DE112022002817T5

DE112022002817T5 - Gasturbinenbrenner

Info

Publication number: DE112022002817T5
Application number: DE112022002817.3T
Authority: DE
Inventors: Daniel KRONIGER; Atsushi Horikawa
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2024-03-28
Also published as: US20240085022A1; WO2022249938A1; JPWO2022249938A1

Abstract

Ein Gasturbinenbrenner weist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung auf, die an einem Brennrohr vorgesehen ist, das eine Brennkammer auf einer Innenseite bildet, und die aufweist: einen Brennstoffeinspritzabschnitt mit einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzlöchern, die Brennstoff in Richtungen einspritzen, die eine Komponente senkrecht zu einer axialen Richtung enthalten, und mit einer gemeinsamen Brennstoffzufuhrkammer, die Brennstoff in die Vielzahl von Brennstoffeinspritzlöchern zuführt; und einen Luftführungsabschnitt, der Luft zu dem aus jedem Brennstoffeinspritzloch eingespritzten Brennstoff leitet. Der Brennstoffeinspritzabschnitt weist eine Luftführungsfläche auf, die Luft für die Verbrennung leitet und sich in der axialen Richtung der Brennkammer relativ zum Brennstoffeinspritzloch nach vorne gerichtet befindet ist. Eine Brennstoffeinspritzöffnung des Brennstoffeinspritzlochs ist an einer unteren Wandfläche einer gestuften Aussparung vorgesehen, die in einer Stufenform von der Luftführungsfläche ausgespart ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität gemäß der Pariser Verbandsübereinkunft der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-090376 , eingereicht am 28. Mai 2021, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme als Teil dieser Anmeldung hierin einbezogen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(Gebiet der Erfindung)
Die vorliegende Erfindung betrifft einen in einem Gasturbinenmotor verwendeten Brenner.
(Beschreibung des Standes der Technik)
In den letzten Jahren wurde zur Verwirklichung einer so genannten kohlenstoffarmen Gesellschaft ein Gasturbinenmotor vorgeschlagen, der Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Es versteht sich von selbst, dass Brennstoff mit einer hohen Verbrennungsgeschwindigkeit, wie z. B. wasserstoffhaltiger Brennstoff, eine hohe Verbrennungstemperatur erreicht und daher leicht NOx erzeugt. Außerdem kann es bei der Verbrennung von Brennstoff mit hoher Verbrennungsgeschwindigkeit zu einem Rückzündungsphänomen kommen, bei dem sich eine in der Brennkammer erzeugte Flamme zur Brennerseite zurückbewegt.
Dementsprechend wird als Brenner zum Erzielen einer NOx-armen Verbrennung und zum Verhindern einer Rückzündung bei Verwendung von hochreaktivem Gas wie Wasserstoff als Brennstoff ein Brenner vorgeschlagen, der eine Brennstoffeinspritzvorrichtung verwendet, die so ausgebildet ist, dass eine Vielzahl von ringförmigen Elemente zum Einspritzen von Brennstoff konzentrisch angeordnet sind, der Brennstoff in radialer Richtung aus mehreren Brennstoffeinspritzlöchern, die in jedem ringförmigen Element vorgesehen sind, dispergiert eingespritzt wird und Luft in Richtung der Brennkammerseite in eine Richtung strömt, die im Wesentlichen senkrecht zu dem aus jedem Brennstoffeinspritzloch eingespritzten Brennstoff ist (siehe z. B. Patentdokument 1). Mit dem Brenner, der eine solche Struktur aufweist, wird das Auftreten einer lokalen Hochtemperaturverbrennung durch eine dispergierte Mehrpunkteinspritzung des Brennstoffs unterdrückt, wodurch eine NOx-arme Verbrennung erzielt wird. Außerdem wird dem eingespritzten Brennstoff Luft zur Brennkammerseite hin zugeführt, wodurch das Auftreten eines Rückzündungsphänomens unterdrückt wird.
[Dokument des Standes der Technik]
[Patentdokument]
[Patentdokument 1] WO2015/182154
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Bei dem in Patentdokument 1 offenbarten Brenner ist jedoch der Durchmesser jedes Brennstoffeinspritzlochs klein, und daher ist es bei der Verwendung eines Brennstoffs (z. B. eines Mischbrennstoffs aus Wasserstoffgas und Erdgas), dessen Reaktivität nicht so hoch ist wie die von reinem Wasserstoffgas, schwierig, eine Flamme stabil aufrechtzuerhalten.
Dementsprechend ist es zur Lösung des vorstehenden Problems eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die stabile Aufrechterhaltung einer Flamme auch bei Verwendung von Brennstoff mit vergleichsweise geringer Reaktivität in einem Brenner mit Mehrpunkteinspritzung zu ermöglichen, der eine NOx-arme Verbrennung erreichen und eine Rückzündung verhindern kann.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe weist ein Gasturbinenbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung auf: ein Brennrohr, das eine Brennkammer auf einer Innenseite ausbildet; und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, die an einem oberen Abschnitt des Brennrohrs vorgesehen und dazu ausgebildet ist, Brennstoff in die Brennkammer einzuspritzen. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung weist einen Brennstoffeinspritzabschnitt mit einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzlöchern, die jeweils dazu ausgebildet sind, den Brennstoff in eine Richtung einzuspritzen, die eine Komponente senkrecht zu einer axialen Richtung der Brennkammer enthält, und mit einer gemeinsamen Brennstoffzufuhrkammer, die dazu ausgebildet ist, den Brennstoff in die Vielzahl von Brennstoffeinspritzlöchern zuzuführen, und einen Luftführungsabschnitt mit einer Luftführungsnut, die dazu ausgebildet ist, Luft für die Verbrennung zu dem aus jedem Brennstoffeinspritzloch eingespritzten Brennstoff zu leiten. Der Brennstoffeinspritzabschnitt weist eine Luftführungsfläche auf, die dazu ausgebildet ist, die Luft für die Verbrennung zu leiten, und die sich in axialer Richtung der Brennkammer relativ zum Brennstoffeinspritzloch nach vorne gerichtet befindet. Eine Brennstoffeinspritzöffnung des Brennstoffeinspritzlochs ist an einer unteren Wandfläche einer gestuften Aussparung vorgesehen, die in einer Stufenform von der Luftführungsfläche ausgespart ist.
Bei dieser Konfiguration ist die gestufte Aussparung an dem Brennstoffeinspritzabschnitt vorgesehen und die Brennstoffeinspritzöffnung des Brennstoffeinspritzlochs ist an der unteren Wandfläche der gestuften Aussparung ausgebildet, wodurch es möglich wird, eine Flamme auch bei Verwendung von Brennstoff mit geringer Reaktivität stabil aufrechtzuerhalten, wie später im Einzelnen beschrieben wird.
Sämtliche Kombinationen aus mindestens zwei Konstruktionen, die in den beigefügten Ansprüchen und/oder der Beschreibung und/oder den beigefügten Zeichnungen offenbart sind, sollten ebenfalls als in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend ausgelegt werden. Insbesondere sollte jede Kombination von zwei oder mehreren der beigefügten Ansprüche gleichermaßen als in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend ausgelegt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Die Ausführungsformen und die Zeichnungen dienen jedoch lediglich Darstellungs- und Erläuterungszwecken und sind nicht so zu verstehen, dass sie den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise einschränken, der sich aus den beigefügten Ansprüchen ergibt. In den beigefügten Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Teile in den mehreren Ansichten verwendet, und:

1 zeigt ein Blockdiagramm mit Darstellung einer schematischen Ausgestaltung eines Gasturbinenmotors, in dem ein Brenner gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
2 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht mit Darstellung des Brenners gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine Vorderansicht mit Darstellung eines Beispiels einer in dem Brenner in 2 verwendeten Brennstoffeinspritzvorrichtung;
4 zeigt eine teilweise vergrößerte Vorderansicht mit Darstellung der Brennstoffeinspritzvorrichtung in 3;
5 zeigt eine teilweise vergrößerte vertikale Schnittansicht mit Darstellung der Brennstoffeinspritzvorrichtung in 3;
6 zeigt eine Vorderansicht mit Darstellung eines anderen Beispiels einer in dem Brenner in 2 verwendeten Brennstoffeinspritzvorrichtung;
7 zeigt eine teilweise vergrößerte perspektivische Ansicht mit Darstellung der Brennstoffeinspritzvorrichtung in 3;
8 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht mit Darstellung der Brennstoffeinspritzvorrichtung in 3; und
9 zeigt ein Ergebnis einer CFD-Verbrennungsanalyse der in dem Brenner in 2 verwendete Brennstoffeinspritzvorrichtung.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist.
1 zeigt ein schematische Ausgestaltung eines Gasturbinenmotors GT (im Folgenden der Einfachheit halber als Gasturbine bezeichnet), in dem ein Brenner gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Die Gasturbine GT ist derart ausgebildet, dass eingeführte Luft von einem Kompressor 1 komprimiert und zu einem Brenner 3 geleitet wird, Brennstoff in den Brenner 3 eingespritzt und verbrannt wird, und eine Turbine 5 durch erhaltenes Hochtemperatur- und Hochdruck-Verbrennungsgas G angetrieben wird. Die Turbine 5 ist über eine Drehwelle 7 mit dem Kompressor 1 verbunden, und der Kompressor 1 wird von der Turbine 5 angetrieben. Mit der Leistung der Gasturbine GT wird eine Last L, z. B. ein Rotor eines Flugzeugs oder eines elektrischen Generators, angetrieben. Der Brenner 3 ist beispielsweise ein Brenner eines Rohrtyps, bei dem eine Vielzahl von Brennerrohren ringförmig um die Achse der Gasturbine GT angeordnet sind. Der Typ des Brenners 3 ist nicht auf den Rohrtyp beschränkt und kann z. B. ein Ringtyp sein.
Wie in 2 gezeigt, weist der Brenner 3 ein Brennrohr 11, das eine Brennkammer 9 auf der Innenseite bildet, und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 auf, die an einem oberen Abschnitt (am weitesten stromaufwärts gelegenen Abschnitt) 13a des Brennrohrs 11 angebracht ist und Brennstoff und Luft in die Brennkammer 9 einspritzt. Der aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 eingespritzte Brennstoff wird mittels eines Zünders P angezündet, der an dem Brennrohr 11 vorgesehen ist, wodurch eine Flamme in der Brennkammer 9 gebildet wird. Das Brennrohr 11 und die Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 sind konzentrisch in einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse H untergebracht, das als ein Außenrohr des Brenners 3 fungiert. Hier, wie in 2 gezeigt, wird in dem Brenner 3 die Seite der Brennkammer 9 entlang einer axialen Richtung C der Brennkammer 9 als „Rückseite“ und die entgegengesetzte Seite als „Vorderseite“ bezeichnet. In der nachfolgenden Beschreibung wird die axiale Richtung C der Brennkammer 9 der Einfachheit halber als „axiale Richtung C“ bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Brenner 3 als Gegenstromtyp ausgebildet, bei dem die Strömungsrichtungen von Luft A und von dem Brenngas G einander entgegengesetzt sind. Das heißt, dass der Brenner 3 einen Lufteinleitungsdurchgang 17, der zwischen dem Gehäuse H und dem Brennrohr 11 ausgebildet ist, und ein Stützrohr 15 aufweist, das sich rohrförmig ausgehend vom Brennrohr 11 nach vorne erstreckt. Die durch den Kompressor 1 (1) komprimierte Luft A wird durch den Lufteinleitungsdurchgang 17 in der Richtung entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Brenngases G in die Brennkammer 9 geleitet. Der Brenner 3 kann ein Axialstromtyp sein, bei dem die Strömungsrichtungen der Luft A und des Brenngases G gleich sind. An einem vorderen Endabschnitt einer Umfangswand des Stützrohrs 15 sind eine Vielzahl von Lufteinleitungslöchern 19 so vorgesehen, dass sie in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Die durch den Lufteinleitungsdurchgang 17 gesendete Luft A passiert die Lufteinleitungslöcher 19, um in einen Luftzufuhrdurchgang 21 eingeleitet zu werden, der in dem Stützrohr 15 ausgebildet ist, und die Luft A wird dann in Richtung der Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 auf der Rückseite gesendet.
Wie in 3 gezeigt, weist die Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 einen Brennstoffeinspritzabschnitt 23 und einen Luftführungsabschnitt 25 auf. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Brennstoffeinspritzabschnitt 23 und der Luftführungsabschnitt 25 jeweils ringförmig ausgebildet. In diesem Beispiel sind eine Vielzahl von (in dem gezeigten Beispiel vier) Brennstoffeinspritzabschnitten 23 mit unterschiedlichen Durchmessergrößen konzentrisch zueinander und konzentrisch zu dem Brenner 3 angeordnet (2), und ringförmige Luftführungsabschnitte 25, die den Formen der jeweiligen Brennstoffinjektoren entsprechen, sind auf der Innenumfangsseite und der Außenumfangsseite jedes Brennstoffeinspritzabschnitts 23 vorgesehen. Der Brennstoff wird jedem Brennstoffeinspritzabschnitt 23 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 über einen Brennstoffzufuhrdurchgang 27 zugeführt (2).
Wie in 4 gezeigt, weist der Brennstoffeinspritzabschnitt 23 eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzlöchern 29 zum Einspritzen des Brennstoffs und eine gemeinsame Brennstoffzufuhrkammer 31 zum Zuführen des Brennstoffs F zu der Vielzahl von Brennstoffeinspritzlöchern 29 auf.
In der vorliegenden Ausführungsform sind in jedem Brennstoffeinspritzabschnitt 23 eine große Anzahl von Brennstoffeinspritzlöchern 29 in gleichen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet. Jedes Brennstoffeinspritzloch 29 ist so ausgebildet, dass es Brennstoff in eine Richtung einspritzt, die eine Komponente senkrecht zur axialen Richtung C enthält. Insbesondere ist in diesem Beispiel, wie in 5 gezeigt, jedes Brennstoffeinspritzloch 29 so ausgebildet, dass es den Brennstoff F in eine Richtung (in diesem Beispiel eine radiale Richtung R des ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitts 23) senkrecht zu axialen Richtung C einspritzt. Genauer gesagt weist ein vertikaler Querschnitt des Brennstoffeinspritzabschnitts 23 in diesem Beispiel eine rechteckige Form in der Gesamtheit auf, und die Brennstoffeinspritzlöcher 29 sind als Löcher ausgebildet, die sich an einer Wandfläche, die in radialer Richtung R des Brennstoffeinspritzabschnitts 23 nach außen gerichtet ist, und/oder einer Wandfläche, die in radialer Richtung R nach innen gerichtet ist, öffnen.
Wie in 4 gezeigt, weist der Luftführungsabschnitt 25 Luftführungsnuten 33 auf, die die Luft A zur Verbrennung zu den jeweiligen Brennstoffeinspritzlöchern 29 leiten. Insbesondere ist in diesem Beispiel, wie in 5 gezeigt, der Luftführungsabschnitt 25 als ein plattenförmiges Element in einer Richtung parallel zu einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung C ausgebildet und befindet sich auf der Vorderseite relativ zu dem Brennstoffeinspritzloch 29 des Brennstoffeinspritzabschnitts 23 (d. h. auf der stromaufwärtigen Seiten in der Strömungsrichtung der Luft A). Der wie oben beschrieben vorgesehene Luftführungsabschnitt 25 ist in einem Bereich auf der Seite des Brennstoffeinspritzabschnitts 23 teilweise ausgeschnitten, wie in 4 gezeigt, wodurch die Luftführungsnuten 33 ausgebildet sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Luftführungsnut 33 pro Brennstoffeinspritzloch 29 vorgesehen.
Bei der wie oben beschrieben ausgebildeten Brennstoffeinspritzvorrichtung 13, wird der aus jedem Brennstoffeinspritzloch 29 des Brennstoffeinspritzabschnitts 23 eingespritzte Brennstoff F mit der durch die Luftführungsnut 33 des Luftführungsabschnitts 25 geleiteten Luft A vorgemischt und dann als vorgemischtes Gas in die Brennkammer 9 eingespritzt. Auf diese Weise wird die Luft A mittels des Luftführungsabschnitts 25 von der stromaufwärtigen Seite in axialer Richtung C zum aus jeden Brennstoffeinspritzloch 29 eingespritzten Brennstoff F geleitet, wodurch sich der Brennstoff F und die Luft A in Richtungen im Wesentlichen senkrecht zueinander kreuzen. Dadurch können der Brennstoff F und die Luft A gleichmäßig außerhalb der Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 vermischt werden.
Die Einspritzrichtung des Brennstoffs F aus dem Brennstoffeinspritzloch 29 des Brennstoffeinspritzabschnitts 23 kann jede Richtung sein, die eine Komponente senkrecht zur axialen Richtung C enthält, und kann beispielsweise in axialer Richtung C in einem Bereich von ±10° relativ zur Richtung senkrecht zur axialen Richtung C geneigt sein.
Die gesamte Ausgestaltung der Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 ist nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt. Beispielsweise ist die Form des Brennstoffeinspritzabschnitts 23 nicht auf die in 3 gezeigte ringförmige Form beschränkt und kann in einer Vorderansicht (in axialer Richtung C der Brennkammer 9 betrachtet) eine rechteckige Form sein, wie in einer in 6 gezeigten Modifikation. Es ist nicht erforderlich, eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzabschnitten 23 und eine Vielzahl von entsprechenden Luftführungsabschnitten 25 vorzusehen, und es können ein Brennstoffeinspritzabschnitt 23 und ein Luftführungsabschnitt 25 vorgesehen sein.
Als nächstes wird eine Struktur um das Brennstoffeinspritzloch 29 des Brennstoffeinspritzabschnitts 23 im Einzelnen beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, weist der Brennstoffeinspritzabschnitt 23 in der vorliegenden Ausführungsform eine Luftführungsfläche 35 auf, die Luft A auf der Vorderseite relativ zum Brennstoffeinspritzloch 29 leitet. Die Luftführungsfläche 35 ist als eine flache Fläche ausgebildet, die sich parallel zur axialen Richtung C erstreckt. Auf der Rückseite der Luftführungsfläche 35 ist eine gestufte Aussparung 37 ausgebildet, die in einer Stufenform von der Luftführungsfläche 35 ausgespart ist. In diesem Beispiel erstreckt sich die gestufte Aussparung 37 zum hinteren Ende des Brennstoffeinspritzabschnitts 23. An einer unteren Wandfläche 39 der gestuften Aussparung 37 ist eine Brennstoffeinspritzöffnung 29a des Brennstoffeinspritzlochs 29 ausgebildet. In der nachfolgenden Beschreibung kann der Einfachheit halber eine Richtung zur unteren Wandseite der gestuften Aussparung 37 als „Abwärtsrichtung“ und eine Richtung zur Seite der Luftführungsfläche 35 als „Aufwärtsrichtung“ bezeichnet werden.
Es hat sich bestätigt, dass durch die Ausbildung der Brennstoffeinspritzöffnung 29a des Brennstoffeinspritzlochs 29 an der unteren Wandfläche 39 der gestuften Aussparung 37 eine stabile Aufrechterhaltung einer Flamme auch bei Verwendung von Brennstoff F mit geringer Reaktivität, wie später beschrieben, möglich wird. Es wird davon ausgegangen, dass dies auf die folgenden Effekte zurückzuführen ist.

(1) Durch die Seitenwände der gestuften Aussparung 37 wird der aus der Brennstoffeinspritzöffnung 29 eingespritzte Brennstoff F sicher in Richtung der nach oben und hinten gerichteten Seite geleitet, auf der die Luft A strömt.
(2) Die Strömung der Luft A, die entlang der glatten Luftführungsfläche 35 geströmt ist, wird durch die gestufte Aussparung 37 gestört, so dass sich ein Wirbel bildet, wodurch die Vermischung mit dem Brennstoff F gefördert wird.
(3) Durch das Vorhandensein der gestuften Aussparung 37 wird der aus der Brennstoffeinspritzöffnung 29 eingespritzte Brennstoff F vor einer starken Strömung der Luft A geschützt.

In diesem Beispiel, wie in 7 gezeigt, ist die gestufte Aussparung 37 in einer Form ausgebildet, die mit einer Vielzahl von Stufen (in diesem Beispiel zwei Stufen) ausgespart ist, und weist die untere Wandfläche 39 an der untersten Stufe und eine untere Wandfläche 40 an der ersten Stufe auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Brennstoffeinspritzöffnung 29a des Brennstoffeinspritzlochs 29 an der unteren Wandfläche 39 in der untersten Stufe ausgebildet. In einem Fall, in dem die gestufte Aussparung 37 eine einstufige Struktur aufweist, wird die Brennstoffeinspritzöffnung 29a des Brennstoffeinspritzlochs 29 in der ersten Stufe an der unteren Wandfläche 40 gebildet. In der nachfolgenden Beschreibung kann der Einfachheit halber das unterste Stufenteil der gestuften Aussparung 37 als erster Stufenabschnitt 37a bezeichnet werden, und ein zweites Stufenteil kann als ein zweiter Stufenabschnitt 37b bezeichnet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind beide Seitenwände 41 der gestuften Aussparung 37 in solch einer Form ausgebildet, dass sich ein Abstand zwischen beiden Seitenwänden 41 von dem vorderen Ende der gestuften Aussparung 37 zum hinteren Ende davon (d. h. zur Seite der Brennkammer 9) allmählich vergrößert. Genauer gesagt, wie in 8 gezeigt, erstrecken sich die beiden Seitenwände 41 der gestuften Aussparung 37 so, dass sie Teile von zwei gleichlangen Seiten eines virtuellen gleichschenkligen Dreiecks bilden, dessen Unterseite das hintere Ende des Brennstoffeinspritzabschnitts in einer Draufsicht ist. In dem gezeigten Beispiel ist ein vorderer Endabschnitt 43 der gestuften Aussparung 37, der dem Scheitelpunkt des virtuellen gleichschenkligen Dreiecks entspricht, in einer gekrümmten, nach vorne ausgesparten Form ausgebildet.
Indem beide Seitenwände 41 der gestuften Aussparung 37 in solch einer Form ausgebildet sind, dass sich der Abstand zwischen beiden Seitenwänden 41 wie oben beschrieben vom vorderen Ende zum hinteren Ende hin allmählich vergrößert, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Mischgasstroms der Luft A und des aus der Brennstoffeinspritzöffnung 29 eingespritzten Brennstoffs F durch die Ausdehnung des Strömungswegs allmählich ab, wenn sich das Mischgas zur Seite der Brennkammer 9 bewegt. In ähnlicher Weise gilt, dass, indem die gestufte Aussparung 37 in einer Form ausgebildet ist, die mit einer Vielzahl von Stufen ausgespart ist, die Strömungsgeschwindigkeit des aus der Brennstoffeinspritzöffnung 29 eingespritzten Brennstoffs F durch die Ausdehnung des Strömungswegs allmählich abnimmt, wenn sich der Brennstoff F nach oben bewegt. Dadurch wird die Vermischung von Brennstoff F und Luft A weiter gefördert.
In einer Draufsicht beträgt der Bereich eines von beiden Seitenwänden 41 gebildet Winkels α vorzugsweise 0° < α ≤ 80°, besonders bevorzugt 20° ≤ α ≤ 60°, und noch mehr bevorzug 25° ≤ α ≤ 40°. In dem gezeigten Beispiel sind die Winkel α1, α2 zwischen den Seitenwänden 41 an den jeweiligen Stufen in der mehrstufigen gestuften Aussparung 37 das gleiche α, aber in dem Fall, dass die gestufte Aussparung 37 eine Vielzahl von Stufen hat, können die Winkel zwischen den Seitenwänden 41 an den jeweiligen Stufen voneinander verschieden sein.
Es ist nicht erforderlich, beide Seitenwände 41 der gestuften Aussparung 37 in solch einer Form auszubilden, dass der Abstand zwischen beiden Seitenwänden 41 wie oben beschrieben von dem vorderen Ende zum hinteren Ende allmählich zunimmt, und α kann 0° betragen oder kann ein negativer Winkel sein (ein solcher Winkel, dass sich der Abstand zwischen beiden Seitenwänden 41 von dem vorderen Ende zum hinteren Ende allmählich verengt). In einer Draufsicht müssen die Formen der beiden Seitenwände 41 nicht, wie in den Zeichnungen dargestellt, gerade Formen sein, sondern können z. B. gebogen sein.
Es ist nicht erforderlich, dass die gestufte Aussparung 37 eine Vielzahl von Stufen aufweist, und die gestufte Aussparung 37 kann lediglich eine Stufe aufweisen. In einem Fall, in dem die gestufte Aussparung 37 eine Vielzahl von Stufen aufweist, ist die Anzahl der Stufen nicht auf zwei beschränkt, wie in den Zeichnungen dargestellt, sondern kann auch drei oder mehr betragen.
Die Position der Brennstoffeinspritzöffnung 29a des Brennstoffeinspritzlochs 29 in der unteren Wandfläche 39 an der untersten Stufe der gestuften Aussparung 37 ist nicht besonders begrenzt. Wie später beschrieben, hat sich jedoch bestätigt, dass eine Flamme stabiler aufrechterhalten werden kann, wenn der Abstand D zwischen dem Mittelpunkt O der Brennstoffeinspritzöffnung 29a des Brennstoffeinspritzlochs 29 und dem vorderen Endpunkt an der untersten Stufe der gestuften Aussparung 37 kürzer ist. Der Grund dafür ist, dass die oben beschriebenen Effekte (1) bis (3) durch die gestufte Aussparung 37 stärker zum Tragen kommen, wenn sich die Brennstoffeinspritzöffnung 29 nahe der hinteren Endwand der gestuften Aussparung 37 befindet. Wenn also der Lochdurchmesser der Brennstoffeinspritzöffnung 29 mit d bezeichnet wird, ist der Bereich des Abstands D vorzugsweise D ≤ 2d und kann D ≤ d oder D = d/2 sein (d. h., das vordere Ende der Brennstoffeinspritzöffnung 29 fällt mit dem vorderen Endpunkt an der untersten Stufe der gestuften Aussparung 37 zusammen).
Die Position der gestuften Aussparung 37 relativ zum Luftführungsabschnitt 25 ist nicht besonders beschränkt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft A ist jedoch in der Nähe der Luftführungsnut 33 des Luftführungsabschnitts 25 am größten, weshalb der Brennstoff F vorzugsweise in der Nähe der Luftführungsnut 33 eingespritzt wird. Außerdem erfolgt der Eintritt des Brennstoffs F in die Luft A aus der Sicht der Rückzündungshemmung vorzugsweise auf der stromabwärtigen Seite des Luftführungsabschnitts 25. Aus dieser Sicht befindet sich das vordere Ende der gestuften Aussparung 37 vorzugsweise nach hinten gerichtet in Bezug auf das vordere Ende des Luftführungsabschnitts 25. Ferner befindet sich das vordere Ende der gestuften Aussparung 37 vorzugsweise im Bereich der Dicke (der Abmessung in axialer Richtung C) des Luftführungsabschnitts 25, und das vordere Ende der gestuften Aussparung 37 fällt vorzugsweise mit der mittleren Position der Dicke des Luftführungsabschnitts 25 zusammen. Außerdem ist die gesamte abgestufte Aussparung 37 vorzugsweise in den Breitenrichtungsbereich der Luftführungsnut 33 eingeschlossen.
Spezifische Abmessungen jedes Teils der gestuften Aussparung 37 werden entsprechend den für den Brenner 3 erforderlichen Spezifikationen wie Leistung, Größe und zu verwendender Brennstoff F gewählt. Beispielsweise kann der Lochdurchmesser d der Brennstoffeinspritzöffnung 29 im Falle der oben beschriebenen Brennstoffeinspritzöffnung 29 für die Mehrpunkteinspritzung etwa 0,5 mm bis 1,0 mm betragen. In diesem Fall kann die Abmessung in axialer Richtung C und die Abmessung in der Breitenrichtung der gestuften Aussparung 37 etwa mehrere mm betragen.
Verschiedene, sich von den oben beschriebenen unterscheidende Abmessungen der Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß der in 7 gezeigten Ausführungsform können nach Bedarf festgelegt werden, und können beispielsweise in den folgenden Bereich festgelegt werden. Diese Abmessungen sind jedoch nicht auf die folgenden Bereiche beschränkt.
Ein Abstand c von dem Mittelpunkt O der Brenneinspritzöffnung 29a des Brennstoffeinspritzlochs 29 zum hinteren Ende der unteren Wandfläche 39 des ersten Stufenabschnitts 37a darf nicht weniger als 1,5 mm und nicht mehr als 4,0 mm betragen. Eine Höhe h1 des ersten Stufenabschnitts 37a darf nicht weniger als 0,1 mm und nicht mehr als 1,5 mm betragen, und eine Höhe h2 des zweiten Stufenabschnitts 37a darf nicht weniger als 0,2 mm und nicht mehr als 3,0 mm betragen. Ein Abstand D1 von dem Mittelpunkt O der Brenneinspritzöffnung 29a des Brennstoffeinspritzlochs 29 zum vorderen Endpunkt des ersten Stufenabschnitts 37a darf nicht weniger als 0,4 mm und nicht mehr als 2,6 mm betragen, und ein ähnlicher Abstand D2 für den zweiten Stufenabschnitt 37b darf nicht weniger als 0,2 mm und nicht mehr als 1,9 mm betragen. Ein Krümmungsradius r1 eines gekrümmten Teils am vorderen Ende des ersten Stufenabschnitts 37a darf nicht weniger als 0,6 mm und nicht mehr als 2,0 mm betragen, und ein ähnlicher Krümmungsradius r2 für den zweiten Stufenabschnitt 37b darf nicht weniger als 0,2 mm und nicht mehr als 1,5 mm betragen.
Die Effekte des Brenners 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die wie oben beschrieben ausgestaltet ist, werden unter Bezugnahme auf ein Ergebnis einer CFB-Verbrennungsanalyse beschrieben.

Bei der CFD-Verbrennungsanalyse wurde eine herkömmliche Brennstoffeinspritzvorrichtung ohne die gestufte Aussparung 37 als Vergleichsbeispiel verwendet, und die in 7 dargestellte Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 wurde als Beispiel verwendet. Die Seitenwände 41 der gestuften Aussparung 37 in dem Beispiel wurden in einer Form (α = 30°) ausgebildet, die sich gerade zur Rückseite hin erweitert, wie in 8 dargestellt. [Tabelle 1]

Spezifikationen	Beispiel	Vergleichsbeispiel
Anzahl der Stufen der gestuften Aussparung	2	keine gestufte Aussparung
Abstand zwischen Mitte des Bren nstoffei nspritzlochs und vorderem Ende der gestuften Aussparung (d: Lochdurchmesser)	d/2	keine gestufte Aussparung

Als Brennstoffe wurden 100 % Wasserstoffgas (im Folgenden einfach als „Wasserstoffbrennstoff“ bezeichnet) und ein Mischbrennstoff aus Wasserstoffgas und Erdgas (Volumenverhältnis von Wasserstoffgas und Erdgas = 60:40; im Folgenden einfach als „Mischbrennstoff“ bezeichnet) verwendet, und für jeden Brennstoff wurde ein Vergleich der Temperaturen bei Nennlast, Teillast und Nulllast durchgeführt. Es wurden Zustände simuliert, in denen diese Brennstoffe in den oben genannten Vorrichtungen verbrannt wurden, und es wurden Temperaturverteilungen verglichen, deren Ergebnis in 9 dargestellt ist.
Wie in 9 gezeigt, konnte in der Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel im Falle von Wasserstoffbrennstoff eine Flamme aufrechterhalten werden, im Falle von Mischbrennstoff konnte jedoch bei keiner der Temperaturen eine Flamme aufrechterhalten werden. Andererseits konnte in der Brennstoffeinspritzvorrichtung im Beispiel eine Flamme für alle Temperaturen, einschließlich der Temperatur bei Nulllast, aufrechterhalten werden. Somit wurde bestätigt, dass durch die Bereitstellung der gestuften Aussparung im Brennstoffeinspritzabschnitt die Flammenerhaltungsleistung für Brennstoff mit geringer Reaktivität erheblich verbessert wird, und insbesondere durch die Bereitstellung des Brennstoffeinspritzlochs am vorderen Ende der unteren Wandfläche der gestuften Aussparung wird eine erheblich günstige Flammenerhaltungsleistung gezeigt.
Die Ausgestaltung, bei der der Abstand D zwischen dem Mittelpunkt O der Brennstoffeinspritzöffnung 29a des Brennstoffeinspritzlochs 29 und dem vorderen Endpunkt an der untersten Stufe der gestuften Aussparung 37 als D = d/2 festgelegt ist (d. h. das vordere Ende des Brennstoffeinspritzlochs 29 fällt mit dem vorderen Endpunkt an der untersten Stufe der gestuften Aussparung 37 zusammen), kann mit einer Ausgestaltung kombiniert werden, bei der die gestufte Aussparung 37 eine Stufe hat.
Die Art des in dem Brenner 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Brennstoffs F ist nicht besonders begrenzt. Wie oben beschrieben, wird jedoch durch die Bereitstellung der gestufte Aussparung 37 im Brennstoffeinspritzabschnitt 23 die Flammenerhaltungsleistung für Brennstoff F mit geringerer Reaktivität als Wasserstoffgas besonders deutlich verbessert. Daher ist es beispielsweise möglich, durch die Verwendung des Mischbrennstoffs aus Wasserstoff und Erdgas, das in der oben genannten CFD-Verbrennungsanalyse verwendet wurde, einen stabilen Betrieb zu gewährleisten und gleichzeitig die Brennstoffkosten zu senken.
Wie vorstehend beschrieben, ist es mit dem Gasturbinenbrenner 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine Flamme auch dann stabil aufrechtzuerhalten, wenn Brennstoff F mit vergleichsweise geringer Reaktivität in dem Brenner 3 mit Mehrpunkteinspritzung verwendet wird, wodurch eine NOx-arme Verbrennung erzielt und eine Rückzündung verhindert werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, können zahlreiche Ergänzungen, Modifikationen oder Auslassungen vorgenommen werden, ohne vom Wesentlichen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind solche Ergänzungen, Modifikationen oder Auslassungen so auszulegen, dass sie in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
[Bezugszeichen]

3: Brenner
9: Brennkammer
11: Brennrohr
13: Brennstoffeinspritzvorrichtung
23: Brennstoffeinspritzabschnitt
25: Luftführungsabschnitt
29: Brennstoffeinspritzloch
33: Luftführungsnut
35: Luftführungsfläche
37: gestufte Aussparung
39: untere Wandfläche der gestuften Aussparung
41: Seitenwand der gestuften Aussparung
G: Gasturbinenmotor
P: Zünder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2021090376 [0001]
WO 2015182154 [0005]

Claims

Gasturbinenbrenner, der aufweist: ein Brennrohr, das eine Brennkammer auf einer Innenseite ausbildet; und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, die an einem oberen Abschnitt des Brennrohrs vorgesehen und dazu ausgebildet ist, Brennstoff in die Brennkammer einzuspritzen, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung aufweist einen Brennstoffeinspritzabschnitt mit einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzlöchern, die jeweils dazu ausgebildet sind, den Brennstoff in eine Richtung einzuspritzen, die eine Komponente senkrecht zu einer axialen Richtung der Brennkammer enthält, und mit einer gemeinsamen Brennstoffzufuhrkammer, die dazu ausgebildet ist, den Brennstoff in die Vielzahl von Brennstoffeinspritzlöchern zuzuführen, und einen Luftführungsabschnitt mit einer Luftführungsnut, die dazu ausgebildet ist, Luft für die Verbrennung zu dem aus jedem Brennstoffeinspritzloch eingespritzten Brennstoff zu leiten, wobei der Brennstoffeinspritzabschnitt eine Luftführungsfläche aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Luft für die Verbrennung zu leiten, und die sich in der axialen Richtung der Brennkammer relativ zu dem Brennstoffeinspritzloch nach vorne gerichtet befindet, und eine Brennstoffeinspritzöffnung des Brennstoffeinspritzlochs an einer unteren Wandfläche einer gestuften Aussparung vorgesehen ist, die in einer Stufenform von der Luftführungsfläche ausgespart ist.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, wobei beide Seitenwände der gestuften Aussparung in solch einer Form ausgebildet sind, dass sich ein Abstand zwischen beiden Seitenwänden von einem vorderen Ende der gestuften Aussparung zu einem hinteren Ende derselben hin vergrößert.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gestufte Aussparung in einer Form ausgebildet ist, die mit einer Vielzahl von Stufen ausgespart ist.
Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Beziehung zwischen einem Lochdurchmesser d des Brennstoffeinspritzlochs und einem Abstand D zwischen einem Mittelpunkt der Brennstoffeinspritzöffnung und einem vorderen Ende einer unteren Wand der gestuften Aussparung d/2 ≤ D ≤ 2d ist.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 4, wobei das Brennstoffeinspritzloch an solch einer Position ausgebildet ist, dass ein vorderes Ende der Brennstoffeinspritzöffnung mit dem vorderen Ende der unteren Wand der gestuften Aussparung übereinstimmt.
Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 2 und 3 bis 5, die sich auf Anspruch 2 beziehen, wobei ein Winkel α, der von beiden Seitenwände gebildet wird, in einem Bereich von 0° < α ≤ 80° liegt.