigefügten Figuren enthält, in denen zeigen:

[0033] Fig. 1 ein Funktionsblockschaltbild einer beispielhaften Gasturbine innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung;

[0034] Fig. 2 eine vereinfachte quergeschnittene Seitenansicht einer beispielhaften Brennkammer gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

[0035] Fig. 3 eine Perspektivansicht eines Brennstoffinjektors gemäss wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

[0036] Fig. 4 eine vergrösserte quergeschnittene Seitenansicht des Brennstoffinjektors, wie in Fig. 3 veranschaulicht;

[0037] Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Querschnitt des Brennstoffinjektors, aufgenommen entlang der Schnittlinie 5–5, wie in Fig. 3 veranschaulicht;

[0038] Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Querschnitt des Brennstoffinjektors, aufgenommen entlang der Schnittlinie 6–6, wie in Fig. 3 veranschaulicht; und

[0039] Fig. 7 eine quergeschnittene Seitenansicht des Brennstoffinjektors, wie in Fig. 3 veranschaulicht, gemäss wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0040] Es wird nun im Einzelnen auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Bezeichnungen in Form von Zahlen und Buchstaben, um auf Merkmale in den Zeichnungen zu verweisen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung zu bezeichnen. Wie hierin verwendet, können die Ausdrücke «erste», «zweite» und «dritte» austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden, und sie sollen nicht irgendeine Lage oder Wichtigkeit der einzelnen Komponenten angeben. Die Ausdrücke «stromaufwärts», «stromabwärts», «radial» und «axial» beziehen sich auf die relative Richtung in Bezug auf die Fluidströmung in einem Fluidpfad. Zum Beispiel bezieht sich «stromaufwärts» auf die Richtung, von der das Fluid strömt, während sich «stromabwärts» auf die Richtung bezieht, in die das Fluid strömt. Ähnlich bezeichnet «radial» die relative Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Fluidströmung ausgerichtet ist, während «axial» die relative Richtung im Wesentlichen parallel zu der Fluidströmung bezeichnet.

[0041] Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sein, dass Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang oder Rahmen von dieser abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfassen soll, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen. Obwohl beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allgemein in dem Zusammenhang mit einem Brennstoffinjektor für eine Brennkammer beschrieben sind, die für die Zwecke der Veranschaulichung in einer Gasturbine integriert ist, wird ein Fachmann auf dem Gebiet ohne weiteres erkennen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf eine beliebige Brennkammer, die in einer beliebigen Turbomaschine enthalten ist, angewandt werden können und nicht auf eine Gasturbinenbrennkammer beschränkt sind, sofern dies nicht in den Ansprüchen speziell angegeben ist.

[0042] Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen identische Bezugszeichen die gleichen Elemente überall in den Figuren bezeichnen, zeigt Fig. 1 ein Funktionsblockschaltbild einer beispielhaften Gasturbine 10, die verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten kann. Wie veranschaulicht, enthält die Gasturbine 10 allgemein einen Einlassabschnitt 12, der eine Reihe von Filtern, Kühlschlangen, Flüssigkeitsabscheidern und/oder andere Vorrichtungen zur Reinigung oder sonstigen Aufbereitung eines Arbeitsfluids (z.B. Luft) 14, das in die Gasturbine 10 eintritt, enthalten kann. Das Arbeitsfluid 14 strömt zu einem Verdichterabschnitt, in dem ein Verdichter 16 dem Arbeitsfluid 14 zunehmen kinetische Energie verleiht, um ein verdichtetes Arbeitsfluid 18 in einem stark energiereichen Zustand zu erzeugen. Das verdichtete Arbeitsfluid 18 strömt zu einem Verbrennungsabschnitt, in dem eine oder mehrere Brennkammern 20 einen Brennstoff 22 aus einer Brennstoffversorgung 23 mit dem verdichteten Arbeitsfluid 18 zünden, um Verbrennungsgase 24 zu erzeugen, die eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisen. Die Verbrennungsgase 24 strömen durch einen Turbinenabschnitt hindurch, der eine Turbine 26 aufweist, um Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel kann die Turbine 26 mit einer Welle 28 verbunden sein, so dass eine Drehung der Turbine 26 den Verdichter 16 antreibt, um das verdichtete Arbeitsfluid 18 zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Welle 28 die Turbine 26 mit einem Generator 30 verbinden, um Elektrizität zu erzeugen. Abgase 32 aus der Turbine 26 strömen durch einen Auslassabschnitt 34 hindurch, der die Turbine 26 mit einem Abgaskamin 36 stromabwärts von der Turbine 26 verbinden kann. Der Auslassabschnitt 34 kann z.B. einen (nicht veranschaulichten) Abhitzedampferzeuger zur Reinigung und Extraktion zusätzlicher Wärme aus den Abgasen 32 vor deren Freisetzung in die Umgebung enthalten kann.

[0043] Die Brennkammern 20 können Brennkammern von beliebiger Bauart sein, wie sie in der Technik bekannt sind, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine bestimmte Brennkammerkonstruktion beschränkt, sofern diese nicht in den Ansprüchen speziell angegeben ist. Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Längsschnittsansicht einer beispielhaften Brennkammer 20 gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 2 veranschaulicht, können ein Gehäuse 40 und eine Endabdeckung 42 kombiniert sein, um das verdichtete Arbeitsfluid 18, das zu der Brennkammer 20 strömt, aufzunehmen. Eine Kappenanordnung 44 kann sich radial über wenigstens einen Abschnitt der Brennkammer 20 erstrecken, und eine oder mehrere sich axial erstreckende Brennstoffdüsen 46 können an der Kappenanordnung 44 radial angeordnet sein, um den Brennstoff 22 zu einem Brennraum 48 stromabwärts von der Kappenanordnung 44 zu liefern. Ein Einsatz 50 kann wenigstens einen Abschnitt des Brennraums 48 längs des Umfangs umgeben, und ein Übergangskanal 52 stromabwärts von dem Einsatz 50 kann den Brennraum 48 mit dem Einlass der Turbine 26 verbinden. Eine Prallhülse 54 mit Strömungslöchern 56 kann den Übergangskanal 52 längs des Umfangs umgeben, und eine Strömungshülse 58 kann den Einsatz 50 längs des Umfangs umgeben. Auf diese Weise kann das verdichtete Arbeitsfluid 18 durch die Strömungslöcher 56 in der Prallhülse 54 hindurchtreten, um durch einen ringförmigen Durchgang 60 an der Aussenseite des Übergangskanals 52 und des Einsatzes 50 zu strömen, um eine Konvektionskühlung an dem Übergangskanal 52 und dem Einsatz 50 zu erzielen. Wenn das verdichtete Arbeitsfluid 18 die Endabdeckung 42 erreicht, kehrt das verdichtete Arbeitsfluid 18 seine Richtung um, um durch die Brennstoffdüsen 46 und die Kappenanordnung 44 hindurch in den Brennraum 48 hinein zu strömen.

[0044] Die Brennkammer 20 kann ferner einen oder mehrere Brennstoffinjektoren 62 stromabwärts von den Brennstoffdüsen 46 enthalten, die eine späte magere Injektion von Brennstoff 22 und verdichtetem Arbeitsfluid 18 für eine Verbrennung erzielen können. Fig. 3 zeigt eine Perspektivansicht des Brennstoffinjektors 62, wie in Fig. 2 veranschaulicht, gemäss wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 4 zeigt eine vergrösserte quer geschnittene Seitenansicht des in Fig. 3 veranschaulichten Brennstoffinjektors 62. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, enthält der Brennstoffinjektor 62 allgemein einen äusseren Körper 64, der ein stromaufwärtiges Ende 66 aufweist, das von einem stromabwärtigen Ende 68 in Bezug auf eine axiale Mittellinie des Brennstoffinjektor 62 axial getrennt ist.

[0045] Ein Einlass 70 erstreckt sich durch das stromaufwärtige Ende 66 des äusseren Körpers 64 hindurch. Ein radialer Drallerzeuger 72 ist an dem stromaufwärtigen Ende 66 des äusseren Körpers 64 angeordnet. Der radiale Drallerzeuger 72 enthält einen ersten radialen Durchgang 74, der sich wenigstens teilweise in Umfangsrichtung um den Einlass 70 des äusseren Körpers 64 erstreckt, und einen zweiten radialen Durchgang 76, der sich axial aussen von dem ersten radialen Durchgang 74 in Bezug auf die axiale Mittellinie des Brennstoffinjektors 62 erstreckt. Der erste radiale Durchgang 74 enthält mehrere erste sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufeln 78, die axial durch den ersten radialen Durchgang 74 in Bezug auf die axiale Mittellinie des Brennstoffinjektors 62 ragen. Die sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 78 sind in einer ringförmigen Anordnung angeordnet, die den Einlass 70 des äusseren Körpers 64 wenigstens teilweise umgibt. Der zweite radiale Durchgang 76 enthält mehrere zweite sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufeln 80, die axial durch den zweiten radialen Durchgang 76 in Bezug auf die axiale Mittellinie des Brennstoffinjektors 62 ragen. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, enthalten wenigstens einige der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 78 einen oder mehrere Brennstoffinjektionsanschlüsse 82. Ausserdem oder alternativ enthalten wenigstens einige der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 80 einen oder mehrere Brennstoffinjektionsanschlüsse 84.

[0046] In bestimmten Ausführungsformen ist eine Kappenplatte 86 axial aussen von dem stromaufwärtigen Ende 66 des äusseren Körpers 64 angeordnet. Die Kappenplatte 86 erstreckt sich radial über den zweiten radialen Durchgang 76 des radialen Drallerzeugers 72. Eine sich radial erstreckende ringförmige Platte 88 ist zwischen dem ersten radialen Durchgang 74 und dem zweiten radialen Durchgang 76 angeordnet. Die ringförmige Platte 88 kann den ersten radialen Durchgang 74 von dem zweiten radialen Durchgang 76 wenigstens teilweise trennen.

[0047] In bestimmten Ausführungsformen, wie in Fig. 4 veranschaulicht, definiert der äussere Körper 64 wenigstens teilweise einen Brennstoffkreislauf 90, der sich wenigstens teilweise durch den äusseren Körper 64 des Brennstoffinjektors 62 hindurch erstreckt. Der Brennstoffkreislauf 90 kann mit der Brennstoffversorgung 23 über eine Reihe von Fluidleitungen in Strömungsverbindung stehen, die sich innerhalb des Gehäuses 40 und/oder durch das Gehäuse 40 des Verbrennungsabschnitts erstrecken, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Der Brennstoffkreislauf 90 kann konfiguriert sein, um einen gasförmigen Brennstoff und/oder einen flüssigen Brennstoff zu leiten. In verschiedenen Ausführungsformen, wie in Fig. 4 veranschaulicht, ist ein Brennstoffkanal 92 zwischen dem Brennstoffkreislauf 90 und den Brennstoffinjektionsanschlüssen 82, 84 der mehreren ersten und/oder der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 78, 80 definiert.

[0048] Wie ferner in Fig. 4 veranschaulicht, definiert der äussere Körper 64 wenigstens teilweise einen äusseren Strömungskanal 94, der sich durch den äusseren Körper 64 erstreckt. Der erste radiale Durchgang 74 steht mit dem äusseren Strömungskanal 94 in Strömungsverbindung. Ein innerer Strömungskanal 96 erstreckt sich von dem zweiten radialen Durchgang 76 aus durch den ersten radialen Durchgang 74 und wenigstens teilweise durch den äusseren Strömungskanal 94 hindurch. Der innere Strömungskanal 96 ist wenigstens teilweise durch einen inneren Körper 98 definiert, der einen Auslass 99 an einem stromabwärtigen Ende aufweist. Der innere Körper 98 erstreckt sich stromabwärts von dem zweiten radialen Durchgang 76. In bestimmten Ausführungsformen definiert die ringförmige Platte 88 wenigstens teilweise einen Einlass 100 zu dem inneren Strömungskanal 96. Der Einlass 100 kann konisch gestaltet sein, um das verdichtete Arbeitsfluid 18 und/oder Brennstoff aus dem zweiten radialen Durchgang 76 in den inneren Strömungskanal 96 hinein zu leiten. In weiteren Ausführungsformen definiert die ringförmige Platte 88 wenigstens teilweise den inneren Strömungskanal 96. Wie veranschaulicht, erstreckt sich der äussere Körper 64 des Brennstoffinjektors 62 wenigstens teilweise durch den Einsatz 50 und/oder die Strömungshülse 58, um einen Strömungspfad in den Brennraum 48 hinein und/oder in den Einsatz 50 hinein stromabwärts von dem Brennraum zu definieren.

[0049] Fig. 5 zeigt eine quergeschnittene Draufsicht auf den ersten radialen Durchgang 74 des Brennstoffinjektors 62, wie in Fig. 3 veranschaulicht, aufgenommen entlang der Schnittlinie 5–5, und Fig. 6 zeigt eine quergeschnittene Draufsicht auf den zweiten radialen Durchgang 76 des Brennstoffinjektors 62, wie in Fig. 2 veranschaulicht, aufgenommen entlang der Schnittlinie 6–6. Wie in Fig. 5 veranschaulicht, enthält jede sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufel 78 der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 78, die in dem ersten radialen Durchgang 74 angeordnet sind, eine Vorderkante oder einen radial äusseren Punkt 102 und eine Hinterkante 104. Die Hinterkante 104 ist unter einem ersten Drallwinkel 106 in Bezug auf eine Linie 108 angeordnet, die sich in Radialrichtung zwischen der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors 62 und der Vorderkante 102 der Drallerzeugerschaufel 78 durch eine Ebene erstreckt, die zu der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors 62 senkrecht verläuft. Ein erster Drallwinkel 106, der grösser als 0 Grad ist, wie in Fig. 5 veranschaulicht, entspricht einer ersten Drehrichtung 110, beispielsweise einer Richtung im Gegenuhrzeigersinn, in Bezug auf die axiale Mittellinie des Brennstoffinjektors 62. Ein erster Drallwinkel 106, wie durch Strichlinien 111 veranschaulicht, der kleiner ist als 0 Grad, entspricht einer zweiten Drehrichtung 112, beispielsweise einer Richtung im Uhrzeigersinn, in Bezug auf die axiale Mittellinie des Brennstoffinjektors 62.

[0050] Wie in Fig. 6 veranschaulicht, enthält jede sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufel 80 der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 80, die in dem zweiten radial Durchgang 76 angeordnet sind, eine Vorderkante oder einen radial äusseren Punkt 114 und eine Hinterkante 116. Die Hinterkante 116 ist unter einem zweiten Drallwinkel 118 in Bezug auf eine Linie 120 angeordnet, die sich in Radialrichtung zwischen der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors 62 und der Vorderkante 114 der Drallerzeugerschaufel 80 durch eine Ebene erstreckt, die zu der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors 62 senkrecht verläuft. Ein zweiter Drallwinkel 118, der grösser ist als 0 Grad, wie durch Strichlinien 122 veranschaulicht, entspricht der ersten Drehrichtung 110, beispielsweise einem Gegenuhrzeigersinn, in Bezug auf die axiale Mittellinie des Brennstoffinjektors 62. Ein zweiter Drallwinkel 118, der kleiner ist als 0 Grad, wie in Fig. 6 veranschaulicht, entspricht der zweiten Drehrichtung 112, beispielsweise einem Uhrzeigersinn, in Bezug auf die axiale Mittellinie des Brennstoffinjektors 62.

[0051] In bestimmten Ausführungsformen beträgt der erste Drallwinkel 106 zwischen etwa 40 Grad und etwa 60 Grad. In bestimmten Ausführungsformen beträgt der zweite Drallwinkel 118 zwischen etwa –40 Grad und etwa 40 Grad. In bestimmten Ausführungsformen erzeugen der erste Drallwinkel 106 und der zweite Drallwinkel 118 einen gleichsinnigen Drall oder eine gleichsinnige Drehung in der gleichen Richtung innerhalb des ersten radialen Durchgangs 74 bzw. des zweiten radialen Durchgangs 76. Zum Beispiel dann, wenn der erste Drallwinkel 106 und der zweite Drallwinkel 118 beide grösser als oder kleiner als 0 Grad sind. In anderen Ausführungsformen erzeugen der erste Drallwinkel 106 und der zweite Drallwinkel 118 einen gegensinnigen Drall oder eine gegensinnige Drehung in entgegengesetzte Drehrichtungen innerhalb des ersten radialen Durchgangs 74 bzw. des zweiten radialen Durchgangs 76.

[0052] Im Betrieb wird, wie in den Fig. 3 bis 6 veranschaulicht, ein erster Anteil des verdichteten Arbeitsfluids 18 aus dem Verdichter in den ersten radialen Durchgang 74 des Brennstoffinjektors 62 geleitet. Der Brennstoff 22 wird durch die Brennstoffinjektionsanschlüsse 82 der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 78 injiziert. Die mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 88 verleihen dem ersten Anteil des verdichteten Arbeitsfluids 18 und/oder dem Brennstoff 22 einen radialen Drall unter einem ersten Drallwinkel 106. Der erste Anteil des verdichteten Arbeitsfluids 18 und der Brennstoff 22 werden in dem ersten radialen Strömungsdurchgang 74 und/oder dem äusseren Strömungskanal 94 miteinander vermischt, während die Kombination in Richtung auf den Auslass 68 des äusseren Körpers 64 strömt. Gleichzeitig wird ein zweiter Anteil des verdichteten Arbeitsfluids 18 in den zweiten radialen Durchgang 76 des Brennstoffinjektors 62 geleitet. Der Brennstoff 22 wird durch die Brennstoffinjektionsanschlüsse 84 der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 80 injiziert. Die mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 80 verleihen dem zweiten Anteil des verdichteten Arbeitsfluids 18 und/oder dem Brennstoff 22 einen radialen Drall unter einem zweiten Drallwinkel 118, der im Allgemeinen kleiner ist als der erste Drallwinkel 106 der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln 78. Der zweite Anteil des verdichteten Arbeitsfluids 18 und der Brennstoff 22 werden in dem inneren Strömungskanal 96 miteinander vermischt, während die Kombination in Richtung auf den Auslass 99 des inneren Körpers 98 strömt. Durch Vorsehen eines ersten und eines unterschiedlichen zweiten Drallwinkels 106, 118 und/oder unterschiedlicher Durchflussraten durch den ersten und den zweiten radialen Durchgang 74, 76 wird eine Vorvermischung des Brennstoffs 22 mit dem verdichteten Arbeitsfluid 18, das von dem Brennstoffinjektor 62 in den Brennraum 48 strömt, verstärkt, wodurch das Gemisch mit einer wirbelnden Brennstoffströmung und einem verdichtetem Arbeitsfluid, das von den axial sich erstreckenden Brennstoffdüsen in den Brennraum einströmt, verbessert wird. Infolgedessen wird die Spitzenflammentemperatur innerhalb der Brennkammer reduziert, was somit die NOx-Erzeugung vermindert. Ausserdem kann der radiale Drall innerhalb des inneren Strömungskanals kleiner sein als der radiale Drall innerhalb des äusseren Strömungskanals, wodurch die Erzeugung einer Rezirkulationszone im Inneren des Brennstoffinjektors verhindert wird.

[0053] Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht des Brennstoffinjektors 62, wie in Fig. 2 veranschaulicht, gemäss wenigstens einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 7 veranschaulicht, kann der Brennstoffinjektor 62 ferner eine Flüssigbrennstoffplenumkammer 124 enthalten. Eine oder mehrere Brennstoffinjektionsanschlüsse 126 sorgen für eine Fluidübertragungsverbindung zwischen der Flüssigbrennstoffplenumkammer 124 und dem zweiten radialen Durchgang 76 und/oder dem inneren Strömungskanal 96. Wie veranschaulicht, kann die Flüssigbrennstoffplenumkammer 124 mit der Kappenplatte 86 des Brennstoffinjektors 62 gekoppelt sein. Die Flüssigbrennstoffplenumkammer 124 kann wenigstens teilweise einen axialen Strömungspfad 126 definieren, der sich wenigstens teilweise durch die Flüssigbrennstoffplenumkammer 124 hindurch und in wenigstens entweder den zweiten radialen Strömungsdurchgang 76 und/oder den inneren Strömungskanal 96 hinein erstreckt.

[0054] In der in Fig. 7 veranschaulichten Ausführungsform strömt das verdichtete Arbeitsfluid 18 in den zweiten radialen Durchgang 76 hinein, in dem die mehreren zweiten Drallerzeugerschaufeln 80 dem verdichteten Arbeitsfluid 18 entweder in der ersten oder in der zweiten Drehrichtung 110, 112 einen radialen Drall verleihen. Ein flüssiger Brennstoff 128 wird zerstäubt, während er von der Flüssigbrennstoffplenumkammer 124 aus in den zweiten radialen Durchgang 76 hinein und/oder in den inneren Strömungskanal 96 hinein injiziert wird. Das radial wirbelnde verdichtete Arbeitsfluid 18 vermischt sich mit einem ersten Anteil 130 des flüssigen Brennstoffs 128 vor, während das Gemisch durch den inneren Strömungskanal 96 hindurch in Richtung auf ein Auslass 132 des inneren Körpers 98 strömt. Ein zweiter Anteil 134 des flüssigen Brennstoffs 128, der grössere Tröpfchen des flüssigen Brennstoffs als der erste Anteil 130 aufweist, kann zu dem inneren Körper 98 geschleudert werden. Der zweite Anteil 134 des flüssigen Brennstoffs 138 wird durch die wirbelnde Bewegung des Gemisches aus dem verdichteten Arbeitsfluid 18 und dem flüssigen Brennstoff 128, während dieses axial nach aussen aus dem inneren Strömungskanal 96 strömt, durch den inneren Körper 98 gedrückt. Wenn der zweite Anteil 134 des flüssigen Brennstoffs 128 über eine Kante 136 des Auslasses 132 des inneren Körpers 98 strömt, sprengt der Luftstrom des wirbelnden verdichteten Arbeitsfluids 18 oder zerstäubt ferner das wirbelnde verdichtete Arbeitsfluid 18, das durch den äusseren Strömungskanal 94 strömt, den zweiten Anteil 194 des flüssigen Brennstoffs 128, wodurch eine Vermischung zwischen dem flüssigen Brennstoff 128 und dem verdichteten Arbeitsfluid 18 innerhalb des Brennstoffinjektors 92 verbessert wird, bevor das Gemisch in den Brennraum 48 und/oder durch den Einsatz 50 hindurch stromabwärts von dem Brennraum 48 eingeleitet wird.

[0055] Die Erfindung, wie sie hierin offenbart und in den Fig. 2 bis 7 veranschaulicht ist, ergibt verschiedene technologische Vorteile und/oder Verbesserungen gegenüber existierenden Brennstoffinjektoren und Brennkammern. Die Erfindung erhält einen hohen Drallwinkel und eine sinnvolle axiale Geschwindigkeit innerhalb des äusseren Strömungskanals aufrecht, um eine Vermischung im Inneren des Drallerzeugers zu verstärken und um die Vermischung des Brennstoffs mit der Luft, die von dem Brennstoffinjektor aus strömen, mit Brennstoff und Luft, die dem Brennraum von den sich axial erstreckenden Brennstoffdüsen zugeführt werden, zu verstärken, was die Spitzenflammentemperatur reduziert und somit die Erzeugung unerwünschter Emissionen, wie beispielsweise von Stickoxiden oder NOx, reduziert. Ausserdem verhindert der reduzierte Drall von dem inneren Drallerzeuger die Bildung einer Rezirkulationszone im Inneren des Drallerzeugers, was die thermische Belastung des Brennstoffinjektors reduziert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Profil des Brennstoff-Luft-Verhältnisses oder Brennstoffvolumens dividiert durch das Luftvolumen an dem Brennstoffinjektorausgang derart kontrolliert werden kann, dass das NOx-Verhalten optimiert werden kann. Im Ergebnis können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erweiterte Brennkammerbetriebsbedingungen ermöglichen, die Lebensdauer und/oder die Instandhaltungsintervalle für verschiedene Brennkammerkomponenten verlängern, passende Auslegungsgrenzen für Flammenhalten einhalten und/oder unerwünschte Emissionen reduzieren.

[0056] Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschliesslich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.

[0057] Ein Brennstoffinjektor für eine Brennkammer enthält allgemein einen ringförmigen äusseren Körper, der einen Einlass und einen Auslass aufweist. Der äussere Körper definiert wenigstens teilweise einen äusseren Strömungskanal. Ein innerer Strömungskanal erstreckt sich wenigstens teilweise durch den äusseren Strömungskanal hindurch, und ein radialer Drallerzeuger ist an dem Einlass des äusseren Körpers angeordnet. Der radiale Drallerzeuger enthält einen ersten radialen Durchgang, der von einem zweiten radialen Durchgang getrennt ist. Der erste radiale Durchgang weist mehrere erste Drallerzeugerschaufeln auf, und der zweite radiale Durchgang weist mehrere zweite Drallerzeugerschaufeln auf. Der erste radiale Durchgang steht mit dem äusseren Strömungskanal in Strömungsverbindung, und der zweite radiale Durchgang steht mit dem inneren Strömungskanal in Strömungsverbindung.

Bezugszeichenliste

[0058] <tb>10<SEP>Gasturbine <tb>12<SEP>Einlassabschnitt <tb>14<SEP>Arbeitsfluid <tb>16<SEP>Verdichter <tb>18<SEP>verdichtetes Arbeitsfluid <tb>20<SEP>Brennkammern <tb>22<SEP>Brennstoff <tb>23<SEP>Brennstoffversorgung <tb>24<SEP>Verbrennungsgase <tb>26<SEP>Turbine <tb>28<SEP>Welle <tb>30<SEP>Generator/Motor <tb>32<SEP>Abgase <tb>34<SEP>Auslassabschnitt <tb>36<SEP>Abgaskamin <tb>38<SEP>nicht verwendet <tb>40<SEP>Gehäuse <tb>42<SEP>Endabdeckung <tb>44<SEP>Kappenanordnung <tb>46<SEP>sich axial erstreckende Brennstoffdüsen <tb>48<SEP>Brennraum <tb>50<SEP>Einsatz <tb>52<SEP>Übergangskanal <tb>54<SEP>Prallhülse <tb>56<SEP>Strömungslocher <tb>58<SEP>Strömungshülse <tb>60<SEP>kreisringförmiger Kanal <tb>62<SEP>Brennstoffinjektoren <tb>64<SEP>äusserer Körper <tb>66<SEP>stromaufwärtiges Ende <tb>68<SEP>stromabwärtiges Ende <tb>70<SEP>Einlass <tb>72<SEP>radialer Drallerzeuger <tb>74<SEP>erster radialer Durchgang <tb>76<SEP>zweiter radialer Durchgang <tb>78<SEP>Drallerzeugerschaufeln <tb>80<SEP>Drallerzeugerschaufeln <tb>82<SEP>Brennstoffinjektionsanschlüsse <tb>84<SEP>Brennstoffinjektionsanschlüsse <tb>86<SEP>Kappenplatte <tb>88<SEP>ringförmige Platte <tb>90<SEP>Brennstoffkreislauf <tb>92<SEP>Brennstoffkanal <tb>94<SEP>äusserer Strömungskanal <tb>96<SEP>innerer Strömungskanal <tb>98<SEP>innerer Körper <tb>99<SEP>Auslass <tb>100<SEP>Einlass <tb>102<SEP>Vorderkante <tb>104<SEP>Hinterkante <tb>106<SEP>erster Drallwinkel <tb>108<SEP>radiale Linie <tb>110<SEP>erste Drehrichtung

Claims

1. Brennstoffinjektor für eine Brennkammer, wobei der Brennstoffinjektor aufweist: a. einen ringförmigen äusseren Körper, der einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der äussere Körper wenigstens teilweise einen äusseren Strömungskanal definiert; b. einen inneren Strömungskanal, der sich wenigstens teilweise durch den äusseren Strömungskanal erstreckt; und c. einen radialen Drallerzeuger, der an dem Einlass des äusseren Körpers angeordnet ist, wobei der radiale Drallerzeuger einen ersten radialen Durchgang aufweist, der von einem zweiten radialen Durchgang getrennt ist, wobei der erste radiale Durchgang mehrere erste Drallerzeugerschaufeln aufweist und der zweite radiale Durchgang mehrere zweite Drallerzeugerschaufeln aufweist, der erste radiale Durchgang mit dem äusseren Strömungskanal in Strömungsverbindung steht und der zweite radiale Durchgang mit dem inneren Strömungskanal in Strömungsverbindung steht.

2. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, der ferner einen Brennstoffkreislauf aufweist, der sich wenigstens teilweise durch den äusseren Körper hindurch erstreckt.

3. Brennstoffinjektor nach Anspruch 2, wobei wenigstens eine der sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln der mehreren ersten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln oder der mehreren zweiten sich radial erstreckenden Drallerzeugerschaufeln einen Brennstoffinjektionsanschluss enthält, wobei der Brennstoffinjektionsanschluss mit dem Brennstoffkreislauf in Strömungsverbindung steht.

4. Brennstoffinjektor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine sich radial erstreckende ringförmige Platte aufweist, die zwischen den mehreren ersten Drallerzeugerschaufeln und den mehreren zweiten Drallerzeugerschaufeln angeordnet ist, wobei die Platte einen Einlass zu dem inneren Strömungskanal wenigstens teilweise definiert.

5. Brennstoffinjektor nach Anspruch 4, der ferner einen inneren Körper aufweist, der sich stromabwärts von dem Einlass der ringförmigen Platte erstreckt.

6. Brennstoffinjektor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Drallerzeugerschaufel der mehreren ersten Drallerzeugerschaufeln eine Vorderkante und eine Hinterkante enthält, wobei die Hinterkante unter einem ersten Drallwinkel in Bezug auf eine erste radiale Linie angeordnet ist, die sich zwischen der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors und der Vorderkante erstreckt.

7. Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, wobei jede Drallerzeugerschaufel der mehreren zweiten Drallerzeugerschaufeln eine Vorderkante und eine Hinterkante enthält, wobei die Hinterkante unter einem zweiten Drallwinkel in Bezug auf eine zweite radiale Linie, angeordnet ist, die sich zwischen der axialen Mittellinie des Brennstoffinjektors und der Vorderkante erstreckt, und wobei der erste Drallwinkel in Bezug auf die erste radiale Linie und der zweite Drallwinkel in Bezug auf die zweite radiale Linie vorzugsweise unterschiedlich sind.

8. Brennstoffinjektor für eine Brennkammer, wobei der Brennstoffinjektor aufweist: a. einen ringförmigen äusseren Körper mit einem Einlass an einem stromaufwärtigen Ende, wobei der äussere Körper einen äusseren Strömungskanal wenigstens teilweise definiert; b. einen inneren Strömungskanal, der sich wenigstens teilweise durch den äusseren Strömungskanal des äusseren Körpers hindurch erstreckt; und c. einen radialen Drallerzeuger, der an dem Einlass des äusseren Körpers des Brennstoffinjektors angeordnet ist, wobei der radiale Drallerzeuger aufweist: i. eine sich radial erstreckende Kappenplatte, die an einem oberen Abschnitt des radialen Drallerzeugers angeordnet ist; ii. eine sich radial erstreckende ringförmige Platte, die zwischen dem Einlass des äusseren Körpers und der Kappenplatte angeordnet ist, wobei die ringförmige Platte wenigstens teilweise einen inneren Strömungskanal definiert, der sich innerhalb des äusseren Strömungskanals erstreckt; iii. einen ersten radialen Durchgang, der mehrere erste sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufeln aufweist, die sich axial zwischen dem stromaufwärtigen Ende des äusseren Körpers und der ringförmigen Platte erstrecken, wobei der erste radiale Durchgang mit dem äusseren Strömungskanal des äusseren Körpers in Strömungsverbindung steht; und iv. einen zweiten radialen Durchgang, der mehrere zweite sich radial erstreckende Drallerzeugerschaufeln aufweist, die sich axial zwischen der ringförmigen Platte und der Kappenplatte erstrecken, wobei der zweite radiale Durchgang mit dem inneren Strömungskanal in Strömungsverbindung steht.

9. Brennstoffinjektor nach Anspruch 8, der ferner eine Flüssigbrennstoffplenumkammer aufweist, die sich durch die Kappenplatte erstreckt, wobei die Flüssigbrennstoffplenumkammer mit wenigstens entweder dem zweiten radialen Durchgang und/oder dem inneren Strömungskanal in Strömungsverbindung steht, und der vorzugsweise ferner einen axialen Strömungspfad aufweist, der sich wenigstens teilweise durch die Flüssigbrennstoffplenumkammer hindurch und in wenigstens entweder den zweiten radialen Durchgang und/oder den inneren Strömungskanal hinein erstreckt.

10. Gasturbine, die aufweist: a. ein Verdichter, eine Brennkammer stromabwärts von dem Verdichter und eine Turbine stromabwärts von der Brennkammer, wobei die Brennkammer aufweist: i. einen Brennraum;

ii. einen Einsatz, der wenigstens einen Abschnitt des Brennraums längs des Umfangs umgibt; iii. mehrere Brennstoffdüsen, die radial über der Brennkammer stromaufwärts von dem Brennraum angeordnet sind; und iv. einen Brennstoffinjektor, der sich wenigstens teilweise durch den Einsatz hindurch stromabwärts von den mehreren Brennstoffdüsen erstreckt, wobei der Brennstoffinjektor aufweist: (1) einen ringförmigen äusseren Körper, der einen Einlass und einen äusseren Strömungskanal definiert; (2) einen inneren Strömungskanal, der sich wenigstens teilweise durch den äusseren Strömungskanal erstreckt; und (3) einen radialen Drallerzeuger, der an dem Einlass des äusseren Körpers angeordnet ist, wobei der radiale Drallerzeuger einen ersten radialen Durchgang, der mehrere erste Drallerzeugerschaufeln enthält, und einen zweiten radialen Durchgang aufweist, der mehrere zweite Drallerzeugerschaufeln enthält, wobei der erste radiale Durchgang mit dem äusseren Strömungskanal in Strömungsverbindung steht und der zweite radiale Durchgang mit dem inneren Strömungskanal in Strömungsverbindung steht.