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Die Erfindung betrifft Brennstoffabfluss-Zumessgeräte für Gasturbinen-Schubverstärker.
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Bei schubverstärkten Gasturbinenmaschinen
wird Brennstoff nach dem Turbinenabschnitt in die Kerngasströmung eingebracht
und verbrannt, um zusätzlichen
Schub zu erzeugen. Eine Schubverstärker-Brennstoffpumpe liefert
druckbeaufschlagten Brennstoff an eine Schubverstärker-Brennstoffsteuerung,
die wiederum den Brennstoff auf eine Mehrzahl von Sprühringen,
-balken, -düsen
oder Ähnliches, verteilt,
die in dem Kerngasströmungsweg
hinter der Turbine positioniert sind. Die Position der Sprühringe in
dem Kerngasströmungsweg
fördert
die Gleichförmigkeit
bei der Verteilung des Brennstoffs.
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Die in dem Kerngasströmungsweg
positionierten Sprühringe
müssen
die durch die Kerngasströmung,
welche die Turbine verlässt,
gebildete thermische Umgebung tolerieren. Brennstoff, der in den
Sprühringen
zu lange nach dem Beenden der Schubverstärkernachfrage verbleibt, wird
kochen und eine unerwünschte
Kohleablagerung hinterlassen. Die Kohleablagerungen können die
Ventile in den Sprühringen
täuschen
und/oder die Leitungen verstopfen, welche die Sprühringe mit
der Brennstoffsteuerung verbinden. Um Kohleablagerungen zu vermeiden,
sind Sprühringe
mit Auslässen
zum Ablassen von Brennstoff vorgesehen. Typischerweise erstrecken
sich die Auslässe
zwischen der Brennstoffsteuerung und dem Inneren des Schubverstärkers, wo
der Brennstoff mit der Kerngasströmung, die die Maschine verlässt, weggetragen
wird. Der Druckunterschied zwischen dem Brennstoff in den Sprühringen,
der durch die Brennstoffpumpe druckbeaufschlagt ist, und dem statischen
Druck in dem Schubverstärker
in der Nähe
des Ablasspunkts zwingt den restlichen Brennstoff aus den Sprühringen.
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Um das unerwünschte Verkochen zu vermeiden,
ist es wünschenswert,
den Brennstoff so schnell wie möglich
abzulassen. Unglücklicherweise
bewirkt das Ablassen des Brennstoffs mit einer hohen Strömungsrate,
dass der Brennstoff eine sichtbare Kennung (schwarzen Rauch) hinterlässt, welche
die Düse
des Triebwerks verlässt,
was für
die meisten Anwendungen nicht akzeptabel ist. Eine Fluidströmungs-Zumessvorrichtung,
die in der Brennstoffableitung angeordnet ist, misst die Strömungsrate
des abgeleiteten Brennstoffs und vermeidet die Kennungsspur.
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Strömungszumessvorrichtungen des
Stands der Technik beinhalteten einen Spund mit einer Öffnung,
die derart bemessen war, dass sie die maximal zulässige Strömungsrate,
welche die unerwünschte Kennungsspur
vermied, erzeugte. Ein Problem bei diesem Ansatz ist, dass Kohlepartikel,
die von den Sprühringen
Iosgelöst
werden, häufig
so groß wie
der Durchmesser der Spundöftnung
oder größer sind. Teilchen,
die durch die Fluidströmung
in die Öffnung gezogen
werden, können
die Fluidströmung
durch den Spund behindern oder stoppen und so das Ableiten des Brennstoffs
aus den Sprühringen
verlangsamen oder verhindern, was wiederum bewirkt, dass der Brennstoff
länger
in den Sprühringen
verbleibt. Die längere
Verweilzeit führt
zu dem genannten unerwünschten
Verkoken.
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Benötigt wird eine Strömungszumessvorrichtung,
die eine Fluidvolumenströmung
präzise
zumisst, eine die mit Fremdverschmutzung ohne Verstopfen umgehen
kann und eine, die für
den Fall der Aufnahme von Fremdverschmutzung selbstreinigend ist.
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US-A-4 715 395 beschreibt einen Fluidströmungsregulator
für eine
Gasturbinenbrennstoffversorgung. FR-A-1 088 797 beschreibt eine
Vorrichtung, um einer Fluidströmung,
insbesondere in Wärmetauschern,
zu widerstehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Fluidableit-Zumessvorrichtung für einen Gasturbinenschubverstärker bereitgestellt,
wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist.
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Somit ist eine Fluidströmungs-Zumessvorrichtung
vorgesehen, welche einen Körper
und eine Mehrzahl von Strömungsbehinderungsplatten
aufweist. Ein Kanal erstreckt sich durch den Körper, und die Strömungsbehinderungsplatten
sind in dem Kanal beabstandet angeordnet. Die Räume zwischen den Strömungsbehinderungsplatten
können
als Kammern bezeichnet werden. Jede Strömungsbehinderungsplatte weist
eine Öffnung
auf, die der Innenwandoberfläche
des Kanals benachbart positioniert ist und diese berührt und
mit Öffnungen
in benachbarten Platten fehlausgerichtet ist. Ein Strömungsmuster
Seite-zu-Seite wird durch die Position der Öffnungen relativ zu der Innenwandoberfläche des
Kanals und die Fehlausrichtung zwischen Öffnungen in benachbarten Platten
erzeugt. Das Strömungsmuster
Seite-zu-Seite "schrubbt" die Kammer und verhindert
so die Ansammlung von Fremdverschmutzung in der Strömungszumessvorrichtung.
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Einer der klaren Vorteile der vorliegenden
Erfindung ist, dass größere Stücke an Fremdverschmutzung
aufgenommen werden können,
ohne die Strömungszumessvorrichtung
zu verstopfen, als das bei Verwendung von Vorrichtungen des Stands
der Technik möglich
ist. Strömungszumessvorrichtungen des
Stands der Technik, welche sich auf eine einzige Öffnung zum
Zumessen der Fluidströmung
stützen, können Schmutzstücke nicht
tolerieren, die größer sind
als der Durchmesser der Öffnung.
Die vorliegende Erfindung kann andererseits die gleiche Strömungszumessung
schaffen wie die genannten Vorrichtungen mit fester Öffnung,
und dabei Öffnungen verwenden,
die deutlich größer sind.
Die deutlich größeren Öffnungen
der vorliegenden Erfindung erlauben somit viel größere Stücke von
Schmutz und vermindern somit ein Verstopfen in vielen Fällen.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist, dass die Fluidströmungs-Zumessvorrichtung
Mittel zum Selbstreinigen für
den Fall aufweist, dass ein Schmutzstück aufgenommen wird. Einige Zumessvorrichtungen
des Stands der Technik erlauben das Ansammeln von Fremdschmutz,
was schließlich
die Strömung
beschränkt
oder verhindert. Die vorliegende Erfindung weist andererseits Strömungsbehinderungsplatten
auf, die voneinander beabstandet sind, wobei die Öffnung von
jeder der Innenwand des Kanals benachbart positioniert ist und zu
benachbarten Öffnungen
fehlausgerichtet ist. Zusammen bilden diese Merkmale ein internes
Fluidströmungsmuster
Seite-zu-Seite. Das Strö mungsmuster
Seite-zu-Seite kann Strömungswirbel
in den zwischen den Strömungsbehinderungsplatten
und der Innenwandoberfläche
des Kanals gebildeten Ecken induzieren. Das Strömungsmuster Seite-zu-Seite
und die induzierten Wirbel schrubben die Kammern, die zwischen Strömungsbehinderungsplatten
gebildet sind, und verhindern das Ansammeln von Fremdschmutz in
dem Kanal. Somit kann die vorliegende Erfindung als "selbst-reinigend" beschrieben werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Gasturbinenmaschine.
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2 ist
eine schematische Teilansicht eines Schubverstärkers einer Gasturbinenmaschine.
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3 ist
eine Schnittansicht einer Ausführungsform
einer Strömungszumessvorrichtung
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
den Fluidströmungsweg
Seite-zu-Seite in der Strömungszumessvorrichtung
der vorliegenden Erfindung.
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Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10 weist
einen Bläserabschnitt 12,
einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 16,
eine Brennkammereinrichtung 18, eine Niederdruckturbine 20 und
eine Hochdruckturbine 22, einen Schubverstärker 24 und
eine Düse 26 auf.
Der Bläserabschnitt 12 und
der Niederdruckverdichter 14 sind miteinander verbunden
und durch die Niederdruckturbine 20 angetrieben. Der Hochdruckverdichter 16 wird
von der Hochdruckturbine 22 angetrieben. Luft, die durch
den Bläserabschnitt 12 bearbeitet
wurde, wird entweder als "Kerngasströmung" in den Niederdruckverdichter 14 gelangen
oder wird als "Bypassluft" in eine Passage 27 außerhalb
des Maschinenkerns gelangen.
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Es wird auf die 2 Bezug genommen. Der Schubverstärker 24 weist
eine Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28,
eine Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30,
Mittel 32 zum Verteilen des Brennstoffs und einen Flammenhalter 34 auf.
Die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 und
die -steuerung 30 sind an einer Außenoberfläche der Maschine 10 dem
Schubverstärker 24 benachbart
angebracht. Die Einrichtung 32 zum Verteilen des Brennstoffs
weist eine Mehrzahl von Sprühringen 36 auf, die
in dem Kerngasströmungsweg 38 angeordnet sind.
Der Fachmann wird erkennen, dass Sprühbalken, -düsen oder Ähnliches (nicht gezeigt) als
eine Alternative zu Sprühringen 36 verwendet
werden können.
Der Flammenhalter 34 ist ein aerodynamischer Prallkörper, der
in dem Kerngasströmungsweg 38 strömungsabwärts der
Sprühringe 36 angeordnet ist.
Eine Zündeinrichtung
(nicht gezeigt) ist normalerweise der strömungsabwärtigen Seite des Flammenhalters 34 benachbart
positioniert. Eine Rohrleitung 40 verbindet die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 mit
der Brennstoffsteuerung 30 und die Brennstoffsteuerung 30 mit
den Sprühringen 36.
Die Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30 weist
eine Ableitöffnung 42 zum
Aufnehmen einer Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 44 auf.
Eine Ableitleitung 46, die mit der Brennstoftableit-Zumessvorrichtung 44 mittels
eines Rohranschlusses 70 verbunden ist, erstreckt sich
zwischen der Zumessvorrichtung 44 und dem Kerngasströmungsweg 38 den
Sprühringen 36 benachbart.
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Es wird auf die 3 und 4 Bezug
genommen. Die Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 47 weist
einen Körper 48,
eine Mehrzahl von Strömungsbehinderungsplatten 50 und
Befestigungsmittel 52 auf. Der Körper 48 hat einen
sich in Längsrichtung
durch den Körper 48 erstreckenden
Kanal 54. In der bevorzugten Ausführungsform sind der Körper 48 und
der Kanal 54 zylinderförmige
geformt. Die Strömungsbehinderungsplatten 50 sind
in dem Kanal 54 gleichmäßig voneinander
beabstandet angeordnet und bilden Kammern 57 zwischen Platten 50.
Ecken 51 sind zwischen den Strömungsbehinderungsplatten 50 und
der Innenwandoberfläche 62 des
Kanals 54 gebildet. Die Befestigungsmittel 52 weisen
einen ersten männlichen
Gewindebereich 64, einen zweiten männlichen Gewindebereich 66 und
einen Sechskantkopf 68 auf. Der erste männliche Gewindebereich 64 ist
in die Schubverstärker-Brennstoff steuerung 30 geschraubt,
und eine Rohrbefestigung 70 (siehe 2) befestigt die Ableitleitung 46 an
dem zweiten männlichen
Gewindebereich 66.
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Jede Strömungsbehinderungsplatte 50 hat eine Öffnung 56,
die bemessen ist, dass sie die Passage des größten angenommen Fremdschmutzstücks erlaubt.
Die Öffnung
ist in jeder Platte 50 der Innenwandoberfläche 62 des
Kanals 54 benachbart positioniert. Jede Öffnung 56 ist
auch zu der Öffnung 56 einer
jeden benachbarten Platte 50 fehlausgerichtet. Bei der
bevorzugten Version der Ausführungsform
sind die Öffnungen 56 kreisförmig, wobei
jede den gleichen Durchmesser hat, und um 180° gegenüber benachbarte Öffnungen 56 fehlausgerichtet
ist.
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Es wird auf die 2 Bezug genommen. Beim Betrieb der Vorrichtung
erzeugt Brennstoff, der dem Schubverstärker 24 während schubverstärktem Flug
zugeführt
wird, Schub zusätzlich
zu dem, der normalerweise durch das Triebwerk 10 erzeugt
wird. Die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 liefert
auf Nachfrage den Brennstoff bei einem hohen Druck ("Paug") zu der Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30.
Die Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30 verteilt
den Brennstoff auf die Sprühringe 36 bei
dem gleichen Druck ("Paug"),
wobei wenig Druck in Folge von Leckströmung und/oder Leitungsverlusten
abfällt.
Der Brennstoff füllt
anschließend
die Sprühringe 36 und
druckbeaufschlagt sie und wird in die Kerngasströmung über Ventile (nicht gezeigt)
abgegeben, die in den Sprühringen 36 angeordnet
sind. Zünder (nicht
gezeigt) entzünden
anschließend
die Mischung aus Brennstoff und Kerngasströmung, die typischerweise entzündet bleibt,
bis die Brennstoffzufuhr unterbunden wird. Der den Sprühringen 36 benachbarte
statische Druck in dem Schubverstärker 24 kann mit dem
Symbol "Pstat" bezeichnet
werden. Der Brennstoffdruck in den Sprühringen 36 bei Schubverstärkung ist
viel größer als
der statische Druck in dem Schubverstärker 24 in der Nachbarschaft
der Sprühringe 36 (Paug >> Pstat).
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Wenn die Schubverstärkeranforderung
beendet wird, stoppt die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 das
Zuführen
von Brennstoff zu der Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30,
und die Ventile (nicht gezeigt), die in den Sprühringen 36 angeordnet
sind, schließen.
Zu diesem Zeitpunkt sind die Schubverstärker brennstoffsteuerung 30,
die Rohrleitung 40 zwischen der Steuerung 30 und
den Sprühringen 36 und
die Sprühringe 36 mit
Brennstoff bei oder in der Nähe
des durch die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 etablierten
Drucks (Paug) gefüllt. Zur gleichen Zeit oder
kurz danach öffnet
ein Ableitventil (nicht gezeigt), welches in der Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30 angeordnet
ist, und erlaubt es dem druckbeaufschlagten Brennstoff, die Steuerung 30,
die Rohrleitung 40 und die Sprühringe 36 über die
Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 44 und die Ableitleitung 36 zu
verlassen.
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Die Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 44 behindert
die Brennstoffströmung,
welche die Sprühringe 36,
die Steuerung 30 und die Rohrleitung 40 verlässt und
begrenzt so die Volumenströmungsrate
von Brennstoff, der in die Kerngasströmung abgeleitet wird. Die Strömungsrate
durch die Zumessvorrichtung 44 hängt von den physikalischen
Eigenschaften der Zumessvorrichtung 44, den physikalischen
Eigenschaften des durch die Vorrichtung 44 strömenden Brennstoffs
und der Umgebung, in der die Vorrichtung 44 und das Fluid
arbeiten, ab. In den meisten Fällen
werden die physikalischen Eigenschaften des Brennstoffs und der
Umgebung in Betracht gezogen, wenn die physikalischen Eigenschaften
der Zumessvorrichtung 44 bestimmt werden.
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Es wird auf die 3 und 4 Bezug
genommen. Bei der vorliegenden Erfindung erzeugen der Abstand der
Strömungsbehinderungsplatten 50 in dem
Kanal 54, die Position der Öffnungen 56 in den Platten 50 und
die Fehlausrichtung zwischen benachbarten Öffnungen 56 einen
Seite-zu-Seite-Strömungsweg 55 durch
die Zumessvorrichtung 44. Der Seite-zu-Seite-Strömungsweg 55 erzeugt
Wirbel 53 in dem Fluid in den Ecken 51, wie man
in 4 sehen kann, was
hilft, das Einnisten und/oder das Ansammeln von Fremdschmutz in
der Zumessvorrichtung 44 zu verhindern. Der relativ enge
Abstand zwischen Platten 50 zwingt die Strömung, sich
in einer schrubbenden Weise zu krümmen, wenn sich die Strömung radial
von Öffnung 56 zu Öffnung 56 bewegt,
und erzeugt Wirbel 53 in allen Kammerecken 51.
Ein zu großer
Abstand zwischen den Platten 50 wird die internen Geschwindigkeiten
in dem Seite-zu-Seite-Strömungsweg 55 zwischen
benachbarten Öffnungen 56 verringern.
Das schwächt
die Ausbildung der Wirbel, die erforderlich sind, um das Ansammeln
von Fremdschmutz zu verhindern. Ein zu geringer Zwischenraum zwischen
Platten 50 wird eine unerwünschte Zunahme bei der Fluidimpedanz erzeugen
und in einem gewissen Maße
die Effektivität
des Seite-zu-Seite-Strömungswegs
zum Hindurchleiten von Fremdschmutz verringern. Der exakte Zwischenraum
für die
Strömungsbehinderungsplatten 50,
der zum Ausbilden des vorangehend beschriebenen Seite-zu-Seite-Strömungswegs 55 und der
Wirbel 53 erforderlich ist, wird abhängig von den Betriebszuständen der
Anwendung (d. h. der Temperatur, der Druckdifferenz darüber, das
verwendete Fluid, die Viskosität
des Fluids etc.) variieren und kann empirisch bestimmt werden.
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Die Druckdifferenz (Paug – Pstat = ΔP),
welche den Brennstoff durch die Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 44 treibt,
verschwindet, wenn der Brennstoff abgegeben wird. Gleichzeitig absorbiert
der in den Sprühringen 36 verbleibende
Brennstoff mehr thermische Energie von der Kerngasströmung, welche
an den Sprühringen 36 vorbei
strömt.
Wenn ausreichende thermische Energie übertragen wird, beginnt der
Brennstoff zu verdampfen und erhöht
so den Druck in den Sprühringen 36,
was weiter den Brennstoff durch die Zumessvorrichtung 44 und
die Ableitleitung 46 treibt. Schließlich gleicht sich der Druck
in den Sprühringen 36 und
dem Schubverstärker 24 aus,
wo die Ableitleitung 46 den Brennstoff in die Kerngasströmung abgibt.
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Aus der vorangegangenen Beschreibung
erkennt man, dass die Erfindung eine Brennstoffableit-Zumessvorrichtung
bereitstellt, welche Brennstoffströmung korrekt zumisst, die Fremdteilchen
akzeptieren kann, ohne zu verstopfen, und die für den Fall, dass ein Teilchen
aufgenommen wurde, selbstreinigend ist.
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Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme
auf die detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen,
dass verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, abzugehen.
Beispielsweise zeigen die 3 und 4 eine Strömungszumessvorrichtung 44 mit
sieben Strömungsbehinderungsplatten 50.
Bei alternativen Ausführungsformen
kann die Anzahl von Behinderungsplatten 50 variieren.