DE102014102782A1

DE102014102782A1 - Multiinjektor-Mikromischsystem

Info

Publication number: DE102014102782A1
Application number: DE102014102782.5A
Authority: DE
Inventors: Gregory Allen Boardman; James Harold Westmoreland; Patrick Benedict MELTON
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2014-09-18
Also published as: US9651259B2; US20140283522A1; CH707752A2; JP2014196899A

Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung richten sich auf ein System, das Bauteile zum Vormischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung innerhalb eines Brennraums hat. Das System beinhaltet eine Vielzahl von Mischrohren, die zum Aufnehmen und Mischen von Brennstoff und Luft konfiguriert sind. Jedes Mischrohr ist mit einem Brennstoffinjektor gepaart und der Brennstoffinjektor ist axial innerhalb eines Teils des Mischrohrs positioniert. Brennstoff wird vom Brennstoffinjektor in das jeweilige Mischrohr eingespritzt und Luft strömt durch eine oder mehrere Öffnungen, die am Mischrohr ausgebildet sind, radial in jedes Mischrohr. Der Brennstoff und die Luft werden innerhalb des Mischrohrs gemischt und zur Verbrennung in einen Brennraum abgegeben.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein Turbinenbrennkammern und speziell Turbinen-Vormischbrennkammern.
Gasturbinensysteme beinhalten allgemein einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter verdichtet Luft aus einem Lufteinlass und leitet die verdichtete Luft anschließend zur Brennkammer. In der Brennkammer wird die aus dem Verdichter erhaltene verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und zur Erzeugung von Verbrennungsgasen verbrannt. Die Verbrennungsgase werden in die Turbine geleitet. In der Turbine strömen die Verbrennungsgase über Turbinenlaufschaufeln der Turbine, wodurch die Turbinenlaufschaufeln und eine Welle, an der die Turbinenlaufschaufeln angebracht sind, in Drehung versetzt werden. Die Drehung der Welle kann ferner eine Last wie z. B. einen elektrischen Generator, die mit der Welle gekoppelt ist, antreiben. Konventionelle Gasturbinensysteme können kostspielig herzustellen und schwierig zu reparieren sein. Daher besteht weiterhin ein Bedarf für ein Gasturbinensystem, das zusätzlich dazu, dass es für eine effiziente Verbrennung sorgt, weniger kostspielig herzustellen ist und/oder einfachere Reparaturen ermöglicht.
KURZDARSTELLUNG
Nachstehend werden gewisse Ausführungsformen zusammengefasst, deren Umfang dem der ursprünglich beanspruchten Erfindung entspricht. Es ist nicht vorgesehen, dass diese Ausführungsformen den Umfang der beanspruchten Erfindung begrenzen, vielmehr sollen diese Ausführungsformen nur eine Kurzdarstellung möglicher Formen der Erfindung bereitstellen. Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielfalt von Formen umfassen, die den unten dargelegten Ausführungsformen ähnlich sein können oder sich von ihnen unterscheiden können.
In einer ersten Ausführungsform beinhaltet ein Vormischsystem für eine Gasturbinenmaschine eine Vielzahl von Mischrohren. Jedes Mischrohr hat eine Wand, die eine Kammer innerhalb des Mischrohrs definiert, wobei die Kammer zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende des Mischrohrs verläuft. Jedes Mischrohr hat eine oder mehrere in der Wand des Mischrohrs ausgebildete Öffnungen und die Öffnungen sind zur Aufnahme eines Luftstroms konfiguriert. Außerdem hat jedes Mischrohr einen Brennstoffeintrittsteil, der zur Aufnahme eines Brennstoffstroms von einem Brennstoffinjektor konfiguriert ist, der axial innerhalb des ersten Endes des Mischrohrs positioniert ist. Jedes Mischrohr hat auch einen Brennstoff-Luft-Gemischauslass, der am zweiten Ende des Mischrohrs positioniert ist.
Jedes der Vielzahl von Mischrohren kann mit einer Kappenanordnung gekoppelt sein.
Zusätzlich oder alternativ kann jedes der Vielzahl von Mischrohren von einer Kappenanordnung, einem Halter oder einer Prallplatte oder einer Feder gestützt werden.
Das System eines bereits erwähnten Typs kann ferner einen Diffusor aufweisen, der zur Verteilung von Luft aus einem Ringraum zwischen einer Durchflusshülse und einer Auskleidung einer Brennkammer zu der Vielzahl von Öffnungen, die an der Wand jedes Mischrohrs positioniert sind, konfiguriert ist.
Das System eines bereits erwähnten Typs kann ferner eine Vielzahl von Brennstoffinjektoren aufweisen, wobei jeder Brennstoffinjektor mit einem jeweiligen Mischrohr gekoppelt ist, und jeder Brennstoffinjektor weist einen im Wesentlichen zylindrischen Schulterteil und einen abgeschrägten distalen Teil auf.
Jeder Brennstoffinjektor eines oben erwähnten Systems kann eine Vielzahl von Löchern an einer Wand des Brennstoffinjektors aufweisen, wobei die Vielzahl von Löchern zum Übertragen von Brennstoff aus einem Durchgang innerhalb des Brennstoffinjektors in die Kammer des jeweiligen Mischrohrs konfiguriert ist.
Die Vielzahl von Löchern eines oben erwähnten Systems kann im abgeschrägten distalen Teil des Brennstoffinjektors angeordnet sein.
Die Öffnungen an der Wand des Mischrohrs eines oben erwähnten Systems können stromaufwärts der Löcher an der Wand des Brennstoffinjektors positioniert sein.
Der Brennstoffinjektor eines oben erwähnten Systems kann mit einer Brennstoffkammer, die zur Versorgung des Brennstoffinjektors mit Brennstoff konfiguriert ist, in Fluidkommunikation stehen.
In einer zweiten Ausführungsform beinhaltet ein Gasturbinensystem eine Brennkammer mit einem Brennraum. Der Brennraum hat eine Vielzahl von Mischrohren, wobei jedes Mischrohr zur Aufnahme von Brennstoff und Luft und zur Abgabe eines Brennstoff-Luft-Gemischs in den Brennraum konfiguriert ist. Die Luft wird durch eine Vielzahl von in jedem Mischrohr ausgebildeten Öffnungen radial in m Ri Mischkammer jedes Mischrohrs aufgenommen. Die Brennkammer beinhaltet auch eine Vielzahl von Brennstoffinjektoren, wobei jeder Brennstoffinjektor axial in einem jeweiligen Mischrohr positioniert ist und wobei jeder Brennstoffinjektor zum axialen und/oder radialen Einspritzen von Brennstoff in die Mischkammer des jeweiligen Mischrohrs konfiguriert ist.
Jedes der Vielzahl von Mischrohren eines oben erwähnten Systems kann von einer Kappenanordnung, einem Halter, einer Prallplatte oder einer Feder gestützt werden.
Ein bereits erwähntes System kann ferner einen Diffusor aufweisen, der zur Verteilung von Luft aus einem Ringraum zwischen einer Durchflusshülse und einer Auskleidung einer Brennkammer zu der Vielzahl von in jedem Mischrohr ausgebildeten Öffnungen konfiguriert ist.
Jeder Brennstoffinjektor eines bereits erwähnten Systems kann einen zylindrischen Schulterteil und einen abgeschrägten distalen Teil aufweisen.
Das System eines bereits erwähnten Typs kann eine Vielzahl von Löchern aufweisen, die in einer Wand des Brennstoffinjektors angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Löchern konfiguriert sein kann, um Brennstoff aus einem Brennstoffdurchgang in jedem Brennstoffinjektor in die Mischkammer des Mischrohrs strömen zu lassen.
Die Vielzahl von Löchern eines oben erwähnten Systems kann im abgeschrägten Teil des Brennstoffinjektors angeordnet sein.
Das System eines bereits erwähnten Typs kann eine Vielzahl von Brennstoffkammern aufweisen, wobei jede Brennstoffkammer zur Versorgung von wenigstens einigen der Vielzahl von Brennstoffinjektoren mit Brennstoff konfiguriert ist.
In einer dritten Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren das Einspritzen von Brennstoff in eine Mischkammer eines Mischrohrs durch eine Vielzahl von Löchern in einer Wand eines Brennstoffinjektors, wobei der Brennstoffinjektor axial innerhalb eines Teils des Mischrohrs positioniert ist. Das Verfahren beinhaltet auch das Durchströmenlassen von Luft aus einem Luftraum in einem Kopfende einer Brennkammer durch eine oder mehrere Öffnungen in der Wand des Mischrohrs in die Mischkammer des Mischrohrs, Mischen der Luft und des Brennstoffs innerhalb der Mischkammer des Mischrohrs, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, und Abgeben des Brennstoff-Luft-Gemischs aus der Mischkammer in einen Brennraum.
Das Mischrohr kann zwischen dem Teil des Kopfendes und dem Brennraum aufgehängt sein, wobei das Mischrohr von einer Kappenanordnung, einem Halter, einer Prallplatte oder einer Feder gestützt wird.
Das Verfahren eines bereits erwähnten Typs kann das Einströmenlassen der Luft in den Luftraum aus einem zwischen einer Strömungshülse und einer Auskleidung der Turbinenbrennkammer gebildeten Ringraum aufweisen.
Das Verfahren eines bereits erwähnten Typs kann das Verteilen der Luft beim Strömen der Luft aus dem Ringraum in den Luftraum mit einem am Kopfende der Turbinenbrennkammer zwischen dem Ringraum und dem Luftraum positionierten Luftdiffusor aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die Begleitzeichnungen besser verständlich, wobei in den Zeichnungen durchgehend gleiche Bezugszeichen gleiche Teile darstellen. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems mit einer Vielzahl von Mischrohren,
2 eine schematische Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform einer Turbinenbrennkammer, die eine Ausführungsform der Vielzahl von Mischrohren veranschaulicht, die innerhalb eines Kopfendes der Brennkammer positioniert sind,
3 eine schematische Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform der Turbinenbrennkammer von 2, die die Vielzahl von Mischrohren veranschaulicht,
4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Endabdeckung einschließlich einer Vielzahl von Brennstoffinjektoren,
5 eine schematische Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform eines Mischrohrs einschließlich eines Brennstoffinjektors,
6 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Teils der Turbinenbrennkammer, die einen Schritt im Montageprozess des Gasturbinensystems veranschaulicht,
7 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Teils des Turbinenbrennraums, die einen Schritt in einem Montageprozess des Gasturbinensystems veranschaulicht,
8 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Teils der Turbinenbrennkammer, die einen Schritt in einem Montageprozess des Gasturbinensystems veranschaulicht, und
9 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Teils der Turbinenbrennkammer, die einen Schritt in einem Montageprozess des Gasturbinensystems veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unten werden eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Im Bemühen, eine kurz gefasste Beschreibung dieser Ausführungsformen zu geben, werden eventuell nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Ausgestaltung beschrieben. Es ist zu beachten, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Ausgestaltung wie bei jedem Konstruktions- oder Design-Projekt zahlreiche ausgestaltungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erreichen, wie die Konformität mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Auflagen, die von einer Ausgestaltung zur anderen verschieden sein können. Darüber hinaus ist zu beachten, dass derartige Entwicklungsbemühungen komplex und zeitraubend sein können, trotzdem aber für den Durchschnittsfachmann, der den Nutzen dieser Offenbarung hat, eine Routine in Sachen Entwurf, Fertigung und Herstellung wären.
Beim Vorstellen von Elementen verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Artikel „ein”, „eine”, „der/die/das” und „genannte” bedeuten, dass es eines oder mehrere der Elemente gibt. Es ist vorgesehen, dass die Begriffe „aufweisen”, „beinhalten” und „haben” umfassend sind und bedeuten, dass es außer den aufgelisteten Elementen noch zusätzliche Elemente geben kann.
Gasturbinenmaschinen können Bauteile zum Vormischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung in einem Brennraum aufweisen. Die offenbarten Ausführungsformen richten sich auf ein Brennstoff- und Luft-Vormischsystem mit einer Vielzahl von Mischrohren (z. B. 10 bis 1000 Mischrohren), wobei jedes Mischrohr mit einem Brennstoffinjektor gepaart ist. In gewissen Ausführungsformen kann jedes Mischrohr einen Durchmesser von weniger als etwa 1, 2, 3, 4 oder 5 Zentimetern haben. Zum Beispiel kann jedes Mischrohr einen Durchmesser zwischen etwa 0,5 bis 2, 0,75 bis 1,75 oder 1 bis 1,5 Zentimetern haben. In Gewissen Ausführungsformen spritzt der Brennstoffinjektor Brennstoff axial in das Mischrohr, während Druckluft radial in das Mischrohr übertragen wird. Das im Vorliegenden beschriebene System kann zum Beispiel geringere Fertigungskosten, leichtere Reparaturverfahren, Flexibilität in Bezug auf Brennstoff, im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Luft und Brennstoff und/oder niedrige Emissionswerte ergeben.
In den Zeichnungen, auf die nun Bezug genommen wird, stellt 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems 10 dar. Wie gezeigt, beinhaltet das System 10 einen Verdichter 12, eine Turbinenbrennkammer 14 und eine Turbine 16. Die Turbinenbrennkammer 14 kann ein oder mehrere Mischrohre 18 (z. B. 10 bis 1000 Mischrohre) aufweisen, die zur Aufnahme von Brennstoff 20 und druckbeaufschlagtem Oxidationsmittel 22 wie Luft, Sauerstoff, sauerstoffangereicherte Luft, sauerstoffreduzierte Luft oder eine beliebige Kombination davon konfiguriert ist. Die folgende Besprechung nennt zwar als Oxidationsmittel 22 Luft, mit den offenbarten Ausführungsformen kann aber jedes beliebige geeignete Oxidationsmittel verwendet werden. Die Mischrohre können wieder als Mikromischrohre beschrieben werden, die einen Durchmesser zwischen etwa 0,5 bis 2, 0,75 bis 1,75 oder 1 bis 1,5 Zentimetern haben. Die Mischrohre 18 können in einem oder mehreren Bündeln eng beabstandeter Rohre allgemein in einer parallelen Anordnung relativ zueinander angeordnet sein. In dieser Konfiguration ist jedes Mischrohr 18 zum Mischen (z. B. Mikromischen) in relativ kleinem Format innerhalb jedes Mischrohrs 18 konfiguriert, das dann ein Brennstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum ausgibt. In gewissen Ausführungsformen kann das System 10 einen flüssigen Brennstoff und/oder ein Brenngas 20 wie Erdgas oder Synthesegas verwenden.
Verdichterschaufeln sind als Bauteile des Verdichters 12 eingeschlossen. Die Schaufeln innerhalb des Verdichters 12 sind mit einer Welle 24 gekoppelt und drehen sich, während die Welle 24 von der Turbine 16 zum Drehen angetrieben wird, wie unten beschrieben. Die Drehung der Schaufeln innerhalb des Verdichters 12 verdichtet Luft 32 aus einem Lufteintritt 30 zu Druckluft 22. Die Druckluft 22 wird dann in die Mischrohre 18 der Turbinenbrennkammern 14 gespeist. Die Druckluft 22 und der Brennstoff 20 werden innerhalb der Mischrohre 18 gemischt, um ein geeignetes Brennstoff-Luft-Gemischverhältnis für die Verbrennung zu ergeben (z. B. eine Verbrennung, die eine vollständigere Verbrennung des Brennstoffs bewirkt, um keinen Brennstoff 20 zu vergeuden oder keine überhöhten Emissionswerte zu verursachen).
Die Turbinenbrennkammern 14 entzünden und verbrennen das Brennstoff-Luft-Gemisch und leiten dann heiße Verbrennungsgsase 34 (z. B. Abgase) unter Druck in die Turbine 16. Die Turbinenschaufeln sind mit der Welle 24 gekoppelt, die auch mit mehreren anderen Bauteilen im ganzen Turbinensystem 10 gekoppelt ist. Beim Strömen der Verbrennungsgase 34 gegen die und zwischen den Turbinenschaufeln in der Turbine 16 wird die Turbine 16 in Drehung versetzt, was bewirkt, dass sich die Welle 24 dreht. Die Verbrennungsgase 34 treten schließlich über einen Abgasauslass 26 aus dem Turbinensystem 10 aus. Ferner kann die Welle 24 mit einer Last 28 gekoppelt sein, die über die Drehung der Welle 24 angetrieben wird. Zum Beispiel kann die Last 28 eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die über die Rotationsausgabe des Turbinensystems 10 wie einen elektrischen Generator, einen Propeller eines Flugzeugs und so weiter Energie erzeugen kann.
2 ist ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform der Brennkammer 14 von 1. Wie gezeigt, beinhaltet die Brennkammer 14 einen Brennraum 36 und ein Kopfende 38. Eine Vielzahl von Mischrohren 18 ist innerhalb des Kopfendes 28 der Brennkammer 14 positioniert und die Mischrohre 18 können allgemein zwischen einer Kappe 40 und einer Endabdeckung 42 verlaufen. In einigen Ausführungsformen sind die Mischrohre 18 im Kopfende 38 aufgehängt, so dass die Mischrohre 18 nicht an der Endabdeckung 42 oder der Kappe 40 angebracht sind. Alternativ können die Mischrohre 18 aber mit der Kappe 40 und/oder der Endabdeckung 42 gekoppelt sein, wie unten weiter beschrieben wird. Die Endabdeckung 42 kann auch eine Brennstoffkammer 44 zum Versorgen der Mischrohre 18 mit Brennstoff haben. In der folgenden Besprechung wird möglicherweise auf eine axiale Richtung 2 entlang einer Achse 4 der Brennkammer 14, eine radiale Richtung 6 von der Achse 4 weg oder auf sie zu und eine Umfangsrichtung 8 um die Achse 4 Bezug genommen. Die Mischrohre 18 verlaufen in der axialen Richtung 2 und sind allgemein parallel zueinander. Die Brennstoffkammer 44 lenkt Brennstoff in der axialen Richtung 3 zu den Mischrohren 18, während die Mischrohre 18 Luft in der radialen Richtung 6 erhalten.
Wie oben beschrieben, erhält der Verdichter 12 Luft 32 aus dem Lufteintritt 30, verdichtet die Luft 32 und erzeugt den Strom von Druckluft 22 zur Verwendung im Verbrennungsprozess. Wie von Pfeil 46 gezeigt, wird die Druckluft 22 durch einen Lufteinlass 48 dem Kopfende 38 der Brennkammer 14 gegeben, das die Luft seitlich oder radial 6 in Richtung auf Seitenwände der Mischrohre 18 leitet. Speziell strömt die Druckluft 22 in der vom Pfeil 46 angedeuteten axialen Richtung 2 aus dem Verdichter 12 durch einen Ringraum 50 zwischen einer Auskleidung 52 und einer Strömungshülse 54 der Brennkammer 14, um das Kopfende 38 zu erreichen. Die Auskleidung 52 ist sich in Umfangsrichtung um den Brennraum 36 erstreckend positioniert, der Ringraum 50 ist sich in Umfangsrichtung um die Auskleidung 52 erstreckend positioniert und die Strömungshülse 54 ist sich in Umfangsrichtung um den Ringraum 50 erstreckend positioniert. Nach Erreichen des Kopfendes 38 biegt die Luft 22 von der axialen Richtung 2 ab auf die radiale Richtung 6 durch den Einlass 48 zu den Mischrohren 18 hin, wie von den Pfeilen 46 angezeigt.
Die Druckluft 22 wird innerhalb der Vielzahl von Mischrohren 18 mit dem Brennstoff 20 vermischt. Wie unten besprochen, nimmt jedes Mischrohr 18 den Brennstoff 20 in der axialen Richtung 2 durch einen axialen Endteil des Mischrohrs 18 auf, während es auch die Luft 22 durch eine Vielzahl von Seitenöffnungen im Mischrohr 18 aufnimmt. Der Brennstoff 20 und die Luft 22 vermischen sich so innerhalb jedes einzelnen Mischrohrs 18. Wie von den Pfeilen 56 gezeigt, strömt das Brennstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Mischrohre 18 stromabwärts in den Brennraum 36, wo das Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet und verbrannt wird, um die Verbrennungsgase 34 (z. B. Abgase) zu bilden. Die Verbrennungsgase 34 strömen in einer Richtung 58 hin zu einem Übergangsstück 60 der Turbinenbrennkammer 14. Die Verbrennungsgase 34 strömen durch das Übergangsstück 60, wie von Pfeil 62 angedeutet, zu der Turbine 16 hin, wo die Verbrennungsgase 34 die Drehung der Schaufeln in der Turbine 16 antreiben.
3 ist eine schematische Darstellung der Vielzahl von Mischrohren 18 innerhalb der Brennkammer 14. Wie gezeigt, hat jedes Mischrohr 18 einen Durchgang oder eine Kammer 64, der/die sich zwischen einem ersten Ende 66 (z. B. axiale Endöffnung) und einem zweiten Ende 68 (z. B. axiale Endöffnung) des Mischrohrs 18 erstreckt. In einigen Ausführungsformen kann sich das zweite Ende 68 des Mischrohrs 18 durch die Kappe 40 erstrecken, so dass das Brennstoff-Luft-Gemisch vom Mischrohr 18 durch eine axiale Endöffnung, die sich im Allgemeinen am zweiten Ende 68 des Mischrohrs 18 befindet, in den Brennraum 36 ausgegeben werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann die Endabdeckung 42 stromaufwärts von und nahe an dem ersten Ende 66 des Mischrohrs 18 positioniert sein. Die Endabdeckung 42 kann einen oder mehrere Brennstoffeinlässe 70 beinhalten, durch welche eine oder mehrere Brennstoffkammern 44 (z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr) innerhalb der Endabdeckung 42 mit dem Brennstoff 20 versorgt werden. Des Weiteren kann jede Brennstoffkammer 44 fluidisch mit einem oder mehreren Brennstoffrohren 72 (z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr) verbunden sein. Wie veranschaulicht, beinhaltet jedes Mischrohr 18 einen jeweiligen Brennstoffinjektor 72, der den Brennstoff 20 in der axialen Richtung 2 erhält, wie von den Pfeilen 45 angedeutet. In einigen Ausführungsformen kann die Endabdeckung 42 eine einzelne gemeinsame Brennstoffkammer 44 (z. B. Brennstoffversorgungskammer) für alle der Mischrohre 18 und zugeordneten Brennstoffinjektoren 72 beinhalten. In anderen Ausführungsformen kann das System 10 eine, zwei, drei oder mehr Brennstoffkammern 44 beinhalten, die jeweils eine Untergruppe von Brennstoffinjektoren 72 und im Endeffekt das jedem Brennstoffinjektor 72 zugeordnete Mischrohr 18 mit Brennstoff 20 versorgen. Zum Beispiel kann eine Brennstoffkammer 44 etwa 5, 10, 50, 70, 100, 500, 1000 oder mehr Brennstoffinjektoren 72 mit Brennstoff versorgen. In einigen Ausführungsformen kann die Brennkammer 14, die Untergruppen von Brennstoffinjektoren 72 hat, die von verschiedenen Brennstoffkammern 44 versorgt werden, eine oder mehrere Untergruppen von Brennstoffinjektoren 72 und entsprechende Mischrohre 18 fetter oder magerer als andere laufen lassen, was zum Beispiel wiederum mehr Kontrolle über den Verbrennungsprozess ermöglichen kann. Außerdem können mehrere Brennstoffkammern 44 die Verwendung mehrerer Brennstofftypen 20 (z. B. gleichzeitig) mit der Brennkammer 14 ermöglichen.
Wie in 3 gezeigt, kann eine Stützkonstruktion 74 (z. B. Seitenwand) das Kopfende 38 der Brennkammer 14 sich in Umfangsrichtung erstreckend umgeben und die Stützkonstruktion 74 kann die Mischrohre 18 und andere Strukturen innerhalb des Kopfendes 38 allgemein schützen und/oder stützen. Zum Beispiel kann die Stützkonstruktion 74 eine äußere ringförmige Wand sein. Wie oben beschrieben, kann in einigen Ausführungsformen Druckluft 22 durch einen Lufteinlass 48 in das Kopfende 38 eintreten. Speziell kann Druckluft 22 durch den Lufteinlass 48 seitlich in einen Luftraum 78 innerhalb des Kopfendes 38 strömen (z. B. in einer allgemein radialen Richtung 6, wie von Pfeil 46 angedeutet). Der Luftraum 78 beinhaltet das Raumvolumen innerhalb des Kopfendes 38 zwischen der Vielzahl von Mischrohren 18 und von der Stützkonstruktion 74 (z. B. Außenwand) umgeben. Die Druckluft 22 breitet sich durch den Luftraum 78 aus, während die Druckluft 22 zu jedem der Vielzahl von Mischrohren 18 strömt. In einigen Ausführungsformen kann in der Brennkammer 14 ein Strömungsverteilerdiffusor 76 (z. B. eine Ablenkplatte, eine Leitung oder ein Leitblech) bereitgestellt sein, um die Verteilung der Druckluft 22 innerhalb des Kopfendes 38 zu verbessern. Der Diffusor 76 kann ein ringförmiger strömungskonditionierender Diffusor sein, der zur Verteilung der Druckluft 22 nach vorn, radial 6 einwärts und/oder nach außen über die Vielzahl von Mischrohren 18 konfiguriert ist. Zum Beispiel kann der Diffusor 76 eine sich verjüngende ringförmige Wand 75 beinhalten, die zum Hohlraum 78 und den Mischrohren 18 hin in der radialen Richtung 6 allmählich einwärts abgewinkelt oder gekrümmt ist. Der Diffusor 76 kann auch einen ringförmigen inneren Durchgang 77 beinhalten, dessen Querschnittsfläche zum Hohlraum 78 und den Mischrohren 18 hin allmählich auseinandergeht oder zunimmt. In einigen Ausführungsformen kann der Diffusor 76 die Druckluft 22 verteilen, so dass die Druckluft 22 im Wesentlichen gleichmäßig zu jedem Mischrohr 18 verteilt wird. Zusätzlich oder alternativ kann innerhalb des Hohlraums 78 des Kopfendes 38 eine gelochte Luftverteilungsplatte 80, die in 3 von einer gestrichelten Linie dargestellt wird, bereitgestellt sein und die Luftverteilungsplatte 80 kann allgemein zwischen der Endabdeckung 42 und der Kappe 40 positioniert sein. Die Löcher in der Luftverteilungsplatte 78 können beliebige verschiedener Formen und Größen haben und können allgemein zusätzliche Diffusion und Verteilung der Druckluft 22 ergeben, um die Verteilung der Druckluft 22 zu den Mischrohren 18 zu verbessern. Nach dem Eintritt in das Kopfende 38 durch den Lufteinlass 48 kann die Druckluft 22 durch eine oder mehrere in den Mischrohren 18 ausgebildete Öffnungen 82 in jedes Mischrohr 18 eintreten.
Wie in 3 gezeigt, hat die Brennkammer 14 in einigen Ausführungsformen auch einen Halter 84 und/oder eine Prallplatte 86. Der Halter 84 und/oder die Prallplatte 86 kann stromabwärts von den Brennstoffinjektoren 72 und allgemein nahe der Kappe 40 positioniert sein. In einigen Ausführungsformen kann die Kappe 40, der Halter 84 und/oder die Prallplatte 86 beispielsweise von der Stützkonstruktion 74 entfernbar oder trennbar sein. Der Halter 84 und/oder die Prallplatte 86 kann die Mischrohre 18 stützen. Die Prallplatte 86 kann zusätzlich oder alternativ konfiguriert sein, um Kühlung der Kappe 40 innerhalb der Brennkammer 14 bereitzustellen.
Wie oben besprochen und in 3 gezeigt, ist für jedes Mischrohr 18 der Brennkammer 14 ein Brennstoffinjektor 72 bereitgestellt. Das heißt, dass ein Brennstoffinjektor 72 innerhalb eines Teils jedes Mischrohrs 18 positioniert ist, um Brennstoff 20 in das jeweilige Mischrohr 18 zu liefern. In einigen Ausführungsformen kann der Brennstoffinjektor 72 allgemein koaxial innerhalb jedes Mischrohrs 18 positioniert werden, indem der Brennstoffinjektor 72 axial 2 durch das erste Ende 66 jedes Mischrohrs 18 eingesetzt wird. Das Mischrohr 18 kann daher eine Größe, Form und Konfiguration haben, die es möglich machen, dass jedes Mischrohr 18 den entsprechenden Brennstoffinjektor 72 aufnimmt.
In gewissen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Brennstoffinjektoren 72 mit der Endabdeckung 42 der Brennkammer 14 gekoppelt sein, wie in 4 am besten veranschaulicht wird. Zusammen können die Endabdeckung 42 und die Brennstoffinjektoren 72 als ein(e) Brennstoffinjektorbaugruppe oder -modul beschrieben werden. In einigen Ausführungsformen können die Brennstoffinjektoren 72 entfernbar mit der Endabdeckung 42 gekoppelt sein. Zum Beispiel können die Brennstoffinjektoren 72 an die Endabdeckung 42 hartgelötet sein oder die Brennstoffinjektoren 72 können per Gewinde mit der Endabdeckung 42 gekoppelt sein. In gewissen Ausführungsformen können die Brennstoffinjektoren 72 per Gewinde gekoppelt und weiter gegen die Endabdeckung 42 abgedichtet sein. Allgemein können die Brennstoffinjektoren 72 zum Entfernen durch maschinelle Bearbeitung oder Abdrehen konfiguriert sein. Die Brennstoffinjektoren 72 sind zwar mit der Endabdeckung 42 als ein(e) Brennstoffinjektorbaugruppe oder -modul gekoppelt, die Mischrohre 18 können aber innerhalb der Stützkonstruktion 74 als ein(e) Mischrohrbaugruppe oder -modul gestützt werden. Das Brennstoffinjektormodul und das Mischrohrmodul ermöglichen daher die schnelle und einfache Montage aller Mischrohre 18 und zugeordneten Brennstoffinjektoren 72 durch Zusammenbauen dieser zwei Module miteinander.
4 veranschaulicht die Endabdeckung 42 mit einer Vielzahl von Brennstoffkammern 44. In gewissen Ausführungsformen kann jede Brennstoffkammer 44 entfernbar mit der Endabdeckung 42 gekoppelt sein. Zum Beispiel können die Brennstoffkammern 44 mit der Endabdeckung verschraubt sein und können daher zur Untersuchung, zum Ausbauen und/oder zum Ersetzen abgeschraubt werden. Außerdem kann in einigen Ausführungsformen die Endabdeckung 42 eine Vielzahl von Brennstoffkammern 44 haben, wobei jede Brennstoffkammer 44 eine Untergruppe von Brennstoffinjektoren 72, wie oben beschrieben, versorgt. Speziell veranschaulicht 4 eine Ausführungsform, die fünf Brennstoffkammern 44 hat, wobei jede Brennstoffkammer 44 eine Untergruppe von Brennstoffinjektoren versorgt. Jede Brennstoffkammer 44 kann eine Untergruppe von 5 bis 500, 10 bis 400, 20 bis 300, 30 bis 200 oder 40 bis 100 72 Brennstoffinjektoren 72 versorgen. Wie oben bemerkt, können die Brennstoffinjektoren 72 nicht nur einzeln entfernt werden, jeder der Brennstoffkammern 44 (und ihre zugeordnete Untergruppe von Brennstoffinjektoren 72) kann auch von der Endabdeckung 42 getrennt und entfernt werden. Infolgedessen sieht die beschriebene Ausführungsform mehrere Möglichkeiten für den Ausbau, die Untersuchung, die Reparatur und/oder den Einbau von Brennstoffinjektoren 72 vor. Jede Brennstoffkammer 44 kann ringförmig, dreieckig, viereckig oder allgemein vieleckig sein. In der veranschaulichten Ausführungsform hat jede Brennstoffkammer 44 eine Sektorform oder eine abgestumpfte Tortenstückform, die von konvergierenden radialen Wänden 85, einer inneren gekrümmten Wand 87 und einer äußeren gekrümmten Wand 85, umgeben sein können.
Weiter mit 5, in der eine Ausführungsform eines Mischrohrs 18 veranschaulicht wird, in der der Brennstoffinjektor 72 in ihm positioniert ist. Wie oben beschrieben, kann das Mischrohr 18 eine Kammer 64 (z. B. Durchgang) haben, die zwischen dem ersten Ende 66 und dem zweiten Ende 68 des Mischrohrs 18 verläuft. In einigen Ausführungsformen kann das Mischrohr 18 allgemein zwischen der Endabdeckung 42 und der Kappe 40 verlaufen und kann ferner durch die Kappe 40 in den benachbarten Brennraum 36 verlaufen, so dass das Brennstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum 36 geliefert werden kann. In gewissen Ausführungsformen kann das Mischrohr 18 über eine Hartlötung, eine Schweißung, Gewinde, Halterungen, Klemmen oder Übermaßpassungen an der Kappe 40 und/oder der Endabdeckung 42 angebracht sein. In einigen Ausführungsformen ist das Mischrohr 18 aber nicht fest an der Endabdeckung 42 oder der Kappe 40 angebracht. Des Weiteren ist das Mischrohr 18 möglicherweise nicht permanent an Bauteilen innerhalb der Brennkammer 14 angebracht. Vielmehr kann das Mischrohr 18 im Kopfende 38 schwimmen oder aufgehängt sein, d. h. von einer oder mehreren Strukturen innerhalb der Brennkammer 14 gestützt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Mischrohr 18 von einer oder mehreren von der Kappe 40, des Halters 84, der Prallplatte 86, diversen Federn oder anderen Stützstrukturen oder einer Kombination davon gestützt werden. Zum Beispiel kann die Feder 88 zum Stützen des Mischrohrs 18 vorgesehen sein. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Feder 88 zwischen dem Halter 84 und der Prallplatte 86 positioniert und die Feder 88 kann dem Mischrohr 18 allgemein eine axiale Einschränkung verleihen, während sie auch die axiale Bewegung als Reaktion auf Bewegungen, Vibrationen, thermische Expansion oder Kontraktion oder eine Kombination davon ermöglicht.
Zum Beispiel können derartige schwimmende Konfigurationen es ermöglichen, eine Wärmeausdehnung des Mischrohrs 18 und anderer Bauteile der Brennkammer 14 aufzunehmen. Im Betrieb kann die innerhalb der Brennkammer 14 erzeugte Wärme zu Wärmeausdehnung des Mischrohrs 18 sowie von Stützkonstruktionen wie dem Halter 84 oder der Prallplatte 86 führen. Wenn das Mischrohr 18 schwimmt, so dass es von den nahegelegenen Strukturen wie dem Halter 84 und der Prallplatte 86 gestützt wird, aber nicht an ihnen angebracht ist, dann kann eine Wärmeausdehnung leichter toleriert werden. In einigen Konfigurationen können daher zum Beispiel die Beeinträchtung der Bauteile und/oder Schwerkräfte zwischen den Bauteilen reduziert werden.
Jedes Mischrohr 18 innerhalb der Brennkammer 14 kann ferner eine beliebige von verschiedenen Formen und Größen haben. In einigen Ausführungsformen kann jedes Mischrohr 18 zum Beispiel eine allgemein zylindrische Form haben und kann einen allgemein kreisförmigen Querschnitt haben. Außerdem kann jedes Mischrohr 18 in einigen Ausführungsformen einen Durchmesser von etwa 0,5 Zentimetern bis etwa 3 Zentimetern oder mehr haben. In anderen Ausführungsformen kann das Mischrohr 18 einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 2, 0,75 bis 1,75 oder 1 bis 1,5 Zentimetern haben. In gewissen Ausführungsformen kann das Mischrohr 18 einen Durchmesser von etwa 0,75 Zentimetern haben. Es ist zu beachten, dass alle Mischrohre 18 innerhalb der Brennkammer 14 einen im Wesentlichen ähnlichen Durchmesser haben, dass die Mischrohre 18 aber in gewissen Ausführungsformen verschiedene Durchmesser haben können. Des Weiteren kann in einigen Ausführungsformen jedes Mischrohr 18 eine Länge von etwa 1 Zentimeter bis etwa 75 Zentimetern haben. In gewissen Ausführungsformen können die Mischrohre eine Länge von etwa 10 bis 60, 15 bis 50, 20 bis 40 oder 30 bis 35 Zentimetern haben. In gewissen Ausführungsformen können die Mischrohre 18 innerhalb der Brennkammer 14 im Wesentlichen ähnliche Längen haben, obwohl die Mischrohre 18 in einigen Ausführungsformen zwei oder mehr verschiedene Längen haben können.
Wie oben besprochen, kann die Druckluft 22 nach dem Eintritt durch den Lufteinlass 48 in das Kopfende 38 durch eine oder mehrere in den Mischrohren 18 ausgebildete(n) Öffnung(en) 82 in jedes Mischrohr 18 eintreten. Die Öffnungen 82 können konfiguriert sein, um eine beliebige verschiedener Formen, Größen und Anordnungen zu haben. Zum Beispiel können die Öffnungen 82 allgemein eine kreisförmige, elliptische oder rechteckige Querschnittsform haben. Die Öffnung 82 können ferner einen Durchmesser oder eine Abmessung im Bereich von etwa 0,001 Zentimetern bis etwa 1,5 oder mehr Zentimetern haben. Die Öffnungen 82 können auch einen Durchmesser oder eine Abmessung im Bereich von beispielsweise etwa 0,01 bis 1, 0,05 bis 0,5 oder 0,1 bis 0,25 Zentimetern haben. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Reihen von Öffnungen 82 um den Umfang des Mischrohrs 18 (z. B. gleichmäßig) beabstandet sein. Des Weiteren können die Öffnungen 82 in einem Winkel in Bezug auf das Mischrohr 18 positioniert sein. Das heißt, die Öffnungen 82 können so konfiguriert sein, dass die Druckluft 22 durch die Öffnungen 82 passiert und in einem Winkel α₁ in Bezug auf die Wand des Mischrohrs 18 in die Kammer 64 des Mischrohrs 18 einströmt. In gewissen Ausführungsformen kann der Winkel α₁, in dem die Druckluft 22 in die Kammer 64 einströmt, so groß wie oder größer oder kleiner als 90 Grad sein. Zum Beispiel kann der Winkel α₁ etwa 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 oder 80 Grad sein. Die in den Mischrohren 18 ausgebildeten Öffnungen 82 können im Wesentlichen ähnliche Formen, Größen und/oder Winkel haben, während die Öffnungen 82 in einigen Ausführungsformen verschiedene Formen, Größen und/oder Winkel haben können. Im Allgemeinen können die Öffnungen 82 an einer beliebigen Stelle am Mischrohr 18 entlang positioniert sein. In gewissen Ausführungsformen können die Öffnungen 82 aber stromabwärts von der Position positioniert sein, an welcher der Brennstoff 20 durch den Brennstoffinjektor 72 in das Mischrohr 18 eintritt. Des Weiteren können die Öffnungen 82 in Umfangsrichtung um den Brennstoffinjektor 72 voneinander beabstandet angeordnet sein, wodurch die Luft radial einwärts zum Brennstoffinjektor 72 hin geleitet wird.
Alternativ können ein oder mehrere Mischrohre 18 anstatt Öffnungen 82 am ersten Ende 66 des Mischrohrs 18 einen erweiterten Durchmesser haben, um Druckluft 22 aus dem Luftraum 78 in das Mischrohr 18 durchzulassen. Das heißt, das erste Ende 66 kann erweitert sein, um eine kelchartige Form 91 zu haben. In derartigen Konfigurationen kann die Druckluft 22 durch das erweiterte erste Ende 66 des Mischrohrs 18 in das Mischrohr 18 eintreten. Zum Beispiel kann die Druckluft 22 durch den Lufteinlass 48 axial und/oder radial einwärts in den Luftraum 78 und über das Mischrohr 18 und zur Endplatte 42 hin verteilt werden. Dann kann die Druckluft 22 durch das erweiterte erste Ende 66 des Mischrohrs 18 in das Mischrohr 18 eintreten. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Mischrohre 18 innerhalb der Brennkammer 14 zur Aufnahme von Druckluft 22 durch das erste Ende 66 des Mischrohrs 18 konfiguriert sein, während eines oder mehrere der Mischrohre 18 zur Aufnahme der Druckluft 22 durch an der Wand des Mischrohrs 18 ausgebildete Öffnungen 82 konfiguriert sein können.
Der Brennstoffinjektor 72 ist zur Positionierung innerhalb des Mischrohrs 18 konfiguriert. Wie oben beschrieben kann der Brennstoffinjektor 72 entfernbar mit der Endabdeckung 42 gekoppelt sein. Des Weiteren kann der Brennstoffinjektor 72 sich allgemein von einer Schulter 100 (z. B. erster rohrförmiger Teil) zu einem Endteil 102 (z. B. zweiter rohrförmiger Teil) erstrecken. In gewissen Ausführungsformen kann die Schulter 100 einen größeren Durchmesser als der Endteil 102 haben und der Endteil 102 kann abgeschrägt sein (z. B. eine abgeschrägte ringförmige Form, wie z. B. eine konische Form), so dass der Durchmesser von der Schulter 100 zu einem distalen Ende 104 des Endteils 102 allmählich abnimmt. In gewissen Ausführungsformen kann der Endteil 102 am distalen Ende 104 eine Spitze bilden oder allgemein auf einen Punkt zulaufen, wie in 5 gezeigt. Andere Formen und Konfigurationen des Endteils 102 des Brennstoffinjektors 72 sind vorgesehen, wie z. B. ein Endteil 102 mit beispielsweise einer zylindrischen Form, einer rechteckigen Form oder einer sechseckigen Form. Außerdem können die Brennstoffinjektoren 72 so konfiguriert sein, dass sie eine beliebige von verschiedenen geeigneten Längen haben, und können ferner verschiedene Schulter-100-längen und Endteil-102-längen haben. Zum Beispiel kann jeder Brennstoffinjektor 72 in einigen Ausführungsformen eine Länge von etwa 0,1 Zentimetern bis etwa 25 oder mehr Zentimetern haben. In einigen Ausführungsformen kann der Brennstoffinjektor 72 eine Länge von etwa 2 bis 15, 4 bis 10 oder 5 bis 8 Zentimetern haben. Des Weiteren können die Brennstoffinjektoren 72 innerhalb der Brennkammer 14 im Wesentlichen gleiche Längen haben, obwohl die Brennstoffinjektoren 72 in anderen Ausführungsformen zwei oder mehr verschiedene Längen haben können. Außerdem kann das Verhältnis zwischen einer Länge der Schulter 100 und einer Länge des Endteils 102 für den Brennstoffinjektor 72 etwa 1:1 sein. In anderen Ausführungsformen kann das Verhältnis aber beispielsweise etwa 2:1 oder 1:2, 3:1 oder 1:3, 4:1 oder 1:4 oder ein beliebiges anderes geeignetes Verhältnis sein. In einigen Ausführungsformen kann zusätzlich eine Feder 90 wie eine radiale Feder um einen Teil der Schulter 100 des Brennstoffinjektors 72 bereitgestellt sein, um den Brennstoffinjektor 72 zu stützen.
Wie oben besprochen, kann Brennstoff 20 aus der Brennstoffkammer 44, die sich an oder innerhalb der Endabdeckung 42 befindet, durch einen Brennstoffeinlass 105 in einen Brennstoffdurchgang 106 innerhalb des Brennstoffinjektors 72 passieren. Der Brennstoff 20 kann an einem oder mehreren an dem Brennstoffinjektor 72 positionierten Löchern 108 (z. B. Brennstoffauslässen) aus dem Brennstoffdurchgang 106 austreten. Die Löcher 108 können an einer geeigneten Stelle am Brennstoffinjektor 72 positioniert sein. Zum Beispiel können die Löcher 108 in einigen Ausführungsformen an der Schulter 100 des Brennstoffinjektors 72 positioniert sein. In anderen Ausführungsformen können die Löcher 108 am Endteil 102 des Brennstoffinjektors 72 positioniert sein. Des Weiteren können die Löcher 108 an einem beliebigen im Wesentlichen zylindrischen Teil des Brennstoffinjektors 72 oder an einem beliebigen im Wesentlichen abgeschrägten oder konischen Teil des Brennstoffinjektors 72 positioniert sein.
Außerdem können die Löcher 108 auf eine von verschiedenen Arten konfiguriert sein und speziell können die Löcher 108 eine(n) von verschiedenen Formen, Winkeln und Größen haben. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen die Löcher 108 einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben. In einigen Ausführungsformen kann/können eines oder mehrere der Löcher 108 so konfiguriert sein, dass der Brennstoff 20 in einem Winkel α₂ relativ zur Wand des Brennstoffinjektors 72 in die Kammer 64 des Mischrohrs 18 eingespritzt wird. Zum Beispiel kann das Loch 108 so konfiguriert sein, dass der Brennstoff 20 in einem Winkel von α₂ in die Kammer 64 eingespritzt wird, der so groß wie oder größer als oder kleiner als etwa 90 Grad in Bezug auf die Wand des Brennstoffinjektors 72 ist. In anderen Ausführungsformen kann das Loch 108 so konfiguriert sein, dass der Brennstoff 20 in einem Winkel α₂ von etwa 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 oder 80 Grad in Bezug auf die Wand des Brennstoffinjektors 72 in die Kammer 64 eingespritzt wird. Die Löcher 108 können allgemein so konfiguriert sein, dass sich die Flammenhaltungseigenschaften der Brennkammer verbessern. Außerdem können in einigen Ausführungsformen das eine Loch oder die mehreren Löcher 108 sich in Umfangsrichtung erstreckend um den Brennstoffinjektor 72 positioniert sein. Zum Beispiel können die Löcher 108 um den Umfang des Brennstoffinjektors 72 gleichmäßig voneinander beabstandet sein. In gewissen Ausführungsformen können die Löcher 108 so konfiguriert sein, dass der Brennstoff 20 radial abgelassen werden und sich radial nach außen, wie von den Pfeilen 110 angedeutet, in die Kammer 64 des Mischrohrs 18 ausbreiten kann. Die Löcher 108 können im Wesentlichen die gleiche Größe haben, obwohl die Löcher 108 in anderen Ausführungsformen verschiedene Größen haben können. In einigen Ausführungsformen, die an jedem Brennstoffinjektor 72 eine Vielzahl von Löchern 108 haben, kann die Vielzahl von Löchern 108 konfiguriert sein, um im Wesentlichen ähnliche Größen, Formen und/oder Winkel zu haben. Alternativ kann die Vielzahl von Löchern 108 konfiguriert sein, um eine(n) oder mehrere verschiedene Größen, Formen und/oder Winkel zu haben.
Die Brennkammer 14 der vorliegenden Offenbarung kann auf eine beliebige von verschiedenen Weisen funktionieren. In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform kann zum Beispiel Druckluft 22 durch eine oder mehrere Öffnungen, wie oben beschrieben, in das Mischrohr 18 eintreten. In gewissen Ausführungsformen können die Öffnungen 82 stromabwärts der Löcher 108 ausgebildet sein, die den Brennstoff 20 in das Mischrohr 18 einspritzen. In derartigen Ausführungsformen passiert die Druckluft 22 in die Kammer 64 jedes Mischrohrs 18 und strömt um den Brennstoffinjektor 72 und allgemein stromabwärts zum Brennraum 36 hin, wie von Pfeil 110 angedeutet. Der Brennstoff 20 kann durch die Löcher 108, wie von den Pfeilen 112 gezeigt, in den querströmenden Druckluftstrom 22, von den Pfeilen 110 gezeigt, eingespritzt werden. Außerdem, wie von Pfeil 112 gezeigt und wie oben beschrieben, kann der Brennstoff 20 mit einem Winkel α₂ in die Kammer 64 eingespritzt werden oder der Brennstoff 20 kann, anders ausgedrückt, vom Brennstoffinjektor 72 nach außen und/oder zum Brennraum 36 hin gespritzt werden. Ungeachtet der Mechanismen und Stellen zum Einspritzen der Druckluft 22 und des Brennstoffs 20 in die Kammer 64 des Mischrohrs 18 kann der Brennstoff 20 innerhalb der Kammer 64 mit der Druckluft 22 gemischt werden, während die Bestandteile durch das Mischrohr 18 zum Brennraum 36 hin strömen, wie von Pfeil 56 angedeutet. Das Brennstoff-Luft-Gemisch kann sich beim Austreten des Brennstoff-Luft-Gemischs aus dem Mischrohr 18 am zweiten Ende 68 des Mischrohrs 18 ausdehnen und das Brennstoff-Luft-Gemisch kann im Inneren des Brennraums 36 verbrennen.
In der vorliegenden Offenbarung werden oben zwar einige typischen Größen und Abmessungen vorgesehen, es ist aber zu beachten, dass die verschiedenen Bauteile der beschriebenen Brennkammer im Maßstab vergrößert oder verkleinert sowie einzeln auf verschiedene Typen von Brennkammern und verschiedene Anwendungen eingestellt werden können. Außerdem ist zu beachten, dass eine Reihe verschiedener anderer geeigneter Bauteile in das hierin beschriebene Gasturbinensystem 10 eingebaut werden können. Zum Beispiel können eine oder mehrere Wirbeldüsen zur Unterstützung der Vermischung von Brennstoff und Luft, flüssigen Brennstoff zerstäubende Injektoren, Zündeinrichtungen oder Sensoren, die mit dem Brennraum 36 und der Endabdeckung 42 in Kommunikation stehen, in eine beliebige der beschriebenen Ausführungsformen eingebaut werden.
Die 6–9 veranschaulichen eine Weise, auf die verschiedene Bauteile des Gasturbinensystems 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung zusammengebaut, angeordnet und/oder miteinander gekoppelt werden können. Wie in 6 gezeigt, kann die abnehmbare Kappe 40 in ein distales Ende 120 der Stützkonstruktion 74 eingesetzt werden. Wie in 7 gezeigt, kann eine Vielzahl der Mischrohre 18 innerhalb der Stützkonstruktion 74, stromaufwärts der Kappe 40 (z. B. gelochte Kappe), zusammengebaut und positioniert werden. Die Kappe 40 kann eine Vielzahl von Aussparungen oder Aufnahmen 118 beinhalten, welche die Mischrohre 18 aufnehmen und stützen. Eine oder mehrere zusätzliche Stützen, wie z. B. der veranschaulichte Halter 84 (z. B. gelochte Halteplatte), können um das Mischrohr 18 positioniert werden. Zum Beispiel beinhaltet der veranschaulichte Halter 84 eine Vielzahl von Aussparungen oder Aufnahmen 120, welche die Brennstoffinjektoren 72 und/oder Mischrohre 18 aufnehmen und stützen. Wie oben bemerkt, können auch die Prallplatte 72 und/oder Federn zum Stützen der Mischrohre 18 innerhalb der Stützkonstrukton 74 genutzt werden. Wie in 8 gezeigt, kann die Stützkonstruktion 74 mit den in ihr positionierten Mischrohren 18 mit der Endplatte 42 gekoppelt sein. Speziell und wie veranschaulicht kann die Vielzahl von Brennstoffinjektoren 72 entfernbar an der Endplatte 42 angebracht sein, so dass, wenn die Stützkonstruktion 74 und die Endplatte 42 miteinander gekoppelt werden, jeder Brennstoffinjektor 72 in sein entsprechendes Mischrohr 18 eingesetzt werden kann. Das heißt, dass, wenn die Stützkonstruktion 74 und die Endplatte 42 gekoppelt sind, jedes Mischrohr 18 einen koaxial in ihm positionierten Brennstoffinjektor 72 hat. 9 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Teils der Brennkammer 14 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie veranschaulicht, kann der Brennstoffeinlass 70 mit der Endplatte 42 gekoppelt sein. Die Mischrohre 18 sind durch die Kappe 40 verlaufend gezeigt, so dass das Brennstoff-Luft-Gemisch von den Mischrohren in den Brennraum 36, der sich stromabwärts der Kappe 40 befindet, abgegeben werden kann.
Wie oben beschrieben, beinhaltet ein Gastturbinenmaschinensystem Bauteile zum Vormischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung in einem Brennraum. Die offenbarten Ausführungsformen richten sich allgemein auf ein Brennstoff-und-Luft-Vormischsystem mit einer Vielzahl von Mischrohren (z. B. 10 bis 1000 Mischrohren), wobei jedes Mischrohr mit einem Brennstoffinjektor gepaart ist. In gewissen Ausführungsformen spritzt der Brennstoffinjektor Brennstoff axial und/oder radial in das Mischrohr, während Druckluft radial in das Mischrohr übertragen wird. Die Luft und der Brennstoff vermischen sich dann in einer Kammer innerhalb des Mischrohrs und das Brennstoff-Luft-Gemisch wird zur Verbrennung in einen Brennraum gegeben.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können eine Vielzahl von Vorteilen für ein Verbrennungssystem bieten. Zum Beispiel können die Teile relativ kostengünstig, leicht herzustellen und zu überholen sein. Darüber hinaus können viele der Teile für Beurteilung, Austausch und/oder Reparatur leicht zugänglich sein und/oder entfernt werden, ohne dass die gesamte Brennkammer demontiert werden muss. Zum Beispiel kann/können (auf) einzelne Brennstoffinjektoren, Mischrohre und/oder Brennstoffkammern zugegriffen oder ausgebaut werden. Des Weiteren können Brennstoff und/oder Druckluft einheitlicher auf die Vielzahl von Mischrohren verteilt werden, was zu effizienteren Verbrennungen führt. Die Vormischabläufe können effektiver sein, so dass die Vormischbauteile kleiner und kürzer sein können, was einen kleineren und kürzeren Vormischraum ermöglicht sowie einen geringeren Material- und Kostenaufwand bei der Herstellung. Schließlich können die hierin beschriebenen Konfigurationen vorteilhaft eine höhere Flammenhaltungsspanne, speziell für hohen Wasserstoffinhalt, ergeben. Selbstverständlich sind die oben aufgezählten Vorteile nur einige wenige der Vorteile, die bei einigen gemäß der vorliegenden Offenbarung konfigurierten Brennkammern erwartet werden können.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung richten sich auf ein System, das Bauteile zum Vormischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung innerhalb eines Brennraums hat. Das System beinhaltet eine Vielzahl von Mischrohren, die zum Aufnehmen und Mischen von Brennstoff und Luft konfiguriert sind. Jedes Mischrohr ist mit einem Brennstoffinjektor gepaart und der Brennstoffinjektor ist axial innerhalb eines Teils des Mischrohrs positioniert. Brennstoff wird vom Brennstoffinjektor in das jeweilige Mischrohr eingespritzt und Luft strömt durch eine oder mehrere Öffnungen, die am Mischrohr ausgebildet sind, radial in jedes Mischrohr. Der Brennstoff und die Luft werden innerhalb des Mischrohrs gemischt und zur Verbrennung in einen Brennraum abgegeben.

Claims

Vormischsystem für eine Gasturbinenmaschine, das Vormischsystem umfassend: eine Vielzahl von Mischrohren, jedes Mischrohr umfassend: eine Wand, die eine Kammer innerhalb des Mischrohrs definiert, wobei die Kammer zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende des Mischrohrs verläuft, eine oder mehrere in der Wand des Mischrohrs ausgebildete Öffnungen, wobei die Öffnungen zur Aufnahme eines Luftstroms konfiguriert sind, einen Brennstoffeintrittsteil, der zur Aufnahme eines Brennstoffstroms von einem Brennstoffinjektor konfiguriert ist, der axial innerhalb des ersten Endes des Mischrohrs positioniert ist, und einen Brennstoff-Luft-Gemischauslass, der am zweiten Ende des Mischrohrs positioniert ist.
System nach Anspruch 1, wobei jedes der Vielzahl von Mischrohren mit einer Kappenanordnung gekoppelt ist und/oder wobei jedes der Vielzahl von Mischrohren von einer Kappenanordnung, einem Halter, einer Prallplatte oder einer Feder gestützt wird.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Diffusor aufweist, der zur Verteilung von Luft aus einem Ringraum zwischen einer Durchflusshülse und einer Auskleidung einer Brennkammer zu der Vielzahl von Öffnungen konfiguriert ist, die an der Wand jedes Mischrohrs positioniert sind.
System nach Anspruch 1, das eine Vielzahl von Brennstoffinjektoren aufweist, wobei jeder Brennstoffinjektor mit einem jeweiligen Mischrohr gekoppelt ist, und jeder Brennstoffinjektor einen im Wesentlichen zylindrischen Schulterteil und einen abgeschrägten distalen Teil aufweist.
System nach Anspruch 5, wobei jeder Brennstoffinjektor eine Vielzahl von Löchern an einer Wand des Brennstoffinjektors aufweist, wobei die Vielzahl von Löchern zum Übertragen von Brennstoff aus einem Durchgang innerhalb des Brennstoffinjektors in die Kammer des jeweiligen Mischrohrs konfiguriert ist
System nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl von Löchern im abgeschrägten distalen Teil des Brennstoffinjektors angeordnet ist.
System nach Anspruch 5, wobei die Öffnungen an der Wand des Mischrohrs stromaufwärts der Löcher an der Wand des Brennstoffinjektors positioniert sind.
System nach Anspruch 4, wobei der Brennstoffinjektor mit einer Brennstoffkammer, die zur Versorgung des Brennstoffinjektors mit Brennstoff konfiguriert ist, in Fluidkommunikation steht.
Gasturbinensystem, umfassend: eine Brennkammer, umfassend: einen Brennraum, mehrere Mischrohre, wobei jedes Mischrohr zur Aufnahme von Brennstoff und Luft und zur Abgabe eines Brennstoff-Luft-Gemischs in den Brennraum konfiguriert ist, wobei die Luft durch eine Vielzahl von in jedem Mischrohr ausgebildeten Öffnungen radial in eine Mischkammer jedes Mischrohrs aufgenommen wird, und mehrere Brennstoffinjektoren, wobei jeder Brennstoffinjektor mit einem der Vielzahl von Mischrohren gekoppelt ist, wobei jeder Brennstoffinjektor axial in einem jeweiligen Mischrohr positioniert ist und wobei jeder Brennstoffinjektor zum axialen und/oder radialen Einspritzen von Brennstoff in die Mischkammer des jeweiligen Mischrohrs konfiguriert ist.
Verfahren, umfassend: Einspritzen von Brennstoff in eine Mischkammer eines Mischrohrs durch eine Vielzahl von Löchern in einer Wand eines Brennstoffinjektors, wobei der Brennstoffinjektor axial innerhalb eines Teils des Mischrohrs positioniert ist, Durchströmenlassen von Luft aus einem Luftraum in einem Kopfende einer Brennkammer durch eine oder mehrere Öffnungen in der Wand des Mischrohrs in die Mischkammer des Mischrohrs, Mischen der Luft und des Brennstoffs innerhalb der Mischkammer des Mischrohrs, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, und Abgeben des Brennstoff-Luft-Gemischs aus der Mischkammer in einen Brennraum der Turbinenbrennkammer.