CH709499A2 - System zur Kühlung einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, und Verfahren zur Herstellung. - Google Patents

Abstract

Ein System (100) zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse (102) die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, umfasst eine Auskleidung (48), die einen Abgasströmungspfad innerhalb eines Brenners definiert, und eine Brennstoffeinspritzdüse (102), die sich durch die Auskleidung (48) erstreckt. Die Brennstoffeinspritzdüse (102) umfasst einen Hauptkorpus (104), der einen ringförmigen ersten Abschnitt (106) aufweist, der sich nach aussen von der Auskleidung (48) erstreckt, und einen zweiten Abschnitt (108) aufweist, der sich von dem ersten Abschnitt (106) nach innen in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt. Der Hauptkorpus (104) definiert einen Kühlkanal (126), der innerhalb des Hauptkorpus (104) vollständig umfangen ist und der sich zwischen dem ersten Abschnitt (106) und dem zweiten Abschnitt (108) erstreckt. Ein Kühllufteinlass (128) ist innerhalb des ringförmigen ersten Abschnitts (106) definiert und steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal (126). Ein Kühlluftauslass (130) steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal (126) und ist innerhalb des zweiten Abschnitts (108) stromabwärts von dem Kühllufteinlass (128) definiert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffeinspritzsystem für einen Brenner. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, und ein Verfahren zum Herstellen der Brennstoffeinspritzdüse.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Eine Gasturbine umfasst allgemein eine Verdichtersektion, eine Verbrennungssektion mit einem Brenner sowie eine Turbinensektion. Die Verdichtersektion erhöht schrittweise den Druck des Arbeitsfluids, um der Verbrennungssektion ein verdichtetes Arbeitsfluid zuzuführen. Das verdichtete Arbeitsfluid wird durch und/oder um eine Brennstoffdüse geleitet, die sich axial innerhalb des Brenners erstreckt. Ein Brennstoff wird in den Strom des verdichteten Arbeitsfluids eingespritzt, um ein brennfähiges Gemisch zu bilden.

[0003] Das brennfähige Gemisch wird innerhalb einer Brennkammer verbrannt, um Abgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur, einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Die Abgase strömen durch ein oder mehrere Auskleidungen oder Kanäle, die einen Heissgaspfad in die Turbinensektion definieren. Die Abgase dehnen sich aus, während sie durch die Turbinensektion strömen, um Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel kann die Ausdehnung der Abgase in der Turbinensektion eine Welle drehen, die mit einem Generator verbunden ist, um Elektrizität zu erzeugen.

[0004] Die Temperatur der Abgase beeinflusst direkt den therraodynamisehen Wirkungsgrad, die Konstruktionsmargen und die resultierenden Emissionen des Brenners. Zum Beispiel verbessern höhere Abgastemperaturen allgemein den thermodynamisehen Wirkungsgrad des Brenners. Jedoch können höhere Abgastemperaturen die Dissoziationsrate von zweiatomischem Stickstoff erhöhen, wodurch die Entstehung unerwünschter Emissionen, wie zum Beispiel Stickoxide (NOx), für eine bestimmte Verweildauer in dem Brenner erhöht wird. Umgekehrt reduziert eine niedrigere Abgastemperatur infolge einer verringerten Brennstoffzufuhr und/oder eines Teillastbetriebes (Drosselung) allgemein die chemischen Reaktionsraten der Abgase, wodurch die Entstehung von Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHCs) bei gleicher Verweildauer im Brenner verstärkt wird.

[0005] Um einen Ausgleich zwischen Gesamtemissionsverhalten und thermischem Wirkungsgrad des Brenners herzustellen, umfassen bestimmte Brenner-Bauformen mehrere Brennstoffeinspritzdüsen, die um die Auskleidung herum angeordnet und allgemein stromabwärts der primären Verbrennungszone positioniert sind. Die Brennstoffeinspritzdüsen erstrecken sich allgemein radial durch die Auskleidung, um eine Strömungsverbindung in das Abgasströmungsfeld hinein herzustellen. Diese Art von System ist dem Fachmann und/oder in der Gasturbinenbranche allgemein als Late Lean Injection (LLI) und/oder als axiale Brennstoffstaffelung bekannt.

[0006] Während des Betriebes wird ein Abschnitt des verdichteten Arbeitsfluids durch und/oder um jede der Brennstoffeinspritzdüsen und in das Abgasströmungsfeld hinein geleitet. Ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff von den Brennstoffeinspritzdüsen wird in den Strom des verdichteten Arbeitsfluids eingespritzt, um ein mageres oder luftreiches brennfähiges Gemisch bereitzustellen, das spontan verbrennt, wenn es sich mit den heissen Abgasen vermischt, wodurch die Brenntemperatur des Brenners erhöht wird, ohne eine entsprechende Verlängerung der Verweildauer der Abgase im Inneren der Brennkammer herbeizuführen. Infolge dessen kann der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad des Brenners erhöht werden, ohne das Gesamtemissionsverhalten zu verschlechtern.

[0007] Um das hohe Moment der Abgase innerhalb des Abgasströmungsfeldes zu überwinden, muss ein hohes Volumen verdichteter Luft durch die Brennstoffeinspritzdüse gerichtet werden, um den Brennstoff ausreichend in den Abgasstrom zu drücken. Zusätzlich oder alternativ muss der Brennstoff mit einem relativ hohen Druck zugeführt werden, um den Brennstoff ausreichend in das Abgasströmungsfeld zu drücken.

[0008] Zu aktuellen Lösungen zur Behebung dieser Probleme gehört, mindestens einen Abschnitt der Brennstoffeinspritzdüse radial nach innen durch die Auskleidung und in das Abgasströmungsfeld hinein zu führen. Jedoch setzt dieser Lösungsansatz die Brennstoffeinspritzdüsen den heissen Abgasen aus, wodurch die mechanische Lebensdauer der Komponente verkürzt werden kann und Verkokungsablagerungen entstehen können. Daher wäre ein verbessertes System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, von Nutzen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0009] Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt, oder ergeben sich aus der Beschreibung, oder können bei der Praktizierung der Erfindung in Erfahrung gebracht werden.

[0010] Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt. Das System umfasst eine Auskleidung, die mindestens teilweise einen Abgasströmungspfad innerhalb eines Brenners definiert. Eine Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung erstreckt sich durch die Auskleidung. Das System umfasst des Weiteren eine Brennstoffeinspritzdüse mit einem Hauptkorpus. Der Hauptkorpus erstreckt sich durch die Öffnung. Der Hauptkorpus umfasst einen ringförmigen ersten Abschnitt, der teilweise innerhalb der Öffnung angeordnet ist und der sich von der Auskleidung nach aussen erstreckt. Der Hauptkorpus umfasst ausserdem einen zweiten Abschnitt, der sich von dem ersten Abschnitt nach innen und in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt. Der Hauptkorpus definiert des Weiteren einen Kühlkanal, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist und der sich mindestens teilweise zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt. Ein Kühllufteinlass ist innerhalb des ringförmigen ersten Abschnitts definiert und steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal. Ein Kühlluftauslass steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal stromabwärts von dem Kühllufteinlass.

[0011] Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt. Das System umfasst eine Auskleidung, die einen Abgasströmungspfad innerhalb eines Brenners definiert, eine Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung, die sich durch die Auskleidung erstreckt, und eine Brennstoffeinspritzdüse. Die Brennstoffeinspritzdüse umfasst einen Hauptkorpus, der sich durch die Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung erstreckt. Der Hauptkorpus umfasst einen ringförmigen ersten Abschnitt, der teilweise innerhalb der Öffnung angeordnet ist und der sich von der Auskleidung nach aussen erstreckt. Der Hauptkorpus umfasst ausserdem einen zweiten Abschnitt, der sich von dem ersten Abschnitt nach innen in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt definieren einen Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang durch die Auskleidung. Die Brennstoffeinspritzdüse umfasst des Weiteren mehrere Verwirbelungsschaufeln, die innerhalb des Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang angeordnet sind. Der Hauptkorpus definiert des Weiteren einen Kühlkanal, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist und der sich zwischen dem ringförmigen ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt. Ein Kühllufteinlass ist innerhalb des ringförmigen ersten Abschnitts definiert. Der Kühllufteinlass steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal. Ein Kühlluftauslass steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal stromabwärts von dem Kühllufteinlass.

[0012] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, dass der Kühllufteinlass ausserhalb der Auskleidung positioniert ist.

[0013] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, dass der Kühlluftauslass an dem ersten Abschnitt oder dem zweiten Abschnitt angeordnet ist.

[0014] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, dass der zweite Abschnitt eine Innenwand, eine gegenüberliegende Aussenwand und eine Endwand umfasst, wobei der Kühlluftauslass eine Strömungsverbindung durch mindestens eine der Innenwand, der Aussenwand und der Endwand bereitstellt.

[0015] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, dass sich mindestens ein Abschnitt des Kühlkanals innerhalb des Hauptkorpus serpentinenförmig und/ oder schraubenförmig erstreckt.

[0016] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, dass der ringförmige erste Abschnitt und der zweite Abschnitt einen Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang durch die Brennstoffeinspritzdüse definieren.

[0017] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, dass der zweite Abschnitt des Hauptkorpus halbringförmig ist.

[0018] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, dass der zweite Abschnitt eine Aussenwand umfasst, die in Richtung eines Abgasströmungsfeldes gerichtet ist.

[0019] Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Brenner. Der Brenner umfasst eine Endabdeckung, die mit einem Aussengehäuse verbunden ist, eine Brennstoffdüse, die sich axial stromabwärts von der Endabdeckung erstreckt, eine Auskleidung, die sich stromabwärts von der Brennstoffdüse erstreckt und das mindestens teilweise einen Abgasströmungspfad durch den Brenner definiert. Eine Hochdrucksammelkammer wird mindestens teilweise durch die Endabdeckung und/oder das Aussengehäuse gebildet. Die Hochdrucksammelkammer umgibt mindestens teilweise die Auskleidung. Der Brenner umfasst des Weiteren ein System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich mindestens teilweise in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt. Das System umfasst eine Brennstoffeinspritzdüse, die sich durch die Auskleidung erstreckt. Die Brennstoffeinspritzdüse umfasst einen Hauptkorpus, der sich durch die Auskleidung erstreckt und der einen ringförmigen ersten Abschnitt umfasst, der sich radial nach aussen von der Auskleidung erstreckt, und einen zweiten Abschnitt umfasst, der sich radial nach innen von dem ersten Abschnitt in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt. Der Hauptkorpus umfasst des Weiteren einen Kühlkanal, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist. Der Kühlkanal erstreckt sich mindestens teilweise zwischen dem ringförmigen ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt. Ein Kühllufteinlass ist entlang des ringförmigen ersten Abschnitts definiert und stellt eine Strömungsverbindung zwischen der Hochdrucksammelkammer und dem Kühlkanal her. Ein Kühlluftauslass steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal stromabwärts von dem Kühllufteinlass und ist an dem zweiten Abschnitt positioniert.

[0020] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Brenners kann es von Vorteil sein, dass der Hauptkorpus ein oder mehrere Wärmeübertragungs-Verstärkungsmerkmale definiert, die entlang des Kühlkanals angeordnet sind.

[0021] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Brenners kann es von Vorteil sein, dass der Hauptkorpus einen Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang definiert, wobei die Brennstoffeinspritzdüse des Weiteren mehrere Drehschaufeln umfasst, die innerhalb des Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang angeordnet sind.

[0022] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Brenners kann es von Vorteil sein, dass der Kühllufteinlass ausserhalb der Auskleidung positioniert ist.

[0023] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Brenners kann es von Vorteil sein, dass der zweite Abschnitt eine Innenwand, eine gegenüberliegende Aussenwand und eine Endwand umfasst, wobei der Kühlluftauslass eine Strömungsverbindung durch mindestens eine der Innenwand, der Aussenwand und der Endwand bereitstellt.

[0024] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Brenners kann es von Vorteil sein, dass sich mindestens ein Abschnitt des Kühlkanals innerhalb des Hauptkorpus serpentinenförmig und/oder schraubenförmig erstreckt.

[0025] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Brenners kann es von Vorteil sein, dass der zweite Abschnitt des Hauptkorpus halbringförmig ist.

[0026] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Brenners kann es von Vorteil sein, dass der zweite Abschnitt eine Aussenwand umfasst, die in Richtung eines Abgasströmungsfeldes gerichtet ist.

[0027] Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Hauptkorpus einer Brennstoffeinspritzdüse, wobei der Hauptkorpus einen Kühlkanal definiert, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist, und ein Abschnitt des Hauptkorpus dafür eingerichtet ist, sich durch eine Verbrennungsauskleidung zu erstrecken und sich in ein Abgasströmungsfeld hinein zu erstrecken. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Bestimmen dreidimensionaler Informationen des Hauptkorpus, der den Kühlkanal umfasst, Umwandeln der dreidimensionalen Informationen in mehrere Slices, die eine Querschnittsschicht des Hauptkorpus definieren, und aufeinanderfolgendes Bilden jeder Schicht des Hauptkorpus durch Verschmelzen eines Metallpulvers mittels Laserenergie.

[0028] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Bestimmen dreidimensionaler Informationen des Hauptkorpus des Weiteren das Generieren eines dreidimensionalen Modells des Hauptkorpus umfasst.

[0029] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Bestimmen dreidimensionaler Informationen des Hauptkorpus des Weiteren das Generieren eines dreidimensionalen Modells des Hauptkorpus umfasst, der einen Kühllufteinlass umfasst, der in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal steht, und einen Kühlluftauslass umfasst, der in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal stromabwärts von dem Kühllufteinlass steht.

[0030] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Bestimmen dreidimensionaler Informationen des Hauptkorpus des Weiteren das Generieren eines dreidimensionalen Modells des Hauptkorpus umfasst, der mindestens ein Strömungsmerkmal umfasst, das innerhalb des Hauptkorpus entlang des Kühlkanals definiert ist.

[0031] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das aufeinanderfolgende Bilden jeder Schicht des Hauptkorpus durch Verschmelzen eines Metallpulvers mittels Laserenergie des Weiteren das Verschmelzen eines Metallpulvers umfasst, das mindestens eines von Cobaltchrom, HS188 und INCO 625 umfasst.

[0032] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das aufeinanderfolgende Bilden jeder Schicht des Hauptkorpus durch Verschmelzen eines Metallpulvers mittels Laserenergie des Weiteren das Verschmelzen eines Metallpulvers umfasst, das eine Teilchengrösse zwischen etwa 10 Mikrometern und etwa 75 Mikrometern aufweist.

[0033] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das aufeinanderfolgende Bilden jeder Schicht des Hauptkorpus durch Verschmelzen eines Metallpulvers mittels Laserenergie des Weiteren das Verschmelzen eines Metallpulvers umfasst, das eine Teilchengrösse zwischen etwa 15 Mikrometern und etwa 30 Mikrometern aufweist.

[0034] Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich mindestens teilweise in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt. Das System umfasst eine Auskleidung, die einen Abgasströmungspfad durch den Brenner definiert, eine Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung, die sich durch die Auskleidung erstreckt, und eine Brennstoffeinspritzdüse. Die Brennstoffeinspritzdüse umfasst einen Hauptkorpus, der sich durch die Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung erstreckt. Der Hauptkorpus umfasst einen ringförmigen ersten Abschnitt, der teilweise innerhalb der Öffnung angeordnet ist und der sich von der Auskleidung nach aussen erstreckt, und einen zweiten Abschnitt, der sich von dem ersten Abschnitt nach innen in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt. Der Hauptkorpus definiert des Weiteren mindestens einen Kühlkanal, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist und der sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt, einen Kühllufteinlass, der innerhalb des ringförmigen ersten Abschnitts definiert ist und der in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal steht, und einen Kühlluftauslass, der in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal stromabwärts von dem Kühllufteinlass steht. Der Hauptkorpus wird durch einen additiven Herstellungsprozess gebildet. Der additive Herstellungsprozess umfasst Folgendes: Bestimmen dreidimensionaler Informationen des Hauptkorpus, der den Kühlkanal umfasst, Umwandeln der dreidimensionalen Informationen in mehrere Slices, die eine Querschnittsschicht des Hauptkorpus definieren, wobei eine Leerstelle innerhalb mindestens einiger der Schichten definiert wird, die den Kühlkanal definiert, und aufeinanderfolgendes Bilden jeder Schicht des Hauptkorpus durch Verschmelzen eines Metallpulvers mittels Laserenergie.

[0035] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Systems kann es von Vorteil sein, dass der additive Herstellungsprozess ein Lasersinterprozess ist.

[0036] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Systems kann es von Vorteil sein, dass der additive Herstellungsprozess einen Direkt-Metalllasersinter (DMLS)-Prozess ist.

[0037] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Systems kann es von Vorteil sein, dass der Hauptkorpus mehrere Kühllufteinlässe und mehrere Kühlluftauslässe in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal definiert.

[0038] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Systems kann es von Vorteil sein, dass der Kühllufteinlass eine Strömungsverbindung in den Kühlkanal durch eine Aussenwand des Hauptkorpus herstellt.

[0039] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Systems kann es von Vorteil sein, dass sich der Kühlkanal innerhalb des Hauptkorpus im Wesentlichen schraubenförmig erstreckt.

[0040] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Systems kann es von Vorteil sein, dass sich der Kühlkanal innerhalb des Hauptkorpus im Wesentlichen serpentinenförmig erstreckt.

[0041] In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen des Systems kann es von Vorteil sein, dass der Hauptkorpus ein oder mehrere Strömungsmerkmale definiert, die entlang des Kühlkanals angeordnet sind.

[0042] Der Durchschnittsfachmann kann die Merkmale und Aspekte solcher und anderer Ausführungsformen anhand des Studiums der Spezifikation besser verstehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0043] Im restlichen Teil der Spezifikation wird ausführlicher eine vollständige und die Praktizierung der Erfindung ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung gegeben, einschliesslich der besten Art ihrer Durchführung, die sich an den Fachmann richtet und die auf die beiliegenden Figuren Bezug nimmt, in denen Folgendes dargestellt ist: <tb>Fig. 1<SEP>ist ein Funktionsblockschaubild einer beispielhaften Gasturbine innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 2<SEP>ist eine quergeschnittene Seitenansicht eines Abschnitts eines beispielhaften Rohrbrenners, der verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen kann; <tb>Fig. 3<SEP>ist eine quergeschnittene Seitenansicht eines Systems zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 4<SEP>ist eine quergeschnittene Unteransicht einer beispielhaften Brennstoffeinspritzdüse gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 5<SEP>ist eine quergeschnittene Seitenansicht eines Systems zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 6<SEP>ist eine quergeschnittene perspektivische Ansicht eines Abschnitts der beispielhaften Brennstoffeinspritzdüse, wie in Fig. 3 gezeigt, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 7<SEP>ist eine quergeschnittene perspektivische Ansicht eines Abschnitts der beispielhaften Brennstoffeinspritzdüse, wie in Fig. 3 gezeigt, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 8<SEP>ist eine quergeschnittene Ansicht eines beispielhaften Kühlkanals, der verschiedene Strömungsmerkmale umfasst, die innerhalb des Kühlkanals definiert sind, gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und <tb>Fig. 9<SEP>ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Hauptkorpusabschnitts einer Brennstoffeinspritzdüse veranschaulicht, wie in verschiedenen Ausführungsformen in den Fig. 2 – 8 gezeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0044] Wir gehen nun im Detail auf Ausführungsformen der Erfindung ein, wovon ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Zahlen- und Buchstabenbezeichnungen zum Verweisen auf Merkmale in den Zeichnungen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und in der Beschreibung wurden zum Verweisen auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung verwendet. Im Sinne des vorliegenden Textes können die Begriffe «erster», «zweiter» und «dritter» austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden; sie sind nicht dazu gedacht, Position oder Bedeutung der einzelnen Komponenten herauszustellen. Die Begriffe «stromaufwärts» und «stromabwärts» beziehen sich auf die relative Richtung mit Bezug auf die Fluidströmung in einem Fluidpfad. Zum Beispiel bezieht sich «stromaufwärts» auf die Richtung, aus der das Fluid strömt, und «stromabwärts» bezieht sich auf die Richtung, in die das Fluid strömt. Der Begriff «radial» bezieht sich auf die relative Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu einer axialen Mittelachse einer bestimmten Komponente verläuft, und der Begriff «axial» bezieht sich auf die relative Richtung, die im Wesentlichen parallel zu einer axialen Mittelachse einer bestimmten Komponente verläuft.

[0045] Jedes Beispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und nicht ihrer Einschränkung. Dem Fachmann leuchtet ein, dass verschiedene Modifizierungen und Variationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer bestimmten Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Daher ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifizierungen und Variationen umfasst, sofern sie in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen. Obgleich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Zweck der Veranschaulichung allgemein im Kontext eines Systems zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld eines in einer Gasturbine enthaltenen Rohrbrenners erstreckt, beschrieben werden, ist dem Durchschnittsfachmann klar, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf jeden Brenner angewendet werden können, der in eine beliebige Turbomaschine eingebaut ist, und nicht auf einen Rohrbrenner oder auf einen bestimmten Gasturbinentyp beschränkt sind, sofern nicht in den Ansprüchen etwas anders ausgesagt wird.

[0046] Wir wenden uns nun den Zeichnungen zu, wobei in allen Figuren identische Zahlen gleiche Elemente bezeichnen. Fig. 1 zeigt ein Funktionsblockschaubild einer beispielhaften Gasturbine 10, die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen kann. Wie gezeigt, umfasst die Gasturbine 10 allgemein eine Einlasssektion 12, die eine Reihe von Filtern, Kühlschlangen, Feuchtigkeitsabscheidern und/oder anderen Vorrichtungen zum Reinigen und sonstigen Aufbereiten eines Arbeitsfluids (beispielsweise Luft) 14, das in die Gasturbine 10 eintritt, umfassen kann. Das Arbeitsfluid 14 strömt in eine Verdichtersektion, wo ein Verdichter 16 das Arbeitsfluid 14 allmählich mit kinetischer Energie beaufschlagt, um ein verdichtetes Arbeitsfluid 18 zu erzeugen.

[0047] Das verdichtete Arbeitsfluid 18 wird mit einem Brennstoff 20 von einem Brennstoffversorgungssystem 22 vermischt, um ein brennfähiges Gemisch innerhalb eines oder mehrerer Brenner 24 zu bilden. Das brennfähige Gemisch wird verbrannt, um Abgase 26 zu erzeugen, die eine hohe Temperatur, einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Die Abgase 26 strömen durch eine Turbine 28 einer Turbinensektion, um Arbeit zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Turbine 28 mit einer Welle 30 verbunden sein, so dass die Rotation der Turbine 28 den Verdichter 16 antreibt, um das verdichtete Arbeitsfluid 18 zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Welle 30 die Turbine 28 mit einem Generator 32 verbinden, um Elektrizität zu erzeugen. Abgase 34 aus der Turbine 28 strömen durch eine Abgassektion 36, welche die Turbine 28 mit einem Abgaskamin 38 stromabwärts der Turbine 28 verbindet. Die Abgassektion 36 kann zum Beispiel einen (nicht gezeigten) Wärmerückgewinnungsdampfgenerator zum Reinigen und Abziehen zusätzlicher Wärme aus den Abgasen 34 vor dem Ablassen ins Freie umfassen.

[0048] Der Brenner 24 kann eine beliebige dem Fachmann bekannte Art von Brenner sein, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Brennerbauweise beschränkt, sofern nicht in den Ansprüchen etwas anders ausgesagt wird. Zum Beispiel kann der Brenner 24 ein Rohrbrenner oder ein Rohrringbrenner sein. Fig. 2 zeigt eine quergeschnittene Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Gasturbine 10, die einen Abschnitt des Verdichters 16 und einen beispielhaften Rohrbrenner 24 umfasst. Wie in Fig. 2 gezeigt, umgibt ein Aussengehäuse 40 mindestens einen Abschnitt des Brenners 24. Eine Endabdeckung 42 ist mit dem Aussengehäuse 40 an einem Ende des Brenners 24 gekoppelt. Die Endabdeckung 42 und das Aussengehäuse 40 definieren allgemein eine Hochdrucksammelkammer 44. Die Hochdrucksammelkammer 44 empfängt das verdichtete Arbeitsfluid 18 von dem Verdichter 16.

[0049] Mindestens eine Brennstoffdüse 46 erstreckt sich axial stromabwärts von der Endabdeckung 42 innerhalb des Aussengehäuses 40. Eine Auskleidung 48 erstreckt sich stromabwärts von der Brennstoffdüse 46 innerhalb des Aussengehäuses 40. Die Auskleidung 48 ist allgemein ringförmig und erstreckt sich mindestens teilweise durch die Hochdrucksammelkammer 44, so dass mindestens teilweise ein Abgasströmungspfad 50 innerhalb des Brenners 24 definiert wird, um die Abgase 26 durch die Hochdrucksammelkammer 44 in Richtung der Turbine 28 zu führen (Fig. 1 ).

[0050] Die Auskleidung 48 kann eine einstückige Auskleidungsein oder kann in separate Komponenten unterteilt sein. Zum Beispiel kann die Auskleidung 48 aus einer Verbrennungsauskleidung 52, die nahe der Brennstoffdüse 46 angeordnet ist, und einem Übergangskanal 54, der sich stromabwärts der Verbrennungsauskleidung 52 erstreckt, bestehen. Die Auskleidung 48 und/oder der Übergangskanal 54 können so geformt sein, dass der Strom der Abgase 26 durch den Abgasströmungspfad 50 stromaufwärts einer Stufe stationärer Düsen (nicht gezeigt), die nahe einem Einlass der Turbine 28 innerhalb des Abgasströmungspfades 50 angeordnet sind, beschleunigt wird. Eine Brennkammer 56 ist stromabwärts von der Brennstoffdüse 46 definiert. Die Brennkammer 56 kann mindestens teilweise durch die Auskleidung 48 definiert werden. Wie gezeigt, definieren oder bilden die Abgase 26 ein Abgasströmungsfeld 58 innerhalb des Abgasströmungspfades 50 stromabwärts der Brennkammer 56 während des Betriebes des Brenners 24.

[0051] Die Auskleidung 48 umfasst allgemein eine Innenwand 60, eine gegenüberliegende Aussenwand 62 und eine Injektoröffnung 64, die sich durch die Innenwand 60 und die Aussenwand 62 erstreckt. Die Injektoröffnung 64 sorgt für eine Strömungsverbindung durch die Auskleidung 48. Wie gezeigt, kann die Auskleidung 48 mehrere Injektoröffnungen 64 umfassen, die um die Auskleidung 48 stromabwärts von der Brennstoffdüse 46 und/oder der Brennkammer 56 angeordnet sind.

[0052] In bestimmten Ausführungsformen, wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst der Brenner 24 ein System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld 58 erstreckt, im vorliegenden Text als «System 100» bezeichnet. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das System die Auskleidung 48 und mindestens eine Brennstoffeinspritzdüse 102, die für eine Strömungsverbindung durch die Auskleidung 48 und in das Abgasströmungsfeld 58 sorgt. Die Brennstoffeinspritzdüse 102 kann für eine Strömungsverbindung durch die Auskleidung 48 an jedem beliebigen Punkt sorgen, der stromabwärts von der Brennstoffdüse 46 und/oder der Brennkammer 56 liegt.

[0053] Fig. 3 zeigt eine quergeschnittene Seitenansicht des Systems 100, die einen Abschnitt der Auskleidung 48 und der Brennstoffeinspritzdüse 102 umfasst, wie in Fig. 2 gezeigt, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 3 gezeigt, umfasst die Brennstoffeinspritzdüse 102 einen Hauptkorpus 104. Der Hauptkorpus 104 kann während der Herstellung einstückig hergestellt werden. Somit hat der Hauptkorpus 104 einen monolithischen Aufbau und unterscheidet sich von einer Komponente, die aus mehreren Einzelteilen gesteht, die miteinander hartverlötet, verschweisst oder auf sonstige Weise zu einer einzigen Komponente miteinander verbunden werden.

[0054] In einer Ausführungsform umfasst der Hauptkorpus 104 einen ersten Abschnitt 106, der im Wesentlichen ringförmig ist, und einen zweiten Abschnitt 108, der sich nach innen von dem ersten Abschnitt 106 entlang einer Mittelachse 110 der Brennstoffeinspritzdüse 102 erstreckt. Der erste Abschnitt 106 ist nach der Montage teilweise innerhalb der Injektoröffnung 64 angeordnet. Der erste Abschnitt erstreckt sich entlang der Mittelachse 110 nach aussen von der Auskleidung 48, so dass der erste Abschnitt 106 im Wesentlichen ausserhalb des Abgasströmungsfeldes 58 positioniert ist. Zum Beispiel kann der erste Abschnitt 106 an und/oder neben der Innenwand 60 der Auskleidung 48 enden. Der zweite Abschnitt 108 endet an einer Endwand 112, die durch den Hauptkorpus 104 definiert wird.

[0055] Nach der Montage erstreckt sich der zweite Abschnitt 108 von dem ersten Abschnitt 106 entlang der Mittelachse 110 nach innen von der Innenwand der Auskleidung 48, so dass mindestens ein Abschnitt des zweiten Abschnitt 108, einschliesslich der Endwand 112, innerhalb des Abgasströmungspfades 50 (Fig. 2 ) und/oder in dem Abgasströmungsfeld 58 positioniert wird. In bestimmten Ausführungsformen, wie in Fig. 3 gezeigt, ist der zweite Abschnitt 108 halbringförmig. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Abschnitt 108 komplett ringförmig sein.

[0056] Der Hauptkorpus 104 umfasst eine Innenwand oder -seite 114 und eine gegenüberliegende Aussenwand oder -seite 116. Die Innen- und Aussenwände 114, 116 erstrecken sich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 106, 108. Die Innenwand 114 definiert mindestens teilweise einen Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang 118 durch die Brennstoffeinspritzdüse 102. Ein Einlass 120 ist an einem stromaufwärtigen Ende des Hauptkorpus 104 definiert. Der Einlass 120 bildet eine Strömungsverbindung in den Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang 118. In bestimmten Ausführungsformen ist der zweite Abschnitt 108 allgemein so ausgerichtet, dass die Aussenwand 116 zu dem oder in das Strömungsfeld 58 der Abgase 26 weist.

[0057] In einer Ausführungsform steht der Einlass 120 in Strömungsverbindung mit der Hochdrucksammelkammer 44 (Fig. 2 ) und/oder einer sonstigen Verdichtungsluftquelle, um das verdichtete Arbeitsfluid 18 zu dem Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang 118 zu leiten. In bestimmten Ausführungen ist ein Injektor 122 innerhalb des Verbrennungsluft-Strömungsdurchgangs 118 angeordnet. Der Injektor 122 steht in Strömungsverbindung mit einer Brennstoffquelle, wie zum Beispiel der Brennstoffzufuhr 22 (Fig. 2 ). Die Brennstoffquelle kann dem Injektor 122 einen flüssigen und/oder einen gasförmigen Brennstoff 20 bereitstellen. Der Injektor 122 ist dafür eingerichtet, während des Betriebes des Brenners 24 einen Strom, ein Spray oder einen Strahl des Brennstoffs 20 in den Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang 118 einzuspritzen.

[0058] Fig. 4 zeigt eine quergeschnittene Unteransicht der Brennstoffeinspritzdüse 102 gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In einer Ausführungsform, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, erstrecken sich mehrere Verwirbelungsschaufein 124 innerhalb des Verbrennungsluft-Strömungsdurchgangs 118. In bestimmten Ausführungsformen können sich die Verwirbelungsschaufein 124 zwischen dem Injektor 122 und der Innenwand 114 erstrecken. Die Verwirbelungsschaufeln 124 können dafür eingerichtet sein, der verdichteten Luft 18 oder dem Arbeitsfluid einen Winkeldrall um die Mittelachse 110 zu verleihen, während sie bzw. es durch den Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang 118 strömt, so dass das Vermischen mit dem Brennstoff 20 vor dem Einspritzen in das Abgasströmungsfeld 58 verbessert wird.

[0059] In einer Ausführungsform, wie in Fig. 3 gezeigt, definiert der Hauptkorpus 104 mindestens einen Kühlkanal 126. Der Kühlkanal 126 ist innerhalb des Hauptkorpus 104 vollständig umfangen. Wie in Fig. 3 gezeigt, erstreckt sich der Kühlkanal 126 zwischen dem ersten Abschnitt 106 und dem zweiten Abschnitt 108. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Kühlkanal 126 vollständig zwischen der Innenwand 114 und der Aussenwand 116 definiert.

[0060] In bestimmten Ausführungsformen kann der Hauptkorpus 104, der den Kühlkanal 126 oder Kühlkanal 126 umfasst, durch additive Herstellungsverfahren oder -prozesse gebildet werden, wodurch eine höhere Genauigkeit und/oder feinere Details innerhalb des Kühlkanals 126 ermöglicht werden, als früher mit herkömmlichen Herstellungsprozessen gebildet werden konnten. Im Sinne des vorliegenden Textes umfassen die Begriffe «additiv hergestellt» oder «additive Herstellungstechniken oder -prozesse» beispielsweise verschiedene bekannte 3D-Druckherstellungsverfahren wie zum Beispiel Extrusionsabscheidungs-, Draht-, Granulatmaterialbindung-, Pulverbett-und Tintenstrahlkopf-3D-Druck, Laminierung und Photopolymerisation.

[0061] In bestimmten Ausführungsformen ist ein Kühllufteinlass 128 innerhalb des ersten Abschnitts 106 des Hauptkorpus 104 definiert. Der Kühllufteinlass 128 steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal 126. In bestimmten Ausführungsformen bildet der Kühllüfteinlass 128 eine Strömungsverbindung zwischen einer Verdichtungsluftzufuhr wie zum Beispiel der Hochdrucksammelkammer 44 (Fig. 2 ) und dem Kühlkanal 126. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Kühllüfteinlass 128 ausserhalb der Auskleidung 48 und/oder ausserhalb des Abgas-Strömungspfades 50 positioniert.

[0062] In bestimmten Ausführungsformen definiert der Hauptkorpus 104 mindestens einen Kühlluftauslass 130, der in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal 126 stromabwärts von dem Kühllufteinlass 128 steht. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Kühlluftauslass 130 innerhalb des zweiten Abschnitts 108 des Hauptkorpus 104 definiert. In einer Ausführungsform, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, ist der Kühlluftauslass 130 an der Endwand 112 angeordnet oder definiert, so dass eine Strömungsverbindung von dem Kühlkanal durch die Endwand 112 bereitstellt wird.

[0063] In einer Ausführungsform ist der Kühlluftauslass 130 an der Aussenwand 116 entlang des zweiten Abschnitts 108 angeordnet oder definiert, so dass eine Strömungsverbindung von dem Kühlkanal durch die Aussenwand 116 bereitstellt wird. In einer Ausführungsform ist der Kühlluftauslass 130 an der Innenwand 114 entlang des zweiten Abschnitts 108 angeordnet oder definiert, so dass eine Strömungsverbindung von dem Kühlkanal durch die Innenwand 114 bereitstellt wird. In bestimmten Ausführungsformen definiert der Hauptkorpus 104 mehrere der Kühlluftauslässe 130, wobei die Kühlluftauslässe eine Strömungsverbindung durch mindestens eine der Innenwand 114, der Aussenwand 116 und der Endwand 112 bereitstellen.

[0064] Fig. 5 zeigt eine quergeschnittene Seitenansicht des Systems 100, die einen Abschnitt der Auskleidung 48 und der Brennstoffeinspritzdüse 102 umfasst, wie in Fig. 2 gezeigt, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann sich mindestens ein Kühlkanal 126 von dem ersten Abschnitt 106 des Hauptkorpus 104 in den zweiten Abschnitt 108 und zurück in den ersten Abschnitt 106 erstrecken. Der Kühlluftauslass 130 ist entlang des ersten Abschnitts 106 definiert. Infolge dessen kann das verdichtete Arbeitsfluid 18 durch den Hauptkorpus 102 zum Kühlen geleitet werden und dann zurück in die Hochdrucksammelkammer 44 geleitet werden und/oder in Richtung eines Kopfendes des Brenners 24 geleitet werden, wo es zum Vormischen mit Brennstoff 20 von der axial verlaufenden Brennstoffdüse 46 und/oder zum Kühlen anderer Brennerkomponenten verwendet werden kann.

[0065] Fig. 6 und 7 zeigen teilweise quergeschnittene perspektivische Ansichten eines Abschnitts des Hauptkorpus 104 gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In einer Ausführungsform, wie in Fig. 6 gezeigt, erstreckt sich der Kühlkanal 126 schraubenförmig 134 innerhalb des zweiten Abschnitts 108. In dieser Ausführungsform können der oder die Kühlluftauslässe 130 entlang mindestens einer der Innenwand 114, der Aussenwand 116 und der Endwand 112 angeordnet sein. In einer Ausführungsform, wie in Fig. 7 gezeigt, kann sich der Kühlkanal 126 innerhalb des zweiten Abschnitts 108 allgemein Serpentinen- oder schraubenförmig 134 erstrecken. In dieser Ausführungsform können der oder die Kühlluftauslässe 130 entlang mindestens einer der Innenwand 114, der Aussenwand 116 und der Endwand 112 angeordnet sein.

[0066] Fig. 8 zeigt eine quergeschnittene Ansicht eines beispielhaften Kühlkanals 126 gemäss einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 7 gezeigt, können ein oder mehrerer Strömungsmerkmale 136 innerhalb des Kühlkanals 126 definiert sein. Das oder die Strömungsmerkmale 136 können konkave oder konvexe Grübchen 138, Rippen 140, Schlitze 142, Nuten 144 oder andere Merkmale zum Verbessern der Kühlwirkung der verdichteten Luft 18 und/oder der Strömung des verdichteten Arbeitsfluids 18 durch den oder die Kühlkanäle 126 umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen werden das oder die Strömungsmerkmale 136 mittels eines oder mehrerer zuvor besprochener additiver Herstellungsverfahren, -techniken oder -prozesse gebildet, wodurch eine höhere Genauigkeit und/oder feinere Details innerhalb des Kühlkanals 126 ermöglicht werden, als früher mit herkömmlichen Herstellungsprozessen gebildet werden konnten.

[0067] Während des Betriebes, wie in den Fig. 2 – 8 veranschaulicht, werden Brennstoff und verdichtete Luft 18 in dem Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang 118 vermischt, um ein brennfähiges Gemisch zu bilden. Das brennfähige Gemisch kann dank der Positionierung des zweiten Abschnitts 108 des Hauptkorpus 104 tief in das Abgasströmungsfeld 58 eindringen. Jedoch können, während die Abgase 26 über den zweiten Abschnitt 108 strömen, thermische Spannungen die mechanische Lebensdauer der Brennstoffeinspritzdüse 102 deutlich reduzieren. Um die thermischen Spannungen zu reduzieren, wird verdichtetes Arbeitsfluid 18, wie zum Beispiel Luft, in den Kühlkanal 126 über den Kühllufteinlass 128 geleitet. Das verdichtete Arbeitsfluid 18 strömt durch den Kühlkanal 126, wodurch thermische Energie von dem zweiten Abschnitt 108 entfernt wird, indem die Innen-, Aussen- und/oder Endwände 114, 116 bzw. 112 des zweiten Abschnitts 108 einer Konvektions- und/oder Aufprall- und/oder Leitungskühlung unterzogen werden. In bestimmten Ausführungsformen strömt das verdichtete Arbeitsfluid 18 über die Strömungsmerkmale 136 zum Verbessern der Kühlwirkung des verdichteten Arbeitsfluids 18, wodurch die mechanische Lebensdauer der Brennstoffeinspritzdüse 102 zusätzlich verlängert wird.

[0068] Herkömmliche LLI-Brennstoffeinspritzdüsen sind allgemein kostspielig herzustellen und/oder zu reparieren, da die herkömmlichen LLI-Brennstoffeinspritzdüse-Bauformen komplexe Baugruppen und das Zusammenfügen einer grossen Anzahl von Komponenten umfassen. Genauer gesagt, kann die Verwendung von Hartlötverbindungen die zum Herstellen solcher Komponenten benötigte Zeit verlängern und kann auch den Fertigungsprozess verkomplizieren, was folgende Gründe haben kann: die Notwendigkeit einer geeigneten Region zum Ablagern der Hartlötlegierung; die Notwendigkeit des Minimierens eines unerwünschten Hartlötlegierungsflusses; die Notwendigkeit einer akzeptablen Inspektionstechnik zum Verifizieren der Hartlötqualität; und die Notwendigkeit, verschiedene Hartlötlegierungen verfügbar zu haben, um das Wiederschmelzen früherer Hartlötverbindungen zu verhindern. Darüber hinaus können zahlreiche Hartlötverbindungen eine Reihe von Hartlötbahnen zur Folge haben, was den Grundwerkstoff der Komponente schwächen kann. Das Vorhandensein zahlreicher Hartlötverbindungen kann das Gewicht und die Herstellungskosten der Komponente in unerwünschtem Masse erhöhen.

[0069] Um Kosten und Gewicht zu reduzieren und den Kühlkanal 126 und/oder das Strömungsmerkmal 136 wie beschrieben bereitzustellen, kann der Hauptkorpus 104 mittels eines additiven Herstellungsprozesses hergestellt werden. In einer Ausführungsform ist der additive Herstellungsprozess des Direkt-Metalllasersinterns (DMLS) ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des im vorliegenden Text beschriebenen Hauptkorpus 104.

[0070] Fig. 9 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens 200 zur Herstellung des Hauptkorpus 104 veranschaulicht, wie im vorliegenden Text beschrieben und in den Fig. 2 – 7 gezeigt. Das Verfahren 200 umfasst das Herstellen mindestens der Hauptkorpus 104 der Brennstoffeinspritzdüse 100 mittels des Direkt-Metall-Lasersinter (DMLS)-Prozesses.

[0071] DMLS ist ein bekannter Herstellungsprozess zum Fertigen von Metallkomponenten mittels dreidimensionaler Informationen, zum Beispiel eines dreidimensionalen Computermodells der Komponente. Die dreidimensionalen Informationen werden in mehrere Slices umgewandelt, wobei jede Slice einen Querschnitt der Komponente für eine zuvor festgelegte Höhe der Slice definiert. Die Komponente wird dann Slice um Slice oder Schicht um Schicht «aufgebaut», bis sie fertig ist. Jede Schicht der Komponente wird durch Verschmelzen eines Metallpulvers mittels eines Lasers gebildet.

[0072] Dementsprechend umfasst das Verfahren 200 den Schritt 202 des Bestimmens dreidimensionaler Informationen des Hauptkorpus 104 und den Schritt 204 des Umwandelns der dreidimensionalen Informationen in mehrere Slices, wobei jede Slice eine Querschnittsschicht des Hauptkorpus 104 definiert. Der Hauptkorpus 104 wird dann mittels DMLS hergestellt, oder genauer gesagt: jede Schicht wird nacheinander durch Verschmelzen eines Metallpulvers mittels Laserenergie gebildet 206. Jede Schicht hat eine Grösse zwischen etwa 0,0005 Inch und etwa 0,001 Inch. Infolge dessen kann bzw. können der oder die Kühlkanäle 126 vollständig umfangen innerhalb des Hauptkorpus 104 definiert werden. Ausserdem kann bzw. können der oder die Kühlkanäle 126 und/oder die Strömungsmerkmale 136 in früher nicht herstellbaren und/oder zu kostenintensiven Strukturen und/oder Formen ausgebildet werden.

[0073] Der Hauptkorpus 104 kann mittels beliebiger geeigneter Lasersintermaschinen hergestellt werden. Zu Beispielen geeigneter Lasersintermaschinen gehören eine EOSINTTM M 270 DMLS-Maschine, eine PHENIX PM250-Maschine und/oder eine EOSINTTM M 250 Xtended DMLS-Maschine, die bei der Firma EOS of North America, Inc. aus Novi, Michigan, bezogen werden können. Das zur Herstellung des Hauptkorpus 104 verwendete Metallpulver ist bevorzugt ein Pulver, das Cobaltchrom enthält, kann aber auch jedes sonstige geeignete Metallpulver sein, wie zum Beispiel HS 1888 und INC0625. Das Metallpulver kann eine Teilchengrösse von zwischen etwa 10 Mikrometern und 74 Mikrometern haben, bevorzugt zwischen etwa 15 Mikrometern und etwa 30 Mikrometern.

[0074] Obgleich das Verfahren zur Herstellung des Hauptkorpus 104, der den oder die Kühlkanäle 126 und die Strömungsmerkmale 136 umfasst, im vorliegenden Text unter Verwendung von DMLS als dem bevorzugten Verfahren beschrieben wurde, erkennt der einschlägig bewanderte Fachmann, dass auch alle anderen geeigneten Rapid-Manufacturing-Verfahren, die mit Schicht-für-Schicht-Aufbau oder additiver Fertigung arbeiten, verwendet werden können. Zu diesen alternativen Rapid-Manufacturing-Verfahren gehören beispielsweise Selektives Lasersintern (SLS), 3D-Drucken, wie zum Beispiel durch Tintenstrahlen und Laserstrahlen, Stereolithografie (SLS), Direktes Selektives Lasersintern (DSLS), Elektronenstrahlsintern (EBS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Laser-Engineered Net Shaping (LENS), Laser Net Shape Manufacturing (LNSM) und Direktmetallabscheidung (DMD).

[0075] Die verschiedenen Ausführungsformen, die im vorliegenden Text beschrieben und in den Fig. 1 – 8 veranschaulicht sind, stellen verschiedene technische Vorteile gegenüber vorhandenen Produktionssystemen zum Einspritzen von Brennstoff in ein Abgasströmungsfeld bereit. Zum Beispiel stützen sich herkömmliche Brennstoffeinspritzdüsen oder «Late Lean»-Brennstoffeinspritzdüsen auf ein korrektes Brennstoff/Luft-Moment, das die Brennstoffeinspritzdüse verlässt, um in den Querstrom oder das Abgasströmungsfeld einzudringen, um optimale Emissionen und Langlebigkeit der Hardware zu erhalten. Dank der mittels der additiven Herstellungsprozesse gebildeten Kühlkanäle können die Brennstoffeinspritzdüsen tief in das Abgasströmungsfeld eingeführt werden, was eine präzise Anordnung eines brennfähigen Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Verbrennungsgasströmungsfeldes ermöglicht. Infolge dessen reagieren die im vorliegenden Text vorgestellten Brennstoffeinspritzdüsen nicht so empfindlich auf die Motorenlast wie Brennstoffeinspritzdüsen aus aktueller Produktion. Zusätzlich oder alternativ erlaubt die Herstellung des Hauptkorpus 104 mittels des additiven Herstellungsprozesses kompliziertere und/oder komplexere Kühlkanalstrukturen, als mittels der vorhandenen Herstellungsverfahren hergestellt werden konnten. Ausserdem reduziert der additiv hergestellte Hauptkorpus 104 mögliche Undichtigkeiten und andere mögliche unerwünschte Effekte, die entstehen, wenn mehrere Komponenten hartgelötet oder auf sonstige Weise miteinander verbunden werden, um den oder die Kühlkanäle 126 zu bilden.

[0076] Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschliesslich des besten Modus, und auch zu dem Zweck, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung zu praktizieren, einschliesslich der Herstellung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und der Ausführung jeglicher hierin aufgenommener Verfahren. Der patentfähige Schutzumfang des im vorliegenden Text beschriebenen Gegenstandes wird durch die Ansprüche definiert und kann auch andere Beispiele umfassen, die dem Fachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente umfassen, die sich nur unwesentlich vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden.

[0077] Ein System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, umfasst eine Auskleidung, die einen Abgasströmungspfad innerhalb eines Brenners definiert, und eine Brennstoffeinspritzdüse, die sich durch die Auskleidung erstreckt. Die Brennstoffeinspritzdüse umfasst einen Hauptkorpus, der einen ringförmigen ersten Abschnitt aufweist, der sich nach aussen von der Auskleidung erstreckt, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der sich von dem ersten Abschnitt nach innen in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt. Der Hauptkorpus definiert einen Kühlkanal, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist und der sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt. Ein Kühllufteinlass ist innerhalb des ringförmigen ersten Abschnitts definiert und steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal. Ein Kühlluftauslass steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal und ist innerhalb des zweiten Abschnitts stromabwärts von dem Kühllufteinlass definiert.

Bezugszeichenliste

[0078] <tb>10<SEP>Gasturbine <tb>12<SEP>Einlasssektion <tb>14<SEP>Arbeitsfluid <tb>16<SEP>Verdichter <tb>18<SEP>Verdichtetes Arbeitsfluid <tb>20<SEP>Brennstoff <tb>22<SEP>Brennstoffzufuhr <tb>24<SEP>Brenner <tb>26<SEP>Abgase <tb>28<SEP>Turbine <tb>30<SEP>Welle <tb>32<SEP>Generator/Motor <tb>34<SEP>Abgase <tb>36<SEP>Abgassektion <tb>38<SEP>Abgaskamin <tb>40<SEP>Aussengehäuse <tb>42<SEP>Endabdeckung <tb>44<SEP>Hochdrucksammelkammer <tb>46<SEP>Axial verlaufende Brennstoffdüse <tb>48<SEP>Auskleidung <tb>50<SEP>Abgasströmungspfad <tb>52<SEP>Verbrennungsauskleidung <tb>54<SEP>Übergangskanal <tb>56<SEP>Brennkammer <tb>58<SEP>Abgasströmungsfeld <tb>60<SEP>Innenwand <tb>62<SEP>Aussenwand <tb>64<SEP>Injektoröffnung <tb>65–99<SEP>NICHT VERWENDET <tb>100<SEP>System <tb>102<SEP>Brennstoffeinspritzdüse <tb>104<SEP>Hauptkorpus <tb>106<SEP>Erster Abschnitt <tb>108<SEP>Zweiter Abschnitt <tb>110<SEP>Mittelachse <tb>112<SEP>Endwand <tb>114<SEP>Innenwand <tb>116<SEP>Aussenwand <tb>118<SEP>Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang <tb>120<SEP>Einlass <tb>122<SEP>Injektor <tb>124<SEP>Verwirbelungsschaufein <tb>126<SEP>Kühlkanal <tb>128<SEP>Kühllufteinlass <tb>130<SEP>Kühlluftauslass <tb>132<SEP>Schraubenform <tb>134<SEP>Serpentinenform <tb>136<SEP>Strömungsmerkmal <tb>138<SEP>Grübchen <tb>140<SEP>Rippe <tb>142<SEP>Schlitz <tb>144<SEP>Nut <tb>145-199<SEP>NICHT VERWENDET <tb>200<SEP>Verfahren <tb>202<SEP>Schritt <tb>204<SEP>Schritt <tb>206<SEP>Schritt

Claims (10)

1. System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, das Folgendes umfasst: eine Auskleidung, die einen Abgasströmungspfad definiert; eine Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung, die sich durch die Auskleidung erstreckt; eine Brennstoffeinspritzdüse mit einem Hauptkorpus, der sich durch die Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung erstreckt, wobei der Hauptkorpus einen ringförmigen ersten Abschnitt aufweist, der teilweise innerhalb der Öffnung angeordnet ist und sich nach aussen von der Auskleidung erstreckt, und einen zweiten Abschnitt auf-weist, der sich von dem ersten Abschnitt nach innen in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt; und wobei der Hauptkorpus des Weiteren Folgendes definiert: einen Kühlkanal, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist und sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt; einen Kühllufteinlass, der innerhalb des ringförmigen ersten Abschnitts definiert ist, wobei der Kühllufteinlass in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal steht; und einen Kühlluftauslass in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal stromabwärts von dem Kühllufteinlass.

2. System nach Anspruch 1, wobei der Kühllufteinlass ausserhalb der Auskleidung positioniert ist und/oder der Kühlluftauslass an dem ersten Abschnitt oder dem zweiten Abschnitt angeordnet ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Abschnitt eine Innenwand, eine gegenüberliegende Aussenwand und eine Endwand umfasst, wobei der Kühlluftauslass eine Strömungsverbindung durch mindestens eine der Innenwand, der Aussenwand und der Endwand bereitstellt.

4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich mindestens ein Abschnitt des Kühlkanals innerhalb des Hauptkorpus serpentinenförmig und/oder schraubenförmig erstreckt, und/oder wobei der ringförmige erste Abschnitt und der zweite Abschnitt einen Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang durch die Brennstoffeinspritzdüse definieren.

5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt des Hauptkorpus halbringförmig ist und/oder der zweite Abschnitt eine Aussenwand umfasst, die in Richtung eines Abgasströmungsfeldes gerichtet ist.

6. System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, das Folgendes umfasst: eine Auskleidung, die einen Abgasströmungspfad definiert; eine Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung, die sich durch die Auskleidung erstreckt; eine Brennstoffeinspritzdüse mit einem Hauptkorpus, der sich durch die Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung erstreckt, wobei der Hauptkorpus einen ringförmigen ersten Abschnitt aufweist, der teilweise innerhalb der Öffnung angeordnet ist und sich nach aussen von der Auskleidung erstreckt, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der sich von dem ersten Abschnitt nach innen in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt einen Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang durch die Auskleidung definieren, wobei die Brennstoffeinspritzdüse des Weiteren mehrere Verwirbelungsschaufein umfasst, die innerhalb des Verbrennungsluft-Strömungsdurchgang angeordnet sind; und wobei der Hauptkorpus des Weiteren Folgendes definiert: einen Kühlkanal, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist und der sich zwischen dem ringförmigen ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt; einen Kühllufteinlass, der innerhalb des ringförmigen ersten Abschnitts definiert ist, wobei der Kühllufteinlass in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal steht; und einen Kühlluftauslass in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal stromabwärts von dem Kühllufteinlass.

7. Brenner für eine Gasturbine, der Folgendes umfasst: eine Endabdeckung, die mit einem Aussengehäuse verbunden ist; eine Brennstoffdüse, die sich axial stromabwärts von der Endabdeckung erstreckt; eine Auskleidung, die sich stromabwärts von der Brennstoff düse erstreckt, wobei die Auskleidung mindestens teilweise einen Abgasströmungspfad durch den Brenner definiert; und eine Hochdrucksammelkammer, die die Auskleidung umgibt; und ein System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld innerhalb der Auskleidung hinein erstreckt, wobei das System eine Brennstoffeinspritzdüse aufweist, die sich durch die Auskleidung erstreckt, wobei die Brennstoffeinspritzdüse einen Hauptkorpus umfasst, der sich durch die Auskleidung erstreckt, wobei der Hauptkorpus einen ringförmigen ersten Abschnitt aufweist, der sich radial nach aussen von der Auskleidung erstreckt, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der sich radial nach innen von dem ersten Abschnitt in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt, wobei der Hauptkorpus des Weiteren Folgendes umfasst: einen Kühlkanal, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist und der sich zwischen dem ringförmigen ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt; einen Kühllufteinlass, der an dem ringförmigen ersten Abschnitt definiert ist, wobei der Kühllufteinlass für eine Strömungsverbindung zwischen der Hochdrucksammelkammer und dem Kühlkanal bereitstellt ist; und einen Kühlluftauslass in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal stromabwärts von dem Kühllufteinlass, wobei der Kühlluftauslass an dem zweiten Abschnitt positioniert ist.

8. Brenner nach Anspruch 7, wobei der Hauptkorpus ein oder mehrere Wärmeübertragungsverstärkungs-Merkmale definiert, die entlang der Kühlkanäle angeordnet sind.

9. Verfahren zum Herstellen eines Hauptkorpus einer Brennstoffeinspritzdüse, wobei der Hauptkorpus einen Kühlkanal definiert, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist, wobei ein Abschnitt des Hauptkorpus dafür eingerichtet ist, sich durch eine Verbrennungsauskleidung zu erstrecken und sich in ein Abgasströmungsfeld hinein zu erstrecken, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmen dreidimensionaler Informationen des Hauptkorpus, der den Kühlkanal umfasst; Umwandeln der dreidimensionalen Informationen in mehrere Slices, die eine Querschnittsschicht des Hauptkorpus definieren; und aufeinanderfolgendes Bilden jeder Schicht des Hauptkorpus durch Verschmelzen eines Metallpulvers mittels Laserenergie oder Elektronenstrahlenergie.

10. System zum Kühlen einer Brennstoffeinspritzdüse, die sich in ein Abgasströmungsfeld hinein erstreckt, das Folgendes umfasst: eine Auskleidung, die einen Abgasströmungspfad definiert; eine Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung, die sich durch die Auskleidung erstreckt; eine Brennstoffeinspritzdüse mit einem Hauptkorpus, der sich durch die Brennstoffeinspritzdüsen-Öffnung erstreckt, wobei der Hauptkorpus einen ringförmigen ersten Abschnitt aufweist, der teilweise innerhalb der Öffnung angeordnet ist und sich nach aussen von der Auskleidung erstreckt, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der sich von dem ersten Abschnitt nach innen in den Abgasströmungspfad hinein erstreckt; und wobei der Hauptkorpus des Weiteren Folgendes definiert: einen Kühlkanal, der innerhalb des Hauptkorpus vollständig umfangen ist und sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt; einen Kühllufteinlass, der innerhalb des ringförmigen ersten Abschnitts definiert ist, wobei der Kühllufteinlass in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal steht; einen Kühlluftauslass in Strömungsverbindung mit dem Kühlkanal stromabwärts von dem Kühllufteinlass; und wobei der Hauptkorpus durch einen additiven Herstellungsprozess gebildet wird, wobei der additive Herstellungsprozess Folgendes umfasst: Bestimmen dreidimensionaler Informationen des Hauptkorpus, der den Kühlkanal umfasst; Umwandeln der dreidimensionalen Informationen in mehrere Slices, die eine Querschnittsschicht des Hauptkorpus definieren, wobei eine Leerstelle, die einen Abschnitt des Kühlkanals darstellt, innerhalb mindestens einiger der Schichten definiert ist, die den Kühlkanal definiert; und aufeinanderfolgendes Bilden jeder Schicht des Hauptkorpus durch Verschmelzen eines Metallpulvers mittels Laserenergie oder Elektronenstrahlenergie.