Die Erfindung betrifft Brennstoffabfluss-Zumessgeräte für Gasturbinen-Schubverstärker.

Bei schubverstärkten Gasturbinenmaschinen wird Brennstoff nach dem Turbinenabschnitt in die Kerngasströmung eingebracht und verbrannt, um zusätzlichen Schub zu erzeugen. Eine Schubverstärker-Brennstoffpumpe liefert druckbeaufschlagten Brennstoff an eine Schubverstärker-Brennstoffsteuerung, die wiederum den Brennstoff auf eine Mehrzahl von Sprühringen, -balken, -düsen oder Ähnliches, verteilt, die in dem Kerngasströmungsweg hinter der Turbine positioniert sind. Die Position der Sprühringe in dem Kerngasströmungsweg fördert die Gleichförmigkeit bei der Verteilung des Brennstoffs.

Die in dem Kerngasströmungsweg positionierten Sprühringe müssen die durch die Kerngasströmung, welche die Turbine verlässt, gebildete thermische Umgebung tolerieren. Brennstoff, der in den Sprühringen zu lange nach dem Beenden der Schubverstärkernachfrage verbleibt, wird kochen und eine unerwünschte Kohleablagerung hinterlassen. Die Kohleablagerungen können die Ventile in den Sprühringen täuschen und/oder die Leitungen verstopfen, welche die Sprühringe mit der Brennstoffsteuerung verbinden. Um Kohleablagerungen zu vermeiden, sind Sprühringe mit Auslässen zum Ablassen von Brennstoff vorgesehen. Typischerweise erstrecken sich die Auslässe zwischen der Brennstoffsteuerung und dem Inneren des Schubverstärkers, wo der Brennstoff mit der Kerngasströmung, die die Maschine verlässt, weggetragen wird. Der Druckunterschied zwischen dem Brennstoff in den Sprühringen, der durch die Brennstoffpumpe druckbeaufschlagt ist, und dem statischen Druck in dem Schubverstärker in der Nähe des Ablasspunkts zwingt den restlichen Brennstoff aus den Sprühringen.

Um das unerwünschte Verkochen zu vermeiden, ist es wünschenswert, den Brennstoff so schnell wie möglich abzulassen. Unglücklicherweise bewirkt das Ablassen des Brennstoffs mit einer hohen Strömungsrate, dass der Brennstoff eine sichtbare Kennung (schwarzen Rauch) hinterlässt, welche die Düse des Triebwerks verlässt, was für die meisten Anwendungen nicht akzeptabel ist. Eine Fluidströmungs-Zumessvorrichtung, die in der Brennstoffableitung angeordnet ist, misst die Strömungsrate des abgeleiteten Brennstoffs und vermeidet die Kennungsspur.

Strömungszumessvorrichtungen des Stands der Technik beinhalteten einen Spund mit einer Öffnung, die derart bemessen war, dass sie die maximal zulässige Strömungsrate, welche die unerwünschte Kennungsspur vermied, erzeugte. Ein Problem bei diesem Ansatz ist, dass Kohlepartikel, die von den Sprühringen Iosgelöst werden, häufig so groß wie der Durchmesser der Spundöftnung oder größer sind. Teilchen, die durch die Fluidströmung in die Öffnung gezogen werden, können die Fluidströmung durch den Spund behindern oder stoppen und so das Ableiten des Brennstoffs aus den Sprühringen verlangsamen oder verhindern, was wiederum bewirkt, dass der Brennstoff länger in den Sprühringen verbleibt. Die längere Verweilzeit führt zu dem genannten unerwünschten Verkoken.

Benötigt wird eine Strömungszumessvorrichtung, die eine Fluidvolumenströmung präzise zumisst, eine die mit Fremdverschmutzung ohne Verstopfen umgehen kann und eine, die für den Fall der Aufnahme von Fremdverschmutzung selbstreinigend ist.

US-A-4 715 395 beschreibt einen Fluidströmungsregulator für eine Gasturbinenbrennstoffversorgung. FR-A-1 088 797 beschreibt eine Vorrichtung, um einer Fluidströmung, insbesondere in Wärmetauschern, zu widerstehen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Fluidableit-Zumessvorrichtung für einen Gasturbinenschubverstärker bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist.

Somit ist eine Fluidströmungs-Zumessvorrichtung vorgesehen, welche einen Körper und eine Mehrzahl von Strömungsbehinderungsplatten aufweist. Ein Kanal erstreckt sich durch den Körper, und die Strömungsbehinderungsplatten sind in dem Kanal beabstandet angeordnet. Die Räume zwischen den Strömungsbehinderungsplatten können als Kammern bezeichnet werden. Jede Strömungsbehinderungsplatte weist eine Öffnung auf, die der Innenwandoberfläche des Kanals benachbart positioniert ist und diese berührt und mit Öffnungen in benachbarten Platten fehlausgerichtet ist. Ein Strömungsmuster Seite-zu-Seite wird durch die Position der Öffnungen relativ zu der Innenwandoberfläche des Kanals und die Fehlausrichtung zwischen Öffnungen in benachbarten Platten erzeugt. Das Strömungsmuster Seite-zu-Seite "schrubbt" die Kammer und verhindert so die Ansammlung von Fremdverschmutzung in der Strömungszumessvorrichtung.

Einer der klaren Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, dass größere Stücke an Fremdverschmutzung aufgenommen werden können, ohne die Strömungszumessvorrichtung zu verstopfen, als das bei Verwendung von Vorrichtungen des Stands der Technik möglich ist. Strömungszumessvorrichtungen des Stands der Technik, welche sich auf eine einzige Öffnung zum Zumessen der Fluidströmung stützen, können Schmutzstücke nicht tolerieren, die größer sind als der Durchmesser der Öffnung. Die vorliegende Erfindung kann andererseits die gleiche Strömungszumessung schaffen wie die genannten Vorrichtungen mit fester Öffnung, und dabei Öffnungen verwenden, die deutlich größer sind. Die deutlich größeren Öffnungen der vorliegenden Erfindung erlauben somit viel größere Stücke von Schmutz und vermindern somit ein Verstopfen in vielen Fällen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Fluidströmungs-Zumessvorrichtung Mittel zum Selbstreinigen für den Fall aufweist, dass ein Schmutzstück aufgenommen wird. Einige Zumessvorrichtungen des Stands der Technik erlauben das Ansammeln von Fremdschmutz, was schließlich die Strömung beschränkt oder verhindert. Die vorliegende Erfindung weist andererseits Strömungsbehinderungsplatten auf, die voneinander beabstandet sind, wobei die Öffnung von jeder der Innenwand des Kanals benachbart positioniert ist und zu benachbarten Öffnungen fehlausgerichtet ist. Zusammen bilden diese Merkmale ein internes Fluidströmungsmuster Seite-zu-Seite. Das Strömungsmuster Seite-zu-Seite kann Strömungswirbel in den zwischen den Strömungsbehinderungsplatten und der Innenwandoberfläche des Kanals gebildeten Ecken induzieren. Das Strömungsmuster Seite-zu-Seite und die induzierten Wirbel schrubben die Kammern, die zwischen Strömungsbehinderungsplatten gebildet sind, und verhindern das Ansammeln von Fremdschmutz in dem Kanal. Somit kann die vorliegende Erfindung als "selbst-reinigend" beschrieben werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:

1 ist eine schematische Ansicht einer Gasturbinenmaschine.

2 ist eine schematische Teilansicht eines Schubverstärkers einer Gasturbinenmaschine.

3 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Strömungszumessvorrichtung der vorliegenden Erfindung.

4 zeigt den Fluidströmungsweg Seite-zu-Seite in der Strömungszumessvorrichtung der vorliegenden Erfindung.

Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10 weist einen Bläserabschnitt 12, einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 16, eine Brennkammereinrichtung 18, eine Niederdruckturbine 20 und eine Hochdruckturbine 22, einen Schubverstärker 24 und eine Düse 26 auf. Der Bläserabschnitt 12 und der Niederdruckverdichter 14 sind miteinander verbunden und durch die Niederdruckturbine 20 angetrieben. Der Hochdruckverdichter 16 wird von der Hochdruckturbine 22 angetrieben. Luft, die durch den Bläserabschnitt 12 bearbeitet wurde, wird entweder als "Kerngasströmung" in den Niederdruckverdichter 14 gelangen oder wird als "Bypassluft" in eine Passage 27 außerhalb des Maschinenkerns gelangen.

Es wird auf die 2 Bezug genommen. Der Schubverstärker 24 weist eine Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28, eine Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30, Mittel 32 zum Verteilen des Brennstoffs und einen Flammenhalter 34 auf. Die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 und die -steuerung 30 sind an einer Außenoberfläche der Maschine 10 dem Schubverstärker 24 benachbart angebracht. Die Einrichtung 32 zum Verteilen des Brennstoffs weist eine Mehrzahl von Sprühringen 36 auf, die in dem Kerngasströmungsweg 38 angeordnet sind. Der Fachmann wird erkennen, dass Sprühbalken, -düsen oder Ähnliches (nicht gezeigt) als eine Alternative zu Sprühringen 36 verwendet werden können. Der Flammenhalter 34 ist ein aerodynamischer Prallkörper, der in dem Kerngasströmungsweg 38 strömungsabwärts der Sprühringe 36 angeordnet ist. Eine Zündeinrichtung (nicht gezeigt) ist normalerweise der strömungsabwärtigen Seite des Flammenhalters 34 benachbart positioniert. Eine Rohrleitung 40 verbindet die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 mit der Brennstoffsteuerung 30 und die Brennstoffsteuerung 30 mit den Sprühringen 36. Die Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30 weist eine Ableitöffnung 42 zum Aufnehmen einer Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 44 auf. Eine Ableitleitung 46, die mit der Brennstoftableit-Zumessvorrichtung 44 mittels eines Rohranschlusses 70 verbunden ist, erstreckt sich zwischen der Zumessvorrichtung 44 und dem Kerngasströmungsweg 38 den Sprühringen 36 benachbart.

Es wird auf die 3 und 4 Bezug genommen. Die Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 47 weist einen Körper 48, eine Mehrzahl von Strömungsbehinderungsplatten 50 und Befestigungsmittel 52 auf. Der Körper 48 hat einen sich in Längsrichtung durch den Körper 48 erstreckenden Kanal 54. In der bevorzugten Ausführungsform sind der Körper 48 und der Kanal 54 zylinderförmige geformt. Die Strömungsbehinderungsplatten 50 sind in dem Kanal 54 gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet und bilden Kammern 57 zwischen Platten 50. Ecken 51 sind zwischen den Strömungsbehinderungsplatten 50 und der Innenwandoberfläche 62 des Kanals 54 gebildet. Die Befestigungsmittel 52 weisen einen ersten männlichen Gewindebereich 64, einen zweiten männlichen Gewindebereich 66 und einen Sechskantkopf 68 auf. Der erste männliche Gewindebereich 64 ist in die Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30 geschraubt, und eine Rohrbefestigung 70 (siehe 2) befestigt die Ableitleitung 46 an dem zweiten männlichen Gewindebereich 66.

Jede Strömungsbehinderungsplatte 50 hat eine Öffnung 56, die bemessen ist, dass sie die Passage des größten angenommen Fremdschmutzstücks erlaubt. Die Öffnung ist in jeder Platte 50 der Innenwandoberfläche 62 des Kanals 54 benachbart positioniert. Jede Öffnung 56 ist auch zu der Öffnung 56 einer jeden benachbarten Platte 50 fehlausgerichtet. Bei der bevorzugten Version der Ausführungsform sind die Öffnungen 56 kreisförmig, wobei jede den gleichen Durchmesser hat, und um 180° gegenüber benachbarte Öffnungen 56 fehlausgerichtet ist.

Es wird auf die 2 Bezug genommen. Beim Betrieb der Vorrichtung erzeugt Brennstoff, der dem Schubverstärker 24 während schubverstärktem Flug zugeführt wird, Schub zusätzlich zu dem, der normalerweise durch das Triebwerk 10 erzeugt wird. Die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 liefert auf Nachfrage den Brennstoff bei einem hohen Druck ("P_aug") zu der Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30. Die Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30 verteilt den Brennstoff auf die Sprühringe 36 bei dem gleichen Druck ("P_aug"), wobei wenig Druck in Folge von Leckströmung und/oder Leitungsverlusten abfällt. Der Brennstoff füllt anschließend die Sprühringe 36 und druckbeaufschlagt sie und wird in die Kerngasströmung über Ventile (nicht gezeigt) abgegeben, die in den Sprühringen 36 angeordnet sind. Zünder (nicht gezeigt) entzünden anschließend die Mischung aus Brennstoff und Kerngasströmung, die typischerweise entzündet bleibt, bis die Brennstoffzufuhr unterbunden wird. Der den Sprühringen 36 benachbarte statische Druck in dem Schubverstärker 24 kann mit dem Symbol "P_stat" bezeichnet werden. Der Brennstoffdruck in den Sprühringen 36 bei Schubverstärkung ist viel größer als der statische Druck in dem Schubverstärker 24 in der Nachbarschaft der Sprühringe 36 (P_aug >> P_stat).

Wenn die Schubverstärkeranforderung beendet wird, stoppt die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 das Zuführen von Brennstoff zu der Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30, und die Ventile (nicht gezeigt), die in den Sprühringen 36 angeordnet sind, schließen. Zu diesem Zeitpunkt sind die Schubverstärkerbrennstoffsteuerung 30, die Rohrleitung 40 zwischen der Steuerung 30 und den Sprühringen 36 und die Sprühringe 36 mit Brennstoff bei oder in der Nähe des durch die Schubverstärker-Brennstoffpumpe 28 etablierten Drucks (P_aug) gefüllt. Zur gleichen Zeit oder kurz danach öffnet ein Ableitventil (nicht gezeigt), welches in der Schubverstärker-Brennstoffsteuerung 30 angeordnet ist, und erlaubt es dem druckbeaufschlagten Brennstoff, die Steuerung 30, die Rohrleitung 40 und die Sprühringe 36 über die Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 44 und die Ableitleitung 36 zu verlassen.

Die Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 44 behindert die Brennstoffströmung, welche die Sprühringe 36, die Steuerung 30 und die Rohrleitung 40 verlässt und begrenzt so die Volumenströmungsrate von Brennstoff, der in die Kerngasströmung abgeleitet wird. Die Strömungsrate durch die Zumessvorrichtung 44 hängt von den physikalischen Eigenschaften der Zumessvorrichtung 44, den physikalischen Eigenschaften des durch die Vorrichtung 44 strömenden Brennstoffs und der Umgebung, in der die Vorrichtung 44 und das Fluid arbeiten, ab. In den meisten Fällen werden die physikalischen Eigenschaften des Brennstoffs und der Umgebung in Betracht gezogen, wenn die physikalischen Eigenschaften der Zumessvorrichtung 44 bestimmt werden.

Es wird auf die 3 und 4 Bezug genommen. Bei der vorliegenden Erfindung erzeugen der Abstand der Strömungsbehinderungsplatten 50 in dem Kanal 54, die Position der Öffnungen 56 in den Platten 50 und die Fehlausrichtung zwischen benachbarten Öffnungen 56 einen Seite-zu-Seite-Strömungsweg 55 durch die Zumessvorrichtung 44. Der Seite-zu-Seite-Strömungsweg 55 erzeugt Wirbel 53 in dem Fluid in den Ecken 51, wie man in 4 sehen kann, was hilft, das Einnisten und/oder das Ansammeln von Fremdschmutz in der Zumessvorrichtung 44 zu verhindern. Der relativ enge Abstand zwischen Platten 50 zwingt die Strömung, sich in einer schrubbenden Weise zu krümmen, wenn sich die Strömung radial von Öffnung 56 zu Öffnung 56 bewegt, und erzeugt Wirbel 53 in allen Kammerecken 51. Ein zu großer Abstand zwischen den Platten 50 wird die internen Geschwindigkeiten in dem Seite-zu-Seite-Strömungsweg 55 zwischen benachbarten Öffnungen 56 verringern. Das schwächt die Ausbildung der Wirbel, die erforderlich sind, um das Ansammeln von Fremdschmutz zu verhindern. Ein zu geringer Zwischenraum zwischen Platten 50 wird eine unerwünschte Zunahme bei der Fluidimpedanz erzeugen und in einem gewissen Maße die Effektivität des Seite-zu-Seite-Strömungswegs zum Hindurchleiten von Fremdschmutz verringern. Der exakte Zwischenraum für die Strömungsbehinderungsplatten 50, der zum Ausbilden des vorangehend beschriebenen Seite-zu-Seite-Strömungswegs 55 und der Wirbel 53 erforderlich ist, wird abhängig von den Betriebszuständen der Anwendung (d. h. der Temperatur, der Druckdifferenz darüber, das verwendete Fluid, die Viskosität des Fluids etc.) variieren und kann empirisch bestimmt werden.

Die Druckdifferenz (P_aug – P_stat = &Dgr;P), welche den Brennstoff durch die Brennstoffableit-Zumessvorrichtung 44 treibt, verschwindet, wenn der Brennstoff abgegeben wird. Gleichzeitig absorbiert der in den Sprühringen 36 verbleibende Brennstoff mehr thermische Energie von der Kerngasströmung, welche an den Sprühringen 36 vorbei strömt. Wenn ausreichende thermische Energie übertragen wird, beginnt der Brennstoff zu verdampfen und erhöht so den Druck in den Sprühringen 36, was weiter den Brennstoff durch die Zumessvorrichtung 44 und die Ableitleitung 46 treibt. Schließlich gleicht sich der Druck in den Sprühringen 36 und dem Schubverstärker 24 aus, wo die Ableitleitung 46 den Brennstoff in die Kerngasströmung abgibt.

Aus der vorangegangenen Beschreibung erkennt man, dass die Erfindung eine Brennstoffableit-Zumessvorrichtung bereitstellt, welche Brennstoffströmung korrekt zumisst, die Fremdteilchen akzeptieren kann, ohne zu verstopfen, und die für den Fall, dass ein Teilchen aufgenommen wurde, selbstreinigend ist.

Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf die detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, abzugehen. Beispielsweise zeigen die 3 und 4 eine Strömungszumessvorrichtung 44 mit sieben Strömungsbehinderungsplatten 50. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Anzahl von Behinderungsplatten 50 variieren.