DE69927025T2

DE69927025T2 - Brennstoffeinspritzdüse für gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE69927025T2
Application number: DE69927025T
Authority: DE
Inventors: A. Lev PROCIW; Harris Shafique; Parthasarathy Sampath
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2019-06-23
Also published as: EP1090256B1; EP1090256A1; EP1493965A3; WO2000000770A1; US6289676B1; EP1493965A2; DE69927025D1; EP1493965B1; JP2002519617A; DE69939346D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenmaschinen und betrifft im Spezielleren einen Brennstoffinjektor für solche Maschinen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Viele kleine Gasturbinenmaschinen verwenden den Brennstoffdruck zum Zerstäuben des Brennstoffs an der Brennstoffdüse eines Injektors zum Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer. Bei geringen Brennstoffströmungen, wie z.B. unter Startbedingungen, ist die Brennstoff-Strömungsrate zu gering, um den Brennstoff zum Erzeugen einer angemessenen Tröpfchengröße für einen speziellen Injektor mit Druck zu beaufschlagen. Solche Brennstoffsysteme sind für maximalen Druck bei voller Maschinenleistung ausgebildet. Die geringstmögliche Strömungszahl für eine bestimmte Maschinenausbildung ist somit durch den maximalen Druck bestimmt, der von der Brennstoffpumpe bei maximaler Leistung verfügbar ist. Bei Startbedingungen und geringer Leistung sind kleine Brennstoffmengen erforderlich, so dass sich ein geringer Druckabfall entwickelt. Dies resultiert in einer unangemessenen Zerstäubung bei niedriger Leistung und führt zu schlechten Emissionswerten sowie Instabilität des Brennvorgangs.
Da der Brennstoffinjektor ferner in eine sehr heiße Umgebung der Gasturbinenmaschine eingetaucht ist, kann eine Stagnation des Brennstoffs in den Zuführpassagen für den Injektor dahingehend schädlich sein, dass der Wärmetransfer von den Wänden des Injektors reduziert wird, wobei dies zu heißen Stellen bzw. "hot spots" an der ansonsten benetzten Wand führen kann. Man hat festgestellt, dass exzessive Wandtemperaturen zu Brennstoffablagerungen und an schließender Injektorkontamination führen können. Niedrige Brennstoffströmungen in diesen Bereichen verschärfen die Situation noch weiter.
In manchen Fällen kann das Fehlen eines adäquaten Wärmetransfers in dem Stab zu inakzeptablen Temperaturgradienten und damit verbundenen Belastungen in dem Stab führen, wobei dies dessen Lebensdauer beeinträchtigen kann.
Man hat festgestellt, dass durch Verwirbeln einer beträchtlichen Menge an Luft um eine Düse eines Brennstoffinjektors herum eine Verbesserung im niedrigen Leistungsbereich erzielt werden kann. Das Verwirbeln der Luft kann jedoch zu einer Trennung der Strömung um die Stirnseite des Injektors führen, wobei dies zum Wachstum von Kohlenstoff und Überhitzen des Injektors führt.
Es sind Luftverwirbler entwickelt worden, wie diese beschrieben sind in dem US-Patent 5 579 645 von Prociw et al., erteilt am 3. Dezember 1996, und US-Patentanmeldung 09/083 199, die als US-Patent 6 082 113 für einen Gasturbinen-Injektor für Prociw et al. erteilt wurde und an Pratt & Whitney Canada Inc. übertragen worden ist. Diese Luftverwirbler vermindern die Strömungstrennung an dem Injektor. Man ist jedoch der Ansicht, dass weitere Verbesserungen zum Steigern der Leistungsfähigkeit bei niedriger Leistung des Injektors durch Verbessern der Brennstoffzerstäubung an dem Injektor erforderlich sind. Ein Gasturbinen-Brennstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 sowie ein Verfahren zum Zerstäuben von Brenntoff sind aus dem Dokument FR-A-1 264 777 bekannt.
Der Stab des Injektors, d.h. der langgestreckte Stab, durch den hindurch die verschiedenen Brennstoffleitungen enthalten sind, erstreckt sich von der Brennstoffquelle über die P3-Lufthülle, die die Brennerwand umgibt. Der Stab ist auch hohen Temperaturen ausgesetzt, und daher können Probleme einer Brennstoffstagnation, die zu Brennstoffablagerungen führen kann, auch innerhalb des Stabes auftreten.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform besteht in der Schaffung eines verbesserten Injektors, bei dem die Brennstoffzerstäubung bei niedriger Leistung gesteigert ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform besteht in der Schaffung eines Injektors, der die Vorteile des in der US 6 082 113 beschriebenen Luftverwirblers in Kombination mit einem verbesserten Brennstoffinjektor aufweist.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform besteht in der Schaffung eines verbesserten Simplexdruckinjektors mit verbesserter Leistungsfähigkeit bei niedriger Leistung.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform besteht in der Schaffung eines verbesserten Duplexdruckinjektors mit verbesserter Leistungsfähigkeit bei niedriger Leistung.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform besteht in der Schaffung eines Brennstoff-Strömungsweges innerhalb des Stabes und des Injektorspitze, der einer kreisförmigen Bahn folgt. Teile des Stabes und der Injektorspitze sind mit Ringeinrichtungen versehen, die eine zirkulare und/oder spiralförmige Bahn für den Brennstoff ermöglichen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform besteht in der Schaffung einer verbesserten Brennstoff-Strömungspassage in dem Stab des Injektors. Es ist bekannt, dass die Geschwindigkeit der Strömung in den ringförmigen Kanälen durch geeignete Dimensionierung der Einlassöffnung gesteuert wird, um den korrekten Druckverlust für die erforderliche Wärmetransferrate zu erzeugen. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind viel höhere Geschwindigkeiten als diese bei herkömmlichen Ausbildungen auftreten würden auf die erfindungsgemäße Verfahrensweise zurückzuführen, da ein großer Anteil der Brennstoffströmung in Tangentialrichtung statffindet und nicht durch die Brennstoffmasse geregelt wird.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird diese Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit zum Erzeugen des korrekten Druckverlustes nicht durch eine einzelne Dosier- oder Zumessöffnung an dem Einlass zu dem Injektor bestimmt, sondern indem solche Dosieröffnungen über den gesamten Stab vor dem Eintritt des Brennstoffs in den Injektor vorgesehen sind.
Gemäß einem ersten breiten Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung einen Brennstoffinjektor zur Verwendung in einer Brennereinrichtung einer Gasturbinenmaschine, wie er in Anspruch 2 beansprucht ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel setzen Verwibelungsschlitze den ersten ringförmigen Kanal mit der primären Brennstoffkammer in Verbindung.
Gemäß einem zweiten breiten Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung einen Brennstoffinjektor zur Verwendung in einer Brennereinrichtung einer Gasturbinenmaschine, wie er in Anspruch 2 beansprucht ist.
Es wurde festgestellt, dass bei Steigerung der Tangentialgeschwindigkeit des wirbelnden Brennstoffs bei dessen Fortbewegung in der konischen primären Brennstoffkammer Außenluft entlang der Spitzenachse in die primäre Brennstoffkammer zurück mitgeführt wird, wobei dies zur Entstehung einer dünnen hohlen Spin-Schicht bzw. Wirbelschicht des Brennstoffs in der primären Brennstoffkammer führt. Beim Austritt des Brennstoffs aus der Düse bildet dieser eine dünne konische instabile Schicht, die in Tröpfchen zerfällt.
Ein weiteres Merkmal eines bevorzugten Ausführungsbeispiels besteht in der Schaffung eines Injektors mit einem Luftverwirbelungselement, das erste Luftpassagen definiert, die eine ringförmige Anordnung bilden, die die druckbeaufschlagte Luft von außerhalb der Wand in die Brennkammer kommuniziert, wobei die erste Luftpassage konzentrisch zu der primären Brennstoffdüse und der Spitzenachse ist, so dass die ersten Luftpassagen angeordnet sind, um den von der primären Brennstoffdüse abgehenden Brennstoff weiter zu zerstäuben. Vorzugsweise ist ein Satz von zweiten Luftpassagen in einer ringförmigen Anordnung in der Injektorspitze radial auswärts von den ersten Luftpassagen beabstandet vorgesehen, wobei die zweiten Luftpassagen angeordnet sind, um den Sprüh strahl der Mischung aus zerstäubtem Brennstoff und Luft zu formen sowie der Mischung ergänzende Luft zuzuführen.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Injektors gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine Injektorspitze mit ringförmigen Brennstoffströmungspassagen aufweist, ist ein Stab vorhanden, der mindestens eine Brennstoffströmungspassage, die von einem Stabbrennstoffeinlass zu einem Brennstoffversorgungsauslass verläuft, einen ersten ringförmigen Brennstoffströmungshohlraum, der in dem Stab in der Nähe des Stabbrennstoffeinlasses vorgesehen ist, eine Einlassleitung, die von dem Stabbrennstoffeinlass zu dem ringförmigen Hohlraum verläuft und mit einem Winkel angeordnet ist, um dem durch die Leitung zu dem ringförmigen Hohlraum strömenden Brennstoff eine tangentiale Strömungsrichtung zu vermitteln, eine Auslassleitung, die mit einem spitzen Winkel von dem ersten ringförmigen Hohlraum verläuft, um den Brennstoff davon in einer tangentialen Richtung zu erhalten, sowie eine erste lineare Brennstoffleitung aufweist, die sich von der Auslassleitung weg erstreckt und axial zu dem Stab verläuft sowie mit einer Injektoreinlassleitung an dem Brennstoffzuführauslass kommuniziert, wobei die Injektoreinlassleitung mit einem Winkel angeordnet ist, um die Brennstoffströmung in einer tangentialen Richtung zu einer ersten ringförmigen Passage in der Injektorspitze zu leiten und dadurch der Brennstoffströmung beim Eintritt in die ringförmige Passage in der Injektorspitze eine Verwirbelung zu erteilen.
Bei einem spezielleren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Zumessen der Brennstoffströmung in den verschiedenen Leitungen in dem Stab vorgesehen, wobei einander abwechselnde Brennstoffströmungsleitungen unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen, die dazu ausgebildet sind, der Brennstoffströmung die geeignete Geschwindigkeit zu verschaffen sowie zum Druckverlust zum Steigern der Wärmetransferrate führen.
Wie zu sehen ist, ist durch die gesamte Injektorspitze und den Stab darauf geachtet worden, eine tangentiale Injektion in die ringförmigen Passagen sicherzustellen, um auf diese Weise das Winkelmoment der Brennstoffströmung in die ringförmigen Kanäle hinein zu maximieren. Die kinetische Energie in der Strömung wird an dem Stab und den Injektorwänden unter Steigerung des Wärmetransfers der Passagen zerstreut bzw. abgeführt.
Die Passagen-Zumess- und die Brennstoffverwirbelungsschlitze in der Injektorspitze sind zum Steuern der Injektortemperatur sowie zum Eliminieren von Brennstoffstagnation an jeder möglichen Stelle ausgebildet.
Gemäß einem dritten breiten Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zerstäuben von Brennstoff, der von einem Injektor einer Gasturbinenbrennereinrichtung zugeführt wird, wie es in Anspruch 11 beansprucht ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem das Wesen der Erfindung somit allgemein beschrieben worden ist, wird im Folgenden auf die Begleitzeichnungen Bezug genommen, die zum Zweck der Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel derselben zeigen, und zwar in
1 eine fragmentarische Längsschnittansicht eines Injektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Frontaufrissansicht des Injektors gemäß 1;
3 eine fragmentarische axiale Schnittdarstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Injektors gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Perspektivansicht unter Darstellung der Strömungspassagen des Injektors gemäß der vorliegenden Erfindung, und zwar einschließlich der Injektorspitze sowie des Stabes;
5 eine schematische Darstellung der Brennstoffpassagen innerhalb der Injektorspitze bei dem in 1 fragmentarisch dargestellten Ausführungsbeispiel; und
6 eine schematische Perspektivansicht unter Darstellung der Strömungspassagen auf der Basis des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels der Injektorspitze, wobei jedoch nur die sekundären Brennstoffströmungspassagen dargestellt sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die vorliegende Beschreibung beschreibt zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel, das in den 1 und 2 dargestellt ist, handelt es sich um einen Simplex-Injektor, während es sich bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Duplex-Injektor handelt.
Unter Bezugnahme auf das in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist der Simplex-Injektor mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet. Der Injektor 30 ist in einer Öffnung in der Brennerwand 31 angebracht dargestellt. Der Injektor 30 beinhaltet einen Injektorkörper 32, eine Injektor-Stirnseite 33, wie sie in 2 gezeigt ist, sowie eine Injektorspitze 34.
Eine Spitzenachse X erstreckt sich durch die Spitze 34 und den Körper 32 hindurch, wie dies in 1 gezeigt ist. Ein Stab 40 ist mit dem Körper 32 verbunden, und mindestens eine Brennstoffpassage 36 ist in dem Stab 40 ausgebildet, der auch von einer schützenden Hülse 38 bedeckt ist. Der Körper 32 bildet Hohlräume, wie z.B. ringförmige Kanäle 41, 42 und 44, die konzentrisch zu der Spitzenachse X sind. Die Brennstoffleitung 36 kommuniziert mit dem Kanal 41 in etwas tangentialer Weise, damit dem unter Druck stehenden Brennstoff in dem ringförmigen Kanal 41 eine Verwirbelung erteilt wird. Die ringförmigen Kanäle 42 und 44 kommunizieren mittels Schlitzen 46 miteinander, die schraubenlinienförmig ausgebildet sind, um dem Brennstoff bei seiner Passage aus dem ringförmigen Kanal 42 in den Kanal 44 eine Verwirbelung oder Spin-Bewegung zu vermitteln.
Eine konische Brennstoffwirbelkammer 48 ist strömungsabwärts von dem Kanal 44 gebildet, und Schlitze 49 verbinden den Kanal 44 mit der Kammer 48. Mit sinkendem Durchmesser in der konischen Kammer 48 nimmt die Geschwindigkeit des eine Spin-Bewegung ausführenden Brennstoffs zu, bis dieser die zylindrische Düse 50 erreicht. Man ist der Ansicht, dass die eine Spin-Bewegung ausführende Brennstoffströmung aufgrund der Zentrifugalkraft eine filmartige Schicht auf den konischen Wänden der Kammer 48 erzeugt, wobei externe Luft in die Kammer eingezogen werden kann, so dass diese entlang der Spitzenachse X in die Kammer 48 zurück strömt. Dieser Trennungseffekt wird zu einer dünnen, hohlen, Spin-Bewegungs-Schicht, die sich an der Düse 50 entwickelt. Wenn der Brennstoff die Düse verlässt, bildet dieser einen dünnen konischen Flächenkörper, der sich in Form von Tröpfchen stabilisiert.
Ein ringförmiges Luftverwirbelungselement 52 ist mit der Injektorspitze 34 verbunden, wie dies in den 1 und 2 gezeigt ist. Das Luftverwirbelungselement 52 weist eine Reihe ringförmiger, voneinander beabstandeter Passagen 54 auf, die um die Düse 50 herum verteilt sind. Wie in der US-Patentanmeldung 09/083199 beschrieben ist, erfolgt die Luftströmung von der P3-Luft in die Brennereinrichtung durch die Öffnungen oder Passagen 54 in einer derartigen Weise, dass eine Strömungstrennung vermieden wird und sich ein konisches Brennstoff-Sprühstrahlmuster innerhalb der Brennereinrichtung entwickelt.
Es kann ein zweiter Satz von ringförmig voneinander beabstandeten Passagen 56 vorgesehen sein, um den Brennstoff-Luftkonus zu formen und die Verbrennungsluft in die Brennereinrichtung hinein zu steigern. Beide Sätze von Passagen 54 und 56 sind speziell dafür dimensioniert, eine vorbestimmte Luftmenge an der dafür vorgesehenen Stelle der Maschine einzulassen.
Unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel der 3 wird nun der Duplex-Injektor 60 beschrieben, der einen Injektorkörper 62 und eine Injektorspitze 64 aufweist. Die Spitzenachse X² verläuft in der dargestellten Weise durch die Injektorspitze 64.
Der Injektorkörper 62 passt in einen Stabhohlraum 74. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet das Luftverwirbelungselement 66 einen zylindrischen Bereich, der einen größeren Durchmesser als der Injektorkörper 62 aufweist.
Der Injektorkörper 62 bildet zusammen mit dem Hohlraum 74 des Stabs 72 einen primären Brennstoffkanal 68. Der Brennstoffkanal 68 ist aufgrund der Ventilvorrichtung 73 innerhalb des auf diese Weise gebildeten Hohlraums ringförmig. Der ringförmige Brennstoffkanal 68 kommuniziert mit der primären Brennstoffleitung 86, die dazu angeordnet ist, den druckbeaufschlagten Brennstoff in Tangentialrichtung des Kanals 68 zuzuführen, um innerhalb des primären Brennstoffkanals 68 einen Brennstoffwirbel zu erzeugen.
Eine primäre Brenntoffwirbelkammer 70 ist als konische Kammer strömungsabwärts von dem Kanal 68 gebildet und kommuniziert mit der Düse 71. Schlitze 75 sind zwischen dem Ventil 73 und der konischen Wand der Kammer 70 gebildet. Diese Schlitze sind derart ausgebildet, dass sie den Spin-Effekt des primären Brennstoffs von dem primären Brennstoffkanal zu der primären Brennstoffkammer 70 und schließlich durch die Düse 71 hindurch verstärken.
Ein sekundärer Brennstoffkanal 76 ist zwischen dem Injektorkörper 62 und dem zylindrischen Bereich 67 des Luftverwirbelungselements 66 gebildet. In der zylindrischen Kammer 67 sind Passagen für die Kommunikation mit der sekundären Brennstoffleitung 88 in dem Stab 72 vorgesehen. Die Brennstoffleitung und die Passagen erteilen dem sekundären Brennstoff eine Verwirbelung bei dessen Eintritt in den sekundären ringförmigen Kanal 76. Der ringförmige Kanal 76 kommuniziert mit dem strömungsabwärtigen ringförmigen Brennstoffkanal 78 mittels Schlitzen 80, die dazu ausgebildet sind, die Verwirbelung des sekundären Brennstoffs zu steigern. Auch ist eine konische sekundäre Brennstoffkammer 82 vorgesehen, die ringförmig relativ zu der Achse X² und der primären Brennstoffkammer 70 ist. Die sekundäre Brennstoffkammer 82 hat die gleiche Wirkung auf den sekundären wirbelnden Brennstoff wie die primäre Kammer 70. Auch ist eine ringförmige Düse 84 vorgesehen, um dem sekundären Brennstoff die Bildung eines konusförmigen Sprühstrahls mit dem primären Brennstoff in der durch die Brennerwand 94 gebildeten Brennkammer zu ermöglichen.
Das Luftverwirbelungselement 66 ist ferner mit Luftverwirbelungspassagen 90 versehen, um die Luftströmung von der P3-Luft in die Brennkammer hinein unmittelbar außerhalb der Brennstoffinjektor-Stirnseite zu fokussieren. Ferner sind hilfsweise Luftpassagen 92 in der Verwirbelungskomponente 66 vorgesehen, und diese haben eine ähnliche Wirkung wie die bei dem Simplex-Injektor 30 beschriebenen.
Es ist zu erkennen, dass ein weiterer Unterschied zwischen dem Duplex-Injektor 60 und dem Stand der Technik in dem Nichtvorhandensein von Kernluftpassagen sowie dem primären Injektor-Wärmeschild besteht. Die Eliminierung dieser Elemente vermindert die Komplexität bei der Herstellung sowie auch deren Kosten. Ein Duplex-Injektor 60 ist für eine bestimmte Brennstoffströmungsrate kompakter. Ein solcher Injektor muss sich nicht mit den Wärmetransferproblemen befassen, die sich aufgrund des Vorhandenseins von Kernluft in der inneren Passage des Injektors ergeben. Die Integration der Luftverwirbelungskomponente 66 in die Brennstoffdüsen 71 und 84 trägt zu einer Reduzierung der Gesamtgröße der Injektorspitze 64 bei. Die Ausbildung der Verwirbelungskomponente 66 bei dem Duplex-Injektor 60 unterstützt die Zerstäubung insbesondere bei niedriger Leistung, wenn der Brennstoffdruck in dem sekundären ringförmigen Kanal zu gering ist, um die dünne Schicht zu erzeugen, die für eine angemessene Zerstäubung erforderlich ist.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 ist der Stab 172 allgemein in unterbrochenen Linien dargestellt. Jedoch sind in dieser Zeichnung eine primäre Passage 174 und eine zweite Passage 176 dargestellt. Bei dem Injektor 160 handelt es sich um einen Duplex-Injektor ähnlich dem in Bezug auf 3 beschriebenen. Somit beinhaltet die Injektorspitze 160 einen primären Brennstoffkanal 168 und einen sekundären Brennstoffkanal 176.
Das abgelegene Ende des Stabs ist mit einem primären Brennstoffeinlass 140 versehen, der mittels der Einlassleitung 144 mit einer kreisförmigen zylindrischen primären Brennstoffkammer 142 kommuniziert. Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, ist die Leitung 144 mit einem Winkel angeordnet, so dass sie den Brennstoff in einer tangentialen Richtung in die zylindrische Kammer 142 zuführt. Die primäre Brennstoffkammer 142 ist derart konfiguriert, dass die primäre Brennstoffströmung darin verwirbelt werden kann und durch eine Auslassleitung 146 austreten kann, die einen etwas kleineren Durchmesser aufweist als die Kammer, um eine erste Dosier- bzw. Zumesspassage zu bilden. Die Leitung 146 kommuniziert mit einer linearen Leitung 148, die eine größere Querschnittsfläche als die Leitung 146 aufweist.
Die lineare Leitung 148 kommuniziert mit einer Zuführleitung 186, die mit einem Winkel angeordnet ist, um den primären Brennstoff tangential in den ringförmigen Kanal 168 einzuleiten. Die Zuführleitung 186 hat ebenfalls eine kleinere Querschnittsfläche als die Leitung 148, um die Brennstoffströmung in dem Kanal 168 zuzumessen.
Die sekundäre Brennstoffpassage 175 des Stabs 172 weist eine sekundäre Brennstoffeinlassleitung 150 auf, die mit einem Winkel angeordnet ist, um den Brennstoff dem ringförmigen Kanal 152 an dem Eingangsende des Stabs 172 zuzuführen. Eine Auslassleitung 154 führt die Brennstoffströmung von dem ringförmigen Kanal 152 in einem etwas tangentialen Winkel zu, um den Brennstoff der linearen Leitung 156 zuzuführen, die eine größere Querschnittsfläche aufweist als die Leitung 154. An dem Injektorende des Stabs ist eine winkelige, zweiteilige Zuführleitung 188 vorgesehen, um den Brennstoff dem ringförmigen Kanal 176 in einer tangentialen Richtung zuzuführen, um der Brennstoffströmung innerhalb des ringförmigen Kanals 176 eine Verwirbelung zu erteilen.
Die 5 und 6 entsprechen im Allgemeinen der Injektorspitze der 1, und obwohl einige Unterschiede in der Konstruktion vorhanden sind, sind sie einander grundsätzlich ähnlich.
Daher entsprechen die in 5 verwendeten Bezugszeichen den in 1 entsprechenden Bezugszeichen, wobei sie jedoch um 200 erhöht sind.
Der Brennstoff wird also mittels der Zuführleitung 236 in den ringförmigen Kanal 241 zugeführt. Die Schlitze 246 sind alle mit einem Winkel angeordnet, um den Brennstoff aus den Kanälen 241 und 242 in den ringförmigen Kanal 244 einzuleiten. Mit einem Winkel angeordnete Schlitze 249 führen der Kammer 248 den Brennstoff in Tangentialrichtung zu.
Die schematische Darstellung der in 6 gezeigten Brennstoffströmungspassagen ähnelt dem in 3 dargestellten Duplex-Injektor. Die Zeichnung stellt die sekundäre Brennstoffverteilung in der Injektorspitze dar (die primäre Strömung ist nicht gezeigt), und dies wird im Folgenden anhand von ähnlichen Bezugszeichen wie den in 3 verwendeten erläutert, die jedoch um 300 erhöht sind.
Die Zuführleitung 388 ist hier mit ihren beiden Komponenten 388a und 388b dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist der Querschnittsdurchmesser des Leitungsbereiches 388a größer als der Querschnittsdurchmesser des Bereichs 388b, so dass der vorstehend erwähnte Dosier- bzw. Zumesseffekt geschaffen wird, um den geeigneten Druckabfall zu erzeugen.
Die Zuführleitungen 388a und 388b sind in dem Stab derart angeordnet, dass der Bereich 388b in Tangentialrichtung zu dem ringförmigen Kanal 375 oder 376 gerichtet ist. Die sogenannten winkeligen Schlitze 380 sind in Wirklichkeit in der in 6 dargestellten Weise in zwei Teilen vorhanden, wobei es sich bei dem einen um einen ersten Auslassbereich 380a handelt, der den Brennstoff von dem Kanal 376 zuführt, und wobei der zweite Teil 380b einen kleineren Durchmesser aufweist sowie mit einem Winkel angeordnet ist, um die Brennstoffströmung tangential zu der konischen Brennstoffwirbelkammer 382 zu liefern.

Claims

Brennstoffinjektor (30, 160) zur Verwendung in einer Brennereinrichtung einer Gasturbinenmaschine, wobei die Brennereinrichtung eine Brennerwand (31) aufweist, welche eine Kammer, die von Druck beaufschlagter Luft umgeben ist, definiert, wobei der Injektor (30, 160) eine Injektorspitze (34) aufweist, die bei Verwendung durch die Brennerwand (31) in die Kammer ragt, wobei die Injektorspitze (34) einen Injektorkörper (32), der entlang einer Injektorspitzenachse (X) verläuft, eine primäre Brennstoffdüse (50), die in der Injektorspitze (34) konzentrisch zu der Injektorspitzenachse (X) gebildet ist und mit einer primären Brennstoffkammer (48) kommuniziert, die als ein Konus strömungsaufwärts von der Brennstoffdüse (50) und koaxial mit dieser gebildet ist, einen ersten ringförmigen Brennstoffkanal (44), der in dem Injektorkörper (32) strömungsaufwärts von der primären Brennstoffkammer (48) konzentrisch mit der Injektorspitzenachse (X) definiert ist, hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor ferner einen zweiten ringförmigen Brennstoffkanal (42), der in dem Injektorkörper strömungsaufwärts von dem ersten ringförmigen Brennstoffkanal (44) definiert ist, Passagen (46), die mit dem zweiten ringförmigen Brennstoffkanal (42) strömungsabwärts von dem ersten ringförmigen Brennstoffkanal (44) kommunizieren, und eine Einlassleitung (36) aufweist, die in dem Injektorkörper definiert ist, um Brennstoff unter Druck tangential in den zweiten Brennstoffkanal (42) zu kommunizieren, um so dem Brennstoff in dem zweiten Brennstoffkanal eine Verwirbelung zu liefern, und dann zu dem ersten ringförmigen Brennstoffkanal (44) tangential davon, um der Brennstoffströmung in dem zweiten ringförmigen Brennstoffkanal (42), dem ersten ringförmigen Brennstoffkanal (44), der primären Brennstoffkammer (48) und somit zu der Injektorspitze (34) eine Verwirbelung zu schaffen und so den Brennstoff zu zerstäuben, wenn er die primäre Brennstoffdüse (50) verläßt.
Brennstoffinjektor (60, 160) zur Verwendung in einer Brennereinrichtung einer Gasturbinenmaschine, wobei die Brennereinrichtung eine Brennerwand (94) aufweist, die eine Brennkammer, die von Druck beaufschlagter Luft umgeben ist, aufweist, wobei der Injektor (60, 160) eine Injektorspitze (64), die bei Verwendung durch die Brennerwand (94) in die Kammer ragt, aufweist, wobei die Injektorspitze (64) einen Injektorkörper (62), der entlang einer Injektorspitzenachse (X²) verläuft, eine primäre Brennstoffdüse (71), die in der Injektorspitze (64) konzentrisch zu der Injektorspitzenachse (X²) gebildet ist und mit einer primären Brennstoffkammer (70) kommuniziert, die als ein Konus strömungsaufwärts von der Brennstoffdüse (71) und koaxial mit dieser gebildet ist, mindestens einen ersten ringförmigen Brennstoffkanal (68), der in dem Injektorkörper (62) strömungsaufwärts von der primären Brennstoffkammer (70) konzentrisch zu der Injektorspitzenachse (X²) definiert ist und mit der primären Brennstoffkammer (70) kommuniziert, eine Einlassleitung (86), die in dem Injektorkörper definiert ist, um den Brennstoff unter Druck tangential in den ersten ringförmigen Kanal (68) zu kommunizieren, aufweist, um so dem Brennstoff in dem ersten ringförmigen Brennstoffkanal (68), der primären Brennstoffkammer (70) und somit der primären Düse (71) eine Verwirbelung zu vermitteln und so den Brennstoff zu zerstäuben, wenn er die primäre Düse (71) verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor ferner eine sekundäre Brennstoffzuführanordnung aufweist, die konzentrisch zu und radial außerhalb von dem primären Brennstoffkanal (68) ist, wobei die Brennstoffzuführanordnung eine sekundäre Brennstoffdüse (84), die konzentrisch zu und außerhalb von der primären Brennstoffdüse (71) und der Injektorspitzenachse (X²) vorgesehen ist und mit einer sekundären ringförmigen konischen Brennstoffverwirbelungskammer (82) kommuniziert, die konzentrisch zu und außerhalb von der primären Brennstoffverwirbelungskammer (70) vorgesehen ist, wobei ein erster sekundärer ringförmiger Brennstoffkanal (78) in dem Injektorkörper (62) strömungsaufwärts von der sekundären Brennstoffkammer (82) konzentrisch zu der Injektorspitzenachse (X²) definiert ist und ein zweiter sekundärer ringförmiger Brennstoffkanal (76) in dem Injektorkörper (62) strömungsabwärts von dem ersten sekundären ringförmigen Brennstoffkanal (78) definiert ist, Passagen (80), die mit dem zweiten sekundären ringförmigen Brennstoffkanal (76) strömungsabwärts von dem ersten sekundären ringförmigen Brennstoffkanal (78) kommunizieren, und eine Einlassleitung (88) aufweist, die in dem Injektorkörper definiert ist, um Brennstoff unter Druck tangential in den zweiten sekundären Brennstoffkanal (76) zu kommunizieren, um so dem Brennstoff in dem zweiten sekun dären Brennstoffkanal eine Verwirbelung mitzugeben, und dann zu dem ersten sekundären ringförmigen Brennstoffkanal (78) tangential dazu, um der Brennstoffströmung in dem zweiten sekundären ringförmigen Brennstoffkanal (76), dem ersten sekundären ringförmigen Brennstoffkanal (78), der sekundären Brennstoffkammer (82) und somit der Injektorspitze (64) eine Verwirbelung mitzugeben und so den Brennstoff zu zerstäuben, wenn er die sekundäre Brennstoffdüse (84) verlässt.
Brennstoffinjektor (30, 60, 160) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein ringförmiges Luftverwirbelungselement (52, 66) angebracht an der Injektorspitze (34, 64) vorgesehen ist, wobei das Luftverwirbelungselement (52, 66) eine ringförmige Anordnung von ersten Luftpassagen (54, 90) aufweist, die die druckbeaufschlagte Luft, welche die Brennereinrichtung umgibt, in die Brennkammer kommuniziert, wobei die ersten Luftpassagen (54, 90) konzentrisch zu der primären Brennstoffdüse (50, 71) und der Spitzenachse (X, X²) sind, wobei die ersten Luftpassagen (54, 90) angeordnet sind, um den von der primären Brennstoffdüse (50, 71) abgehenden Brennstoff weiter zu zerstäuben, um die Zerstäubung des die primäre Brennstoffdüse (50, 71) verlassenden Brennstoffs weiter zu fördern und einen konusförmigen Luft- und Brennstoff-Sprühstrahl in der Brennkammer zu schaffen.
Brennstoffinjektor (30, 60, 160) nach Anspruch 3, wobei ein Satz von sekundären Luftpassagen (56, 92) in einer ringförmigen Anordnung in dem Luftverwirbelungselement radial auswärts von den ersten Luftpassagen (54, 90) beabstandet und konzentrisch zu der Injektorspitzenachse (X, X²) angeordnet ist, wobei die zweiten Luftpassagen (56, 92) angeordnet sind, um den Sprühstrahl einer Mischung von zerstäubtem Brennstoff und Luft zu formen und ergänzende Luft der Mischung zuzuführen.
Brennstoffinjektor (30, 60, 160) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Brennstoffinjektorkörper (32, 62) in einem konzentrischen zylinderförmigen Fortsatz des Luftverwirbelungselements (66) sitzt.
Brennstoffinjektor (30, 60, 160) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Schlitzen (49, 75) den ersten ringförmigen Brennstoffkanal (44, 78) mit der primären Brennstoffkammer (48, 70) in einer Weise in Verbindung setzt, dass die Verwirbelung der Brennstoffströmung verstärkt ist, die von dem ersten ringförmigen Brennstoffkanal (44, 68) zu der primären Brennstoffkammer (48, 70) strömt.
Brennstoffinjektor (30, 60, 160) nach Anspruch 6, wobei die Schlitze mit Bereichen verringerten Durchmessers versehen sind, um ein Zumessen der Brennstoffströmung zwischen den verschiedenen ringförmigen Passagen zu schaffen.
Brennstoffinjektor (30, 60, 160) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Schlitze eine tangentiale Zufuhr der Brennstoffströmung zu der primären Brennstoffkammer (48, 70) schaffen.
Brennstoffinjektor (30, 60, 160) für eine Brennereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Brennstoffinjektor (160) an einem Stab (172) angebracht ist, der mindestens eine Brennstoffströmungspassage (174, 175), die von einem Stabbrennstoffeinlass (140, 150) zu einem Brennstoffversorgungsauslass (186, 188) verläuft, eine erste ringförmige Brennstoffströmungskammer (142, 152), die in dem Stab in der Nähe des Stabbrennstoffeinlasses (140, 150) vorgesehen ist, eine Einlassleitung (144, 150), die von dem Stabbrennstoffeinlass (140, 150) zu der ersten ringförmigen Fluidströmungskammer (142, 152) verläuft und mit einem Winkel angeordnet ist, um eine tangentiale Strömungsrichtung dem zu der ringförmigen Brennstoffströmungskammer (142, 152) strömenden Brennstoff zu vermitteln, eine Auslassleitung (146, 154), die mit einem spitzen Winkel von der ersten ringförmigen Brennstoffströmungskammer (142, 152) verläuft, um den Brennstoff davon in einer tangentialen Richtung zu erhalten und ihn zu einer linearen Brennstoffleitung (148, 156) zu liefern, die axial zu dem Stab (172) verläuft und mit einer Injektoreinlassleitung (186, 188) an dem Brennstoffzuführauslass kommuniziert, wobei die Injektoreinlassleitung (186, 188) mit einem Winkel angeordnet ist, um Brennstoffströmung zu dem ringförmigen Kanal (168, 176) tangential dazu zu liefern, aufweist.
Bei dem Injektor (30, 60, 160), gemäß Anspruch 9, wobei manche der Leitungen jeweils mindestens einen Bereich aufweisen, der einen Querschnittsdurchmesser hat, der kleiner ist als benachbarte Leitungsbereiche, um die dort hindurch strömende Brennstoffströmung zuzumessen.
Verfahren zum Zerstäuben von Brennstoff, der von einem Injektor einer Gasturbinenbrennereinrichtung zugeführt wird, aufweisend die Schritte des Vorverwirbelns des Brennstoffs vor dem Einbringen des Brennstoffs in die Injektorspitze, wobei die Schritte aufweisen das Lenken des vorverwirbelten Brennstoffs tangential in eine erste ringförmige Passage (42, 76), um so dem Brennstoff in der ersten ringförmigen Passage eine zirkulare Verwirbelung mitzugeben, Lenken des Brennstoffs von der Passage (42, 76) zu einer zweiten strömungsabwärtigen ringförmigen Passage (44; 78), um dem Fluid in der zweiten ringförmigen Passage einen zirkulare Verwirbelung mitzugeben, und Lenken des Brennstoffs von der zweiten Passage (44; 78) in die Spitze (34; 64), um dem Brennstoff eine zirkulare Verwirbelung zu vermitteln, wenn er in die Injektorspitze gelangt, wobei das Verfahren ferner aufweist das Weiterleiten des wirbelnden Brennstoffs zu einer konischen Brennstoffwirbelkammer (48; 70), wobei die Spitze des Konus strömungsabwärts davon ist und Ablassen des Brennstoffs von der konischen Wirbelkammer durch eine Düse (50; 71) derart, dass der Brennstoff zerstäubt wird, wenn er von der Düse abgeht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Luft in die Kammer (48; 70) in einer ringförmigen Anordnung geleitet wird, wobei jede Passage in der Anordnung eine mit einem Winkel angeordnete Achse hat, um der in die Brennereinrichtung gelangenden Luft eine Verwirbelung mitzugeben und das Zerstäuben des Brennstoffs zu fördern.