DE69405411T2 - Brennstoffgekühltes verteilerventil für eine stufenbrennkammer - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Flußverteilerventil für eine Gasturbinenmaschine und insbesondere ein Flußverteilerventil für eine Hauptstufe einer Gasturbinenmaschine mit einem mehrstufigen Brenner.
• Obwohl die Erfindung auf dem Gebiet der Flugzeugtriebwerke entwickelt wurde, findet sie auch in anderen Gebieten Anwendung, in denen Gasturbinenmaschinen mit mehrstufigen Brennern verwendet werden.
• Eine typische Gasturbinenmaschine weist eine Verdichterabschnitt, einen Brenner und einen Turbinenabschnitt auf. Durch die Gasturbinenmaschine strömendes Arbeitsfluid wird in dem Verdichterabschnitt verdichtet, um dem Arbeitsfluid Energie zuzuführen. Das verdichtete Arbeitsfluid verläßt den Verdichterabschnitt und gelangt in den Brenner. In dem Brenner wird das Arbeitsfluid mit zugeführtem Kraftstoff vermischt und entzündet. Die Verbrennungsprodukte läßt man dann durch den Turbinenabschnitt strömen, wo dem Arbeitsfluid Energie entzogen wird. Ein Teil der entzogenen Energie wird zurück zu dem Verdichterabschnitt transferiert, um einströmendes Arbeitsfluid zu verdichten, und der Rest kann zu anderen Zwecken verwendet werden.
• Gasturbinenmaschinen müssen über einen Bereich von Betriebszuständen effizient funktionieren. Für eine Gasturbinenmaschine, die für Luftfahrtanwendungen verwendet wird, entspricht Betrieb bei niedriger Leistung Leerlaufbetrieb, Betrieb bei hoher Leistung entspricht Start und Steigflug, wobei Reiseflug und Anflug/Absteigen in einen mittleren Schubbereich zwischen niedriger und hoher Leistung fallen. Bei niedriger Leistung müssen die Kraftstoff/Luftverhältnisse relativ fett gehalten werden, um einen Ausfall (Blow out) zu vermeiden. Zu einem Ausfall kommt es, wenn das Kraftstoff/Luftverhältnis in dem Brenner unter eine Mager-Stabilitätsgrenze fällt. Als Folge der niedrigen Verbrennungstemperatur und des niedrigen Verbrennungsdrucks ist die Effizienz der Verbrennung relativ gering. Bei hoher Leistung ist das Krafstoff/Luftverhältnis nahe beim stöchiometrischen Verhältnis, um die Effizienz zu maximieren.
• Der Verbrennungsprozeß erzeugt zahlreiche Nebenprodukte, wie Rauchteilchen, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxide und Stickoxide. Bei geringer Leistung führt die geringere Effizienz der Verbrennung zu der Erzeugung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxiden. Bei hoher Leistung nimmt die Erzeugung von Stickoxiden mit der Zunahme der Betriebtemperatur und der Verweilzeit zu. Die Verweilzeit ist definiert als die Zeitdauer, die die Verbrennungsmischung über einer bestimmten Temperatur verbleibt. Das Verringern der Betriebstemperatur kann die Leistungsabgabe der Gasturbinenmaschine verringern. Das Verringern der Verweilzeit kann zu einer weniger effizienten Verbrennung und zu einer höheren Erzeugung von Kohlenmonoxid führen. Aus Umweltgründen sind diese Nebenprodukte unerwünscht. In den vergangenen Jahren wurde viel der Forschung und Entwicklung, die sich auf die Verbrennung in Gasturbinenmaschinen bezogen hat, auf das Reduzieren der Emissionen derartiger Nebenprodukte fokussiert.
• Eine bedeutsame Entwicklung bei den Brennern von Gasturbinenmaschinen war die Einführung von Brennern mit mehreren Stufen. Ein Brenner mit mehreren Stufen weist typisch eine Pilotstufe, eine Hauptstufe und möglicherweise eine oder mehrere Zwischenstufen auf. Ein Beispiel eines derartigen Brenners ist in dem U.S. Patent Nr. 4,265,615, mit dem Titel "Fuel Injection System for Low Emission Burners" beschrieben, das Lohmann et al. erteilt wurde.
• Bei niedriger Leistung wird nur die Pilotstufe betrieben. Das erlaubt Kraftstoff/Luftverhältnisse näher beim stöchiometrischen Verhältnis, und die Effizient beim Leerlaufbetrieb ist dadurch erhöht, und die Erzeugung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxiden beim Leerlaufbetrieb ist verringert. Bei hoher Leistung wird die Pilotstufe und eine oder mehrere der anderen Stufen betrieben. Das Vorsehen von mehreren Stufen reduziert die Verweilzeit in jeder einzelnen Stufe im Verhältnis zu einer einzigen großen Brennkammer. Die geringere Verweilzeit führt zu einer geringeren Produktion von Stickoxiden. Das Vorsehen von mehreren Stufen erlaubt es auch, das Äquivalenzverhältnis über einen Bereich von Betriebszuständen zu optimieren. Als Folge des Vorsehens mehrerer Stufen anstelle einer einzigen Stufe ist die Emission unerwünschter Nebenprodukte der Verbrennung verringert und die Gesamteffizienz verbessert.
• Ein Kraftstoffversorgungssystem für einen gestuften Brenner ist erforderlich, um jeder Stufe Kraftstoff wie benötigt zuzuführen und um den Kraftstoff auf die Kraftstoffeinspritzdüsen jeder Stufe gleichmäßig zu verteilen. Ein Weg, das zu bewerkstelligen, ist es, ein ringförmiges Verteilersystem, das jede Stufe umgibt, und ein Schaltventil vorzusehen, das den Kraftstoff auf jedes der Verteilersysteme verteilt. Ein Beispiel eines derartigen Kraftstoffversorgungssystems ist in dem U.S. Patent Nr. 4,903,478 mit dem Titel "Dual Manifold Fuel System" beschrieben, das Seto et al. erteilt wurde. Wie darin beschrieben ist, weist das Kraftstoffsystem ein erstes Kraftstoffverteilersystem, ein zweites Kraftstoffverteilersystem, einen Regler, der den Kraftstoff zu den Verteilersystemen leitet, und ein Absperrventil auf, das zwischen dem Kraftstoffregler und dem zweiten Kraftstoffverteilersystem angeordnet ist. Das Absperrventil öffnet und schließt sich in Reaktion auf den Betriebszustand der Maschine. Ein Nachteil dieser Konfiguration ist der, daß bei geschlossenem Absperrventil Kraftstoff aus dem Hauptkraftstoffverteilersystem austreten kann. Vor dem Starten der Hauptstufe müssen das Kraftstoffverteilersystem und die zugehörigen Kraftstoffleitungen vorab gefüllt werden. Das Vorab-Füllen des Hauptverteilersystems und der dazugehörigen Kraftstoffleitungen kann die Reaktionsfreudigkeit des Kraftstoffversorgungssystems verschlechtern, wenn dieser Beschränkung nicht in irgendeiner Weise Rechnung getragen wird.
• In dem U.S. Patent Nr. 4,964,270, das Taylor et al. erteilt wurde und den Titel "Gas Turbine Engine Fuel System" trägt, ist ein anderer Typ eines Systems mit doppeltem Verteilersystem beschrieben. Bei dem darin beschriebenen System verhindert ein Solenoidventil einen Kraftstofffluß durch ein Starterverteilersystem während des normalen Triebwerksbetriebs. Das Kraftstoffsystem weist ferner ein Ablaßsystem auf, um das Starterverteilersystem von Kraftstoff zu entleeren. Der Kraftstoff wird entleert, statt es zuzulassen, daß kleine Kraftstoffmengen zum Kühlen durch das Verteilersystem fließen, um ein Koken des Kraftstoffs in den Kraftstoffeinspritzdüsen zu verhindern, die mit dem Starterverteilersystem verbunden sind.
• Ein anderer Typ eines Kraftstoffversorgungssystems verwendet ein Flußverteilerventil oder auch Kraftstoffdistributierventil für jede Stufe. Das Flußverteilerventil verteilt den Fluß auf die Kraftstoffeinspritzdüsen in jeder Stufe. Ein Beispiel eines Flußverteilerventils ist in dem U.S. Patent Nr. 5,003,771 mit dem Titel "Fuel Distribution Valve for a Combustion Chamber" beschrieben, das Kester et al. erteilt wurde. Dieses Dokument beschreibt ein Kraftstoffverteilerventil und ein Kraftstoffversorgungssystem mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 3. Bei diesem Systemtyp ist die Funktion des vorangehend beschriebenen Absperrventils in das Flußverteilerventil aufgenommen. Das Flußverteilerventil ersetzt die großen Verteilersysteme und verringert in der Folge die Menge des erforderlichen Vorab-Füllens.
• Trotz des vorangenannten Stands der Technik arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure unter der Leitung der Anmelderin an der Entwicklung reaktionsfreudiger und robuster Kraftstoffversorgungssysteme für gestufte Brenner.
• Die vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, daß das Schließen eines Hauptstufen-Verteilerventils eines mehrstufigen Brenners während Nur-Pilotbetrieb zu Kraftstoffleckage aus dem Verteilerventil führen kann. Während gestuftem Betrieb wird Hauptstufenkraftstoff, der in dem Verteilerventil fließt, von dem Verteilerventil Wärme entfernen. Aber während Pilotbetrieb gibt es keinen Fluß von Hauptstufenkraftstoff und die entsprechende Wärmeabfuhr von dem Verteilerventil ist unterbunden. Das Überhitzen des Verteilerventils kann zu einer Beschädigung der Dichtungen in dem Verteilerventil oder zu einer Beschädigung der strukuturellen Integrität des Verteilerventilkörpers führen. Außerdem kann das der Hitze der Pilotverbrennung Aussetzen des stehenden Kraftstoffs, der während Nur-Pilotbetrieb in dem Flußverteilerventil vorhanden ist, zu Koken des stehenden Kraftstoffs und Verschlechterung des Flußverteilerventils führen.
• Die vorliegende Erfindung ist gegenüber dem vorangenannten Stand der Technik dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffverteilerventil aufweist: einen Kühlfluideinlaß, der mit der Aufteileinrichtung über die Pilotkraftstoffleitung verbindbar ist; und einen Kühlfluidauslaß, der mit der Pilotstufe verbindbar ist; und eine Kühlschleife, die sich zwischen dem Kühlfluideinlaß und dem Kühlfluidauslaß erstreckt und eine Passage zum Strömen von Kühlfluid definiert, wodurch beim Betrieb durch die Kühlschleife fließender Pilotkraftstoff Wärme von dem Verteilerventil während des Betriebs der Gasturbinenmaschine abzieht.
• Deshalb weist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Hauptflußverteilerventil eine Kühlschleife auf, die sich mit einer Pilotkraftstoffleitung in Fluidverbindung befindet. Pilotkraftstoff, der während aller Betriebszustände der Gasturbinenmaschine fließt, wird durch das Verteilerventil fließen, um von dem Verteilerventil Wärme abzuführen, selbst wenn das Hauptflußventil geschlossen ist.
• Gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Kraftstoffversorgungssystem für einen mehrstufigen Brenner ein Hauptflußverteilerventil mit einem Kühlfluideinlaß, einem Kühlfluidauslaß und einer sich zwischen dem Kühlfluideinlaß und dem Kühlfluidauslaß erstreckenden Kühlschleife auf, die eine Passage zum Fließen von Pilotkraftstoff durch das Verteilerventil definiert.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Kraftstoffversorgungssystem ein Entlastungsventil auf, das in der Pilotkraftstoffleitung angeordnet ist und eine erste mit der Kühlschleife durch eine Kühlleitung verbundene Öffnung und eine zweite mit den Pilotkraftstoffeinspritzdüsen verbundene Öffnung aufweist. Das Entlastungsventil öffnet sich, wenn der Fluiddruck in der Kühlleitung ein Schwellenniveau überschreitet, so daß ein Teil des Pilotkraftstoffs den Hauptflußverteiler umströmt und direkt zu den Pilotkraftstoffeinspritzdüsen fließt.
• Ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die mit dem Hauptflußverteilerventil integrale Kühlschleife. Ein Merkmal einer speziellen Ausführungsform ist das Kraftstoffversorgungssystem mit einem gekühlten Hauptflußverteiler. Ein Merkmal einer weiteren Ausführungsform ist das Entlastungsventil in der Pilotkraftstoffleitung.
• Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung liegt in dem minimalen Risiko für Kraftstoffleckage infolge von durch Hitze beschädigte Dichtungen als Folge davon, daß das Hauptflußverteilerventil während aller Betriebszustände der Maschine gekühlt ist. Durch den Körper des Flußverteilerventils fließender Pilotkraftstoff, der während aller Betriebszustände der Maschine fließt, kühlt das Ventil und verhindert ein Überhitzen der darin angeordneten Dichtungen. Ein weiterer Vorteil ist das minimierte Risiko funktionaler Beschädigungen infolge von Überhitzen des Hauptkraftstoffverteilerventilgehäuses und dessen Struktur. Die Funktionsbauteile und die strukturelle Integrität des Verteilerventils sind hitzempfindlich und werden durch die Kühlschleife geschützt. Ein weiterer Vorteil ist das verringerte Risiko des Kokens in dem Ventil während des Pilotbetriebs. Da das Hauptflußverteilerventil während des Pilotbetriebs geschlossen ist, verbleibt ein Teil des Hauptkraftstoffs in dem Verteilerventil. Dieser Kraftstoff ist der Hitze von der Pilotverbrennung ausgesetzt und ist, da er stillsteht, dieser Hitze über ausgedehnte Verweilzeiten ausgesetzt. Dieses Risiko wird durch Verringern der Temperatur des Flußverteilerventils durch das Übertragen der Hitze auf den Pilotfluß verringert. Ein Vorteil der speziellen Ausführungsform ist die Ansprechfreudigkeit des Kraftstoffversorgungssystems als Folge davon, daß das Erfordernis eliminiert ist, das Hauptflußverteilerventil und die zugehörigen Hauptkraftstoffleitungen während Nur-Pilotbetriebszuständen zu entleeren. Ein weiterer Vorteil der speziellen Ausführungsform ist die Umleitung eines Teils des Pilotflusses durch die Kühlschleife als Folge des Entlastungsventils. Da nur ein Teil zum Kühlen benötigt ist, minimiert das Umleiten von nur der erforderlichen Menge von Pilotfluß die Größe der Kühlschleifen und dadurch der dazugehörigen Hardware. Außerdem minimiert das Entlastungsventil die Änderung der Flußrate durch die Kühlschleife und erlaubt es so, die Größe der Kühlschleifenpassage für einen kleinen Bereich von Flußraten zu optimieren. Das Entlastungsventil hält einen Druck über die Kühlschleife während der Betriebszustände der Maschine aufrecht.
• Gewisse bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
• Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Gasturbinenmaschine mit einem zweistufigen Brenner, die ein Kraftstoffversorgungssystem aufweist.
• Fig. 2 ist eine zum Teil geschnittene Seitenansicht des zweistufigen Brenners.
• Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Flußverteilerventils mit einer Kühlschleife.
• Figuren 4a und 4b sind Ansichten, die entlang der Linie a-a bzw. b-b von Fig. 4 genommen wurden.
• Fig. 5 ist eine Seitenansicht im Schnitt des Flußverteilerventils.
• Die Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenmaschine 10 und weist eine schematische Zeichnung eines Kraftstoffversorgungssystems 14 auf. Die Gasturbinenmaschine 10 weist einen Niederdruckverdichter 16, einen Hochdruckverdichter 18, einen Verbrennungsabschnitt 22, eine Hochdruckturbine 24 und eine Niederdruckturbine 26 auf. Die Gasturbinenmaschine 10 ist um eine Längsachse 28 angeordnet und weist einen ringförmigen Strömungsweg 32 auf, der um die Achse 28 angeordnet ist.
• Der Verbrennungsabschnitt 22 ist in Fig. 2 detaillierter gezeigt. Der Verbrennungsabschnitt 22 ist ein mehrstufiger Brenner und weist einen Pilotverbrennungsbereich 34 und einen Hauptverbrennungsbereich 36 auf. Kraftstoff wird dem Pilotverbrennungsbereich 34 durch eine Mehrzahl von Pilotkraftstoffeinspritzdüsen 38 zugeführt, die umfangsmäßig um den Verbrennungsabschnitt 22 beabstandet sind. Kraftstoff wird dem Hauptverbrennungsabschnitt 36 durch eine Mehrzahl von Hauptkraftstoffeinspritzdüsen 42 zugeführt, die umfangsmäßig um den Brenner 22 beabstandet sind, und, in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform, axial strömungsabwärts von den Pilotkraftstoffeinspritzdüsen beabstandet sind. Obwohl die Fig. 2 einen mehrstufigen Brenner mit einer Pilotstufe und einer umfangsmäßig und axial von der Pilotstufe beabstandeten Hauptstufe aufweist, ist die Erfindung gleichwohl auf andere mehrstufige Brennerkonfigurationen anwendbar.
• Das Kraftstoffversorgungssystem 14, wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine Kraftstoffquelle 44 auf, die sich in Fluidverbindung mit einer Kraftstoffzumeßeinrichtung 46 befindet. Die Kraftstoffzumeßeinrichtung 46 mißt den Fluß einem Aufteilventil 48 in Reaktion auf ein Regelsignal 50 von einem Regler 52 zu. Der Regler 52 ist typisch ein elektronischer Maschinenregler, der auf Befehle eines Bedieners 54 der Maschine reagiert. Der in das Kraftstoffaufteilventil 48 gelangende Kraftstoff wird dann auf eine Hauptkraftstoffleitung 56 und eine Pilotkraftstoffleitung 58 aufgeteilt. Das Verhältnis des Hauptkraftstoffflusses zu dem Pilokraftstofffluß wird durch das Kraftstoffaufteilventil 48 in Reaktion auf ein zweites Regelsignal 62 von dem Regler 52 geregelt. Durch die Regelsignale 50, 62 an die Kraftstoffzumeßeinrichtung 46 und das Kraftstoffaufteilventil 48 bestimmt der Regler 52 den Gesamtkraftstofffluß und das Verhältnis der Kraftstoffflußaufteilung zwischen dem Hauptverbrennungabschnitt 36 und dem Pilotverbrennungsabschnitt 34.
• Der durch die Hauptkraftstoffleitungen 56 fließende Kraftstoff fließt in ein Hauptflußverteilerventil 64. Das Hauptflußverteilerventil 64 verteilt den Fluß des Hauptkraftstoffflusses auf die Mehrzahl von Hauptkraftstoffeinspritzdüsen 42. Der Kraftstofffluß von dem Hauptflußverteilerventil 64 wird im wesentlichen gleichmäßig auf eine Mehrzahl von Hauptkraftstoffeinspritzdüsenleitungen 66 und die Hauptkraftstoffeinspritzdüsen 42 aufgeteilt. Der in der Pilotkraftstoffleitung 58 fließende Kraftstoff strömt auch durch das Hauptkraftstoffverteilerventil 56. Das Fließenlassen von Pilotkraftstoff durch das Hauptflußverteilerventil 64 schafft eine Einrichtung zum Kühlen des Hauptflußverteilerventils 64. Infolge der Nähe des Hauptflußverteilerventils 64 zu dem heißen Maschinenabschnitt, ist das Überhitzen des Hauptflußverteilerventils 64 ein Problem. Das trifft besonders dann zu, wenn die Gasturbinenmaschine 10 nur den Pilotverbrennungsbereich 34 betreibt. Wenn der Hauptverbrennungsbereich 36 nicht arbeitet, ist kein Fluß von Hauptkraftstoff durch das Hauptflußverteilerventil 64. Ein Überhitzen des Hauptflußverteilerventils 64 kann Koken des stillstehenden Kraftstoffs darin verursachen und zu einer Verschlechterung oder zu einem Ausfall des Hauptflußverteilerventils 64 führen. Der durch das Hauptflußverteilerventil 64 fließende Pilotkraftstoff fließt dann in ein Pilotkraftstoffverteilerventil 68. Das Pilotflußverteilerventil 68 verteilt den Fluß von Pilotkraftstoff gleichmäßig auf die Mehrzahl von Pilokraftstoffeinspritzdüsen 38 durch eine Mehrzahl von Pilotkraftstoffeinspritzdüsenleitungen 72. Da der Pilotverbrennungsbereich 34 während aller Betriebszustände der Gasturbinenmaschine 10 arbeitet, fließt Pilotkraftstoff kontinuierlich durch das Pilotflußverteilerventil 68 und führt Wärme von diesem ab. Deshalb kann eine zusätzliche Einrichtung zum Kühlen, um Koken in dem Pilotflußverteilerventil 68 zu verhindern, vermieden sein.
• Es wird nun auf die Fig. 1 Bezug genommen. Kraftstoff, der das Flußaufteilventil 48 verläßt, fließt in ein Entlastungsventil 74. Das Entlastungsventil 74 hat eine erste Austrittsöffnung 76 und eine zweite Austrittsöffnung 78. Die erste Austrittsöffnung 76 führt Pilotkraftstoff zu einer Kühlschleife 82, der um das Hauptflußverteilerventil 64 fließt und zu der Pilotkraftstoffleitung 58 zurückkehrt. Die zweite Öffnung 78 führt Pilotkraftstoff direkt in die Pilotkraftstoffleitung 58. Das Entlastungsventil 74 lenkt den gesamten Pilotkraftstoff zu der ersten Öffnung 76, außer der Kraftstoffdruck in der Pilotkraftstoffleitung 58 überschreitet ein vorbestimmtes Schwellenniveau. Wenn der Fluiddruck dieses Schwellenniveau überschreitet, wird der überschüssige Kraftstoff zu der zweiten Öffnung 78 geleitet. Auf diesem Weg ist der Druckabfall über die Kühlschleife 82 beibehalten. Obwohl das nicht im Detail gezeigt ist, handelt es sich bei dem Entlastungsventil 74 um ein konventionelles Entlastungsventil mit einem ersten Auslaß für in das Entlastungsventil fließendes Fluid und einen zweiten Auslaß, um einen Teil des Fluids umzuleiten, wenn der Fluiddruck einen Schwellenwert überschreitet.
• Das Hauptflußverteilerventil 64 ist in den Figuren 3 bis 5 detaillierter gezeigt. Das Hauptflußverteilerventil 64 weist ein Gehäuse 84 und eine in einer Kammer 88 des Gehäuses 84 angeordnete Hülse 86 auf. Die Hülse 86 weist mehrere Öffnungen 92 auf, die zylinderförmig um die Hülse 86 angeordnet sind. Jede Öffnung 92 befindet sich mit einer einer Mehrzahl von Ventilauslässen 94 in Fluidverbindung mit den Hauptkraftstoffeinspritzdüsen 42. Ein federbelasteter Kolben 96 mit einer Oberfläche 98 ist verschiebbar in der Hülse 86 angeordnet. Die Oberfläche 98 ist auf einen Hohlraum 102 gerichtet, der mit der Hauptkraftstoffleitung 56 in Fluidverbindung steht. In den Hohlraum 102 gelangender Kraftstoff trifft auf die Oberfläche 98 und erzeugt eine Kraft auf den Kolben 96, der durch die Feder entgegengewirkt wird. Eine Verschiebebewegung des Kolbens 96 erlaubt es, die Öffnungen dem Kraftstoff in dem Hohlraum 102 zu öffnen. Je größer der Kraftstoffdruck auf den Kolben 96 ist, umso größer ist der Kraftstofffluß durch die Öffnungen 92 und so zu den Hauptkraftstoffeinspritzdüsen 42.
• Das Hauptflußverteilerventil 64 weist auch eine Mehrzahl von Dichtungen 104 auf. Diese Dichtungen 104 sind typisch von der elastomeren Art und schaffen eine Einrichtung zum Abdichten gegen das Austreten von Kraftstoff. Eine erste Dichtung 106 ist um den Verbindungsbereich zwischen dem Hauptflußverteilerventil 64 und der Hauptkraftstoffleitung 56 angeordnet. Diese Dichtung 106 verhindert ein Austreten von Kraftstoff in die Umgebung außerhalb des Hauptkraftstoffverteilerventils 64. Kraftstoff, der in diesen Bereich entkommt, kann sich entzünden, da er sich in einem relativ heißen Abschnitt der Maschine befindet. Ein zweiter Satz von Dichtungen 108 ist um jeden der Ventilauslässe 94 angeordnet. Diese Dichtungen 108 verhindern auch eine Leckage von Kraftstoff in die Umgebung außerhalb des Hauptkraftstoffverteilerventils 64. Eine Dichtung 112 ist um die Hülse 86 angeordnet. Diese Dichtung 112 verhindert eine Leckage von Kraftstoff zwischen und in die Öffnungen 92.
• Falls kein ausreichender Kraftstoffdruck auf die Oberfläche 98 vorhanden ist, wenn beispielsweise der Kraftstofffluß von dem Flußaufteilventil 48 zu dem Hauptflußverteilerventil 64 abgesperrt ist, wird die Feder den Kolben 96 dazu drängen, die Öffnungen 92 zu schließen und einen Kraftstofffluß zu dem Hauptkraftstoffeinspritzdüsen 42 unterbinden. Selbst im geschlossenen Zustand verbleibt aber überschüssiger Kraftstoff in dem Hohlraum 102 des Flußverteilerventils 64.
• Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Flußverteilerventil 64 auch die Kühlschleife 82 auf, die um das Gehäuse 84 angeordnet ist. Wie vorangehend beschrieben, befindet sich die Kühlschleife 82 durch das Entlastungsventil 74 mit der Pilotkraftstoffleitung 58 in Fluidverbindung. Pilotkraftstoff, der kontinuierlich während aller Betriebszustände der Gasturbinenmaschine 10 fließt, führt Wärme von dem Hauptflußverteilerventil 64 ab. Diese Wärme wird abgeführt, um ein Überhitzen der verschiedenen Dichtungen 104, 108, 112 zu verhindern, die um das Hauptflußverteilerventil 64 angeordnet sind. Wie vorangehend beschrieben, kann eine Leckage von diesen Dichtungen 104, 108, 112 zur Folge haben, daß Kraftstoff der Umgebung um das Hauptflußverteilerventil 64 ausgesetzt wird, oder zur Folge haben, daß das Hauptflußverteilerventil 64 unkorrekt funktioniert. Außerdem ist stillstehender Kraftstoff in dem Hohlraum 102 während des Pilotbetriebs Koken ausgesetzt, wenn die Temperatur in dem Hohlraum 102 ein Schwellenniveau überschreitet. Der durch die Kühlschleife 82 fließende Pilotkraftstoff führt Wärme von dem Hauptflußverteilerventil 64 ab und hält die Temperatur des Hauptflußverteilerventils 64 unterhalb dieses Niveaus. Außerdem sind das Gehäuse 84 und andere Strukturelemente des Hauptflußverteilerventils 64, die typisch aus Aluminium geformt sind, Spannungen während des Betriebs der Gasturbinenmaschine 10 ausgesetzt. Es ist bekannt, daß die zulässigen Spannungen von Materialien wie Aluminium in einem inversen Verhältnis zur Temperatur stehen. Das Beibehalten der strukturellen Integrität des Hauptflußverteilerventils 64 macht es erforderlich, die Temperatur des Gehäuses 84 und anderer struktureller Bauteile unter einer kritischen Temperatur zu halten.
• Wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, ist die Einrichtung zum Fließenlassen von Pilotkraftstoff durch das Hauptflußverteilerventil 64 durch die Kühlschleife 82 integral mit dem und um das Gehäuse 84 angeordnet. Die spezielle Ausführungsform ist ein Beispiel einer Konfiguration zur Verwendung von Pilotkraftstoff als Kühlfluid. Andere Konfigurationen können gleich gut funktionieren, einschließlich solcher Konfigurationen wie das direkte Hindurchführen einer Passage für Pilotkraftstoff durch das Gehäuse.
• Obwohl die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann erkennen, daß verschiedene Änderungen, Auslassungen und Hinzufügungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims (5)

1. Kraftstoffverteilerventil (64) für eine Gasturbinenmaschine (10), wobei die Gasturbinenmaschine einen mehrstufigen Brenner (22) mit einer Pilotstufe (34) und einer Hauptstufe (36) aufweist, wobei der Brenner in einem Pilotbetriebszustand, der dadurch definiert ist, daß nur die Pilotstufe (34) arbeitet, oder einem gestuften Betriebszustand arbeiten kann, der dadurch definiert ist, daß sowohl die Pilotstufe (34) als auch die Hauptstufe (36) arbeiten, wobei die Gasturbinenmaschine ein Kraftstoffversorgungssystem (14) mit einer Aufteileinrichtung (48) zum Aufteilen von Kraftstofffluß auf eine Pilotkraftstoffleitung (58) und eine Hauptkraftstoffleitung (56), eine Mehrzahl von Hauptkraftstoffeinspritzdüsen (42), eine Mehrzahl von Hauptkraftstoffeinspritzdüsenleitungen (66) und das Verteilerventil aufweist, wobei das Verteilerventil (64) aufweist:

einen Hauptkraftstoffeinlaß, der mit der Aufteileinrichtung über die Hauptkraftstoffleitungen (56) verbindbar ist;

eine Mehrzahl von Hauptkraftstoffauslässen (94), von denen jeder mit mindestens einer der Hauptkraftstoffeinspritzdüsen (42) über die Hauptkraftstoffeinspritzdüsenleitungen (66) verbindbar ist, und

eine Einrichtung (86, 92, 96, 102), die Kraftstofffluß der Mehrzahl von Hauptkraftstoffeinspritzdüsen zumessen kann und den in den Hauptkraftstoffeinlaß eintretenden Kraftstofffluß auf die Hauptkraftstoffauslässe (94) aufteilen kann,

gekennzeichnet durch

einen Kühlfluideinlaß, der mit der Aufteileinrichtung über die Pilotkraftstoffleitung verbindbar ist; und

einen Kühlfluidauslaß, der mit der Pilotstufe verbindbar ist; und

eine Kühlschleife (82), die sich zwischen dem Kühlfluideinlaß und dem Kühlfluidauslaß erstreckt und eine Passage zum Strömen von Kühlfluid definiert, wobei beim Betrieb durch die Kühlschleife fließender Pilotkraftstoff. Wärme von dem Verteilerventil (64) während des Betriebs der Gasturbinenmaschine abzieht.

2. Kraftstoffverteilerventil (64) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschleife (82) integral mit dem Hauptflußverteilerventil ist.

3. Kraftstoffversorgungssystem (14) für eine Gasturbinenmaschine (10), die einen mehrstufigen Brenner (22) mit einer Pilotstufe (34) und einer Hauptstufe (36) aufweist, wobei der Brenner in einem Pilotbetriebszustand, der dadurch definiert ist, daß nur die Pilotstufe (34) arbeitet, oder einem gestuften Betriebszustand arbeiten kann, der dadurch definiert ist, daß sowohl die Pilotstufe (34) als auch die Hauptstufe (36) arbeiten, wobei das Kraftstoffversorgungssystem eine Aufteileinrichtung (48) zum Aufteilen von Kraftstofffluß auf eine Pilotkraftstoffleitung (58) und eine Hauptkraftstoffleitung (56), ein in der Hauptkraftstoffleitung (56) angeordnetes Hauptflußverteilerventil (64) und eine Mehrzahl von Hauptkraftstoffeinspritzdüsen (42), die über eine Mehrzahl von Hauptkraftstoffeinspritzdüsenleitungen (66) mit dem Flußverteilerventil (64) in Fluidverbindung stehen, wobei das Kraftstoffverteilerventil (64) aufweist:

einen Hauptkraftstoffeinlaß, der über die Hauptkraftstoffleitungen (56) mit der Aufteileinrichtung (48) in Fluidverbindung steht;

eine Mehrzahl von Hauptkraftstoffauslässen (94), von denen jeder über die Hauptkraftstoffeinspritzdüsenleitungen (66) mit mindestens einer der Hauptkraftstoffeinspritzdüsen (42) in Fluidverbindung steht;

eine Einrichtung (86, 92, 96, 102), die den in den Hauptkraftstoffeinlaß eintretenden Kraftstofffluß auf die Hauptkraftstoffauslässe (94) verteilen kann, und gekennzeichnet durch:

einen Kühlfluideinlaß, der über die Pilotkraftstoffleitung (58) mit der Aufteileinrichtung (48) in Fluidverbindung steht;

einen Kühlfluidauslaß, der mit der Pilotstufe in Fluidverbindung steht; und

eine Kühlschleife (82), die eine Passage zum Fließen von Kühlfluid zwischen dem Kühlfluideinlaß und dem Kühlfluidauslaß definiert, wobei Pilotkraftstoff, der durch die Kühlschleife (82) fließt, während des Betriebs der Gasturbinenmaschine Wärme von dem Verteilerventil (64) abzieht.

4. Kraftstoffversorgungssystem (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entlastungsventil (74) in der Pilotkraftstoffleitung angeordnet ist, das von dem Kühlfluideinlaß strömungsaufwärts angeordnet ist und eine erste Öffnung (76), die durch eine Kühlleitung (82) mit dem Kühlfluideinlaß in Fluidverbindung steht, und eine zweite Öffnung (78) aufweist, die mit den Pilotkraftstoffeinspritzdüsen in Fluidverbindung steht, wobei sich das Entlastungsventil in Reaktion auf das Überschreiten eines vorbestimmten Schwellen-Fluiddruckniveaus durch den Fluiddruck in der Kühlleitung (82) öffnet, wobei es das offene Entlastungsventil einem Teil des Pilotkraftstoffs erlaubt, den Hauptflußverteiler zu umströmen.

5. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschleife (82) integral mit dem Hauptflußverteilerventil (64) ist.