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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für einen Gasturbinenmotor und insbesondere auf eine Gasturbinenbrennstoffeinspritzvorrichtung mit gespültem Isolierlufthohlraum.
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Hintergrund
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Gasturbinenmotoren erzeugen Leistung durch Extrahieren von Energie aus einem Fluss von heißem Gas, welches durch die Verbrennung von Brennstoff in einem Strom von komprimierter Luft erzeugt wird. Im Allgemeinen haben Turbinenmotoren einen stromaufwärts liegenden Luftkompressor, der mit einer stromabwärts liegenden Turbine gekoppelt ist, wobei eine Brennkammer („Brenner”) dazwischen ist. Energie wird freigesetzt, wenn eine Mischung aus komprimierter Luft und Brennstoff in dem Brenner verbrannt wird. Die resultierenden heißen Gase werden über Schaufeln der Turbine geleitet, um die Turbine zu drehen und mechanische Leistung zu erzeugen. In einem typischen Turbinenmotor leiten ein oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen eine gewisse Art von flüssigem oder gasförmigem Kohlenwasserstoffbrennstoff (wie beispielsweise Dieselbrennstoff oder Erdgas) in den Brenner zur Verbrennung. Dieser Brennstoff vermischt sich mit komprimierter Luft (vom Luftkompressor) in der Brennstoffeinspritzvorrichtung, und diese fließen zum Brenner zur Verbrennung. Eine Verbrennung des Brennstoffes in dem Brenner kann Temperaturen erzeugen, welche 2000°F (1093,3°C) überschreiten. Diese hohen Temperaturen in der Umgebung der Brennstoffeinspritzvorrichtung steigern die Temperatur der Brennstoffeinspritzvorrichtung während des Betriebs des Turbinenmotors.
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In den Brennstoffeinspritzvorrichtungen werden Brennstoffleitungen und Brennstoffgalerien verwendet, um den Brennstoff an den Brenner zu leiten. Die hohen Temperaturen der Brennstoffeinspritzvorrichtung während des Betriebs können zu einem Verkoken von flüssigem Brennstoff in diesen Leitungen und Galerien führen. Mit der Zeit kann eine Koksablagerung in den Leitungen und Galerien zu Flusseinschränkungen führen, die nachteilig den Betrieb des Gasturbinenmotors beeinflussen. In einigen Brennstoffeinspritzvorrichtungen können Isolierhohlräume oder Leitelemente um die Brennstoffleitungen oder Galerien angeordnet sein, die anfällig für Verkokung sind.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt wird eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für einen Dual-Brennstoff-Gasturbinenmotor offenbart. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung weist einen Flusspfad für eine Brennstoff-Luft-Mischung zu einem Brenner auf, welcher sich in Längsrichtung durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung erstreckt. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung kann auch eine Flüssigbrennstoffgalerie aufweisen, die zumindest teilweise den Flusspfad umgibt. Die Galerie kann eine Vielzahl von Brennstoffspeichen bzw. Brennstoffvorsprüngen aufweisen, die konfiguriert sind, um flüssigen Brennstoff von der Galerie zum Flusspfad zu liefern. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung kann auch ein ringförmiges äußeres Gehäuse aufweisen, welches in Umfangsrichtung um die Galerie positioniert ist, um einen Isolierlufthohlraum zumindest teilweise um die Galerie zu formen. Das äußere Gehäuse kann zumindest ein Spülloch aufweisen, um eine Verbindung zwischen dem Isolierlufthohlraum und der Außenseite des äußeren Gehäuses der Einspritzvorrichtung vorzusehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Dual-Brennstoff-Gasturbinenmotors offenbart. Der Gasturbinenmotor kann eine Flüssigbrennstoffgalerie aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie flüssigen Brennstoff aufweist bzw. enthält, wenn der Gasturbinenmotor mit flüssigem Brennstoff arbeitet. Die Flüssigbrennstoffgalerie kann strömungsmittelmäßig mit einem Brennstoffflussdurchlass der Brennstoffeinspritzvorrichtung durch eine Brennstoffspeiche bzw. einen Brennstoffvorsprung gekoppelt sein. Die Flüssigbrennstoffgalerie kann in einem ringförmigen Gehäuse positioniert sein, welches sich umlaufend um die Flüssigbrennstoffgalerie erstreckt, um einen Isolierlufthohlraum zu formen, der sich zumindest teilweise um die Flüssigbrennstoffgalerie erstreckt. Das Gehäuse kann eine Vielzahl von Spüllöchern aufweisen, die strömungsmittelmäßig den Isolierlufthohlraum mit einem Druckluftraum koppeln, der das Gehäuse umgibt. Das Verfahren kann aufweisen, gasförmigen Brennstoff mit komprimierter Luft bzw. Druckluft in dem Brennstoffflussdurchlass zu vermischen, um eine Brennstoff-Luft-Mischung zu bilden, und die Brennstoff-Luft-Mischung zu einem Brenner des Gasturbinenmotors an der Brennstoffspeiche vorbei zu leiten. Das Verfahren kann auch aufweisen, komprimierte Luft aus dem Druckluftraum in den Isolierlufthohlraum alleine durch die Vielzahl von Spüllöchern zu leiten, und die komprimierte Luft aus dem Isolierlufthohlraum in den Brennstoffflussdurchlass zur Vermischung mit der Brennstoff-Luft-Mischung zu leiten, die dort hindurch fließt.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Dual-Brennstoff-Gasturbinenmotor offenbart. Der Gasturbinenmotor weist einen Kompressor auf, weiter einen Brenner, der stromabwärts des Kompressors positioniert ist, und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, die strömungsmittelmäßig den Kompressor und den Brenner koppelt. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung kann konfiguriert sein, um eine Brennstoff-Luft-Mischung zum Brenner durch einen Flusspfad zu leiten, welcher sich in Längsrichtung durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung erstreckt. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung kann eine Galerie für flüssigen Brennstoff aufweisen, die zumindest teilweise den Flusspfad umgibt, und eine Vielzahl von Brennstoffspeichen bzw. Brennstoffvorsprüngen, die strömungsmittelmäßig die Galerie mit dem Flusspfad koppeln. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung kann auch ein ringförmiges Gehäuse aufweisen, welches sich umlaufend um die Galerie erstreckt, um einen Isolierlufthohlraum um die Galerie zu formen. Das Gehäuse kann so konfiguriert sein, dass der Isolierlufthohlraum von einem Druckluftraum getrennt ist, welcher das Gehäuse umgibt. Das Gehäuse kann eine Vielzahl von Spüllöchern aufweisen, die konfiguriert sind, um komprimierte Luft aus dem Druckluftraum in den Lufthohlraum zu leiten. Ein Durchmesser von jedem Spülloch der Vielzahl von Spüllöchern kann kleiner oder gleich ungefähr 0,075 Zoll sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten Gasturbinenmotorsystems;
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2 ist eine Veranschaulichung einer beispielhaften Brennstoffeinspritzvorrichtung, die in dem Turbinenmotor der 1 verwendet wird;
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3 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffeinspritzvorrichtung der 2 entlang einer Längsebene,
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4 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der Brennstoffgalerie der Brennstoffeinspritzvorrichtung der 2; und
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5 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffeinspritzvorrichtung der 2 entlang einer quer verlaufenden Ebene.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht einen beispielhaften Gasturbinenmotor (GTM) 100. Der Gasturbinenmotor 100 kann, neben anderen Systemen, ein Kompressorsystem 10, ein Brennersystem 20, ein Turbinensystem 70 und ein Auslass- bzw. Abgassystem 90 haben, die entlang einer Motorachse 98 angeordnet sind. Das Kompressorsystem 10 komprimiert Luft auf einen Kompressorauslassdruck und eine Kompressorauslasstemperatur (ungefähr 200 psi bzw. 800°F (426,7°C)) und liefert die komprimierte Luft zu einer Umhüllung 72 des Brennersystems 20. Die komprimierte Luft wird dann von der Umhüllung 72 in eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen 30 geleitet, die darin positioniert sind. Die komprimierte Luft kann mit einem Brennstoff in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 vermischt werden, und die Mischung wird zu einem Brenner 50 geleitet. Die Brennstoff-Luft-Mischung zündet und verbrennt im Brenner 50, um Verbrennungsgase mit hohen Drücken und Temperaturen zu erzeugen. Diese Verbrennungsgase werden dann zum Turbinensystem 70 geleitet. Das Turbinensystem 70 extrahiert Energie aus diesen Verbrennungsgasen und leitet die Abgase durch das Abgassystem 90 in die Atmosphäre. Die Anordnung des Gasturbinenmotors 100, die in 1 veranschaulicht ist und oben beschrieben wird, ist nur beispielhaft, und die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 30 der vorliegenden Offenbarung können mit jeglicher Konfiguration und Anordnung eines Gasturbinenmotors 100 verwendet werden.
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2 ist eine Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffeinspritzvorrichtung 30, die mit einem Brenner 50 des Gasturbinenmotors 100 gekoppelt sein kann. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 erstreckt sich von einem ersten Ende 44, welches strömungsmittelmäßig mit dem Brenner 50 gekoppelt ist, zu einem zweiten Ende 46, welches in der Umhüllung 72 positioniert ist. Komprimierte Luft, die in der Umhüllung 72 gespeichert ist, tritt in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 durch Öffnungen (in 2 nicht sichtbar) am zweiten Ende 46 ein. Flüssiger Brennstoff wird auch in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 am zweiten Ende 46 durch eine Flüssigbrennstoffleitung 38 (und eine Pilot- bzw. Vorbrennstofflieferleitung 34) eingeleitet. Dieser Brennstoff wird mit der komprimierten Luft vermischt, die durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 fließt, und die Brennstoff-Luft-Mischung tritt in den Brenner 50 durch das erste Ende 44 ein. Einige Ausführungsformen der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 (wie beispielsweise das Ausführungsbeispiel der in 2 veranschaulichten Brennstoffeinspritzvorrichtung 30) können eine Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung sein, die konfiguriert ist, um selektiv einen gasförmigen Brennstoff und einen flüssigen Brennstoff an den Brenner 50 zu liefern. Bei Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtungen kann der an die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 gelieferte Brennstoff zwischen gasförmigem und flüssigem Brennstoff umgeschaltet werden, um sich an die Betriebsbedingungen des Gasturbinenmotors 100 anzupassen. Beispielsweise kann die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 an einer Einsatzstätte mit reichlicher Versorgung von Erdgas während des Starts flüssigen Brennstoff an den Brenner 50 liefern und später auf Erdgasbrennstoff umschalten, um die lokal verfügbare Brennstoffversorgung zu verwenden. Bei einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung können zusätzlich zu den Brennstoffleitungen, die flüssigen Brennstoff liefern, die Brennstoffleitungen auch gasförmigen Brennstoff an die Brennstoffeinspritzvorrichtung liefern. Bei der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 der 2 können beispielsweise die Gasbrennstoffleitung 36 (und die Pilot- bzw. Vorbrennstofflieferleitung 34) gasförmigen Brennstoff zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 leiten.
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Um die Emission von Luftverunreinigungen zu verringern (wie beispielsweise von NOx), während eine stabile Flamme im Brenner 50 aufrechterhalten wird, leitet die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 eine fette Brennstoff-Luft-Mischung zum Brenner 50 durch eine mittig angeordnete Pilot- bzw. Vorsteueranordnung 40. Die Vorbrennstofflieferleitung 34 liefert flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff zur Pilot- bzw. Voranordnung 40. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 weist auch eine rohrförmige Vormischtrommel 48 auf, die in Umfangsrichtung um ein Gehäuse 43 der Pilotanordnung 40 angeordnet ist, um eine ringförmige Leitung 42 um die Pilotanordnung 40 zu definieren. Eine magere vorgemischte Brennstoff-Luft-Mischung wird durch diese ringförmige Leitung 42 in den Brenner 50 geleitet. Der flüssige Brennstoff (und der gasförmige Brennstoff im Fall von Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtungen) und komprimierte Luft werden zu sowohl der Pilotanordnung 40 als auch der ringförmigen Leitung 42 geleitet, um die Pilot- bzw. Vorbrennstoff-Luft-Mischung bzw. die vorgemischte Brennstoff-Luft-Mischung zu bilden. Diese Brennstoff-Luft-Mischungen (Vorbrennstoff-Luft- und vorgemischte Brennstoff-Luft-Mischung) bilden getrennte Brennstoff-Luft-Ströme, die durch das erste Ende 44 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 in den Brenner 50 geleitet werden.
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3 ist eine Querschnittsdarstellung der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 entlang der Ebene 3-3 der 2. Die Pilotanordnung 40 weist mehrere Komponenten auf, die zusammenarbeiten, um die Vorbrennstoff-Luft-Mischung an den Brenner 50 zu liefern. Da der Betrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtungen und der Pilotanordnungen in der Technik bekannt ist, werden Details der Pilotanordnung 40 zur Abkürzung weggelassen. In der Nähe des zweiten Endes 46 weist die ringförmige Leitung 42 eine Luftverwirbelungsvorrichtung 52 auf, die konfiguriert ist, um der komprimierten Luft, die in die ringförmige Leitung 42 aus der Umhüllung 72 eintritt, eine Verwirbelung aufzuprägen. Brennstoff aus der Flüssigbrennstoffleitung 38 (siehe 2) wird zu einer Flüssigbrennstoffsammelleitung (Sammelleitung 55) geleitet, die ringförmig um die Luftverwirbelungsvorrichtung 52 angeordnet ist. Die Sammelleitung 55 weist eine Flüssigbrennstoffgalerie (Brennstoffgalerie 56) auf, welche flüssigen Brennstoff enthält, die in Umfangsrichtung um die Sammelleitung 55 angeordnet ist. Eine Vielzahl von Speichen bzw. Vorsprüngen 54a–54e (siehe auch 5) liefern den flüssigen Brennstoff aus der Brennstoffgalerie 56 in die komprimierte Luft, welche an der Luftverwirbelungsvorrichtung 52 vorbeifließt. Dieser Brennstoff vermischt sich mit dem verwirbelten Luftstrom, um die vorgemischte Brennstoff-Luft-Mischung zu bilden, die in den Brenner 50 durch die ringförmige Leitung 42 eintritt. Obwohl die 3–5 die Speichen 54a–54e derart veranschaulichen, dass sie mit der Luftverwirbelungsvorrichtung 52 gekoppelt sind, ist dies nicht erforderlich, und in einigen Ausführungsbeispielen können die Speichen 54a–54e stromaufwärts oder stromabwärts der Luftverwirbelungsvorrichtung 52 positioniert sein. In den Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtungen weist die Luftverwirbelungsvorrichtung 52 auch eine Vielzahl von Zumessöffnungen 58 auf, die konfiguriert sind, um gasförmigen Brennstoff in den Strom von verwirbelter Luft einzuspritzen. Abhängig von der Art des Brennstoffes, mit dem die Brennstoffeinspritzvorrichtung arbeitet, wird flüssiger Brennstoff oder gasförmiger Brennstoff in die komprimierte Luft geliefert, die an der Luftverwirbelungsvorrichtung 52 vorbeifließt. Dieser (flüssige oder gasförmige) Brennstoff wird sich mit der komprimierten Luft vermischen, um den Hauptbrennstoffstrom zu formen.
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4 ist eine perspektivische Ansicht eines Bereichs der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 um die Brennstoffgalerie 56 (in 3 gezeigt). 5 ist eine schematische Querschnittsansicht der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 entlang der Ebene 5-5 der 2. In der Beschreibung unten wird Bezug auf die 3–5 genommen. Flüssiger Brennstoff von der Flüssigbrennstoffleitung 38 wird in die Brennstoffgalerie 56 an einem (nicht gezeigten) Einlass geleitet. Die Brennstoffgalerie 56 wickelt sich um die Sammelleitung 55, so dass sie sich vom Einlass zu einer Spitze erstreckt, die sich in einigen Ausführungsbeispielen über den Einlass erstrecken kann und diesen überlappen kann. In einigen Ausführungsbeispielen (wie in 5 zu sehen) kann sich die Brennstoffgalerie 56 jedoch nur teilweise um den Umfang der Sammelleitung 55 erstrecken. Die Speichen 54a–54e koppeln strömungsmittelmäßig die Brennstoffgalerie 56 mit der ringförmigen Leitung 42. Obwohl fünf Speichen 54a–54e in dem Ausführungsbeispiel der 5 veranschaulicht sind, kann im Allgemeinen in anderen Ausführungsformen der Brennstoffeinspritzvorrichtungen jegliche Anzahl von Speichen in irgendeiner Weise (symmetrisch oder anders) angeordnet sein. Diese Speichen 54a–54e erstrecken sich in den ringförmigen Raum 42 durch die Flügel der Luftverwirbelungsvorrichtung 52 und sprühen flüssigen Brennstoff aus der Brennstoffgalerie 56 in die komprimierte Luft, die an der Luftverwirbelungsvorrichtung 52 vorbeifließt.
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Die Sammelleitung 55 ist in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 in der Nähe der Umhüllung 72 positioniert, welche komprimierte Luft mit hoher Temperatur und hohem Druck enthält. Um dabei zu helfen, eine Verkokung des flüssigen Brennstoffes in der Brennstoffgalerie 56 zu verhindern, wird ein Isolierlufthohlraum (Hohlraum 60) zumindest teilweise um den Umfang der Sammelleitung 55 geformt. Wie in den 3 und 4 veranschaulicht, kann der Hohlraum 60 sich zumindest teilweise um einen Querschnitt der Sammelleitung 55 erstrecken. Der Hohlraum 60 schirmt die Brennstoffgalerie 56 von der Luft mit hoher Temperatur in der Umhüllung 72 ab und hilft dabei, die Brennstoffgalerie 56 auf einer Temperatur unter der Verkokungstemperatur des flüssigen Brennstoffes zu halten. Der Hohlraum 60 wird geformt durch Umschließen bzw. Umhüllen der Sammelleitung 55 unter Verwendung eines Kanalabschnittes 47 an einem stromaufwärts gelegenen Ende der Vormischtrommel 48. Der Kanalabschnitt 47 kann ein Bereich mit umgekehrter L-Form am stromaufwärts gelegenen Ende der Vormischtrommel 48 sein, welcher eine horizontale Wand 47a hat, die mit einer vertikalen Wand 47b verbunden ist. Ein Ende der horizontalen Wand 47a kann an einem Gehäuse 49 angebracht sein (hartgelötet usw.), und das gegenüberliegende Ende der vertikalen Wand 47b kann an der Luftverwirbelungsvorrichtung 52 angebracht sein, um die Sammelleitung 55 von der Umhüllung 72 zu trennen, und kann den Hohlraum 60 um die Sammelleitung 55 bilden. Die Speichen 54a–54e, welche flüssigen Brennstoff aus der Brennstoffgalerie 56 zum ringförmigen Raum 42 leiten, erstrecken sich in die Flügel der Luftverwirbelungsvorrichtung 52 durch den Hohlraum 60. Ein Spiel bzw. Freiraum 57 (siehe 5), welches zwischen den Speichen 54a–54e und den Verwirbelungsflügeln geformt ist, verbindet den Hohlraum 60 mit dem ringförmigen Raum 42.
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Während des Betriebs des Gasturbinenmotors 100 mit flüssigem Brennstoff wird flüssiger Brennstoff in den ringförmigen Raum 42 durch die Speichen 54a–54e eingelassen. Der flüssige Brennstoff vermischt sich mit der komprimierten Luft in dem ringförmigen Raum 42 und fließt stromabwärts zum Brenner 50. Wenn der Gasturbinenmotor 100 mit gasförmigem Brennstoff arbeitet, wird die Lieferung von flüssigem Brennstoff in die Brennstoffgalerie 56 abgeschaltet und gasförmiger Brennstoff wird in den ringförmigen Raum 42 durch die Zumessöffnungen 58 eingelassen. Der gasförmige Brennstoff vermischt sich mit der komprimierten Luft in dem ringförmigen Raum 42 und fließt an den Speichen 54a–54e vorbei zum Brenner 60. Wenn die Brennstoff-Luft-Mischung an den Speichen 54a–54e vorbeiläuft, wandert ein Teil der Brennstoff-Luft-Mischung tendenziell in die Brennstoffgalerie 56 und den Hohlraum 60 durch den Auslass der Speichen 54a–54e und den Freiraum 57. Dieses Eintreten von Brennstoff in die inaktiven Brennstoffleitungen und Hohlräume einer Brennstoffeinspritzvorrichtung wird Cross-Migration bzw. Querleckage genannt.
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In einigen Ausführungsbeispielen bewirkt eine Cross-Migration, dass die gewanderte bzw. geleckte Brennstoff-Luft-Mischung sich innerhalb der Brennstoffgalerie 56 und/oder des Hohlraums 60 entzündet. Dieses Phänomen, welches auch Selbstzündung genannt wird, ist insbesondere bei Brennstoffen üblich, die eine niedrige Selbstzündungsverzögerungszeit haben. Die Selbstzündungsverzögerungszeit ist ein Maß für die Zeit, die nötig ist, damit eine Brennstoff-Luft-Mischung bei einer gewissen Temperatur zündet. Brennstoffe, welche schwere Kohlenwasserstoffe aufweisen (wie beispielsweise Butan, Propan usw.) haben bekanntermaßen eine niedrige Selbstzündungsverzögerungszeit. Zusätzlich zu einem möglichen Schaden an den Komponenten bewirkt eine Selbstzündung eine Verkokung des Brennstoffes in den Brennstoffdurchlässen.
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Druckvariationen der Brennstoff-Luft-Mischung in Umfangsrichtung in dem ringförmigen Raum 42 verschärfen den Eintritt von gasförmigem Brennstoff in die Brennstoffgalerie 56 und den Hohlraum 60. Diese Druckvariationen in Umfangsrichtung können in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung auf Grund von mehreren Faktoren auftreten. Beispielsweise bewirken in einigen Brennstoffeinspritzvorrichtungen Strukturen (wie beispielsweise Streben usw.) in dem ringförmigen Raum 42 stromaufwärts der Luftverwirbelungsvorrichtung 52 Veränderungen des Drucks stromabwärts der Struktur. In einigen Brennstoffeinspritzvorrichtungen wirken durch Verbrennung eingeleitete Druckfluktuationen im Brenner 50 mit dem Brennstofffluss zusammen und rufen Druckvariationen in Umfangsrichtung in dem ringförmigen Raum 42 hervor. Egal, was der Grund für die Druckfluktuationen ist, kann bei den Speichen 54a–54e, die in Regionen mit hohem Druck liegen, ein Hereinfließen der Brennstoff-Luft-Mischung in die Brennstoffgalerie 56 und/oder den Hohlraum 60 durch diese Speichen auftreten. Weiter tritt bei Speichen 54a–54e, die in Bereichen mit niedrigem Druck liegen, ein Herausfließen der Brennstoff-Luft-Mischung durch diese Speichen auf. Wenn beispielsweise Druckvariationen in Umfangsrichtung in dem ringförmigen Raum 42 bewirken, dass der Druck der Mischung in der Nähe der Speiche 54c hoch ist, und in der Nähe der Speiche 54e niedrig ist, wird die Brennstoff-Luft-Mischung in die Brennstoffgalerie 56 (und den isolierten Lufthohlraum 60) durch die Speiche 54c (und den Freiraum 57, der mit der Speiche 54c assoziiert ist) wandern und zurück in den ringförmigen Raum 42 durch die Speiche 54e (und ihren Freiraum 57) fließen.
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Um eine Cross-Migration bzw. Querleckage der Brennstoff-Luft-Mischung in die Brennstoffgalerie 56 zu minimieren, kann komprimierte Luft aus dem Kompressorsystem 10 (oder einem anderen Kompressor) in einem Wärmetauscher abgekühlt werden und in die Brennstoffgalerie 56 geleitet werden, wenn der Gasturbinenmotor 100 mit gasförmigem Brennstoff arbeitet. Diese gekühlte komprimierte Luft, die auf einem höheren Druck ist als die Brennstoff-Luft-Mischung in dem ringförmigen Raum 42, verhindert den Eintritt der Mischung in die Brennstoffgalerie 56. Diese komprimierte Luft mit hohem Druck in der Brennstoffgalerie 56 fließt durch die Speichen 54a–54e heraus in den ringförmigen Raum 42 und wird ein Teil der vorgemischten Brennstoff-Luft-Mischung, die zum Brenner 50 geleitet wird.
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Um den Eintritt der Brennstoff-Luft-Mischung in den Hohlraum 60 zu verhindern oder zu minimieren, wird komprimierte Luft aus der Umhüllung 72 in den Hohlraum 60 durch Spüllöcher 62a, 62b, 62c geleitet, die an dem Kanalabschnitt 47 ausgeformt sind. Diese Spüllöcher 62a, 62b, 62c leiten komprimierte Luft mit hohem Druck und hoher Temperatur aus der Umhüllung 72 in den Hohlraum 60, wodurch der Eintritt der Brennstoff-Luft-Mischung mit niedrigerem Druck in den Hohlraum 60 verhindert wird. Die komprimierte Luft aus dem Hohlraum 60 fließt durch den Freiraum 57 in den ringförmigen Raum 42 und vermischt sich mit der Brennstoff-Luft-Mischung, die dort hindurch fließt. Die Anzahl, Größe und Lage der Spüllöcher 62a, 62b, 62c kann von der Anwendung abhängen. Um eine Verkokung zu verhindern, ist es wünschenswert, die Wände der Brennstoffgalerie beträchtlich unter ungefähr 800°F (426,7°C) zu halten. Da die komprimierte Luft in der Umhüllung 72 auf einer hohen Temperatur ist (typischer Weise über ungefähr 800°F), kann eine Steigerung der Anzahl und Größe der Spüllöcher die Temperatur in der Brennstoffgalerie 56 steigern und die Wahrscheinlichkeit einer Verkokung steigern. Während eine kleinere Anzahl und Größe der Spüllöcher die Temperatursteigerung minimieren kann, kann eine kleiner Anzahl und Größe der Spüllöcher keinen ausreichenden Widerstand gegen Cross-Migration bzw. Querleckage bieten. Um die Größe und Anzahl der Spüllöcher zu minimieren, während ein gewünschtes minimales Niveau an Cross-Migration erreicht wird, können Spüllöcher an Stellen vorgesehen werden, wo sie den größten Vorteil bieten. Während im Allgemeinen die Anzahl, Größe und Lage der Spüllöcher in einer Anwendung von der Konstruktion der speziellen Brennstoffeinspritzvorrichtung und von den Betriebsbedingungen des Gasturbinenmotors 100 abhängen können, werden unten zwei Konstruktionen für Spüllöcher beschrieben, welche eine wesentliche Verringerung der Cross-Migration bzw. Querleckage und der Selbstzündung während Versuchen vorsahen, ohne die Temperatur der Brennstoffgalerie 56 über die Verkokungstemperatur zu steigern.
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In einem Ausführungsbeispiel (siehe 5) sahen drei Spüllöcher 62a, 62b, 62c, die jeweils weniger als oder gleich ungefähr 0,075 Zoll (ungefähr 1,9 mm) im Durchmesser hatten, die an der horizontalen Wand 47a des Kanalabschnittes 47 vorgesehen waren, ausreichend Verringerung der Cross-Migration vor, während die Temperatur der Brennstoffgalerie 56 unter der Verkokungstemperatur gehalten wurde. Um eine Verringerung der Cross-Migration mit nur drei Spüllöchern 62a, 62b, 62c von weniger als oder gleich 0,075 Zoll Durchmesser zu erreichen, wurde das Spülloch 62a in der Nähe der Speiche 54c positioniert, die ein hohes Ausmaß an Einfluss bzw. eintretendem Fluss zeigt, und die Spüllöcher 62b und 62c wurden in der Nähe von Strukturmerkmalen der Sammelleitung 55 positioniert, bei denen bekannt war, dass diese die Selbstzündung steigern. Flussbegrenzungen, wie beispielsweise Nuten 64 (die strömungsmittelmäßig mit dem Hohlraum 60 gekoppelt sind) in der Sammelleitung 55 begrenzen bekanntermaßen den Fluss der Brennstoff-Luft-Mischung im Hohlraum 60 und steigern die Selbstzündung. Das Vorsehen der Spüllöcher 62b und 62c in der Nähe dieser Nuten 64 zeigte eine beträchtliche Verringerung der Selbstzündung und Cross-Migration bzw. Querleckage. In dem in 5 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Spüllöcher 62a, 62b und 62c ungefähr zwischen 10°–20°, 160°–170° und 190°–200° von der vertikalen Achse 88a positioniert.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 sahen ein Spülloch 56a mit einem Durchmesser von ungefähr 0,075 Zoll, welches an der horizontalen Wand 47a des Kanalabschnittes 47 vorgesehen ist, und Spüllöcher 56b und 56c mit einem Durchmesser von ungefähr 0,03 Zoll, die an der vertikalen Wand 47b des Kanalabschnittes 47 (in 5 gestrichelt gezeigt) vorgesehen sind, eine signifikante Verringerung der Cross-Migration vor, ohne die Temperatur der Brennstoffgalerie 56 über eine Verkokungstemperatur zu steigern. Die Winkelposition der drei Spüllöcher 56a, 56b, 56c von der vertikalen Achse 88a ist die Gleiche wie in 5.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die offenbarte Gasturbinenbrennstoffeinspritzvorrichtung kann bei jedem Turbinenmotor anwendbar sein, wo es erwünscht ist, eine Temperatur der Flüssigbrennstoffgalerie der Brennstoffeinspritzvorrichtung unter der Verkokungstemperatur des Brennstoffes zu halten. Um die Brennstoffgalerie zu isolieren, ist ein Isolierlufthohlraum um die Galerie vorgesehen. Um den Eintritt von Brennstoff und eine Selbstzündung in dem Lufthohlraum zu verhindern, sind Spüllöcher vorgesehen, um den Lufthohlraum mit Hochdruckluft zu spülen. Der Betrieb des Gasturbinenmotors mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung mit gespültem Isolierlufthohlraum wird nun beschrieben.
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Wenn der Gasturbinenmotor 100 mit gasförmigem Brennstoff betrieben wird, wird die Lieferung von flüssigem Brennstoff in die Brennstoffgalerie 56 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 abgeschaltet, und gasförmiger Brennstoff wird in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 ausgelassen, um sich mit der Luft zu mischen und eine Brennstoff-Luft-Mischung zu bilden. Um eine Cross-Migration bzw. Querleckage der Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft in die inaktive Brennstoffgalerie 56 zu verhindern, wird gekühlte komprimierte Luft in die Brennstoffgalerie 56 geleitet. Um den Eintritt der Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft in den Isolierlufthohlraum 60 um die Brennstoffgalerie 56 zu verhindern, wird heiße komprimierte Luft in den Hohlraum 60 durch die Spüllöcher 62a, 62b, 62c geleitet. Um die Steigerung der Temperatur in der Brennstoffgalerie 56 auf Grund der heißen Kompressorluft zu minimieren, werden die Größe und Anzahl der Spüllöcher verringert. Um das erwünschte Niveau einer Verringerung einer Cross-Migration mit den Spüllöcher 62a, 62b, 62c zu erreichen, werden die Spüllöcher an Stellen vorgesehen, wo ein maximaler Vorteil verwirklicht wird.
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Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der offenbarten Gasturbinenbrennstoffeinspritzvorrichtung mit gespültem Isolierlufthohlraum vorgenommen werden können. Andere Ausführungsformen werden dem Fachmann bei einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung der offenbarten Gasturbinenbrennstoffeinspritzvorrichtung mit gespültem Isolierlufthohlraum offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
