DE2832368A1

DE2832368A1 - GAS TURBINE ENGINE AND METHOD TO REDUCE ITS NO TIEF X EMISSIONS

Info

Publication number: DE2832368A1
Application number: DE19782832368
Authority: DE
Inventors: Thomas Chase Campbell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-07-25
Filing date: 1978-07-22
Publication date: 1979-02-08
Also published as: JPS5440911A; IT7826026A0; SE7808110L; IL54937A0; NO782536L; IT1097387B; FR2398885A1

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady,

New York 12305 (USA) New York 12305 (USA)

Gasturbinentriebwerk und Verfahren zur Verringerung seiner NO -EmissionGas turbine engine and method of reducing its NO emissions

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk, bei dem eine Brennkammer, in der ein Strom verdichteter Luft mit Kraftstoff gemischt und verbrannt wird und ein Kraftstoff zuleitendes System vorhanden ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks mit verringerter NO-Emission und ein Verfahren zur Verringerung der NO_x~Emission eines Gasturbinentriebwerks.The invention relates to a gas turbine engine in which a combustion chamber in which a stream of compressed air is mixed with fuel and burned and a fuel supply system is provided, as well as a method for operating a gas turbine engine with reduced NO emissions and a method for reducing NO _x ~ emission of a gas turbine engine.

In der heutigen umweltbewußten Zeit ist abzusehen, daß die Vorschriften gegen Luftverschmutzung immer schärfer werden und daß es immer schwieriger werden wird, mit den industriellen Emissionswerten die Forderungen zu erfüllen. Diese Umweltüberlegungen werden die Entwicklung von industriellen Energieversorgungsanlagen mit Gasturbinentriebwerken beeinflussen und können eine Verringerung der Abgasemissionswerte erforderlich machen, die bei wirtschaftlichen Kosten ·■ mit der verfügbaren Technologie erreichbar sind. Jedoch geht die Entwicklung bei Gasturbinentriebwerken in Richtung höherer Triebwerkstemperaturen, die, obwohl sie zwangsläufig einen besseren Wirkungsgrad ergeben, zu schlechteren Emissionswerten bei Nitrooxiden (NO ) neigen. In today's environmentally conscious time, it is foreseeable that the regulations against air pollution and that it will become more and more difficult with the industrial Emission values to meet the requirements. These environmental considerations will guide the development of industrial Energy supply systems with gas turbine engines can influence and reduce exhaust emissions required that can be achieved with the available technology at economic costs. However the development in gas turbine engines is in the direction of higher engine temperatures, which, although they are inevitable result in better efficiency, tend to poorer emission values for nitro oxides (NO).

Es ist allgemein bekannt, daß die NO -Bildung exponentiell mit der Flammentemperatur steigt. Es ist auch allgemein be-It is well known that NO formation increases exponentially with flame temperature. It is also commonly used

kannt, daß die NO -Bildung durch Zufuhr von Wasser in flüssigem oder dampfförmigem Zustand in den Verbrennungsprozeß verringert werden kann, um durch diese Wasserzufuhr die Temperatur,auf welche die Luft durch die Verbrennung des Kraftstoffes in der Primärverbrennungszone aufgeheizt wird, zu erniedrigen. Wegen des exponentiellen Anstiegs der NO-Emission mit der Flammentemperatur kann durch eine verhältnismäßig kleine Wasserzufuhr ein verhältnismäßig starke Verringerung der NO -Emission erreicht werden. Weiterhin scheint die jeweilige Art der Wassereinspritzung in das Gasturbinentriebwerk nicht besonders wichtig zu sein. Das Wasser wurde schon unvermischt durch besondere Wasserdüsen als Flüssigkeit oder als Dampf in die Brennkammer eingespritzt. Es wurde sowohl gegen die Strömungsrichtung als auch in der Strömungsrichtung als auch als Seitenstrom durch eigene Wasserkanäle in die Kraftstoffeinspritzvorrichtung in die Brennkammer eingespritzt. Es wurde sogar durch Wasser und Kraftstoff koaxial einspritzende Zweistromdüsen der Brennkammer zugeführt. Obwohl diese Verfahren der Wassereinspritzung für eine Steuerung, der Ν0_χ-Emission brauchbar waren, ergaben sie doch gelegentlich in den Bereichen, in die das Wasser eingespritzt wurde, wegen der örtlichen Temperaturgradienten einige Schwierigkeiten hinsichtlich der Lebensdauer der Bauteile. Tatsächlich haben Versuche mit Meßsonden gezeigt, daß bei Verwendung des Gegenstromverfahrens mit Wassereinspritzung durch die Düse die Temperaturunterschiede in dem Brennkammermaterial von normalerweise 278°C Temperaturunterschied ohne Wassereinspritzung auf 444°C Temperaturunterschied mit Wassereinspritzung anstiegen, wenn hierbei die für eine deutliche Verringerung der NO -Emission notwendige Wassermenge eingespritzt wurde. Wenn diese Temperaturunterschiede auch die Meßergebnisse einer besonderen Meßreihe an Gasturbinentriebwerks-Abschnitten sind, so sind sie doch beispielhaft für die Größenordnung der Temperaturunterschiede, die in den Brennkammern anderer Gasturbinen-knows that the NO formation can be reduced by supplying water in the liquid or vapor state in the combustion process in order to lower the temperature to which the air is heated by the combustion of the fuel in the primary combustion zone by this supply of water. Because of the exponential increase in NO emissions with the flame temperature, a relatively large reduction in NO emissions can be achieved with a relatively small supply of water. Furthermore, the particular type of water injection into the gas turbine engine does not appear to be particularly important. The water was already unmixed and injected into the combustion chamber as a liquid or steam through special water nozzles. It was injected into the fuel injection device in the combustion chamber both against and in the direction of flow and as a side flow through its own water channels. It was even fed into the combustion chamber through two-stream nozzles coaxially injecting water and fuel. Although these methods of water injection _{were useful for controlling Ν0 χ} emissions, they occasionally presented some component life issues in the areas where the water was injected because of local temperature gradients. In fact, tests with measuring probes have shown that when using the countercurrent method with water injection through the nozzle, the temperature differences in the combustion chamber material rose from the normal temperature difference of 278 ° C without water injection to 444 ° C temperature difference with water injection, if this increases the temperature difference significantly necessary amount of water was injected. Even if these temperature differences are the measurement results of a special series of measurements on gas turbine engine sections, they are nevertheless exemplary of the order of magnitude of the temperature differences that occur in the combustion chambers of other gas turbine engines.

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triebwerke gemessen werden könnten.engines could be measured.

Vor kurzem wurde ein Verfahren zum Emulgieren von Kraftstoff und Wasser sowie zum anschließenden Einspritzen des Gemisches durch normale (oder vergrößerte) Kraftstoffdüsen erfolgreich angewendet. Dieses Verfahren weist gegenüber den Systemen, die auf die getrennte Einspritzung von Kraftstoff und Wasser aufbauen, bemerkenswerte Vorteile auf, weil die Kompliziertheit verringert wird, getrennte Düsen eingespart werden können und dementsprechend die Kosten sinken.Recently, a method of emulsifying fuel and water and then injecting the mixture has been proposed successfully applied through normal (or enlarged) fuel nozzles. This procedure points towards the Systems based on the separate injection of fuel and water have notable advantages because of the Complexity is reduced, separate nozzles are saved and the costs are reduced accordingly.

Es gibt ein altes Axiom, wonach Kraftstoff und Wasser nicht mischbar sind. Trotzdem vermischen sie sich - aber nur für kurze Zeit. Anschließend entmischen sie sich mit einer Geschwindigkeit, die eine Funktion des spezifischen Gewichts des Kraftstoffs zu sein scheint. Wenn sich das spezifische Gewicht 1.0 nähert (bei dem der Kraftstoff dieselbe Dichte wie Wasser hat), wird die Entmischungsgeschwindigkeit viel langsamer. Um eine befriedigende Kraftstoffwasseremulsion zu erreichen, bestand das geläufige Verfahren darin, die beiden Flüssigkeiten in einem Homogenisierer zu verarbeiten, in dem jede Flüssigkeit unter sehr hohem Druck steht und durch extrem kleine Sprühdüsen gegen einen harten Prallblock aufprallend in einer gewöhnlichen Mischkammer versprüht wird. Durch den Aufprall zerstäubt jede Flüssigkeit in extrem kleine Tröpfchen, die innig zu einer homogenen Flüssigkeit vermischt oder emulgiert werden. Die anschließende Entmischungsgeschwindigkeit ist wegen der Innigkeit oder Feinheit der Emulsion augenscheinlich verlangsamt. Diese Vorrichtung zum Homogenisieren ist natürlich sehr voluminös und teuer.There is an old axiom that fuel and water are immiscible. Nevertheless, they mix - but only for short time. They then segregate at a rate that is a function of specific gravity of fuel seems to be. As the specific gravity approaches 1.0 (where the fuel has the same density like water), the rate of segregation becomes much slower. A satisfactory fuel water emulsion To achieve this, the common procedure was to process the two liquids in a homogenizer, in which every liquid is under very high pressure and through extremely small spray nozzles against a hard baffle block is sprayed impingely in an ordinary mixing chamber. The impact atomizes any liquid into extremely small droplets that are intimately mixed or emulsified to form a homogeneous liquid. The subsequent The speed of segregation is because of the intimacy or fineness of the emulsion apparently slowed down. This device for homogenizing is, of course, very bulky and expensive.

Weil die Verringerung der NO_x-Emission durch Wasser nur eine Funktion der Wasserkonzentration ist, ist das Emulsionsverfahren auch nur ein mögliches Mittel, um sicherzustellen, daß jede Kraftstoffdüse mit derselben Menge Kraftstoff und WasserAlso, because the reduction in NO _x emissions by water is only a function of the water concentration, the emulsion process is just one possible means of ensuring that each fuel nozzle is receiving the same amount of fuel and water

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wie alle übrigen Düsen versorgt wird. Da alle Kraftstoffdüsen von einer gemeinsamen Druckquelle (üblicherweise eine KraftstoffVerteilungsleitung) gespeist sind, werden jeweils alle von derselben Flüssigkeitsmenge, sei es Kraftstoff, Wasser oder eine Kraftstoffwasseremulsion durchströmt. Falls vor dem Verbrennen eine Entmischung auftritt, werden einige Kraftstoffdüsen von mehr Kraftstoff (oder Wasser) als andere durchströmt und erzeugen somit in dem Gasturbinentriebwerk unzulässige Temperaturverteilungen. Tatsächlich wurde gefunden, daß Abweichungen in der Kraftstoffmenge zwischen den einzelnen Kraftstoffdüsen von mehr als 10 % normalerweise unerwünscht sind. Kraftstoff und Wasser müssen, kurz gesagt, soweit miteinander vermischt oder emulgiert werden, wie es zur Sicherstellung einheitlicher Durchflüsse durch die an der Kraftstoffverteilerleitung angeschlossenen Kraftstoffdüsen erforderlich ist. Da die bekannten Emulgierer und Homogenisierer zwangsläufig kompliziert, schwer und teuer sind, ist die Entwicklung eines einfachen Emulgierers,der nur die Forderung nach einheitlicher Kraftstoffverteilung zwischen den an der KraftstoffVerteilerleitung angeschlossenen Kraftstoffdüsen erfüllt, vorteilhaft. like all other nozzles is supplied. As all fuel nozzles are fed by a common pressure source (usually a fuel distribution line) in each case all of the same amount of liquid, be it fuel, water or a fuel-water emulsion flowing through it. If segregation occurs before burning, some fuel nozzles will be turned off by more fuel (or water) than others and thus generate in the gas turbine engine impermissible temperature distributions. Indeed, it has been found that discrepancies in the amount of fuel between the individual fuel nozzles by more than 10% normally are undesirable. In short, fuel and water must be mixed or emulsified with one another as it is to ensure uniform flows through those connected to the fuel rail Fuel nozzles is required. As the well-known emulsifier and homogenizers inevitably complicated, heavy and expensive is the development of a simple emulsifier that only the demand for uniform fuel distribution fulfilled between the fuel nozzles connected to the fuel distribution line, advantageous.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei dem die Bildung von N0„ durch ein vereinfachtes Verfahren der Wassereinspritzung verringert wird. Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen werden, das die NO -Emission aus der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkjs durch ein vereinfachtes Verfahren der Wassereinsprit-: zung verringert. Außerdem soll ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks mit Wassereinspritzung geschaffen werden, die den zwischen mehreren Kraftstoffdüsen auftretenden Unterschied im Kraftstoffgehalt des Gemisches dadurch minimiert, daß die Entmischungszeit des Kraftstoffes und des Wassers verlängert wird.The object of the invention is therefore to create a gas turbine engine in which the formation of N0 "by a simplified method of water injection is reduced. Furthermore, a method is to be created that NO emissions from the combustion chamber of a gas turbine engine through a simplified procedure of water injection: reduction. In addition, a method is to be created for operating a gas turbine engine with water injection that counteracts the occurrence between a plurality of fuel nozzles Difference in the fuel content of the mixture as a result minimizes the fact that the separation time of the fuel and the water is increased.

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Zur Lösung dieser Aufgabe sind das eingangs genannte Gasturbinentriebwerk und das Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks sowie das Verfahren zur Verringerung der NO -Emission eines Gasturbinentriebwerkes durch die Merkmale des Hauptanspruchs sowie der Nebenansprüche 3, 4 und 6 gekennzeichnet.The gas turbine engine mentioned at the beginning is used to solve this problem and the method of operating a gas turbine engine and the method of reducing the NO emissions of a gas turbine engine through the features of the main claim and the secondary claims 3, 4 and 6 marked.

Bei der getrennten Zufuhr des Kraftstoffs und des Wasserstromes durch im wesentlichen rechtwinklig zueinanderstehender Einlasse eines gebräuchlichen T-Stückes, in dem die beiden Ströme im wesentlichen rechtwinklig am Ort ihres Zusammenflusses aufeinandertreffen, entsteht eine turbulente Vermischung. Das entstehende Gemisch bleibt für die kurze Zeit, welche bis zum Einspritzen in die Brennkammer erforderlich ist, homogen, insbesondere dann, wenn die Strömung zum Einspritzen turbulent bleibt. Es wurde festgestellt, daß das Gemisch bei einem knapp über 0,7 liegenden Kraftstoffwasser-Mischungsverhältnis (für Dieselkraftstoff Nr. 2) in eine homogene Paste überzugehen beginnt, die eine wesentlich langsamere Entmischungsgeschwindigkeit aufweist. Auf diese Weise kann die prozentuale Abweichung im Kraftstoffgehalt bei mehreren Kraftstoffdüsen, die von einei gemeinsamen, das Gemisch verteilenden KraftstoffVerteilerleitung gespeist werden, verringert werden. Versuche mit Meßsonden haben gezeigt, daß anstelle einer Vergrößerung der Temperaturunterschiede in der Brennkammer, wie diese bei getrennter Einspritzung von Kraftstoff gemessen wurden, bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Kraftstoffwasseremul- · sion deutliche Verringerungen der Temperaturunterschiede auftreten, was auf eine Verlängerung der Brennkammerlebensdauer hinausläuft.With the separate supply of the fuel and the water flow through substantially at right angles to one another Inlets of a common T-piece in which the two streams are essentially at right angles to their location Confluence, a turbulent one arises Mixing. The resulting mixture remains for the short time until it is injected into the combustion chamber is required, homogeneous, especially if the flow for injection remains turbulent. It was determined, that the mixture is at a fuel-water mixing ratio of just over 0.7 (for diesel fuel No. 2) begins to turn into a homogeneous paste, which has a much slower demixing rate having. In this way, the percentage deviation in the fuel content for several fuel nozzles, which are from one common fuel distribution line that distributes the mixture be fed, be reduced. Tests with measuring probes have shown that instead of increasing the Temperature differences in the combustion chamber, as measured when fuel was injected separately, at the use of the fuel water emulsions according to the invention sion, significant reductions in temperature differences occur, which indicates an extension of the combustion chamber service life runs out.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In the drawing, an embodiment of the subject matter of the invention is shown. Show it:

Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Veränderung der NO -Emission eines1 shows a diagram to illustrate the change in the NO emissions of a

der Flammentemperatur,the flame temperature,

der NO -Emission eines Gasturbinentriebwerks mitthe NO emissions of a gas turbine engine

Fig. 2 ein Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung in einem teilweisen Querschnitt, in schematischer Darstellung,Fig. 2 shows a gas turbine engine according to the invention in a partial cross-section, in schematic Depiction,

Fig. 3 eine Kraftstoffwasser-Mischvorrichtung des Gegenstands der Erfindung nach Fig. 2 in Verbindung mit den Brennkammerkraftstoffdüsen in vergrößerter, schematischer Darstellung,3 shows a fuel water mixing device of the subject of the invention according to FIG. 2 in connection with the combustion chamber fuel nozzles in an enlarged, schematic representation,

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung der Wassereinspritzung auf die NO -Emission bei getrennter Einspritzung von Kraftstoff und Wasser oder bei Einspritzung einer emulgierten Mischung von Kraftstoff und Wasser und4 shows a diagram to illustrate the effect of water injection on NO emissions separate injection of fuel and water or when injecting an emulsified mixture of fuel and water and

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zustandswechsels einer Kraftstoffwassermischung bei Veränderung des Kraftstoffwasserverhaltnxsses.5 shows a diagram to illustrate the change in state of a fuel-water mixture when there is a change the fuel water ratio.

In den Figuren entsprechen gleiche Ziffern durchwegs gleichen Bauteilen; Fig. 1 zeigt in graphischer Darstellung den exponentiellen Zusammenhang zwischen der Erzeugung von NO (dargestellt als dimensionsloser NO -Index) und der Flammentemperatur in einem Gasturbinentriebwerk. Die Kurve 10 gibt den Ort der dieses Phänomen beschreibenden Testwerte an. Die NO -Erzeugung kann, wie allgemein bekannt, durch Ein-In the figures, the same numbers correspond to the same components throughout; Fig. 1 shows the graphical representation exponential relationship between the generation of NO (shown as a dimensionless NO index) and the flame temperature in a gas turbine engine. Curve 10 indicates the location of the test values describing this phenomenon. As is well known, NO production can be achieved by

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spritzen von Wasser in flüssigem oder dampfförmigem Zustand in den Verbrennungsvorgang gesteuert werden, weil hierdurch die Flammenspitzentemperaturen erniedrigt werden; und da die NO -Erzeugung von der Flammentemperatur exponentiell abhängt, kann, wie aus Fig. 1 erkennbar, das Einspritzen von verhältnismäßig kleinen Wassermengen eine starke Verringerung des NO -Anteils herbeiführen. Die unten beschriebene Erfindung betrift die Verringerung der NO -Emission eines Gasturbinentriebwerks und verwirklicht ein Verfahren der Verringerung der NO -Emission durch Einspritzen von Wasser, wie es aus Fig. 1 hervorgeht.splashing water in a liquid or vapor state be controlled in the combustion process, because this lowers the flame peak temperatures; and there the NO generation from the flame temperature Depends exponentially, as can be seen from Fig. 1, the injection of relatively small amounts of water a bring about a strong reduction in the NO content. The invention described below is directed to reducing the NO emission of a gas turbine engine and realizes a method of reducing NO emission by injection of water, as can be seen from FIG.

Wenn auch an sich Gasturbinentriebwerke heute bekannt sind, so kann durch eine kurze Beschreibung eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks das Verständnis für das Zusammenwirken der verschiedenen Komponenten im erfindungsgemäßen Sinne erleichtern. In Fig. 2 ist ein neues Gasturbinentriebwerk 12 in Industrieausführung bzw. zum Einsatz auf Schiffen schematisch gezeigt. Bei diesem Gasturbinentriebwerk sei angenommen, daß es ein Basistriebwerk 14 und eine unabhängige Leistungsturbine 16 aufweist. Das Basistriebwerk 14 besteht u. a. aus einem Axialverdichter 18, der einen mit Schaufeln besetzten Verdichterläufer 20 aufweist. In einen Einlaß 22 einströmende Luft wird in dem Verdichter 18 verdichtet und dann in eine Brennkammer 24 ausgestoßen, in der die Luft in bekannter Weise mit Kraftstoff gemischt und verbrannt wird, um so energiereiche Abgase zu erzeugen, die eine Turbine 26 des Basistriebwerks 14 antreiben »Die Turbine 26 treibt ihrerseits mit Hilfe einer Turbinenwelle 28 den Läufer des Verdichters 18 an. Die heißen Verbrennungsgase durchströmen und treiben die Leistungsturbine 16, welche nunmehr einen Energieverbraucher (nicht dargestellt) mittels einer Antriebswelle 30 antreibt. Durch die Wirkung der heißen, die Leistungsturbine 16 antreibenden Verbrennungsgase wird somit mechanische Leistung erzeugt. Die entstehenden Verbrennungsprodukte werden ge-Even if gas turbine engines are known today, so a brief description of an exemplary gas turbine engine can provide an understanding of the interaction facilitate the various components in the sense of the invention. In Fig. 2 is a new gas turbine engine 12 in industrial design or for use on ships is shown schematically. In this gas turbine engine assume that it has a base engine 14 and an independent power turbine 16. The base engine 14 consists inter alia. from an axial compressor 18 which has a compressor rotor 20 fitted with blades. Air flowing into an inlet 22 is compressed in the compressor 18 and then expelled into a combustion chamber 24, in which the air is mixed with fuel in a known manner and burned to produce high-energy exhaust gases generate, which drive a turbine 26 of the base engine 14 »The turbine 26 in turn drives with the help of a Turbine shaft 28 to the rotor of the compressor 18. The hot combustion gases flow through and drive the power turbine 16, which now drives an energy consumer (not shown) by means of a drive shaft 30. By the action of the hot, the power turbine 16 driving Combustion gases thus generate mechanical power. The resulting combustion products are

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sammelt und durch eine Austrittsdüse 32, welche in einigen Anwendungsfällen auch eine Schubdüse sein kann, ausgestoßen. Die obige Beschreibung eines Gasturbinentriebwerks ist beispielhaft für viele heutige Gasturbinentriebwerke zur industriellen Energieerzeugung und zum Schiffsantrieb; der Einsatz der Erfindung beschränkt sich aber nicht nur auf diese Triebwerke, sondern aus dem folgenden wird ersichtlich, daß die Erfindung bei jedem Gasturbinentriebwerk, sei es ein Turbinenluftstrahl-, ein Turbinenpropeller- oder eine Turbinenwellenausführung, einsetzbar ist. Die vorhergehende Beschreibung der Wirkungsweise eines Gasturbinentriebwerks nach Fig. 2 soll deshalb nur einen Anwendungsfall erläutern. collects and through an outlet nozzle 32, which in some Applications can also be a thrust nozzle, ejected. The above description of a gas turbine engine is exemplary of many of today's industrial gas turbine engines Power generation and ship propulsion; the use of the invention is not limited to these engines, but from the following it will be seen that the invention applies to any gas turbine engine, be it a turbine air jet, a turbine propeller or a turbine shaft design can be used. The previous one Description of the mode of operation of a gas turbine engine according to FIG. 2 is therefore intended to explain only one application.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Emulgieren von Kraftstoff und Wasser, um sowohl die NO -Emission eines Gasturbinentriebwerks zu verringern, als auch eine gleichmäßigere Kraftstoffwasserverteilung in der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks zu erreichen. Fig. 3 stellt eine Vorrichtung dar, die das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht. Wenn dem Kraftstoff-Zuleitungssystem eines Gasturbinentriebwerks über ein einfaches T-Stück 34 Wasser zugeführt wird, so wurde überraschenderweise festgestellt, daß bereits eine ausreichende Homogenisierung des Gemisches erfolgt. Im einzelnen ist das T-Stück 34 mit einem ersten Einlaß 36 für einen Kraftstoffstrom und einem zweiten Einlaß 38 für einen Wasserstrom versehen. Mit den Einlassen 36 bzw. 38 sind Rohre oder Rohrleitungen 40, 42 verbunden, " die Teile des zugehörigen Kraftstoff- und Wasserzuleitungssystems darstellen. Die Wasser- und Kraftstoffströme sind weder Sprühnebel noch Nebel, sondern RohrleitungBströmungen und treffen am Ort ihres Zusammenflusses in dem T-Stück 34 rechtwinklig aufeinander, um in diesem eine Turbulenzmischung hervorzurufen. Aus einem einzigen Auslaß 44 strömt das Gemisch in ein Rohr 46 aus, welches das Gemisch einem Strömungsteiler 48 zuführt. Jeder Strömungsteilerast 50The invention provides an apparatus for emulsifying Fuel and water to both reduce NO emissions from a gas turbine engine and make them more uniform Fuel water distribution in the combustion chamber of the gas turbine engine. Fig. 3 illustrates a Device that implements the method according to the invention. If the fuel supply system of a gas turbine engine via a simple T-piece 34 water is supplied, it was surprisingly found that a sufficient homogenization of the mixture he follows. In particular, the tee 34 is provided with a first inlet 36 for a flow of fuel and a second inlet 38 provided for a flow of water. With the inlets 36 and 38, respectively, pipes or pipelines 40, 42 are connected, "which represent parts of the associated fuel and water supply system. The water and fuel flows are neither spray nor mist, but pipeline flows and meet at the point of their confluence in the tee 34 at right angles to one another in order to create a turbulence mixture in this to evoke. From a single outlet 44, the mixture flows into a pipe 46, which the mixture a Flow divider 48 supplies. Each flow divider branch 50

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steht mit jeweils einer im wesentlichen halbkreisförmigen KraftstoffVerteilungsleitung 52 in Verbindung, welche eine Anzahl von Kraftstoffdüsen 54 speist, die in einer bei Gasturbinentriebwerken üblichen Weise am strömungsmäßig vorderen Ende der Brennkammer 24 (vergl. Fig. 2) angeordnet sind.is in communication with a substantially semicircular fuel distribution line 52, which is a Number of fuel nozzles 54 feeds in one at Gas turbine engines are conventionally arranged at the front end of the combustion chamber 24 in terms of flow (see FIG. 2) are.

Wenn unter Bedingungen/die zur Erzeugung einer Turbulenzmischung ausreichen (z. B. bei einer Turbulenz Reynold's Zahl) Kraftstoff und Wasser in das T-Stück 34 einströmen, erfolgt eine genügende Homogenisierung, so daß die jeder Kraftstoffdüse 54 zugeführten Anteile an Kraftstoff und Wasser ausreichend gleichmäßig gemischt sind. Bei Versuchen, die unter Verwendung eines T-Stücks 34 mit einem Wassereinlaß 38 von 9,3 mm Durchmesser und mit einem Kraftstoffeinlaß von 15,9 mm Durchmesser und Dieselkraftstoff Nr. 2 als Brennstoff durchgeführt wurden, konnte eine Abweichung von 1 % Kraftstoffgehalt an der jeweiligen Auslaßöffnung der Strömungsteileräste 50 gemessen werden. An einem Abschnitt der Kraftstoffverteilerleitung 52 mit 15 Kraftstoffdüsen 54 wurde an der Kraftstoffdüsen-Auslaßöffnung eine Veränderung von 3,5 % (größter Wert minus kleinster Wert, dividiert durch den Mittelwert) des Kraftstoffgehalts des Gemisches festgestellt. Bei Verwendung von JP4-Kraftstoff betrug die Abweichung des Kraftstoffgehalts an den Kraftstoffdüsen-Auslässen 10 %. Wenn der Durchmesser des Wassereinlasses auf 7,9 mm verkleinert wurde, stieg die prozentuale Abweichung (bei ^Diese 1-Kraftstoff Nr. 2) des Kraftstoffgehaltes· zwischen den Strömungsteilerästen 50 von 1 % auf bis zu 7,8 % an; sie liegt jedoch noch innerhalb annehmbarer Grenzen. Für einen Großteil des Unterschiedes kann die Versuchsgenauigkeit verantwortlich sein.If fuel and water flow into the T-piece 34 under conditions / which are sufficient to produce a turbulence mixture (e.g. with a turbulence Reynold's number), sufficient homogenization takes place so that the proportions of fuel and water supplied to each fuel nozzle 54 are sufficient are evenly mixed. In tests carried out using a tee 34 with a water inlet 38 of 9.3 mm diameter and a fuel inlet of 15.9 mm diameter and diesel fuel No. 2 as fuel, a deviation of 1% fuel content in the respective outlet opening of the flow divider branches 50 are measured. On a section of the fuel rail 52 with 15 fuel nozzles 54, a change of 3.5% (largest value minus smallest value divided by the mean value) in the fuel content of the mixture was found at the fuel nozzle outlet opening. When using JP4 fuel, the deviation in the fuel content at the fuel nozzle outlets was 10%. When the diameter of the water inlet was reduced to 7.9 mm, the percentage deviation rose (at ^T hese 1-fuel no. 2) of the fuel content · between the flow divider 50 branches from 1% to up to 7.8% of; however, it is still within acceptable limits. The accuracy of the experiment can be responsible for a large part of the difference.

Bei Gasturbinentriebwerken treten solche Werte für die Strömungsgeschwindigkeit auf, daß die Zeit, die vergeht, bis das Gemisch von dem T-Stück 34 (dieses ist bei prakti-In gas turbine engines such values occur for the flow velocity that the time which elapses until the mixture from the T-piece 34 (this is practical

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sehen Ausführungen strömungsmäßig kurz vor der Kraftstoffverteilerleitung 52 angeordnet) zu der entferntes Kraftstoff düse 54 gelangt, nur wenige Sekunden beträgt, womit diese Zeit innerhalb der Standzeit der Emulsion liegt (die Zeit, bevor eine deutliche Entmischung auftritt). Der Wert der Turbulenz in der Kraftstoffverteilungsleitung 52 sorgt zusätzlich dafür, daß die Standzeit verlängert wird, weil die zwangsläufig auftretenden, hohen Strömungsgeschwindigkeiten eher das Vermischen als das Entmischen begünstigen. Weiterhin können, obwohl Fig. 3 ein rechtwinkliges T-Stück 34 zeigt, auch andere Winkel als 90 am Ort des Zusammenflusses verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Mischung und die Strömung am Ort des Zusammenflusses so turbulent sind, daß die zwei ineinander nichtlöslichen Flüssigkeiten homogenisiert werden. see versions in terms of flow shortly before the fuel rail 52 arranged) reaches the remote fuel nozzle 54, only a few seconds, which means this time is within the service life of the emulsion (the time before significant segregation occurs). The amount of turbulence in the fuel rail 52 also ensures that the service life is extended because the inevitably occurring high flow velocities result in mixing rather than unmixing favor. Furthermore, although Fig. 3 shows a right-angled tee 34, angles other than 90 am may be used Place of confluence may be used provided that the mixture and flow are at the point of confluence are so turbulent that the two mutually insoluble liquids are homogenized.

Unter Anwendung der Erfindung durchgeführte Versuche haben ergeben, daß bei Verwendung des emulgierten Kraftstoff wassergemisches die erzielte Verringerung der NO -Emission um einiges größer ist als bei getrennter Wassereinspritzung. Fig. 4 zeigt einen Vergleich der NO -Emissionswerte, die bei diesem Versuch gemessen wurden. Beispielsweise würde eine Verringerung der NO„-Emission um 50 % ein Wasserkraftstoff-Mischungsverhältnis von 0,6 erfordern, falls das Wasser getrennt eingespritzt würde. Dieselbe Verringerung der NO -Emission kann mit einem Mischungsverhältnis von 0,4 er-Have experiments carried out using the invention show that when using the emulsified fuel water mixture the reduction in NO emissions achieved is considerably greater than with separate water injection. Fig. 4 shows a comparison of the NO emission values that were measured in this experiment. For example, would a 50% reduction in NO “emissions would require a hydro-fuel mix ratio of 0.6 if the water would be injected separately. The same reduction in NO emissions can be achieved with a mixing ratio of 0.4

zielt werden, wenn das Gemisch erfindungsgemäß emulgiert ist. ·■are aimed when the mixture is emulsified according to the invention is. · ■

Der Gegenstand der Erfindung kann bei einem Gasturbinentriebwerk, wie bei dem beispielhaften Industriegasturbinentriebwerk nach Fig. 2, angewandt werden, wobei dieses Gasturbinentriebwerk 12 ein Kraftstoff-Zuleitungssystem 56 aus folgenden Baugruppen aufweist: ein Kraftstofftank 58, aus dem Kraftstoff herausgepumpt wird, der durch eine bekannte Kraftstoffregeleinrichtung 60 strömt, welche auf durch das Bedienungs-The object of the invention can be in a gas turbine engine, as in the exemplary industrial gas turbine engine of FIG. 2, this gas turbine engine 12 has a fuel supply system 56 from the following assemblies: a fuel tank 58 from which fuel is pumped out by a known fuel control device 60 flows, which through the operating

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personal vorgenommene Leistungshebeleinstellung anspricht und gemessene Parameter des Gasturbinentriebwerks abtastet und ausgleicht. Aus der Kraftstoffregeleinrichtung 60 strömt der Kraftstoff in den Kraftstoffeinlaß 3 6 des T-Stücks 34. Aus einem Wassertank 62 wird Wasser durch ein Ventil 64, welches um das gewünschte Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Wasser aufrechtzuerhalten, von einem Ausgang der Kraftstoff regeleinrichtung 60 aus entsprechend gesteuert ist, in den Wassereinlaß 38 gepumpt. Derartige Regeleinrichtungen sind bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.responds personally made throttle setting and scans measured parameters of the gas turbine engine and balances. From the fuel control device 60, the fuel flows into the fuel inlet 36 of the T-piece 34. From a water tank 62 is water through a valve 64, which is adjusted to the desired mixing ratio of fuel and to maintain water is controlled accordingly from an output of the fuel regulating device 60, in the water inlet 38 is pumped. Such control devices are known and are not the subject of the invention.

Wenn das Wasserkraftstoff-Mischungsverhältnis bei Dieselkraftstoff Nr. 2 einen Wert von 0,7 übersteigt, so wurde festgestellt, daß die Konsistent der Emulsion langsam von in Kraftstoff suspensierten Wassertropfen in eine homogene Paste übergeht, wobei die pasteuse Konsistenz vollständig erreicht ist, wenn das Mischungsverhältnis sich 1,0 nähert. In Fig„ 5 ist dieser Vorgang durch die durchgezogene Linie verdeutlicht. Während das normale Gemisch von in Kraftstoff suspensierten Wassertropfen nur wenige Minuten zum Entmischen benötigt, erfordern die homogenen pasteusen Gemische zwei bis acht Stunden zum Entmischen. Diese verringerte Neigung zum Entmischen bedeutet offensichtlich, daß zwischen den vielen Kraftstoffdüsen 54 eine gleichmäßigere Kraftstoffverteilung erreicht werden kann und daß das mischende T-Stück 34 von den Kraftstoffdüsen 54 weiter entfernt angeordnet werden kann. Mit JP4-Kraftstoff durchgeführte Versuche ergaben, daß das pasteuse Gemisch sich bei einem Wasserkraftstoff-Mischungsverhältnis von 1,4 bildet.When the hydro fuel mix ratio for diesel fuel No. 2 exceeds 0.7 the consistency of the emulsion has been found to be slow to decrease Drops of water suspended in fuel turn into a homogeneous paste, the paste-like consistency being complete is reached when the mixing ratio approaches 1.0. In FIG. 5, this process is indicated by the solid line made clear. While the normal mixture of water droplets suspended in fuel only takes a few minutes If segregation is required, the homogeneous pasty mixtures require two to eight hours to separate. This reduced tendency to segregate obviously means that between the multiple fuel nozzles 54 a more even fuel distribution can be achieved and that the mixing T-piece 34 is located further away from the fuel nozzles 54 can be. Experiments carried out with JP4 fuel indicated that the pasty mixture was at a hydro-fuel mix ratio of 1.4 forms.

Nachdem sich die Paste gebildet hatte und der Wasserfluß geringfügig verringert worden war, ergab sich interessanterweise bis zu einer Verringerung, des Wasserkraftstoff-Mischungsverhältnisses von 0,9 auf 0,65 keine besonders auffallende Änderung in der Konsistenz, wie dies durch die gestrichelteAfter the paste was formed and the water flow slightly Interestingly, up to a decrease, the hydro-fuel mix ratio was reduced from 0.9 to 0.65 no particularly noticeable change in consistency, as indicated by the dashed line

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Linie 66 in Fig. 5 angedeutet ist. Das pasteuse Gemisch wird, wenn dieser Punkt erreicht ist, dickflüssig und wechselt von der Konsistenz von Schlagsahne in die Konsistenz von Ölfarbe. Weiteres Verringern des Wasserkraftstoff-Mischungsverhältnisses bringt das Gemisch in seinen, normalen Suspensionszustand zurück. Wie Versuche zeigen, gibt es unter gleichen Arbeitsbedingungen bei pasteuser Emulsion kein deutliches Ansteigen des Kraftstoffdrucks in der Kraftstoffverteilungsleitung 52. Da das Wasserkraftstoff-Mischungsverhältnis, bei dem der Übergang zu dem pasteusen Gemisch erfolgt, oberhalb des normalen Arbeitsbereichs einiger Gasturbinentriebwerke liegen kann, ist es u. U. vorteilhaft, anfangs auf hohe Wasserkraftstoff-Mischungsverhältnisse zu gehen, um die Pastenbildung auszulösen und dann anschließend das Wasserkraftstoff-Mischungsverhältnis zu verringern, um so bei gleichzeitigem Verweilen auf der gestrichelten Linie 66 nach Fig. 5 den Vorteil des hysterese-ähnlichen Phänomens zu nutzen, wonach die pasteuse Konsistenz mit kleineren Wasserkraftstoff-Mischungsverhältnissen als auf der durchgezogenen Linie 66 von Fig. 5 aufrechterhalten werden kann.Line 66 in Fig. 5 is indicated. The pasty mixture is when this point is reached, it becomes thick and changes from the consistency of whipped cream to the consistency of oil paint. Decreasing the hydro-fuel ratio further brings the mixture into its normal state of suspension return. As tests show, there is no such thing as a paste emulsion under the same working conditions significant increase in fuel pressure in the fuel rail 52. Since the hydro-fuel mix ratio, which makes the transition to the pasty mixture, above the normal operating range of some gas turbine engines it may be advantageous to start with high hydro-fuel mix ratios to start the paste formation and then subsequently reduce the hydro-fuel mix ratio to Thus, while at the same time lingering on the dashed line 66 according to FIG. 5, the advantage of the hysteresis-like phenomenon to use, according to which the pasty consistency with smaller hydro-fuel mixing ratios than can be maintained on the solid line 66 of FIG.

Das zur Pastenbildung führende Phänomen kann vermutlich mit Hilfe des großen Unterschieds zwischen den Oberflächenspannungen beider Flüssigkeiten erklärt werden. Die Einwirkung einer großen Schubspannung auf das zweiphasige Gemisch führt zu einer stärkeren Aufteilung in der Kraftstoffphase als in der Wasserphase. Zunächst befindet sich der Kraftstoff in einer zusammenhängenen Phase, während das Wasser verhältnismäßig große Tröpfchen bildet, die sich schnell entmischen. Wenn die Wasserzufuhr·anhält, wird ein Punkt erreicht, an dem eine Phasenumkehr stattfindet und das Wasser in die zusammenhängende Phase übergeht, in der der Kraftstoff in verhältnismäßig kleinen Tröpfchen und somit geringerer Möglichkeit zum Koagulieren und Entmischen darin suspensiert ist. Dies ist die oban als Paste bezeichnete Emulsion, die wahrscheinlich eher eine PseudoflüssigkeitThe phenomenon leading to paste formation can presumably with the help of the large difference between the surface tensions both liquids are explained. The effect of a large shear stress on the two-phase mixture leads to a stronger split in the fuel phase than in the water phase. First of all, the fuel is in a coherent phase, while the water is proportionate forms large droplets that separate quickly. If the water supply stops, a point becomes reached, at which a phase inversion takes place and the water passes into the continuous phase in which the Fuel in relatively small droplets and therefore less chance of coagulating and separating in them is suspended. This is the emulsion called a paste, which is probably more of a pseudo-liquid

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ist als eine Newton'sehe Flüssigkeit (wie beispielsweise Kraftstoff und Wasser allein). Durch Zufuhr großer Mengen von Kraftstoff in das Gemisch kann der Vorgang umgekehrt werden, obwohl die Schubwirkung fortdauert.is as a Newtonian liquid (such as Fuel and water alone). By supplying large quantities of fuel into the mixture, the process can be reversed, although the thrust effect continues.

Die Erfindung umfaßt alle Ausführungsformen, bei der zwei Röhrströmungen, von denen eine aus Kraftstoff und die andere aus Wasser besteht, turbulent so zusammengeführt werden, daß keine komplizierten Homogenisierer benötigt werden. Wenn sich auch, wie gezeigt, ein einfaches T-Stück 34 als wirkungsvoll erwiesen hat, so ist doch das obige Ausführungsbeispiel nur eine mögliche Anordnung zum unmittelbaren Vermischen der beiden Flüssigkeiten mit Hilfe einer Turbulenzmischung, um ein homogenes Gemisch zu erhalten. Es ist auch möglich, daß die Strömungen am Ort ihres Zusammentreffens unter einem anderen Winkel als 90° zueinander eingespritzt werden, vorausgesetzt, daß die Mischung turbulent erfolgt (d.h. bei einer Reynold's Zahl abläuft, die bei der zum direkten Mischen jeweils eingesetzten Vorrichtung eine turbulente Strömung ergibt).The invention encompasses all embodiments in which two tubular flows, one of which is fuel and the other consists of water, are brought together in a turbulent manner in such a way that no complicated homogenizers are required. if Also, as shown, a simple T-piece 34 has proven effective, the above embodiment is only one possible arrangement for direct mixing of the two liquids with the help of turbulence mixing in order to obtain a homogeneous mixture. It it is also possible for the flows to be injected at an angle other than 90 ° to one another at the point where they meet provided that the mixing is turbulent (i.e., at a Reynold's number that occurs at the the device used for direct mixing results in a turbulent flow).

Claims

Iy gas turbine engine with a combustion chamber in which a Stream of compressed air mixed with fuel and burned and one for the combustion chamber fuel feeding system, characterized in that a device (34) for direct merging of a Having fuel flow with a water flow through which the two streams can be mixed in a turbulent manner before they are fed into the combustion chamber (24).

2. Gas turbine engine according to claim 1, characterized in that that the device (34) for merging a simple, in the fuel supply system (56) arranged T-piece (34) which has a first inlet (36) for the flow of fuel and a second Has inlet (38) for the water flow, and in which the two streams at the point of their confluence with generation of the turbulent mixing in the T-piece (34) meet essentially at right angles to one another.

3. Procedure for reducing NO emissions from a Gas turbine engine with a combustion chamber in which a compressed air stream mixed with fuel and burned is and a fuel supply system for the combustion chamber, which has a device for merging of fuel and water in the fuel supply system to thereby the temperature to which the air is heated by the fuel combustion,

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ORIGINAL INSPECTED

to lower, characterized in that there are separate pipe flows of fuel and water at the location their confluence running at right angles to each other are brought together in the mixing device and therein a turbulent mixing is generated.

4. A method for operating a gas turbine engine with a combustion chamber in which a compressed air flow with Fuel is mixed and burned, with reduced NO emissions in the combustion products, characterized by that the fuel is mixed with water to form a homogeneous paste before it is fed into the combustion chamber and thereby lowering the temperature to which the air is heated by the fuel combustion and minimizing fuel and water segregation prior to combustion.

5. The method according to claim 4, characterized in that separate pipe flows of fuel and water in ein.T-Stück are brought together in such a way that the two currents at the point of their confluence in the meet at right angles to each other and become turbulent to form a homogeneous paste mix.

6. A method for operating a gas turbine engine with a combustion chamber in which a compressed air flow with Fuel is mixed and burned, with reduced NO emissions in the combustion products, characterized by the fact that the fuel mixed with water increases the water-fuel mixture ratio for so long until the consistency of a homogeneous paste is reached and that then the homogeneous paste of the combustion chamber is fed.

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7. The method according to claim 6, characterized in that after the formation of the paste, the water fuel mixture ratio is reduced to a value that is greater than that at which the mixture has its homogeneous, pasty consistency loses.

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