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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffeinspritzeinrichtungen
für Hochtemperaturanwendungen und insbesondere Brennstoffeinspritzeinrichtungen
für Gasturbinenmotoren.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Düsen
zum Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer von Gasturbinenmotoren
sind in der Technik gut bekannt. Das
US-Patent
Nr. 6,688,534 von Bretz, welches hierin durch Bezugnahme
in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, beschreibt verschiedene Aspekte
von Brennstoffdüsen für Gasturbineneinspritzeinrichtungen.
Brennstoffeinspritzeinrichtungen für Gasturbinenmotoren
an einem Flugzeug leiten Brennstoff von einem Verteiler zu einem Verbrennungsraum
(combustion chamber) einer Brennkammer (combustor). Die Brennstoffeinspritzeinrichtung
hat typischerweise ein Einlassanschlussteil, welches mit dem Verteiler
verbunden ist, um den Brennstoff aufzunehmen, eine Brennstoffdüse,
welche innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, um Brennstoff in
den Verbrennungsraum zu sprühen, und einen Gehäuseschaft,
welcher sich zwischen dem Einlassanschlussteil und der Brennstoffdüse
erstreckt und diese fluidmäßig verbindet. Der
Gehäuseschaft hat typischerweise einen Montageflansch zur
Befestigung an dem Gehäuse der Brennkammer.
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Brennstoffeinspritzeinrichtungen
sind üblicherweise mit einem Hitzeschild versehen aufgrund hoher
Betriebstemperaturen, welche auf die Hochtemperaturgasturbinenverdichterabgabeluft
zurückzuführen sind, welche um den Gehäuseschaft und
Düsenbauteile strömt. Das Hitzeschild verhindert,
dass der durch die Einspritzeinrichtung strömende Brennstoff
in seine Bestandteile zerfällt (d. h. ”verkokt”),
was passieren kann, wenn die Temperaturen von benetzten Wänden
von einem Brennstoffdurchgang 400°F überschreiten.
Das Koks in den Brennstoffdurchgängen von der Brennstoffeinspritzeinrichtung
kann sich ansammeln und eine Brennstoffströmung zu der
Düse beschränken.
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Die
Verdichterluft, welche durch eine Brennstoffeinspritzeinrichtung
strömt, kann Temperaturen erreichen, welche so hoch sind
wie 1600°F. Bisher haben Brennstoffdüsen ringförmige
stehende-Luft-Spalten umfasst als Isolation zwischen äußeren
Wänden, wie jenen in thermischem Kontakt mit Hochtemperaturumgebungsbedingungen,
und inneren Wänden in thermischem Kontakt mit dem relativ kühlen
Brennstoff. Diese isolierenden Luftspalte sind gegenüber
den Umgebungsbedingungen im Allgemeinen offen, um eine relative
thermische Ausdehnung von Einspritzeinrichtungsbauteilen zu erlauben. Wenn
der Motor nicht in Betrieb ist, kann Brennstoff in die isolierenden
Luftspalte gezogen werden und wenn der Motor nachfolgend betrieben
wird, kann dieser Brennstoff in den Isolationsspalten verkoken und
dadurch die Isolationseffekte der Hitzeabschirmung reduzieren. Somit
ist ein Reinigen der Brennstoffeinspritzeinrichtung erforderlich,
um eine reduzierte thermische Isolation, mögliche Kohlenstoffanlagerung
und eine Verminderung der Düsenlebensdauer zu verhindern.
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Obwohl
einige Lösungen für dieses Problem entwickelt
wurden, wie z. B. in dem
US-Patent
Nr. 5,761,907 von Pelletier et al., welches das Anbringen des
inneren Hitzeschilds an der stromabwärtigen Spitze der
Einspritzeinrichtung beschreibt, während das stromaufwärtige
Ende für eine thermische Ausdehnung frei gelassen wird,
gibt es Nachteile, das stromaufwärtige Ende des Hitzeschilds
freizulassen. Unter den Nachteilen sind möglicherweise
ernste Fehlerauswirkungen, welche durch ein Brennstoffleck in dem
Isolationsspalt verursacht werden können, was es erlaubt,
dass Brennstoff aus der stromaufwärtigen Entlüftung
in einen unerwünschten Bereich des Motors, z. B. stromaufwärts
der Düse ausströmt. Daher ist es üblich,
die Entlüftung strom abwärts nahe dem Brennstoffauslass
der Düse anzuordnen. Wenn sich die Entlüftungsöffnung
stromabwärts nahe dem Düsenauslass befindet, kann
in dem Fall eines Fehlers, welcher ein internes Brennstoffleck verursacht,
Brennstoff geleitet werden, um aus der Entlüftung und in
die Brennkammer stromabwärts zu strömen. Dies
erlaubt einen weiteren, wenn auch eingeschränkten Motorbetrieb,
bis die Einspritzeinrichtung ersetzt werden kann. Daher ist es wünschenswert,
dass die diametralen Freiräume zwischen dem Hitzeschild
und dem Brennstoffdrallerzeuger stromabwärts angeordnet
sind, anstatt stromaufwärts, wie von Pelletier et al. beschrieben.
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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 differenzierte Ausdehnung ermöglicht, während
sie einen Brennstoffeintritt in die Isolationsspalten reduziert
oder verhindert. Es ist für eine solche Düse wünschenswert,
die Isolationsspalten stromabwärts anstatt stromaufwärts
in der Düse zu entlüften. Es bleibt auch ein Bedürfnis
in der Technik nach einer solchen Düse oder Einspritzeinrichtung
bestehen, welche kostengünstig und leicht herzustellen
und zu verwenden ist. 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 Gasturbinenbrennstoffeinspritzeinrichtung
gerichtet. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf eine Gasturbinenbrennstoffeinspritzeinrichtung
gerichtet, welche einen Düsenkörper mit einer
radial inneren Wand benachbart einem inneren Luftweg und einer radial äußeren
Wand umfasst. Ein Isolationsspalt ist zwischen der radial inneren
Wand und der radial äußeren Wand definiert. Die
innere und die äußere Wand sind für eine
axiale Relativbewegung an einer ersten Schnittstelle (interface)
ausgebildet und konfiguriert. Die Einspritzeinrichtung umfasst ferner
einen Hemmring benachbart einem stromabwärtigen Ende von
der inneren Wand, um Brennstoff davon abzuhalten, in den Isolationsspalt
einzutreten.
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Eine
zweite Schnittstelle ist zwischen dem stromabwärtigen Ende
von der inneren Wand und einem stromaufwärtigen Ende von
dem Hemmring ausgebildet, um eine axiale Relativbewegung von der
inneren und der äußeren Wand aufzunehmen.
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Der
Hemmring kann mit der äußeren Wand verbunden sein.
In bestimmten Ausführungsformen hat die zweite Schnittstelle
eine Spielpassung, um Gasen zu ermöglichen, hindurch zu
strömen, während einem Durchtritt von Flüssigkeiten
hindurch widerstanden wird. Die zweite Schnittstelle kann vorteilhafterweise
eine Entlüftung für den Isolationsspalt bilden,
welche in den inneren Luftweg des Düsenkörpers
in einer Richtung öffnet, welche von einem Abgabeauslass
an stromabwärtigen Enden von der inneren und der äußeren
Wand weg weist. Es ist auch möglich, dass der Hemmring
mit der äußeren Wand integral ist. Die radial äußere
Wand kann einen Brennstoffdrallerzeuger umfassen, welcher einen Abschnitt
eines Brennstoffwegs definiert und die radial innere Wand des Düsenkörpers
kann ein Hitzeschild zum Schutz des Brennstoffwegs definieren.
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Es
ist vorgesehen, dass die innere Wand einen im Wesentlichen zylindrischen
Abschnitt von dem inneren Luftweg durch den Düsenkörper
definieren kann und dass die innere Wand einen radial erweiterten
Endabschnitt stromabwärts von dem im Wesentlichen zylindrischen
Abschnitt haben kann. In dieser Konfiguration kann der radial erweiterte
Endabschnitt die erste Schnittstelle mit der äußeren Wand
bilden. Der Hemmring kann eine im Wesentlichen zylindrische Innenfläche
definieren, welche einen Innendurchmesser hat, der im Wesentlichen dem
Innendurchmesser des im Wesentlichen zylindrischen Abschnitts der
inneren Wand gleicht. Es ist vorgesehen, dass die äußere
Wand einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt benachbart dem Austrittsauslass
haben kann, welcher einen Innendurchmesser aufweist, der im Wesentlichen
dem Innendurchmesser von der im Wesentlichen zylindrischen Oberfläche
des Hemmrings gleicht. Darüber hinaus kann die Brennstoffdurchgangswand
ein Entspannungselement oder Entspannungsmerkmal umfassen, welches
darin benachbart dem Hemmring definiert ist.
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Die
Erfindung umfasst auch eine Gasturbinenbrennstoffeinspritzeinrichtung,
umfassend einen Düsenkörper, welcher entgegengesetzte stromaufwärtige
und stromabwärtige Enden und einen sich dazwischen erstreckenden
Brennstoffdurchgang hat. Ein innerer Abschnitt von dem Brennstoffdurchgang
ist durch eine Brennstoffdurchgangswand begrenzt. Ein innerer Luftweg
ist durch eine Hitzeschildwand einwärts von der Brennstoffdurchgangswand
begrenzt. Die Hitzeschildwand und die Brennstoffdurchgangswand sind
an einer ersten Schnittstelle benachbart dem stromabwärtigen
Ende des Düsenkörpers in Längsrichtung
relativ bewegbar. Ein interner Isolationsspalt ist zwischen der
Brennstoffdurchgangswand und der Hitzeschildwand angeordnet. Der
Isolationsspalt ist in Fluidverbindung mit dem inneren Luftweg durch
die erste Schnittstelle. Ein Hemmring, welcher mit der Brennstoffdurchgangswand
verbunden ist und einen Abschnitt der Hitzeschildwand überlappt,
bildet eine zweite Schnittstelle zwischen dem Hemmring und der Hitzeschildwand benachbart
der ersten Schnittstelle. Die zweite Schnittstelle ist eine Gleitsitzverbindung
mit engem Spiel (tight clearance slip fit joint). Die ersten und zweiten
Schnittstellen sind dazu konfiguriert und ausgebildet, den Durchgang
von Gasen zu erlauben und dem Durchgang von Flüssigkeiten
hindurch zu widerstehen.
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Der
Hemmring kann mit der Hitzeschildwand an der zweiten Schnittstelle
in Längsrichtung relativ bewegbar sein. Die Hitzeschildwand
kann eine im Wesentlichen zylindrische innere Grenze in dem inneren
Luftweg definieren und kann einen radial erweiterten stromabwärtigen
Endabschnitt haben, wobei die erste Schnittstelle zwischen dem erweiterten stromabwärtigen
Endabschnitt von der Hitzeschildwand und der Brennstoffdurchgangswand
definiert ist. Der Hemmring kann wenigstens etwas von dem radial
erweiterten stromabwärtigen Endabschnitt von der Hitzeschildwand überlappen.
Die Brennstoffdurchgangswand benachbart einem Austrittsauslass von
dem Düsenkörper kann einen im Wesentlichen zylindrischen
Abschnitt haben mit einem Durchmesser, welcher im Wesentlichen dem
Durchmesser von der im We sentlichen zylindrischen inneren Begrenzung
von dem inneren Luftweg gleicht.
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Die
Erfindung umfasst auch eine Luftblas- bzw. Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtung,
welche einen äußeren Luftdrallerzeuger umfasst.
Ein Düsenkörper einwärts von dem äußeren
Luftdrallerzeuger hat einen Einlass an einem stromaufwärtigen
Ende und einen Abgabeauslass an einem stromabwärtigen Ende.
Der Düsenkörper definiert einen Brennstoffdurchgang,
welcher sich zwischen dem Einlass und dem Abgabeauslass erstreckt.
Der Brennstoffdurchgang umfasst einen Brennstoffdrallerzeuger und
eine stromabwärtige Drallkammer. Eine Brennstoffdurchgangswand
begrenzt einen inneren Abschnitt von dem Brennstoffdurchgang. Eine
Hitzeschildwand einwärts von der Brennstoffdurchgangswand
definiert einen inneren Luftdurchgang durch den Düsenkörper.
Die Brennstoffdurchgangswand und die Hitzeschildwand sind an einer
ersten Schnittstelle in Längsrichtung relativ bewegbar.
Die Brennstoffdurchgangswand und die Hitzeschildwand definieren einen
inneren Isolationsspalt, welcher dazwischen angeordnet ist, um den
Brennstoffdurchgang gegenüber dem inneren Luftdurchgang
thermisch zu isolieren. Der innere Isolationsspalt ist durch die
erste Schnittstelle in Fluidverbindung mit dem inneren Luftdurchgang.
Ein Hemmring überlappt die erste Schnittstelle und ist
dazu konfiguriert und ausgebildet, Brennstoff daran zu hindern,
durch die erste Schnittstelle in den Isolationsspalt einzutreten.
Ein innerer Luftdrallerzeugerkörper ist in dem inneren
Luftdurchgang angeordnet. Es ist auch vorgesehen, dass der Hemmring
und die Brennstoffdurchgangswand eine Tasche dazwischen definieren
können zur Aufnahme einer axialen Relativbewegung von einem stromabwärtigen
Ende von der Hitzeschildwand darin.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Brennstoffeinspritzeinrichtung
der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten aus der folgenden befähigenden
Beschreibung von den bevorzugten Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung leichter ersichtlich, welche zusammen mit
den verschiedenen nachfolgend beschriebenen Zeichnungen verwendet
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Damit
Fachleute, für welche die vorliegende Erfindung bestimmt
ist, leichter verstehen, wie die Einspritzeinrichtung der vorliegenden
Erfindung ohne übertriebenes Experimentieren herzustellen
und zu verwenden ist, werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen
derselben detailliert unter Bezugnahme auf bestimmte Figuren beschrieben,
in welchen:
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1 eine
Querschnittsseitenansicht von einer Brennstoffeinspritzeinrichtung
vom Stand der Technik ist;
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2 eine
vergrößerte Querschnittsseitenansicht von einem
Abschnitt der Stand der Technik-Brennstoffeinspritzeinrichtung von 1 ist,
welche den Isolationsspalt zwischen der inneren Brennstoffdurchgangswand
und dem Hitzeschild zeigt;
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3 eine
Querschnittsseitenansicht einer ersten charakteristischen Ausführungsform
einer Brennstoffeinspritzeinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung ist, welche den Hemmring in dem inneren Luftdurchgang
zeigt;
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4 eine
vergrößerte Querschnittsseitenansicht von einem
Abschnitt der Brennstoffeinspritzeinrichtung von 3 ist,
gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die Schnittstelle
zwischen dem Hitzeschild und der inneren Brennstoffdurchgangswand
wie auch die Schnittstelle zwischen der Hitzeschildwand und dem
Hemmring zeigt;
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5 eine
vergrößerte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts
einer anderen Ausführungsform einer Brennstoffeinspritzeinrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung ist, welche einen
Hemmring zeigt, der in einem inneren Luftdurchgang angebracht ist,
mit einem Entspannungsmerkmal, welches in der Brennstoffdrallerzeugerwand
benachbart dem Hemmring definiert ist; und
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6 eine
vergrößerte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts
einer anderen Ausführungsform einer Brennstoffeinspritzeinrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung ist, welche einen
Hemmring zeigt, welcher mit der benachbarten Brennstoffdrallerzeugerwand
integral ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in welchen gleiche Bezugszahlen ähnliche
strukturelle Merkmale oder Elemente der verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung identifizieren, oder auf diese anderweitig
Bezug nehmen, ist in 3 eine Gasturbinenbrennstoffeinspritzeinrichtung
dargestellt, welche gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruiert ist und im Allgemeinen durch die Bezugszahl 100 bezeichnet
ist. Wie dargestellt, ist die Einspritzeinrichtung 100 eine
Luftstromeinspritzeinrichtung, welche vorgesehen ist, um zerstäubten Brennstoff
in den Verbrennungsraum eines Gasturbinenmotors abzugeben.
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Nun
auf 1 Bezug nehmend, erlaubt eine Einspritzeinrichtung 10 vom
Stand der Technik, durch stromaufwärtige Durchgänge
in einem Schaft 12 strömendem Brennstoff, in einer
Brennstoffdurchgangswand 22 definierten Brennstoffdurchgängen
zu folgen, um stromabwärts durch eine ringförmige Öffnung 14 eingespritzt
zu werden. Relativ heiße komprimierte Luft, welche von
einem stromaufwärtigen Verdichter abgegeben wird, strömt
in einen inneren Luftdrallerzeuger 18 und einen äußeren
Luftdrallerzeuger 16. Verwirbelte Luft von den inneren
und äußeren Luftdrallerzeugern 16, 18 schert
Brennstoff, welcher von der Öffnung 14 eingespritzt
wird, in Tröpfchen ab und zerstäubt den Brennstoff
zur Verbrennung stromabwärts in der Brennkammer.
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Um
den längs der Brennstoffdurchgangswand 22 strömenden
Brennstoff gegenüber dem heißen Verdichtergas
abzuschirmen, welches durch den Drallerzeuger 18 strömt,
ist ein Hitzeschild 20 in dem inneren Luftdurchgang angeordnet. 2 zeigt
einen vergrößerten Abschnitt der Einspritzeinrichtung 10 benachbart
der ringförmigen Brennstofföffnung 14.
Brennstoff, welcher durch die Öffnung 14 austritt, muss
als erstes durch Durchgänge strömen, welche in
der radial äußeren Fläche der Brennstoffdurchgangswand 22 definiert
sind. Heiße Verdichterluft von dem Luftdrallerzeuger 18 strömt
durch das Hitzeschild 20. Ein Isolationsspalt 24 trennt
die Brennstoffdurchgangswand 22 von dem Hitzeschild 20,
um den Brennstoffstrom gegenüber der relativ heißen
Verdichterluft in dem inneren Luftdurchgang thermisch zu isolieren.
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Um
eine unterschiedliche Ausdehnung der inneren und äußeren
Wände aufzunehmen, während thermisch induzierte
Spannungen minimiert werden, wurden die Wände daher an
einem Ende verankert und an dem anderen Ende für eine Relativbewegung frei
gelassen. Eine kleine Schnittstelle (interface) 26 zwischen
dem Hitzeschild 20 und der Brennstoffdurchgangswand 22 erlaubt
eine Relativbewegung des Hitzeschilds 20 und der Brennstoffdurchgangswand 22 längs
der Achse der Einspritzeinrichtung 10. Dies reduziert thermisch
induzierte Spannungen in der Einspritzeinrichtung 10, wenn
sich das Hitzeschild 20 in der Gegenwart von heißer
Verdichterluft thermisch ausdehnt, während die Brennstoffdurchgangswand 22 infolge
des Kontakts mit dem relativ kühlen, zu der Öffnung 14 strömenden
Brennstoff verhältnismäßig unausgedehnt
bleibt. Zusätzlich dazu, dass sie eine relative thermische
Ausdehnung erlaubt, erlaubt die Schnittstelle 26, Gase
in dem Isolationsspalt 24 zu ventilieren bzw. zu strömen,
was es den Gasen ermöglicht, sich innerhalb des Spalts 24 frei
auszudehnen und zusammenzuziehen, um so den Aufbau von Druck und
daraus resultierenden Spannungen in benachbarten Bauteilen zu verringern.
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Wenn
die stromabwärtigen Enden der Wände für
eine Relativbewegung freigelassen sind, kann es selbst eine eng
sitzende gleitende Schnittstelle (interface) zwischen den stromabwärtigen
Enden ermöglichen, dass Brennstoff in den Luftspalt 24 strömt,
welcher zwischen den Wänden ausgebildet ist. Wenn beispielsweise
die Einspritzeinrichtung 10 nicht in Betrieb ist, kann überschüssiger
Brennstoff von der Öffnung 14 durch die Schnittstelle 26 in den Isolationsspalt 24 gezogen
werden. Dies kann aus einer Kapillarwirkung, Schwerkraft und/oder
eine Saugwirkung von sich zusammenziehenden Gasen in den Spalt 24 resultieren,
welche auf den Brennstoff an der Schnittstelle 26 einwirken.
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Brennstoff,
welcher in den Isolationsspalt 24 eintritt, kann die Effektivität
des Isolationsspalts 24 reduzieren, zu der Öffnung 14 strömenden
Brennstoff gegenüber Verdichtergasen, welche durch das
Hitzeschild 20 strömen, thermisch zu isolieren.
Wiederholte Motorabschalt/anlasszyklen können bewirken, dass
der Luftspalt mit Kohlenstoff gefüllt wird, wenn bei in
dem Isolationsspalt 24 verbleibendem Brennstoff Verkoken
auftritt. Da Kohlenstoff kein so guter Isolator wie Luft ist, kann
somit der Luftspalt 24 mit der Zeit viel seiner Isolationsfähigkeit
verlieren. Eine Reinigung ist regelmäßig erforderlich,
um zu verhindern, dass der Kohlenstoffaufbau einen Punkt erreicht,
wo er eine Ventilation bzw. Entlüftung des Isolationsspalts 24 durch
die Schnittstelle 26 blockiert.
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Gemäß der
Erfindung und wie in den 3 und 4 gezeigt,
ist eine Einspritzeinrichtung 100 vorgesehen, welche sich
von einem Schaft 112 aus erstreckt, welcher durch eine
ringförmige Öffnung 114 in eine stromabwärtige
Brennkammer einzuspritzenden Brennstoff zuführt. Ein äußerer
Luftdrallerzeuger 116 ist radial auswärts von
der ringförmigen Öffnung 114 angeordnet
und ein innerer Luftdrallerzeuger 118 ist radial einwärts
von der Öffnung 114 angeordnet. Ein Hitzeschild 120 ist
in dem inneren Luftdurchgang vorgesehen, welches von der Brennstoffdurchgangswand 122 über
einen Isolationsspalt 124 getrennt ist, um von dem Schaft 112 zu
der Öffnung 114 strömenden Brennstoff
thermisch zu isolieren, wie oben bezüglich des Spalts 24 der
Einspritzeinrichtung 10 beschrieben. Da stromaufwärtige
Abschnitte von dem Hitzeschild 120 und der inneren Brennstoffdurchgangswand 122 an
dem Schaft 112 angebracht sind, können sich die
stromabwärtigen Enden derselben relativ zueinander axial
frei bewegen, wie dann, wenn sie sich thermisch ausdehnen und zusammenziehen.
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Die
Brennstoffdurchgangswand 122 ist so dargestellt, dass sie
ein Brennstoffdrallerzeuger ist, welcher Drallflügel umfasst,
um einer hindurch strömenden Brennstoffströmung
einen Drall zu verleihen, bevor sie eine Drallkammer oder Öffnung 114 verlässt.
Während der Isolationsspalt 124 zwischen dem Hitzeschild 120 und
der Brennstoffdurchgangswand 122 gezeigt ist, werden Fachleute
jedoch einsehen, dass irgendwelche zwei radial inneren und radial äußeren
Bauteile verwendet werden können, um den Isolationsspalt
dazwischen auszubilden, anstatt des Hitzeschilds 120 und
der Brennstoffdurchgangswand 122, ohne vom Schutzbereich
der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der Spalt 124 zwischen
dem inneren Hitzeschild 120 und einem Zwischenhitzeschild
einwärts von der Brennstoffdurchgangswand 122 ausgebildet
sein.
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Wie
in 4 gezeigt, ist der Hemmring 128 radial
einwärts von der Brennstoffdurchgangswand 122 nahe
der Brennstofföffnung 114 angeordnet. Der Hemmring 128 kann
an die Brennstoffdurchgangswand 122 gelötet oder
geschweißt sein, kann durch einen Presssitz befestigt sein
oder kann durch irgendein anderes geeignetes Mittel angebracht sein. Fachleute
werden leicht einsehen, dass der Hemmring 128 auch integral
mit der Brennstoffdurchgangswand 122 ausgebildet sein kann.
Während kein Isolationsspalt über die Verbindung
zwischen dem Hemmring 128 und der Wand 122 vorhanden
ist, ist die Verbindung den Brennstoffdrallerzeugerflügeln und
der Drallkammer oder Öffnung 114 benachbart, welche
ein Bereich mit hoher Brennstoffgeschwindigkeit und entsprechender
Kühlung ist, um ein Verkoken zu verhindern. Während
der Hemmring 128 einer thermischen Ausdehnung und Zusammenziehung ausgesetzt
wird, wird darüber hinaus die Verbindung zwischen dem Hemmring 128 und
der Wand 122 während des Betriebs komprimiert,
was zu einer kleinen oder keinen mechanischen Ermüdung
führt.
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Das
stromabwärtige Ende des Hitzeschilds 120, welches
der Öffnung 114 am nächsten ist, ist
radial erweitert, um einen engen Abstand bzw. Spaltweite bzw. Zwischenraum
zu der Brennstoffdurchgangswand 122 zu haben.
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Dieser
enge Zwischenraum bildet eine erste Schnittstelle 126,
welche vorzugsweise einen Zwischenraum hat, welcher eng genug ist,
um den Durchtritt von Gasen zu ermöglichen, aber den Durchtritt
von Flüssigkeiten widersteht. Die Schnittstelle 126 erlaubt
es dem Hitzeschild 120, sich axial zu der Öffnung 114 hin
auszudehnen, wenn es durch Passieren der Verdichterluft erhitzt
wird, relativ zu der Brennstoffdurchgangswand 122, welche
sich infolge ihres Kontakts mit dem relativ kühlen zu der Öffnung 114 strömenden
Brennstoff weniger ausdehnt.
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Eine
zweite Schnittstelle 130 ist zwischen dem erweiterten Ende
des Hitzeschilds 120 und dem Hemmring 128 angeordnet.
Die zweite Schnittstelle 130 ist so dimensioniert, dass
sie genug Abstand bzw. Spaltweite bzw. Zwischenraum hat, um eine Ventilation
von Gasen zu und von dem Isolationsspalt 124 zu erlauben,
aber einen Zwischenraum hat, welcher eng genug ist, um Brennstoff
davon abzuhalten oder zu verhindern, hindurchzuströmen.
Die zweite Schnittstelle 130 stellt einen Zwischenraum
für das radial erweiterte Ende von dem Hitzeschild 120 bereit,
damit sich dieses axial bezüglich des Hemmrings 128 bewegt,
während sich das Hitzeschild 120 thermisch ausdehnt
und zusammenzieht. Eine kleine Tasche ist zwischen dem Hitzeschild 120,
dem Hemmring 128 und der Brennstoffdurchgangswand 122 ausgebildet,
welche das Ende des Hitzeschilds 120 aufnimmt, wenn sich
dieses axial bezüglich benachbarter Bauteile bewegt.
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Besonders
während der Abschaltung eines Gasturbinenmotors neigt überschüssiger
Brennstoff von der Öffnung 114 dazu, in einer
Richtung von der Öffnung 114 zurück stromaufwärts
in den inneren Luftdurchgang und benachbarte Bauteile zu strömen. Der
Eingang von dem inneren Luftdurchgang in die Schnittstelle 130 öffnet
in einer Richtung weg von der typischerweise eintretenden Strömung
von überschüssigem Brennstoff von der Öffnung 114.
Auf diese Weise leitet die Schnittstelle 130 überschüssigen Brennstoff
von dem Gleitsitzbereich weg, welcher die erste Schnittstelle 126 umfasst.
Somit hält die Orientierung der Schnittstelle 130,
zusätzlich zu dem engen Zwischenraum derselben, äußeren
Brennstoff davon ab, in den Isolati onsspalt 124 einzutreten.
Da Brennstoff zwei enge Schnittstellen 126, 130 in
einem gewundenen Weg zu passieren hätte, um in den Isolationsspalt 124 einzutreten,
wird Brennstoff davon abgehalten, in den Spalt 124 einzutreten,
in einem viel größeren Ausmaß als bei
bekannten Brennstoffeinspritzeinrichtungen. Fachleute werden leicht einsehen,
dass es nicht notwendig ist, dass beide Schnittstellen 126, 130 enge
Schnittstellen sind. Beispielsweise ist es möglich, dass
nur die Schnittstelle 130 eine enge Schnittstelle ist,
in welchem Fall es nicht notwendig wäre, dass die Schnittstelle 126 eine enge
Schnittstelle ist.
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Das
Innere des Hitzeschilds 120 definiert einen im Allgemeinen
zylindrischen inneren Luftdurchgang mit stromabwärtigen
Entlüftungen. Der radial innere Raum des Hemmrings 128 fluchtet
im Wesentlichen mit dem zylindrischen inneren Luftdurchgang, welcher
durch die radial innere Fläche des Hitzeschilds 120 definiert
ist. Mit dem Ring 128, welcher im Wesentlichen zu dem Hitzeschild 120 radial
bündig ist, bildet der Hemmring 128 kein bedeutsames Hindernis
für die Verdichterluftströmung durch den inneren
Luftdurchgang. Jedoch ist es auch möglich, dass das Ende
des Hitzeschilds 120, anstatt erweitert zu sein, denselben
Durchmesser wie der benachbarte Abschnitt des Hitzeschilds 120 hat.
Die innere Fläche des Hemmrings 128 kann radial
in den inneren Luftdurchgang erweitert sein, anstelle mit diesem bündig
zu sein. Der Innendurchmesser von dem Hemmring 128 kann
kleiner oder größer als der Innendurchmesser des
Hitzeschilds 120 sein, solange der Hemmring und das Hitzeschild 120 so
bemessen sind, dass sie die benötigte Luftströmung
durch den inneren Luftdurchgang aufnehmen. Fachleute werden leicht
einsehen, dass jede geeignete Konfiguration einer Hitzeschildwand
und eines Hemmrings verwendet werden kann, ohne vom Schutzbereich
der Erfindung abzuweichen.
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Die
Brennstoffdurchgangswand 122 hat eine Spitze benachbart
der Öffnung 114, welche eine radial innere zylindrische
Fläche hat, welche im Wesentlichen zu dem inneren Luftdurchgang
bündig ist. Wie in 4 gezeigt,
hat die Spitze der Brennstoffdurchgangswand 122 einen Innendurchmesser, welcher im
Wesentlichen dem Durchmesser von dem inneren Luftdurchgang gleicht.
Fachleute werden jedoch einsehen, dass der Durchmesser der Spitze
der Brennstoffdurchgangswand 122 kleiner oder größer
als der Durchmesser des inneren Luftdurchgangs sein kann. Darüber
hinaus kann irgend eine andere geeignete Spitzengeometrie verwendet
werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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5 zeigt
einen Abschnitt einer anderen Brennstoffeinspritzeinrichtung 200 mit
einem äußeren Luftdrallerzeuger 216,
einer Brennstoffdurchgangswand 222, einer Brennstofföffnung 214,
einem Isolationsluftspalt 224, einem Hitzeschild 220 und
einem Hemmring 228. Der Hemmring 228 ist im Wesentlichen
sowohl axial als auch radial bündig zu dem Spitzenabschnitt
von der Brennstoffdurchgangswand 222 befestigt. Der Hemmring 228 und
die Spitze der Brennstoffdurchgangswand 222 haben Innendurchmesser,
welche im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Hitzeschilds 220 entsprechen.
Das Hitzeschild 220 und der Hemmring 228 sind
an Schnittstellen 226 und 230 in Längsrichtung
relativ bewegbar, um eine thermische Ausdehnung und Zusammenziehung
in der Achsrichtung aufzunehmen, so wie oben unter Bezugnahme auf
die Einspritzeinrichtung 100 beschrieben. Die Brennstoffdurchgangswand 222 umfasst
ein Spannungsentlastungsmerkmal bzw. Entspannungselement bzw. Entspannungsmerkmal 227 benachbart
dem Hemmring 128, um eine radial thermische Ausdehnung/Zusammenziehung
des Hemmrings 128 und/oder der Spitze der Brennstoffdurchgangswand 222 aufzunehmen. Fachleute
werden einsehen, dass jede geeignete Form und Größe
für ein solches Entspannungsmerkmal verwendet werden kann,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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6 zeigt
einen Abschnitt einer weiteren Brennstoffeinspritzeinrichtung 300 mit
einem äußeren Luftdrallerzeuger 316,
einer Brennstoffdurchgangswand 322, einer Brennstofföffnung 314,
einem Isolationsluftspalt 324, einem Hitzeschild 320 und
einem Hemmring 328. Der Hemmring 328 ist ein integrales
Teil der Brennstoffdurchgangswand 322. Der Hemmring 328 hat
einen Innendurchmesser, welcher etwas kleiner als der Innendurchmesser
des Hit zeschilds 320 ist. Das Hitzeschild 320 und
der Hemmring 328 sind an Schnittstellen 326 und 330 in
Längsrichtung relativ bewegbar, um eine thermische Ausdehnung
und Zusammenziehung in der Achsrichtung aufzunehmen, so wie oben
bezüglich der Einspritzeinrichtung 100 beschrieben.
Im Gegensatz zu der Einspritzeinrichtung 100 ist jedoch
die stromabwärtige Spitze von dem Hitzeschild 320 nicht
bezüglich des Rests des Hitzeschilds 320 erweitert.
Diese Konfiguration hat eine geringere Teilezahl und weniger Verbindungen
zwischen Teilen.
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Während
die Erfindung in Verbindung mit einer beispielhaften Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtung
beschrieben wurde, werden Fachleute leicht einsehen, dass die Erfindung
nicht auf die Verwendung mit Luftstrombrennstoffeinspritzeinrichtungen beschränkt
ist. Die Verfahren und Einrichtungen der Erfindung können
zusammen mit irgendeiner geeigneten Einspritzeinrichtung oder Düse
verwendet werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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Die
Systeme der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben sind
und in den Zeichnungen gezeigt sind, ermöglichen eine Brennstoffeinspritzeinrichtung
mit überragenden Eigenschaften einschließlich
der, Brennstoff davon abzuhalten oder zu verhindern, in Isolationsspalten
einzutreten, was es Isolationsspalten erlaubt, nahe der Brennstofföffnung
zu ventilieren, und eine relative axiale Bewegung der Einspritzeinrichtungsbauteile
infolge einer thermischen Ausdehnung bereitstellt. Dies kann die Lebensdauer
verlängern und eine bei den Einspritzeinrichtungen erforderliche
Wartung reduzieren. Es wird für Fachleute ersichtlich sein,
dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der Einrichtung und
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Während
die Brennstoffeinspritzeinrichtung der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben
wurde, werden somit Fachleute leicht einsehen, dass Veränderungen
und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne
vom Schutz bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er
durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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Eine
Gasturbinenbrennstoffeinspritzeinrichtung umfasst einen Düsenkörper
mit einer radial inneren Wand benachbart einem inneren Luftweg und einer
radial äußeren Wand. Ein Isolationsspalt ist zwischen
der radial inneren Wand und der radial äußeren
Wand definiert. Die innere Wand und die äußere
Wand sind für eine axiale Relativbewegung an einer ersten
Schnittstelle ausgebildet und konfiguriert. Ein Hemmring ist nahe
einem stromabwärtigen Ende der inneren Wand angeordnet,
um Brennstoff davon abzuhalten, in den Isolationsspalt einzutreten.
Eine zweite Schnittstelle ist zwischen dem stromabwärtigen
Ende der inneren Wand und einem stromaufwärtigen Ende des
Hemmrings ausgebildet, um eine axiale Relativbewegung der inneren
Wand und der äußeren Wand aufzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6688534 [0002]
- - US 5761907 [0005]