DE102007034737A1 - Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Steuerung des Brennstoffzustroms zu einer Mischeinheit einer Gasturbinenbrennkammer - Google Patents

Abstract

Einrichtung (200) zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms von einer Brennstoffpumpe (202) zu einer Mischeinrichtung (100) einer Gasturbinentriebwerkskammer (26), wobei die Mischeinrichtung (100) einen Pilotmischer (102) und einen Hauptmischer (104) enthält. Zu dem Pilotmischer (102) gehören ferner ein ringförmiges Pilotgehäuse (108) mit einem hohlen Innenraum, ein primärer Brennstoffinjektor (110), der in dem Pilotgehäuse (108) eingebaut ist und dazu angeordnet ist, in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses (108) Brennstofftröpfchen auszugeben, (und) mehrere axiale Turbulenzerzeuger (112, 114), die stromaufwärts des primären Brennstoffinjektors (110) angeordnet sind. Die Brennstoffzustromsteuereinrichtung (200) enthält ferner: wenigstens einen Sensor (218) zum Erfassen des dynamischen Drucks in der Brennkammer (26); eine Brennstoffdüse (68) und ein System (204) zum Steuern eines mittels der Brennstoffdüse (68) durch die Ventile (184, 186, 188) hindurch zugeführten Brennstoffzustroms. Die Brennstoffdüse (68) enthält: einen Einspeisungsstreifen (178) mit mehreren Kreisläufen (180, 182, 183) zum Zuführen von Brennstoff zu dem Pilotmischer (102) und zu dem Hauptmischer (104) und mehrere Ventile (184, 186, 188), die der Brennstoffdüse (68) zugeordnet sind und mit dem Einspeisungsstreifen (178) derselben in Strömungsverbindung stehen. Das Steuerungssystem (204) aktiviert die Ventile (184, 186, 188) in Abhängigkeit von Signalen (216), die von dem Drucksensor (218) her ...

Description

• HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft ein gestuftes Verbrennungssystem, bei dem die Entstehung unerwünschter Verbrennungsproduktkomponenten mittels der Triebwerksbetriebsweise auf ein Minimum begrenzt ist, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms zu einer Mischeinrichtung, die einen Pilotmischer mit einem primären Brennstoffinjektor und sekundären Brennstoffinjektionseinlässen enthält.
• Die gegenwärtige Bedeutung einer Minimierung der Entstehung und des Ausstoßes von Gasen, die zu Smog und sonstigen unerwünschten Umweltbedingungen beitragen, insbesondere der durch Verbrennungsmotoren emittierten Gase, brachte unterschiedliche Gasturbinentriebwerksbrennkammerkonstruktionen hervor, die mit dem Ziel entwickelt wurden, die Entstehung und den Ausstoß derartiger unerwünschter Verbrennungsproduktkomponenten zu reduzieren. Andere, die Brennkammerkonstruktion beeinflussende Faktoren betreffen den Wunsch von Anwendern von Gasturbinentriebwerken nach einem effizienten, wirtschaftlichen Betrieb, der einem Bedarf nach einem reduzierten Brennstoffverbrauch entspricht, während die Ausgangsleistung des Triebwerks gleichzeitig aufrecht erhalten oder sogar gesteigert wird. Aus diesem Grund beinhalten wichtige Konstruktionskriterien für Verbrennungssysteme von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken das Vorsehen hoher Verbrennungstemperaturen, um unter unterschiedlichen Triebwerksbetriebsbedingungen sowohl einen hohen thermische Wirkungsgrad als auch die Minimierung unerwünschter Verbrennungsbedingungen zu erzielen, die zur Emission von Partikeln und unerwünschten Gasen und zur Emission von Verbrennungsprodukten beitragen, die Präkursorsubstanzen für die Entstehung photochemischen Smogs sind.
• Vielfältige behördliche Regulierungsorgane haben Emissionsgrenzwerte für vertretbare Anteile an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxid (NO_x) festgesetzt, die als die Hauptverursacher für die Entstehung unerwünschter atmosphärischer Bedingungen identifiziert wurden. Demzufolge wurden unterschiedliche Brennkammerkonstruktionen entwickelt, um jenen Kriterien zu entsprechen. Beispielsweise basiert ein Weg zur Lösung des Problems einer Minimierung der Emission unerwünschter Gasturbinentriebwerksverbrennungsprodukte auf der Bereitstellung einer gestuften Verbrennung. In einer solchen Anordnung ist eine Brennkammer vorgesehen, in der für Bedingungen geringer Geschwindigkeit und niedriger Leistung ein Brenner einer ersten Stufe verwendet wird, um die Eigenschaften der Verbrennungsprodukte genauer zu steuern. Für Bedingungen höherer Ausgangsleistung ist eine Kombination des Brenners der ersten Stufe mit einem Brenner einer zweiten Stufe vorgesehen, während angestrebt wird, die Verbrennungsprodukte innerhalb der Emissionsgrenzwerte zu halten. Es ist einsichtig, dass ein Ausgleichen des Betriebs der Brenner der ersten und der zweiten Stufe zur Erzielung eines effizienten thermischen Betriebs des Triebwerks, während einer gleichzeitigen Minimierung der Entstehung unerwünschter Verbrennungsprodukte nur schwer zu erreichen ist. In dieser Hinsicht kann ein Betrieb bei niedrigen Verbrennungstemperaturen, um die Emissionen von NO_x zu senken, auch eine unvollständige oder teilweise unvollständige Verbrennung zur Folge haben, was zur Entstehung übermäßiger Anteile an HC und CO führen kann, während gleichzeitig weniger Ausgangsleistung erzeugt wird und der thermische Wirkungsgrad sinkt. Eine hohe Verbrennungstemperatur verbessert zwar den thermischen Wirkungsgrad und verringert den Anteil an HC und CO, bewirkt jedoch häufig einen höheren Ausstoß an NO_x.
• Noch eine Möglichkeit, die vorgeschlagen wurde, um die Entstehung jener unerwünschten Verbrennungsproduktkomponenten auf ein Minimum zu reduzieren, basiert darauf, eine wirkungsvollere Vermischung des eingespritzten Brennstoffs und der Verbrennungsluft vorzusehen. In dieser Hinsicht wurden über die Jahre hinweg zahlreiche Mischeinrichtungskonstruktionen vorgeschlagen, um das Mischen des Brennstoffs und der Luft zu verbessern. Auf diese Weise erfolgt die Verbrennung in dem gesamten Gemisch einheitlich und reduziert den auf unvollständige Verbrennung zurückzuführenden Anteil an HC und CO. Allerdings entstehen unter Hochleistungsbedingungen, wenn die Flammentemperaturen hoch sind, auch mit einem verbesserten Mischen höhere Anteile von unerwünschtem NO_x.
• Eine in Gebrauch befindliche Mischeinrichtungskonstruktion ist als ringförmiger Zwillingsvormischturbulenzerzeuger (TAPS = Twin Annular Premixing Swirler) bekannt, der in den folgenden US-Patenten offenbart ist: 6 354 072 ; 6 363 726 ; 6 367 262 ; 6 381 964 ; 6 389 815 ; 6 418 726 ; 6 453 660 ; 6 484 489 ; und 6 865 889 . Es ist klar, dass die TAPS-Mischeinrichtung einen Pilotmischer, dem während des gesamten Turbinenumlaufzyklus Brennstoff zugeführt wird, und einen Hauptmischer enthält, dem lediglich während erhöhter Leistungsbedingungen des Turbinenumlaufzyklus Brennstoff zugeführt wird. Während in den Patentanmeldungen mit den Seriennummern 11/188 596, 11/188 598 und 11/188 470 Verbesserungen der Hauptmischeranordnung unter Hochleistungsbedingungen (d. h. während des Starts und Steigflugs) offenbart sind, besteht ein Bedarf nach einer Modifikation des Pilotmischers, um den Betrieb in sonstigen Bereichen des gesamten Triebwerksbetriebs (z. B. dem Leerlauf, dem Landeanflug und dem Reiseflug) zu verbessern, während der Wirkungsgrad der Verbrennung beibehalten wird.
• Um die Funktionalität und Flexibilität zu steigern, wurde der Pilotmischer in einer TAPS-Mischeinrichtung entwickelt und in einer Patentanmeldung mit dem Titel "Pilot Mixer For Mixer Assembly Of A Gas Turbine Engine Combustor Having A Primary Fuel Injector And A Plurality Of Secondary Fuel Injection Ports" offenbart. Diese Patentanmeldung, mit der S. Nr. 11/365 428 gehört dem Inhaber der vorliegenden Anmeldung, und auf die hier Bezug genommen ist. Während die '428-Anmeldung die physikalischen Ausführungsbeispiele des Pilotmischers betrifft, ist es klar, dass ein Bedarf nach einer Einrichtung und einem Verfahren besteht, die in der Lage sind, den Brennstoffzustrom zu einem solchen Pilotmischer sowie zu der gesamten Mischeinrichtung, die ihn enthält, aktiv zu steuern.
• Es ist allgemein bekannt, dass eine magere Vormischverbrennung einen Betrieb in Nähe der Mager-Blowout-Grenze erfordert, um Emissionen zu minimieren. Demzufolge ist es gewünscht, das Einsetzen eines mageren Blowouts zu erfassen, um den Betrieb der Brennkammer anpassen und einen mageren Blowout vermeiden zu können. Um niedrige Emissionen zu erreichen, muss die Vermischung von Luft und Brennstoff darüber hinaus äußerst wirkungsvoll erfolgen. Um dieses Mischen zu verbessern, wäre auch eine pulsierende Zufuhr von Brennstoff zu den Injektoren mit einer hohen Frequenz erwünscht.
• Weiter hat sich herausgestellt, dass magere Vormischverbrennung häufig hohe dynamische Druckpegel in der Brennkammer hervorruft. Die Verbrennungsdynamik ergibt sich aus einer Wechselwirkung zwischen der durch die Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches freigegebenen Wärme und den in der Kammer vorhandenen Druckschwankungen. Solche dynamischen Druckwerte können zu einer Hochleistungsermüdung und Beschädigung von Brennkammerkomponenten führen. Während schon früher Maßnahmen gegen die Effekte dynamischer Drücke auf die Brennkammer unternommen wurden, war damit im Allgemeinen das Vorsehen einer Aktivierung von Brennstoff oder Luft großer Bandbreite verbunden, um die mit akustischen Modi der Brennkammer verbundenen Druckpegel zu reduzieren.
• Somit besteht ein Bedarf, eine Gasturbinentriebwerksbrennkammer zu schaffen, bei der die Entstehung unerwünschter Verbrennungsproduktkomponenten über einen großen Bereich von Triebwerksbetriebsbedingungen hinweg auf ein Minimum begrenzt ist. Dementsprechend ist es erwünscht, dass der Pilotmischer einer verschachtelten Brennkammereinrichtung modifiziert wird, um einen primären Brennstoffinjektor und mehrere sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe zu enthalten. Es ist ebenfalls gewünscht, dass ein aktives Steuerungssystem und Verfahren geschaffen wird, das den Betrieb einer derartigen Mischeinrichtung verbessert, indem das Einsetzen einer Bedingung mageren Blowouts, sowie eines inakzeptablen Pegels des in der Brennkammer herrschenden dynamischen Drucks identifiziert wird, und diesem Einsetzen entgegengewirkt wird.
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• In einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Einrichtung zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms aus einer Brennstoffpumpe zu einer Mischeinrichtung einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer offenbart, wobei die Mischeinrichtung einen Pilotmischer und einen Hauptmischer enthält. Der Pilotmischer enthält ferner ein ringförmiges Pilotgehäuse mit einem hohlen Innenraum, einen in dem Pilotgehäuse eingebauten primären Brennstoffinjektor, der dazu eingerichtet ist, Brennstofftröpfchen in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses auszugeben, und mehrere stromaufwärts des primären Brennstoffinjektors angeordnete axiale Turbulenzerzeuger. Die Brennstoffzustromsteuereinrichtung enthält ferner: wenigstens einen Sensor, um den dynamischen Druck in der Brennkammer zu erfassen; eine Brennstoffdüse; und ein System zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms, der dem Pilotmischer und dem Hauptmischer der Mischeinrichtung durch die Brennstoffdüse zugeführt wird. Die Brennstoffdüse enthält ferner: einen Einspeisungsstreifen mit mehreren Kreisläufen zum Zuführen von Brennstoff zu dem Pilotmischer und zu dem Hauptmischer; und mehrere Ventile, die der Brennstoffdüse zugeordnet sind und mit deren Einspeisungsstreifen in Strömungsverbindung stehen. Das Steuerungssystem aktiviert die Ventile in Abhängigkeit von Signalen, die es von dem Drucksensor empfängt.
• In einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Einrichtung zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms aus einer Brennstoffpumpe zu einer Mischeinrichtung einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer offenbart, wobei die Mischeinrichtung einen Pilotmischer und einen Hauptmischer enthält. Der Pilotmischer enthält ferner ein ringförmiges Pilotgehäuse mit einem hohlen Innenraum, einen in dem Pilotgehäuse eingebauten primären Brennstoffinjektor, der dazu eingerichtet ist, Brennstofftröpfchen in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses auszugeben, mehrere stromaufwärts des primären Brennstoffinjektors angeordnete axiale Turbulenzerzeuger, und mehrere sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe zum Einbringen von Brennstoff in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses. Die Brennstoffzustromsteuereinrichtung enthält ferner: wenigstens einen Sensor, um den dynamischen Druck in der Brennkammer zu erfassen; eine Brennstoffdüse; und ein System zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms, der dem Pilotmischer und dem Hauptmischer der Mischeinrichtung durch die Brennstoffdüse zugeführt wird. Die Brennstoffdüse enthält ferner: einen Einspeisungsstreifen mit mehreren Kreisläufen zum Zuführen von Brennstoff zu dem primären Brennstoffinjektor des Pilotmischers, zu dem sekundären Brennstoffinjektionseinlässen des Pilotmischers und zu dem Hauptmischer; und mehrere Ventile, die der Brennstoffdüse zugeordnet sind und mit deren Einspeisungsstreifen in Strömungsverbindung stehen. Das Steuerungssystem aktiviert die Ventile in Abhängigkeit von Signalen, die es von dem Drucksensor empfängt.
• In einem dritten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms aus einer Brennstoffpumpe zu einer Mischeinrichtung einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer offenbart, wobei die Mischeinrichtung einen Pilotmischer und einen Hauptmischer enthält, wobei zu dem Pilotmischer ferner ein ringförmiges Pilotgehäuse mit einem hohlen Innenraum und einem primären Brennstoffinjektor gehören, der in dem Pilotgehäuse eingebaut und dazu angeordnet ist, in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses Brennstofftröpfchen auszugeben. Zu dem Verfahren gehören die folgenden Schritte: fortlaufendes Erfassen des dynamischen Drucks in einer Verbrennungskammer der Brennkammer; Ermitteln, ob eine Amplitude des erfassten dynamischen Drucks in der Brennkammer einen vorbestimmten Betrag überschreitet; und Ausgabe eines Signals an eine Brennstoffdüse, dem Pilotmischer in einer spezifizierten Weise Brennstoff zuzuführen, wenn die Druckamplitude den vorbestimmten Betrag überschreitet.
• In einem vierten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms aus einer Brennstoffpumpe zu einer Mischeinrichtung einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer offenbart, wobei die Mischeinrichtung einen Pilotmischer und einen Hauptmischer enthält, wobei zu dem Pilotmischer ferner gehören: ein ringförmiges Pilotgehäuse mit einem hohlen Innenraum, ein in dem Pilotgehäuse eingebauter primärer Brennstoffinjektor, der dazu eingerichtet ist, Brennstofftröpfchen in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses auszugeben, und mehrere sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe zum Einbringen von Brennstoff in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses. Zu dem Verfahren gehören die folgenden Schritte: fortlaufendes Erfassen des dynamischen Drucks in einer Verbrennungskammer der Brennkammer; Ermitteln, ob eine Amplitude des erfassten dynamischen Drucks in der Brennkammer einen vorbestimmten Betrag überschreitet; und Ausgabe eines Signals an eine Brennstoffdüse, den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen des Pilotmischers in einer spezifizierten Weise Brennstoff zuzuführen, wenn die Druckamplitude den vorbestimmten Betrag überschreitet.
• In einem fünften exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms aus einer Brennstoffpumpe zu einer Mischeinrichtung einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer offenbart, wobei die Mischeinrichtung einen Pilotmischer und einen Hauptmischer enthält, wobei zu dem Pilotmischer ferner ein ringförmiges Pilotgehäuse mit einem hohlen Innenraum und einem primären Brennstoffinjektor gehören, der in dem Pilotgehäuse eingebaut und dazu angeordnet ist, in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses Brennstofftröpfchen auszugeben. Zu dem Verfahren gehören die folgenden Schritte: fortlaufende Erfassung des dynamischen Drucks in einer Verbrennungskammer der Brennkammer; Ermitteln, ob eine Frequenz des erfassten dynamischen Drucks in der Brennkammer innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt; und Ausgabe eines Signals an eine Brennstoffdüse, dem Pilotmischer in einer spezifizierten Weise Brennstoff zuzuführen, wenn die Druckfrequenz innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
• In einem sechsten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms aus einer Brennstoffpumpe zu einer Mischeinrichtung einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer offenbart, wobei die Mischeinrichtung einen Pilotmischer und einen Hauptmischer enthält, wobei zu dem Pilotmischer ferner gehören: einringförmiges Pilotgehäuse mit einem hohlen Innenraum, ein in dem Pilotgehäuse eingebauter primärer Brennstoffinjektor, der dazu eingerichtet ist, Brennstofftröpfchen in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses auszugeben, und mehrere sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe zum Einbringen von Brennstoff in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses. Zu dem Verfahren gehören die folgenden Schritte: fortlaufende Erfassung des dynamischen Drucks in einer Verbrennungskammer der Brennkammer; Ermitteln, ob eine Frequenz des erfassten dynamischen Drucks in der Brennkammer innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt; und Ausgabe eines Signals an eine Brennstoffdüse, den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen des Pilotmischers in einer spezifizierten Weise Brennstoff zuzuführen, wenn die Druckfrequenz innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
• In einem siebten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms aus einer Brennstoffpumpe zu einer Mischeinrichtung einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer während mehrerer operativer Stufen offenbart, wobei die Mischeinrichtung einen Pilotmischer und einen Hauptmischer enthält, wobei zu dem Pilotmischer ferner gehören: ein ringförmiges Pilotgehäuse mit einem hohlen Innenraum, ein in dem Pilotgehäuse eingebauter primärer Brennstoffinjektor, der dazu eingerichtet ist, Brennstofftröpfchen in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses auszugeben, und mehrere sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe zum Einbringen von Brennstoff in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses. Zu dem Verfahren gehören die folgenden Schritte: Zuführen von Brennstoff lediglich zu dem primären Brennstoffinjektor und den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen des Pilotmischers während eines ersten Brennstoffzufuhrmodus; Zuführen von Brennstoff zu dem Pilotmischer und zu dem Hauptmischer in einer ersten spezifizierten Menge während eines zweiten Brennstoffzufuhrmodus; und Zuführen von Brennstoff zu dem Pilotmischer und zu dem Hauptmischer in einer zweiten spezifizierten Menge während eines dritten Brennstoffzufuhrmodus.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Zweikreisturbinentriebwerk mit hohem Mantelstrom;
• 2 zeigt eine Längsschnittansicht einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer mit einer gestuften Anordnung;
• 3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der in 2 dargestellten Mischeinrichtung;
• 4 zeigt eine Schnittansicht einer Brennstoffdüsenvorrichtung und der in 2 und 3 dargestellten Mischeinrichtung;
• 5 zeigt in einem Blockschaltbild ein System zum Zuführen eines Brennstoffstroms zu der in 2 und 3 dargestellten Mischeinrichtung;
• 6 zeigt in einem Blockschaltbild ein System zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms durch die in 4 dargestellte Brennstoffdüsenvorrichtung;
• 7 veranschaulicht in einem Flussdiagramm die operativen Schritte, die in einem Verfahren zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms durch die in 4 dargestellte Brennstoffdüsenvorrichtung zu der in 2 und 3 dargestellten Mischeinrichtung verwendet werden; und
• 8 zeigt in einer schematischen Ansicht, wie ein Brennstoffzustrom zu der in 2 und 3 dargestellten Mischeinrichtung während spezifizierter Stufen des Triebwerksbetriebs zugeführt wird.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen, in denen gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet sind, veranschaulicht 1 schematisch ein exemplarisches Gasturbinentriebwerk 10 (der Bauart mit hohem Mantelstrom), das im Verbindung mit einem Luftfahrzeug verwendet wird, das für Zwecke der Bezugnahme eine hindurch führende longitudinale oder axiale mittige Achse 12 aufweist. Das Triebwerk 10 enthält vorzugsweise ein im Wesentlichen mit Bezugszeichen 14 identifiziertes Gasturbinenkerntriebwerk und einen diesem vorgeschalteten Bläserabschnitt 16. Das Kerntriebwerk 14 weist gewöhnlich ein im Wesentlichen rohrförmiges Außengehäuse 18 auf, das einen ringförmigen Einlass 20 definiert. Das Außengehäuse 18 wiederum umhüllt und trägt einen Aufladeverdichter 22, der dazu dient, den Druck der in das Kerntriebwerk 14 eintretenden Luft auf einen ersten Druckpegel anzuheben. Ein mehrere Stufen aufweisender Hochdruck-Axialstromverdichter 24 nimmt Druckluft von dem Aufladeverdichter 22 auf und steigert den Druck der Luft weiter. Die Druckluft strömt zu einer Brennkammer 26, wo Brennstoff in den unter Druck gesetzten Luftstrahl injiziert wird, um die Temperatur und das Energieniveau der Druckluft zu erhöhen. Die hochenergetischen Verbrennungsprodukte strömen aus der Brennkammer 26 zu einer ersten (Hochdruck-)Turbine 28, um über eine erste (Hochdruck-)Antriebswelle 30 den Hockdruckkompressor 24 anzutreiben, und anschließend zu einer zweiten (Niederdruck-)Turbine 32, um den Aufladeverdichter 22 und die Bläserabschnitte 16 über eine zweite (Niederdruck-)Antriebswelle 34 anzutreiben, die koaxial zu der ersten Antriebswelle 30 ist. Nach dem Antreiben jede der Turbinen 28 und 32, verlassen die Verbrennungsprodukte das Kerntriebwerk 14 durch eine Schubdüse 36, um einen propulsiven Düsenstrahlschub zu erzeugen.
• Der Bläserabschnitt 16 enthält ein drehbares, Axialstrombläserlaufrad 38, das von einem ringförmigen Bläsergehäuse 40 umgeben ist. Es ist einsichtig, dass das Bläsergehäuse 40 durch mehrere im Wesentlichen radial sich erstreckende, in Umfangsrichtung beabstandete Auslassführungsschaufeln 42 von dem Kerntriebwerk 14 getragen wird. Auf diese Weise umhüllt das Bläsergehäuse 40 das Bläserlaufrad 38 und die Bläserlaufschaufeln 44. Der stromabwärts gelegene Abschnitt 46 des Bläsergehäuses 40 erstreckt sich über einen äußeren Abschnitt des Kerntriebwerks 14, um einen sekundären oder Mantelstromluftkanal 48 zu definieren, der zusätzlichen propulsiven Düsenstrahlschub erzeugt.
• Mit Blick auf die Strömung, ist es klar, dass ein durch den Pfeil 50 repräsentierter anfänglicher Luftstrom in das Gasturbinentriebwerk 10 durch einen Einlass 52 in das Bläsergehäuse 40 eintritt. Der Luftstrom 50 durchquert die Bläserschaufeln 44 und teilt sich in einen (durch den Pfeil 54 repräsentierten) ersten verdichteten Luftstrom, der den Kanal 48 durchströmt, und einen (durch den Pfeil 56 repräsentierten) zweiten verdichteten Luftstrom auf, der in den Aufladeverdichter 22 eintritt. Der Druck des zweiten verdichteten Luftstroms 56 wird erhöht und setzt sich, wie durch den Pfeil 58 gezeigt, in dem Hockdruckkompressor 24 fort. Nach dem Mischen mit Brennstoff und der Verbrennung in der Brennkammer 26 verlassen die Verbrennungsprodukte 60 die Brennkammer 26 und strömen durch die erste Turbine 28. Die Verbrennungsprodukte 60 durchströmen anschließend die zweite Turbine 32 und verlassen die Schubdüse 36, um dem Gasturbinentriebwerk 10 Schub zu verleihen.
• Wie am besten in 2 zu sehen, enthält die Brennkammer 26 eine gegenüber der Längsachse 12 koaxiale ringförmige Verbrennungskammer 62 sowie einen Einlass 64 und einen Auslass 66. Wie oben erwähnt, nimmt die Brennkammer 26 von einem Hockdruckkompressorauslass 69 einen ringförmigen Strom verdichteter Luft entgegen. Ein Teil dieser Verdichterluft strömt in eine Mischeinrichtung 67, wo außerdem aus einer Brennstoffdüse 68 Brennstoff eingespritzt wird, um mit der Luft vermischt zu werden und ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden, das der Verbrennungskammer 62 zur Verbrennung zugeführt wird. Die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches wird durch eine (nicht gezeigte) geeignete Zündvorrichtung bewirkt, und die sich ergebenden Verbrennungsgase 60 strömen in axialer Richtung zu einem ringförmigen Turbinenleitapparat 72 der ersten Stufe und in diesen hinein. Der Leitapparat 72 ist durch einen ringförmigen Strömungskanal definiert, der viele radial sich erstreckende, um den Umfang beabstandete Leitapparatschaufeln 74 aufweist die die Gase umlenken, so dass sie unter einem Winkel strömen und auf die Turbinenschaufeln der erste Stufe der Turbine 28 der ersten Stufe auftreffen. Wie in 1 gezeigt, treibt die erste Turbine 28 vorzugsweise den Hockdruckkompressor 24 über die erste Antriebswelle 30 an. Vorzugsweise treibt die Niederdruckturbine 32 den Aufladeverdichter 24 und das Bläserlaufrad 38 über die zweite Antriebswelle 34 an.
• Die Verbrennungskammer 62 ist in dem Triebwerksaußengehäuse 18 untergebracht und ist durch eine ringförmige äußere Brennkammerwand 76 und eine radial innen positionierte ringförmige innere Brennkammerwand 78 definiert. Die Pfeile in 2 zeigen die Richtungen, in denen die Verdichterluft im Inneren der Brennkammereinrichtung 26 strömt. Wie gezeigt, strömt ein Teil der Luft über die äußerste Oberfläche der äußeren Wand 76, ein Teil strömt in die Verbrennungskammer 62 und ein Teil strömt über die innerste Oberfläche der inneren Wand 78.
• Im Gegensatz zu herkömmlichen Konstruktionen, ist es bevorzugt, dass die äußere und innere Wand 76 bzw. 78 nicht mit einer Anzahl von Dilutionsöffnungen ausgebildet sind, die dazu dienen, dass zusätzliche Luft in die Verbrennungskammer 62 eintritt, um den Verbrennungsprozess zu vollenden, bevor die Verbrennungsprodukte in den Turbinenleitapparat 72 eintreten. Dies entspricht einer Patentanmeldung mit dem Titel "High Pressure Gas Turbine Engine Having Reduced Emissions" und der S. Nr. 11/188 483, die ebenfalls dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehört. Es ist jedoch klar, dass die äußere Wand 76 und die innere Wand 78 vorzugsweise mit (nicht gezeigten) mehreren kleineren, um den Umfang beabstandeten Kühlluftöffnungen ausgebildet ist, um einem Teil der längs ihrer äußersten Oberflächen strömenden Luft zu erlauben, in das Innere der Verbrennungskammer 62 zu strömen. Diese nach innen gerichteten Luftströme strömen entlang den der Verbrennungskammer 62 zugewandten Innenflächen der äußeren und inneren Wand 76 und 78, so dass dort entlang ein Kühlluftfilm gebildet wird.
• Es ist klar, dass mehrere sich axial erstreckende Mischeinrichtungen 67 in einer kreisförmigen Reihe an dem stromaufwärts gelegenen Ende der Brennkammer 26 angeordnet sind und in den Einlass 64 der ringförmigen Verbrennungskammer 62 ragen. Es ist ersichtlich, dass eine ringförmige Domplatte 80 sich nach innen und nach vorne erstreckt, um ein stromaufwärts gelegenes Ende der Verbrennungskammer 62 zu definieren, und dass darin mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Öffnungen ausgebildet sind, um die Mischeinrichtungen 67 aufzunehmen. Was diese betrifft, sind stromaufwärts liegende Ab schnitte sowohl der inneren als auch der äußeren Wand 76 bzw. 78 in einer radialen Richtung voneinander beabstandet und definieren einen äußeren Aufsatz 82 und einen inneren Aufsatz 84. Die Beabstandung zwischen den vordersten Enden des äußeren und inneren Aufsatzes 82 und 84 definiert den Brennkammereinlass 64, um eine Öffnung bereitzustellen, die es Verdichterluft ermöglicht, in die Verbrennungskammer 62 einzutreten.
• In 3 ist eine Mischeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Mischeinrichtung 100 enthält vorzugsweise einen Pilotmischer 102, einen Hauptmischer 104 und einen dazwischen angeordneten Hohlraum 106. Insbesondere ist es ersichtlich, dass der Pilotmischer 102 vorzugsweise ein ringförmiges Pilotgehäuse 108 mit einem hohlen Innenraum, sowie einen primäre Brennstoffinjektor 110 enthält, der in dem Gehäuse 108 eingebaut ist und dazu eingerichtet ist, Brennstofftröpfchen in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses 108 auszugeben. Darüber hinaus enthält der Pilotmischer 102 vorzugsweise einen ersten Turbulenzerzeuger 112, der an einer radial inneren Position in Nähe des primären Brennstoffinjektors 110 angeordnet ist, einen zweiten Turbulenzerzeuger 114, der an einer radial gegenüber dem ersten Turbulenzerzeuger 112 weiter außen liegenden Stelle angeordnet ist, und einen dazwischen positionierten Splitter 116. Wie gezeigt, erstreckt sich der Splitter 116 stromabwärts des primären Brennstoffinjektors 110, um an einem stromabwärts gelegenen Abschnitt ein Venturirohr 118 zu bilden. Es ist klar, dass der erste und zweite Pilotturbulenzerzeuger 112 und 114 im Wesentlichen parallel zu einer durch die Mischeinrichtung 100 verlaufenden Mittelachse 120 ausgerichtet sind und mehrerer Zwischenwände aufweisen, die dazu dienen, Luft zu verwirbeln, die sich durch diese hindurch be wegt. Während des Turbinenumlaufzyklus werden dem Pilotmischer 102 ständig Brennstoff und Luft zugeführt, so dass in einem zentralen Bereich der Verbrennungskammer 62 ein primärer Verbrennungsbereich 122 entsteht (siehe 2).
• Der Hauptmischer 104 enthält ferner ein ringförmiges Hauptgehäuse 124, das das Pilotgehäuse 108 radial umgibt und einen ringförmigen Hohlraum 126 definiert, mehrere Brennstoffinjektionseinlässe 128, die in den ringförmigen Hohlraum 126 Brennstoff einbringen, und eine allgemein mit dem Bezugszeichen 130 bezeichnete Turbulenzerzeugeranordnung. Die Turbulenzerzeugeranordnung 130 kann auf beliebigen Konstruktion basieren, wie sie einer Patentanmeldung mit dem Titel "Mixer Assembly For Combustor Of A Gas Turbine Engine Having A Plurality Of Counter-Rotating Swirlers" mit der S. Nr. 11/188 596 und einer Patentanmeldung mit dem Titel "Swirler Arrangement For Mixer Assembly Of A Gas Turbine Engine Combustor Having Shaped Passages" mit der S. Nr. 11/188 595 zu entnehmen sind, die beide dem Eigentümer der vorliegenden Erfindung gehören. Es geht jedoch aus 3 hervor, das die Turbulenzerzeuger-anordnung 130 vorzugsweise wenigstens einen stromaufwärts der Brennstoffinjektionseinlässe 128 angeordneten ersten Turbulenzerzeuger 144 enthält. Wie gezeigt, ist der erste Turbulenzerzeuger 144 vorzugsweise im Wesentlichen radial gegenüber der durch die Mischeinrichtung 100 verlaufenden Mittelachse 120 ausgerichtet. Es ist ersichtlich, dass der erste Turbulenzerzeuger 144 mehrere Zwischenwände 150 zum Verwirbeln der dazwischen strömenden Luft enthält. Da die Leitschaufeln 150 in Umfangsrichtung im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet sind, sind zwischen den benachbarten Leitschaufeln 150 mehrere im Wesentlichen gleichmäßige Durchlasskanäle definiert. Selbstverständlich kann der Turbulenzerzeuger 144 Leitschaufeln enthalten, die andere Konstruktionen aufweisen, um die Durchlasskanäle in einer gewünschten Weise zu bilden, wie es in der vorstehend erwähnten '595-Patentanmeldung offenbart ist.
• Die Turbulenzerzeugeranordnung 130 wird auch als mit einem zweitem Turbulenzerzeuger 146 versehen gezeigt, der stromaufwärts der Brennstoffinjektionseinlässe 128 angeordnet ist und vorzugsweise weitgehend parallel zu der Mittelachse 120 ausgerichtet ist. Der zweite Turbulenzerzeuger 146 enthält ferner mehrere Zwischenwände 152 zum Verwirbeln der dazwischen strömenden Luft. Obwohl die Leitschaufeln 152 im Wesentlichen gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandet veranschaulicht sind, um auf diese Weise dazwischen mehrere im Wesentlichen gleichmäßige Durchlasskanäle zu definieren, können solche Leitschaufeln 152 auch andere Konstruktionen aufweisen, um die Durchlasskanäle in einer gewünschten Weise zu gestalten.
• Der Hohlraum 106 ist, wie oben erwähnt, zwischen dem Pilotmischer 102 und dem Hauptmischer 104 angeordnet und enthält einen ersten Brennstoffverteiler 107, der mit einer Brennstoffquelle strömungsmäßig verbunden ist. Insbesondere definiert ein Zentralgrundkörperaußengehäuse 140 eine Außenfläche und eine hintere Fläche des Hohlraums 106, wobei das Pilotgehäuse 108 eine innere Oberfläche davon bildet. Die Brennstoffinjektionseinlässe 128 sind mit dem Brennstoffverteiler 107 strömungsmäßig verbunden und sind um das Zentralgrundkörperaußengehäuse 140 in Umfangsrichtung beabstandet. Wie aus 3 zu entnehmen, sind die Brennstoffinjektionseinlässe 128 vorzugsweise so positioniert, dass der Brennstoff in einem stromaufwärts gelegenen Ende des ringförmigen Hohlraums 126 zugeführt wird.
• Wenn dem Hauptmischer 104 Brennstoff zugeführt wird, entsteht in der Verbrennungskammer 62 ein ringförmiger, sekundärer Verbrennungsbereich 198, der von dem primären Verbrennungsbereich 122 radial nach außen beabstandet ist und diesen konzentrisch umgibt. Abhängig von der Größe des Gasturbinentriebwerks 10 können etwa zwanzig Mischeinrichtungen 100 in einer kreisförmigen Reihe an dem Einlass 64 der Verbrennungskammer 62 angeordnet sein.
• Wie aus 3 zu entnehmen, enthält der Pilotmischer 102 ferner vorzugsweise mehrere beabstandete sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe 134, durch die ebenfalls Brennstoff in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses 108 eingebracht wird. Es ist einsichtig, dass die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 vorzugsweise in Umfangsrichtung beabstandet um das Pilotgehäuse 108 in einer festgelegten Ebene 136 angeordnet sind, die die durch die Mischeinrichtung 100 verlaufende Mittelachse 120 schneidet. Während die Ebene 136, in der sich die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 befinden, als in einem sich erweiternden Abschnitt 138 des Pilotgehäuses 108 stromabwärts des Splitters 116 angeordnet gezeigt ist, ist es klar, dass eine Ebene, die derartige sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe 134 enthält, in der Nähe eines stromabwärts gelegenen Endes des Splitters 116 oder sogar stromaufwärts davon angeordnet sein kann. In der Tat kann die axiale Länge des Splitters 116 geändert werden, so dass sich dessen Lage gegenüber dem Ort der sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 ändern kann.
• In ähnlicher Weise ist die Ebene 136 als im Wesentlichen rechtwinklig gegenüber der Mittelachse 120 ausgerichtet dargestellt, jedoch können die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 so positioniert sein, dass die Ebene 136 schräg angeordnet ist, um je nach Wunsch stromaufwärts oder stromabwärts geneigt zu sein. Darüber hinaus kann unabhängig von der axialen Position oder Orientierung der Ebene 136, die die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 enthält, jeder derartige sekundäre Brennstoffinjektionseinlass 134 individuell gegenüber der Mittelachse 120 entweder im Wesentlichen rechtwinklig oder stromaufwärts unter einem spitzen Winkel oder stromabwärts unter einem stumpfen Winkel ausgerichtet sein.
• Weiter ist zu sehen, dass die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 des Pilotmischers 102 vorzugsweise mit einem zweiten Brennstoffverteiler 109 strömungsmäßig verbunden sind, der ebenfalls vorzugsweise in dem Hohlraum 106 angeordnet ist. Der Brennstoff wird gewöhnlich beim Auftreten eines spezifizierten Ereignisses (z. B. eines für das Gasturbinentriebwerk 10 festgelegten Zykluspunkts, wenn die Verdichterluft 58 eine spezielle Temperatur aufweist, usw.) durch die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 in den hohlen Abschnitt des Pilotgehäuses 108 eingespritzt. Abhängig von den Anforderungen einer speziellen Bedingung, wird der Brennstoff durch die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 mit einer Rate injiziert, die entweder größer oder kleiner oder im Wesentlichen gleich der Brennstoffmenge ist, die durch den primären Brennstoffinjektor 110 eingespritzt wird. Selbstverständlich wird hier davon ausgegangen, dass Brennstoff durch den primären Brennstoffinjektor 110 zu jedem Zeitpunkt zugeführt wird, während hingegen Fälle auftreten können, in denen es vorzuziehen ist, dem Pilotmischer 102 lediglich durch die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 Brennstoff zuzuführen.
• Auf diese Weise weist der Pilotmischer 102 während des Betriebs in den Niederleistungsbedingungen (d. h. während des Leerlaufs, Anflugs und Reiseflugs) eine größere Flexibilität auf. Insbesondere ist klar, dass der Pilotmischer 102 in der Lage ist, das Gasturbinentriebwerk 10 mit bis zu etwa 30% des maximalen Schubs zu betreiben, wenn lediglich dem primären Brennstoffinjektor 110 Brennstoff zugeführt wird. Im Vergleich dazu ist der Pilotmischer 102 in der Lage, das Gasturbinentriebwerk 10 bis zu etwa 70% des maximalen Schubs zu betreiben, wenn auch den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen 134 Brennstoff zugeführt wird.
• Um den Eintritt des gewünschten Brennstoffsprühstrahls in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses 108 zu fördern, ist es bevorzugt, dass jeder sekundäre Brennstoffinjektionseinlass 134 des Pilotmischers 102 von einem Durchlasskanal 142 umgeben ist. Jeder Durchlasskanal 142 befindet sich über eine in dem Hohlraum 106 vorgesehene Zufuhrleitung 154 in Strömungsverbindung mit verdichteter Luft. Diese Luft wird zugeführt, um die Injektion des Brennstoffsprühstrahls in das Pilotgehäuse 108 zu fördern und sie nicht längs einer inneren Oberfläche 156 davon verlaufen zu lassen. Dies kann zusätzlich gefördert werden, indem in jedem Durchlasskanal 142 ein Turbulenzerzeuger 158 bereitgestellt wird, der der um den Brennstoffsprühstrahl injizierten Luft eine Turbulenz verleiht.
• Es ist ebenfalls bevorzugt, dass Leitschaufeln des äußeren Pilotturbulenzerzeugers 114 so konstruiert sind, dass Luft, die diesen durchströmt, zumindest bis zu einem gewissen Grad in Richtung der inneren Oberfläche 156 des Pilotgehäuses 108 lenkt wird. Auf diese Weise ist kann diese Luft besser mit dem durch die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 zugeführten Brennstoff interagieren. Derartige Leitschaufeln sind daher vorzugsweise um etwa 30° bis ungefähr 60° gegen über der Mittelachse 120 abgewinkelt. Auf diese Weise wird ein Öffnungswinkel 160 des Pilotgehäuses 108 angenähert.
• Mit Blick auf die Hinzufügung der sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 in dem Pilotmischer 102, ist es klar, dass die Strömungsrate der Luft, die diesen durchströmt, vorzugsweise bei einer Rate von etwa 10% bis etwa 30% aufrecht erhalten wird. Darüber hinaus unterstützen derartige sekundäre Injektionseinlässe 134 eine Reduzierung der Emissionen, die während des Betriebs des Gasturbinentriebwerks 10 durch die Mischeinrichtung 100 erzeugt werden. Insbesondere ist die Brennkammer 26 in der Lage, über längere Zeit hinweg allein mit Brennstoff zu arbeiten, der dem Pilotmischer 102 zugeführt wird. Außerdem stellte sich heraus, dass es erwünscht ist, mehr Brennstoff an einer radial weiter außen liegenden Stelle des Pilotmischers 102 zuzuführen.
• Weiter lässt sich aus 4–7 ersehen, dass eine Einrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzustroms zu der Mischeinrichtung 100 geschaffen ist. Soweit die Brennstoffdüse 68 betroffen ist, ist es klar, dass diese ähnlich konstruiert ist wie diejenige, die in dem US-Patent 6 955 040 von Myers, Jr. et al. gezeigt und beschrieben ist, das hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Insbesondere ist es ersichtlich, dass die Brennstoffdüse 68 ein an einer äußeren radialen Position angeordnetes Gehäuse 174 aufweist, in dem mehrere Ventile, eine Leitapparathalterung 176, die sich zwischen dem Ventilgehäuse 174 und der Mischeinrichtung 100 erstreckt, und ein in der Leitapparathalterung 176 angeordneter Makrolaminat-Einspeisungsstreifen 178 untergebracht sind. Der Einspeisungsstreifen 178 enthält ferner einen ersten Kreislauf 180, um einer Brennstoffleitung 132 (die sich in Strömungsverbindung mit dem primären Brennstoffinjektor 110 des Pilotmischers 102 befindet) Brennstoff zuzuführen, einen zweiten Kreislauf 182, um dem Brennstoffverteiler 109 (der sich in Strömungsverbindung mit den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen 134 des Pilotmischers 102 befindet) Brennstoff zuzuführen, und einen dritten Kreislauf 183, um dem Brennstoffverteiler 107 (der sich in Strömungsverbindung mit den Brennstoffinjektionseinlässen 128 des Hauptmischers 104 befindet) Brennstoff zuzuführen.
• Um die Weise, in der der Mischeinrichtung 100 Brennstoff zugeführt wird, zu verdeutlichen, ist in 5 ein Blockschaltbild eines gesamten Brennstoffzustromsteuerungssystems 200 dargestellt. Wie darin veranschaulicht, enthält das System 200 eine Brennstoffpumpe 202, wobei eine damit strömungsmäßig verbundene (nicht gezeigte) Brennstoffquelle jeder der um die ringförmige Brennkammer 26 angeordneten Brennstoffdüsen 68 Brennstoff zuführt. Für jede der Brennstoffdüsen 68 ist eine Brennstoffdüsensteuerung 204 vorgesehen, um allgemein die Ventile innerhalb des Gehäuses 174 zu steuern und somit die durch die Kreisläufe 180, 182 und 183 zugeführte Brennstoffmenge zu steuern. Die Brennstoffdüsensteuerung 204 ist über eine Schnittstelle mit der Brennstoffpumpe 202 verbunden und nimmt Signale 208 von einem volle Kontrolle ausübenden digitalen Triebwerksregler (FADEC = Full Authority Digital Engine Control) 206 auf, um abhängig von der aktuellen Stufe des Ablaufzyklus den geeigneten Brennstoffzufuhrmodus des Pilot- und Hauptmischers 102 und 104 für das Gasturbinentriebwerk 10 zu koordinieren. Dies wird im folgenden mit Bezug auf 8 eingehender erläutert.
• Es ist einsichtig, dass die Stufungsventile 184, 186 und 188, die Kreisläufen 180, 182 bzw. 183 zugeordnet sind, in Abhängigkeit von einem Signal 210 aktivierte werden, das durch die Brennstoffdüsensteuerung 204 ausgegeben wird. Dem Brennstoff wird anschließend erlaubt, in Abhängigkeit von der Positionierung der Stufungsventile 184, 186 und 188 durch den ersten Kreislauf 180, den zweiten Kreislauf 182 und den dritten Kreislauf 183 in dem Einspeisungsstreifen 178 jeder Brennstoffdüse 68 zu strömen. Auf diese Weise wird der Brennstoff in der gewünschten Menge entweder dem primären Brennstoffinjektor 110 des Pilotmischers 102 oder den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen 134 des Pilotmischers 102 und/oder den Brennstoffinjektionseinlässen 128 des Hauptmischers 104 jeder Mischeinrichtung 100 zugeführt.
• Um den Brennstoff in dem ersten, zweiten und/oder dritten Kreislauf 180, 182 und 183 zu pulsen, wird von der Triebwerkssteuerung 206 jeweils ein zweites unabhängiges Steuersignal 212 an ein Pulsventil 185, ein Pulsventil 187 und/oder ein Pulsventil 189 jeder Brennstoffdüse 68 ausgegeben. Es ist ersichtlich, dass die Pulsventile 185, 187 und 189 in einem Pulsventilgehäuse 191 angeordnet sind (siehe 4). Unter sonstigen unterschiedlichen erfassten Werten, Signalen und Messwerten, die von der Triebwerkssteuerung 206 aufgenommen werden, wird an diese auch ein Signal 216 von wenigstens einem Drucksensor 218 ausgegeben, der benachbart zu der äußeren Wand 76 der Brennkammer 26 angeordnet ist (siehe 2). Der Drucksensor 218 erfasst eine Frequenz und eine Amplitude für den Druck in der Verbrennungskammer 62 und übergibt diese Daten über die Signalleitung 216 der Triebwerkssteuerung 206. Der Drucksensor 218 ist in der Lage, den hohen Temperaturen standzuhalten, die in der Verbrennungskammer 62 auftreten. Daher basiert ein exemplarischer Drucksensor auf einem Membranwandler, bei dem die Verschiebung der Membran proportional zu der dynamischen Komponente des Eingangsdrucksignals ist. Während nur ein einziger Drucksensor 218 in 2 und 5 dar gestellt ist, ist es bevorzugt, dass mehrere Drucksensoren 218 in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet um die äußere Wand 76 angeordnet sind, um den dynamischen Druck der Verbrennungskammer 62 in einem örtlich begrenzteren Bereich zu erfassen. Dementsprechend werden lediglich jene Mischeinrichtungen moduliert, die in Nähe eines Bereichs der Verbrennungskammer 62 angeordnet sind, der eine dynamische Instabilität erfährt.
• Insbesondere veranschaulicht 6 in einem Blockschaltbild den Brennstoffstrom von der Brennstoffpumpe 202 zu den Kreisläufen 180, 182 und 183. Es ist ersichtlich, dass die Brennstoffpumpe 202, die sowohl eine Aufladeverdichterpumpe 220 als auch eine Hauptpumpe 222 enthält, Brennstoff von einem Einlass 224 aufnimmt. Die Brennstoffpumpe 202 befördert den Brennstoff durch eine Leitung 226 zu einem Messventil 228, wo der Druck gesteuert wird. Um einen gewünschten Druck für den in die Hauptpumpe 222 eintretenden Brennstoff aufrecht zu erhalten, befindet sich ein Mantelstrom-Kreislauf 230 in Strömungsverbindung mit der Leitung 226. Der Mantelstrom-Kreislauf 230 enthält eine Mantelstrom-Leitung 232 mit einem darin angeordneten Mantelstrom-Ventil 234, um den über eine Mantelstrom-Eingangsleitung 236 zu der Hauptpumpe 222 zurückströmenden Strom zu steuern. Weiter ist zu beachten, dass die Brennstoffdüsensteuerung 204 die Leitung 226 stromaufwärts des Messventils 228 über eine Leitung 238 anzapft, so dass sie eine Hochdruckquelle zum Modulieren aufnimmt.
• Nach dem Austritt aus dem Messventil 228 verzweigt die Leitung 240 zunächst in eine Brennstoffzufuhrleitung 242, die Brennstoff einem Brennstoffzufuhrverteiler 244 liefert, der den Brennstoff wiederum dem Ventilgehäuse 174 jeder Brennstoffdüse 68 zuführt. Eine ebenfalls mit der Leitung 240 strömungsmäßig verbundenen Leitung 246 ist mit der Brennstoffdüsensteuerung 202 verbunden, was es ermöglicht, eine Druckgefällesteuerung der Druckregelungsdüse (DPCPFN = Differential Pressure Control of the Pressure Control Nozzle) und einen Drehmomentmotorstrom der Druckregelungsdüse (TMCPFN = Torque Motor Current of the Pressure Control Nozzle) zu bestimmen. Anhand dieser Daten steuert ein Brennstoffsignalkreislauf 248 von der Brennstoffdüsensteuerung 202 her die Aktivierung der Stufungsventile 184, 186 und 188. Insbesondere beinhaltet der Brennstoffsignalkreislauf 248 das Signal 210, das im Vorliegenden auch als ein Druckregelungsdruck der Brennstoffdüse (PCPFN = Pressure Control Pressure off the Fuel Nozzle) angesehen werden kann, an einen Brennstoffsignalverteiler 250, woraufhin der Brennstoffsignalverteiler 250 an jedes Ventilgehäuse 174 ein Signal 252 ausgibt. Es ist einsichtig, dass die Stufungsventile 184, 186 und 188 im Wesentlichen in Abhängigkeit von dem Signal 252 aktiviert werden, so dass die über die Brennstoffzufuhrverteiler 244 zugeführte gewünschte Brennstoffmenge an den entsprechenden Kreislauf des Pilotmischers 102 (d. h. den ersten und zweiten Kreislauf 180 und 182) und den Hauptmischer 104 (d. h. den dritten Kreislauf 183) weitergeleitet wird.
• Eine Signalbrennstoffrückstromleitung 254 erstreckt sich von jedem Ventilgehäuse 174, um sich in Strömungsverbindung mit dem Brennstoffpumpeneinlass 224 zu befinden. Weiter ist eine von der Brennstoffdüsensteuerung ausgehende Abführleitung 256 mit der Signalbrennstoffrückstromleitung 254 verbunden.
• Aus 6 ist ferner zu ersehen, dass die Brennstoffdüsensteuerung 202 das Signal 208 von der Triebwerkssteuerung 206 aufnimmt. Unter gewissen spezifizierten Bedingungen ver anlasst das Signal 208 die Brennstoffdüsensteuerung 202, die Verteilung von Brennstoff an die Kreisläufe 180, 182 und 183 durch unterschiedliche Aktivierung der Stufungsventile 184, 186 und 188 zu verändern. Dazu kommt es, wenn durch einen oder mehrere Drucksensoren 218 erfasst wird, dass die Amplitude einer dynamischen Druckinstabilität in der Verbrennungskammer 62 einen vorgegebenen Pegel überschreitet. Während dieser vorbestimmte Druckamplitudenpegel variieren kann oder anhand sonstiger Triebwerksfaktoren aufbereitet sein kann, wird er im Allgemeinen auf einen Wert eingestellt sein, bei dem die Unversehrtheit der Brennkammerkomponenten erhalten bleibt (z. B. von Scheitelpunkt zu Scheitelpunkt etwa 0,5 psi).
• Neben einer Veränderung der Verteilung des Brennstoffs auf die Kreisläufe 180, 182 und 183 kann die Triebwerkssteuerung 206 auf eine derartige Druckinstabilität ansprechen, indem sie veranlasst, dass der Brennstoff durch ein oder mehrere Pulsventile 185, 187 und/oder 189 gepulst wird. Gewöhnlich ist eine Pulsen von Brennstoff durch die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 des Pilotmischers 102 in mindestens einer in Nähe des Auftretens der dynamischen Druckinstabilität angeordneten Mischeinrichtung 100 über das Pulsventil 187, bevorzugt. Es zeigte sich, dass ein Pulsen des Brennstoffs mit einer Amplitude und Frequenz, die entgegengesetzt zu jener der Druckdynamik ist, die Druckinstabilität an der betreffenden Stelle in der Verbrennungskammer 62 reduziert. In einer Abwandlung kann das Pulsen des Brennstoffs mit einer Amplitude und Frequenz durchgeführt werden, die eine Subharmonische des auf die Brennkammer ausgeübten dynamischen Drucks ist. Das Pulsen von Brennstoff in dieser Weise würde mit einer geringeren Bandbreite stattfinden, was die Belastung des Pulsventils 187 reduzieren und dessen Lebensdauer steigern würde. Durch den Einsatz eines Systems einer geschlossenen Schleife zum Erfassen von Druckinstabilitäten und durch das anschließende Verlagern derselben durch das in dieser Weise durchgeführte Pulsen des Brennstoffs wird dem problematischen Zustand fortlaufend entgegengewirkt, bis die dynamische Druckinstabilität unterhalb des vorgegebenen Wertes liegt. Obwohl der Brennstoff in einer Abwandlung durch den primären Brennstoffinjektor 110 des Pilotmischers 102 und/oder die Brennstoffinjektionseinlässe 128 des Hauptmischers 104 gepulst werden könnte, um dynamische Druckinstabilitäten in der Verbrennungskammer 62 zu verlagern, wie es z. B. der Fall ist, wenn der Pilotmischer 102 die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 nicht enthält, ist es klar, dass ein Pulsen des zu den sekundären Injektionseinlässen 134 strömenden Brennstoffstroms eine minimale Wirkung auf das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Mischeinrichtung 100 hat.
• Weiter hat sich herausgestellt, dass ein Frequenzsignal von Drucksensoren 218 innerhalb eines spezifizierten Bereichs eine beginnende magere Blowout-Bedingung für die Brennkammer 26 kennzeichnet. Dieser Signalbereich liegt zwischen etwa 40 Hz und etwa 50 Hz und ermöglicht es, die bevorstehende Bedingung vorauszusagen, anstatt sie lediglich zu erfassen. Dementsprechend wird. durch die Triebwerkssteuerung 206 vorzugsweise ein Vorrangsignal 214 an das Ventilgehäuse 174 ausgegeben, so dass der Mischeinrichtung 100 zusätzlicher Brennstoff zugeführt werden kann. Vorzugsweise bezieht das Vorrangsignal 214 die Aktivierung des Ventil 186 mit ein, wodurch über die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 zusätzlicher Brennstoff in den Pilotmischer 102 injiziert wird. Außerdem kann der zwischen dem Pilotmischer 102 und dem Hauptmischer 104 aufgeteilte Brennstoff durch eine Steigerung der an den primären Brennstoffinjektor 110 ausgegeben Brennstoffmenge verändert werden (z. B., wenn der Pilotmischer 102 die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 nicht enthält).
• Somit ist es klar, dass ein Modifizieren des zwischen dem Pilotmischer 102 und dem Hauptmischer 104 und sogar zwischen dem primären Brennstoffinjektor 110 und den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen 134 aufgeteilten Brennstoffs den dynamischen Druckinstabilitäten in der Verbrennungskammer 62 und einer beginnenden Bedingung mageren Blowouts für die Brennkammer 26 wirkungsvoll begegnet. In ähnlicher Weise dient ein Pulsen der Brennstoffzufuhr in dem primären Brennstoffinjektor 110, in den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen 134 und/oder in den Brennstoffinjektionseinlässen 128 denselben Zwecken.
• Es ist ebenfalls klar, dass das Steuerungssystem 200 auch dazu dienen kann, die Druckdynamik in der Brennkammer 26 zu steuern, wenn Vorgänge darin absichtlich initiiert sind. Beispielsweise kann es in gewissen Fällen (z. B. um während brennstoffreicher Bedingungen die Vermischung von Brennstoff und Luft zu verbessern) erwünscht sein, den Brennstoff dem Mischer 100 gepulst zuzuführen. Ein solches Pulsen von Brennstoff kann möglicherweise selbst eine Druckdynamik erzeugen, die innerhalb angemessener Grenzen einzuschränken ist. Die Detektion und Steuerung einer solchen Druckdynamik mittels der Drucksensoren 218 und der Triebwerkssteuerung 206 kann eine entsprechende Modifizierung des Pulsens des Brennstoffs veranlassen.
• In Verbindung mit den physikalischen Ausführungsbeispielen der Mischeinrichtung 100 und des Brennstoffzustromsteuerungssystem 200, geht aus dem Flussdiagramm in 7 klar hervor, dass auch ein Verfahren zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms zu der Mischeinrichtung 100 unterbreitet ist. Insbesondere gehören zu einem derartigen Verfahren die folgenden Schritte: Erfassung des dynamischen Drucks (Frequenz und Amplitude) in der Verbrennungskammer 62 der Brennkammer 26 mittels der Drucksensoren 218 (Kasten 260); Ausgabe des Signals 216, das Frequenz- und Amplitudendaten eines solchen Drucks kennzeichnet, an die Triebwerkssteuerung 206 (Kasten 262); und Ermitteln, ob die Frequenzkomponente des Signals 216 innerhalb eines spezifizierten Bereichs liegt, der einen beginnenden mageren Blowout kennzeichnet (Vergleichsraute 264). Falls die Frequenzkomponente des Drucksignals 216 innerhalb eines solchen spezifizierten Frequenzbereichs liegt, gibt die Triebwerkssteuerung 206 das Signal 214 an das Ventilgehäuse 174 aus, um den aktuellen Status der Stufungsventile 184, 186 und 188 außer Kraft zu setzen, um zusätzlichen Brennstoff in den Pilotmischer 102 zu injizieren (Kasten 266). Danach wird der dynamische Druck in der Verbrennungskammer 62, wie durch eine Regelschleife 267 zu dem Kasten 260 dargestellt, weiter erfasst.
• Sollte die Frequenzkomponente des Signals 216 nicht in dem spezifizierten Frequenzbereich liegen, ist der nächste Schritt in dem Verfahren die Ermittlung, ob eine Amplitudenkomponente des Signals 216 den vorgegebenen Pegel überschreitet, der eine dynamische Instabilität (Vergleichsraute 268) kennzeichnet. Falls sich herausstellt, das dies der Fall ist, gibt die Triebwerkssteuerung 206 das Signal 212 aus, um das Pulsventil 187 (und/oder die Pulsventile 185 und 189) zu aktivieren und dadurch den Pilotstrom mit einer Frequenz und Amplitude zu modulieren, der der dynamischen Instabilität (Kasten 270) entgegenwirkt. Anschließend wird der dynamische Druck in der Verbrennungskammer 62, wie durch eine Regelschleife 272 dargestellt, weiter erfasst. Sollte die Amplitu denkomponente des Signals 216 kleiner sein als der vorgegebene Pegel, kehrt das System ebenfalls zu dem Schritt des Erfassens des dynamischen Drucks in der Verbrennungskammer 62 zurück, wie durch die Rückführung 274 gezeigt, die mit der Rückführungsschleife 272 verbunden ist.
• 8 veranschaulicht ferner ein Stufendiagramm für die Mischeinrichtung 100, wobei der relative Anteil des an den Pilotmischer 102 und den Hauptmischer 104 ausgegebenen Brennstoffs für unterschiedliche Punkte in dem Zyklus des Triebwerks 10 (d. h., um bestimmte Temperaturbereiche für die Brennkammer 26 zu erzielen) angegeben ist. Da der Pilotmischer 102 sowohl den primären Brennstoffinjektor 110 als auch die sekundären Brennstoffinjektionseinlässe 134 aufweist, stellte sich heraus, dass das Triebwerk 10 in der Lage ist, über einen ausgedehnten Temperaturbereich hinweg zu arbeiten, solange ihm Brennstoff zugeführt wird. Die ermöglicht es außerdem, auf einen früher verwendeten gesonderten Brennstoffzufuhrmodus (d. h. 60% Pilotmischer/40% Hauptmischer) für die Brennstoffdüsensteuerung 204 zu verzichten. Wie einem Balken 275 in 8 zu entnehmen, verwendet der erste Brennstoffzufuhrmodus 100% des an den Pilotmischer 102 ausgegebenen Brennstoffs, um einen Brennkammertemperaturbereich im Bereich von etwa 200°F bis ungefähr 800°F zu erzielen. Der Balken 275 veranschaulicht ferner, dass ein erster schraffierter Abschnitt 276 davon Brennstoff zugeordnet ist, der lediglich dem primären Brennstoffinjektor 110 (d. h., um einen Brennkammertemperaturbereich von etwa 200°F bis etwa 500°F zu erzielen) zugeführt wird, und dass ein zweiter schraffierter Abschnitt 278 Brennstoff repräsentiert, der sowohl dem primären Brennstoffinjektor 110 als auch den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen 134 zugeführt wird (um einen Brennkammertemperaturbereich von etwa 500°F bis etwa 800°F zu errei chen). Diese erste Stufe ist als der Bereich eines normalen Betriebs für eine optimale Leistung der Brennkammer 26 erachtet, wenn lediglich dem Pilotmischer 102 Brennstoff zugeführt wird. Dieser erste Brennstoffzufuhrmodus wird daher gewöhnlich für Leerlauf-, Reiseflug- und Landeanflugabschnitte des Triebwerksbetriebs verwendet.
• Es zeigte sich, dass ein Brennstoffpumpengrenzwert 281 für den ersten Brennstoffzufuhrmodus bei etwa 800°F erreicht wird. Dementsprechend ist ein zweiter Brennstoffzufuhrmodus erforderlich, der eine gewisse Aufteilung des Brennstoff zwischen dem Pilotmischer 102 und dem Hauptmischer 104 einsetzt. Wie durch den Balken 280 angezeigt, dient der bevorzugte Brennstoffzufuhrmodus zum Erzielen von Brennkammertemperaturen von etwa 800°F dazu, dem Pilotmischer 102 etwa 20% des Brennstoffs zuzuführen und dem Hauptmischer 104 etwa 80% des Brennstoffs zuzuführen. Ein Einsatz dieses Brennstoffzufuhrmodus vor Erreichen dieses Temperaturwerts ist (wie durch den nicht schraffierten Abschnitt 282 des Balkens 280 repräsentiert) ohne nachteilige Wirkung möglich, wird jedoch nicht als sinnvoll für einen optimalen Betrieb der Brennkammer 26 erachtet. Es wird sich außerdem zeigen, dass ein Mager-Blowout-Grenzwert 283 für diesen Brennstoffzufuhrmodus bei einer Brennkammertemperatur von etwa 525°F liegt. Der zweite Brennstoffzufuhrmodus wird während eines Brennkammertemperaturbereichs von etwa 800°F bis etwa 950°F verwendet, der durch den schraffierten Abschnitt 284 des Balkens 280 dargestellt ist. Dieser zweite Brennstoffzufuhrmodus wird dann während Steigflug- und Reiseflugabschnitten des Triebwerksbetriebs eingesetzt.
• Aus Balken 286 geht hervor, dass ein dritter Brennstoffzufuhrmodus bevorzugt ist, wenn die Temperatur der Brennkam mereinlassluft etwa 950°F erreicht. Es ist bevorzugt, dass der dritte Brennstoffzufuhrmodus vorzugsweise beinhaltet, dass etwa 8% des Brennstoffs dem Pilotmischer 102 zugeführt wird, und etwa 92% des Brennstoffs dem Hauptmischer 104 zugeführt wird. Diese dritte Temperaturstufe ist durch den schraffierten Abschnitt 288 des Balkens 286 repräsentiert und bezieht einen Brennkammertemperaturbereich von etwa 950°F bis etwa 1100°F ein. Ein Einsatz dieses dritten Brennstoffzufuhrmodus vor dem Erreichen dieses Temperaturwerts (siehe den nicht schraffierten Abschnitt 290 des Balkens 286) ist ohne nachteilige Auswirkung möglich, wird jedoch nicht als vorteilhaft für einen optimalen Betrieb der Brennkammer 26 erachtet. Es wird sich jedoch herausstellen, dass bei etwa 700°F tatsächlich eine Mager-Blowout-Grenze 292 vorliegt. Es wird sich außerdem herausstellen, dass der zweite Brennstoffzufuhrmodus (d. h. 20% Pilotmischer/80% Hauptmischer) während dieses Brennkammertemperaturbereichs (etwa 950°F bis etwa 1100°F) ohne nachteilige Folgen (siehe den nicht schraffierten Abschnitt 291 des Balkens 280) verwendet werden könnte, jedoch wurde nicht festgestellt, dass damit ein optimaler Betrieb der Brennkammer 26 erzielt wird. Zu dem dritten Brennstoffzufuhrmodus wird gewöhnlich übergegangen, wenn dem Triebwerk 10 der größte Schub abverlangt wird, z. B. während des Startabschnitts des Triebwerksbetriebes. Es wird sich dann herausstellen, dass bei etwa 1100°F ein Brennstoffpumpengrenzwert 294 für den dritten Brennstoffzufuhrmodus (d. h. 8% Pilotmischer/92% Hauptmischer) erreicht wird.
• Obwohl spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, wird es dem Fachmann klar sein, dass vielfältige Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist es klar, dass das Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit Mischern verwendet werden können, die andere Konstruktionen aufweisen. Während der im Vorliegenden gezeigte Mischer einen Pilotmischer aufweist, der sowohl einen primären Brennstoffinjektor als auch sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe enthält, kann der Mischer auch von der Bauart sein, die lediglich mit einem primäre Brennstoffinjektor ausgestattet ist. Dementsprechend ist es beabsichtigt, in die beigefügten Patentansprüchen sämtliche derartige Veränderungen und Modifikation einzubeziehen, die in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.

10

Flugzeug-Zweikreisturbinentriebwerk (allgemein)

12

Längsachse

14

Gasturbinenkerntriebwerk (allgemein)

16

Bläserabschnitt

18

Außengehäuse für Kerntriebwerk

20

ringförmiger Kerntriebwerkeinlass

22

Aufladeverdichter

24

Hockdruckkompressor

26

Brennkammer

28

erste (Hochdruck-)Turbine

30

erste (Hochdruck-)Antriebswelle

32

zweite (Niederdruck-)Turbine

34

zweite (Niederdruck-)Antriebswelle

36

Schubdüse

38

Bläserlaufrad

40

ringförmiges Bläsergehäuse

42

Auslassführungsschaufeln

44

Bläserlaufschaufeln

46

stromabwärts gelegener Abschnitt des Bläsergehäuses

48

Mantelstromluftkanal

50

anfänglichen Luftstrom darstellender Pfeil

52

Einlass zum Bläsergehäuse

54

ersten (äußeren) verdichteten Luftstrom darstellender Pfeil

56

zweiten (innenliegenden) verdichteten Luftstrom darstellender Pfeil

58

verdichteten Luftstrom zu dem Hockdruckkompressor darstellender Pfeil

60

Verbrennungsprodukte

62

Brennkammer

64

Einlass der Brennkammer

66

Auslass der Brennkammer

67

Mischeinrichtung (allgemein)

68

Brennstoffdüse

69

Hockdruckkompressorauslass

72

Turbinenleitapparat der ersten Stufe

74

Leitapparatschaufeln

76

äußere Schale der Brennkammer

78

innere Schale der Brennkammer

80

Domplatte

82

äußerer Aufsatz

84

innerer Aufsatz

100

Mischeinrichtung (allgemein)

102

Pilotmischer (allgemein)

104

Hauptmischer (allgemein)

106

Hohlraum zwischen Pilotmischer und Hauptmischer

107

Brennstoffverteiler für Brennstoffinjektionseinlässe des Hauptmischers

108

Pilotgehäuse

109

Brennstoffverteiler für sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe des Pilotmischers

110

primärer Brennstoffinjektor des Pilotmischers

112

erster (innerer) Pilotturbulenzerzeuger

114

zweiter (äußerer) Pilotturbulenzerzeuger

115

Leitschaufeln des äußeren Pilotturbulenzerzeugers

116

Splitter

118

Venturirohr

120

Mittelachse durch Mischeinrichtung

122

primärer Verbrennungsbereich

124

Hauptgehäuse

126

ringförmiger Hohlraum

128

Brennstoffinjektionseinlässe

130

(radiale/axiale) Turbulenzerzeugeranordnung

132

Brennstoffleitung

134

sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe des Pilotmischers

136

Ebene mit sekundären Brennstoffinjektionseinlässen

138

sich erweiternder Abschnitt des Pilotgehäuses

140

Zentralgrundkörperaußengehäuse

142

den sekundären Injektionseinlass umgebender Durchlasskanal

144

erster (radialer) Turbulenzerzeuger

146

zweiter (axialer) Turbulenzerzeuger

148

ringförmiger Durchlasskanal

150

Leitschaufeln des radialen Turbulenzerzeugers

152

Leitschaufeln des axialen Turbulenzerzeugers

154

Druckluftzufuhr

156

innere Oberfläche des Pilotgehäuses

158

Turbulenzerzeuger in dem Durchlasskanal 142

160

Öffnungswinkel des Pilotgehäuses

174

Ventilgehäuse in Brennstoffdüse

176

Leitapparathalterung

178

Einspeisungsstreifen

180

erster Kreislauf in dem Einspeisungsstreifen für den primären Brennstoffinjektor 110

182

zweiter Kreislauf in dem Einspeisungsstreifen für sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe 134

183

dritter Kreislauf in dem Einspeisungsstreifen für Brennstoffinjektionseinlässe 128

184

Stufungsventil, in Strömungsverbindung mit dem ersten Kreislauf 180

185

Pulsventil, in Strömungsverbindung mit dem ersten Kreislauf 180

186

Stufungsventil, in Strömungsverbindung mit dem zweiten Kreislauf 182

187

Pulsventil, in Strömungsverbindung mit dem zweiten Kreislauf 182

188

Stufungsventil, in Strömungsverbindung mit dem dritten Kreislauf 183

189

Pulsventil, in Strömungsverbindung mit dem dritten Kreislauf 183

191

Gehäuse für Pulsventile

198

sekundärer Verbrennungsbereich

200

Brennstoffzustromsteuerungssystem (allgemein)

202

Brennstoffpumpe

204

Brennstoffdüsensteuerung

206

Triebwerkssteuerung (FADEC)

208

Signal von der Triebwerkssteuerung zur Brennstoffdüsensteuerung

210

Signal von der Brennstoffdüsensteuerung zu Ventilen

212

Signal von der Triebwerkssteuerung zu Pulsventilen

214

Signal von der Triebwerkssteuerung zu Stufungsventil

216

Signal von dem Drucksensor zur Triebwerkssteuerung

218

Drucksensor

220

Aufladeverdichterpumpe

222

Hauptpumpe

224

Einlass zur Brennstoffpumpe

226

Leitung zwischen Brennstoffpumpe und Messventil

228

Messventil

230

Mantelstrom-Kreislauf (allgemein)

232

Mantelstrom-Leitung

234

Mantelstrom-Ventil

236

Mantelstrom-Eingangsleitung

238

Leitung zur Brennstoffdüsensteuerung (stromaufwärts von dem Messventil)

240

aus dem Messventil austretende Leitung

242

Brennstoffzufuhrleitung

244

Brennstoffzufuhrverteiler

246

Leitung zur Brennstoffdüsensteuerung (stromabwärts des Messventils)

248

Brennstoffsignalkreislauf (allgemein)

250

Brennstoffsignalverteiler

252

Signal von dem Brennstoffsignalverteiler zum Ventilgehäuse

254

Brennstoffrückstromleitungssignal

256

Abführleitung von der Brennstoffdüsensteuerung zur Rückstromleitung

260

Kasten, der den Schritt der Erfassung des dynamischen Drucks in der Brennkammer repräsentiert

262

Kasten, der den Schritt der Bereitstellung eines Drucksignals (Frequenz und Amplitude) für die Triebwerkssteuerung repräsentiert

264

Vergleichsraute, die den Schritt der Ermittlung, ob die Frequenzkomponente des Signals innerhalb des spezifizierten Bereichs liegt, der für einen beginnenden mageren Blowout kennzeichnend ist, repräsentiert

266

Kasten, der den Triebwerkssteuerungsschritt der Bereitstellung eines Signal zu dem Ventilgehäuse repräsentiert

267

Rückführungsschleife zu Kasten 260

268

Vergleichsraute, die den Schritt der Ermittlung repräsentiert, ob die Amplitudenkomponente des Drucksignals den vorgegebenen Pegel überschreitet, der inakzeptable dynamische Instabilität kennzeichnet

270

Kasten, der den Triebwerkssteuerungsschritt der Bereitstellung eines Signal an die Brennstoffdüsensteuerung repräsentiert, den Pilotbrennstoffzustrom zu modulieren

272

Rückführungsschleife zu dem Kasten 260

274

Regelschleife, die mit der Regelschleife 272 verbunden ist

275

Balken, der den ersten Brennstoffzufuhrmodus (100% Pilotmischer/0% Hauptmischer) repräsentiert

276

Abschnitt des Balkens 275, der einen optimalen Betrieb der Brennkammer repräsentiert, wenn nur dem primären Brennstoffinjektor des Pilotmischers Brennstoff zugeführt wird

278

Abschnitt des Balkens 275, der einen optimalen Betrieb der Brennkammer repräsentiert, wenn dem primären Brennstoffinjektor und den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen des Pilotmischers Brennstoff zugeführt wird

280

Balken, der den zweiten Brennstoffzufuhrmodus (20% Pilotmischer/80% Hauptmischer) repräsentiert

281

Brennstoffpumpengrenzwert für den ersten Brennstoffzufuhrmodus

282

Abschnitt des Balkens 280, der einen möglichen Betrieb der Brennkammer während des zweiten Brennstoffzufuhrmodus repräsentiert

283

Mager-Blowout-Grenze für den zweiten Brennstoffzufuhrmodus

284

Abschnitt des Balkens 280, der den optimalen Betrieb der Brennkammer während des zweiten Brennstoffzufuhrmodus repräsentiert

286

Balken, der den dritten Brennstoffzufuhrmodus (8% Pilotmischer/92% Hauptmischer) repräsentiert

288

Abschnitt des Balkens 286, der den optimalen Betrieb der Brennkammer während des dritten Brennstoffzufuhrmodus repräsentiert

290

Abschnit tdes Balkens 286, der einen möglichen Betrieb der Brennkammer während des dritten Brennstoffzufuhrmodus repräsentiert

291

Abschnitt des Balkens 280, der einen möglichen Betrieb der Brennkammer während des zweiten Brennstoffzufuhrmodus repräsentiert

292

Mager-Blowout-Grenze für den dritten Brennstoffzufuhrmodus

294

Brennstoffpumpengrenzwert für den dritten Brennstoffzufuhrmodus

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - US 6354072 [0005]
• - US 6363726 [0005]
• - US 6367262 [0005]
• - US 6381964 [0005]
• - US 6389815 [0005]
• - US 6418726 [0005]
• - US 6453660 [0005]
• - US 6484489 [0005]
• - US 6865889 [0005]
• - US 6955040 [0044]

Claims (10)

1. Einrichtung (200) zur aktiven Steuerung des Brennstoffzustroms von einer Brennstoffpumpe (202) zu einer Mischeinrichtung (100) einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer (26), wobei die Mischeinrichtung (100) einen Pilotmischer (102) und einen Hauptmischer (104) aufweist, wobei zu dem Pilotmischer (102) ferner ein ringförmiges Pilotgehäuse (108) mit einem hohlen Innenraum, ein in dem Pilotgehäuse (108) eingebauter primärer Brennstoffinjektor (110), der dazu eingerichtet ist, Brennstofftröpfchen in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses (108) auszugeben, und mehrere stromaufwärts des primären Brennstoffinjektors (110) angeordnete axiale Turbulenzerzeuger (112, 114) gehören, wobei die Brennstoffzustromsteuereinrichtung (200) aufweist: wenigstens einen Sensor (218), der dazu dient, den dynamischen Druck in einer Verbrennungskammer (62) der Brennkammer (26) zu erfassen; eine Brennstoffdüse (68), mit: (1) einem Einspeisungsstreifen (178) mit mehreren Kreisläufen (180, 182, 183) zum Zuführen von Brennstoff zu dem Pilotmischer (102) und zu dem Hauptmischer (104); und (2) mehreren Ventilen (184, 186, 188), die der Brennstoffdüse (68) zugeordnet sind und mit dem Einspeisungsstreifen (178) derselben strömungsmäßig verbunden sind; und ein System (204) zur aktiven Steuerung eines Brennstoffzustroms, der dem Pilotmischer (102) und dem Hauptmischer (104) der Mischeinrichtung (100) durch die Brennstoffdüse (68) zugeführt wird, wobei das Steuerungssystem (204) die Ventile (184, 186, 188) in Abhängigkeit von Signalen (216) aktiviert, die von dem Drucksensor (218) her aufgenommen werden.
2. Einrichtung (200) nach Anspruch 1, wobei das Steuerungssystem (204) die Ventile (184, 186, 188) so aktiviert, dass Brennstoff gepulst durch den primären Brennstoffinjektor (110) des Pilotmischers (102) zugeführt wird.
3. Einrichtung (200) nach Anspruch 1, wobei ein Signal (216) von dem Drucksensor (218) einen beginnenden mageren Blowout in der Verbrennungskammer (62) kennzeichnet.
4. Einrichtung (200) nach Anspruch 1, wobei ein Signal (216) von dem Drucksensor (218) einen inakzeptablen Pegel einer dynamischen Druckinstabilität in der Verbrennungskammer (62) kennzeichnet.
5. Einrichtung (200) nach Anspruch 2, wobei dem primären Brennstoffinjektor (110) Brennstoff in einer Weise gepulst zugeführt wird, die hinsichtlich jeder durch die Verbrennungskammer (62) erfahrenen Druckinstabilität entgegengesetzt ist.
6. Einrichtung (200) nach Anspruch 2, wobei dem primären Brennstoffinjektor (110) Brennstoff in einer Weise gepulst zugeführt wird, die ein Subharmonische jeder Druckinstabilität ist, die durch die Verbrennungskammer (62) erfahren wird.
7. Einrichtung (200) nach Anspruch 1, wobei der Pilotmischer (102) ferner mehrere sekundäre Brennstoffinjektionseinlässe (134) zum Einbringen von Brennstoff in den hohlen Innenraum des Pilotgehäuses (108) enthält, und der Einspeisungsstreifen (178) einen Kreislauf (182) zum Zuführen von Brennstoff zu den sekundären Brennstoffinjektionseinlässen (134) des Pilotmischers (102) enthält.
8. Einrichtung (200) nach Anspruch 1, wobei das Steuerungssystem (204) die Ventile (184, 186, 188) so aktiviert, dass der Brennkammer (26) während spezifizierter Brennstoffzufuhrmodi eine vorbestimmte Brennstoffmenge durch die Brennstoffdüse (68) zu dem Pilotmischer (102) und zu dem Hauptmischer (104) strömt.
9. Einrichtung (200) nach Anspruch 1, wobei dem Pilotmischer (102) und dem Hauptmischer (104) durch die Brennstoffdüse (68) Brennstoff zugeführt wird, um spezifizierte Temperaturbereiche der Brennkammer (26) zu erzielen.
10. Einrichtung (200) nach Anspruch 1, wobei Brennstoff von der Brennstoffdüse (68) zu dem Pilotmischer (102) lediglich spezifizierter Mischeinrichtungen (100) der Brennkammer (26) zugeführt wird, um durch die Verbrennungskammer (62) erfahrene örtlich begrenzte Druckinstabilitäten zu verlagern.