CH707666A2 - Brennstofffdüse zur Reduktion der modalen Kopplung der Verbrennungsdynamik. - Google Patents

Abstract

Eine Brennstoffdüse (66) weist einen Mittelkörper (90) auf, der sich axial über eine Länge entlang einer axialen Mittellinie (92) erstreckt. Ein Mantel (100) umgibt den Mittelkörper (90) umfangsmässig zumindest über einem Abschnitt der Länge (94) des Mittelkörpers (90). Mehrere Wendelgänge (106) umgeben den Mittelkörper (90) umfangsmässig zumindest entlang eines Abschnitts der Länge (94) des Mittelkörpers (90), und jede der Brennstofföffnungen (108) in den einzelnen Wendelgängen weist eine andere axiale Langenposition und damit Konvektionszeit auf.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Brennstoffdüse zur Reduktion der modalen Kopplung der Verbrennungsdynamik. In bestimmten Ausführungsformen können die Brennstoffdüse und das Verfahren Teil einer Gasturbine oder einer anderen Turbomaschine sein.

Hintergrund zu der Erfindung

[0002] Brenner werden allgemein im Betrieb von industriellen und gewerblichen Anlagen verwendet, um Brennstoff zu entzünden und um Verbrennungsgase mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen. Zum Beispiel weisen Gasturbinen und andere Turbomaschinen in der Regel einen oder mehrere Brenner auf, um Leistung oder Schub zu erzeugen. Eine typische Gasturbine, die verwendet wird, um elektrische Leistung zu erzeugen, weist im vorderen Teil einen axialen Kompressor, im mittleren Teil mehrere Brenner und im hinteren Teil eine Turbine auf. In den Kompressor tritt als Arbeitsfluid Umgebungsluft ein, und der Kompressor lädt das Arbeitsfluid zunehmend mit kinetischer Energie auf, um ein verdichtetes Arbeitsfluid in einem stark energiegeladenen Zustand zu erzeugen. Das verdichtete Arbeitsfluid tritt aus dem Kompressor aus und strömt durch eine oder mehrere Brennstoffdüsen in den Brennern, wo das verdichtete Arbeitsfluid mit Brennstoff vermischt wird, bevor es in einer Brennkammer entzündet wird, um Verbrennungsgase mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu erzeugen. Die Verbrennungsgase strömen zur Turbine, wo sie sich ausdehnen, um Arbeit zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Ausdehnung der Verbrennungsgase in der Turbine bewirken, dass sich eine mit einem Generator verbundene Welle dreht, wodurch Elektrizität erzeugt wird.

[0003] Während des Betriebs kann es zu Verbrennungsinstabilitäten kommen, wenn durch den Verbrennungsprozess eine oder mehrere Akustikmoden der Gasturbine angeregt werden. Die angeregten Akustikmoden können zu periodischen Schwingungen von Systemparametern (z.B. Geschwindigkeit, Temperatur, Druck) und Prozessen (z.B. Reaktionsrate, Wärmeübertragungsrate) führen. Zum Beispiel kann ein Mechanismus von Verbrennungsinstabilitäten auftreten, wenn die akustischen Druckpulsationen eine Schwankung des Massenstroms an einer Brennstofföffnung bewirken, die dann zu einer Schwankung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in der Flamme führt. Wenn die resultierende Schwankung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses und die akustischen Druckpulsationen ein bestimmtes Phasenverhalten aufweisen (z.B. ungefähr phasengleich sind), kann es aufgrund von Eigenerregung zu einer Rückkopplung kommen. Dieser Mechanismus und das resultierende Ausmass der Verbrennungsdynamik hängen zumindest zum Teil von der Verzögerung zwischen der Zeit, zu welcher der Brennstoff durch die Brennstoffdüsen eingespritzt wird, und der Zeit ab, zu welcher der Brennstoff den Brennstoff sammelraum erreicht und entzündet wird, die als Konvektionszeit (Tau) definiert wird. Je länger die Konvektionszeit ist, desto niedriger ist die Frequenz der Verbrennungsinstabilitäten, und je kürzer die Konvektionszeit ist, desto höher ist die Frequenz der Verbrennungsinstabilitäten.

[0004] Die resultierende Verbrennungsdynamik kann die Lebensdauer eines oder mehrerer Brenner und/oder stromabwärts angeordneter Komponenten verkürzen. Daher wäre eine Düse, die die Konvektionszeit variiert, nützlich, um über einem breiten Bereich von Betriebsstufen den thermodynamischen Wirkungsgrad der Brenner zu erhöhen, einen Schutz gegen beschleunigten Verschleiss zu bieten, die Stabilität der Flamme zu fördern und/ oder unerwünschte Emissionen zu reduzieren.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nachstehend in der folgenden Beschreibung erläutert oder können aus der Beschreibung offenbar werden oder können durch die Umsetzung der Erfindung in die Praxis erlernt werden.

[0006] Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Düse, die einen Mittelkörper aufweist, der sich über eine Länge axial entlang einer axialen Mittellinie erstreckt. Ein Mantel umgibt den Mittelkörper umfangsmässig zumindest über einen Abschnitt der Länge des Mittelkörpers. Mehrere Wände erstrecken sich radial zwischen dem Mittelkörper und dem Mantel. Mehrere Wendelgänge, die zumindest zum Teil von dem Mittelkörper, dem Mantel und den mehreren Wänden definiert werden, umgeben den Mittelkörper umfangsmässig entlang zumindest eines Abschnitts der Länge des Mittelkörpers. Brennstofföffnungen in den einzelnen Wendelgängen weisen in jedem Wendelgang eine andere axiale Position auf.

[0007] Die Brennstoffdüse kann ferner einen Brennstoffsammelraum innerhalb des Mittelkörpers aufweisen.

[0008] Der Mantel jeder der oben genannten Brennstoffdüsen kann sich von den mehreren Wänden axial stromabwärts erstrecken.

[0009] Der Mantel jeder der oben genannten Brennstoffdüsen kann einen Durchmesser definieren, und der Durchmesser nimmt von den mehreren Wänden stromabwärts ab.

[0010] Jede Wand jeder der oben genannten Brennstoffdüsen kann einen Winkel von mehr als 30 Grad in Bezug auf die axiale Mittellinie aufweisen.

[0011] Jede Wand jeder der oben genannten Brennstoffdüsen kann sich vom Mantel axial stromaufwärts erstrecken.

[0012] Jeder Brennstoffkanal jeder der oben genannten Brennstoffdüsen kann durch den Mittelkörper hindurch eine Fluidverbindung mit einem anderen Wendelgang aufweisen.

[0013] Die einzelnen Brennstofföffnungen jeder der oben genannten Brennstoffdüsen können eine konische Aussenfläche aufweisen, die sich radial in die einzelnen Wendelgänge erstreckt.

[0014] Die einzelnen Brennstofföffnungen jeder der oben genannten Brennstoffdüsen können den gleichen Abstand von angrenzenden Wänden aufweisen.

[0015] In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Brennstoffdüse einen Mittelkörper auf, der sich axial über eine Länge entlang einer axialen Mittellinie erstreckt. Ein Mantel umgibt den Mittelkörper umfangsmässig zumindest über einen Abschnitt der Länge des Mittelkörpers. Mehrere Wendelgänge umgeben den Mittelkörper umfangsmässig zumindest entlang eines Abschnitts der Länge des Mittelkörpers, und jede der Brennstofföffnungen in den einzelnen Wendelgängen weist eine andere Konvektionszeit auf.

[0016] Der Mantel jeder der oben genannten Brennstoffdüsen kann sich von den mehreren Wendelgängen axial stromabwärts erstrecken.

[0017] Der Mantel jeder der oben genannten Brennstoffdüsen kann einen Durchmesser definieren, und der Durchmesser nimmt von den mehreren Wendelgängen stromabwärts ab.

[0018] Jeder Wendelgang jeder der oben genannten Brennstoffdüsen kann einen Winkel von mehr als 30 Grad in Bezug auf die axiale Mittellinie aufweisen.

[0019] Jeder Wendelgang jeder der oben genannten Brennstoffdüsen kann vom Mantel axial stromaufwärts verlaufen.

[0020] Die einzelnen Brennstofföffnungen jeder der oben genannten Brennstoffdüsen können eine konische Aussenfläche aufweisen, die sich radial in die einzelnen Wendelgänge erstreckt.

[0021] Die vorliegende Erfindung kann auch eine Gasturbine mit einem Kompressionsabschnitt, einem Verbrennungsabschnitt stromabwärts vom Kompressionsabschnitt und einem Turbinenabschnitt stromabwärts vom Verbrennungsabschnitt aufweisen. Eine Brennstoffdüse befindet sich im Verbrennungsabschnitt, und mehrere Wendelgänge verlaufen axial in der Brennstoffdüse. Brennstoff Öffnungen in den einzelnen Wendelgängen weisen jeweils eine andere Konvektionszeit auf.

[0022] Die Gasturbine kann ferner einen Mantel aufweisen, der die mehreren Wendelgänge umfangsmässig umgibt, wobei sich der Mantel axial von den mehreren Wendelgängen in Stromabwärtsrichtung erstreckt.

[0023] Die Gasturbine jeder der oben genannten Arten kann ferner einen Mantel aufweisen, der die mehreren Wendelgänge umfangsmässig umgibt, wobei der Mantel einen Durchmesser definiert und der Durchmesser von den mehreren Wendelgängen aus stromabwärts abnehmen kann.

[0024] Die Gasturbine jeder der oben genannten Arten kann ferner einen Mantel aufweisen, der die mehreren Wendelgänge umfangsmässig umgibt, wobei jeder Wendelgang axial vom Mantel aus stromaufwärts verlaufen kann.

[0025] Die einzelnen Brennstofföffnungen jeder der oben genannten Gasturbinen können eine konische Aussenfläche aufweisen, die sich radial in die einzelnen Wendelgänge erstreckt.

[0026] Der Fachmann wird nach dem Lesen der Beschreibung die Merkmale und Aspekte dieser und anderer Ausführungsformen besser würdigen können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0027] Der Fachmann erhält eine vollständige und erklärende Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschliesslich ihrer besten Ausführungsform in der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren, in denen: <tb>Fig. 1<SEP>eine vereinfachte seitliche Querschnittsdarstellung eines Beispiels für eine Gasturbine gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist; <tb>Fig. 2<SEP>eine vereinfachte seitliche Querschnittsdarstellung eines Beispiels für einen Brenner gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist; <tb>Fig. 3<SEP>ist eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffdüse gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; <tb>Fig. 4<SEP>eine seitliche Querschnittsdarstellung der in Fig. 3 dargestellten Brennstoffdüse ist; und <tb>Fig. 5<SEP>eine seitliche Querschnittsdarstellung eines Beispiels für einen Wendelgang und eine Brennstofföffnung ist, die in Fig. 3 und 4 dargestellt sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0028] Nun wird ausführlich auf vorgelegte Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, für die eines oder mehrere Beispiele in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind. Die ausführliche Beschreibung verwendet Zahlen und Buchstaben zur Bezeichnung, um auf Merkmale in den Zeichnungen Bezug nehmen zu können. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung zu benennen. Wie hierin verwendet, können die Begriffe «erster, erste, erstes», «zweiter, zweite, zweites» und «dritter, dritte, drittes» austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von der anderen zu unterscheiden, und sollen keinen Ort und keine Wichtigkeit der einzelnen Komponenten angeben. Die Begriffe «stromaufwärts», «stromabwärts», «radial» und axial» bezeichnen die relative Richtung in Bezug auf einen Fluidstrom in einem Fluidweg. Zum Beispiel bezeichnet «stromaufwärts» die Richtung, aus der das Fluid kommt, und «stromabwärts» bezeichnet die Richtung, in die das Fluid strömt. Ebenso bezeichnet «radial» die relative Richtung, die im Wesentlichen senkrecht ist zum Fluidstrom, und «axial» bezeichnet die relative Richtung, die im Wesentlichen parallel ist zum Fluidstrom.

[0029] Jedes Beispiel wird zur Erläuterung der Erfindung, aber nicht zur Beschränkung der Erfindung angegeben. In der Tat wird es für einen Fachmann naheliegend sein, dass Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von ihrem Bereich oder Gedanken abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, in einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um wiederum eine andere Ausführungsform zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen abdecken, die im Bereich der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalenten liegen.

[0030] Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten eine Brennstoffdüse zur Reduktion der modalen Kopplung einer Verbrennungsdynamik. Die Brennstoffdüse weist im Allgemeinen mehrere Wendelgänge auf, die axial in der Brennstoffdüse verlaufen, wobei jeder Wendelgang mindestens eine Brennstofföffnung aufweist. In bestimmten Ausführungsformen kann die Brennstoffdüse aufweisen: einen Mittelkörper, einen Mantel, der zumindest einen Abschnitt des Mittelkörpers umfangsmässig umgibt, und/oder mehrere Wände, die sich radial zwischen dem Mittelkörper und dem Mantel erstrecken, um die Wendelgänge zumindest zum Teil zu definieren. Jede Brennstofföffnung kann eine andere axiale Position in den jeweiligen Wendelgängen aufweisen, so dass jede Brennstofföffnung eine andere Konvektionszeit aufweist. Die unterschiedlichen Konvektionszeiten verändern die Frequenz und/oder die Amplitudenbeziehung zwischen den Düsen und/oder den Brennern, wodurch die Kohärenz des Verbrennungssystems als Ganzes reduziert wird, was etwaige Kopplungen zwischen den Brennstoffdüsen und/oder Brennern verkleinert. Wie hierin verwendet, bezeichnet Kohärenz die Stärke der linearen Beziehung zwischen zwei (oder mehr) dynamischen Signalen, die stark vom Grad der gegenseitigen Frequenzüberschneidung beeinflusst wird. Infolgedessen können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit des Brennerklangs, eine Vibrationsantwort in stromabwärts gelegenen Komponenten zu erzeugen, reduzieren. Obwohl Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für die Zwecke der Erläuterung allgemein im Kontext der Verbrennungsdynamik in einer Gasturbine beschrieben werden, wird ein Fachmann ohne Weiteres erkennen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf jede Verbrennungsdynamik angewendet werden können und nicht auf eine Gasturbine beschränkt sind, wenn in den Ansprüchen nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.

[0031] Nun wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei gleiche Bezugszahlen in allen Figuren gleiche Elemente bezeichnen, und wo Fig. 1 eine vereinfachte seitliche Querschnittsdarstellung eines Beispiels für eine Gasturbine 10 ist, in der verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verkörpert sein können. Wie dargestellt, kann die Gasturbine 10 allgemein einen Einlassabschnitt 12, einen Verdichtungsabschnitt 14, einen Verbrennungsabschnitt 16, einen Turbinenabschnitt 18 und einen Austrittsabschnitt 20 aufweisen. Der Einlassabschnitt 12 kann eine Reihe von Filtern 22 und eine oder mehrere Fluidkonditionierungsvorrichtungen 24 aufweisen, um ein Arbeitsfluid (z.B. Luft) 28, das in die Gasturbine 10 eintritt, zu reinigen, zu erwärmen, zu kühlen, zu befeuchten, zu entfeuchten und/oder anderweitig zu konditionieren. Das gereinigte und konditionierte Arbeitsfluid 28 strömt zu einem Kompressor 30 im Verdichtungsabschnitt 14. Ein Kompressorgehäuse 32 schliesst das Arbeitsfluid 28 ein, während abwechselnde Stufen aus rotierenden Blättern 34 und stationären Leitblechen 36 das Arbeitsfluid 28 zunehmend beschleunigen und umlenken, um einen kontinuierlichen Strom aus verdichtetem Arbeitsfluid 38 mit einer höheren Temperatur und einem höheren Druck zu erzeugen.

[0032] Der Hauptteil des verdichteten Arbeitsfluids 38 strömt durch einen Auslasssammelraum 40 des Kompressors zu einem oder mehreren Brennern 42 im Verbrennungsabschnitt 16. Eine Kraftstoff quelle 44, die mit den einzelnen Brennern 42 in Fluidverbindung steht, liefert Brennstoff zu den einzelnen Brennern 42. Mögliche Brennstoffe sind zum Beispiel Hochofengas, Koksofengas, Erdgas, Methan, verdampftes verflüssigtes Erdgas (LNG), Wasserstoff, Syngas, Butan, Propan, Olefine, Diesel, Petroleumdestillate und deren Kombinationen. Das verdichtete Arbeitsfluid 38 wird mit dem Brennstoff vermischt und entzündet, um Verbrennungsgase 46 mit einer höheren Temperatur und einem höheren Druck zu erzeugen.

[0033] Die Verbrennungsgase 46 strömen entlang eines Heissgaswegs durch eine Turbine 48 im Turbinenabschnitt 18, wo sie sich ausdehnen, um Arbeit zu erzeugen. Genauer können die Verbrennungsgase 46 durch abwechselnde Stufen aus stationären Düsen 50 und Lauf schaufeln 52 in der Turbine 48 strömen. Die stationären Düsen 50 leiten die Verbrennungsgase 46 auf die nächste Stufe aus Laufschaufeln 52 um, und die Verbrennungsgase 46 dehnen sich aus, wenn sie über die Laufschaufeln 52 strömen, wodurch sie bewirken, dass die Laufschaufeln 52 sich drehen. Die Laufschaufeln 52 können mit einer Welle 54 verbunden sein, die mit dem Kompressor 30 verbunden ist, so dass die Drehung der Welle 54 den Kompressor 30 antreibt, um das verdichtete Arbeitsfluid 38 zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Welle 54 mit einem Generator 56 verbunden sein, um Elektrizität zu erzeugen. Abgase 58 aus dem Turbinenabschnitt 18 strömen durch den Austrittsabschnitt 20, bevor sie in die Umgebung entlassen werden.

[0034] Die Brenner 42 können zu jeder Art von Brenner gehören, die in der Technik bekannt ist, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine bestimmte Brennerkonstruktion beschränkt, solange in den Ansprüchen nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Fig. 2 ist eine vereinfachte seitliche Querschnittsdarstellung eines Beispiels für einen Brenner 42 gemäss verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 2 dargestellt, können ein Brennergehäuse 60 und eine Endabdeckung 62 kombiniert sein, um das verdichtete Arbeitsfluid 38, das zum Brenner 42 strömt, einzuschliessen. Eine Kappenanordnung 64 kann sich radial über zumindest einen Abschnitt des Brenners 42 erstrecken, und eine oder mehrere Brennstoffdüsen 66 können radial über der Kappenanordnung 64 angeordnet sein, um Brennstoff zu einer Brennkammer 70 stromabwärts von der Kappenanordnung 64 zu liefern. Ein Einsatz 72 kann zumindest einen Abschnitt der Brennkammer 70 umfangsmässig umgeben, und ein Übergangkanal 74 stromabwärts vom Einsatz 72 kann die Brennkammer 70 mit dem Einlass der Turbine 48 verbinden. Eine Aufprallhülse 76 mit Durchflusslöchern 78 kann den Übergangkanal 74 umfangsmässig umgeben, und eine Durchflusshülse 80 kann den Einsatz 72 umfangsmässig umgeben. Auf diese Weise kann das verdichtete Arbeitsfluid 38 durch die Durchflusslöcher 78 in der Aufprallhülse 76 treten, um durch einen Ringkanal 82 ausserhalb des Übergangkanals 74 und des Einsatzes 72 zu strömen. Wenn das verdichtete Arbeitsfluid 38 die Endabdeckung 62 erreicht, wechselt das verdichtete Arbeitsfluid 38 die Richtung und strömt durch die Brennstoffdüsen 66 und in die Brennkammer 70.

[0035] Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für eine Brennstoffdüse 66 innerhalb des Bereichs verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und Fig. 4 ist eine seitliche Querschnittsdarstellung der in Fig. 3 dargestellten Brennstoffdüse 66. Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, kann die Brennstoffdüse 66 einen Mittelkörper 90 aufweisen, der sich über eine Länge 94 entlang einer axialen Mittellinie 92 der Brennstoffdüse 66 erstreckt. Der Mittelkörper 90 kann mit der Endabdeckung 62 verbunden sein und/oder durch diese hindurch verlaufen, um eine Fluidverbindung von der Endabdeckung 62, durch die Kappenanordnung 64 und in die Brennkammer 70 einzurichten. Zum Beispiel kann der Mittelkörper 90 eine oder mehrere Fluidsammelräume aufweisen, die Brennstoff, Verdünnungsmittel und/oder andere Additive von der Endabdeckung 62 in die Brennkammer 70 strömen lassen. In der speziellen Ausführungsform, die in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, erstreckt sich ein Brennstoffsammelraum 96 axial innerhalb des Mittelkörpers 90 entlang der Länge 94, um Brennstoff durch die Brennstoffdüse 66 zu liefern.

[0036] Die Brennstoffdüse 66 kann auch einen Mantel 100 aufweisen, der den Mittelkörper 90 über zumindest einen Abschnitt der Länge 94 des Mittelkörpers 90 umfangsmässig umgibt. Der Mantel definiert einen Durchmesser 102 innerhalb des Mantels 100. Mehrere Wände 104 können sich radial zwischen dem Mittelkörper 90 und dem Mantel 100 erstrecken. Auf diese Weise können der Mittelkörper 90, der Mantel 100 und die Wände 104 gemeinsam zumindest zum Teil mehrere Wendelgänge 106 definieren, die den Mittelkörper 90 umfangsmässig zumindest entlang eines Abschnitts der Länge 94 des Mittelkörpers 90 umgeben. Die Wendelgänge 106 wirbeln das verdichtete Arbeitsfluid 38 auf, das durch die Brennstoffdüse 66 strömt. In der speziellen Ausführungsform, die in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, kann sich jede Wand 104 und/oder jeder Wendelgang 106 vom Mantel 100 aus axial stromaufwärts erstrecken, damit das verdichtete Arbeitsfluid 38 in der Brennstoffdüse 66 empfangen oder aufgefangen werden kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann sich der Mantel 100 von den Wänden 104 und/oder den Wendelgängen 106 axial stromabwärts erstrecken, und der Durchmesser 102 des Mantels 100 kann von den Wänden 104 und/oder den Wendelgängen 106 stromabwärts abnehmen, um einen anhaltenden Wirbel des verdichteten Arbeitsfluids 38, das aus der Brennstoff düse 66 tritt und in die Brennkammer 70 eintritt, zu verstärken.

[0037] Die Anzahl und die Steigungswinkel der Wände 104 und der Wendelgänge 106 können variieren, um die Mischungslänge insgesamt und/oder die Stärke des Austrittswirbels zu ändern. In der speziellen Ausführungsform, die in Fig. 3 und 4 dargestellt sind, weist die Brennstoffdüse 66 beispielsweise zwölf Wände 104 auf, die zwölf Wendelgänge 106 bilden, die in einem Winkel von ungefähr 50 Grad um den Mittelkörper 90 herum angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen, die im Bereich der vorliegenden Erfindung liegen, kann die Anzahl der Wände zwischen 3 und 15 oder mehr variieren, und der Steigungswinkel kann zwischen etwa 10 Grad und etwa 80 Grad variieren. Jedoch sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Anzahl von Wänden 104 und/oder Wendelgängen 106 und/oder Steigungswinkeln beschränkt, solange in den Ansprüchen nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.

[0038] Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, weist jeder Wendelgang 106 mindestens eine Brennstofföffnung 108 auf, um eine Fluidverbindung vom Brennstoffsammelraum 96 durch den Mittelkörper 90 und in jeden einzelnen Wendelgang 106 einzurichten. Die Brennstofföffnungen 108 erlauben es, den Brennstoff 109 in jeden einzelnen Brennstoffkanal 106 einzuspritzen und mit dem verdichteten Arbeitsfluid 38 zu verwirbeln, um eine Durchmischung des Brennstoffs 109 und des verdichteten Arbeitsfluids 38 zu verstärken, bevor diese die Brennkammer 70 erreichen. Die Konvektionszeit (Tau), die mit den einzelnen Brennstofföffnungen 108 assoziiert ist, ist direkt proportional zu der Strecke, die der Brennstoff 109 zurücklegt, bevor er die Brennkammer 70 erreicht. Diese Strecke ist ihrerseits eine Funktion des Steigungswinkels (d.h. der Länge) jedes Wendelgangs 106 und der axialen Position der einzelnen Brennstofföffnungen 108 in der Brennstoffdüse 66. Eine kürzere Konvektionszeit reduziert das Mass der Durchmischung zwischen dem Brennstoff 109 und dem verdichteten Arbeitsfluid 38, die durch die Wendelgänge 106 strömen. Eine längere Konvektionszeit verstärkt die Durchmischung zwischen dem Brennstoff 109 und dem verdichteten Arbeitsfluid 38, kann aber auch die Reaktivität des Brennstoffs 109 verstärken und Bedingungen schaffen, die zu einer vorzeitigen Zündung führen können, bevor der Brennstoff 109 die Brennkammer 70 erreicht.

[0039] In der speziellen Ausführungsform, die in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, weist jede einzelne Brennstofföffnung 108 im jeweiligen Wendelgang 106 eine andere axiale Position auf, was eine entsprechende unterschiedliche Konvektionszeit für jede Brennstofföffnung 108 erzeugt. Die unterschiedlichen Konvektionszeiten führen zu einer entsprechenden unterschiedlichen Frequenz für jeden Wendelgang 108. Infolgedessen sind die Frequenzen, die von der Brennstoffdüse 66 erzeugt werden, diffuser und weisen kleinere Amplituden auf, ähnlich wie weisses Rauschen, wodurch die Bedingungen, die zu Verbrennungsinstabilitäten führen, reduziert werden.

[0040] Fig. 5 ist eine seitliche Querschnittsdarstellung eines Beispiels für einen Wendelgang und eine Brennstofföffnung, die in Fig. 3 und 4 dargestellt sind. Wie dargestellt, kann die Brennstofföffnung 108 gleich weit von angrenzenden Wänden 104 angeordnet sein und kann eine konische Aussenfläche 110 aufweist, die sich radial in jeden Wendelgang 106 erstreckt. Infolgedessen kann die Kombination des Wendelgangs 106 und der konischen Aussenfläche 110 einen doppelten Wirbel des verdichteten Arbeitsfluids 38, das durch die Wendelgänge 106 strömt, erzeugen, wodurch die Durchmischung mit dem Brennstoff 109, der in den Wendelgang 106 eingespritzt wird, verstärkt wird. In speziellen Ausführungsformen können die Brennstofföffnungen 108 in einem zusammengesetzten Winkel im Wendelgang 106 gewinkelt sein. Alternativ oder zusätzlich dazu können die Wendelgänge 106 Turbulatoren aufweisen, um den laminaren Strom aus dem Brennstoff 109 und verdichtetem Arbeitsfluid 38 durch die Brennstoffdüse 66 aufzubrechen.

[0041] Die verschiedenen Ausführungsformen, die mit Bezug auf Fig. 1 – 5 beschrieben und dargestellt werden, können einen oder mehrere der folgenden Vorteile gegenüber heutigen Brennern 42 bieten. Im Einzelnen reduzieren die Frequenzen mit den diffuseren und kleineren Amplituden, die mit den Wendelgängen 106 assoziiert sind, die Bedingungen, die zu Verbrennungsinstabilitäten führen, wodurch die Kohärenz und/oder modale Kopplung der Verbrennungsdynamik reduziert wird. Infolgedessen können die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen den thermodynamischen Wirkungsgrad verstärken, die Stabilität der Flamme fördern und/oder unerwünschte Emissionen über einem breiten Bereich von Betriebsstufen verringern, ohne sich auf die Lebensdauer stromabwärts angeordneter Komponenten im Heissgasweg auszuwirken.

[0042] Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschliesslich der besten Weise zu ihrer Ausführung, zu beschreiben und um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu auch die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen und Systemen und die Ausführung enthaltener Verfahren gehören. Der schutzwürdige Bereich der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele einschliessen, die für den Fachmann naheliegend sein mögen. Diese anderen Beispiele sollen im Bereich der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nur unerheblich unterscheiden.

[0043] Eine Brennstoffdüse weist einen Mittelkörper auf, der sich axial über eine Länge entlang einer axialen Mittellinie erstreckt. Ein Mantel umgibt den Mittelkörper umfangsmässig zumindest über einem Abschnitt der Länge des Mittelkörpers. Mehrere Wendelgänge umgeben den Mittelkörper umfangsmässig zumindest entlang eines Abschnitts der Länge des Mittelkörpers, und jede der Brennstofföffnungen in den einzelnen Wendelgängen weist eine andere Konvektionszeit auf.

Claims (10)

1. Kraftstoffdüse, aufweisend: a. einen Mittelkörper, der sich axial über eine Länge entlang einer axialen Mittellinie erstreckt; b. einen Mantel, der den Mittelkörper umfangsmässig zumindest über einen Abschnitt der Länge des Mittelkörpers umgibt; c. mehrere Wände, die sich radial zwischen dem Mittelkörper und dem Mantel erstrecken; d. mehrere Wendelgänge, die zumindest zum Teil von dem Mittelkörper, dem Mantel und den mehreren Wänden definiert werden, wobei jeder Wendelgang den Mittelkörper umfangsmässig zumindest entlang eines Abschnitts der Länge des Mittelkörpers umgibt; und e. eine Brennstofföffnung in jedem einzelnen Wendelgang, wobei jeder Wendelgang eine andere axiale Position aufweist.

2. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, ferner einen Brennstoffsammelraum innerhalb des Mittelkörpers aufweisend.

3. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei sich der Mantel von den mehreren Wänden aus axial stromabwärts erstreckt.

4. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei der Mantel einen Durchmesser definiert und der Durchmesser von den mehreren Wänden aus stromabwärts abnimmt.

5. Brennstoff düse nach Anspruch 1, wobei jede Wand einen Winkel von mehr als 50 Grad in Bezug auf die axiale Mittellinie aufweist; und/oder wobei sich jede Wand vom Mantel aus axial stromaufwärts erstreckt.

6. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei jede Brennstofföffnung eine Fluidverbindung durch den Mittelkörper hindurch in einen anderen Wendelgang bietet.

7. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei jede Brennstofföffnung eine konische Aussenfläche aufweist, die sich radial in die einzelnen Wendelgänge erstreckt.

8. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei jede Brennstofföffnung von angrenzenden Wänden gleich weit entfernt ist.

9. Brennstoffdüse, aufweisend: a. einen Mittelkörper, der sich axial über eine Länge entlang einer axialen Mittellinie erstreckt; b. einen Mantel, der den Mittelkörper umfangsmässig zumindest über einen Abschnitt der Länge des Mittelkörpers umgibt; c. mehrere Wendelgänge, die den Mittelkörper umfangsmässig zumindest über einem Abschnitt der Länge des Mittelkörpers umgeben; und d. eine Brennstofföffnung in jedem einzelnen Wendelgang, wobei jede Brennstofföffnung eine andere Konvektionszeit aufweist.

10. Gasturbine, aufweisend: a. einen Verdichtungsabschnitt; b. einen Verbrennungsabschnitt stromabwärts vom Verdichtungsabschnitt; c. einen Turbinenabschnitt stromabwärts vom Verbrennungsabschnitt; d. eine Brennstoffdüse im Verbrennungsabschnitt; e. mehrere Wendelgänge, die axial in der Brennstoffdüse verlaufen; und f. eine Brennstofföffnung in jedem einzelnen Wendelgang, wobei jede Brennstofföffnung eine andere Konvektionszeit aufweist.