CH701042A2 - Quereinströmungsdüse. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Querstromleitschaufel (200) für eine Turbine. Die Querstromleitschaufel (200) kann eine Anzahl von Düsen (230), die darin angeordnet sind, und einen Teiler (240) enthalten, der in einer oder mehreren Düsen (230) angeordnet ist, um darin eine Anzahl von Brennstoffschlitzen (250) zu bilden.

Description

  Technisches Gebiet

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke, und speziell eine Querstromdralldüsenleitschaufel, die Flammhaltung und Druckabfall vermindert.

Hintergrund zu der Erfindung

  

[0002]    Eine Strahlquereinströmung findet statt, wenn ein Strom eines Fluids eine Öffnung verlässt, um mit einem kreuzenden Strom eines quer über die Öffnung strömenden Fluids in Wechselwirkung zu treten. Strahl-Quereinströmung sind von Bedeutung für eine Vielfalt von Anwendungen beispielsweise Gasturbinenbrennkammern, Brennstoffinjektoren und Schadstoffüberwachungsvorrichtungen in Rauchgaskaminen. Eine Strahlquereinströmung erzeugt gewöhnlich stromabwärts des Orts, an dem der Querstrom eingeführt wird, eine Rezirkulationszone. In der Rezirkulationszone herrscht gewöhnlich eine reduzierte Strömungsgeschwindigkeit, was abhängig von dem Zustand der Strömung vielfältige nachteilige Wirkungen hervorrufen kann.

  

[0003]    Insbesondere kann die hinter einer Strahlquereinströmung einer Turbinendralldüsenleitschaufel vorhandene Rezirkulationszone das Brennstoff-Luft-Gemisch halten. Aufgrund der hohen Temperaturen in der Brennkammer können Flammen zurückschlagen und dazu neigen, sich in dem Bereich niedriger Geschwindigkeit festzusetzen. Weiter kann ein lokaler Funke das in der Rezirkulationszone gefangene Brennstoff-Luft-Gemisch entzünden. Die Rezirkulationszone fördert somit die Flammhaltung. Bei Brennstoffen, die einen hohen BTU-Wert aufweisen, beispielsweise Wasserstoff (H2), kann Das Problem aufgrund der höheren Flammenausbreitungsgeschwindigkeit noch schwerwiegender sein. In ähnlicher Weise kann sich im Falle von Brennstoffen mit niedrigem BTU-Wert, beispielsweise BFG (Hochofengas), die Rezirkulationszone aufgrund des hohen Volumenstroms bilden.

  

[0004]    Es besteht daher ein Bedarf nach verbesserten Dralldüsenleitschaufeldüsen, insbesondere in einer "Strahlquereinströmungs"-Konstruktion. Die verbesserte Konstruktion sollte eine Flammenhaltung vermindern und den Druckabfall, der durch diese hervorgerufen wird, reduzieren, um die Gesamtleistung und den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern.

Kurzdarstellung der Erfindung

  

[0005]    Die vorliegende Erfindung schafft daher eine Querstromleitschaufel für eine Turbine. Die Querstromleitschaufel kann eine Anzahl von darin angeordneten Düsen und einen Teiler enthalten, der in einer oder mehreren Düsen angeordnet ist, um darin eine Anzahl von Brennstoffschlitzen zu bilden.

  

[0006]    Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Querstromsystem für eine Gasturbine. Zu dem Querstromsystem können gehören: eine Leitschaufel, ein erster über die Leitschaufel strömender Strom, eine auf der Leitschaufel angeordnete Düse, ein zweiter Strom, der aus der Düse austritt, und der den ersten Strom kreuzt, ein Teiler, der in der Düse angeordnet ist, um den zweiten Strom zu teilen, und ein Brennstoffvorhangschlitz, der um die Düse herum angeordnet ist, um den ersten Strom zu lenken.

  

[0007]    Die vorliegende Erfindung schafft darüber hinaus eine Querstromdralldüsenleitschaufel für eine Gasturbine. Zu der Querstromdralldüsenleitschaufel können gehören: eine Anzahl von darin angeordneten Düsen, ein Teiler, der in einer oder mehreren Düsen angeordnet ist, um darin eine Anzahl von Brennstoffschlitzen zu bilden, und ein Brennstoffvorhangschlitz, der um eine oder mehrere Düsen angeordnet ist.

  

[0008]    Diese und weitere Ausstattungsmerkmale der vorliegenden Anmeldung erschliessen sich dem Fachmann nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

  

[0009]    
<tb>Fig. 1<sep>zeigt eine schematische Ansicht einer Gasturbine.


  <tb>Fig. 2<sep>veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine Brennkammerdralldüse.


  <tb>Fig. 3<sep>veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt einer Dralldüsenleitschaufel, wie sie im Vorliegenden beschrieben ist.


  <tb>Fig. 4<sep>zeigt eine Draufsicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels einer Dralldüsenleitschaufeldüse, wie sie im Vorliegenden beschrieben ist.


  <tb>Fig. 5<sep>zeigt eine Draufsicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels einer Dralldüsenleitschaufeldüse, wie sie im Vorliegenden beschrieben ist.


  <tb>Fig. 6<sep>zeigt eine Draufsicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels einer Dralldüsenleitschaufeldüse, wie sie im Vorliegenden beschrieben ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

  

[0010]    Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugsziffern sich über die unterschiedlichen Ansichten hinweg auf ähnliche Elemente beziehen, zeigt Fig. 1eine schematische Ansicht einer Gasturbine 10. Wie bekannt, kann das Gasturbinentriebwerk 10 einen Verdichter 20 enthalten, der dazu dient, einen ankommenden Luftstrom zu verdichten. Der Verdichter 20 führt den verdichteten Luftstrom zu einer Brennkammer 30. Die Brennkammer 30 mischt den verdichteten Luftstrom mit einem verdichteten Brennstoffström und entzündet das Gemisch. (Obwohl nur eine einzige Brennkammer 30 gezeigt ist, kann das Gasturbinentriebwerk 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern 30 aufweisen). Die heissen Verbrennungsgase werden ihrerseits einer Turbine 40 zugeführt. Die heissen Verbrennungsgase treiben die Turbine 40 an, um mechanische Arbeit hervorzubringen.

   Die in der Turbine erzeugte mechanische Arbeit 40 treibt den Verdichter 20 und eine externe Last 50 an, beispielsweise einen elektrischen Generator und dergleichen. Das Gasturbinentriebwerk 10 kann Erdgas, vielfältige Arten synthetischer Gase (Syngas) und sonstige Arten von Brennstoffen nutzen. Das Gasturbinentriebwerk 10 kann andere Konstruktionen aufweisen und kann sonstige Arten von Komponenten verwenden. Vielfältige Gasturbinentriebwerke 10, andere Arten von Turbinen und sonstige Arten von Energiegewinnungsanlagen können im Vorliegenden in Kombination genutzt werden.

  

[0011]    Fig. 2 zeigt eine bekannte Brennkammerdralldüse 100, die in Zusammenhang mit der oben beschriebenen Brennkammer 30 o-der in sonstiger Weise verwendet werden kann. Die Brennkammerdralldüse 100 enthält eine Anzahl von Dralldüsenleitschaufeln 110. Jede der Dralldüsenleitschaufeln 110 weist eine Anströmkante 120, eine erste Fläche 130 und eine zweite Fläche 135 auf. Die erste Fläche 130 kann wenigstens eine darin angeordnete Querstromdüse 140 aufweisen. In ähnlicher Weise kann die zweite Fläche 135 wenigstens eine darin angeordnete Querstromdüse 140 aufweisen. Während des Verbrennungsprozesses nähert sich erster Strom 150 verdichteter Luft der Anströmkante 120 der Dralldüsenleitschaufel 110 und strömt über die Flächen 130, 135.

   Ein Brennkammerbrennstoff enthaltender zweiter Strom 160 wird durch eine Brennstoffkammer 170 bereitgestellt und aus der Querstromdüse 140 unter einem Kreuzungswinkel in Richtung des ersten Stroms 150 ausgestossen. Das Profil der Dralldüsenleitschaufeln 110 kann abstromseitig der Querstromdüse 140 bis etwa neunzig Grad (90[deg.]) gekrümmt sein, um die beiden zusammengeführten Ströme 150, 160 zu mischen und zu verwirbeln, oder kann auch nicht gekrümmt sein.

  

[0012]    Der zweite Strom 160 kann ein auf entzündbaren Brennstoff basierender Strahl sein, beispielsweise Benzin, Erdgas, Propan, Diesel, Kerosin, E85 (85 % Ethanol und 15 % Benzin), Biodiesel, Biogas oder jeder sonstige zur Verbrennung verwendete Brennstoff. Der zweite Strom 160 kann ebenfalls ein beliebiger anderer, auf einer gasförmigen und/oder flüssigen Substanz basierender Strom sein. Wie oben beschrieben, kann der erste Strom ein verdichteter Luftstrom oder eine beliebige andere Art von Strom sein. Obwohl die Querstromdüsen 140 im Wesentlichen rund dargestellt sind, können die Düsen 140 eine ovale, polygonale, krummlinige oder jede sonstige Gestalt oder eine Kombination davon aufweisen.

  

[0013]    Fig. 3 zeigt eine Dralldüsenleitschaufel 200, wie sie im Vorliegenden beschrieben ist. Ähnlich wie in der oben beschriebenen Leitschaufel weist die Dralldüsenleitschaufel 200 eine Anströmkante 210, eine erste Fläche 220 und eine zweite Fläche 225 auf. Die Dralldüsenleitschaufel 200 enthält ferner mehrere Querstromdüsen 230. Hinter der Querstromdüse 230 kann sich eine Rezirkulationszone 235 ausbilden. Die Rezirkulationszone 235 kann hinsichtlich der Abmessung, Form und Intensität variieren.

  

[0014]    In diesem Beispiel kann mindestens eine der Querstromdüsen 230 einen darin angeordnete Teiler 240 enthalten. Der Teiler 240 unterteilt die Querstromdüse 230 in zwei Bereiche und bildet darin zwei Brennstoffschlitze 250. Der Teiler 240 und die Brennstoffschlitze 250 können beliebig bemessen oder gestaltet sein. Eine oder mehrere Querstromdüsen 230 können ausserdem eine oder mehrere darum angeordnete Brennstoffvorhangschlitze 260 aufweisen. Obwohl der Brennstoffvorhangschlitz 260 als leicht gekrümmt und abgewinkelt gezeigt ist, kann im Vorliegenden eine beliebige Abmessung, Form oder Orientierung verwendet werden. Die Brennstoffvorhangschlitze 260 können jenen, die in dem Erfinder gehörenden US-Patent S. Nr. 12/262.358 gezeigt sind, und ähnlichen Strukturen ähneln.

  

[0015]    Die Verwendung der um die Querstromdüsen 230 angeordneten Brennstoffvorhangschlitze 260 kann als ein Strömungsvorhang wirken, der dazu dient, die Rezirkulationszone 235 hinter der Düse 230 auf ein Minimum zu reduzieren, indem ein Teil des Luftstroms in den turbulenten Nachströmungsbereich umgelenkt wird. Dieses Umlenken trägt in solchen Querströmungs-Bedingungen zu einer Verminderung der Flammhaltung bei. Die Brennstoffschlitze 250 können so bemessen sein, dass sie einen ausreichenden Spalt zwischen sich aufweisen, der durch den Teiler 240 gebildet wird, so dass es Luft erlaubt ist, hindurchzugelangen und die turbulente Nachströmung wegzublasen, die sich hinter den Düsen 230 ausgebildet hat.

   Die Bifurkation der Düse 230 durch den Teiler 240 kann daher dazu beitragen, die Rezirkulationszone 235 hinter der Düse 230 weiter zu reduzieren, während gleichzeitig die Vermischung von Brennstoff und Luft gesteigert wird, und ein Druckabfall verringert wird.

  

[0016]    Die Querstromdüsen 230 ermöglichen somit eine bessere Vermischung von Brennstoff und Luft, so dass die Gefahr von Flammhaltung vermindert ist und folglich die Brennstoffflexibilität erhöht ist. Der daran vorhandene Druckabfall kann ebenso durch Vorsehen einer grösseren Fläche für den Brennstoffstrom reduziert werden. Weiter kann ein geringerer Druckabfall somit einen kleiner bemessenen Brennstoffverdichter erlauben. Die Querstromdüse 230 bietet den Strömen keinen bedeutenden Widerstand, so dass eine verbesserte strukturelle Integrität erzielt wird. Die Düsen 230 sind ausserdem ohne weiteres herzustellen und können in bestehende Anlagen nachgerüstet werden.

  

[0017]    Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Querstromdüse 300. In diesem Beispiel weist die Düse 300 einen Teiler 310 auf, dessen Breite in der stromabwärts verlaufenden Richtung zunimmt. Der Teiler 310 vergrössert somit die Abmessung des zentralen Luftstroms, so dass die turbulente Nachströmung hinter der Düse 300 verringert wird. Der Teiler 310 kann jede gewünschte Abmessung, Form oder Konstruktion aufweisen.

  

[0018]    Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Querstromdüse 350. In diesem Beispiel enthält die Querstromdüse 350 eine Anzahl von Teilern 360. Die Verwendung mehrerer Teiler 360 erzeugt mehrere Luftdurchlasskanäle quer über die Düse 350. Der Teiler 360 kann jede gewünscht Abmessung, Form oder Konstruktion aufweisen. Es kann eine beliebige Anzahl von Teilern 360 verwendet werden.

  

[0019]    Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Querstromdüse 400. In diesem Beispiel enthält die Querstromdüse 400 einen Teiler 410 und eine Anzahl von konturierten Brennstoffschlitzen 420. Die konturierten Brennstoffschlitze 420 können in Verbindung mit den Brennstoffvorhangschlitzen 260 verwendet werden, um den Luftstrom hindurch zu lenken. Der Teiler 410 und die Schlitze 420 können jede gewünscht Abmessung, Form oder Konstruktion aufweisen.

  

[0020]    Es sollte klar sein, dass sich das Vorausgehende lediglich auf spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung bezieht, und dass durch den Fachmann im Vorliegenden zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem allgemeinen Gegenstand und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren äquivalente Bedeutungen definiert ist.

  

[0021]    Die vorliegende Erfindung schafft eine Querstromleitschaufel 200 für eine Turbine 10. Die Querstromleitschaufel 200 kann eine Anzahl von Düsen 230, die darin angeordnet sind, und einen Teiler 240 enthalten, der in einer oder mehreren Düsen 230 angeordnet ist, um darin eine Anzahl von Brennstoffschlitzen 250 zu bilden.

Bezugszeichenliste

  

[0022]    
<tb>10<sep>Gasturbinentriebwerk


  <tb>20<sep>Verdichter


  <tb>30<sep>Brennkammer


  <tb>40<sep>Turbine


  <tb>50<sep>externe Last


  <tb>100<sep>Brennkammerdralldüse


  <tb>110<sep>Dralldüsenleitschaufeln


  <tb>120<sep>Anströmkante


  <tb>130<sep>erste Fläche


  <tb>135<sep>zweite Fläche


  <tb>140<sep>Querstromdüse


  <tb>150<sep>erster Strom


  <tb>160<sep>zweiter Strom


  <tb>170<sep>Brennstoffkammer


  <tb>200<sep>Dralldüsenleitschaufel


  <tb>210<sep>Anströmkante


  <tb>220<sep>erste Fläche


  <tb>225<sep>zweite Fläche


  <tb>230<sep>Querstromdüsen


  <tb>235<sep>Rezirkulationszone


  <tb>240<sep>Teiler


  <tb>250<sep>Brennstoffschlitze


  <tb>260<sep>Brennstoffvorhangschlitz


  <tb>300<sep>Querstromdüse


  <tb>310<sep>Teiler


  <tb>350<sep>Querstromdüse


  <tb>360<sep>Teiler


  <tb>400<sep>Querstromdüse


  <tb>410<sep>Teiler


  <tb>420<sep>konturierte Brennstoffschlitze

Claims (7)

1. Querstromleitschaufel (200) für eine Turbine (10), zu der gehören:

eine Anzahl von Düsen (230), die darin angeordnet sind; und

ein Teiler (240), der in einer oder mehreren der Anzahl von Düsen (230) angeordnet ist, um darin eine Anzahl von Brennstoffschlitzen (250) zu bilden.

2. Querstromleitschaufel (200) nach Anspruch 1, wobei die Leitschaufel eine Dralldüsenleitschaufel (200) umfasst.

3. Querstromleitschaufel (200) nach Anspruch 1, die ferner einen Brennstoffvorhangschlitz (260) aufweist, der um eine oder mehrere der Anzahl von Düsen (230) angeordnet ist.

4. Querstromleitschaufel (200) nach Anspruch 3, wobei der Brennstoffvorhangschlitz (260) mehrere Brennstoffvorhangschlitzen (260) beinhaltet.

5. Querstromleitschaufel (200) nach Anspruch 1, wobei der Teiler (240) mehrere Teilern (240) beinhaltet.

6. Querstromleitschaufel (200) nach Anspruch 1, wobei der Teiler (240) auf einer stromabwärtigen Seite eine erweiterte Breite aufweist.

7. Querstromleitschaufel (200) nach Anspruch 1, wobei die vielen Brennstoffschlitze (250) eine konturierte Form aufweisen.