DE102010017643A1

DE102010017643A1 - Brennstoffdüsenanordnung für einen Gasturbinenmotor

Info

Publication number: DE102010017643A1
Application number: DE102010017643A
Authority: DE
Inventors: Donald Mark Bailey; Scott Simmons; Marcus Byron Huffman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: CH701461A2; JP2011017338A; US20110005230A1; CN101943407B; CN101943407A; DE102010017643B4; CH701461B1; US9200571B2; JP5715776B2

Abstract

Es wird eine Brennstoffdüsenanordnung (200) für einen Gasturbinenmotor (100) bereitgestellt, die eine Brennkammer (104) aufweist. Die Brennstoffdüsenanordnung enthält einen Flansch (223, 306) mit einem ersten Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Endabdeckung (304) der Brennkammer verbunden zu werden und mit einem entgegengesetzt zum ersten Ende vorgesehenen zweiten Ende, sowie ein Vormischrohr (308), das mit einem ersten Ende mit dem zweiten Ende des Flanschs verbunden ist, wobei der Flansch und das Vormischrohr so ausgeführt sind, dass sie bei einer Frequenz arbeiten, die verschieden ist von der Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Gebiet der Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmotoren und insbesondere das Zentrieren von Brennstoffdüsenen, die in Gasturbinenmotoren verwendet werden.
Zumindest einige bekannte Gasturbinenmotoren zünden ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer, um einen Abgasstrahl zu erzeugen, der über einen Heißgasweg an eine Turbine geleitet wird. Komprimierte Luft wird der Brennkammer durch einen Kompressor zugeführt. Brennkammeranordnungen verwenden typischerweise Brennstoffdüsen, die die Brennstoff- und Luftzufuhr zu einem Verbrennungsbereich der Brennkammer ermöglichen. Die Turbine wandelt die thermische Energie des Abgasstroms in mechanische Energie um, die eine Turbinenwelle rotieren lässt. Der Ausgang der Turbine kann dazu verwendet werden, eine Maschine, zum Beispiel einen elektrischen Generator oder eine Pumpe anzutreiben.
Bekannte Brennstoffdüsenanordnungen enthalten einen Flansch, der von einer Endabdeckung vorspringt, die als strukturelle Basis der Brennstoffdüse dient. Ein Vormischrohr verläuft von dem Flansch weg und ist mit einer Dralleinrichtung verbunden. Die Eigenfrequenz der Brennstoffdüsenanordnungen ist im Allgemeinen eine Funktion sowohl von der Form, als auch der Länge der Kombination aus dem Flansch und dem Vormischrohr. Ferner kann die Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors bei bekannten Brennstoffdüsenanordnungen Kurzzeitermüdungen und/oder Langzeitermüdungen der Brennstoffdüsenkomponenten und Verbindungen verursachen, wie zum Beispiel des Flanschs, des Vormischrohrs und/oder der Dralleinrichtung und/oder der Verbindung zwischen den Komponenten. Außerdem können bei bekannten Brennstoffdüsenanordnungen Belastungskonzentrationen um die Brennstoffdüsenanordnung und/oder ein Anstieg in strukturellen Brüchen in die Brennstofflöcher als Folge der Brennstoffdüsenanordnung entstehen, wenn die Eigenfrequenz gleich oder im Wesentlichen dieselbe ist, wie die Rotorbetriebsfrequenz (einschließlich des ersten bis vierten Vielfachen der Rotorfrequenz), die Verbrennungstöne oder sirenenartige Töne des Gasturbinenmotors.
Viele bekannte Brennstoffdüsenanordnungen verwenden eine Vielfalt von Komponenten, die aus einer Vielfalt von Materialien hergestellt und die mit geschweißten und gelöteten Verbindungen miteinander verbunden sind, wie etwa entlang der Verbindungen, die zwischen dem Flansch, dem Vormischrohr und/oder der Dralleinrichtung gebildet sind. Aufgrund der verschiedenen Materialeigenschaften, können die verschiedenen Komponenten unterschiedliche thermische Ausdehnungsraten und/oder unterschiedliche Verhaltensweisen der thermischen Ausdehnung und Kontraktion aufweisen. Zusätzlich können die geschweißten oder gelöteten Verbindungen im Verlauf der Zeit anfällig sein für Ermüdung, Rissbildung oder vorzeitige Defekte während des Betriebs, wenn sie den Betriebsfrequenzen ausgesetzt sind, die durch den Gasturbinenmotor erzeugt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Ausführungsbeispiel wird eine Brennstoffdüsenanordnung für einen Gasturbinenmotor bereitgestellt. Die Brennstoffdüsenanordnung enthält einen Flansch und ein Vormischrohr. Der Flansch enthält ein erstes Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Endabdeckung der Brennkammer verbunden zu werden sowie ein zweites Ende, das entgegengesetzt zum ersten Ende angeordnet ist. Das Vormischrohr ist an einem ersten Ende mit dem zweiten Ende des Flanschs verbunden. Der Flansch und das Vormischrohr sind angeführt, um bei einer Eigenfrequenz zu arbeiten, die verschieden ist von einer Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Gasturbinenmotor bereitgestellt. Der Gasturbinenmotor enthält eine Brennkammer und eine Brennstoffdrüsenanordnung, die einen Flansch und ein Vormischrohr aufweist. Der Flansch enthält ein erstes Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Endabdeckung der Brennkammer verbunden zu werden, sowie ein zweites Ende, das entgegengesetzt zum ersten Ende vorgesehen ist. Das Vormischrohr ist an einem ersten Ende mit dem zweiten Ende des Flansch verbunden. Der Flansch und das Vormischrohr sind ausgeführt, um bei einer Eigenfrequenz zu arbeiten, die verschieden ist von einer Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors.
Bei noch einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Montage eines Gasturbinenmotors bereitgestellt. Das Verfahren enthält das Verbinden eines ersten Endes eines Flanschs mit der Oberfläche einer Brennkammerendabdeckung, wobei der Flansch ein zweites Ende aufweist, das entgegengesetzt zum ersten Ende vorgesehen ist, sowie das Verbinden eines ersten Endes eines Vormischrohrs mit dem zweiten Ende des Flanschs. Das Verfahren enthält auch die Herstellung des Flanschs und des Vormischrohrs, derart, dass nach der Montage der Flansch und das Vormischrohr bei einer Eigenfrequenz arbeiten, die verschieden ist von einer Rotorbetriebsfrequenz (einschließlich des ersten bis vierten Vielfachen der Rotorfrequenz), von Verbrennungstönen und sirenenartigen Tönen des Gasturbinenmotors.
Es existieren verschiedene Verfeinerungen der Merkmale, die in Bezug auf die oben erwähnten Aspekte der vorliegenden Erfindung angegeben sind. Es können auch zusätzliche Merkmale in die oben erwähnten Aspekte der vorliegenden Erfindung aufgenommen werden. Solche Verfeinerungen und zusätzliche Merkmale können separat oder in irgendeiner Kombination vorliegen. Zum Beispiel können verschiedene Merkmale, die nachfolgend in Bezug auf irgendeines der veranschaulichten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert werden, in irgendeinen von den oben erwähnten Aspekten der vorliegenden Erfindung aufgenommen werden, sowohl separat oder in irgendeiner Kombination.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Nicht-beschränkende und nicht-erschöpfend Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf durchgängig durch die verschiedenen Figuren auf identische Komponenten beziehen, solange nichts anderes angegeben ist.
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Verbrennungsturbinenmotors.
2 ist eine Teildarstellung eines beispielhaften Brennstoffverteilungssystems, das bei dem in 1 dargestellten Turbinenmotor verwendet werden kann.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Brennstoffdüsenanordnung, die bei dem in 1 gezeigten Turbinenmotor verwendet werden kann.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften Flanschs, der von der in 3 gezeigten Brennstoffdüsenanordnung wegragt.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften Vormischrohrs, das in der in 3 gezeigten Brennstoffdüsenanordnung verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gasturbinenmotors 100. In dieser beispielhaften Ausführungsform weist der Motor 100 einen Kompressor 102 und eine Brennkammer 104 auf. Die Brennkammer 104 enthält einen Verbrennungsbereich 105 und eine Brennstoffdüsenanordnung 106. Der Motor 100 weist auch eine Turbine 108 und eine gemeinsame Kompressor-Turbinen-Welle 110 (manchmal als Rotor 110 bezeichnet) auf. Der Kompressor 102 ist auch drehbar und mit dem Rotor 110 verbunden. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist eine Vielzahl von Brennkammern 104 und Brennstoffdüsenanordnungen 106 vorgesehen. In der nachfolgenden Beschreibung wird nur eine der jeweiligen Komponenten erläutert, solange nichts anderes angegeben ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Gasturbinenmotor 100 ein PG9371 9FBA Schwerlast-Gasturbinenmotor, der bei der General Electric Company, Greenville, South Carolina handelsüblich erhältlich ist. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeinen besonderen Motor beschränkt ist und in Verbindung mit anderen Gasturbinenmotoren verwendet werden kann, wie zum Beispiel den MS7001FA (7FA), MS9001FA (9FA), MS7001FB (7FB) und MS9001FB (9FB) Motormodellen, die bei der General Electric Company, Greenville, South Carolina handelsüblich bezogen werden können.
Während des Betriebs strömt Luft durch den Kompressor 102 und komprimierte Luft wird der Brennkammer 104 zugeführt. Insbesondere wird eine beachtliche Menge komprimierter Luft der Brennstoffdüsenanordnung 106 zugeführt, die integral mit der Brennkammer 104 ausgebildet ist. Einige Brennkammern liefern zumindest einen Teil des Luftstroms vom Kompressor 104 an ein Verdünnungsluftteilsystem (in 1 nicht dargestellt) und die meisten Brennkammern haben zumindest einige Dichtungslecks. Die Brennstoffdüsenanordnung 106 ist in Strömungsverbindung mit dem Verbrennungsbereich 105. Die Brennstoffdüsenanordnung ist auch in Strömungsverbindung mit einer Brennstoffquelle (in 1 nicht dargestellt) und leitet Brennstoff und Luft zum Verbrennungsbereich 105. Die Brennkammer 104 zündet und verbrennt Brennstoff, zum Beispiel Erdgas und/oder Heizöl, das einen Verbrennungsgasstrom mit hoher Temperatur erzeugt. Die Brennkammer 104 ist in Strömungsverbindung mit der Turbine 108 und die Turbine 108 wandelt die thermische Energie der durch die Brennkammer 104 abgegebenen Verbrennungsgase in mechanische Rotationsenergie um. Die Turbine 108 ist drehbar mit dem Rotor 110 verbunden.
In 2 ist eine Teildarstellung einer beispielhaften Brennstoffzufuhreinrichtung 200 dargestellt, die in einem Turbinenmotor 100 (dargestellt in 1) als eine Komponente der Brennkammer 104 (dargestellt in 1) verwendet werden kann. Bei der beispielhaften Ausführungsform weist die Brennstoffzufuhreinrichtung 200 zumindest eine Brennstoffzufuhr 202 und ein Luftzerstäubungs-Kartuschen-Teilsystem 203 auf. Das Teilsystem 203 enthält eine Vielzahl von Luftzufuhrrohren 204, die mit einer Vielzahl von inneren Luftzerstäubungsrohren 205 verbunden sind. Die Brennstoffdüsenanordnung 200 enthält auch eine Brennkammerabdeckungs-Teilanordnung 206. Die Abdeckungsteilanordnung 206 enthält eine Vielzahl von Vormisch-Brennstoffzufuhrleitungen 218, um Luft und Brennstoff weiterzuleiten (nachfolgend näher erläutert), einen Endabdeckungsplattenkörper 208, sowie eine Vielzahl von Befestigungen 210 zum Befestigen der Endabdeckung mit den Brennkammergehäuse. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Körper 208 durch ein Herstellungsverfahren gebildet, bei dem eine Vielzahl von Kanälen 211 innerhalb des Körpers 208 ausgebildet werden, die so bemessen sind, dass sie die Vormisch-Brennstoffzufuhrleitungen 218, eine Brennstoffzufuhrleitung 220, eine Vielzahl von Luftzerstäubungszufuhrrohren 204, eine Brennstoffdüseneinsatz-Teilanordnung 212, eine Vielzahl von Endabdeckungs-Brennkammergehäuse-Befestigungen 210, eine Vielzahl von Einsatz-Endabdeckungs-Befestigungen 214 und eine Vielzahl von Kappen-Endabdeckungs-Befestigungen 217 aufnehmen, wobei die Kanäle 211 nicht nur auf das Aufnehmen beschränkt sind. Alternativ kann ein bestehender Körper 208 nachträglich in Übereinstimmung mit der hier beschriebenen Lehre ausgestaltet werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Abdeckungs-Teilanordnung 206 mit den Gehäusen der Brennkammern 104 (dargestellt in 1) über Befestigungen 210 verbunden und die Luftzerstäubungs-Kartuschen-Teilsysteme 203 sind mit dem Endabdeckungsplattenkörper 208 verbunden.
Die Brennstoffdüsenanordnung 200 enthält auch eine Vielzahl von Brennstoffdüseneinsatz-Teilanordnungen 212 und eine Brennstoffdüsenteilanordnung 225. Die Brennstoffdüsenteilanordnung 225 enthält eine Vielzahl von radial äußeren Rohren 216 der Düse, eine Vielzahl von Übergangsrohren 223, einen Kappenbefestigungsflansch 222 sowie eine Vielzahl von radial inneren Rohren 221, eine ringförmige Brennstoffzufuhrleitung 219 und ein Brennstoffdüsenkappe 224. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Brennstoffdüseneinsatz-Teilanordnung 212 mit dem Endabdeckungsplattenkörper 208 über Befestigungen 214 verbunden und eine Kappe 224 ist mit dem Endabdeckungsplattenkörper 208 über Befestigungen 217 und einen Kappenbefestigungsflansch 222 verbunden.
Während des Betriebs wird Brennstoff von einer Brennstoffquelle (in 2 nicht dargestellt) über zumindest eine Zufuhr 202 der Brennstoffdüsenanordnung 200 zugeleitet. Vorgemischter Brennstoff wird über die Leitung 218 und die Brennstoffdüseneinsatz-Teilanordnung 212 dem Rohr 216 zugeleitet, wie dies durch die Pfeile veranschaulicht ist. Verteilungsbrennstoff wird der Leitung 219 über das Rohr 220 zugeleitet, wie dies durch die Pfeile veranschaulicht ist. Verbrennungsluft wird den Luftzufuhrrohren 204 vom Kompressor 102 (in 1 dargestellt) zugeleitet, bevor sie dem Rohr 205 zugeleitet wird, wie dies durch die Pfeile veranschaulicht ist. Im Allgemeinen ist eine Mehrzahl von Brennstoffdüsenanordnungen 200 auf einem Umfang um den Rotor 110 (in 1 dargestellt) angeordnet, um sicherzustellen, dass ein Umfangsstrom von Verbrennungsgasen mit einer im wesentlichen einheitlichen Temperatur in der Brennkammer 104 erzeugt und an die Turbine 108 (in 1 dargestellt) weitergeleitet wird. Ein Teil der Brennstoffdüsenanordnung 200, umfassend die Einsatz-Teilanordnung 212, der innerhalb der gestrichelten Linien veranschaulicht ist, ist in 3 dargestellt, und nachfolgend genauer beschrieben.
3 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Düsenanordnung 300. Bei der beispielhaften Ausführungsform weist die Brennstoffdüsenanordnung 300 eine Mittelachse 302 auf und ist mit einer Endabdeckung 304 über einen Brennstoffdüsenflansch 306 verbunden. Ein Vormischrohr 308, das mit dem Flansch 306 an einer ersten Verbindung 310 verbunden ist, enthält eine radial äußere Oberfläche 312. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist das Vormischrohr 308 durch eine Elektronenstrahlschweißung mit dem Flansch 306 verbunden. Alternativ kann das Vormischrohr 308 mit dem Flansch 306 durch Verwendung von irgendeinem Verbindungsmittel verbunden werden, wie zum Beispiel einer Lötverbindung, Schrauben, Bolzen und/oder irgendeiner Befestigung, die es der Brennstoffdüsenanordnung 300 erlaubt, wie hierin beschrieben zu arbeiten. Das Vormischrohr 308 erstreckt sich über eine variable Länge L₁ von der Verbindung 310 zu einem Brennraum 311. Bei der beispielhaften Ausführungsform wird die Länge L₁ verändert, um die Eigenfrequenz der Brennstoffdüsenanordnung 300 richtig einzustellen, wobei der Flansch 306 und die Vormischrohranordnung bei einer Eigenfrequenz arbeiten, die verschieden ist von einer Rotorbetriebsfrequenz (einschließlich des ersten bis vierten Vielfachen der Rotorfrequenz), den Verbrennungstönen und den sirenenartigen Tönen des Gasturbinenmotors 100 (dargestellt in 1).
Die Brennstoffdüsenanordnung 300 enthält ein radial inneres Rohr 314, das mit dem Flansch 306 entlang einer zweiten Verbindung 315 verbunden ist. Die Rohre 308 und 314 bilden eine im Wesentlichen ringförmige erste Vormisch-Brennstoffzufuhrleitung 316. Außerdem bildet das innere Rohr 314 eine Brennstoffverteilungsleitung 318. Bei der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitungen 316 und 318 in Strömungsverbindung mit einer Vielzahl von Brennstoffquellen (in 3 nicht dargestellt).
Die Brennstoffdüsenanordnung 300 enthält einen im Wesentlichen ringförmigen Einlassströmungsgleichrichter (IFC, Abkürzung für den englischen Begriff „Inlet Flow Conditioner”) 320. Bei der beispielhaften Ausführungsform enthält der IFC 320 eine radial äußere Wand 322, die eine Vielzahl von Perforationen 324 aufweist sowie eine Abschlusswand 326, die an einem hinteren Ende des IFC 320 angeordnet ist und sich zwischen der Wand 322 und der Oberfläche 312 erstreckt. Die Wände 322 und 326 und die Oberfläche 312 bilden dazwischen eine im Wesentlichen ringförmige IFC-Kammer 328. Die Kammer 328 steht über die Perforationen 324 in Strömungsverbindung mit einer Kühlleitung (in 3 nicht dargestellt). Die Brennstoffdüsenanordnung 300 enthält auch ein rohrförmiges Übergangsteil 330, das mit der Wand 322 verbunden ist. Das Übergangsteil 330 bildet eine im Wesentlichen ringförmige Übergangskammer 332, die im Wesentlichen konzentrisch ausgerichtet ist gegenüber der ersten Vormisch-Brennstoffzufuhrleitung 316 und die derart angeordnet ist, dass eine IFC-Ausgangsleitung 334 zwischen den Kammern 328 und 332 verläuft.
Beim Ausführungsbeispiel enthält die Brennstoffdüsenanordnung 300 auch eine Luft-Drallgeberanordnung oder Dralldüsen-Anordnung 340 für die Verwendung mit einer Einspritzung von gasförmigen Brennstoff. Die Dralldüse 340 enthält einen im Wesentlichen rohrförmigen Mantel 342, der mit dem Übergangsteil 330 verbunden ist, sowie eine im Wesentlichen rohrförmige Nabe 344, die mit dem Rohr 308 entlang einer Verbindung 346 verbunden ist. Beim Ausführungsbeispiel ist die Nabe 344 über eine Elektronenstahlschweißung mit dem Rohr 308 verbunden. Alternativ kann die Nabe 344 mit dem Rohr 308 durch Verwendung von irgendeinem Verbindungsmittel verbunden sein, wie zum Beispiel einer Lötverbindung, Schrauben, Bolzen und oder irgendeiner Befestigung, die der Brennstoffdüsenanordnung 300 erlaubt, wie hierin beschrieben zu arbeiten. Der Mantel 342 und die Nabe 344 bilden eine dazwischen liegende Ringkammer 348, wobei sich eine Vielzahl von hohlen Luftleitschaufeln 350 zwischen dem Mantel 342 und der Nabe 344 erstreckt. Die Kammer 348 ist in Strömungsverbindung mit der Kammer 332 und die Nabe 344 weist eine Vielzahl von Luftleitschaufelleitungen (in 3 nicht dargestellt) auf, die in Strömungsverbindung mit der Vormisch-Brennstoffzufuhrleitung 316 stehen. Eine Vielzahl von Vormischgasinjektionsöffnungen (in 3 nicht dargestellt) sind in den hohlen Luftleitschaufeln 350 ausgebildet. Gleichermaßen bildet die Nabe 344 eine Vielzahl von zweiten Luftleitschaufelleitungen (in 3 nicht dargestellt), die in Strömungsverbindung mit der Vormisch-Brennstoffzufuhrleitung 318 sowie einer Vielzahl von zweiten Gasinjektionsöffnungen (in 3 nicht dargestellt) stehen, die in den Luftleitschaufeln 350 gebildet sind. Die Einlasskammer 348, sowie die ersten und zweiten Gasinjektionsöffnungen sind in Strömungsverbindung mit einer Auslasskammer 352.
Die Brennstoffdüsenanordnung 300 enthält eine im Wesentlichen ringförmige Brennstoff-Luft-Mischleitung 354, die durch eine rohrförmige Mantelverlängerung 356 und durch eine rohrförmige Nabenverlängerung 358 gebildet ist. Die Leitung 354 ist in Strömungsverbindung mit der Kammer 352 und die Verlängerungen 356 und 358 sind mit dem Mantel 342 beziehungsweise der Nabe 344 verbunden.
Eine rohrförmige Diffusionsflammen-Düsenanordnung 360 ist mit der Nabe 344 derart verbunden, dass eine ringförmige Diffusionsbrennstoffleitung 318 zumindest teilweise gebildet ist. Die Anordnung 360 bildet in Zusammenarbeit mit der Nabenverlängerung 358 eine ringförmige Luftleitung 362. Die Brennstoffdüsenanordnung 300 enthält auch ein geschlitztes Gaskopfstück 363, das mit der Nabenverlängerung 358 und der Anordnung 360 verbunden ist. Das Kopfstück 363 weist eine Vielzahl von Gasinjektoren 364 und Luftinjektoren 366 auf und steht in Strömungsverbindung mit und erleichtert das Mischen von Brennstoff und Luft in dem Brennraum 311.
Während des Betriebs erhält die Brennstoffdüsenanordnung 300 komprimierte Luft vom Luftzufuhrrohr 204 (in 2 dargestellt) über eine Kammer (in 3 nicht dargestellt), die die Brennstoffdüsenanordnung 300 umgibt. Der größte Teil der für die Verbrennung verwendeten Luft tritt in die Anordnung 300 über den IFC 320 ein und wird zu den Vormischkomponenten geleitet. Insbesondere tritt die Luft in den IFC 320 über die Perforationen 324 ein und vermischt sich innerhalb der Kammer 328 und die Luft tritt aus dem IFC 320 über die Leitung 334 aus und tritt in die Dralldüseneinlasskammer 348 über die Übergangsteilkammer 323 ein. Ein Teil der Hochdruckluft, der in das Zufuhrruhr 204 eintritt, wird auch in eine Luftzerstäubungs-Flüssigbrennstoff-Kartusche (in 3 nicht dargestellt) geleitet, die in die Diffusionsbrennstoffleitung 318 eingesetzt ist.
Die Brennstoffdüsenanordnung 300 erhält Brennstoff von einer Brennstoffquelle (in 3 nicht dargestellt) über die Vormisch-Brennstoffzufuhrleitung 216. Der Brennstoff wird von der Vormisch-Brennstoffzufuhrleitung 316 zu der Vielzahl von ersten Gasinjektoröffnungen geleitet, die in den Luftleitschaufeln 350 gebildet sind.
Die Luft, die von der Übergangsteilkammer 332 in die Dralldüseneinlasskammer 348 geleitet wird, wird durch die Luftleitschaufeln 350 verwirbelt, bevor sie mit Brennstoff gemischt wird und das Brennstoff-Luft-Gemisch wird dann in die Dralldüsenausgangskammer 352 zur zusätzlichen Vermischung geleitet. Das Luft-und-Brennstoff-Gemisch wird dann in die Mischleitung 354 geleitet, bevor es aus der Anordnung 300 in den Brennraum 311 abgegeben wird. Außerdem wird Diffusionsbrennstoff, der durch die Diffusionsbrennstoffleitung 318 geleitet wird durch die Gasinjektoren 364 in den Brennraum 311 abgegeben, wobei der Diffusionsbrennstoff mit Luft gemischt und verbrannt wird, die von den Luftinjektoren 366 abgegeben wird.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht des Flanschs 306, der in der Brennstoffdüsenanordnung 300 verwendet wird. Beim Ausführungsbeispiel ist der Flansch 305 ausgeführt, um zwischen ganzzahligen Frequenzvielfachen der Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors 100 zu arbeiten. Insbesondere und beim Ausführungsbeispiel arbeitet der Gasturbinenmotor 100 bei einer Frequenz von ungefähr 50 Hz. Der Flansch 306 ist ausgeführt, um bei einer Eigenfrequenz zu arbeiten, die im Wesentlichen 50 Hz oder Vielfache davon vermeidet, wie zum Beispiel 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, usw. Insbesondere ist der Flansch 306 beim Ausführungsbeispiel so ausgeführt, um bei Eigenfrequenzen von etwa 175 Hz bis etwa 180 Hz zu arbeiten. Das Ausführungsbeispiel gehört zu einer Gasturbine der Klasse 9, kann aber auch für mehrere Motorklassen, wie etwa Klasse 7 angewendet werden, mit einer 60 Hz Rotorfrequenz mit Vielfach-Rotorfrequenzen von 120 Hz, 180 Hz und 240 Hz.
Um sicherzustellen, dass die Brennstoffdüsenanordnung 300 mit einer gewünschten Eigenfrequenz arbeitet, ist der Flansch 306 mit einer Mittelachse 302 ausgeführt und enthält einen Befestigungsabschnitt 380 und einen im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Körper 382, die zusammen eine äußere Länge L₂ zur Steuerung der gewünschten Eigenfrequenz aufweisen. Beim Ausführungsbeispiel ist der Körper 382 konvergierend und mit einem Winkel A₁ von etwa 10 Grad hergestellt, um der Brennstoffdüsenanordnung 300 das Arbeiten bei einer Frequenz von zwischen etwa 175 Hz bis etwa 180 Hz zu ermöglichen. Beim Ausführungsbeispiel beträgt die Länge L₂ in etwa 3,75 inches (95,25 mm) und ermöglicht es der Brennstoffdüsenanordnung 300 bei einer Frequenz zwischen etwa 175 Hz bis etwa 180 Hz zu arbeiten. Alternativ kann der Körper 382 mit irgendeinem Winkel A₁ hergestellt sein und die Länge L₂ kann irgendeine Länge aufweisen, die es der Brennstoffdüsenanordnung 300 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht des Vormischrohrs 308. Beim Ausführungsbeispiel weist das Vormischrohr 308 eine Mittelachse 302 auf und ist ausgeführt, um bei einer Frequenz zu arbeiten, die verschieden ist von der Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors 100. Insbesondere weist das Vormischrohr 308 beim Ausführungsbeispiel eine Länge L₁ von etwa 14 inches (357 mm) auf, wobei das Vormischrohr 308 bei einer Frequenz arbeitet, die verschieden ist von der Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors 100 (dargestellt in 1) das heißt, 50 Hz oder Vielfache davon. Alternativ kann die Länge L₁ irgendeine Länge aufweisen, die es der Brennstoffdüsenanordnung 300 erlaubt, wie hierin beschrieben zu arbeiten.
Bei einem Ausführungsbeispiel enthält das Vormischrohr 308 einen konischen Abschnitt 390, der eine größere Luftströmung durch die Brennstoffdüsenanordnung 300 ermöglicht und insbesondere durch die Dralldüsenanordnung 340 (in 3 dargestellt). Beim Ausführungsbeispiel ist der konische Abschnitt 390 mit einem Winkel A₂ von etwa 5° ausgebildet. Alternativ kann der konische Abschnitt 390 bei irgendeinem Winkel A₂ konvergieren, der es der Brennstoffdüsenanordnung 300 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten. Außerdem weist das Vormischrohr 308 beim Ausführungsbeispiel eine äußere Wand 392 auf, die eine Dicke T von etwa 0,19 inch (4,76 mm) aufweist. Alternativ kann die äußere Wand 392 mit irgendeiner Dicke T ausgeführt sein, die es der Brennstoffdüsenanordnung ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten.
Ausführungsbeispiele der Brennstoffdüsenanordnungen sind vorstehend im Detail beschrieben. Die oben beschriebenen Vorrichtungen werden dazu verwendet, um ein Gemisch von Brennstoff und Luft zu einer Brennkammer des Motors zu liefern und sind so ausgeführt, dass sie den Frequenzabstand im Motor abzustimmen, während ein robusteres und belastbareres Design unmittelbar stromaufwärts der Brennkammer bereitgestellt wird. Insbesondere vereinigen der Flansch und das Vormischrohr in jeder Brennstoffdüsenanordnung sowohl ein strukturelles Design als auch eine Eigenfrequenzeinstellung, um das Design zu optimieren, um den Frequenzabstand, die Tauglichkeit hinsichtlich der Kurzzeitfestigkeit sowie der Langzeitfestigkeit und aerodynamische Einflüsse abzustimmen. Solche Brennstoffdüsenanordnungen erleichtern das Reduzieren von Belastungskonzentrationen, das Minimieren von Brüchen in die Brennstofflöcher und ermöglichen ein verbessertes Abstimmen von Eigenfrequenzen, um einen angemessenen Frequenzabstand zu Rotordrehzahlen und Verbrennungstönen mit minimierten aerodynamischen Beeinträchtigungen bereitzustellen.
Außerdem vermeiden die hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren eine gelötete Verbindung zwischen dem Flansch und dem Vormischrohr durch Verwendung einer Elektronenstrahlschweißverbindung, die eine Verbesserung der strukturellen Stabilität der Brennstoffdüsenanordnung ermöglicht und die Belastbarkeit der Brennstoffdüsenanordnung verbessert. Ferner ermöglichen die Vorrichtungen und Verfahren die Steigerung der Standzeit der Brennstoffdüsenanordnung während des Motorbetriebs. Die Kontur des Flanschs und die Form des Vormischrohrs und die Dicke der Vormischrohrwand sind variabel wählbar, um das Einstellen und Verbessern des Eigenfrequenzbereichs, der Kurzzeitfestigkeit (LCF) und der Langzeitfestigkeit (HCF) zu ermöglichen, wobei das Design optimiert wird, um eine robuste und haltbare Komponente bereitzustellen und die Produktlebensdauer zu verlängern.
Obwohl die hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren im Kontext von Brennstoffdüsenanordnungen für Gasturbinenmotoren erläutert wurden, versteht es sich, dass die Vorrichtungen und Verfahren nicht auf solche Anwendungen beschränkt sind. Ebenso sind die veranschaulichten Vorrichtungskomponenten nicht auf die hierin beschriebenen besonderen Ausführungsformen beschränkt, vielmehr können die Vorrichtungskomponenten unabhängig und separat von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden.
Wie hierin verwendet ist ein Element oder ein Schritt, der im Singular angegeben und dem das Wort „ein” oder „eine” vorangestellt ist so zu verstehen, dass eine Mehrzahl der Elemente oder Schritte nicht ausgeschlossen ist, soweit ein solcher Anschluss nicht ausdrücklich angegeben ist. Ferner sind Bezugnahmen auf „ein Ausführungsbeispiel” in der vorliegenden Offenbarung nicht dazu bestimmt so interpretiert zu werden, dass das Vorhandensein von weiteren Ausführungsbeispielen, die die angegebenen Merkmale ebenfalls enthalten, ausgeschlossen ist.
Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele der vorliegenden Erfindung, einschließlich der bevorzugten Ausführungsform und versetzt auch jeden Fachmann in die Lage, die Erfindung auszuführen, einschließlich der Herstellung und der Verwendung jeder Einrichtung oder Vorrichtung und der Ausführung jedes beinhalteten Verfahrens. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die dem Fachmann offenbar werden. Solche anderen Beispiele werden als innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche liegend angesehen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden oder wenn sie äquivalente strukturelle Elementen mit unerheblichen Unterschieden vom Wortlaut der Patentansprüche umfassen.
Es wird eine Brennstoffdüsenanordnung 200 für einen Gasturbinenmotor 100 bereitgestellt, der eine Brennkammer 104 aufweist. Die Brennstoffdüsenanordnung enthält einen Flansch 223, 306 mit einem ersten Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Endabdeckung 304 der Brennkammer verbunden zu werden und mit einem entgegengesetzt zum ersten Ende vorgesehenen zweiten Ende, sowie ein Vormischrohr 308, das mit einem ersten Ende mit dem zweiten Ende des Flansch verbunden ist, wobei der Flansch und das Vormischrohr so ausgeführt sind, das sie bei einer Frequenz arbeiten, die verschieden ist von der Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors.
Bezugszeichenliste

100: Gasturbinenmotor
102: Kompressor
104: Brennkammer
105: Verbrennungsbereich
106: Brennstoffdüsenanordnung
108: Turbine
110: Rotor
200: Brennstoffdüsenanordnung
202: Brennstoffzufuhr
203: Teilanordnung
204: Luftzufuhrrohe
205: Innere Luftzerstäubungsrohre
206: Abdeckungs-Teilanordnung
208: Endabdeckungsplattenkörper
210: Brennkammergehäusebefestigungen
211: Vielzahl von Kanälen
212: Einsatz-Teilanordnung
214: Befestigungen
216: Radial äußere Rohre der Düse
217: Befestigungen
218: Vormisch-Brennstoffzufuhrleitungen
219: Diffusions-Brennstoffleitung
220: Diffusionsbrennstoffzufuhrleitung
221: Radial innere Rohre
222: Kappenbefestigungsflansch
223: Vielzahl von Übergangsrohren
224: Brennstoffdüsenkappe
225: Düsen-Teilanordnung
300: Brennstoffdüsenanordnung
302: Mittelachse
304: Endabdeckung
306: Flansch
308: Vormischrohr
310: Erste Verbindung
311: Brennraum
312: Radial äußere Oberfläche
314: Inneres Rohr
315: Zweite Verbindung
316: Vormisch-Brennstoffzufuhrleitung
318: Diffusionsbrennstoffleitung
320: Eingangsströmungsgleichrichter (IFC)
322: Radial äußere Wand
324: Vielzahl von Perforationen
326: Abschlusswand
328: Ringförmige IFC-Kammer
330: Übergangsteil
332: Übergangsteilkammer
334: IFC-Ausgangsleitung
340: Drallanordnung oder Dralldüsenanordnung
342: Rohrförmiger Mantel
344: Nabe
346: Verbindung
348: Dralldüseneingangskammer
350: Hohle Luftleitschaufeln
352: Dralldüsenausgangskammer
354: Brennstoff-Luft-Mischleitung
356: Rohrförmige Mantelverlängerung
358: Rohrförmige Nabenverlängerung
360: Diffusionsflammendüsenanordnung
362: Ringförmige Luftleitung
363: Geschlitzte Gaskopfstück
364: Vielzahl von Gasinjektoren
366: Luftinjektoren
380: Befestigungsabschnitt
382: Körper
390: Konischer Abschnitt
392: Äußere Wand

Claims

Brennstoffdüsenanordnung (200) für einen Gasturbinenmotor (100), der eine Brennkammer (104) aufweist, wobei die Brennstoffdüsenanordnung umfasst: einen Flansch (223, 306) aufweisend ein erstes Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Endabdeckung (304) der Brennkammer verbunden zu werden sowie ein zweites Ende, das entgegengesetzt zum ersten Ende vorgesehen ist; und ein Vormischrohr (308), das mit einem ersten Ende mit dem zweiten Ende des Flanschs verbunden ist, wobei der Flansch und das Vormischrohr so ausgeführt sind, dass sie bei einer Frequenz arbeiten, die verschieden ist von einer Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors.
Brennstoffdüsenanordnung (200) nach Anspruch 1, bei der das Vormischrohr (308) über eine Elektronenstrahlschweißung mit dem zweiten Ende des Flanschs verbunden ist.
Brennstoffdüsenanordnung (200) nach Anspruch 1, bei der der Flansch (222, 306) einen im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Körper (382) aufweist, der einen Konvergenzwinkel aufweist, um das Einstellen der Eigenfrequenz des Flanschs zu ermöglichen.
Brennstoffdüsenanordnung (200) nach Anspruch 1, bei der der Flansch (222, 306) und das Vormischrohr (308) ausgeführt sind, um zwischen ganzzahligen Vielfachen der Betriebsfrequenz des Gasturbinenmotors (100) zu arbeiten.
Brennstoffdüsenanordnung (200) nach Anspruch 4, wobei der Flansch (222, 306) so ausgeführt ist, dass er bei einer Eigenfrequenz von etwa 175 Hz bis etwa 180 Hz arbeitet.
Brennstoffdüsenanordnung (200) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Endkappenanordnung, die mit einem zweiten Ende des Vormischrohres (308) verbunden ist.
Brennstoffdüsenanordnung (200) nach Anspruch 6, bei der die Endkappenanordnung mit dem zweiten Ende des Vormischrohres (308) durch eine Elektronenstrahlschweißung verbunden ist.
Brennstoffdüsenanordnung (200) nach Anspruch 6, bei der das zweite Ende des Vormischrohres (308) einen konischen Abschnitt aufweist, der dazu eingerichtet ist, die Strömung durch die Brennstoffdüsenanordnung zu ermöglichen.
Brennstoffdüsenanordnung (200) nach Anspruch 6, ferner aufweisend: eine Drallanordnung (340), die mit dem zweiten Ende des Vormischrohres (308) über eine Elektronenstrahlschweißung verbunden ist; und ein Kopfstück-Rohr, das mit der Dralldüsenanordnung über eine Elektronenstrahlschweißung verbunden ist.
Eine Brennstoffdüsenanordnung (200) nach Anspruch 9, ferner aufweisend eine Kopfstückanordnung die mit einem stromabwärtsseitigen Ende des Kopfstückrohres über eine Elektronenstrahlschweißung verbunden ist.