EP4726262A1

EP4726262A1 - Pilotierungsanordnung, düsenvorrichtung, verfahren zur herstellung und gasturbinenanordnung

Info

Publication number: EP4726262A1
Application number: EP25207318.4A
Authority: EP
Inventors: Carsten Clemen; Max Staufer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2024-10-08
Filing date: 2025-10-07
Publication date: 2026-04-15
Also published as: US20260098641A1; DE102024128891A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pilotierungsanordnung (23) zum Einsatz in einer Düsenvorrichtung (100) einer Gasturbinenanordnung, insbesondere eines Triebwerks eines Luftfahrzeugs, umfassend
- einen sich auf einer Längsachse (L) erstreckenden Hohlraum (12) zur Leitung von Kraftstoff, dessen größter Strömungsquerschnitt größer ausgebildet ist als der größte Strömungsquerschnitt einer Pilotierungsleitung (130) einer Pilot-Kraftstoffdüse (13) und
- die stromab an den Hohlraum (12) anschließende Pilot-Kraftstoffdüse (13), mit der Pilotierungsleitung (130) und einem am stromabseitigen Ende der Pilotierungsleitung (130) angeordneten Pilot-Kraftstoffauslass (131),
wobei der Hohlraum (12) in einem auf der Längsachse (L) angeordneten Zentralkörper (8) angeordnet ist und wobei umlaufend um den Zentralkörper (8) zumindest ein Verdrallelement (90) angeordnet ist, wobei der Zentralkörper (8) und das zumindest eine Verdrallelement (90) eine Verdrallanordnung (9) bilden. Fertigungsvorteile werden dadurch erreicht, dass die Pilotierungsanordnung (23) aus zwei Bauteilen zusammengesetzt ist, wobei ein erstes Bauteil (21) das zumindest eine Verdrallelement (90) und den Zentralkörper (8) und ein zweites Bauteil (22) die Pilot-Kraftstoffdüse (13) umfasst (Fig. 3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Pilotierungsanordnung zum Einsatz in einer Düsenvorrichtung einer Gasturbinenanordnung, insbesondere eines Triebwerks eines Luftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Düsenvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung und eine Gasturbinenanordnung.
Um Verbrennungsprozesse in einem Triebwerk eines Luftfahrzeugs über einen möglichst weiten Betriebsbereich stabil betreiben zu können, weisen Kraftstoffdüsen häufig eine Pilotstufe (Pilotierung) auf. Dabei wird über die Pilotierung eine geringere Menge an Kraftstoff als über eine Hauptstufe zugeführt. Der Verbrennungsprozess über die Pilotstufe wird in einem stabilen Bereich betrieben und so der Verbrennungsprozess über die Hauptstufe stabilisiert.
Eine Pilotierungsanordnung der eingangs genannten Art, die eine sehr kompakte Ausbildung ermöglicht, ist in der DE 10 2022 208 337 A1 angegeben.
Pilotierungsanordnungen in vergleichsweise groß dimensionierten Düsenvorrichtungen sind in der US 10 072 845 B2 und der EP 1 445 540 A1 angegeben.
Die US 2014/0291418 A1 zeigt eine Düsenvorrichtung mit zwei Luftkanälen zum Betrieb mit zwei Luftströmen ("2-Strom-Kraftstoffdüse"), ohne Pilotierung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bezüglich fertigungstechnischer Aspekte optimierte Pilotierungsanordnung bereitzustellen, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Pilotierungsanordnung und eine Gasturbinenanordnung.
Die Aufgabe wird bezüglich der Pilotierungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Düsenvorrichtung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 11, hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und hinsichtlich der Gasturbinenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Bei der Pilotierungsanordnung ist vorgesehen, dass die Pilotierungsanordnung aus zwei Bauteilen zusammengesetzt, insbesondere zusammengefügt, ist, wobei ein erstes Bauteil das zumindest eine Verdrallelement und (zumindest großteils) den Zentralkörper und ein zweites Bauteil die Pilot-Kraftstoffdüse umfasst.
Die Trennung zwischen den beiden Bauteilen ist im Wesentlichen in einer oder zwei Ebene/n orthogonal zu der Längsachse, insbesondere an (ausschließlich) einer oder (ausschließlich) zwei axialen Positionen ausgebildet.
Der Hohlraum weist vorzugsweise einen wesentlich größeren Strömungsquerschnitt auf als der Strömungsquerschnitt der Pilotierungsleitung. Beispielsweise ist der größte Strömungsquerschnitt des Hohlraums um zumindest einen Faktor 3, vorzugsweise um einen Faktor zwischen 5 und 10 oder zumindest einen Faktor 10 größer als der größte Strömungsquerschnitt in einem Leitungselement der Pilotierungsleitung, stromauf des Pilot-Kraftstoffauslasses.
Dabei ist insbesondere vorteilhaft vorgesehen, dass das erste Bauteil als zusammenhängendes, integrales (einteiliges) Bauteil ausgebildet ist. Eine hohe Fertigungsgenauigkeit ist erreichbar, wenn das erste Bauteil insbesondere mittels Fräs-/Bohr-/und/oder Drehprozessen gefertigt ist.
Für eine möglichst kompakte Ausbildung weist das erste Bauteil vorzugsweise zumindest eine Pilot-Kraftstoffzuführung zur Zufuhr von Kraftstoff in den Hohlraum auf, wobei die zumindest eine Pilot-Kraftstoffzuführung durch das zumindest eine Verdrallelement geführt ist, zur Leitung von Pilot-Kraftstoff von einer umlaufenden Wandung eines inneren Luftkanals radial nach innen in den Hohlraum. Der Strömungsquerschnitt der zumindest einen Pilot-Kraftstoffführung ist mindestens so groß wie der Strömungsquerschnitt der Pilotierungsleitung (stromauf des Pilot-Kraftstoffauslasses). Verdrallelemente aufweisend eine Pilot-Kraftstoffzuführung sind vorzugsweise (in Umlaufrichtung) dicker ausgebildet als solche ohne Pilot-Kraftstoffzuführung.
Eine vorteilhafte Drallaufprägung auf eine Luftströmung wird erreicht, wenn das erste Bauteil zumindest fünf, maximal acht Verdrallelemente aufweist. Bei fünf Verdrallelementen weist vorzugsweise zumindest oder genau eines eine Pilot-Kraftstoffzuführung auf. Bei acht vorhandenen Verdrallelementen weisen vorzugsweise vier davon eine Pilot-Kraftstoffzuführung auf.
Vorzugsweise umfasst das zweite Bauteil eine umlaufend um die Pilotierungsleitung angeordnete, insbesondere keramische, Hülse. Die Hülse ist beispielsweise aus Al₂O₃ ausgebildet oder umfasst Al₂O₃. Vorzugsweise ist die Hülse in einem insbesondere zylindrischen Innenraum einer Lanze koaxial zu der Pilotierungsleitung angeordnet und erstreckt sich von der axialen Position des stromaufseitigen Endes der Lanze (ab dem stromabseitigen Ende des Zentralkörpers) bis an einen stromabseitigen axialen Anschlag in einem stromabseitigen Endbereich der Lanze (insbesondere einem stromabseitigen Viertel, Fünftel oder Sechstel der Lanze) stromauf des Pilot-Kraftstoffauslasses. Die keramische Hülse wirkt als Hitzeschild insbesondere anstelle eines Gasraumes, wobei die Hülse möglichst passgenau zwischen einer umgrenzenden Wandung der Lanze und der Pilotierungsleitung angeordnet ist.
Vorzugsweise weist das zweite Bauteil ein zwischen dem stromaufseitigen Ende der Hülse und dem Hohlraum angeordnetes, insbesondere dichtendes, Trennelement auf. Das Trennelement ist insbesondere als Kragen und/oder Ring und/oder Trichter, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Pilotierungsleitung (insbesondere aus einer Nickelbasislegierung oder Edelstahl) ausgebildet und in montiertem Zustand zwischen dem Hohlraum und der Hülse positioniert. Das Trennelement kann als zunächst separates Element nachträglich an der Pilotierungsleitung befestigt sein oder integral mit der Pilotierungsleitung gefertigt werden. Das Trennelement dient als mechanische Trennung zwischen dem Hohlraum und der Hülse, sowie als axiale Fixierung der Hülse. Die Pilotierungsleitung kann stromauf durch das Trennelement hindurch in den Hohlraum hineinragen.
Vorzugsweise umfasst das zweite Bauteil eine auf der Längsachse verlaufende Lanze, welche die Pilotierungsleitung und/oder die Hülse und/oder das Trennelement aufnimmt. Die Lanze mit der Pilotierungsleitung weist eine derartige axiale Länge auf, dass der Kraftstoffauslass zumindest in einem stromab angeordneten Drittel oder Viertel, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen an einem Auslass, eines inneren Luftkanals der Düsenvorrichtung positioniert ist. Die Lanze ist insbesondere großteils hohlzylindrisch ausgebildet und weist vorzugsweise, abgesehen von einem sich verjüngenden stromabseitigen Endabschnitt, eine konstante Höhe, insbesondere einen konstanten Außendurchmesser, auf. Die Lanze schließt sich z. B. an eine stromabseitige Verjüngung des Zentralkörpers an. Die Lanze weist vorzugsweise einen z. B. zylindrischen, sich auf der Längsachse erstreckenden Innenraum zur Aufnahme der an bzw. in der Lanze montierten Einzelteile auf. Die an bzw. in der Lanze angeordneten Einzelteile sind vorzugsweise koaxial zueinander ausgerichtet. Eine Befestigung der Einzelelemente an bzw. in der Lanze kann beispielsweise an der Spitze, mittels Löten, erfolgen. Vorzugsweise ist stromauf der Lanze ein Teil des Zentralkörpers mit einem konisch ausgebildeten Teil des Hohlraums als Übergang zwischen dem Hohlraum und der Pilotierungsleitung an dem zweiten Bauteil angeordnet.
Eine vorteilhafte Kraftstoffeinspritzung kann erreicht werden, wenn sich die Pilotierungsleitung zu einem Pilot-Kraftstoffauslass hin mittels einer Verengung verjüngt.
In einer fertigungsoptimierten Ausbildungsvariante ist die Verengung mittels eines Rohrelements ausgebildet, welches in einem und/oder (unmittelbar, an das Leitungselement anschließend) stromab eines Leitungselement/s der Pilotierungsleitung angeordnet ist und einen geringeren Strömungsquerschnitt aufweist als das Leitungselement. Die Pilotierungsleitung weist dann das Leitungselement und an seinem stromabseitigen Ende das Rohrelement auf bzw. ist aus diesen beiden Elementen gebildet. Möglich ist auch, dass die Verengung integral an dem Leitungselement gefertigt ist, wobei insbesondere die Pilotierungsleitung (ausschließlich) mittels des Leitungselements gebildet ist.
In einer strömungsoptimierten Formgebung ist/sind der/die Strömungsquerschnitt/e der Pilotierungsleitung und/oder der zumindest einen Pilot-Kraftstoffzuführung rund ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Düsenvorrichtung weist eine Pilotierungsanordnung nach einer der vorhergehenden Ausbildungsvarianten auf und einen auf einer Längsachse der Düsenvorrichtung angeordneten inneren Luftkanal, innerhalb dessen die Pilotierungsanordnung koaxial zu dem inneren Luftkanal angeordnet ist.
Das Verfahren zur Herstellung einer Pilotierungsanordnung, die nach einem der vorhergehenden Ausbildungsvarianten ausgebildet ist, umfasst die Schritte:

a. Bereitstellen eines ersten Bauteils mit zumindest einem Verdrallelement und einem Zentralkörper, und eines zweiten Bauteils mit einer Pilotkraftstoffdüse;
b. Befestigen der beiden Bauteile aneinander mittels Fügen, z. B. Löten oder Schweißen.

Eine vorteilhafte Vorgehensweise bei der Herstellung besteht darin, dass zur Bereitstellung des ersten Bauteils dieses mittels Fräs-, Bohr- und/oder Drehprozessen, insbesondere integral (einteilig), gefertigt wird.
Vorzugsweise wird zur Bereitstellung des zweiten Bauteils dieses vormontiert, wobei

beispielsweise ein Rohrelement an einem stromabseitigen Ende eines Leitungselements umfassend eine Pilotierungsleitung koaxial dem Leitungselement als stromabseitiges Ende der Pilotierungsleitung befestigt, insbesondere eingelötet, wird;
eine Hülse von einem stromaufseitigen Ende einer Lanze in einen länglichen Innenraum der Lanze eingeschoben wird;
in die Hülse das Leitungselement mit dem Trennelement und ggf. dem Rohrelement eingeschoben wird und an der Spitze der Lanze, z. B. mittels Löten, fixiert wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A, 1B, 1C: eine Düsenvorrichtung mit einer Verdrallanordnung gemäß dem Stand der Technik im Längsschnitt (Fig. 1A), einen inneren Luftkanal der Düsenvorrichtung im Längsschnitt (Fig. 1B) sowie eine Teil-Schnittansicht der Verdrallanordnung entlang einer Schnittlinie A (Fig. 1C),
Fig. 2A, 2B: den inneren Luftkanal einer Düsenvorrichtung mit einer Pilotierungsanordnung gemäß dem Stand der Technik im Längsschnitt (Fig. 2A) sowie eine Teil-Schnittansicht der Pilotierungsanordnung entlang einer Schnittlinie B (Fig. 2B),
Fig. 3: den inneren Luftkanal einer Düsenvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Pilotierungsanordnung im Längsschnitt,
Fig. 4: Schritte eines Fertigungsverfahrens mit Einzelteilen eines zweiten Bauteils der Pilotierungsanordnung im Längsschnitt, und
Fig. 5: den inneren Luftkanal einer Düsenvorrichtung in einer weiteren Ausbildungsvariante der Pilotierungsanordnung im Längsschnitt.

Fig. 1A zeigt eine Düsenvorrichtung 100 im Längsschnitt mit drei Luftkanälen 5, 7 ("3-Strom-Kraftstoffdüse"), wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Derartige Düsenvorrichtungen 100 werden insbesondere in Triebwerken von Luftfahrzeugen eingesetzt. Fig. 1B zeigt einen inneren Luftkanal 7 der Düsenvorrichtung 100 mit eingebautem Zentralkörper 8 im Längsschnitt. Fig. 1C zeigt einen Teilschnitt des inneren Luftkanals 7 entlang der Schnittlinie A.
Die in Fig. 1A bis Fig. 1C gezeigte Düsenvorrichtung 100 ist insbesondere zum Betrieb mit einem flüssigen Kraftstoff (kerosinbasiert oder mit Kerosin verwandt) ausgebildet.
Die Düsenvorrichtung 100 weist eine Kraftstoffzuleitung 1 auf, die zur Versorgung eines Kraftstoffringreservoirs 2 der Düsenvorrichtung 100 im Betrieb mit Kraftstoff in Strömungsverbindung steht. Stromab des Kraftstoffringreservoirs 2 ist eine Kraftstoffringleitung 3 angeordnet, mittels der ein Kraftstoffinjektor 4 der Düsenvorrichtung 100 im Betrieb mit Kraftstoff versorgt wird. Mittels des Kraftstoffinjektors 4 wird der Kraftstoff in einen Brennraum (hier nicht gezeigt) eingedüst.
Der Kraftstoffinjektor 4 ist radial von den zwei umlaufenden Luftkanälen 5, einem radial äußeren Luftkanal und einem radial mittleren Luftkanal, umgeben. Innerhalb der Luftkanäle 5 sind jeweils Verdrallelemente 6 angeordnet.
Zentral auf einer Längsachse L weist die Düsenvorrichtung 100 den inneren Luftkanal 7 auf, der von einer, insbesondere zylindrischen, Wanderung 70 umgrenzt ist. An seinem stromabseitigen Ende weist der innere Luftkanal 7 einen Auslass 71 zur Angrenzung an den Brennraum auf. Ein innerer Durchmesser D in einem stromab angeordneten Abschnitt und/oder an dem Auslass 71 kann z. B. 7 mm bis 15 mm betragen.
Zwischen dem inneren Luftkanal 7 und der Kraftstoffringleitung 3 und/oder dem Kraftstoffinjektor 4 ist eine Luftkammer 10 zur thermischen Abschirmung (d. h. als Hitzeschild) dieser kraftstoffführenden Leitungen vorhanden.
Innerhalb des inneren Luftkanals 7 ist eine Verdrallanordnung 9 angeordnet, die zentral auf der Längsachse L einen Zentralkörper 8 aufweist. Um den Zentralkörper 8 sind Verdrallelemente 90 der Verdrallanordnung 9 zur Erzeugung einer Drallströmung innerhalb des inneren Luftkanals 7 im Betrieb angeordnet, die ausgehend von dem Zentralkörper 8 in radial-tangentialer Richtung an die Wandung 70 verlaufen. Eine beispielhafte Dicke d der Verdrallelemente 90 beträgt 0,8 mm bis 1,5 mm. Die Verdrallelemente 90 und der Zentralkörper 8 sind als separate Bauteile gefertigt, die z. B. bei Montage der Düsenvorrichtung 100 vor Einbau aneinandergefügt werden.
Im Betrieb mit der Düsenvorrichtung 100 gemäß Fig. 1A bis Fig. 1C können sich Stabilitätsprobleme ergeben, wobei es beispielsweise zu einem Magerverlöschen kommen kann. Zur Stabilisierung kann eine Pilotierung eingesetzt werden, die jedoch insbesondere bei kleindimensionierten Düsenvorrichtungen 100 aufgrund mangelnden Bauraums schwierig zu implementieren ist.
Fig. 2A zeigt in einem Längsschnitt des inneren Luftkanals 7 sowie Fig. 2B in einem Teilschnitt entlang der Schnittlinie B eine Pilotierungsanordnung 23, die aufgrund ihrer kompakten Aufbaumöglichkeit einfach in Düsenvorrichtungen 100 kleiner Dimensionierung wie beispielsweise in Fig. 1A gezeigt eingebracht werden kann. Dieser Aufbau ist aus der DE 10 2022 208 337 A1 bekannt.
Die Pilotierungsanordnung 23 weist einen zentral auf der Längsachse L angeordneten und sich entlang der Längsachse L erstreckenden Hohlraum 12 auf. Der Hohlraum 12 dient insbesondere als Beruhigungskammer für die Kraftstoff-Strömung.
Weiterhin weist die Pilotierungsanordnung 23 eine Pilot-Kraftstoffdüse 13 auf, die eine sich zentral auf der Längsachse L axial erstreckende Pilotierungsleitung 130 und einen am stromabseitigen Ende der Pilotierungsleitung 130 angeordneten Kraftstoffauslass 131 umfasst. Die Pilot-Kraftstoffdüse 13 ist unmittelbar stromab des Hohlraums 12 und mit diesem in Strömungsverbindung stehend angeordnet und wird im Betrieb aus dem Hohlraum 12 mit Kraftstoff gespeist. Der größte und der engste Strömungsquerschnitt der Pilotierungsleitung 130 sind kleiner ausgebildet als der größte und der engste Strömungsquerschnitt des Hohlraums 12. Beispielsweise ist der größte Strömungsquerschnitt der Pilotierungsleitung 130 um zumindest einen Faktor 3, vorzugsweise um einen Faktor zwischen 5 und 10 oder zumindest einen Faktor 10 kleiner als der größte Strömungsquerschnitt des Hohlraums 12.
Die Pilotierungsanordnung 23 umfasst beispielhaft mehrere Pilot-Kraftstoffzuführungen 11 zur Zufuhr von Kraftstoff, hier insbesondere flüssigen Kraftstoff (kerosinbasiert oder mit Kerosin verwandt), in den Hohlraum 12. Für eine besonders kompakte Ausführung sind die Pilot-Kraftstoffzuführungen 11 durch die Verdrallelemente 90 von radial außen, d. h. ausgehend von der Wandung 70 des inneren Luftkanals 7, nach innen an den Hohlraum 12 geführt. In der Wandung 70 ist zu diesem Zweck vorzugsweise eine entsprechende Verteilerleitung zur Versorgung der Pilot-Kraftstoffzuführungen 11 mit Kraftstoff angeordnet (hier nicht gezeigt).
Zur thermischen Abschirmung des Hohlraums 12 und der Pilotierungsleitung 130 ist umlaufend um die Pilotierungsleitung 130 und den Hohlraum 12 eine mit Gas gefüllte Hohlkammer 14 als Hitzeschild innerhalb des Zentralkörpers 8 angeordnet.
Die in Fig. 2A und Fig. 2B gezeigte, bekannte Pilotierungsanordnung 23 ist für einen besonders kompakten Aufbau in die Verdrallanordnung 9 integriert. Dabei ist der Hohlraum 12 in dem Zentralkörper 8 der Verdrallanordnung 9 angeordnet, insbesondere symmetrisch zu der Längsachse L. Radial umlaufend um den Zentralkörper 8 umfassend den Hohlraum 12 sind die Verdrallelemente 90 angeordnet. Die Pilotanordnung 23, mit den Verdrallelementen 90 und dem Zentralkörper 8 umfassend den Hohlraum 12 ist mit der Pilot-Kraftstoffdüse 13 als zusammenhängendes, integrales (einteiliges) Bauteil ausgebildet.
Fig. 3 zeigt in einem Längsschnitt des inneren Luftkanals 7 eine erfindungsgemäße Weiterbildung der aus der DE 10 2022 208 337 A1 bekannten Pilotierungsanordnung 23, die insbesondere hinsichtlich fertigungstechnischer Aspekte optimiert ist.
Dabei ist an dem stromabseitigen Ende des Zentralkörpers 8 eine Lanze 16 angeordnet, die koaxial zu dem inneren Luftkanal 7 und dem Hohlraum 12 auf der Längsachse L verläuft. Mittels der Lanze 16 ist der Pilot-Kraftstoffauslass 131 in dem stromab gelegenen Drittel des inneren Luftkanals 7 nahe des Auslasses 71 (oder, vorzugsweise, auf Höhe des Auslasses 71, hier nicht gezeigt) angeordnet. Die Lanze 16 ist insbesondere großteils hohlzylindrisch ausgebildet und weist vorzugsweise abgesehen von einem sich verjüngenden stromabseitigen Endabschnitt eine konstante Höhe, insbesondere einen konstanten Außendurchmesser, auf. Die Lanze 16 schließt sich an eine stromabseitige Verjüngung des Zentralkörpers 8 an. Zumindest ein Großteil der Pilotierungsleitung 130 verläuft innerhalb der Lanze 16. Mittels der Lanze 16 kann die Wärmefreisetzungszone bei der Pilotverbrennung stromab, axial beabstandet von dem Hohlraum 12, angeordnet werden.
Die Strömungsquerschnitte der Pilotierungsleitung 130 und/oder der Pilot-Kraftstoffzuführungen 11 sind vorzugsweise rund ausgebildet.
Wie Fig. 3 zeigt, ist die Pilotierungsanordnung 23 aus, insbesondere genau, zwei Bauteilen zusammengesetzt, einem ersten Bauteil 21 und einem zweiten Bauteil 22. Die beiden Bauteile 21, 22 sind z. B. mittels Löten oder Schweißen geeignet aneinandergefügt.
Eine Trennung T zwischen den Bauteilen 21, 22, an welchen die Bauteil 21, 22 aneinandergefügt sind, verläuft insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse L, für eine montagefreundliche Ausbildung beispielhaft an zwei axialen Positionen. Dabei ist beispielhaft ein stromaufgelegenes Ende des zweiten Bauteils 22 als umlaufender Kragen 161 in Funktion eines axialen Anschlags bei der Montage ausgebildet. Der Verlauf der Außenwand des ersten Bauteils 21 setzt sich an der Trennung T für einen möglichst stetigen Wandungsverlauf an dem zweiten Bauteil 22 fort. Die Innenwand zur Begrenzung des Hohlraums 12 endet an dem ersten Bauteil 21 weiter stromauf als die Außenwand des ersten Bauteils 21, wobei die Außenwand an einem Anschlag seitens des Kragens 161 endet.
Stromab der Trennung T ist die Innenwand des Hohlraums 12 innerhalb des zweiten Bauteils 22 beispielsweise konisch ausgebildet, zum Übergang zu der Pilotierungsleitung 130 ausgebildet.
Das erste Bauteil 21 umfasst die Verdrallelemente 90 mit zumindest einer, vorzugsweise zwischen einer und vier, Pilot-Kraftstoffzuführung/en 11, und zumindest einen Großteil des Zentralkörpers 8, mit zumindest einem Großteil des Hohlraums 12. Das erste Bauteil 21 ist vollständig in der stromauf gelegenen Hälfte des inneren Luftkanals 7 angeordnet. Auch ein Teil des zweiten Bauteils 22 reicht z. B. bis in die stromaufseitige Hälfte des inneren Luftkanals 7.
Vorzugsweise sind zwischen fünf und acht Verdrallelemente 90 vorhanden, wobei (bei fünf vorhandenen Verdrallelementen 90) in einem oder (insbesondere bei acht vorhandenen) bis zu vier Verdrallelementen 90 jeweils eine der Pilot-Kraftstoffzuführungen 11 radial nach innen in den Hohlraum 12 verläuft. Die Verdrallelemente 90, welche eine der Pilot-Kraftstoffzuführungen 11 umfassen, sind jeweils dicker ausgebildet als solche ohne Pilot-Kraftstoffzuführung 11.
Das erste Bauteil 21 ist insbesondere als zusammenhängendes, integrales (einteiliges) Bauteil ausgebildet und z. B. mittels Fräs-/Bohr-/ und/oder Drehprozessen gefertigt. Der Hohlraum 12 ist im Wesentlichen, insbesondere abgesehen von einem stromabseitigen Endabschnitt, z. B. hohlzylindrisch ausgebildet. Eine maximale Höhe des Hohlraums 12 (beispielsweise ein Durchmesser) entspricht z. B. 1/4 bis 3/4 des (kleinsten) Durchmessers D des inneren Luftkanals 7.
Das zweite Bauteil 22 umfasst die Pilot-Kraftstoffdüse 13 mit der Lanze 16 und der Pilotierungsleitung 130. Ein stromabseitiger Endabschnitt des Hohlraums 12 kann ebenfalls in dem zweiten Bauteil 22 angeordnet sein.
Das zweite Bauteil 22 ist insbesondere aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt, die zu dem zweiten Bauteil 22 vormontiert sind. Die Einzelteile sind dabei an der Lanze 16 angeordnet, vorzugsweise großteils in einen zylindrischen Innenraum 160 der Lanze 16 eingesetzt.
Dabei umfasst das zweite Bauteil 22 eine umlaufend um die Pilotierungsleitung 130 in dem Innenraum 160 angeordnete Hülse 17. Die Hülse 17 ist insbesondere als Keramikelement 170, d. h. aus keramischem Material (beispielsweise aus Al₂O₃), ausgebildet und wirkt als Hitzeschild zur thermischen Abschirmung der Pilotierungsleitung 130, insbesondere anstelle eines Gasraums um die Pilotierungsleitung 130. Mittels der Hülse 17 ist zudem die Pilotierungsleitung 130 stabil und zuverlässig positioniert.
Weiterhin weist das zweite Bauteil 22 ein zwischen dem stromaufseitigen Ende der Hülse 17 und dem Hohlraum 12 angeordnetes Trennelement 18 auf. Das Trennelement 18 ist in Form eines Kragens und/oder Rings und/oder Trichters vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Pilotierungsleitung (insbesondere aus einer Nickelbasislegierung oder Edelstahl) ausgebildet und in montiertem Zustand zwischen dem Hohlraum 12 und der Hülse 17 positioniert. Dabei liegt das Trennelement 18 vorzugsweise möglichst passgenau (außenseitig) an den Innenwänden des Hohlraums 12 und/oder der Lanze 16 und (innenseitig) an der Wand der Pilotierungsleitung 130 an bzw. ist mit der Wand der Pilotierungsleitung 130 verbunden. So wirkt das Trennelement 18 als stromaufseitiger axialer Anschlag für die keramische Hülse 17, um einen Eintritt der Hülse 17, mit insbesondere keramischem Material, in den Kraftstoffpfad zu verhindern. Die Pilotierungsleitung 130 kann stromauf durch das Trennelement 18 hindurch in den Hohlraum 12 hineinragen (vgl. Fig. 5).
Zudem kann das zweite Bauteil 22 ein Rohrelement 200 aufweisen, welches eine stromabseitige Verengung 20 der Pilotierungsleitung 130 zu dem Pilot-Kraftstoffauslass 131 umfasst oder bildet. Der Pilot-Kraftstoffauslass 131 ist dann an dem stromabseitigen Ende des Rohrelements 200 angeordnet. Der stromaufseitige Abschnitt der Pilotierungsleitung 130 ist mittels eines Leitungselements 132 mit in diesem Fall beispielhaft konstantem Strömungsquerschnitt gebildet. Das Rohrelement 200 ist an dem stromabseitigen Ende des Leitungselements 132 angeordnet und weist einen geringeren Strömungsquerschnitt auf als das Leitungselement 132, wobei es zumindest teilweise in das Leitungselement 132 eingeschoben sein kann. Mittels des Überstandes des Rohrelements 200 kann die exakte axiale Position des Pilot-Kraftstoffauslass 131 festgelegt werden.
Möglich ist alternativ, dass die Verengung 20 mit dem Pilot-Kraftstoffauslass 131 an dem stromabseitigen Ende des Leitungselements 132 angeordnet und integral an diesem gefertigt ist.
Fig. 4 zeigt Schritte eines Fertigungsverfahrens der Pilotierungsanordnung 23 mit der Vormontage des zweiten Bauteils 22 aus mehreren Einzelteilen. In einem ersten in Fig. 4 gezeigten Schritt i) wird das Rohrelement 200 an dem stromabseitigen Ende des Leitungselements 132 koaxial zu selbigem eingeschoben und vorzugsweise an diesem befestigt, insbesondere eingelötet.
An dem stromaufseitigen Ende des Leitungselements 132 ist oder wird das Trennelement 18 angeordnet, z. B. an diesem (nachträglich) befestigt oder integral mit dem Leitungselement 132 gefertigt, hier beispielhaft derart, dass das stromaufseitige Ende des Trennelements 18 im Wesentlichen mit dem stromaufseitigen Ende des Leitungselements 132 bündig abschließt.
In einem Schritt ii) (der auch parallel zu oder vor Schritt i) ablaufen kann) wird die Hülse 17 von stromauf in den Innenraum 160 der Lanze 16 eingeschoben, bis die Hülse 17 an einer stromabseitigen Querschnittsverengung des Innenraums 160 anschlägt. Die Hülse 17 weist dabei insbesondere einen derartigen Außendurchmesser auf, dass sie einerseits formschlüssig von dem Innenraum 160 aufgenommen wird und andererseits einfach verschiebbar ist.
In einem Schritt iii) wird nun das in Schritt i) vormontierte Leitungselement 132 mit dem Rohrelement 200 und dem Trennelement 18 in die innerhalb der Lanze 16 befindliche Hülse 17 eingeschoben, bis das Trennelement 18 an dem stromaufseitigen Ende der Hülse 17 axial anschlägt.
In einem Schritt iv) wird/werden das Leitungselement 132 und/oder das Rohrelement 200, beispielsweise mittels Löten, an der Spitze der Lanze 16 fixiert.
Das derart vormontierte zweite Bauteil 22 wird nun mittels Löten oder Schweißen an dem ersten Bauteil 21 befestigt, wobei die in Fig. 3 gezeigte Pilotierungsanordnung 23 gebildet wird.
Fig. 5 zeigt den inneren Luftkanal 7 der Düsenvorrichtung 100 mit einer weiteren Ausbildungsvariante der Pilotierungsanordnung 23 im Längsschnitt. Dabei ragt das Leitungselement 132 mit der Pilotierungsleitung 13 stromauf über das Trennelement 18 hinaus in den Hohlraum 12 und/oder axial in das erste Bauteil 21 hinein.
Die Pilotierungsanordnung 23 kann bei einem besonders kompakten möglichen Aufbau zum Einsatz in kleindimensionierten Düsenvorrichtungen beispielsweise bei sogenannten 3-Strom-Kraftstoffdüsen vorteilhaft gefertigt werden.

Bezugszeichenliste

100: Düsenvorrichtung
1: Kraftstoffzuleitung
2: Kraftstoffringreservoir
3: Kraftstoffringleitung
4: Kraftstoffinjektor
5: Äußerer und mittlerer Luftkanal
6: Verdrallelement
7: innerer Luftkanal
70: Wandung
71: Auslass
8: Zentralkörper
9: Verdrallanordnung
90: Verdrallelement
10: Luftkammer
11: Pilot-Kraftstoffzuführung
12: Hohlraum
13: Pilot-Kraftstoffdüse
130: Pilotierungsleitung
131: Pilot-Kraftstoffauslass
132: Leitungselement
16: Lanze
160: Innenraum
161: Kragen
17: Hülse
170: Keramikelement
18: Trennelement
19: Löten
20: Verengung
200: Rohrelement
21: erstes Bauteil
22: zweites Bauteil
23: Pilotierungsanordnung
D: Durchmesser
d: Dicke
T: Trennung

Claims

Pilotierungsanordnung (23) zum Einsatz in einer Düsenvorrichtung (100) einer Gasturbinenanordnung, insbesondere eines Triebwerks eines Luftfahrzeugs, umfassend
- einen sich auf einer Längsachse (L) erstreckenden Hohlraum (12) zur Leitung von Kraftstoff, dessen größter Strömungsquerschnitt größer ausgebildet ist als der größte Strömungsquerschnitt einer Pilotierungsleitung (130) einer Pilot-Kraftstoffdüse (13) und

- die stromab an den Hohlraum (12) anschließende Pilot-Kraftstoffdüse (13), mit der Pilotierungsleitung (130) und einem am stromabseitigen Ende der Pilotierungsleitung (130) angeordneten Pilot-Kraftstoffauslass (131),

wobei der Hohlraum (12) in einem auf der Längsachse (L) angeordneten Zentralkörper (8) angeordnet ist und wobei umlaufend um den Zentralkörper (8) zumindest ein Verdrallelement (90) angeordnet ist, wobei der Zentralkörper (8) und das zumindest eine Verdrallelement (90) eine Verdrallanordnung (9) bilden, dadurch gekennzeichnet,

dass die Pilotierungsanordnung (23) aus zwei Bauteilen zusammengesetzt ist, wobei ein erstes Bauteil (21) das zumindest eine Verdrallelement (90) und den Zentralkörper (8) und ein zweites Bauteil (22) die Pilot-Kraftstoffdüse (13) umfasst.
Pilotierungsanordnung (23) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Bauteil (21) als zusammenhängendes, integrales Bauteil ausgebildet ist.
Pilotierungsanordnung (23) nach Anspruch ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Bauteil (21) zumindest eine Pilot-Kraftstoffzuführung (11) zur Zufuhr von Kraftstoff in den Hohlraum (12) aufweist, wobei die zumindest eine Pilot-Kraftstoffzuführung (11) durch das zumindest eine Verdrallelement (90) geführt ist, zur Leitung von Pilot-Kraftstoff von einer umlaufenden Wandung (70) eines inneren Luftkanals (7) radial nach innen in den Hohlraum (12).
Pilotierungsanordnung (23) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Bauteil (21) zumindest fünf, maximal acht Verdrallelemente (90) aufweist.
Pilotierungsanordnung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Bauteil (22) eine umlaufend um die Pilotierungsleitung (130) angeordnete, insbesondere keramische, Hülse (17) umfasst.
Pilotierungsanordnung (23) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Bauteil (22) ein zwischen dem stromaufseitigen Ende der Hülse (17) und dem Hohlraum (12) angeordnetes, insbesondere dichtendes, Trennelement (18) aufweist.
Pilotierungsanordnung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Bauteil (22) eine auf der Längsachse (L) verlaufende Lanze (16) umfasst, welche die Pilotierungsleitung (130) und/oder die Hülse (17) und/oder das Trennelement (18) aufnimmt, wobei die Lanze (16) mit der Pilotierungsleitung (130) eine derartige axiale Länge aufweist, dass der Kraftstoffauslass (131) zumindest in einem stromab angeordneten Drittel oder Viertel, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen an einem Auslass (71), eines inneren Luftkanals (7) der Düsenvorrichtung (100) positioniert ist.
Pilotierungsanordnung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Pilotierungsleitung (130) zu einem Pilot-Kraftstoffauslass (131) hin mittels einer Verengung (20) verjüngt.
Pilotierungsanordnung (23) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verengung (20) mittels eines Rohrelements (200) ausgebildet ist, welches in einem und/oder stromab eines Leitungselement/s (132) der Pilotierungsleitung (130) angeordnet ist und einen geringeren Strömungsquerschnitt aufweist als das Leitungselement (132).
Pilotierungsanordnung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der/die Strömungsquerschnitt/e der Pilotierungsleitung (130) und/oder der zumindest einen Pilot-Kraftstoffzuführung (11) rund ausgebildet ist/sind.
Düsenvorrichtung (100) mit einer Pilotierungsanordnung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem auf einer Längsachse (L) der Düsenvorrichtung (100) angeordneten inneren Luftkanal (7), innerhalb dessen die Pilotierungsanordnung (23) koaxial zu dem inneren Luftkanal (7) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Pilotierungsanordnung (23), die nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, umfassend die Schritte:
c. Bereitstellen eines ersten Bauteils (21) mit zumindest einem Verdrallelement (90) und einem Zentralkörper (8), und eines zweiten Bauteils (22) mit einer Pilotkraftstoffdüse;

d. Befestigen der beiden Bauteile (21, 22) aneinander mittels Fügen, z. B. Löten oder Schweißen.
Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bereitstellung des ersten Bauteils (21) dieses mittels Fräs-, Bohr- und/oder Drehprozessen, insbesondere integral, gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bereitstellung des zweiten Bauteils (22) dieses vormontiert wird, wobei
- beispielsweise ein Rohrelement (200) an einem stromabseitigen Ende eines Leitungselements (132) umfassend eine Pilotierungsleitung (130) koaxial dem Leitungselement (132) als stromabseitiges Ende der Pilotierungsleitung (130) befestigt, insbesondere eingelötet, wird;

- eine Hülse (17) von einem stromaufseitigen Ende einer Lanze (16) in einen länglichen Innenraum (160) derselben eingeschoben wird;

- in die Hülse (17) das Leitungselement (132) mit einem Trennelement (18) und ggf. dem Rohrelement (200) eingeschoben wird und an der Spitze der Lanze (16), z. B. mittels Löten (19), fixiert wird.
Gasturbinenanordnung, insbesondere für ein Flugzeug, mit einer Brennkammeranordnung umfassend zumindest eine Düsenvorrichtung (100) nach Anspruch 11 und eine Turbinenanordnung.