DE60122415T2

DE60122415T2 - Einspritzdüsen für flüssigen Brennstoff

Info

Publication number: DE60122415T2
Application number: DE60122415T
Authority: DE
Inventors: Nigel Wilbraham
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: US20010045474A1; US6695234B2; US20010045094A1; EP1139021B1; US6470684B2; EP1139020B1; EP1139020A1; DE60122415D1; EP1139021A2; EP1139021A3; DE60122414T2; DE60122414D1

Description

Die Erfindung betrifft Einspritzdüsen für flüssigen Kraftstoff zur Zufuhr von zerstäubten Kraftstofftropfen in eine Brennkammeranordnung in einem Verbrennungssystem für eine Gasturbine. Es betrifft auch solche Verbrennungssysteme und Gasturbinen, die mit solchen Verbrennungssystemen ausgestattet sind.
In der DE-A 14 01 799 ist eine einfache Brennkammer für einen Lufterhitzer offenbart, in der eine elektrisch leitende Kraftstoffeinspritzleitung zentral aufgehängt ist von einer isolierenden Befestigung. Die Einspritzleitung ist verbunden mit einer Quelle elektrischen Potentials, so dass die Leitung und der Kraftstoff aufgeladen werden. Beim Verlassen der Düse werden die Kraftstofftropfen elektrisch voneinander abgestoßen, so dass der Kraftstoffstrahl in die Brennkammer divergiert.
In der US-A 3 749 545 ist eine einfache Brennkammer einer gewerblichen oder privaten Heizung oder etwas ähnlichem offenbart mit einer Zerstäuberdüse für flüssige Brennstoffe, die an ihrem Zuströmende angeordnet ist. An die Düse ist eine hohe positive Spannung angelegt und geladene Kraftstofftropfen werden direkt in die Brennkammer eingesprüht, die sich nahe der Düse mit einem einströmenden Luftstrom vermischen. Die Einbringung der Kraftstofftropfen wird gesteuert durch Aufladen der Kammerwände mit der selben Polung wie die der Kraftstofftropfen und durch Aufladen von Elektroden, die in der Kammer angeordnet sind, mit der entgegengesetzten Polung.
Es ist bekannt, die Zerstäubung und Einbringung von flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer einer Gasturbine zu verbessern durch die Verwendung von Elektroden, um so den Kraftstofftropfen eine elektrostatische Ladung aufzuprägen.
Zum Beispiel offenbart US Patent Nr. 4 439 980 eine Gasturbine, in die Kraftstoff eingespritzt wird durch eine Einspritzdüse in Richtung auf eine Elektrode in eine Verbrennungskammer, so dass nach dessen Austritt aus der Einspritzdüse, der Kraftstoff elektrostatisch aufgeladen ist und die Stärke des elektrischen Felds eingestellt ist, um eine Sprüheigenschaft zu schaffen, die voraussichtlich optimale Turbinenleistung ergibt.
Die vorliegende Anmeldung geht davon aus, dass weiter erhöhte Steuerung der Kraftstoffeinbringung, Verdampfung und Verbrennungsintensität gewünscht ist. Dies würde zu höherer Verbrennungsstabilität führen, insbesondere bei niedrigen Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeiten und zu niedrigerer Emission von Schmutzstoffen von Motoren.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Einspritzdüse für flüssigen Kraftstoff für ein Verbrennungssystem für eine Gasturbine zu schaffen, mit der eines oder mehrere von Kraftstoffzerstäubung, Verdampfung, Einbringung und Verbrennungsintensität genauer gesteuert werden kann, um eine verbesserte Verbrennungsleistung zu erzeugen.
Gemäß der Erfindung ist eine Einspritzdüse für flüssigen Kraftstoff zur Zufuhr von zerstäubten Kraftstofftropfen für ein Verbrennungssystem für eine Gasturbine vorgesehen, wobei diese Düse umfasst:

(a) ein Düsengehäuse, und
(b) einen Kraftstoffdurchlass in dem Düsengehäuse mit einem Auslass für den Kraftstoff zum Verlassen der Düse, gekennzeichnet, durch
(c) Elektrodeneinrichtungen, die um das Düsengehäuse angeordnet sind, wobei die Elektrodeneinrichtungen eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweisen,
(d) elektrische Isoliereinrichtungen, die wirksam sind um die innere Oberfläche der Elektrodeneinrichtungen von dem Düsengehäuse zu isolieren und die äußere Oberfläche der Elektrodeneinrichtungen von der Umgebung zu isolieren, wobei die Elektrodeneinrichtungen Kanten aufweisen, die gebildet sind durch Schneiden von deren inneren und äußeren Oberflächen und Teil einer Wand des Durchlasses bilden und die Kanten frei sind von den elektrischen Isoliereinrichtungen und gebildet sind von einem scharfen enthaltenen Winkel, die wirksam sind, um die Tropfen elektrostatisch aufzuladen, wenn diese die Düse verlassen.

Zumindest die Kante weist vorzugsweise ein gegen Erosion widerstandsfähiges Material auf und können den Auslass der Düse bilden.
Falls gewünscht kann die Kante im wesentlichen entlang einer allgemeinen Strömungsrichtung des Kraftstoffs entlang des Durchlasses vorragen oder alternativ kann die Kante im wesentlichen quer zu dieser allgemeinen Strömungsrichtung des Kraftstoffs vorragen.
Ein Verbrennungssystem für eine Gasturbine kann mindestens eine Einspritzdüse für flüssigen Kraftstoff aufweisen, die gemäß der Erfindung gebildet ist und weitere Elektrodeneinrichtungen die verbunden sind mit Ladeeinrichtungen, um die weiteren Elektrodeneinrichtungen aufzuladen mit vorbestimmter Polung mit Bezug auf die Düsenelektrodeneinrichtungen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Verbrennungssystem für eine Gasturbine umfassen:
eine Verbennungshauptkammer,
eine davon stromaufwärts gelegene Verbennungsvorkammer, die sich in die Hauptkammer öffnet, wobei die Vorkammer ei nen kleineren Durchlassbereich aufweist als die Hauptkammer und um eine Längsachse angeordnet ist,
eine Brennerseite an einem Eintrittsende dieser Vorkammer,
eine Vorwirbeleinheit, die eine Vielzahl von Vorwirbeldurchlässen umfasst, die in Verbindung sind mit dem Eintrittsende der Vorkammer für die Zufuhr einer vorgewirbelten Luft/Kraftstoffmischung in die Vorkammer, wobei die Vorwirbeldurchlässe um die Längsachse angeordnet sind,
eine Vielzahl von Zerstäubereinspritzdüsen für flüssigen Kraftstoff, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind und in den Vorwirbeldurchlässen angeordnet sind, um in diese zerstäubten Kraftstoff einzuspritzen,
Lageeinrichtungen, die betätigbar sind, um selektiv die Düsenelektrodeneinrichtungen elektrostatisch aufzuladen auf eine vorbestimmte Polung, um so den zerstäubten Kraftstoff elektrostatisch aufzuladen,
Vorwirbelelektrodeneinrichtungen, die mindestens Abschnitte der Vorwirbeldurchlässe bilden, und
Ladeeinrichtungen, die betätigbar sind, um selektiv die Vorwirbelelektrodeneinrichtungen elektrostatisch aufzuladen mit derselben Polung wie die Düsenelektrodeneinrichtungen, um so den zerstäubten, eingespritzten Kraftstoff von den Abschnitten der Vorwirbeldurchlässe abzuhalten.
Eine erste Brennerelektrodeneinrichtung kann vorgesehen sein, die in Verbindung ist mit der Brennerseite und es können Einrichtungen vorgesehen sein, um die erste Brennerelektrodeneinrichtung auf einem Potential zu halten mit Bezug auf den elektrostatisch geladenen Kraftstoff, so dass der Kraftstoff zu der ersten Brennerelektrodeneinrichtung gedrängt wird.
Eine zweite Brennerelektrodeneinrichtungen kann in Verbindung mit der Brennerseite sein und Einrichtungen, um selektiv die zweiten Brennerelektrodeneinrichtungen elektrosta tisch aufzuladen mit derselben Polung wie der geladene Kraftstoff. Die zweiten Brennerelektrodeneinrichtungen umgeben vorzugsweise die erste Brennerelektrodeneinrichtung.
Eine Kraftstoffzündeinrichtung ist vorteilhaft angeordnet zwischen einem radialen, inneren Auslass aus dem Verwirbelungsdurchlass und der ersten Brennerelektrodeneinrichtung.
Die Vorkammer kann mit Vorkammerelektrodeneinrichtungen versehen sein, die mindestens einen Abschnitt der Vorkammer umfassen, wobei Ladeeinrichtungen vorgesehen sind, um selektiv die Vorkammerelektrodeneinrichtungen elektrostatisch aufzuladen mit derselben Polung wie der geladene Kraftstoff.
Weitere Aspekte der Erfindung werden erkennbar aus der folgenden Beschreibung und Ansprüchen.
Ausgestaltungen der Erfindung werden nun beispielhaft beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, von denen:
1 ein diagrammartiger und unvollständiger Längsschnitt einer Ausgestaltung eines Verbrennungssystems für eine Gasturbine ist mit einer Einspritzdüse für flüssigen Kraftstoff, die gemäß der Erfindung gebildet ist.
2 eine Darstellung eines Abschnitts auf Linie II-II in 1 ist inklusive gewisser weiterer Information.
3 ein diagrammartiger Längsschnitt einer Ausgestaltung einer Einspritzdüse für flüssigen Kraftstoff ist, die gemäß der Erfindung gebildet ist und in dem Verbrennungssystem in 1 verwendet werden kann.
4 ein Teil des Schnitts in 3 ist, vergrößert dargestellt mit Bezug auf 3.
5 ein mit 4 vergleichbarer Teil eines Schnitts ist einer weiteren Ausgestaltung der Kraftstoffeinspritzdüse, die gemäß der Erfindung gebildet ist, und
6 ein mit 4 vergleichbarer Teil eines Schnitts ist einer weiteren Ausgestaltung der Kraftstoffeinspritzdüse, die gemäß der Erfindung gebildet ist.
In den Zeichnungen bezeichnen entsprechende Bezugszeichen entsprechende oder vergleichbare Teile.
Mit Bezug auf 1 und 2 umfasst eine Gasturbine (nicht dargestellt) eine Vielzahl von Brennkammern, wobei eine solche Brennkammer mit 2 bezeichnet ist. Die Brennkammer 2 umfasst einen Brenner 4 mit einem Brennerkopf 6, einer Einströmverwirblereinheit 8, einer zylindrischen Vorkammer 10 und einer Hauptbrennkammmer 12 mit größerem Durchmesser stromabwärts der Vorkammer.
Die Verwirbelungseinheit 8 umfasst eine Vielzahl von Verwirbelungsprofilen 14, die um eine zentrale Achse und trennende Durchlässe 16 angeordnet sind, entlang denen komprimierte Verbrennungsluft im allgemeinen nach innen strömt von einem umgebenden Einlass 18, der mit komprimierter Luft von dem Kompressor der Gasturbine versorgt ist. Wie insbesondere in 2 gezeigt sind die Durchlässe 16 im wesentlichen tangential zum Umfang der Vorkammer 10 gerichtet. Nach Austritt aus den Durchlässen 16 tritt die Verbrennungsluft in die Vorkammer 10 nahe bei deren Eintrittsende mit großen tangentialen und kleineren radialen Geschwindigkeitskomponenten. Eine Brennerseite 20 des Brennerkopfs 6 ist an dem Eintrittsende der Vorkammer 10 angeordnet.
Die Brennkammer 2 kann gasförmigen Kraftstoff verbrennen, zum Beispiel natürliches Gas oder zerstäubten, flüssigen Kraftstoff. Im Betrieb mit gasförmigem Kraftstoff kann anfangs gasförmiger Kraftstoff in die Vorkammer 10 zugeführt werden von einem Pilotgassystem (nicht dargestellt), wohingegen die Hauptzufuhr an gasförmigem Kraftstoff durch Gasstrahlrohre oder Düsen 22 (nur in 2 dargestellt) erfolgt, die sich in die Verwirbelungsdurchlässe 16 nahe den radial äusseren Enden der Durchlässe öffnen. Im Betrieb mit flüssigem Kraftstoff wird anfangs flüssiger Kraftstoff zugeführt von Pilotflüssigkraftstoffstrahlrohren oder Düsen 24 an der Brennerseite 20 und die Hauptzufuhr an flüssigem Kraftstoff erfolgt durch zerstäubte Tropfen aus Hauptflüssigkraftstoffstrahlrohren oder Düsen 26, die sich in die Verwirbelungsdurchlässe 16 nahe den radial inneren oder Auslassenden der Verwirbelungsdurchlässe öffnen.
Jede Einspritzdüse 26 ist verbunden mit einer geeigneten Zufuhr für flüssigen Kraftstoff über einen Einlass für flüssigen Kraftstoff (nicht dargestellt), der mit dem Verbrennungssystem verbunden ist.
Mit Bezug auf 3 und 4 umfasst jede Einspritzdüse 26 ein Düsengehäuse 28, das versehen ist mit einem kreisförmigen Bereich einer Drehkammer 30 (an sich bekannt). Flüssiger Kraftstoff tritt in die Drehkammer tangential ein durch ein Feld mit gleichwinklig beabstandeten Bohrungen oder Spalten 32 und wird ausgeworfen durch Kanal 33 und den divergenten Durchlass 34 in eine allgemeine Richtung A zu einem Auslass 36. Der Durchlass 34 erweitert sich zunehmend in Richtung A, so dass ein Wandbereich 38 des Durchlasses 34 von im wesentlichen kegelstumpfförmiger Gestalt ist. Auf Grund der kräftigen Drehbewegung, die dem Kraftstoff in der Drehkammer vermittelt wird, neigt er dazu entlang der inneren Oberfläche der Wand 38 zu strömen und nach Erreichen des Auslasses 36 der Düse wird er in kleine Tropfen zer stäubt beim sich Ausbreiten aus dem Durchlass 34 in den Luftstrom in den Vorwirbeldurchlässen. Diese Art von Kraftstoffdüse wird hergestellt von der Delavan Gasturbinen Products Division der BF Goodrich Aerospace, 811 4^th. Street, West Des Moines, Iowa 50265, USA.
Die vorliegende Ausgestaltung der Erfindung fügt zu dieser bekannten Art von Kraftstoffeinspritzdüsen eine rohrförmige Elektrode 40 hinzu aus elektrisch leitendem Material, das das Düsengehäuse 28 umgibt und den Auslass 36 des Durchlasses 34 bildet. An dem Auslass 36 weist die Elektrode 40 eine im wesentlichen kreisförmige scharfe Kante 42 auf, die im wesentlichen entlang der Richtung des Durchlasses des Kraftstoffs durch die Düse vorspringt. Beabstandet von ihrem obersten Ende ist die Elektrode zwischen rohrförmigen Schichten 44 und 46 elektrischer Isolierung eingebettet, die sie von der Umgebung und dem Düsengehäuse 28 isolieren und die zum Beispiel aus Glimmer oder einem keramischen Material gefertigt sein kann. Eine radial innere Fläche 48 der Elektrode 40 ist im wesentlichen zylindrisch, um sich der Form der äußeren Fläche des Düsengehäuses 28 anzupassen, wohingegen ihre radial äußere Fläche 50 im wesentlichen kegelstumpfförmig ist, um so den beinhalteten Winkel der scharfen Kante 42 zu bilden.
Mit der Bestimmung der Kante 42 der Elektrode 40 als scharf meint der Anmelder ausreichend scharf um Ladung auf die Kraftstofftropfen aufzuprägen, wenn diese schnell den Auslass 46 der Düse verlassen. Zum Beispiel schätzt der Anmelder, dass zur Erfüllung dieser Funktion, die Kante 42 einen beinhalteten Winkel von ungefähr einem halben Grad und einen radius von nicht mehr als ungefähr einem Mikron haben kann, obwohl der Anmelder nicht an diese Werte gebunden zu sein wünscht. Es wird einem Fachmann offensichtlich sein, dass die Elektrode oder mindestens ihre exponierte Spitze mit der scharfen Kante 42 für die Widerstandsfähigkeit ge gen Erosion durch den darüber hinweg gehenden Kraftstoff und zum Erhalt von deren Schärfe über einen langen Zeitraum aus einem geeignet harten, leitenden und wärmebeständigem Material gefertigt sein sollte, wie zum Beispiel Schnelldreh-Werkzeugstahl oder einem Material mit harter Oberfläche, wie zum Beispiel Stellite 6 (Marke).
Vorzugsweise wird die elektrostatische Ladung dem Kraftstoff von der Elektrode genau an dem Punkt aufgeprägt, an dem der Kraftstofffluss, der an der inneren Wand des Düsendurchlasses 34 anhaftet, beginnt in Tropfen aufzubrechen, wenn er das Düsenauslassende 36 verlässt. Um diese Ladung zu verschaffen, sind eine Ladungsquelle und Steuereinheit 52 (wie an sich bekannt) verbunden mittels Leitung 54 mit einem ringförmigen Leiter 56, der die Elektroden 40 der Düsen 26 versorgt. Vorzugsweise sind die Elektroden und damit die Kraftstofftropfen, die aus den Düsen 26 austreten, positiv geladen.
Mit Bezug auf die 1 und 2 weisen die Verwirbelungseinheit 8 oder mindestens Wandabschnitte der Wirbeldurchlässe 16, zum Beispiel Oberflächen der Flügel 14, eine Elektrode auf, die elektrostatisch geladen ist über die Leitung 58 von einer anderen Ladungsquelle und Steuereinheit 60. Falls geladen, ist die Elektrode 8 mit der selben Polung geladen wie die Kraftstofftropfen.
Die Vorkammer 10 weist eine Kammerwand 62 auf, die auch eine Elektrode aufweist, die über Leitung 63 von der Quelle und Steuereinheit 60 elektrostatisch geladen ist. Falls geladen, ist die Elektrode 62 mit der selben Polung geladen wie die Kraftstofftropfen.
Der Brennerkopf 6 weist zwei Brennerelektroden 64 und 66 auf, die Elektrodenflächen an den Brennerflächen 20 ausbilden. Die Elektrode 64 ist eine zentrale Elektrode, die in den Zeichnungen als ein Zylinder dargestellt ist und Elektrode 66 ist eine umgebende Elektrode, die als ein Ring dargestellt ist. Die Elektrode 66 ist elektrostatisch mit der selben Polung geladen wie die Kraftstofftropfen. Dies kann erreicht werden durch leitendes Verbinden der Elektrode 66 mit der Elektrode 8 mittels einer leitenden Verbindung 68, so dass die Elektroden 8 und 66 sich auf dem selben Potential befinden. Alternativ kann keine Verbindung 68 vorhanden sein und statt dessen kann eine Leitung 70 vorgesehen sein, so dass die Elektrode 66 von der Quelle und Steuerung 36 über die Leitung 70 geladen werden kann, so dass die Elektrode 66 auf einem unterschiedlichem Potential zu dem der Elektrode 8 sein kann.
Vorzugsweise ist die zentrale Elektrode 64 entgegengesetzt zum Kraftstoff zu laden oder mindestens auf ein niedrigeres Potential. Das kann erreicht werden durch Verbinden der Elektrode 64 mit einer geeigneten elektrostatischen Lade- und Steuereinheit oder kann erreicht werden, wenn die Kraftstoffladung positiv ist, durch Erden der zentralen Elektrode 64, um so auf einem niedrigeren Potential zu sein als die Elektroden der Düsen 26 und die anderen Elektroden 8, 62 und 66.
Ein Zünder für den Kraftstoff ist mit 72 eingebettet in die Fläche der Elektrode 66 dargestellt und kann nahe eines Umfangs der zentralen Elektrode 64 sein.
Isolierung, zum Beispiel Glimmer oder eine Keramik, ist angezeigt mit 74A, 74B, 74C, 74D, 74E, 74F und 74G, um die Elektroden isoliert zu halten voneinander oder anderen Teilen des Systems.
Der von den Düsen 26 emittierte Kraftstoff kann wie gewünscht wahlweise elektrostatisch geladen werden oder nicht von den Einheiten 52, 60, abhängig von der gewünschten Art des Betriebs der Gasturbine. Insbesondere während des Betriebs der Maschine bei niedriger Last, wenn geringere Volumen flüssigen Kraftstoffs an die Einspritzdüsen 26 abgegeben werden, ist die zusätzliche Steuerung der Kraftstoffzerstäubung, Verdampfung, Anordnung und Verbrennungsintensität, die durch elektrostatische Aufladung erreichbar ist, vorteilhaft. Die Elektroden 8, 62, 64 und 66 können, falls gewünscht, auch gleichzeitig geladen werden oder nur eine oder irgendeine Kombination geladen oder auf irgendeinem geeigneten, gewünschten Potential gehalten werden. Bei Volllastbetrieb der Maschine wenn größere Volumen flüssigen Kraftstoffs an die Einspritzdüsen 26 abgegeben werden, kann gute Kraftstoffzerstäubung, Verdampfung, Anordnung und Verbrennungsintensität erreichbar sein, wenn keine der Elektroden geladen ist.
Die Steuereinheiten 52 und 60 können unabhängig betrieben werden und die Steuereinheit 60 kann die jeweiligen Elektroden laden, mit denen sie verbunden ist in jeweils unterschiedlichen Maßen oder Potentialen. Die Quelle der statischen Elektrizität kann eine Batterie sein oder kann von einem hilfsweisen elektrischen Generator abgeleitet sein, der von der Gasturbine angetrieben wird.
Insbesondere mit Bezug auf 1 können, wenn die Maschine im Zündbetrieb und der flüssige Kraftstoff von den Düsen 26 positiv geladen und die zentrale Brennerelektrode 64 geerdet ist, (i) die Elektroden 8 und 66 positiv geladen und auf dem selben Potential sein, zum Beispiel über die Verbindung 68 und (ii) die Elektrode 62 kann auch positiv geladen sein, zum Beispiel leicht geladen sein und damit auf einem geringeren Potential sein mit Bezug auf die Elektroden 8, 66. Ein Beispiel eines elektrostatischen Felds innerhalb des verbrennungssystems ist angezeigt mit der strichpunktierten Linie 76 und eine sich ergebende Position für den eingebrachten Kraftstoff oder Hüllkurve der Positi on des Kraftstoffflusses ist angezegt mit der unterbrochenen Linie 78. Die geladenen Tropfen neigen dazu, von der Verwirbelungseinheit 8 und von der Wand 62 abgestoßen zu werden, so dass die Möglichkeit dieser Wand oder derer in Einheit 8 zu verkoken auf Grund der Verbrennung des Kraftstoffs auf ihren Oberflächen gemindert ist. Auch weil der Kraftstoff zu der zentralen Elektrode 64 gedrängt wird, entweder durch Anziehung dahin oder mindestens dadurch, dass er weniger davon abgestoßen wird als durch die anderen Elektroden, wird die Möglichkeit, dass er effizienter gezündet wird von dem Zünder 72, wenn Kraftstoff über diesen bewegt wird, verbessert. Kraftstoff wird von den Verwirbelungsprofilen 14 nicht nur elektrostatisch abgestoßen sondern auch von der Elektrode 66. Auf Grund der elektrostatischen Verhältnisse, die beschrieben sind im Zündbetrieb, wird die Verdampfungsgeschwindigkeit des flüssigen Kraftstoffs erhöht durch (1) bessere Kraftstoffzerstäubung (Coulomb Spaltung), durch (2) Coulomb Kraft, die viel größer ist als gewöhnliche aerodynamische Kraft, so dass die Tropfen sich gegen die Luftströmungen bewegen können und durch (3) Coulomb Kraft, die das Zusammenwachsen der Tropfen verhindert.
Wenn die Maschine im Betrieb mit abnehmender Last läuft, kann die dem Kraftstoff aufgeprägte positive Ladung vorzugsweise ein Maximum sein dessen, was das System bereitstellen kann. Die zentrale Brennerelektrode 64 ist geerdet und (i) die Elektroden 8 und 66 können positiv geladen und auf dem selben Potential sein und (ii) die Elektrode 62 kann auch positiv geladen sein, aber auf einem höheren Potential als für den Zündbetrieb. Folglich ist das elektrostatische Feld in der Vorkammer 10 eingeklemmt und drängt so die Kraftstoff/Luft-Mischung wieder zu der Elektrode 64 hin. Die Elektroden 8, 62 und 66 können auf dem selben oder unterschiedlichen Potentialen sein. Die Wirkung des elektrostatischen Felds auf den Kraftstoff ist es, des sen Zerstäubung zu verbessern oder zu erhöhen, was wünschenswert ist bei geringerer Geschwindigkeit des Kraftstoffflusses. Hohe Ladung auf den Elektroden 66 und 62 in Verbindung mit der geerdeten Elektrode 64 zieht und drückt auch den Kraftstoff stromaufwärts zu dem Zentrum des Brennerkopfs 6 an dem oberen Ende der Vorkammer 10, woraus sich verbesserte Kraftstoffkonzentration und deshalb verbesserte Flammenstabilität ergeben.
Der Leser wird auf EP-A-1 139 021 verwiesen für weitere Einzelheiten eines derartigen Verbrennungssystems für eine Gasturbine, die nicht in der vorliegenden Beschreibung enthalten sind.
Die Verwendung elektrostatischer Steuerung von Kraftstoffanordnung kann beitragen zur:

a) Steuerung von NO_x Emissionen.
b) Verbesserung der Flammenstabilität bei Zünd- und Lastminderungsbetriebsweisen.
c) Verringerung des Bedarfs an dem Gebrauch von mehr als einem Satz von Kraftstoffdüsen zur Einspritzung von flüssigem Kraftstoff.
d) Dämpfung von Rattern in Verbrennungssystemen auf Grund der Verringerung oder Eliminierung ungleichmäßiger Verbrennung.
e) Verstärkung von Verdampfungsgeschwindigkeiten des Kraftstoffs und dadurch zur Verringerung von NO_x.
f) Befähigung zum Stufen von flüssigem Kraftstoff zur Verwendung in Verbrennungssystemen vom „Can"-Typ. Stufen von flüssigem Kraftstoff ist die Technik, bei der dieselbe Einspritzdüse oder Düsensatz verwendet werden kann, um Kraftstoff bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten für Betrieb bei geringer Last und auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten für Betrieb bei höheren Lasten, einzuspritzen. Bisher war das sehr schwer zu erreichen gewesen, weil herkömmliche Einspritzdüsen ausge legt sein müssen, um optimale Zerstäubung über einen beschränkten Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten zu bieten. Die vorliegende Erfindung greift dieses Problem auf, um bessere Steuerung der Zerstäubung und Einbringung des Kraftstoffs in die Brennkammer zu ermöglichen.
g) Befähigung zur Verwendung eines Einsatzes von Flüssig-Kraftstoffeinspritzdüsen mit höherer Strömungszahl, wobei das Risiko des Verkokens von Oberflächen im Verwirbler und der Vorkammer reduziert wird. Hier ist „Strömungszahl" die UK Strömungszahl und ist definiert als die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs durch die Düse in imperialen Gallonen pro Stunde, dividiert durch die Quadratwurzel des Druckabfalls durch den Einspritzer in Pfunden als Kraft pro Inch im Quadrat. Herkömmlicherweise können, wenn Düsen mit hoher Strömungszahl verwendet werden, die gute Kraftstoffzerstäubung ergeben bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, diese nicht entsprechend den Kraftstoff bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten zerstäuben und dies führt zu größeren Kraftstofftropfen, die eher auf Brennkammeroberflächen auftreffen und verbrennen, wodurch Verkokung der Oberflächen herbeigeführt wird. Die Verwendung jedoch der wie oben beschriebenen geladenen Elektroden sowohl in der Einspritzdüse als auch in den Brennkammerkomponenten verringert oder beseitigt dieses Problem.
h) Befähigung zur Verwendung eines weiteren Bereichs von flüssigen Kraftstoffarten wiederum wegen besserer Zerstäubung und Steuerung der Kraftstoffeinbringung.
i) Verbesserung der Kraftstoff und Luftmischung, was dazu führt, dass Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in der Form weissen Rauchs reduziert werden.

In 5 ist ein Teil einer geänderten Einspritzdüse gezeigt bei 26A, bei der ein oberer Flächenbereich 48A der radial inneren Fläche 48 der Elektrode 40 von konvex kegeliger Form ist mit Bezug auf den Durchlass 34 und dem Durchlass mehr exponiert ist als das obere Ende der Elektrode 40 der Düse 26 (3 und 4). Dies kann eine höhere verschleissfestigkeit ergeben als die Ausgestaltung von 4, da die scharfe Kante 42 einen größeren beinhalteten Winkel aufweist als der in 4 gezeigte, obwohl der Kantenradius nicht größer zu sein braucht. Der größere beinhaltete Winkel der Kante kann jedoch einen Nachteil ergeben durch verminderte Effektivität beim Aufprägen von Ladung auf den Kraftstoff.
In 6 ist ein Teil einer weiteren geänderten Einspritzdüse gezeigt bei 26B, bei der ein oberes Ende 36 des Durchlasses 34 gebildet ist von einer äußeren Fläche einer radial nach innen gedrehten Lippe 44B auf dem äußeren Isolationsrohr 44. Die Lippe 44B deckt zumindest teilweise eine im wesentlichen radial nach innen gerichtete (mit Bezug auf den Durchlass 34) eingedrehten Schnabel oder Lippe 40B an dem oberen Ende der Elektrode 40, wobei die Lippe die scharfe Kante 42 trägt, die die elektrische Ladung in eine Richtung weist, die im wesentlichen quer ist zu der Richtung A des Kraftstoffstroms. In diesem Fall ist die scharfe Kante 42 eingesetzt in den Durchlass 34 zum Schutz vor Erosion in einer Position etwas stromaufwärts von dem Strömungsende des Durchlasses 36. Diese Anordnung kann die Ladungsabgabe an den Kraftstoffstrom unmittelbar vor dem Austritt aus der Düse effizienter machen, insbesondere in dem Fall von Kraftstoffen mit hoher Viskosität.

Claims

Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff zur Zufuhr von zerstäubten Kraftstofftropfen in eine Brennkammer (10, 12) einer Gasturbine, wobei diese Düse umfasst: (a) ein Düsengehäuse (28), und (b) einen Kraftstoffdurchlass (34) in dem Düsengehäuse mit einem Auslass für den Kraftstoff zum Verlassen der Düse, gekennzeichnet, durch (c) Elektrodeneinrichtungen (40), die um das Düsengehäuse angeordnet sind, wobei die Elektrodeneinrichtungen eine innere Oberfläche (48) und eine äußere Oberfläche (50) aufweisen, (d) elektrische Isoliereinrichtungen (44, 46), die wirksam sind um die innere Oberfläche der Elektrodeneinrichtungen von dem Düsengehäuse (28) zu isolieren und die äußere Oberfläche der Elektrodeneinrichtungen von der Umgebung zu isolieren, wobei die Elektrodeneinrichtungen Kanten (42) aufweisen, die gebildet sind durch Schneiden von deren inneren und äußeren Oberflächen und Teil einer Wand des Durchlasses bilden und die Kanten frei sind von den elektrischen Isoliereinrichtungen und gebildet sind von einem scharfen enthaltenen Winkel, die wirksam sind, um die Tropfen elektrostatisch aufzuladen, wenn diese die Düse verlassen.
Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Kante (42) ein gegen Erosion widerstandsfähiges Material aufweist.
Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (42) den Auslass (36) der Düse bildet.
Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (42) nahe dem Auslass (36) der Düse ist.
Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (42) im wesentlichen entlang einer allgemeinen Strömungsrichtung (A) des Kraftstoffs entlang des Durchlasses (34) vorragt.
Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (42, 6) im wesentlichen quer zu dieser allgemeinen Strömungsrichtung (A) des Kraftstoffs vorragt.
Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (42) über ein Inneres des Düsendurchlasses (34) vorragt.
Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (34) divergiert in Richtung auf den Auslass (36).
Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehkammer (30) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, den Kraftstoff vor Eintritt in den Durchlass (34) zu verwirbeln.
Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (34) einen Kanalabschnitt (33) umfasst, der mit der Drehkammer (30) in Verbindung steht.
Verbrennungssystem (2) für eine Gasturbine mit mindestens einer Einspritzdüse (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und Komponenten des Verbrennungssystems mit weiteren Elektrodeneinrichtungen (8, 62, 64, 66), die verbunden sind mit Ladeeinrichtungen (52, 60), um die weiteren Elektrodeneinrichtungen aufzuladen mit vorbestimmter Polungen mit Bezug auf die Düsenelektrodeneinrichtungen, um so die Verteilung des Kraftstoffs (78) in einer Brennkammer (12) zu steuern.
Verbrennungssystem für eine Gasturbine mit einer Verbennungshauptkammer (12), einer davon stromaufwärts gelegenen Verbennungsvorkammer (10), die sich in die Verbennungshauptkammer (12) öffnet, wobei die Verbennungsvorkammer (10) einen kleineren Durchlassbereich aufweist als die Hauptkammer und um eine Längsachse angeordnet ist, einer Brennerseite (20) am Eintrittsende dieser Vorkammer (10), einer Vorwirbeleinheit (8), die eine Vielzahl von Vorwirbeldurchlässen (16) umfasst, die in Verbindung sind mit dem Eintrittsende der Vorkammer (10) für die Zufuhr einer vorgewirbelten Luft/Kraftstoffmischung in die Vorkammer, wobei die Vorwirbeldurchlässe (16) um die Längsachse angeordnet sind, einer Vielzahl von Zerstäubereinspritzdüsen (26) für flüssigen Kraftstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und in den Vorwirbeldurchlässen angeordnet, um in diese zerstäubten Kraftstoff einzuspritzen, Lageeinrichtungen (52), die betätigbar sind, um selektiv die Düsenelektrodeneinrichtungen (40) elektrostatisch aufzuladen auf eine vorbestimmte Polung, um so den zerstäubten Kraftstoff elektrostatisch aufzuladen, Vorwirbelelektrodeneinrichtungen, die mindestens Abschnitte der Vorwirbeldurchlässe (16) bilden, und Ladeeinrichtungen (60), die betätigbar sind, um selektiv die Vorwirbelelektrodeneinrichtungen elektrostatisch aufzuladen mit derselben Polung wie die Düsenelektrodeneinrichtungen, um so den zerstäubten, eingespritzten Kraftstoff von den Abschnitten der Vorwirbeldurchlässe abzuhalten.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass erste Brennerelektrodeneinrichtungen (64) vorgesehen sind, die in Verbindung sind mit der Brennerseite (20) und Einrichtungen um die erste Brennerelektrodeneinrichtung auf einem Potential zu halten mit Bezug auf den elektrostatisch geladenen Kraftstoff, so dass der Kraftstoff zu der ersten Brennerelektrodeneinrichtung gedrängt wird.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Brennerelektrodeneinrichtungen (66) vorgesehen sind, die in Verbindung mit der Brennerseite (20) sind und Einrichtungen, um selektiv die zweiten Brennerelektrodeneinrichtungen elektrostatisch aufzuladen mit derselben Polung wie der geladene Kraftstoff.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Brennerelektrodeneinrichtungen (66) die ersten Brennerelektrodeneinrichtungen (64) umgeben.
Verbrennungssystem gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoff zündeinrichtung (72) in der Brennerseite (20) eingebettet ist.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoffzündeinrichtung (72) in der zweiten Brennerelektrodeneinrichtung eingebettet ist.
Verbrennungssystem gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (10) mit Vorkammerelektrodeneinrichtungen (62) versehen ist, die mindestens einen Abschnitt der Vorkammer umfassen, wobei Ladeeinrichtungen (60) vorgesehen sind, um selektiv die Vorkammerelektrodeneinrichtungen elektrostatisch aufzuladen mit derselben Polung wie der geladene Kraftstoff.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wandabschnitt der Vorkammer die Vorkammerelektrodeneinrichtungen (62) aufweist.
Gasturbine mit einem Verbrennungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Gasturbine gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtungen (52) für den Kraftstoff so ausgebildet sind, dass sie den Kraftstoff elektrostatisch positiv laden.
Gasturbine mit einem Verbrennungssystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17 oder in Ansprüchen 18 oder 19 falls rückbezogen auf Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennerelektrodeneinrichtung (64) mit Einrichtungen verbindbar ist, die auf Erdpotential gehalten sind.