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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Einspritzeinrichtungen und Brennstoffdüsen
für Hochtemperaturanwendungen und insbesondere Brennstoffeinspritzeinrichtungen
und -düsen für Gasturbinenmotoren, welche in einem
Flugzeug verwendet werden.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Eine
Vielzahl von Einrichtungen und Verfahren sind in der Technik bekannt,
um Brennstoff in Gasturbinenmotoren einzuspritzen. Von solchen Einrichtungen
sind viele darauf gerichtet, Brennstoff unter hohen Temperaturbedingungen
in Brennkammern von Gasturbinenmotoren einzuspritzen.
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Gasturbinen
werden bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, umfassend die
Erzeugung von elektrischer Energie, militärische und kommerzielle
Luftfahrt, Leitungstransport und Seetransport. Ein häufiges
Problem in Verbindung mit Brennstoffdüsen für
Gasturbinen ist die Schwierigkeit im Zusammenhang mit der Leistung
bei geringen Brennstoffströmungen und/oder Luftströmung
und Druckabfall quer durch die Brennkammer. Vorfilmlegende Luftstromzerstäuber
(prefilming airblast atomizers) sind ein bevorzugter Ansatz für
Verbrennungssysteme, welche bei hohen Drücken arbeiten,
da sie niedrigere Brennstoffpumpendrücke erfordern und
einen gut vermischten, fein zerstäubten Sprühnebel
bei normalen Betriebsbedingungen erzeugen.
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Es
gibt verschiedene technische Probleme, welche mit dem Verbrennungsprozess
in Gasturbinenmotoren im Zusammenhang stehen. Diese Probleme umfassen
beispielsweise die thermische Effizienz des Brenners/der Brennkammer,
ein passendes Mischen von Brennstoff und Luft, eine Flammenstabilisierung,
die Beseitigung von Pulsationen und Störung/Geräusch
und die Steuerung von Schadstoffemissionen, speziell Stickoxiden
(NOx). Die Flammenstabilisierung verweist auf die Fixierung der
Position und Intensität der Flamme innerhalb des Brenners, um
u. a. Pulsationen zu beseitigen und Störung/Geräusch
zu reduzieren. Eine stabile Verbrennung insbesondere an Magerlöschpunkten
(lean extinction points) in Gasturbinenmotoren verlangt einen zyklischen
Prozess von Verbrennungserzeugungsprodukten, d. h. Wärme
und freie Radikale, welche zurück stromaufwärts
zu dem Flammenanfangspunkt transportiert werden, um den Verbrennungsprozess zu
unterstützen.
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Es
ist gegenwärtig bekannt, dem Brennstoff-Luft-Gemisch Drallluft
bereitzustellen, um die Flammenstabilisierung zu verbessern und
dadurch den Verbrennungsprozess zu stabilisieren. Drall-stabilisierte
Verbrennungsströmungen unterstützen die Verbrennung,
indem eine Umkehrströmung um die Mittellinie des Brenners
ausgebildet wird, welche Wärme und freie Radikale zurück
stromaufwärts zu dem unverbrannten Brennstoff-Luft-Gemisch
zurückleitet.
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Die
US-Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2005/0106520 von Cornwell
et al., welche hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen
ist, beschreibt eine Einrichtung, um die Verbrennung in Gasturbinenmotoren
zu stabilisieren. Eine zentrale Flammenhaltevorrichtung mit stumpfem
Körper (central bluff body flame holder) erstreckt sich
durch eine Mischkammer, welche eine Mehrzahl von Drallflügeln
umfasst, um Luft zu verwirbeln. In die Wirbelströmung eingespritzter
Brennstoff wird mit der Luft für eine stromabwärtige
Verbrennung gemischt. Der zentrale stumpfe Körper wirkt
mit einem Brennerstein (quarl) zusammen, um die Flamme an dem stumpfen
Körper zu verankern und die Flamme über einen
weiten Bereich von Betriebsbedingungen zu stabilisieren, welche
schwankende Brennstoff/Luft-Verhältnisse umfassen. Dieses
Design sorgt für eine Flexibilität und Robustheit
im Motorbetrieb, während niedrige NOx-Emissionen erhalten werden.
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Ein
weiteres Problem im Zusammenhang mit Gasturbinen ist die Schwierigkeit
im Zusammenhang mit dem Einleiten einer Brennstoffzündung
während Motorinbetriebnahmezyklen und, für die
Luftfahrt, Höhenneuzündungen (altitude relights).
Während dieser Inbetriebnahmezyklen muss der Brennstoff
in einem ausreichend zerstäubten Zustand vorhanden sein,
um eine Zündung zu initiieren und zu unterstützen.
Jedoch ist bei einer Motorinbetriebsnahme, wenn der Motor allmählich
anläuft, der Brennstoff- und/oder Luftdruck, welcher benötigt
wird, um den Brennstoff zu zerstäuben, üblicherweise
nicht verfügbar. Ein breiter Bereich von Brennstoffeinspritzeinrichtungen
und Verfahren wurde entwickelt, um die Brennstoffzerstäubung
während Motorzündsequenzen und Magerlöschpunkten
zu verbessern. Ein Ansatz war, Luftunterstützungs- oder
Airblast- bzw. Blasluft- bzw. Luftstromzerstäuber zu verwenden,
um den Zerstäubungsprozess zu unterstützen.
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Ein
beispielhafter Luftunterstützungszerstäuber für
Gasturbinenmotoren ist in dem
US-Patent 6,688,534 von
Bretz beschrieben, welches hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme
aufgenommen ist. Das Brennstoffzufuhrsystem umfasst einen inneren
und einen äußeren Luftdrallerzeuger mit einer Brennstoffeinspritzöffnung
dazwischen. Rotierende Luftströme von dem inneren und äußeren
Luftdrallerzeuger umgeben und scheren Brennstoff ab, welcher von
den Brennstoffeinspritzöffnungen dazwischen abgegeben wird,
um den Brennstoff für eine Verbrennung zu zerstäuben.
Der Luftunterstützungszerstäuber verwendet einen
Luftunterstützungskreis, wo die Zerstäubungsluft
während einer Zündung von einer separaten externen
Quelle ergänzt wird. Die Unterstützungsluft mit
hohem Luftdruck wird durch einen Satz Flügel geführt,
um einen Drall zu erzeugen, und mit der Niederdruckverdichterauslassluft
vereinigt, um den Brennstoffzerstäubungsprozess zu fördern, um
die Zündung zu unterstützen.
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Eine
andere Art, Motoremissionen und die Effizienz zu verbessern, erfolgt
durch die Verwendung einer gestuften Verbrennung. Ein beispielhafter Magergemisch-Direkteinspritzzerstäuber
bzw. -düse für Gasturbinenmotoren ist in der US-Patentanmeldung
mit der Publikationsnummer 2006/0248898 von Buelow et al. beschrieben,
welche hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die Magergemisch-Direkteinspritzbrennstoffdüse umfasst
ein äußeres Hauptbrennstoffzufuhrsystem und ein
inneres Pilotbrennstoffzufuhrsystem. Jedes von dem Hauptbrennstoffzufuhrsystem
und dem Pilotbrennstoffzufuhrsystem umfasst einen inneren und äußeren
Luftdrallerzeuger mit einer Brennstoffeinspritzöffnung
dazwischen. Rotierende Luftströme von den inneren und äußeren
Luftdrallerzeuger umgeben und scheren Brennstoff ab, welcher von
den Brennstoffeinspritzöffnungen dazwischen abgegeben wird,
um den Brennstoff für eine Verbrennung zu zerstäuben.
Während eines Betriebs mit niedriger Leistung wird nur
die Pilotverbrennungszone mit Brennstoff versorgt und während
eines Betriebs mit hoher Leistung werden sowohl die Pilot- als auch Hauptverbrennungszonen
mit Brennstoff versorgt. Die Pilotverbrennungszone stellt einen
Betrieb mit niedriger Leistung wie auch eine gute Flammenstabilität
bei einem Betrieb mit hoher Leistung bereit. Die Hauptverbrennungszone
arbeitet in einem Brennstoff-Magermodus für eine reduzierte
Flammentemperatur und eine geringe Schadstoffbildung, insbesondere
NOx. Während eines Betriebs mit hoher Leistung kommt die
Zündquelle für das Hauptbrennstoff-Luft-Gemisch
von der Pilotverbrennungszone.
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Eine
weitere beispielhafte Brennstoffeinspritzdüse ist in 1 gezeigt.
Die Düse 1 umfasst ein stromaufwärtiges
Ende 2 und ein stromabwärtiges Ende 3.
Der innere Luftdrallerzeuger 4 und der äußere
Luftdrallerzeuger 5 versetzen die von einem Verdichter
stromaufwärts hindurchströmende Luft in eine Drallbewegung.
Dies erzeugt einen sich ausdehnenden Wirbel, wo die Luft die Brennstoffdüse verlässt.
Die wirbelnde Luft reißt Brennstoff von einem Brennstoffauslass 6 mit
und die resultierende volumetrische Ausdehnung im Zusammenhang mit der
Wirbelströmung belastet die Brennstoffschicht weiter, was
die Brennstoffschicht in Tröpfchen abschert. Während
sich der Wirbel in die Brennkammer stromabwärts von der
Düse 1 weiterentwickelt, wird der Druckgradient
derart, dass sich der Wirbel nicht mehr selbst aufrechterhalten
kann und er zusammenfällt. Der Wirbel rezirkuliert folglich
entlang der Niederdruckmittellinie des Wirbels. Typischerweise wird
der Wirbel eine Ten denz dazu haben, um seine Mittellinie unstetig
zu sein bzw. instationär zu sein. Reinluftstromeinspritzeinrichtungen
(pure air blast injectors) vom Stand der Technik verwenden einen
Wirbelschleppenbereich von einem Zentralkörper eines axialen
Wirbelerzeugers, wie z. B. einem Zentralkörper 7,
um bei einer Stabilisierung der Mittellinie des Wirbels behilflich
zu sein. Alternativ wurde in dem Fall eines radialen Zulaufwirbelerzeugers
(radial in-flow swirler) (nicht gezeigt) ein Niederdruckbereich von
dem Einlass verwendet, um bei einer Stabilisierung der Mittellinie
des Wirbels behilflich zu sein.
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Brennstoff
wird über eine vorfilmlegende Kammer (prefilming chamber)
(stromaufwärts von dem Brennstoffauslass 6) eingeleitet,
welche dazu fungiert, schräg eingespritzten Brennstoff
in einer gleichmäßigen dünnen Schicht
abzuscheren. Diese gleichmäßige dünne
Schicht setzt sich längs der vorfilmlegende Fläche
zu einer ringförmigen Brennstoffaustrittsöffnung 6 fort,
an welchem Punkt der Brennstoff in einen querströmenden
Luftstrom eintritt. Der querströmende Luftstrom hat eine
viel höhere kinetische Energie, welche mit der Brennstoffschicht
mit niedriger kinetischer Energie interagiert und diese erregt.
Diese Interaktion schert die Brennstoffschicht ab und beschleunigt
diese, was mehrfache Arten von Instabilität erzeugt, was
letztendlich dazu führt, dass sich die Brennstoffschicht
in Brennstoffbänder zerlegt. Diese Brennstoffbänder
werden in ähnlicher Weise erregt und in Tröpfchen
zerlegt. Dies ist die primäre Art der Tröpfchenbildung,
welche voraussetzt, dass der querströmende Luftstrom genug
Energie besitzt, um eine Erregung zu bewirken. Umso effektiver die
Energieübertragung von der Luft auf den Brennstoff ist,
umso kleiner ist der Durchmesser der Tröpfchen, was zwangsläufig
zu einem gleichmäßigeren Brennstoff/Luft-Gemisch
führt, welches leichter verbrennt, wenn ein adäquates
Verhältnis von Brennstoff zu Luft gegeben ist. Bei Bedingungen
mit niedrigerer Leistung ist jedoch weniger Bewegungsenergie bzw.
Impuls in der Verdichteraustrittsluft, was einen Mangel in der Fähigkeit,
den Brennstofffilm zu erregen, hinterlässt, was daher zu
nicht ausreichend kleinen Tröpfchen führt.
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Solche
herkömmlichen Verfahren und Systeme wurden im Allgemeinen
als für ihren Verwendungszweck ausreichend angesehen. Es
bleibt jedoch trotzdem ein fortgesetztes Bedürfnis in der Technik
nach einer Düse oder Brennstoffeinspritzeinrichtung bestehen,
welche eine verbesserte Erregung des Brennstofffilms bei Bedingungen
mit niedriger Leistung ermöglicht. Die vorliegende Erfindung bietet
eine Lösung für diese Probleme.
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ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine neue und zweckmäßige
Air-Blast-Brennstoffeinspritzeinrichtung bzw. Luftblasbrennstoffeinspritzeinrichtung bzw.
Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtung für Gasturbinenmotoren
gerichtet. Die Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtung umfasst einen äußeren
Luftweg mit einem konvergierenden Ausgangsabschnitt und einem Brennstoffweg
innerhalb des äußeren Luftwegs. Die Einspritzeinrichtung
umfasst ferner einen inneren Luftweg innerhalb des Brennstoffs,
welcher Weg eine Außenwand mit einem konvergierenden Ausgangsbereich
umfasst. Der innere Luftweg umgibt einen axialen Kernkanal. Der
axiale Kernkanal definiert einen axialen Luftweg mit einem divergierenden
Ausgangsbereich.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der divergierende
Ausgangsbereich des axialen Kernkanals im Allgemeinen koextensiv
mit dem konvergierenden Ausgangsabschnitt von dem inneren Luftweg.
Es ist auch beabsichtigt, dass der divergierende Ausgangsbereich
von dem axialen Kernkanal an irgendeiner geeigneten Stelle stromaufwärts
oder stromabwärts von einem abschließenden Ende
von dem konvergierenden Ausgangsabschnitt von dem inneren Luftweg
aufhören kann. Es ist beabsichtigt, dass der Brennstoffweg
einen stromaufwärtigen Brennstoffdrallerzeuger und eine
stromabwärtige vorfilmlegende Fläche umfassen
kann. Der Brennstoffweg kann eine vorfilmlegende bzw. vorfilmbildende
(prefilming) Einspritzeinrichtung umfassen, welche benachbart dem
konvergierenden Ausgangsabschnitt von dem äußeren
Luftweg einen Brennstoffausgang hat. Der äußere
Luftweg kann einen Luftdrallerzeuger umfassen. Es ist auch möglich,
dass der äußere Luftweg einen Doppelluftdrallerzeuger umfasst.
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Ein
axialer Luftdrallerzeuger kann zwischen der Außenwand von
dem inneren Luftweg und dem axialen Kernkanal angeordnet sein. In
einem solchen Fall kann der axiale Luftdrallerzeuger Schaufeln bzw. Flügel
umfassen, welche derart konfiguriert sind, dass sie relativ zu einer
durch den axialen Drallerzeuger definierten Mittelachse einen Strömungswinkel von
zwischen etwa 0° bis etwa 60° verleihen. Der axiale
Luftdrallerzeuger kann derart dimensioniert sein, dass er zwischen
etwa 50% und etwa 95% von innerer Luftwegmassenströmung
durch den axialen Luftdrallerzeuger leitet, wobei der Rest der Massenströmung
durch den axialen Kernkanal geleitet wird.
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Es
ist beabsichtigt, dass eine Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtung
gemäß der Erfindung einen Kerndrallerzeuger benachbart
einem stromaufwärtigen Ende des axialen Kernkanals umfassen kann.
In einem solchen Fall kann der Kerndrallerzeuger ein axialer Luftdrallerzeuger,
radialer Drallerzeuger oder irgendein anderer geeigneter Typ von Drallerzeuger
sein. In bestimmten Ausführungsformen umfasst der Kerndrallerzeuger
eine zentrale Bohrung, welche einen Strömungsweg längs
einer Mittelachse des Kerndrallerzeugers definiert. Darüber
hinaus ist es auch beabsichtigt, dass wenigstens eine außermittige
radiale Öffnung in dem axialen Kernkanal benachbart dessen
divergierendem Ausgangsbereich definiert sein kann. Eine Mehrzahl
von solchen außermittigen Öffnungen können
zwischen einem inneren axialen Drallerzeuger und dem axialen Luftweg
kommunizieren, wobei die Mehrzahl von außermittigen Öffnungen
dazu konfiguriert und bestimmt sind, einer den axialen Kernkanal
verlassenden Strömung einen Drall zu verleihen.
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Diese
und andere Merkmale der Brennstoffdüse und des Systems
der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute aus der
folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, welche
zusammen mit den Zeichnungen verwendet werden, leichter ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Damit
Fachleute, zu welchen die vorliegende Erfindung gehört,
leichter verstehen, wie die Brennstoffdüse der vorliegenden
Erfindung ohne unzumutbares Experimentieren herzustellen und zu
verwenden ist, werden bevorzugte Ausführungsformen derselben
hier detailliert nachstehend unter Bezugnahme auf bestimmte Figuren
beschrieben, in welchen:
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1 eine
Querschnittsseitenansicht von einer Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtungsdüse vom
Stand der Technik ist, welche den massiven Zentralkörper
von einem axialen Drallerzeuger in dem inneren Luftweg zeigt;
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2 eine
Querschnittsseitenansicht von einer ersten charakteristischen Ausführungsform
einer Düse ist, welche gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist, welche einen axialen Kernkanal in dem
inneren Luftweg zeigt;
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3 eine
Querschnittsseitenansicht der Düse von 2 ist,
welche einen in dem Kernkanal angeordneten axialen Kerndrallerzeuger
zeigt;
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4 eine
Querschnittsseitenansicht der Düse von 2 ist,
welche einen radialen Kerndrallerzeuger zeigt, welcher an dem stromaufwärtigen
Ende von dem Kernkanal angeordnet ist;
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5 eine
Querschnittsseitenansicht von einer zweiten charakteristischen Ausführungsform
einer Düse ist, welche gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist, welche einen Doppelluftdrallerzeuger
in dem äußeren Luftweg zeigt;
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6 eine
Querschnittsseitenansicht von einer dritten charakteristischen Ausführungsform
der Düse ist, welche gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist, welche einen axialen Kerndrallerzeuger
zeigt, welcher an dem stromaufwärtigen Ende des Kernkanals
angeordnet ist;
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7 eine
Querschnittsseitenansicht der Düse von 6 ist,
welche einen Kernkanal zeigt, welcher einen radialen Kerndrallerzeuger
hat, welcher an dem stromaufwärtigen Ende desselben anstelle
eines axialen Kerndrallerzeugers angeordnet ist; und
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8 eine
Querschnittsseitenansicht der Düse von 6 ist,
welche anstelle eines axialen Kerndrallerzeugers einen Kernkanal
mit außermittigen Bohrungen benachbart dem stromabwärtigen
divergierenden Ausgang des Kernkanals zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Nun
wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen gleiche Bezugszahlen ähnliche strukturelle
Merkmale oder Aspekte der vorliegenden Erfindung bezeichnen. Gemäß der
Erfindung ist eine Air-Blast-Brennstoffeinspritzeinrichtung bzw.
Luftblasbrennstoffeinspritzeinrichtung bzw. Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtung
(air blast fuel injector) vorgesehen. Die Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtung
umfasst einen äußeren Luftweg mit einem konvergierenden
Ausgangsabschnitt und einen Brennstoffweg innerhalb des äußeren
Luftwegs. Ein innerer Luftweg innerhalb des Brennstoffwegs umfasst
eine Außenwand, welche einen konvergierenden Ausgangsbereich
hat. Der innere Luftweg umgibt einen axialen Kernkanal, welcher
einen axialen Luftweg definiert, der einen divergierenden Ausgangsbereich hat.
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Zum
Zwecke der Erläuterung und Veranschaulichung und keine
Beschränkung, ist eine Teilansicht einer beispielhaften
Ausführungsform der Einspritzeinrichtung oder Düse
gemäß der Erfindung in 2 gezeigt
und allgemein durch das Bezugszeichen 100 bezeichnet. Andere
Ausführungsformen einer Düse gemäß der
Erfindung oder Aspekte davon sind in den 3 bis 8 vorgesehen,
wie beschrieben werden wird. Das System der Erfindung kann in Gasturbinenmotoren
verwendet werden, welche eine fette Primärzone und eine
drallstabilisierte Verbrennung verwenden, oder in irgend einer anderen
geeigneten Anwendung, für eine verbesserte Brennstoffzerstäubung
während einer Motorinbetriebnahme und eine fortwährend
stabile Verbrennung.
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Gemäß der
Erfindung ist ein Einlassabschnitt 102 an einem stomaufwärtigen
Ende der Düse 100 vorgesehen, um Hochdruckluft
von dem Verdichter aufzunehmen. Ein Auslassabschnitt 104 ist
an einem stromabwärtigen Abschnitt der Düse 100 vorgesehen,
um zerstäubten Brennstoff in die Brennkammer des Motors
abzugeben. Ein äußerer Luftweg 106 ist
mit einem axialen Luftdrallerzeuger 108 und einer konvergierenden
Luftkappe 110 nahe dem Auslassabschnitt versehen. Der äußere
Luftweg 106 verleiht dem hindurchströmenden Luftstrom
einen Drall, während er den Luftstrom am Auslassabschnitt 104 in
eine axial einwärtige Richtung lenkt.
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Brennstoff
tritt in die Düse 100 durch den Brennstoffeinlass 112 ein,
welcher mit einem Brennstoffdurchgang in Verbindung steht, welcher
in dem Zuleitungsarm der Einspritzeinrichtung ausgebildet ist (nicht
gezeigt, aber in der US-Patentanmeldung mit der Publikationsnummer
2006/0248898 von Buelow et al. zu sehen), und strömt durch
einen inneren Brennstoffweg 120 innerhalb des äußeren
Luftwegs 106 zu einem Brennstoffausgang 114 an
dem stromabwärtigen Abschnitt 104 der Düse 100.
Eine vorfilmlegende bzw. forfilmbildende (prefilming) Kammer 116 in
dem inneren Brennstoffdurchgang richtet eine dünne Schicht
von Brennstoff radial einwärts, während er eine
ringförmige Öffnung 114 verlässt.
Es ist auch möglich, einen Brennstoffdrallerzeuger einzubeziehen,
welcher dem durch die vorfilmlegende Kammer 116 strömenden
Brennstoff einen Drall verleiht. Fachleute werden einsehen, dass
der innere Brennstoffdurchgang einen stromaufwärtigen Brennstoffdrallerzeuger
und eine stromabwärtige vorfilmlegende Fläche
umfassen kann, oder irgendeine andere geeignete Brennstoffdurchgangskonfiguration, ohne
vom Geist und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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Ein
innerer Luftweg 118 innerhalb des Brennstoffwegs 120 erlaubt
den Durchgang von Luft von dem stromaufwärtigen Abschnitt 102 zu
dem strom abwärtigen Abschnitt 104 durch den axialen
inneren Abschnitt der Düse 100. Eine Innenwand 122 von dem
inneren Luftweg 118 konvergiert nahe dem Ausgangsbereich 104.
Der innere Luftweg 118 umfasst auch einen axialen Kernkanal 124,
welcher im Allgemeinen von der Innenwand 122 umgeben ist.
Der axiale Kernkanal 124 definiert einen Luftweg längs
der Achse der Düse 100 mit einem Ausgangsbereich 125,
welcher nahe dem Augangsabschnitt 104 der Düse 100 divergiert.
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Ein
innerer axialer Drallerzeuger 126 verleiht der durch den
inneren Luftweg 118 strömenden Luft einen Drall,
aber an der Außenseite des Kernkanals 124. Die
Flügel des axialen Drallerzeugers 126 sind so
konfiguriert, dass sie einen Strömungswinkel von zwischen
etwa 0° und etwa 60° relativ zu der Mittelachse
des axialen Drallerzeugers verleiht. In einer bevorzugten Ausführungsform
verleihen die Flügel einen Strömungswinkel von
etwa 30°. Fachleute werden leicht einsehen, wie irgendeine
geeignete Flügelkonfiguration anzuwenden ist, welche irgendeinen geeigneten
Strömungswinkel verleiht, ohne von dem Geist und Schutzbereich
der Erfindung abzuweichen. Ein Drall wird passierender Verdichterauslassluft über
den inneren Drallerzeuger 126 und den äußeren Drallerzeuger 108 verliehen,
welche parallel arbeiten. Darüber hinaus ist es möglich,
dass die Flügel von dem inneren axialen Drallerzeuger 126 einen Drall
verleihen, welcher entweder gemeinsam mit dem von dem äußeren
axialen Drallerzeuger 108 verliehenen Drall rotiert oder
entgegengesetzt zu diesem rotiert.
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Den
Drallerzeuger 126 verlassende Luft muss durch einen ringförmigen
Ausgang 105 austreten, welcher eine Entstelle zwischen
dem konvergierenden Abschnitt von der Innenwand 122 und
dem divergierenden Abschnitt des Kernkanals 124 ist. Dieser
ringförmige Ausgang 105 dient dazu, die Luftströmungswegfläche
zu reduzieren, um einen Druckabfall in dem inneren Luftstrom nahe
dem Brennstoffeinspritzpunkt von dem Brennstoffauslass 114 zu
erzeugen. Das Ergebnis ist eine gleichmäßig beschleunigte
Strömung, welche den ringförmigen Ausgang 105 auf
der Innenseite von einer dünnen Brennstoffschicht verlässt,
welche den Brennstoffauslass 114 verlässt. Diese gleichmäßig
beschleunigte Luftströmung wird für eine zunehmende
Zerstäubung des Brennstoffs bei niedriger Leistung verwendet,
indem ein höherer Geschwindigkeitsbetrag in der passierenden
Luftströmung konzentriert wird, welche folglich kleinere
Brennstofftröpfchengrößen erzeugt, was bei
der Initiierung und Stabilisierung einer Verbrennung hilft.
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Der
axiale Kernkanal 124 steuert/regelt, wie rezirkulierte
Abgase, welche in der Brennkammer stromabwärts von der
Düse 100 zirkulieren, mit von der Düse
strömenden Luft und Brennstoff vermischt werden, was letztendlich
eine aerodynamisch stabile Scherzone erzeugt, welche für
eine Verbrennung über einen weiten Bereich von Motorbedingungen/Zustände
geeignet ist. Ein Niederdruckbereich wird durch den Drall/Wirbel
der Düsenströmung erzeugt und dies zieht Nachverbrennungsgase
zurück in die Verbrennungszone. Das Design der Einspritzeinrichtung
und der Brennkammer tragen auch etwas zu der Menge an rezirkulierten
Gasen bei, welche in den Verbrennungsprozess zurückgezogen
werden. Die innere Wegluft (oder Kernströmung) wird durch das
Düsendesign gesteuert/geregelt, um die innere Luft in einer
solchen Weise in die vorwärts gerichtete Brennkammer einzuleiten,
dass die rezirkulierten Abgase durch den inneren Luftkreis gesteuert/geregelt werden.
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Der
Ausgang des Kernkanals 125 ist im Wesentlichen koextensiv
zu dem Brennstoffausgang 114 und dem Ausgang von dem äußeren
Luftweg 106 in der axialen Richtung und vorzugsweise etwas stromaufwärts
von dem Brennstoffausgang 114 und dem Ausgang von dem äußeren
Luftweg 106. Die axiale Position von dem Kernkanal ist
wichtig, um die Verdichterabgabeluft längs einer glatten
kontinuierlichen Kontur zu einem Punkt zu beschleunigen, wo der
Brennstoff den Vorfilmleger verlässt, um die Brennstofffilmzerstäubung
zu verbessern. Wenn der Kernkanal zu weit stromaufwärts
ist, trifft die Luft nicht direkt auf die Brennstoffschicht, das
Strömungsfeld wird deformiert und die Zerstäubung
und Magererlöschen (lean extinction) werden beeinträchtig,
zu weit stromabwärts und die Wechselwirkung zwischen den
Innenluft- und Außenluftkreisen wird beeinträchtigt
und der Kernkanal wird zu heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt.
Während somit der Ausgang 125 von dem Kernkanal 124 so
gezeigt ist, dass er im Wesentlichen koextensiv mit dem Ausgang 105 von
dem inneren Luftweg 118 ist, werden Fachleute leicht einsehen,
wie die Lage des Kernkanals für andere Düsendesigns
zu optimieren ist, ohne vom Geist und Schutzbereich der Erfindung
abzuweichen.
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Das
Kopf- bzw. Spitzendesign für den Kernkanal 124 ist
entscheidend, da es bestimmt, wie nahe die rezirkulierten Abgase
zu der Düsenspitze kommen, welche die Konzentration von
hochreaktiven chemischen Arten steuert/regelt, welche in die Verbrennungszone
geleitet werden. Zusätzlich kann die axiale Lage des Kernkanalausgangs
die Eindringtiefe von Verbrennungsrezirkulationsgasen zurück
in die Flammenstruktur beeinflussen. Die Kernkanalkontur kombiniert
mit der Drallstärke von dem axialen Kerndrallerzeuger 128,
wenn in dem Kernkanal enthalten, unterstützen eine Reduzirkulation
von Gasen, was einen engeren Flammenkern erzeugt, was das Magerlöschverhalten
der Einspritzeinrichtung erweitert. Eine Bohrung 130 durch
den axialen Drallerzeuger, wenn in dem Kernkanal enthalten, kann
eine signifikante Rolle spielen, die Flammenfront davon abzuhalten,
stromaufwärts zu kommen und sich an dem Auslass oder der
Innenseite von dem Kernkanal zu verankern, abhängig von
der Drallstärke von dem Kerndrallerzeuger. Die Kombination
der Kernkanalkontur, des Kerndrallerzeugers und des Bohrungslochs
im Spitzendesign steuert/regelt die lokalen Freistromturbulenzniveaus,
das dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld und die Temperatur von
dem Brennstoff/Luft-Gemisch unmittelbar vor der Verbrennung, welche
alle direkt die Flammenstabilität beeinflussen.
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Selbst
wenn kein Kernkanaldrallerzeuger vorhanden ist, wie beispielsweise
in den 2, 5 und 8 gezeigt,
kann der Kernkanal im Vergleich zu bisher bekannten Düsen
trotzdem Vorteile bei der Zündung und der Flammenstabilität
bereitstellen. Die Leistung hängt vom Design von dem inneren
Luftkreis, dem inneren Luftweg und dem Verhältnis von dem
inneren Luftkern zum inneren Luftweg, einschließlich der
Kontur von dem divergierenden Ausgangs bereich ab. Das Hinzufügen
eines Kernluftdrallerzeugers kann eine bessere Zündung und
Flammenstabilität abhängig von dem Düsendesign,
der Düsengröße, dem Motorkuppel-(engine
dome)drallerzeugerdesign und dem Brennkammerdesign bereitstellen.
Eine Bestimmung, ob die Hinzufügung eines Kerndrallerzeugers
innerhalb eines Kernkanals bei einem vorgegebenen Düsendesign
erhebliche Vorteile bereitstellt, kann durch ein Experiment mit
einem Brennkammerversuchsstand unter atmosphärischen Bedingungen
bestimmt werden.
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Der
Kern reduziert auch thermischen Stress, da Flächen, welche
in früheren Designs heißen Abgasen ausgesetzt
wären, mit Verdichterabgabeluft in der Düse 100 gekühlt
werden. Mehrfache Strömungsfelder können basierend
auf den Bedürfnissen für die speziellen Verbrennungssystemerfordernisse entwickelt
werden, indem die Kontur von dem Kernluftaustritt modifiziert wird.
Der Kernkanal 124 erlaubt auch eine Reduktion des Gesamtdurchmessers
der Einspritzeinrichtung, infolge des Diffusoreffekts, welcher mit
der durch die Düse beschleunigten Innenluft im Zusammenhang
steht, aufgrund der reduzierten Ausgangsfläche von dem
inneren Luftweg unmittelbar außerhalb der Kernkanalkontur.
Andere Vorteile umfassen eine bessere Steuerung/Regelung von dem
Innenluftkreisströmungsfeld und eine verbesserte Luftströmungsdosierungsfähigkeit.
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Die
Außenwand 122 von dem inneren Luftweg 118 und
der Kernkanal 124 sind so dimensioniert, dass zwischen
etwa 50% und etwa 95% von der inneren Luftwegmassenströmung
durch den axialen Luftdrallerzeuger 126 geleitet wird,
wobei der Rest der Massenströmung durch den Kernkanal 124 geleitet
wird. Fachleute werden jedoch leicht einsehen, dass die Düse 100 so
konfiguriert werden kann, dass sie irgendein geeignetes Massenströmungsverhältnis
in dem axialen Drallerzeuger 126 zu der Massenströmung
in dem Kernkanal 124 Rechnung trägt, ohne von
dem Geist und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Aufteilung
zwischen der Kernluft und der Innenluft ist kritisch, um die Düsenzündung
und das Magerlöschverhalten auszubalancieren. Eine übermäßige
Kernluft verringert die Menge und Energie von Luft, welche direkt
auf den Brennstoffstrom bei der Zündung auftrifft. Eine
nicht ausreichende Kernluft bewirkt, dass ungenügend Verbrennungsgase
rezirkuliert werden, was die Magerlöscheigenschaften des
Zerstäubers vermindert. Die Kombination von Kernluft zur
Innenluftaufteilung kann verstellt werden, um eine optimale Zündung und
Magerlöscheigenschaft bereitzustellen. Die optimale Innenluftaufteilung
wird abhängig von dem Brennkammerdesign, der Düsengeometrie
und/oder Hülle bzw. Ummantelung und den Brennstoff- und Luftströmungserfordernissen
variieren. Tatsächliche Motortests können verwendet
werden, um die optimale Innenluftaufteilung für ein vorgegebenes
Brennkammerdesign, Düsendesign und Luft/Kraftstoffströmungsbedürfnisse
zu bestimmen.
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Wie
in 3 gezeigt, ist es auch möglich, dass
der Kernkanal 124 einen axialen Kerndrallerzeuger 128 umfasst,
um der Kernluftströmung einen Drall zu verleihen. Der axiale
Kerndrallerzeuger 128 hat Drallflügel von einem
bekannten Typ an seiner Außenseite und eine Bohrung 130 längs
der Achse der Düse 100, welche ein optionales
Merkmal ist, das eine axiale Strömung bereitstellt, um
bei der Flammenstabilität in der Brennkammer zu helfen. 4 zeigt
eine Düse 100 mit einem radialen Kerndrallerzeuger 132,
welcher an dem Einlassende von dem Kernkanal 124 angeordnet
ist. Der radiale Kerndrallerzeuger 132 umfasst eine Mehrzahl
von außermittigen Bohrungen 134, welche zwischen
dem Hauptabschnitt von dem inneren Luftweg 118 und der Innenseite
des Kernkanals 124 kommunizieren. Luft, welche durch die
Bohrungen 134 in den Kernkanal 124 eintritt, wird
in Drall versetzt, da die Bohrungen 134 von den Radien
des Drallerzeugers 132 abgesetzt sind. Eine optionale axiale
Bohrung 136 erlaubt eine axiale Strömung, was
bei der Stabilisierung von Strömungen in der Brennkammer
hilft.
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Während
axiale Kerndrallerzeuger optional sind, stellen sie den Vorteil
bereit, dabei hilfreich zu sein, Flammen zu verankern und die Flammenstabilität
in der Rezirkulationszone der Brennkammer zu verbessern. Während
darüber hinaus oben Kerndrallerzeuger beschrieben wurden
mit Beispielen von einer axialen und radialen Drallerzeugerkonfiguration,
werden Fachleute leicht einsehen, dass irgendein geeigneter Drallerzeugertyp
verwendet werden kann, ohne vom Geist und Schutzbereich der Erfindung
abzuweichen.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtungsdüse
gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Düse 200 ist der
oben erwähnten Düse 100 in den meisten
Beziehungen ähnlich, einschließlich dass sie einen
inneren Luftweg 218 mit einem Kernkanal 224 mit
einem axialen Drallerzeuger 226 innerhalb eines inneren Brennstoffwegs 220 hat.
Jedoch hat die Düse 200 einen doppelten äußeren
Luftdrallerzeuger 208. Doppelte Drallerzeuger stellen ein
zusätzliches Mittel bereit, um Luftströmungen
um die Brennstoffeinspritzzone einen Drall zu verleihen. Die Düse 200 kann ohne
einen Kernkanaldrallerzeuger verwendet werden, wie in 5 gezeigt,
oder mit einem Kernkanaldrallerzeuger, wie in den 6 und 7 veranschaulicht.
Die 6 zeigt eine Düse 300 mit einem Kernkanaldrallerzeuger 328,
welcher an dem Einlassende des Kernkanals 324 angeordnet
ist, in den meisten Beziehungen der 3 ähnlich,
mit Ausnahme eines doppelten äußeren Luftdrallerzeugers 308. 7 zeigt
einen radialen Kerndrallerzeuger 332, welcher an dem Einlassende
von dem Kernkanal 324 angeordnet ist, mit radialen Drallbohrungen 334 und einer
axialen Bohrung 336, in den meisten Beziehungen der 4 ähnlich,
mit Ausnahme eines doppelten äußeren Luftdrallerzeugers 308.
Fachleute werden leicht einsehen, dass ein axialer oder irgendein anderer
geeigneter Typ von Kernkanaldrallerzeuger in der Düse 300 verwendet
werden kann, ohne vom Geist und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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8 zeigt
eine Düse 300 mit außermittigen Öffnungen
oder Bohrungen 338 benachbart dem divergierenden Ausgangsabschnitt
des Kernkanals 324. Die Bohrungen 338 stellen
zwischen dem inneren axialen Drallerzeuger 326 und dem
Inneren des Kernkanals 324 eine Verbindung her, welche
es erlaubt, dass Luft von der Außenseite des Kernkanals in
die axiale Strömung innerhalb des Inneren des Kernkanals 324 passiert.
Die Bohrungen 338 verleihen der Kernluft, welche den Kernkanal 324 verlässt, ein
Drallelement, da sie gegenüber den Radien des Kernkanals 324 abgesetzt
sind. Während im Zusammenhang mit der Düse 300 mit
doppelten äußeren Drallerzeugern 308 gezeigt,
ist es auch möglich, Öffnungen, wie die Bohrungen 338,
in dem Kernkanal 124 der Düse 100 zu
verwenden. Darüber hinaus können die Bohrungen 338 in
Kernkanälen verwendet werden, mit oder ohne separaten Kerndrallerzeugern.
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Fachleute
werden leicht einsehen, dass die verschiedenen äußeren,
inneren, Brennstoff- und Kerndrallerzeuger, wenn sie verwendet werden,
für einen mitrotierenden Drall, einen gegenrotierenden Drall
oder irgendeine geeignete Kombination davon angeordnet sein können,
ohne vom Geist und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Jede
geeignete Anzahl zusätzlicher Drallerzeuger kann in dem
inneren Luftweg, dem äußeren Luftweg oder dem
Kernkanal verwendet werden. Es ist nicht notwendig, dass die Drallerzeuger
von den inneren und äußeren Luftwegen von einem
axialen Typ sind, da Fachleute leicht einsehen, wie radiale Drallerzeuger zu
verwenden sind, oder irgendein anderer geeigneter Typ von Drallerzeuger
oder eine Kombination von irgendwelchen geeigneten Drallerzeugertypen
anstelle von inneren und/oder äußeren axialen
Drallerzeugern, ohne vom Geist und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Die oben beschriebenen Düsen sind für Brennkammern
mit fetter Verbrennung konfiguriert, jedoch werden Fachleute leicht
einsehen, dass die Erfindung auch bei Brennkammeranwendungen mit
magerer Verbrennung ausgeübt werden kann, oder bei irgendeinem
anderen geeigneten Typ von Brennkammeranwendung. Während
spezielle beispielhafte Typen von Düsen hier geschildert wurden,
werden darüber hinaus Fachleute leicht einsehen, dass die
Erfindung bei Piloteinspritzeinrichtungen, Hybrideinspritzeinrichtungen,
Doppeleinspritzeinrichtungen, Rein-Einspritzeinrichtungen oder irgendeinem
anderen geeigneten Typ von vorfilmlegenden Einspritzeinrichtungen
oder Düsen angewendet werden kann, ohne vom Geist und Schutzbereich
der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus kann irgendeine
geeignete Kombination von hier beschriebenen Merkmalen in einer
Düse enthalten sein, ohne vom Geist und Schutzbereich der
Erfindung abzuweichen.
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Die
Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung, wie sie vorangehend
beschrieben und in den Zeichnungen gezeigt sind, sorgen für
eine Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtung mit überlegenen Eigenschaften,
einschließlich einer verbesserten Zerstäubung
infolge eines Luftdruckabfalls an dem Brennstoffeinspritzpunkt.
Diese verbesserte Zerstäubung führt zu verbesserten
Emissionen und Funktionsfähigkeit, einschließlich
Stabilität bei einem Betrieb mit niedriger Leistung, Zündung
und Magerbedingungen.
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Während
die Vorrichtung und Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme
auf bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben
wurden, werden Fachleute leicht einsehen, dass Änderungen
und/oder Modifikationen daran vorgenommen werden können,
ohne vom Geiste und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Eine
Brennstoffeinspritzeinrichtung für eine Gasturbine umfasst
einen äußeren Luftweg mit einem konvergierenden
Ausgangsabschnitt und einen Brennstoffweg innerhalb des äußeren
Luftwegs. Ein innerer Luftweg innerhalb des Brennstoffwegs umfasst
eine Außenwand mit einem konvergierenden Ausgangsbereich
und umgibt einen axialen Kernkanal, welcher einen axialen Luftweg
mit einem divergierenden Ausgangsbereich definiert. Der innere Luftweg
erzeugt einen Druckabfall nahe einer Brennstoffeinspritzöffnung,
um das Mischen und die Zerstäubung von Brennstoff über
einen Bereich von Leistungsniveaus einschließlich eines
Betriebs mit niedriger Leistung zu unterstützen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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