CH708992A2 - Brennstoffinjektor mit Vormisch-Pilotdüse. - Google Patents

Abstract

Eine Einrichtung zum Injizieren von vorgemischtem Brennstoff und Luft durch einen zentralen Grundkörper (44) und in die Verbrennungszone einer Gasturbine enthält eine Brennstoffinjektordüse mit einer Vormisch-Pilotdüse (60), die mehrere Vormischkanäle (61) aufweist, die mit einer Luftzufuhr und einer Brennstoffzufuhr strömungsmässig verbunden sind, die Luft und Brennstoff in den Vormischkanälen (61) vormischt. Die Einrichtung weist entweder eine aktive oder passive Brennstoffeinspeisungssteuerung auf. Brennstoff kann in die Einrichtung entweder herkömmlich oder über einen von hinten her beschickten Kreislauf eingespeist werden, der in die Ölkartusche integriert ist. Brennstoff kann passiv über einen Brennstoffkanal zugeführt sein, der den Dralldüsenbrennstoffsammelraum mit den Vormischkanälen (61) verbindet. In einer Abwandlung kann Brennstoff von der Ölkartusche her in die Vormischkanäle (61) eingespeist werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Gasturbinenmaschine, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff verbrennt, um einen Hochtemperaturgasstrom zu erzeugen, der Turbinenlaufschaufeln antreibt, um eine Welle, die mit den Laufschaufeln verbunden ist, in Drehung zu versetzen, und insbesondere einen Brennstoffinjektor der Maschine, der eine Pilotdüse aufweist, die Brennstoff und Luft vorvermischt, während geringere Stickstoffoxidwerte erzielt werden.

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG

[0002] Gasturbinen werden häufig genutzt, um für zahlreiche Anwendungen Leistung zu erzeugen. Eine herkömmliche Gasturbine umfasst einen Verdichter, eine Brennkammeranordnung und eine Turbine. In einer typischen Gasturbine wird führt der Verdichter der Brennkammer verdichtete Luft zu. Die in die Brennkammer eintretende Luft wird mit Brennstoff vermischt und verbrannt. Heisse Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer entlassen und strömen in die Laufschaufeln der Turbine, um die mit den Laufschaufeln verbundene Welle der Turbine in Drehung zu versetzen. Ein Teil jener mechanischen Energie der rotierenden Welle treibt den Verdichter und/oder sonstige mechanische Systeme an.

[0003] Da gemäss gesetzlichen Bestimmungen die Freigabe von Stickstoffoxiden in die Luft unerwünscht ist, ist angestrebt, deren Erzeugung als Nebenprodukte des Betriebs von Gasturbinen unterhalb zulässiger Pegel zu halten. Die Brennstoff /Luftvermischung beeinflusst sowohl die Pegel von Stickoxiden, die in den heissen Verbrennungsgasen einer Gasturbine entstehen, als auch die Turbinenleistung. Eine Gasturbine kann eine oder mehrere Brennstoffdüsen für die Aufnahme von Luft und Brennstoff verwenden, um die Vermischung von Brennstoff und Luft in der Brennkammeranordnung der Maschine durchzuführen. Die Brennstoffdüsen können in einem Kopfstückabschnitt der Gasturbine angeordnet sein und können dazu eingerichtet sein, einen Luftstrom aufzunehmen, der mit einer Brennstoffeingabe zu vermischen ist. Gewöhnlich kann jede Brennstoffdüse von innen durch einen zentralen Körper getragen sein, der im Innern der Brennstoffdüse angeordnet ist.

[0004] Unterschiedliche Parameter, die den Verbrennungsprozess in der Gasturbine beschreiben, korrelieren mit der Entstehung von Stickstoffoxiden (NOK). Beispielsweise führen höhere Gastemperaturen in der Verbrennungsreaktionszone zur Entstehung höherer Anteile von Stickstoffoxiden. Eine Methode zur Senkung dieser Temperaturen basiert auf einem Vormischen des Brennstoff/Luft-Gemisches und einer Verringerung des Verhältnisses von Brennstoff zu Luft, die verbrannt wird. Mit der Reduzierung des Verhältnisses von Brennstoff zu Luft, die verbrannt wird, verringert sich auch der Anteil an Stickoxiden. Allerdings wird ein Leistungsverlust der Gasturbine in Kauf genommen. Denn da das Verhältnis von Brennstoff zu Luft, die verbrannt wird, verringert ist, besteht eine erhöhte Neigung der Zündflamme des Injektors zu verlöschen, mit der Folge eines instabilen Betriebs der Gasturbine. Sogenannte Magerverlöschen- (LBO)-Ereignisse, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Flammen aufgrund eines zu mageren Luft/Brennstoff-Gemisches (d.h. aufgrund einer unzureichenden Brennstoffmenge) verlöschen, erhöhen Emissionen und verringern den Wirkungsgrad einer Brennkammeranordnung.

[0005] Das US-Patent 6 446 439, das durch diese Bezugnahme für sämtliche Zwecke zur Gänze hier aufgenommen ist, injiziert Brennstoff in einen ringförmigen Durchlasskanal in dem zentralen Grundkörper, wo eine Vermischung mit Luft stattfindet, und das vorgemischte Brennstoff/Luft-Gemisch wird anschliessend verwirbelt und als ein wirbelnder Pilotzündstoff eingespeist. Allerdings lässt sich bei sehr geringen Anteilen von NOx-Emissionen, d.h. unterhalb von 3 ppm, auf diesem Wege keine Verbrennungsstabilität erzielen.

[0006] Es besteht daher ein Bedarf nach Verbrennungsstabilität bei sehr geringen Anteilen von NOx-Emissionen, d.h. unterhalb von 3 ppm. Um sehr niedrige Anteile von NOxEmissionen mit einer gewissen Bandbreite von Fehlerhaftigkeit und Uneinheitlichkeit um die Turbine zu erreichen, ist ein stabiler Betrieb (d.h. eine in weitem Masse verbesserte Vermeidung von LBO) des Brennstoffinjektors erforderlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0007] Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung unterbreitet oder können sich offensichtlich aus der Beschreibung ergeben, oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.

[0008] In dem hier verwendeten Sinne wird ein Brennstoffzufuhrkreislauf, der Brennstoff lediglich in ein Injektionsbauteil, d.h. entweder in die Dralldüse (Verwirbelungsdüse) oder in die Vormisch-Zündeinrichtung, jedoch nicht in beides einspeist, als eine aktive Brennstoffzufuhr erachtet. Ein Brennstoffkreislauf, der Brennstoff in die Dralldüse einspeist und anschliessend Brennstoff in die Vormisch-Pilotdüse einspeist, wird als Brennstoff aktiv der Dralldüse und passiv der Vormisch-Pilotdüse zuführend angesehen. Ein Luftkreislauf, der aktiv mittels eines Ventils oder einer anderen Vorrichtung gesteuert/eingestellt wird, die sich ausserhalb der Komponenten des Brennkammersystems befindet, wird als eine aktive Luftzufuhr einsetzend angesehen. Ein Luftstrom, der durch unveränderliche Öffnungen oder Durchlasskanäle im Innern der Komponenten des Brennkammersystems geregelt/gesteuert wird, wird als eine passive Luftzufuhr angesehen.

[0009] Ein Ausführungsbeispiel des Brennstoffinjektors mit Vormisch-Pilotdüse der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Einrichtung, die dazu dient, vorgemischten Brennstoff und Luft von mehreren Vormischkanälen, die in einer Vormisch-Pilotdüse an dem stromabwärtigen Ende eines zentralen Grundkörpers des Injektors ausgebildet sind, in die Verbrennungszone einer Gasturbine zu injizieren. In die Vormisch-Pilotdüse kann verdichtete Luft von einer aktiven Luftzufuhr oder passive Luft eingespeist werden, die durch Vorhangluftlöcher zugeführt ist, die in einer herkömmlichen Dralldüse ausgebildet sind, die stromaufwärts der Vormisch-Pilotdüse angeordnet ist. Die Vormisch-Pilotdüse kann mit passiver Luft beschickt werden, die stromabwärts einer herkömmlichen Dralldüse und durch die periphere Wand des Brennstoffinjektors von der verdichteten Luft zugeführt ist, die dem Kopfstückvolumen des Brennstoffinjektors zugeführt ist. Der Vormisch-Pilotdüse kann Brennstoff entweder aktiv oder passiv zugeführt werden. Passive Brennstoffeinspeisung kann zugeführt werden, indem ein Brennstoffkanal zwischen dem herkömmlichen Dralldüsenbrennstoff sammelraum durch die Vormisch-Pilotdüsenwand hindurch hinzugefügt wird, und indem dieser Brennstoff in die Vormischkanäle der Vormisch-Pilotdüse injiziert wird. Die Vormisch-Pilotdüse kann herkömmlich oder als Teil eines von hinten her beschickten Kreislaufes, der in die Ölkartusche integriert ist, mit Brennstoff beschickt werden.

[0010] Der zentrale Körper kann eine zentrisch symmetrische axiale Mittellinie aufweisen, und jeder Vormischkanal hat eine Vormischachse, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind, und mindestens einer der Vormischkanäle kann ein abgewinkelter Vormischkanal sein, so dass die Vormischachse des wenigstens einen abgewinkelten Vormischkanals in Bezug auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers unter einem spitzen Winkel angeordnet ist.

[0011] Der spitze Winkel jedes abgewinkelten Vormischkanals jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann eingerichtet und angeordnet sein, um der Strömungsrichtung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das der Auslassöffnung jedes Vormischkanals entströmt, eine radial nach innen gerichtete Komponente in einer Richtung zu verleihen, die auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers zuläuft.

[0012] Die Dralldüse jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann ausserdem mehrere Vorhanglufteinspeisungslöcher definieren, wobei jedes Vorhanglufteinspeisungsloch eingerichtet und angeordnet ist, um eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem primären Luftstromkanal und dem inneren Kanal des zentralen Körpers bereitzustellen.

[0013] Die Einfüllöffnung jedes hohlen Vormischkanals jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann mit dem inneren Kanal des zentralen Körpers strömungsmässig verbunden sein.

[0014] Jeder der mehreren Vormischkanäle jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann durch ein gesondertes Rohr gebildet sein.

[0015] Die Vormisch-Pilotdüse jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann durch einen kompakten Metallgrundkörper gebildet sein, und jeder der mehreren Vormischkanäle ist mittels einer gesonderten Bohrung/Öffnung durch den Metallgrundkörper gebildet.

[0016] Der erste Satz von Vormischkanälen der mehreren Vormischkanäle jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann in einer ersten kreisförmigen Gruppierung angeordnet sein, und ein zweiter Satz von Vormischkanälen der mehreren Vormischkanäle kann in einer zweiten kreisförmigen Gruppierung angeordnet sein, die relativ zu der ersten kreisförmigen Gruppierung von Vormischkanälen radial innen angeordnet ist.

[0017] Der zentrale Körper jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann eine zentrisch symmetrische axiale Mittellinie aufweisen, und jeder Vormischkanal hat eine Vormischachse, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind, und mindestens einer der Vormischkanäle kann ein abgewinkelter Vormischkanal sein, so dass die Vormischachse des wenigstens einen abgewinkelten Vormischkanals in Bezug auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers unter einem spitzen Winkel angeordnet ist.

[0018] Der zentrale Körper jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann eine Brennstoffkartusche enthalten, die einen zentralen Brennstoffkanal definiert, durch den eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Brennstoff in der stromabwärts verlaufenden Richtung strömt.

[0019] Der zentrale Körper jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann eine zentrisch symmetrische axiale Mittellinie aufweisen, und jeder Vormischkanal kann eine Vormischachse aufweisen, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind, und mindestens einer der Vormischkanäle kann ein abgewinkelter Vormischkanal sein, so dass die Vormischachse des wenigstens einen abgewinkelten Vormischkanals in Bezug auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers unter einem spitzen Winkel angeordnet ist.

[0020] Der spitze Winkel jedes abgewinkelten Vormischkanals jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann eingerichtet und angeordnet sein, um der Strömungsrichtung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das der Auslassöffnung jedes Vormischkanals entströmt, eine radial nach innen gerichtete Komponente in einer Richtung zu verleihen, die auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers zuläuft.

[0021] Der Brennstoffinjektor jeder oben erwähnten Bauart kann ausserdem eine innere zylindrische Wand aufweisen, die im Innern des zentralen Körpers angeordnet ist und die einen hohlen Innenraum des zentralen Körpers definiert, durch den eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Luft und/oder Brennstoff in der Lage ist, in der stromabwärts verlaufenden Richtung zu strömen.

[0022] Der zentrale Körper jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann eine zentrisch symmetrische axiale Mittellinie aufweisen, und jeder Vormischkanal kann eine Vormischachse aufweisen, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind, und mindestens einer der Vormischkanäle kann ein abgewinkelter Vormischkanal sein, so dass die Vormischachse des wenigstens einen abgewinkelten Vormischkanals in Bezug auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers unter einem spitzen Winkel angeordnet ist.

[0023] Der spitze Winkel jedes abgewinkelten Vormischkanals jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann eingerichtet und angeordnet sein, um der Strömungsrichtung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das der Auslassöffnung jedes Vormischkanals entströmt, eine radial nach innen gerichtete Komponente in einer Richtung zu verleihen, die auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers zuläuft.

[0024] Der Brennstoffinjektor jeder oben erwähnten Bauart kann ferner mehrere radiale Luftzufuhrrohre aufweisen, wobei sich jedes radiale Luftzufuhrrohr durch die sich axial erstreckende periphere Wand erstrecken kann und strömungsmässig mit mindestens einer der Einfüllöffnungen eines der Vormischkanäle verbunden ist.

[0025] Der Brennstoffzufuhrkanal jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann mindestens einen sich axial erstreckenden Brennstoffkanal beinhalten, wobei der wenigstens eine sich axial erstreckende Brennstoffkanal eingerichtet und angeordnet ist, um sowohl mit dem wenigstens einen Brennstoffkanal der Dralldüse als auch mit dem mindestens einen Vormischkanal strömungsmässig verbunden zu sein.

[0026] Der Brennstoffinjektor jeder oben erwähnten Bauart kann ausserdem eine innere zylindrische Wand aufweisen, die im Innern des zentralen Körpers angeordnet ist und die einen hohlen Innenraum des zentralen Körpers definiert, durch den eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Luft und/oder Brennstoff in der Lage ist, in der stromabwärts verlaufenden Richtung zu strömen.

[0027] Weiter kann der Brennstoffinjektor jeder oben erwähnten Bauart mehrere radiale Luftzufuhrrohre aufweisen, wobei sich jedes radiale Luftzufuhrrohr durch die sich axial erstreckende periphere Wand erstrecken kann und strömungsmässig mit mindestens einer der Einfüllöffnungen eines der Vormischkanäle verbunden ist.

[0028] Der zentrale Körper jedes oben erwähnten Brennstoffinjektors kann eine zentrisch symmetrische axiale Mittellinie aufweisen, und jeder Vormischkanal kann eine Vormischachse aufweisen, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind, und mindestens einer der Vormischkanäle kann ein abgewinkelter Vormischkanal sein, so dass die Vormischachse des wenigstens einen abgewinkelten Vormischkanals in Bezug auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers unter einem spitzen Winkel angeordnet ist.

[0029] In noch einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann Brennstoff von der Ölkartusche in die Pilot-vormischrohre eingespeist werden.

[0030] Dem Fachmann werden die Merkmale und Aspekte solcher und weiterer Ausführungsbeispiele nach dem Lesen der Beschreibung verständlicher.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0031] Eine vollständige und in die Praxis umsetzbare Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die den für den Fachmann besten Modus der Erfindung beinhaltet, ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren spezieller beschrieben: <tb>Fig. 1<SEP>zeigt in einem Blockschaltbild ein Turbinensystem mit Brennstoffdüsen, die mit einer Brennkammeranordnung verbunden sind, gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 2<SEP>zeigt in einer Querschnittsansicht mehrere Abschnitte eines Gasturbinensystems der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 3<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht einer Brennstoffdüse mit Vormisch-Pilotdüse gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 4<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine längs der Schnittlinien 4–4 in Fig. 5 genommene Schnittansicht eines Teils einer Vormisch-Pilotdüse gemäss einem Ausführungsbeispiel der in Fig. 3 gezeigten vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 5<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine längs der Schnittlinien 5–5 in Fig. 4 genommene Schnittansicht einer Vormisch-Pilotdüse gemäss einem Ausführungsbeispiel der in Fig. 3 gezeigten vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 6<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennstoffdüse mit Vormisch-Pilotdüse gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 7<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine längs der Schnittlinien 7–7 in Fig. 6 genommene Schnittansicht einer Vormisch-Pilotdüse gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, oder, längs der Schnittlinien 7–7 in Fig. 8 genommen, eine Vormisch-Pilotdüse gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 8<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine längs der Schnittlinien 8–8 in Fig. 7 genommene Schnittansicht einer Vormisch-Pilotdüse gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 9<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine längs der Schnittlinien 9–9 in Fig. 10 genommene Schnittansicht einer Vormisch-Pilotdüse gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 10<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine längs der Schnittlinien 10–10 in Fig. 9 genommene Schnittansicht einer Vormisch-Pilotdüse gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 11<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht einer Komponente einer Brennstoffdüse mit Vormisch-Pilotdüse gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 12<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht eines Teils einer Brennstoffdüse mit Vormisch-Pilotdüse gemäss noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und genommen entlang der Linien 12–12 in Fig. 10 ; <tb>Fig. 13<SEP>zeigt in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht eines Teils einer Brennstoffdüse mit Vormisch-Pilotdüse gemäss noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 14<SEP>veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer Darstellung eines Teils einer Brennstoffdüse mit einer von hinten her beschickten Vormisch-Pilotdüse gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und <tb>Fig. 15<SEP>veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer Darstellung eines Teils einer Brennstoffdüse mit einer von hinten her beschickten Vormisch-Pilotdüse gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0032] Es wird nun im Einzelnen auf vorliegende Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen, wobei ein oder mehrere der Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet alphanumerische Bezeichnungen, um auf Merkmale in den Figuren Bezug zu nehmen. In den Figuren und in der Beschreibung wurden übereinstimmende oder ähnliche Bezeichnungen verwendet, um auf übereinstimmende oder ähnliche Elemente der Erfindung Bezug zu nehmen.

[0033] Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang oder Gegenstand der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, auf ein anderes Ausführungsbeispiel angewendet werden, um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel hervorzubringen. Die vorliegende Erfindung soll daher solche Modifikationen und Abweichungen abdecken, soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten Formen fallen.

[0034] Es versteht sich, dass die hier erwähnten Bereiche und Grenzen sämtliche Bereiche beinhalten, die in den vorgeschriebenen Grenzen angeordnet sind, (d.h. Unterbereiche und Subgrenzen). Beispielsweise schliesst ein Bereich von 100 bis 200 auch Unterbereiche von 110 bis 150, 170 bis 190, 153 bis 162 und 145,3 bis 149,6 ein. Darüber hinaus schliesst eine Grenze von bis zu 7 auch eine Subgrenze von bis zu 5, bis zu 3, und bis zu 4,5 sowie Unterbereiche innerhalb der Grenze ein, z.B. Unterbereiche von etwa 1 bis 5 und von 3,2 bis 6,5.

[0035] Mit Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine vereinfachte Zeichnung einiger Bereiche eines Gasturbinensystems 10 schematisch veranschaulicht. Das Turbinensystem 10 kann flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, z.B. Erdgas und/oder ein wasserstoffreiches Synthesegas verwenden, um das Turbinensystems 10 zu betreiben. Wie dargestellt, nehmen mehrere Brennstoffdüsenanordnungen 12 eine Brennstoffzufuhr 14 auf, mischen den Brennstoff mit Luft und geben das Luft/Brennstoff-Gemisch in eine Brennkammer 16 aus. Wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt, sind Brennstoffdüsenanordnungen 12 durch Düsenflansche 25 mit einer Endplatte 27 der Brennkammeranordnung 16 verbunden, und jeder Brennstoffdüsenanordnung 12 kann passiv oder aktiv durch die Endplatte 27 der Brennkammeranordnung 16 Brennstoff zugeführt werden. Wie weiter unten eingehender erläutert, liegt die Brennstoffzufuhr 14 in einer Anzahl unterschiedlicher abgewandelter Ausführungsformen vor. Wie beispielsweise in Fig. 2 schematisch gezeigt, können Brennstoffdüsenanordnungen 12 eine von hinten her beschickte Vormisch-Pilotdüse 60 (Fig. 15 ) enthalten, die durch Pilotflansche 29 mit einer Endplatte 27 der Brennkammeranordnung 16 verbunden ist. Wie beispielsweise schematisch in Fig. 2 und 6 gezeigt, verbrennt das Luft/Brennstoff-Gemisch in einer Brennkammerreaktionszone 32 in der Brennkammer 16, so dass dadurch heisse verdichtete Abgase entstehen. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, lenkt die Brennkammeranordnung 16 die Abgase durch eine Turbine 18 in Richtung eines Abgasauslasses 20. Während die Abgase durch die Turbine 18 strömen, bewirken die Gase, dass eine oder mehrere Turbinenlaufschaufeln eine Welle 22 um eine Achse des Systems 10 in Drehung versetzen. Die Welle 22 kann mit vielfältigen Komponenten des Turbinensystems 10 verbunden sein, beispielsweise mit einem Verdichter 24, der ebenfalls Schaufeln aufweist, die mit der Welle 22 verbunden sein können. Mit der Drehung der Welle 22 der Turbine 18 rotieren auch die Laufschaufeln in dem Verdichter 24, um dadurch Luft von einer Luftansaugöffnung 23 zu verdichten und die verdichtete Luft in das Brennkammerkopfstückvolumen 13 und/oder in Brennstoffdüsen 12 zu drücken. Weiter kann die Welle 22 mit einer mechanischen Last 28 verbunden sein, die ein Fahrzeug oder eine stationäre Last sein kann, z.B. ein elektrischer Generator in einem Kraftwerk oder ein Propeller eines Luftfahrzeugs. Die Last 28 kann eine beliebige geeignete Einrichtung beinhalten, die durch die Drehmomentausgabe des Turbinensystems 10 angetrieben werden kann.

[0036] Fig. 2 veranschaulicht eine geschnittene Seitenansicht von Abschnitten eines Ausführungsbeispiels des in Fig. 1 schematisch dargestellten Turbinensystems 10. Das Ausführungsbeispiel des in Fig. 2 veranschaulichten Turbinensystems 10 enthält ein Paar Brennstoffdüsen 12, die im Innern des Kopfstückvolumens 13 einer Brennkammeranordnung 16 angeordnet sind. Jede veranschaulichte Brennstoffdüse 12 kann mehrere Brennstoffdüsen, die miteinander in einer Gruppe integriert sind, und/oder eine eigenständige Brennstoffdüse beinhalten, wobei jede veranschaulicht Brennstoffdüse 12 wenigstens im Wesentlichen oder zur Gänze auf innerer struktureller Tragkraft (z.B. auf lasttragenden Fluidkanälen) ruht. Im Betrieb tritt Luft durch die Luftansaugöffnung in das Turbinensystem 10 ein und kann in dem Verdichter 24 unter Druck gesetzt werden. Wie beispielsweise in Fig. 2 schematisch gezeigt, tritt die verdichtete Luft von dem Diffusorausgang 26 her in das Kopfstückvolumen 13 der Brennkammeranordnung 16 ein. Die verdichtete Luft kann anschliessend für die Verbrennung in der Brennkammer 16 mit Brennstoff (z.B. mit gasförmigem oder flüssigem Kohlenwasserstoff) vermischt werden. Beispielsweise können die Brennstoffdüsen 12 ein Brennstoff-Luft-Gemisch in das Brennkammersystem 16 in einem Verhältnis injizieren, das geeignet ist, die Verbrennung, die Emissionen, den Brennstoffverbrauch und die Leistungsabgabe zu optimieren.

[0037] Wie beispielsweise schematisch in Fig. 3 und 6 gezeigt, können Ausführungsbeispiele der Düsenanordnung 12 mit einer sich axial erstreckenden peripheren Wand 38 ausgebildet sein, die eine Lufteinlassöffnung 40 und einen Düsenauslass 42 aufweist. In die Düsenanordnung 12 erstreckt sich entlang der zentralen Längsachse der Düsenanordnung 12 ein zentraler Grundkörper 44. Wie beispielsweise in Fig. 6 schematisch gezeigt, kann der zentrale Grundkörper 44 eine innere zylindrische Wand 54 aufweisen, die einen hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 definiert. Die innere zylindrische Wand 54 ist konzentrisch um die Mittel- oder Längsachse der Düsenanordnung 12 angeordnet und ist eingerichtet und angeordnet, um dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 Luft zuzuführen.

[0038] Die in den Figuren, beispielsweise in Fig. 3 und 6 , mit 30 bezeichneten Pfeilen veranschaulichen schematisch den Luftstrom in der Richtung, in die der Pfeil zeigt. Desgleichen veranschaulichen die in den Figuren, beispielsweise in Fig. 4 und 6 , mit 31 bezeichneten Pfeile schematisch den Brennstoffström in der Richtung, in die der Pfeil zeigt.

[0039] Wie beispielsweise in Fig. 6 schematisch gezeigt, kann der zentrale Grundkörper 44 bevorzugt einen Brennstoffzufuhrkanal definieren, der als ein ringförmiger Brennstoffkanal 46 konstruiert ist, der einen Teil des Brennstoffs einer Dralldüse zuführt, die einen radial ausgerichteten Brennstoffvormischinjektionsring 48 definiert, der den zentralen Grundkörper 44 umgibt und sich radial zwischen dem zentralen Grundkörper 44 und der peripheren Wand 38 erstreckt. Der Teil des Brennstoffs, der dem radial ausgerichteten Brennstoffvormischinjektionsring 48 zugeführt wird, wird als eine aktive Brennstoffzufuhr angesehen, da er, während er in den Brennstoffvormischinjektionsring 48 gepumpt wird, aktiv gesteuert wird. Wie in Fig. 3 und 6 schematisch gezeigt, strömt verdichtete Luft, die den (in Fig. 3 und 6 nicht gezeigten) Verdichter 24 verlässt, während des Betriebs in den radial aussen liegenden Luftkanal 50, der zwischen der peripheren Wand 38 und der äusseren Wand 44 definiert ist, die den zentralen Grundkörper 44 jeder Brennstoffdüsenanordnung 12 bildet.

[0040] Der Brennstoffvormischinjektionsring 48 weist vorzugsweise Drallschaufeln 47 auf, die die Luft verwirbeln, die in dem radial aussen liegenden Luftkanal 50 an den Leitschaufeln 47 vorbei strömt. Durch die Drallschaufeln 47 des Brennstoffvormischinjektionsrings 48 hindurch sind (in Fig. 3 nicht gezeigte) Brennstoffauslassöffnungen 49 gebildet. Wie schematisch in Fig. 6 gezeigt, strömt Brennstoff von dem ringförmigen Brennstoffkanal 46 durch radiale Brennstoffkanäle 52 in den Brennstoffvormischinjektionsring 48 und tritt aus den (in Fig. 3 nicht gezeigten) Brennstoffauslassöffnungen 49 aus, die durch die Drallschaufeln 47 des Brennstoffvormischinjektionsrings 48 gebildet sind. Der aus den Brennstoffauslassöffnungen 49 ausgeworfene Brennstoff wird in den radial aussen liegenden Luftkanal 50 eingespeist, um Brennstoff und Luft in dem radial aussen liegenden Luftkanal 50 stromaufwärts der Brennkammerreaktionszone 32 vorzumischen. Während Luft gegen die Luftdrallschaufeln 47 gelenkt wird, wird der Luft ein Verwirbelungsmuster verliehen, und dieses Verwirbelungsmuster fördert das Mischen der Luft mit dem primären Brennstoff, der von den Brennstoffauslassöffnungen 49 der Luftdrallschaufeln 47 in den vorbeiströmenden Luftstrom ausgeworfen ist. Das Luft/Brennstoff-Gemisch, das den radial aussen liegenden Luftkanal 50 verlässt, strömt in die Brennkammerreaktionszone 32, wo das Luft/Brennstoff-Gemisch verbrannt wird.

[0041] Wie schematisch in Fig. 3 , 4 und 5 gezeigt, definiert ein Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 mehrere sich axial erstreckende, hohle Vormischkanäle 61. Wie beispielsweise schematisch in Fig. 3 und 4 gezeigt, weist die Vormisch-Pilotdüse 60 an dem stromaufwärtigen Ende, das mit dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 verbunden ist einen Einlass 67 auf. Die Vormisch-Pilotdüse 60 weist an dem stromabwärtigen Ende, das axial entgegengesetzt zu dem stromaufwärtigen Ende der Vormisch-Pilotdüse 60 angeordnet ist einen Auslass 68 auf. Wie beispielsweise in Fig. 4 schematisch gezeigt, definiert die Vormisch-Pilotdüse 60 einen sich axial erstreckenden inneren Kanal 53, der mit dem hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 strömungsmässig verbunden ist.

[0042] Wie beispielsweise in Fig. 4 schematisch gezeigt, weist jeder Vormischkanal 61 ein stromaufwärtiges Ende auf, das in der Nähe des stromabwärtigen Endes des zentralen Körpers 44 angeordnet ist. Das stromaufwärtige Ende jedes Vormischkanals 61 definiert eine Einfüllöffnung 61a, die einem Fluid gestattet, in den hohlen Vormischkanal 61 zu strömen, und die strömungsmässig mit dem inneren Kanal 51 des zentralen Körpers 44 verbunden ist. Jeder Vormischkanal 61 weist ein stromabwärtiges Ende auf, das axial entgegengesetzt zu dem stromaufwärtigen Ende des Vormischkanals 61 angeordnet ist und das in der Nähe des stromabwärtigen Endes der Vormisch-Pilotdüse 60 angeordnet ist. Jedes stromabwärtige Ende jedes Vormischkanals 61 definiert eine Auslassöffnung 61b, die es dem Fluid gestattet, den hohlen Vormischkanal 61 zu verlassen.

[0043] In dem in Fig. 3 , 4 und 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 sind die Vormischkanäle 61 in der Vormisch-Pilotdüse 60 als die hohlen Innenräume einer Anzahl von Vormischrohren 64 definiert, die rund um den Umfang um die axiale Mittellinie 33 (Fig. 4 ) der Vormisch-Pilotdüse 60 angeordnet sind. Wie beispielsweise in Fig. 4 schematisch gezeigt, erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 jedes Vormischrohr 64 axial zwischen einer stromaufwärtigen Endplatte 65a und einer stromabwärtigen Endplatte 65b der Vormisch-Pilotdüse 60. Wie in Fig. 5 schematisch gezeigt, sind siebzehn Vormischkanäle 61 in der Nähe des Aussenumfang der Vormisch-Pilotdüse 60 in einem Kreis gruppiert, der bevorzugt mit einem Durchmesser von etwa 5,1 cm bemessen ist. Jeder Vormischkanal 61 weist bevorzugt eine axiale Länge im Bereich von 7,6 cm bis 12,7 cm auf, und der Durchmesser jedes Vormischkanals 61 beträgt bevorzugt weniger als 6,35 mm und ist bevorzugt in einem Bereich von 2,54 mm bis 5,1 mm bemessen. Dieses Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 erzielt bevorzugt ein etwa dreiprozentiges Luft/Brennstoff-Gemisch. Allerdings wird der Durchmesser und die Anzahl von Vormischkanälen 61, die in der Vormisch-Pilotdüse 60 ausgebildet sind, von den Strömen abhängen, die unter den erwarteten Betriebsbedingungen als optimal erachtet sind und die bevorzugt bemessen sind, um die Vermischung zu maximieren, während die gewünschten Druckge-fälle auf der Brennstoff- und Luftseite aufrechterhalten werden.

[0044] In dem in Fig. 3 , 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Brennstoffzufuhrkanal zum Teil durch ein (in der Ansicht von Fig. 5 nicht gezeigtes) gesondertes Brennstoffrohr 45 gebildet, das in dem zentralen Grundkörper 44 angeordnet ist und das den mehreren Vormischkanälen 61 der Vormisch-Pilotdüse 60 eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Brennstoff bereitstellt. Was die Zufuhr von Brennstoff zu der Vormisch-Pilotdüse 60 betrifft, kann das in Fig. 3 , 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel daher als ein Ausführungsbeispiel erachten werden, das eine aktive Brennstoffzufuhr verwendet.

[0045] Wie beispielsweise in Fig. 3 schematisch gezeigt, definiert das Brennstoffrohr 45 im Innern einen Brennstoffkanal, der ein stromaufwärtiges Ende aufweist, das an dem stromaufwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 angeordnet ist und das dazu eingerichtet ist, mit einer aktiv gesteuerten Brennstoffquelle verbunden zu werden. Wie schematisch in Fig. 3 gezeigt, wird der aktiv gesteuerte Brennstoff durch die Endplatte 27 in das stromaufwärtige Ende des Brennstoffrohrs 45 eingespeist. Wie beispielsweise in Fig. 3 und 4 schematisch gezeigt, weist der Abschnitt des Brennstoffzufuhrkanals, der in dem Brennstoffrohr 45 ausgebildet ist, ein stromabwärtiges Ende auf, das an dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 angeordnet ist und das strömungsmässig mit den stromaufwärtigen Enden der mehreren Vormischkanäle 61 verbunden ist. Wie beispielsweise schematisch in Fig. 4 gezeigt, ist das stromabwärtige Ende des Brennstoffrohrs 45 strömungsmässig mit einem (in der Ansicht von Fig. 3 nicht unterscheidbaren) Brennstoffsammelraum 63 verbunden, der in einem Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 gebildet ist. Der Brennstoffsammelraum 63 ist ein hohler Brennstoffkanal, der einen Teil des Brennstoffzufuhrkanals bildet und der dazu eingerichtet ist, sich rund um den Umfang des stromaufwärtigen Endes der Vormisch-Pilotdüse 60 zu erstrecken, und der an einer Stelle, die unmittelbar stromabwärts der in den stromaufwärtigen Enden der Vormischkanäle 61 angeordneten Einfüllöffnungen 61a liegt, mit den stromaufwärtigen Enden jedes Vormischkanals 61 strömungsmässig verbunden ist. Somit erreicht das Brennstoffrohr 45 die Vormisch-Pilotdüse 60 an dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 und speist Brennstoff in die Vormisch-Pilotdüse 60 ein.

[0046] Wie schematisch in Fig. 3 gezeigt, ist der (auch als Dralldüse bekannte) Brennstoffvormischinjektionsring 48 mit mehreren Hilfsluftkanälen 43 ausgebildet, durch die Luft 30 von dem Kopfstückvolumen 13 (Fig. 2 ) passiv in den hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 eintritt, und dieser passiv zugeführte Luftstrom 30 bewegt sich stromabwärts zu der Vormisch-Pilotdüse 60 an dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers 44. Wie schematisch in Fig. 4 gezeigt, tritt die Luft 30, die sich in dem hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 stromabwärts bewegt, in jede Einfüllöffnung 61a jedes Vormischkanals ein, der durch jedes Vormischrohr 64 gebildet ist, und mischt sich mit dem Brennstoff, der in jeden Vormischkanal 61 eingespeist ist, und ist einer fortgesetzten Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches unterworfen, während sich das Brennstoff/Luft-Gemisch in den Vormischkanälen 61 stromabwärts bewegt. Wie beispielsweise in Fig. 4 schematisch dargestellt, ist der Brennstoffsammelraum 63 darüber hinaus in der Nähe des Einlasses 67 der Vormisch-Pilotdüse 60 bevorzugt mit jedem Vormischkanal 61 strömungsmässig verbunden, so dass die Luft, die in den entsprechenden Vormischkanal 61 eintritt, auf den Brennstoff trifft und sich über den grössten Teil der axialen Länge des entsprechenden Durchlasskanals 61 mit dem Brennstoff mischt, bevor das Brennstoff/Luft-Gemisch den entsprechenden Durchlasskanal 61 über dessen Auslassöffnung 61b verlässt. Was die Zufuhr von Luft und Brennstoff zu der Vormisch-Pilotdüse 60 betrifft, kann das in Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel daher als ein Ausführungsbeispiel angesehen werden, das eine passive Luftzufuhr und eine aktive Brennstoffzufuhr verwendet.

[0047] In dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elemente, die mit dem in Fig. 3 – 5 gezeigten Ausführungsbeispiel übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 – 5 bezeichnet. Was die Zufuhr von Luft und Brennstoff zu der Vormisch-Pilotdüse 60 betrifft, kann das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel allerdings als ein Ausführungsbeispiel angesehen werden, das eine aktive Luftzufuhr und eine passive Brennstoffzufuhr verwendet und das sich in dieser Hinsicht von dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 und 4 unterscheidet.

[0048] Wie schematisch in Querschnittsansichten von Fig. 6 und 7 gezeigt, weist ein Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 ein stromaufwärtiges Ende auf, das mit dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 verbunden ist. Die Vormisch-Pilotdüse 60 definiert einen sich axial erstreckenden inneren Kanal 53, der mit dem hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 strömungsmässig verbunden ist. Die Vormisch-Pilotdüse 60 weist ein stromabwärtiges Ende auf, das axial entgegengesetzt zu dem stromaufwärtigen Ende der Vormisch-Pilotdüse 60 angeordnet ist. Wie in einem Querschnitt in Fig. 6 und 7 schematisch gezeigt, definiert die Vormisch-Pilotdüse 60 mehrere sich axial erstreckende, hohle Vormischkanäle 61, die bevorzugt symmetrisch und rund um den Umfang des sich axial erstreckenden inneren Kanals 53 angeordnet sind. Jeder Vormischkanal 61 weist ein stromaufwärtiges Ende auf, das in der Nähe des stromabwärtigen Endes des zentralen Körpers 44 angeordnet ist und das eine Einfüllöffnung 61a definiert, die einem Fluid gestattet, in den hohlen Vormischkanal 61 zu strömen, und die mit dem inneren Kanal 51 des zentralen Körpers 44 strömungsmässig verbunden ist. Wie schematisch in Fig. 6 gezeigt, wird ein aktiv gesteuerter Luftstrom 30 in den inneren Kanal 51 des zentralen Körpers 44 eingespeist und strömt abwärts zu der Einfüllöffnung 61a der hohlen Vormischkanäle 61 der Vormisch-Pilotdüse 60. Jeder Vormischkanal 61 weist ein stromabwärtiges Ende auf, das axial entgegengesetzt zu dem stromaufwärtigen Ende des Vormischkanals 61 angeordnet ist und das in der Nähe des stromabwärtigen Endes der Vormisch-Pilotdüse 60 angeordnet ist. Jedes stromabwärtige Ende jedes Vormischkanals 61 definiert eine Auslassöffnung 61b, die es dem Fluid gestattet, den hohlen Vormischkanal 61 zu verlassen.

[0049] Brennstoff wird von der Endplatte 27 (Fig. 2 ) in den ringförmigen Brennstoffkanal 46 eingespeist. Wie schematisch in Fig. 6 gezeigt, speisen die radialen Brennstoffkanäle 52 Brennstoff von dem ringförmigen Brennstoffkanal 46 in den Brennstoffvormischinjektionsring 48 ein. Ein Teil des aktiv gesteuerten Brennstoffs von dem ringförmigen Brennstoffkanal 46 wird von den Brennstoffauslassöffnungen 49 in den Drallschaufeln 47 abgezweigt und strömt weiter stromabwärts in den ringförmigen Brennstoffkanal 46, um der Vormisch-Pilotdüse 60 an dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 eine passive Zufuhr von Brennstoff bereitzustellen. Wie in einem Querschnitt in Fig. 6 schematisch gezeigt, definiert ein Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 einen Brennstoffeinlass 62, der einen Teil des Brennstoffzufuhrkanals bildet, der jeden Vormischkanal 61 strömungsmässig mit einer Brennstoffquelle verbindet. In dem erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 erstreckt sich der Brennstoffeinlass 62 ausgehend von dem stromabwärtigen Ende des ringförmigen Brennstoffkanals 46 radial nach innen, um unmittelbar stromabwärts der Einfüllöffnung 61a jenes Vormischkanals 61 in jeden Vormischkanal 61 Brennstoff einzuspritzen. Der aktiv gesteuerte Luftstrom 30, der sich in dem hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 stromabwärts bewegt, tritt über die Einfüllöffnungen 61a in die Vormischkanäle 61 ein und vermischt sich mit der passiven Zufuhr von Brennstoff, der den Vormischkanälen 61 der Vormisch-Pilotdüse 60 zugeführt ist. In dieser Weise nimmt der Luftstrom, der in die Einfüllöffnung 61a jedes Vormischkanals 61 in der Vormisch-Pilotdüse 60 eintritt, Brennstoff, der in jeden Vormischkanal 61 eingespeist ist, mit und mischt sich mit diesem und ist einer fortgesetzten Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches unterworfen, während sich das Brennstoff/Luft-Gemisch in den Vormischkanälen 61 stromabwärts bewegt.

[0050] Fig. 8 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 schematisch in einer Schnittansicht, die der in Fig. 6 gezeigten Ansicht ähnelt, jedoch längs der Schnittlinien 80–8 in Fig. 7 genommen ist. In Fig. 8 sind die Elemente, die mit dem in Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 6 und 7 bezeichnet. Im Gegensatz zu dem in Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel, sind in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 allerdings sogenannte abgewinkelte Vormischkanäle 61 vorhanden. Wie beispielsweise in Fig. 8 schematisch gezeigt, weist jeder Vormischkanal 61 eine Vormischachse 34 (Fig. 12 ) auf, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind. Wie beispielsweise in Fig. 8 schematisch gezeigt, ist diese zentrisch symmetrische Vormischachse 34 bevorzugt relativ zu der symmetrischen Mittelachse 33 des zentralen Körpers 44 und der Vormisch-Pilotdüse 60 unter einem spitzen Winkel angeordnet. Dieser Winkel jedes abgewinkelten Vormischkanals 61 verleiht dem Brennstoff/Luft-Gemisch, das aus der Auslassöffnung 61b jedes Vormischkanals 61 ausgeworfen wird, eine radial nach innen gerichtete Komponente in einer Richtung, die den axialen Pfad der Luft kreuzt, die aus dem Inneren des sich axial erstreckenden inneren Kanals 53 der Vormisch-Pilotdüse 60 austritt, nachdem sie den hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 durchströmt hat. Jeder abgewinkelte Vormischkanal 61 verleiht dem Luftstrom, der den sich axial erstreckenden inneren Kanal 53 der Vormisch-Pilotdüse 60 verlässt, ausserdem eine Verwirbelung.

[0051] Der Betrag des spitzen Winkels ist bevorzugt in der Grössenordnung von 4,5 Grad bemessen und kann im Bereich von 3 Grad bis 6 Grad liegen. Darüber hinaus ist die Länge des Mischpfades in jedem Vormischkanal 61 des Ausführungsbeispiels der in Fig. 8 dargestellten Vormisch-Pilotdüse 60 aufgrund des spitzen Winkels in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 und 7 relativ zu der Länge des Mischpfades in jedem Vormischkanal 61 bevorzugt verlängert, vorausgesetzt die Längen der Vormisch-Pilotdüsen 60 stimmen überein. Vorzugsweise ist die axiale Länge der Vormisch-Pilotdüse 60 im Bereich von 7,6 cm bis 12,7 cm bemessen und weist bevorzugt einen Durchmesser in der Grössenordnung von 5 ́cm oder weniger als die Hälfte der axialen Länge der Vormisch-Pilotdüse 60 auf. Die Durchmesser der Vormischkanäle 61 liegen bevorzugt im Bereich von 2 mm bis 7 mm. Allerdings werden der Durchmesser und die Anzahl von Vormischkanälen 61, die in der Vormisch-Pilotdüse 60 ausgebildet sind, von den gewünschten Strömen abhängen, die unter den erwarteten Betriebsbedingungen als optimal erachtet werden, und sie werden bevorzugt geeignet ermittelt, um die Vermischung zu maximieren, während das gewünschte Druckgefälle auf der Brennstoffseite aufrecht erhalten wird.

[0052] Fig. 9 und 10 veranschaulichen schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 in einer Schnittansicht, die der in Fig. 6 gezeigten Ansicht ähnelt, jedoch ist Fig. 9 längs der Schnittlinien 9–9 in Fig. 10 genommen und Fig. 10 ist längs der Schnittlinien 10—10 in Fig. 9 genommen. In Fig. 9 und 10 sind die Elemente, die mit den in Fig. 6 – 8 gezeigten Ausführungsbeispielen übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 6 – 8 bezeichnet. Im Gegensatz zu dem in Fig. 6 – 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem in Fig. 9 und 10 gezeigten Ausführungsbeispiel allerdings mehr als eine kreisförmige Gruppierung von Vormischkanälen 61 vorgesehen. Eine innere Gruppierung von Vormischkanälen 61 ist radial innerhalb einer äusseren Gruppierung von Vormischkanälen 61 angeordnet. Wie beispielsweise in Fig. 10 schematisch gezeigt, weist dieses Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 vorzugsweise dreissig Vormischkanäle 61 auf und erzielt eine Luft/Brennstoff-Mischung von etwa zweieinhalb Prozent.

[0053] In den Ausführungsbeispielen der Vormisch-Pilotdüse 60, die beispielsweise in Fig. 6 – 10 schematisch gezeigt ist, basiert die Vormisch-Pilotdüse bevorzugt auf einem kompakten zylindrischen Metallgrundkörper, in dem jeder der Vormischkanäle 61 durch eine Bohrung durch den Metallgrundkörper hindurch ausgebildet ist. Die Anzahl und Ausrichtung der Vormischkanäle 61 werden festgesetzt, um die Vermischung von Luft und Brennstoff zu maximieren, während das gewünschte Druckgefälle auf der Brennstoffseite aufrecht erhalten wird.

[0054] Fig. 11 veranschaulicht schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 in einer Schnittansicht, die der Ansicht ähnelt, die in Fig. 8 und 9 gezeigt ist. In Fig. 11 sind die Elemente, die mit den Ausführungsbeispielen übereinstimmen, die in Fig. 6 – 10 gezeigt sind, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 6 – 10 bezeichnet. Allerdings enthält das Ausführungsbeispiel von Fig. 11 im Innern des zentralen Körpers 44 eine zylindrische Brennstoffkartusche 36, die einen zentralen Brennstoffkanal 37 definiert, durch den eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Brennstoff, wie schematisch durch das Bezugszeichen 31 angezeigt, in der stromabwärts verlaufenden Richtung strömt. Wie ausserdem durch die in Fig. 11 mit 31 bezeichneten Pfeile schematisch angezeigt und der Konstruktion von Fig. 6 ähnelnd, ist eine passive Zufuhr von Brennstoff der Brennstoff, der von der aktiven Zufuhr von Brennstoff, der aus der (in Fig. 11 nicht gezeigten, aber in Fig. 2 gezeigten) Brennkammerendplatte 27 und in den ringförmigen Brennstoffkanal 46 strömt, abgezweigt ist, bevor er in den (in Fig. 11 nicht gezeigten) Brennstoffvormischinjektionsring 48 eingespeist wird. Wie schematisch in Fig. 11 gezeigt, ist es diese abgezweigte passive Zufuhr von Brennstoff 31, die über die Brennstoffeinlasse 62 in den hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 injiziert wird.

[0055] Wie weiter schematisch durch die in Fig. 11 mit 30 bezeichneten Pfeile angezeigt, wird Luft 30 aktiv zugeführt und strömt stromabwärts durch den hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 und befördert Brennstoff, der aus den primären Brennstoffeinlassen 62 austritt, stromabwärts durch die Einfüllöffnungen 61a und in die in der Vormisch-Pilotdüse 60 gebildeten Vormischkanäle 61. In dieser Weise nimmt der Luftstrom, der an den primären Brennstoffeinlassen 62 vorbeiströmt, Brennstoff, der in den hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 eingespeist ist, mit und mischt sich mit diesem und tritt in die Einfüllöffnung 61a jedes Vormischkanals 61 in der Vormisch-Pilotdüse 60 ein. Das Brennstoff/Luft-Gemisch ist einer fortwährenden Vermischung unterworfen, während es in den Vormischkanälen 61 stromabwärts strömt.

[0056] Darüber hinaus definiert das Ausführungsbeispiel von Fig. 11 an Orten stromabwärts der primären Brennstoffeinlasse 62 durch die innere zylindrische Wand 54 hindurch ausserdem sekundäre Brennstoffeinlasse 62a. Die sekundären Brennstoffeinlässe 62a injizieren Brennstoff unmittelbar in die Vormischkanäle 61, so dass das Brennstoff/Luft-Gemisch mit Brennstoff angereichert wird und einer zusätzlichen Vermischung unterworfen wird, während es sich in den Vormischkanälen 61 stromabwärts bewegt. Wie in Fig. 11 schematisch dargestellt, sind sowohl die primären Brennstoffeinlasse 62 als auch die sekundären Brennstoffeinlasse 62a bevorzugt unter einem Winkel in der Stromabwärtsrichtung schräg ausgebildet. Während Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 veranschaulicht, das sowohl die primären Brennstoffeinlässe 62 als auch die sekundären Brennstoffeinlasse 62a aufweist, kommt in Betracht, dass in einem vorgegebenen abgewandelten Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 möglicherweise lediglich ein Satz vorgesehen ist, sie dieser primär 62 oder sekundär 62a.

[0057] Fig. 10 und 12 veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 schematisch in einer Schnittansicht, die der Ansicht ähnelt, die in Fig. 8 gezeigt ist, jedoch ist Fig. 12 längs der Schnittlinien 12—12 in Fig. 10 genommen. In Fig. 10 und 12 sind die Elemente, die mit den in Fig. 6 – 8 gezeigten Ausführungsbeispielen übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 6 – 8 bezeichnet. In dem schematisch in Fig. 10 und 12 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vormisch-Pilotdüse 60 mit der inneren zylindrischen Wand 54, die den hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 definiert, und mit der Aussenwand 44, die den zentralen Grundkörper bildet, einstückig hergestellt. In dieser Weise definiert die innere zylindrische Wand 54, wie in Fig. 12 schematisch dargestellt, die radial innenliegenden Wände der Vormischkanäle 61, während die Aussenwand 44, die den zentralen Grundkörper definiert, die radial aussen liegenden Wände der Vormischkanäle 61 bildet.

[0058] In dem in Fig. 10 und 12 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel weisen einige der Vormischkanäle 61 definierende Wände auf, die konzentrisch um eine zentrale Vormischachse 34 (Fig. 12 ) gebildet sind, die bevorzugt parallel zu der symmetrisch mittigen Achse 33 des zentralen Körpers 44 und der Vormisch-Pilotdüse 60 angeordnet ist. Im Gegensatz zu dem in Fig. 6 – 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 10 und 12 gezeigt ist, allerdings mehr als eine kreisförmige Gruppierung von Vormischkanälen 61 vorgesehen, und es ist somit eine innere kreisförmige Gruppierung von Vormischkanälen 61 vorhanden, die radial innerhalb einer äusseren kreisförmigen Gruppierung von Vormischkanälen 61 angeordnet ist. Darüber hinaus haben in dem in Fig. 10 und 12 dargestellten Ausführungsbeispiel einige der Vormischkanäle 61 definierende Wände, die konzentrisch um eine Vormischachse 34 gebildet sind, die relativ zu der symmetrischen Mittelachse 33 des zentralen Körpers 44 und der Vormisch-Pilotdüse 60 bevorzugt unter einem spitzen Winkel angeordnet ist.

[0059] Das in Fig. 10 und 12 dargestellte Ausführungsbeispiel ähnelt dem in Fig. 3 , 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel insofern als der Brennstoffzufuhrkanal zum Teil durch ein gesondertes Brennstoffrohr 45 gebildet ist, das in dem zentralen Grundkörper 44 angeordnet ist und eine aktive Steuerung des Brennstoffzustroms zu den Vormischkanälen 61 erlaubt. Wie beispielsweise durch die durchgezogene Linie in Fig. 12 schematisch gezeigt, definiert das Brennstoffrohr 45 im Innern einen Brennstoffkanal, der ein stromaufwärtiges Ende aufweist, das an dem stromaufwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 angeordnet ist und das dazu eingerichtet ist mit einer aktiv gesteuerten Brennstoffquelle verbunden zu werden. Wie durch die mit dem Bezugszeichen 30 bezeichneten Pfeile in Fig. 12 schematisch gezeigt, wird Luft von den Vorhangluftkanälen 57 von dem Kopfstückvolumen 13 her passiv in die Einfüllöffnungen 61a der Vormischkanäle 61 eingespeist. Wie in Fig. 12 schematisch gezeigt, weist der Abschnitt des Brennstoffzufuhrkanals, der in dem Brennstoffrohr 45 ausgebildet ist, ein stromabwärtiges Ende auf, das an dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 angeordnet ist und das mit den stromaufwärtigen Enden der mehreren Vormischkanäle 61 strömungsmässig verbunden ist. Das Brennstoffrohr 45 injiziert unmittelbar stromabwärts der Einfüllöffnungen 61a der Vormischkanäle 61 aktiv Brennstoff in die Vormischkanäle 61, um eine maximale Vermischung des Brennstoffs und der Luft zu fördern, die sich in den Vormischkanälen 61 stromabwärts bewegt. Was die Zufuhr von Luft und Brennstoff zu der Vormisch-Pilotdüse 60 betrifft, kann das in Fig. 10 und 12 dargestellte Ausführungsbeispiel daher als ein Ausführungsbeispiel erachtet werden, das eine passive Luftzufuhr und eine aktive Brennstoffzufuhr verwendet.

[0060] Wie in Fig. 12 schematisch gezeigt, ist der Winkel jedes abgewinkelten Vormischkanals 61 eingerichtet, um das Brennstoff/Luft-Gemisch, das aus der Auslassöffnung 61b jedes abgewinkelten Vormischkanals 61 entlassen wird, radial nach innen in eine Richtung zu lenken, die den axialen Pfad der Luft, die aus dem Inneren des sich axial erstreckenden inneren Kanal 53 der Vormisch-Pilotdüse 60 austritt, nachdem sie den hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 durchströmt hat, kreuzt und dem Brennstoffström und der Luft zusätzliche Verwirbelung verleiht. Der Betrag des spitzen Winkels ist bevorzugt in der Grössenordnung von 4,5 Grad bemessen und kann im Bereich von 3 Grad bis 6 Grad liegen. Darüber hinaus ist die Länge des Mischpfades in jedem abgewinkelten Vormischkanal 61 des Ausführungsbeispiels der in Fig. 12 dargestellten Vormisch-Pilotdüse 60 aufgrund des spitzen Winkels relativ zu der Länge des Mischpfades in jedem streng axialen Vormischkanal 61, der sich in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 12 streng parallel zu der symmetrischen Mittelachse 33 des zentralen Körpers 44 und der Vormisch-Pilotdüse 60 erstreckt, bevorzugt verlängert.

[0061] Fig. 13 veranschaulicht schematisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 in einer Schnittansicht, die der in Fig. 3 gezeigten Ansicht ähnelt. In Fig. 13 sind die Elemente, die mit den in Fig. 3 – 5 gezeigten Ausführungsbeispielen übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 – 5 bezeichnet. In dem in Fig. 13 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel werden in die Vormischkanäle 61 der Vormisch-Pilotdüse 60 eine passive Zufuhr von Brennstoff und eine passive Zufuhr von Luft eingespeist. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 13 schafft die Vormisch-Pilotdüse 60 in einer Anordnung, bei der die Vormischkanäle 61 rund um den Umfang des stromabwärtigen Endes des zentralen Körpers 44 angeordnet sind. Im Innern des zentralen Körpers 44 weist das Ausführungsbeispiel von Fig. 13 einen Luftsammelraum 56 auf, der mit den Einfüllöffnungen 61a der Vormischkanäle 61 strömungsmässig verbunden ist. Ein passiver Luftstrom wird von dem Kopfstückvolumen 13 (Fig. 2 ) her befördert und dem Luftsammelräum 56 über mehrere radiale Luftzufuhrrohre 57 zugeführt, die sich durch die sich axial erstreckende periphere Wand 38 erstrecken. Die Brennstoffzufuhr für die Brennstoffauslassöffnungen 49 in den Drallschaufeln 47 ist angezapft, so dass ein Teil dieser Brennstoffzufuhr von den Brennstoffauslassöffnungen 49 abgezweigt wird und eine passive Zufuhr von Brennstoff 31 bereitstellt, der über sich axial erstreckende Brennstoffkanäle 55 stromabwärts zu dem Luftsammelraum 56 befördert wird. Wie in Fig. 13 schematisch gezeigt, erstreckt sich jedes der distalen Enden der sich axial erstreckenden Brennstoffkanäle 55 in die radialen Luftzufuhrrohre 57 in die Nähe der Stelle, wo die radialen Luftzufuhrrohre 57 mit dem Luftsammelraum 56 verbunden sind. Mittels dieser Anordnung wird der Brennstoff 31 passiv in den Luftstrom 30, der über die radialen Luftzufuhrrohre 57 zugeführt ist, eingespeist, bevor jener Luftstrom 30 den Luftsammelraum 56 und die Einfüllöffnungen 61a der Vormischkanäle 61 erreicht. Wie in den anderen Ausführungsbeispielen der Vormisch-Pilotdüse 60 vermischen sich der Brennstoff 31 und die Luft 30, während sie sich in den Vormischkanälen 61 stromabwärts bewegen. Das Brennstoff/Luft-Gemisch, das die Auslassöffnung 61b jedes Vormischkanals 61 verlässt, ist gründlich vermischt und verbrennt daher wirkungsvoller, um eine kleine, gut verankerte vorgemischte Flamme in der Nähe der Basis der Brennstoffdüse 12 bereitzustellen, so dass dadurch das wirbelnde Brennstoff/Luft-Gemisch, das die Brennstoffdüse 12 verlässt, verankert wird.

[0062] Fig. 14 veranschaulicht schematisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 in einer Schnittansicht, die der Ansicht ähnelt, die in Fig. 12 gezeigt ist. Während das Ausführungsbeispiel von Fig. 14 ebenso wie das Ausführungsbeispiel von Fig. 12 über eine aktive Brennstoffzufuhr zu der Vormisch-Pilotdüse 60 verfügt, weist das Ausführungsbeispiel von Fig. 14 allerdings auch eine aktive Luftzufuhr zu der Vormisch-Pilotdüse 60 auf. In Fig. 14 , sind die Elemente, die mit den in Fig. 3 – 5 , 12 und 13 gezeigten Ausführungsbeispielen übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 – 5 , 12 und 13 bezeichnet. Wie in Fig. 14 schematisch gezeigt, wird von dem ringförmigen Brennstoffkanal 46 ausgehender Brennstoff aktiv gesteuert, um in den Brennstoffvormischinjektionsring 48 zu strömen, und er tritt aus den Brennstoffauslassöffnungen 49 aus, die durch die Drallschaufeln 47 hindurch ausgebildet sind. Der von den Brennstoffauslassöffnungen 49 ausgeworfene Brennstoff wird in den radial aussen liegenden Luftkanal 50 eingespeist, um Brennstoff und Luft in dem radial aussen liegenden Luftkanal 50 stromaufwärts der Brennkammerreaktionszone 32 vorzumischen. Während Luft gegen die Luftdrallschaufeln 47 gelenkt wird, wird der Luft ein Verwirbelungsmuster verliehen, und dieses Verwirbelungsmuster fördert die Vermischung der Luft mit dem primären Brennstoff, der von den Brennstoffauslassöffnungen 49 der Luftdrallschaufeln 47 in den vorbeiströmenden Luftstrom ausgestossen wird. Das Luft/Brennstoff-Gemisch, das den radial aussen liegende Luftkanal 50 verlässt, strömt in die Brennkammerreaktionszone 32, wobei es verbrannt wird.

[0063] Allerdings stellt das Ausführungsbeispiel von Fig. 14 die Vormisch-Pilotdüse 60 in einer Anordnung bereit, die rund um den Umfang des stromabwärtigen Endes des zentralen Körpers 44 gruppiert ist. Eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Luft 30 ist den Vormischkanälen 61 der Vormisch-Pilotdüse 60 über den hohlen Innenraum 51 bereitgestellt, der durch die innere zylindrische Wand 54 des zentralen Körpers 44 gebildet ist. In dem in Fig. 14 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Vormisch-Pilotdüse 60 ausgehend von dem Grundkörper 44 eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Brennstoff bereitgestellt. Wie in Fig. 14 schematisch gezeigt, weist der Abschnitt des Brennstoffzufuhrkanals, der in dem Brennstoffrohr 45 ausgebildet ist, ein stromabwärtiges Ende auf, das an dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers 44 angeordnet ist und das mit den stromaufwärtigen Enden der mehreren Vormischkanäle 61 strömungsmässig verbunden ist. Das Brennstoffrohr 45 injiziert unmittelbar stromabwärts der Einfüllöffnungen 61a der Vormischkanäle 61 aktiv Brennstoff 31 in die Vormischkanäle 61, um ein maximales Mischen des Brennstoffs und der in den Vormischkanälen 61 stromabwärts strömenden Luft zu fördern. In dieser Weise nimmt der Luftstrom 30, der in die Einfüllöffnung 61a jedes Vormischkanals 61 in der Vormisch-Pilotdüse 60 eintritt, Brennstoff 31, der in jeden Vormischkanal 61 eingespeist ist, mit und mischt sich mit diesem und ist einer fortgesetzten Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches unterworfen, während sich das Brennstoff/Luft-Gemisch in den Vormischkanälen 61 stromabwärts bewegt.

[0064] Fig. 15 veranschaulicht noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vormisch-Pilotdüse 60 schematisch in einer Schnittansicht. Allerdings veranschaulicht das Ausführungsbeispiel von Fig. 15 einen von hinten her beschickten Vormisch-Pilotzylinder 35, der an seinem stromabwärtigen Ende eine Vormisch-Pilotdüse 60 aufweist. In Fig. 15 sind die Elemente, die mit den in Fig. 2 – 5 und 11 – 13 gezeigten Ausführungsbeispielen übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 2 – 5 und 11 – 13 bezeichnet. Wie in Fig. 15 schematisch gezeigt, ist ein von dem Kopfstückvolumen 13 (Fig. 2 ) ausgegebener Luftstrom 30 aktiv gesteuert, um an dem Brennstoffvormischinjektionsring 48 und dessen Drallschaufeln 47 vorbeizuströmen. Wie in Fig. 15 schematisch gezeigt, wird ein aktiv gesteuerter Brennstoffström 31 durch die Endplatte 27 in den ringförmigen Brennstoffkanal 46 und von dort in den Brennstoffvormischinjektionsring 48 eingespeist und tritt aus den Brennstoffauslassöffnungen 49 aus, die durch die Drallschaufeln 47 hindurch ausgebildet sind. Der von den Brennstoffauslassöffnungen 49 ausgeworfene Brennstoff wird in den radial aussen liegenden Luftkanal 50 eingespeist, um Brennstoff und Luft in dem radial aussen liegenden Luftkanal 50 stromaufwärts der Brennkammerreaktionszone 32 vorzumischen. Während der Luftstrom 30 gegen die Luftdrallschaufeln 47 gelenkt wird, wird der Luft ein Verwirbelungsmuster verliehen, und dieses Verwirbelungsmuster fördert die Vermischung der Luft mit dem primären Brennstoff, der von den Brennstoffauslassöffnungen 49 der Luftdrallschaufeln 47 in den vorbeiströmenden Luftstrom ausgeworfen wird. Das Luft/Brennstoff-Gemisch, das den radial aussen liegenden Luftkanal 50 verlässt, strömt in die Brennkammerreaktionszone 32, wo es verbrannt wird.

[0065] Wie in Fig. 15 schematisch gezeigt, gleiten die von hinten her beschickte Ölkartusche 37 (die optional einen gasförmigen Brennstoff anstelle eines flüssigen Öls verwenden kann) und der sie umgebende von hinten her beschickte Vormisch-Pilotzylinder 35 in den hohlen Innenraum 51, der durch die innere zylindrische Wand 54 des zentralen Körpers 44 definiert ist, und der Vormisch-Pilotflansch 29 wird über eine Dichtung 21 zwischen dem Vormisch-Pilotflansch 29 und der Endplatte 27 mit einer Endplatte 27 der Brennkämmeranordnung 16 verbunden. Die zylindrische Brennstoffkartusche 36 definiert einen zentralen Brennstoffkanal 37, durch den eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Brennstoff in der stromabwärts verlaufenden Richtung strömt, wie schematisch durch das Bezugszeichen 31 gezeigt. Wie in Fig. 15 schematisch gezeigt, ist ein aktiv gesteuerter Luftstrom 30 durch den Vormisch-Pilotflansch 27 hindurch bereitgestellt und strömt in dem ringförmigen Kanal, der zwischen der Aussenfläche der zylindrischen Brennstoffkartusche 36 und der Innenfläche des von hinten her beschickten Vormisch-Pilotzylinders 35 gebildet ist, stromabwärts. Wie in Fig. 15 schematisch gezeigt, ist der Vormisch-Pilotbrennstoff 31 aktiv gesteuert, um in das Brennstoffrohr 45 zu strömen, das mit dem stromaufwärtigen Ende der Brennstoff-Vormisch-Pilotdüse 60 verbunden ist. Wie in einem Querschnitt in Fig. 15 schematisch gezeigt, tritt der Brennstoff 31 von dem Brennstoffrohr 45 in jeden Vormischkanal 61 über einen Brennstoffeinlass 62 ein, der in der radial innen angeordneten Wand ausgebildet ist, die jeden Vormischkanal 61 bildet, um in jeden Vormischkanal 61 unmittelbar stromabwärts der Einfüllöffnung 61a jenes Vormischkanals 61 Brennstoff einzuspritzen, um ein maximales Mischen des Brennstoffs und der Luft zu fördern, die sich in den Vormischkanälen 61 stromabwärts bewegt. In dieser Weise nimmt der Luftstrom 30, der in die Einfüllöffnung 61a jedes Vormischkanals 61 in der Vormisch-Pilotdüse 60 eintritt, Brennstoff 31, der in jeden Vormischkanal 61 eingespeist ist, mit und mischt sich mit diesem und ist einer fortgesetzten Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches unterworfen, während sich das Brennstoff/Luft-Gemisch in den Vormischkanälen 61 stromabwärts bewegt.

[0066] In jedem Ausführungsbeispiel der hier beschriebenen Vormisch-Pilotdüse 60 wird das Brennstoff/Luft-Gemisch, das die Auslassöffnung 61b jedes Vormischkanals 61 verlässt, gründlich vermischt und verbrennt daher wirkungsvoller, um eine kleine, gut verankerte vorgemischte Flamme in der Nähe der Basis der Brennstoffdüse 12 zu schaffen, so dass das wirbelnde Brennstoff/Luft-Gemisch, das die Brennstoffdüse 12 verlässt, dadurch verankert wird. Die verbesserte Flammenstabilität gestattet einen Betrieb mit einem geringeren Brennstoff/Luft-Verhältnis, so dass das LBO- und das Betriebsfenster des Gasturbinensystems 10 unterhalb von 3 ppm NOx-Emissionen erweitert wird. Die Anpassbarkeit für sowohl passive Luft- als auch passive Brennstoffeinspeisungen gestattet eine sehr einfache Konstruktion, die kostengünstiger ist.

[0067] Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschliesslich der besten Ausführungsart zu beschreiben und um ausserdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, 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 enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.

[0068] Eine Einrichtung zum Injizieren von vorgemischtem Brennstoff und Luft durch einen zentralen Grundkörper und in die Verbrennungszone einer Gasturbine enthält eine Brennstoffinjektordüse mit einer Vormisch-Pilotdüse, die mehrere Vormischkanäle aufweist, die mit einer Luftzufuhr und einer Brennstoffzufuhr strömungsmässig verbunden sind, die Luft und Brennstoff in den Vormischkanälen vormischt. Die Einrichtung weist entweder eine aktive oder passive Brennstoffeinspeisungssteuerung auf. Brennstoff kann in die Einrichtung entweder herkömmlich oder über einen von hinten her beschickten Kreislaufs eingespeist werden, der in die Ölkartusche integriert ist. Brennstoff kann passiv über einen Brennstoffkanal zugeführt sein, der den Dralldüsenbrennstoffsammelraum mit den Vormischkanälen verbindet. In einer Abwandlung kann Brennstoff von der Ölkartusche her in die Vormischkanäle eingespeist werden.

Bezugszeichenliste

[0069] <tb>10<SEP>Gasturbinensystem <tb>12<SEP>Brennstoffdüsenanordnungen <tb>13<SEP>Kopfstückvolumen <tb>14<SEP>Brennstoffzufuhr <tb>16<SEP>Brennkammeranordnung <tb>18<SEP>Turbine <tb>20<SEP>Abgasauslass <tb>21<SEP>Dichtung <tb>22<SEP>Welle <tb>23<SEP>Luftansaugöffnung <tb>24<SEP>Verdichter <tb>25<SEP>Düsenflansch <tb>26<SEP>Diffusorauslass <tb>27<SEP>Endplatte <tb>28<SEP>Last <tb>29<SEP>Pilotflansch für von hinten her beschickte Pilotdüse <tb>30<SEP>Luftstrom in Fig. 6 <tb>31<SEP>Brennstoffström in Fig. 6 , 11 <tb>32<SEP>Brennkammerreaktionszone <tb>33<SEP>Mittellinie <tb>34<SEP>Mittelachse des axialen Vormischkanals Fig. 12 , 13 , 14 <tb>35<SEP>von hinten her beschickte Vormisch-Pilotzylinder <tb>36<SEP>Brennstoffkartusche <tb>37<SEP>zentraler Brennstoffkanal <tb>38<SEP>sich axial erstreckende periphere Wand <tb>40<SEP>Lufteinlassöffnung <tb>42<SEP>Düsenauslass <tb>43<SEP>Hilfsluftkanäle <tb>44<SEP>zentraler Grundkörper <tb>45<SEP>Brennstoffrohr <tb>46<SEP>ringförmiger Brennstoffkanal <tb>47<SEP>Drallschaufeln <tb>48<SEP>Brennstoffvormischinjektionsring (Dralldüse) <tb>49<SEP>Brennstoffauslassöffnungen <tb>50<SEP>radial aussen liegender Luftkanal <tb>51<SEP>hohler Innenraum des zentralen Körpers 44 <tb>52<SEP>radiale Brennstoffkanäle in den Brennstoffvormischinjektionsring 48 <tb>53<SEP>innerer Kanal der Vormisch-Pilotdüse 60 <tb>54<SEP>innere zylindrische Wand bildet hohlen Innenraum 51 des zentralen Körpers 44 <tb>55<SEP>sich axial erstreckende Brennstoffkanäle <tb>56<SEP>Luftsammelraum <tb>57<SEP>radiale Luftzufuhrrohre <tb>58<SEP>stromaufwärtige Endplatte <tb>59<SEP>Brennstoffeinlassrohr <tb>60<SEP>Vormisch-Pilotdüse <tb>61<SEP>Vormischkanäle in der Vormisch-Pilotdüse 60 <tb>61a<SEP>Einfüllöffnung <tb>61b<SEP>Auslassöffnung <tb>62<SEP>Brennstoffeinlass <tb>62a<SEP>sekundärer Brennstoffeinlass <tb>63<SEP>Brennstoffsammelräum <tb>64<SEP>Vormischrohre <tb>65a<SEP>stromaufwärtige Endplatte <tb>65b<SEP>stromabwärtige Endplatte <tb>66<SEP> <tb>67<SEP>Einlass der Vormisch-Pilotdüse 60 <tb>68<SEP>Auslass der Vormisch-Pilotdüse 60 <tb>69<SEP>

Claims (10)

1. Brennstoffinjektor für eine Gasturbine, zu dem gehören: a) eine sich axial erstreckende periphere Wand, die eine äussere Hüllkurve des Injektors definiert, wobei die Wand eine Innenfläche aufweist, die einen sich axial erstreckenden inneren Hohlraum definiert; b) ein hohler, sich axial erstreckender zentraler Grundkörper, der in dem inneren Hohlraum des Injektors angeordnet ist, wobei der zentrale Körper durch ein stromaufwärtiges Ende und ein stromabwärtiges Ende gebildet ist, das axial entgegengesetzt zu dem stromaufwärtigen Ende angeordnet ist, wobei der zentrale Körper durch eine Aussenfläche und eine Innenfläche gebildet ist, die der Aussenfläche gegenüberliegt, wobei die Innenfläche einen sich axial erstreckenden inneren Kanal bildet; c) ein primärer Luftstromkanal, der durch einen Ringraum definiert ist, der zwischen der Aussenfläche des zentralen Körpers und der Innenfläche der peripheren Wand angeordnet ist; d) eine Dralldüse mit mehreren Drallschaufeln, die sich radial über den primären Luftstromkanal erstrecken, wobei mindestens eine der Drallschaufeln mindestens einen Brennstoffkanal bildet, der einen Einlass an einem seiner Enden und einen Auslass an einem gegenüberliegenden Ende davon aufweist, wobei der wenigstens eine Brennstoffkanal eingerichtet und angeordnet ist, um mit dem primären Luftstromkanal strömungsmässig verbunden zu sein; e) eine Vormisch-Pilotdüse mit einem stromaufwärtigen Ende, das mit dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers verbunden ist, wobei die Vormisch-Pilotdüse ein stromabwärtiges Ende aufweist, das axial entgegengesetzt zu dem stromaufwärtigen Ende der Vormisch-Pilotdüse angeordnet ist, wobei die Vormisch-Pilotdüse mehrere sich axial erstreckende, hohle Vormischkanäle definiert, wobei jeder Vormischkanal ein stromaufwärtiges Ende aufweist, das in der Nähe des stromabwärtigen Endes des zentralen Körpers angeordnet ist und eine Einfüllöffnung definiert, die einem Fluid gestattet, in den hohlen Vormischkanal zu strömen, wobei jeder Vormischkanal ein stromabwärtiges Ende aufweist, das axial entgegengesetzt zu dem stromaufwärtigen Ende des Vormischkanals angeordnet ist und das in der Nähe des stromabwärtigen Endes der Vormisch-Pilotdüse angeordnet ist, wobei jedes stromabwärtige Ende jedes Vormischkanals eine Auslassöffnung bildet, die es dem Fluid gestattet, den hohlen Vormischkanal zu verlassen; und f) ein Brennstoffzufuhrkanal mit einem stromaufwärtigen Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Brennstoffquelle verbunden zu werden, wobei der Brennstoffzufuhrkanal ein stromabwärtiges Ende aufweist, das an dem stromabwärtigen Ende des zentralen Körpers angeordnet ist und das mit den stromaufwärtigen Enden der mehreren Vormischkanäle strömungsmässig verbunden ist.

2. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei der zentrale Körper eine zentrisch symmetrische axiale Mittellinie aufweist, und wobei jeder Vormischkanal eine Vormischachse aufweist, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind, und wobei mindestens einer der Vormischkanäle ein abgewinkelter Vormischkanal ist, so dass die Vormischachse des wenigstens einen abgewinkelten Vormischkanals in Bezug auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers unter einem spitzen Winkel angeordnet ist; und/oder wobei der zentrale Körper eine Brennstoffkartusche enthält, die einen zentralen Brennstoffkanal definiert, durch den eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Brennstoff in der stromabwärts verlaufenden Richtung strömt.

3. Brennstoffinjektor nach Anspruch 2, wobei der spitze Winkel jedes abgewinkelten Vormischkanals eingerichtet und angeordnet ist, um der Strömungsrichtung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das der Auslassöffnung jedes Vormischkanals entströmt, eine radial nach innen gerichtete Komponente in einer Richtung zu verleihen, die auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers zuläuft.

4. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei die Dralldüse ausserdem mehrere Vorhanglufteinspeisungslöcher definiert, wobei jedes Vorhanglufteinspeisungsloch eingerichtet und angeordnet ist, um eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem primären Luftstromkanal und dem inneren Kanal des zentralen Körpers bereitzustellen; und/oder wobei die Einfüllöffnung jedes hohlen Vormischkanals mit dem inneren Kanal des zentralen Körpers strömungsmässig verbunden ist.

5. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei jeder der mehreren Vormischkanäle durch ein gesondertes Rohr definiert ist; und/oder wobei ein erster Satz von Vormischkanälen der mehreren Vormischkanäle in einer ersten kreisförmigen Gruppierung angeordnet ist, und wobei ein zweiter Satz von Vormischkanälen der mehreren Vormischkanäle in einer zweiten kreisförmigen Gruppierung angeordnet ist, die relativ zu der ersten kreisförmigen Gruppierung von Vormischkanälen radial innen angeordnet ist.

6. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei die Vormisch-Pilotdüse durch einen kompakten Metallgrundkörper gebildet ist, und wobei jeder der mehreren Vormischkanäle mittels einer gesonderten durch den Metallgrundkörper Bohrung/Öffnung gebildet ist.

7. Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, wobei der zentrale Körper eine zentrisch symmetrische axiale Mittellinie aufweist, und wobei jeder Vormischkanal eine Vormischachse aufweist, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind, und wobei mindestens einer der Vormischkanäle ein abgewinkelter Vormischkanal ist, so dass die Vormischachse des wenigstens einen abgewinkelten Vormischkanals in Bezug auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers unter einem spitzen Winkel angeordnet ist.

8. Brennstoffinjektor nach Anspruch 2, wobei der zentrale Körper eine zentrisch symmetrische axiale Mittellinie aufweist, und wobei jeder Vormischkanal eine Vormischachse aufweist, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind, und wobei mindestens einer der Vormischkanäle ein abgewinkelter Vormischkanal ist, so dass die Vormischachse des wenigstens einen abgewinkelten Vormischkanals in Bezug auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers unter einem spitzen Winkel angeordnet ist.

9. Brennstoffinjektor nach Anspruch 8, wobei der spitze Winkel jedes abgewinkelten Vormischkanals eingerichtet und angeordnet ist, um der Strömungsrichtung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das der Auslassöffnung jedes Vormischkanals entströmt, eine radial nach innen gerichtete Komponente in einer Richtung zu verleihen, die auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers zuläuft.

10. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, ferner mit einer inneren zylindrischen Wand, die im Innern des zentralen Körpers angeordnet ist und die einen hohlen Innenraum des zentralen Körpers definiert, durch den eine aktiv gesteuerte Zufuhr von Luft und/oder Brennstoff in der Lage ist, in der stromabwärts verlaufenden Richtung zu strömen; und/oder wobei der zentrale Körper eine zentrisch symmetrische axiale Mittellinie aufweist und jeder Vormischkanal eine Vormischachse aufweist, um die seine definierenden Wände konzentrisch gebildet sind, und wobei mindestens einer der Vormischkanäle ein abgewinkelter Vormischkanal ist, so dass die Vormischachse des wenigstens einen abgewinkelten Vormischkanals in Bezug auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers unter einem spitzen Winkel angeordnet ist; und/oder wobei der spitze Winkel jedes abgewinkelten Vormischkanals eingerichtet und angeordnet ist, um der Strömungsrichtung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das der Auslassöffnung jedes Vormischkanals entströmt, eine radial nach innen gerichtete Komponente in einer Richtung zu verleihen, die auf die zentrisch symmetrische axiale Mittellinie des zentralen Körpers zuläuft.