DE102009003376A1

DE102009003376A1 - Flügeldüsen zur Brennstoff- und Lufteinspritzung

Info

Publication number: DE102009003376A1
Application number: DE102009003376A
Authority: DE
Inventors: Jonathan D. Berry; Gilbert O. Kraemer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2009-08-13
Also published as: CH698405A2; CH698405B1; CN101625131B; JP2009174848A; US8528337B2; CN101625131A; US20090184181A1

Abstract

Es ist ein Injektionssystem (100) für Brennstoff und Luft beschrieben. Das Injektionssystem (100) enthält eine Anzahl von Flügeln (120), die nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Flügel (120) weist ein hinteres Ende (126) auf. Eine Anzahl von Düsen (150) kann neben dem hinteren Ende (126) angeordnet sein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen und insbesondere auf flügelförmige bzw. -haltige Vormischinjektoren zur Verwendung mit Brennstoff- und Luftströmen.
HINTERGRUND ZU DER ERINDUNG
In einer Gasturbine ist es üblich, den Brennstoff und die Luft unmittelbar stromaufwärts der Verbrennungszone zu vermischen. Der Brennstoff und die Luft müssen schnell und ausreichend miteinander vermischt werden, um einen für die Verbrennung geeigneten Stromfluss zu erzeugen. Der Brennstoff und die Luft sollten jedoch ohne Flammenhalten oder ohne die Bildung von Rezirkulationszonen miteinander vermischt werden. Solche Rezirkulationszonen könnten potentiell das Flammenhalten oder sogar ein Selbstzündungsereignis fördern, die einen Schaden an der Turbine als Ganzes bewirken könnten.
Es werden zur Zeit verschiedene Arten von Brennstoff- und Luft-Injektorkonfigurationen verwendet. Die verschiedenen Konfigurationen können verwendet werden, um teilweise die spezifische Art und Qualität des Brennstoffs und des Verbrennungsprozesses zu berücksichtigen. Jede dieser Injektorkonfigurationen erfordert jedoch ihren eigenen Satz von Ersatzteilen sowie spezielle Installations-, Betriebs- und Reparaturverfahren. Gleichermaßen werden viele bekannte Injektorenvorrichtungen aus relativ teueren Gussteilen und in teueren Montageprozessen hergestellt.
Es gibt deshalb einen Bedarf nach einem Einspritz- oder Injektionssystemaufbau, eine Einspritzvorrichtungsbauart der über Produktlinien hinweg eingesetzt werden kann. Der Injektor sollte relativ kostengünstig sein und gleichzeitig ein ausreichendes Vermischen bei reduzierter Wahrscheinlichkeit des Flammenhaltens oder der Bildung von Rezirkulationszonen erzielen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit ein Einspritz- bzw. Injektionssystem für Brennstoff und Luft. Das Injektionssystem enthält eine Anzahl von Flügeln bzw. Rippen, die nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Flügel weist ein hinteres Ende auf. Eine Anzahl von Düsen kann nahe an dem hinteren Ende angeordnet sein.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein Einspritz- bzw. Injektionssystem für Brennstoff und Luft. Das Injektionssystem enthält eine Anzahl von Flügeln oder Rippen, die benachbart zueinander angeordnet sind. Jeder der Flügel weist ein hinteres Ende auf. Eine Anzahl von Brennstoffdüsen und eine Anzahl von Luftdüsen können nahe an dem hinteren Ende angeordnet sein.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein Einspritz- bzw. Injektionssystem für Brennstoff und Luft. Das Injektionssystem enthält eine Anzahl von Leitschaufeln, die nebeneinander angeordnet sind, wobei jede der Leitschaufeln ein hinteres Ende aufweist. Eine Anzahl von Brennstoffdüsen und eine Anzahl von Luftdüsen sind nahe an dem hinteren Ende angeordnet.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden für einen Fachmann nach Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines mit Flügeln ausgebildeten Injektionssystems mit einem Verwirbelungsinjektor, wie hierin beschrieben.
2 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Flügels des Flügelinjektionssystems aus 1.
3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Paares von Flügeln des Flügelinjektionssystems aus 1.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Flügelinjektionssystems mit einem nicht verwirbelnden Injektor, wie hierin beschrieben.
5 zeigt eine vordere ebene Ansicht eines Paares von Flügeln des Flügelinjektionssystems aus 4.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Flügelinjektionssystems mit einer Anzahl von ineinander greifenden Flügeln, wie hierin beschrieben.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anzahl von ineinander greifenden Flügeln mit darin vorgesehenen Abstandshaltern.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Paares von ineinander greifenden Flügeln mit einer wellenförmigen Gestalt.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Flügels mit einer stromaufwärtigen Düse.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen über all die verschiedenen Ansichten hinweg gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1 ein Beispiel eines mit Flügeln bzw. Rippen ausgebildeten Einspritz- bzw. Injektionssystems 100, wie es hierin beschrieben ist. In diesem Beispiel umfasst das Injektionssystem 100 einen Verwirbelungsinjektor 110. Wie bekannt, enthält der Verwirbelungsinjektor 110 im Allgemeinen eine Anzahl von Leitschaufeln oder Flügeln 120. Die Flügel oder Rippen 120 können eine beliebige Form oder Konfiguration aufweisen. Es kann hierbei eine beliebige Anzahl von Flügeln 120 zur Anwendung kommen. Jedes Paar der Flügel 120 definiert zwischen ihnen einen Luftpfad. Die Flügel 120 können um eine Nabe 130 montiert sein.
Jeder Flügel 120 des Flügelinjektionssystems 100 kann eine Anzahl von großen Düsen 140 aufweisen, die an einer Endplatte 125 entlang ihrer Hinterkante 126 angeordnet sind. Jeder Flügel 120 des Flügelinjektionssystems 100 kann ferner eine Anzahl von kleinen Düsen 150 aufweisen. Die kleinen Düsen 150 können unter einem Winkel entlang der Endplatte 125 oder senkrecht zu der Endplatte 125 positioniert und neben dieser angeordnet sein. In diesem Beispiel ist ein Winkel von ungefähr dreißig Grad (30°) gezeigt. Es kann hierbei jeder Winkel verwendet werden, wozu auch entgegengerichtete Düsen 150 unter einem Winkel von ungefähr neunzig Grad (90°), wie nachstehend erläutert, gehören. Es kann eine beliebige Anzahl von kleinen Düsen 150 verwendet werden. Gleichermaßen können die kleinen Düsen 150 jede beliebige Größe aufweisen. Ein Brennstoff kann folglich an mehreren Stellen entlang jedes Flügels 120 unter einem Winkel in den Luftstrom injiziert werden. Luft oder eine inertes Verdünnungsmittel können ebenfalls durch eine oder mehrere der kleinen Düsen 150 injiziert werden. Mehrere Brennstoffe und/oder andere Gase können ebenfalls durch die gemeinsame Nutzung von großen Düsen 140 und kleinen Düsen 150 injiziert werden. Die Endplatte 125 kann, aber muss nicht verwendet werden. Gleichermaßen kann eine Schlitz- oder Blechinjektion (Sheet Injection) verwendet werden.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Flügels 160. In dieser Ausführungsform weist der Flügel 160 eine Luftdüse 170 und eine Brennstoffdüse 180 auf. Die Brennstoffdüse 180 kann, wie gezeigt, bezüglich der Luftdüse 170 unter einem Winkel angeordnet sein. Die Luftdüse 170 kann stromabwärts von der Brennstoffdüse 180 angeordnet sein. Die stromabwärtige Luftdüse 170 sorgt für eine schnelle Vermischung des Treibstoffs. Alternativ kann die Luftdüse 170 stromaufwärts der Brennstoffdüse 180 angeordnet sein, so dass die Luft auf die Brennstoffdüse 180 aufprallen kann und die Wahrscheinlichkeit einer raschen Vermischung weiter erhöht. Die Luftdüse 170 kann einen ausgebogten Bereich 190 aufweisen. Der ausgebogte Bereich 190 reduziert auch die das Flammenhaltepotential. Die Anzahl, Größe und Ausrichtung der Düsen 170, 180 können variieren. Wie in 3 gezeigt, können gegenüber liegende Flügel 160 verwendet werden, um so eine weitere Vermischung durch die aufeinander prallenden Luft- und Brennstoffströme zu verstärken.
4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform des Flügel bzw. Rippen aufweisenden Injektionssystems 100. In diesem Beispiel ist ein nicht verwirbelnder Injektor 200 veranschaulicht. Der verwirbelungsfreie Injektor 200 enthält auch eine Anzahl von Flügeln bzw. Rippen 210. Die Flügel 210 können die Luft- und Brennstoffdüsen 170, 180, wie oben beschrieben, enthalten, müssen aber nicht. Es kann eine Blechinjektion mit einer Verdünnungsmitteldecke zum Zwecke einer hohen Verdünnungseffektivität eingesetzt werden.
Ein weiteres Beispiel für das Flügelinjektionssystem 100 ist in 6. gezeigt. In diesem Beispiel ist ein verschachtelter oder ineinander greifender Injektor 220 veranschaulicht. Der verschachtelte Injektor 220 enthält eine Anzahl von Flügeln bzw. Rippen 230, die ineinander greifend angeordnet sind. Die Luft- und/oder die Brennstoffdüsen 170, 180 können hier ebenfalls verwendet werden. Die Flügel 230 können axial abgestuft sein, um mehrere Brennstoffpfade zu bilden. Es können andere Konfigurationen können hierbei verwendet werden. Ein verschachtelter Außenflügel kann auch zur Aufprallkühlung verwendet werden. Wie in 7 gezeigt, kann eine Anzahl von Abstandshaltern 240 zwischen den Flügeln 230 verwendet werden. Die Abstandshalter 240 können die Abstände und die Struktur der Flügel 230 schaffen sowie für die Definition von Strömungspfaden durch diese sorgen. Die Abstandshalter 240 können auch einen Weg zur Strömungsregelung für Diffusionsflammenkonfigurationen ermöglichen.
Wie in 8 gezeigt, können die Flügel 230 selbst auch eine rippen- oder wellenförmige oder eine sinusförmige Gestalt aufweisen. In diesem Beispiel kann eine Anzahl von Rippen oder Ausbuchtungen 250 die wellenförmige Gestalt aufweisen, um so die Vermischung an ihrer hinteren Kante 126 zu erhöhen und eine stabile Flammenstruktur zu schaffen. Es können andere Formen hierbei verwendet werden. Die Rippen oder Ausbuchtungen 250 können verschachtelt oder nicht verschachtelt sein.
Die Komponenten des Flügelinjektionssystems 100 können aus einem herkömmlichen Blech oder ähnlichen Materialien sowie im Gussverfahren oder in teureren Verfahren oder aus teureren Materialien hergestellt sein. Die günstigeren Materialien können angesichts der Anordnung der Düsen 170, 180 und des fehlenden Flammenhaltens an dem Metall verwendet werden. Die gleiche allgemeine Bauform kann für verschiedene Turbinentypen verwendet werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, für DLN- (Dry Low NO_x, magerbetriebene Turbinen mit niedrigem NO_x-Ausstoß) und IGCC-(Integrated Gasification Combined Cycle Gas- und Dampfturbinenkraftwerke mit integrierter Kohlvergasung), MNQC-(Multi-Nozzle Quiet Combustor, leiser Brenner mit mehreren Düsen) und andere Turbinen.
Das Flügelinjektionssystem 100 kann somit eine Einheitlichkeit über Produktlinien hinweg und einen resultierenden Kostenvorteil erzielen. Das Flügelinjektionssystem 100 kann eine ursprüngliche Ausrüstung oder eine Nachrüstung darstellen und kann skalierbar sein. Insbesondere können die Größe, Anzahl und Lage der Düsen 140, 150, 170, 180 verändert werden, um verschiedene Brennstoffe oder Gase zu berücksichtigen. Das Flügelinjektionssystem 100 schafft ferner insofern eine Brennstoffflexibilität, als große Strömungsunterschiede des Brennstoffs, d. h. Ströme mit geringem Volumen und hohen BTU-Werten und Ströme mit großem Volumen und niedrigen BTU-Werten, erfasst verwendet werden können. Gleichermaßen kann die Luft Umgebungsluft, Spülluft, Dampf, Stickstoff, andere Edelgase oder andere Brennstoffströme sein.
Durch die Überführung der Düsen 140, 150, 170, 180 zu der Hinterkante 126 der Flügel 120 hin, wird die Gefahr eines Flammenhaltens reduziert. Gleichermaßen wird die Mischungszeit von Brennstoff und Luft insofern reduziert, als das Flügelinjektionssystem 100 es ermöglicht, dass mehr Brennstoff- und Luftkanäle miteinander Wechselwirken und auf diese Weise mehr Brennstoffinjektionspunkte ergeben, um eine bessere Vermischung zu erzielen. Deshalb können Flammenhaltegrenzen reduziert werden. Der flügelhaltige Injektor 100 richtet sich somit an das Problem der Kosten, des Flammenhaltens, der Vermischung, der Brennstoffflexibilität und eines vereinheitlichten Aufbaus. Der Aufbau ist flexibel mit vielen Variationen.
Die Flügel 120 können segmentiert sein, um die Konstruktionsflexibilität und Dauerhaftigkeit zu erhöhen. Die Endplatte 125 kann, wie oben beschrieben, aber muss nicht verwendet werden. Die Flügel 120 können äußere Mäntel oder andere Strukturen verwenden, um die Durchleitung des Luftstroms durch die Flügel zu unterstützen. Die äußeren Mäntel können Flügelmodule bilden. Obwohl hierin kreisförmige Strukturen gezeigt sind, können die Flügel 120 modularer Bauart sein und können eine quadratische, rechtwinklige oder beliebige gewünschte Form und Struktur annehmen. Es können auch Flügel 120 verschiedener Höhen verwendet werden.
Das Flügelinjektionssystem 110 kann auch zusätzliche Luftdüsen 260 oder Brennstoffdüsen 270 aufweisen, die, wie in 9 gezeigt, stromaufwärts von der Hinterkante 126 positioniert sind. Eine stromaufwärtige Injektion kann innerhalb desselben Kreislaufs verwendet werden. Beispielsweise kann Erdgas stromaufwärts mit einem Synthesegas an der Hinterkante 126 injiziert werden. Eine Brennstoffinjektion stromaufwärts der Hinterkante 126 kann eine Kühlung an den Flügeln 120 bewirken und gegebenenfalls die Lebensdauer verlängern. Gleichermaßen kann mit einem Synthesegas inerte Luft stromaufwärts injiziert werden, um ein Flammenhaltepotential zu reduzieren.
Es sollte verständlich sein, dass sich das oben Beschriebene lediglich auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht und dass durch Fachleute hierin zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen und Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
Es ist ein Injektionssystem 100 für Brennstoff und Luft beschrieben. Das Injektionssystem 100 enthält eine Anzahl von Flügeln 120, die nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Flügel 120 weist ein hinteres Ende 126 auf. Eine Anzahl von Düsen 150 kann neben dem hinteren Ende 126 angeordnet sein.

100: Flügeleinspritzsystem, Flügelinjektionssystem
110: Verwirbelungsinjektor
120: Flügel, Rippen
125: Endplatte
126: Hinterkante
130: Nabe
140: große Düsen
150: kleine Düsen
160: Flügel, Rippen
170: Luftdüse
180: Brennstoffdüse
190: ausgebogter Bereich
200: nichtverwirbelnder Injektor
210: Flügel, Rippen
220: verschachtelter, ineinander greifend ausgebildeter Injektor
230: Flügel, Rippen
240: Abstandshalter
250: Rippen, Ausbuchtungen
260: stromaufwärtige Luftdüse
270: stromaufwärtige Brennstoffdüse

Claims

Ein Injektionssystem (100) für Brennstoff und Luft, das aufweist: mehrere Flügel (120), die nebeneinander angeordnet sind; wobei jeder der mehreren Flügel (120) ein hinteres Ende (126) aufweist; und mehrere Düsen (150), die nahe an dem hinteren Ende (126) angeordnet sind.
Injektionssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Flügel (120) einen Verwirbelungsinjektor (110) aufweisen.
Injektionssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Flügel (120) einen Nichtverwirbelungsinjektor (200) aufweisen.
Injektionssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Düsen (150) eine Position in der Nähe der Hinterkante (126) unter einem Winkel zu dieser aufweisen.
Injektionssystem (100) nach Anspruch 4, wobei der Winkel ungefähr dreißig Grad (30°) bis zu ungefähr neunzig Grad (90°) beträgt.
Injektionssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Düsen (150) mehrere Brennstoffdüsen (180) und mehrere Luftdüsen (170) aufweisen.
Injektionssystem (100) nach Anspruch 6, wobei die mehreren Luftdüsen (170) einen ausgebogten Bereich (190) aufweisen.
Injektionssystem (100) nach Anspruch 6, wobei die mehreren Brennstoffdüsen (180) einen Winkel relativ zu den mehreren Luftdüsen (170) aufweisen.
Injektionssystem (100) nach Anspruch 1, wobei das hintere Ende (126) eine Endplatte (125) aufweist und wobei die Endplatte (125) mehrere Endplattendüsen (140) aufweist.
Injektionssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Flügel (120) einen verschachtelten Injektor (220) aufweisen.