CH707756A2

CH707756A2 - Fuel nozzle on the restriction of NOx emissions for a diffusion combustor.

Info

Publication number: CH707756A2
Application number: CH3552014A
Authority: CH
Inventors: Arvind Venugopal Menon; Gilbert Otto Kraemer; Predrag Popovic; Abinash Baruah
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2014-09-15
Also published as: US20140260302A1; JP2014178107A; CN204063129U; DE102014103021A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse (100) für eine Gasturbine bereit. Die Brennstoffdüse (100) weist einen oder mehrere Gasbrennstoffkanäle (135) für einen oder mehrere Gasbrennstoffströme (110), einen den einen oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle (135) umgebenden und um eine Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse (100) angeordneten Drallerzeuger (160), eine Anzahl von in dem Drallerzeuger (160) ausgebildeten Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen und eine Anzahl von in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse (100) ausgebildeten stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse (175) auf. Der Drallerzeuger (160) kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern (165) und eine Anzahl von zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern (165) ausgebildeten Luftkammern aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse einer Gasturbine.The present invention provides a diffusion combustor fuel nozzle (100) for a gas turbine engine. The fuel nozzle (100) includes one or more gas fuel channels (135) for one or more gas fuel streams (110), a swirl generator (160) surrounding the one or more gas fuel channels (135) and disposed about a downstream side of the fuel nozzle (100) spool generator fuel ports formed in the swirl generator (160); and a number of downstream gas fuel ports (175) formed in the downstream side of the fuel nozzle (100). The swirl generator (160) may include a number of swirler blades (165) and a number of air chambers formed between adjacent swirler blades (165). The present invention relates to a method of operating a diffusion combustor fuel nozzle of a gas turbine engine.

Description

Technisches GebietTechnical area

[0001] Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent beziehen sich allgemein auf Gasturbinen und insbesondere auf eine Brennstoffanschlüsse aufweisende Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse, die dazu eingerichtet ist, Emissionen, wie etwa Stickoxide und dergleichen, zu begrenzen und dabei eine effiziente Arbeitsleistung der Gasturbine aufrecht zu erhalten. [0001] The present application and the related patent relate generally to gas turbines, and more particularly, to a combustor-equipped combustor fuel nozzle having fuel connections adapted to limit emissions such as nitrogen oxides and the like while maintaining efficient gas turbine performance.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

[0002] Die Betriebseffizienz einer Gasturbine steigt im Allgemeinen, wenn die Temperatur des Abgasstroms steigt. Höhere Abgasstromtemperaturen können jedoch zu der Erzeugung hoher Niveaus von Stickoxiden (NOx) und anderen Arten von unerwünschten Emissionen führen. Solche Emissionen können Regulierungen auf Bundesebene und Länderebene in den Vereinigten Staaten unterworfen werden und können auch gleichartigen Regulierungen im Ausland unterliegen. Ein Balanceakt besteht daher zwischen dem Betreiben einer Gasturbine in einem effizienten Temperaturbereich, während auch sichergestellt werden muss, dass die Abgabe von Stickoxyden und anderen Arten von Regulierungen unterworfenen Emissionen deutlich unter vorgeschriebenen Niveaus bleiben. Viele andere Arten von Betriebsparametern können auch variiert werden, um eine solche optimierte Balance bereitzustellen. The operating efficiency of a gas turbine generally increases as the temperature of the exhaust gas flow increases. However, higher exhaust gas flow temperatures may result in the generation of high levels of nitrogen oxides (NOx) and other types of unwanted emissions. Such issues may be subject to federal and state regulation in the United States and may also be subject to similar regulations abroad. A balancing act therefore exists between operating a gas turbine in an efficient temperature range while also ensuring that emissions of nitrogen oxides and other types of regulated emissions remain well below prescribed levels. Many other types of operating parameters may also be varied to provide such optimized balance.

[0003] Bei einer Gasturbine, die eine Brennkammereinrichtung des Diffusionstyps aufweist, d.h. ohne Vorgemischung, wird Brennstoff in einem Luftdrallerzeuger einer Brennstoffdüse eingespritzt. Luft strömt durch den Luftdrallerzeuger, um diese mit dem Brennstoff für eine stromabwärtsseitige Verbrennung zu mischen. Bei bestimmten Luftdrallerzeugerkonfigurationen, kann das Mischen der Luft mit dem Brennstoff hohe Abgasstromtemperaturen erzeugen, was zu der Erzeugung hoher Niveaus von NOxführen kann. Ausserdem können bei bestimmten Luftdrallerzeugerkonfigurationen der Brennstoff und das resultierende heisse Verbrennungsgas in einer Rezirkulationszone stromabwärts des Luftdrallerzeugers mitgenommen werden. Als Folge davon, kann die Ummantelung, die die Brennstoffdüsen und die Brennkammer umgibt, relativ hohen Temperaturen des kopfseitigen Endes ausgesetzt sein. Ausserdem können die relativ hohen Temperaturen des kopfseitigen Endes noch weiter erhöht werden, wenn die Brennkammereinrichtung bestimmte Arten von flüssigen Brennstoffen verbrennt. Solche hohen Temperaturen können einen Einfluss auf die Intaktheit und die Lebensdauer der Ummantelung und anderer Komponenten haben. In a gas turbine having a diffusion type combustor, i. without premixing, fuel is injected in an air swirl generator of a fuel nozzle. Air flows through the air swirler to mix with the fuel for downstream combustion. In certain air swirler configurations, mixing the air with the fuel may produce high exhaust stream temperatures, which may result in the generation of high levels of NOx. Additionally, in certain air swirler configurations, the fuel and the resulting hot flue gas may be entrained in a recirculation zone downstream of the air swirler. As a result, the shroud surrounding the fuel nozzles and the combustion chamber may be exposed to relatively high head-side temperatures. In addition, the relatively high head-side temperatures may be further increased as the combustor burns certain types of liquid fuels. Such high temperatures may affect the integrity and life of the jacket and other components.

[0004] Es besteht daher ein Bedarf für eine verbesserte Brennstoffdüse zur Verwendung in einer Brennkammereinrichtung, insbesondere in einer Brennkammereinrichtung des Diffusionstyps in einer Gasturbine. Eine solche Brennstoffdüse für eine Brennkammereinrichtung des Diffusionstyps kann die Rezirkulation des Brennstoffs und der heissen Verbrennungsgase stromabwärts der Brennstoffdüse beschränken. Ausserdem kann eine solche Brennstoffdüse für eine Diffusionsbrennkammer den Brennstoff und die Luftströme darin effizient mit begrenzten Emissionen verbrennen, während auch die Ummantelungstemperaturen begrenzt werden, um die Komponentenlebensdauer zu erhöhen. There is therefore a need for an improved fuel nozzle for use in a combustor, particularly in a combustor of the diffusion type in a gas turbine engine. Such a fuel nozzle for a diffusion-type combustor may restrict the recirculation of the fuel and the hot combustion gases downstream of the fuel nozzle. Moreover, such a diffusion combustor fuel nozzle can efficiently burn the fuel and air streams therein with limited emissions while also limiting the jacket temperatures to increase component life.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

[0005] Die vorliegende Erfindung und das resultierende Patent stellen somit eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse für eine Gasturbine bereit. Die Brennstoffdüse kann eine oder mehrere Gasbrennstoffkanäle für einen oder mehrere Gasbrennstoffströme, einen den einen oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle umgebenden und um eine Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordneten Drallerzeuger, eine Anzahl von in dem Drallerzeuger gebildeten Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen und eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen aufweisen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind. Der Drallerzeuger kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern und eine Anzahl von zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern gebildeten Luftkammern aufweisen. The present invention and the resulting patent thus provide a diffusion combustor fuel nozzle for a gas turbine. The fuel nozzle may include one or more gas fuel channels for one or more gas fuel streams, a swirler surrounding the one or more gas fuel channels and disposed about a downstream side of the fuel nozzle, a number of swirler gas fuel ports formed in the swirler, and a number of downstream gas fuel ports located in the downstream side the fuel nozzle are formed. The swirl generator may include a number of swirler blades and a number of air chambers formed between adjacent swirler blades.

[0006] Jeder der Gaserzeugerbrennstoffanschlüsse der oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann in dem Drallerzeuger zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern gebildet sein. Each of the gas generator fuel ports of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzle may be formed in the swirler between adjacent swirler blades.

[0007] Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann in dem Drallerzeuger stromaufwärts der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse gebildet sein. Each of the swirler gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzles may be formed in the swirler upstream of the downstream side of the fuel nozzle.

[0008] Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem der Gasbrennstoffkanäle zu einer Luftkammern hin erstrecken. Any of the swirler gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzles may extend from one of the gas fuel channels to an air chamber.

[0009] Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken. Any of the swirler gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzles may extend to the downstream side of the fuel nozzle.

[0010] Jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionskammerbrennstoffdüse kann sich von einem der Gasbrennstoffkanäle zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse erstrecken. Each of the downstream side gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion chamber fuel nozzles may extend from one of the gas fuel channels to the downstream side of the fuel nozzle.

[0011] Jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse parallel zu einer Achse der Brennstoffdüse sein. Each of the downstream-side gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion-type combustor fuel nozzles may be parallel to an axis of the fuel nozzle.

[0012] Jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann gegenüber einer Achse der Brennstoffdüse geneigt sein. Each of the downstream-side gas fuel connections of any of the above-mentioned diffusion-type combustor fuel nozzles may be inclined with respect to an axis of the fuel nozzle.

[0013] Der eine oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle von irgendeiner oben erwähnten Diffusionskammerbrennstoffdüse kann bzw. können sich zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken. The one or more gas fuel channels of any of the above-mentioned diffusion chamber fuel nozzles may extend toward the downstream side of the fuel nozzle.

[0014] Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem ersten Gasbrennstoffkanal zu einer der Luftkammern und jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse kann sich von dem ersten Gasbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse erstecken. Each of the swirler gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzles may extend from a first gas fuel passage to one of the air chambers, and each of the downstream gas fuel ports may extend from the first gas fuel passage to the downstream side of the fuel nozzle.

[0015] Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem ersten Gasbrennstoffkanal zu einer der Luftkammern erstrecken, wobei sich jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse von einem zweiten Gasbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse erstrecken kann. Each of the swirler gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzles may extend from a first gas fuel passage to one of the air chambers, wherein each of the downstream gas fuel ports may extend from a second gas fuel passage to the downstream side of the fuel nozzle.

[0016] Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann in Fluidverbindung mit einer ersten Gasbrennstoff quelle stehen und jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse kann in Fluidverbindung mit der ersten Gasbrennstoffquelle stehen. Each of the swirler gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzles may be in fluid communication with a first gas fuel source, and each of the downstream side gas fuel ports may be in fluid communication with the first gas fuel source.

[0017] Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann in Fluidverbindung mit einer ersten Gasbrennstoff quelle stehen, wobei jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse in Fluidverbindung mit einer zweiten Gasbrennstoffquelle stehen kann. Each of the swirler gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzles may be in fluid communication with a first gas fuel source, wherein each of the downstream gas fuel ports may be in fluid communication with a second gas fuel source.

[0018] Die Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse irgendeiner oben erwähnten Ausführung kann ferner einen Flüssigbrennstoffkanal und einen Flüssigbrennstoffauslass für einen Flüssigbrennstoffström aufweisen, wobei sich der Flüssigbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstecken kann und wobei der Flüssigbrennstoffauslass um die Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordnet ist. The diffusion-type combustor fuel nozzle of any above-mentioned embodiment may further include a liquid fuel passage and a liquid fuel outlet for a liquid fuel flow, wherein the liquid fuel passage may extend toward the downstream side of the fuel nozzle and wherein the liquid fuel outlet is disposed around the downstream side of the fuel nozzle.

[0019] Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen ausserdem ein Verfahren zum Betrieb einer Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse einer Gasturbine bereit. Das Verfahren kann die Schritte aufweisen: Bereitstellen einer oder mehrerer Ströme eines Gasbrennstoffes durch die Düse, Hindurchleiten eines ersten Anteils des einen Stroms oder der mehreren Ströme des Gasbrennstoffes durch eine Anzahl von in einem Drallerzeuger ausgebildeten Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen, die um eine Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordnet sind und Hindurchleiten eines zweiten Anteils des einen Stroms oder der mehreren Ströme des Gasbrennstoffes durch eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind. The present application and the resulting patent also provide a method of operating a diffusion combustor fuel nozzle of a gas turbine. The method may include the steps of providing one or more streams of gaseous fuel through the nozzle, passing a first portion of the one or more streams of gaseous fuel through a number of swirler gas fuel ports formed in a swirler disposed about a downstream side of the fuel nozzle and Passing a second portion of the one or more streams of gas fuel through a number of downstream gas fuel ports formed in the downstream side of the fuel nozzle.

[0020] Das Verfahren kann ferner das Mischen des ersten Anteils des einen oder der mehreren Ströme des Brennstoffs mit einem Luftstrom innerhalb von Luftkammern des Drallerzeugers und das Einleiten des gemischten Brennstoffluftstroms in eine Brennkammer der Diffusionsbrennkammereinrichtung aufweisen. The method may further include mixing the first portion of the one or more streams of the fuel with an airflow within air chambers of the swirl generator and introducing the mixed fuel airflow into a combustion chamber of the diffusion combustor.

[0021] Die vorliegende Erfindung und das resultierende Patent stellen ferner eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse für eine Gasturbine bereit. Die Brennstoffdüse kann einen oder mehrere Gasbrennstoffkanäle für einen Strom oder mehrere Ströme von Gasbrennstoff, einen den einen oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle umgebenden und um eine Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordneten Drallerzeuger, eine Anzahl von in dem Drallerzeuger ausgebildeten Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen und eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen aufweisen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind. Der eine oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle können sich zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken. Der Drallerzeuger kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern und eine Anzahl von zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern gebildeten Luftkammern aufweisen. Jeder von der Anzahl von Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen kann in dem Drallerzeuger zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern ausgebildet sein. The present invention and the resulting patent further provide a diffusion combustor fuel nozzle for a gas turbine. The fuel nozzle may include one or more gas fuel channels for one or more streams of gas fuel, a swirler surrounding the one or more gas fuel channels and disposed about a downstream side of the fuel nozzle, a number of swirler gas fuel ports formed in the swirler, and a number of downstream gas fuel ports are formed in the downstream side of the fuel nozzle. The one or more gas fuel channels may extend to the downstream side of the fuel nozzle. The swirl generator may include a number of swirler blades and a number of air chambers formed between adjacent swirler blades. Any of the number of swirler gas fuel ports may be formed in the swirler between adjacent swirler blades.

[0022] Dementsprechend kann eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse für eine Gasturbine aufweisen: Einen oder mehrere Gasbrennstoffkanäle für einen Strom oder mehrere Ströme von Gasbrennstoff, wobei sich der eine oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle zu einer Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken; einen Drallerzeuger, der den einen oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle umgibt und der um die Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordnet ist, wobei der Drallerzeuger eine Mehrzahl von Drallerzeugerblättern und eine Mehrzahl von Luftkammern aufweist, die jeweils zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern ausgebildet sind; eine Mehrzahl von Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen, die jeweils in dem Drallerzeuger zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern ausgebildet sind; und eine Mehrzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind. Accordingly, a gas turbine combustor combustor combustor nozzle may include: one or more gas fuel conduits for one or more streams of gaseous fuel, wherein the one or more gaseous fuel conduits extend toward a downstream side of the fuel nozzle; a swirl generator surrounding the one or more gas fuel channels and disposed about the downstream side of the fuel nozzle, the swirl generator having a plurality of swirler blades and a plurality of air chambers each formed between adjacent swirler blades; a plurality of swirler gas fuel ports each formed in the swirler between adjacent swirler blades; and a plurality of downstream-side gas fuel ports formed in the downstream side of the fuel nozzle.

[0023] Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem ersten Gasbrennstoffkanal zu einer der Luftkammern hin erstrecken und jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffkanäle kann sich von dem ersten Gasbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken. Each of the swirler gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzles may extend from a first gas fuel passage toward one of the air chambers, and each of the downstream gas fuel passages may extend from the first gas fuel passage toward the downstream side of the fuel nozzle.

[0024] Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem ersten Gasbrennstoffkanal zu einer der Luftkammern hin erstrecken und jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse kann sich von einem zweiten Gasbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstecken. Each of the swirler gas fuel ports of any of the above-mentioned diffusion combustor fuel nozzles may extend from a first gas fuel passage toward one of the air chambers, and each of the downstream gas fuel ports may extend from a second gas fuel passage toward the downstream side of the fuel nozzle.

[0025] Die Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse irgendeiner oben erwähnten Ausführung kann ferner einen Flüssigbrennstoffkanal und einen Flüssigbrennstoffauslass für einen Flüssigbrennstoffström aufweisen, wobei sich der Flüssigbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken kann und wobei der Flüssigbrennstoffauslass um die Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordnet sein kann. The diffusion combustor fuel nozzle of any above-mentioned embodiment may further include a liquid fuel passage and a liquid fuel outlet for a liquid fuel flow, wherein the liquid fuel passage may extend to the downstream side of the fuel nozzle and wherein the liquid fuel outlet may be disposed around the downstream side of the fuel nozzle.

[0026] Diese und andere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patents werden für einen Fachmann durch das Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verständlich werden, wenn diese in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen gebracht wird. These and other features and improvements of the present application and the resulting patent will become apparent to those skilled in the art by studying the following detailed description when taken in conjunction with the several drawings and the appended claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

[0027] <tb>Fig. 1<SEP>ist eine schematische Darstellung einer Gasturbine enthaltend einen Kompressor, eine Brennkammereinrichtung und eine Turbine. <tb>Fig. 2<SEP>ist eine Seitenansicht eines Beispiels einer Brennkammer wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist. <tb>Fig. 3<SEP>ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffdüse, die in der Brennkammereinrichtung aus Fig. 2 verwendet werden kann. <tb>Fig. 4<SEP>ist eine Draufsicht von vorne auf die Brennstoffdüse nach Fig. 3 . <tb>Fig. 5<SEP>ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffdüse wie sie hierin beschrieben wird. <tb>Fig. 6<SEP>ist eine Draufsicht von vorne auf die Brennstoffdüse nach Fig. 5 . <tb>Fig. 7<SEP>ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffdüse wie sie hierin beschrieben wird.[0027] <Tb> FIG. 1 <SEP> is a schematic diagram of a gas turbine including a compressor, a combustor and a turbine. <Tb> FIG. 2 <SEP> is a side view of an example of a combustion chamber as illustrated in FIG. 1. <Tb> FIG. 3 <SEP> is a side cross-sectional view of a fuel nozzle that may be used in the combustor of FIG. 2. <Tb> FIG. 4 <SEP> is a front plan view of the fuel nozzle of FIG. 3. <Tb> FIG. FIG. 5 is a side cross-sectional view of a fuel nozzle as described herein. FIG. <Tb> FIG. FIG. 6 <SEP> is a front plan view of the fuel nozzle of FIG. 5. FIG. <Tb> FIG. FIG. 7 is a side cross-sectional view of a fuel nozzle as described herein. FIG.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

[0028] Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen durchgängig durch die verschiedenen Ansichten auf gleiche Elemente verweisen, zeigt Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Gasturbine 10, wie sie hierin verwendet werden kann. Die Gasturbine 10 kann einen Kompressor 15 aufweisen. Der Kompressor 15 komprimiert einen eingehenden Luftstrom 20. Der Kompressor 15 liefert einen komprimierten Luftstrom zu einer Brennkammereinrichtung 25. Die Brennkammereinrichtung 25 mischt den komprimierten Luftstrom 20 mit einem unter Druck stehenden Brennstoffström 30 und zündet das Gemisch um einen Verbrennungsgasstrom 35 zu erzeugen. Auch wenn nur eine einzige Brennkammereinrichtung 25 veranschaulicht ist, kann die Gasturbine 10 irgendeine Anzahl von Brennkammereinrichtung 25 aufweisen. Der Verbrennungsgasstrom 35 wird wiederum einer Turbine 40 zugeführt. Der Verbrennungsgasstrom 35 treibt die Turbine 40 an, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Die in der Turbine 40 erzeugte mechanische Arbeit treibt den Kompressor 15 und eine externe Last 50, wie etwa einen elektrischen Generator oder dergleichen, über eine Welle 45 an. Andere Konfigurationen und andere Komponenten können hierin verwendet werden. Referring now to the drawings, wherein like reference numbers refer to like elements throughout the several views, FIG. 1 is a schematic view of a gas turbine engine 10 as may be used herein. The gas turbine 10 may include a compressor 15. The compressor 15 compresses an incoming air stream 20. The compressor 15 delivers a compressed air stream to a combustor 25. The combustor 25 mixes the compressed air stream 20 with a pressurized fuel stream 30 and ignites the mixture to produce a combustion gas stream 35. Although only a single combustor 25 is illustrated, the gas turbine 10 may include any number of combustors 25. The combustion gas stream 35 is in turn supplied to a turbine 40. The combustion gas stream 35 drives the turbine 40 to produce mechanical work. The mechanical work generated in the turbine 40 drives the compressor 15 and an external load 50, such as an electric generator or the like, via a shaft 45. Other configurations and other components may be used herein.

[0029] Die Gasturbine 10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Synthesegas und/oder andere Arten von Brennstoffen verwenden. Die Gasturbine 10 kann irgendeine von einer Anzahl von verschiedenen Gasturbinen sein, die durch die General Electric Company in Schenectady, New York, angeboten werden, enthaltend aber nicht beschränkt auf solche eine Serie 7 oder einer Serie 9 Schwerlastgasturbinen oder dergleichen. Die Gasturbine 10 kann verschiedene Konfigurationen aufweisen und kann andere Arten von Komponenten verwenden. Andere Arten von Gasturbinen können hierin ebenfalls verwendet werden. Eine Mehrzahl von Gasturbinen, andere Arten von Gasturbinen und andere Arten von Stromerzeugungseinrichtungen können hierin auch zusammen verwendet werden. The gas turbine 10 may use natural gas, various types of synthesis gas and / or other types of fuels. Gas turbine 10 may be any of a number of different gas turbines offered by the General Electric Company of Schenectady, New York, including, but not limited to, such a Series 7 or Series 9 heavy duty gas turbine or the like. The gas turbine engine 10 may have various configurations and may use other types of components. Other types of gas turbines may also be used herein. A plurality of gas turbines, other types of gas turbines, and other types of power generators may also be used together herein.

[0030] Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Brennkammereinrichtung 25, die mit der Gasturbine 10 oder dergleichen verwendet werden kann. Die Brennkammereinrichtung 25 kann darin eine Anzahl von Brennstoffdüsen 55 aufweisen. Jede der Brennstoffdüsen 55 kann den Luftstrom 20, den Brennstoffström 30 und optionale Ströme anderer Fluide für die Verbrennung darin leiten. Irgendeine Anzahl von Brennstoffdüsen kann in irgendeiner Konfiguration verwendet werden. Die Brennstoffdüsen 55 können an einer Endabdeckung 60 benachbart zu einem Kopfende 65 der Brennkammereinrichtung 25 befestigt sein. Die Ströme der Luft 20 und des Brennstoffs 30 können durch die Endabdeckung 60 und das Kopfende 65 in jede der Brennstoffdüsen 55 gelenkt werden, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch stromabwärts davon abzugeben. Fig. 2 shows an example of a combustor 25 which may be used with the gas turbine 10 or the like. The combustor 25 may include a number of fuel nozzles 55 therein. Each of the fuel nozzles 55 may direct the air stream 20, the fuel stream 30, and optional streams of other combustion fluids therein. Any number of fuel nozzles may be used in any configuration. The fuel nozzles 55 may be secured to an end cover 60 adjacent a head end 65 of the combustor 25. The streams of air 20 and fuel 30 may be directed into each of the fuel nozzles 55 through the end cap 60 and the head end 65 to discharge a fuel-air mixture downstream therefrom.

[0031] Die Brennkammereinrichtung 25 kann darin auch eine Brennkammer 70 aufweisen. Die Brennkammer 70 kann durch ein Brennkammergehäuse 75, eine Brennkammerummantelung 80, eine Strömungshülse 85 und dergleichen gebildet sein. Die Ummantelung80 und die Strömungshülse 85 können koaxial zueinander angeordnet sein, um einen Luftkanal 90 für das Hindurchströmen von Luft 20 zu bilden. Die Brennkammer 70 kann zu einem stromabwärtsseitigen Übergangsstück 95 führen. Die Ströme der Luft 20 und des Brennstoffs 30 können sich stromabwärts der Brennstoffdüse 55 zur Verbrennung in der Brennkammer 70 mischen. Der Verbrennungsgasstrom 35 kann dann über das Übergangsstück 95 zu der Turbine 40 gelenkt werden, um dort verwendbare Arbeit zu erzeugen. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin auch verwendet werden. The combustor 25 may also include a combustor 70 therein. The combustor 70 may be formed by a combustor shell 75, a combustor shell 80, a flow sleeve 85, and the like. The jacket 80 and the flow sleeve 85 may be coaxial with each other to form an air passage 90 for the passage of air 20 therethrough. The combustor 70 may lead to a downstream transition piece 95. The streams of air 20 and fuel 30 may mix downstream of the fuel nozzle 55 for combustion in the combustor 70. The combustion gas stream 35 may then be directed via the transition piece 95 to the turbine 40 to produce work useful there. Other components and other configurations may also be used herein.

[0032] Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Beispiel der Brennstoffdüse 55, das mit der Brennkammereinrichtung 25 und dergleichen verwendet werden kann. Die Brennstoffdüse 55 kann eine Diffusionsbrennstoff düse 100 sein. Genauer kann die Brennstoffdüse 55 eine duale Brennstoffdüse 105 sein. Dies vorausgesetzt kann der Brennstoffström 30 einen oder mehrere Ströme eines Gasbrennstoffs 110, wie etwa Erdgas und einen oder mehrere Ströme eines Flüssigbrennstoffs 150, wie etwa ein Synthesegas oder dergleichen aufweisen. Andere Typen von Brennstoffströmen und andere Arten von Kombinationen von Brennstoffströmen können hierin verwendet werden. Figs. 3 and 4 show an example of the fuel nozzle 55 that can be used with the combustor 25 and the like. The fuel nozzle 55 may be a diffusion fuel nozzle 100. Specifically, the fuel nozzle 55 may be a dual fuel nozzle 105. With this in mind, fuel stream 30 may include one or more streams of gas fuel 110, such as natural gas and one or more streams of liquid fuel 150, such as a synthesis gas or the like. Other types of fuel streams and other types of combinations of fuel streams may be used herein.

[0033] Die Brennstoffdüse 55 kann ein äusseres Rohr 120 aufweisen. Das äussere Rohr 120 kann zu einer Stromabwärtsseite 125 mit einem Brennstoffdüsenmundstück 130 führen. Das äussere Rohr 120 kann darin eine Anzahl von Brennstoff-, Luft- und Wasserkanälen aufweisen. Insbesondere können sich eine Anzahl von Gasbrennstoffkanälen 135 durch das äussere Rohr 120 erstrecken und können axial um die Stromabwärtsseite 125 angeordnet sein. Die Gasbrennstoffkanäle 135 können in Verbindung mit dem Gasbrennstoffstrom 110 stehen. Eine Anzahl von Munds tut Kausal lassen 140 kann sich auch durch das äussere Rohr 120 erstrecken und kann um das Brennstoffdüsenmundstück 130 angeordnet sein. Die Mundstückauslässe 140 können einen Flüssigbrennstoffauslass 145 enthalten, der in Verbindung mit einem Flüssigbrennstoffstrom 115 steht. Die Mundstückauslässe 140 können auch einen in Verbindung mit einem Zerstäuberluftstrom stehenden Zerstäuberluftauslass 150 sowie einen in Verbindung mit einem Wasserstrom stehenden Wasserauslass 155 aufweisen. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin verwendet werden. The fuel nozzle 55 may include an outer tube 120. The outer tube 120 may lead to a downstream side 125 with a fuel nozzle orifice 130. The outer tube 120 may have therein a number of fuel, air and water channels. In particular, a number of gas fuel channels 135 may extend through the outer tube 120 and may be disposed axially about the downstream side 125. The gas fuel channels 135 may be in communication with the gas fuel stream 110. A number of mouths may be causally extended 140 may also extend through the outer tube 120 and may be disposed about the fuel nozzle orifice 130. The mouthpiece outlets 140 may include a liquid fuel outlet 145 that communicates with a liquid fuel stream 115. The mouthpiece outlets 140 may also have an atomizer air outlet 150 in communication with an atomizing airflow and a water outlet 155 in communication with a water flow. Other components and other configurations may be used herein.

[0034] Ein Drallerzeuger 160 kann um die Stromabwärtsseite 125 der Brennstoffdüse 55 angeordnet sein. Der Drallerzeuger 160 kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern 165 aufweisen. Die Drallerzeugerblätter 165 können eine Anzahl von Luftkammern 170 bilden. Die Luftkammern 170 können in Fluidkommunikation mit dem Luftstrom 20 von der Endabdeckung 60 stehen. Eine Anzahl von Gasbrennstoffanschlüssen 175 kann sich von den Gasbrennstoffkanälen 135 zu den Luftkammern 170 erstrecken, um zumindest einen Teil des Gasbrennstoffstroms 110 abzuführen und abzuleiten. Der Luftstrom 20 und der Gasbrennstoffstrom 110 können sich daher am Drallerzeuger 160 für die Verbrennung innerhalb der stromabwärts angeordneten Brennkammer 70 zu mischen. Allgemein beschrieben, strömt der gesamte Luftstrom 120 daher durch die Luftkammern 170 des Drallerzeugers 160 als Drallerzeugerstrom 180. Ein Kragen 185 kann den Drallerzeuger 160 umschliessen. Ein Konusteil (nicht dargestellt) kann sich von der Brennstoffdüse 55 zu der Ummantelung 80 erstrecken. Andere Arten von Brennstoffdüsen 55 und andere Arten von Brennkammereinrichtungen 25 können hierin mit verschiedenen Brennstoffarten verwendet werden. Gleichermassen können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden. A swirl generator 160 may be disposed about the downstream side 125 of the fuel nozzle 55. The swirl generator 160 may include a number of swirl generator blades 165. The swirl generator blades 165 may form a number of air chambers 170. The air chambers 170 may be in fluid communication with the airflow 20 from the end cap 60. A number of gaseous fuel ports 175 may extend from the gaseous fuel conduits 135 to the air chambers 170 to exhaust and divert at least a portion of the gaseous fuel stream 110. The airflow 20 and the gaseous fuel stream 110 may therefore mix at the swirl generator 160 for combustion within the downstream combustor 70. Generally described, the entire airflow 120 therefore flows through the air chambers 170 of the swirl generator 160 as swirl generator flow 180. A collar 185 may enclose the swirl generator 160. A cone member (not shown) may extend from the fuel nozzle 55 to the shell 80. Other types of fuel nozzles 55 and other types of combustors 25 may be used herein with various types of fuel. Likewise, other components and other configurations may be used herein.

[0035] Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Brennstoffdüse 200, wie sie hierin beschrieben werden kann. Die Brennstoffdüse 200 kann eine Diffusionsdüse mit wenig bis keiner stromaufwärtsseitigen Brennstoff-Luft-Vormischung sein. Die Brennstoffdüse 200 kann eine duale Brennstoffdüse 205 zur Verwendung mit sowohl einem Gasbrennstoffström 210 und einem Flüssigbrennstoffström 2145 sein. Andere Arten von Strömen können hierin verwendet werden. In einer Weise, die vergleichbar ist mit der oben beschriebenen, weist die Brennstoffdüse 200, eine Stromabwärtsseite 225, ein Brennstoffdüsenmundstück 230 und einen oder mehrere Gasbrennstoffkanäle 235 auf, die sich durch die Brennstoffdüse 220 erstrecken. Die Gasbrennstoffkanäle 235 können sich zu der Stromabwärtsseite 225 hin erstrecken. Die Brennstoffdüse 200 kann auch eine Anzahl von Mundstückauslässen 240 aufweisen. Die Mundstückauslässe 240 können um das Brennstoffdüsenmundstück 230 um die Stromabwärtsseite 225 angeordnet sein. Die Brennstoffdüse 200 kann auch einen oder mehrere Flüssigbrennstoffkanäle 242 aufweisen und die Mundstückauslässe 240 können einen oder mehrere Flüssigbrennstoffauslässe 245 aufweisen, entsprechend dem einen oder den mehreren Flüssigbrennstoffkanälen 242. Die Mundstückauslässe 240 können auch Auslässe für Zerstäubungsluft, Wasser und dergleichen aufweisen. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin auch verwendet werden. Figures 5 and 6 show a fuel nozzle 200 as may be described herein. The fuel nozzle 200 may be a diffusion nozzle with little to no upstream fuel-air premix. The fuel nozzle 200 may be a dual fuel nozzle 205 for use with both a gas fuel stream 210 and a liquid fuel stream 2145. Other types of streams may be used herein. In a manner similar to that described above, the fuel nozzle 200, a downstream side 225, includes a fuel nozzle orifice 230 and one or more gas fuel channels 235 extending through the fuel nozzle 220. The gas fuel channels 235 may extend to the downstream side 225. The fuel nozzle 200 may also include a number of mouthpiece outlets 240. The mouthpiece outlets 240 may be disposed about the fuel nozzle mouth 230 about the downstream side 225. The fuel nozzle 200 may also include one or more liquid fuel passages 242 and the mouthpiece outlets 240 may include one or more liquid fuel outlets 245 corresponding to the one or more liquid fuel passages 242. The mouthpiece outlets 240 may also include atomizing air, water, and the like. Other components and other configurations may also be used herein.

[0036] Die Brennstoffdüse 200 kann einen um deren Stromabwärtsseite 225 angeordneten Drallerzeuger 260 aufweisen. Der Drallerzeuger 260 umgibt das Brennstoffdüsenmundstück 230. Der Drallerzeuger 260 kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern 265 aufweisen, die eine Anzahl von hindurchgehenden Luftkammern 270 bilden. Die Drallerzeugerblätter 265 und die Luftkammern 270 können irgendeine Grösse, Form oder Konfiguration aufweisen. Irgendeine Anzahl von Drallerzeugerblättern 265 und Luftkammern 270 kann hierin verwendet werden. Eine Anzahl von Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen 275 kann in den Drallerzeuger 260 gebildet sein. Die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 können sich von den Gasbrennstoffkanälen 235 zu den Luftkammern 270 erstrecken, um zumindest einen Teil des hindurchgehenden Gasbrennstoffstroms 210 abzuführen und abzugeben. Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 kann in dem Drallerzeuger 62 zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern 265 und stromaufwärts der Stromabwärtsseite 225 der Düse 200 ausgebildet sein. Ein Lufteinlass 277 kann am stromaufwärtsseitigen Ende des Drallerzeugers 260 in Kommunikation mit dem Luftstrom 20 von der Endabdeckung 60 stehen. In einer Weise, die vergleichbar ist zu der oben beschriebenen, tritt der Luftstrom 20 in den Lufteinlass 277 ein und strömt als Drallerzeugerstrom 280 durch die Luftkammern 270. Der Lufteinlass 277 kann irgendeine Grösse, Form oder Konfiguration aufweisen. Zusätzlich kann ein Kragen 285 den Drallerzeuger 260 umschliessen und ein Konusteil (nicht dargestellt) kann sich von der Brennstoffdüse 200 zu der Ummantelung 80 erstrecken. Die Brennstoff düse 200 kann auch eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffauslässen 29ss aufweisen, die in der Stromabwärtsseite 225 der Brennstoffdüse 200 ausgebildet sind. Die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffauslässe 290 können sich von einem der Gasbrennstoffkanäle 235 zu der Stromabwärtsseite 225 der Brennstoffdüse 200 hin erstrecken, um zumindest einen Teil des hindurchtretenden Gasbrennstoffstromes 210 abzuführen und abzugeben. Die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 können parallel zu einer Achse der Brennstoffdüse 200 sein. Alternativ können die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 relativ zu der Achse der Brennstoffdüse 200 geneigt sein. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin auch verwendet werden. The fuel nozzle 200 may include a swirl generator 260 disposed about the downstream side 225 thereof. The swirl generator 260 surrounds the fuel nozzle orifice 230. The swirl generator 260 may include a number of swirl generator blades 265 forming a number of air chambers 270 passing therethrough. The swirler blades 265 and the air chambers 270 may be any size, shape, or configuration. Any number of swirler blades 265 and air chambers 270 may be used herein. A number of swirler gas fuel ports 275 may be formed in the swirler 260. The swirler gas fuel ports 275 may extend from the gas fuel channels 235 to the air chambers 270 to exhaust and discharge at least a portion of the passing gas fuel stream 210. Each of the swirler gas fuel ports 275 may be formed in the swirler 62 between adjacent swirler blades 265 and upstream of the downstream side 225 of the nozzle 200. An air inlet 277 may be in communication with the airflow 20 from the end cap 60 at the upstream end of the swirl generator 260. In a manner similar to that described above, the airflow 20 enters the air inlet 277 and flows as swirl generator flow 280 through the air chambers 270. The air inlet 277 may be of any size, shape, or configuration. Additionally, a collar 285 may enclose the swirl generator 260 and a cone portion (not shown) may extend from the fuel nozzle 200 to the shell 80. The fuel nozzle 200 may also include a number of downstream side gas fuel outlets 29 ss formed in the downstream side 225 of the fuel nozzle 200. The downstream-side gas fuel outlets 290 may extend from one of the gas fuel channels 235 to the downstream side 225 of the fuel nozzle 200 to exhaust and discharge at least a portion of the passing gas fuel stream 210. The downstream-side gas fuel ports 290 may be parallel to an axis of the fuel nozzle 200. Alternatively, the downstream-side gas fuel ports 290 may be inclined relative to the axis of the fuel nozzle 200. Other components and other configurations may also be used herein.

[0037] Im Betrieb gelangt zumindest ein erster Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 durch einen der Gasbrennstoffkanäle 235, durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und in die Luftkammern 270 des Drallerzeugers 260 hinein. Zumindest ein zweiter Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 gelangt durch einen der Gasbrennstoffkanäle 235, durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 und aus der Brennstoffdüse 200 in die Brennkammer 70 hinein. Gleichermassen gelangt der Flüssigbrennstoff ström 215, der Zerstäuberluftstrom und der Wasserstrom durch die Mundstückauslässe 240 und aus der Brennstoffdüse 200 in die Brennkammer 70 hinein. Der Luftstrom 20 gelangt durch die Lufteinlässe 277 des Drallerzeugers 260 und als Drallerzeugerstrom 280 in die Luftkammern 270 hinein. Der erste Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 und der Drallerzeugerstrom 280 beginnen sich in den Luftkammern 270 des Drallerzeugers 260 zu mischen, um einen gemischten Brennstoffluftstrom zu erzeugen, der in die Brennkammer 70 hineingelangt. Dementsprechend erhält die Brennkammer 70 den gemischten Brennstoffluftstrom von dem Drallerzeuger 260 und den zweiten Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 von den stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffauslässen 290 zur Verbrennung in der Brennkammer 70. In operation, at least a first portion of the gaseous fuel stream 210 passes through one of the gaseous fuel conduits 235, through the swirler gas fuel ports 275, and into the air chambers 270 of the swirler 260. At least a second portion of the gaseous fuel stream 210 passes through one of the gaseous fuel channels 235, through the downstream gaseous fuel ports 290 and out of the fuel nozzle 200 into the combustor 70. Similarly, the liquid fuel flows 215, the atomizing air flow and the water flow through the mouthpiece outlets 240 and from the fuel nozzle 200 into the combustion chamber 70 into it. The air flow 20 passes through the air inlets 277 of the swirl generator 260 and as swirl generator flow 280 into the air chambers 270. The first portion of the gaseous fuel stream 210 and swirler stream 280 begin to mix in the air chambers 270 of the swirler 260 to produce a mixed fuel air stream that enters the combustion chamber 70. Accordingly, the combustor 70 receives the mixed fuel airflow from the swirler 260 and the second portion of the gaseous fuel stream 210 from the downstream gas fuel outlets 290 for combustion in the combustor 70.

[0038] Die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitige Gasbrennstoffanschlüsse 290 können, wie in Fig. 5 veranschaulicht, in Fluidverbindung mit demselben Gasbrennstoffkanal 235 stehen. Dementsprechend würde durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 dieselbe Art von Gasbrennstoff hindurchgelangen, wodurch der gemischte Brennstoffluftstrom des Drallerzeugers 260 und der zweite Anteil des Gasbrennstoff Stromes 210 von den stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffabschlüssen 290 gebildet wird. Auf diese Weise können die Gasbrennstoffkanäle 235 Gasbrennstoff von einer herkömmlichen Brennstoffquelle an die Drallerzeugerbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 abgeben. Wie oben erläutert, kann die Düse 200 auch einen Flüssigbrennstoffkanal 242 und einen Flüssigbrennstoffauslass 245 für den Durchlass eines Flüssigbrennstoffstroms 215 aufweisen, so dass die Düse 200 als Dualbrennstoffdüse arbeitet. The swirler gas fuel ports 275 and the downstream gas fuel ports 290 may be in fluid communication with the same gas fuel passage 235 as illustrated in FIG. 5. Accordingly, the same type of gas fuel would pass through the swirler gas fuel ports 275 and the downstream gas fuel ports 290, thereby forming the mixed fuel air stream of the swirler 260 and the second portion of the gas fuel stream 210 from the downstream side gas fuel lines 290. In this manner, the gas fuel channels 235 may deliver gas fuel from a conventional fuel source to the swirler fuel ports 275 and the downstream gas fuel ports 290. As discussed above, the nozzle 200 may also include a liquid fuel passage 242 and a liquid fuel outlet 245 for passage of a liquid fuel stream 215 such that the nozzle 200 operates as a dual fuel nozzle.

[0039] Alternativ, wie in Fig. 7 veranschaulicht, können die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 in Fluidverbindung mit verschiedenen Gasbrennstoffkanälen 235 stehen. Beispielsweise können die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 in Fluidverbindung mit einem ersten Gasbrennstoffkanal 292 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 können in Fluidverbindung mit einem zweiten Gasbrennstoffkanal 294 stehen. Wie veranschaulicht, ist der erste Gasbrennstoffkanal 292 getrennt vom und daher nicht in Fluidverbindung mit dem zweiten Gasbrennstoffkanal 294. Auf diese Weise kann eine erste Art von Gasbrennstoff von einer ersten Brennstoffquelle durch den ersten Gasbrennstoffkanal 292 und durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 abgegeben werden, während eine zweite Art von Gasbrennstoff von einer zweiten Brennstoffquelle durch den zweiten Gasbrennstoffkanal 294 und durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 abgegeben werden kann, so dass die Düse 200 als Dualbrennstoffdüse arbeitet. Ausserdem kann die Düse 200 auch einen Flüssigbrennstoffström 215 aufweisen, so dass die Düse 200 als Trialbrennstoffdüse arbeitet. Alternatively, as illustrated in FIG. 7, the swirler gas fuel ports 275 and the downstream gas fuel ports 290 may be in fluid communication with various gas fuel channels 235. For example, the swirler gas fuel ports 275 may be in fluid communication with a first gas fuel passage 292 and the downstream gas fuel ports 290 may be in fluid communication with a second gas fuel passage 294. As illustrated, the first gas fuel channel 292 is separate from and therefore not in fluid communication with the second gas fuel channel 294. In this manner, a first type of gas fuel may be discharged from a first fuel source through the first gas fuel channel 292 and through the swirler gas fuel ports 275, while a second Type of gas fuel can be discharged from a second fuel source through the second gas fuel passage 294 and through the downstream gas fuel ports 290, so that the nozzle 200 operates as a dual fuel nozzle. In addition, the nozzle 200 may also include a liquid fuel stream 215 such that the nozzle 200 operates as a trial fuel nozzle.

[0040] Im Betrieb können die unterschiedlichen Brennstoffströme durch die Düse 200 entsprechend dem Betriebsmodus der Gasturbine 10 variiert werden. Beispielsweise kann die Dualbrennstoffdüse 200, wie in Fig. 7 veranschaulicht, beim Anlauf oder bei Niedriglastzuständen betrieben werden, indem der Flüssigbrennstoffstrom 215 durch den Flüssigbrennstoffauslass 245 in die Brennkammer 70 eintritt, während kein Gasbrennstoff durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 oder die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchgeführt wird. Im Unterschied dazu kann die Dualbrennstoffdüse 200 bei Basislastzuständen betrieben werden, indem der Gasbrennstoffstrom 210 durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchgeführt wird. Das Verhältnis der Fläche der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 zu der Fläche der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 kann so gewählt werden, dass optimale Emissionen, eine optimale Spanne der Magergasabgabe («lean blowout LBO»), eine optimale Dynamik, ein optimales Ausgangsprofil und optimale Metalltemperaturen erreicht werden. In operation, the different fuel flows through the nozzle 200 can be varied according to the operating mode of the gas turbine 10. For example, as illustrated in FIG. 7, the dual fuel nozzle 200 may be operated at startup or low load conditions by entering the liquid fuel stream 215 through the liquid fuel outlet 245 into the combustion chamber 70 while passing no gas fuel through the swirler gas fuel ports 275 or the downstream gas fuel ports 290. In contrast, the dual fuel nozzle 200 may be operated at base load conditions by passing the gaseous fuel stream 210 through the swirler gas fuel ports 275 and the downstream gas fuel ports 290. The ratio of the area of the swirler gas fuel ports 275 to the area of the downstream gas fuel ports 290 may be selected to achieve optimum emissions, an optimal lean blowout (LBO) margin, optimum dynamics, optimum output profile, and optimum metal temperatures.

[0041] Als weiteres Beispiel kann die Trialbrennstoffdüse 200, wie in Fig. 7 veranschaulicht, beim Anlauf oder bei Niedriglastzuständen betrieben werden, indem der Flüssigbrennstoffstrom 250 durch den Flüssigbrennstoffauslass 245 und in die Brennkammer 70 eintritt, während kein Gasbrennstoff durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 2775 oder die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchtritt. Alternativ kann die Trialbrennstoffdüse 200 beim Anlauf oder bei Niedriglastzuständen betrieben werden, indem der erste Gasbrennstoff durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 hindurchtritt, während kein Brennstoff durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 oder den Flüssigbrennstoffauslass 245 hindurchtritt. Im Unterschied dazu kann die Trialbrennstoffdüse 200 bei Basislastzuständen betreiben werden, indem der erste Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und der zweite Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchtritt, während kein Brennstoff durch die Flüssigbrennstoffauslässe 245 hindurchtritt. Das Verhältnis der Fläche der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 gegenüber der Fläche der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 kann so gewählt werden, dass optimale Emissionen, eine optimale LBO-Spanne, eine optimale Dynamik, ein optimales Ausgangsprofil und optimale Metalltemperaturen erreicht werden. As another example, as illustrated in FIG. 7, the trial fuel nozzle 200 may be operated at start-up or low load conditions by entering the liquid fuel stream 250 through the liquid fuel outlet 245 and into the combustor 70 while no gas fuel passes through the donor gas fuel ports 2775 or downstream gas fuel ports 290. Alternatively, the trial fuel nozzle 200 may be operated at start up or at low load conditions by passing the first gas fuel through the swirler gas fuel ports 275 while no fuel is passing through the downstream gas fuel ports 290 or the liquid fuel outlet 245. In contrast, the trial fuel nozzle 200 may be operated at base load conditions by passing the first portion of the gaseous fuel stream 210 through the donor gas fuel ports 275 and the second portion of the gaseous fuel stream 210 through the downstream gaseous fuel ports 290 while no fuel is passing through the liquid fuel outlets 245. The ratio of the area of the swirler gas fuel ports 275 to the area of the downstream gas fuel ports 290 may be selected to achieve optimum emissions, optimum LBO margin, optimum dynamics, optimum output profile, and optimum metal temperatures.

[0042] Wenn ein Gasbrennstoffstrom 210 sowohl durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Brennstoffanschlüsse 290 hindurchtritt, wird vermieden, dass der gemischte Brennstoffluftstrom und/oder der Verbrennungsgasstrom 35 in eine Rezirkulationszone um die Brennstoffdüse 200 mitgenommen wird. Die Konfiguration der Brennstoffanschlüsse 275, 290 begrenzt daher NOx-Emissionen und dergleichen. Dementsprechend erzeugt die Brennstoffdüse 200 ein unerwartetes Resultat in Bezug auf Emissionen, da allgemein anerkanntes Fachwissen lehrt, dass eine Reduktion der Brennstoff-Luft-Vormischung zu erhöhten Emissionen führt. Mit anderen Worten, wird dadurch, dass ein Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchgeführt und somit dieser Anteil nicht mit dem Luftstrom 20 vorgemischt wird, die NOx-Emissionen der Brennstoffdüse 200 unerwartet reduziert, obwohl das Mass der in der Brennstoffdüse 200 ausgeführten Vormischung reduziert ist. Ausserdem kann die Reduktion der Vormischung die Verbrennungsstromtemperaturen reduzieren und somit die Lebensdauer der Ummantelung 80 und anderer Komponenten in dem Heissgaspfad erhöhen. Das Verhältnis von Wasser gegenüber Brennstoff kann als Ergebnis der Konfiguration der Brennstoffanschlüsse 275, 290 reduziert werden. When a gaseous fuel stream 210 passes through both the swirler gas fuel ports 275 and the downstream fuel ports 290, it is avoided that the mixed fuel air stream and / or combustion gas stream 35 is entrained in a recirculation zone around the fuel nozzle 200. The configuration of the fuel ports 275, 290 therefore limits NOx emissions and the like. Accordingly, the fuel nozzle 200 produces an unexpected result in terms of emissions, as well-established knowledge teaches that reducing the fuel-air premix results in increased emissions. In other words, by allowing a portion of the gaseous fuel stream 210 to pass through the downstream gas fuel ports 290 and thus not premixing this portion with the airflow 20, the NOx emissions of the fuel nozzle 200 are unexpectedly reduced, although the mass of fuel injected in the fuel nozzle 200 Premix is reduced. In addition, the reduction of the premix can reduce the combustion stream temperatures and thus increase the life of the shell 80 and other components in the hot gas path. The ratio of water to fuel may be reduced as a result of the configuration of the fuel ports 275, 290.

[0043] Die hierin beschriebene Brennstoffdüse 200 begrenzt somit Erdgasemissionen, während eine weite Brennstoffflexibilität zur Verfügung gestellt wird. Verglichen mit dem herkömmlichen Ansatz des Erhöhens der Brennstoff-Luft-Vormischung, reduziert die hierin beschriebene Brennstoffdüse 200 sogar die Vormischung, um die Gesamt-NOx-Emissionen zu verbessern. Dieser nicht intuitive Ansatz der Verringerung der Brennstoff-Luft-Vormischung unterscheidet sich von derart herkömmlichen Brennstoffdüsengestaltungen und Betriebstheorien. Die Verwendung der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290, wie er hierin beschrieben ist, verbessert somit die Emissionen und die Gesamtlebensdauer der Komponenten. The fuel nozzle 200 described herein thus limits natural gas emissions while providing wide fuel flexibility. Compared with the conventional approach of increasing the fuel-air premix, the fuel nozzle 200 described herein even reduces the premix to improve overall NOx emissions. This non-intuitive approach to reducing fuel-air premix differs from such conventional fuel nozzle designs and operating theories. The use of the swirler gas fuel ports 275 and the downstream gas fuel ports 290 as described herein thus improves the emissions and overall life of the components.

[0044] Es sollte verständlich sein, dass das vorstehende sich nur auf bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patents bezieht. Zahlreiche Änderungen und Modifikationen können hierin durch einen Fachmann ausgeführt werden, ohne von dem allgemeinen Gedanken und dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche und die Äquivalente davon definiert ist. It should be understood that the foregoing relates only to particular embodiments of the present application and the resulting patent. Numerous changes and modifications may be made herein by one skilled in the art without departing from the general spirit and scope of the invention as defined by the following claims and the equivalents thereof.

[0045] Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse für eine Gasturbine zur Verfügung. Die Brennstoffdüse kann einen oder mehrere Gasbrennstoffkanäle für einen oder mehrere Gasbrennstoffströme, einen den einen oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle umgebenden und um eine Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordneten Drallerzeuger, eine Anzahl von dem in den Drallerzeuger ausgebildeten Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen und eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen aufweisen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind. Der Drallerzeuger kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern und eine Anzahl von Luftkammern aufweisen, die zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern ausgebildet sind. Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen ferner ein Verfahren zum Betrieb eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse einer Gasturbine bereit. The present application and the resulting patent provide a diffusion combustor fuel nozzle for a gas turbine. The fuel nozzle may include one or more gas fuel channels for one or more gas fuel streams, a swirler surrounding the one or more gas fuel channels and disposed about a downstream side of the fuel nozzle, a number of the swirler gas fuel ports formed in the swirler, and a number of downstream gas fuel ports Downstream of the fuel nozzle are formed. The swirl generator may include a number of swirl generator blades and a number of air chambers formed between adjacent swirl generator blades. The present application and the resulting patent further provide a method of operating a diffusion combustor fuel nozzle of a gas turbine engine.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

[0046] <tb>10<SEP>Gasturbine <tb>15<SEP>Kompressor <tb>20<SEP>Luftstrom <tb>25<SEP>Brennkammereinrichtung <tb>30<SEP>Brennstoffström <tb>35<SEP>Verbrennungsgase <tb>40<SEP>Turbine <tb>45<SEP>Welle <tb>50<SEP>externe Last <tb>55<SEP>Brennstoffdüse <tb>60<SEP>Endabdeckung <tb>65<SEP>Kopfende <tb>70<SEP>Brennkammer <tb>75<SEP>Brennkammergehäuse <tb>80<SEP>Brennkammerummantelung <tb>85<SEP>Strömungshülse <tb>90<SEP>Luftkanal <tb>95<SEP>Übergangsstück <tb>100<SEP>Diffusionsbrennstoffdüse <tb>105<SEP>Dualbrennstoffdüse <tb>110<SEP>Gasbrennstoffstrom <tb>115<SEP>Flüssigbrennstoffstrom <tb>120<SEP>äusseres Rohr <tb>125<SEP>Stromabwärtsseite <tb>130<SEP>Brennstoffdüsenmundstück <tb>135<SEP>Gasbrennstoffkanal <tb>140<SEP>Mundstückauslass <tb>145<SEP>Flüssigbrennstoffauslass <tb>150<SEP>Zerstäuberluftauslass <tb>155<SEP>Wasserauslass <tb>160<SEP>Drallerzeuger <tb>165<SEP>Drallerzeugerblätter <tb>170<SEP>Luftkammern <tb>175<SEP>Gasbrennstoffanschlüsse <tb>180<SEP>Drallerzeugerstrom <tb>185<SEP>Kragen <tb>200<SEP>Brennstoffdüse <tb>205<SEP>Dualbrennstoffdüse <tb>210<SEP>Gasbrennstoffstrom <tb>215<SEP>Flüssigbrennstoffstrom <tb>225<SEP>Stromabwärtsseite <tb>230<SEP>Brennstoffdüsenmundstück <tb>235<SEP>Gasbrennstoffkanal <tb>240<SEP>Mundstückauslass <tb>242<SEP>Flüssigbrennstoffkanal <tb>245<SEP>Flüssigbrennstoffauslass <tb>260<SEP>Drallerzeuger <tb>265<SEP>Drallerzeugerblätter <tb>270<SEP>Luftkammern <tb>275<SEP>Drallerzeugerbrennstoffanschlüsse <tb>277<SEP>Lufteinlass <tb>280<SEP>Drallerzeugerstrom <tb>285<SEP>Kragen <tb>290<SEP>stromabwärtsseitige Gasbrennstoffanschlüsse <tb>292<SEP>erster Gasbrennstoffkanal <tb>294<SEP>zweiter Gasbrennstoffkanal[0046] <Tb> 10 <September> Gas Turbine <Tb> 15 <September> Compressor <Tb> 20 <September> airflow <Tb> 25 <September> combustor <Tb> 30 <September> Brennstoffström <Tb> 35 <September> combustion gases <Tb> 40 <September> Turbine <Tb> 45 <September> wave <tb> 50 <SEP> external load <Tb> 55 <September> fuel <Tb> 60 <September> end cover <Tb> 65 <September> headboard <Tb> 70 <September> combustion chamber <Tb> 75 <September> combustion chamber housing <Tb> 80 <September> combustion chamber jacket <Tb> 85 <September> flow sleeve <Tb> 90 <September> air duct <Tb> 95 <September> transition piece <Tb> 100 <September> Diffusionsbrennstoffdüse <Tb> 105 <September> Dualbrennstoffdüse <Tb> 110 <September> Gas fuel flow <Tb> 115 <September> liquid fuel stream <tb> 120 <SEP> outer tube <Tb> 125 <September> downstream side <Tb> 130 <September> fuel nozzle tip <Tb> 135 <September> Gas fuel channel <Tb> 140 <September> Mundstückauslass <Tb> 145 <September> Flüssigbrennstoffauslass <Tb> 150 <September> Zerstäuberluftauslass <Tb> 155 <September> water outlet <Tb> 160 <September> swirl generator <Tb> 165 <September> swirler blades <Tb> 170 <September> air chambers <Tb> 175 <September> Gas fuel connections <Tb> 180 <September> swirl generator power <Tb> 185 <September> collar <Tb> 200 <September> fuel <Tb> 205 <September> Dualbrennstoffdüse <Tb> 210 <September> Gas fuel flow <Tb> 215 <September> liquid fuel stream <Tb> 225 <September> downstream side <Tb> 230 <September> fuel nozzle tip <Tb> 235 <September> Gas fuel channel <Tb> 240 <September> Mundstückauslass <Tb> 242 <September> liquid fuel passage <Tb> 245 <September> Flüssigbrennstoffauslass <Tb> 260 <September> swirl generator <Tb> 265 <September> swirler blades <Tb> 270 <September> air chambers <Tb> 275 <September> swirl generator fuel connections <Tb> 277 <September> air intake <Tb> 280 <September> swirl generator power <Tb> 285 <September> collar <tb> 290 <SEP> downstream gas fuel connections <tb> 292 <SEP> first gas fuel channel <tb> 294 <SEP> second gas fuel channel

Claims

A diffusion combustor fuel nozzle for a gas turbine, the fuel nozzle comprising: one or more gas fuel channels for one or more gas fuel streams; a swirl generator surrounding the one or more gas fuel passages and disposed about a downstream side of the fuel nozzle, the swirl generator having a plurality of swirler blades and a plurality of air chambers each formed between adjacent swirler blades; a plurality of swirler gas fuel ports formed in the swirler; and a plurality of downstream-side gas fuel ports formed in the downstream side of the fuel nozzle.

2. The diffusion combustor fuel nozzle according to claim 1, wherein each of the swirler gas fuel ports in the swirler is formed between adjacent swirler blades; and / or wherein each of the swirler gas fuel ports is formed in the swirler upstream of the downstream side of the fuel nozzle; and / or wherein each of the swirler gas fuel ports extends from one of the gas fuel channels to one of the air chambers; and / or wherein each of the gas fuel ports extends toward the downstream side of the fuel nozzle.

The diffusion-type combustor fuel nozzle according to claim 1, wherein each of the downstream-side gas fuel ports extends from one of the gas fuel channels to the downstream side of the fuel nozzle; and / or wherein each of the downstream-side gas fuel ports is parallel to an axis of the fuel nozzle; and / or wherein each of the downstream side gas fuel ports is inclined with respect to an axis of the fuel nozzle.

4. The diffusion combustor fuel nozzle according to claim 1, wherein the one or more gas fuel channels extend to the downstream side of the fuel nozzle.

5. The diffusion-type combustor fuel nozzle according to claim 1, wherein each of the swirler gas fuel ports extends from a first gas fuel passage to one of the air chambers and each of the downstream side gas fuel ports extends from the first gas fuel passage to the downstream side of the fuel nozzle; and / or wherein each of the swirler gas fuel ports extends from a first gas fuel passage to one of the air chambers, and wherein each of the downstream gas fuel ports extends from a second gas fuel passage to the downstream side of the fuel nozzle; and / or wherein each of the swirler gas fuel ports is in fluid communication with a first gas fuel source and wherein each of the downstream gas fuel ports is in fluid communication with the first gas fuel source; and / or wherein each of the swirler gas fuel ports is in fluid communication with a first gas fuel source and wherein each of the downstream gas fuel ports is in fluid communication with a second gas fuel source.

6. The diffusion combustor fuel nozzle according to claim 1, further comprising a liquid fuel passage and a liquid fuel outlet for a liquid fuel flow, the liquid fuel passage extending toward the downstream side of the fuel nozzle and wherein the liquid fuel outlet is disposed around the downstream side of the fuel nozzle.

7. A method of operating a diffusion combustor fuel nozzle of a gas turbine, the method comprising: Providing one or more gas fuel streams through the fuel nozzle; Passing a first portion of the one or more gas fuel streams through a plurality of swirler gas fuel ports formed in a swirler disposed about a downstream side of the fuel nozzle; and Passing a second portion of the one or more gas fuel streams through a plurality of downstream gas fuel ports formed in the downstream side of the fuel nozzle.

8. The method of claim 7, further comprising mixing the first portion of the one or more fuel streams with an air stream within air chambers of the swirl generator and introducing the mixed fuel air stream into a combustion chamber of the diffusion combustor.

9. A diffusion combustor fuel nozzle for a gas turbine, the fuel nozzle comprising: one or more gas fuel channels for one or more gas fuel streams, wherein the one or more gas fuel channels extend toward a downstream side of the fuel nozzle; a swirl generator surrounding the one or more gas fuel passages and disposed about the downstream side of the fuel nozzle, the swirl generator having a plurality of swirler blades and a plurality of air chambers each formed between adjacent swirler blades; a plurality of swirler gas fuel ports formed in the swirler, respectively, between adjacent swirler blades; and a plurality of downstream-side gas fuel ports formed in the downstream side of the fuel nozzle.

10. The diffusion-type combustor fuel nozzle according to claim 9, wherein each of the swirler gas fuel ports extends from a first gas fuel passage to one of the air chambers, and each of the downstream-side gas fuel ports extends from the first gas fuel passage to the downstream side of the fuel nozzle.