DE102007004394A1

DE102007004394A1 - Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE102007004394A1
Application number: DE102007004394A
Authority: DE
Inventors: Koichi Takasago Ishizaka; Yutaka Takasago Kawata; Satoshi Takasago Takiguchi; Satoshi Takasago Tanimura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2027-01-30
Also published as: US8065880B2; CN101055093A; CN100567823C; JP4719059B2; DE102007004394B4; JP2007285572A; US20100263381A1

Abstract

Es wird ein Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine vorgeschlagen, der wirksam Brennstoff und Luft vormischen kann, um ein Brennstoffgas mit gleichmäßiger Konzentration zu erzeugen, während er zuverlässig einen Flammenrückschlag verhindert, indem die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffgases im Wesentlichen gleichmäßig gemacht wird. Der Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine hat: eine Brennstoffdüse, einen Brennerzylinder, der so angeordnet ist, dass er die Brennstoffdüse umgibt und einen Luftdurchgangsweg zwischen sich und der Brennstoffdüse bildet, und Verwirbelungselementschaufeln, die entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse an mehreren Positionen um die Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse angeordnet sind, und die sich allmählich von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite krümmen, um die in dem Luftdurchgangsweg von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite strömende Luft in Drehung zu versetzen. Ein Ausschnittabschnitt ist in einem Hinterkantenabschnitt einer Innenumfangsseite der Verwirbelungselementschaufel vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine. Die Erfindung ist so konzipiert, dass Brennstoff und Luft wirksam vorgemischt werden können, um ein Brennstoffgas mit gleichmäßiger Konzentration zu erzeugen, während ein Flammenrückschlag (eine Rückzündung bzw. "flashback") zuverlässig verhindert wird, indem die Strömungsgeschwindigkeit von Brennstoffgas im wesentlichen gleichmäßig gestaltet wird.
Als Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine ist beispielsweise der Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs, der in der japanischen Übersetzung einer internationalen PCT-Anmeldung, Veröffentlichungsnummer 2006-500544 offenbart ist, allgemein bekannt.
Die in dem obigen Patentdokument offenbarte Erfindung dient dazu, einen Flammenrückschlag durch Senken der Brennstoffkonzentration an einer Innenumfangsseite (Radialrichtungs-Innenseite) eines Luftdurchgangswegs zu verhindern.
Da sich jedoch eine Gesamtmenge von in den Luftdurchgangsweg eingespritztem Brennstoff pro Zeiteinheit nicht ändert, nimmt die Brennstoffkonzentration in einem anderen Bereich (beispielsweise dem Bereich an der Annenumfangsseite des Luftdurchgangswegs) umgekehrt zu der bei der Brennstoffkonzentration an der Innenumfangsseite des Luftdurchgangswegs vorgenommenen Verringerung zu, und die Flammentemperatur steigt an der stromabwärtigen Seite an, was zu einer möglichen Zunahme von NOx führen kann.
In Anbetracht des oben beschriebenen Umstands ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine bereitzustellen, der Brennstoff und Luft wirksam vormischen kann, um ein Brennstoffgas mit gleichmäßiger Konzentration zu erzeugen, während er zuverlässig eine Verhinderung eines Flammenrückschlags erreicht, indem die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffgases im wesentlichen gleichmäßig gestaltet wird.
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, bringt die Erfindung einen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine gemäß Anspruch 1 in Vorschlag. Dieser Brenner hat beispielsweise: eine Brennstoffdüse, einen Brennerzylinder, der so angeordnet ist, dass er die Brennstoffdüse umgibt und einen Luftdurchgangsweg zwischen sich und der Brennstoffdüse bildet, und Verwirbelungselementschaufeln ("swirler vanes"), die entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse an mehreren Positionen um die Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse angeordnet sind und die sich allmählich von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite krümmen, um die in dem Luftdurchgangsweg von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite strömende Luft in Drehung zu versetzen, wobei ein Ausschnittabschnitt in einem Hinterkantenabschnitt einer Innenumfangsseite der Verwirbelungselementschaufel vorgesehen ist.
Gemäß einem solchen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine strömt Druckluft, die entlang einem Fußabschnitt einer vorderseitigen Schaufeloberfläche jeder der Verwirbelungselementschaufeln strömt, durch den Ausschnittabschnitt zu der stromabwärtigen Seite, und eine Druckluftschicht, die schneller strömt als der Spiralluftstrom, wird auf der Innenumfangsseite des Luftdurchgangswegs gebildet. Außerdem bewegt sich die entlang dem Abschnitt außer dem Fußabschnitt der vorderseitigen Schaufeloberfläche der jeweiligen Verwirbelungselementschaufeln strömende Druckluft an der rückseitigen Schaufeloberfläche und der vorderseitigen Schaufeloberfläche der jeweiligen Verwirbelungselementschaufeln von der Vorderkante zu der Hinterkante der jeweiligen Verwirbelungsschaufeln, wobei sie der Druckluft eine Spiralkraft vermittelt, so dass ein Spiralluftstrom an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangswegs gebildet wird. Diese Schicht Druckluft und der Spiralluftstrom wirken aufeinander an der stromabwärtigen Seite der Verwirbelungselementschaufel ein (mit anderen Worten an der stromabwärtigen Seite des Luftdurchgangswegs) und erzeugen im Ergebnis einen Luftwirbelstrom. Dabei wird die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg durch diesen Luftwirbelstrom in der Radialrichtung vergleichmäßigt und jegliches Auftreten eines Flammenrückschlags (Rückzündung) wird verhindert.
Bei dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach obiger Beschreibung ist eine Höhe des Ausschnittabschnitts vorzugsweise auf 3% bis 20% der maximalen Schaufelhöhe der Verwirbelungselementschaufel eingestellt.
Da gemäß einem solchen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine die Höhe des Ausschnittabschnitts auf 3% bis 20% der maximalen Schaufelhöhe der Verwirbelungselementschaufel gewählt ist und ein optimaler Spiralluftstrom erzeugt wird, kann die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg in der Radialrichtung gleichmäßiger gestaltet werden und das Auftreten eines Flammenrückschlags kann noch zuverlässiger vermieden werden.
Wird die Höhe des Ausschnittabschnitts auf weniger als 3% der maximalen Schaufelhöhe der Verwirbelungselementschaufel eingestellt, wird die Dicke der an der Innenumfangsseite des Luftdurchgangswegs gebildeten Druckluftschicht dünner, und die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg in der Radialrichtung wird höher, was in der Möglichkeit des Auftretens eines Flammenrückschlags resultiert.
Außerdem wird, wenn die Höhe des Ausschnittabschnitts auf mehr als 20% der maximalen Schaufelhöhe der Verwirbelungselementschaufel eingestellt wird, die von den jeweiligen Verwirbelungselementschaufeln vermittelte Spiralkraft verringert und die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg in der Radialrichtung kann nicht gleichmäßig gestaltet werden, was in der Möglichkeit des Auftretens eines Flammenrückschlags resultiert.
Bei dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach obiger Beschreibung sind ferner Einspritzlöcher für die Brennstoffeinspritzung vorzugsweise in der rückseitigen Schaufeloberfläche und/oder in der vorderseitigen Schaufeloberfläche der Verwirbelungselementschaufel vorgesehen, und der Durchmesser des an der Radialrichtungs-Außenseite positionierten Einspritzlochs wird größer gewählt als der Durchmesser des an der Radialrichtungsinnenseite positionierten Einspritzlochs.
Da gemäß einem solchen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs der Durchmesser des an der Radialrichtungs-Außenseite positionierten Einspritzlochs größer eingestellt ist als der Durchmesser des an der Radialrichtungs-Innenseite positionierten Einspritzlochs, kann die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg in der Radialrichtung gleichmäßiger gestaltet werden, und das Auftreten eines Flammenrückschlags (Rückzündung) kann zuverlässiger vermieden werden.
Bei dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach obiger Beschreibung ist ferner das an der Radialrichtungs-Innenseite positionierte Einspritzloch vorzugsweise an einer Stelle proximal zum Ausschnittabschnitt vorgesehen, so dass der von dem Einspritzloch eingespritzte Brennstoff entlang der rückseitigen Schaufeloberfläche und/oder der vorderseitigen Schaufeloberfläche der jeweiligen Verwirbelungselementschaufel zur Hinterkante der jeweiligen Verwirbelungselementschaufeln strömt.
Da gemäß einem solchen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine das an der Radialrichtungs-Innenseite positionierte Einspritzloch an einer Stelle proximal zu dem Ausschnittabschnitt vorgesehen ist, die ermöglicht, dass der von diesen Einspritzlöchern eingespritzte Brennstoff entlang der rückseitigen Schaufeloberfläche und der vorderseitigen Schaufeloberfläche der jeweiligen Verwirbelungselementschaufeln zusammen mit dem Spiralluftstrom zu der stromabwärtigen Seite strömt, kann ein Vermischen von Brennstoff und Luft in der Umgebung einer oberen Oberfläche der Brennstoffdüse verhindert, und vermieden werden, dass die obere Oberfläche der Brennstoffdüse einer Flamme ausgesetzt ist.
Bei dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach obiger Beschreibung sind die Einspritzlöcher ferner vorzugsweise an Stellen vorgesehen, die voneinander in der Schaufelhöhenrichtung und/oder der Schaufellängsrichtung der Verwirbelungselementschaufel versetzt sind.
Da gemäß einem solchen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine die Einspritzlöcher an den Stellen vorgesehen sind, die voneinander in der Schaufelhöhenrichtung und/oder der Schaufellängsrichtung der Verwirbelungselementschaufel versetzt sind (Versatzpositionen), kann eine Verringerung des Brennstoffzuführdrucks verhindert werden, und es kann eine stabile Brennstoffeinspritzung durchgeführt werden.
Bei dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach obiger Beschreibung ist ferner vorzugsweise ein Schrägungsabschnitt bzw. Abfasungsabschnitt an der Hinterkantenabschnitts-Oberseite und/oder an einer Fußseite der Verwirbelungselementschaufel vorgesehen.
Da gemäß einem solchen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine die Schrägungsabschnitte an dem Hinterkantenabschnitt der Verwirbelungselementschaufel vorgesehen sind und ein Spiralstrom an der Rückseite dieser Schrägungsabschnitte erzeugt wird, um das Vermischen der Druckluftschicht und des Spiralluftstroms besser zu fördern, kann die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg in der Radialrichtung gleichmäßiger gestaltet werden, womit das Auftreten eines Flammenrückschlags noch besser verhindert wird.
Bei dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach obiger Beschreibung ist ferner vorzugsweise ein Ringelement an einer Radialrichtungs-Innenseite des Ausschnittabschnitts vorgesehen.
Da gemäß einem solchen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine die auf die Innenumfangsseite des Luftdurchgangswegs einwirkende Spiralkraft durch das Ringelement abgeschwächt wird, wobei die Wirkung des Ausschnittabschnitts verbessert wird und dadurch die Durchmischung der Schicht der Druckluft und des Spiralluftstroms gefördert wird, kann eine Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg in der Radialrichtung gleichmäßiger gestaltet werden und das Auftreten eines Flammenrückschlags kann noch besser verhindert werden.
Da außerdem die gesamte Innenumfangsseite des Ausschnittabschnitts durch das Ringelement gehalten (gehaltert) wird, kann die Starrheit der ganzen Verwirbelungselementschaufel verbessert werden.
Bei dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach obiger Beschreibung ist ferner vorzugsweise ein Abstand bzw. Zwischenraum zwischen einer außenumfangsseitigen Endfläche der Verwirbelungselementschaufeln und einer inneren Oberfläche des Brennerzylinders vorgesehen.
Da gemäß einem solchen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine der Zwischenraum für eine effiziente Durchmischung von Brennstoff und Luft sorgt, um die Gleichmäßigkeit des Brennstoffgases zu fördern, kann die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg in der Radialrichtung gleichmäßiger gestaltet werden und das Auftreten eines Flammenrückschlags kann besser verhindert werden.
Eine Brennkammer einer Gasturbine gemäß der Erfindung ist mit dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs versehen, welche wirksam Brennstoff und Luft vormischen kann, um ein Brennstoffgas mit gleichmäßiger Konzentration zu erzeugen, während sie zuverlässig eine Vermeidung eines Flammenrückschlags erreicht, indem eine Strömungsgeschwindig keit des Brennstoffgases im wesentlichen gleichmäßig gestaltet wird.
Gemäß einer solchen Brennkammer für eine Gasturbine kann ein Abbrand bzw. Ausbrand ("burnout") in der Brennstoffdüse infolge des Flammenrückschlags vermieden werden, was die Lebensdauer der Brennstoffdüse verlängert (die Betriebsdauer verlängert) und die Zuverlässigkeit der Brennkammer verbessert, wobei Wartungsintervalle verlängert werden können, was niedrigere Wartungskosten ergibt.
Gemäß der Erfindung können Brennstoff und Luft wirksam vorgemischt werden, um ein Brennstoffgas mit gleichmäßiger Konzentration zu erzeugen, und ein Flammenrückschlag kann wirksam vermieden werden, indem die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffgases im wesentlichen gleichmäßig gestaltet wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkammer einer mit einem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs gemäß der Erfindung versehenen Gasturbine,
2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht von Brennstoffdüsen, einem Innenzylinder und eine Endrohr der Brennkammer gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischss gemäß der Erfindung,
4(a) bis (c) Darstellungen, die Verwirbelungselementschaufeln und Brennstoffdüsen gemäß 3 zeigen, wobei (a) eine Seitenansicht, (b) eine Vorderansicht und (c) eine perspektivische Ansicht ist,
5(a) und (b) Darstellungen, welche die in 3 und 4 gezeigte Verwirbelungselementschaufel zeigen, wobei (a) eine Seitenansicht und (b) eine Schnittansicht ist,
6(a) und (b) Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischss gemäß der Erfindung, wobei (a) eine Seitenansicht der Verwirbelungselementschaufeln und der Brennstoffdüsen ist, und (b) eine Vorderansicht hiervon ist,
7 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischss gemäß der Erfindung, und
8 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischss gemäß der Erfindung.
Nachstehend wird eine erste Ausführungsform eines Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischss einer Gasturbine gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
In 1 ist eine Gasturbine (in der Darstellung nicht gezeigt), die mit einem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine (nachstehend als "Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs" bezeichnet) 18 gemäß der Erfindung versehen ist (s. 2) und die für einen Generator oder dgl. verwendet wird, mit Hauptelementen wie einem Kompressor (in der Darstellung nicht gezeigt), einer Brennkammer 10 und einer Turbine (in der Darstellung nicht gezeigt) aufgebaut. Viele Gasturbinen haben mehrere Brennkammern, und von dem Kompressor komprimierte Luft sowie Brennstoff, die der Brennkammer 10 zugeführt werden, werden in jeder Brennkammer 10 gemischt und verbrannt, um ein Verbrennungsgas mit hoher Temperatur zu erzeugen. Dieses Hochtemperatur-Verbrennungsgas wird der Turbine zugeführt, um die Turbine zur Drehung anzutreiben.
Wie in 1 gezeigt ist, sind mehrere Brennkammern 10 der Gasturbine in Ringform innerhalb eines Brennkammergehäuses 11 angeordnet (1 zeigt nur eine hiervon). Das Brennkammergehäuse 11 und ein Gasturbinengehäuse 12 werden mit Druckluft gefüllt und bilden einen Raum 13. Von dem Kompressor komprimierte Luft wird in dieses Abteil 13 eingeleitet. Die eingeleitete Druckluft tritt in die Brennkammer 10 über einen Lufteinlaß 14 ein, der an einer stromaufwärtigen Seite der Brennkammer 10 vorgesehen ist. Die Druckluft und der von einem Verbrennungsbrenner 16 gelieferte Brennstoff werden gemischt und innerhalb eines Innenzylinders 15 der Brennkammer 10 verbrannt. Das infolge der Verbrennung erzeugte Verbrennungsgas wird einer Turbinenkammerseite über ein Endrohr 17 zugeführt, wodurch ein Turbinenrotor (in der Darstellung nicht gezeigt) gedreht wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Verbrennungsbrenners 16, des Innenzylinders 15 und des Endrohrs 17, die voneinander getrennt sind.
Wie in 2 gezeigt ist, hat der Verbrennungsbrenner 16 mehrere Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 und einen einzelnen Pilotverbrennungsbrenner 19.
Die mehreren Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 sind innerhalb des Innenzylinders 15 angeordnet und umgeben den Pilotverbrennungsbrenner 19, wie in 2 gezeigt ist. Der von den Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 eingespritzte Brennstoff wird mit der Luft vorgemischt, deren Strömung durch später beschriebene Verwirbelungselementschaufeln 20 des Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischss 18 spiralförmig gestaltet worden ist, und wird im Innenzylinder 15 verbrannt.
Eine Pilotverbrennungsdüse (in der Darstellung nicht gezeigt) ist in dem Pilotverbrennungsbrenner 19 enthalten.
Wie in 3 gezeigt ist, ist der Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 aus Hauptkomponenten wie einer Brennstoffdüse 21, einem Brennerzylinder 22 und den Verwirbelungselementschaufeln 20 aufgebaut.
Der Brennerzylinder 22 ist konzentrisch zu der Brennstoffdüse 21 und ist so angeordnet, dass er die Brennstoffdüse 21 umgibt. Daher ist ein ringförmiger Luftdurchgangsweg 23 zwischen einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse 21 und einer Innenumfangsfläche des Brennerzylinders 22 ausgebildet.
Druckluft A strömt durch diesen Luftdurchgangsweg 23 von seiner stromaufwärtigen Seite (der linken Seite in 3) zu seiner stromabwärtigen Seite (der rechten Seite in 1) hiervon.
Wie in 4(a) bis 4(c) gezeigt ist, sind die Verwirbelungselementschaufeln 20 an mehreren Stellen (bei der vorliegenden Ausführungsform an sechs Stellen) in einem Zustand angeordnet, der von der Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse 21 radial nach außen und entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse 21 verläuft.
Der Einfachheit halber sind in 3 nur zwei der Verwirbelungselementschaufeln 20 gezeigt, und zwar diejenigen, die an Positionen bei 0°- und 180°-Winkeln um die Umfangsrichtung angeordnet sind (tatsächlich wären in der Situation der 3 vier Verwirbelungselementschaufeln 20 zu sehen).
Jede der Verwirbelungselementschaufeln 20 vermittelt der durch den Luftdurchgangsweg 23 strömenden Druckluft A eine Spiralkraft, um die Druckluft A in einen Spiralluftstrom "a" zu verwandeln. Um die Druckluft A verwirbeln zu können, ist daher jede der Verwirbelungselementschaufeln 20, wie in 5(b) gezeigt ist, so gekrümmt, dass ein Winkel θ zwischen einer Wölbungslinie C der Verwirbelungselementschaufel 20 und der Strömungsrichtung der Druckluft A (d.h. der Axialrichtung der Brennstoffdüse 21) allmählich zunimmt, wenn sich die Strömung von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite bewegt, und derart, dass θ an der Hinterkante der Verwirbelungselementschaufeln 20 zwischen 20° und 30° beträgt.
Außerdem sind Ausschnittabschnitte 30 in einem Hinterkantenabschnitt an einer Innenumfangsseite (innenseitig in der Radialrichtung und an der der Brennstoffdüse 21 näher gelegenen Seite) jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 vorgesehen. Eine Höhe h dieses Ausschnittabschnitts 30 wird auf 3% bis 20% der maximalen Schaufelhöhe H der Verwirbelungselementschaufel 20 eingestellt (vorzugsweise etwa 15%), und eine Länge ΔL hiervon wird auf 20% bis 50% der Bogensehnenlänge L der Verwirbelungselementschaufel 20 eingestellt (s. 5(a)).
Ferner ist vorzuziehen, dass eine vorderkantenseitige Endfläche des Ausschnittabschnitts 30 an einer Position vorgesehen wird, an der der Winkel θ zwischen der Wölbungslinie C und dem Strom der Druckluft A größer als 0° ist (vorzugsweise eine Position, an der er 3° beträgt). Das heißt, es ist vorzuziehen, dass der Ausschnittabschnitt 30 in einem Bereich von einer Position, an der der Winkel θ zwischen der Wölbungslinie C und der Strömung der Druckluft A größer als 0° ist (vorzugsweise die Position, an der er 3° beträgt) zu der Hinterkante der Verwirbelungselementschaufel 20 vorgesehen ist.
Ein Anfasungsabschnitt bzw. Schrägungsabschnitt (oder R-Abschnitt) 31 ist an einer Hinterkantenabschnitts-Endseite (obere Endseite) jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 vorgesehen, und ein Schrägungsabschnitt (oder R-Abschnitt) 32 ist an einer Hinterkantenabschnitts-Fußseite (Fußseite) jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 vorgesehen. Die Längen h1 und h2 dieser Schrägungsabschnitte 31 und 32 in der Höhenrichtung der Schaufel sind jeweils auf eine Höhe eingestellt, die gleich der Höhe h des Ausschnittabschnitts 30 ist, d.h. sie sind auf 3% bis 20% (vorzugsweise etwa 15%) der maximalen Schaufelhöhe H der Verwirbelungselementschaufel 20 eingestellt.
Mehrere Einspritzlöcher 24a und 24b (zwei davon in der vorliegenden Ausführungsform) sind in einer rückseitigen Schaufeloberfläche 20a jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 ausgebildet, und mehrere Einspritzlöcher 25a und 25b (zwei hiervon in der vorliegenden Ausführungsform) sind in einer vorderseitigen Schaufeloberfläche 20b jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 vorgesehen. Wie in 5(a) und 5(b) gezeigt ist, sind die Einspritzlöcher 24a und 25a in dem Vorderkantenabschnitt an der Außenumfangsseite der Verwirbelungselementschaufel 20 vorgesehen (der radial äußeren Seite und der am weitesten von der Brennstoffdüse 21 entfernten Seite), und die Einspritzlöcher 24b und 25b sind zwischen den Einspritzlöchern 24a und 25a und dem Ausschnittabschnitt 30 vorgesehen (d.h. an der Innenumfangsseite der Einspritzlöcher 24a und 25a sowie an der Außenumfangsseite des Ausschnittabschnitts 30, und auch an der Hinterkantenseite der Einspritzlöcher 24a und 25a und an der Vorderkantenseite des Ausschnittabschnitts 30), und proximal zum Ausschnittabschnitt 30. Außerdem ist das Einspritzloch 24a an der Innenumfangsseite und der Hinterkantenseite des Einspritzlochs 25a angeordnet, und das Einspritzloch 24b ist an der Innenumfangsseite des Einspritzlochs 25b angeordnet. Die Position der Einspritzlöcher 24b in der Axialrichtung ist gleich derjenigen der Einspritzlöcher 25b.
Durchmesser der Einspritzlöcher 24a und 25a sind jeweils größer als Durchmesser der Einspritzlöcher 24b und 25b, und die Durchmesser des Einspritzlochs 24a und des Einspritzlochs 25a sind im wesentlichen gleich Groß, und der Durchmesser des Einspritzlochs 24b und des Einspritzlochs 25b sind im wesentlichen gleich Groß. Außerdem wird diesen Einspritzlöchern 24a, 24b, 25a und 25b jeweils über einen Brennstoffdurchgangsweg 26 Brennstoff, der innerhalb der Verwirbelungselementschaufel 20 ausgebildet ist, und über einen Brennstoffdurchgangsweg (in der Darstellung nicht gezeigt), der in der Brennstoffdüse 21 ausgebildet ist, zugeführt. Der von den Einspritzlöchern 24a, 24b, 25a und 25b eingespritzte Brennstoff wird mit der Druckluft A zu Brennstoffgas vermischt, welches in einen Innenraum des Innenzylinders 15 geschickt wird, um verbrannt zu werden.
Gemäß dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 der vorliegenden Ausführungsform strömt die entlang einem Fußabschnitt der vorderseitigen Schaufeloberfläche 20b jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 strömende Druckluft A durch den Ausschnittabschnitt 30 zu der stromabwärtigen Seite, und es wird eine Schicht der Druckluft A, die schneller als der Spiralluftstrom "a" strömt, an der Innenumfangsseite des Luftdurchgangswegs 23 gebildet. Außerdem strömt die Druckluft A, die entlang den Abschnitten außer dem Fußabschnitt der rückseitigen Schaufeloberfläche 20a und der vorderseitigen Schaufeloberfläche 20b jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 strömt, an der rückseitigen Schaufeloberfläche 20a und der vorderseitigen Schaufeloberfläche 20b jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 von der Vorderkante zu der Hinterkante jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20, und es wird ihr eine Spiralkraft vermittelt, und der Spiralluftstrom "a" wird an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangswegs 23 gebildet. Diese Schicht aus Druckluft A und der Spiralluftstrom "a" wirken aufeinander an der stromabwärtigen Seite der Verwirbelungselementschaufel 20 ein (d.h. an der stromabwärtigen Seite des Luftdurchgangswegs 23) und erzeugen im Ergebnis einen Luftwirbelstrom ("vortex air flow"). Dabei wird die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg 23 durch diesen Luftwirbelstrom in der Radialrichtung gleichmäßig gemacht, was ein Auftreten eines Flammenrückschlags (Rückzündung bzw. "flashback" oder "backfire") verhindert.
Da darüberhinaus gemäß dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 der vorliegenden Ausführungsform die Höhe h des Ausschnittabschnitts 30 auf 3% bis 20% der maximalen Schaufelhöhe H der Verwirbelungselementschaufel 20 eingestellt ist (vorzugsweise auf etwa 15%), so dass eine optimale Luftwirbelströmung erzeugt wird, kann die Brennstoffkonzentration in dem Luftströmungsweg 23 in der Radialrichtung gleichmäßiger gemacht werden, und das Auftreten eines Flammenrückschlags (Rückzündung) kann zuverlässiger vermieden werden.
Wenn die Höhe h des Ausschnittabschnitts 30 kleiner als 3% der maximalen Schaufelhöhe H der Verwirbelungselementschaufel 20 eingestellt ist, wird die Dicke der an der Innenumfangsseite des Luftdurchgangswegs 23 gebildeten Druckluftschicht A dünner, und die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg 23 wird in der Radialrichtung höher, was in der Möglichkeit des Auftretens eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) resultiert.
Außerdem wird, wenn die Höhe h des Ausschnittabschnitts 30 auf mehr als 20% der maximalen Schaufelhöhe H der Verwirbelungselementschaufel 20 eingestellt ist, die von den jeweiligen Verwirbelungselementschaufeln 20 vermittelte Spiralkraft verringert, und die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg 23 in der Radialrichtung kann nicht gleichmäßig gemacht werden, was in der Möglichkeit des Auftretens eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) resultiert.
Da ferner gemäß dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 der vorliegenden Erfindung die Einspritzlöcher 24b und 25b an Stellen vorgesehen sind, die sich in der Umgebung des Ausschnittabschnitts 30 befinden und die es ermöglichen, dass der von den Einspritzlöchern 24b und 25b eingespritzte Brennstoff entlang der rückseitigen Schaufeloberfläche 20a und der vorderseitigen Schaufeloberfläche 20b der jeweiligen Verbrennungsschaufeln 20 zusammen mit dem Spiralluftstrom "a" zu der stromabwärtigen Seite strömt, kann ein Vermischen von Brennstoff und Luft in der Umgebung der oberen Oberfläche der Brennstoffdüse 21 verhindert werden, und es kann vermieden werden, dass die obere Oberfläche der Brennstoffdüse 21 der Flamme ausgesetzt ist.
Da ferner gemäß dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 der vorliegenden Ausführungsform die Einspritzlöcher 24a, 24b, 25a und 25b an den Positionen vorgesehen sind, die voneinander in den Richtungen der Schaufelhöhe und/oder der Schaufellänge der Verwirbelungselementschaufel 20 versetzt sind (in Versatzpositionen), kann eine Verringerung des Brennstoffzuführdrucks verhindert und eine stabile Brennstoffeinspritzung durchgeführt werden.
Da ferner gemäß dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 der vorliegenden Ausführungsform die Durchmesser der Einspritzlöcher 24a und 25a, die an der Radialrichtungs-Außenseite positioniert sind, größer als die Durchmesser der Einspritzlöcher 24b und 25b gewählt sind, die an der Radialrichtungs-Innenseite positioniert sind, kann eine Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg 23 in der Radialrichtung gleichmäßiger gemacht werden, und das Auftreten eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) kann zuverlässiger verhindert werden.
Da ferner gemäß dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 18 der vorliegenden Ausführungsform die Abschrägungen 31 und 32 am Hinterkantenabschnitt der Verwirbelungselementschaufel 20 vorgesehen sind, und eine Spiralströmung an der Rückseite dieser Abschrägungen 31 und 32 erzeugt wird, um ein Vermischen der Schicht der Druckluft A und der spiralförmigen Luftströmung "a" zu fördern, kann eine Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg 23 in der Radialrichtung gleichmäßiger gemacht werden, was das Auftreten eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) noch besser verhindert.
Im folgenden wird eine zweite Ausführungsform des Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischss gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf 6(a) und 6(b) beschrieben.
Ein Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 28 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs der ersten Ausführungsform darin, dass ein Ringelement 40 an der Innenumfangsseite (der Radialrichtungs-Innenseite) des Ausschnittabschnitts 30 vorgesehen ist. Da die anderen Komponenten die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform sind, entfällt deren Beschreibung hier.
Das Ringelement 40 ist ein plattenförmiges Element mit einer Ringform im Schnitt (s. 6(b)), das so vorgesehen ist, dass es in Kontakt mit einer innenumfangsseitigen Endfläche des Ausschnittabschnitts 30 von der Endfläche der Vorderkantenseite zu der Hinterkante des Ausschnittabschnitts 30 steht. Infolgedessen sind die Innenumfangsseite und die Außenumfangsseite des Luftdurchgangswegs 24 getrennt (unterteilt).
Da gemäß dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 28 der vorliegenden Ausführungsform die auf die Innenumfangsseite des Luftdurchgangswegs 23 einwirkende Spiralkraft durch das Ringelement 40 abgeschwächt wird, was die Wirkung des Ausschnittabschnitts 30 verstärkt und dadurch die Durchmischung der Schicht der Druckluft A und des Spiralluftstroms "a" fördert, kann die Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg 23 in der Radialrichtung gleichmäßiger gemacht werden und das Auftreten eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) kann besser vermieden werden.
Da außerdem die gesamte Innenumfangsseite des Ausschnittabschnitts 30 von dem Ringelement 40 gehalten (gehaltert) wird, kann die Starrheit bzw. Steifigkeit der gesamten Verwirbelungselementschaufel 20 verbessert werden.
Da die anderen Wirkungen die gleichen sind wie bei der ersten Ausführungsform, entfällt deren Beschreibung hier.
Im folgenden wird eine dritte Ausführungsform des Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischss gemäß der Erfindung mit Bezug auf 7 beschrieben.
Ein Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 38 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs der ersten Ausführungsform insofern, als ein Spalt (Zwischenraum) 50 zwischen einer außenumfangsseitigen Endfläche (Endseite) jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 und einer Innenfläche des Brennerzylinders 22 vorgesehen ist. Da weitere Komponenten die gleichen sind wie bei der ersten Ausführungsform, entfällt deren Beschreibung hier.
Der Zwischenraum 50 ist in einem Bereich von der Vorderkante bis zur Hinterkante jeder der Verwirbelungselementschaufeln 20 vorgesehen, und seine Länge C in der Schaufelhöhenrichtung ist jeweils gleich der Höhe h des Ausschnittabschnitts 30 gewählt, d.h. 3% bis 20% (vorzugsweise etwa 15%) der maximalen Schaufelhöhe H der Verwirbelungselementschaufel 20.
Übrigens ist der Druck an der rückseitigen Schaufeloberfläche 20a der Verwirbelungselementschaufel 20 gering, und der Druck an der vorderseitigen Schaufeloberfläche 20b ist hoch, so dass ein Druckunterschied zwischen der rückseitigen Schaufeloberfläche 20a und der vorderseitigen Schaufelober fläche 20b besteht. Daher kommt es zu einer Luftleckströmung, die durch den Zwischenraum 50 hindurchströmt und sich der rückseitigen Schaufeloberfläche 20a von der vorderseitigen Schaufeloberfläche 20b nähert. Diese Leckströmung und die in dem Luftdurchgangsweg 23 in der Axialrichtung strömende Druckluft A wirken aufeinander ein und erzeugen einen Spiralluftstrom. Dieser Spiralluftstrom mischt den von den Einspritzlöchern 24a, 24b, 25a und 25b eingespritzten Brennstoff wirksam mit Luft und fördert die Gleichmäßigkeit des Brennstoffgases.
Da gemäß dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 38 der vorliegenden Ausführungsform der Zwischenraum 50 für eine wirksame Mischung von Brennstoff und Luft sorgt, und die Gleichmäßigkeit des Brennstoffgases fördert, kann eine Brennstoffkonzentration in dem Luftdurchgangsweg 23 in der Radialrichtung gleichmäßig gemacht werden und das Auftreten eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) kann besser vermieden werden.
Da weitere Wirkungen die gleichen sind wie die der ersten Ausführungsform, entfällt deren Beschreibung hier.
Eine vierte Ausführungsform des Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischss gemäß der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf 8 beschrieben.
Ein Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 48 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem vorher erwähnten Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs der dritten Ausführungsform insofern, als Einspritzlöcher 44a, 44b, 45a und 45b statt der Einspritzlöcher 24a, 24b, 25a und 25b vorgesehen sind. Da die weiteren Komponenten die gleichen sind wie bei der dritten Ausführungsform, entfällt deren Beschreibung hier.
Die Einspritzlöcher 44a und 44b sind an einer Oberfläche (der Oberfläche auf der gleichen Seite wie die rückseitige Schaufeloberfläche 20a der Verwirbelungselementschaufel 20) eines Zapfens ("peg") (Brennstoffeinspritzvorrichtung) 43 ausgebildet, und die Einspritzlöcher 45a und 45b sind in der anderen Oberfläche (der Oberfläche auf der gleichen Seite wie die vorderseitige Schaufeloberfläche der Verwirbelungselementschaufel 20) des Zapfens 43 ausgebildet. Wie in 8 gezeigt ist, sind die Einspritzlöcher 44a und 45a an der Außenumfangsseite (Radialrichtungs-Außenseite und von der Brennstoffdüse 21 weiter entfernte Seite) des Zapfens 43 vorgesehen, und die Einspritzlöcher 44b und 45b sind an der Innenumfangsseite (Radialrichtungs-Innenseite und der Brennstoffdüse 21 nähere Seite) des Zapfens 43 vorgesehen. Außerdem sind die Einspritzlöcher 44a, 44b, 45a und 45b an Positionen vorgesehen, die voneinander in der Höhenrichtung und/oder der Breitenrichtung (Axialrichtung) des Zapfens 43 versetzt sind (Versatzpositionen).
Die Durchmesser der Einspritzlöcher 44a und 45a sind jeweils größer als die Durchmesser der Einspritzlöcher 44b und 45b, und die Durchmesser des Einspritzlochs 44a und des Einspritzlochs 45a sind im wesentlichen gleich groß, und die Durchmesser des Einspritzlochs 44b und des Einspritzlochs 45b sind im wesentlichen gleich groß. Außerdem wird Brennstoff diesen Einspritzlöchern 44a, 44b, 45a und 45b jeweils über einen Brennstoffdurchgangsweg (in der Darstellung nicht gezeigt), der im Inneren des Zapfens 43 ausgebildet ist, sowie über einen Brennstoffdurchgangsweg (in der Darstellung nicht gezeigt), der in der Brennstoffdüse 21 ausgebildet ist zugeführt. Der von den Einspritzlöchern 44a, 44b, 45a und 45b eingespritzte Brennstoff wird mit der Druckluft A gemischt und wird zu Brennstoffgas, das einem Innenraum des Innenzylinders 15 zugeführt wird, um verbrannt zu werden.
Da gemäß dem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs 48 der vorliegenden Ausführungsform eine Bearbeitung der Einspritzlöcher 24a, 24b, 25a und 25b für eine komplex geformte Verwirbelungselementschaufel 20 nicht mehr erforderlich ist, kann ein Zeitbetrag, der für den Bearbeitungsvorgang der Einspritzlöcher 24a, 24b, 25a und 25b erforderlich ist, verkürzt, und eine Verringerung der Herstellungskosten erzielt werden.
Da weitere Wirkungen die gleichen sind wie die der dritten Ausführungsform, entfällt deren Beschreibung hier.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern das in der zweiten Ausführungsform beschriebene Ringelement 40 kann beispielsweise auch bei den als dritte und vierte Ausführungsformen beschriebenen Konfigurationen eingesetzt werden, und der in der vierten Ausführungsform beschriebene Zapfen 43 kann auch bei den als erste und zweite Ausführungsformen beschriebenen Konfigurationn eingesetzt werden.

Claims

Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs (18; 28; 38; 48) für eine Gasturbine, umfassend: eine Brennstoffdüse (21), einen Brennerzylinder (22), der so angeordnet ist, dass er die Brennstoffdüse (21) umgibt und einen Luftdurchgangsweg (23) zwischen sich und der Brennstoffdüse (21) bildet, und Verwirbelungselementschaufeln (20), die entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse (21) an mehreren Positionen um die Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse (21) angeordnet sind, und die sich allmählich von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite krümmen, um die in dem Luftdurchgangsweg (23) von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite strömende Luft in Drehung zu versetzen, wobei ein Ausschnittabschnitt (30) in einem Hinterkantenabschnitt an einer Innenumfangsseite der Verwirbelungselementschaufel (20) vorgesehen ist.
Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach Anspruch 1, wobei eine Höhe (h) des Ausschnittabschnitts (30) auf 3% bis 20% der maximalen Schaufelhöhe (H) der Verwirbelungselementschaufel (20) eingestellt ist.
Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Einspritzlöcher (24a, 24b, 25a, 25b) zur Brennstoffeinspritzung in der rückseitigen Schaufeloberfläche (20a) und/oder der vorderseitigen Schaufeloberfläche (20b) der Verwirbelungselementschaufel (20) vorgesehen sind, und der Durchmesser des an der Radialrichtungs-Außenseite positionierten Einspritzlochs größer gewählt ist als der Durchmesser des an der Radialrichtungs-Innenseite positionierten Einspritzlochs.
Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach Anspruch 3, wobei das an der Radialrichtungs-Innenseite positionierte Einspritzloch an einer Position proximal zu dem Ausschnittabschnitt (30) vorgesehen ist und bewirkt, dass der von dem Einspritzloch eingespritzte Brennstoff entlang der rückseitigen Schaufeloberfläche (20a) und/oder der vorderseitigen Schaufeloberfläche (20b) der jeweiligen Verwirbelungselementschaufeln (20) zu der Hinterkante der jeweiligen Verwirbelungselementschaufeln (20) strömt.
Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Einspritzlöcher an Positionen vorgesehen sind, die zueinander in der Schaufelhöhenrichtung und/oder der Schaufellängsrichtung der Verwirbelungselementschaufel (20) versetzt sind.
Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Anfasungs- bzw. Schrägungsabschnitt (31, 32) an einer Hinterkantenabschnitts-Endseite und/oder an einer Fußseite der Verwirbelungselementschaufel (20) vorgesehen ist.
Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Ringelement (40) an einer Radialrichtungs-Innenseite des Ausschnittabschnitts (30) vorgesehen ist.
Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Zwischenraum (50) zwischen einer außenumfangsseitigen Endfläche der Verwirbelungselementschaufeln (20) und einer Innenfläche des Brennerzylinders (22) vorgesehen ist.
Brennkammer für eine Gasturbine, die mit einem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 versehen ist.
Gasturbine, die mit einer Brennkammer gemäß Anspruch 9 versehen ist.