DE102010002044A1

DE102010002044A1 - Brennstoffdüse mit aerodynamisch geformten, spiralförmigen Umlenkschaufeln

Info

Publication number: DE102010002044A1
Application number: DE102010002044A
Authority: DE
Inventors: Brandon P. Williams; Kevin E. Thompson; Robert R. Fogarty
Original assignee: Delavan Inc
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: GB201309512D0; GB2468025A; FR2942296A1; DE102010002044B4; US9513009B2; GB2501192A; GB201002607D0; FR2942296B1; GB2501192B; US20100205971A1; GB2468025B; US10295187B2; US20170038072A1

Abstract

Eine Brennstoffdüse für einen Gasturbinenmotor ist offenbart, welche einen Düsenkörper (20) umfasst mit einer Längsachse, einem länglichen ringförmigen Luftdurchgang (48), welcher im Inneren des Düsenkörpers (20) definiert ist, und einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, sich axial erstreckenden Drallschaufeln (50), welche im Inneren des ringförmigen Luftdurchgangs (48) angeordnet sind, wobei jede Drallschaufel (50) mehrere miteinander verbundene Steigungen und eine variable Dicke längs der axialen Erstreckung derselben hat.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf Brennstoffdüsen für Gasturbinenmotoren gerichtet und insbesondere auf einen Luftdrallerzeuger für Brennstoffdüsen, welcher aerodynamisch geformte, spiralförmige Umlenkschaufeln hat, um die durch den Drallerzeuger strömende Luftströmung effektiv in Drehung zu versetzen bzw. umzulenken, während das Risiko einer Ablösung minimiert ist.
2. BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
In einer Brennstoffdüse für einen Gasturbinenmotor wird Verdichteraustrittsluft zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff verwendet. Insbesondere stellt die Luft einen Mechanismus bereit, um eine Brennstoffschicht in einen fein verteilten Sprühnebel zu zerlegen, welcher in die Brennkammer eines Triebwerks eingeleitet wird. Öfters wird die Luft durch einen Kanal geleitet, welcher dazu dient, die Luft in Drehung zu versetzen oder ihr einen Drall zu verleihen. Diese wirbelnde Luftströmung dient dazu, die Verbrennungsreaktion zu stabilisieren.
Es gibt viele Arten, einen Drall in einer Brennstoffdüse auszubilden. Historisch wurden spiralförmige Leitschaufeln oder Schaufeln oder Flügel verwendet aufgrund ihrer Fähigkeit, die Luftströmung effektiv in Drehung zu versetzen. Diese Schaufeln erzeugen für viele Triebwerksanwendungen akzeptable Luftströmungscharakteristika. Wenn ein höherer Drallfaktor für eine bestimmte Triebwerksanwendung verlangt war, gab es jedoch eine Tendenz der Luftströmung, sich von den spiralförmigen Schaufeln abzulösen. Dies wurde üblicherweise mit einer Reduzierung der Effizienz des geometrischen Durchflussquerschnitts der Düse in Verbindung gebracht.
Um eine Ablösung abzuschwächen, wurden Schaufeln mit mehreren verbundenen Steigungen entworfen, welche dabei helfen konnten, die Luftströmung in Drehung zu versetzen. Diese Schaufeln waren typischerweise mit einer höheren Effektivität des geometrischen Durchflussquerschnitts der Düse verbunden. Solche Verbesserungen führten zu einer effektiveren Verwendung der Luftgeschwindigkeit zur Zerstäubung.
Es wurden auch Luftdrallerzeuger entwickelt, welche aerodynamische Umlenkschaufeln bzw. Luftleitbleche verwenden, wie in dem US-Patent Nr. 6,460,344 von Steinthorsson et al. beschrieben, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Diese tragflächenprofilförmigen Umlenkschaufeln sind darin effektiv, der zerstäubenden Luftströmung einen Drall zu verleihen. Sie stellen jedoch ein im Wesentlichen gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil an der Düse bereit.
Es wäre vorteilhaft, einen Luftdrallerzeuger für eine Brennstoffdüse bereitzustellen, welcher Umlenkschaufeln aufweist, welche die vorteilhaften Aspekte von mehreren verbundenen spiralförmigen Steigungen und einer aerodynamischen Form vereinigen. Auf diese Weise könnte eine Luftströmung durch den Drallerzeuger effektiv in Drehung versetzt werden, während das Risiko einer Ablösung minimiert wäre.
ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf eine neue und nützliche Brennstoffdüse für einen Gasturbinenmotor gerichtet. Die neuartige Brennstoffdüse umfasst einen Düsenkörper mit einer Längsachse, einem länglichen ringförmigen Luftdurchgang, welcher im Inneren des Düsenkörpers definiert ist, und einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, sich axial erstreckenden Drallschaufeln, welche im Inneren des ringförmigen Luftdurchgangs angeordnet sind, wobei jede Drallschaufel mehrere verbundene Steigungen (leads) und eine variable Dicke längs ihrer axialen Erstreckung hat.
Jede Drallschaufel umfasst einen stromaufwärtigen Schaufelabschnitt, welcher eine Eintrittskantenfläche hat, und einen stromabwärtigen Schaufelabschnitt, welcher eine Austrittskantenfläche hat. Die Eintrittskantenfläche von dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt von jeder Schaufel ist in einem Winkel relativ zu der Längsachse des Düsenkörpers angeordnet. Der Winkel von der Eintrittskantenfläche von jeder Schaufel definiert eine Anfangsneigung längs der axialen Erstreckung von dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt. Die Neigung (pitch) (oder Steigung oder Längsneigung) von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt von jeder Schaufel verändert sich von der Neigung von dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt von jeder Schaufel, was eine Schaufel mit mehreren verbundenen Steigungen ausbildet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verändert sich die Neigung von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt kontinuierlich längs im Wesentlichen der gesamten axialen Erstreckung des stromabwärtigen Schaufelabschnitts. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bleibt die Neigung von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt für ein bestimmtes axiales Schaufelsegment oder im Wesentlichen für die gesamte axiale Länge von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt konstant. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben zwei oder mehrere benachbarte axiale Schaufelsegmente von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt unterschiedliche, jedoch konstante Neigungen, sodass der stromabwärtige Schaufelabschnitt mehrere miteinander verbundene Steigungen längs seiner axialen Erstreckung hat. In jedem Fall umfasst jede Schaufel einen Schaufelübergangsabschnitt, welcher den stromaufwärtigen Schaufelabschnitt sanft in den stromabwärtigen Schaufelabschnitt übergehen lässt.
Jede Schaufel hat eine maximale Normaldicke, welche dem Schaufelübergangsabschnitt zugeordnet ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verändert sich die Schaufelnormaldicke von dem Schaufelübergangsabschnitt zu der Austrittskantenfläche von der Schaufel oder nimmt anderenfalls von dem Schaufelübergangsabschnitt zu der Austrittskantenfläche von der Schaufel ab. Vorzugsweise verändert sich auch die Schaufelnormaldicke von dem Schaufelübergangsabschnitt zu der Eintrittskantenfläche von der Schaufel oder nimmt anderenfalls von dem Schaufelübergangsabschnitt zu der Eintrittskantenfläche von der Schaufel ab. Es ist jedoch vorgesehen, dass der Schaufeleintrittsabschnitt, welcher sich von der Vorderkante zu dem Übergangschaufelabschnitt erstreckt, eine konstante Schaufeldicke haben könnte. Es ist auch vorgesehen, dass irgendein axiales Schaufelsegment längs der axialen Erstreckung der Schaufel eine konstante Schaufeldicke haben könnte. In jedem Fall dient die resultierenden tragflächenprofilförmigen, spiralförmigen Schaufeln der vorliegenden Erfindung dazu, effektiv einen hohen Drallgrad zu verleihen, während sie das Risiko einer Ablösung minimieren.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf einen neuen und nützlichen Luftdrallerzeuger für eine Brennstoffdüse gerichtet. Der neuartige Luftdrallerzeuger umfasst eine zentrale Nabe, welche eine Längsachse definiert, und eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandete, sich axial erstreckende, aerodynamisch geformte Drallschaufeln, welche sich von der Nabe radial auswärts erstrecken, wobei jede Drallschaufel längs ihrer axialen Erstreckung mehrere verbundene Steigungen hat.
Diese und andere Merkmale der Brennstoffdüse und des Luftdrallerzeugers der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, die zusammen mit den verschiedenen Zeichnungsfiguren verwendet wird, leichter verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit Fachleute, für welche die vorliegende Erfindung bestimmt ist, leicht verstehen, wie die tragflächenprofilförmigen, spiralförmigen Umlenkschaufeln der vorliegenden Erfindung ohne übertriebenes Experimentieren herzustellen und zu verwenden sind, werden bevorzugte Ausführungsformen derselben nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf bestimmte Figuren beschrieben, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffeinspritzeinrichtung ist, welche eine Düsenanordnung umfasst, welche einen Luftdrallerzeuger mit tragflächenprofilförmigen, spiralförmigen Umlenkschaufeln hat, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert sind;
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Düsenanordnung im Querschnitt längs einer Linie 2-2 von 1 ist, welche den äußeren Luftdrallerzeuger und einen inneren Brennstoffkreis der Düsenanordnung veranschaulicht;
3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten Düsenanordnung ist, wobei ein Abschnitt von der äußeren Luftkappe weggeschnitten ist, um die in Umfangsrichtung beabstandeten tragflächenprofilförmigen, spiralförmigen Umlenkschaufeln von dem Luftdrallerzeuger zu zeigen; und
4 eine Seitenansicht von einem Luftdrallerzeuger ist, welcher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welcher vier tragflächenprofilförmige, spiralförmige Umlenkschaufeln umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in welchen gleiche Bezugszahlen gleichartige strukturelle Merkmale oder Elemente von den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen oder ansonsten auf diese verweisen, ist in 1 eine Brennstoffeinspritzeinrichtung für einen Gasturbinenmotor veranschaulicht. Die Brennstoffeinspritzeinrichtung 10 umfasst einen länglichen Zuleitungsarm 12 mit einem Einlassabschnitt 14 zur Aufnahme von Brennstoff, einem Montageflansch 16 zur Befestigung der Brennstoffeinspritzeinrichtung 10 an dem Gehäuse eines Gasturbinenmotors und einer Düsenanordnung 20 an dem unteren Ende des Zuleitungsarms 12, um zerstäubten Brennstoff in die Brennkammer eines Gasturbinenmotors abzugeben.
Auf 2 Bezug nehmend umfasst die Düsenanordnung 20 der Brennstoffeinspritzeinrichtung 10 u. a. einen aufachsigen Brennstoffkreis 30 und einen äußeren Luftdrallerzeuger 40, welcher radial auswärts von dem Brennstoffkreis 30 angeordnet ist. Der axiale Brennstoffkreis 30 gibt Brennstoff von einer Auslassöffnung 32 ab. Der Luftdrallerzeuger 40 ist durch eine äußere Luftkappe 42 und eine innere Nabe 44 begrenzt. Der Luftdrallerzeuger 40 umfasst eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung angeordneten, gleich weit voneinander beabstandeten Umlenkschaufeln 50, welche eine Mehrzahl von Luftströmungskanälen 48 ausbilden. Die Umlenkschaufeln 50 sind dazu ausgebildet und konfiguriert, der Luftströmung einen Drall zu verleihen, welcher auf den von der Auslassöffnung 32 abgegebenen Brennstoff gerichtet ist. Die auf den Brennstoff auftreffende wirbelnde Luft bewirkt eine Stabilisierung der Verbrennungsreaktion und eine Verbesserung der Brennstoffzerstäubung. Die Anzahl an beabstandeten Umlenkschaufeln 50 in dem Luftdrallerzeuger 40 kann abhängig von der Düse und/oder Triebwerksanwendung variieren. Es ist vorgesehen, dass der Luftdrallerzeuger 40 zwischen drei und fünfzehn Umlenkschaufeln umfassen kann, jedoch abhängig von der Anwendung mehr haben kann.
Wie am besten in 3 zu sehen ist, hat jede Umlenkschaufel 50 in dem Luftdrallerzeuger 40 ein aerodynamisches oder tragflächenprofilförmiges Querschnittsprofil. Das heißt, die Dicke oder Breite von jeder Umlenkschaufel 50 verändert sich über die axiale Länge der Schaufel. Folglich hat jede Umlenkschaufel 50 eine Saugseite oder Niederdruckseite P_L und eine entgegengesetzte Hochdruckseite P_H. Die relative Druckdifferenz auf den entgegengesetzten Schaufeloberflächen bewirkt, dass die wirbelnde Luftströmung quer durch den Drallerzeuger an den Schaufelwänden anliegend gehalten wird. Als Ergebnis strömt Luft effizient durch den Luftdrallerzeuger 40, ohne sich von den Schaufeln abzulösen.
Nun auf 4 Bezug nehmend, ist dort ein beispielhafter Luftdrallerzeuger 40 dargestellt, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Dieser beispielhafte Luftdrallerzeuger hat vier tragflächenprofilförmige Umlenkschaufeln 50. Jede Umlenkschaufel 50 in dem Luftdrallerzeuger 40 umfasst drei sich axial erstreckende Schaufelabschnitte, welche sich von der Eintrittskante 52 der Schaufel zu der Austrittskante 54 der Schaufel erstrecken. Diese drei Schaufelabschnitte umfassen einen stromaufwärtigen Schaufelabschnitt 56, welcher typischerweise eine kleine oder keine diesem zugeordnete spiralförmige Neigung (helical pitch) (Neigung oder Längsneigung oder Steigung oder Pitch) hat, einen stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58, welcher eine diesem zugeordnete variierende spiralförmige Neigung hat, und einen Schaufelübergangsabschnitt 60, welcher zwischen dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt 56 und dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58 angeordnet ist und dazu dient, die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Schaufelabschnitte sanft ineinander übergehen zu lassen, um eine Umlenkschaufel mit mehreren miteinander verbundenen Steigungen (leads) auszubilden.
Bezüglich der variierenden Neigung (varying pitch) von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58 verändert sich in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Neigung (pitch) kontinuierlich längs im Wesentlichen der gesamten axialen Erstreckung von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich die Neigung von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58 von der Neigung von dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt 56 und ist längs im Wesentlichen der gesamten axialen Erstreckung von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58 konstant gehalten. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben zwei oder mehr benachbarte axiale Segmente von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58 unterschiedliche, aber konstante Neigungen, sodass der stromabwärtige Schaufelabschnitt 58 mehrere miteinander verbundene Steigungen längs seiner axialen Erstreckung hat.
Der Schaufelübergangsabschnitt 60 ist durch einen Ausrundungsfaktor (Fillet Faktor) FF definiert, welcher ein dimensionsloser Wert (z. B. 1,2) ist, der mit der Schaufeldicke in Beziehung steht und ausgewählt ist, um die Ränder der Schaufelabschnitte 56 und 58 so sanft als möglich ineinander übergehen zu lassen. Die Eintrittskante 52 von jeder Schaufel 50 ist vorzugsweise abgerundet (z. B. 0,012 Zoll) und kann in einem Winkel bezüglich der Längsachse des Drallerzeugers 40 orientiert sein. Der Winkel der Eintrittskante 52 von jeder Schaufel 50 (d. h. der Schaufeleinlasswinkel) definiert im Wesentlichen die Neigung von dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt 56. Vorzugsweise ist der Winkel von der Eintrittskante 52 so orientiert, dass er irgendeine schräge Richtung der Luftströmung in den Drallerzeuger 40 ausgleicht. Wenn die in den Luftdrallerzeuger 40 strömende Luft beispielsweise eine schräge Richtung (oder Neigung) (bias) von 5% hat, würde der Winkel von der Eintrittskante 52 von jeder Schaufel 50 auf 5° gesetzt werden und somit würde der stromaufwärtige Schaufelabschnitt 56 eine diesem zugeordnete Steigung von 5° haben. Typischerweise beträgt der Winkel an der Eintrittskante der Schaufel 0° und in solchen Fällen hat der stromaufwärtige Schaufelabschnitt 56 keine damit verbundene spiralförmige Neigung. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Basis 55 von jeder Schaufel 50 an der inneren Nabe 44 abgerundet (z. B. 0,1 Zoll).
Wie oben beschrieben, hat jede Umlenkschaufel 50 einen stromabwärtigen, spiralförmig geneigten Schaufelabschnitt 58. Es ist vorgesehen, dass die Steigungsrichtung von dem spiralförmig geneigten Schaufelabschnitt abhängig von dem Gesamtdüsendesign linksdrehend oder rechtsdrehend sein kann. Beispielsweise kann die Neigungsrichtung der Schaufeln 50 dieselbe sein wie oder entgegengesetzt sein zu der Neigungsrichtung eines inneren Luftdrallerzeugers, eines anderen äußeren Luftdrallerzeugers oder eines Brennstoffdrallerzeugers, welcher dem in 2 gezeigten aufachsigen Brennstoffkreis 30 zugeordnet ist.
Wie oben beschrieben, verändert sich in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Neigung von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58 kontinuierlich längs der axialen Erstreckung der Umlenkschaufel 50. In einem solchen Fall ist die Steigung (lead) oder spiralförmige Neigung (helical pitch) von jeder Schaufel 50 in dem Drallerzeuger 40 an irgendeinem gegebenen Punkt x längs der axialen Erstreckung der Schaufel, welche als die momentane Steigung ρ_x bezeichnet wird, durch die folgende Gleichung definiert:
wo ∅_mean der mittlere Durchmesser oder Spannweitenmittendurchmesser (mid-span diameter) der Schaufel ist (z. B. 0,30 Zoll) und bezüglich des größeren (major) Durchmessers und des kleineren (minor) Durchmessers des Drallerzeugers definiert ist durch die Gleichung:
und β*x der momentane Schaufelwinkel ist, welcher definiert ist durch die Gleichung: β*x = β*TE – (β*TE – β*i )(1 – Δ)LF wo: β*TE der Austrittskantenschaufelwinkel in der Spannweitenmitte ist (z. B. 45°); β*i der Eintrittskante-zu-Umlenkung-Übergangswinkel in der Spannweitenmitte ist (z. B. 10°); Δ das Schaufellängenverhältnis ist, welches ein nachstehend definierter dimensionsloser Betrag ist; und LF der aerodynamische Lastfaktor ist.
Das Schaufellängenverhältnis Δ, welches nachstehend auch verwendet wird, um die momentane Schaufeldicke t_x an irgendeinem vorgegebenen Punkt längs der axialen Erstreckung der Schaufel zu definieren, ist definiert durch die folgende Gleichung:
wo: L die Gesamtlänge der Schaufel ist (z. B. 0,4 Zoll); x die axiale Schaufelposition längs der axialen Erstreckung der Schaufel ist; und l der aerodynamische Einlass ist.
Der aerodynamische Einlass l, welcher die Längserstreckung der Schaufel von der Eintrittskante der Schaufel zu einem Punkt ist, an welchem die Schaufelspirale den Wert von dem Einlasssabschnitt verändert, ist definiert durch die folgende Gleichung: l = γ(tmax – 2rLE)wo: γ der aerodynamische Einlassfaktor (Lead-In Factor) ist (z. B. 2,3); t_max die maximale Schaufelnormaldicke ist (z. B. 0,06 Zoll); und r_LE der Eintrittskantenradius ist (z. B. 0,012 Zoll). Ein kleinerer Wert für den aerodynamischen Einlassfaktor führt zu einem kürzeren stromaufwärtigen Einlassabschnitt, bevor eine Drehung bzw. Umlenkung beginnt, wohingegen ein größerer Wert zu einem längeren stromaufwärtigen Einlassabschnitt mit einem kürzeren stromabwärtigen Umlenkungsabschnitt führt.
Fachleute werden leicht einsehen, dass je größer der aerodynamische Lastfaktor LF ist, umso größer der Umlenkungs- bzw. Drehbetrag ist, welcher zum Einlassabschnitt der Schaufel hin auftreten wird. Im umgekehrten Fall, je kleiner der Lastfaktor LF, umso größer wird der Umlenkungs- bzw. Drehbetrag sein, welcher an der Austrittskante der Schaufel auftritt. Das mit der Bestimmung eines höheren Lastfaktors verbundene Risiko besteht darin, dass sich die Luftströmung von der Saugfläche der Schaufel ablösen kann. Das mit der Bestimmung eines niedrigeren Lastfaktors verbundene Risiko besteht darin, dass es eine nicht konsistente Umlenkung oder Drehung der Luftströmung durch den Drallerzeuger geben kann, bei der die Austrittsluft stark von dem Schaufelaustrittswinkel abweicht. Eine genaue Balance muss daher erreicht werden, um sicherzustellen, dass die Luftströmung an den Schaufelwänden über die gesamte Erstreckung des Dralldurchgangs 48 angelagert bleibt.
Wie oben erwähnt, hat jede Umlenkschaufel 50 eine aerodynamische oder Tragflächenprofilform. Somit verändert sich die Breite oder Dicke von jeder Umlenkschaufel 50 längs ihrer Achse. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verändern sich die Dicke und Neigung kontinuierlich längs der axialen Erstreckung des stromabwärtigen Schaufelabschnitts 58. In dieser Hinsicht wird die Dicke einer Schaufel 50 an irgendeiner gegebenen axialen Position x als die momentane Schaufelnormaldicke t_x ausgedrückt, welche definiert ist durch die folgende Gleichung: tx = tmax – (tmax – tTE)(Δ)TF wo: t_max die maximale Schaufelnormaldicke ist (z. B. 0,08 Zoll); t_TE die Schaufelaustrittskantendicke ist (z. B. 0,025 Zoll); und TF der Dickenfaktor ist, welcher ein dimensionsloser Betrag (z. B. 1,6) ist, welcher die Verteilung der Änderung in der Dicke der Umlenkschaufel im Übergang von der Eintrittskante der Schaufel zur Austrittskante der Schaufel steuert.
Die maximale Schaufelnormaldicke t_max erscheint in dem Schaufelübergangsabschnitt 60 zwischen dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt 56 und dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58. Die Schaufelaustrittskantendicke t_TEist die Dicke oder Breite der Schaufel an der Austrittskante 54. Es ist vorgesehen, dass die Austrittskante 54 von jeder Schaufel 50 mit oder ohne einen Radius ausgebildet sein kann. Ferner kann die Schaufelaustrittskantendicke t_TE auf eine akzeptable Balance zwischen einer Herstellbarkeit und einer Tendenz, stromabwärtige Wirbel abzustoßen, welche den Zerstäubungsprozess negativ beeinflussen können, minimiert sein.
Wie oben beschrieben, steuert der Dickenfaktor TF die Änderung in der Dicke von jeder Schaufel 50. Folglich wird ein größerer Dickenfaktor die Dickenänderung längs der axialen Erstreckung des stromabwärtigen Schaufelabschnitts 58 zu der Austrittskante 54 verzögern. Im Gegensatz dazu wird ein kleinerer Dickenfaktor rasch die Breite der Schaufel von einer maximalen Dicke zu einer minimalen Dicke näher an dem Schaufelübergangsabschnitt 60 ändern.
Wie oben beschrieben, unterscheidet sich in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Neigung von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58 von der Neigung von dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt 56 und ist längs im Wesentlichen der gesamten axialen Erstreckung des stromabwärtigen Schaufelabschnitts 58 konstant gehalten. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben zwei oder mehr benachbarte axiale Schaufelsegmente von dem stromabwärtigen Schaufelabschnitt 58 unterschiedliche, aber konstante Neigungen, sodass der stromabwärtige Schaufelabschnitt 58 mehrere miteinander verbundene Steigungen längs der axialer Erstreckung desselben hat.
In solchen Fällen ist der momentane Schaufelwinkel über ein bestimmtes axiales Schaufelsegment, welches sich von einer axialen Anfangsstelle zu einer axialen Endstelle erstreckt, definiert durch die Gleichung: β*x = β*f – (β*f – β*i )(1 – Δl)LF wo: Δ_l das Schaufellängenverhältnis für das axiale Schaufelsegment ist und definiert ist durch die folgende Gleichung:
Ferner ist die momentane Schaufelnormaldicke t_x über ein bestimmtes axiales Schaufelsegment, welches sich von einer axialen Anfangsstelle zu einer axialen Endstelle erstreckt, definiert durch die folgende Gleichung: tx = ti – (ti – tf)(Δt)TF wo: Δ_t das Schaufeldickenverhältnis für das axiale Schaufelsegment ist, und definiert ist durch die folgende Gleichung:
Im Hinblick auf jede der vorangehenden Gleichungen werden Fachleute leicht einsehen, dass die hier beschriebene einzigartige aerodynamische Schaufelgeometrie äußerst variabel ist. Das heißt, für irgendein gegebenes axiales Schaufelsegment längs der Länge der Umlenkschaufel könnte die Schaufeldicke variieren, während die Neigung konstant bleibt, die Schaufeldicke könnte konstant bleiben, während die Neigung variiert, oder sowohl die Schaufeldicke als auch die Neigung könnten sich ändern.
Es ist vorgesehen und gut im Schutzbereich der zu Grunde liegenden Offenbarung, dass die Tragflächenprofilgeometrie von den spiralförmigen Umlenkschaufeln 50 von dem Luftdrallerzeuger 40 definiert werden kann unter Verwendung der vierstelligen Definitionen, fünfstelligen Definitionen oder der modifizierten vier-/fünfstelligen Definitionen des National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). In jedem Fall wird die Tragflächenprofilform er zeugt unter Verwendung analytischer Gleichungen, welche die Wölbung (Krümmung) der Mittellinie (geometrische Mittellinie) von dem Tragflächenprofilabschnitt beschreibt, wie auch die Dicken- oder Breitenverteilung längs der Länge des Tragflächenprofils. Wenn die Koordinaten des Tragflächenprofils einmal definiert sind, würden sie in Spiraldefinitionen umgewandelt, um den Umlenkabschnitt der Schaufel auszubilden. Diesbezüglich würde ein Durchmesser ausgewählt werden und die Steigung würde dann an dem Durchmesser festgestellt werden. Die Dicke würde dann zu jeder Seite der Wölbungslinie addiert werden und die resultiernden Werte würden auf die größeren und kleineren Durchmesser der Schaufel hochgerechnet werden.
Fachleute werden leicht einsehen, dass über die Höhe von jeder Schaufel in dem Luftdrallerzeuger der zu Grunde liegenden Erfindung die Profiltiefenachse der Schaufel und der damit verbundene Umlenkwinkel sich kontinuierlich ändern. Ferner nimmt als ein Ergebnis der hier beschriebenen neuartigen Schaufelgeometrie das Winkelgeschwindigkeitsprofil der Luftströmung durch den Drallerzeuger über die Höhe der Schaufeln für eine verbesserte Zerstäubung zu. Somit ist die Luftgeschwindigkeit am Ausgang des Drallerzeugers nicht gleichmäßig.
Während die zu Grunde liegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute leicht einsehen, dass verschiedene Änderungen und/oder Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der zu Grunde liegenden Offenbarung abzuweichen.
Während beispielsweise der Luftdrallerzeuger der zu Grunde liegenden Erfindung unter Bezugnahme auf ein spezielles Brennstoffdüsendesign gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute leicht einsehen, dass der neuartige Luftdrallerzeuger der zu Grunde liegenden Erfindung mit einer Vielzahl von verschiedenen Arten von Brennstoffzerstäubungsdüsen verwendet werden kann. Diese könnten Luftstrombrennstoffdüsen, Doppel- oder Mehrfachluftstromdüsen, luftunterstützte Brennstoffdüsen, Simplex- oder Einöffnungs brennstoffdüsen, Duplex- oder Doppelöffnungsbrennstoffdüsen oder pilotierte Luftstrombrennstoffdüsen umfassen, wo der Luftdrallerzeuger für eine Hauptbrennstoffzerstäubung, Pilotbrennstoffzerstäubung oder beides verwendet werden könnte. Es ist auch vorgesehen, dass die hier offenbarten aerodynamisch geformten, spiralförmigen Umlenkschaufeln dafür verwendet werden könnten, durch einen Brennstoffdrallerzeuger oder eine Einspritzeinrichtung passierendes Fluid oder Gas effektiv in Drehung zu versetzen bzw. Umzulenken.
Eine Brennstoffdüse für einen Gasturbinenmotor ist offenbart, welche einen Düsenkörper umfasst mit einer Längsachse, einem länglichen ringförmigen Luftdurchgang, welcher im Inneren des Düsenkörpers definiert ist, und einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, sich axial erstreckenden Drallschaufeln, welche im Inneren des ringförmigen Luftdurchgangs angeordnet sind, wobei jede Drallschaufel mehrere miteinander verbundene Steigungen und eine variable Dicke längs der axialen Erstreckung derselben hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6460344 [0005]

Claims

Brennstoffdüse für einen Gasturbinenmotor, umfassend: a) einen Düsenkörper (20) mit einer Längsachse (C_L); b) einen länglichen, ringförmigen Luftdurchgang (48), welcher im Inneren des Düsenkörpers (20) definiert ist; und c) eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, sich axial erstreckenden Drallschaufeln (50), welche im Inneren des ringförmigen Luftdurchgangs (48) angeordnet sind, wobei jede Drallschaufel (50) mehrere verbundene Steigungen und eine variable Dicke (t_x) längs der axialen Erstreckung (L) derselben hat.
Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Drallschaufel (50) einen stromaufwärtigen Schaufelabschnitt (56) mit einer Eintrittskantenfläche und einen stromabwärtigen Schaufelabschnitt (58) mit einer Austrittskantenfläche umfasst.
Brennstoffdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskantenfläche von dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt (56) von jeder Schaufel (50) in einem Winkel relativ zu der Längsachse (C_L) des Düsenkörpers (20) angeordnet ist.
Brennstoffdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Eintrittskantenfläche von jeder Schaufel (50) eine Anfangsneigung längs der axialen Erstreckung des stromaufwärtigen Schaufelabschnitts (56) definiert.
Brennstoffdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stromabwärtige Schaufelabschnitt (58) eine sich kontinuierlich verändernde Neigung längs der axialen Erstreckung desselben hat.
Brennstoffdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stromabwärtige Schaufelabschnitt (58) eine konstante Neigung längs einer axialen Erstreckung desselben hat.
Brennstoffdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (50) einen Schaufelübergangsabschnitt (60) umfasst, welcher den stromaufwärtigen Schaufelabschnitt (56) in den stromabwärtigen Schaufelabschnitt (58) übergehen lässt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (50) eine maximale Normaldicke (t_max) hat, welche dem Schaufelübergangsabschnitt (60) zugeordnet ist.
Brennstoffdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schaufelnormaldicke (t_x) von dem Schaufelübergangsabschnitt (60) zu der Austrittskantenfläche der Schaufel (50) verändert.
Brennstoffdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelnormaldicke (t_x) für wenigstens ein axiales Segment der Schaufel (50) von dem Schaufelübergangsabschnitt (60) zu der Austrittskantenfläche der Schaufel (50) konstant bleibt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schaufelnormaldicke (t_x) von dem Schaufelübergangsabschnitt (60) zu der Eintrittskantenfläche der Schaufel (50) verändert.
Brennstoffdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelnormaldicke (t_x) von dem Schaufelübergangsabschnitt (60) zu der Eintrittskantenfläche der Schaufel (50) konstant bleibt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse ferner einen Brennstoffkreis (30) umfasst, welcher im Inneren des Düsenkörpers (20) benachbart dem ringförmigen Luftdurchgang (48) definiert ist.
Luftdrallerzeuger für eine Brennstoffdüse, umfassend: a) eine Zentralnabe (44), welche eine Längsachse (C_L) definiert; b) eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, sich axial erstreckenden aerodynamisch geformten Drallschaufeln (50), welche sich von der Nabe (44) radial auswärts erstrecken, wobei jede Drallschaufel (50) mehrere miteinander verbundene Steigungen längs der axialen Erstreckung (L) derselben hat.
Luftdrallerzeuger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede Drallschaufel (50) einen stromaufwärtigen Schaufelabschnitt (56) mit einer Eintrittskantenfläche und einen stromabwärtigen Schaufelabschnitt (58) mit einer Austrittskantenfläche hat.
Luftdrallerzeuger nach Anspruch 15, wobei die Eintrittskantenfläche von dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt (56) von jeder Schaufel (50) in einem Winkel relativ zu der Längsachse (C_L) der Zentralnabe (44) angeordnet ist, was eine Anfangsneigung längs der axialen Erstreckung von dem stromaufwärtigen Schaufelabschnitt (56) definiert.
Luftdrallerzeuger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der stromabwärtige Schaufelabschnitt (58) eine sich kontinuierlich verändernde Neigung längs der axialen Erstreckung desselben hat.
Brennstoffdüse nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der stromabwärtige Schaufelabschnitt (58) eine konstante Neigung längs einer axialen Erstreckung desselben hat.
Luftdrallerzeuger nach Anspruch 15, wobei jede Schaufel (50) einen Schaufelübergangsabschnitt (60) umfasst, welcher den stromaufwärti gen Schaufelabschnitt (56) in den stromabwärtigen Schaufelabschnitt (58) übergehen lässt.
Luftdrallerzeuger nach Anspruch 19, wobei jede Schaufel (50) eine maximale Normaldicke (t_max) hat, welche dem Schaufelübergangsabschnitt (60) zugeordnet ist.
Luftdrallerzeuger nach Anspruch 20, wobei sich die Schaufelnormaldicke (t_x) von dem Schaufelübergangsabschnitt (60) zu der Austrittskantenfläche der Schaufel (50) verändert.
Luftdrallerzeuger nach Anspruch 20, wobei die Schaufelnormaldicke (t_x) für wenigstens ein axiales Segment der Schaufel (50) von dem Schaufelübergangsabschnitt (60) zu der Austrittskantenfläche der Schaufel (50) konstant bleibt.
Luftdrallerzeuger nach Anspruch 20, wobei sich die Schaufelnormaldicke (t_x) von dem Schaufelübergangsabschnitt (60) zu der Eintrittskantenfläche der Schaufel (50) verändert.