DE102009026029A1

DE102009026029A1 - Mehrrohranordnung für Brennkammer und Verfahren zur Herstellung der Mehrrohranordnung

Info

Publication number: DE102009026029A1
Application number: DE102009026029A
Authority: DE
Inventors: Willy Steve Ziminsky
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2010-03-04
Also published as: US8230687B2; CN101666496A; JP2010060264A; US20100050642A1; CN101666496B

Abstract

Ein Brennstoffinjektorrohr (12) weist ein einstückiges, zusammenhängendes, polygonales Rohr mit einem Einlassende (32) und einem Auslassende (30) auf. Das Brennstoffinjektorrohr enthält weiterhin einen Brennstoffkanal (22), der sich entlang einer Längsachse des polygonalen Rohres von dem Einlassende (32) zu dem Auslassende (30) erstreckt, mehrere Luftkanäle (20), die sich von dem Einlassende (32) zu dem Auslassende (30) erstrecken und den Brennstoffkanal (22) umgeben, und mehrere Brennstofflöcher (24). Jedes Brennstoffloch (24) verbindet einen Luftkanal (20) mit dem Brennstoffkanal (22). Das Einlassende (32) des polygonalen Rohres ist zu einem Brennstoffrohr (16) geformt ausgebildet. Ein Brennstoffinjektor (10) enthält mehrere Brennstoffinjektorrohre (12) und eine Platte (14). Die mehreren Brennstoffrohre (12) sind nahe bei den Einlassenden (32) der mehreren Brennstoffinjektorrohre (12) mit der Platte (14) verbunden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffinjektorrohr und einen Brennstoffinjektor, der eine Anzahl von Brennstoffinjektorrohren aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Industrielle Gasturbinen weisen einen Verbrennungsbereich auf, der typischerweise von einer ringförmigen Reihe von Brennkammern gebildet wird. Jede Brennkammer ist eine zylindrische Kammer, die einen gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff sowie Verbrennungsluft aufnimmt, die zu einem brennbaren Gemisch zusammengeführt werden. Das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt in der Brennkammer, um heiße, unter Druck stehende Verbrennungsgase zu erzeugen, die zum Antreiben einer Turbine verwendet werden.
Die Brennkammern sind allgemein einstufige Mehrfachbrennereinheiten für einen Dualbetrieb. Der Dualbetrieb bzw. Dual Mode bezieht sich auf die Eignung der Brennkammer zur Verbrennung von gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen. Die Einstufigkeit bezieht sich auf eine einzige Verbrennungszone, die durch die zylindrische Auskleidung jeder Brennkammer gegeben ist.
Die Stabilisierung einer Flamme in einer Brennkammer unterstützt die Schaffung eines kontinuierlichen Verbrennungvor gangs, einer effizienten Erzeugung von heißen Verbrennungsgasen und verringerten Emissionen aus der Verbrennung. Bei Mehrrohrvormischern ist es wünschenswert, die Rohre eng zu packen, um die Rezirkulationszonen an der Austrittsebene zu minimieren und luftseitig eine angemessene wirksame Fläche zu schaffen. Vormischer mit mehreren Venturirohren sind ein Beispiel für Mehrrohrvormischer.
Die US-Patente Nr. 4 845 952 und 4 966 001 offenbaren eine Vorrichtung mit mehreren Venturirohren, die eine Anzahl von gering beabstandeten parallelen Venturirohren verwendet, die in einem Paar voneinander beabstandeter Kopfplatten angeordnet sind. Die Venturirohre sind mit den Kopfplatten hartverlötet, wobei der Außenumfang der Kopfplatten zur Bildung einer Kammer, der ein unter Druck stehender gasförmiger Brennstoff zugeführt wird, abgedichtet ist. Die Venturirohre sind in einem kreisförmigen Muster angeordnet, das an ihrer Austrittsebene zahlreiche große unregelmäßig geformte Rezirkulationszonen erzeugt. Diese großen unregelmäßigen Rezirkulationszonen führen zu einer geringen Beständigkeit der Flammenhaltung an dem Auslass des Vormischers.
Das US-Patent Nr. 7 093 438 offenbart einen Injektor für gasförmigen Brennstoff mit einer ersten Kopfplatte, einer zweiten Kopfplatte, die stromabwärts von der stromaufwärtigen Kopfplatte beabstandet angeordnet ist, und einer Anzahl von Venturirohren, die in Reihen angeordnet und abgedichtet an der ersten und zweiten Kopfplatte angebracht sind. Jedes der Venturirohre weist einen Einlassabschnitt, einen Verengungsabschnitt und einen Auslass auf. Der Auslass ist zu einem Muster geformt, das den Abstand zwischen den einzelnen Venturirohren an dem Auslass jedes der mehreren Venturirohre verringert.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Brennstoffinjektorrohr ein einstückiges, zusammenhängendes, polygonales Rohr, das ein Einlassende und ein Auslassende aufweist. Das Brennstoffinjektorrohr enthält weiterhin einen Brennstoffkanal, der sich entlang einer Längsachse des polygonalen Rohres von dem Einlassende zu dem Auslassende erstreckt, eine Anzahl von Luftkanälen, die sich von dem Einlassende zu dem Auslassende erstrecken und den Brennstoffkanal umgeben, und eine Anzahl von Brennstofflöchern. Jedes Brennstoffloch verbindet einen Luftkanal mit dem Brennstoffkanal. Das Einlassende des polygonalen Rohres ist zu einem Brennstoffrohr ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält ein Brennstoffinjektor mehrere Brennstoffinjektorrohre und eine Platte. Die mehreren Brennstoffinjektorrohre sind nahe bei den Einlassenden der mehreren Brennstoffinjektorrohre mit der Platte verbunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffinjektorrohres das Anbringen bzw. Bearbeiten mehrerer erster Löcher durch ein einstückiges, zusammenhängendes, polygonales Prisma hindurch, wobei die mehreren Löcher von der Längsachse des Prismas beabstandet sind, das Anbringen eines zweiten Loches durch das Prisma hindurch, wobei das zweite Loch sich entlang der Längsachse erstreckt; das Anbringen mehrerer dritter Löcher nahe bei einem ersten Ende des Prismas durch die Seiten des polygonalen Prismas hindurch in einem Winkel zu den ersten Löchern und dem zweiten Loch, wobei die dritten Löcher sich von den Seiten des Prismas zu dem zweiten Loch hin erstrecken; und das Bearbeiten eines zweiten Endes des Prismas zur Bildung eines Brennstoffrohres.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt einen Brennstoffinjektor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dar;
2 stellt eine endseitige Aufrissansicht eines Brennstoffinjektorrohres gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dar;
3 ist eine seitliche Aufrissansicht des Brennstoffinjektorrohres aus 2;
4 stellt ein polygonales Ausgangselement für ein Brennstoffinjektorrohr, das den Brennstoffkanal und die Luftkanäle aufweist, schematisch dar;
5 stellt das Brennstoffinjektorrohr aus 4 mit den Brennstofflöchern schematisch dar;
6 stellt das Brennstoffinjektorrohr mit dem Venturiauslass schematisch dar; und
7 stellt einen Brennstoffinjektor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dar.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter Bezug auf 1: Ein Brennstoffinjektor 10 enthält mehrere Brennstoffinjektorrohre 12. Jedes Brennstoffinjektorrohr 12 weist ein Einlassende 32 und ein Auslassende 30 auf (2). Die Brennstoffinjektorrohre 12 sind an den Einlass enden 32 durch eine Platte 14 gehaltert. Die Einlassenden 32 der Brennstoffinjektorrohre 12 sind bei 18 mit der Platte 14 verbunden. Jede Verbindung 18 kann z. B. eine Schweiß- oder Hartlötstelle sein. Die Brennstoffinjektorrohre 12 sind durch die Platte 14 hindurch eingesetzt und an der Innenseite zur Bildung der Brennstoffkammer 36 verschweißt oder hartverlötet. Die Brennstoffinjektorrohre 12 können z. B. auch durch einen direkten Metall-Laser-Sinterprozess angeschlossen worden sein. Von der Brennstoffkammer 36 wird auf der Einlassseite 32 ein Brennstoffstrom F zu den Einlässen 16 der Brennstoffkanäle 22 der Brennstoffinjektorrohre 12 geliefert. Ein Luftstrom A wird von einer Luftkammer 38 zu Luftkanälen 20 (2) der Brennstoffinjektorrohre 12 geliefert. Um die Brennstoffinjektorrohre 12 herum ist ein Flammrohr 40 angeordnet.
Unter Bezug auf die 2 und 3: Jedes Brennstoffinjektorrohr 12 weist einen Brennstoffkanal 22 auf, der sich entlang der Längsachse des Brennstoffinjektorrohres 12 erstreckt. Die mehreren Luftkanäle 20 sind jeweils ebenfalls parallel zu der Längsachse des Brennstoffinjektorrohres 12 ausgebildet. Aus Gründen der Klarheit ist in 3 nur ein Luftkanal 20 in verdeckten Linien gezeigt. Jedes Brennstoffinjektorrohr 12 weist mehrere Brennstofflöcher 24 auf, die die Luftkanäle 20 mit dem Brennstoffkanal 22 verbinden. Wie in den 2 und 3 gezeigt weist jedes Brennstoffinjektorrohr 12 eine polygonale Form auf, wobei der Brennstoffkanal 22 im Zentrum des Brennstoffinjektorrohres 12 ausgebildet ist und die Luftkanäle 20 um den Umfang des Brennstoffinjektorrohres 12 herum ausgebildet sind. Wie ebenfalls in den 2 und 3 gezeigt ist das Brennstoffinjektorrohr 12 sechseckig, und es sind sechs Luftkanäle 20 um den Umfang des sechseckigen Brennstoffinjektorrohres 12 herum ausgebildet. Es sollte jedoch erkannt werden, dass das Brennstoffinjektorrohr 12 auch eine andere polygonale Form, z. B. eine achteckige oder fünfeckige Form aufweisen könnte. Während der Brennstoffkanal 22 und die Luftkanäle 20 kreisförmig gezeigt sind, sollte jedoch ebenfalls erkannt werden, dass sie auch oval, elliptisch oder polygonal sein könnten.
Unter Bezug auf die 4 und 5: Jedes Brennstoffinjektorrohr 12 ist aus einem einstückigen, zusammenhängenden, massiven, polygonalen Ausgangselement oder Prisma 34 gebildet. Der Brennstoffkanal 22 wird durch das Zentrum des Ausgangselementes 34 hindurch z. B. durch Bohren gebildet. Die Luftkanäle 20 werden ebenfalls durch das Ausgangselement 34 hindurch z. B. durch Bohren gebildet. Wie in 4 gezeigt werden die Brennstofflöcher 24 in das Ausgangselement 34 gebohrt, um die Luftkanäle 20 mit dem Brennstoffkanal 22 zu verbinden. Wieder unter Bezug auf 2: Jedes Brennstoffloch 24 weist ein inneres Loch 26 auf, das den Brennstoffkanal 22 mit jeweils einem Luftkanal 20 verbindet. Jedes Brennstoffloch 24 weist außerdem ein belangloses äußeres Loch 28 auf, das sich von dem Luftkanal 20 zu dem Außenumfang des Brennstoffinjektorrohres 12 erstreckt. Die belanglosen äußeren Löcher 28 beeinträchtigen den Betrieb des Brennstoffinjektorrohres 12 nicht und brauchen nicht verstopft zu werden.
Unter Bezug auf 6: Jedes Brennstoffinjektorrohr ist an seinem Einlassende 32 so bearbeitet worden, dass es ein Brennstoffrohr bildet. Das Einlassende 32 des Brennstoffrohres 12 ist zum Beispiel so gedreht worden, bis der Brennstoffkanal 22 den Brennstoffrohreinlass 16 bildet.
Unter Bezug auf 7: Der Brennstoffinjektor weist eine Gruppe von Brennstoffrohren 12 auf. In der in 7 gezeigten Ausführungsform umfasst die Gruppe sechs Brennstoffinjektorrohre 12, die in einer „Duschkopf”-Konstellation angeordnet sind. Wie in 7 gezeigt weist die Duschkopfanordnung eine Wabenstruktur auf. Die Wabenstruktur wird zusammengehalten, aber nicht eingezwängt, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen in den Brennstoffinjektorrohren 12 zu ermöglichen. Wieder unter Bezug auf 1: Die Brennstoffinjektorrohre 12 sind durch die Platte 14 hindurch eingesetzt und an der Innenseite zur Schaffung der Brennstoffkammer 36 verschweißt oder hartverlötet worden.
Der in den 1 und 7 gezeigte Brennstoffinjektor 10 reduziert die Anzahl der abgedichteten Rohrenden. Bei dem Aufbau aus Außenwand und Rohren gemäß dem Stand der Technik musste jedes einzelne Rohrende abgedichtet werden. Der in den 1 und 7 gezeigte Brennstoffinjektor 10 erfordert jedoch nur die Abdichtung eines Rohrendes, und es braucht nur eines von jeweils sechs Rohren abgedichtet zu werden. Der Brennstoffinjektor 10 ist unter Verwendung der polygonal geformten Brennstoffinjektorrohre hergestellt, die auf eine Art so miteinander gebündelt sind, dass sie sich frei bewegen können, um thermisch induzierte Spannungen zu vermeiden.
Der in den 1 und 7 gezeigte Brennstoffinjektor 10 kann für eine vorgemischte wasserstoffreiche Verbrennung verwendet werden. Der Brennstoffinjektor 10 ermöglicht eine ausgezeichnete Mischung von Brennstoff und Luft, ein größeres Verhältnis der Oberfläche zum Volumen (, das einen Rückschlag löscht,) und kleine Brennstofflöcher und eine geringe Strahldurchdringung (für einen Rückschlag).
Das Bündeln oder Gruppieren von Rohren und die Schaffung einer Brennstoffkammer zur Speisung derselben ermöglicht eine Verringerung der Anzahl der Rohre. Die Bündelung der sechseckigen Rohre der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglicht z. B. die Verringerung der Anzahl der „abgedichteten” Rohren um den Faktor sechs.
Die Brennstoffinjektorrohre sind nicht miteinander verbunden, sondern können sich relativ zueinander „frei bewegen”, um eine unterschiedliche thermische Ausdehnung zuzulassen und thermisch induzierte Spannungen zu vermeiden.
Ein Brennstoffinjektorrohr 12 weist ein einstückiges, zusammenhängendes, polygonales Rohr mit einem Einlassende 32 und einem Auslassende 30 auf. Das Brennstoffinjektorrohr enthält weiterhin einen Brennstoffkanal 22, der sich entlang einer Längsachse des polygonalen Rohres von dem Einlassende 32 zu dem Auslassende 30 erstreckt, mehrere Luftkanäle 20, die sich von dem Einlassende 32 zu dem Auslassende 30 erstrecken und den Brennstoffkanal 22 umgeben, und mehrere Brennstofflöcher 24. Jedes Brennstoffloch 24 verbindet einen Luftkanal 20 mit dem Brennstoffkanal 22. Das Einlassende 32 des polygonalen Rohres ist zu einem Brennstoffrohr 16 geformt ausgebildet. Ein Brennstoffinjektor 10 enthält mehrere Brennstoffinjektorrohre 12 und eine Platte 14. Die mehreren Brennstoffrohre 12 sind nahe bei den Einlassenden 32 der mehreren Brennstoffinjektorrohre 12 mit der Platte 14 verbunden.
Während die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was zur Zeit als die praktischste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, sollte erkannt werden, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass es im Gegenteil beabsichtigt ist, vielfältige Abwandlungen und äquivalente Anordnungen einzubeziehen, die im Geist und Bereich der beigefügten Ansprüche enthalten sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4845952 [0005]
- US 4966001 [0005]
- US 7093438 [0006]

Claims

Brennstoffinjektorrohr, das aufweist: ein einstückiges, zusammenhängendes, polygonales Rohr (12), das ein Einlassende und ein Auslassende aufweist, wobei das Rohr weiterhin einen Brennstoffkanal (22), der sich entlang einer Längsachse des polygonalen Rohres von dem Einlassende (32) zu dem Auslassende (30) erstreckt, mehrere Luftkanäle (20), die sich von dem Einlassende (32) zu dem Auslassende (30) erstrecken und den Brennstoffkanal (22) umgeben, und mehrere Brennstofflöcher (24, 26, 28) aufweist, wobei jedes Brennstoffloch (24, 26, 28) einen Luftkanal (20) mit dem Brennstoffkanal (22) verbindet und das Einlassende (32) des polygonalen Rohres (12) zu einem Brennstoffrohr (16) ausgebildet ist.
Brennstoffinjektorrohr nach Anspruch 1, bei dem die Anzahl der Luftkanäle (20) der Anzahl der Seiten des polygonalen Rohres (12) entspricht.
Brennstoffinjektorrohr nach Anspruch 1, bei dem die Brennstofflöcher (24, 26, 28) nahe bei dem Auslassende (30) angeordnet sind.
Brennstoffinjektorrohr nach Anspruch 1, bei dem das polygonale Rohr (12) sechseckig ist.
Brennstoffinjektorrohr nach Anspruch 1, bei dem sich jedes Brennstoffloch (24, 26, 28) von einer Außenoberfläche des Rohres (12) zu dem Brennstoffkanal (22) erstreckt.
Brennstoffinjektorrohr (10), der aufweist: mehrere Brennstoffinjektorrohre nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und eine Platte (14), wobei die mehreren Brennstoffinjektorrohre (12) nahe bei den Einlassenden (32) der mehreren Brennstoffinjektorrohre (12) mit der Platte (14) verbunden sind.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, bei dem die mehreren Brennstoffinjektorrohre (12) nicht miteinander verbunden sind.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, bei dem die mehreren Brennstoffinjektorrohre (12) in einer Wabenstruktur angeordnet sind.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, der weiterhin eine Brennstoffkammer (36) und eine Luftkammer (38) aufweist, wobei die Platte (14) die Brennstoffkammer (36) von der Luftkammer (38) trennt.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffinjektorrohres (12), wobei das Verfahren enthält: Anbringen mehrerer erster Löcher (20) durch ein einstückiges, zusammenhängendes, polygonales Prisma (34) hindurch, wobei die mehreren ersten Löcher (20) von der Längsachse des Prismas (34) beabstandet angeordnet sind; Anbringen eines zweiten Loches (22) durch das Prisma (34) hindurch, wobei sich das zweite Loch (22) entlang der Längsachse erstreckt; Anbringen mehrerer dritter Löcher (24, 26, 28) nahe bei einem ersten Ende (30) des Prismas (34) durch die Seiten des polygonalen Prismas (34) hindurch in einem Winkel zu den ersten Löchern (20) und dem zweiten Loch (22), wobei die dritten Löcher (24, 26, 28) sich von den Seiten des Prismas (34) zu dem zweiten Loch (22) erstrecken; und Bearbeiten eines zweiten Endes (32) des Prismas (34) zur Bildung eines Brennstoffrohres (16).