DE112019002077T5

DE112019002077T5 - Brennstoffdüse und brennkammer einer gasturbine, sowie gasturbine

Info

Publication number: DE112019002077T5
Application number: DE112019002077.3T
Authority: DE
Inventors: Tomo Kawakami; Satoshi Takiguchi; Naoki Tsunoda; Mitsuhiro Morishita
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2021-01-14
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: JP7023036B2; CN112204309B; KR102452772B1; JP2019215125A; DE112019002077B4; CN112204309A; WO2019240116A1; US20210079847A1; KR20210002704A

Abstract

Eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine ist eine Brennstoffdüse eines Diffusionsverbrennungstyps für eine Gasturbine, umfassend einen Düsenkörper, eine Vielzahl von Düsenlöchern, die entlang einer Umfangsrichtung des Düsenkörpers angeordnet sind, wobei sich jedes der Vielzahl von Düsenlöchern entlang einer Axialrichtung des Düsenkörpers erstreckt und eine Mittelachse aufweist, die zu einer Mittelachse des Düsenkörpers hin stromabwärts in der Axialrichtung des Düsenkörpers geneigt ist, und eine Vielzahl von Brennstoffzufuhrlöchern, die sich entlang der Axialrichtung des Düsenkörpers erstrecken und mit der Vielzahl von Düsenlöchern verbunden sind, um jeweils als Brennstoffzufuhrwege zum Zuführen eines Brennstoffs zu dienen. Jedes der Vielzahl von Düsenlöchern hat eine Einspritzöffnung zum Einspritzen des Brennstoffs in einen stromabwärtigen Endabschnitt in der Axialrichtung des Düsenkörpers. Wenn jedes der Vielzahl von Düsenlöchern auf eine zur Mittelachse des Düsenlochs orthogonale Projektionsebene an einer Position der Mittelachse des Düsenlochs in der Einspritzöffnung projiziert wird, hat das Düsenloch in der Projektionsebene eine Form, die radial einwärts des Düsenkörpers von einem imaginären Kreis abweicht, der eine Fläche hat, die gleich einer Fläche des Düsenlochs in der Projektionsebene ist, zentriert auf einen Flächenschwerpunkt des Düsenlochs.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffdüse und eine Brennkammer für eine Gasturbine sowie die Gasturbine.
HINTERGRUND
Bei einer Gasturbine, die mit einem Gas wie beispielsweise Kohlevergasungsgas betrieben wird, kann eine Brennstoffdüse eines Diffusionsverbrennungstyps zum diffusiven Mischen des Brennstoffs und von Luft in einer Brennkammer verwendet werden, um diffusiv verbrannt zu werden.
Zum Beispiel offenbart das Patentdokument 1 in einer Gasturbinenbrennkammer, die hauptsächlich mit einem Vergasungsbrennstoff betrieben wird, eine Brennstoffdüse zum Ausstoßen des Brennstoffs in eine Brennkammerauskleidung und zum diffusiven Verbrennen des Brennstoffs zusammen mit Verbrennungsluft.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: JP2010-506131A (Übersetzung einer PCT-Anmeldung)
ZUSAMMENFASSUNG
Technisches Problem
Bei der Brennstoffdüse des Diffusionsverbrennungstyps kann eine Querschnittsfläche eines Düsenlochs wünschenswerter Weise vergrößert sein, um mit einer Zunahme des Brennstoffstroms zurechtzukommen.
Bei einer typischen Brennstoffdüse sind eine Vielzahl von Düsenlöchern, die sich in der Axialrichtung eines Düsenkörpers (Düsenhalters) erstrecken, in dem Düsenkörper ausgebildet, und die Vielzahl von Düsenlöchern sind so angeordnet, dass sie in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers angeordnet sind. Dann hat jedes der Düsenlöcher einen Querschnitt einer echten Kreisform (einen Querschnitt orthogonal zu einer Lochachse) und ist so geneigt, dass es stromabwärts in der Axialrichtung des Düsenlochs näher an der Mittelachse des Düsenkörpers liegt.
Bei einer solchen Brennstoffdüse wird in Betracht gezogen, dass, wenn der Durchmesser (die Größe) des Düsenkörpers vergrößert ist oder wird, auch der Durchmesser jedes der Düsenlöcher entsprechend vergrößert werden kann. Eine Änderung des Durchmessers des Düsenkörpers und der Neigungsrichtung des Düsenlochs verändert jedoch die Verbrennungseigenschaften der Brennkammer, was unerwünscht sein kann.
Um die Verbrennungseigenschaften der Brennkammer nicht zu verändern, wird außerdem, wenn der Durchmesser des Düsenlochs geändert wird, während als Querschnittsform des Düsenlochs die echte Kreisform beibehalten wird, ohne den Durchmesser des Düsenkörpers und die Neigungsrichtung des Düsenlochs zu verändern, ein Abstand zwischen den benachbarten Düsenlöchern verringert. Infolgedessen kann es insbesondere an einem stromabwärtigen Endabschnitt der Brennstoffdüse schwierig sein, eine Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern sicherzustellen.
In dieser Hinsicht offenbart das Patentdokument 1 weder speziell die Form eines Düsenlochs noch eine Konfiguration, die mit der Zunahme des Brennstoffstroms zurechtkommen und gleichzeitig die Verbrennungseigenschaften der Brennkammer beibehalten kann.
In Anbetracht des Vorstehenden besteht eine Aufgabe mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin, eine Brennstoffdüse und eine Brennkammer für eine Gasturbine bereitzustellen, wobei die Gasturbine mit der Zunahme des Brennstoffstroms zurechtkommen kann, während die Verbrennungseigenschaften der Brennkammer beibehalten werden.
Lösung des Problems
(1) Eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffdüse eines Diffusionsverbrennungstyps für eine Gasturbine, aufweisend einen Düsenkörper, eine Vielzahl von Düsenlöchern, die entlang einer Umfangsrichtung des Düsenkörpers angeordnet sind, wobei sich jedes der Vielzahl von Düsenlöchern entlang einer Axialrichtung des Düsenkörpers erstreckt und eine Mittelachse hat, die zu einer Mittelachse des Düsenkörpers hin stromabwärts in der Axialrichtung des Düsenkörpers geneigt ist, und eine Vielzahl von Brennstoffzufuhrlöchern, die sich entlang der Axialrichtung des Düsenkörpers erstrecken und mit der Vielzahl von Düsenlöchern verbunden sind, um jeweils als Brennstoffzufuhrwege zum Zuführen eines Brennstoffs zu dienen. Jedes der Vielzahl von Düsenlöchern hat eine Einspritzöffnung zum Einspritzen des Brennstoffs in einen stromabwärtigen Endabschnitt in der Axialrichtung des Düsenkörpers. Wenn jedes der Vielzahl von Düsenlöchern auf eine Projektionsebene orthogonal zu der Mittelachse des Düsenlochs an einer Position der Mittelachse des Düsenlochs in der Einspritzöffnung projiziert wird, hat das Düsenloch in der Projektionsebene eine Form, die radial einwärts des Düsenkörpers von einem imaginären Kreis abweicht, der eine Fläche hat, die gleich einer Fläche des Düsenlochs in der Projektionsebene ist, zentriert auf einen Flächenschwerpunkt des Düsenlochs.
In der obigen Konfiguration (1) hat das Düsenloch in der oben beschriebenen Projektionsebene die Form, die radial einwärts des Düsenkörpers von dem imaginären Kreis abweicht, dessen Fläche gleich der Fläche des Düsenlochs in der Projektionsebene ist, zentriert auf den Flächenschwerpunkt des Düsenlochs. Das heißt, in dem stromabwärtigen Endabschnitt des Düsenkörpers, in dem die Einspritzöffnung positioniert ist, da das Düsenloch die Form hat, deren Fläche an der radial inneren Seite des Düsenkörpers weiter zunimmt als der imaginäre Kreis und deren Größe in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers kleiner ist als in dem imaginären Kreis, kann die Strömungsdurchgangsfläche des Düsenlochs vergrößert werden, und gleichzeitig eine Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern sichergestellt werden, ohne die Größe des Düsenkörpers und einen Neigungswinkel des Düsenlochs bezüglich der Axialrichtung im Vergleich zu der üblichen Größe und dem üblichen Neigungswinkel wesentlich zu verändern. Somit kann mit einer Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig die Verbrennungseigenschaften in einer Brennkammer beibehalten werden.
(2) Bei einigen Ausführungsformen ist in der obigen Konfiguration (1) auf der Projektionsebene eine erste gerade Linie orthogonal zu einer Radialrichtung des Düsenkörpers, die die Fläche des Düsenlochs in der Radialrichtung des Düsenkörpers halbiert, näher an einem äußeren Ende des Düsenlochs in der Radialrichtung positioniert als ein Mittelpunkt zwischen dem äußeren Ende und einem inneren Ende des Düsenlochs in der Radialrichtung.
Da bei der obigen Konfiguration (2) auf der Projektionsebene die oben beschriebene erste gerade Linie in der Radialrichtung des Düsenkörpers (kann im Folgenden einfach als „Radialrichtung“ bezeichnet werden) näher an dem äußeren Ende des Düsenlochs positioniert ist als der Mittelpunkt zwischen dem äußeren Ende und dem inneren Ende des Düsenlochs in der Radialrichtung, hat ein Abschnitt zwischen der ersten geraden Linie und dem inneren Ende eine Form, die im Vergleich zu einem Abschnitt zwischen der ersten geraden Linie und dem äußeren Ende in der Radialrichtung lang und schmal ist. Daher wird eine Strömungsdurchgangsfläche des Düsenlochs einfach vergrößert und gleichzeitig die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern in dem stromabwärtigen Endabschnitt des Düsenkörpers sichergestellt.
(3) Bei einigen Ausführungsformen in der obigen Konfiguration (1) oder (2) hat in der Projektionsebene jedes der Vielzahl von Düsenlöchern eine Form, die von einem ersten Kreis, einem zweiten Kreis mit einem Zentrum, das an einer radial weiter äußere Seite des Düsenkörpers positioniert ist als ein Zentrum des ersten Kreises, und mit einem größeren Durchmesser als der erste Kreis, und zwei gemeinsamen Tangenten des ersten Kreises und des zweiten Kreises umgeben ist.
Mit der obigen Konfiguration (3) kann die obige Konfiguration (1) umgesetzt werden, da in der oben beschriebenen Projektionsebene das Düsenloch die Form hat, die von dem ersten Kreis umgeben ist, wobei der zweite Kreis ein Zentrum hat, das an der radial weiter äußeren Seite des Düsenkörpers positioniert ist als das Zentrum des ersten Kreises, und einen größeren Durchmesser als der erste Kreis und zwei gemeinsame Tangenten des ersten Kreises und des zweiten Kreises hat. Somit kann, wie bei der obigen Konfiguration (1) beschrieben, die Strömungsdurchgangsfläche des Düsenlochs vergrößert und gleichzeitig die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern sichergestellt werden, ohne dass die Größe des Düsenkörpers und der Neigungswinkel des Düsenlochs bezüglich der Axialrichtung im Vergleich zu der üblichen Größe und dem üblichen Neigungswinkel wesentlich verändert wird. Somit kann mit der Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer beibehalten.
(4) Bei einigen Ausführungsformen, bei der obigen Konfiguration (1) oder (2), hat jedes der Vielzahl von Düsenlöchern eine Kontur, die einen ersten linearen Konturabschnitt und einen zweiten linearen Konturabschnitt umfasst, in einem Querschnitt orthogonal zu der Axialrichtung des Düsenkörpers und in dem Querschnitt, die Vielzahl von Düsenlöchern ein Paar von Düsenlöchern umfasst, die in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers einander benachbart sind, so dass der erste lineare Konturabschnitt eines Düsenlochs von dem Paar von Düsenlöchern und der zweite lineare Konturabschnitt des anderen Düsenlochs von dem Paar von Düsenlöchern in der Umfangsrichtung einander benachbart angeordnet sind.
Da in der obigen Konfiguration (4) die linearen Konturabschnitte des Paares von Düsenlöchern in der Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind, ist im Vergleich zum Beispiel zu einem Fall, bei dem bogenartige Abschnitte in der Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind, ein Umfangsabstand zwischen dem Paar von Düsenlöchern in der Radialrichtung in einem relativ weiten Bereich einfach sichergestellt. Auf diese Weise wird die Strömungsdurchgangsfläche des Düsenlochs einfach vergrößert und gleichzeitig die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern sichergestellt. Auf diese Weise kann mit der Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer beibehalten.
(5) Bei einigen Ausführungsformen sind in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (4) eine Position der Mittelachse jedes der Vielzahl von Düsenlöchern an einem stromaufwärtigen Ende des Düsenlochs und eine Position der Mittelachse an einem stromabwärtigen Ende des Düsenlochs in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers voneinander versetzt.
Da in der obigen Konfiguration (5) das Düsenloch so angeordnet ist, dass die Position der Mittelachse des Düsenlochs zwischen einem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende des Düsenloches versetzt ist, kann eine Wirbelkomponente für den aus der Einspritzöffnung über das Düsenloch ausgestoßenen Brennstoff vorgesehen werden und kann, wie in der obigen Konfiguration (1) beschrieben, die Strömungsdurchgangsfläche des Düsenlochs vergrößert werden, und gleichzeitig die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern sichergestellt werden, ohne dass die Größe des Düsenkörpers und der Neigungswinkel des Düsenlochs bezüglich der Axialrichtung im Vergleich zu der üblichen Größe und dem Neigungswinkel wesentlich verändert wird. Auf diese Weise kann mit der Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer beibehalten, wobei gleichzeitig die Verwirbelungskomponente für den aus der Düse eingespritzten Brennstoff gebildet wird.
(6) Bei einigen Ausführungsformen mit einer der obigen Konfigurationen (1) bis (5) umfasst die Brennstoffdüse ferner einen Durchgang, der an einer radial weiter äußeren Seite des Düsenkörpers als die Vielzahl von Düsenlöchern angeordnet ist und sich in der Axialrichtung des Düsenkörpers erstreckt. Der Durchgang hat eine Luft-Einspritzöffnung zum Einspritzen von Luft in den stromabwärtigen Endabschnitt in der Axialrichtung des Düsenkörpers.
Mit der obigen Konfiguration (6) kann, da der Durchgang mit der Luft-Einspritzöffnung an der radial äußeren Seite der Vielzahl von Düsenlöchern angeordnet ist, die Verbrennung bei diffusiver Mischung des aus der Vielzahl von Düsenlöchern über die Einspritzöffnung ausgestoßenen Brennstoffs und der aus der oben beschriebenen LuftEinspritzöffnung ausgestoßenen Luft in der Brennkammer ausgeführt werden. Auf diese Weise kann bei einer solchen Brennstoffdüse eines Diffusionsverbrennungstyps, wie in der obigen Konfiguration (1) beschrieben, die Strömungsdurchgangsfläche des Düsenlochs vergrößert und gleichzeitig die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern sichergestellt werden, ohne dass die Größe des Düsenkörpers und der Neigungswinkel des Düsenlochs bezüglich der Axialrichtung im Vergleich zu der üblichen Größe und dem üblichen Neigungswinkel wesentlich verändert werden. Auf diese Weise kann mit der Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer beibehalten.
(7) Bei einigen Ausführungsformen sind in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (6) die Brennstoffzufuhrwege konfiguriert, um jeweils einen Gasbrennstoff als Brennstoff zu der Vielzahl von Düsenlöchern zuzuführen.
Da der Gasbrennstoff in der obigen Konfiguration (7) der Brennstoffdüse des Diffusionsverbrennungstyps zugeführt wird, können stabile Verbrennungseigenschaften erhalten werden, im Vergleich zu einem Fall, in dem eine Düse eines Vormischverbrennungstyps verwendet wird, die auf einfache Weise eine Rückzündung oder ähnliches verursacht, wenn ein Gasbrennstoff mit viel Wasserstoff, beispielsweise ein Kohlevergasungsbrennstoff, verwendet wird.
Auf diese Weise kann mit der obigen Konfiguration (7) mit der Zunahme des Brennstoffstroms in der den Gasbrennstoff verwendenden Brennkammer umgegangen werden, indem die Strömungsdurchgangsfläche des Düsenlochs vergrößert wird, und gleichzeitig die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer beibehalten werden.
(8) Bei einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (7) umfasst die Brennstoffdüse ferner eine Flüssigbrennstoffdüse, die sich entlang der Mittelachse des Düsenkörpers erstreckt. Die Vielzahl von Düsenlöchern ist radial außerhalb der Flüssigbrennstoffdüse positioniert.
Mit der obigen Konfiguration (8) kann, da die radial innere Seite der oben beschriebenen Vielzahl von Düsenlöchern positionierte Flüssigbrennstoffdüse vorgesehen ist, eine Vielzahl von Brennstoffarten unter Verwendung der Vielzahl von Düsenlöchern und der Flüssigbrennstoffdüse ausgestoßen werden. Auf diese Weise kann die Gasturbine durch Verwendung der Vielzahl von Brennstoffarten flexibler betrieben werden, und wie in der obigen Konfiguration (1) beschrieben, kann mit der Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer beibehalten.
(9) Eine Brennkammer für eine Gasturbine gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Brennstoffdüse gemäß einer der obigen Konfigurationen (1) bis (8) und ein Verbrennungsrohr, das einen Durchgang für ein Verbrennungsgas bildet, das durch Verbrennung eines aus der Brennstoffdüse eingespritzten Brennstoffs erzeugt wird.
Bei der obigen Konfiguration (9) hat das Düsenloch in der oben beschriebenen Projektionsebene die Form, die radial einwärts des Düsenkörpers von dem imaginären Kreis abweicht, der die Fläche hat, die gleich der Fläche des Düsenlochs in der Projektionsebene ist, zentriert auf den Flächenschwerpunkt des Düsenlochs. Das heißt, in dem stromabwärtigen Endabschnitt des Düsenkörpers, in dem die Einspritzöffnung positioniert ist, da das Düsenloch die Form hat, deren Fläche an der radial inneren Seite des Düsenkörpers weiter zunimmt als der imaginäre Kreis und deren Größe in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers kleiner ist als in dem imaginären Kreis, kann die Strömungsdurchgangsfläche des Düsenlochs vergrößert werden, und gleichzeitig die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern sichergestellt werden, ohne die Größe des Düsenkörpers und den Neigungswinkel des Düsenlochs bezüglich der Axialrichtung im Vergleich zu der üblichen Größe und dem üblichen Neigungswinkel wesentlich zu verändern. Auf diese Weise kann mit der Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer beibehalten.
(10) Eine Gasturbine gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Brennkammer gemäß der obigen Konfiguration (9) und eine Statorschaufel und eine Rotorschaufel, die stromab des Verbrennungsrohrs für die Brennkammer angeordnet sind.
Bei der obigen Konfiguration (10) hat das Düsenloch in der oben beschriebenen Projektionsebene die Form, die radial einwärts des Düsenkörpers von dem imaginären Kreis abweicht, dessen Fläche gleich der Fläche des Düsenlochs in der Projektionsebene ist, zentriert auf den Flächenschwerpunkt des Düsenlochs. Das heißt, in dem stromabwärtigen Endabschnitt des Düsenkörpers, in dem die Einspritzöffnung positioniert ist, da das Düsenloch die Form hat, deren Fläche auf der radial inneren Seite des Düsenkörpers weiter zunimmt als der imaginäre Kreis und deren Größe in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers weiter abnimmt als in dem imaginären Kreis, kann die Strömungsdurchgangsfläche des Düsenlochs vergrößert werden, und gleichzeitig die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern sichergestellt werden, ohne die Größe des Düsenkörpers und den Neigungswinkel des Düsenlochs bezüglich der Axialrichtung im Vergleich zu der üblichen Größe und dem üblichen Neigungswinkel wesentlich zu verändern. Auf diese Weise kann mit der Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer beibehalten.
Vorteilhafte Effekte
Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind eine Brennstoffdüse und eine Brennkammer für eine Gasturbine sowie die Gasturbine vorgesehen, die mit einer Zunahme eines Brennstoffstroms zurechtkommen können, und gleichzeitig die Verbrennungseigenschaften der Brennkammer beibehalten.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung der Konfiguration einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffdüse gemäß einer Ausführungsform.
3A ist eine Seitenansicht eines Düsenhalters der Brennstoffdüse gemäß einer Ausführungsform.
3B ist eine Ansicht des in 3A dargestellten Düsenhalters von stromaufwärts betrachtet.
3C ist eine Ansicht des in 3A dargestellten Düsenhalters von stromabwärts betrachtet.
4A ist eine Seitenansicht des Düsenhalters der Brennstoffdüse gemäß einer Ausführungsform.
4B ist eine Ansicht des in 4A dargestellten Düsenhalters von stromaufwärts betrachtet.
4C ist eine Ansicht des in 4A dargestellten Düsenhalters von stromabwärts betrachtet.
5 ist eine Ansicht, die die Form eines Düsenlochs gemäß einer Ausführungsform auf eine Projektionsebene projiziert zeigt.
6 ist eine Ansicht, die die Form des Düsenlochs gemäß einer Ausführungsform auf die Projektionsebene projiziert zeigt.
7 ist eine Ansicht, die die Form des Düsenlochs gemäß einer Ausführungsform auf die Projektionsebene projiziert zeigt.
8 ist eine Querschnittsansicht orthogonal zu der Axialrichtung eines Düsenkörpers gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass Maße, Materialien, Formen, relative Positionen und dergleichen von Komponenten, die in den Ausführungsformen beschrieben oder in den Zeichnungen gezeigt werden, nur zur Veranschaulichung bestimmt sind und nicht dazu, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu begrenzen, sofern sie nicht besonders gekennzeichnet sind.
Zunächst wird eine Gasturbine, die gemäß einigen Ausführungsformen ein Beispiel für eine Anwendung einer Brennstoffdüse und einer Brennkammer darstellt, unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform.
Wie in 1 dargestellt, umfasst eine Gasturbine 1 einen Verdichter 2 zur Erzeugung verdichteter Luft, Brennkammern 4, jeweils zum Erzeugen eines Verbrennungsgases aus der verdichteten Luft und dem Brennstoff erzeugt, und eine Turbine 6, die konfiguriert ist, um durch das Verbrennungsgas rotierend angetrieben zu werden. Im Falle der Gasturbine 1 zur Stromerzeugung ist ein Generator (nicht abgebildet) über einen Rotor 8 mit der Turbine 6 verbunden.
Der Verdichter 2 umfasst eine Vielzahl von Statorschaufeln 16, die an der Seite eines Verdichtergehäuses 10 befestigt sind, und eine Vielzahl von Rotorschaufeln 18, die an dem Rotor 8 so eingesetzt sind, dass sie abwechselnd bezüglich den Statorschaufeln 16 angeordnet sind. Einlassluft von einem Lufteinlass 12 wird dem Verdichter 2 zugeführt und strömt durch die Vielzahl von Statorschaufeln 16 und die Vielzahl von Rotorschaufeln 18, um verdichtet zu werden und in verdichtete Luft mit hoher Temperatur und hohem Druck gewandelt zu werden.
Den Brennkammern 4 werden Brennstoff und die im Verdichter 2 erzeugte verdichtete Luft zugeführt. Die Brennkammern 4 verbrennen den Brennstoff, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen, das als ein Arbeitsfluid der Turbine 6 dient. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Gasturbine 1 die Vielzahl von Brennkammern 4, die in einem Gehäuse 20 in der Umfangsrichtung zentriert um den Rotor 8 angeordnet sind.
Die Turbine 6 umfasst einen Verbrennungsgasdurchgang 28, der durch ein Turbinengehäuse 22 gebildet wird, und umfasst eine Vielzahl von Statorschaufeln 24 und Rotorschaufeln 26, die im Verbrennungsgasdurchgang 28 angeordnet sind.
Jede der Statorschaufeln 24 ist an der Seite des Turbinengehäuses 22 befestigt. Die Vielzahl von Statorschaufeln 24, die entlang der Umfangsrichtung des Rotors 8 angeordnet sind, bilden Statorschaufelreihen. Außerdem ist jede der Rotorschaufeln 26 an dem Rotor 8 eingesetzt. Die Vielzahl der Rotorschaufeln 26, die entlang der Umfangsrichtung des Rotors 8 angeordnet sind, bilden Rotorschaufelreihen. Die Statorschaufelreihen und die Rotorschaufelreihen sind abwechselnd in der Axialrichtung des Rotors 8 angeordnet.
In der Turbine 6 durchströmt das aus den Brennkammern 4 in den Verbrennungsgasdurchgang 28 einströmende Verbrennungsgas die Vielzahl der Statorschaufeln 24 und die Vielzahl der Rotorschaufeln 26 und treibt dadurch den Rotor 8 rotatorisch an. Infolgedessen wird der mit dem Rotor 8 verbundene Generator angetrieben, um Strom zu erzeugen. Das Verbrennungsgas, das die Turbine 6 angetrieben hat, wird über eine Auslasskammer 30 nach außen ausgetragen.
Jede der Brennkammern 4 umfasst eine Brennstoffdüse 32 zum Einspritzen eines Brennstoffs und ein Verbrennungsrohr 23, das einen Durchgang für das Verbrennungsgas bildet, das durch die Verbrennung des von der Brennstoffdüse 32 eingespritzten Brennstoffs erzeugt wird. Die Statorschaufeln 24 und die Rotorschaufeln 26 für die oben beschriebene Turbine 6 sind stromabwärts von dem Verbrennungsrohr 23 positioniert. Das Verbrennungsgas aus dem Verbrennungsrohr 23 strömt in den Verbrennungsgasdurchgang 28, wo die Statorschaufeln 24 und die Rotorschaufeln 26 angeordnet sind.
Die Brennstoffdüse 32 für die Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Brennstoffdüse 32 gemäß einer Ausführungsform. Jede der 3A bis 4C ist eine Ansicht, die einen Düsenhalter 40 zeigt, der gemäß einer Ausführungsform ein Teil eines Düsenkörpers 41 der Brennstoffdüse 32 ist.
Jede der 3A und 4A ist eine Seitenansicht des Düsenhalters 40 der Brennstoffdüse 32 gemäß einer Ausführungsform. 3B ist eine Ansicht des in 3A gezeigten Düsenhalters 40 von stromaufwärts betrachtet (d.h. von einer in 3A gezeigten C-Richtung). 3C ist eine Ansicht des in 3A gezeigten Düsenhalters 40 von stromabwärts betrachtet (d.h. von einer in 3A gezeigten D-Richtung). Darüber hinaus ist 4B eine Ansicht des in 4A gezeigten Düsenhalters 40 von stromaufwärts betrachtet (d.h. von einer in 4A gezeigten C-Richtung). 4C ist eine Ansicht des in 4A gezeigten Düsenhalters 40 von stromabwärts betrachtet (d.h. von einer in 4A gezeigten D-Richtung).
Die in den 3A bis 3C gezeigte Ausführungsform und die in den 4A bis 4C gezeigte Ausführungsform haben die gleiche Konfiguration, außer dass die Querschnittsform der Düsenlöcher 36 verschieden ist. Auf diese Weise werden in der folgenden Beschreibung gemeinsame Teile dieser Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die 3A bis 3C beschrieben.
Wie in 2 dargestellt, umfasst die Brennstoffdüse 32 gemäß einer Ausführungsform den Düsenkörper 41 und die Vielzahl von Düsenlöchern 36, die im Düsenkörper 41 ausgebildet sind.
Der Düsenkörper 41 umfasst den Düsenhalter 40, der am weitesten stromabwärts in der Axialrichtung des Düsenkörpers 41 (eine Richtung einer Mittelachse O des Düsenkörpers 41 kann im Folgenden einfach als „Axialrichtung“ bezeichnet werden) positioniert ist, und ein Brennstoffdurchgang-Formteil 37 stromaufwärts des Düsenhalters 40 positioniert ist.
Wie in den 2 und 3A bis 3C dargestellt sind im Düsenhalter 40 die Vielzahl von Düsenlöchern 36 ausgebildet, die sich in der Axialrichtung erstrecken. Die Vielzahl von Düsenlöchern 36 sind entlang der Umfangsrichtung des Düsenkörpers 41 angeordnet. Jedes der Düsenlöcher 36 hat eine Einspritzöffnung 38 zum Einspritzen eines Brennstoffs zu einem stromabwärtigen Endabschnitt in der Axialrichtung.
Bei den beispielhaften Ausführungsformen in den 2 und 3A bis 3C hat der Düsenhalter 40 am stromabwärtigen Endabschnitt in der Axialrichtung eine sich verjüngende Oberfläche 43, die sich der Mittelachse O des Düsenkörpers 41 stromabwärts nähert. Jede Einspritzöffnung 38 der Vielzahl von Düsenlöchern 36 ist in der oben beschriebenen sich verjüngenden Oberfläche 43 ausgebildet.
Bei einigen Ausführungsformen wird jedes der Düsenlöcher 36 auf einen Querschnitt des Düsenlochs 36 projiziert, der sich linear in der Richtung einer Mittelachse Q des Düsenlochs 36 und orthogonal zur Mittelachse Q erstreckt, und eine Projektionsebene (z.B. eine in 2 dargestellte Projektionsebene P) orthogonal zur Mittelachse Q hat eine Kontur derselben Form, unabhängig von einer Position in der Richtung der Mittelachse Q. Eine Querschnittsform des Düsenlochs 36 orthogonal zur Richtung der Mittelachse Q unterscheidet sich von einer echten Kreisform, deren Einzelheiten später beschrieben werden sollen. Die Mittelachse Q kann eine gerade Linie sein, die den Flächenschwerpunkt der Querschnittsform des Düsenlochs 36 oder die Form des Düsenlochs 36, das auf die oben beschriebene Projektionsebene projiziert ist, verbindet.
In dem Brennstoffdurchgang-Formteil 37 wird ein Brennstoffzufuhrloch 34 (Brennstoffzufuhrweg) gebildet, das sich entlang der Axialrichtung erstreckt. Ein stromabwärtiges Ende des Brennstoffzufuhrlochs 34 ist mit einem stromaufwärtigen Ende 39 des Düsenlochs 36 verbunden.
Ein Brennstoff wird über eine Brennstoffzufuhrquelle (nicht dargestellt) der Brennstoffzufuhröffnung 34 zugeführt. Der Brennstoff wird von dem Brennstoffzufuhrloch 34 über eine Verbindung zwischen dem Brennstoffzufuhrloch 34 und dem Düsenloch 36 dem Düsenloch 36 zugeführt.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Brennstoffzufuhrlöchern 34 in dem Brennstoffdurchgang-Formteil 37 gebildet werden, und die stromabwärtigen Enden der Vielzahl von Brennstoffzufuhrlöchern 34 können jeweils mit den stromaufwärtigen Enden 39 der Vielzahl von Düsenlöchern 36 verbunden werden. Alternativ kann bei einigen Ausführungsformen ein ringförmiges Brennstoffzufuhrloch 34 in dem Brennstoffdurchgang-Formteil 37 gebildet werden, und das stromabwärtige Ende des ringförmigen Brennstoffzufuhrlochs 34 kann mit den jeweiligen stromaufwärtigen Enden 39 der Vielzahl von Düsenlöchern 36 verbunden werden.
Bei einigen Ausführungsformen wird dem Brennstoffzufuhrloch 34 ein gasförmiger Brennstoff zugeführt. Der gasförmige Brennstoff kann ein Synthesegas sein, das z.B. CO und/oder H₂ enthält und durch die Verarbeitung von Kohle, Biomasse o.ä. in einem Vergasungsofen erhalten wird.
Ein Luftdurchgang-Formteil, das sich in der Axialrichtung des Düsenkörpers 41 erstreckt, ist radial außerhalb des Düsenkörpers 41 angeordnet. Dann ist ein Luftdurchgang 94 (Durchgang), der sich in der Axialrichtung erstreckt, durch die innere Umfangsfläche des Luftdurchgang-Formteils 92 gebildet. Die verdichtete Luft, die vom Verdichter 2 in ein Gehäuse (nicht abgebildet) der Brennkammer 4 einströmt, wird z.B. dem Luftdurchgang 94 zugeführt. Darüber hinaus hat der Durchgang 94 eine LuftEinspritzöffnung 96 zum Einspritzen von Luft in den stromabwärtigen Endabschnitt in der Axialrichtung.
Wie in 2 dargestellt kann der Luftdurchgang 94 zwischen der äußeren Umfangsfläche des Düsenkörpers 41 und der inneren Umfangsfläche des Luftdurchgang-Formteils 92 gebildet werden.
Der Luftdurchgang 94 kann ein ringförmiger Durchgang sein, der radial außerhalb der Vielzahl von Düsenlöchern 36 positioniert ist.
Eine Flüssigbrennstoffdüse 82, die sich entlang der Mittelachse O des Düsenkörpers 41 erstreckt, ist radial innerhalb des Düsenkörpers 41 angeordnet. Das heißt, die Vielzahl von Düsenlöchern 36 ist radial außerhalb der Flüssigbrennstoffdüse 82 positioniert.
In der Flüssigbrennstoffdüse 82 wird ein Brennstoffdurchgang 84 entlang der Axialrichtung gebildet. Der Brennstoffdurchgang 84 umfasst eine Flüssigbrennstoff-Einspritzöffnung 46 zum Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs zum stromabwärtigen Ende in der Axialrichtung. Der Flüssigbrennstoff wird der Flüssigbrennstoffdüse 82 von einer Flüssigbrennstoff-Versorgungsquelle (nicht dargestellt) zugeführt.
Der von der Flüssigbrennstoffdüse 82 eingespritzte Flüssigbrennstoff kann ein Brennstoff zum Starten der Gasturbine 1 sein.
In der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist ein Luftdurchgang 88 radial außerhalb der Flüssigbrennstoffdüse 82 und radial innerhalb des Düsenkörpers 41 angeordnet. Die verdichtete Luft, die vom Verdichter 2 in das Gehäuse (nicht dargestellt) der Brennkammer 4 einströmt, wird z.B. dem Luftdurchgang 88 zugeführt. Die zugeführte Luft wird aus einer LuftEinspritzöffnung 90 eingespritzt, die an einem stromabwärtigen Ende des Luftdurchgangs 88 ausgebildet ist.
Wie in den 2 und 3A dargestellt ist jede Mittelachse Q der Vielzahl von Düsenlöchern 36, die in dem Düsenhalter 40 des Düsenkörpers 41 ausgebildet sind, zu der Mittelachse O des Düsenkörpers 41 zu der Stromabseite in der Axialrichtung des Düsenkörpers 41 hin geneigt.
In 2 ist ein Neigungswinkel der Mittelachse Q des Düsenlochs 36 bezüglich der Mittelachse O des Düsenkörpers 41 durch θ angegeben.
Darüber hinaus sind bei einigen Ausführungsformen, wie in den 2, 3B und 3C dargestellt, bezüglich jedem der Vielzahl von Düsenlöchern 36, eine Position q1 der Mittelachse Q an dem stromaufwärtigen Ende des Düsenlochs 36 und eine Position q2 der Mittelachse Q an dem stromabwärtigen Ende des Düsenlochs 36 in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers 41 voneinander versetzt. Das heißt, jedes der Düsenlöcher 36 ist in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers 41 geneigt. Da der Düsenkörper 41 auf diese Weise in der Umfangsrichtung geneigt ist, wird auf den aus dem Düsenloch 36 eingespritzten Brennstoff eine Drallkomponente aufgebracht. Auf diese Weise kann die Mischung des aus dem Düsenloch 36 eingespritzten Brennstoffs und der aus dem Luftdurchgang 94 eingespritzten Luft und dergleichen gefördert werden.
In jeder der Brennkammern 4, die die Brennstoffdüse 32 mit der obigen Konfiguration umfassen, werden der aus der Brennstoffdüse 32 über die Einspritzöffnungen 38 eingespritzte Brennstoff und die aus dem Luftdurchgang 94 über die Lufteinspritzöffnung 96 eingespritzte Luft und/oder die aus dem Luftdurchgang 88 über die Lufteinspritzöffnung 90 eingespritzte Luft diffus verbrannt, während sie stromabwärts der Brennstoffdüse 32 gemischt werden.
Beim Start der Gasturbine 1 kann die Luft (z.B. die verdichtete Luft, die vom Verdichter 2 in das Gehäuse (nicht abgebildet) der Brennkammer 4 einströmt) dem Brennstoffzufuhrloch 34 zugeführt werden, und die Luft kann von dem Brennstoffzufuhrloch 34 dem Düsenloch 36 zugeführt werden.
Das heißt, beim Start der Gasturbine 1 kann in jeder der Brennkammern 4 die Verbrennung ausgeführt werden, und gleichzeitig die aus dem Düsenloch 36 über die Lufteinspritzöffnung 38 eingespritzte Luft und der aus der Flüssigbrennstoffdüse 82 stromabwärts von der Brennstoffdüse 32 eingespritzte Flüssigbrennstoff gemischt werden.
Im Gegensatz dazu wird während eines Normalbetriebs (beispielsweise während eines Nennbetriebs) der Gasturbine 1 der Brennstoff dem Brennstoffzufuhrloch 34 wie oben beschrieben zugeführt, und die Diffusionsverbrennung kann ausgeführt werden, und gleichzeitig der aus dem Düsenloch 36 eingespritzte Brennstoff und die aus dem Luftdurchgang 94 und/oder dem Luftdurchgang 88 stromabwärts der Brennstoffdüse 32 eingespritzte Luft gemischt werden. Zu diesem Zeitpunkt kann die Einspritzung des Flüssigbrennstoffs von der Flüssigbrennstoffdüse 82 gestoppt werden.
Bei einigen Ausführungsformen, z.B. während des Normalbetriebs der Gasturbine 1, wird nur ein Brennstoff ohne Lufteinschluss von den Düsenlöchern 36 über die entsprechenden Einspritzöffnungen 38 eingespritzt.
Jede der 5 bis 7 ist eine Ansicht, die die Form des Düsenlochs 36 projiziert auf die Projektionsebene P zeigt (siehe 2). Von diesen Zeichnungen zeigen die 5 und 6 jeweils die Form des Düsenlochs 36 gemäß der Ausführungsform in den 3A bis 3C, und 7 zeigt die Form des Düsenlochs 36 gemäß der in den 4A bis 4C gezeigten Ausführungsform. Die oben beschriebene Projektionsebene P ist eine Projektionsebene orthogonal zur Mittelachse Q des Düsenlochs 36 an der Position der Mittelachse Q des Düsenlochs 36 in der Einspritzöffnung 38 des Düsenlochs 36.
Das heißt, die Form des Düsenlochs 36 in der Projektionsebene P stellt die Form des Düsenlochs 36 in dem stromabwärtigen Endabschnitt dar.
In jeder der 5 bis 7 zeigt eine gerade Linie L1 eine gerade Linie in der Radialrichtung des Düsenkörpers 41 an.
Wie in 5 dargestellt hat das Düsenloch 36 gemäß der Ausführungsform, die in den 3A bis 3C gezeigt ist, eine Form, die von einem ersten Kreis 42 mit einem Durchmesser D1, einem zweiten Kreis 44 mit einem Durchmesser D2 und zwei gemeinsamen Tangenten 46A, 46B des ersten Kreises 42 und des zweiten Kreises 44 in der Projektionsebene P umgeben ist. Der zweite Kreis 44 hat ein Zentrum 44a, das an der radial weiter äußeren Seite des Düsenkörpers 41 als ein Zentrum 42a des ersten Kreises 42 positioniert ist. Der Durchmesser D2 des zweiten Kreises 44 ist größer als der Durchmesser D1 des ersten Kreises 42.
In 5 ist eine gerade Linie, die das Zentrum 42a des ersten Kreises 42 und das Zentrum 44a des zweiten Kreises 44 verbindet, die gleiche wie L1 und stimmt mit der Radialrichtung des Düsenkörpers 41 überein. Die gerade Linie, die das Zentrum 42a des ersten Kreises 42 und das Zentrum 44a des zweiten Kreises 44 verbindet, und die Radialrichtung des Düsenkörpers 41 stimmen jedoch nicht unbedingt überein. Beispielsweise darf ein Winkel, der von der obigen geraden Linie und der Radialrichtung des Düsenkörpers 41 gebildet wird, nicht mehr als 30 Grad betragen.
Darüber hinaus hat, wie in 7 dargestellt, bezüglich jedes der Düsenlöcher 36 gemäß der in den 4A bis 4C gezeigten Ausführungsform, die Kontur des Düsenlochs 36 in der Projektionsebene P eine Form ähnlich einem Rechteck, das einen ersten linearen Konturabschnitt 52, einen zweiten linearen Konturabschnitt 54, einen dritten linearen Konturabschnitt 48 und einen vierten linearen Konturabschnitt 50, die alle lineare Abschnitte sind, umfasst. Diese linearen Konturabschnitte 48 bis 54 sind durch die Verbindungen 55A bis 55D verbunden, die jeweils an den Ecken des oben beschriebenen Rechtecks positioniert sind.
In dem oben beschriebenen Rechteck sind der erste lineare Konturabschnitt 52 und der zweite lineare Konturabschnitt 54 so positioniert, dass sie einander zugewandt sind, und der dritte lineare Konturabschnitt 48 und der vierte lineare Konturabschnitt 50 sind so positioniert, dass sie einander zugewandt sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass jeder der linearen Konturabschnitte 48 bis 54 möglicherweise keine vollständige gerade Linie ist und eine gekrümmte Form mit einer relativ geringen Krümmung aufweisen kann.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Kontur des Düsenlochs 36 in der Projektionsebene P eine andere Form haben und beispielsweise als Ganzes eine polygonale Form wie ein Dreieck oder ein Fünfeck aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen, wie z.B. in 5 und 7 gezeigt, hat das Düsenloch 36 in der Projektionsebene P eine Form, die einen Abschnitt 58 (jeweils ein schraffierter Abschnitt in den 5 und 7) umfasst, der radial einwärts des Düsenkörpers 41 von einem imaginären Kreis 56 abweicht, dessen Fläche gleich der Fläche des Düsenlochs 36 in der Projektionsebene P ist, zentriert auf einen Flächenschwerpunkt (Schwerpunkt) R des Düsenlochs 36.
Wenn man die Form des Düsenlochs 36 in dem stromabwärtigen Endabschnitt wie oben beschrieben ausbildet, kann mit einer Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer 4 beibehalten, und zwar aus den folgenden Gründen.
Das heißt, wenn in der Brennstoffdüse die Strömungsdurchgangsfläche bei gleichzeitiger Verringerung einer Änderung der Verbrennungseigenschaften vergrößert werden soll, muss die Strömungsdurchgangsfläche vergrößert werden, ohne die Größe des Düsenhalters (Düsenkörpers), in dem das Düsenloch ausgebildet ist, zu verändern, sowie ohne den Neigungswinkel des Düsenlochs in der Axialrichtung und in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers zu ändern.
Wenn beispielsweise bei der üblichen typischen Brennstoffdüse des Diffusionsverbrennungstyps (d.h. die Brennstoffdüse ist so konfiguriert, dass das Düsenloch einen echten kreisförmigen Querschnitt hat und die Mittelachse des Düsenlochs schräg zur Mittelachse des Düsenkörpers verläuft) die Strömungsdurchgangsfläche (d.h. ein Lochdurchmesser) vergrößert werden soll, ohne die Größe des Düsenkörpers und den Neigungswinkel des Düsenlochs zu ändern, wird der Abstand bzw. das Intervall zwischen den benachbarten Düsenlöchern verringert, was es besonders schwierig machen kann, eine Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern sicherzustellen (siehe einen Abschnitt A1 in 3C) in dem stromabwärtigen Endabschnitt des Düsenhalters. Darüber hinaus kann es im stromaufwärtigen Endabschnitt des Düsenhalters schwierig sein, eine Dicke zwischen dem Düsenloch und dem äußeren Umfangsrand des Düsenhalters sicherzustellen (siehe einen Abschnitt A2 in 3B).
In dieser Hinsicht hat das Düsenloch 36 gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen in der oben beschriebenen Projektionsebene P die Form, die den Abschnitt 58 umfasst, der radial nach innen vom Düsenkörper 41 vom imaginären Kreis 56 abweicht, dessen Fläche gleich der Fläche des Düsenlochs 36 in der Projektionsebene P ist, zentriert auf den Flächenschwerpunkt R des Düsenlochs 36. Das heißt, in dem stromabwärtigen Endabschnitt des Düsenkörpers 41, wo die Einspritzöffnung 38 positioniert ist, da das Düsenloch 36 die Form hat, deren Fläche an der radial inneren Seite des Düsenkörpers 41 weiter zunimmt als der imaginäre Kreis 56 und deren Größe in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers 41 kleiner ist als in dem imaginären Kreis 56, kann die Strömungsdurchgangsfläche jedes der Düsenlöcher 36 vergrößert werden, und gleichzeitig die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern 36 und die Dicke zwischen dem Düsenloch 36 und dem äußeren Umfangsrand des Düsenhalters 40 (Düsenkörpers 41) sichergestellt ist, ohne den Durchmesser (die Größe) des Düsenkörpers 41 und den Neigungswinkel θ (siehe 2) des Düsenlochs 36 bezüglich der Axialrichtung wesentlich zu verändern, verglichen mit dem üblichen Durchmesser und Neigungswinkel. Auf diese Weise kann mit der Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer 4 beibehalten.
Bei einigen Ausführungsformen, wie z.B. in 6 dargestellt, ist eine erste gerade Linie L2 orthogonal zu der Radialrichtung (Richtung der Geraden L1) des Düsenkörpers 41, die eine Fläche (S1+S2) des Düsenlochs 36 halbiert, in der Radialrichtung näher an einem äußeren Ende 62 des Düsenlochs 36 positioniert als ein Mittelpunkt 64 zwischen dem äußeren Ende 62 und einem inneren Ende 60 des Düsenlochs 36 in der Radialrichtung, auf der Projektionsebene P. Das heißt, ein Abstand zwischen dem äußeren Ende 62 und der ersten geraden Linie L2 ist kürzer als ein Abstand zwischen dem inneren Ende 60 und der ersten geraden Linie L2.
Bei einem in 6 gezeigten Beispiel des Düsenlochs 36 sind eine Fläche S1 eines Abschnitts an der radial inneren Seite der ersten geraden Linie L2 und eine Fläche S2 eines Abschnitts an der radial äußeren Seite der ersten geraden Linie L2 zueinander gleich. Darüber hinaus ist in der Projektionsebene P der Flächenschwerpunkt R des Düsenlochs 36 auf der ersten geraden Linie L2 positioniert.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen des Düsenlochs 36 hat, da die erste gerade Linie L2 in der Radialrichtung des Düsenkörpers 41 näher am äußeren Ende 62 des Düsenlochs 36 positioniert ist als der Mittelpunkt 64 zwischen dem äußeren Ende 62 und dem inneren Ende 60 des Düsenlochs 36 in der Radialrichtung, der Abschnitt zwischen der ersten geraden Linie L2 und dem inneren Ende 60 (der Abschnitt der Fläche S1) auf der Projektionsebene P eine Form, die in der Radialrichtung lang und schmal ist, verglichen mit dem Abschnitt zwischen der ersten geraden Linie L2 und dem äußeren Ende 62 (der Abschnitt der Fläche S2). Daher wird die Strömungsdurchgangsfläche jedes der Düsenlöcher 36 einfach vergrößert, und gleichzeitig wird die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern 36 in dem stromabwärtigen Endabschnitt des Düsenkörpers 41 sichergestellt.
8 ist eine Querschnittsansicht orthogonal zu der Axialrichtung des Düsenkörpers 41 gemäß einer Ausführungsform und entspricht dem Querschnitt entlang der Linie B-B von 2. 8 zeigt den Querschnitt des Düsenkörpers 41 mit den Düsenlöchern 36 gemäß der in den 4A bis 4C gezeigten Ausführungsform. 8 zeigt ein Paar von Düsenlöchern 36A, 36B, die in der Umfangsrichtung zueinander benachbart sind. Die Konturen der in 8 gezeigten Düsenlöcher 36A, 36B haben jeweils Formen, die den Rechtecken ähnlich sind, einschließlich erster linearer Konturabschnitte 52A, 52B, zweiter linearer Konturabschnitte 54A, 54B, dritter linearer Konturabschnitte 48A, 48B und vierter linearer Konturabschnitte 50A, 50B, die alle lineare Abschnitte sind. Diese ersten bis vierten linearen Konturabschnitte entsprechen jeweils den ersten bis vierten linearen Konturabschnitten in 7.
Bei einigen Ausführungsformen, zum Beispiel, wie in 8 im oben beschriebenen Querschnitt dargestellt, des Paares von Düsenlöchern 36A, 36B, die in der Umfangsrichtung benachbart zueinander sind, sind der erste lineare Konturabschnitt 52A des einen Düsenlochs 36A und der zweite lineare Konturabschnitt 54B des anderen Düsenlochs 36B in der Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet.
Da in diesem Fall die linearen Konturabschnitte des Paares von Düsenlöchern 36A, 36B z.B. in der Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind, ist im Vergleich zu einem Fall, in dem bogenförmige Abschnitte in der Umfangsrichtung f angeordnet sind, ein Umfangsabstand K (siehe 8) zwischen dem Paar von Düsenlöchern 36A, 36B in einem relativ weiten Bereich in der Radialrichtung einfach sichergestellt. Auf diese Weise wird die Strömungsdurchgangsfläche jedes der Düsenlöcher 36 einfach vergrößert und gleichzeitig eine Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern 36A, 36B sichergestellt. Auf diese Weise kann mit der Zunahme des Brennstoffstroms umgegangen werden, und gleichzeitig werden die Verbrennungseigenschaften in der Brennkammer 4 beibehalten.
In dem oben beschriebenen Querschnitt des Paares von Düsenlöchern 36A, 36B, die in der Umfangsrichtung benachbart sind, können der erste lineare Abschnitt 52A des einen Düsenlochs 36A und der zweite lineare Abschnitt 54B des anderen Düsenlochs 36B einen Winkel (siehe 8) von z.B. nicht mehr als 25 Grad bilden.
In diesem Fall ist es einfach, den Umfangsabstand K (siehe 8) zwischen dem Paar von Düsenlöchern 36A, 36B in dem relativ weiten Bereich in der Radialrichtung zuverlässiger sicherzustellen. Auf diese Weise wird die Strömungsdurchgangsfläche jedes der Düsenlöcher 36 einfacher vergrößert und gleichzeitig die Dicke zwischen den benachbarten Düsenlöchern 36A, 36B sichergestellt.
Bei der in den 4A bis 4C beispielhaft dargestellten Ausführungsform kann das Düsenloch 36 beispielsweise einen linearen Konturabschnitt (der dargestellte dritte lineare Konturabschnitt 48) umfassen, der sich entlang eines inneren Umfangsrands 66 des Düsenhalters 40 (Düsenkörper 41) am stromabwärtigen Ende des Düsenlochs 36 (der Einspritzöffnung 38; oder dem stromabwärtigen Ende des Düsenhalters 40) erstreckt.
Auf diese Weise einschließlich des linearen Konturabschnitts, der sich entlang dem inneren Umfangsrand 66 des Düsenkörpers 41 erstreckt, kann das Düsenloch 36 an der stromabwärtigen Endseite des Düsenlochs 36 in eine Form gebracht werden, bei der die Strömungsdurchgangsfläche radial nach innen wesentlich vergrößert ist. Auf diese Weise kann die Strömungsdurchgangsfläche jedes der Düsenlöcher 36 effektiver vergrößert werden.
Darüber hinaus kann in der beispielhaften Ausführungsform, die in den 4A bis 4C gezeigt ist, z.B. wie in 4B dargestellt ist, das Düsenloch 36 einen linearen Konturabschnitt (der dargestellte vierte lineare Konturabschnitt 50) umfassen, der sich entlang einem äußeren Umfangsrand 68 des Düsenhalters 40 (Düsenkörpers 41) an dem stromaufwärtigen Ende 39 des Düsenlochs 36 (oder dem stromaufwärtigen Ende des Düsenhalters 40) erstreckt.
Auf diese Weise kann das Düsenloch 36 einschließlich des linearen Konturabschnitts, der sich entlang des äußeren Umfangsrands 68 des Düsenkörpers 41 erstreckt, in eine Form gebracht werden, bei der die Strömungsdurchgangsfläche an der stromaufwärtigen Endseite des Düsenlochs 36 radial nach außen wesentlich vergrößert ist. Auf diese Weise kann die Strömungsdurchgangsfläche jedes der Düsenlöcher 36 effektiver vergrößert werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Ausführungsform wurden oben ausführlich beschrieben, aber die vorliegende Ausführungsform ist nicht darauf beschränkt und umfasst auch eine Ausführungsform, die durch Modifikation der oben beschriebenen Ausführungsformen erhalten wird, und eine Ausführungsform, die durch geeignete Kombination dieser Ausführungsformen erhalten wird.
Ferner ist in der vorliegenden Spezifikation ein Ausdruck der relativen oder absoluten Anordnung, wie beispielsweise „in einer Richtung“, „entlang einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ und „koaxial“, nicht so auszulegen, dass er nur die Anordnung in einem engeren Wortsinn angibt, sondern er umfasst auch einen Zustand, in dem die Anordnung relativ um eine Toleranz oder um einen Winkel oder einen Abstand versetzt ist, durch den die gleiche Funktion erreicht werden kann.
Beispielsweise ist ein Ausdruck eines gleichen Zustands wie „entsprechend“ „gleich“ und „gleichförmig“ nicht so auszulegen, dass er nur den Zustand angibt, in dem das Merkmal streng gleich ist, sondern umfasst auch einen Zustand, in dem es eine Toleranz oder einen Unterschied gibt, mit dem die gleiche Funktion noch erreicht werden kann.
Ferner ist ein Ausdruck einer Form wie beispielsweise eine rechteckige Form oder eine zylindrische Form nicht nur als die geometrisch strenge Form auszulegen, sondern umfasst auch eine Form mit Unebenheiten oder abgeschrägten Ecken innerhalb des Bereichs, in dem die gleiche Wirkung erzielt werden kann.
In der hier verwendeten Form sind die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“ oder „haben“ eines konstitutionellen Elements keine ausschließlichen Ausdrücke, die das Vorhandensein anderer konstitutioneller Elemente ausschließt.
Bezugszeichenliste

1: Gasturbine
2: Verdichter
4: Brennkammer
6: Turbine
8: Rotor
10: Verdichtergehäuse
12: Lufteinlass
16: Statorschaufel
18: Rotorschaufel
20: Gehäuse
22: Turbinengehäuse
23: Verbrennungsrohr
24: Statorschaufel
26: Rotorschaufel
28: Verbrennungsgasdurchgang
30: Auslasskammer
32: Brennstoffdüse
34: Brennstoffzufuhrloch
36: Düsenloch
37: Brennstoffdurchgang-Formteil
38: Einspritzöffnung
39: stromaufwärtiges Ende
40: Düsenträger
41: Düsenkörper
42: erster Kreis
42a: Zentrum
43: sich verjüngende Oberfläche
44: zweiter Kreis
44a: Zentrum
46: Flüssigbrennstoff-Einspritzöffnung
46A, 46B: gemeinsame Tangente
48: dritter linearer Konturabschnitt
50: vierter linearer Konturabschnitt
52: erster linearer Konturabschnitt
54: zweiter linearer Konturabschnitt
55A bis 55D: Verbindung
56: imaginärer Kreis
58: Abschnitt
60: inneres Ende
62: äußeres Ende
64: Mittelpunkt
66: innerer umlaufender Rand
68: äußerer umlaufender Rand
82: Flüssigbrennstoffdüse
84: Flüssigbrennstoffdurchgang
88: Durchgang
90: Luft-Einspritzöffnung
92: Luftdurchgang-Formteil
94: Luftdurchgang
96: Luft-Einspritzöffnung
L2: erste gerade Linie
O: Mittelachse
P: Projektionsebene
Q: Mittelachse
R: Flächenschwerpunkt (Schwerpunkt)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010506131 A [0004]

Claims

Eine Brennstoffdüse eines Diffusionsverbrennungstyps für eine Gasturbine, mit: einem Düsenkörper, einer Vielzahl von Düsenlöchern, die entlang einer Umfangsrichtung des Düsenkörpers angeordnet sind, wobei sich jedes der Vielzahl von Düsenlöchern entlang einer Axialrichtung des Düsenkörpers erstreckt und eine Mittelachse hat, die zu einer Mittelachse des Düsenkörpers hin stromabwärts in der Axialrichtung des Düsenkörpers geneigt ist, und einer Vielzahl von Brennstoffzufuhrlöchern, die sich entlang der Axialrichtung des Düsenkörpers erstrecken und mit der Vielzahl von Düsenlöchern verbunden sind, um jeweils als Brennstoffzufuhrwege zum Zuführen eines Brennstoffs zu dienen, wobei jedes der Vielzahl von Düsenlöchern eine Einspritzöffnung zum Einspritzen des Brennstoffs zu einem stromabwärtigen Endabschnitt in der Axialrichtung des Düsenkörpers aufweist, und wobei, wenn jedes der Vielzahl von Düsenlöchern auf eine Projektionsebene orthogonal zu der Mittelachse des Düsenlochs an einer Position der Mittelachse des Düsenlochs in der Einspritzöffnung projiziert wird, das Düsenloch in der Projektionsebene eine Form hat, die radial einwärts des Düsenkörpers von einem imaginären Kreis abweicht, der eine Fläche hat, die gleich einer Fläche des Düsenlochs in der Projektionsebene ist, zentriert auf einen Flächenschwerpunkt des Düsenlochs.
Die Brennstoffdüse für die Gasturbine gemäß Anspruch 1, wobei auf der Projektionsebene eine erste gerade Linie orthogonal zu einer Radialrichtung des Düsenkörpers, die die Fläche des Düsenlochs in der Radialrichtung des Düsenkörpers halbiert, näher an einem äußeren Ende des Düsenlochs in der Radialrichtung positioniert ist als ein Mittelpunkt zwischen dem äußeren Ende und einem inneren Ende des Düsenlochs in der Radialrichtung.
Die Brennstoffdüse für die Gasturbine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei in der Projektionsebene jedes der Vielzahl von Düsenlöchern eine Form hat, die umgeben ist von: einem ersten Kreis, einem zweiten Kreis mit einem Zentrum, das an einer radial weiter äußeren Seite des Düsenkörpers positioniert ist als ein Zentrum des ersten Kreises, und mit einem größeren Durchmesser als der erste Kreis, und zwei gemeinsamen Tangenten des ersten Kreises und des zweiten Kreises.
Die Brennstoffdüse für die Gasturbine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der Vielzahl von Düsenlöchern eine Kontur aufweist, die einen ersten linearen Konturabschnitt und einen zweiten linearen Konturabschnitt in einem Querschnitt orthogonal zu der Axialrichtung des Düsenkörpers aufweist, und wobei die Vielzahl von Düsenlöchern im Querschnitt ein Paar von Düsenlöchern umfassen, die einander in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers benachbart sind, so dass der erste lineare Konturabschnitt eines Düsenlochs von dem Paar von Düsenlöchern und der zweite lineare Konturabschnitt des anderen Düsenlochs von dem Paar von Düsenlöchern in der Umfangsrichtung einander benachbart angeordnet sind.
Die Brennstoffdüse für die Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Position der Mittelachse jedes der Vielzahl von Düsenlöchern an einem stromaufwärtigen Ende des Düsenlochs und eine Position der Mittelachse an einem stromabwärtigen Ende des Düsenlochs in der Umfangsrichtung des Düsenkörpers voneinander versetzt sind.
Die Brennstoffdüse für die Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit einem Durchgang, der an einer radial weiter äußeren Seite des Düsenkörpers als die Vielzahl von Düsenlöchern positioniert ist und sich in der Axialrichtung des Düsenkörpers erstreckt, wobei der Durchgang eine Luft-Einspritzöffnung zum Einspritzen von Luft in den stromabwärtigen Endabschnitt in der Axialrichtung des Düsenkörpers aufweist.
Die Brennstoffdüse für die Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Brennstoffzufuhrwege konfiguriert sind, um jeweils einen Gasbrennstoff als Brennstoff zu der Vielzahl von Düsenlöchern zuzuführen.
Die Brennstoffdüse für die Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit einer Flüssigbrennstoffdüse, die sich entlang der Mittelachse des Düsenkörpers erstreckt, wobei die Vielzahl von Düsenlöchern radial außerhalb der Flüssigbrennstoffdüse positioniert sind.
Eine Brennkammer für eine Gasturbine, mit: der Brennstoffdüse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, und einem Verbrennungsrohr, das einen Durchgang für ein Verbrennungsgas bildet, das durch die Verbrennung eines Brennstoffs erzeugt wird, der aus der Brennstoffdüse eingespritzt wird.
Eine Gasturbine, mit: der Brennkammer gemäß Anspruch 9, und einer Statorschaufel und einer Rotorschaufel, die stromab des Verbrennungsrohrs für die Brennkammer angeordnet sind.