CH699758B1

CH699758B1 - Mehrrohr-Vormischvorrichtung.

Info

Publication number: CH699758B1
Application number: CH01268/09A
Authority: CH
Inventors: Jong Hu Uhm; Balachandar Varatharajan; Willy Steve Ziminsky; Gilbert Otto Krämer; Ertan Yilmaz; Benjamin Lacy; Christian Stevenson; David Felling
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2014-08-15
Also published as: US20100095676A1; CH699758A2; CN101725985A; DE102009043829A1; JP2010101612A; US8327642B2; US20130067926A1; JP5537863B2; CN101725985B; DE102009043829B4; US8505302B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Vormischer (100) für eine Brennkammer bereit. Der Vormischer (100) enthält einen Brennstoffraum (110) mit einer Anzahl von Brennstoffrohren (130) und ein Brennerrohr (140) mit einer Anzahl von Luftrohren (150). Die Brennstoffrohre (130) erstrecken sich in die Luftrohre (150) hinein.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Gasturbinenmotoren und betrifft insbesondere einen Mehrrohr-Vormischer mit Rohr-in-Rohr-Gasinjektoren und einer inerten Ummantelung.

Allgemeiner Stand der Technik

[0002] Der Wirkungsgrad einer Gasturbine nimmt allgemein mit der Temperatur des Verbrennungsgasstromes zu. Höhere Temperaturen des Verbrennungsgasstromes können jedoch grössere Mengen unerwünschter Emissionen, wie zum Beispiel Stickoxide (NOx) und dergleichen, entstehen lassen. Die NOx-Emissionen unterliegen im Allgemeinen staatlich vorgegeben Grenzwerten. Es muss folglich ein Kompromiss zwischen einem gesteigerten Wirkungsgrad von Gasturbinen und der Einhaltung der Vorschriften über Emissionsgrenzwerte eingegangen werden.

[0003] Ein geringerer NOx-Ausstoss kann durch ein gutes Vermischen des Brennstoffstromes und des Luftstromes erreicht werden. Zum Beispiel werden der Brennstoffstrom und der Luftstrom in einer «Dry Low NOx(DLN)»-Brennkammer vorgemischt, bevor sie in eine Reaktions- oder Verbrennungszone eingeleitet werden. Durch ein solches Vormischen werden allgemein die Verbrennungstemperaturen gesenkt und der NOx-Ausstoss verringert. Andere Systeme versuchen, die Flammenaufnahme zu verringern, indem sie Verdünnungsmittel in das Brennstoff-Luft-Gemisch einleiten, um so ein vorgegebenes Gemisch und/oder eine vorgegebene Temperatur zu erreichen.

[0004] Das Vormischen kann jedoch auch Selbstentzündung, Flammenrückschlag, Flammenaufnahme und/oder anderen Arten von Störungen des Betriebsverhaltens verursachen oder begünstigen. Insbesondere kann eine Ungleichmässigkeit in den Brennstoff- und den Luftströmen aufgrund des Einströmprofils Auswirkungen auf eine Flammenaufnahme haben. Des Weiteren kann eine Flammenaufnahme auch zu einem Problem werden, wenn der Brennstoffstrahl innerhalb der Düse in Wechselwirkung tritt.

[0005] Es besteht darum Bedarf an einem Vormischer, der eine gute Brennstoff-Luft-Vermischung ermöglicht, um den Gesamtwirkungsgrad und die Flammenaufnahmetoleranz zu verbessern, während gleichzeitig die Vorschriften über Emissionsgrenzwerte eingehalten werden. Vorzugsweise kann ein solcher Vormischer in neue und bestehende Ausrüstung eingebaut werden.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischer für eine Brennkammer eines Gasturbinenmotors zu schaffen, der eine Brennstoff-Luft-Vermischung ermöglicht, derart, dass der Gesamtwirkungsgrad und die Flammentoleranz im Vergleich zu Vormischern des Standes der Technik verbessert ist. Zugleich soll der Vormischer eine Vermischung des Brennstoffs mit der Luft ermöglichen, derart, dass die aus der Verbrennung des Gemischs entstehenden Emissionen die staatlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzen nicht überschreiten. Zudem soll der Vormischer sowohl in neuen als auch bestehenden Motoren einbaubar sein.

[0007] Die vorliegende Erfindung stellt somit einen Vormischer für eine Brennkammer bereit. Der Vormischer enthält einen Brennstoffraum mit einer Anzahl von Brennstoffröhren und ein Brennerrohr mit einer Anzahl von Luftrohren. Die Brennstoffröhren erstrecken sich um die Luftrohre herum.

[0008] Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren einen Vormischer für eine Brennkammer bereit. Der Vormischer enthält einen Brennstoffraum mit einer Anzahl erster Strömungsrohre und einer Anzahl zweiter Strömungsrohre und ein Brennerrohr mit einer Anzahl von Luftrohren. Die ersten Strömungsrohre und die zweiten Strömungsrohre erstrecken sich um die Luftrohre herum.

[0009] Diese und weitere Merkmale werden für den Durchschnittsfachmann aus dem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung, in Verbindung mit den Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen, ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] <tb>Fig. 1<SEP>ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinenmotors. <tb>Fig. 2<SEP>ist eine perspektivische Ansicht eines Vormischers gemäss Beschreibung in der vorliegenden Anmeldung. <tb>Fig. 3<SEP>ist eine seitliche Querschnittsansicht des Vormischers von Fig. 2 . <tb>Fig. 4<SEP>ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Vormischers gemäss Beschreibung in der vorliegenden Anmeldung. <tb>Fig. 5<SEP>ist eine seitliche Querschnittsansicht des Vormischers von Fig. 4 .

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0011] Wenden wir uns nun den Zeichnungen zu, bei denen in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen. Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Gasturbinenmotors 10. Wie bekannt ist, enthält der Gasturbinenmotor 10 einen Verdichter 20, um einströmende Luft zu verdichten. Der Verdichter 20 gibt den verdichteten Luftstrom an die Brennkammer 30 ab. Die Brennkammer 30 vermischt den verdichteten Luftstrom mit einem Brennstoffstrom und entzündet das Gemisch. (Obgleich nur eine einzelne Brennkammer 30 gezeigt ist, enthält der Gasturbinenmotor 10 jede beliebige Anzahl von Brennkammern 30.) Die heissen Verbrennungsgase wiederum werden aus der Brennkammer 30 an eine Turbine 40 weitergegeben. Die Turbine 40 treibt den Verdichter 20 und eine externe Last 50, wie zum Beispiel einen Stromgenerator und dergleichen, an. Der hier besprochene Gasturbinenmotor 10 kann auch andere Konfigurationen und Komponenten verwenden.

[0012] Fig. 2 zeigt einen Vormischer 100 gemäss der Erfindung. Der Vormischer 100 kann in der oben beschriebenen Brennkammer 30 und in ähnlichen Vorrichtungen verwendet werden. Der Vormischer 100 enthält einen Brennstoffraum 110. Der Brennstoffraum 110 enthält eine Kammer 120, die in Strömungsverbindung mit einer Anzahl von Brennstoffröhren 130 steht. Die Kammer 120 weist jede beliebige Grösse oder Konfiguration auf. In der vorliegenden Erfindung kann jede beliebige Anzahl von Brennstoffröhren 130 verwendet werden. Die Brennstoffröhren 130 können jede gewünschte Grösse oder Konfiguration enthalten.

[0013] Der Vormischer 100 enthält auch ein Brennerrohr 140. Durch das Brennerrohr 140 erstreckt sich eine Anzahl von Luftrohren 150 hindurch. Es kann eine beliebige Anzahl von Luftrohren 150 verwendet werden. Die Luftrohre 150 können jede gewünschte Grösse oder Konfiguration aufweisen. Die Luftrohre 150 erstrecken sich von einer Glockenmündung 160, die dem Brennstoffraum 110 zugewandt ist, zu einer gegenüberliegenden Brennerrohrdüse 170. Die Luftrohre 150 weisen einen grösseren Durchmesser als die Brennstoffrohre 130 auf.

[0014] Der Brennstoffraum 110 und das Brennerrohr 140 sind durch eine Anzahl von Abstandshaltern 180 getrennt. Es kann jede beliebige Anzahl von Abstandshaltern 180 verwendet werden. Die Abstandshalter 180 können jede gewünschte Grösse oder Konfiguration aufweisen. Die Abstandshalter 180 sind an einem Ende an einem Brennstoffraumflansch 190 und am anderen Ende an einem Brennerrohrflansch 200 angebracht. Die Flansche 190, 200 können jede gewünschte Grösse oder Konfiguration aufweisen. In der vorliegenden Erfindung können auch andere Arten von Verbindungsmitteln verwendet werden. Die Abstände zwischen dem Brennstoffraum 110 und dem Brennerrohr 140 können variieren.

[0015] Eine Anzahl der Brennstoffrohre 130 erstecken sich von dem Brennstoffraum 110 in eine Anzahl der Luftrohre 150 innerhalb des Brennerrohres 140 hinein. Brennstoff tritt somit in den Brennstoffraum 110 über die Kammer 120 ein, wird zu den Brennstoffrohren 130 verteilt und wird in den Luftstrom in jedem Luftrohr 150 eingespritzt, um sich darin zu vermischen. Gleichermassen wird der Luftstrom zwischen dem Brennstoffraum 110 und der Glockenmündung 160 und in die Luftrohre 150 hinein geleitet. In einigen oder allen Luftrohren 150 ist ein Brennstoffrohr 130 angeordnet. Der Vormischer 100 kann somit mehrere Luftrohre 150 mit mehreren Brennstoffrohren 130 verwenden, um mehrere nebeneinander verlaufende Luft- und Brennstoffströme zu erzeugen. Je näher jedes Brennstoffrohr 130 an der Glockenmündung 160 um jedes Luftrohr 150 herum endet, desto besser können sich der Brennstoff und die Luft innerhalb des Luftrohres 150 vermischen. Die Grösse und Anzahl der Rohre 130, 150 können variieren.

[0016] Fig. 4 und 5 zeigen eine alternative Ausführungsform eines Vormischers 210 gemäss der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält der Vormischer 210 einen Brennstoffraum 220 mit einer inneren Kammer 230 und einer äusseren Kammer 240. Die Kammern 230, 240 können jede gewünschte Grösse oder Konfiguration aufweisen. (Die Positionierung der inneren Kammer 230 und der äusseren Kammer 240 dient nur der Kenntlichmachung. Die Positionierung ist relativ.) Eine Anzahl von Brennstoffrohren 250 der inneren Kammer erstreckt sich von der inneren Kammer 230 aus. Gleichermassen erstrecken sich eine Anzahl von Brennstoffrohren 260 der äusseren Kammer von der äusseren Kammer 240 und verlaufen durch die innere Kammer 230 hindurch. Grösse und Anzahl der Rohre 250, 260 können variieren. Die Brennstoffrohre 260 der äusseren Kammer umgeben die Brennstoffrohre 250 der inneren Kammer.

[0017] Der Vormischer 210 enthält auch ein Brennerrohr 270. Wie oben, erstreckt sich durch das Brennerrohr 270 eine Anzahl von Luftrohren 280. Grösse und Anzahl der Luftrohre 280 können variieren. Die Luftrohre 280 erstrecken sich von einer Glockenmündung 290 zu einer Brennerdüse 300. Durch einige der Luftrohre 280 erstrecken sich Brennstoffrohre 250 der inneren Kammer, während sich durch andere der Luftrohre 280 Brennstoffrohre 260 der äusseren Kammer erstrecken. Die Luftrohre 280 weisen einen grösseren Durchmesser auf als die Brennstoffrohre 250, 260.

[0018] Der Vormischer 210 kann auch eine Anzahl von Abstandshaltern 310 enthalten, die den Brennstoffraum 220 und das Brennerrohr 270 voneinander trennen. Es kann jede beliebige Anzahl von Abstandshaltern 310 verwendet werden. Die Abstandshalter 210 weisen jede gewünschte Grösse oder Konfiguration auf. Der Brennstoffraum 220 weist einen Brennstoffraumflansch 320 auf, während das Brennerrohr 270 einen Brennerrohrflansch 330 aufweist. Die Flansche 320, 330 können jede gewünschte Grösse oder Konfiguration aufweisen. In der vorliegenden Erfindung können auch andere Arten von Verbindungsmitteln verwendet werden. Der Abstand zwischen dem Brennstoffraum 220 und dem Brennerrohr 270 kann variieren.

[0019] Brennstoff oder anderes Strömungsmaterial strömt von der inneren und der äusseren Kammer 230, 240 durch die Brennstoffrohre 250, 260 und vermischt sich mit der Luft in den Luftrohren 280. Die innere und die äussere Kammer 230, 240 können mit verschiedenen Zusammenstellungen von Brennstoff, Luft und Verdünnungsstoffen verwendet werden. Beispielsweise wird die äussere Kammer 240 mit einem Verdünnungsmittel wie zum Beispiel Stickstoff (N2) verwendet, während die innere Kammer 230 mit einem Brennstoff wie z.B. Wasserstoff (H2) verwendet wird. Alternativ besteht der Verdünnungsmittelstrom aus einem weniger reaktiven Brennstoff oder enthält einen weniger reaktiven Brennstoff. Diese Zusammenstellung von Verdünnungsmittel und Brennstoff bildet eine aus dem Verdünnungsmittel bestehende inerte Ummantelung, die den Brennstoffstrom umgibt. Eine solche äussere inerte Ummantelung, die durch die Luftrohre 280 hindurchströmt, verhindert eine Flammenaufnahme um die Brennerdüse 300 herum.

[0020] In der vorliegenden Erfindung können auch andere Brennstoff-Luft-Vermischungsmechanismen verwendet werden. Zum Beispiel ist die innere Kammer 230 für Luft ausgelegt, während die äussere Kammer 240 ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff enthält. Gleichermassen kann die innere Kammer 230 Stickstoff verwenden, während die äussere Kammer 240 mit Kombinationen von Wasserstoff und Stickstoff arbeitet. In der vorliegenden Erfindung können auch andere Zusammenstellungen und verschiedene Arten und Kombinationen aus Luft, Brennstoff und Verdünnungsmittel verwendet werden.

[0021] Die Vormischer 100, 210 gemäss der vorliegenden Erfindung können somit mehrere Brennstoff- und Luftrohre verwenden, um mehrere nebeneinander verlaufende Ströme aus Luft und Brennstoff zu erzeugen. Die Brennstoff-Luft-Vermischung wird dank des Verhältnisses zwischen Länge und Durchmesser der Luftrohre verbessert. Die Vormischer 100, 210 verwenden auch Ströme von Brennstoff in Kombination mit einer Ummantelung aus Verdünnungsmittel und/oder Verdünnungsmittel und Luft. Die mehreren Ströme sorgen dank der verstärkten axialen Komponente von Brennstoffstrom zu Luftstrom und dank der Unterteilung des herkömmlichen Brennerrohres in die mehreren Rohre auch für eine höhere Flammenaufnahmetoleranz. Durch den inerten Stickstoff, andere Verdünnungsstoffe und/oder einen hohen Luftstrom wird auch ein örtlich begrenztes Abschrecken bewirkt, um eine Flammenaufnahme zu begrenzen. Auf diese Weise werden dank des guten Vermischens durch die Einspritzung des Brennstoffs in jedes kleine Luftrohr sehr geringe Emissionen erreicht.

[0022] Es versteht sich, dass das oben Dargelegte nur bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrifft und dass durch einen Durchschnittsfachmann zahlreiche Änderungen und Modifikationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass vom allgemeinen Geltungsbereich der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, abgewichen wird.

Claims

1. Vormischer (100) für eine Brennkammer (30), der Folgendes umfasst: einen Brennstoffraum (110) und mehrere Brennstoffrohre (130), die sich vom Brennstoffraum (110) weg erstrecken; und ein Brennerrohr (140); wobei das Brennerrohr (140) mehrere längliche Luftrohre (150) umfasst; und eine Glockenmündung (160), die mindestens teilweise um die mehreren Brennstoffrohre (130) angeordnet ist und die sich vom Ende des Brennerrohrs (140) aus, das dem Brennstoffraum (110) zugewandt ist, in Richtung zu diesem Brennstoffraum (110) hin erstreckt zwecks Lenkung von Luft in die mehreren Luftrohre (150); wobei die mehreren Brennstoffrohre (130) sich zumindest teilweise jeweils in die mehreren Luftrohre (15) hinein erstrecken; ausserdem umfassend: einen Brennstoffraumflansch (190), der sich radial um den Brennstoffraum (110) herum erstreckt; einen Brennerrohrflansch (200), der sich radial um das Brennerrohr (140) herum und in axialer Längsrichtung des Vormischers (100) bezüglich der Glockenmündung (160) in Abwärtsstromrichtung des Brennstoffstroms erstreckt; einen oder mehrere Abstandshalter (180), die den Brennstoffraumflansch (190) und den Brennerrohrflansch (200) verbinden.

2. Vormischer (100) nach Anspruch 1, wobei das Brennerrohr (140) an seinem dem Brennstoffraum (110) abgewandten Ende eine Brennerrohrdüse (170) umfasst.

3. Vormischer (100) nach Anspruch 2, wobei sich die mehreren Luftrohre (150) von der Glockenmündung (160) zu der Brennerrohrdüse (170) erstrecken.

4. Vormischer (100) nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffraum (110) eine Kammer (120) umfasst, die in Strömungsverbindung mit den mehreren Brennstoffrohren (130) steht.

5. Vormischer (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Luftrohre (150) einen Innendurchmesser besitzen, die mehreren Brennstoffrohre (130) einen Aussendurchmesser besitzen und der Innendurchmesser der Luftrohre (150) grösser ist als der Aussendurchmesser der Brennstoffrohre (130).

6. Vormischer (210) für eine Brennkammer (30) umfassend: einen Brennstoffraum (220) umfassend mehrere erste Strömungsrohre (250) und mehrere zweite Strömungsrohre (260), die sich vom Brennstoffraum (220) weg erstrecken, ein Brennerrohr (270) mit mehreren länglichen Luftrohren (280), eine Glockenmündung (290), die mindestens teilweise um die mehreren ersten und zweiten Strömungsrohre (250, 260) angeordnet ist und sich vom Ende des Brennerrohrs (270) aus, das dem Brennstoffraum (220) zugewandt ist, in Richtung zu diesem Brennstoffraum (220) hin erstreckt zwecks Lenkung von Luft in die mehreren Luftrohre (280), wobei die ersten Strömungsrohre (250) und die mehreren zweiten Strömungsrohre (260) sich zumindest teilweise jeweils in die mehreren Luftrohre (280) hinein erstrecken; ausserdem umfassend: einen Brennstoffraumflansch (320), der sich radial um den Brennstoffraum (220) herum erstreckt; einen Brennerrohrflansch (200), der sich radial um das Brennerrohr (270) herum und in axialer Längsrichtung des Vormischers (210) bezüglich der Glockenmündung (290) in Abwärtsstromrichtung des Brennstoffstroms erstreckt; einen oder mehrere Abstandshalter (310), die den Brennstoffraumflansch (320) und den Brennerrohrflansch (330) verbinden.

7. Vormischer (210) nach Anspruch 6, wobei die ersten Strömungsrohre (250) um die zweiten Strömungsrohre (260) herum angeordnet sind.

8. Vormischer (210) nach Anspruch 6, wobei das Brennerrohr (270) an seinem dem Brennstoffraum (220) abgewandten Ende eine Brennerdüse (300) umfasst.

9. Vormischer (210) nach Anspruch 8, wobei die mehreren Luftrohre (280) sich von der Glockenmündung (290) zu der Brennerdüse (300) erstrecken

10. Vormischer (210) nach Anspruch 6, wobei die mehreren Luftrohre (280) einen Innendurchmesser besitzen, die mehreren ersten Strömungsrohre (250) und die mehreren zweiten Strömungsrohre (260) jeweils einen Aussendurchmesser besitzen und der Innendurchmesser der Luftrohre (280) grösser ist als der Aussendurchmesser der ersten und zweiten Strömungsrohre (250, 260).