DE3916413A1 - Brennstoffinjektor - Google Patents

Description

Die Erfindng bezieht sich auf einen Brennstoffinjektor und insbesondere auf einen Brennstoffinjektor, der für industrielle Gasturbinentriebwerksanlagen geeignet ist.

Industrielle Gasturbinen und insbesondere jene, die ortsgebunden arbeiten, müssen gelegentlich unter Benutzung einer Mischung von Dampf, Brennstoff und Luft als Primärantriebsmittel arbeiten. Die Benutzung einer solchen Mischung kann eine Reduzierung der Emission von Stickoxiden der Triebwerke zur Folge haben, und es wird außerdem der Leistungsausgang des Triebwerks im Vergleich mit jenen Anlagen erhöht, die unter Benutzung von Brennstoff und Luft allein arbeiten.

Die Schwierigkeiten bei der Benutzung von Dampf schließen solche Sachen mit ein wie eine saubere Umschaltung im Betrieb zwischen Zufuhr von Luft allein und einer Mischung von Luft und Dampf in die Verbrennungseinrichtung des Triebwerks, wobei zu gewährleisten ist, daß kein Dampf um die Brennstoffinjektoren des Triebwerks herum strömt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffinjektor zu schaffen, der für ein Gasturbinentriebwerk geeignet ist und bei dem diese Schwierigkeiten im wesentlichen behoben sind.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein Brennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk einen Hauptkörper mit einem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende, wobei das stromaufwärtige Ende betriebsmäßig mit Hochdruckluft in Verbindung steht und der Hauptkörper einen oder mehrere Kanäle darinnen besitzt, die das stromaufwärtige und das stromabwärtige Ende so verbinden, daß eine Luftströmung durch den Hauptkörper erfolgt, die aus dem stromabwärtigen Ende ausgeblasen wird. Es sind Mittel vorgesehen, um Brennstoff in die Luftströmung derart einzuspritzen, daß eine Vermischung mit Luft stattfindet, wobei Dampfeinspritzmittel im Bereich des stromaufwärtigen Endes des Hauptkörpers vorgesehen sind, welche so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie betriebsmäßig eine Luftströmung durch den einen Kanal oder die mehreren Kanäle vom Hochdruckluftbereich ermöglichen und betriebsmäßig Dampf in den einen Kanal oder die mehreren Kanäle richten, wobei die Gesamtabströmfläche der Dampfeinspritzeinrichtung kleiner ist als die Gesamteintrittsfläche des einen Kanals oder der Kanäle und der Dampfdruck am Auslaß der Dampfeinspritzmittel beim Ablassen von Dampf höher ist als der Druck,der betriebsmäßig dem einen Kanal oder den mehreren Kanälen zugeordnet ist, so daß wenigstens der Hauptteil des Dampfes, der auf diese Weise gerichtet wird, in den einen Kanal oder in die Kanäle eintritt.

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

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Gasturbinentriebwerks, welches mehrere Brennstoffinjektoren gemäß der Erfindung aufweist,

Fig. 2 einen Schnitt der oberen Hälfte eines Brennstoffinjektors gemäß der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk (10) ist von herkömmlicher Bauart und umfaßt in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß (11), einen Kompressor (12), eine Verbrennungseinrichtung (13), eine Turbine (14) und eine Abgasdüse (15). Das Gasturbinentriebwerk (10) arbeitet in der üblichen Weise. Luft wird durch den Lufteinlaß (11) eingesaugt und im Kompressor (12) verdichtet, bevor die Luft durch die Verbrennungseinrichtung (13) hindurchtritt, wo sie mit Brennstoff vermischt und die Mischung verbrannt wird. Die sich hieraus ergebenden gasförmigen Verbrennungsprodukte expandieren dann in der Turbine (14), die den Kompressor (12) über eine Welle (16) antreibt, bevor die Abgase durch die Abgasdüse (15) ausgestoßen werden, um eine (nicht dargestellte) Nutzleistungsturbine anzutreiben.

Die Verbrennungseinrichtung (13) umfaßt mehrere Brennkammern (17), die je mit einem Brennstoffinjektor (18) ausgerüstet sind. Jeder Brennstoffinjektor (18), von denen einer in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt einen Hauptkörper (19) und einen Dampfinjektor (20), der am stromaufwärtigen Ende des Hauptkörpers (19) angeordnet ist.

Der Hauptkörper (19) besitzt eine zentrale Achse (21) und definiert zwei Ringkanäle (22 und 23), die koaxial zur Achse (21) liegen. Der radial innere Kanal (22) wird durch einen Mittelkörper (24) mit einem nach außen erweiterten stromabwärtigen Abschnitt (25) und einem Mittelkörper (26) definiert, dessen stromabwärtiger Abschnitt (27) ebenfalls nach außen erweitert ausgebildet ist. Die nach außen erweiterten stromabwärtigen Abschnitte (25 und 27) definieren demgemäß einen Auslaß (28) des Kanals (22), der von der Zentralachse (21) weg gerichtet ist.

Der Mittelkörper (26) definiert eine Ringleitung (29), die im Betrieb durch nicht dargestellte herkömmliche Mittel mit flüssigem Brennstoff gespeist wird. Mehrere Düsen (30) im Mittelkörper (26) richten diesen Brennstoff in den radial inneren Kanal (22) Der radial äußere Kanal (23) wird durch den Mittelkörper (26) und einen äußeren Körper (31) definiert. Das stromabwärtige Ende (32) des äußeren Körpers (31) ist derart abgeschrägt, daß zusammen mit dem Mittelkörper (26) ein Auslaß (33) gebildet wird, der ebenso wie der Auslaß (28) von der Mittelachse (21) weg gerichtet ist.

Der äußere Körper (31), der Mittelkörper (26) und der Zentralkörper (24) sind alle über geeignete Leitschaufeln (nicht dargestellt) verbunden, die sich über die Kanäle (22 und 23) erstrecken, so daß eine minimale Störung der Strömung durch die Kanäle (22 und 23) eintritt.

Der äußere Körper (31) definiert eine Ringleitung (34), die im Betrieb durch nicht dargestellte Mittel mit gasförmigem Brennstoff gespeist wird. Eine Anzahl von Düsen (35) im äußeren Körper (31) richten jenen Brennstoff aus dem stromabwärtigen Ende (32) des Hauptkörpers (19) in eine Richtung weg von der Zentralachse (21).

Das stromabwärtige Ende (36) des Hauptkörpers (19) liegt im Bereich (37) des Gasturbinentriebwerks (10), wie dies am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, und dies ist unmittelbar stromab des Kompressors (12) und enthält daher im Betrieb Luft unter hohem Druck. Diese Hochdruckluft strömt durch die Kanäle (22 und 23) in die Brennkammern (17) durch die Brennstoffinjektorauslässe (28 und 33). Wenn das Gasturbinentriebwerk (10) unter Verwendung von flüssigem Brennstoff arbeiten soll, wird Brennstoff in den radial inneren Kanal (22) über die Einspritzdüsen (30) eingespritzt, um durch die Luftströmung durch den inneren Kanal (22) zerstäubt zu werden. Das sich hieraus ergebende Brennstoff/Luft- Gemisch wird dann durch den Auslaß (28) in die Brennkammer (17) ausgestoßen, wo die Verbrennung stattfindet.

Wenn das Gasturbinentriebwerk (10) mit einem gasförmigen Brennstoff arbeiten soll, dann wird die Flüssigbrennstoffströmung nach der Ringleitung (29) unterbrochen und gasförmiger Brennstoff wird in die Ringleitung (34) eingeführt. Der Brennstoff wird von der Ringleitung (34) über die Düsen (35) eingeblasen, worauf er sich mit Luft mischt, die von dem Kanal (23) nach dem Auslaß (33) gelangt. Dann folgt eine Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemischs.

Benachbart zum stromaufwärtigen Ende (36) des Hauptkörpers (19) des Brennstoffinjektors (18) ist eine Ringleitung (38) vorgesehen. Diese Ringleitung (38) wird mittels eines Tragarmes (39) koaxial zur Achse (21) des Brennstoffinjektors (18) gehalten. Der Trägerarm (39) definiert einen Kanal (40), der das Innere (41) der Ringleitung (38) mit einer (nicht dargestellten) Hochdruckdampfquelle verbindet.

Das stromabwärtige Ende (42) der Dampfringleitung (38) ist offen und nimmt das stromaufwärtige Ende (43) des Mittelkörpers (26) auf, so daß diese zusammen die radial inneren und äußeren Auslässe (44 bzw. 45) für den aus der Leitung (38) auszublasenden Dampf bilden. Schaufeln (46) verbinden den Mittelkörper (26) und die Dampfleitung (38), um zu gewährleisten, daß die Relativstellungen der Teile fixiert sind.

Die Dampfringleitungsauslässe (44 und 45) sind demgemäß benachbart zu den stromaufwärtigen Enden der Kanäle (22 und 23) angeordnet und erstrecken sich durch den Hauptkörper (19), und sie sind so positioniert und angeordnet, daß Dampf in jene Kanäle (22 und 23) eingeblasen wird.

Die Dampfringleitungsauslässe (44 und 45) besitzen eine kleinere Querschnittsfläche als die stromaufwärtigen Enden der Kanäle (22 bzw. 23), denen sie gegenüberliegen. Außerdem ist die Dampfringleitung (38) so ausgebildet und angeordnet, daß Hochdruckluft vom Gasturbinentriebwerks- Bereich (37) um die Ringleitung (38) herum und in die Kanäle (22 und 23) einströmen kann.

Wenn das Gasturbinentriebwerk (10) angelassen wird und auf seine normale Betriebsdrehzahl hochläuft, dann gelangt Luft allein aus dem Bereich (37) durch die Kanäle (22 und 23), und es wird entweder gasförmiger oder flüssiger Brennstoff in der beschriebenen Weise benutzt. Wenn das Triebwerk (10) jedoch eine vorbestimmte Betriebsdrehzahl erreicht hat, dann wird Hochdruckdampf durch den Kanal (40) des Trägerarms (39) und in die Dampfleitung (38) eingelassen, die jedem Dampfinjektor (18) zugeordnet ist. Der Dampf in der Ringleitung (41) steht unter einem höheren Gesamtdruck als die Luft, die durch die Kanäle (22 und 23) strömt, so daß im wesentlichen der gesamte Dampf, der aus den Ringleitungsauslässen (44 und 45) ausströmt, in die Kanäle (22 bzw. 23) einströmt und nicht um das Äußere des Hauptkörpers (19) des Brennstoffinjektors herum.

Das Volumen des in die Kanäle (22 und 23) gerichteten Dampfes ist so gewählt, daß innerhalb der Kanäle (22 und 23) der Luftgehalt nicht größer als ungefähr 20 Gew.-% der Gesamt-Luft/Dampf-Mischung innerhalb der Kanäle (22 und 23) ist. Außerdem werden Dampf- und Brennstoffströmungen innerhalb eines speziellen vorbestimmten Bereichs eingestellt.

Es ist daher ersichtlich, daß dann, wenn Dampf in die Kanäle (22 und 23) des Hauptkörpers gerichtet wird, jener Dampf das vorherrschende Strömungsmittel in jenen Kanälen darstellt und von der Luft die Rolle der Brennstoffzerstäubung übernimmt, wenn flüssiger Brennstoff benutzt wird. Das Einspritzen von Dampf in die Primärverbrennungszone führt zu einer Reduktion in der Emission von Stickoxiden und/oder ermöglicht eine Erhöhung der Triebwerksleistung.

Die Einführung von Dampf in jeden Brennstoffinjektor (18) gewährleistet, daß das Triebwerk (10) in der Lage ist, mit einer Mischung von Dampf und Luft zu arbeiten, während dann, wenn Dampf nicht verfügbar ist, die normale Zufuhr von Luft durch den Brenner aufrechterhalten wird.

Claims (8)

1. Brennstoffinjektor für ein Gasturbinentriebwerk, der einen Hauptkörper mit einem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende aufweist, wobei das stromaufwärtige Ende betriebsmäßig mit einem Bereich von Hochdruckluft in Verbindung steht und der Hauptkörper einen oder mehrere Kanäle besitzt, welche das stromaufwärtige Ende mit dem stromabwärtigen Ende verbinden, so daß eine Luftströmung durch den Hauptkörper erfolgen kann, die aus dem stromabwärtigen Ende austritt, und wobei Mittel vorgesehen sind, um Brennstoff in die Luftströmung einzublasen, um den Brennstoff mit der Luft zu vermischen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dampfinjektor (20) im Bereich des stromaufwärtigen Endes des Hauptkörpers (19) vorgesehen ist, daß der Dampfinjektor (20) so ausgebildet und angeordnet ist, daß betriebsmäßig die Luftströmung durch den einen Kanal oder die Kanäle (22, 23) vom Bereich der Hochdruckluft erfolgen kann, wobei wahlweise Dampf in die Kanäle (22, 23) einspritzbar ist, daß die Gesamtaustrittsquerschnittsfläche des Dampfinjektors (20) kleiner ist als die Gesamteinlaßquerschnittsfläche der Kanäle (22, 23) und daß der Gesamtdruck des Dampfes im Abgasauslaß (44, 45) des Dampfinjektors (20) beim Einblasen von Dampf höher ist als der betriebsmäßig in den Kanälen (22, 23) herrschende Druck, so daß wenigstens der Hauptteil des so gerichteten Dampfes in die Kanäle (22, 23) eintritt.

2. Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal oder die Kanäle (22, 23) einen ringförmigen Querschnitt besitzen.

3. Brennstoffinjektor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfinjektor (20) ringförmig gestaltet ist.

4. Brennstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärtigen Enden des Kanals oder der Kanäle (22, 23) eine radial nach außen gerichtete Komponente gegenüber der Längsachse (21) des Brennstoffinjektors (18) aufweisen.

5. Brennstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Hauptkörpers des Injektors (18) mit dem Dampfinjektor (20) zusammenwirkt, um Dampfauslässe vom Dampfinjektor (20) zu definieren.

6. Brennstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (18) so angeordnet ist, daß genügend Dampf betriebsmäßig nach dem Kanal bzw. den Kanälen (22, 23) gerichtet wird, um zu gewährleisten, daß der Luftgehalt innerhalb der Kanäle (22, 23) nicht mehr als 20 Gew.-% beträgt.

7. Brennstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (30), die Brem stoff in die Luftströmung einspritzen, innerhalb des Hauptkörpers (19) angeordnet und so ausgebildet sind, daß Brennstoff in wenigstens einen der Kanäle (22, 23) eingespritzt wird.

8. Brennstoffinjektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffinjektor (16) mit zwei Kanälen (22, 23) ausgestattet ist, die das stromaufwärtige Ende mit dem stromabwärtigen Ende des Hauptkörpers (19) verbinden, und daß eine zusätzliche Brennstoffeinspritzvorrichtung (35) am stromabwärtigen Ende des Hauptkörpers (19) angeordnet ist, wobei die zusätzliche Brennstoffeinspritzvorrichtung (35) Brennstoff in die Luft einspritzt, die aus dem Kanal (23) ausgeblasen wird, in den vorher kein Brennstoff eingespritzt wurde.