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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere luftgestufte Diffusionsdüsen für Gasturbinenbrennkammern.
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In einer Diffusionsdüse für eine Gasturbinenbrennkammer beginnt der Brennstoff, sich an Drallschaufeln mit Luft zu vermischen, und er strömt anschließend und expandiert in einer wirbelnden Bewegung innerhalb des Brennerrohrraums der Brennkammer zur Vermischung. In den gegenwärtigen Diffusionsdüsen wurde eine Region mit geringer Geschwindigkeit in dem Brennerrohr in der Mitte der Diffusionsdüse beobachtet. Es ist eine starke Kohlenstoffbildung an der Diffusionsdüsenspitze während des Starts als auch des Teillastbetriebs identifiziert worden. Bei einem hochreaktiven Brennstoff wird an der Düsenspitze aufgrund der Nähe zu der Flamme eine höhere Temperatur beobachtet. Ferner kann eine verstärkte Vermischung des Gasbrennstoffs mit der Luft in dem Brennerrohr reduzierte Emissionen aus der Gasturbine zur Folge haben.
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Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer Diffusionsdüse mit einem Gasbrennstoff, die für eine Kühlung der Düsenspitze bei gleichzeitiger Verbesserung der Vermischung des Brennstoffs mit der Luft sorgt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine luftgestufte Düse. Kurz dargestellt, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Ausführungsform für eine luftgestufte Diffusionsdüse geschaffen, die in einer Brennkammer einer Gasturbine angeordnet ist, die eine Gasbrennstoffquelle und eine Druckluftquelle enthält, wobei die Gasbrennstoffdüse zu einem Brennerrohrraum der Brennkammer ausgibt. Die luftgestufte Diffusionsdüse enthält einen entlang einer Längsachse angeordneten Düsenkörper, der eine Gasbrennstoffkavität enthält, die stromabwärts durch eine Endverschlusswand begrenzt ist, stromaufwärts durch eine Verbindung zu einer Gasbrennstoffquelle begrenzt ist und umfangsseitig durch eine ringförmige Wand begrenzt ist. Ein äußerer Verwirbler mit Drallschaufeln erstreckt sich von einem Spitzenende der ringförmigen Wand aus unter Ausbildung eines wirbeligen axialen Durchgangs bis zu einem stromabwärtigen Brennerrohrraum. Ein zu der ringförmigen Wand der Gasbrennstoffkavität externer Raum enthält eine Druckluftquelle in Strömungsverbindung mit dem wirbeligen Axialdurchgang des äußeren Verwirblers. Es sind Durchgänge für den Gasbrennstoff durch die erste ringförmige Wand von der Gasbrennstoffkavität in den wirbeligen axialen ringförmigen Durchgang des äußeren Verwirblers hinein geschaffen. Der äußere Verwirbler liefert ein wirbelndes Gemisch aus einem Gasbrennstoff und der Druckluft zu dem stromabwärtigen Brennerrohrraum der Brennkammer. Eine Kühlluftkammer ist in der Gasbrennstoffkavität enthalten und von einer äußeren Umfangswand umgeben. Ein Abschnitt der äußeren Umfangswand, der in der Nähe des stromabwärtigen Endes der Gasbrennstoffkavität angeordnet ist, erstreckt sich axial durch die Endverschlusswand hindurch zu dem Brennerrohrraum der Brennkammer. Durchgänge durch die ringförmige Wand der Gasbrennstoffkavität von dem externen Druckluftraum stehen in Fluidströmungsverbindung mit der Kühlluftkammer. Die Durchgänge übertragen Druckluft strömungsmäßig durch das stromabwärtige Ende der Umfangswand der Kühlluftkammer hindurch zu dem Brennerrohrraum der Brennkammer unter Bereitstellung von Kühlluft für die Spitze und Verstärkung der Vermischung des Gasbrennstoffs mit der Luft in dem Brennerrohrraum.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gasturbinenbrennkammer geschaffen, die einen Verdichter, eine Turbine, Brennkammern und luftgestufte Diffusionsdüsen mit einer Gasbrennstoffquelle und einer Druckluftquelle enthält, wobei die luftgestufte Diffusionsdüse zu einem Brennerrohrraum der Brennkammer auslässt. Die luftgestufte Diffusionsdüse enthält einen entlang einer Längsachse angeordneten Düsenkörper, der eine Gasbrennstoffkavität enthält, die stromabwärts durch eine Endverschlusswand begrenzt, stromaufwärts durch eine Verbindung zu einer Gasbrennstoffquelle begrenzt und umfangsseitig durch eine ringförmige Wand begrenzt ist. Ein äußerer Verwirbler mit Drallschaufeln erstreckt sich von einem Spitzenende der ringförmigen Wand aus unter Ausbildung eines wirbeligen Axialdurchgangs zu einem stromabwärtigen Brennerrohrraum.
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Ein zu der ringförmigen Wand der Gasbrennstoffkavität externer Raum enthält eine Druckluftquelle in Strömungsverbindung mit dem wirbeligen Axialdurchgang des äußeren Verwirblers und mehrere Durchgänge durch die erste ringförmige Wand hindurch von der Gasbrennstoffkavität in den wirbeligen axialen ringförmigen Durchgang des äußeren Verwirblers hinein. Der äußere Verwirbler liefert ein wirbelndes Gemisch aus einem Gasbrennstoff und der Druckluft zu dem stromabwärtigen Brennerrohrraum der Brennkammer. Eine in der Gasbrennstoffkavität enthaltene Kühlluftkammer enthält eine äußere Umfangswand. Die äußere Umfangswand ist in der Nähe des stromabwärtigen Endes der Gasbrennstoffkavität angeordnet und erstreckt sich axial durch die Endverschlusswand hindurch zu dem Brennerrohrraum der Brennkammer. Mehrere Durchgänge durch die ringförmige Wand hindurch von dem externen Druckluftraum sind mit der Kühlluftkammer strömungsmäßig verbunden. Mehrere Durchgänge koppeln Druckluft strömungsmäßig durch das stromabwärtige Ende der Umfangswand der Kühlluftkammer hindurch an den Brennerrohrraum der Brennkammer an.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ergibt ein Verfahren zum Kühlen eines Spitzenendes einer luftgestuften Gasbrennstoff-Diffusionsdüse, die in einer Brennkammer einer Gasturbine mit einem Verdichter und einer Turbine angeordnet ist, wobei die Düse stromaufwärts von einem Brennerrohr der Brennkammer angeordnet ist. Das Verfahren enthält ein Bereitstellen einer luftgestuften Gasbrennstoff-Diffusionsdüse, die enthält: einen Düsenkörper mit einer Gasbrennstoffkavität, die durch eine äußere Umfangswand begrenzt ist, die entlang einer Längsachse der Düse angeordnet ist; eine Endverschlusswand; eine Kühlluftkammer, die innerhalb der Gasbrennstoffkavität angeordnet ist; einen äußeren Verwirbler, der mit einem Gasbrennstoff von der Gasbrennstoffkavität und Druckluft von einem externen Raum, der den Düsenkörper umgibt, versorgt wird; und einen vorderen Fortsatz der Kühlluftkammer, der sich durch die Umfangswand hindurch innerhalb einer Endverschlusswand des Düsenkörpers und durch diese hindurchragend erstreckt. Das Verfahren enthält ferner ein Zuführen von Gasbrennstoff zu der Gasbrennstoffkavität von einer stromaufwärtigen Gasbrennstoffquelle aus. Der Gasbrennstoff wird abgeleitet, um durch Gasbrennstoffeinleitungslöcher, die an einem Umfangsrand der Endverschlusswand definiert sind, hindurch in Dralldurchgänge des äußeren Verwirblers hinein zuströmen. Der Gasbrennstoff wird mit Druckluft aus dem externen Raum innerhalb des äußeren Verwirblers vermischt und mit einer Drehrichtung in einen Brennerrohrraum stromabwärts von der Endverschlusswand des Düsenkörpers ausgegeben. Das Verfahren enthält ferner ein Ableiten der Druckluft von dem externen Raum, der den Düsenkörper umgibt, durch die Kühlluftkammer hindurch zu dem Brennerrohrraum stromabwärts von der Endverschlusswand des Düsenkörpers unter Förderung einer Kühlung der Düsenspitze und einer Vermischung des Gasbrennstoffs mit Luft in dem Brennerrohrraum.
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Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ergibt ein Verfahren zum Betreiben einer luftgestuften Gasbrennstoff-Diffusionsdüse, die in einer Brennkammer einer Gasturbine mit einem Verdichter und einer Turbine angeordnet ist, wobei die Düse stromaufwärts von einem Brennerrohr der Brennkammer angeordnet ist. Das Verfahren enthält ein Bereitstellen einer luftgestuften Gasbrennstoff-Diffusionsdüse, die aufweist: einen Düsenkörper, der eine Gasbrennstoffkavität enthält, die durch eine äußere Umfangswand begrenzt ist, die entlang einer Längsachse der Düse angeordnet ist; eine Endverschlusswand; eine Kühlluftkammer, die in der Gasbrennstoffkavität angeordnet ist; einen äußeren Verwirbler, dem Gasbrennstoff aus der Gasbrennstoffkavität und Druckluft aus einem externen Raum, der den Düsenkörper umgibt, zugeführt wird; und einen inneren Verwirbler an einem stromabwärtigen Ende der Düse. Das Verfahren enthält ein Zuführen eines Gasbrennstoffs zu der Gasbrennstoffkavität von einer stromaufwärtigen Gasbrennstoffquelle. Der Gasbrennstoff wird abgeleitet, um durch Gaseinleitungslöcher, die an einem Umfangsrand der Endverschlusswand definiert sind, in Dralldurchgänge des äußeren Verwirblers hinein zu strömen. Der Gasbrennstoff wird mit Druckluft aus dem externen Raum, die in den äußeren Verwirbler eintritt, vermischt und aus dem äußeren Verwirbler mit einer Drehrichtung in einen Brennerrohrraum stromabwärts von dem Düsenkörper ausgegeben. Das Verfahren enthält ferner ein Ableiten von Druckluft aus dem externen Raum, der den Düsenkörper umgibt, in die Kühlluftkammer hinein. Das Verfahren enthält ferner ein Verwirbeln der Druckluft in der Kühlluftkammer durch einen inneren Verwirbler in einer Mitte des Spitzenendes der Düse in den Brennerrohrraum stromabwärts von der Düse hinein, wodurch die Spitze der Düse gekühlt und ein Durchmischen des Gasbrennstoffs- und Luftgemisches in dem Brennerrohrraum verstärkt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile überall in den Zeichnungen kennzeichnen, worin:
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1 veranschaulicht eine isometrische weggeschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfinderischen luftgestuften Gasdiffusionsdüse;
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2 veranschaulicht eine expandierte weggeschnittene Seitenansicht, die eine Kühlluftströmung durch einen Verwirbler an der Spitze einer Ausführungsform einer erfinderischen luftgestuften Gasdiffusionsdüse veranschaulicht;
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3 veranschaulicht eine externe Ansicht der Spitze des Endes einer Ausführungsform der luftgestuften Diffusionsdüse;
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4 veranschaulicht eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform für die Kühlluftkammer der luftgestuften Diffusionsdüse;
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5 veranschaulicht eine Expansionsansicht, die eine Kühlluftströmung durch Kühllöcher in einer Ausführungsform von Kühllöchern an dem Spitzenende der erfinderischen luftgestuften Diffusionsdüse veranschaulicht;
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6 veranschaulicht eine Expansionsansicht, die einen alternativen Kühlluftströmungspfad durch Kühllöcher an dem Spitzenende der erfinderischen luftgestuften Diffusionsdüse, die eine Radialkomponente der Austrittsströmung verleiht, veranschaulicht;
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7 veranschaulicht eine Ausführungsform einer erfinderischen luftgestuften Diffusionsdüse mit einem Brennerrohr; und
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8 veranschaulicht eine Brennkammer für eine Gasturbine, die Ausführungsformen der erfinderischen luftgestuften Brennstoffdiffusionsdüsen enthält, die um eine mittlere sekundäre Brennstoffdüse herum angeordnet sind;
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9 veranschaulicht eine kreisförmige Anordnung der luftgestuften Diffusionsdüsen mit einem äußeren Verwirbler und einem inneren Verwirbler an einer Endabdeckungsanordnung, die von einem Gasbrennstoff-Rohrleitungssystem gespeist wird; und
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10 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Kühlen einer Spitze einer luftgestuften Diffusionsdüse für eine Gasturbinenbrennkammer.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einer luftgestuften Gasdiffusionsdüse für eine Gasturbinenbrennkammer haben viele Vorteile, einschließlich einer Verbesserung der Vermischung von Gasbrennstoff und Luft, wodurch Gasturbinenemissionen reduziert werden und auch eine Rußbildung während des Starts reduziert wird. Die luftgestufte Diffusionsdüse extrahiert ferner Luft aus dem Hauptluftströmungspfad und leitet eine Luftströmung in der Mitte der Düsenspitze mit einem Drall ein. Insbesondere bei hochreaktiven Brennstoffen wird eine erhöhte Temperatur an der Düsenspitze beobachtet, die auf die Nähe zu der Flamme zurückzuführen ist. Die Einleitung dieser umgeleiteten Luft kühlt die Düsenspitze unter Ausbildung eines Films einer kalten Luft zwischen der Oberfläche der Düsenspitze und den Heißgasen in dem stromabwärtigen Brennerrohr. Die die Düsenspitze verlassende Luftströmung und die Wirbelbewegung, die der Luftströmung verliehen wird, wirken, um die Vermischung des Gasbrennstoffs mit Luft zu verbessern. Die erfinderische Einrichtung ist für Dry-Low-NOx(DLN)-Brennkammern mit mehreren Diffusionsdüsen erwünscht und kann auch an Einzeldüsenbrennkammern vorteilhaft genutzt werden.
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1 veranschaulicht eine weggeschnittene isometrische Ansicht einer Ausführungsform für eine erfindungsgemäße luftgestufte Diffusionsdüse für eine Brennkammer einer Gasturbine. Die luftgestufte Diffusionsdüse 100 kann einen kegelstumpfförmigen Düsenkörper 110 über einer Längsachse 111 enthalten, der von einer Umfangswand 115 und einer stromabwärtigen Endverschlusswand 125 begrenzt ist, die eine Gasbrennstoffkavität 130 im Inneren des Düsenkörpers definieren. Die Umfangswand 115 kann sich im Durchmesser hinunter von einem stromaufwärtigen Ende 112 zu einem stromabwärtigen Spitzenende 113 verjüngen. Von dem stromaufwärtigen Ende 112 aus ist eine Gasbrennstoffquelle 120 vorgesehen, die die Gasbrennstoffkavität 130 versorgt. Druckluft 135 kann extern von einem externen Raum 136 geliefert werden, der sich radial außen von der Umfangswand 115 befindet und in der Brennkammer enthalten ist (8). Die Druckluft 135 kann durch Austrittsluft aus dem Gasturbinenluftverdichter (8) geliefert werden. Drallschaufeln 141 eines äußeren Verwirblers 140 können sich radial außen und stromabwärts von der Endverschlusswand 125 des Düsenkörpers 110 erstrecken und definieren Strömungsdurchgänge 142 zu einem stromabwärtigen Brennerrohrraum 145. Mehrere Gasbrennstoffdurchgänge 150 können durch die Umfangswand 115 hindurch ragen, um einen Gasbrennstoff 151 von der Gasbrennstoffkavität 130 in jeden der Durchgänge 142 zwischen den Drallschaufeln 141 zu liefern. Die Gasbrennstoffströmung und die Druckluftströmung durch all die Drallschaufeln 141 lösen eine wirbelnde Mischung 143 des Gasbrennstoffs und der Druckluft aus, die sich gemeinsam mit dem Gasbrennstoff-Druckluft-Gemisch fortsetzt, das in dem Brennerrohr 145 stromabwärts von der Düse 100 herumwirbelt.
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Eine Kühlluftkammer 160 kann in dem stromabwärtigen Ende der Gasbrennstoffkavität 130 in der Nähe der Endverschlusswand 125 vorgesehen sein. Die Kühlluftkammer 160 kann eine Umfangswand 161 enthalten, die einen Fortsatzabschnitt 162 enthält, der sich stromabwärts durch einen Mittelabschnitt der Endverschlusswand 125 hindurch um die Längsachse 111 herum erstreckt. Die Umfangswand 161 kann entlang der Längsachse im Wesentlichen zylindrisch und an der stromaufwärtigen Endwand 177 verschlossen sein. Der Fortsatzabschnitt 162 kann kegelstumpfförmig mit Seitenwänden 172, die sich an dem stromabwärtigen Ende verjüngen, ausgebildet sein. Der Fortsatzabschnitt 162 kann integral mit der Endverschlusswand 125 ausgebildet sein.
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Die Kühlluftkammer 160 kann mit dem externen Raum 136 mit der Druckluft 135 in Strömungsverbindung stehen. Der Strömungsübertragungspfad 165 kann entsprechende Durchbrüche 116 der Umfangswand 115 und Durchbrüche 164 der Kühlluftkammer 160 enthalten, die mit hohlen Rohrleitungselementen 170 verbunden sind. Die Anzahl und Größe der Durchbrüche 116, 164 und die Anzahl und der Durchmesser 171 der zugehörigen hohlen Rohrelemente 170 können eingerichtet sein, um ein hinreichendes Druckluftvolumen der Kühlluftkammer 160 zuzuführen, um den Bedarf nach Kühlung der Spitze der Düse zu decken, wobei ein Aufprall von Heißgasen aus dem stromabwärtigen Brennerrohrraum 145 auf die stromabwärtige Fläche des Düsenspitzenendes 113 begrenzt und eine Vermischung innerhalb des stromabwärtigen Brennerrohrraums 145 gefördert wird. Das Hohlrohr 170 kann radial zwischen der Umfangswand 115 des Düsenkörpers 110 und der Umfangswand 161 der Kühlluftkammer 160 angeordnet sein. Das Hohlrohr 170 kann auch umfangssymmetrisch um die Kühlluftkammer 160 herum angeordnet sein.
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Die stromabwärtige Stirnfläche 163 des Fortsatzabschnitts 162 der Kühlluftkavität 160 kann eine kontinuierliche bündige Oberfläche mit einer stromabwärtigen Stirnfläche 126 der Endverschlusswand 125 bilden. Der Fortsatzabschnitt 162 kann mehrere Kühlströmungsdurchgänge 165 zwischen der inneren Fläche 166 und der stromabwärtigen Fläche 163 enthalten. Die Kühldurchgänge 165 können als ein innerer Verwirbler 180 eingerichtet sein, um Ausströmungen 195 zu schaffen, die einen Rotationsdrall der Druckluft aus der stromabwärtigen Fläche 163 in das Brennerrohr 145 bilden, wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben ist.
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2 veranschaulicht eine weggeschnittene Querschnittsansicht der luftgestuften Diffusionsdüse. 3 veranschaulicht eine externe Ansicht der Spitze des Endes der luftgestuften Diffusionsdüse. Insbesondere können die Durchgänge 165 in einem inneren Verwirbler 180 zwischen Drallschaufeln 181 angeordnet sein, die der in das Brennerrohr 145 ausgegebenen Druckluft eine Austrittsgeschwindigkeit 195 verleihen. Die Austrittsgeschwindigkeit 195 kann eine axiale Geschwindigkeit 183 und eine Umfangsgeschwindigkeit 184 enthalten. Die Drallschaufeln 181 und die Durchgänge 165 zu dem Brennerrohr können eingerichtet sein, um eine Umfangsgeschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit) 184 in der gleichen Drehrichtung 196 oder in einer entgegengesetzten Drehrichtung 197 zu der Drehrichtung 144 verleihen, die dem Gasbrennstoffgemisch durch den äußeren Verwirbler 140 verliehen wird. Die Drehrichtung der Druckluftströmung durch den Fortsatzabschnitt 162 relativ zu der Drehrichtung des Gas-Luft-Gemisches von dem äußeren Verwirbler beeinflusst die Vermischung des Gasbrennstoffs mit der Luft in dem Brennerrohr. Die austretende Luft neigt ferner dazu, die Spitze zu kühlen, und bildet einen dünnen Film von Kühlluft 190 auf der stromabwärtigen Fläche 163. Ferner kann die axiale Komponente 183 der Geschwindigkeit der in das Brennerrohr 145 eintretenden Druckluft die Drehströmung der Heißgase in dem Brennerrohr vom Aufprallen auf die Düsenspitze abhalten. Die Drallschaufeln 181 können ferner ausgebildet sein, um dem Gas-Luft-Gemisch eine radiale Geschwindigkeitskomponente 186 zuzugeben, wodurch die Vermischung innerhalb des Brennerrohrraums weiter beeinflusst wird.
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Demgemäß ergeben das Volumen der Druckluftströmung, die axiale Geschwindigkeit der Druckluftströmung, die Drehgeschwindigkeit der Druckluftströmung und die Drehrichtung der Druckluftströmung relativ zu der Drehströmung des Brennstoff-Luft-Gemisches aus dem äußeren Verwirbler einstellbare Auslegungsparameter, die die Vermischung von Brennstoff und Luft in dem Brennerrohr verbessern, wodurch reduzierte Emissionen und eine reduzierte Rußbildung beim Start gefördert werden. Ferner wird, indem ein Kühlluftfilm erzeugt und die Drehströmung der Heißgase von der Spitze der Düse weggedrängt wird, die Druckluftströmung die Spitze der Düse kühlen.
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4 veranschaulicht eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform für die Kühlluftkammer 160 der luftgestuften Diffusionsdüse. Die Kühlluftkammer 160 enthält eine Umfangswand 161, die einen im Wesentlichen zylindrischen Körper bildet, der an dem stromaufwärtigen Ende 177 um eine Kühlluftkavität in diesem herum geschlossen ist. Ein Fortsatzabschnitt 162 mit einer kegelstumpfförmigen Gestalt erstreckt sich stromabwärts und enthält einen inneren Verwirbler 180 für die (nicht veranschaulichte) Düse an dem stromabwärtigen Ende. Mehrere Rohrelemente 170 zur Aufnahme von Druckluft in die Kühlluftkavität 178 erstrecken sich von der Umfangswand 161 aus in Radialrichtung, vorzugsweise in einer symmetrischen Anordnung. Der innere Durchmesser 171 der Rohre kann festgelegt sein, um ein hinreichendes Volumen an Druckluft für den inneren Verwirbler 180 zu liefern. Der innere Verwirbler 180 kann mehrere Dralldurchgänge 165 enthalten, die durch die stromabwärtige Fläche 163 austreten und deren Anordnung und Durchflusseigenschaften vorstehend beschrieben worden sind. Die Anzahl, Gestalt, Größe und Ausrichtung der Dralldurchgänge 165 kann ausgewählt sein, um ein geeignetes Volumen und einen geeigneten Durchfluss der Druckluft zur Unterstützung der Kühlung und Vermischung in dem Brennerrohrraum bereitzustellen.
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4 veranschaulicht die stromabwärtige Fläche 163 des Fortsatzabschnitts 162 einer Ausführungsform für die Kühlluftkammer 160 der luftgestuften Diffusionsdüse, einschließlich Spitzenkühllöcher 187. Die Spitzenkühllöcher 180 können ein kreisförmiges Muster auf der stromabwärtigen Fläche 163 und auf der inneren Fläche 166 3) der Wand 163 des Fortsatzabschnitts 162 der Kühlluftkavität 160 bilden. Die kreisförmigen Muster der Spitzenkühllöcher an den jeweiligen Flächen 163, 166 können in Bezug auf die Längsachse 111 im Winkel versetzt sein, so dass ein derartiger Durchgang 192 durch den Fortsatzabschnitt 152 definiert wird, dass die Ausströmung 193 aus der stromabwärtigen Fläche 163 sowohl eine axiale Strömungskomponente 198 als auch eine umlaufende Strömungskomponente 199 enthält. Der Winkelversatz der Spitzenkühllöcher 180 an den jeweiligen Seiten kann wechselweise eingerichtet sein, so dass ermöglicht wird, dass die umlaufende Strömungskomponente umgedreht wird, wodurch der Umlaufströmung ermöglicht wird, in der gleichen Drehrichtung 196 oder in einer entgegengesetzten Drehrichtung 197 zu der durch den äußeren Verwirbler 140 (4) erzeugten ausgerichtet zu sein. Ferner können, wie in 5 veranschaulicht, die Spitzenlöcher 180 außerdem eingerichtet sein, um einen radialen Versatz zwischen der inneren Fläche 166 (3) und der stromabwärtigen Fläche 163 der stromabwärtigen Wand zu schaffen, so dass eine radiale Strömungskomponente beim Austritt aus der stromabwärtigen Fläche 163 hinzugefügt wird. während eine kreisförmige Konfiguration von Löchern veranschaulicht worden ist, sollte verstanden werden, dass alternative Muster, Formen, Größen und Anzahlen der Löcher und Austrittsrichtung, die eine Vermischung von Gasbrennstoff mit Luft in dem Brennerrohr und eine Kühlung der Düsenspitze unterstützen, in dem Rahmen der vorliegenden Erfindung angesehen werden sollten.
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7 veranschaulicht eine expandierte Ansicht für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen luftgestuften Diffusionsdüse mit einem Brennerrohr. Die Düse 100 empfängt einen Gasbrennstoff von einer Gasbrennstoffquelle 112, die an dem stromabwärtigen Ende des Düsenkörpers 110 montiert ist, durch Öffnungen 117 der Brennstoffplatte 114 hindurch. Druckluft wird an dem Düsenkörper 110 durch den externen Raum 136 zugeführt. Die Druckluft tritt durch die Durchdringungen 164 der Umfangswand und anschließend durch die Rohrelemente 170 hindurch zu der Kühlluftkammer 160 und an dem Verwirblerwandfortsatz 148 vorbei zu dem äußeren Verwirbler 140. Das Brennerrohr 146 ist mit dem Düsenkörper 110 an einer Düsenkörper-Brennerrohr-Verbindung 147 verbunden. Ein Gasbrennstoff- und Luftgemisch 143 aus den Strömungsdurchgängen 142 des äußeren Verwirblers 140 tritt in den Brennerrohrraum 145 mit einem Rotationsdrall und einer stromabwärtigen Geschwindigkeit aus. Die Druckluft strömt durch die Kühlluftkammer 160, durch die Dralldurchgänge 165 des inneren Verwirblers 180 hindurch in den Brennerrohrraum 145 des Brennerrohrs 146 hinein mit einem Rotationsdrall. Der Rotationsdrall der Strömung aus den Durchgängen 180 des inneren Verwirblers zu dem Brennerrohrraum 145 kann in der gleichen Drehrichtung oder in einer entgegengesetzten Drehrichtung zu dem Drall aus dem äußeren Verwirbler 140 ausgerichtet sein.
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8 veranschaulicht eine weggeschnittene Ansicht einer Ausführungsform für eine Dry-Low-NOx(DLN)-Brennkammer für eine Gasturbine 300, die eine erfindungsgemäße luftgestufte Diffusionsdüse 100 enthält. Die Gasturbine 300 enthält ferner einen (teilweise veranschaulichten) Verdichter 312, mehrere Brennkammern 314 (von denen eine um der Zweckmäßigkeit und Klarheit willen veranschaulicht ist) und eine (durch eine einzelne Laufschaufel dargestellte) Turbine 316. Obwohl dies nicht speziell veranschaulicht ist, ist die Turbine 316 mit dem Verdichter 312 entlang einer gemeinsamen Achse antriebsmäßig verbunden. Der Verdichter 312 setzt Einlassluft unter Druck, die anschließend mit umgekehrter Flussrichtung zu der Brennkammer 314 strömen gelassen wird, wo sie verwendet wird, um die Brennkammer 314 zu kühlen und um Luft für den Verbrennungsprozess zu liefern. Obwohl lediglich eine einzige Brennkammer 314 veranschaulicht ist, enthält die Gasturbine 300 mehrere Brennkammern 314, die um deren Umfang herum angeordnet sind. Ein Übergangskanal 318 verbindet das Auslassende jeder Brennkammer 314 mit dem Einlassende der Turbine 316, um die heißen Verbrennungsprodukte zu der Turbine 316 zu liefern.
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Jede Brennkammer 314 enthält ein im Wesentlichen zylindrisches Brennkammergehäuse 324, das an einem offenen vorderen Ende an einem Turbinengehäuse 326 mittels Bolzen 328 gesichert ist. Das stromaufwärtige Ende des Brennkammergehäuses 324 ist durch eine Endabdeckungsanordnung 330 verschlossen, die herkömmliche Versorgungsleitungen, Verteiler und zugehörige Ventile, etc. zur Zuführung von Gas, Flüssigbrennstoff und Luft (und Wasser, falls erwünscht) zu der Brennkammer 14 enthalten kann. Ein Gasbrennstoffverteilter 350 kann einen Gasbrennstoff für die luftgestufte Diffusionsdüse 100 liefern. Die Endabdeckungsanordnung 330 sieht mehrere (z. B. sechs) der erfindungsgemäßen luftgestuften Diffusionsdüsenanordnungen 100 vor (wobei aus Gründen der Zweckmäßigkeit und Klarheit lediglich eine einzelne veranschaulicht ist), die in einer kreisförmigen Anordnung rings um eine Längsachse 331 der Brennkammer 314 angeordnet sind. 9 veranschaulicht die kreisförmige Anordnung der luftgestuften Diffusionsdüsen 100 an der Endabdeckungsanordnung 330, die von einem Gasbrennstoffleitungssystem 350 gespeist werden, mit dem äußeren Verwirbler 140 und dem inneren Verwirbler 180.
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Erneut bezugnehmend auf 8 kann eine sekundäre Brennstoffdüse 380 an/in einem Mittelkörper 381 montiert sein. Jede luftgestufte Brennstoffdüse 100 wird mit einem Gasbrennstoff 120 von einem hinteren Versorgungsabschnitt 352 versorgt und liefert ein verwirbeltes Gas- und Luftgemisch zu dem Brennerrohrraum 145.
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Innerhalb des Brennkammergehäuses 324 ist in einer im Wesentlichen konzentrischen Beziehung zu diesem eine im Wesentlichen zylindrische Strömungshülse 334 montiert, die an ihrem vorderen Ende mit der Außenwand 336 des Übergangskanals 318 verbunden ist. Die Strömungshülse 334 ist an ihrem hinteren Ende mit dem Brennkammergehäuse 324 verbunden, wo vordere und hintere Abschnitte des Brennkammergehäuses 324 miteinander verbunden sind.
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Innerhalb der Strömungshülse 334 befindet sich eine konzentrisch angeordnete Brennkammerauskleidung 338, die an ihrem vorderen Ende mit der inneren Wand 340 des Übergangskanals 318 verbunden ist. Das hintere Ende der Brennkammerauskleidung 338 ist durch eine Kappenanordnung 342 der Brennkammerauskleidung gehaltert, die wiederum innerhalb des Brennkammergehäuses 324 gelagert ist. Es wird erkannt, dass die äußere Wand 336 des Übergangskanals 318 sowie derjenige Abschnitt der Strömungshülse 334, der sich vor der Stelle erstreckt, an der das Brennkammergehäuse 324 an das Turbinengehäuse 326 angeschraubt ist, mit einer Anordnung von Öffnungen 344 über deren jeweiligen Umfangsflächen ausgebildet sein können, um Luft zu ermöglichen, in umgekehrter Strömungsrichtung von dem Verdichter 312 durch die Öffnungen 344 hindurch in den ringförmigen Zwischenraum zwischen der Strömungshülse 334 und der Auskleidung 338 hinein in Richtung auf das stromaufwärtige oder hintere Ende der Brennkammer 314 zu strömen (wie dies durch die Strömungspfeile 370 angezeigt ist).
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Die Anordnung ist derart, dass in dem Ringraum zwischen der Auskleidung 338 und der Strömungshülse 334 strömende Luft gezwungen wird, erneut die Richtung in dem hinteren Ende der Brennkammer 314 umzukehren und in den Raum 136 hinein zu strömen (vgl. 1), der sich extern von der luftgestuften Diffusionsdüse 100 befindet, wo sie für den äußeren Verwirbler 140 der Düse und für die Kühlluftkavität 160 zur Verfügung gestellt wird, um durch die inneren Verwirbler 180 hindurch zu strömen, und zu dem Brennerrohrraum 145, bevor sie in die Verbrennungszone oder den Brennraum 390 eintritt.
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Bei Diffusionsdüsen nach dem Stand der Technik mit nur einem äußeren Verwirbler kann sich eine Rezirkulationsblase von Heißgasen in dem Brennerrohr und den Vormischrohren als Reaktion darauf bilden, dass das wirbelnde Brennstoff-Luft-Drallgemisch aus dem äußeren Bereich rings um den äußeren Umfang des Brennerrohrs ausgegeben wird. Diese stromabwärtige Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches fördert eine Zirkulation von Heißgasen von einer stromabwärtigen Stelle, stromaufwärts entlang eines mittleren Bereichs des Brennerrohrs zu strömen, wodurch die Heißgase in die Nähe des Düsenspitzenendes gebracht werden. Die Strömung erhitzt das Spitzenende der Düse und fördert eine Rußbildung an dem Spitzenende der Düse während des Starts und eines Betriebs mit geringer Leistung. Mit der verwirbelten Luft aus dem inneren Verwirbler der erfindungsgemäßen luftgestuften Düse wird das stagnierende rezirkulierende Heißgas zurück und von dem Spitzenende weg gedrängt. Ferner fördert die Kühlluftströmung durch das Spitzenende einen Kühlluftfilm an der Spitze.
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Die Luftströmung aus dem inneren Verwirbler reduziert ferner den Brennstoffmassenanteil in der Nähe des Spitzenendes der Düse, wodurch ein gleichförmiges unvermischtes Profil mit der luftgestuften Düse unterstützt wird. Die Region mit geringer Geschwindigkeit, die in der Mitte des Spitzenendes im Stand der Technik auftritt, wird durch die wirbelnde Ausströmung aus dem inneren Verwirbler, wie oben beschrieben, verändert. Eine hohe axiale Geschwindigkeit an dem Umfang des Brennerrohrs wird mit der luftgestuften Düse aufgrund des inneren Verwirblers ebenfalls reduziert. Ferner wird der Brennstoffmassenanteil an dem Brennerrohrauslass im Vergleich zum Stand der Technik gleichmäßiger, und die Unvermischtheit an dem Brennerrohrauslass wird reduziert. Hier wirkt sich die verbesserte Durchmischung positiv auf Emissionen aus der Gasturbine aus.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen des Spitzenendes einer luftgestuften Diffusionsdüse, die in einer Brennkammer einer Gasturbine mit einem Verdichter und einer Turbine angeordnet ist, wobei die Düse stromaufwärts von einem Brennerrohr der Brennkammer angeordnet ist, geschaffen. 10 veranschaulicht ein Flussdiagramm für das Verfahren zum Kühlen der Düsenspitze der luftgestuften Diffusionsdüse und zum Vermischen von Gasbrennstoff mit Luft in dem Brennerrohrabschnitt.
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Schritt 410 stellt eine luftgestufte Gasbrennstoff-Diffusionsdüse bereit, wobei die Düse enthält: einen Düsenkörper, der eine Gasbrennstoffkavität enthält, die von einer äußeren Umfangswand begrenzt ist, die entlang einer Längsachse der Düse angeordnet ist; eine Endverschlusswand, eine Kühlluftkammer, die in der Gasbrennstoffkavität angeordnet ist; einen äußeren Verwirbler, der mit einem Gasbrennstoff aus der Gasbrennstoffkavität und mit Druckluft aus einem externen Raum, der den Düsenkörper umgibt, versorgt wird; und einen vorderen Fortsatz der Kühlluftkammer, der sich durch die Umfangswand hindurch innerhalb einer Endverschlusswand der zentralen Brennstoffkammer und durch diese hindurchragend erstreckt. Schritt 415 liefert einen Gasbrennstoff zu der Gasbrennstoffkavität von einer stromaufwärtigen Gasbrennstoffquelle. Schritt 420 leitet Gasbrennstoff ab, damit dieser durch Gaseinleitungslöcher, die an einem Umfangsrand der Endverschlusswand definiert sind, in Dralldurchgänge des äußeren Verwirblers hinein strömt. Schritt 425 vermischt den Gasbrennstoff mit Druckluft aus dem externen Raum innerhalb des äußeren Verwirblers. Schritt 430 gibt den verwirbelten Gasbrennstoff und die verwirbelte Druckluft mit einer Drehrichtung in einen Brennerrohrraum stromabwärts von der Endverschlusswand des Düsenkörpers aus.
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Im Schritt 440 sorgt der Schritt des Ableitens der Druckluft für ein Leiten von Druckluft von dem externen Raum zu der Kühlluftkammer mit Rohren, die durch die äußere Umfangswand der Gasbrennstoffkavität mit der Druckluftkammer strömungsmäßig verbunden sind und durch eine Umfangswand der Kühlluftkammer mit einer Kühlluftkavität in dieser strömungsmäßig verbunden sind. Die Bemessung der Rohre und Durchdringungen durch die Umfangswände des Düsenkörpers und der Kühlluftkammer können festgelegt sein, um einen hinreichenden Druckluftdurchfluss zur Kühlung einer Spitze der Düse zu schaffen. Die Bemessung der Rohre und Durchdringungen durch die Umfangswände des Düsenkörpers und der Kühlluftkammer können ferner festgelegt sein, um einen hinreichenden Druckluftdurchfluss zur Unterstützung einer Vermischung des verwirbelten Gasbrennstoffs mit Luft innerhalb des Brennerraums aus dem äußeren Verwirbler zu unterstützen. Im Schritt 445 kann das Ableiten der Druckluft ferner ein Durchleiten der Druckluft durch einen inneren Verwirbler an einem vorderen Fortsatz der Umfangswand der Kühlluftkammer an einer Spitze der Düse zu einem Raum des Brennerrohrs stromabwärts von der Düse enthalten. Hier werden die Bemessung der Drallschaufeldurchgänge und die Orientierung der Drallschaufeldurchgänge für eine Kühlung der Düsenspitze eingerichtet. Die Bemessung der Drallschaufeldurchgänge und die Orientierung der Drallschaufeldurchgänge können zur Vermischung des Gasbrennstoffs mit Luft innerhalb des Brennerrohrraums eingerichtet sein. Schritt 450 sorgt abwechselnd für eine Leitung der Druckluft durch mehrere Spitzenlöcher innerhalb des vorderen Fortsatzes der Umfangswand der Kühlluftkammer. Hier können die Bemessung der Spitzenlöcher und die Orientierung der Spitzenlöcher zur Kühlung der Düsenspitze oder zur Unterstützung einer Vermischung von Gasbrennstoff und Luft innerhalb des Brennerraums oder für beide Funktionen eingerichtet sein.
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Das Verfahren kann ferner weitere Anordnungen von Drallschaufeln und Spitzenlöchern enthalten und kann ferner Kombinationen von Drallschaufeln und Spitzenlöchern enthalten. Ein Austritt der Druckluft aus der Düsenspitze kann der Druckluft eine stromabwärtige axiale Geschwindigkeit und eine Drehgeschwindigkeit in Bezug auf die Längsachse der Düse verleihen. Die Drehgeschwindigkeit, die der aus der Düsenspitze ausgegebenen Druckluft in Schritt 460 verliehen wird, kann in der gleichen Richtung wie eine Drallrichtung aus dem äußeren Verwirbler oder für einen Schritt 465 in einer entgegengesetzten Richtung zu einer Drallrichtung aus dem äußeren Verwirbler ausgerichtet sein. In Schritt 470 sorgt die Ausströmung für eine Kühlung der Düsenspitze. In Schritt 480 sorgt die Ausströmung für eine Vermischung des Gasbrennstoffs mit Luft aus dem äußeren Verwirbler in dem Brennerrohrraum, wobei die verbesserte Vermischung reduzierte Emissionen aus der Gasturbine fördert.
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Während verschiedene Ausführungsformen hierin beschrieben sind, wird anhand der Offenbarung erkannt, dass verschiedene Kombinationen von Elementen, Varianten oder Verbesserungen daran vorgenommen werden können und in dem Umfang der Erfindung liegen.
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In einer luftgestuften Diffusionsdüse für eine Gasturbinenbrennkammer wird Luft mit dem Gasbrennstoff vermischt und in einem stromabwärtigen Brennerrohr expandiert. Die Einleitung von Luft, die stromabwärts von der Spitze der Düse zu dem Brennerrohrraum gelangt, treibt Heißgase von der Düsenspitze weg und kühlt diese. Eine Luftströmung durch einen inneren Verwirbler oder durch Kühllöcher an der Düsenspitze kann eingerichtet sein, um ein Volumen und eine Richtung einer Kühlströmung festzusetzen, die vorteilhafterweise mit der Gasbrennstoff-Luft-Strömung aus einem äußeren Verwirbler wechselwirkt, um die Brennstoff-Luft-Vermischung in dem Brennerrohr zu verbessern, was hilft, Emissionen und Rußbildung zu reduzieren.
