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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Die Offenbarung betrifft allgemein Turbomaschinen und insbesondere Brennkammervormischer mit aerodynamisch befestigen Brennstoffinjektoren.
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HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
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Gasturbinen arbeiten allgemein, indem sie ein Brennstoff- und Luftgemisch in einer oder mehreren Brennkammern verbrennen, um ein energiereiches Verbrennungsgas zu erzeugen, das eine Turbine durchströmt, wodurch eine Turbinenrotorwelle veranlasst wird, umzulaufen. Die Rotationsenergie der Rotorwelle kann durch einen Generator, der mit der Rotorwelle gekoppelt ist, in elektrische Energie umgesetzt werden. Jede Brennkammer enthält allgemein Brennstoffdüsen, die für eine Zuführung des Brennstoffs und der Luft stromaufwärts von einer Verbrennungszone sorgen, wobei eine Vormischung des Brennstoffs mit der Luft als ein Mittel eingesetzt wird, um Stickoxid(NOx)-Emissionen gering zu halten.
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In Gasturbinen, die zur Elektrizitätserzeugung verwendet werden, werden häufig gasförmige Brennstoffe, wie etwa Erdgas, als brennbares Fluid eingesetzt. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, dass das Verbrennungssystem in der Lage ist, flüssige Brennstoffe, wie etwa Destillatöl, zu verbrennen. In einer typischen Konfiguration kann die Einspritzung eines flüssigen Brennstoffs über eine Kartusche bereitgestellt werden, die sich im Inneren eines Mittelkörpers der Brennstoffdüse erstreckt. Typische Flüssigkeitskartuschen weisen Zerstäubungsdüsen auf, die im Inneren der Kartusche ausgebildet sind, was eine Instandhaltung (z.B. Reinigung) und einen Austausch der Düsen unpraktisch und schwierig macht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
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Aspekte und Vorteile der Offenbarung sind zum Teil nachstehend in der folgenden Beschreibung dargelegt oder können aus der Beschreibung offenkundig sein, oder sie können durch Ausführung der Offenbarung erfahren werden.
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Ein beispielhafter Aspekt kann eine Vormisch-Brennstoffdüsenanordnung für eine Turbomaschine sein, die wenigstens einen Brennstoffinjektor mit einem Außenmantel aufweist, der ein erstes Ende und ein zweites Ende und eine dazwischen angeordnete Gewindefläche aufweist. Das erste Ende weist eine zylindrische Dichtungsfläche auf, und das zweite Ende weist wenigstens ein Schraubenschlüsselloch auf. Es ist eine ringförmige Nabe offenbart, wie sie eine Öffnung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und einer dazwischen angeordneten Gewindefläche aufweist, wobei die Öffnung eingerichtet ist, um den Brennstoffinjektor wenigstens teilweise darin aufzunehmen, und die ringförmige Nabe ferner einen konischen Sitz an dem ersten Ende aufweist. Die zylindrische Dichtungsfläche des Brennstoffinjektors wird nach innen gestaucht, um eine hermetische Abdichtung zu bilden, wenn sie mit dem konischen Sitz der ringförmigen Nabe in Kontakt gelangt, wenn der Brennstoffinjektor in die Öffnung eingeschraubt wird.
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In der zuvor erwähnten Brennstoffdüsenanordnung kann das wenigstens eine Schraubenschlüsselloch eine eingetiefte zylindrische Bohrung, eine eingetiefte ovale Bohrung, eine eingetiefte quadratische Bohrung und Kombinationen von diesen aufweisen.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Brennstoffinjektor einen Zerstäubungs-Flüssigbrennstoffinjektor, einen Flächenstrahl-Flüssigbrennstoffinjektor, einen Flüssigbrennstoffinjektor mit einfacher Blende und Kombinationen von diesen aufweisen.
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In jeder beliebigen vorsehend erwähnten Brennstoffdüsenanordnung kann die Öffnung mit einem Flüssigbrennstoffdurchgang in Verbindung stehen.
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Zusätzlich kann der Flüssigbrennstoffdurchgang darin ein Brennstoffplenum aufweisen.
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Weiter zusätzlich oder als eine Alternative kann eine thermische Unterbrechung zwischen dem Flüssigbrennstoffdurchgang und dem Flüssigbrennstoffinjektor angeordnet sein.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Brennstoffdüsenanordnung kann der Außenmantel aufweisen: einen inneren Durchgang zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende; und eine Durchlassöffnung, die an dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei die Durchlassöffnung enger als der innere Durchgang sein kann.
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Zusätzlich kann die Brennstoffdüsenanordnung ferner einen Verwirbler aufweisen, der in dem inneren Durchgang angeordnet ist.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Brennstoffdüsenanordnung kann das zweite Ende des Außenmantels eine Sitzfläche aufweisen.
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Zusätzlich kann das zweite Ende der Öffnung eine Sitzfläche aufweisen, die passend zu der Sitzfläche des Flüssigbrennstoffinjektors eingerichtet ist, wenn der Flüssigbrennstoffinjektor in die Öffnung eingeschraubt ist.
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Ein weiterer Aspekt kann eine Turbomaschine mit einem Verdichter und einer Brennkammer in Verbindung mit dem Verdichter sein, wobei die Brennkammer wenigstens eine Vormisch-Brennstoffdüsenanordnung, wie vorstehend beschrieben, aufweist.
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verständlich. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Offenbarung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Offenbarung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erläutern.
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Figurenliste
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Eine umfassende und befähigende Offenbarung, einschließlich deren bester Ausführungsart, die sich an einen Durchschnittsfachmann richtet, ist in der Beschreibung dargelegt, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Turbomaschine, wie etwa einer Gasturbine;
- 2 eine Seitenansicht einer Brennkammer mit einer Vormischer-Brennstoffdüsenanordnung gemäß Aspekten beispielhafter Ausführungsformen;
- 3 eine schematische Darstellung einer Vormischer-Düsenanordnung gemäß Aspekten beispielhafter Ausführungsformen;
- 4 eine Schnittansicht einer beispielhaften Vormischer-Düsenanordnung in einer Verteileranordnung eines Flüssigbrennstoffinjektors;
- 5 eine Perspektivansicht eines beispielhaften Flüssigbrennstoffinjektors;
- 6 eine Seitenansicht eines beispielhaften Flüssigbrennstoffinjektors; und
- 7 eine Perspektivansicht eines beispielhaften Werkzeugs, das zum Lösen des Flüssigbrennstoffinjektors verwendet wird.
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Eine wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen soll die gleichen oder analoge Merkmale oder Elemente der vorliegenden Offenbarung repräsentieren.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
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Es wird nun im Einzelnen auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Bezeichnungen durch Zahlen und Buchstaben, um auf Merkmale in den Zeichnungen Bezug zu nehmen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung Bezug zu nehmen. In dem hierin verwendeten Sinne sollen die Ausdrücke „erste“, „zweite“ und „dritte“ austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden, und sie sollen keine Lage oder Wichtigkeit der einzelnen Komponenten angeben. Die Ausdrücke „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ beziehen sich auf die relative Richtung in Bezug auf eine Fluidströmung in einem Fluidpfad. Zum Beispiel bezieht sich „stromaufwärts“ auf die Richtung, aus der das Fluid strömt, und „stromabwärts“ bezieht sich auf die Richtung, in die das Fluid strömt. Der Ausdruck „radial“ bezieht sich auf die relative Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu einer axialen Mittellinie einer bestimmten Komponente ausgerichtet ist, und der Ausdruck „axial“ bezieht sich auf die relative Richtung, die im Wesentlichen parallel zu einer axialen Mittellinie einer bestimmten Komponente verläuft.
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Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat ist es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig, dass Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass von deren Umfang oder Rahmen abgewichen wird. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer einzelnen Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst, wie sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen. Obwohl beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nachstehend für die Zwecke der Veranschaulichung allgemein in dem Kontext einer industriellen Gasturbine beschrieben sind, wird ein Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf eine beliebige Turbomaschine angewandt werden können, zu der einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, eine aus Flugtriebwerken abgeleitete Turbine, eine Schiffsgasturbine sowie eine Flugzeugtriebwerksturbine gehören, außer wenn es speziell in den Ansprüchen angegeben ist.
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Herkömmliche Flüssigbrennstoffsysteme für Gasturbinen verwenden eine Konstruktion mit einem unabhängigen, in einem Durchbruch gelagerten Flüssigkeitsinjektor, der im Allgemeinen montiert wird, nachdem die Düsen an der Endabdeckung fixiert worden sind, was dem Injektor ermöglicht, sich an dem hinteren Ende frei zu bewegen. Aufgrund dieser Bewegung ist die Komponente während normaler Betriebsbedingungen für Verschleiß anfällig, und sie kann einen Ausfall hervorrufen, bevor das Verbrennungsintervall erreicht ist.
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Der Flüssigbrennstoffinjektor, wie er hierin offenbart ist, kann entweder in einer radialen Position an einer Brennstoffdüsennabe oder in einer axialen Position an dem Ende der Brennstoffdüse eingebaut werden, wodurch eine herkömmliche durchbruchgelagerte Konstruktion vermieden wird. Der Injektor kann unter Verwendung eines speziellen Wartungs- bzw. Dienstwerkzeugs in die Baugruppe eingeschraubt werden. Der Injektor kann eine Metall-Metall-Dichtung aufweisen, so dass, wenn der Injektor innen mit Druck beaufschlagt ist, die Injektorwände gedrückt werden, um die Abdichtung zu unterstützen. In dem Fall, dass der Flüssigbrennstoffinjektor oder ein Kreislauf für flüssigen Brennstoff gewartet werden muss, kann der Injektor mit einem Wartungswerkzeug gelöst bzw. entfernt und ersetzt werden, oder der Kreislauf kann von jeglichen Verstopfungen in dem Strömungspfad gereinigt werden, ohne die Brennstoffdüse von ihrer übergeordneten Baugruppe zu entfernen. Die Gewindeverbindung zwischen dem Flüssigbrennstoffinjektor und einer Nabe in Kombination mit den speziellen Werkzeugmerkmalen ermöglicht den Injektoren, ohne Demontage des gesamten Kopfendes entfernt zu werden. Die Zweibrennstoff-Düsenkonstruktion, die in 3 dargestellt ist, zeigt ein vollständig integriertes Gas- und Flüssigbrennstoff-Verteilungssystem, das zusätzlich dazu, dass es ein geringeres Risiko für Verschleiß und Brennstoffleckage während eines Betriebs birgt, eine vereinfachte übergeordnete Baugruppe aufweist.
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Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen, veranschaulicht 1 ein Beispiel für eine Turbomaschine 10, wie etwa eine Gasturbine, wie sie verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verkörpern kann. Eine in allen Figuren einheitliche Orientierungsrichtung ist als eine Umfangsrichtung 90, eine stromabwärtige Axialrichtung 92, eine stromaufwärtige Axialrichtung 93 und eine Radialrichtung 94 definiert. Wie veranschaulicht, enthält die Turbomaschine 10 allgemein einen Verdichterabschnitt 12, der einen Einlass 14, der an einem stromaufwärtigen Ende der Turbomaschine 10 angeordnet ist, und ein Gehäuse 16 aufweist, das den Verdichterabschnitt 12 wenigstens teilweise umgibt. Die Turbomaschine 10 enthält ferner einen Verbrennungsabschnitt 18 mit wenigstens einer Brennkammer 20 stromabwärts von dem Verdichterabschnitt 12, ein Verdichterauslassgehäuse 21, das den Verbrennungsabschnitt 18 wenigstens teilweise umgibt, und einen Turbinenabschnitt 22, der stromabwärts von dem Verbrennungsabschnitt 18 positioniert ist. Wie veranschaulicht, kann der Verbrennungsabschnitt 18 mehrere Brennkammern 20 enthalten. Eine Welle 24 erstreckt sich in Axialrichtung durch die Turbomaschine 10 hindurch.
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Im Betrieb wird Luft 26 in den Einlass 14 des Verdichterabschnitts 12 eingesaugt und zunehmend verdichtet, um eine verdichtete Luft 28 zu dem Verbrennungsabschnitt 18 zu liefern. Die verdichtete Luft 28 strömt in den Verbrennungsabschnitt 18 hinein und wird mit einem Brennstoff in der Brennkammer 20 vermischt, um ein brennbares Gemisch zu bilden. Das brennbare Gemisch wird in der Brennkammer 20 verbrannt, wodurch ein Heißgas 30 erzeugt wird, das aus der Brennkammer 20 über eine erste Stufe 32 von Turbinenleitschaufeln 34 und in den Turbinenabschnitt 22 hinein strömt. Der Turbinenabschnitt enthält allgemein eine oder mehrere Reihen von Laufschaufeln 36, die durch eine benachbarte Reihe der Turbinenleitschaufeln 34 axial getrennt sind. Die Laufschaufeln 36 sind mit der Rotorwelle 24 über eine Rotorscheibe gekoppelt. Ein Turbinengehäuse 38 umhüllt wenigstens teilweise die Laufschaufeln 36 und die Turbinenleitschaufeln 34. Jede oder einige der Reihen von Laufschaufeln 36 können längs des Umfangs von einer Mantelblockanordnung 40 umgeben sein, die im Inneren des Turbinengehäuses 38 angeordnet ist. Das Heißgas 30 expandiert schnell, während es durch den Turbinenabschnitt 22 strömt. Thermische und/oder kinetische Energie wird aus dem Heißgas 30 auf jede Stufe der Laufschaufeln 36 übertragen, wodurch die Welle 24 veranlasst wird, umzulaufen und mechanische Arbeit zu verrichten. Die Welle 34 kann mit einer Last, wie etwa einem (nicht veranschaulichten) Generator, gekoppelt sein, um Elektrizität zu erzeugen. Zusätzlich oder als Alternative kann die Welle 24 verwendet werden, um den Verdichterabschnitt 12 der Turbomaschine anzutreiben.
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2 zeigt eine Seitenansicht einer beispielhaften Brennkammer 20, die eine Vormischer-Brennstoffkopfanordnung 52 mit wenigstens einer Vormischbrennstoffdüse 100 gemäß Aspekten beispielhafter Ausführungsformen aufweist. Wie in 2 veranschaulicht, befindet sich die Brennstoffkopfanordnung 52 dort, wo eine Vormischung von Brennstoff und Luft in der Vormischkammer 150 durch die Vormischbrennstoffdüsen 100 vorgenommen wird. 3 zeigt ein Beispiel einer Vormischbrennstoffdüse 100, wie sie hierin beschrieben ist. Die Vormischbrennstoffdüse 100 kann mit der Brennkammer 20 und dergleichen verwendet werden. Die Brennkammer 20 kann eine beliebige Anzahl der Vormischbrennstoffdüsen 100 in einer beliebigen Konfiguration verwenden. Die Vormischbrennstoffdüse 100 kann einen äußeren ringförmigen Mantel 110 enthalten. Der äußere ringförmige Mantel 110 kann sich von einem Lufteinlass 120 an dessen stromaufwärtigem Ende aus erstrecken und kann über der Verbrennungszone 53 an dessen stromabwärtigem Ende enden. Der äußere ringförmige Mantel 110 kann eine innere ringförmige Wand oder eine Nabe 130 umgeben. Die Nabe 130 kann sich von einem Gasbrennstoffdüsenflansch 140 an deren stromaufwärtigem Ende aus erstrecken und kann stromaufwärts von dem Ende des äußeren ringförmigen Mantels 110 enden. Der äußere ringförmige Mantel 110 und die Nabe 130 können eine Vormischkammer 150 dazwischen definieren. Die Vormischkammer 150 kann mit einer Strömung der verdichteten Luft 28 (vgl. 1 und 2) aus dem Verdichter 12 oder woanders in Verbindung stehen. Eine Anzahl von Verwirbelungsschaufeln 160 kann sich auch von der Nabe 130 aus zu oder an dem äußeren ringförmigen Mantel 110 erstrecken. Die Verwirbelungsschaufeln 160 können eine beliebige geeignete Größe, Gestalt oder Konfiguration aufweisen. Es kann eine Anzahl von Brennstoffinjektionsöffnungen 170 an den Verwirbelungsschaufeln 160 positioniert sein. Die Brennstoffinjektionsöffnungen 170 können mit einer Brennstoffströmung 172 in Verbindung stehen. Die Verwirbelungsschaufeln 160 mit den Injektionsöffnungen 170 sorgen somit für eine Brennstoff/Luft-Vermischung und eine Vormischflammenstabilisierung. In diesem Beispiel kann die Brennstoffströmung 172 eine Erdgasströmung sein. Es können andere Brennstoffarten hierin verwendet werden. Die Strömung der verdichteten Luft 28 und die Brennstoffströmung 172 können beginnen, sich innerhalb der Vormischkammer 150 und der Verwirbelungsschaufeln 160 zu vermischen, und strömen in die Verbrennungszone 53 hinein. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
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Die Vormischbrennstoffdüse 100 kann ferner eine Anzahl konzentrischer Rohre enthalten, die getrennte kreisringförmige Durchgänge für die Strömung von Fluiden unterschiedlicher Art definieren. Die konzentrischen Rohre können eine beliebige geeignete Größe, Gestalt oder Konfiguration haben. Ein Gasdurchgang 180 für eine Strömung eines primären Brennstoffs, wie etwa Erdgas, kann sich von dem Gasbrennstoffdüsenflansch 140 zu den Brennstoffinjektionsöffnungen 170 an den Verwirbelungsschaufeln 160 erstrecken. Im Einsatz vermischt die Vormischbrennstoffdüse 100 eine Strömung des Brennstoffs 172, wie etwa Erdgas, über den Gasdurchgang 180 und die Brennstoffinjektionsöffnungen 170 der Verwirbelungsschaufeln 160 mit einer Strömung der verdichteten Luft 28 aus dem Verdichter 12 oder ansonsten über den Lufteinlass 120. Die Strömungen können vor einer Zündung innerhalb der Verbrennungszone 53 stromabwärts der Verwirbelungsschaufeln 160 verwirbelt und innerhalb der Vormischkammer 150 vermischt werden.
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Die Vormischbrennstoffdüse 100 kann ferner ein Flüssigbrennstoffsystem 200 enthalten. Das Flüssigbrennstoffsystem 200 kann eine Strömung eines sekundären Brennstoffs, wie etwa Destillat, Biodiesel, Ethanol und dergleichen, bereitstellen. Das Flüssigbrennstoffsystem 200 kann einen Flüssigbrennstoffdurchgang 202 enthalten. Der Flüssigbrennstoffdurchgang 202 kann sich von dem Gasbrennstoffdüsenflansch 140 aus zu einer Anzahl von Injektoren für flüssigen Brennstoff (Flüssigbrennstoffinjektoren) 204 erstrecken, die in Radialrichtung oder in Axialrichtung positioniert sind. Die Flüssigbrennstoffinjektoren 204 können in einer einzigen Ebene, wie veranschaulicht ist, ausgerichtet sein, und die Injektoren 204 können in einer gestaffelten Konfiguration angeordnet sein. Es kann eine beliebige Anzahl von Flüssigbrennstoffinjektoren 204 verwendet werden. In einigen Fällen können die Flüssigbrennstoffinjektoren 204 Flüssigbrennstoff-Zerstäubungsinjektoren, Flächenstrahl-Injektoren und/oder Injektoren mit einfacher Blende sein. Es können andere Arten von Brennstoffinjektoren hierin verwendet werden. Es kann eine beliebige Bauart oder Kombination von Flüssigbrennstoffinjektoren hierin verwendet werden.
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Wie in den 4-6 dargestellt, können die Flüssigbrennstoffinjektoren 204 Flüssigbrennstoff-Zerstäubungsinjektoren sein. Zum Beispiel kann jeder der Flüssigbrennstoffinjektoren 204 einen Außenmantel 206 enthalten, der ein erstes Ende 208 und ein zweites Ende 210 mit einer dazwischen angeordneten Gewindefläche 212 aufweist. Der Außenmantel 206 kann einen inneren Durchgang 214 zwischen dem ersten Ende 208 und dem zweiten Ende 210 enthalten. Der innere Durchgang 214 kann mit einer Durchlassöffnung 216 in Verbindung stehen, die an dem zweiten Ende 210 angeordnet ist. In einigen Fällen kann die Durchlassöffnung 216 enger als der innere Durchgang 214 sein.
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In dem inneren Durchgang 214 kann ein Verwirbler 218 angeordnet sein. Der Verwirbler 218 kann einen unteren Schaft 220 enthalten, der zu einem oberen Flansch 222 führt. Der obere Flansch 222 kann eine Anzahl darin positionierter Schlitze 224 enthalten. In einigen Fällen können die Schlitze 224 unter einem Winkel angeordnet sein. Es kann eine beliebige Anzahl von Schlitzen 224 verwendet werden. Außerdem kann sich eine Anzahl von Streben 226 von dem unteren Flansch 220 zu der Oberfläche des inneren Durchgangs 214 erstrecken. In einigen Fällen kann eine Lippe 228, die innerhalb des inneren Durchgangs 214 ausgebildet ist, derart eingerichtet sein, dass sie an die Streben 226 anstößt oder mit diesen zusammenpasst. Es kann eine beliebige Bauart eines Verwirblers hierin verwendet werden.
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Die Nabe 130 kann eine Öffnung 230 enthalten, die ein erstes Ende 232 und ein zweites Ende 234 mit einer dazwischen angeordneten Gewindefläche 236 aufweist. Die Öffnung 230 kann eingerichtet sein, um den Flüssigbrennstoffinjektor 204 wenigstens teilweise darin aufzunehmen. Die Öffnung 230 kann mit dem Flüssigbrennstoffdurchgang 202 in Verbindung stehen. In einigen Fällen kann der Flüssigbrennstoffdurchgang 202 ein Brennstoffplenum 238 enthalten.
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Die Strömung eines flüssigen Brennstoffs kann somit durch die Flüssigbrennstoffdurchgänge 202 strömen. Der flüssige Brennstoff kann beschleunigt werden, während er durch die Schlitze 224 des oberen Flansches 222 des inneren Verwirblers 218 strömt. Die Strömung kann dann erneut beschleunigt werden, während sie durch die enge Durchlassöffnung 216 hindurchtritt, und zu einem zerstäubten Sprühstrahl 254 zerstäubt werden, wenn sie in die Vormischkammer 150 eintritt, um darin mit der Strömung der verdichteten Luft 28 vermischt zu werden. In einigen Fällen können die Flüssigbrennstoffinjektoren 204 an der Nabe 130 stromabwärts der Verwirbelungsschaufeln 160 montiert sein, um so eine Beeinträchtigung der Strömungsdynamik der gesamten Vormischbrennstoffdüse 100 oder eine Beeinträchtigung der Betriebsfähigkeit und/oder der Erfüllung von Emissionsanforderungen, wenn sie mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben wird, durch Verzerrung des Gasbrennstoff/Luft-Gemisch-Profils zu vermeiden. Zusätzlich ist wenigstens ein Schraubenschlüsselloch 260 an dem zweiten Ende 210 des Außenmantels 206 des Flüssigbrennstoffinjektors 204 positioniert, um einen Einbau und Ausbau des Flüssigbrennstoffinjektors 204 in der Flüssigbrennstoffinjektor-Verteilerbaugruppe 252 zu ermöglichen. Die Schraubenschlüssellöcher 260 sind positioniert und gestaltet, um eine Störung des Flusses des Vormischbrennstoffs in der Vormischkammer 150 zu minimieren. Die Schraubenschlüssellöcher 260 können in dem Außenmantel 206 des Flüssigbrennstoffinjektors 204 eingerichtet sein. Die Schraubenschlüssellöcher 260 können mit der Vormischkammer 150 in Fluidverbindung und mit dem Strömungspfad des Vormischbrennstoffs in Kontakt stehen. Die Schraubenschlüssellöcher 260 können allgemein in der Stirnfläche des Außenmantels 206, die mit dem Vormischbrennstoff in Kontakt steht, eingetieft bzw. ausgespart sein und können als eine zylindrische Bohrung gestaltet sein, wodurch Rezirkulationszonen minimiert werden und somit ein Flammenhalten verhindert wird. Die Größe, Lage und Anzahl der Schraubenschlüssellöcher 260 kann innerhalb der geometrischen Randbedingungen des Flüssigbrennstoffinjektors 204 variiert werden. Ferner kann auch die Form der Schraubenschlüssellöcher 260 variieren, wobei z.B. eine eingetiefte zylindrische Bohrung, eine eingetiefte ovale Bohrung, eine eingetiefte quadratische Bohrung und Mischungen von diesen verwendet werden können. Die zylindrische Bohrung der Schraubenschlüssellöcher 260 kann mit der Stirnfläche des Außenmantels 206, die mit dem Vormischbrennstoff-Strömungspfad in Kontakt steht, bündig sein und ist klein genug, um keine wesentliche vorwärts- oder rückwärts weisende Stufe herbeizuführen. Die Stufe kann im Wesentlichen kleiner als 0,005 Zoll sein.
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In einer Ausführungsform sind vier kleine zylindrische Schraubenschlüssellöcher 260 in einem äquidistanten ringförmigen Muster in die Stirnfläche des Außenmantels 206 des Flüssigbrennstoffinjektors 204 maschinell eingearbeitet. Die ringförmige Konfiguration ermöglicht der Durchlassöffnung 216 der Injektoren, ohne geometrische Störwechselwirkung in der Mitte des Brennstoffinjektors 204 positioniert zu werden. Ein Werkzeug 249 (s. 7), wie etwa ein Spannschlüssel, der „Zapfen“ aufweist, kann vorgesehen werden, um mit den Schraubenschlüssellöchern 260 ineinander zu greifen und eine Verdrehung des Flüssigbrennstoffinjektors 204 zu ermöglichen, wodurch die Gewindefläche 212 des Injektors mit der Gewindefläche 236 der ringförmigen Nabe 130 in Eingriff gebracht und gemäß den passenden Anzugsdrehmomentvorgaben festgezogen wird. Ein Lösen bzw. Entfernen des Flüssigbrennstoffinjektors 204 wird ebenfalls durch die Schraubenschlüssellöcher 260 ermöglicht.
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Ein typischer „Sechskant“-Schlüssel, wie etwa von der Inbus-Art, zum Einbau und Ausbau des Flüssigbrennstoffinjektors 204 an der ringförmigen Nabe 130 würde für einen hinreichenden Schlüsselzugang einen zu großen Freiraum erfordern und kann auch inakzeptable Rezirkulationszonen zur Folge haben. Schraubenschlüsselmerkmale anderer Art beeinträchtigen das Verhalten der Durchlassöffnung 216, was eine inakzeptable Sprühqualität und/oder inakzeptable Größe der Rezirkulationszone zur Folge hat.
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Um sicherzustellen, dass eine ausreichende hermetische Abdichtung zwischen dem Flüssigbrennstoffinjektor 204 und der Nabe 130 gebildet wird, kann das erste Ende 208 des Flüssigbrennstoffinjektors 204 eine zylindrische Dichtungsfläche 240 enthalten, und das zweite Ende 210 des Flüssigbrennstoffinjektors 204 kann eine Sitzfläche 242 enthalten. Die Öffnung 230 kann einen konischen Sitz 244 an dem ersten Ende 232 enthalten, der eingerichtet ist, um mit der zylindrischen Dichtungsfläche 240 des Flüssigbrennstoffinjektors 204 zusammenzupassen, wenn der Flüssigbrennstoffinjektor 204 in die Öffnung 230 eingeschraubt ist. Auf diese Weise wird die zylindrische Dichtungsfläche 240 entlang des konischen Sitzes 244 nach innen gestaucht, um eine hermetische Dichtung dazwischen zu bilden, wenn der Flüssigbrennstoffinjektor 204 in die Öffnung 230 eingeschraubt wird. Die Länge, Dicke und/oder der Winkel der zylindrischen Dichtungsfläche 240 und/oder des konischen Sitzes 244 kann/können variieren. Das zweite Ende der Öffnung 230 kann eine Sitzfläche 246 enthalten, die eingerichtet ist, um mit der Sitzfläche 242 des Flüssigbrennstoffinjektors 204 zusammenzupassen, wenn der Flüssigbrennstoffinjektor 204 in die Öffnung 230 eingeschraubt ist. Die Sitzfläche 242 kann das Ausmaß des Eingriffs zwischen der zylindrischen Dichtungsfläche 240 und dem konischen Sitz 244 festlegen und/oder begrenzen. Der Ausdruck stauchen bzw. gestaucht bedeutet unter anderem, dass eine Komponente in einen begrenzten Raum derart gedrängt wird, dass der Durchmesser der Komponente verringert und eine Abdichtung dazwischen geschaffen wird.
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Die zylindrische Dichtungsfläche 240 und der zugehörige konische Sitz 242 stellen eine ausreichende hermetische Abdichtung zwischen dem Flüssigbrennstoffinjektor 204 und der Nabe 130 ohne den Einbau einer gesonderten Dichtungskomponente sicher. Die Dichtungsanordnung stellt sicher, dass der Brennstoff durch die Durchlassöffnung 216 und nicht um den Flüssigbrennstoffinjektor 204 herum strömt. Die vorliegende Anordnung eliminiert den Bedarf an vielen Hunderten von zusätzlich kostspieligen Dichtungen und ermöglicht eine dichtere Packung der Flüssigbrennstoffinjektoren 204 innerhalb der Nabe 130, was geringere Emissionen und einen besseren Wärmeschutz zur Folge hat. Zusätzlich stellt die Dichtungsverbindungsstelle zwischen dem Flüssigbrennstoffinjektor 204 und der Nabe 130 einen viel sauberen Strömungspfad für den flüssigen Brennstoff bereit. Der Strömungspfad kann sauber gespült werden, nachdem der Kreislauf abgeschaltet wird. Die vorliegende Anordnung stellt ferner eine thermische Unterbrechung 248 zwischen dem flüssigen Brennstoff 202 an der benetzten Wand des Gehäuses des Injektors 204 und der ringförmigen Nabe 130 bereit. Wie aus 4 ersichtlich, verhindert die thermische Unterbrechung 248 einen Kontakt zwischen der äußeren Oberfläche des Außenmantels 206 des Injektors und der Innenfläche der ringförmigen Nabe 130 überall, außer an der Gewindefläche 212 und dort, wo die Dichtungsfläche 240 mit dem konischen Sitz 244 in Kontakt steht. Dies hilft, die Bildung von Koks an den benetzten Wänden des Flüssigbrennstoffinjektors 204 zu eliminieren.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Es ist eine Vormisch-Brennstoffdüsenanordnung 100 für eine Turbomaschine 10 offenbart, wie sie wenigstens einen Brennstoffinjektor 204 aufweist, der einen Außenmantel 206 mit einem ersten Ende 208, einem zweiten Ende 210 und einer dazwischen angeordneten Gewindefläche 212 aufweist. Das erste Ende 208 weist eine zylindrische Dichtungsfläche 240 auf, und das zweite Ende weist wenigstens ein Schraubenschlüsselloch 250 auf. Eine ringförmige Nabe 130, die eine Öffnung 230, ein erstes Ende 232, ein zweites Ende 234 und eine dazwischen angeordnete Gewindefläche 236 aufweist, ist eingerichtet, um den Brennstoffinjektor 204 wenigstens teilweise darin aufzunehmen. Die ringförmige Nabe 130 weist ferner einen konischen Sitz 244 an dem ersten Ende 232 auf. Die zylindrische Dichtungsfläche 240 des Brennstoffinjektors 204 wird nach innen gestaucht, um eine hermetische Abdichtung zu bilden, wenn sie mit dem konischen Sitz 244 der ringförmigen Nabe 130 in Kontakt tritt, wenn der Brennstoffinjektor 204 in die Öffnung 230 eingeschraubt wird.
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Bezugszeichenliste
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| Bezugszeichen |
Komponente |
| 10 |
Turbomaschine |
| 12 |
Verdichterabschnitt |
| 14 |
Einlass |
| 16 |
Gehäuse |
| 18 |
Verbrennungsabschnitt |
| 20 |
Brennkammer |
| 21 |
Verdichterauslassgehäuse |
| 22 |
Turbinenabschnitt |
| 24 |
Welle |
| 26 |
Luft |
| 28 |
verdichtete Luft |
| 30 |
Heißgas |
| 32 |
erste Stufe |
| 34 |
Turbinenleitschaufeln |
| 36 |
Laufschaufeln |
| 38 |
Turbinengehäuse |
| 40 |
Mantelblockanordnung |
| 50 |
Verdichteröffnungen |
| 52 |
Brennstoffkopfanordnung |
| 53 |
Verbrennungszone |
| 54 |
Flammrohr |
| 56 |
Strömungshülse |
| 57 |
Strömungsringraum |
| 58 |
axiales Brennstoffinjektionssystem |
| 59 |
Brennstoffdurchgang |
| 60 |
Brennstoffverteiler |
| 61 |
Strömungshülsenflansch |
| 62 |
axiale Brennstoffinjektoren |
| 63 |
axiale Brennstoffdüse |
| 64 |
Übertragungsrohr |
| 100 |
Vormischbrennstoffdüse |
| 110 |
äußerer ringförmiger Mantel |
| 120 |
Lufteinlass |
| 130 |
innere ringförmige Wand oder Nabe |
| 140 |
Brennstoffdüsenflansch |
| 150 |
Vormischkammer |
| 160 |
Verwirbelungsschaufeln |
| 170 |
Brennstoffinjektionsöffnungen |
| 172 |
Brennstoff |
| 180 |
Gasdurchgang |
| 200 |
Flüssigbrennstoffsystem |
| 202 |
Flüssigbrennstoffdurchgang |
| 204 |
Brennstoffinjektor |
| 206 |
Außenmantel |
| 208 |
erstes Ende |
| 210 |
zweites Ende |
| 212 |
Gewindefläche |
| 214 |
innerer Durchgang |
| 216 |
Durchlassöffnung |
| 218 |
Verwirbler |
| 220 |
unterer Schaft |
| 222 |
oberer Flansch |
| 224 |
Schlitze |
| 226 |
Streben |
| 228 |
Lippe |
| 230 |
Öffnung |
| 232 |
erstes Ende |
| 234 |
zweites Ende |
| 236 |
Gewindefläche |
| 238 |
Brennstoffplenum |
| 240 |
zylindrische Dichtungsfläche |
| 242 |
Sitzfläche |
| 244 |
konischer Sitz |
| 246 |
Sitzfläche |
| 248 |
thermische Unterbrechung |
| 249 |
Werkzeug |
| 252 |
Flüssigbrennstoffinjektor-Verteileranordnung |
| 254 |
zerstäubter Sprühstrahl |
| 260 |
Schraubenschlüsselloch |
