DE3239195A1

DE3239195A1 - Gas-brennstoffinjektor fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3239195A1
Application number: DE19823239195
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Douglas Earnsford Grange Coventry Willis
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-11-07
Filing date: 1982-10-22
Publication date: 1983-05-26
Also published as: JPS58107818A; GB2109532B; US4483138A; FR2516169A1; GB2109532A

Description

Gas-Brennstoff injektor für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffinjektor für Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf solche Brennstoffinjektoren_s die unterschiedliche gasförmige Brennstoffe mit unterschiedlichen kalorimetrischen Werten in die Brennkammer einer industriellen Gasturbinenanlage einblasen können.

Wenn eine solche Triebwerksanlage mit Leerlaufdrehzahl läuft, dann ändert sich der Wirkungsgrad (^) als Funktion der Gasgeschwindigkeit am Austritt des Brennstoffinjektors« Der Wirkungsgrad der Verbrennung zeigt wenn er als Funktion der Gasgeschwindigkeit (v) aufgetragen wird, einen Spitzenwert und bereits kleine Änderungen der Gasgeschwindigkeit führen zu starker Verminderung des Wirkungsgrads der Verbrennung.

Es hat sich gezeigt, daß dann wenn die Geschwindigkeiten der verschiedenen gasförmigen Brennstoffe und der vom Kompressor gelieferten Druckluft am Einlaß der Brennkammer aneinander angepaßt sind, der Wirkungsgrad [^ ) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit keinen solchen Spitzenwert ergibt und damit der Wirkungsgrad der Verbrennung weniger abhängig ist von der Gasgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffs im Brennstoff Zuführungskanal muß gemäß den kalorimetrischen Werten und der Dichte des Brennstoffs verändert werden, da das Triebwerk mit etwa dem gleichen Wärmeeingang pro Zeiteinheit arbeiten muß, unabhängig von dem jeweils verwendeten Brennstoff. Demgemäß muß sich die Massenströmung je nach dem verwendeten Brennstoff ändern und da die Querschhittsflache des Kanals feststeht, muß sich die Gasgeschwindigkeit ändern.

BAD ORIGINAL^

Gase mit hohem kalorimetrischem Wert müssen daher im Förderkanal eine geringere Geschwindigkeit aufweisen, während Brennstoffe mit niedrigem kalorimetrischem Wert mit hoher Geschwindigkeit strömen müssen. Die Gasströmung kann sich demgemäß zwischen etwa 24 m/sec und 300 m/sec ändern, während die Geschwindigkeit der vom Kompressor gelieferten Druckluft bei Leerlauf zwischen 120 m/sec und 180 m/sec liegt.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Geschwindigkeiten der verschiedenen gasförmigen Brennstoffe und der Kompressordruckluft gleich oder etwa gleichgemacht werden, wenn sie in den Einlauf der Brennkammer des Triebwerks gelangen, indem ein Energieaustausch zwischen der Brennstoffströmung und der Luft· strömung stattfindet.

Dieser Energieaustausch kann dadurch erlangt werden, daß der gasförmige Brennstoff und die Luft in einer Verwirbelungseinrichtung vermischt werden, die zentral im Kopf jeder Brennkammer angeordnet ist. Die Verwirbelungseinrichtung kann mehrere Verwirbelungsschaufeln und einen zentralen Zapfen umfassen, die zusammen mehrere gekrümmte Kanäle bilden, deren Querschnittsfläche sich in Strömungsrichtung verringert. Diese Kanäle empfangen Druckluft vom Triebwerkskompressor und gasförmigen Brennstoff aus einer Gaszuführungsleitung, und der Auslaß dieses Brennstoffzuführungskanals liegt benachbart oder überlappend zum stromaufwärtigen Ende des zentralen Zapfens derart, daß der gasförmige Brennstoff anfänglich in die radial

inneren Abschnitt der Verwirbelungskanäle einströmt und sich dann mit der Kompressorluft über den restlichen Teil eines jeden Kanals vermischt. Ein Energieaustausch zwischen den beiden Strömungen findet derart statt, daß je nach den Differenzgeschwindigkeiten der Strömungen entweder die Gasgeschwindigkeit vergrößert wird und die Luftgeschwindigkeit erhöht oder erniedrigt wird, oder wobei eine Kombination dieser Wirkungen stattfindet« Das Ergebnis besteht darin, daß am Austritt der Verwirbelungskanäle,- der den Eintritt in die Brennkammer bildet, Gas und Luft sich mit gleichen Geschwindigkeiten bewegen und wenigstens teilweise vermischt sind.

Die Verwirbelungseinrichtung kann auch eine Hülse aufweisen, um das Strömungsmuster in der Primärzone der Brennkammer zu verbessern und diese Hülse ist parallelwandig und erstreckt sich vom Kopf der Brennkammer nach dem äußeren Durchmesser der Verwirbelungseinrichtung in einem kurzen Stück in die Brennkammer hinein. Die Hülse kann eine oder mehrere Reihen radialer Löcher besitzen, die über den Umfang verteilt ist. Eine solche Hülse ist in der GB-PS 15 95 224 beschrieben.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Gasturbinenanlage mit einem oder mehreren Brennstoffinjektoren gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine schematische Ansicht eines Brennstoff injektors gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Teilansicht in Richtung des

Pfeiles A gemäß Fig. 2 betrachtet;

Fig. 4 in Seitenansicht eine Einzelheit eines Teils der Verwirbelungsanordnung und der Zapfendüse des Brennstoff injektors nach Fig. 2;

Fig. 5 ein typisches Diagramm, welches den Verbrennungswirkungsgrad (^ ) in Abhängigkeit der Gasgeschwindigkeit (v) am Austritt des brennstoffinjektors unter Leerlaufbedingungen des Triebwerks zeigt, wobei kein Brennstoff injektor gemäß der Erfindung Anwendung findet;

Fig. 6 das gleiche Diagramm des Wirkungsgrades { *l ) in Abhängigkeit von (v), wobei (v) die Gasbrennstoffgeschwindigkeit unter Leer lauf bedingungen an der Brennkammer darstellt, wenn ein Brennstoff injektor gemäß der Erfindung benutzt wird.

Das Gasturbinentriebwerk 10 umfaßt einen Kompressor 12, der Druckluft mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Brennkammern 14 zuführt. Eine Kompressorantriebsturbine 16 wird durch die Abgase der Brennkammern angetrieben und eine Nutzleistungsturbine 18 treibt eine Last 20 an, wobei diese Nutzleistungsturbine durch die Restenergie der Abgase der Turbine 16 angetrieben wird.

Der Brennstoff für die Triebwerksanlage 10 umfaßt einen Bereich gasförmiger Brennstoffe mit unterschiedlichen kalorimetrischen Werten, und jede Brennkammer 14 besitzt einen Gasbrennstoff injektor 22. Im folgenden wird im einzelnen auf die Figuren 2, 3 und 4 Bezug genommen. Danach weist jeder Brennstoff injektor 22 einen Gaszuführungskanal 24 und einen aus einer Verwirbelungsvorrichtung und einem Düsenzapfen bestehenden Aufbau 26 auf, der aus praktischen Gründen in einer zentralen öffnung 28 im Kopf 30 der Brennkammer untergebracht ist» Der Aufbau könnte im Kanal 24 untergebracht sein, jedoch würde ein solcher Aufbau übermäßig große Öffnungen im Triebwerksgehäuse erfordern und eine genaue Lokalisierung gegenüber der Brennkammer wäre schwierig.

Der Aufbau 26 umfaßt mehrere im gleichen Abstand zueinander angeordnete, gekrümmte Schaufeln 32, die zwischen einem äußeren Gehäuse bzw. einer Hülse 34 und einer Nabe bzw. einem zentralen Zapfen 36 verlaufen. Die Schaufeln sind über einen Winkel von etwa 30° gekrümmt, wobei jedoch auch hiervon abweichende Winkel benutzt werden können, je nach dem Ausmaß der erforderlichen Verwirbelung und die Hülse 34 stellt einen Fortsatz des Mittelabschnitts des Kopfes 30 dar. Stattdessen kann die Hülse auch vom Kopf getrennt und an diesen durch geeignete Mittel,. beispielsweise durch Hartverlötung verbunden sein.

Die Schaufeln 32 und die Hülse 34 sowie der zentrale Zapfen 36 definieren mehrere Kanäle 38 mit einer

Querschnittsfläche, die in Strömungsrichtung abnimmt. Diese Strömung in den Kanälen ist mit dem Pfeil B gekennzeichnet. Wegen der Krümmung der Schaufeln 32 wird eine Richtungsänderung der durchtretenden Strömung bewirkt.

Der Auslaß 40 des Speisekanals 24 liegt koaxial zu dem Aufbau 26 und das Ende des Auslasses befindet sich in Schlitzen 42, die in den radial stromaufwärtigen Enden jeder Schaufel 32 angeordnet sind, so daß das Ende des Auslasses 40 das stromaufwärtige Ende des zentralen Zapfens 36 überlappt.

Die Triebwerksanlage 10 ist so ausgebildet, daß sie mit gasförmigem Brennstoffen betrieben werden kann, die sich hinsichtlich ihrer Dichte und ihrer kalorimetrischen Werte unterscheiden. Damit der Wärmeeingang pro Zeiteinheit auf einem konstanten Wert unter einer bestimmten Betriebsbedingung gehalten werden kann, muß die Massenströmung unterschiedlicher Gase durch den Kanal 24 geändert werden, und demgemäß ändern sich die Geschwindigkeiten am Auslaß für unterschiedliche gasförmige Brennstoffe. Die Geschwindigkeitsänderung liegt allgemein in dem Bereich zwischen 24 m/sec und 30 m/sec, wobei die gasförmigen Brennstoffe mit höherem kalorimetrischen Wert langsamer strömen und die Brennstoffe mit niedrigerem kalorimetrischen Wert mit einer höheren Geschwindigkeit abfließen. Die Geschwindigkeit der Kompressorluft, die vom Kompressor 12 geliefert wird, beträgt beim Eintritt in den Aufbau 26 zwischen 12 und 18 m/sec bei Leerlauf bedingungen.

Figur 5 veranschaulicht ein typisches Diagramm des Wirkungsgrades (h ) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (v). Das Diagramm zeigt, daß dann wenn (v) nicht dicht am Punkt B liegt, sondern beispielsweise bei A oder C, der Wirkungsgrad der Verbrennung gering ist. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzeugen, muß die Austrittsströmungsfläche des Gasinjektors so abgewandelt werden, daß eine Anpassung an unterschiedliche kalorimetrische Werte und Dichtebedingungen erfolgen kann.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden die Geschwindig keiten der gasförmigen Brennstoffe und der vom Kompressor gelieferten Luft am stromabwärtigen Ende der Verwirbelungsvorrichtung bzw. des Aufbaus der Zentraldüse 26 angepaßt oder nahezu angepaßt. Der gasförmige Brennstoff, der eine Geschwindigkeit zwischen etwa 24 m/sec und 300 m/sec besitzt, je nach kalorimetrischem Wert und Dichte ,verläßt den Auslaß 40 und tritt in den radial inneren Abschnitt des stromaufwärtigen Endes jedes Kanals 38 ein, während die Kompressorluft in den radial äußeren Abschnitt am stromaufwärtigen Ende eines jeden Luftkanals mit einer Geschwindigkeit zwischen 120 m/sec bis 180 m/sec eintritt.

Der gasförmige Brennstoff sucht sich mit der Luftströmung in jedem Kanal zu vermengen und es besteht eine allgemeine Tendenz, daß die Geschwindigkeit der Strömung in jedem Kanal ansteigt, weil sich jeder Kanal in Strömungsrichtung im Querschnitt verringert. Es besteht auch ein Energieaustausch zwischen Brennstoff und Luft, derart, daß in Abhängigkeit von der anfänglichen Geschwindigkeitsdifferenz die Brennstoffgeschwindigkeit ansteigt, während

die Luftgeschwindigkeit verringert wird, wobei die Luftgeschwindigkeit vergrößert oder verringert wird, oder es kann eine Kombination dieser Effekte auftreten .

Wenn ein Brennstoff injektor der beschriebenen Bauart benutzt wird hat es sich gezeigt, daß die Kurve ( n v.V) bei Leerlaufdrehzahl nicht mehr den Spitzenwert gemäß Fig. 5 besitzt und sehr viel flacher ausgebildet ist, wie dies Figur 6 zeigt. Diese Charakteristik, die für einen weiten Bereich von gasförmigen Brennstoffen gilt, nämlich für aus Kohle gewonnenem Gas mit 3725 kJ/m³ bis zu Propangas mit 86 271 kJ/m³ (100 BTU/scf bzw. 2316 BTU/scf) bedeutet, daß ein annehmbarer Verbrennungswirkungsgrad leichter durch einen einheitlichen Aufbau erlangt werden kann.

Eine Hülse 44 mit einer Lochreihe 46 oder auch ohne Löcher kann mit dem Verwirbelungsaufbau 26 kombiniert werden, um das Strömungsmuster in der Primärzone zu verbessern. Eine solche Hülse ist in der GB-PS 15 95 beschrieben.

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. Cu rt Wallach

Europäische Patentvertreter Dipl.-lng.GüntherKoch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 ■ Telex 5 29 513 wakai d

_Datum: 22. Oktober 1982

RollS-Royce Limited Unser Zeichen: 17 549 - K/Ap

Buckingham Gate
London SW1E 6AT
England

Gas-Brennstoff injektor für ein Gasturbinentriebwerk Patentansprüche:

Gas-Brennstoff injektor für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Gasströmungskanal, der das Gas in eine Verwirbelungsvorrichtung eintreten läßt, der komprimierte Luft vom Kompressor des Triebwerks zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verwirbelungsaufbau mehrere Verwirbelungsschaufeln aufweist, die zwischen einem äußeren Gehäuse und einer inneren Nabe angeordnet sind, daß die Schaufeln, die Nabe und das Gehäuse mehrere Kanäle definieren, deren Querschnittsfläche in Strömungsrichtung abnimmt, und daß der gasförmige Brennstoff in die stromaufwärtigen radial inneren Abschnitte der Kanäle eingeblasen wird, während die komprimierte Luft in die radial äußeren stromaufwärtigen Abschnitte der Kanäle eintritt.

Injektor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gehäuse eine Parallelwandhülse aufweist und die Nabe einen zentralen Zapfen besitzt, der sich im Querschnitt in Strömungsrichtung vergrößert und in einer ebenen Fläche endet.

3. Injel· tor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Gasströmungskanals in einer Anzahl von Schlitzen liegt, die in den stromaufwärtigen Rändern der Verwirbelungsschaufeln angeordnet s ind.

4. Injektor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verwirbelungsaufbau fest mit der Brennkammer des Triebwerks verbunden ist, und daß der Gaskanal unabhängig von dem Verwirbelungsaufbau montiert ist.

5. Injektor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß eine parallelwandige Hülse vorgesehen ist, die sich vom stromabwärtigen Ende des äußeren Durchmessers des Verwirbelungsaufbaus erstreckt, so daß im Gebrauch die Hülse in die Primärzone einer Brennkammer des Triebwerks einsteht.