CH698405B1 - Injektor für Gasturbinen. - Google Patents

Abstract

Ein Injektor (100) für Brennstoff und Luft besitzt eine Anzahl Auswölbungen (120), die benachbart zueinander angeordnet sind. Jede Auswölbung (120) hat ein Hinterende (126). Eine Anzahl Düsen (150) sind benachbart zum Hinterende (126) angeordnet, wenn die Hinterenden nicht bereits zur Vermischung ausreichen.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen besonders für Gasturbinen geeigneten Injektor zur Verwendung mit Brennstoff- und Luftströmen.

[0002] Beim Betrieb von Gasturbinen wird Brennstoff unmittelbar stromaufwärts von der Brennzone mit Luft vermischt. Die Vermischung von Brennstoff und Luft muss rasch und ausreichend erfolgen, um einen fliessenden Strom zu erzeugen, der sich für die Verbrennung eignet. Brennstoff und Luft sollten jedoch vermischt werden, ohne dass dies zu Flammenrückschlag (engl.: flame holding) oder zur Bildung von Rezirkulationszonen führt. Solche Rezirkulationszonen können den Flammenrückschlag oder sogar eine Selbstzündung auslösen, wodurch die Turbine als Ganzes beschädigt werden könnte.

[0003] Gegenwärtig verwendet man unterschiedlich ausgebildete Brennstoff- und Lufteinspritzsysteme, die hier kurz als Injektoren bezeichnet werden. Die unterschiedlichen Ausbildungen können bis zu einem gewissen Grad der Anpassung an die spezielle Art und Qualität des Brennstoffs und des Verbrennungsvorgangs dienen. Jeder dieser Typen benötigt jedoch jeweils eigene Ersatzteile sowie spezielle Installations-, Betriebs- und Reparaturmethoden. Ausserdem werden viele bekannte Injektoren aus relativ kostspieligen Gussteilen oder nach relativ aufwändigen Montageverfahren gefertigt.

[0004] Es besteht daher ein Bedarf an einem Injektor, der für unterschiedliche Produktrichtungen verwendet werden kann. Der Injektor sollte vorzugsweise relativ niedrige Kosten verursachen und dennoch eine ausreichende Vermischung mit einer verringerten Möglichkeit von Flammenrückschlag oder der Bildung von Rezirkulationszonen bieten.

[0005] Der erfindungsgemässe Injektor erfüllt diesen Bedarf und ist gekennzeichnet durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen des Injektors haben die Merkmale der Ansprüche 2 bis 10.

[0006] Der Injektor besitzt eine Anzahl von benachbart zueinander angeordneten Auswölbungen (engl.: lobe). Jede Auswölbung hat ein Hinterende. Benachbart zum Hinterende können mehrere Luft- bzw. Brennstoffdüsen angeordnet sein.

[0007] Die Auswölbungen können als Leitschaufeln dienen, an deren Hinterende eine Anzahl Brennstoffdüsen und eine Anzahl Luftdüsen angeordnet sein kann.

[0008] Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen in bevorzugten Ausführungsformen eingehender beschrieben. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>die perspektivische Ansicht eines mit Auswölbungen versehenen Injektors; <tb>Fig. 2<sep>den seitlichen Querschnitt der Auswölbung eines Injektors; <tb>Fig. 3<sep>den seitlichen Querschnitt eines Paares von Auswölbungen von Fig. 2; <tb>Fig. 4<sep>die perspektivische Ansicht eines nicht verwirbelnden Injektors; <tb>Fig. 5<sep>die Draufsicht auf eine doppelwandige Auswölbung eines Injektors; <tb>Fig. 6<sep>die perspektivische Ansicht eines Injektors mit doppelwandigen Auswölbungen; <tb>Fig. 7<sep>die perspektivische Teilansicht einer doppelwandigen Auswölbung mit darin angeordneten Abstandshaltern; <tb>Fig. 8<sep>die perspektivische Ansicht eines Paares von doppelwandigen Auswölbungen; und <tb>Fig. 9<sep>die perspektivische Ansicht einer doppelwandigen Auswölbung mit aufstromseitigen Düsen.

[0009] Unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Überweisungszahlen in den verschiedenen Ansichten auf jeweils gleiche Elemente deuten, zeigt Fig. 1ein Beispiel eines hier beschriebenen Injektors 100. Bei diesem Beispiel ist der Injektor 100 ein Verwirbelungsinjektor 110. Ein Verwirbelungsinjektor 110 hat mehrere einander benachbarte Auswölbungen 120. Weder die Form noch die Anzahl von Auswölbungen 120 wird als kritisch angesehen. Jedes Paar Auswölbungen 120 definiert einen dazwischenliegenden Luftpfad. Die Auswölbungen 120 können um eine Nabe 130 herum angeordnet sein.

[0010] Jede Auswölbung 120 des Injektors 100 kann eine Endplatte 125 mit einer Anzahl grosser Düsen 140 am Hinterende 126 aufweisen. Jede Auswölbung 120 kann auch eine Anzahl kleiner Düsen 150 besitzen. Die Düsen können in der Endplatte 125 oder benachbart zu dieser angeordnet sein, wie in den Fig. 2 und 3dargestellt. Im Allgemeinen kann hierbei jeder Winkel verwendet werden. Kleine Düsen 150 können in beliebiger Zahl verwendet werden. Auch können die kleinen Düsen 150 jede Grösse aufweisen. Dadurch kann Brennstoff, Luft oder ein anderes Medium durch die kleinen Düsen eingespritzt werden. Mehrere Brennstoffe und/oder andere Gase können auch durch eine Kombination von grossen Düsen 140 und kleinen Düsen 150 eingespritzt werden. Auf Endplatten bzw. auf Düsen kann aber verzichtet werden, wenn eine sogenannte Schlitz- oder Blattinjektion angewendet wird.

[0011] Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Auswölbung 160. Bei dieser Ausführung besitzt die Auswölbung 160 eine Luftdüse 170 und eine Brennstoffdüse 180. Die Brennstoffdüse 180 kann wie dargestellt von der Luftdüse 170 beabstandet und in einem Winkel zu dieser angeordnet sein. Die Luftdüse 170 kann eine gewölbte Mündung 190 besitzen, was auch das Flammenrückschlagpotential verringert. Anzahl, Grösse und Orientierung der Düsen 170, 180 können abgeändert werden. Wie in Fig. 3gezeigt, können einander gegenüberstehende Auswölbungen 170 verwendet werden, um eine zusätzliche Vermischung der aufeinandertreffenden Luft- und Brennstoffströme zu verstärken.

[0012] Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform des Injektors 100. In diesem Beispiel ist ein nicht verwirbelnder Injektor 200 dargestellt. Der nicht verwirbelnde Injektor 200 besitzt ebenfalls eine Anzahl von Auswölbungen 210. Die Auswölbungen 210 können die Luft- und Brennstoffdüsen 170, 180 wie oben beschrieben besitzen, doch ist dies nicht erforderlich, wenn mit laminaren Brennstoffströmen gearbeitet wird, die den Brennstoff an den Hinterenden der Auswölbungen in den Luftstrom injizieren.

[0013] In Fig. 6 ist ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemässen Injektors 220 dargestellt. Der doppelwandige Injektor 220 besitzt eine Anzahl von doppelwandigen Auswölbungen. Auch hier können Luft- und/oder Brennstoffdüsen 170, 180 verwendet werden. Zur Bildung von mehrfachen Brennstoffpfaden können die Auswölbungen 230 axial abgestuft angeordnet werden. Es können jedoch auch andere Konfigurationen eingesetzt werden. Eine doppelwandige Auswölbung kann auch für die sogenannte Prallkühlung eingesetzt werden. Wie in Fig. 7dargestellt, können zwischen den doppelwandigen Auswölbungen 230 Abstandshalter 240 verwendet werden. Die Abstandshalter 240 können zur Beabstandung und Strukturierung der Auswölbungen 230 dienen und ausserdem zwischen den Auswölbungen Strömungspfade begrenzen. Die Abstandshalter 240 können auch ein Mittel zur Strömungskontrolle für Diffusionsflammkonfigurationen bilden.

[0014] Wie in Fig. 8 dargestellt, können die Wandungen der Auswölbungen 230 selbst gewölbt sein. Bei diesem Beispiel kann eine Anzahl von Auswölbungen 250 die gewölbte Form haben, um dadurch die Vermischung an deren Hinterenden 126 zu verstärken und eine stabile Flammenstruktur zu bieten. Es können jedoch hier auch andere Formen verwendet werden. Die Auswölbungen 250 können doppelwandig oder einwandig ausgebildet sein.

[0015] Die Komponenten des erfindungsgemässen Injektors können aus üblichem Metallblech oder ähnlichen Werkstoffen gefertigt sein oder aber durch Gussverfahren oder mit Hilfe teurerer Fertigungsverfahren und Werkstoffe hergestellt werden. Weniger kostspielige Werkstoffe können verwendet werden, sofern die Positionierung der Düsen 170, 180 gewährleistet ist und das Metall den Flammenrückschlag nicht fördert. Für verschiedene Arten von Turbinen können gleiche Konstruktionsmerkmale gewählt werden, einschliesslich von aber ohne Begrenzung auf DLN («Dry LowNOx») und IGCC («Integrated Gasification Combined Cycle») oder MNQC («Multi-Nozzle Quiet Combustor») und andere Typen.

[0016] Der erfindungsgemässe Injektor ermöglicht Gleichmässigkeit bei unterschiedlichen Produktlinien und weitere Kostenverminderungsmöglichkeiten. Er kann als Originalausrüstung oder zur Nachrüstung dienen und ist ausserdem skalierbar. Insbesondere kann die Grösse, Anzahl und Anordnung der Düsen 140, 150, 170, 180 zur Anpassung an unterschiedliche Brennstoffe oder Gase abgeändert werden. Der erfindungsgemässe Injektor bietet ferner eine Flexibilität der Brennstoffwahl, da er grossen Unterschieden der Brennstoffströme angepasst werden kann, d.h., man kann Turbinen sowohl mit niedrigeren Brennstoffvolumina und höherem kalorischen Gehalt als auch mit höheren Brennstoffvolumina mit niedrigem kalorischen Gehalt betreiben. Ferner können Umgebungsluft, Reinigungsluft, Dampf, Stickstoff oder andere Inertgase sowie andere Brennstoffströme verwendet werden.

[0017] Durch Anordnung von Düsen 140, 150, 170, 180 am Hinterende 126 der Auswölbungen 120 wird die Gefahr von Flammrückschlägen vermindert. In gleicher Weise wird auch die Dauer der Brennstoff-/Luftvermischung verkürzt, weil es der erfindungsgemässe Injektor gestattet, dass Brennstoff und Luft in den Luftdurchlässen verstärkt miteinander in Wechselwirkung treten, was mehr Brennstoffeinspritzpunkte und dadurch eine bessere Vermischung ergibt. Die Grenzwerte für die Flammrückhaltung können daher verringert werden. Die Erfindung bietet somit Vorteile in Bezug auf Kosten, Flammenrückschlag, Vermischung, Brennstoffflexibilität und einer vereinheitlichten Konstruktion, die innerhalb weiter Grenzen flexibel ist.

[0018] So können z.B. die Auswölbungen 120 segmentiert sein, um die Konstruktionsflexibilität und die Dauerhaftigkeit zu erhöhen. Wie oben beschrieben, kann eine Endplatte 125 verwendet werden, doch ist dies nicht kritisch. Die Auswölbungen 120 können äussere Schalen oder andere Strukturen verwenden, um zur Führung des Luftstroms beizutragen. Die Aussenschalen können Auswölbungsmodule bilden. Obwohl hier kreisförmige Strukturen gezeigt worden sind, können die Auswölbungen 120 modular ausgebildet sein und eine quadratische oder rechteckige Form oder irgendeine andere gewünschte Form und Struktur haben. Es können auch Auswölbungen 120 unterschiedlicher Höhe verwendet werden.

[0019] Der erfindungsgemässe Injektor kann auch zusätzliche Luftdüsen 260 oder Brennstoffdüsen 270 aufweisen, die, wie in Fig. 9 gezeigt, aufstromseitig vom Hinterende 126 angeordnet sind. Die aufstromseitige Einspritzung kann im Rahmen ein und desselben Brennstoffkreises verwendet werden. Beispielswiese kann Erdgas aufstromseitig eingespritzt werden, während Synthesegas am Hinterende 126 eingespritzt wird. Die Brennstoffeinspritzung aufstromseitig vom Hinterende 126 kann eine Kühlung der Auswölbungen 120 bewirken und damit die Betriebsdauer erhöhen. Gleicherweise kann Inertluft aufstromseitig eingespritzt werden, um das Flammenrückschlagpotential bei Verwendung von Synthesegas zu vermindern.

[0020] Es versteht sich, dass die obige Beschreibung lediglich der Erläuterung von Beispielen dient und die Erfindung von Fachleuten im Rahmen der Ansprüche modifiziert werden kann.

Claims (10)

1. Injektor (100; 200; 220) zur Einführung von Brennstoff und Luft in eine Brennzone, gekennzeichnet durch mehrere, einander benachbart angeordnete Auswölbungen (120; 220; 230), wobei jede Auswölbung ein Hinterende (126; 210) besitzt, das als Düse zu wirken befähigt ist oder/und mit Düsen (140, 150; 178, 180) versehen ist.

2. Injektor (100) nach Anspruch 1, bei dem die Auswölbungen (120) von einer Wand (110) umgeben sind, um einen zur Verwirbelung befähigten Injektor (110) zu bilden.

3. Injektor (200; 220) nach Anspruch 1, bei welchem die mehreren Auswölbungen (120) einen Injektor bilden, der nicht zur Verwirbelung befähigt ist.

4. Injektor (100) nach Anspruch 1, bei dem sich die Auswölbungen (160) radial um eine zentrale Nabe (130) erstrecken und die Düsen (170,180) benachbart zum Hinterende (126) in einem Winkel zur Radialrichtung angeordnet sind.

5. Injektor (100) nach Anspruch 4, bei dem der Winkel 30° bis 90° beträgt.

6. Injektor (100) nach Anspruch 1, bei dem die Düsen Brennstoffdüsen (180) und Luftdüsen (170) sind.

7. Injektor (100) nach Anspruch 6, bei dem die Luftdüsen (170) eine gewölbte Mündung (190) besitzen.

8. Injektor (100) nach Anspruch 6, bei dem die Brennstoffdüsen (180) zu den Luftdüsen (170) beabstandet und in einem Winkel zu diesen angeordnet sind.

9. Injektor (100) nach Anspruch 1, bei dem das jeweilige Hinterende (126) eine Endplatte (125) besitzt und die Endplatte (125) mehrere Endplattendüsen (140) aufweist.

10. Injektor (220) nach Anspruch 1, bei dem die Auswölbungen (230) doppelwandig ausgebildet sind.