DE112006000427B4

DE112006000427B4 - Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE112006000427B4
Application number: DE112006000427T
Authority: DE
Inventors: Koichi Takasago Ishizaka; Eisaku Takasago Ito; Satoshi Takasago Tanimura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2026-06-03
Also published as: JP2006336996A; CN102345881A; CN101069042A; DE112006000427C5; DE112006000427T5; US7878001B2; CN102345881B; JP4476176B2; US20080148736A1; WO2006132153A1; CN101069042B

Abstract

Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs für eine Gasturbine, wobei der Brenner (100) umfasst:
eine Brennstoffdüse (110),
ein Brennerrohr (120), das so angeordnet ist, dass es die Brennstoffdüse (110) umgibt, um einen Luftdurchgang (111) zwischen dem Brennerrohr (120) und der Brennstoffdüse (110) zu bilden, und
Verwirbelungsflügel (130), die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse (110) so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse (110) erstrecken und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite krümmen, um durch den Luftdurchgang (111) von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite strömende Luft (A, a) zu verwirbeln,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zwischen einer Tangente (L12) an einer Durchschnittskrümmungslinie (L11) des Verwirbelungsflügels (130) an einer Hinterkante des Verwirbelungsflügels (130) und einer sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse (110) erstreckenden Achslinie (L0) gebildeter Winkel 0 bis 10 Grad an einer radial...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 4. Die Erfindung ist so konzipiert, dass sie in der Lage ist, einen Brennstoff und Luft wirksam vorzumischen, um ein Brennstoffgas mit gleichmäßiger Konzentration zu bilden und die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes zu vergleichmäßigen, wodurch ein Flammenrückschlag bzw. eine Rückzündung zuverlässig vermieden wird.
Eine bei der Energieerzeugung etc. verwendete Gasturbine umfasst einen Kompressor, eine Brennkammer und eine Turbine als Hauptelemente. Die Gasturbine hat oft mehrere Brennkammern und mischt Luft, die vom Kompressor komprimiert wird, mit einem den Brennkammern zugeführten Brennstoff und verbrennt das Gemisch in jeder Brennkammer, um ein Hochtemperatur-Verbrennungsgas zu erzeugen. Dieses Hochtemperatur-Verbrennungsgas wird der Turbine zugeführt, um die Turbine im Drehantrieb anzutreiben.
Ein Beispiel einer Brennkammer einer herkömmlichen Gasturbine wird im folgenden unter Bezugnahme auf 11 beschrieben.
Wie in 11 gezeigt ist, sind mehrere Brennkammern 10 der Gasturbine ringförmig in einem Brennkammergehäuse 11 angeordnet (nur eine Brennkammer ist in 11 dargestellt). Das Brennkammergehäuse 11 und ein Gasturbinengehäuse 12 sind mit Druckluft gefüllt, um ein Gehäuse 13 zu bilden. Luft, die von einem Kompressor komprimiert wurde, wird in dieses Gehäuse 13 eingeleitet. Die eingeleitete Druckluft tritt in den Innenraum der Brennkammer 10 über einen Lufteinlass 14 ein, der an einem stromaufwärtigen Abschnitt der Brennkammer 10 vorgesehen ist. In dem Inneren eines Innenrohrs 15 der Brennkammer 10 werden ein von einer Brennstoffdüse 16 zugeführter Brennstoff und Druckluft gemischt und verbrannt. Ein durch die Verbrennung erzeugtes Verbrennungsgas wird durch ein Übergangsrohr 17 geleitet und einem Turbinenraum zugeführt, um einen Turbinenrotor zu drehen.
12 ist eine perspektivische Ansicht der Brennstoffdüse 16, des Innenrohrs 15 und des Übergangsrohrs 17 in getrenntem Zustand. Wie in dieser Zeichnung gezeigt ist, hat die Brennstoffdüse 16 mehrere Vorgemisch-Brennstoffdüsen 16a und eine Pilot-Brennstoffdüse 16b. Mehrere Verwirbelungselemente 18 sind in dem Innenrohr 15 vorgesehen. Die mehreren Vorgemisch-Brennstoffdüsen 16a durchsetzen die Verwirbelungselemente 18 und sind in das Innenrohr 15 eingesetzt.
Somit wird der von den Vorgemisch-Brennstoffdüsen 16a eingespritzte Brennstoff mit Luft, die durch die Verwirbelungselemente 18 in einen Wirbelstrom umgewandelt wurde, vermischt und in dem Innenrohr 15 verbrannt.

Patentdokument 1: ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 1999-14055
Patentdokument 2: ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2004-12039

Aus der DE 69820183 T2 ist eine Gasturbinen-Brennkammer mit einem Verwirbelungselement bekannt, das mehrere um den Umfang einer Brennstoffdüse herum angeordnete plattenartige Verwirbelungsflügel besitzt, wobei der Einsetzwinkel der Verwirbelungsflügel an der Nabenseite relativ zur Mittelachse der Brennstoffdüse 25° beträgt und der entsprechende Winkel an der radial außen liegenden Seite 45° beträgt.
Aus der US 5865024 A ist eine weitere Gasturbinen-Brennkammer mit zwei koaxial angeordneten Verwirbelungsringen bekannt, wobei der äußere Verwirbelungsring eine Anzahl von Verwirbelungsflügeln besitzt, die am Außenumfang einer Nabe verteilt angeordnet sind und deren Profil sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite krümmt.
Aus der GB 2252400 A ist schließlich eine weitere Verwirbelungseinrichtung bekannt, die ebenfalls eine Anzahl von am Außenumfang eines Innenzylinders herum angeordneten und in Strömungsrichtung gekrümmten plattenartigen Verwirbelungsflügeln umfaßt, die an dem Innenzylinder befestigt sind und sich an der radial außenliegenden Kante bis nahe an den Innenumfang eines Gehäuses erstrecken und mit diesem einen schmalen Spalt bilden.
Von der Erfindung zu lösende Probleme
Die in 12 dargestellte herkömmliche Technologie war ein Verbrennungs-Brennelement des Typs mit den in dem Innenrohr vorgesehenen Verwirbelungselementen 18, wobei keine Verwirbelungselemente (Verwirbelungselementflügel:Verwirbelungsflügel) auf der Seite der Vorgemisch-Brennstoff düsen 16a vorgesehen sind. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung entwickelte einen anderen Typ von Verbrennungs-Brennelement, der ein Brenner zur Vorgemisch-Verbrennung einer Gasturbine war, wobei der Brenner Verwirbelungsflügel (Verwirbelungselementflügel) an der Außenumfangsfläche einer Vorgemisch-Brennstoffdüse aufweist.
Der Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs mit Verwirbelungsflügeln an der Außenumfangsfläche einer Vorgemisch-Brennstoffdüse war bisher zwar vorhanden, aber es gab keinen derartigen Brenner mit zufriedenstellender Leistung, der

(1) einen Brennstoff gründlich mischen kann, um ein Brennstoffgas mit gleichmäßiger Konzentration zu bilden, und
(2) die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffgases vergleichmäßigen kann, um eine Rückzündung bzw. einen Flammenrückschlag zuverlässig zu vermeiden.

Der Erfinder führte sorgfältige Untersuchungen zu einem Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs mit Verwirbelungsflügeln durch, die an der Außenumfangsfläche einer Vorgemisch-Brennstoffdüse vorgesehen sind, und entwickelte einen Brenner zur Verbrennung eines Vorgemischs für eine Gasturbine mit einzigartigen Merkmalen und ausgezeichneten Wirkungen, die bei herkömmlichen Technologien fehlen. Der Erfinder hat sich zur Einreichung einer Anmeldung für ein Patent auf die gewonnenen Ergebnisse entschlossen.
Mittel zum Lösen der Probleme Eine Ausgestaltung der Erfindung zum Lösen der obigen Probleme betrifft einen Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine, wobei der Brenner die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 4 umfasst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Erfindung beträgt der von der Tangente an die Durchschnittskrümmungslinie des Verwirbelungsflügels an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels und die sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse erstreckende Achslinie gebildete Winkel 0 bis 10° an der Innenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels, wobei der Winkel an der Außenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels größer (25 bis 35°) ist als der Winkel an der Innenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels. Somit wird an der Innenumfangsseite ebenso wie an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs die Luft-Strömungsgeschwindigkeit gleichmäßig, das Auftreten eines Flammenrückschlags kann vermieden werden und die Brennstoffkonzentration wird gleichmäßig.
Gemäß der Erfindung ist außerdem der Abstand zwischen der außenumfangsseitigen Endfläche des Verwirbelungsflügels und der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs vorgesehen. Damit wird ein Luftwirbelstrom durch die Wirkung einer Leckströmung erzeugt, die den Zwischenraum durchströmt und von der dorsalen Flügelfläche zu der ventralen Flügelfläche strömt, sowie durch eine Strömung in der Axialrichtung, und dieser Luftwirbelstrom kann das Vermischen des Brennstoffs und der Luft fördern.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
1 eine Konfigurationszeichnung eines Brenners zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffdüse und von Verwirbelungsflügeln des Brenners zum Verbrennen eines Vorgemischs gemäß Ausführungsform 1,
3 eine Konfigurationszeichnung von einer stromaufwärtigen Seite der Brennstoffdüse und von Verwirbelungsflügeln des Brenners zum Verbrennen eines Vorgemischs gemäß Ausführungsform 1,
4 eine Konfigurationszeichnung von einer stromabwärtigen Seite der Brennstoffdüse und von Verwirbelungsflügeln des Brenners zum Verbrennen eines Vorgemischs gemäß Ausführungsform 1,
5 eine erläuternde Darstellung des Krümmungszustands des Verwirbelungsflügels,
6 eine charakteristische Ansicht der Beziehung zwischen der Höhe des Verwirbelungsflügels und der Strömungsgeschwindigkeit von Luft,
7 eine charakteristische Ansicht der Beziehung zwischen der Brennstoffkonzentrationsverteilung und dem Winkel an der Außenumfangsseite des Verwirbelungsflügels,
8(a) eine charakteristische Ansicht der Beziehung zwischen der Konzentrationsverteilung und dem Verhältnis (Zwischenraumlänge/Flügellänge), und
8(b) eine charakteristische Ansicht der Beziehung zwischen dem Verlust und dem Verhältnis (Zwischenraumlänge/Flügellänge),
9(a)–9(d) erläuternde Darstellungen der Beziehung zwischen den Verwirbelungsflügeln mit verschiedenen Seitenverhältnissen und Luftwirbelströmen,
10 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffdüse und von Verwirbelungsflügeln eines Brenners zum Verbrennen eines Vorgemischs gemäß Ausführungsform 2,
11 eine Konfigurationszeichnung einer Brennkammer einer herkömmlichen Gasturbine,

12 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffdüse, eines Innenrohrs und eines Übergangsrohrs der Brennkammer der herkömmlichen Gasturbine in auseinandergezogenem Zustand.

Beschreibung der Bezugsziffern und Symbole
100	Brenner zum Verbrennen eines Vorgemischs
110	Brennstoffdüse
111	Luftdurchgang
120	Brennerrohr
121	Zwischenraum
130	Verwirbelungsrohr
131	Abstand-Einstellrippe
132a	ventrale Flügeloberfläche
132b	dorsale Flügeloberfläche
133a, 133b	Einspritzloch
200	Pilot-Verbrennungsbrenner
A	Druckluft
a	Luftwirbelströmung
u	verwirbelte Luftströmung

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung detailliert auf der Basis der nachstehend gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
Ausführungsform 1
Mehrere Brenner 100 zum Verbrennen eines Vorgemischs für eine Gasturbine gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung sind so angeordnet, dass sie den Umfang eines Pilot-Verbrennungsbrenners 200 umgeben, wie in 1 gezeigt ist. Eine Pilot-Verbrennungsdüse, die nicht dargestellt ist, ist in dem Pilot-Verbrennungsbrenner 200 eingebaut.
Die Brenner 100 zum Verbrennen eines Vorgemischs sowie der Pilot-Verbrennungsbrenner 200 sind in dem Innenrohr der Gasturbine angeordnet. Der Brenner 100 zum Verbrennen eines Vorgemischs umfasst eine Brennstoffdüse 110, ein Brennerrohr 120 und einen Verwirbelungsflügel (Verwirbelungselementflügel) 130 als Hauptelemente.
Das Brennerrohr 120 ist so angeordnet, dass es konzentrisch mit der Brennstoffdüse 110 ist und die Brennstoffdüse 110 umgibt. Damit wird ein ringförmiger Luftdurchgang 111 zwischen der Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse 110 und der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs 120 gebildet.
Druckluft A strömt durch den Luftdurchgang 111 von dessen stromaufwärtiger Seite (der linken Seite in 1) zu dessen stromabwärtiger Seite (der rechten Seite in 1).
Wie in 1, in 2 als perspektivischer Ansicht, in 3 von der stromaufwärtigen Seite betrachtet und in 4 von der stromabwärtigen Seite betrachtet, gezeigt ist, sind die Verwirbelungsflügel 130 an mehreren Stellen (in der vorliegenden Ausführungsform an sechs Stellen) entlang der Umfangsrichtung der Brennstoffdüse 110 angeordnet und erstrecken sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse 110.
In 1 sind nur zwei der Verwirbelungsflügel 130, die unter einem Winkel von 0° und einem Winkel von 180° entlang der Umfangsrichtung angeordnet sind, dargestellt, um ein Verständnis zu erleichtern (im Zustand der 1 ist eine Gesamtzahl der vier Verwirbelungsflügel tatsächlich zu erkennen).
Jeder Verwirbelungsflügel 130 ist so gestaltet, dass er der durch den Luftdurchgang 111 strömenden Druckluft A eine Verwirbelungskraft vermittelt, wodurch die Druckluft A in den Luftwirbelstrom a umgewandelt wird. Zu diesem Zweck krümmt sich jeder Verwirbelungsflügel 130 allmählich von seiner stromaufwärtigen Seite zu seiner stromabwärtigen Seite (ist entlang der Umfangsrichtung geneigt), so dass er die Druckluft A verwirbeln kann. Details des Krümmungszustands des Verwirbelungsflügels 130 werden später beschrieben. Ein Zwischenraum (Spalt) 121 ist zwischen der außenumfangsseitigen Endfläche (Außenseite) jedes Verwirbelungsflügels 130 und der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs 120 vorgesehen.
Ferner ist eine Abstand-Einstellrippe 131 an einer Vorderkantenseite der außenumfangsseitigen Endfläche (Außenseite) jedes Verwirbelungsflügels 130 befestigt. Jede Abstand-Einstellrippe 131 hat eine Höhe (diametrale Länge) der Art, dass ein enger Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs 120 hergestellt wird, wenn die mit den Verwirbelungsflügeln 130 ausgestattete Brennstoffdüse 110 ins Innere des Brennerrohrs 120 eingebaut ist.
Somit ist die Länge (diametrale Länge) jedes zwischen jedem Verwirbelungsflügel 130 und dem Brennerrohr 120 gebildeten Abstands gleich. Ferner wird es einfach, die mit den Verwirbelungsflügeln 130 ausgestattete Brennstoffdüse 110 im Inneren des Brennerrohrs 120 zu montieren.
Die Beziehung zwischen der Länge des Zwischenraums 121 und der Flügelhöhe des Verwirbelungsflügels 130 wird später beschrieben.
Einspritzlöcher 133b (durch Kreise mit gestrichelten Linien in 1 und 2 angedeutet) sind in der dorsalen Flügelfläche 132b jedes Verwirbelungsflügels 130 ausgebildet, und Einspritzlöcher 133a (durch Kreise mit durchgezogener Linie in 1 und 2 angedeutet) sind in der ventralen Flügeloberfläche 132a jedes Verwirbelungsflügels 130 ausgebildet. In diesem Fall weisen die Positionen zur Bildung der Einspritzlöcher 133b und der Einspritzlöcher 133a eine versetzte Anordnung auf.
Bei Betrachtung der benachbarten Verwirbelungsflügel 130 sind somit die Position des Einspritzlochs 133a, das in der ventralen Flügeloberfläche 132a eines der benachbarten Verwirbelungsflügel 130 ausgebildet ist, und die Position des Einspritzlochs 133b, das in der dorsalen Flügeloberfläche 132b des anderen der benachbarten Verwirbelungsflügel 130 ausgebildet ist, in der Position versetzt.
Brennstoffdurchgänge, die nicht gezeigt sind, sind in der Brennstoffdüse 110 und jedem Verwirbelungsflügel 130 ausgebildet, und den jeweiligen Einspritzlöchern 133a, 133b wird über die Brennstoffdurchgänge der Brennstoffdüse 110 und die Brennstoffdurchgänge jedes Verwirbelungsflügels 130 Brennstoff zugeführt.
Somit wird der Brennstoff durch die jeweiligen Einspritzlöcher 133a, 133b zu dem Luftdurchgang 111 eingespritzt. Hierbei sind die Position der Anordnung des Einspritzlochs 133a und die Position der Anordnung des Einspritzlochs 133b zueinander versetzt, so dass der durch das Einspritzloch 133a eingespritzte Brennstoff und der durch das Einspritzloch 133b eingespritzte Brennstoff einander nicht stören (kollidieren).
Der eingespritzte Brennstoff wird mit der Luft A (a) gemischt, um ein Brennstoffgas zu bilden, das zur Verbrennung ins Innere eines Innenrohrs geleitet wird.
Im folgenden wird der Krümmungszustand des Verwirbelungsflügels 130 unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben.

(1) Jeder Verwirbelungsflügel 130 krümmt sich progressiv von seiner stromaufwärtigen Seite zu seiner stromabwärtigen Seite, so dass er in der Lage ist, die Druckluft A zu verwirbeln.
(2) Was die Axialrichtung (die Longitudinalrichtung der Brennstoffdüse 110) betrifft, so nimmt die Krümmung weiter von der stromaufwärtigen Seite und näher zur stromabwärtigen Seite zu.
(3) An der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 nimmt die Krümmung zu der Außenumfangsseite im Vergleich zu der Innenumfangsseite in bezug auf die Diametralrichtung (die Radialrichtung (die Einspritzrichtung) der Brennstoffdüse 110) zu.

Die oben beschriebene Krümmung an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 bei (3) wird im folgenden unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
In 5 stellen gestrichelte Linien das Flügelprofil (Flügel-Querschnittform) an der Innenumfangsseite (der innersten peripheren Oberfläche) des Verwirbelungsflügels 130 dar, während durchgezogene Linien das Flügelprofil (die Flügelquerschnittsform) an der Außenumfangsseite (der äußersten peripheren Oberfläche) des Verwirbelungsflügels 130 darstellen.
Bei dem Flügelprofil an der Innenumfangsseite, das durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, ist eine Durchschnitts-Krümmungslinie (Skelettlinie) als LH bezeichnet, und eine Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie LH an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels ist mit L12 bezeichnet.
Bei dem Flügelprofil an der Außenumfangsseite, das durch die durchgezogenen Linien angedeutet ist, ist eine Durchschnitts-Krümmungslinie (Skelettlinie) mit L21 bezeichnet, und eine Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie L21 an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels ist mit L22 bezeichnet.
Eine Achslinie entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse 110 ist als L0 bezeichnet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie sie in 5 gezeigt ist, ist an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 ein von der Tangente L12 an der Innenumfangsseite und der Achslinie L0 gebildeter Winkel auf 0 Grad eingestellt, und ein von der Tangente L22 an der Außenumfangsseite und der Achslinie L0 gebildeter Winkel ist größer eingestellt als der Winkel an der Innenumfangsseite.
Gemäß Untersuchungen durch den Erfinder hat sich als ”optimal” herausgestellt, wenn der von der Achslinie und der Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels gebildete Winkel von der Innenumfangsseite zur Außenumfangsseite zunimmt,

(a) den Winkel an der Innenumfangsseite auf 0 bis 10 Grad einzustellen, und
(b) den Winkel an der Außenumfangsseite auf 25 bis 35 Grad einzustellen.

Hierbei bedeutet der Begriff ”optimal”

(i) dass die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a), ob sie nun an der Innenumfangsseite oder an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111 strömt, gleichmäßig ist, und das Auftreten eines Flammenrückschlags (Rückzündung) vermieden werden kann, und
(ii) dass, die Brennstoffkonzentration, ob an der Innenumfangsseite oder an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111 gleichmäßig ist.

Der Grund für (i) wird im folgenden beschrieben.
Es wird davon ausgegangen, dass der von der Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie und der Achslinie an der Innenumfangsseite gebildete Winkel gleich dem an der Außenumfangsseite eingestellt ist. In diesem Fall wird eine Stromlinie (Luftstrom), die von der Innenumfangsseite zur Außenumfangsseite gerichtet ist, erzeugt. Infolgedessen wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a), die an der Innenumfangsseite des Luftdurchgangs 111 vorbeiströmt (entlang der Axialrichtung durchströmt) niedrig, während die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a), die an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111 vorbeiströmt (entlang der Axialrichtung durchströmt) hoch wird. Die Luftströmungsgeschwindigkeit an der Innenumfangsseite wird auf diese Weise gemindert, und es kommt leicht zu einem Flammenrückschlag an der Innenumfangsseite.
Bei der vorliegenden Erfindung jedoch nimmt der von der Tangente an die Durchschnittskrümmungslinie und die Achslinie gebildete Winkel von der Innenumfangsseite zur Außenumfangsseite zu. Damit kann das Auftreten der von der Innenumfangsseite zur Außenumfangsseite gerichteten Strömungslinie vermieden werden. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a) wird gleichmäßig, ob sie nun an der Innenumfangsseite oder der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs (111) strömt, und das Auftreten eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) kann vermieden werden.
Der Grund für obigen Punkt (ii) wird im folgenden beschrieben.
Die Umfangslänge des Luftdurchgangs 111 ist kurz an der Innenumfangsseite und lang an der Außenumfangsseite. Bei der vorliegenden Erfindung nimmt der von der Tangente an die Durchschnittskrümmungslinie und der Achslinie gebildete Winkel von der Innenumfangsseite zu der Außenumfangsseite hin zu. Damit ist die der Druckluft A einen Wirbelstrom vermittelnde Kraft (Effekt) an der Außenumfangsseite mit der größeren Umfangslänge stärker als an der Innenumfangsseite mit der kleineren Umfangslänge. Infolgedessen ist die der Druckluft A eine Verwirbelung vermittelnde Kraft pro Längeneinheit gleichmäßig, und zwar nicht nur an der Innenumfangsseite, sondern auch an der Außenumfangsseite. Damit ist die Brennstoffkonzentration an der Außenumfangsseite ebenso wie an der Innenumfangsseite gleichmäßig.
Der Grund, warum der von der Achslinie und der Tangente an die Durchschnittskrümmungslinie an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels gebildete Winkel

(a) auf 0 bis 10 Grad als Winkel an der Innenumfangsseite, und
(b) auf 25 bis 35 Grad als Winkel an der Außenumfangsseite eingestellt wird, wird mit Bezug auf 6 und 7 erläutert, die charakteristische Ansichten zur Darstellung von Untersuchungsergebnissen sind. Die in 6 und 7 gezeigten ”Winkel” sind von der Achslinie und der Tangente an die Durchschnittskrümmungslinie an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels gebildete Winkel. 6 ist eine charakteristische Ansicht, bei der die Ordinate die Höhe (%) des Verwirbelungsflügels 130 darstellt, und die Abszisse die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a) darstellt. Die Höhe des Verwirbelungsflügels von 100% bedeutet die äußerste periphere Position des Verwirbelungsflügels, und die Höhe des Verwirbelungsflügels von 0% bedeutet die innerste periphere Position des Verwirbelungsflügels.

6 zeigt eine Charakteristik bei einem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 5 Grad, bei einem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 30 Grad, einem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 35 Grad, und einem Winkel an der Innenumfangsseite von 20 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 20 Grad.
7 ist eine charakteristische Ansicht, bei der die Brennstoffkonzentrationsverteilung an der Ordinate aufgetragen ist, und der Winkel an der Außenumfangsseite als Abszisse aufgetragen ist. Die Brennstoffkonzentrationsverteilung bezieht sich auf den Unterschied zwischen der maximalen Brennstoffkonzentration und der minimalen Brennstoffkonzentration, wobei ein kleiner Wert der Brennstoffkonzentrationsverteilung bedeutet, dass die Konzentration konstant ist.
7 zeigt eine Charakteristik bei einem Winkel an der Innenumfangsseite von 20 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 20 Grad, sowie bei einem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite mit variierender Größe.
Wie aus 7 ersichtlich ist, welche die Brennstoffkonzentrationsverteilung zeigt, wird die Brennstoffkonzentration gleichmäßig, wenn der Winkel an der Außenumfangsseite 25 Grad oder mehr beträgt.
Wie außerdem aus 6 ersichtlich ist, wird bei dem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 bis 10 Grad und dem Winkel an der Außenumfangsseite von 25 bis 35 Grad die Verteilung in der Strömungsgeschwindigkeit in der Flügel-Höhenrichtung bei dem Winkel an der Außenumfangsseite von 25 Grad oder mehr vergleichmäßigt.
Wie oben bemerkt wurde, zeigen die Eigenschaften in 6 und 7, dass

(a) durch Einstellen des Winkels an der Innenumfangsseite auf 0 bis 10 Grad, und
(b) durch Einstellen des Winkels an der Außenumfangsseite auf 25 bis 35 Grad,
(i) die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a), ob nun an der Innenumfangsseite oder an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111, gleichmäßig wird und das Auftreten eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) vermieden werden kann, und
(ii) die Brennstoffkonzentration vergleichmäßigt werden kann, ob an der Innenumfangsseite oder an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111.

Bei der vorliegenden Erfindung wird, wie oben bemerkt wurde, der Zwischenraum (Spalt) 121 absichtlich zwischen der außenumfangsseitigen Endfläche (Außenseite) jedes Verwirbelungsflügels 130 und der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs 120 vorgesehen.
Die dorsale Flügeloberfläche 132b des Verwirbelungsflügels 130 steht unter negativem Druck, während die ventrale Flügeloberfläche 132a des Verwirbelungsflügels 130 unter positivem Druck steht, so dass ein Druckunterschied zwischen der dorsalen Flügeloberfläche 132b und der ventralen Flügeloberfläche 132a herrscht. Somit wird eine Leckströmung von Luft erzeugt, welche den Zwischenraum 121 passiert und von der ventralen Flügeloberfläche 132a zu der dorsalen Flügeloberfläche 132b herum verläuft. Diese Leckströmung und die durch den Luftdurchgang 111 in der Axialrichtung strömende Druckluft A wirken dahingehend, einen Luftwirbelstrom zu erzeugen. Dieser Luftwirbelstrom vermischt den durch die Einspritzlöcher 133a, 133b eingespritzten Brennstoff mit der Luft wirksamer, wodurch die Vergleichmäßigung des Brennstoffgases gefördert wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen der Flügelhöhe des Verwirbelungsflügels 130 und der Länge des Zwischenraums 121 (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) auf 1 bis 10% eingestellt. Dadurch kann die Vergleichmäßigung der Konzentrationsverteilung des Brennstoffs ohne eine Erhöhung des Druckverlustes gefördert werden.
Der Grund, warum die Vergleichmäßigung der Konzentrationsverteilung des Brennstoffs ohne eine Erhöhung des Druckverlustes gefördert werden kann, indem das Verhältnis (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) auf 1 bis 10 eingestellt wird, wird mit Bezug auf 8(a), 8(b) beschrieben, welche die Ergebnisse von Versuchen zeigen.
8(a) ist eine charakteristische Ansicht, bei der die Brennstoffkonzentrationsverteilung auf der Ordinate und das Verhältnis (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Brennstoffkonzentrationsverteilung bezieht sich auf den Unterschied zwischen der maximalen Brennstoffkonzentration und der minimalen Brennstoffkonzentration, und ein kleinerer Wert der Brennstoffkonzentrationsverteilung bedeutet, dass die Konzentration konstant ist.
8(b) ist eine charakteristische Ansicht, bei der der Verlust auf der Ordinate aufgetragen ist und das Verhältnis (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) auf der Abszisse aufgetragen ist.
Wie aus 8(a), 8(b) zu ersehen ist, ist bei dem Verhältnis (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) von weniger als 1% die Wirkung der Durchmischung des Brennstoffs und der Luft unzureichend, es ergibt sich ein schmaler Zwischenraum und der Einfluss des Montagefehlers ist groß. Wenn das Verhältnis (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) 10% überschreitet, resultiert hingegen daraus ein schwerwiegender Verlust und es wird schwierig, eine Strömung durch die Ventilkaskade zu steuern.
Schließlich ist es empfehlenswert, dass das Verhältnis (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) 1 bis 10% beträgt, um die Durchmischung des Luftwirbelstroms zu fördern, während die Strömung gesteuert wird, ohne den Druckverlust zu erhöhen, wodurch die Konzentrationsverteilung des Brennstoffs vergleichmäßigt wird.
Idealerweise sollte das Verhältnis (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) 7 bis 10% betragen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist außerdem ein Seitenverhältnis zwischen der Flügel-Bogensehnenlänge (Bogensehnenlänge) c und der Flügelhöhe h des Verwirbelungsflügels 130 (Flügelhöhe h/Flügelbogensehnenlänge c) auf 0,2 bis 0,75 eingestellt (siehe 9(a)).
Bei der vorliegenden Erfindung wirken, wie schon erwähnt wurde, die Luftleckströmung, welche durch den Zwischenraum 121 strömt und von der dorsalen Flügeloberfläche 132b zu der ventralen Flügeloberfläche 132a umläuft, und die in der Axialrichtung strömende Druckluft A so, dass sie den Luftwirbelstrom u erzeugen.
Wenn das Seitenverhältnis h/c auf 0,2 bis 0,75 eingestellt ist, entspricht der Durchmischungsbereich durch den Luftwirbelstrom u 50% oder mehr der Flügelhöhe h, wie in 9(b) gezeigt ist. Infolgedessen erfolgt die Durchmischung des Brennstoffs und der Luft zufriedenstellend.
Ein Seitenverhältnis h/c von etwa 0,5 ist optimal.
Falls das Seitenverhältnis h/c größer als 0,75 ist, entspricht der Mischbereich durch den Luftwirbelstrom u weniger als 50% der Flügelhöhe h, wie in 9(c) gezeigt ist. Infolgedessen sinkt die Wirksamkeit der Durchmischung des Brennstoffs und der Luft. Außerdem ist die Bogensehnenlänge c zu klein, um Raum zur Schaffung der internen Struktur (Brennstoffdurchgänge etc.) der Verwirbelungsflügel 130 zu bieten.
Falls das Seitenverhältnis h/c kleiner als 0,2 ist, wie in 9(d) gezeigt ist, erhöht sich der Luftverlust, und die Wirksamkeit der Durchmischung durch den Luftwirbelstrom u ist gering. Außerdem wird ein Bereich, den die Sekundärströmung (der Luftwirbelstrom u) in dem Hauptstrom einnimmt, so groß, dass eine Steuerung der Strömung schwierig ist.
Um den eingespritzten Brennstoff und die Luft durch den Luftwirbelstrom u zu mischen, wodurch die Vergleichmäßigung des Brennstoffgases gefördert wird und ausreichend Raum für die interne Struktur geschaffen wird, wodurch die Strömung gesteuert wird, ist es ratsam, das Seitenverhältnis h/c auf 0,2 bis 0,75 einzustellen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist außerdem die Flügeldicke des Verwirbelungsflügels 130 auf das 0,1- bis 0,3-fache der Flügelbogensehnenlänge des Verwirbelungsflügels 130 eingestellt. Dadurch kann der Druckverlust gesenkt werden, wobei in dem Flügel breite Brennstoffdurchgänge geschaffen werden.
Falls die Flügeldicke des Verwirbelungsflügels 130 kleiner ist als eine Länge, die das 0,1-fache der Flügelbogensehnenlänge des Verwirbelungsflügels 130 beträgt, können keine geeigneten Brennstoffdurchgänge in dem Verwirbelungsflügel 130 gewährleistet werden. Damit erhöht sich ein Druckverlust für die Brennstoffzufuhr, und die Menge des ausgeblasenen Brennstoffs wird ungleichmäßig.
Wenn hingegen die Flügeldicke des Verwirbelungsflügels 130 größer ist als eine Länge, die das 0,3-fache der Flügelbogensehnenlänge c des Verwirbelungsflügels 130 beträgt, wird die Flügeloberflächen-Grenzschicht des Verwirbelungsflügels 130 dicker und verursacht einen größeren Druckverlust der Luft. Je nach den Bedingungen trennt sich der Luftstrom von der Flügeloberfläche.
Ferner wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Dicke des Flügels an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 kleiner als eine Länge, die das 0,2-fache der Halslänge beträgt.
Wie oben bemerkt wurde, wird die Dicke des Flügels an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 kleiner gemacht als eine Länge, die das 0,2-fache der Halslänge beträgt.
Wie oben bemerkt wurde, wird die Dicke des Flügels an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 verkleinert, was in einer dünnen, flachen Wirbelschleppe resultiert. Folglich kann das Auftreten eines Flammenrückschlags vermieden werden.
Ausführungsform 2
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform 1 ist der Verwirbelungsflügel 130 gemäß 2 so konfiguriert, dass der durch die Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie des Verwirbelungsflügels 130 an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 und die Achslinie, die sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse 100 erstreckt, gebildete Winkel 0 bis 10° an der Innenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 beträgt und 25 bis 35° an der Außenumfangsseite an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130.
In der Ausführungsform 2 wird der Verwirbelungsflügel 130 angewandt, der gemäß 10 so konfiguriert ist, dass der von der Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie des Verwirbelungsflügels 130 an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 und von der sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse 110 erstreckende Achslinie gebildete Winkel für die Innenumfangsseite und die Außenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 gleich gestaltet wird.
Die Verwirbelungsflügel 130, bei denen jeweils der von der Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie des Verwirbelungsflügels 130 an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 und die sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse 110 erstreckende Achslinie gebildete Winkel für die Innenumfangsseite und die Außenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 gleich gestaltet ist, an der Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse 110 vorgesehen, und diese Zusammensetzung wird im Inneren des Brennerrohrs 120 auf die gleiche Weise wie bei 1 montiert. Der resultierende Brenner zur Verbrennung eines Vorgemischs ist die Ausführungsform 2.
Andere Merkmale sind die gleichen wie bei Ausführungsform 1, und es können die gleichen Wirkungen wie bei Ausführungsform 1 erzielt werden.
Das heißt, auch in Ausführungsform 2 ist das Verhältnis zwischen der Flügelhöhe des Verwirbelungsflügels 130 und der Länge des Zwischenraums (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) auf 1–10% eingestellt,
die Abstand-Einstellrippe 131, die einen engen Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs 120 herstellt, ist an einem Abschnitt der außenumfangsseitigen Endfläche des Verwirbelungsflügels 130 vorgesehen,
das Seitenverhältnis zwischen der Flügelbogensehnenlänge und der Flügelhöhe des Verwirbelungsflügels 130 (Flügelhöhe/Flügelbogenlänge) ist auf 0,2 bis 0,75 eingestellt,
die Flügeldicke des Verwirbelungsflügels 130 ist auf einen Betrag eingestellt, der das 0,1- bis 0,3-fache der Flügelbogensehnenlänge des Verwirbelungsflügels 130 beträgt,
die Flügeldicke an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 ist kleiner als das 0,2-fache der Halslänge, und
die Einspritzlöcher 133a und die Einspritzlöcher 133b können an versetzten Positionen im Verwirbelungsflügel 130 ausgebildet sein.
Die Merkmale der Ausführungsform 2 sind die gleichen wie die Merkmale der Ausführungsform 1 mit der Ausnahme, dass der von der Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie des Verwirbelungsflügels 130 an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 und von der sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse 110 erstreckenden Achslinie gebildete Winkel für die Innenumfangsseite und die Außenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 gleich gestaltet wird. Durch diese gleichen Merkmale und Abschnitte wie bei Ausführungsform 1 können die gleichen Wirkungen wie bei Ausführungsform 1 erzielt werden.

Claims

Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs für eine Gasturbine, wobei der Brenner (100) umfasst: eine Brennstoffdüse (110), ein Brennerrohr (120), das so angeordnet ist, dass es die Brennstoffdüse (110) umgibt, um einen Luftdurchgang (111) zwischen dem Brennerrohr (120) und der Brennstoffdüse (110) zu bilden, und Verwirbelungsflügel (130), die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse (110) so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse (110) erstrecken und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite krümmen, um durch den Luftdurchgang (111) von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite strömende Luft (A, a) zu verwirbeln, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen einer Tangente (L12) an einer Durchschnittskrümmungslinie (L11) des Verwirbelungsflügels (130) an einer Hinterkante des Verwirbelungsflügels (130) und einer sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse (110) erstreckenden Achslinie (L0) gebildeter Winkel 0 bis 10 Grad an einer radial innen liegenden Seite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels (130) beträgt, und der entsprechende Winkel an einer radial außen liegenden Seite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels (130) 25 bis 35 Grad beträgt.
Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum (121) zwischen einer außenumfangsseitigen Endfläche des Verwirbelungsflügels (130) und einer Innenumfangsfläche des Brennerrohrs (120) vorgesehen ist, und ein Verhältnis zwischen einer Flügelhöhe (h) des Verwirbelungsflügels (130) und einer Länge des Zwischenraums (121) (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) auf 1 bis 10% eingestellt ist.
Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass um einen Zwischenraum (121) zwischen einer außenumfangsseitigen Endfläche des Verwirbelungsflügels (130) und einer Innenumfangsfläche des Brennerrohrs (110) konstant zu gestalten, eine Abstand-Einstellrippe (131), die einen engen Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs (120) herstellt, an einem Abschnitt der außenumfangsseitigen Endfläche des Verwirbelungsflügels (130) vorgesehen ist.
Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs für eine Gasturbine, wobei der Brenner (100) umfasst: eine Brennstoffdüse (110), ein Brennerrohr (120), das so angeordnet ist, dass es die Brennstoffdüse (110) umgibt, um einen Luftdurchgang (111) zwischen dem Brennerrohr (120) und der Brennstoffdüse (110) zu bilden, und Verwirbelungsflügel (130), die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfanngsfläche der Brennstoffdüse (110) so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse (110) erstrecken und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite krümmen, um durch den Luftdurchgang (111) von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite strömende Luft (A, a) zu verwirbeln, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum (121) zwischen einer außenumfangsseitigen Endfläche des Verwirbelungsflügels (130) und einer Innenumfangsfläche des Brennerrohrs (120) vorgesehen ist, und ein Verhältnis zwischen einer Flügelhöhe (h) des Verwirbelungsflügels (130) und einer Länge des Zwischenraums (121) (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) auf 1 bis 10% eingestellt ist.
Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass um den Zwischenraum (121) zwischen der außenumfangsseitigen Endfläche des Verwirbelungsflügels (130) und der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs (120) konstant zu gestalten, eine Abstand-Einstellrippe (131), die einen engen Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs (120) herstellt, an einem Abschnitt der außenumfangsseitigen Endfläche des Verwirbelungsflügels (130) vorgesehen ist.
Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Seitenverhältnis zwischen einer Flügelbogensehnenänge (c) und der Flügelhöhe (h) des Verwirbelungsflügels (130) (Zwischenraumlänge/Flügelhöhe) auf 0,2 bis 0,75 eingestellt ist.
Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flügeldicke des Verwirbelungsflügels (130) einen Betrag aufweist, der das 0,1- bis 0,3-fache einer Flügelbogensehnenlänge (c) des Verwirbelungsflügels (130) beträgt.
Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügeldicke an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels (130) kleiner als das 0,2-fache einer Halslänge ist.
Brenner (100) zur Verbrennung eines Vorgemischs nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffeinspritzlöcher (133a, 133b) zum Einspritzen eines von der Brennstoffdüse (110) durch Brennstoffdurchgänge zugeführten Brennstoffs in dem Verwirbelungsflügel (132a, 132b) ausgebildet sind, und die Brennstoffeinspritzlöcher (133a, 133b), die in gegenüberliegenden Flügeloberflächen (132a, 132b) der benachbarten Verwirbelungsflügel (130) ausgebildet sind, so positioniert sind, dass Positionen der Brennstoffeinspritzlöcher (133a, 133b), die in einer der Flügeloberflächen (132a, 132b) ausgebildet sind, gegenüber Positionen der Brennstoffeinspritzlöcher (133a, 133b), die in der anderen der Flügeloberflächen (132a, 132b) ausgebildet sind, versetzt sind.