DE102010036493A1

DE102010036493A1 - Interne Umlenkung für Brennstoffinjektoren

Info

Publication number: DE102010036493A1
Application number: DE102010036493A
Authority: DE
Inventors: Thomas Edward Johnson; Christian Stevenson; Benjamin Paul Lacy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2011-04-07
Also published as: JP2011069602A; JP5538113B2; US20110073684A1; CN102032594A; CN102032594B; CH701896A8; CH701896A2; CH701896B1; US8794545B2

Abstract

Ein Brennstoffinjektor (18) enthält ein Brennstoffzuführungsrohr (20); mehrere Vormischrohre (6), wovon jedes Vormischrohr wenigstens ein Brennstoffinjektionsloch (7) aufweist; eine stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte (16), die stromaufwärts befindliche Enden der mehreren Vormischrohre hält; eine stromabwärts befindliche Rohrhalteplatte (24), die stromabwärts befindliche Enden der mehreren Vormischrohre hält; eine die stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte und die stromabwärts befindliche Rohrhalteplatte verbindende und einen Sammelraum (26) damit definierende Außenwand (3); und eine in dem Sammelraum angeordnete Umlenkeinrichtung (22). Die Umlenkeinrichtung enthält einen radialen Abschnitt (10). Ein in der Stromaufwärtsrichtung durch das Brennstoffzuführungsrohr (20) zugeführter Brennstoff (2) wird radial nach außen in den Sammelraum (26) zwischen dem radialen Abschnitt (10) der Umlenkeinrichtung (22) und der stromabwärts befindlichen Rohrhalteplatte (24), dann in die Stromabwärtsrichtung um einen Außenrandabschnitt (14) des radialen Abschnittes (10) herum, und dann radial nach innen zwischen den radialen Abschnitt und die stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte (16) geführt.

Description

Erklärung bezüglich mit Bundesmitteln geförderter Forschung oder Entwicklung
Diese Erfindung erfolgte mit Regierungsunterstützung unter Contract No. DE-FC26-05NT42643, zugeteilt durch das Ministerium für Energie. Die Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
Gebiet der Erfindung
Die vorstehende Erfindung betrifft einen Brennstoffinjektor und insbesondere einen Brennstoffinjektor mit interner Umlenkung.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffdüsen können so ausgelegt sein, dass sie Erdgasbrennstoff vormischen. Brennstoffdüsen können auch so ausgelegt sein, dass sie Wasserstoff als Brennstoff verbrennen, der sehr viel reaktiver ist und somit eine sehr viel höhere Flammengeschwindigkeit besitzt. Der Begriff Vormisch-Verbrennung bezieht sich auf Brennstoffdüsen für Verbrennungssysteme, in denen die Luft und Brennstoff stromaufwärts vor dem Punkt eingeführt werden, an dem der Verbrennungsprozess stattfindet. Ein Lösungsansatz für die Auslegung von Düsen, die hoch reaktive Brennstoffe verbrennen, besteht darin, diese Vormischung, aus Gründen wie verstärkter Flammenlöschwirkung und zur Sicherstellung minimaler Rückströmungszonen hinter die Brennstoffstrahlen, in sehr kleinen Rohren auszuführen. Um einen derartigen Injektor in ein praxisgerechtes mechanisches Gehäuse zu bauen, ist es erwünscht, den Brennstoff von nur einem einzigen Rohr in der Mitte des Injektors aus einzuführen. Jedoch ist, wenn dieses ohne Berücksichtigung der internen Gasströme erfolgt, das Ergebnis eine an den ersten Mischrohren zu beobachtende sehr hohe Geschwindigkeit des Gases und sehr niedrige Geschwindigkeiten an den äußersten Mischrohren. Dieses führt allgemein zu einem erheblichen Gesamtdruckgefälle in den Düsen, was zur Erzielung einer in jedes Mischrohr eingespritztem gleichmäßigen Gasmenge sehr unerwünscht ist. Zusätzlich zu dem unzulässigen Druckfeld erzeugen die sich ergebenden sehr niedrigen Geschwindigkeiten an den am weitesten von dem Zuführungsrohr entfernten Punkten eine sehr geringe Kühleffektivität, was zu hohen Metalltemperaturen und somit geringerer Teilelebensdauer führen kann.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Beispielausführungsform weist ein Brennstoffinjektor ein Brennstoffzuführungsrohr; mehrere Vormischrohre, wovon jedes Vormischrohr wenigstens ein Brennstoffinjektionsloch aufweist; eine stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte, die stromaufwärts befindliche Enden der mehreren Vormischrohre hält; eine stromabwärts befindliche Rohrhalteplatte, die stromabwärts befindliche Enden der mehreren Vormischrohre hält; eine die stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte und die stromabwärts befindliche Rohrhalteplatte verbindende und einen Sammelraum damit definierende Außenwand; und eine in dem Sammelraum angeordnete Umlenkeinrichtung auf. Die Umlenkeinrichtung weist einen radialen Abschnitt auf. Ein in der Stromaufwärtsrichtung durch das Brennstoffzuführungsrohr zugeführter Brennstoff wird radial nach außen in den Sammelraum zwischen dem radialen Abschnitt der Umlenkeinrichtung und der stromabwärts befindlichen Rohrhalteplatte, dann in die Stromabwärtsrichtung um einen Außenrandabschnitt des radialen Abschnittes herum, und dann radial nach innen zwischen den radialen Abschnitt und die stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte geführt.
Gemäß einer weiteren Beispielausführungsform wird ein Verfahren zum Vormischen von Brennstoff und Luft in einem Brennstoffinjektor bereitgestellt. Der Brennstoffinjektor weist mehrere Vormischrohre auf, wovon jedes wenigstens ein Brennstoffeinspritzloch besitzt, das in einem Sammelraum mit einer stromaufwärts befindlichen Seite und einer stromabwärts befindlichen Seite vorgesehen ist. Das Verfahren weist den Schritt der Zuführung eines Brennstoffstroms zu einer Mitte der stromaufwärts befindlichen Seite des Sammelraums; der Führung des Brennstoffstroms zu einem radial äußeren Abschnitt des Sammelraums; der Umkehrung des Brennstoffstroms in eine zu der Zuführungsrichtung entgegengesetzte Richtung; und der Führung des Brennstoffstroms zu einem radial inneren Abschnitt des Sammelraums auf, um den Brennstoff in die Brennstoffeinspritzlöcher zur Vermischung mit dem an die Vormischrohre gelieferten Luftstrom einzuspeisen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffinjektors gemäß einer Beispielausführungsform; und
2 ist eine Vorderansicht eines internen Abschnittes der Brennstoffdüse mit entfernter radialer Umlenkeinrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß 1 und 2 weist ein Brennstoffinjektor 18 ein Brennstoffzuführungsrohr 20 und mehrere Vormischrohre 6 auf. Die Vormischrohre 6 werden von einer ersten stromaufwärts befindlichen Rohrhalteplatte 16 an einer stromaufwärts befindlichen Fläche oder Seite 4 des Brennstoffinjektors und einer zweiten, stromabwärts befindlichen Rohrhalteplatte 24 an einer stromabwärts befindlichen Fläche oder Seite 5 des Brennstoffinjektors 18 gehalten. Eine Außenwand 3 verbindet die Rohrhalteplatten 16, 24. Ein Sammelraum 26 wird durch die Außenwand 3 und die Rohrhalteplatten 16, 24 ausgebildet. Die Vormischrohre 6 werden von der ersten stromaufwärts befindlichen Rohrhalteplatte 16 und der zweiten stromabwärts befindlichen Rohrhalteplatte 24 gehalten.
Eine interne Umlenkeinrichtung 22 ist an dem Ende des Brennstoffzuführungsrohres 20 gehaltert. Die interne Umlenkeinrichtung 22 enthält einen zylindrischen Abschnitt 9, der von dem Brennstoffzuführungsrohr 20 gehalten wird, und einen radialen Abschnitt 10, der sich radial in den Sammelraum 26 hinein erstreckt.
Ein Brennstoff 2 tritt in den Sammelraum 26 des Brennstoffinjektors 18 aus dem mit der ersten stromaufwärts befindlichen Rohrhalteplatte 16 verbundenen Brennstoffzuführungsrohr 20 ein und wird durch den zylindrischen Abschnitt 9 der internen Umlenkeinrichtung 22 geführt, wo der Brennstoffstrom 11 an der Rückseite der hinteren Fläche 24 zum Stillstand kommt. Der Brennstoffstrom 10 wird dann radial nach außen beschleunigt, wobei er zwischen der Rückseite der hinteren Fläche 28 des radialen Abschnittes 10 der internen Umlenkeinrichtung 22 und der zweiten stromabwärts befindlichen Halteplatte 24 wandert. Gleichzeitig wandert der Gasstrom 11 zwischen den Außenseitenoberflächen der Vormischrohre 6. Die innerste Reihe der Vormischrohre 6 hat die am stärksten eingeschränkte Fläche, da die Querschnittsfläche bei dieser radialen Abmessung am kleinsten ist.
Alle Vormischrohre 6 sind angenähert in gleichem Abstand voneinander angeordnet, um die größte Menge an Strömungsfläche pro Gesamtstirnfläche zu erzielen. Während der Brennstoffstrom 11 über einen radial nach außen gerichteten Pfad 13 verläuft, hat er mehr Spalte 12 von Rohr zu Rohr zur Verfügung, um durch diese zu strömen. Dieses führt zu einer geringeren Geschwindigkeit und einem höheren Speisedruck. Wenn der Brennstoffstrom 11 den radial äußersten Abschnitt der Düse erreicht, kehrt er an dem Außenrand 14 des radialen Abschnittes 10 der internen Umlenkeinrichtung um und strömt in einer Rückwärtsrichtung und dann zwischen der ersten stromaufwärts befindlichen Rohrhalteplatte 16 und dem radialen Abschnitt 10 der internen Umlenkeinrichtung 22 nach innen. Der Brennstoffstrom 11 wird dann den Brennstoffinjektionslöchern 7 ausgesetzt, wo er beginnt, in die Vormischrohre 6 zu strömen, wo er sich mit einem Luftstrom 1 vermischt.
Bei der radial äußeren Position strömt der Brennstoff aufgrund der größeren Fläche mit einer geringeren Geschwindigkeit. Diese niedrige Geschwindigkeit führt zu einer Hochdruckspeisung der Vormischrohre 6. Während der Brennstoff radial nach innen wandert, nimmt die Fläche ab, jedoch nimmt die Strömungsgeschwindigkeit nicht zu, da ein Teil des Stroms den Sammelraum 26 über die Brennstoffeinspritzlöcher 7 verlassen hat. Dieses setzt sich für jede Reihe fort, was zu der erwünschten gleichmäßigen Gasspeiserate in jedes Vormischrohr 6 führt. Der vorgemischte Brennstoff und die Luft werden in einem Flammenbereich 8 eines Brenners verbrannt. Diese Führung des Gasstroms 11 stellt sicher, dass der radial äußerste Abschnitt des Brennstoffinjektors 18 keinen stillstehenden Brennstoff erfährt, was zu einem niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten führen würde. Zusätzlich zur Bereitstellung eines hohen Kühlungsgrades trägt die Umlenkeinrichtung 22 dazu bei, eine gleichmäßigere Verteilung der Drücke in dem Brennstoffinjektor 18 zu erzielen. Dieses führt zu einem gleichbleibenden Speisedruck über jedem Brennstoffinjektionsloch 7 und führt somit zu einem vorhersagbaren Brennstoff/Luft-Verhältnis in den Vormischrohren 6.
Es dürfte bekannt sein, dass Form und Lage der Umlenkeinrichtung anders als dargestellt sein können. Beispielsweise würde, wenn der Brennstoffinjektor quadratisch oder tortenstückförmig im Gegensatz zu rund wäre, die Umlenkeinrichtung diese Form annehmen. Zusätzlich könnten Entlüftungslöcher innerhalb der Umlenkeinrichtung verwendet werden, um zur Erzielung eines(r) gleichmäßigen Drucks/Geschwindigkeit beizutragen. Die zylindrischen und/oder radialen Umlenkeinrichtungsabschnitte können auch konische Formen haben, um gleichmäßige Strömungsparameter zu erzielen.
Es dürfte auch bekannt sein, dass auch andere Verfahren eingesetzt werden können, um den Brennstoffinjektor kühl zu halten. Beispielsweise kann der Brennstoffinjektor auch Wärmebarrierenbeschichtungen oder externe Wärmeschilde enthalten, die auf Kühlluft aus einer in der Nähe befindlichen Quelle angewiesen sind.
Zwei Probleme mit Mehrfachrohr-Brennstoffdüsen, die Wasserstoff oder andere hoch reaktive Brennstoffe verbrennen, werden behandelt. Der Brennstoffinjektor liefert ein hohes Maß an gleichmäßiger Kühlung, um die Teilelebensdauer in Wasserstoff oder andere hoch reaktive Brennstoffe verbrennenden Umgebungen zu erhöhen und erzeugt eine gleichmäßige Einspeisung in die Vormischrohre, was deren Betriebsbereitschaft und Einhaltung von Emissionen verbessert. Höhere Flammengeschwindigkeiten und reaktivere Gase erfordern aggressive Kühlverfahren, welche der Brennstoffinjektor in einer einfachen aber trotzdem robusten Konstruktion bereitstellt.
Der Brennstoffinjektor steuert Geschwindigkeiten und Drücke des Brennstoffs gleichzeitig. Der Brennstoffinjektor stellt auch eine ausreichende Kühlung ohne die Notwendigkeit einer Wärmebarrierenbeschichtung (TBC) oder Einführung einer Kühlluft von außen bereit. Der Brennstoffinjektor verwendet auch nur eine mittige Brennstoffzuführungskonstruktion, indem das Druckverteilungsproblem in einer kompakten, preiswerten Konstruktion gelöst wird. Die Konstruktion ist dahin gehend flexibel, dass sie in verschiedene Formen und Größen, z. B. durch Nachrüstung, eingebaut werden kann, was für eine Maßstabsanpassung der Konstruktion nützlich ist.
Der Brennstoffinjektor kann in jeder Gasturbinenbrennstoffdüse eingesetzt werden, in welcher Mehrfachrohrkonstruktionen für sehr reaktive Brennstoffe verwendet werden. Der Brennstoffinjektor kann auch in anderen Brennern, wie z. B. Öfen genutzt werden, in welchen derzeit Wasserstoff oder andere reaktive Brennstoffe genutzt werden.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offengelegte Ausführungsform beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in den Erfindungsgedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, abdecken soll.
Ein Brennstoffinjektor 18 enthält ein Brennstoffzuführungsrohr 20; mehrere Vormischrohre 6, wovon jedes Vormischrohr wenigstens ein Brennstoffinjektionsloch 7 aufweist; eine stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte 16, die stromaufwärts befindliche Enden der mehreren Vormischrohre hält; eine stromabwärts befindliche Rohrhalteplatte 24, die stromabwärts befindliche Enden der mehreren Vormischrohre hält; eine die stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte und die stromabwärts befindliche Rohrhalteplatte verbindende und einen Sammelraum 26 damit definierende Außenwand 3; und eine in dem Sammelraum angeordnete Umlenkeinrichtung 22. Die Umlenkeinrichtung enthält einen radialen Abschnitt 10. Ein in der Stromaufwärtsrichtung durch das Brennstoffzuführungsrohr 20 zugeführter Brennstoff 2 wird radial nach außen in den Sammelraum 26 zwischen dem radialen Abschnitt 10 der Umlenkeinrichtung 22 und der stromabwärts befindlichen Rohrhalteplatte 24, dann in die Stromabwärtsrichtung um einen Außenrandabschnitt 14 des radialen Abschnittes 10 herum, und dann radial nach innen zwischen den radialen Abschnitt und die stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte 16 geführt.
Bezugszeichenliste

1: Luftstrom
2: Brennstoff
3: Außenwand
4: stromaufwärts befindliche Fläche/Seite
5: stromabwärts befindliche Fläche/Seite
6: Vormischrohr(e)
7: Brennstoffeinspritzloch/löcher
8: Flamme
9: zylindrische Abschnitte der internen Umlenkeinrichtung
10: radiale Abschnitte der internen Umlenkeinrichtung
11: Brennstoffpfad
14: Außenrand des radialen Abschnittes der internen Umlenkeinrichtung
16: erste/stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte
18: Brennstoffinjektor
20: Brennstoffzuführungsrohr
22: interne Umlenkeinrichtung
24: zweite/stromabwärts befindliche Rohrhalteplatte
26: Sammelraum
28: hintere Fläche

Claims

Brennstoffinjektor (18), aufweisend: ein Brennstoffzuführungsrohr (20); mehrere Vormischrohre (6), wobei jedes Vormischrohr wenigstens ein Brennstoffinjektionsloch (7) aufweist; eine stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte (16), die stromaufwärts befindliche Enden der mehreren Vormischrohre hält; eine stromabwärts befindliche Rohrhalteplatte (24), die stromabwärts befindliche Enden der mehreren Vormischrohre hält; eine die stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte und die stromabwärts befindliche Rohrhalteplatte verbindende und einen Sammelraum (26) damit definierende Außenwand (3); und eine in dem Sammelraum angeordnete Umlenkeinrichtung (22), wobei die Umlenkeinrichtung einen radialen Abschnitt (10) aufweist, wobei ein in der Stromaufwärtsrichtung durch das Brennstoffzuführungsrohr zugeführter Brennstoff (2) radial nach außen in den Sammelraum zwischen dem radialen Abschnitt der Umlenkeinrichtung und der stromabwärts befindlichen Rohrhalteplatte, dann in die Stromabwärtsrichtung um einen Außenrandabschnitt (14) des radialen Abschnittes herum, und dann radial nach innen zwischen den radialen Abschnitt und die stromaufwärts befindliche Rohrhalteplatte geführt wird.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei die Umlenkeinrichtung wenigstens einen zylindrischen (9) oder konischen Abschnitt aufweist, der mit dem Brennstoffzuführungsrohr verbunden ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei die mehreren Vormischrohre angenähert in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei die stromaufwärts und stromabwärts befindlichen Rohrhalteplatten rund sind.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 4, wobei der radiale Abschnitt der Umlenkeinrichtung rund ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei der radiale Abschnitt der Umlenkeinrichtung Entlüftungslöcher aufweist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, eine konische Form aufweist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Brennstoffinjektionsloch wenigstens ein Durchgangsloch aufweist, das sich von einem äußeren radialen Abschnitt zu einem inneren radialen Abschnitt des Vormischrohres erstreckt und von stromaufwärts nach stromabwärts hin geneigt ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 8, wobei das wenigstens eine Brennstoffinjektionsloch zwei Brennstoffinjektionslöcher aufweist, wobei jedes Brennstoffinjektionsloch von stromaufwärts nach stromabwärts hin geneigt ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei die Form des radialen Abschnittes der Umlenkeinrichtung dergestalt ist, dass sie die Geschwindigkeit zum Verbessern der Kühlung entlang der stromabwärts befindlichen Rohrhalteplatte und den Rohren verbessert, um einen thermischen Schutz bereitzustellen.
Verfahren zum Vormischen von Brennstoff (2) und Luft (1) in einem Brennstoffinjektor (18), der mehrere Vormischrohre (6) aufweist, wovon jedes wenigstens ein Brennstoffinjektionsloch (7) aufweist, das in einem Sammelraum (26) mit einer stromaufwärts befindlichen Seite und einer stromabwärts angeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zuführen eines Brennstoffstroms (2) zu einer Mitte der stromaufwärts befindlichen Seite des Sammelraums (26); Führen des Brennstoffstroms (2) zu einem radial äußeren Abschnitt des Sammelraums; Führen des Brennstoffstroms (2) in eine zu der Zuführungsrichtung entgegengesetzte Richtung; und Führen des Brennstoffstroms zu einem radial inneren Abschnitt des Sammelraums, um den Brennstoff in die Brennstoffeinspritzlöcher (7) zur Vermischung mit einem an die Vormischrohre (6) gelieferten Luftstrom (1) einzuspeisen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt der Führung des Brennstoffstroms zu dem radial äußeren Abschnitt des Sammelraums den Schritt der Beschleunigung des Brennstoffstroms aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt der Umkehrung des Brennstoffstroms den Schritt der Abbremsung des Brennstoffstroms und der Erhöhung des Druckes des Brennstoffstroms aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt der Führung des Brennstoffstroms zu dem radial inneren Abschnitt des Sammelraums den Schritt der Führung des Brennstoffstroms bei einer konstanten Geschwindigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Brennstoffstrom einen Gasbrennstoff aufweist.