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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der hier beschriebene Gegenstand betrifft eine Kraftstoffdüsenanordnung mit einer verbesserten Gestaltung des Luftstroms.
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Eine Gasturbine verbrennt ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die wiederum eine oder mehrere Turbinen antreiben. Die heißen Verbrennungsgase bewirken insbesondere, dass die Turbinenlaufschaufeln sich drehen und so eine Welle antreiben, die wiederum eine oder mehrere Lasten antreibt, z. B. einen elektrischen Generator. Die Gasturbine umfasst eine Kraftstoffdüse zum Einspritzen von Kraftstoff und Luft in eine Brennkammer. Bei bestimmten Brennkammern wird der Kraftstoffdüse an einer stromauf liegenden Öffnung ein Luftstrom zugeführt, wobei der Luftstrom seine Richtung von stromauf (außerhalb der Kraftstoffdüse) nach stromab (im Innern der Kraftstoffdüse) ändert. Ungünstigerweise bewirkt die starke Richtungsänderung an der stromauf liegenden Öffnung eine Ungleichverteilung der Strömung, die eine Rückström- oder Niedriggeschwindigkeitszone verursachen kann. Die Ungleichverteilung der Strömung kann eine ungleichmäßige Vermischung des Luftstroms mit dem Kraftstoff bewirken und/oder zu einer Situation führen, in der die Möglichkeit des Flammenhaltens besteht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden werden bestimmte Ausführungsformen zusammengefasst, die hinsichtlich des Schutzumfangs der ursprünglich beanspruchten Erfindung entsprechen. Diese Ausführungsformen sollen den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung nicht einschränken, sondern sind vielmehr lediglich als kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung gedacht. Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielzahl verschiedener Formen umfassen, die den unten dargelegten Ausführungsformen gleichen oder sich von diesen unterscheiden können.
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Bei einer ersten Ausführungsform umfasst eine Anlage eine Turbinen-Kraftstoffdüse. Die Kraftstoffdüse umfasst eine Nabe, mehrere Schaufeln, die sich von der Nabe aus radial nach außen erstrecken, einen um die Nabe und die Schaufeln herum angeordneten Mantel, einen Luftströmungspfad, der sich zwischen der Nabe und dem Mantel in Stromabrichtung zu einem Auslassbereich der Kraftstoffdüse erstreckt, einen Kraftstoffströmungspfad, der sich zu mehreren Kraftstoffeinspritzöffnungen entlang des Luftströmungspfads erstreckt, sowie einen konvergierenden-divergierenden Abschnitt, der entlang des Luftströmungspfads stromauf der Schaufeln und Kraftstoffeinspritzöffnungen angeordnet ist.
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Bei einer zweiten Ausführungsform umfasst eine Anlage eine Kraftstoffdüsenanordnung. Die Kraftstoffdüsenanordnung umfasst eine Nabe, einen um die Nabe herum angeordneten Mantel, eine um den Mantel herum angeordnete Stromleithülse und einen Luftströmungspfad, der sich zwischen der Stromleithülse und dem Mantel in stromaufwärtiger Richtung zu einem Öffnungsbereich zwischen dem Mantel und der Nabe erstreckt, wobei der Luftströmungspfad sich zwischen der Nabe und dem Mantel in stromabwärtiger Richtung von dem Öffnungsbereich zu einem Auslassbereich der Kraftstoffdüsenanordnung erstreckt. Die Kraftstoffdüsenanordnung umfasst außerdem einen Kraftstoffströmungspfad, der sich zu zumindest einer Kraftstoffeinspritzöffnung entlang des Luftströmungspfads erstreckt, und eine Strömungsführung, die entlang des Luftströmungspfads im Öffnungsbereich angeordnet ist, wobei die Strömungsführung einen ersten Führungsabschnitt umfasst, der dafür eingerichtet ist, einen Luftstrom von der Nabe aus radial nach außen zu dem Mantel zu leiten.
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Bei einer dritten Ausführungsform umfasst eine Anlage eine Turbine und eine mit der Turbine verbundene Kraftstoffdüsenanordnung. Die Kraftstoffdüsenanordnung umfasst eine Stromleithülse, die einen stromauf verlaufenden Luftstrom und mehrere in der Stromleithülse angeordnete Kraftstoffdüsen umfasst. Jede Kraftstoffdüse verfügt über einen stromab verlaufenden Luftströmungspfad und eine Strömungsführung, die dafür eingerichtet ist, einen Luftstrom in einen Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu leiten, der an eine Biegung zwischen dem stromauf liegenden Luftströmungspfad und dem stromab liegenden Luftströmungspfad angrenzt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.
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1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Turbinenanlage, die eine Kraftstoffdüsenanordnung mit einer verbesserten Gestaltung bzw. Lenkung des Luftstroms aufweist;
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2 ist ein Längsschnitt einer Ausführungsform der in 1 gezeigten Turbinenanlage, wobei die Kraftstoffdüsenanordnung eine oder mehrere Kraftstoffdüsen mit der verbesserten Luftstromlenkung aufweist;
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3 ist ein Schnitt einer Ausführungsform der Kraftstoffdüsenanordnung;
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4 ist ein Schnitt eines Abschnitts einer einzelnen Kraftstoffdüse der Kraftstoffdüsenanordnung aus 3 mit dem sie umgebenden Bereich;
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5 ist ein Schnitt einer Ausführungsform einer Strömungsführung der Kraftstoffdüse aus 4, der einen konvergierenden-divergierenden Abschnitt zeigt;
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6 ist ein Schnitt einer Ausführungsform einer Strömungsführung der Kraftstoffdüse aus 4, der einen konvergierenden-divergierenden Abschnitt zeigt;
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7 ist ein Schnitt einer Ausführungsform einer Kraftstoffdüse und eines Mantels entlang der Schnittlinie 7-7 aus 3 und
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8 ist ein Schnitt einer Ausführungsform einer Kraftstoffdüse und eines Mantels entlang der Schnittlinie 7-7 aus 3.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden werden eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Im Interesse einer kurz gefassten Beschreibung dieser Ausführungsformen sind eventuell nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung erfasst. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Implementierung – wie bei jedem Konstruktions- oder Planungsprojekt – zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen; diese dienen dazu, die spezifischen Ziele der Entwickler zu erreichen, zum Beispiel, wenn Anlagen- oder geschäftsbezogene Beschränkungen zu berücksichtigen sind, die von Implementierung zu Implementierung variieren können. Es sollte ebenfalls zur Kenntnis genommen werden, dass derartige Entwicklungsanstrengungen zwar komplex und zeitaufwendig sein können, aber für Durchschnittsfachleute mit Hilfe dieser Offenbarung ein Routinevorhaben darstellen würden.
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Bei der Einführung von Elementen verschiedener Ausführungsformen sollen die unbestimmten Artikel „ein, eine, eines” und die bestimmten Artikel „der, die, das” bedeuten, dass es sich um ein oder mehrere Elemente handelt. Die Begriffe „umfassen”, „einschließen” und „aufweisen” sind nichtabschließend gemeint und besagen, dass abgesehen von den aufgeführten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Anlagen zur Verbesserung des Luftstroms in einer Kraftstoffdüsenanordnung, um strömungsarme Bereiche bei den oder in der Nähe der Einlassöffnungen von einer oder mehreren Kraftstoffdüsen zu beseitigen und so Strömungsungleichverteilung, Druckabfälle und Flammenhalten zu reduzieren. Beim Eintritt der Luft in die Kraftstoffdüsenanordnung vollführt der Luftstrom bei oder nahe der Einlassöffnung der Kraftstoffdüse eine scharfe Wendung von einer Stromaufrichtung zu einer Stromabrichtung. Anstatt eine scharfe Richtungsänderung von der Stromaufrichtung zur Stromabrichtung zu vollführen, neigt der Luftstrom dazu, dem Weg des geringsten Widerstands zu folgen, so dass ein Bereich mit Strömungsungleichverteilung bzw. eine Rückströmzone entsteht. Diese Rückströmzone führt sowohl zu einem Druckabfall als auch zu Strömungsdefiziten in einem oder mehreren Schaufelabschnitten stromab in einem Vormischkanal der Kraftstoffdüse. Die Luft strömt weiter stromab und durch den Vormischkanal in Drallschaufeln, die den Luftstrom verwirbeln. Jede Drallschaufel umfasst eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzöffnungen zum Einspritzen von Kraftstoff in den Luftstrom. Stromauf der Drallschaufeln können sich Niedriggeschwindigkeitsbereiche befinden, was zu Flammenhalten führen kann.
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Durch Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird eine Anlage zur Verfügung gestellt, die eine Kraftstoffdüse mit einer Strömungsführung (z. B. einem konvergierenden-divergierenden Abschnitt) umfasst, die die gleichmäßige Verteilung der Strömung verbessert. Die Strömungsführung (z. B. der konvergierende-divergierende Abschnitt) ist beispielsweise entlang des Luftströmungspfads stromauf der Schaufeln und Kraftstoffeinspritzöffnungen angeordnet. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Kraftstoffdüse einen Mantel (z. B. einen ringförmigen Mantel) umfassen, der um eine Nabe (z. B. eine ringförmige Nabe) herum angeordnet ist und einen Luftströmungspfad (z. B. einen ringförmigen Strömungspfad) definiert. Die Strömungsführung und/oder der konvergierende-divergierende Abschnitt sind im Luftströmungspfad bei oder stromab einer stromauf liegenden Einlassöffnung der Kraftstoffdüse angeordnet, d. h. zwischen dem Mantel und der Nabe. Die Strömungsführung umfasst beispielsweise einen ersten Führungsabschnitt, der dafür eingerichtet ist, den Luftstrom zu einem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit oder zu einer Rückströmzone zu lenken, z. B. von der Nabe aus radial nach außen in Richtung auf den Mantel. Der erste Führungsabschnitt kann außerdem dem Luftströmungskanal eine konvergierende Form verleihen und kann daher als konvergierender Abschnitt bezeichnet werden. Die Strömungsführung kann außerdem einen zweiten Führungsabschnitt stromab des ersten Führungsabschnitts umfassen, wobei der zweite Führungsabschnitt in einem Winkel vom Niedriggeschwindigkeitsbereich oder der Rückströmzone weg verlaufen kann, z. B. vom Mantel in Richtung auf die Nabe. Der zweite Führungsabschnitt kann dem Luftströmungskanal eine divergierende Form verleihen und kann daher als divergierender Abschnitt bezeichnet werden. Bei jeder der offenbarten Ausführungsformen reduziert oder eliminiert die Strömungsführung durch Umleiten des Luftstroms zum strömungsarmen Bereich das Strömungsdefizit beträchtlich und reduziert Druckabfälle, wobei gleichzeitig auch das Wenden des Luftstroms reibungsloser erfolgt. Die Strömungsführung verbessert darüber hinaus die Gleichverteilung der Strömung und sorgt für eine ausreichende axiale Geschwindigkeit der Strömung in jeden stromab liegenden Schaufelabschnitt, um die Möglichkeit des Flammenhaltens zu reduzieren.
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Im Folgenden wird der Inhalt der Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Turbinenanlage 10. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, kann die offenbarte Turbinenanlage 10 über mehrere Kraftstoffdüsen 12 mit verbesserter Luftstromlenkung verfügen, um Strömungsdefizite und Strömungsungleichverteilung im Turbinenanlage 10 zu reduzieren. Beispielsweise kann jede Kraftstoffdüse 12 über eine Strömungsführung (z. B. einen konvergierenden und divergierenden Abschnitt) verfügen, die dazu dient, die Gleichverteilung der Strömung zu verbessern und Rückströmzonen in der Kraftstoffdüse 12 zu reduzieren oder zu eliminieren. In der Turbinenanlage 10 können Flüssig- oder Gaskraftstoffe eingesetzt werden, beispielsweise Erdgas und/oder ein wasserstoffreiches Synthesegas, um die Turbinenanlage 10 anzutreiben. Wie gezeigt, wird einer oder mehreren Kraftstoffdüsen 12 Kraftstoff 14 zugeführt, der Kraftstoff mit Luft gemischt und das Luft-Kraftstoff-Gemisch einer Brennkammer 16 zugeführt. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird in einer Kammer in der Brennkammer 16 verbrannt, wodurch heiße, unter Druck stehende Verbrennungsgase erzeugt werden. Die Brennkammer 16 leitet die Abgase durch eine Turbine 18 zu einem Abgasauslass 20. Während die Abgase die Turbine 18 passieren, bewirken sie, dass die Turbinenlaufschaufeln eine entlang einer Achse der Turbinenanlage 10 verlaufende Welle 22 drehen. Wie gezeigt, kann die Welle 22 mit verschiedenen Komponenten der Turbinenanlage 10 verbunden sein, beispielsweise mit einem Verdichter 24. Der Verdichter 24 verfügt ebenfalls über mit der Welle 22 verbundene Laufschaufeln. Wenn die Welle 22 sich dreht, drehen sich die Laufschaufeln des Verdichters 24 mit, wodurch die Luft verdichtet wird, die aus einem Lufteinlass 26 durch den Verdichter 24 und in die Kraftstoffdüsen 12 und/oder die Brennkammer 16 strömt. Die Welle 22 kann außerdem mit einer Last 28 verbunden sein, die ein Fahrzeug oder eine stationäre Last sein kann, beispielsweise ein elektrischer Generator in einem Kraftwerk oder ein Flugzeugpropeller. Die Last 28 kann jede beliebige geeignete Vorrichtung umfassen, die durch die Drehleistung der Turbinenanlage 10 angetrieben werden kann.
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2 ist ein Längsschnitt einer Ausführungsform der Turbinenanlage 10 aus 1 und zeigt eine mehrstufige Gasturbine 11. Die Turbinenanlage 10 umfasst eine oder mehrere Kraftstoffdüsen 12, die sich im Innern von einer oder mehreren Brennkammern 16 befinden. Wie im Folgenden erörtert, kann jede Kraftstoffdüse 12 über eine Strömungsführung (z. B. einen konvergierenden und divergierenden Abschnitt) verfügen, die dazu dient, die Gleichverteilung der Strömung zu verbessern und Rückströmzonen in der Kraftstoffdüse 12 zu reduzieren oder zu eliminieren. Beim Betrieb tritt Luft durch den Lufteinlass 26 in die Turbinenanlage 10 ein und wird im Verdichter 24 verdichtet. Die verdichtete Luft kann dann zur Verbrennung in der Brennkammer 16 mit Gas gemischt werden. Beispielsweise können die Kraftstoffdüsen 12 in die Brennkammer 16 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem zur optimalen Verbrennung, für Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Ausgangsleistung geeigneten Mischungsverhältnis injizieren. Durch die Verbrennung werden heiße, unter Druck stehende Abgase erzeugt, die dann eine oder mehrere Laufschaufeln 30 in der Turbine 18 antreiben, um die Welle 22 zu drehen und so den Verdichter 24 und die Last 28 anzutreiben. Die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 30 verursacht eine Drehung der Welle 22, wodurch bewirkt wird, dass die Laufschaufeln 32 im Verdichter 24 Luft aus dem Lufteinlass 26 hereinziehen und verdichten.
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3 ist ein Schnitt einer Ausführungsform einer Kraftstoffdüsenanordnung 42, die über eine verbesserte Luftstromlenkung verfügen kann, um das Strömungsdefizit zu eliminieren und Druckabfälle zu reduzieren, indem der Luftstrom zum strömungsarmen Bereich umgeleitet wird, wobei gleichzeitig auch das Wenden des Luftstroms reibungsloser erfolgt. Die Kraftstoffdüsenanordnung 42 kann in der Brennkammer 16 der Gasturbine 11 angebracht sein. Die Kraftstoffdüsenanordnung 42 umfasst mehrere Kraftstoffdüsen 12 sowie ein Gehäuse bzw. eine Stromleithülse 44. Die Kraftstoffdüsen 12 sind in einer Deckelanordnung 46 angeordnet, die eine Stirnplatte 48 und mehrere Mäntel umfasst. Durch den Raum zwischen der Stromleithülse 44 und der Deckelanordnung 46 wird ein äußerer ringförmiger Strömungskanal 45 definiert. Jeder Mantel 50 ist in Umfangsrichtung um eine Nabe 54 einer jeweiligen Kraftstoffdüse 12 angeordnet. Die Stromleithülse (44) ist in Umfangsrichtung um die Deckelanordnung 46 und jeden Mantel (50) herum angeordnet. Jede Kraftstoffdüse 12 in der Kraftstoffdüsenanordnung 42 umfasst einen Kraftstoffströmungspfad 52, die Nabe 54, mehrere Schaufeln 56, die sich von der Nabe 54 aus radial nach außen erstrecken, und den Mantel 50, der um die Nabe 54 und die Schaufeln 56 (z. B. Drallschaufeln) herum angeordnet ist. Jede Schaufel 56 umfasst eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzöffnungen 58. Die Anzahl der Kraftstoffeinspritzöffnungen 58 in jeder Schaufel 56 kann 1 bis 50, 1 bis 10 oder eine beliebige andere Anzahl sein. Jede Schaufel 56 kann beispielsweise auf jeder Seite eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzöffnungen 58 aufweisen. Die zwischen der Nabe 54 und dem Mantel 50 angeordneten mehreren Drallschaufeln 56 sind dafür eingerichtet, die Luft beim Mischen des Kraftstoffs mit der Luft (wie nachfolgend beschrieben) zu verwirbeln.
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Der äußere ringförmige Strömungskanal 45 zwischen der Stromleithülse 44 und der Deckelanordnung 46 umfasst einen stromauf verlaufenden Luftströmungspfad 60. Der Luftströmungspfad 60 erstreckt sich zwischen der Stromleithülse 44 und einer Außenoberfläche 62 des Mantels 50 in Stromaufrichtung 60 zu einem stromauf liegenden Öffnungsbereich 64, der in Umfangsrichtung um jede Kraftstoffdüse 12 angeordnet ist. Der dargestellte Öffnungsbereich 64 ist beispielsweise zwischen einer Innenoberfläche 66 des Mantels 50 und der Nabe 54 angeordnet. Jede Kraftstoffdüse 12 der Kraftstoffdüsenanordnung 42 umfasst einen stromab verlaufenden Luftströmungspfad 68 durch den inneren ringförmigen Strömungskanal 53. Der Luftströmungspfad 68 erstreckt sich zwischen der Nabe 54 und der Innenoberfläche 66 des Mantels 50. Luft tritt in Stromaufrichtung 60 in die Kraftstoffdüsenanordnung 42 ein. Beim Passieren der Stirnplatte 48 tritt die Luft in eine Zone 70 ein und ändert ihre Strömungsrichtung (z. B. in den Biegungen 65 und 67) um circa 180 Grad, um in Stromabrichtung 68 durch den Öffnungsbereich 64 zwischen der Nabe 54 und dem Mantel 50 jeder Kraftstoffdüse 12 zu strömen. Die Luft strömt dann durch den inneren ringförmigen Strömungskanal 53 zwischen der Nabe 54 und dem Mantel 50 zu einem Auslassbereich 72 der Kraftstoffdüsenanordnung 42. Beim Eintritt in die Öffnungsbereiche 64 der Kraftstoffdüsen 12 strömt die Luft stromab zu den Schaufeln 56 und vermischt sich entlang des Luftströmungspfads 68 mit dem Kraftstoff (z. B. mit Hilfe der Kraftstoffeinspritzöffnungen 58 in den Schaufeln 56). Das daraus resultierende Luft-Kraftstoff-Gemisch 74 wird zur Verbrennung zum Auslassbereich 72 der Kraftstoffdüsenanordnung 42 geleitet.
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Jede Kraftstoffdüse 12 kann über eine beliebige Anzahl von Schaufeln 56 verfügen. Beispielsweise kann jede Kraftstoffdüse 12 über 1 bis 20 oder 2 bis 10 Schaufeln 56 oder eine beliebige dazwischen liegende Anzahl von Schaufeln verfügen. Die Schaufeln 56 unterteilen den inneren ringförmigen Strömungskanal 53 in Umfangsrichtung um jede Kraftstoffdüse 12 in mehrere Abschnitte, damit der Luftstrom verwirbelt und die Vermischung von Luft und Kraftstoff eingeleitet wird. Zum Beispiel können 10 gleichmäßig um den Umfang der Kraftstoffdüse 12 verteilte Schaufeln 56 zu 10 Abschnitten von circa je 36 Grad führen. Der in die Zone 70 eintretende Luftstrom neigt dazu, dem Weg des geringsten Widerstands zu folgen, wie der Luftströmungspfad 65 entlang einer Außenoberfläche 63 zeigt. Mit anderen Worten: Der Luftströmungspfad 65 stellt eine Umlenkung des Luftstroms mit großem Radius von dem stromauf verlaufenden Luftströmungspfad 60 durch die Zone 70 zum stromab verlaufenden Luftströmungspfad 68 dar. Im Gegensatz dazu strömt ein geringerer Anteil des Luftstroms entlang einer Umlenkung mit kleinem Biegungsradius in der Nähe der Stirnplatte 48 durch die Zone 70, wie durch den Luftströmungspfad 67 gezeigt wird. Der zwischen der Umlenkung mit dem großen und der Umlenkung mit dem kleinen Biegungsradius (z. B. den Strömungspfaden 65 und 67) ungleich verteilte Luftstrom führt dazu, dass ein ungleich verteilter Luftstrom durch die Öffnungsbereiche 64 in den inneren ringförmigen Strömungskanal 53 eintritt. Der Luftstrom kann insbesondere entlang der Nabe 54 größer und entlang des Mantels 50 in den Öffnungsbereichen 64 kleiner sein. Die Kraftstoffdüsen 12 können außerdem einen ungleich verteilten Luftstrom aus dem äußeren ringförmigen Strömungskanal 45 erhalten, und zwar aufgrund der unterschiedlichen radialen Abstände vom Kanal 45 zum inneren ringförmigen Strömungskanal 53 bei verschiedenen Kraftstoffdüsen 12. Beispielsweise liegt eine zentrale Kraftstoffdüse 78 in einem größeren radialen Abstand zum Kanal 45 als die äußeren Kraftstoffdüsen 76. Außerdem ist es möglich, dass jede Kraftstoffdüse 12 eine größere Luftmenge in größerer radialer Nähe zum Kanal 45 und eine kleinere Luftmenge in größerer radialer Entfernung vom Kanal 45 erhält.
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Die Kraftstoffdüsenanordnung 42 ist jedoch so gestaltet, dass die strömungsarmen Bereiche in den Kraftstoffdüsen 12 wesentlich reduziert oder sogar eliminiert werden, wobei gleichzeitig die Strömungsrichtung des Luftstroms reibungslos geändert wird und Druckabfälle vermieden werden, wie in 3–8 gezeigt. Insbesondere umfasst jede Kraftstoffdüse 12 der Kraftstoffdüsenanordnung 42 eine Strömungsführung 80, die entlang des Luftströmungspfads 68 im Öffnungsbereich 64 stromauf der Drallschaufeln 56 angeordnet ist, die sich zwischen der Nabe 54 und dem Mantel 50 befinden. 4 ist ein Schnitt eines Abschnitts einer einzelnen Kraftstoffdüse 12 und des sie umgebenden Bereichs der Kraftstoffdüsenanordnung 42 aus 3; dargestellt sind Details der Strömungsführung 80. Die Kraftstoffdüsenanordnung 42 und die Kraftstoffdüse 12 sind so gestaltet wie in 3. Die Strömungsführung 80 umfasst einen Führungsabschnitt 92, einen Führungsabschnitt 96 und einen Führungsabschnitt 98. Wie dargestellt, verlaufen die Führungsabschnitte 92 bezogen auf eine Achse 108 der Kraftstoffdüse 12 in einem Winkel, so dass die Führungsabschnitte 92, 96 und 98 den Luftstrom im inneren ringförmigen Strömungskanal 53 umverteilen, wodurch ein gleichmäßigeres Strömungsprofil zwischen der Nabe 54 und dem Mantel 50 erreicht wird.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Führungsabschnitte 92 und 98 entlang der Nabe 54 angeordnet, während der Führungsabschnitt 96 entlang des Mantels 50 verläuft. Bei anderen Ausführungsformen können jedoch ein oder mehrere der Führungsabschnitte 92, 96 und 98 bei der Nabe 54 und dem Mantel 50 entfallen oder anders angeordnet sein. Die Führungsabschnitte 92 und 96 sind stromauf des Führungsabschnitts 98 angeordnet. Die Führungsabschnitte 92 und 96 konvergieren im Allgemeinen in der Nähe des Öffnungsbereichs 64 zueinander (z. B. erhält der innere ringförmige Strömungskanal 53 eine konvergierende Form), wodurch in der Nähe des Öffnungsbereichs 64 ein konvergierender Strömungsabschnitt definiert wird. Im Gegensatz dazu erhält durch den Führungsabschnitt 98 der innere ringförmige Strömungskanal 53 eine divergierende Form, wodurch ein divergierender Strömungsabschnitt stromab der Führungsabschnitte 92 und 96 definiert wird. Verschiedene Ausführungsformen der Strömungsführung 80 können daher als konvergierender-divergierender Abschnitt 81 bezeichnet werden.
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Der Führungsabschnitt 92 dient dazu, den Luftstrom von der Nabe 54 zur Innenoberfläche 66 des Mantels 50 radial nach außen zu lenken – wie allgemein durch den Pfeil 94 angezeigt. Der mit Hilfe des Führungsabschnitts 92 radial nach außen gelenkte Luftstrom 94 trägt zur Umverteilung des Luftstroms bei (z. B. weg vom Luftströmungspfad 65 mit dem großen Radius), so dass der Luftstrom entlang des Mantels 50 verstärkt und der Luftstrom entlang der Nabe 54 reduziert wird; dadurch wird die Gleichverteilung des Luftstroms im Öffnungsbereich 64 verbessert. Der Führungsabschnitt 92 erhöht insbesondere die axiale Geschwindigkeit des Luftstroms entlang des Mantels 50 und reduziert die axiale Geschwindigkeit des Luftstroms entlang der Nabe 54, so dass ein gleichmäßigeres axiales Geschwindigkeitsprofil in dem Kanal 53 zwischen dem Mantel 50 und der Nabe 54 hergestellt wird. Wie in 3 und 4 gezeigt, umfasst der Führungsabschnitt 92 einen ringförmigen Wandabschnitt 100, dessen Durchmesser 102 in der durch den Pfeil 68 gezeigten Stromabrichtung zunimmt. Die dargestellte Ausführungsform des Führungsabschnitts 92 verfügt beispielsweise über einen konisch verlaufenden Wandabschnitt 100, der durch einen im Wesentlichen konstanten Winkel zur Achse 108 der Kraftstoffdüse 12 definiert wird. Bestimmte Ausführungsformen des Führungsabschnitts 92 können allerdings in Stromabrichtung entlang der Achse 108 einen gekrümmten Wandabschnitt 100 aufweisen, der durch einen variablen Winkel (z. B. ein gekrümmtes Profil) definiert wird. Bei beiden Arten von Ausführungsformen divergiert der ringförmige Wandabschnitt 100 im Allgemeinen in Stromabrichtung von der Achse 108, wodurch der zwischen dem Mantel 50 und der Nabe 54 verlaufende Kanal 53 konvergiert.
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Der Führungsabschnitt 96 dient dazu, den Luftstrom radial nach innen zu leiten – wie im Allgemeinen durch den Pfeil 97 gezeigt – um das stromauf liegende Ende des Mantels 50 (z. B. Stirnplatte 48) herum. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Führungsabschnitt 96 eine gekrümmte ringförmige Form auf, deren Winkel zur Achse 108 in Stromabrichtung graduell abnimmt. Der Führungsabschnitt 96 verläuft daher anfänglich mehr in einem Winkel in Richtung auf die Nabe 54 am stromauf liegenden Endabschnitt des Mantels 50 und allmählich mehr in einem Winkel in Stromabrichtung (z. B. parallel zur Achse 108) zu einem stromab liegenden Endabschnitt 110 des Führungsabschnitts 96. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Führungsabschnitt 96 eine konische verlaufende Form aufweisen, die durch einen im Wesentlichen konstanten Winkel zu der Achse 108 definiert ist. Bei vielen Ausführungsformen konvergiert der Führungsabschnitt 96 im Wesentlichen in Stromabrichtung zur Achse 108 und zur Nabe 54, wodurch der zwischen dem Mantel 50 und der Nabe 54 verlaufende Kanal 53 konvergiert. Der Führungsabschnitt 96 trägt dazu bei, den Luftstrom graduell um den stromauf liegenden Endabschnitt des Mantels 50 zu wenden und einen Teil des Luftstroms radial nach innen zur Nabe 54 hin umzuverteilen, wie der Pfeil 97 zeigt. Beispielsweise kann, wie im Folgenden noch ausführlicher erörtert wird, der Führungsabschnitt 96 so in einem Winkel verlaufen und positioniert sein, dass zumindest im Wesentlichen stromab des Führungsabschnitts 92 ein Teil des Luftstroms radial nach innen zur Nabe 54 hin gelenkt wird. Auf diese Weise trägt der Führungsabschnitt 96 dazu bei, die Gleichverteilung des Luftstroms im Öffnungsbereich 64 zu verbessern. Wie in 3 und 4 gezeigt, erstreckt sich der Führungsabschnitt 92 über den Führungsabschnitt 96 überlappend hinaus, wodurch ein axialer Versatz zwischen dem stromab liegenden Endabschnitt 110 des Führungsabschnitts 96 und dem stromab liegenden Endabschnitt 112 des Führungsabschnitts 92 definiert wird. Wie im Folgenden noch ausführlicher erörtert wird, erstreckt sich der Führungsabschnitt 92 axial über den Führungsabschnitt 96 hinaus, um sicherzustellen, dass der durch den Führungsabschnitt 92 gelenkte radial nach außen gerichtete Luftstrom 94 den durch den Führungsabschnitt 96 gelenkten radial nach innen gerichteten Luftstrom 97 dominiert, was zu einer erhöhten Gleichmäßigkeit des Luftströmungsprofils im Kanal 53 beiträgt.
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Der Führungsabschnitt 98 dient dazu, den Luftstrom radial nach innen zu leiten – wie im Allgemeinen durch den Pfeil 99 gezeigt – vom Mantel 50 zur Nabe 54. Der durch den Führungsabschnitt 98 radial nach innen gelenkte Luftstrom 99 trägt zur Umverteilung des Luftstroms bei, wodurch die Gleichverteilung des Luftstroms (z. B. ein gleichmäßigeres axiales Geschwindigkeitsprofil) im Kanal 53 zwischen dem Mantel 50 und der Nabe 54 verbessert wird. Der Führungsabschnitt 98 ermöglicht insbesondere, dass der Luftstrom sich stromab der Führungsabschnitte 92 und 96 ausdehnen und in Richtung auf die Nabe 54 strömen kann. Wie in 3 und 4 gezeigt, umfasst der Führungsabschnitt 98 einen ringförmigen Wandabschnitt 104, dessen Durchmesser 106 in Stromabrichtung abnimmt, wie der Pfeil 68 zeigt. Die dargestellte Ausführungsform des Führungsabschnitts 98 verfügt beispielsweise über einen konisch verlaufenden Wandabschnitt 104, der durch einen im Allgemeinen konstanten Winkel zur Achse 108 der Kraftstoffdüse 12 definiert wird. Bestimmte Ausführungsformen des Führungsabschnitts 98 können allerdings in Stromabrichtung entlang der Achse 108 einen gekrümmten Wandabschnitt 104 aufweisen, der durch einen variablen Winkel definiert wird (z. B. ein gekrümmtes Profil). Bei vielen Ausführungsformen konvergiert der ringförmige Wandabschnitt 104 im Wesentlichen in Stromabrichtung zur Achse 108, wodurch der zwischen dem Mantel 50 und der Nabe 54 verlaufende Kanal 53 divergiert.
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5 ist ein Schnitt einer Ausführungsform der Strömungsführung 80 mit Details des konvergierenden-divergierenden Abschnitts 81, der durch die Führungsabschnitte 92, 96 und 98 definiert wird. Wie im Vorangehenden beschrieben, umfasst die Strömungsführung 80 die Führungsabschnitte 92, 96 und 98, um den Luftstrom im Öffnungsbereich 64 der Kraftstoffdüse 12 reibungslos zu wenden, zu lenken, umzuverteilen und seine Gleichverteilung zu verbessern. Der Führungsabschnitt 92 verläuft beispielsweise von der Nabe 54 aus in einem Winkel radial nach außen in Richtung auf den Mantel, um einen Luftstrom 120 zu einem Bereich 122 mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit (z. B. entlang des Mantels 50) zu leiten, der an eine Biegung zwischen dem stromauf verlaufenden Luftströmungspfad 60 und dem stromab verlaufenden Luftströmungspfad 68 angrenzt. Ohne die Strömungsführung 80 weist der Bereich 122 ein Strömungsdefizit auf (z. B. geringe Geschwindigkeit oder Rückströmen), das der 180-Grad-Biegung um das stromauf liegende Ende des Mantels 50 von dem äußeren ringförmigen Strömungskanal 45 (z. B. dem stromauf verlaufenden Strömungspfad 60) zum inneren ringförmigen Strömungskanal 53 (z. B. dem stromab verlaufenden Strömungspfad 58) zugeschrieben werden kann. Das Strömungsdefizit kann zur Möglichkeit des Flammenhaltens im Bereich 122 oder in dessen Nähe führen. Bei der dargestellten Ausführungsform trägt der Führungsabschnitt 92 dazu bei, das Strömungsdefizit in dem Niedriggeschwindigkeitsbereich 122 zu reduzieren oder zu eliminieren, indem das Strömen von Luft in den Bereich 122 erzwungen wird, wie der Luftstrom 120 zeigt. Die Strömungsführung 80 umfasst auch die Führungsabschnitte 96 und 98, was dazu beiträgt, einen gleichmäßigen Luftstrom (z. B. mit einheitlicher axialer Geschwindigkeit) in Radial- und Umfangsrichtung im gesamten inneren ringförmigen Strömungskanal 53 herzustellen. Die Führungsabschnitte 92 und 96 konvergieren beispielsweise zueinander, wodurch ein konvergierender Abschnitt definiert wird, auf den ein divergierender Abschnitt folgt, der durch den Führungsabschnitt 98 definiert wird. Der konvergierende-divergierende Abschnitt soll dazu dienen, zur Gleichverteilung des Luftstroms stromauf der Schaufeln 56 beizutragen. Die Führungsabschnitte 92 und 96 geben dem Luftstrom auf eine Weise eine konvergierende Form, die eine Geschwindigkeitszunahme des Luftstroms und dessen gleichmäßigere Verteilung in Umfangsrichtung im inneren ringförmigen Strömungskanal 53 erzwingt und dabei gleichzeitig bewirkt, dass der Luftstrom höherer Geschwindigkeit sich in den Bereich 122 bewegt, der ansonsten eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit aufweisen würde. Anschließend gibt der Führungsabschnitt 98 dem Luftstrom auf eine Weise eine divergierende Form, die ermöglicht, dass die Geschwindigkeit des Luftstroms abnimmt, während der Luftstrom gleichzeitig gleichmäßiger in Radialrichtung zwischen dem Mantel 50 und der Nabe 54 verteilt wird.
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Wie bereits erwähnt, sind der stromab liegende Endabschnitt 110 des Führungsabschnitts 96 und der stromab liegende Endabschnitt 112 des Führungsabschnitts 92 so positioniert, dass ein axialer Versatz 124 definiert wird. Der Versatz 124 kann gewählt werden, um die Dominanz des Führungsabschnitts 92 (z. B. nach außen gerichteter Luftstrom 120) im Verhältnis zum Führungsabschnitt 96 (z. B. nach innen gerichteter Luftstrom 123) zu steuern. Ein größerer Versatz 124 kann beispielsweise dazu verwendet werden, für eine größere Dominanz des durch den Führungsabschnitt 92 gelenkten Luftstroms 120 zu sorgen, der zu dem Bereich 122 strömt, der ansonsten eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit aufweisen würde. Im Gegensatz dazu kann ein kleinerer Versatz 124 dazu verwendet werden, für eine größere Dominanz eines durch den Führungsabschnitt 96 zur Nabe 54 gelenkten Luftstroms 123 zu sorgen. Auf diese Weise kann der Versatz 124 so gewählt werden, dass er für ein geeignetes Gleichgewicht zwischen dem nach außen gerichteten Luftstrom 120 und dem nach innen gerichteten Luftstrom 123 sorgt, um ein im Wesentlichen gleichmäßiges Luftströmungsprofil quer über den Kanal 53 herzustellen.
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Entlang des Versatzes 124 umfasst die Strömungsführung 80 einen Führungsabschnitt 119, der im Allgemeinen von der Achse 108 der Kraftstoffdüse 12 divergiert. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Führungsabschnitt 119 von dem stromab liegenden Endabschnitt 110 des Führungsabschnitts 96 und verläuft zum Teil entlang den Führungsabschnitten 92 und 98. Der Führungsabschnitt 119 verfügt über eine ringförmige Oberfläche 121, die eine ringförmige Oberfläche mit variablem Winkel (z. B. gekrümmte ringförmige Oberfläche) oder eine ringförmige Oberfläche mit konstantem Winkel (z. B. konisch verlaufende Oberfläche) sein kann. Bei beiden Ausführungsformen divergiert die ringförmige Oberfläche 121 im Allgemeinen von der Nabe 54 und der Achse 108, wodurch ein Strömungsbereich des inneren ringförmigen Strömungskanals 53 zwischen dem Mantel 50 und der Nabe 54 entweder beibehalten wird oder eine divergierende Form erhält. Die ringförmige Oberfläche 121 kann beispielsweise in einem Winkel verlaufen, damit ein im Wesentlichen konstanter Strömungsbereich zwischen den Führungsabschnitten 92 und 119 beibehalten wird, während der Strömungsbereich zwischen den Führungsabschnitten 98 und 119 eine divergierende Form erhält (vergrößert wird). Wie in 5 gezeigt, verläuft die ringförmige Oberfläche 121 in einem Winkel nach außen zu dem Bereich 122 – der ansonsten eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit aufweisen würde – und trägt so zur Lenkung des Luftstroms zum Bereich 122 bei, um das Strömungsdefizit zu reduzieren. Die Führungsabschnitte 98 und 119 können auch voneinander divergieren, was dazu beiträgt, die Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren und den Luftstrom stromauf der Schaufeln 56 gleichmäßiger zu verteilen.
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Wie in 5 gezeigt, ist ein stromauf liegender Querschnittsbereich 125 im Öffnungsbereich 64 kleiner als ein stromab liegender Querschnittsbereich 128 in der Nähe der Schaufeln 56. Wie bereits erörtert, konvergieren die Führungsabschnitte 92 und 96 zueinander, so dass der stromauf liegende Querschnittsbereich 125 verkleinert wird, während die Führungsabschnitte 98 und 119 voneinander divergieren, so dass der stromab liegende Querschnittsbereich 128 vergrößert wird. Trotz des verkleinerten stromauf liegenden Querschnittsbereichs 125, wird mit Hilfe der Strömungsführung 80, die für einen Luftstrom in den Niedriggeschwindigkeitsbereich 122 sorgt, ein ausreichender Luftstrom aufrechterhalten. Anders ausgedrückt, kann die Strömungsführung 80 dafür ausgelegt sein, den wirksamen Querschnittsbereich (z. B. den tatsächlich von Luft durchströmten Bereich) durch eine gleichmäßige Verteilung des Luftstroms quer über den gesamten inneren ringförmigen Strömungskanal 53 beizubehalten oder zu vergrößern. Außerdem führen möglicherweise die Platzierung der Strömungsführung 80 und der stromauf liegende reduzierte Querschnittsbereich 125 stromauf der Schaufeln 56 nicht zu zusätzlichen Druckverlusten. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Größe des Bereichs 125 1 bis 50, 1 bis 25 oder 5 bis 20 Prozent kleiner als die des Bereichs 128 sein.
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Durch die Strömungsführung 80 entsteht auch ein variabler radialer Spalt 126 im Öffnungsbereich 64, z. B. zwischen der Nabe 54 und dem Mantel 50. Der variable radiale Spalt 126 verkleinert und vergrößert sich in axialer Richtung 130 entlang der Achse 108 der Kraftstoffdüse 12. Wie im Folgenden im Zusammenhang mit 7 ausführlicher erörtert wird, kann sich der variable radiale Spalt 126 auch in Umfangsrichtung um die Achse 108 verändern. Der variable radiale Spalt 126 kann sich in axialer Richtung 130 um circa 1 bis 100, 1 bis 50 oder 1 bis 25 Prozent verändern. Darüber hinaus kann sich der variable radiale Spalt 126, wie nachfolgend noch erörtert wird, in Umfangsrichtung um circa 1 bis 100, 1 bis 50 oder 1 bis 25 Prozent verändern. Der variable radiale Spalt 126 kann gewählt werden, um zur Verteilung des Luftstroms in Radial- und Umfangsrichtung im inneren ringförmigen Strömungskanal 53 beizutragen.
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6 ist ein Schnitt einer Ausführungsform der Kraftstoffdüse 12 mit der Strömungsführung 80 und mit einem konvergierenden-divergierenden Abschnitt 140, wobei der Abschnitt 140 einen größeren Versatz 124 aufweist als der konvergierende-divergierende Abschnitt 81 aus 5. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst die Kraftstoffdüse 12, wie zuvor beschrieben, die Nabe 54, die Schaufeln 56 und den Mantel 50. Der Öffnungsbereich 64 zwischen der Nabe 54 und dem Mantel 50 umfasst den konvergierenden-divergierenden Abschnitt 140. Der konvergierende-divergierende Abschnitt 140 ist entlang des Luftströmungspfads 68 stromauf der Schaufeln 58 und der Kraftstoffeinspritzöffnungen 58 angeordnet. Der konvergierende-divergierende Abschnitt 140 umfasst einen konvergierenden ringförmigen Abschnitt 142 stromauf eines divergierenden ringförmigen Abschnitts 144. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der konvergierende ringförmige Abschnitt 142 einen konisch verlaufenden Wandabschnitt 146 und der divergierende ringförmige Abschnitt 144 umfasst einen konisch verlaufenden Wandabschnitt 148. Wie dargestellt, ist der konisch verlaufende Wandabschnitt 146 entlang einem ringförmigen Wandabschnitt 150 der Nabe 54 so angeordnet, dass der Durchmesser 102 der Nabe 54 in Stromabrichtung entlang des Strömungspfads 68 zunimmt (siehe 3). In ähnlicher Weise ist der konisch verlaufende Wandabschnitt 148 entlang einem ringförmigen Wandabschnitt 152 der Nabe 54 so angeordnet, dass der Durchmesser 106 der Nabe 54 in Stromabrichtung entlang des Strömungspfads 68 abnimmt (siehe 3). Der konvergierende-divergierende Abschnitt 140 umfasst außerdem einen ringförmigen Wandabschnitt 154 entlang des Mantels 50. Der Durchmesser 155 des ringförmigen Wandabschnitts 154 nimmt zumindest in einem Teil des Abschnitts 154 in Stromabrichtung entlang des Strömungspfads 68 zu (siehe 3). Der ringförmige Wandabschnitt 154 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den ringförmigen Wandabschnitt 150.
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Wie im Vorangehenden beschrieben, dient der konvergierende-divergierende Abschnitt 140 dazu, den Luftstrom durch den Öffnungsbereich 64 der Kraftstoffdüse 12 reibungslos zu wenden, zu lenken, umzuverteilen und dessen Gleichverteilung zu verbessern. Der seine Richtung ändernde Luftstrom – im Allgemeinen durch die Pfeile 156 dargestellt – trifft auf den konisch verlaufenden Wandabschnitt 146, der in einem Winkel in Richtung auf den Mantel 50 verläuft. Der konisch verlaufende Wandabschnitt 146 lenkt den seine Richtung ändernden Luftstrom 156 von der Nabe 54 aus radial nach außen in Richtung auf den Mantel 50, wie es im Allgemeinen durch die Pfeile 158 dargestellt wird. Der ringförmige Wandabschnitt 154 hat eine solche Kontur, dass er den seine Richtung ändernden Luftstrom 156 so lenkt, dass dieser den Raum stromab des konisch verlaufenden Wandabschnitts 148 füllt. Durch das Divergieren des konisch verlaufenden Wandabschnitts 148 wird die Ausdehnung des Luftstroms im stromab liegenden Luftströmungspfad 68 ermöglicht, was im Allgemeinen durch die Pfeile 160 dargestellt wird. Der Luftstrom 160 löst sich im stromab verlaufenden Luftströmungspfad 68 nicht von der Nabe 54 und dem Mantel 50 ab. Daher reduzieren oder eliminieren die Wandabschnitte 146, 148 und 154 in Verbindung miteinander wesentlich jegliches Strömungsdefizit (z. B. Niedriggeschwindigkeits- oder Rückströmbereich) entlang des Mantels 50 im Öffnungsbereich 64. Auf diese Weise erhöhen die Wandabschnitte 146, 148 und 154 wesentlich die Gleichverteilung des Luftstroms in axialer Richtung 130 im Öffnungsbereich 64 stromauf der Schaufeln 54 und reduzieren dadurch die Möglichkeit des Flammenhaltens.
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In ähnlicher Weise wie der konvergierendedivergierende Abschnitt 81 aus 5 umfasst der konvergierende-divergierende Abschnitt 140 aus 6 den axialen Versatz 124, der dadurch definiert wird, dass der konisch verlaufende Wandabschnitt 146 über den ringförmigen Wandabschnitt 154 hinausreicht. Der axiale Versatz 124 erstreckt sich zwischen dem stromab liegenden Endabschnitt 110 des ringförmigen Wandabschnitts 154 und dem stromab liegenden Endabschnitt 112 des konisch verlaufenden Wandabschnitts 146. Der dargestellte Versatz 124 in 6 ist größer als der Versatz 124 in 5. Wie bereits erörtert, kann der Versatz 124 gewählt werden, um die Dominanz des konisch verlaufenden Wandabschnitts 146 (z. B. nach außen gerichteter Luftstrom) im Verhältnis zum ringförmigen Wandabschnitt 154 (z. B. nach innen gerichteter Luftstrom) zu steuern. Ein größerer Versatz 124 kann beispielsweise dazu verwendet werden, für eine größere Dominanz des durch den konisch verlaufenden Wandabschnitt 146 gelenkten Luftstroms zu sorgen, der zu dem Bereich entlang des Mantels 50 strömt, der ansonsten eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit aufweisen würde. Bei der dargestellten Ausführungsform kann der axiale Versatz 124 aus 6 circa 1,5 bis 20-mal größer als der axiale Versatz 124 aus 5 sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Versatz 124 auf der Luftdurchflussrate, dem Winkel der konisch verlaufenden Wandabschnitte 146 und 148, dem Winkel oder der Krümmung des ringförmigen Wandabschnitts 154, dem Abstand (z. B. dem variablen radialen Spalt 126) zwischen dem Mantel 50 und der Nabe 54 und/oder verschiedenen anderen Parametern basieren. Der Versatz 124 kann beispielsweise eine Funktion des variablen radialen Spalts 126 am stromab liegenden Endabschnitt 110 des ringförmigen Wandabschnitts 154 sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Versatz 124 circa 0,1 bis 5- oder 0,2 bis 2-mal so groß wie der variable radiale Spalt 126 am stromab liegenden Endabschnitt 110 des ringförmigen Wandabschnitts 154 sein.
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Zusätzlich zum Versatz 124 umfasst die Strömungsführung 80 den variablen radialen Spalt 126 zwischen der Nabe 54 und dem Mantel 50. Wie bereits erörtert, vergrößert und verkleinert sich der variable radiale Spalt 126 in axialer Richtung 130 entlang der Achse 108 der Kraftstoffdüse 12. Wie in 7 und 8 gezeigt, kann der variable radiale Spalt 126 in Umfangsrichtung um die Kraftstoffdüse 12 gleich bleiben oder sich verändern. 7 und 8 sind Schnitte der Kraftstoffdüse 12 entlang der Schnittlinie 7-7 aus 3. Wie gezeigt, kann ein Umfang 170 entweder den Führungsabschnitt 92 oder den Führungsabschnitt 98 der Strömungsführung 80 aus 3–6 darstellen. Wie in 7 dargestellt, vergrößert und verkleinert sich der variable radiale Spalt 126 in Umfangsrichtung 172 um die Achse 108 der Kraftstoffdüse 12. Zum Beispiel ist eine Länge 174 des variablen radialen Spalts 126 auf einer Seite der Kraftstoffdüse 12 größer als eine Länge 176 des variablen radialen Spalts 126 auf einer gegenüberliegenden Seite der Kraftstoffdüse 12. Der variable radiale Spalt 126 kann aufgrund von Asymmetrie entlang des Umfangs 170 der Kraftstoffdüse 12 und entlang des Umfangs 177 des Mantels 50 variieren. Wie gezeigt, ist der Umfang 170 asymmetrisch, indem ein Abschnitt 179 (z. B. ein 180-Grad-Abschnitt) des Umfangs 170 versetzt ist. Daher können der Durchmesser 102 oder 106 (siehe 3) um den Umfang 170 der Kraftstoffdüse 12 variieren. Ebenso kann der Durchmesser 155 um den Umfang 177 des Mantels 50 variieren. Zusätzlich zur Variabilität des variablen radialen Spalts 126 um die Umfänge 170 und 177, kann auch der axiale Versatz 124 zwischen den stromab liegenden Endabschnitten 110 und 112 entlang der Umfänge 170 und 177 variieren. Auf diese Weise kann mit Hhilfe des variablen radialen Spalts 126 und des axialen Versatzes 124 der Luftstrom gesteuert und für einen gleichmäßigeren Luftstrom stromab der Strömungsführung 80 gesorgt werden. Insbesondere kann der variable radiale Spalt 126 in größerer Entfernung von dem äußeren ringförmigen Kanal 45 größer (z. B. die Länge 174 – siehe 3) und näher dem äußeren ringförmigen Kanal 45 kleiner (z. B. die Länge 176) sein. Auf diese Weise kann durch den variablen radialen Spalt 126 ein zusätzlicher Luftstrom in ansonsten strömungsarme Bereiche in der Kraftstoffdüse 12 geleitet werden.
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Alternativ bleibt, wie in 8 gezeigt, der variable radiale Spalt 126 in Umfangsrichtung 172 um die Achse 108 der Kraftstoffdüse 12 gleich. Zum Beispiel ist eine Länge 180 des variablen radialen Spalts 126 auf einer Seite der Kraftstoffdüse 12 gleich der Länge 182 des variablen radialen Spalts 126 auf einer gegenüberliegenden Seite der Kraftstoffdüse 12. Daher bleibt der variable radiale Spalt 126 aufgrund von Symmetrie um beide Umfänge 170 und 176 der Kraftstoffdüse 12 und des Mantels 50 gleich. Aus diesem Grund bleiben die Durchmesser 102, 106 und 155 um die Umfänge 170 und 176 gleich. Der variable radiale Spalt 126 und der axiale Versatz 124 sorgen zusammen mit den anderen Merkmalen der Strömungsführung 80 für einen gleichmäßigeren Luftstrom im stromab liegenden Luftströmungspfad 68 – in Radial- und Umfangsrichtung im inneren ringförmigen Strömungskanal 53 der Kraftstoffdüse 12.
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Die technischen Wirkungen der offenbarten Ausführungsformen umfassen die Anwendung einer verbesserten Lenkung des Luftstroms in der Kraftstoffdüsenanordnung 42. Die verbesserte Lenkung des Luftstroms schließt die Verwendung der Strömungsführung 80 (z. B. der konvergierenden-divergierenden Abschnitte 81 oder 140) zur Umleitung des Luftstroms in strömungsarme Bereiche ein. Die Umlenkung des Luftstroms führt zu einem gleichmäßigen Luftstrom in axialer Richtung, sowohl radial quer über die Kraftstoffdüse 12 als auch in Umfangsrichtung um diese herum. Der umgeleitete Luftstrom führt außerdem zu reduzierten Druckverlusten, während gleichzeitig eine gewisse axiale Geschwindigkeit für alle Schaufelabschnitte bewirkt wird, um das Auftreten von Flammenhalten zu minimieren.
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In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele zur Offenbarung der Erfindung verwendet – darunter die bevorzugte (beste) Ausführungsform (best mode) – die auch dazu dienen sollen, alle Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung anzuwenden, eingeschlossen die Herstellung und Verwendung jeder Vorrichtung oder jedes Systems sowie die Durchführung jedes enthaltenen Verfahrens. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann andere Beispiele einschließen, wie sie Fachleuten einfallen könnten. Derartige andere Beispiele sollen in dem Schutzbereich der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn diese Beispiele strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von der wörtlichen Bedeutung der Ansprüche abweichen, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zur wörtlichen Bedeutung der Ansprüche aufweisen.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen umfasst eine Anlage eine Kraftstoffdüsenanordnung 42. Die Kraftstoffdüsenanordnung 42 umfasst eine Nabe 54, einen um die Nabe 54 herum angeordneten Mantel 50, eine um den Mantel 50 herum angeordnete Stromleithülse 44 und einen Luftströmungspfad, der sich zwischen der Stromleithülse 44 und dem Mantel 50 in Stromaufrichtung zu einem Öffnungsbereich 64 zwischen dem Mantel 50 und der Nabe 54 erstreckt, wobei der Luftströmungspfad sich zwischen der Nabe 54 und dem Mantel 50 in Stromabrichtung von dem Öffnungsbereich 64 zu einem Auslassbereich 72 der Kraftstoffdüsenanordnung 42 erstreckt. Die Kraftstoffdüsenanordnung 42 umfasst außerdem einen Kraftstoffströmungspfad 52, der sich zu zumindest einer Kraftstoffeinspritzöffnung 58 entlang des Luftströmungspfads erstreckt, und eine Strömungsführung 80 die entlang des Luftströmungspfads im Öffnungsbereich 64 angeordnet ist, wobei die Strömungsführung 80 einen ersten Führungsabschnitt 92 umfasst, der dafür eingerichtet ist, einen Luftstrom von der Nabe 54 aus radial nach außen zum Mantel 50 zu lenken.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbinenanlage
- 11
- Gasturbine
- 12
- Mehrere Kraftstoffdüsen
- 14
- Kraftstoffzufuhr
- 16
- Brennkammer
- 18
- Turbine
- 20
- Abgasauslass
- 22
- Welle
- 24
- Verdichter
- 26
- Lufteinlass
- 28
- Last
- 30
- Laufschaufeln
- 32
- Laufschaufeln
- 42
- Kraftstoffdüsenanordnung
- 44
- Stromleithülse
- 45
- Äußerer ringförmiger Strömungskanal
- 46
- Deckelanordnung
- 48
- Stirnplatte
- 50
- Mantel
- 52
- Kraftstoffströmungspfad
- 53
- Innerer ringförmiger Strömungskanal
- 54
- Nabe
- 56
- Mehrere Schaufeln
- 58
- Kraftstoffeinspritzöffnungen
- 60
- Stromauf verlaufender Luftströmungspfad
- 62
- Außenfläche
- 63
- Außenfläche
- 64
- Öffnungsbereich
- 65
- Biegung des Strömungspfads
- 66
- Innenfläche
- 67
- Biegung des Strömungspfads
- 68
- Stromab verlaufender Luftströmungspfad
- 70
- Zone
- 72
- Auslassbereich
- 74
- Luft-Kraftstoff-Gemisch
- 76
- Äußere Kraftstoffdüsen
- 78
- Zentrale Kraftstoffdüse
- 80
- Strömungsführung
- 81
- konvergierender-divergierender Abschnitt
- 92
- Führungsabschnitt
- 94
- Pfeile
- 96
- Führungsabschnitt
- 98
- Führungsabschnitt
- 100
- Ringförmiger Wandabschnitt
- 102
- Durchmesser
- 104
- Ringförmiger Wandabschnitt
- 106
- Durchmesser
- 108
- Achse
- 110
- Stromab liegendes Ende
- 112
- Stromab liegendes Ende
- 119
- Führungsabschnitt
- 120
- Luftstrom
- 121
- Ringförmige Oberfläche
- 122
- Niedriggeschwindigkeitsbereich
- 123
- Nach innen gerichteter Luftstrom
- 124
- Axialer Versatz
- 125
- Tatsächlicher Bereich
- 126
- Variabler radialer Spalt
- 128
- Tatsächlicher Bereich
- 130
- Axiale Richtung
- 140
- konvergierender-divergierender Abschnitt
- 142
- Konvergierender ringförmiger Abschnitt
- 144
- Divergierender ringförmiger Abschnitt
- 146
- Konisch verlaufender Wandabschnitt
- 148
- Konischer verlaufender Wandabschnitt
- 150
- Ringförmiger Wandabschnitt
- 152
- Ringförmiger Wandabschnitt
- 154
- Ringförmiger Wandabschnitt
- 155
- Durchmesser
- 156
- Pfeile
- 158
- Pfeile
- 160
- Pfeile
- 170
- Umfang
- 172
- Umfangsrichtung
- 174
- Breite
- 176
- Breite
- 180
- Breite
- 182
- Breite