-
HINTERGRUND
-
Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenverbrennungssysteme und speziell eine Technik, die dazu dient, den Widerstand gegen Flammhaltung zu erhöhen und die Vermischung von Brennstoff und Luft einer Vormischeinrichtung eines Verbrennungssystems zu verfeinern.
-
Verbrennung mit Vormischung von Erdgas oder Dieselöl hat sich in wirtschaftlicher Hinsicht als ein in hohem Maße wirkungsvolles Mittel zum Minimieren von NOx-Emissionen für erdgebundene Gasturbinen erwiesen. In ähnlicher Weise wird ein partielles Vormischen gewöhnlich verwendet, um eine vergleichbare Emissionsverringerung in Flugzeugtriebwerken zu erreichen. Dieser Verbrennungsmodus bringt die Gefahr einer vorzeitigen Verbrennung oder Flammhaltung ein, wenn sich dieser vorgemischte Luft/Brennstoffzustrom stromaufwärts der beabsichtigten Verbrennungszone entzündet. Falls die stromaufwärtige Region nicht entworfen ist, um den in Zusammenhang mit der Verbrennung auftretenden hohen Temperaturen zu widerstehen, kann eine Überhitzung von Teilen mit einem nachfolgenden Materialausfall stattfinden. Eine Steigerung der Vormischleistung eines Brennstoffoxidationsmittels kann bekanntlich ebenfalls Verbrennungsdynamikprobleme verschärfen, die zu Beschädigungen von Komponenten führen können.
-
Eine bisher für die Steigerung der Vormischleistung einer Brennstoff/Luft-Vormischeinrichtung genutzte Technik verwendet eine Gruppe von Luftkanälen. Eine weitere Technik verwendet Vormischleitflügel, um eine wirbelstabilisierte Vormischeinrichtung zu schaffen. Noch eine weitere Technik, die bisher eingesetzt wurde, um die Vormischleistung einer Brennstoff/Luft-Vormischeinrichtung zu steigern, beinhaltet mit Kratern versehene Brennstoffeinspritzöffnungen, die zusätzlich den Widerstand gegen Flammhaltung steigern.
-
Obwohl diese bekannten Techniken von Vormischeinrichtungen Fortschritte mit Blick auf die Mischleistung oder den Widerstand gegen Flammhaltung in Vormischeinrichtungen aufweisen, erlauben sie dennoch Verbesserungen, um die Mischleistung und Flammhaltungsgrenzen für Vormischeinrichtungen von Verbrennungssystemen weiter zu optimieren. Ein moderne Mischtechnik verwendet Abströmkantenmerkmale sowohl für die Klang- als auch die Lärmverbesserung, beispielsweise des Düsenlärms von Flugzeugtriebwerken. Abströmkantenmerkmale dieser Art wurden bisher nicht als eine Technik mit Blick auf eine Verbesserung der Brennstoff/Luft-Vorvermischung und des Widerstands gegen Vormischerflammhaltung in einer Verbrennungssystemvormischeinrichtung untersucht.
-
Mit Blick auf das Vorausgehende, wäre es von Vorteil, eine Luft/Brennstoff-Vormischstruktur bereitzustellen, die die Luft/Brennstoff-Mischleistung bekannter Verbrennungssystemvormischerstrukturen bewahrt oder steigert, die sämtlichen Typen von Gasturbinenbrennkammern zugeordnet sind, während sie erweiterte Spielräume gegen Flammhaltung bietet. Die Luft/Brennstoff-Vormischerstruktur sollte vorteilhafterweise passive Techniken verwenden, um die Fähigkeiten der Luft/Brennstoffvermischung zu bewahren oder zu steigern und den Widerstand gegen Flammhaltung zu erhöhen, während optional Regionen mangelhaften Dralls in der Vormischeinrichtung minimiert werden.
-
KURZBESCHREIBUNG
-
Vereinfacht ausgedrückt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Verbrennungssystemvormischeinrichtung geschaffen, um den Widerstand gegen Flammhaltung in erdgebundenen Verbrennungssystemen zu steigern. Zu der Vormischeinrichtung gehören:
ein oder mehrere Längswirbelgeneratoren, die dazu eingerichtet sind, umgebende Hochgeschwindigkeitsluft in Reaktion auf hindurchströmende Luft passiv umzulenken, um turbulente Nachströmungs- und Wirbelregionen in einer Brennstoffdüse auszufüllen.
-
Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren zu Steigern des Widerstands gegen Flammhaltung in einer Verbrennungssystemvormischeinrichtung die Schritte:
Bereitstellen eines oder mehrerer Längswirbelgeneratoren auf einem oder mehreren Abschnitten einer Vormischeinrichtung;
und
Leiten von Luft durch wenigstens einen Vormischerlängswirbelgenerator, so dass die Luft, die jeden Längswirbelgenerator durchströmt, passiv in turbulente Nachströmungs- und Wirbelregionen einer entsprechenden Brennstoffdüse umgelenkt wird.
-
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel gehört zu einer Verbrennungssystemvormischeinrichtung:
wenigstens eine Abströmkantenregion, die eine oder mehrere Einspritzmündungen aufweist, und die außerdem eine oder mehrere Längswirbelgeneratoren aufweist, wobei der eine oder die mehreren Längswirbelgeneratoren dazu eingerichtet sind, umgebende Hochgeschwindigkeitsluft oder Brennstoff passiv umzulenken, die/der in die Abströmkantenregion über die eine oder de mehreren Einspritzmündungen eingespeist ist, so dass die umgelenkte Luft bzw. der Brennstoff sich in wenigstens einer der turbulenten Nachströmungs- und Wirbelregionen ausmischt, die stromabwärts der Abströmkantenregion erzeugt sind.
-
ZEICHNUNGEN
-
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:
-
1 veranschaulicht in einer aufgeschnittenen perspektivischen Ansicht eine Verbrennungssystemvormischeinrichtung mit Längswirbelgeneratoren, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
-
2 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht Längswirbelgeneratoren auf dem Verdrallerabschnitt der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung;
-
3 veranschaulicht in einer weiteren perspektivischen Ansicht Längswirbelgeneratoren auf dem Verdrallerabschnitt der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung;
-
4 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht Längswirbelgeneratoren auf dem Abströmkantenabschnitt der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung;
-
5 veranschaulicht in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht Längswirbelgeneratoren auf dem Abströmkantenabschnitt der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung;
-
6 veranschaulicht in einer aufgeschnittenen perspektivischen Ansicht Längswirbelgeneratoren auf dem Abströmkantenabschnitt der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung;
-
7 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine mit Ausbuchtungen versehene Düse, die Längswirbelgeneratorregionen verwendet, und die geeignet ist, den Abströmkantenabschnitt der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung zu bilden, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
-
8 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein Paar Längswirbelgeneratoraussparungen, die in der Nähe des Abströmkantenabschnitts der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung angeordnet sind;
-
9 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine weitere Längswirbelgeneratargeometrie, die sich für die Verwendung einer oder mehrerer Längswirbelgeneratorregionen der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung eignet; und
-
10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbine, die für eine Verwendung der Ausführungsbeispiele der Vormischeinrichtung geeignet ist, die die hierin beschriebenen Grundzüge der Längswirbelgeneratorstruktur nutzen.
-
Während die oben erwähnten Figuren der Zeichnungen abgewandelte Ausführungsbeispiele darstellen, kommen auch andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Betracht, wie in der Erörterung vermerkt. In sämtlichen Fällen unterbreitet diese Beschreibung dargestellte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Beispiel und nicht zur Beschränkung. Dem Fachmann können zahlreiche sonstige Änderungen und Ausführungsbeispiele einfallen, die in den Schutzbereich der Grundzüge dieser Erfindung fallen.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
1 veranschaulicht in einer aufgeschnittenen perspektivischen Ansicht eine Verbrennungssystemvormischeinrichtung 10 mit einer Anzahl von Längswirbelgeneratoren 12, 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Begriff ”Längswirbelgenerator”, wie er hierin beschrieben ist, bezeichnet eine Struktur, die eine wesentliche Längswirbelbildung erzeugt und in einigen Anwendungen eine geeignet entworfene Zickzackkerbenstruktur aufweisen kann, die im Falle der Verwendung in Zusammenhang mit einer speziellen Abmessung und Geometrie einer Düse eine wesentliche Längswirbelbildung erzeugt. Die Längswirbelgeneratoren 12 sind an der Abströmkante eines Verdrallermechanismus 16 angeordnet. Die Längswirbelgeneratoren 14 sind an der Abströmkante der Vormischerdüse 18 angeordnet. Die Längswirbelgeneratoren 12, 14 wirken, indem sie in Reaktion auf Luft, die die Vormischeinrichtung 10 durchströmt, geringe Mengen umgebender Hochgeschwindigkeitsluft passiv in innerhalb und/oder stromabwärts der Vormischeinrichtung 10 gelegene turbulente Nachströmungs- und Wirbelregionen umlenken, um turbulente Strömungsstrukturen auf ein Minimum zu reduzieren. Es wurde durch die Inhaber der Erfindung entdeckt, dass dieses passive Umlenken von umgebender Hochgeschwindigkeitsluft in turbulente Nachströmungs- und Wirbelregionen über Längswirbelgeneratorstrukturen, die auf eine Verbrennungssystemvormischeinrichtung angewendet sind, den Widerstand gegen Flammhaltung für die Verbrennungssystemvormischeinrichtung 10 steigern. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass ein passives Umlenken von umgebender Hochgeschwindigkeitsluft in turbulente Nachströmungs- und Wirbelregionen über Längswirbelgeneratorstrukturen die Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel mittels der Vormischeinrichtung 10 vorteilhafterweise verbessert. Eine detailliertere Beschreibung von turbulenten Nachströmungs- und Wirbelregionen ist hierin mit Bezug auf 8 erörtert und auch von Knowles und Saddington in ”A review of jet mixing enhancement for aircraft propulsion applications” beschrieben.
-
Zu beachten ist, dass hierin beschriebene passive Mischtechniken auch verwendet werden können, um Regionen mangelhaften Dralls in der Vormischeinrichtung 10 auf ein Minimum zu begrenzen. Obwohl einige Ausführungsbeispiele hierin als modifizierte Zickzackkerbenstrukturen beschrieben sind, die geeignet angeordnet sind, um Längswirbel zu erzeugen, können Zickzackkerbenstrukturen auch auf Aussparungen, wie sie hier mit Bezug auf 8 veranschaulicht sind, auf geformten Nuten, oder auf Zacken an der Vormischerleitflügelabströmkante, wie hier mit Bezug auf 9 dargestellt, oder auf anderen Formen basieren, beispielsweise auf durch Zickzackkerben verfeinerten Ausbuchtungen, wie sie hierin mit Bezug auf 7 dargestellt und auch von Hu, Sago, Kobayashi in ”A study an a lobed jet mixing flow by using stereoscopic particle image velocimetry technique” beschrieben sind.
-
Obwohl 1 eine Vormischeinrichtung 10 mit möglichen Stellen veranschaulicht, an denen sich Längswirbelgeneratoren hinzufügen lassen, sind auch andere Stellen, beispielsweise innere Strömungspfadwände der Vormischeinrichtung oder äußere Leitflügelwände, unter Verwendung der beschriebenen Prinzipien möglich. Längswirbelgeneratoren können dann mit Blick auf die gewünschte Anwendung und den Grad, bis zu dem die Längswirbelgeneratoren die Vermischung von Luft und Brennstoff in der Vormischeinrichtung 10 verbessern, an strategischen Stellen angeordnet sein. Die Längswirbelgeneratoren können außerdem genutzt werden, um das Mischungsverhältnis von Luft und Brennstoff einzustellen, und/oder um einen Mechanismus für das Füllen einer turbulenten Nachströmung bereitzustellen, um die Wahrscheinlichkeit von Flammenrückschlag und Flammhaltung im Inneren einer Brennstoffdüse, die zu Schäden an Komponenten führen kann, weitgehend zu eliminieren.
-
Gemäß einem Aspekt kann die Vormischeinrichtung 10 von einer Quelle, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, von einem Verdichterauslasssammelraum oder von einem äußeren Brennkammerringraum, Luft aufnehmen. Als Längswirbelgenerator geformte Durchlasskanäle 12 in der Vormischerleitflügelabströmkante 20 und/oder in den inneren und äußeren Leitflügelwänden lenken umgebende Hochgeschwindigkeitsluft, die durch die Längswirbelgeneratorstrukturen 12 und an diesen vorbei strömt, passiv in turbulente Nachströmungs- und Wirbelregionen in der Vormischeinrichtung 10 um, um die Vermischung von Luft und Brennstoff und/oder den Widerstand gegen Flammhaltung unter hierin eingehender beschriebenen Ausnahmesituationen zu steigern. Als Längswirbelgenerator geformte Durchlasskanäle 14 in der Abströmkante der Vormischerdüse 18 und/oder in inneren und/oder äußeren Düsenwänden lenken umgebende Hochgeschwindigkeitsluft, die durch die Längswirbelgeneratorstrukturen 14 hindurch und an diesen vorbei strömt, in turbulente Nachströmungs- und Wirbelregionen stromabwärts der Vormischerdüse 18 passiv um, um die Vermischung von Luft und Brennstoff und/oder den Widerstand gegen Flammhaltung unter hierin eingehender beschriebenen Ausnahmesituationen zu steigern.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt weist die Verbrennungssystemvormischeinrichtung 10 wenigstens eine Abströmkantenregion 20 auf, die mit einer oder mehreren Einspritzmündungen ausgebildet ist, wie sie in 1 dargestellt sind. Ein oder mehrere Längswirbelgeneratoren 12 sind dazu eingerichtet, in die Abströmkantenregion 20 eingespeiste umgebende Hochgeschwindigkeitsluft oder Brennstoff über die eine oder die mehreren Einspritzmündungen passiv umzulenken, so dass die eingespeiste Luft bzw. der Brennstoff in wenigstens eine von turbulenten Nachströmungs- und Wirbelregionen umgelenkt wird, die stromabwärts der Abströmkantenregion 20 erzeugt sind.
-
2 und 3 veranschaulichen detailliertere Ansichten von Abströmkantenzickzackkerben 12 des Verdrallermechanismus 16. 4, 5 und 6 veranschaulichen detailliertere Ansichten von Abströmkantenlängswirbelgeneratoren 14 der Vormischerdüse 18.
-
7 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer mit Ausbuchtungen versehenen Düse 30, die Längswirbelgeneratorregionen 32 verwendet, und die für den Einsatz des Abströmkantenabschnitts der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung 10 geeignet ist. 9 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine weitere Längswirbelgeneratorgeometrie 50, die sich für die Verwendung einer oder mehrerer Längswirbelgeneratorregionen der in 1 dargestellten Vormischeinrichtung 10 eignet.
-
8 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein Paar Längswirbelgeneratoraussparungstrukturen 40, die in der Nähe des Abströmkantenabschnitts der in 1 dargestellten Vormischerdüse 18 angeordnet sind. 8 zeigt die Entstehung von Abströmkantenwirbeln 42, die durch die Längswirbelgeneratoraussparungen 40 erzeugt werden. Diese sich ergebenden Wirbel 42 werden genutzt, um das in Zusammenhang mit einem entsprechenden Luftstrom 44 auftretende Füllen einer turbulenten Nachströmung zu verbessern. Diese sich ergebenden Wirbel 42 können außerdem genutzt werden, um die Vermischung eines entsprechenden Brennstoffs und eines Oxidationsmittels zu verbessern. Noch ein Vorteil, der sich aus der Verwendung derartiger Längswirbelgeneratorstrukturen ergeben kann, betrifft die Verringerung von Lärm und Schwingungen, da das Einführen von Längswirbelgeneratoren in die Konstruktion der Vormischeinrichtung 10 dazu beitragen kann, Verbrennungsdynamik zu vermindern.
-
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele der Verbrennungssystemvormischeinrichtung sind in der Lage, die Probleme des Vormischens in Gasturbinenverbrennungssystemen zu lösen, indem sie es ermöglichen, den Vormischvorgang widerstandsfähiger gegen Flammhaltung zu machen, während gleichzeitig die Vermischung von Luft und Brennstoff in der Vormischeinrichtung aufrecht erhalten oder verbessert wird. Spezieller führen diese Ausführungsbeispiele Längswirbelgeneratorstrukturen ein, die einer Dry-Low_NOx-(DLN)-Brennstoffvormischeinrichtung hinzugefügt werden, um die turbulenten Nachströmungen in einer Düse passiv auszufüllen und/oder weitgehend zu eliminieren, was eine mögliche Ursache für Flammhaltung und Flammenrückschlag, die zu Schäden an Komponenten führen können einschränkt oder beseitigt. Es wurde durch die Erfinder außerdem entdeckt, dass Längswirbelgeneratorstrukturen ein wirkungsvolles Mittel zur Erzielung einer verbesserten Vermischung sind, um Gasturbinenemissionen, insbesondere NOx-Emissionen, dank der Steigerung des Grades der Vormischung in einer Verbrennungssystemvormischeinrichtung zu vermindern. Weiter lässt sich aufgrund der Änderung der Standardverfahren, die allgemein dem Vormischen von Brennstoff und Oxidationsmittel zugeordnet sind, durch die Anwendung von Längswirbelgeneratorstrukturen auf eine Verbrennungssystemvormischeinrichtung auch die Verbrennungsdynamik in einer Brennkammer verringern.
-
10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbine 100, die sich für die Verwendung von Ausführungsbeispielen der Vormischeinrichtung eignet, die die Grundzüge der hierin beschriebenen Längswirbelgeneratorstrukturen verwenden. Es versteht sich, dass die hierin mit Bezug auf die Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und Grundzüge nicht nur auf erdgebundene Gasturbinenbrennkammern, sondern auch auf sämtliche Arten von Gasturbinenbrennkammern zutreffen. Das Turbinensystem 100 kann neben sonstigen Systemen eine Gasturbine 120 enthalten. Zu der Gasturbine 120 gehören ein Verdichterabschnitt 122, ein Brennkammerabschnitt 124, der mehrere Brennkammerrohre 126 und ein entsprechendes Zündsystem 127 aufweist, und ein Turbinenabschnitt 128, der mit dem Verdichterabschnitt 122 verbunden ist. Ein Auslassabschnitt 130 kanalisiert von der Gasturbine 120 stammende Abgase.
-
Allgemein verdichtet der Verdichterabschnitt 122 eintretende Luft zu dem Brennkammerabschnitt 124, der die verdichtete Luft mit einem Brennstoff mischt und das Gemisch verbrennt, um Gas mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit hervorzubringen. Der Turbinenabschnitt 128 entzieht dem Gas, das mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit aus dem Brennkammerabschnitt 124 strömt, Energie. Mit Blick auf ein besseres Verständnis und eine knappe Darstellung wurden hierin lediglich jene Aspekte des Gasturbinensystems 100 erörtert, die zur Veranschaulichung des Nutzens der Längswirbelgeneratorstrukturen einer Vormischeinrichtung nützlich sind.
-
Der Verdichterabschnitt 122 kann auf einer beliebigen Einrichtung basieren, die in der Lage ist, Luft zu verdichten. Die verdichtete Luft kann zu einem Einlassanschlusskanal des Brennkammerabschnitts 124 gelenkt werden. Der Brennkammerabschnitt 124 kann mehrere Brennstoffinjektoren enthalten, die dazu eingerichtet sind, die verdichtete Luft mit einem Brennstoff zu mischen und das Gemisch zu einem oder mehreren Brennkammerrohren 126 des Brennkammerabschnitts 124 zu liefern. Der jedem Brennkammerrohr 126 zugeführte Brennstoff kann auf einem beliebigen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff basieren, z. B. Diesel oder Erdgas. Der jedem Brennkammerrohr 126 zugeführte Brennstoff kann einer Verbrennung unterworfen werden, um ein hochverdichtetes Gemisch von Verbrennungsnebenprodukten zu bilden. Das sich ergebende hohe Temperatur und hohen Druck aufweisende Gemisch aus dem Brennkammerabschnitt 124 kann zu dem Turbinenabschnitt 128 gelenkt werden. Die Verbrennungsgase können anschließend den Turbinenabschnitt 128 verlassen, bevor sie durch den Auslassabschnitt 130 ins Freie ausgestoßen werden.
-
Während hierin lediglich spezielle Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, erschließen sich dem Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen. Es ist daher selbstverständlich, dass die beigefügten Patentansprüche sämtliche Abwandlungen und Veränderungen abdecken sollen, die in den wahren Schutzbereich der Erfindung fallen.
-
Eine Verbrennungssystemvormischeinrichtung 10 enthält eine oder mehrere Längswirbelgeneratoren 12, 14, die dazu eingerichtet sind, umgebende Hochgeschwindigkeitsluft in Reaktion auf Luft, die die Vormischeinrichtung 10 durchströmt, passiv in wenigstens eine von turbulenten Nachströmungs- und Wirbelregionen in einer Verbrennungssystembrennstoffdüse umzulenken. Die Längswirbelgeneratoren 12, 14 wirken, indem sie turbulente Strömungsstrukturen auf ein Minimum reduzieren, so dass sie dadurch die Vermischung von Luft und Brennstoff verbessern und den Widerstand gegen Flammhaltung und Flammenrückschlag in der Vormischeinrichtung 10 steigern.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Verbrennungssystemvormischeinrichtung
- 12
- Längswirbelgenerator
- 14
- Längswirbelgenerator
- 16
- Verdrallermechanismus
- 18
- Vormischerdüse
- 20
- Vormischerleitflügelabströmkante
- 30
- Mit Ausbuchtungen versehene Düse
- 32
- Längswirbelgeneratorregionen
- 40
- Längswirbelgeneratoraussparungstrukturen
- 42
- Abströmkantenwirbel
- 44
- Luftstrom
- 50
- Längswirbelgeneratorgeometrie
- 100
- Gasturbinensystem
- 120
- Gasturbine
- 122
- Verdichterabschnitt
- 124
- Verbrennungsabschnitt
- 126
- Brennkammerrohre
- 127
- Zündsystem
- 128
- Turbinenabschnitt
- 130
- Auslassabschnitt
