CH698400B1

CH698400B1 - Brennstoffdüse.

Info

Publication number: CH698400B1
Application number: CH00027/09A
Authority: CH
Inventors: Constantin A Dinu
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2013-03-15
Also published as: DE102009003347A1; JP2009168439A; JP5557452B2; US8393157B2; US20090183511A1; CN101487595A; CN101487595B; CH698400A2

Abstract

Die Brennstoffdüse (10) für die Brennkammer einer Gasturbine hat einen Düseneinlass (14), eine Brennzone (16) und einen Verwirbler (12), der zwischen dem Düseneinlass (14) und der Brennzone (16) liegt. Der Verwirbler (12) hat mehrere Verwirblerschaufeln, von denen jede zur Erzeugung einer Druckdifferenz in dem durch den Verwirbler fliessenden Fluidstrom zwischen einer Druck-Seite und einer Saug-Seite der Verwirblerschaufel befähigt ist. Der Verwirbler (12) besitzt ferner mindestens ein Luftströmungsdurchgangsloch, das in mindestens einer der Verwirblerschaufeln angeordnet ist. Das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch ist in der Lage, die Druckdifferenz zwischen der Druck-Seite und der Saug-Seite zur Förderung des Fluidstromes durch das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch auszunützen. Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer beschrieben.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft Brennstoffdüsen für die Brennkammern von Gasturbinen. Typische Gasturbinen besitzen mehrere Brenner in einem Brennkammerbereich der Gasturbine. Jeder Brenner hat mindestens einen Durchgang und meist mehrere Durchgängen zur Abgabe einer Mischung aus Brennstoff und Luft in eine Brennkammer, wo die Mischung gezündet wird.

[0002] Häufig sind die Brennstoffdüsen zur Verbesserung der Vermischung von Brennstoff und Luft zu einer gleichmässigen homogenen Mischung mit einem Verwirbler versehen. Der Verwirbler hat mehrere Schaufeln, die sich von der Brennstoffdüse nach aussen erstrecken und ein aerodynamisches Profil haben. Die Verwirblerschaufeln sind oft mit Durchgängen oder Kanälen versehen, die den Brennstoff durch Brennstoffaustrittsöffnungen an der Oberfläche der Verwirblerschaufel abgeben. Wenn der Brennstoff aus den Brennstoffaustrittsöffnungen austritt, mischt er sich mit Fluid, im typischen Fall Luft, das bzw. die an den Verwirblerschaufeln vorbeiströmt. Begrenzungen von Grösse und Raumverfügbarkeit führen gewöhnlich zu Verwirblerschaufeln mit einer abrupten Krümmung nahe der Hinterkante der Verwirblerschaufel, was zum Abreissen der Strömung abstromseitig vom Verwirbler führen kann und dadurch nachteilige Wirkungen auf die Leistung der Brennstoffdüsen hat, z.B. auf die Stabilität der Flamme. Im typischen Fall wird das Schaufelprofil zur Lösung solcher Strömungsprobleme modifiziert, was dann aber jeweils Abänderungen der Gussverfahren und der Gussformen und/oder die Modifikation der Anordnung der Brennstoffaustrittsöffnungen auf den Schaufeln zur Folge hat und dies wiederum nachteilige Wirkungen haben kann, etwa auf die Mischeffizienz und die Brennerleistung.

[0003] Die erfindungsgemässe Brennstoffdüse für die Brennkammer einer Gasturbine hat die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen haben die Merkmale der Ansprüche 2 bis 5.

[0004] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen, wobei bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens die in den Ansprüchen 7 bis 10 angegebenen Merkmale haben.

[0005] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung eingehender und anhand von bevorzugten Beispielen und der Figuren erläutert. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>den Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffdüse für eine Gasturbine; <tb>Fig. 2<sep>die perspektivische Ansicht eines Verwirblers für die Brennstoffdüse von Fig. 1; <tb>Fig. 3<sep>den Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Verwirblerschaufel des Verwirblers von Fig. 2; und <tb>Fig. 4<sep>den Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels einer Verwirblerschaufel des Verwirblers von Fig. 2.

[0006] Fig. 1 zeigt einen Teil einer Brennstoffdüse 10 mit einem Verwirbler 12. Der Verwirbler ist ausgebildet und angeordnet, um einen Fluidstrom, normalerweise Luft, aus einem Düseneinlass 14 aufzunehmen und die Luft mit dem Brennstoff zu einer Luft-Brennstoff-Mischung zu vereinigen. Die Luft-Brennstoff-Mischung fliesst stromabwärts, wo sie in einer Brennzone 16 gezündet wird. Wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen, besitzt der Verwirbler 12 mehrere Verwirblerschaufeln 18, die peripher um einen Zentralkörper 20 angeordnet sind und sich zu einem Mantel 22 hin erstrecken. Der Verwirbler 12 gemäss der in Fig. 1dargestellten Ausführungsform wird gemäss einem Ausführungsbeispiel als ein Gussteil erzeugt, doch können zur Herstellung auch andere Herstellungsverfahren einschliesslich von Schweissverfahren und spangebenden Verfahren Fertigungsverfahren angewendet werden.

[0007] Der Zentralkörper 20 ist im Querschnitt im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und ist in der Lage, ein Fluid, z.B. Brennstoff, hindurchströmen zu lassen. Die mehreren Verwirblerschaufeln 18 besitzen Umlenkabschnitte 24; an einem Luftraum 30, auch Plenum genannt, ist mindestens ein Luftströmungsdurchgangsloch 40 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird Brennstoff in den Luftstrom eingeführt, der aus dem Luftraum 30 durch das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch 40 fliesst. Das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch bei dieser Ausführungsform ermöglicht die Vermeidung der oben beschriebenen Grenzflächentrennung und verbessert auch die Vormischeffizienz von Brennstoff und Luft wegen der Abgabe von Brennstoff in den Luftstrom in dem mindestens einen Luftströmungsdurchgangsloch 40. Der Brennstoffdruck im Luftraum 30 kann erhöht werden, um zu vermeiden, dass sich die Luftströmung im Luftraum 30 staut.

[0008] Obwohl die Erfindung ausführlich anhand einer begrenzten Zahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich, dass dies keine Beschränkung bedeutet und dass die Erfindung von Fachleuten im Rahmen der Ansprüche modifiziert werden kann.

Claims

1. Brennstoffdüse (10) für die Brennkammer einer Gasturbine, mit einem Düseneinlass (14), einer Brennzone (16) und einem Verwirbler (12), der zwischen dem Düseneinlass (14) und der Brennzone (16) angeordnet ist und umfasst: mehrere Verwirblerschaufeln (18), wobei jede Verwirblerschaufel (18) befähigt ist, in dem durch den Verwirbler (12) fliessenden Fluidstrom zwischen einer Druck-Seite (26) und einer Saug-Seite (28) der Verwirblerschaufel eine Druckdifferenz zu erzeugen, und wobei in mindestens einer der Verwirblerschaufeln (18) mindestens ein Luftströmungsdurchgangsloch (40) angeordnet ist, das die Druckdifferenz zur Förderung des Fluidstromes durch das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch (40) auszunützen befähigt ist.

2. Brennstoffdüse (10) nach Anspruch 1, bei der jede Verwirblerschaufel (18) einen Wendebereich (24) besitzt, der zur Erzeugung der Druckdifferenz befähigt ist.

3. Brennstoffdüse (10) nach Anspruch 2, bei der das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch (40) im Wendebereich (24) angeordnet ist.

4. Brennstoffdüse (10) nach Anspruch 2, bei der das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch (40) abstromseitig vom Wendebereich (24) angeordnet ist.

5. Brennstoffdüse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch (40) befähigt ist, Fluid von einer Druck-Seite (26) zu einer Saug-Seite (28) der mindestens einen Verwirblerschaufel (18) strömen zu lassen.

6. Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer mit einer Brennstoffdüse gemäss Anspruch 1, umfassend: die Einführung eines Fluidstromes in den Düseneinlass (14); die Einführung von Brennstoff in den Fluidstrom; die Einführung des Brennstoffs und des Fluidstromes in den Verwirbler (12), so dass der Brennstoff in den Fluidstrom eingemischt wird; die Erzeugung der Druckdifferenz in dem durch den Verwirbler strömenden Fluidstrom zwischen der Druck-Seite (26) und der Saug-Seite (28) jeder der mehreren Verwirblerschaufeln (18); die Führung mindestens eines Teils des Fluids durch das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch (40) in mindestens einer der mehreren Verwirblerschaufeln (18) und das Zünden der Mischung aus Brennstoff und Fluidstrom in einer Brennzone (16).

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Druckdifferenz in einem Wendebereich (24) mindestens einer der mehreren Verwirblerschaufeln (18) erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem mindestens ein Teil des strömenden Fluids durch das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch (40) geführt wird, wobei das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch (40) in einem Wendebereich (24) der jeweiligen Verwirblerschaufel angeordnet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem mindestens ein Teil des Fluids durch das mindestens eine Luftströmungsdurchgangsloch (40) von der Druck-Seite (26) zur Saug-Seite (28) der mindestens einen Verwirblerschaufel (18) geführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem das Fluid Luft ist.