CH703783A2 - Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff mit Drallsteuerung. - Google Patents

Abstract

Gemäss der Erfindung wird ein Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff bereitgestellt, wobei das Verfahren die Vermischung von Luft und Brennstoff in einem Kanal (208) innerhalb einer Konusstruktur (202, 204) beinhaltet, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen und das Luft/Brennstoff-Gemisch aus dem Kanal in eine Brennkammer zu leiten. Das Verfahren beinhaltet ferner die Erzeugung eines Dralls mit dem Luft/Brennstoff-Gemisch und die Einstellung einer Position wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel (210), um eine Flammenstabilität zu steuern und um eine Eigenschaft des Dralls des Luft/Brennstoff-Gemisches zu steuern.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft Gasturbinen. Insbesondere betrifft der Erfindungsgegenstand Brenner in Gasturbinen.

[0002] In einer Gasturbine wandelt ein Brenner chemische Energie eines Brennstoffes oder eines Luft/Brennstoff-Gemisches in Wärmeenergie um. Die Wärmeenergie wird durch ein Fluid, oft Luft aus einem Verdichter, an eine Turbine transportiert, wo die Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Mehrere Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie. Die Faktoren können Laufschaufel-Durchtrittsfrequenzen, Brennstoffzuführungsschwankungen, Brennstoffart und -reaktivität, Brennerkopfendevolumen, Brennstoffdüsenauslegung, Luft/Brennstoff-Profile, Flammenform, Luft/Brennstoff-Mischung, Flammenhaltung und Flammenstabilisierung umfassen. Beispielsweise ist aufgrund von Verbrennungseigenschaften ein hoch reaktiver Brennstoff und/oder Kosten erwünscht. Jedoch kann ein hoch reaktiver Brennstoff das Auftreten von Flammenhaltung erhöhen. Die Flammenstabilität wird durch die Brennstoffdüsen beeinflusst, da sie das Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer einspritzen. Eine Kontrolle über die Flammenstabilität kann zu einer Kontrolle der Verbrennungsstelle dort führen, wo sie erwünscht ist, um zu verhindern, dass sich Teile der Flamme in der Brennstoffdüse ausbilden. Zusätzlich kann eine Flammenentstehung in der Düse eine ineffiziente Verbrennung bewirken und die Betriebslebensdauer der Düse und des Brenners verkürzen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0003] Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff geschaffen, wobei die Vorrichtung eine Konusstruktur beinhaltet, die einen Kanal zur Ausbildung eines Dralls eines Luft/Brennstoff-Gemisches in einer Brennkammer enthält. Die Vorrichtung enthält auch wenigstens eine in dem Kanal angeordnete einstellbare Leitschaufel, die für die Steuerung des Dralls des Luft/Brennstoff-Gemisches und zur Steuerung der Flammenstabilität eingerichtet ist.

[0004] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff geschaffen, wobei das Verfahren die Vermischung von Luft und Brennstoff in einem Kanal innerhalb einer Konusstruktur beinhaltet, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen und das Luft/Brennstoff-Gemisch aus dem Kanal in eine Brennkammer zu leiten. Das Verfahren beinhaltet ferner die Erzeugung eines Dralls in dem Luft/Brennstoff-Gemisch und die Einstellung einer Position wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel, um eine Flammenstabilität zu regulieren und um eine Eigenschaft des Dralls des Luft/Brennstoff-Gemisches zu steuern.

[0005] Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0006] Der als die Erfindung betrachtete Gegenstand wird ausführlich dargestellt und deutlich in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung beansprucht. Die vorstehenden und weitere Merkmale der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen:

[0007] Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines Abschnittes einer Ausführungsform einer Gasturbine, die einen Brenner, Brennstoffdüsen und Verdichter enthält;

[0008] Fig. 2 ist eine detaillierte Seitenschnittansicht einer Ausführungsform einer Brennstoffdüse;

[0009] Fig. 3 ist eine detaillierte Seitenschnittansicht einer Ausführungsform einer Brennstoffdüse;

[0010] Fig. 4 ist eine Querschnittansicht einer Ausführungsform einer einstellbaren Leitschaufel, gemäss Darstellung in Fig. 2; und

[0011] Fig. 5 ist eine Querschnittansicht einer Ausführungsform von einstellbaren Leitschaufeln, gemäss Darstellung in Fig. 3.

[0012] Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Offenlegung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0013] Fig. 1 ist eine Seitenschnittansicht eines Abschnittes einer Ausführungsform einer Gasturbine, die einen Brenner 100 und Verdichter 102 enthält. Die Gasturbine enthält einen Verdichter 102, einen Brenner 100 und eine Turbine 103, wobei die Turbine schematisch dargestellt ist. In der Gasturbine 10 bringt die Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches in dem Brenner 100 die Turbine 103 zum Drehen, um mechanische Energie in der Form von Rotationsabgabeenergie zu erzeugen. Die Drehung der Turbine 103 verdichtet auch Luft in dem Verdichter 102. Ferner kann die Gasturbine mehrere Verdichter 102, Brenner 100 und Turbinen 103 enthalten.

[0014] Nach einem Aspekt nutzt der Brenner 100 flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff reiches synthetisches Gas zum Betreiben der Gasturbine. Beispielsweise sind Brennstoffdüsen 104 mit einer Abdeckplatte 105 verbunden und nehmen eine Luftzufuhr 106 und eine Brennstoffzufuhr 107 auf. Die Luftzufuhr 106 und Brennstoffzufuhr 107 stehen mit den Brennstoffdüsen 104 in Fluidverbindung. Der Luftstrom oder die Zufuhr 106 ist aus einem Auslasssammelraum 108 und Diffusor 109 des Verdichters 102 auf die Brennstoffdüsen 104 gerichtet. Die Brennstoffdüsen 104 mischen die Brennstoffzufuhr 107 mit der Luftzufuhr 106, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen und geben das Luft/Brennstoff-Gemisch in den Brenner 100 aus. Wie dargestellt wird Luft aus dem Diffusor 109 zu dem Auslasssammel-raum 108 und entlang eines ringförmigen Kanals 110 zu den Brennstoffdüsen 104 geleitet. Die Brennstoffdüsen 104 leiten ein durch den Pfeil 112 dargestelltes Luft/Brennstoff-Gemisch in eine Brennkammer 114, um dadurch eine Verbrennung zu bewirken, die heisses unter Druck stehendes Abgas 116 erzeugt. Der Brenner 100 leitet das heisse unter Druck stehende Abgas 116 durch ein Übergangsstück 118 in einen Turbinenleitapparat 120, was die Drehung der Turbine 103 bewirkt.

[0015] In einer Ausführungsform mischen die Brennstoffdüsen 104 die Luftzufuhr 106 mit der Brennstoffzufuhr 107, um einen Drall des Luft/Brennstoff-Gemisches zu erzeugen, der eine Strömung 112 in die Brennkammer 114 bildet. Beispielsweise spritzen die Brennstoffdüsen 104 ein Luft/Brennstoff-Gemisch in dem Brenner 114 in einem geeigneten Verhältnis für verbesserte Verbrennungsemissionen, Brennstoffverbrauch und Leistungsabgabe ein. Die Eigenschaften des Luft/Brennstoff-Gemisches und des Luft/Brennstoff-Dralls können die Verbrennung beeinflussen. Beispielsweise verändert eine Konfiguration einer Brennstoffdüse 104 einen mittleren Drallradius und/oder die Geschwindigkeit der Düsenströmung, und beeinflusst dadurch die Lage der Flamme und die Verringerung des Auftretens einer Flammenhaltung in der Düse 104. Flammenhaltung kann als eine Flammenausbildung an einer unerwünschten Stelle in der Düse beschrieben werden, wobei die Flamme hohe Temperaturen bewirkt, die die Düse beschädigen können. Flammenstabilität kann als Kontrolle über eine Lage und Grösse einer Flamme in einem Brenner beschrieben werden, wobei eine stabile Flamme mit gewählter Grösse ständig in einer ausgewählten Lage in der Brennkammer erzeugt wird.

[0016] Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Brennstoffdüse 200. Die Brennstoffdüse 200 enthält einen Aussenkonus 202 und einen an einem Flansch 206 gekoppelten Innenkonus 204. Ein Kanal 208 für den Durchfluss eines Luft/Brennstoff-Gemisches ist zwischen dem Aussenkonus 202 und dem Innenkonus 204 angeordnet. Der Aussenkonus 202 und der Innenkonus 204 werden auch als eine Konusstruktur erzeugend beschrieben. Einstellbare Leitschaufeln 210 sind in dem Kanal 208 positioniert, um einen Strom des Luft/Brennstoff-Gemisches in eine konische Kammer 211 zu steuern. Der gasförmige Brennstoffström 212 wird entlang eines Brennstoffkanals 214 geleitet, in den der Brennstoff durch Einlasse 216 eingespritzt und mit Luft aus dem Verdichter im Kanal 208 vermischt wird. In einer Ausführungsform sind die einstellbaren Leitschaufeln 210 dafür konfiguriert, einen Drall des Luft/Brennstoff-Gemisches bei dessen Eintritt in die konische Kammer 211, dargestellt durch Pfeile 218, zu steuern. Wie dargestellt, befindet sich der Flüssigbrennstoffan-schluss 220 in einem stromaufwärts liegenden Abschnitt der Brennstoffdüse 200, um einen Strom 222 flüssigen Brennstoffes zur Vermischung mit dem Luft/Brennstoff-Drallgemisch während des Gasturbinenstartvorgangs zu lenken.

[0017] In einer Ausführungsform sind die einstellbaren Leitschaufeln 210 axial gestuft, wobei die Position von einer oder mehreren von den Leitschaufeln 210 angepasst wird, um eine axiale Strömungskomponente des Luft/Brennstoff-Drallgemisches zu steuern. Beispielsweise sind die axial gestuften einstellbaren Leitschaufeln 210 schaufelblattförmig geformt und schwenken entlang einer Radialachse 223, und beeinflussen dadurch eine axiale Komponente der Düsenströmung durch den Pfeil 224 dargestellt, des Luft/Brennstoff-Gemisches während seiner Strömung 218 in die Kammer 211. Dieses ist im Detail in Fig. 4 beschrieben. Somit bewirkt die Position der einstellbaren Leitschaufeln 210 und entsprechender axialer Strömungskomponenten eine Veränderung in der Stromabwärts- oder Axialgeschwindigkeit der Düsenströmung 226, und dadurch eine Verringerung der Flammenhaltungsneigung. Demzufolge verbessern die axial gestuften einstellbaren Leitschaufeln 210 den Verbrennungswirkungsgrad, während sie gleichzeitig den Verschleiss auf der Brennstoffdüse reduzieren. Zusätzlich können die einstellbaren Leitschaufeln 210 dafür konfiguriert sein, verschiedene Eigenschaften der Düsenströmung 226 zu steuern, wie z.B. einen Drallmittelradius 228, eine radiale Strömungsgeschwindigkeit, axiale Strömungsgeschwindigkeit, Drallwirbellänge und weitere Eigenschaften, die die Verbrennung beeinflussen. Wie dargestellt, wird der Drallmittelradius 228 von einer Düsenachse 230 ausgemessen, wobei der Drallmittelradius 228 ein Mass für die Gesamtgrösse des Düsenwirbels ist. In einigen Ausführungsformen beeinflussen der Drallmittelradius 228 und die Wirbelgrösse das Luft/Brennstoff-Gemisch und den Verbrennungswirkungsgrad der Turbine.

[0018] Gemäss weiterer Bezugnahme auf Fig. 2sind die einstellbaren Leitschaufeln 210 dafür konfiguriert, die Verwendung von hoch reaktivem gasförmigem Brennstoff durch Hinzufügung einer axialen Strömungs- oder Geschwindigkeitskomponente zu dem Luft/Brennstoff-Gemisch 226 zu ermöglichen. Insbesondere können die axial gestuften einstellbaren Leitschaufeln 210 dafür konfiguriert sein, eine axiale Strömungskomponente beizusteuern, um das Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer zu drücken. Daher verringern die einstellbaren Leitschaufeln 210 die Möglichkeiten einer Flammenhaltung oder eines Flammenrückschlags, wenn hoch reaktiver oder volatiler Brennstoff verwendet wird. In einigen Ausführungsformen ist es erwünscht, einen hoch reaktiven Brennstoff, wie z.B. solche mit einem hohen Wasserstoffanteil (z.B. H2) und den Paraffinen höherer Ordnung aufgrund einer hohen Flammentemperatur und dazugehöriger chemischer und thermodynamischer Eigenschaften zu verwenden. Demzufolge werden die Brennstoffdüsen 200 mit einstellbaren Leitschaufeln 210 konfiguriert, so dass sie eine Strömungssteuerung des Luft/Brennstoff-Gemisches erzeugen, was die Verwendung von innerhalb eines Bereichs verschiedenen Brennstoffen in einer Gasturbine ermöglicht. Beispielsweise befindet sich, wenn ein Brennstoff mit niedriger Reaktivität in der Turbine verwendet wird, wenigstens eine einstellbare Leitschaufel 210 in einer neutralen Position, in welcher dem Luft/Brennstoff-Gemisch keine axiale Strömungskomponente hinzugefügt wird. Dieses ist erwünscht, da das Risiko einer Flammenhaltung und einer unerwünschten Verbrennung in der Düse bei dem Brennstoff niedriger Reaktivität verringert ist. Ferner schwenkt, wenn ein hoch reaktiver Brennstoff verwendet wird, die wenigstens eine einstellbare Leitschaufel 210 entlang der Radialachse 223 in dem Kanal 208, um dem Luft/Brennstoff-Gemisch eine axiale Strömungskomponente hinzuzufügen, und dadurch den Strom in die Brennkammer zu lenken. In einer Ausführungsform fügt die Position der einstellbaren Leitschaufel 210 die Axialkomponente hinzu, die eine erwünschte Verbrennung in der Brennkammer bewirkt. Demzufolge wird durch Drücken oder Lenken des Luft/Brennstoff-Gemisches 226 in die Brennkammer die Möglichkeit einer Flammenhaltung in der Brennstoffdüse 200 verringert, während gleichzeitig auch die Flammenstabilität und die Kontrolle über die Flammenstabilität erhöht werden. Die Brennstoffdüse 200 kann eine oder mehrere einstellbare Leitschaufeln 210 enthalten, welche eine beliebige Form, wie z.B. die eines Schaufelblattes, haben können, die für die Steuerung eines Fluidstroms in einer gewählten Richtung konfiguriert ist. In einer Ausführungsform sind die einstellbaren Leitschaufeln 210 synchronisiert, wobei jede von den Leitschaufeln 210 ähnlich bewegt wird, um eine im Wesentlichen ähnliche Richtungskomponente für die Fluidströmung quer zu der Brennstoffdüse 200 zu bewirken. Alternativ wird jede einstellbare Leitschaufel unabhängig bewegt, um eine unterschiedliche Fluidströmung aus ausgewählten Bereichen des Kanals 208 in die konische Kammer 211 zu bewirken. Zusätzlich kann die einstellbare Leitschaufel 210 aus irgendeinem geeigneten haltbaren und festen Material wie z.B. aus einer Stahllegierung oder einem Verbundstoff hergestellt sein.

[0019] Fig. 3 ist eine Seitenschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Brennstoffdüse 300. Die Brennstoffdüse 300 (oder der «Brennstoffinjektor») enthält einen Aussenkonus 302, Innenkonus 304 und Kanal 306. Der Kanal 306 ist zwischen dem Innenkonus 302 und dem Aussenkonus 304 angeordnet, um einen Luft/Brennstoff-Strom in die Düse 300 zu führen. Wie dargestellt, befindet sich ein Mittenkonus 308 zwischen dem Aussenkonus 302 und dem Innenkonus 304, wobei die Komponenten eine Konusstruktur in der Düse 300 ausbilden. Der Mittenkonus 308 unterteilt den Kanal 306 für wenigstens einen Abschnitt der Brennstoff düse 300 in zwei Kanäle. Der Aussenkonus 302, Innenkonus 304 und der Mittenkonus 308 sind jeweils mit einem Flansch 310 gekoppelt. Einstellbare Leitschaufeln 312 sind zwischen dem Aussenkonus 302 und dem Mittenkonus 308 positioniert. Ebenso sind einstellbare Leitschaufeln 312 zwischen dem Innenkonus 304 und Mittenkonus 308 positioniert. In einer Ausführungsform sind die einstellbaren Leitschaufeln 312 schwenkbar mit einem Abschnitt der Konusstruktur gekoppelt. Beispielsweise ist eine erste einstellbare Leitschaufel 312 schwenkbar mit dem Aussenkonus 302 gekoppelt und eine zweite einstellbare Leitschaufel 312 ist schwenkbar mit dem Mittenkonus 308 gekoppelt, wobei die einstellbaren Leitschaufeln 312 so positioniert sind, dass sie ein Luft/Brennstoff-Gemisch steuern, während es durch den Kanal 306 strömt. Gemäss Darstellung sind die einstellbaren Leitschaufeln 312 so gekoppelt, dass sie entlang einer Tangentialachse 313 schwenken.

[0020] In einer Ausführungsform wird der gasförmige Brennstoffstrom oder die Zufuhr 314 durch die Kanäle 316 zu Brennstoffeinlassen 318 geführt, wo der Brennstoff mit Luft in den Kanälen 306 vermischt wird. Die einstellbaren Leitschaufeln 312 führen ein Luft/Brennstoff-Gemisch 320 in eine konische Kammer 321, die stromabwärts in die Brennkammer strömt. Ein Flüssigbrennstoffanschluss 322 befindet sich in einem stromaufwärts liegenden Abschnitt der Düse 300, um während des Gasturbinenstartvorgangs einen Strom 324 flüssigen Brennstoffs in die konische Kammer 321 zu leiten. In einer Ausführungsform strömt das Luft/Brennstoff-Gemisch 320 unter Ausbildung eines Luft/Brennstoff-Gemischwirbels 328 stromabwärts 326 zu dem Brenner. In einer Ausführungsform können die einstellbaren Leitschaufeln 312 als radial einstellbare Leitschaufeln bezeichnet werden, da sie Eigenschaften des Luft/Brennstoff-Wirbels 328, wie z.B. einen Drallmittelradius 330 des Wirbels steuern. Gemäss Darstellung ist der Drallmittelradius 350 eine von der Düsenachse 332 aus gemessene Dimension, bei der die radial einstellbaren Leitschaufeln 312 den Drallmittelradius 330 bei dessen Einstrom in die Brennkammer steuern. Durch Steuern des Drallmittelradius 330 wird die Flammenstabilität gesteuert, um den Wirkungsgrad zu verbessern und den Verschleiss an Brennstoffdüsen 300 und an anderen Komponenten zu verringern. Zusätzlich zur Steuerung des Drallmittelradius 330 beeinflussen die radial einstellbaren Leitschaufeln 312 die axiale Länge des Wirbels 328. Beispielsweise sind die radial einstellbaren Leitschaufeln 312 zur Ausbildung eines Wirbels 328 mit einem kleinen Drallmittelradius 330 und einer langen Axiallänge des Wirbels 328 positioniert, um dadurch zu bewirken, dass sich das Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer erstreckt. Dieses bewirkt eine Ausbildung der Flamme an einer gewünschten Stelle in der Kammer, um dadurch die Flammenstabilität zu steuern. In einer Ausführungsform steuern einstellbare Leitschaufeln 312 auch die axiale Geschwindigkeit, wenn der Wirbel 328 die Brennstoff düse 300 verlässt, um die Grösse einer in der Brennkammer ausgebildeten Rezirkulationsblase zu beeinflussen, wobei eine grosse Rezirkulationsblase ebenfalls die Flammenstabilität beeinflussen kann.

[0021] In Ausführungsformen sind die radial einstellbaren Leitschaufeln 312 in Winkeln in Bezug auf den Strömungspfad oder die Konusstruktur positioniert. Beispielsweise befindet sich eine erste radiale einstellbare Leitschaufel 312 in einer offenen Position, was einen nicht blockierten Einstrom in die konische Kammer 321 zulässt, während eine zweite radial einstellbare Leitschaufel 312 sich in einer geschlossenen Position befindet, welche vollständig einen Einstrom in die Kammer 321 blockiert. In einer weiteren Ausführungsform sind die Positionen der radial einstellbaren Leitschaufeln 312 synchronisiert. In noch einer weiteren Ausführungsform ist nur eine einzige radial einstellbare Leitschaufel 312 in dem Kanal 306 positioniert, um eine Eigenschaft des Luft/Brennstoff-Dralls zu steuern. Wie hierin diskutiert, können einstellbare Leitschaufeln 312 dafür konfiguriert sein, Axial- und/oder Tangentialströmungskomponenten zu erzeugen, um eine axiale und/oder tangentiale Strömungsgeschwindigkeit eines Luft/ Brennstoff-Gemisches zu ändern, um dadurch die Luft/Brennstoff-Vermischung zu verbessern und die Ausbildung und Grösse des Wirbels zu steuern. Ferner kann durch Steuerung von Parametern des Luft/Brennstoff-Dralls die Verbrennung und Flammenlage gesteuert werden, um eine Flammenhaltung zu verringern und eine Beschädigung an der Brennstoffdüse 300 zu verhindern.

[0022] Fig. 4 ist eine Querschnittansicht einer Ausführungsform einer einstellbaren Leitschaufel entlang der Linie 4-4 von Fig. 2. Wie dargestellt, liegt die einstellbare Leitschaufel 400 in der Form eines Schaufelblattes vor und enthält eine Vorderkante 402, eine Hinterkante 404 und einen Schwenkpunkt 406. Die einstellbare Leitschaufel bewegt sich um den Schwenkpunkt 406 gemäss Darstellung durch den Pfeil 408, wobei eine Position der einstellbaren Leitschaufel 400 eine Eigenschaft des Luft/Brennstoff-Dralls in dem Brenner steuert. Ein Winkel 410 der einstellbaren Leitschaufel 400 in Bezug auf den Luft/Brennstoff-Strom 412 kann der Geschwindigkeit des Luft/Brennstoff-Dralls eine axiale Strömungskomponente hinzufügen. In einer Ausführungsform wird die einstellbare Leitschaufel 400 als eine axial einstellbare Führungsleitschaufel oder axial gestufte Leitschaufel beschrieben, die entlang einer radialen Achse 414 schwenkt, um eine Änderung in der axialen Strömungskomponente des Luft/Brennstoff-Gemisches zu bewirken. In einem Beispiel liegt der Winkel 410 zwischen 0 und 90 Grad, um eine Strömungskomponente des Luft/Brennstoff-Dralls zu verhindern. In einem weiteren Beispiel liegt der Winkel 410 zwischen 5 und 60 Grad, um eine Strömungskomponente des Luft/Brennstoff-Dralls zu ändern oder hinzuzufügen.

[0023] Fig. 5 ist eine Querschnittansicht eines Abschnittes einer Ausführungsform einer Brennstoffdüse entlang einer Linie 5-5 von Fig. 3. Der Abschnitt der Brennstoffdüse enthält einen Aussenkonus, Innenkonus 502, Mittenkonus 504, eine erste einstellbare Leitschaufel 506 und eine zweite einstellbare Leitschaufel 508. Die erste einstellbare Leitschaufel 506 ist in einem ersten Kanal 510 positioniert und die zweite einstellbare Leitschaufel 508 ist in einem zweiten Kanal positioniert. In einer Ausführungsform strömt das Luft/Brennstoff-Gemisch gemäss Darstellung durch die Pfeile 514 bzw. 516 durch den ersten Kanal 512 und den zweiten Kanal 512. Die Positionen der ersten einstellbaren Leitschaufel 506 und der zweiten einstellbaren Leitschaufel 508 können gemäss Darstellung durch die Pfeile 516 bzw. 518 eingestellt werden. Die erste einstellbare Leitschaufel 506 enthält einen Schwenkpunkt 520, um die Schwenkbewegung 516 zu ermöglichen. Ebenso enthält die zweite einstellbare Leitschaufel 508 einen Schwenkpunkt 522, um eine Schwenkbewegung 518 zu ermöglichen. In Ausführungsformen gibt es eine oder mehrere einstellbare Leitschaufeln 506, 508, die zwischen dem Aussenkonus 500 und Innenkonus 502 angeordnet sind.

[0024] In einer Ausführungsform werden die einstellbaren Leitschaufeln 506 und 508 als radial einstellbare Leitschaufein bezeichnet, bei denen die Leitschaufeln 506 und 508 dafür konfiguriert sind, eine Abmessung und/oder einen mittleren Radius des Luft/Brennstoff-Wirbels in der Düse und in der Brennkammer durch Einstellen der Position von einer oder mehreren von den Leitschaufeln 506 und 508 zu steuern. Beispielsweise wird ein Winkel 524 der ersten Führungsleitschaufel 506 in Bezug auf eine Luft/Brennstoff-Strömung 526 eingestellt, um eine Eigenschaft des Wirbels, wie z.B. den Drallmittelradius zu steuern. Wie dargestellt, sind die radialen Führungsleitschaufeln 506 und 508 dafür konfiguriert, um zwei tangentiale Achsen zu schwenken, um die Steuerung eines Luft/Brennstoff-Drallparameters zu ermöglichen. Die eine oder mehrere tangentiale Achsen sind im Wesentlichen parallel zu Tangenten des Umfangs der Düsenkonusstrukturen. In einer Ausführungsform ist der Mittenkonus 504 nicht entlang des gesamten Umfangs der konischen Düse angeordnet und ist nur in der Nähe der Austritte des Kanals 510, 512 in die konische Kammer angeordnet. Beispielsweise bilden der Innenkonus 502 und der Aussenkonus 500 nur einen Kanal für einen Abschnitt der Düse und die Kanäle 510 und 512 sind in dem ersten Abschnitt der Düse in der Nähe der Austritte des Kanals ausgebildet, wo sich die Struktur des Mittenkonus 504 befindet. In weiteren Ausführungsformen steuern die einstellbaren Leitschaufeln 506 und 508 eine Strömung durch Veränderung einer Position oder Form der Leitschaufeln unter Verwendung eines Formgedächtnismaterials, wobei das Formgedächtnismaterial dafür konfiguriert ist, sich von einer ersten Form in eine zweite Form zu verändern, wenn Energie darauf aufgebracht wird. Beispielsweise können einstellbare Leitschaufeln 506 und 508 eine Legierung, wie z.B. in einem flexiblen Kohlenverbundstoff eingebettetes Nickeltitan enthalten, an welches selektiv Strom angelegt wird, um der Legierung zu ermöglichen, eine Form oder Abmessung, wie z.B. einen Winkel der Leitschaufel oder eine Sehne und/oder Spanne der Leitschaufeln zu verändern.

[0025] Obwohl die Erfindung in Verbindung mit nur einer eingeschränkten Anzahl von Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, dürfte es sich ohne Weiteres verstehen, dass die Erfindung nicht auf derartige offengelegte Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, sodass sie eine beliebige Anzahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen, die bisher nicht beschrieben wurden, enthält, die aber dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Zusätzlich dürfte es sich, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demzufolge ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu betrachten, sondern ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.

[0026] Gemäss einem Aspekt der Offenlegung wird ein Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff bereitgestellt, wobei das Verfahren die Vermischung von Luft und Brennstoff in einem Kanal innerhalb einer Konusstruktur beinhaltet, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen und das Luft/Brennstoff-Gemisch aus dem Kanal in eine Brennkammer zu leiten. Das Verfahren beinhaltet ferner die Erzeugung eines Dralls mit dem Luft/Brennstoff-Gemisch und die Einstellung einer Position wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel, um eine Flammenstabilität zu steuern und um eine Eigenschaft des Dralls des Luft/Brennstoff-Gemisches zu steuern.

Bezugszeichenliste

[0027] <tb>10<sep>Gasturbine <tb>100<sep>Brenner <tb>102<sep>Verdichter <tb>103<sep>Turbine <tb>104<sep>Brennstoffdüsen <tb>105<sep>Abdeckplatte <tb>106<sep>Luftzufuhr <tb>107<sep>Brennstoffzufuhr <tb>108<sep>Auslasssammelraum <tb>110<sep>ringförmiger Luftströmungskanal <tb>112<sep>Luft/Brennstoff-Gemisch <tb>114<sep>Brennkammer <tb>116<sep>heisse Abgasströmung <tb>118<sep>Übergangsstück <tb>120<sep>Turbinenleitapparat <tb>200<sep>Brennstoffdüse <tb>202<sep>Aussenkonus <tb>204<sep>Innenkonus <tb>206<sep>Flansch <tb>208<sep>Luftkanal <tb>210<sep>einstellbare Leitschaufeln <tb>211<sep>konische Kammer <tb>212<sep>gasförmiger Brennstoffström <tb>214<sep>Kanal <tb>216<sep>Brennstoffeinlass <tb>218<sep>Luft/Brennstoff-Gemisch <tb>220<sep>Flüssigbrennstoffanschluss <tb>222<sep>Flüssigbrennstoff <tb>224<sep>axiale Strömung <tb>226<sep>Drallströmung <tb>228<sep>mittlerer Radius des Dralls <tb>230<sep>Achse <tb>300<sep>Brennstoffdüse <tb>302<sep>Aussenkonus <tb>304<sep>Innenkonus <tb>306<sep>Luftkanal <tb>308<sep>Mittenkonus <tb>310<sep>Flansch <tb>312<sep>einstellbare Leitschaufeln <tb>313<sep>Tangentialachse <tb>314<sep>gasförmiger Brennstoffström <tb>316<sep>Kanäle <tb>318<sep>Gasbrennstoffeinlass <tb>320<sep>Luft/Brennstoff-Gemisch <tb>322<sep>Flüssigbrennstoffanschluss <tb>324<sep>Strömung <tb>326<sep>stromabwärts befindliche Strömung <tb>328<sep>Wirbel <tb>330<sep>mittlerer Radius des Dralls <tb>332<sep>Achse <tb>400<sep>einstellbare Führungsleitschaufel <tb>402<sep>Vorderkante <tb>404<sep>Hinterkante <tb>406<sep>Schwenkpunkt <tb>500<sep>Aussenkonus <tb>502<sep>Innenkonus <tb>504<sep>Mittenkonus <tb>506<sep>einstellbare Leitschaufel <tb>508<sep>einstellbare Leitschaufel <tb>510<sep>Kanal <tb>512<sep>Kanal <tb>514<sep>Luft/Brennstoff-Gemischströmung <tb>516<sep>Luft/Brennstoff-Gemischströmung <tb>518<sep>Pfeil <tb>520<sep>Schwenkpunkt <tb>522<sep>Schwenkpunkt <tb>524<sep>Winkel

Claims (10)

1. Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff, mit den Schritten: Mischen von Luft und Brennstoff in einem Kanal (208) in einer Konusstruktur (202, 204), um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen; Leiten des Luft/Brennstoff-Gemisches aus dem Kanal (208) in eine Brennkammer (114); Erzeugen eines Dralls (226) in dem Luft/Brennstoff-Gemisch; und Einstellen einer Position von wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel (210), um eine Eigenschaft des Dralls (226) des Luft/Brennstoff-Gemisches zu steuern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einstellung einer Position von wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel (210) die Reduzierung einer Flammenhaltung in einer Brennstoffdüse (200) umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einstellung einer Position von wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel (210) das Schwenken von wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel (210) entlang einer radialen Achse (223) umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einstellung einer Position von wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel (312) das Schwenken von wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel (312) entlang einer tangentialen Achse (313) umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Einstellung einer Position von wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel (210) die Steuerung eines Mittelradius (228) des Dralls (226) umfasst.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Einstellung einer Position von wenigstens einer einstellbaren Leitschaufel (210) die Steuerung einer axialen Strömungskomponente (224) des Dralls (226) umfasst.

7. Brenner, aufweisend: eine Brennkammer (114); eine Luftzufuhr (106) in Fluidverbindung mit wenigstens einer Brennstoffdüse (200), die in der Brennkammer (114) positioniert ist; und eine Brennstoffzufuhr (108) in Fluidverbindung mit der wenigstens einen Brennstoffdüse (200), wobei die wenigstens eine Brennstoffdüse (200) aufweist: eine Konusstruktur (202, 204), die einen Kanal (208) enthält, um einen Luft/Brennstoff-Drall (226) in der Brennkammer (114) zu erzeugen; und wenigstens eine in dem Kanal (208) positionierte einstellbare Leitschaufel (210), die für die Steuerung einer Eigenschaft des Luft/Brennstoff-Dralls (226) und die Steuerung einer Flammenstabilität konfiguriert ist.

8. Brenner nach Anspruch 7, wobei die Eigenschaft des Luft/Brennstoff-Dralls (226) eine axiale Strömungskomponente (224) des Luft/Brennstoff-Dralls (226) umfasst.

9. Brenner nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Position der wenigstens einen einstellbaren Leitschaufel (210) dafür konfiguriert ist, eine Flammenhaltung zu reduzieren.

10. Brenner nach Anspruch 7, wobei eine Eigenschaft des Luft/Brennstoff-Dralls (226) einen mittleren Radius (228) des Dralls (226) umfasst.