DE112020002519T5

DE112020002519T5 - Verbrenner und gasturbine

Info

Publication number: DE112020002519T5
Application number: DE112020002519.5T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Fukuba; Satoshi Takiguchi; Yuta ISHII
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2022-03-24
Also published as: JP2021004714A; WO2020262515A1; JP7394546B2

Abstract

Eine Gasturbine gemäß einer Ausführungsform beinhaltet: eine Verbrennungsauskleidung; ein Vormischungsrohr, das stromaufwärts der Verbrennungsauskleidung in einer axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung angeordnet ist und einen Schneckendurchgang umfasst, der sich in einer Umfangsrichtung der Verbrennungsauskleidung erstreckt, und einen axialen Durchgang, der sich in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung erstreckt, um den Schneckendurchgang mit einem Inneren der Verbrennungsauskleidung zu verbinden; und eine erste Brennstoffdüse, die stromaufwärts des Schneckendurchgangs in der Umfangsrichtung angeordnet ist und eine Einspritzöffnung zum Einspritzen von Brennstoff in den Schneckendurchgang aufweist. Die Einspritzöffnung ist an einer Position angeordnet, die sich in axialer Richtung mit einem Bereich überlappt, in dem der Schneckendurchgang existiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Verbrenner und eine Gasturbine.
HINTERGRUND
Kleingasturbinen, die auch als Mikrogasturbinen bekannt sind, können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. für die private Stromerzeugung in Geschäften und Krankenhäusern, als Reichweitenverlängerer in Elektrofahrzeugen, als tragbare Stromquellen usw.
In einer solchen Kleingasturbine ist es wünschenswert, eine Vormischkammer stromaufwärts einer Brennkammer vorzusehen, um Luft und Kraftstoff vorzumischen und so die Abgasleistung zu verbessern (siehe z. B. Patentdokument 1).
Zitierliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: JPH10-26351A
ZUSAMMENFASSUNG
Zu lösende Probleme
In der in Patentdokument 1 beschriebenen Gasturbine ist eine Vormischkammer, die sich entlang der axialen Richtung der Brennkammer erstreckt, an der Seite der zylindrischen Brennkammer bereitgestellt, und der Kraftstoff wird von stromabwärts nach stromaufwärts in axialer Richtung der Brennkammer eingespritzt. Mit anderen Worten: In der in Patentschrift 1 beschriebenen Gasturbine sind die Brennkammer und die Vormischkammer in radialer Richtung des Verbrenners angeordnet, wodurch sich die Abmessungen des Verbrenners in radialer Richtung tendenziell vergrößern.
Wenn man beispielsweise die Verwendung einer Gasturbine als Reichweitenverlängerer in einem Elektrofahrzeug oder einer tragbaren Stromquelle in Betracht zieht, ist es wünschenswert, die Gasturbine so klein wie möglich zu halten. Eine Möglichkeit, die Größe der Gasturbine zu verringern, besteht darin, die Größe des Verbrenners zu reduzieren.
In Anbetracht der obigen Ausführungen besteht ein Ziel mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin, die Größe des Verbrenners zu verringern.
Lösung für die Probleme
(1) Ein Verbrenner gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Verbrennungsauskleidung; ein Vormischungsrohr, das stromaufwärts der Verbrennungsauskleidung in einer axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung angeordnet ist und einen Schneckendurchgang aufweist, der sich in einer Umfangsrichtung der Verbrennungsauskleidung erstreckt, und einen axialen Durchgang, der sich in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung erstreckt, um den Schneckendurchgang mit einem Innenraum der Verbrennungsauskleidung zu verbinden; und eine erste Kraftstoffdüse, die stromaufwärts des Schneckendurchgangs in der Umfangsrichtung angeordnet ist und ein Einspritzloch zum Einspritzen von Kraftstoff in den Schneckendurchgang aufweist. Die Einspritzöffnung ist an einer Position angeordnet, die sich in axialer Richtung mit einem Bereich überlappt, in dem der Schneckendurchgang existiert.
Gemäß der obigen Konfiguration (1) müssen das Vormischungsrohr und die erste Kraftstoffdüse nicht auf der Seite der Verbrennungsauskleidung angeordnet werden, wodurch verhindert wird, dass der Verbrenner in der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung größer wird, wodurch die Größe des Verbrenners verringert wird.
(2) In einigen Ausführungsformen ist in der obigen Konfiguration (1) der Schneckendurchgang so geformt, dass ein Bereich eines Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang einer radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung graduell von stromaufwärts in der Umfangsrichtung zu stromabwärts in der Umfangsrichtung abnimmt.
Gemäß der obigen Konfiguration (2) wird selbst dann, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus Kraftstoff und Luft, das im Schneckendurchgang gemischt wird, in die Verbrennungsauskleidung durch den axialen Durchgang strömt und somit die Strömungsrate des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Schneckendurchgang stromabwärts in Umfangsrichtung graduell abnimmt, die Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das durch den Schneckendurchgang in Umfangsrichtung strömt, unterdrückt, da der Bereich des Strömungsdurchgangsquerschnitts des Schneckendurchgangs ebenfalls stromabwärts in Umfangsrichtung graduell abnimmt. Dadurch werden Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit des durch den axialen Durchgang in die Verbrennungsauskleidung strömenden Luft-Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit von der Umfangspositionierung erschwert. Dementsprechend ist es möglich, Unterschiede im Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung in Abhängigkeit von der Umfangsposition zu unterdrücken. Infolgedessen wird der Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung verbessert, was zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz des Verbrenners beiträgt.
(3) In einigen Ausführungsformen ist in der obigen Konfiguration (2) der Schneckendurchgang so geformt, dass sich eine Mittelposition eines Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung stromabwärts bewegt, während sich der Schneckendurchgang von stromaufwärts in der Umfangsrichtung zu stromabwärts in der Umfangsrichtung erstreckt.
In der obigen Konfiguration (3), da die obige Konfiguration (2) enthalten ist, ist der Schneckendurchgang so geformt, dass der Bereich des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung graduell von stromaufwärts in der Umfangsrichtung zu stromabwärts in der Umfangsrichtung abnimmt. Wenn der Schneckendurchgang also nicht so geformt ist, dass sich die Mittelposition des Strömungsdurchgangsquerschnitts in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung stromabwärts bewegt, wenn sich der Schneckendurchgang von stromaufwärts in der Umfangsrichtung nach stromabwärts in der Umfangsrichtung erstreckt, bewegt sich die Position der Verbindung zwischen dem Schneckendurchgang und dem axialen Durchgang in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung stromaufwärts, wenn sie sich von stromaufwärts in der Umfangsrichtung nach stromabwärts in der Umfangsrichtung erstreckt. Wenn die Position der Verbindung in axialer Richtung in Abhängigkeit von der Umfangsposition variiert, variiert die Länge des axialen Durchgangs entlang der axialen Richtung in Abhängigkeit von der Umfangsposition, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des durch den axialen Durchgang strömenden Luft-Kraftstoff-Gemischs in Abhängigkeit von der Umfangsposition variiert, und die Strömungsrate des vom axialen Durchgang zur Verbrennungsauskleidung strömenden Luft-Kraftstoff-Gemischs kann in Abhängigkeit von der Umfangsposition variieren.
In der oben beschriebenen Konfiguration (3) ist der Schneckendurchgang so geformt, dass sich die mittlere Position des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung stromabwärts bewegt, wenn sich der Schneckendurchgang von stromaufwärts in der Umfangsrichtung zu stromabwärts in der Umfangsrichtung erstreckt. Dadurch wird verhindert, dass sich die Position der Verbindung zwischen dem Schneckendurchgang und dem axialen Durchgang in axialer Richtung der Verbrennungsauskleidung stromaufwärts bewegt, wenn sie sich von stromaufwärts in Umfangsrichtung nach stromabwärts in Umfangsrichtung erstreckt. Daher ist es gemäß der obigen Konfiguration (3) schwierig, Unterschiede in der Strömungsrate des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das durch den axialen Durchgang in die Verbrennungsauskleidung strömt, in Abhängigkeit von der Umfangsposition zu haben, und es ist möglich, Unterschiede im Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung in Abhängigkeit von der Umfangsposition zu unterdrücken. Als Ergebnis wird der Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung verbessert, was zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz des Verbrenners beiträgt.
(4) In einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (3) hat das Vormischungsrohr einen tangentialen Durchgang, der mit einem Endabschnitt des Schneckendurchgangs an einer stromaufwärtigen Seite in der Umfangsrichtung verbunden ist und sich in einer tangentialen Richtung einer Schnecke an dem Endabschnitt erstreckt. Die Einspritzöffnung ist stromaufwärts des tangentialen Durchgangs angeordnet.
Gemäß der obigen Konfiguration (4) wird die Strömung begradigt, wenn der Kraftstoff und die Luft durch den tangentialen Durchgang strömen, was das Auftreten von Turbulenzen in der Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Schneckendurchgang erschwert. Als Ergebnis wird die Turbulenz der Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in die Verbrennungsauskleidung durch den axialen Durchgang unterdrückt, und der Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung wird verbessert, was zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz des Verbrenners beiträgt.
(5) In einigen Ausführungsformen ist in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (4) das Einspritzloch in einem Abstand von einem Endabschnitt des Schneckendurchgangs auf einer stromaufwärtigen Seite in der Umfangsrichtung entlang einer tangentialen Richtung einer Schnecke an dem Endabschnitt angeordnet, so dass der Abstand innerhalb des doppelten Durchmessers des Schneckendurchgangs an dem Endabschnitt liegt.
Gemäß der obigen Konfiguration (5) kann die Position der Kraftstoffdüse näher an der radialen Innenseite der Verbrennungsauskleidung positioniert werden, so dass der Verbrenner verkleinert werden kann.
(6) In einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (5) ist der axiale Durchgang in einer ringförmigen Form entlang der Umfangsrichtung geformt. Der Verbrenner umfasst ferner eine Zündkerze, die in einer zentralen Region angeordnet ist, die von einer radial äußeren Seite ringförmig von dem axialen Durchgang umgeben ist, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu zünden, das von dem Vormischungsrohr in die Verbrennungsauskleidung zugeführt wird.
Gemäß der obigen Konfiguration (6) wird, da das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch den ringförmig geformten axialen Durchgang in die Verbrennungsauskleidung strömt, auf der axial stromaufwärtigen Seite der Verbrennungsauskleidung eine zirkulierende Strömung erzeugt, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch stromaufwärts in der axialen Richtung in einer Region radial einwärts des axialen Durchgangs strömt. In der obigen Konfiguration (6) kann die oben beschriebene zirkulierende Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches gezündet werden, da die Zündkerze in der zentralen Region angeordnet ist, die ringförmig von dem axialen Durchgang von der radial äußeren Seite umgeben ist. In der Region, in der die zirkulierende Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches wie oben beschrieben erzeugt wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemisches relativ langsam. Daher wird durch die Zündung der zirkulierenden Strömung wie in der obigen Konfiguration (6) die Zuverlässigkeit der Zündung verbessert.
(7) In einigen Ausführungsformen, in der obigen Konfiguration (6), umfasst der Verbrenner außerdem einen Kühlluftdurchlass, der auf einer Seite der Zündkerze in der zentralen Region angeordnet ist und durch den Kühlluft zur Kühlung der Zündkerze strömt.
Gemäß der obigen Konfiguration (7) ist es möglich, die nachteilige Wirkung der Flammenwärme auf die Zündkerze zu reduzieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Verbrenner in der obigen Konfiguration (6) oder (7) ferner eine zweite Kraftstoffdüse, die in der zentralen Region angeordnet ist, um den Kraftstoff in die Verbrennungsauskleidung zuzuführen.
Gemäß der obigen Konfiguration (8) kann durch Zuführen des Kraftstoffs aus der zweiten Kraftstoffdüse in die Verbrennungsauskleidung zum Zeitpunkt der Zündung durch die Zündkerze die Konzentration des Kraftstoffs in der Nähe der Zündkerze erhöht werden, so dass die Zündbarkeit verbessert wird.
(9) In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (8), umfasst der Verbrenner ferner einen äußeren Zylinderteil, der einer äußeren Umfangsfläche der Verbrennungsauskleidung mit einem Abstand von der äußeren Umfangsfläche zugewandt ist. Der äußere Zylinderteil umfasst eine erste Region, die der äußeren Umfangsfläche mit einem ersten Abstand zugewandt ist, und eine zweite Region, die sich stromabwärts der ersten Region befindet und der äußeren Umfangsfläche mit einem zweiten Abstand zugewandt ist, der kleiner als der erste Abstand ist.
Gemäß der obigen Konfiguration (9) kann die Verbrennungsauskleidung gekühlt werden, indem die Kühlluft in einen Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung und der ersten Region und der zweiten Region des äußeren Zylinderteils strömt. Da der zweite Abstand kleiner als der erste Abstand ist, ist die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung und der zweiten Region strömt, zu diesem Zeitpunkt höher als die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung und der ersten Region strömt. Dementsprechend kann die Region der Verbrennungsauskleidung, die der zweiten Region mit dem zweiten Abstand zugewandt ist, effektiv gekühlt werden.
(10) In einigen Ausführungsformen umfasst der äußere Zylinderteil in der obigen Konfiguration (9) eine dritte Region, die stromabwärts von der zweiten Region angeordnet ist und der äußeren Umfangsfläche mit einem dritten Abstand zugewandt ist, der größer als der zweite Abstand ist. Die Verbrennungsauskleidung weist eine Vielzahl von Öffnungsabschnitten auf, die in einer Region geformt sind, die der dritten Region zugewandt ist.
Gemäß der obigen Konfiguration (10) kann die Kühlluft durch Strömen in einen Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung und dem äußeren Zylinderteil aus dem Abstand in die Verbrennungsauskleidung durch die Öffnungsabschnitte zugeführt werden. So kann die Temperatur innerhalb der Verbrennungsauskleidung in einer Region stromaufwärts der Öffnungsabschnitte in axialer Richtung höher gehalten werden als in einer Region stromabwärts der Öffnungsabschnitte in axialer Richtung. So kann der Verbrennungszustand in der Region stromaufwärts der Öffnungsabschnitte in axialer Richtung stabilisiert werden, während die Temperatur des Verbrennungsgases in der Region stromabwärts der Öffnungsabschnitte in axialer Richtung unterdrückt werden kann.
Die Luft, die durch die Öffnungsabschnitte in die Verbrennungsauskleidung strömt, weist eine Geschwindigkeitskomponente zur stromabwärtigen Seite in axialer Richtung der Verbrennungsauskleidung auf (im Folgenden als axiale Geschwindigkeitskomponente bezeichnet) und eine Geschwindigkeitskomponente zur inneren Seite in radialer Richtung der Verbrennungsauskleidung (im Folgenden als radiale Geschwindigkeitskomponente bezeichnet).
Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die aus dem Abstand zwischen der dritten Region und der Verbrennungsauskleidung durch die Öffnungsabschnitte in die Verbrennungsauskleidung strömt, wird durch den Öffnungsbereich jedes der Öffnungsabschnitte, die Anzahl der Öffnungsabschnitte und die Menge der pro Zeiteinheit in die Verbrennungsauskleidung strömenden Luft bestimmt. Wenn also die Luftmenge konstant ist, erhöht eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der dritten Region und der Verbrennungsauskleidung strömt, d. h. eine Erhöhung der axialen Geschwindigkeitskomponente in dem Abstand, die axiale Geschwindigkeitskomponente der durch die Öffnungsabschnitte in die Verbrennungsauskleidung strömenden Luft, verringert jedoch die radiale Geschwindigkeitskomponente. Umgekehrt verringert ein Verringern der axialen Geschwindigkeitskomponente der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der dritten Region und der Verbrennungsauskleidung strömt, die axiale Geschwindigkeitskomponente der Luft, die durch die Öffnungsabschnitte in die Verbrennungsauskleidung strömt, erhöht aber die radiale Geschwindigkeitskomponente.
In dem Fall, in dem die Turbine stromabwärts der Verbrennungsauskleidung angeordnet ist, ist es wünschenswert, die Temperaturvariation des Verbrennungsgases, das die Turbine erreicht, im Hinblick auf die Verbesserung der Turbineneffizienz zu unterdrücken. Daher ist es wünschenswert, die Durchdringungskraft der durch die Öffnungsabschnitte in die Verbrennungsauskleidung strömenden Luft gegen das in der Verbrennungsauskleidung strömende Verbrennungsgas zu erhöhen, indem die radiale Geschwindigkeitskomponente der durch die Öffnungsabschnitte in die Verbrennungsauskleidung strömenden Luft erhöht wird. Daher ist es wünschenswert, die axiale Geschwindigkeitskomponente der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der dritten Region und der Verbrennungsauskleidung strömt, zu verringern.
Gemäß der obigen Konfiguration (10), da der dritte Abstand größer ist als der zweite Abstand, ist die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung und der dritten Region strömt, geringer als die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung und der zweiten Region strömt. Dementsprechend ist es möglich, die axiale Geschwindigkeitskomponente der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der dritten Region und der Verbrennungsauskleidung strömt, zu verringern und somit die Durchdringungskraft zu erhöhen.
(11) In einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (10) weist die Verbrennungsauskleidung eine Vielzahl von Ausschnittsabschnitten auf, die sich von einem axial stromabwärts gelegenen Endabschnitt der Verbrennungsauskleidung in der axialen Richtung erstrecken und entlang der Umfangsrichtung in Abständen angeordnet sind. Der Verbrenner umfasst ferner ein Halteteil, das den Endabschnitt der Verbrennungsauskleidung von einer radial äußeren oder inneren Seite der Verbrennungsauskleidung drückt, um den Endabschnitt zu halten.
Gemäß der obigen Konfiguration (11) kann der axial stromabwärts gelegene Endabschnitt der Verbrennungsauskleidung durch das Halteteil mit einer einfachen Konfiguration gehalten werden.
(12) In einigen Ausführungsformen umfasst der Verbrenner in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (11) ferner eine Strömungsführung, die stromaufwärts des Schneckendurchgangs in der Umfangsrichtung angeordnet ist, um in den Schneckendurchgang strömende Luft zu begradigen.
Gemäß der obigen Konfiguration (12) unterdrückt die Strömungsführung Unterschiede in der Strömungsrate der durch den Schneckendurchgang strömenden Luft in Abhängigkeit von der Position des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung. Dadurch ist es möglich, Unterschiede im Mischungszustand von Kraftstoff und Luft im Schneckendurchgang in Abhängigkeit von der Position des Strömungsquerschnitts zu unterdrücken.
(13) In einigen Ausführungsformen umfasst der Verbrenner in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (12) ferner ein Gehäuse, in dem das Vormischungsrohr angeordnet ist. Das Gehäuse hat einen Lufteinlassabschnitt zum Zuführen von Luft in das Gehäuse und einen Seitenwandabschnitt, der das Vormischungsrohr von einer radial äußeren Seite der Verbrennungsauskleidung abdeckt und den Lufteinlassabschnitt aufweist. Ein Einlassende des Vormischungsrohrs ist in einer Region innerhalb des Gehäuses auf einer gegenüberliegenden Seite einer Achse der Verbrennungsauskleidung von einer Region angeordnet, in der der Lufteinlassabschnitt positioniert ist.
Gemäß der obigen Konfiguration (13) ist es in der Nähe des Einlassendes des Vormischungsrohres weniger wahrscheinlich, dass es von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die durch den Lufteinlassabschnitt in das Gehäuse strömt, beeinflusst wird, so dass es schwierig ist, Unterschiede in der Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Schneckendurchgang zu haben. Als Ergebnis werden Unterschiede in der Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in die Verbrennungsauskleidung durch den axialen Durchgang unterdrückt, und der Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung wird verbessert, was zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz des Verbrenners beiträgt.
(14) In einigen Ausführungsformen ist in der obigen Konfiguration (13) das Einspritzloch in der Region auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet.
Gemäß der obigen Konfiguration (14) werden der Kraftstoff und die Luft in dem Schneckendurchgang in Kombination mit dem Effekt der Konfiguration (13) effizient gemischt.
(15) In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (14), hat der axiale Durchgang einen zylindrischen Außenwandabschnitt, der an einer radial äußeren Seite der Verbrennungsauskleidung angeordnet ist, und einen zylindrischen Innenwandabschnitt, der an einer radial inneren Seite mit einem Abstand in einer radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung von dem Außenwandabschnitt angeordnet ist. Zumindest der äußere Wandabschnitt des äußeren Wandabschnitts und der innere Wandabschnitt sind so geformt, dass eine Abmessung in der radialen Richtung allmählich zunimmt, wenn sich der äußere Wandabschnitt stromabwärts in der axialen Richtung in einer stromabwärts gelegenen Region des axialen Durchgangs erstreckt.
Gemäß der obigen Konfiguration (15) wird, da das Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Verbrennungsauskleidung durch den axialen Durchgang mit einer Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Außenseite in der radialen Richtung strömt, auf der axial stromaufwärts gelegenen Seite der Verbrennungsauskleidung leicht eine zirkulierende Strömung erzeugt, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch stromaufwärts in der axialen Richtung in einer Region radial einwärts des axialen Durchgangs strömt. In der Region, in der eine solche zirkulierende Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugt wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemischs relativ langsam, so dass der zur Aufrechterhaltung der Flamme geeignete Zustand erreicht werden kann.
(16) Eine Gasturbine gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: den Verbrenner gemäß einer der obigen Konfigurationen (1) bis (15); einen Verdichter zum Erzeugen von Druckluft; und eine Turbine, die so konfiguriert ist, dass sie durch ein Verbrennungsgas aus dem Verbrenner in Drehung versetzt wird.
Gemäß der obigen Konfiguration (16) kann die Gasturbine verkleinert werden, da der Verbrenner gemäß einer der obigen Konfigurationen (1) bis (15) enthalten ist.
Vorteilhafte Effekte
Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Größe der Gasturbine zu verringern.
Figurenliste

1 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm einer Energieerzeugungsvorrichtung mit einer Gasturbine gemäß einigen Ausführungsformen.
2 ist eine schematische Seitenansicht eines Verbrenners gemäß einigen Ausführungsformen.
3 ist ein schematisches Diagramm des Aussehens eines Verbrenners gemäß einigen Ausführungsformen, gesehen von stromaufwärts in axialer Richtung einer Verbrennungsauskleidung.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht aufgenommen entlang der Linie IV-IV in 3.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht aufgenommen entlang der Linie V-V in 2.
6 ist eine schematische vergrößerte Ansicht der Umgebung des Vormischungsrohrs in 4.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines stromaufwärts gelegenen Endabschnitts des Vormischungsrohrs gemäß einigen Ausführungsformen, aufgenommen entlang der axialen Richtung des Vormischungsrohrs.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Beschreibung eines Kühlluftdurchgangs.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass Abmessungen, Materialien, Formen, relative Positionen und dergleichen von Komponenten, die in den Ausführungsformen beschrieben sind, nur als illustrativ zu verstehen sind und nicht dazu dienen, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu begrenzen, sofern sie nicht besonders gekennzeichnet sind.
So ist z. B. ein Ausdruck für eine relative oder absolute Anordnung wie „in einer Richtung“, „entlang einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ und „koaxial“ nicht so auszulegen, dass er nur die Anordnung in einem streng wörtlichen Sinne bezeichnet, sondern auch einen Zustand einschließt, in dem die Anordnung relativ um eine Toleranz oder um einen Winkel oder einen Abstand verschoben ist, wodurch es möglich ist, dieselbe Funktion zu erreichen.
So ist z. B. der Ausdruck „gleich“, „identisch“ und „gleichförmig“ nicht so zu verstehen, dass er nur den Zustand angibt, in dem das Merkmal strikt gleich ist, sondern auch einen Zustand, in dem es eine Toleranz oder einen Unterschied gibt, mit dem dennoch die gleiche Funktion erreicht werden kann.
Darüber hinaus ist z. B. eine Form wie eine rechteckige Form oder eine zylindrische Form nicht nur als die geometrisch strenge Form zu verstehen, sondern schließt auch eine Form mit Unebenheiten oder abgeschrägten Ecken innerhalb des Bereichs ein, in dem dieselbe Wirkung erzielt werden kann.
Andererseits sind Ausdrücke wie „umfassen“, „einschließen“, „aufweisen“, „enthalten“ und „darstellen“ nicht so zu verstehen, dass sie andere Bestandteile ausschließen.
(Gesamtkonfiguration)
1 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm einer Energieerzeugungsvorrichtung umfassend eine Gasturbine gemäß einigen Ausführungsformen. Die in 1 gezeigte Energieerzeugungsvorrichtung 1 wird z.B. als Reichweitenverlängerer in einem Elektrofahrzeug oder als tragbare Stromquelle verwendet. Die in 1 dargestellte Energieerzeugungsvorrichtung 1 umfasst eine Gasturbine 2, einen Generator 7 und einen Wärmetauscher 9. Die Gasturbine 2 umfasst gemäß einigen Ausführungsformen einen Verdichter 3 zur Erzeugung von Druckluft, einen Verbrenner 10 zur Erzeugung von Verbrennungsgas unter Verwendung der Druckluft und des Kraftstoffs sowie eine Turbine 5, die so konfiguriert ist, dass sie durch das Verbrennungsgas in Drehung versetzt wird.
Ein Verdichterrad (nicht dargestellt) des Verdichters 3 gemäß einigen Ausführungsformen ist mit einem Turbinenrad der Turbine 5 über eine Drehwelle 8A verbunden. Der Verdichter 3 wird durch die Rotationsenergie der Turbine 5 in Drehung versetzt, um verdichtete Luft zu erzeugen. Die vom Verdichter 3 erzeugte Druckluft wird über den Wärmetauscher 9, der später beschrieben wird, dem Verbrenner 10 zugeführt. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Teil der vom Verdichter 3 erzeugten Druckluft dem Verbrenner 10 nicht über den Wärmetauscher 9 zugeführt, wie später im Detail beschrieben wird. Bei dem Verdichter 3 gemäß einigen Ausführungsformen kann es sich beispielsweise um einen Zentrifugalverdichter handeln.
Der Verbrenner 10 wird gemäß einigen Ausführungsformen mit Kraftstoff und der vom Verdichter 3 erzeugten und vom Wärmetauscher 9 erwärmten Druckluft versorgt und verbrennt den Kraftstoff, um Verbrennungsgas zu erzeugen, das als Arbeitsmittel der Turbine 5 dient. Das Verbrennungsgas wird der Turbine 5 zu einem späteren Zeitpunkt aus dem Verbrenner 10 zugeführt. Das detaillierte Ausführungsbeispiel des Verbrenners 10 gemäß einigen Ausführungsformen wird später im Detail beschrieben.
Die Turbine 5 gemäß einigen Ausführungsformen kann beispielsweise eine Turbine mit einem Radialturbinenrad oder einem Turbinenrad mit gemischter Strömung (nicht dargestellt) sein. Die Turbine 5 gemäß einigen Ausführungsformen wird durch das von dem Verbrenner 10 erzeugte Verbrennungsgas angetrieben. Das Turbinenrad (nicht dargestellt) der Turbine 5 ist bei einigen Ausführungsformen über eine Drehwelle 8B mit dem Generator 7 verbunden. Mit anderen Worten ist der Generator 7 gemäß einigen Ausführungsformen so konfiguriert, dass er Strom durch Rotationsenergie der Turbine 5 erzeugt.
Das von der Turbine 5 ausgestoßene Verbrennungsgas wird dem Wärmetauscher 9 zugeführt. Der Wärmetauscher 9 ist in einigen Ausführungsformen so konfiguriert, dass er Wärme zwischen dem von der Turbine 5 abgegebenen Verbrennungsgas und der vom Verdichter 3 zugeführten Druckluft austauscht. Mit anderen Worten, in dem Wärmetauscher 9 gemäß einigen Ausführungsformen wird die vom Verdichter 3 zugeführte Druckluft durch das von der Turbine 5 abgegebene Verbrennungsgas erwärmt.
(Verbrenner 10)
2 ist eine schematische Seitenansicht des Verbrenners 10 gemäß einigen Ausführungsformen. 3 ist eine schematische Darstellung des Aussehens des Verbrenners 10 gemäß einigen Ausführungsformen, gesehen von stromaufwärts in axialer Richtung einer Verbrennungsauskleidung 11. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht aufgenommen entlang der Linie IV-IV in 3. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht aufgenommen entlang der Linie V-V in 2. 6 ist eine schematische vergrößerte Ansicht der Umgebung des Vormischungsrohrs 20 in 4.
Der Verbrenner 10 gemäß einigen Ausführungsformen umfasst eine Verbrennungsauskleidung 11 mit einer zylindrischen Form, ein Vormischungsrohr 20, das stromaufwärts der Verbrennungsauskleidung 11 in axialer Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 angeordnet ist, eine erste Kraftstoffdüse 31, eine zweite Kraftstoffdüse 35 und eine Zündkerze 41. Der Verbrenner 10 gemäß einigen Ausführungsformen enthält ein Gehäuse 70, in dem das Vormischungsrohr 20 angeordnet ist, und ein äußeres Zylinderteil 80, das der Außenumfangsfläche der Verbrennungsauskleidung 11 mit einem Abstand von der Außenumfangsfläche gegenüberliegt.
In der folgenden Beschreibung wird die Richtung der Achse AX der Verbrennungsauskleidung 11 als die axiale Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 oder einfach als die axiale Richtung bezeichnet. In der folgenden Beschreibung wird die Umfangsrichtung der Verbrennungsauskleidung 11 auch einfach als Umfangsrichtung bezeichnet. Die radiale Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 wird in der folgenden Beschreibung auch einfach als radiale Richtung bezeichnet. Ferner wird in axialer Richtung stromaufwärts entlang der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases als stromaufwärts in axialer Richtung oder axial stromaufwärts bezeichnet. In ähnlicher Weise wird in axialer Richtung stromabwärts entlang der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases als stromabwärts in axialer Richtung oder axial stromabwärts bezeichnet.
(Verbrennungsauskleidung 11)
Wie oben beschrieben, hat die Verbrennungsauskleidung 11 gemäß einigen Ausführungsformen eine zylindrische Form und ist an beiden Enden in axialer Richtung offen. Die Verbrennungsauskleidung 11 gemäß einigen Ausführungsformen hat einen axial stromabwärtigen Endabschnitt 11a, der von einem Halteteil 90 gehalten wird (siehe 4). Obwohl in der Abbildung nicht dargestellt, ist die Verbrennungsauskleidung 11 gemäß einigen Ausführungsformen beispielsweise an einem externen Zylinderteil 80 in der Nähe eines axial stromaufwärtigen Endabschnitts 11b befestigt. Das äußere Zylinderteil 80 ist ein zylindrisches Element, das der äußeren Umfangsfläche 11c der Verbrennungsauskleidung 11 mit einem Abstand zur äußeren Umfangsfläche 11c gegenüberliegt. Die stromabwärtige Seite der Verbrennungsauskleidung 11 ist mit der Turbine 5 verbunden.
Die verdichtete Luft kann durch einen Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung 11 und dem äußeren Zylinderteil 80 strömen, wie im Folgenden beschrieben wird, aber Einzelheiten werden später erläutert.
(Vormischungsrohr 20)
In einigen Ausführungsformen ist das Vormischungsrohr 20, wie oben beschrieben, in axialer Richtung vor der Verbrennungsauskleidung 11 angeordnet. Das Vormischungsrohr 20 gemäß einigen Ausführungsformen umfasst einen Schneckendurchgang 23, der sich in der Umfangsrichtung der Verbrennungsauskleidung 11 erstreckt, und einen axialen Durchgang 25, der sich in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 erstreckt, um den Schneckendurchgang 23 mit dem Inneren der Verbrennungsauskleidung 11 zu verbinden. Ferner umfasst das Vormischungsrohr 20 gemäß einigen Ausführungsformen einen tangentialen Durchgang 21, der mit einem Endabschnitt 23a des Schneckendurchgangs 23 auf der stromaufwärts gelegenen Seite in Umfangsrichtung verbunden ist und sich in einer tangentialen Richtung einer Schnecke an dem Endabschnitt 23a erstreckt. Die tangentiale Richtung der Schnecke bedeutet eine Richtung einer Tangente an die Achse AXs, die durch die Mittelpunkte Cs der Strömungsdurchgangsquerschnitte des Schneckendurchgangs 23 entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 verläuft. Der Mittelpunkt Cs des Strömungsdurchgangsquerschnitts ist der Schwerpunkt des Strömungsdurchgangsquerschnitts.
In einigen Ausführungsformen, wie auch in 5 gezeigt, befindet sich das Einlassende des Vormischungsrohrs 20, d.h. der Einlassendabschnitt 21a an der stromaufwärtigen Seite des tangentialen Durchgangs 21, in einer Region 70b innerhalb des Gehäuses 70 auf der gegenüberliegenden Seite der Achse AX der Verbrennungsauskleidung 11 von der Region 70a, wo der Lufteinlassabschnitt 71, der später beschrieben wird, positioniert ist.
In einigen Ausführungsformen ist der Schneckendurchgang 23 so geformt, dass der Bereich des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 von stromaufwärts in Umfangsrichtung zu stromabwärts in Umfangsrichtung allmählich abnimmt.
Wie in 6 gut dargestellt, ist der axiale Durchgang 25 in einigen Ausführungsformen ein Strömungsdurchgang, der in einer ringförmigen Form entlang der Umfangsrichtung geformt ist. In einigen Ausführungsformen ist ein axial stromaufwärtiger Endabschnitt 25a des axialen Durchgangs 25 mit einem ringförmigen Öffnungsabschnitt 23b in der axial stromabwärtigen Wand des Schneckendurchgangs 23 verbunden. In einigen Ausführungsformen ist ein axial stromabwärtiger Endabschnitt 25b des axialen Durchgangs 25 ein ringförmiger Öffnungsabschnitt und befindet sich in einer axial stromaufwärtigen Region der Verbrennungsauskleidung 11.
Wie in 6 gut zu sehen ist, hat der axiale Durchgang 25 in einigen Ausführungsformen einen zylindrischen Außenwandabschnitt 26, der an der radial äußeren Seite angeordnet ist, und einen zylindrischen Innenwandabschnitt 27, der an der radial inneren Seite mit einem Abstand in der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 von dem Außenwandabschnitt 26 angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen sind der äußere Wandabschnitt 26 und der innere Wandabschnitt 27 so geformt, dass die Abmessung in radialer Richtung allmählich zunimmt, während sie sich stromabwärts in axialer Richtung in einer stromabwärts gelegenen Region des axialen Durchgangs 25 erstrecken.
Zumindest der äußere Wandabschnitt 26 des äußeren Wandabschnitts 26 und der innere Wandabschnitt 27 können so geformt sein, dass die Abmessung in der radialen Richtung graduell zunimmt, wenn sie sich stromabwärts in der axialen Richtung in einer stromabwärts gelegenen Region des axialen Durchgangs 25 erstrecken.
Wie in 6 gut dargestellt, ist in einigen Ausführungsformen ein konischer Wandabschnitt 28 so geformt, dass sich der Durchmesser stromabwärts in axialer Richtung von dem äußeren Wandabschnitt 26 erweitert. In einigen Ausführungsformen ist der stromabwärtige Endabschnitt des konischen Wandabschnitts 28 von der inneren Umfangsfläche 11d der Verbrennungsauskleidung 11 in radialer Richtung beabstandet.
Wie in 6 gut dargestellt, umfasst das Vormischungsrohr 20 gemäß einigen Ausführungsformen einen inneren zylindrischen Abschnitt 24, der sich in axialer Richtung in einer Region radial innerhalb des Schneckendurchgangs 23 erstreckt. Der innere zylindrische Abschnitt 24 enthält einen Teil der Wandfläche, die den Schneckendurchgang 23 und den inneren Wandabschnitt 27 des axialen Durchgangs 25 bildet. In einigen Ausführungsformen ist die Region innerhalb des inneren zylindrischen Abschnitts 24 die Region, die von dem axialen Durchgang 25 von der radial äußeren Seite her ringförmig umgeben ist. Diese Region wird auch als zentrale Region 24a bezeichnet.
In einigen Ausführungsformen sind die Zündkerze 41, der Kühlluftdurchgang 43 und die zweite Kraftstoffdüse 35 in der zentralen Region 24a angeordnet.
(Zündkerze 41, Kühlluftdurchlass 43 und zweite Kraftstoffdüse 35)
In einigen Ausführungsformen ist die Zündkerze 41 eine in der zentralen Region 24a angeordnete Zündkerze zum Zünden des aus dem Vormischungsrohr 20 in die Verbrennungsauskleidung 11 zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches aus Kraftstoff und Luft. In einigen Ausführungsformen ist die Zündkerze 41 in der zentralen Region 24a am axial stromabwärts gelegenen Endabschnitt des inneren zylindrischen Abschnitts 24, d. h. am axial stromabwärts gelegenen Endabschnitt des inneren Wandabschnitts 27 des axialen Durchgangs 25, angeordnet.
Der Kühlluftdurchlass 43 ist ein Luftdurchlass, der auf der Seite der Zündkerze 41 in der zentralen Region 24a angeordnet ist und durch den Kühlluft zur Kühlung der Zündkerze 41 strömt. Die Einzelheiten des Kühlluftdurchgangs 43 werden später beschrieben.
In einigen Ausführungsformen kann der Verbrenner eine zweite Kraftstoffdüse 35 aufweisen, die in der zentralen Region 24a angeordnet ist, um Kraftstoff in die Verbrennungsauskleidung 11 zuzuführen.
Durch die Zufuhr von Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffdüse 35 in die Verbrennungsauskleidung 11 zum Zeitpunkt der Zündung durch die Zündkerze 41 kann die Konzentration des Kraftstoffs in der Nähe der Zündkerze 41 erhöht werden, so dass die Zündfähigkeit verbessert wird.
Die zweite Kraftstoffdüse 35 ist mit einer Kraftstoffzufuhrleitung 37 verbunden, um der zweiten Kraftstoffdüse 35 Kraftstoff zuzuführen, wie in den 4 und 6 gezeigt.
(Strömungsführung 51)
7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines stromaufwärts gelegenen Endabschnitts des Vormischungsrohrs 20 gemäß einigen Ausführungsformen, aufgenommen entlang der axialen Richtung des Vormischungsrohrs 20.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Verbrenner eine Strömungsführung 51, die stromaufwärts des Schneckendurchgangs in Umfangsrichtung angeordnet ist, um die in den Schneckendurchgang strömende Luft zu begradigen.
In einigen Ausführungsformen ist die Strömungsführung 51 in der Nähe des Einlassendabschnitts 21a auf der stromaufwärts gelegenen Seite des tangentialen Durchgangs 21 angeordnet.
Bei der Strömungsführung 51 handelt es sich beispielsweise um ein kurzes rohrförmiges Element mit einer glockenförmigen Öffnung, deren Radius mit zunehmender Innenumfangsfläche stromaufwärts zunimmt.
Die Strömungsführung 51 unterdrückt Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit der durch den Schneckendurchgang 23 strömenden Druckluft in Abhängigkeit von der Position des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11. Dadurch ist es möglich, Unterschiede im Mischzustand von Kraftstoff und Luft im Schneckendurchgang 23 in Abhängigkeit von der Position des Strömungsquerschnitts zu unterdrücken.
(Erste Kraftstoffdüse 31)
Die erste Kraftstoffdüse 31 gemäß einigen Ausführungsformen ist in Umfangsrichtung vor dem Schneckendurchgang 23 angeordnet. Die erste Kraftstoffdüse 31 gemäß einigen Ausführungsformen hat eine Einspritzöffnung 31a zum Einspritzen von Kraftstoff in den Schneckendurchgang 23. In den 5 bis 7 ist beispielsweise nur eine Einspritzöffnung 31a in der ersten Kraftstoffdüse 31 dargestellt, aber die Anzahl der Einspritzöffnungen 31a kann eine, zwei oder mehr sein.
(Gehäuse 70)
In einigen Ausführungsformen umfasst der Verbrenner ein Gehäuse 70, in dem das Vormischungsrohr 20 angeordnet ist. Das Gehäuse 70 gemäß einigen Ausführungsformen hat einen Lufteinlassabschnitt 71 zum Zuführen der Druckluft vom Verdichter 3 in das Gehäuse 70, einen Seitenwandabschnitt 73, der das Vormischungsrohr 20 von der radial äußeren Seite der Verbrennungsauskleidung 11 abdeckt und den Lufteinlassabschnitt 71 teilweise formt, und ein Paar von Wandabschnitten 75, die das Vormischungsrohr 20 von der axial äußeren Seite der Verbrennungsauskleidung 11 abdecken.
Der axial stromabwärts gelegene Wandabschnitt 75 des Paars von Wandabschnitten 75 weist einen Öffnungsabschnitt 75a auf. In einigen Ausführungsformen ist die Region innerhalb des Gehäuses 70 mit der Region innerhalb der Verbrennungsauskleidung 11 durch den Öffnungsabschnitt 75a verbunden. Ferner ist in einigen Ausführungsformen die Region im Inneren des Gehäuses 70 mit der Region, die von der inneren Umfangsfläche 80a des äußeren Zylinderteils 80 und der äußeren Umfangsfläche 11c der Verbrennungsauskleidung 11 umgeben ist, durch den Öffnungsabschnitt 75a verbunden.
In einigen Ausführungsformen ist der konische Wandabschnitt 28 so angeordnet, dass er in axialer Richtung stromabwärts aus dem Öffnungsabschnitt 75a herausragt.
(Übersicht über die Strömung von Druckluft, Luft-Kraftstoff-Gemisch und Verbrennungsgas)
Die ungefähre Strömung der Druckluft, des Luft-Kraftstoff-Gemischs und des Verbrennungsgases in dem Verbrenner 10 gemäß einigen so konfigurierten Ausführungsformen wird hauptsächlich unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Die vom Verdichter 3 zugeführte und durch den Wärmetauscher 9 erwärmte Druckluft strömt durch den Lufteinlassabschnitt 71 in das Gehäuse 70, wie durch den Pfeil a1 in 4 dargestellt. Die in das Gehäuse 70 eintretende Druckluft strömt zwischen dem Vormischungsrohr 20 und dem Paar von Wandabschnitten 75, hauptsächlich wie durch die Pfeile a2 und a3 dargestellt.
Die zwischen dem Vormischungsrohr 20 und dem axial stromabwärts gelegenen Wandabschnitt 75 des Paares von Wandabschnitten 75 strömende Druckluft teilt sich auf in eine Strömung in der Region, die von der inneren Umfangsfläche 80a des äußeren Zylinderteils 80 und der äußeren Umfangsfläche 11c der Verbrennungsauskleidung 11 umgeben ist, wie durch die Pfeile a4 und a7 dargestellt, eine Strömung in der Region, die von der inneren Umfangsfläche 11d der Verbrennungsauskleidung 11 und der äußeren Umfangsfläche des konischen Wandabschnitts 28 umgeben ist, wie durch die Pfeile a5 und a8 dargestellt, und eine Strömung in Richtung der Einlassseite des Vormischungsrohrs 20, wie durch die Pfeile a6, a9 und a10 dargestellt. Ferner strömt die Druckluft zwischen dem Vormischungsrohr 20 und dem axial stromaufwärts gelegenen Wandabschnitt 75 des Paars von Wandabschnitten 75 zur Einlassseite des Vormischungsrohrs 20, wie durch die Pfeile a2, an und a12 dargestellt.
Wie in 7 gezeigt, strömt die zur Einlassseite des Vormischungsrohrs 20 strömende Druckluft in den tangentialen Durchgang 21 des Vormischungsrohrs 20 vom Einlass 51a auf der stromaufwärtigen Seite der Strömungsführung 51 durch die Strömungsführung 51, wie durch die Pfeile a10 und a12 gezeigt, und strömt auch in den tangentialen Durchgang 21 durch den ringförmigen Spalt zwischen der äußeren Umfangsfläche 51b der Strömungsführung 51 und der inneren Umfangsfläche 21b des tangentialen Durchgangs 21, wie durch die Pfeile a9 und an gezeigt.
Der aus der Einspritzöffnung 31a der ersten Kraftstoffdüse 31 eingespritzte Kraftstoff F und die in das Vormischungsrohr 20 strömende Druckluft werden im Vormischungsrohr 20, hauptsächlich im Schneckendurchgang 23, vorgemischt, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu formen.
Das im Schneckendurchgang 23 strömende Luft-Kraftstoff-Gemisch fließt entlang der inneren Umfangsfläche des konischen Wandteils 28 durch den axialen Durchgang 25 (siehe 6), wie durch den Pfeil g1 in 4 dargestellt. Ein Teil des Luft-Kraftstoff-Gemischs formt einen zirkulierenden Strom, wie durch den Pfeil g5 dargestellt, und der Rest formt einen zirkulierenden Strom, der in die Verbrennungsauskleidung 11 fließt, wie durch den Pfeil g2 dargestellt.
Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch die Zündkerze 41 am axial stromabwärts gelegenen Endabschnitt des inneren zylindrischen Teils 24 gezündet, um das Verbrennungsgas zu erzeugen, das stromabwärts in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 strömt, wie durch den Pfeil g3 dargestellt. Anschließend wird das Verbrennungsgas aus der Verbrennungsauskleidung 11 abgeleitet und tritt in die Turbine 5 ein, wie durch den Pfeil g4 dargestellt.
(Position der Einspritzöffnung 31a)
In dem Verbrenner 10 gemäß einigen Ausführungsformen, wie in 7 gezeigt, ist die Einspritzöffnung 31a an einer Position angeordnet, die sich in axialer Richtung mit einem Bereich A überschneidet, in dem der Schneckendurchgang 23 vorhanden ist.
Infolgedessen müssen das Vormischungsrohr 20 und die erste Kraftstoffdüse 31 nicht auf der Seite der Verbrennungsauskleidung 11 angeordnet werden, wodurch verhindert wird, dass die Gasturbine 2 in radialer Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 größer wird, wodurch die Gasturbine 2 kleiner wird.
Da die erste Kraftstoffdüse 31 an der oben beschriebenen Position angeordnet ist, kann der Kraftstoff leicht in den Schneckendurchgang 23 entlang der tangentialen Richtung der Schnecke eingespritzt werden. Dies erschwert das Anhaften des Kraftstoffs an der den Schneckendurchgang 23 bildenden Wandfläche. Auf diese Weise kann ein Rückschlag (Rückzündung) unterdrückt werden, bei dem die Flamme in der Verbrennungsauskleidung 11 in das Vormischungsrohr 20 zurückschlägt.
Da die erste Kraftstoffdüse 31 an der oben beschriebenen Stelle positioniert ist, kann außerdem die Anzahl der Kraftstoffdüsen reduziert werden. Zum Beispiel kann in einigen der oben beschriebenen Ausführungsformen die Anzahl der Kraftstoffdüsen an der oben beschriebenen Position eine sein.
In dem Verbrenner 10 gemäß einigen Ausführungsformen, wie auch in 5 gezeigt, umfasst das Vormischungsrohr 20 den tangentialen Durchgang 21, der mit dem Endabschnitt 23a des Schneckendurchgangs 23 auf der stromaufwärtigen Seite in der Umfangsrichtung verbunden ist und sich in der tangentialen Richtung der Schnecke an dem Endabschnitt 23a erstreckt. Ferner ist in dem Verbrenner 10 gemäß einigen Ausführungsformen die Einspritzöffnung 31a stromaufwärts des tangentialen Durchgangs 21 angeordnet.
Infolgedessen wird die Strömung begradigt, wenn der Kraftstoff und die Luft durch den tangentialen Durchgang 21 strömen, was das Auftreten von Unterschieden in der Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Schneckendurchgang 23 erschwert. Somit werden Unterschiede im Mischungszustand von Kraftstoff und Luft und in der Strömungsrate des Luft-Kraftstoff-Gemisches in die Verbrennungsauskleidung 11 durch den axialen Durchgang 25 unterdrückt, und der Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung 11 wird verbessert, was zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz der Gasturbine 2 beiträgt.
In dem Verbrenner 10 gemäß einigen Ausführungsformen, wie in 5 gezeigt, ist das Einspritzloch 31a in einem Abstand L von dem Endabschnitt 23a des Schneckendurchgangs 23 auf der stromaufwärtigen Seite in der Umfangsrichtung entlang der tangentialen Richtung der Schnecke an dem Endabschnitt 23a angeordnet, so dass der Abstand L innerhalb des doppelten (2D) Durchmessers D des Schneckendurchgangs an dem Endabschnitt 23a liegt.
Dadurch kann die Position der ersten Kraftstoffdüse 31 näher an der radialen Innenseite der Verbrennungsauskleidung 11 positioniert werden, so dass die Gasturbine 2 verkleinert werden kann.
(Schneckendurchgang 23)
In einigen Ausführungsformen ist der Schneckendurchgang 23, wie oben beschrieben, so geformt, dass der Bereich des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 von stromaufwärts in Umfangsrichtung zu stromabwärts in Umfangsrichtung graduell abnimmt.
In einigen Ausführungsformen ist der axiale Durchgang 25 ein ringförmiger Strömungsdurchgang, der sich über den gesamten Umfang der Verbrennungsauskleidung 11 erstreckt und mit der Verbrennungsauskleidung 11 verbunden ist, so dass das durch den Schneckendurchgang 23 strömende Luft-Kraftstoff-Gemisch graduell abnimmt, wenn sich der Schneckendurchgang 23 stromabwärts in der Umfangsrichtung erstreckt. In einigen Ausführungsformen ist der Schneckendurchgang 23, wie oben beschrieben, so geformt, dass der Bereich des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 von stromaufwärts in Umfangsrichtung zu stromabwärts in Umfangsrichtung graduell abnimmt. Dementsprechend wird, selbst wenn das durch den Schneckendurchgang 23 strömende Luft-Kraftstoff-Gemisch graduell abnimmt, wenn sich der Schneckendurchgang 23 stromabwärts in der Umfangsrichtung erstreckt, die Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des durch den Schneckendurchgang 23 in der Umfangsrichtung strömenden Luft-Kraftstoff-Gemisches unterdrückt. Daher ist es schwierig, Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit des durch den axialen Durchgang 25 in die Verbrennungsauskleidung 11 strömenden Luft-Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit von der Umfangsposition zu haben, und es ist möglich, Unterschiede im Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung 11 in Abhängigkeit von der Umfangsposition zu unterdrücken. Dadurch wird der Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung 11 verbessert, was zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz der Gasturbine 2 beiträgt.
In einigen Ausführungsformen ist der Schneckendurchgang 23 so geformt, dass sich die Position der Mitte Cs des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 stromabwärts in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 bewegt, während sie sich von stromaufwärts in der Umfangsrichtung zu stromabwärts in der Umfangsrichtung erstreckt.
In einigen Ausführungsformen ist der Schneckendurchgang 23, wie oben beschrieben, so geformt, dass der Bereich des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 von stromaufwärts in der Umfangsrichtung zu stromabwärts in der Umfangsrichtung allmählich abnimmt. Wenn also der Schneckendurchgang nicht so geformt ist, dass sich die Position der Mitte Cs des Strömungsdurchgangsquerschnitts in axialer Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 stromabwärts bewegt, während sie sich von stromaufwärts in Umfangsrichtung zu stromabwärts in Umfangsrichtung erstreckt, ist die Position des Verbindungsabschnitts 29 zwischen dem Schneckendurchgang 23 und dem axialen Durchgang 25, d.h., die Position des Verbindungsabschnitts 29 zwischen dem Öffnungsabschnitt 23b des Schneckendurchgangs 23 und dem Endabschnitt 25a des Axialdurchgangs 25, in axialer Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 stromaufwärts positioniert, während sie sich von stromaufwärts in Umfangsrichtung zu stromabwärts in Umfangsrichtung erstreckt. Wenn die Position des Verbindungsabschnitts 29 in Abhängigkeit von der Umfangsposition variiert, variiert die Länge des axialen Durchgangs 25 entlang der axialen Richtung in Abhängigkeit von der Umfangsposition, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das durch den axialen Durchgang 25 strömt, in Abhängigkeit von der Umfangsposition variiert, und die Strömungsrate des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das von dem axialen Durchgang 25 zu der Verbrennungsauskleidung 11 strömt, kann in Abhängigkeit von der Umfangsposition variieren.
In einigen Ausführungsformen ist der Schneckendurchgang 23, wie oben beschrieben, so geformt, dass sich die Position der Mitte Cs des Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 stromabwärts in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 bewegt, während sie sich von stromaufwärts in der Umfangsrichtung zu stromabwärts in der Umfangsrichtung erstreckt. Dadurch wird verhindert, dass sich die Position des Verbindungsabschnitts 29 in axialer Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 stromaufwärts bewegt, wenn sie sich von stromaufwärts in Umfangsrichtung nach stromabwärts in Umfangsrichtung erstreckt. Daher ist es gemäß einigen Ausführungsformen schwierig, Unterschiede in der Strömungsrate des Luft-Kraftstoff-Gemisches, das durch den axialen Durchgang 25 in die Verbrennungsauskleidung 11 strömt, in Abhängigkeit von der Umfangsposition zu haben, und es ist möglich, Unterschiede im Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung 11 in Abhängigkeit von der Umfangsposition zu unterdrücken. Dadurch wird der Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung 11 verbessert, was zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz der Gasturbine 2 beiträgt.
(Anordnung der Zündkerze 41)
In einigen Ausführungsformen ist die Zündkerze 41 in der zentralen Region 24a angeordnet.
In einigen Ausführungsformen wird, da der Strömungsdurchgang von dem axial stromabwärts gelegenen Endabschnitt 25b des ringförmig geformten axialen Durchgangs 25 auf der axial stromaufwärts gelegenen Seite der Verbrennungsauskleidung 11 abrupt vergrößert wird, wie durch den Pfeil g5 in 4 gezeigt, eine zirkulierende Strömung erzeugt, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch stromaufwärts in der axialen Richtung in einer Region radial einwärts des axialen Durchgangs 25 strömt. In einigen Ausführungsformen kann die oben beschriebene zirkulierende Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches gezündet werden, da die Zündkerze 41 in der zentralen Region 24a angeordnet ist, die von dem axialen Durchgang 25 von der radial äußeren Seite ringförmig umgeben ist. In der Region 11r, in der die zirkulierende Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches wie oben beschrieben erzeugt wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemisches relativ langsam. Daher wird durch die Zündung der zirkulierenden Strömung durch die Zündkerze 41, die in der zentralen Region 24a angeordnet ist, die Zuverlässigkeit der Zündung verbessert.
(Kühlluftdurchgang 43)
8 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Beschreibung des Kühlluftdurchgangs 43. Wie in 6 und 8 gezeigt, umfasst der Verbrenner in einigen Ausführungsformen den Kühlluftdurchgang 43, durch den Kühlluft zur Kühlung der Zündkerze 41 strömt.
Der Kühlluftdurchgang 43 ist im Inneren eines Gehäuses 45 geformt, das beispielsweise eine Vielzahl von Öffnungen 45a an der Wandoberfläche aufweist. Das Gehäuse 45 formt den Kühlluftdurchgang 43 so, dass die Kühlluft die Umgebung eines dem Inneren der Verbrennungsauskleidung 11 zugewandten Endabschnitts 41a der Zündkerze 41 kühlt. Das Gehäuse 45 ist mit einem stromabwärts gelegenen Ende einer Kühlluftleitung 47 zur Zufuhr der Kühlluft verbunden.
In einigen Ausführungsformen, wie in 1 dargestellt, ist die Kühlluftleitung 47 so konfiguriert, dass sie die Druckluft vom Verdichter 3 dem Kühlluftdurchgang 43 nicht über den Wärmetauscher 9 zuführt. Sie kann so konfiguriert sein, dass sie die Druckluft, die den Wärmetauscher 9 passiert hat und erwärmt ist, dem Kühlluftdurchgang 43 zuführt.
Wie durch den Pfeil b1 in 8 dargestellt, strömt die Druckluft (Kühlluft) vom Verdichter 3 durch die Kühlluftleitung 47 in den Kühlluftdurchgang 43, wie durch den Pfeil b2 dargestellt. Die Kühlluft strömt dann durch das Innere des Gehäuses 45, d.h. den Kühlluftdurchgang 43, wie durch den Pfeil b3 dargestellt, und kühlt die Zündkerze 41 beim Ausströmen aus dem Gehäuse 45, d.h. beim Einströmen in die Verbrennungsauskleidung 11 durch die Öffnungen 45a, wie durch den Pfeil b4 dargestellt.
Auf diese Weise ist es möglich, die nachteilige Wirkung der Flammenhitze in der Verbrennungsauskleidung 11 auf die Zündkerze 41 zu verringern.
Indem die Zufuhr von Kühlluft zum Kühlluftdurchgang 43 während der Zündung unterbrochen und die Zufuhr von Kühlluft zum Kühlluftdurchgang 43 nach der Zündung wieder aufgenommen wird, ist es möglich, die nachteiligen Auswirkungen der Flammenhitze auf die Zündkerze 41 zu verringern und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Zündung zu erhalten.
(Strömung der Druckluft zwischen Verbrennungsauskleidung 11 und äußerem Zylinderteil 80)
Wie oben beschrieben, kann in einigen Ausführungsformen die über das Gehäuse 70 zugeführte Druckluft in einen Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche 11c der Verbrennungsauskleidung 11 und der inneren Umfangsfläche 80a des äußeren Zylinderteils 80 strömen, wie durch die Pfeile a4 und a7 in 4 dargestellt.
Da die Druckluft stromabwärts in axialer Richtung zwischen der äußeren Umfangsfläche 11c der Verbrennungsauskleidung 11 und der inneren Umfangsfläche 80a des äußeren Zylinderteils 80 strömt, kühlt die Druckluft die Verbrennungsauskleidung 11.
In einigen Ausführungsformen umfasst der äußere Zylinderteil 80 eine erste Region 81, die der Außenumfangsfläche 11c der Verbrennungsauskleidung 11 zugewandt ist und einen ersten Abstand Δd1 aufweist, und eine zweite Region 82, die stromabwärts der ersten Region 81 angeordnet ist und der Außenumfangsfläche 11c der Verbrennungsauskleidung 11 zugewandt ist und einen zweiten Abstand Δd2 aufweist, der kleiner als der erste Abstand Δd1 ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungsauskleidung 11 gekühlt werden, indem die Druckluft (Kühlluft) in einen Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung 11 und der ersten Region 81 und der zweiten Region 82 des äußeren Zylinderteils 80 geleitet wird. Da der zweite Abstand Δd2 kleiner als der erste Abstand Δd1 ist, ist zu diesem Zeitpunkt die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung 11 und der zweiten Region 82 fließt, höher als die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung 11 und der ersten Region 81 fließt. Dementsprechend kann die Region der Verbrennungsauskleidung 11, die der zweiten Region 82 mit dem zweiten Abstand Δd2 gegenüberliegt, effektiv gekühlt werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das äußere Zylinderteil 80 eine dritte Region 83, die stromabwärts von der zweiten Region 82 angeordnet ist und der äußeren Umfangsfläche 11c der Verbrennungsauskleidung 11 zugewandt ist und einen dritten Abstand Δd3 aufweist, der größer als der zweite Abstand Δd2 ist.
Ferner weist die Verbrennungsauskleidung 11 in einigen Ausführungsformen eine Vielzahl von Öffnungsabschnitten 13 auf, die in einer der dritten Region 83 zugewandten Region geformt sind.
Dementsprechend kann in einigen Ausführungsformen durch Strömen der Druckluft (Kühlluft) in einem Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung 11 und dem äußeren Zylinderteil 80 die Luft aus dem Abstand in die Verbrennungsauskleidung 11 durch die Öffnungsabschnitte 13 zugeführt werden. Auf diese Weise kann die Temperatur innerhalb der Verbrennungsauskleidung 11 in einer Region stromaufwärts der Öffnungsabschnitte 13 in axialer Richtung höher gehalten werden als in einer Region stromabwärts der Öffnungsabschnitte 13 in axialer Richtung. So kann der Verbrennungszustand in der Region stromaufwärts der Öffnungsabschnitte 13 in axialer Richtung stabilisiert werden, während die Temperatur des Verbrennungsgases in der Region stromabwärts der Öffnungsabschnitte 13 in axialer Richtung unterdrückt werden kann.
Die durch die Öffnungsabschnitte 13 in die Verbrennungsauskleidung 11 einströmende Luft hat eine Geschwindigkeitskomponente zur stromabwärtigen Seite in axialer Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 (im Folgenden als axiale Geschwindigkeitskomponente Vax bezeichnet) und eine Geschwindigkeitskomponente zur Innenseite in radialer Richtung der Verbrennungsauskleidung 11 (im Folgenden als radiale Geschwindigkeitskomponente Vd bezeichnet) (siehe 4).
Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die aus dem Abstand zwischen der dritten Region 83 und der Verbrennungsauskleidung 11 durch die Öffnungsabschnitte 13 in die Verbrennungsauskleidung 11 strömt, wird durch den Öffnungsbereich jedes der Öffnungsabschnitte 13, die Anzahl der Öffnungsabschnitte 13 und die pro Zeiteinheit in die Verbrennungsauskleidung 11 strömende Luftmenge bestimmt. Wenn also die Luftmenge konstant ist, erhöht eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der dritten Region 83 und der Verbrennungsauskleidung 11 strömt, d. h. eine Erhöhung der axialen Geschwindigkeitskomponente in dem Abstand, die axiale Geschwindigkeitskomponente Vax der Luft, die durch die Öffnungsabschnitte 13 in die Verbrennungsauskleidung 11 strömt, verringert jedoch die radiale Geschwindigkeitskomponente Vd.
Umgekehrt verringert eine Verringerung der axialen Geschwindigkeitskomponente der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der dritten Region 83 und der Verbrennungsauskleidung 11 strömt, die axiale Geschwindigkeitskomponente Vax der durch die Öffnungsabschnitte 13 in die Verbrennungsauskleidung 11 strömenden Luft, erhöht aber die radiale Geschwindigkeitskomponente Vd.
In dem Fall, in dem die Turbine 5 stromabwärts der Verbrennungsauskleidung 11 angeordnet ist, ist es wünschenswert, die Temperaturschwankungen des Verbrennungsgases, das die Turbine 5 erreicht, zu unterdrücken, um die Turbineneffizienz zu verbessern und Schäden zu vermeiden. Daher ist es wünschenswert, die Durchdringungskraft der durch die Öffnungsabschnitte 13 in die Verbrennungsauskleidung 11 strömenden Luft gegen das in der Verbrennungsauskleidung 11 strömende Verbrennungsgas zu erhöhen, indem die radiale Geschwindigkeitskomponente Vd der durch die Öffnungsabschnitte 13 in die Verbrennungsauskleidung 11 strömenden Luft erhöht wird. Daher ist es wünschenswert, die axiale Geschwindigkeitskomponente der Kühlluft zu verringern, die in dem Abstand zwischen der dritten Region 83 und der Verbrennungsauskleidung 11 strömt.
In einigen Ausführungsformen ist die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung 11 und der dritten Region 83 strömt, geringer als die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der Verbrennungsauskleidung 11 und der zweiten Region 82 strömt, da der dritte Abstand Δd3 größer als der zweite Abstand Δd2 ist. Dementsprechend ist es möglich, die axiale Geschwindigkeitskomponente der Kühlluft, die in dem Abstand zwischen der dritten Region 83 und der Verbrennungsauskleidung 11 strömt, zu verringern und damit die Durchdringungskraft zu erhöhen.
(Ausschnittabschnitt an der axial stromabwärts gelegenen Seite der Verbrennungsauskleidung 11)
In dem Verbrenner 10 gemäß einigen Ausführungsformen, wie in 4 gezeigt, weist die Verbrennungsauskleidung 11 eine Vielzahl von Ausschnittabschnitten 15 auf, die sich von dem axial stromabwärts gelegenen Endabschnitt 11a der Verbrennungsauskleidung 11 in der axialen Richtung erstrecken und entlang der Umfangsrichtung in Abständen angeordnet sind.
Ferner ist in dem Verbrenner 10 gemäß einigen Ausführungsformen das Halteteil 90 so konfiguriert, dass es den Endabschnitt 11a durch Drücken des Endabschnitts 11a von der radial äußeren Seite der Verbrennungsauskleidung 11 hält.
Insbesondere ermöglichen in dem Verbrenner 10 gemäß einigen Ausführungsformen die Ausschnittabschnitte 15 jedem der axial stromabwärts gelegenen teilzylindrischen Abschnitte 17 der Verbrennungsauskleidung 11, die in Umfangsrichtung beabstandet und durch die Ausschnittabschnitte 15 geteilt sind, den Endabschnitt 11a in der radialen Richtung getrennt von den anderen teilzylindrischen Abschnitten 17 zu bewegen.
Wenn also die Verbrennungsauskleidung 11 von dem Halteteil 90 gehalten wird, indem der Endabschnitt 11a in radialer Richtung gegen die elastische Kraft des teilzylindrischen Abschnitts 17 nach innen bewegt wird, drückt der teilzylindrische Abschnitt 17 das Halteteil 90 durch die elastische Kraft in radialer Richtung nach außen.
Dadurch kann der axial stromabwärts gelegene Endabschnitt 11a der Verbrennungsauskleidung 11 durch das Halteteil 90 mit einer einfachen Konfiguration gehalten werden.
Da die Verbrennungsauskleidung 11 durch das Halteteil 90 unter Ausnutzung der Elastizität der Verbrennungsauskleidung 11 (teilzylindrischer Abschnitt 17) gehalten werden kann, kann die Vibration der Verbrennungsauskleidung 11 während der Verbrennung unterdrückt und die Haltbarkeit der Verbrennungsauskleidung 11 verbessert werden. Außerdem reduziert die einfache Konfiguration den Kostenanstieg.
Der Endabschnitt 11a kann durch Drücken des Endabschnitts 11a von der radialen Innenseite der Verbrennungsauskleidung 11 gehalten werden.
(Lagebeziehung zwischen dem Einlassende des Vormischungsrohrs 20 und dem Lufteinlassabschnitt 71 des Gehäuses 70)
Wie oben beschrieben, befindet sich in einigen Ausführungsformen, wie auch in 5 gezeigt, das Einlassende des Vormischungsrohrs 20, d.h. der Einlassendabschnitt 21a auf der stromaufwärtigen Seite des tangentialen Durchgangs 21, in der Region 70b innerhalb des Gehäuses 70 auf der gegenüberliegenden Seite der Achse AX der Verbrennungsauskleidung 11 von der Region 70a, wo der Lufteinlassabschnitt 71 positioniert ist.
Infolgedessen ist es in der Nähe des Einlassendes des Vormischungsrohrs 20 weniger wahrscheinlich, dass es durch die Ungleichmäßigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung der Druckluft, die durch den Lufteinlassabschnitt 71 in das Gehäuse 70 strömt, beeinflusst wird, so dass es schwierig ist, Turbulenzen in der Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Schneckendurchgang 23 zu haben. Infolgedessen wird die Turbulenz der Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in die Verbrennungsauskleidung 11 durch den axialen Durchgang 25 unterdrückt, und der Verbrennungszustand in der Verbrennungsauskleidung 11 wird verbessert, was zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz der Gasturbine 2 beiträgt.
Ferner ist in einigen Ausführungsformen die Einspritzöffnung 31a in der Region 70b auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet.
Infolgedessen werden der Kraftstoff und die Luft im Schneckendurchgang 23 in Kombination mit dem Effekt der Konfiguration, bei der der Einlassendabschnitt 21a auf der stromaufwärtigen Seite des tangentialen Durchgangs 21 in der Region 70b auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, effizient gemischt.
(Zirkulationsströmung des Luft-Kraftstoff-Gemisches)
Wie oben beschrieben, wird in einigen Ausführungsformen, da das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch den ringförmig geformten axialen Durchgang 25 in die Verbrennungsauskleidung 11 strömt, auf der axial stromaufwärts gelegenen Seite der Verbrennungsauskleidung 11, wie durch den Pfeil g5 in 4 gezeigt, eine zirkulierende Strömung erzeugt, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch stromaufwärts in der axialen Richtung in einer Region radial einwärts des axialen Durchgangs 25 strömt.
Ferner sind in einigen Ausführungsformen, wie oben beschrieben, der äußere Wandabschnitt 26 und der innere Wandabschnitt 27 so geformt, dass die Abmessung in der radialen Richtung graduell zunimmt, wenn sie sich stromabwärts in der axialen Richtung in einer stromabwärts gelegenen Region des axialen Durchgangs 25 erstrecken.
Da das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch den axialen Durchgang 25 mit einer Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung nach außen in die Verbrennungsauskleidung 11 strömt, wird auf der axial stromaufwärts gelegenen Seite der Verbrennungsauskleidung 11 die oben beschriebene zirkulierende Strömung in einer Region radial einwärts des axialen Durchgangs 25 leicht erzeugt. In der Region 11r, in der eine solche zirkulierende Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches erzeugt wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemisches relativ langsam, wie oben beschrieben, so dass der Zustand, der zum Halten der Flamme geeignet ist, erhalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsformen und Ausführungsformen, die aus Kombinationen dieser Ausführungsformen bestehen.
Bezugszeichenliste

1: Energieerzeugungsvorrichtung
2: Gasturbine
3: Verdichter
5: Turbine
10: Verbrenner
11: Verbrennungsauskleidung
13: Öffnungsabschnitt
15: Ausschnittabschnitt
20: Vormischungsrohr
21: Tangentialer Durchgang
23: Schneckendurchgang
24a: Zentrale Region
25: Axialer Durchgang
26: Äußerer Wandabschnitt
27: Innerer Wandbereich
31: Erste Kraftstoffdüse
31a: Einspritzöffnung
32: Zweite Kraftstoffdüse
41: Zündkerze
51: Strömungsführung
70: Gehäuse
71: Lufteinlassabschnitt
73: Seitenwandteil
80: Äußerer Zylinderteil
81: Erste Region
82: Zweite Region
83: Dritter Region
90: Halteteil

Claims

Verbrenner, umfassend: eine Verbrennungsauskleidung; ein Vormischungsrohr, das stromaufwärts der Verbrennungsauskleidung in einer axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung angeordnet ist und einen Schneckendurchgang enthält, der sich in einer Umfangsrichtung der Verbrennungsauskleidung erstreckt, und einen axialen Durchgang, der sich in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung erstreckt, um den Schneckendurchgang mit einem Inneren der Verbrennungsauskleidung zu verbinden; und eine erste Kraftstoffdüse, die stromaufwärts des Schneckendurchgangs in der Umfangsrichtung angeordnet ist und eine Einspritzöffnung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Schneckendurchgang aufweist, wobei die Einspritzöffnung an einer Position angeordnet ist, die sich in der axialen Richtung mit einem Bereich überschneidet, in dem der Schneckendurchgang existiert.
Verbrenner nach Anspruch 1, wobei der Schneckendurchgang so geformt ist, dass ein Bereich eines Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang einer radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung graduell von stromaufwärts in der Umfangsrichtung zu stromabwärts in der Umfangsrichtung abnimmt.
Verbrenner nach Anspruch 2, wobei der Schneckendurchgang so geformt ist, dass sich eine Mittelposition eines Strömungsdurchgangsquerschnitts entlang der radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung in der axialen Richtung der Verbrennungsauskleidung stromabwärts bewegt, während sich der Schneckendurchgang von stromaufwärts in der Umfangsrichtung zu stromabwärts in der Umfangsrichtung erstreckt.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Vormischungsrohr einen tangentialen Durchgang aufweist, der mit einem Endabschnitt des Schneckendurchgangs an einer in der Umfangsrichtung stromaufwärtigen Seite verbunden ist und sich in einer tangentialen Richtung einer Schnecke an dem Endabschnitt erstreckt, und wobei die Einspritzöffnung stromaufwärts des tangentialen Durchgangs angeordnet ist.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einspritzöffnung in einem Abstand von einem Endabschnitt des Schneckendurchgangs auf einer stromaufwärtigen Seite in der Umfangsrichtung entlang einer tangentialen Richtung einer Schnecke an dem Endabschnitt angeordnet ist, so dass der Abstand innerhalb des doppelten Durchmessers des Schneckendurchgangs an dem Endabschnitt liegt.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der axiale Durchgang entlang der Umfangsrichtung ringförmig geformt ist, und wobei der Verbrenner ferner eine Zündkerze umfasst zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches aus dem Kraftstoff und der Luft zugeführt von dem Vormischungsrohr in die Verbrennungsauskleidung, wobei die Zündkerze in einer zentralen Region angeordnet ist, die ringförmig von dem axialen Durchgang von einer radial äußeren Seite umgeben ist.
Verbrenner nach Anspruch 6, ferner umfassend einen Kühlluftkanal, durch den Kühlluft zur Kühlung der Zündkerze strömt, wobei der Kühlluftkanal auf einer Seite der Zündkerze in der zentralen Region angeordnet ist.
Verbrenner nach Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend eine zweite Kraftstoffdüse, die in der zentralen Region angeordnet ist, um den Kraftstoff in die Verbrennungsauskleidung zuzuführen.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend einen äußeren Zylinderteil, der einer äußeren Umfangsfläche der Verbrennungsauskleidung mit einem Abstand von der äußeren Umfangsfläche zugewandt ist, wobei der äußere Zylinderteil eine erste Region aufweist, die der äußeren Umfangsfläche mit einem ersten Abstand zugewandt ist, und eine zweite Region, die stromabwärts der ersten Region angeordnet ist und der äußeren Umfangsfläche mit einem zweiten Abstand zugewandt ist, der kleiner als der erste Abstand ist.
Verbrenner nach Anspruch 9, wobei der äußere Zylinderteil eine dritte Region aufweist, die stromabwärts der zweiten Region liegt und der äußeren Umfangsfläche zugewandt ist, mit einem dritten Abstand, der größer als der zweite Abstand ist, und wobei die Verbrennungsauskleidung eine Vielzahl von Öffnungsabschnitten aufweist, die in einer Region geformt sind, die der dritten Region zugewandt ist.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Verbrennungsauskleidung eine Mehrzahl von Ausschnittabschnitten aufweist, die sich von einem axial stromabwärts gelegenen Endabschnitt der Verbrennungsauskleidung in der axialen Richtung erstrecken und entlang der Umfangsrichtung in Intervallen angeordnet sind, und wobei der Verbrenner ferner ein Halteteil umfasst, das den Endabschnitt der Verbrennungsauskleidung von einer radial äußeren oder inneren Seite der Verbrennungsauskleidung drückt, um den Endabschnitt zu halten.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend eine Strömungsführung, die stromaufwärts des Schneckendurchgangs in der Umfangsrichtung angeordnet ist, um in den Schneckendurchgang strömende Luft zu begradigen.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend ein Gehäuse, in dem das Vormischungsrohr angeordnet ist, wobei das Gehäuse einen Lufteinlassabschnitt zum Zuführen von Luft in das Gehäuse und einen Seitenwandabschnitt aufweist, der das Vormischungsrohr von einer radial äußeren Seite der Verbrennungsauskleidung abdeckt und den Lufteinlassabschnitt aufweist, und wobei ein Einlassende des Vormischungsrohrs in einer Region innerhalb des Gehäuses auf einer gegenüberliegenden Seite einer Achse der Verbrennungsauskleidung von einer Region, in der der Lufteinlassabschnitt positioniert ist, angeordnet ist.
Verbrenner nach Anspruch 13, wobei die Einspritzöffnung in der Region auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der axiale Durchgang einen zylindrischen Außenwandabschnitt aufweist, der an einer radial äußeren Seite der Verbrennungsauskleidung angeordnet ist, und einen zylindrischen Innenwandabschnitt, der an einer radial inneren Seite mit einem Abstand in einer radialen Richtung der Verbrennungsauskleidung von dem Außenwandabschnitt angeordnet ist, und wobei zumindest der äußere Wandabschnitt des äußeren Wandabschnitts und der innere Wandabschnitt so geformt sind, dass eine Abmessung in der radialen Richtung graduell zunimmt, während sich der äußere Wandabschnitt stromabwärts in der axialen Richtung in einer stromabwärts gelegenen Region des axialen Durchgangs erstreckt.
Gasturbine, umfassend: den Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15; einen Verdichter zur Erzeugung von Druckluft; und eine Turbine, die so konfiguriert ist, dass sie durch ein Verbrennungsgas aus dem Verbrenner in Drehung versetzt wird.