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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 eine Brennstoffeinspritzeinrichtung für Gasturbinenmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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.
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Eine Gasturbinenbrennstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der
US 7,658,074 B2 bekannt.
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Das
US-Patent Nr. 6,688,534 von Bretz 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 stromabwärts 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 in einem ersten Überlappungsbereich (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. Ein zweiter Überlappungsbereich (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. Der zweite Überlappungsbereich bildet eine Entlüftung für den Isolationsspalt, 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.
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Der Hemmring kann mit der äußeren Wand verbunden sein. In bestimmten Ausführungsformen hat der zweite Überlappungsbereich eine Spielpassung, um Gasen zu ermöglichen, hindurch zu strömen, während einem Durchtritt von Flüssigkeiten hindurch widerstanden wird. 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 den ersten Überlappungsbereich 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 Gasturbinenbrennstoffeinspritzeinrichtung kann ferner den Düsenkörper umfassen, welcher entgegengesetzte stromaufwärtige und stromabwärtige Enden und einen sich dazwischen erstreckenden Brennstoffdurchgang hat. Ein innerer Abschnitt von dem Brennstoffdurchgang kann durch eine der radial äußeren Wand entsprechende Brennstoffdurchgangswand begrenzt sein. Ein innerer Luftweg kann durch eine der radial inneren Wand entsprechende Hitzeschildwand einwärts von der Brennstoffdurchgangswand begrenzt sein. Die Hitzeschildwand und die Brennstoffdurchgangswand sind in dem ersten Überlappungsbereich 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 den ersten Überlappungsbereich. Der Hemmring, welcher mit der Brennstoffdurchgangswand verbunden ist und einen Abschnitt der Hitzeschildwand überlappt, bildet den zweiten Überlappungsbereich zwischen dem Hemmring und der Hitzeschildwand benachbart dem ersten Überlappungsbereich. Der zweite Überlappungsbereich ist eine Gleitsitzverbindung mit engem Spiel (tight clearance slip fit joint). Die ersten und zweiten Überlappungsbereiche 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 in dem zweiten Überlappungsbereich 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 der erste Überlappungsbereich 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 Wesentlichen zylindrischen inneren Begrenzung von dem inneren Luftweg gleicht.
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Die Gasturbinenbrennstoffeinspritzeinrichtung kann einen äußeren Luftdrallerzeuger umfassen. Der 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 der radial äußeren Wand entsprechende Brennstoffdurchgangswand begrenzt einen inneren Abschnitt von dem Brennstoffdurchgang. Eine der radial inneren Wand entsprechende Hitzeschildwand einwärts von der Brennstoffdurchgangswand definiert einen inneren Luftdurchgang durch den Düsenkörper. Die Brennstoffdurchgangswand und die Hitzeschildwand sind in einem ersten Überlappungsbereich 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 den ersten Überlappungsbereich in Fluidverbindung mit dem inneren Luftdurchgang. Der Hemmring überlappt den ersten Überlappungsbereich und ist dazu konfiguriert und ausgebildet, Brennstoff daran zu hindern, durch den ersten Überlappungsbereich 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 einen Überlappungsbereich zwischen dem Hitzeschild und der inneren Brennstoffdurchgangswand wie auch einen Überlappungsbereich 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. Ein kleiner Überlappungsbereich (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 vor 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 der Überlappungsbereich 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 ein eng sitzender gleitender Überlappungsbereich (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 den Überlappungsbereich 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 in dem Überlappungsbereich 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 den Überlappungsbereich 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. Dieser enge Zwischenraum bildet einen ersten Überlappungsbereich (Schnittstelle) 126, welcher vorzugsweise einen Zwischenraum hat, welcher eng genug ist, um den Durchtritt von Gasen zu ermöglichen, aber den Durchtritt von Flüssigkeiten widersteht. Der Überlappungsbereich 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 Brennstoffweniger ausdehnt.
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Ein zweiter Überlappungsbereich (Schnittstelle) 130 ist zwischen dem erweiterten Ende des Hitzeschilds 120 und dem Hemmring 128 angeordnet. Der zweite Überlappungsbereich 130 ist so dimensioniert, dass er 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. Der zweite Überlappungsbereich 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 den Überlappungsbereich 130 öffnet in einer Richtung weg von der typischerweise eintretenden Strömung von überschüssigem Brennstoff von der Öffnung 114. Auf diese Weise leitet der Überlappungsbereich 130 überschüssigen Brennstoff von dem Gleitsitzbereich weg, welcher den ersten Überlappungsbereich 126 umfasst. Somit hält die Orientierung des Überlappungsbereichs 130, zusätzlich zu dem engen Zwischenraum derselben, äußeren Brennstoff davon ab, in den Isolationsspalt 124 einzutreten. Da Brennstoff zwei enge Überlappungsbereiche 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 Überlappungsbereiche 126, 130 enge Überlappungsbereiche sind. Beispielsweise ist es möglich, dass nur der Überlappungsbereich 130 ein enger Überlappungsbereich ist, in welchem Fall es nicht notwendig wäre, dass der Überlappungsbereich 126 ein enger Überlappungsbereich 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 in Überlappungsbereichen (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 Hitzeschilds 320 ist. Das Hitzeschild 320 und der Hemmring 328 sind in Überlappungsbereichen 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 Schutzbereich 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 in einem ersten Überlappungsbereich ausgebildet und konfiguriert. Ein Hemmring ist nahe einem stromabwärtigen Ende der inneren Wand angeordnet, um Brennstoff davon abzuhalten, in den Isolationsspalt einzutreten. Ein zweiter Überlappungsbereich 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.
