DE3835415A1 - Brennstoffinjektor fuer eine brennkammer eines gasturbinentriebwerks - Google Patents
Brennstoffinjektor fuer eine brennkammer eines gasturbinentriebwerksInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Techniken zum Herstellen eines
Brennstoff-Luft-Gemisches zur Verbrennung in einem Motor bzw.
Triebwerk.
Es wird gegenwärtig in der Gasturbinentriebwerkstechnologie
versucht, kleinere Emissionen von Stickstoff(NOX)- und Koh
lenwasserstoffverbindungen zu erhalten. Bekannte Techniken
zur Erzielung verminderter Emissionen haben nahezu unausweich
lich einen kleineren thermodynamischen Wirkungsgrad oder we
sentlich erhöhte Kapitalkosten zur Folge.
NOX-Verbindungen werden durch Reaktion des Stickstoffes in der
Luft bei erhöhten Temperaturen erzeugt, die üblicherweise in
den Brennkammern eines Gasturbinentriebwerkes herrschen. Die
Bildung von NOX kann dadurch vermindert werden, daß die maxi
male Flammentemperatur in der Brennkammer gesenkt wird. Die
Injektion von Dampf in die Brennkammer senkt die maximale
Flammentemperatur in der Brennkammer auf Kosten des thermody
namischen Wirkungsgrades. Nachteile entstehen auch durch Was
serverbrauch und Kapital- und Betriebskosten für die Wasser
behandlung. Die Größe der Dampfinjektion und die damit ent
stehenden Kosten steigen mit der Größe der gewünschten NOX-
Verminderung. Einige Staaten und Länder haben Ziele zur NOX-
Senkung angekündigt, die so große Dampfmengen beinhalten, daß
diese Lösung für zukünftige Systeme weniger wünschenswert er
scheint.
NOX-Verbindungen können dadurch aus dem Abgas stromabwärts
von einem Gasturbinentriebwerk beseitigt werden, daß ein Rea
gens, wie beispielsweise Ammoniak, mit der Abgasströmung ge
mischt wird, und das entstehende Gemisch durch einen Kataly
sator geleitet wird, bevor sie in die Atmosphäre abgegeben
wird. Der Katalysator regt die Reaktion der NOX-Verbindungen
mit dem Reagens an, um harmlose Komponenten zu erzeugen. Die
se Technik ist zwar bei der Reduzierung von NOX-Verbindungen
auf Zielwerte erfolgreich, erfordert aber wesentliche zusätz
liche Kosten für das Katalysatorbett, ein größeres Abgassy
stem, um Raum für das große Katalysatorbett zu schaffen, und
Sprühstäbe, um das Reagens in die Abgasströmung einzuführen.
Die entstehenden Kosten für die großen Mengen des Reagens
müssen ebenfalls getragen werden.
Die maximale Flammentemperatur kann ohne Dampfinjektion ge
senkt werden, indem katalytisch unterstützte Verbrennungs
techniken verwendet werden. Ein Brennstoff-Luft-Gemisch wird
durch einen porösen Katalysator innerhalb der Brennkammer ge
leitet. Der Katalysator gestattet, daß eine vollständige Ver
brennung bei genügend niedrigen Temperaturen erfolgt, um eine
NOX-Bildung zu verhindern. Beispielsweise beschreiben die NOX-
Patentschriften 45 34 165 und 40 47 877 Brennkammern mit kata
lytisch unterstützter Verbrennung.
Die Reduzierung oder Eliminierung von Kohlenwasserstoff-Emis
sionen kann dadurch erreicht werden, daß eine vollständige Ver
brennung des Brennstoffes in der Brennkammer sichergestellt
wird. Eine vollständige Verbrennung erfordert ein mageres Brenn
stoff-Luft-Gemisch. Wenn das Brennstoff-Luft-Gemisch magerer
gemacht wird, wird ein Punkt erreicht, an dem eine Verbrennung
nicht länger aufrechterhalten wird. Das Vorhandensein eines
Katalysators gestattet auch eine Verbrennung von mageren
Brennstoff-Luft-Gemischen als es ohne den Katalysator möglich
ist. Auf diese Weise hilft eine katalytisch unterstützte Ver
brennung dabei, beide Arten der Umweltverschmutzung zu vermin
dern.
Ein kritisches Problem, das durch die vorgenannten Patentschriften
nicht vollständig gelöst ist, besteht darin, ein gleichförmiges
Strömungsfeld des Brennstoff-Luft-Gemisches über die gesamte
Fläche eines Katalysatorbettes zu erreichen; d. h. das Brenn
stoff-Luft-Gemisch und die Gasgeschwindigkeit variieren über
der Fläche des Katalysatorbettes, wodurch eine ungleichförmige
Verbrennung über dem Katalysator entsteht. Dies verkleinert
den Wirkungsgrad der Brennkammer und kann gestatten, daß unver
brannte Kohlenwasserstoffe aus der Abgasdüse austreten.
In der vorgenannten US-PS 40 47 877 werden beispielsweise flüs
siger Brennstoff und Luft in eine Kammer stromaufwärts von dem
Katalysatorbett eingespritzt. Das Brennstoff-Luft-Gemisch
strömt dann durch das Katalysatorbett, wobei der Brennstoff
und die Luft reagieren. Wie in der genannten Patentschrift
hervorgehoben ist, kann unverbrannter Brennstoff aus dem Kata
lysator austreten. Es wird dann ein Gas-Brennstoff-Brenner
stromabwärts von dem Katalysator verwendet, um diesen unver
brannten flüssigen Brennstoff zu verbrennen.
Gemäß der US-PS 45 34 165 wird das katalytische Bett in kon
zentrische Zonen aufgeteilt, die jeweils ihre eigene Flüssig
brennstoff- und Luftversorgung haben. Obwohl die vorgenannte
Patentschrift vorschlägt, daß der Vorteil des Aufspaltens des
katalytischen Bettes und der Brennstoff-Luft-Versorgung in Zo
nen darin besteht, den Brennstoff zu den einzelnen Zonen ab
stufen zu können, könnte angenommen werden, daß die entstehen
de kleinere Fläche des katalytischen Bettes, das von jeder
Brennstoff-Luft-Versorgungsvorrichtung versorgt wird, die Un
gleichförmigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches verbessern
kann, die eine befähigte Zone des katalytischen Bettes erreicht.
Von einer weiteren Verbesserung der Strömungsfeld-Ungleichför
migkeit wird in einem Artikel mit dem Titel "Performance of
Multiple-Venturi Fuel-Air Preparation system" von Robert Tacina
berichtet, veröffentlicht in NASA Conference Publication
Nr. 207, abgehalten am 9. und 10. Januar 1979, "Pre-Mixed,
Pre-Vaporized Combustion Technology Forum". Dieser Artikel
beschreibt mehrere parallele Venturi-Röhren, die über der
Strömungsbahn der Luft angeordnet sind, die zu einem kataly
tischen Bett führt. Ein verdampfter flüssiger Brennstoff wird
in den Einlaß von jedem Venturi-Rohr injiziert. Bei ihrer
Strömung durch ein Venturi-Rohr werden die Luft und der Brenn
stoff innig gemischt. Die aus allen Venturi-Rohren austreten
den Gemische werden weiter miteinander gemischt stromabwärts
von den Venturi-Rohren, um ein Strömungsfeld zu erzeugen, das
im wesentlichen gleichförmig ist in bezug auf Geschwindigkeit
und Brennstoff-Luft-Gemisch über der stromabwärtigen Gasströ
mung.
Die zahlreiche Venturi-Rohre aufweisende Vorrichtung, die an
der NASA-Konferenz veröffentlicht wurde, hat mehrere Nachteile,
die sie für Anwendungsfälle ungeeignet macht, auf die die vor
liegende Erfindung gerichtet ist. Erstens werden die zahlreichen
Venturi-Rohre aus einem einzigen Metallstück hergestellt. Dies
ist ein teurer Weg, um eine derartige Struktur zu bilden, und
hat zugespitzte oder federartige Ränder an den Ausgängen zur Folge, die den har
ten Betriebsbedingungen in einem Gasturbinen-Verbrennungssystem
nicht standhalten können. Ferner wird jedem Venturi-Rohr flüs
siger Brennstoff durch ein einzelnes Rohr mit kleinem Durch
messer zugeführt. Es läßt sich voraussehen, daß diese kleinen
Rohre verstopft werden können, wodurch die betroffenen Venturi-
Rohre nicht mehr funktionieren können. In einer großen Vorrich
tung stellt die große Anzahl derartiger Rohre ein Sicherheits
problem dar.
Zusätzlich zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile der bekann
ten Vorrichtung mit einer Vielzahl von Venturi-Rohren ist es
wünschenswert flüssigen Brennstoff
durch gasförmigen Brennstoff zu ersetzen. Bei dem Anlaufverfah
ren eines katalytischen Reaktors ist externe Wärme erforderlich,
bis der katalytische Reaktor eine Betriebstemperatur erreicht.
Eine Möglichkeit zur Lieferung der externen Wärme stellt ein
Vorbrenner dar, der stromaufwärts von der zahlreiche Rohre auf
weisenden Venturi-Anordnung angeordnet ist. Es wird jedoch an
genommen, daß das Injizieren von Brennstoffgas in den Einlaß
der Venturi-Rohre zu einer Rückzündung zu dem Vorbrenner oder
ein Flammenanhaften an den Einlässen der Venturi-Rohre führen
könnte. Keine dieser Wirkungen ist wünschenswert.
Es ist eine
Aufgabe der Erfindung, eine zahlreiche Venturi-Rohre aufweisen
de Vormischeinrichtung zu schaffen, die die Nachteile beim
Stand der Technik vermeidet. Weiterhin soll ein zahlreiche Ven
turi-Rohre aufweisender Brennstoffinjektor geschaffen werden,
der Mittel aufweist, um eine Rückzündung in Richtung auf einen
stromaufwärtigen Brenner zu verhindern. Dabei soll der Brenn
stoffinjektor einen Brennstoff-Gas-Brennstoff-Verteiler auf
weisen, der integral mit dem Venturi-Rohren ausgebildet ist.
Ferner sollen Mittel vorgesehen sein zum Injizieren eines gas
förmigen Brennstoffes in den Hals von jedem Venturi-Rohr, wo
bei die große Gasgeschwindigkeit, die an dieser Stelle besteht,
eine Rückzündung verhindern soll.
Kurz gesagt wird erfindungsgemäß ein Injektor für gasförmigen
Brennstoff für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen, der mehrere
eng beabstandete, parallele Venturi-Rohre verwendet, die in
zwei im Abstand angeordneten Kopfplatten angeordnet sind. Die
Venturi-Rohre werden durch Hartlöten mit den Kopfplatten ver
bunden, und die Umfänge der Kopfplatten werden abgedichtet,
um eine Kammer zu bilden, in die unter Druck stehender gasför
miger Brennstoff eingeführt wird. Öffnungen führen von der
Kammer zu den Hälsen der Venturi-Rohre, wodurch der gasförmi
ge Brennstoff unter rechten Winkeln in die eine hohe Geschwin
digkeit aufweisende Luftströmung injiziert wird, die an den
Hälsen der Venturi-Rohre vorhanden ist. Es wird eine große
Scherkraft auf den injizierten Brennstoff ausgeübt, um eine
vollständige Mischung mit der Luft herbeizuführen. Die große
Luftgeschwindigkeit in den Hälsen der Venturi-Rohre verhindert
eine Rückzündung und ein Flammenanhaften. Die vereinigte Strö
mung aus den zahlreichen Venturi-Rohren mischt sich stromab
wärts davon, um eine gleichförmige Geschwindigkeit und eine
gleichförmige Brennstoff-Luft-Mischung
über dem Strömungsfeld zu liefern. Dieses Strömungsfeld ist
geeignet für eine Verwendung in einem katalytischen Bett, das
stromabwärts von den Venturi-Rohren angeordnet sein kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Brenn
stoff-Injektor für eine Brennkammer eines Gasturbinentrieb
werks geschaffen, der enthält: Mehrere Venturi-Rohre, die in
der Brennkammer angeordnet sind, wobei die mehreren Venturi-
Rohre eine Struktur aufweisen, die im wesentlichen die gesamte
stromaufwärtige Gasströmung zwingt, durch die mehreren Venturi-
Rohre zu strömen, wobei jedes Venturirohr einen konvergenten
Einlaßabschnitt, einen Hals, der einen engsten Abschnitt bil
det, und einen divergenten Diffusorabschnitt aufweist, wobei
die Venturi-Rohre wenigstens eine Öffnung in dem Hals und
Mittel aufweisen zum Zuführen eines Brennstoffgases zu der
wenigstens einen Öffnung, wodurch das Brennstoffgas in die
Gasströmung an den Hals injiziert wird.
Weiterhin wird ein Brennstoffinjektor für eine Brennkammer
eines Gasturbinentriebwerks geschaffen, der enthält: Eine
stromaufwärtige Kopfplatte, die sich über eine Gasströmung
in der Brennkammer erstreckt, eine stromabwärtige Kopfplatte,
die im Abstand stromabwärts von der stromaufwärtigen Kopfplat
te angeordnet ist, mehrere Venturi-Rohre, die durch die strom
aufwärtigen und stromabwärtigen Kopfplatten hindurch führen,
erste Mittel zum Abdichten der mehreren Venturi-Rohre mit der
stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kopfplatten, wobei die
Gasströmung gezwungen wird, durch die mehreren Venturi-Rohre
zu strömen, zweite Mittel zum Abdichten der Umfänge der strom
aufwärtigen und stromabwärtigen Kopfplatten miteinander, wo
bei dazwischen eine Kammer gebildet wird, die Abschnitte der
mehreren Venturi-Rohre umgibt, Mittel zum Zuführen eines Brenn
stoffgases in die Kammer, wobei jedes Venturi-Rohr wenigstens
eine Öffnung zwischen der Kammer und einem hindurchführenden
Mittelkanal aufweist, wodurch das Brennstoffgas durch die we
nigstens eine Öffnung in die Gasströmung injizierbar ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Brenn
kammer für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen, die aufweist:
Einen Vorbrenner, Mittel zum Zuführen von Brennstoff und Luft
zu dem Vorbrenner, einen Injektor für gasförmigen Brennstoff
stromabwärts von dem Vorbrenner, wobei der Injektor für gas
förmigen Brennstoff mehrere parallele Venturi-Rohre und Mit
tel aufweist, damit zwangsläufig im wesentlichen die gesamte
Gasströmung von dem Vorbrenner durch die Venturi-Rohre strömt,
Mittel zum Zuführen von gasförmigem Brennstoff zu jeder der
mehreren Venturi-Rohre, ein Katalysatorbett stromabwärts von
dem Brennstoffinjektor, wobei ein Brennstoffgas-Luftgemisch
aus dem Brennstoffinjektor durch das Katalysatorbett strömt
und unter Verbrennung reagiert, während es durch das Katalysa
torbett hindurch strömt, wodurch hochenergetische Gase strom
abwärts von dem Katalsysatorbett austreten.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen
anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei
spielen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht von
einem Teil eines Gasturbinentriebwerkes und zeigt eine
Brennkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin
dung.
Fig. 2 ist eine Endansicht von einem zahlreiche Venturi-Rohre
aufweisenden Injektor für gasförmigen Brennstoff ge
mäß Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang
der Linie 3-3 in Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht durch die Mitte von einem der
Venturi-Rohre gemäß Fig. 3.
Ein typisches Gasturbinentriebwerk verwendet mehrere parallele
Brennkammern, die in einem Kreis m einer Achse angeordnet sind.
Ein Brennstoff-Luft-Gemisch wird in jeder Brennkammer verbrannt,
um eine heiße, hoch-energetische Gasströmung zu erzeugen. Das
Gas aus jeder Brennkammer strömt durch ein Übergangsstück,
wobei die Gasströmung von einem im allgemeinen kreisförmigen
Feld in ein Feld geändert wird, das einem Bogen eines Kreises
angenähert ist. Die Ausläße aus allen Übergangsstücken sind
so angeordnet, daß sie einen vollen Kreis bilden, der zu den
Turbinenschaufeln der Maschine führt. Der vorstehende Aufbau
ist üblich und erfordert keine weitere Erläuterung für den
Fachmann. Weiterhin wird zwar eine einzelne Brennkammer be
schrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß alle Brenn
kammern in einem Gasturbinentriebwerk im wesentlichen den
gleichen, vorstehend beschriebenen Aufbau besitzen. Nur die
zusätzlichen Abschnitte eines Gasturbinentriebwerks, die für
ein Verständnis der Umgebung erforderlich sind, in der die
Brennkammer arbeitet, sind gezeigt und beschrieben.
In Fig. 1 ist allgemein ein Gasturbinentriebwerk 10 mit
einer Brennkammeranordnung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt. Ein Vorbrennerabschnitt 14 empfängt
Verbrennungs- und Verdünnungsluft durch eine Vorbrenneraus
kleidung 16, wie es durch mehrere gebogene Pfeile 18 angedeu
tet ist. Während des Anlaufes empfängt eine Vorbrenner-Brenn
stoffdüse 20 eine Brennstoffströmung einer Brennstoffleitung
22 zur Verbrennung in dem Vorbrennerabschnitt 14. Bei
Vollast angenäherten Betriebsbedingungen des Gasturbinen
triebwerkes 10 kann die Brennstoffzufuhr zu der Vorbrenner-
Brennstoffdüse 20 abgeschaltet werden.
Die Luft und Verbrennungsprodukte in dem Vorbrennerabschnitt
14 strömen durch einen zahlreiche Venturi-Rohre aufweisenden
Injektor 24 für gasförmigen Brennstoff, wobei dem Strömungs
feld zusätzlicher Brennstoff zugeführt wird, bevor das Strö
mungsfeld in einen Mischabschnitt 26 eintritt. Wie noch näher
ausgeführt wird, weist der Brennstoffinjektor 24 mehrere pa
rallele Venturi-Rohre auf, um eine heftige Mischung der Luft
und des zugeführten Brennstoffes zu verbessern. Die in den
Mischabschnitt 26 aus den Venturi-Rohren eintretende Mischung
wird weiter vermischt, wenn sie sich entlang des Strömungs
austausch-Mischabschnittes 26 bewegt, bis sie ein Katalysa
torbett 28 erreicht. Wenn das Brennstoff-Luft-Gemisch durch
das Katalysatorbett 28 hindurchtritt, erfolgt eine Verbren
nungsreaktion, die durch das Katalysatormaterial in dem Ka
talysatorbett 28 katalysiert wird. Die dabei entstehenden
heißen energiereichen Gase, die aus dem Katalysatorbett 28
austreten, strömen durch eine Reaktionszone 30, bevor sie in
einem Übergangsstück 32 gedreht und geformt werden für eine
Zufuhr zu einer nicht gezeigten Turbine.
Die Länge und Form des Vorbrennerabschnittes 14 hängt von der
Art des für die Vorbrenneraufheizung zu verwendenden Brenn
stoffes ab. Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist zur Verwen
dung mit Natur- oder Erdgas in einer Vorbrenner-Brennstoffdüse 20 geeignet.
Dies heißt jedoch nicht, daß die Verwendung von anderen gas
förmigen Brennstoffen oder flüssigen Brennstoff in dem Vor
brenner-Abschnitt 14 ausgeschlossen ist. Falls solche anderen
Brennstoffe in dem Vorbrenner-Abschnitt 14 verwendet werden,
kann der Fachmann für geeignete Abwandlungen, beispielsweise
hinsichtlich Form und Abmessungen, sorgen, um für eine Anpas
sung an andere Betriebsbedingungen zu sorgen. Derartige Ab
wandlungen sind jedoch üblich und brauchen an dieser Stelle
nicht näher erläutert zu werden.
Gemäß den Fig. 2 und 3 enthält der Brennstoffinjektor 24
mehrere Venturi-Rohre 34, die unter Ausbildung einer Abdich
tung in einer stromaufwärtigen Kopfplatte 36 befestigt sind,
was durch entsprechende Mittel, wie beispielsweise Hartlöten,
geschehen kann. Eine stromabwärtige Kopfplatte 38 (s. Fig. 3)
ist im Abstand stromabwärts von der stromaufwärtigen Kopfplatte
36 angeordnet und ebenfalls abgedichtet an Venturi-Rohren 36
befestigt, was vorzugsweise ebenfalls durch Hartlöten geschieht.
Ein Dichtungsring 40, der um die Umfänge der stromaufwärtigen
und stromabwärtigen Kopfplatten 36 und 38 angelötet ist, bildet
eine abgedichtete Brennstoffgaskammer 42 (s. Fig. 3) zwischen
den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kopfplatten 36 und 38
um die Umfänge aller Venturi-Rohre 34 herum. Der gasförmige
Brennstoff wird unter Druck der Brennstoffgaskammer 42 durch
eine Brennstoffgas-Versorgungsleitung 44 in die Brennstoff
gaskammer 42 zugeführt.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, enthält jedes Venturi-Rohr 34 einen
Einlaßabschnitt 46 mit sich verkleinerndem Querschnitt, einen
Hals 48, der den kleinsten Querschnitt bildet, und einen De
fusorabschnitt 50 mit graduell zunehmendem Querschnitt, der
zu einem Ausgang 52 führt. Es sei darauf hingewiesen, daß die
Ausgänge 52 von benachbarten Venturi-Rohren 34 so eng wie mög
lich aneinander angeordnet sind. Mehrere Öffnungen 54, ge
eigneterweise vier Stück, stellen eine Verbindung zwischen
der Brennstoffgaskammer 42 und dem Hals 48 von jedem Venturi-
Rohr 34 her.
Im Betrieb strömt eine Luftströmung, gelegentlich begleitet
von Verbrennungsprodukten aus dem Vorbrennerabschnitt 14,
von links nach rechts in Fig. 4, wobei sie in den Einlaßab
schnitt 46 eintritt und aus dem Auslaß 52 austritt. Bekannt
lich wird ein durch ein Venturi-Rohr strömendes Gas am Hals 48
auf eine maximale Geschwindigkeit beschleunigt und verlangsamt
dann während ihres Durchtrittes durch den Diffusorabschnitt 50.
Ein gasförmiger Brennstoff, der durch die Öffnungen 54 in den
Hals 48 im rechten Winkel in die dort eine hohe Geschwindigkeit
aufweisende Luftströmung injiziert wird, wird den starken
Scherkräften und Turbulenz ausgesetzt, die eine vollständige
Mischung des Brennstoffgases und der Luft erzeugen, wenn diese
aus dem Diffusorabschnitt 50 austreten.
Das Gemisch tritt aus benachbarten Auslässen 52 mit wesentli
cher kinetischer Energie und Turbulenz aus. Dies ermöglicht
eine Vermischung der Gasströme aus benachbarten Venturi-Rohren
34, so daß, nach einer Strömung zum Ende des Strömungsmittel
austausch-Mischabschnittes 26 (siehe Fig. 1), eine im wesent
lichen gleichförmige Geschwindigkeit und Brennstoff-Luft-Mi
schung über dem gesamten Strömungsfeld erhalten werden, wenn die
se in das Katalysatorbett 28 eintreten. Wie einleitend bereits
beschrieben wurde, ist eine Gaseintrittsströmung mit gleich
förmiger Geschwindigkeit und Brennstoff-Luft-Mischung, wie sie
durch die vorliegende Erfindung erhalten wird, für einen effi
zienten Betrieb des Katalysatorbettes 28 erforderlich.
Die Injektion des Brennstoffgases unter rechten Winkeln in die
Gasströmung im Hals 48 ordnet den Injektionspunkt des gasförmi
gen Brennstoffes an dem die größte Geschwindigkeit aufweisenden
Punkt in dem System stromaufwärts von dem Katalysatorbett 28
an. Die hohe Luftgeschwindigkeit im Hals 48 verhindert ein
Rückzünden stromaufwärts in Richtung auf die Vorbrenner-Brenn
stoffdüse 20 und vermeidet auch ein Flammenanhaften an dem
zahlreiche Venturi-Rohre aufweisenden Brennstoff-Injektor 24.
Es ist somit möglich, ein Brennstoffgas in die Luftströmung
zu injizieren, selbst wenn die Luftströmung erwärmt ist durch
einen Betrieb der Vorbrenner-Brennstoffdüse 20 in dem Vorbren
nerabschnitt 14 während des Startvorganges, unabhängig von
einer möglichen Rückzündung. Es ist wahrscheinlich, daß die
kleinere Luftgeschwindigkeit am Einlaßabschnitt 46 nicht hoch
genug ist, um für eine ausreichende Sicherheitsgrenze gegen
ein Rückzünden während aller Betriebsbedingungen zu sorgen.
Die Technologie, die zur Fertigung des zahlreiche Venturi-Rohre
aufweisenden Brennstoff-Injektors 24 angewendet wird, ist sehr
ähnlich der üblichen Technologie, die zum Verschweißen von
Boiler-Röhren in ein Rohrblech verwendet wird. Somit stehen
dem Fachmann genügend Fertigungstechniken zur Verfügung.
Es wird noch einmal auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort kann die
Brennstoffversorgungsleitung 44 als Teil einer Halterungsstruk
tur zur Halterung des mehrere Venturi-Rohre aufweisenden
Brennstoff-Injektors 24 dienen. Drei zusätzliche Halterungen
56, 58 und 60, die in gestrichelten Linien angedeutet sind,
können für eine zusätzliche Halterung des Injektors 24 für
gasförmigen Brennstoff sorgen. Es wird zwar angenommen, daß
eine einzelne Brennstoffversorgungsleitung 44 für eine gleich
förmige Strömung von Brennstoffgas zu allen Venturi-Rohren 34
in dem Injektor 24 sorgen kann, aber ein oder mehrere Halte
rungen 56, 58 und 60 können neben einer zusätzlichen Halterung
auch als zusätzliche Mittel zum Zuführen von Brennstoffgas
zu dem mehrere Venturi-Rohre aufweisenden Brennstoff-Injektor
24 verwendet werden.
Claims (11)
1. Brennstoffinjektor für eine Brennkammer eines Gastur
binenmotors,
gekennzeichnet durch mehrere Venturi-Rohre (34), die in der Brennkammer (12) angeordnet sind,
wobei die mehreren Venturi-Rohre (34) Mittel (42) auf weisen, durch die im wesentlichen die gesamte stromauf wärtige Gasströmung zwangsläufig durch die mehreren Venturi-Rohre (34) strömt,
wobei jedes Venturi-Rohr (34) einen konvergenten Ein laßabschnitt (46), einen Hals (48), der einen engsten Abschnitt bildet, und einen divergenten Diffusorab schnitt (50) aufweist,
wobei jedes Venturi-Rohr (34) wenigstens eine Öffnung (54) in dem Hals (48) aufweist, und
Mittel (44) zum Zuführen eines Brennstoffgases zu der wenigstens einen Öffnung (54) derart, daß das Brenn stoffgas in die Gasströmung an dem Hals (48) injizier bar ist.
gekennzeichnet durch mehrere Venturi-Rohre (34), die in der Brennkammer (12) angeordnet sind,
wobei die mehreren Venturi-Rohre (34) Mittel (42) auf weisen, durch die im wesentlichen die gesamte stromauf wärtige Gasströmung zwangsläufig durch die mehreren Venturi-Rohre (34) strömt,
wobei jedes Venturi-Rohr (34) einen konvergenten Ein laßabschnitt (46), einen Hals (48), der einen engsten Abschnitt bildet, und einen divergenten Diffusorab schnitt (50) aufweist,
wobei jedes Venturi-Rohr (34) wenigstens eine Öffnung (54) in dem Hals (48) aufweist, und
Mittel (44) zum Zuführen eines Brennstoffgases zu der wenigstens einen Öffnung (54) derart, daß das Brenn stoffgas in die Gasströmung an dem Hals (48) injizier bar ist.
2. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens eine Öffnung (54) in einem Winkel
von etwa 90 Grad zu der Gasströmung durch den Hals (48)
angeordnet ist derart, daß die Gasströmung in Winkeln
von 90 Grad in die Gasströmung injizierbar ist.
3. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine stromaufwärtige Kopfplatte (36) sich quer zur
Richtung einer Gasströmung in der Brennkammer (12)
erstreckt,
eine stromabwärtige Kopfplatte (38) im Abstand strom abwärts von der stromaufwärtigen Kopfplatte (36) ange ordnet ist,
die Venturi-Rohre (34) durch die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kopfplatten (36,38) hindurchführen,
erste Mittel, die die Venturi-Rohre (34) mit den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kopfplatten (36, 38) abdichten derart, daß die Gasströmung zwangsläufig durch die Venturi-Rohre strömt,
zweite Mittel (40), die die Umfänge der stromaufwärti gen und stromabwärtigen Kopfplatten (36, 38) dichtend miteinander verbinden derart, daß dazwischen eine Kam mer (42) gebildet ist, die Abschnitte der Venturi-Rohre (34) umgibt,
Mittel (44) zum Zuführen eines Brennstoffgases in die Kammer (42) und
jedes Venturi-Rohr (34) wenigstens eine Öffnung (54) zwischen der Kammer (42) und einem hindurchführenden Mittelkanal aufweist derart, daß das Brennstoffgas durch die wenigstens eine Öffnung (54) in die Gasströ mung injizierbar ist.
eine stromabwärtige Kopfplatte (38) im Abstand strom abwärts von der stromaufwärtigen Kopfplatte (36) ange ordnet ist,
die Venturi-Rohre (34) durch die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kopfplatten (36,38) hindurchführen,
erste Mittel, die die Venturi-Rohre (34) mit den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kopfplatten (36, 38) abdichten derart, daß die Gasströmung zwangsläufig durch die Venturi-Rohre strömt,
zweite Mittel (40), die die Umfänge der stromaufwärti gen und stromabwärtigen Kopfplatten (36, 38) dichtend miteinander verbinden derart, daß dazwischen eine Kam mer (42) gebildet ist, die Abschnitte der Venturi-Rohre (34) umgibt,
Mittel (44) zum Zuführen eines Brennstoffgases in die Kammer (42) und
jedes Venturi-Rohr (34) wenigstens eine Öffnung (54) zwischen der Kammer (42) und einem hindurchführenden Mittelkanal aufweist derart, daß das Brennstoffgas durch die wenigstens eine Öffnung (54) in die Gasströ mung injizierbar ist.
4. Brennstoffinjektor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens drei Öffnungen (54) im Abstand um einen
Umfang von jedem der Venturi-Rohre (34) angeordnet
sind.
5. Brennstoffinjektor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Venturi-Rohr (34) einen konvergenten Einlaß abschnitt (46), einen Hals (48), der einen engsten Abschnitt bildet, und einen divergenten Diffusorab schnitt (50) bildet und
die wenigstens eine Öffnung (54) in dem Hals (48) an geordnet ist.
daß jedes Venturi-Rohr (34) einen konvergenten Einlaß abschnitt (46), einen Hals (48), der einen engsten Abschnitt bildet, und einen divergenten Diffusorab schnitt (50) bildet und
die wenigstens eine Öffnung (54) in dem Hals (48) an geordnet ist.
6. Brennstoffinjektor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Mittel zum Abdichten durch Hartlöten
ausgebildet sind.
7. Brennstoffinjektor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweiten Mittel (40) zum Abdichten einen Dich
tungsring um die Umfänge herum aufweisen.
8. Brennstoffinjektor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Hartlötung zwischen der stromaufwärtigen Kopf
platte (36) und dem Dichtungsring (40) und zwischen
der stromabwärtigen Kopfplatte (38) und dem Dichtungs
ring (40) ausgebildet ist.
9. Brennkammer für einen Gasturbinenmotor,
gekennzeichnet durch:
einen Vorbrenner (14),
Mittel (16, 22) zum Zuführen von Brennstoff und Luft zu dem Vorbrenner (14),
einen Gasbrennstoff-Injektor (24) stromabwärts von dem Vorbrenner (14),
wobei der Gasbrennstoff-Injektor (24) mehrere parallele Venturi-Rohre (34) und Mittel (42) aufweist, durch die im wesentlichen die gesamte Gasströmung zwangsläufig von dem Vorbrenner (14) durch die Venturi-Rohre (34) strömt,
Mittel (54) zum Zuführen eines gasförmigen Brennstof fes zu jedem der mehreren Venturi-Rohre (34),
ein Katalysatorbett (28) stromabwärts von dem Gas brennstoff-Injektor (24) und
wobei ein Brennstoffgas- und Luft-Gemisch aus dem Gas brennstoff-Injektor (24) durch das Katalysatorbett (28) strömt und unter Verbrennung reagiert, während es hindurchströmt, wodurch energiereiche Gase stromab wärts von dem Katalysatorbett (28) austreten.
einen Vorbrenner (14),
Mittel (16, 22) zum Zuführen von Brennstoff und Luft zu dem Vorbrenner (14),
einen Gasbrennstoff-Injektor (24) stromabwärts von dem Vorbrenner (14),
wobei der Gasbrennstoff-Injektor (24) mehrere parallele Venturi-Rohre (34) und Mittel (42) aufweist, durch die im wesentlichen die gesamte Gasströmung zwangsläufig von dem Vorbrenner (14) durch die Venturi-Rohre (34) strömt,
Mittel (54) zum Zuführen eines gasförmigen Brennstof fes zu jedem der mehreren Venturi-Rohre (34),
ein Katalysatorbett (28) stromabwärts von dem Gas brennstoff-Injektor (24) und
wobei ein Brennstoffgas- und Luft-Gemisch aus dem Gas brennstoff-Injektor (24) durch das Katalysatorbett (28) strömt und unter Verbrennung reagiert, während es hindurchströmt, wodurch energiereiche Gase stromab wärts von dem Katalysatorbett (28) austreten.
10. Brennkammer nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel (42), durch die im wesentlichen die ge
samte Gasströmung zwangsläufig von dem Vorbrenner
durch die Venturi-Rohre (34) strömt, eine Kammer auf
weisen, die abdichtend an den mehreren Venturi-Rohren
(34) befestigt sind, und die Mittel zum Zuführen
eines gasförmigen Brennstoffes wenigstens eine Öff
nung (54) in jedem der mehreren Venturi-Rohre (34)
aufweisen, wobei die wenigstens eine Öffnung (54) eine
Verbindung zwischen der Kammer (42) und dem Innenraum
des Venturi-Rohrs herstellt.
11. Brennkammer nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Venturi-Rohr (34) einen konvergenten Einlaß
abschnitt (46), einen Hals (48), der einen engsten Ab
schnitt bildet, und einen divergenten Diffusorab
schnitt (50) aufweist, wobei die wenigstens eine Öff
nung (54) in dem Hals (48) angeordnet ist.
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