DE69525920T2 - Brennstoffeinspritzeinrictung für mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff betriebene Turbine - Google Patents

Brennstoffeinspritzeinrictung für mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff betriebene Turbine

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzeinrichtung für eine mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff betriebene Turbine.
  • Das Schadstoffemissions-Erfordernis für Industrieverbrennungsturbinen wird in zunehmendem Masse strenger. Eine der Hauptgruppen der bis jetzt erzeugten Schadstoffe durch solche Maschinen sind Stickstoffoxide (NOx). Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffeinspritzeinrichtung für eine Turbine vorzuschlagen, die niedrige NOx-Emissionen über einen Bereich von Brennstoffzufuhrdrucken (d. h. Krafteinstellungen) garantiert.
  • Patentbeschreibung GB 2.100.409A offenbart einen Brennstoffeinspritztyp oder Brenner, in welchem eine Rundrohrleitung in der Form einer Venturi zwischen einer Außenwand und einem zentralen, konisch erweiterten Hohlkörper oder Drehbolzen definiert ist. Bei Gebrauch fließt Druckluft axial durch die Rohrleitung, und flüssiger Brennstoff wird in die Rohrleitung durch Öffnungen in der Aussenwand eingespritzt, wobei die Auslässe der Brennstoffeinspritzöffnungen vor den Wirkungen des Luftstroms durch eine Stufe in der Aussenwand geschützt sind. Der Brennstoff wird zerstäubt, wenn Brennstoff und Luft die Öffnung zwischen dem Drehbolzen und der Aussenwand am Auslass der Rohrleitung passiert.
  • Gemäss der Erfindung wird eine Brennstoffeinspritzeinrichtung vorgeschlagen, die angepasst ist, um eine vorgemischte Brennstoffluftmischung in einen Gasturbinen-Kombustor einzuspritzen, wobei die Brennstoffluftmischung brennstoffreiche Teile darin hat und die Brennstoffeinspritzeinrichtung eine Mischeinrichtung zum Erzeugen der Brennstoffluftmischung aufweist und die Mischeinrichtung eine Lufteinlasseinrichtung zum Erzeugen von mindestens einem Luftstrom und eine Brennstoffeinspritzeinrichtung hat, die in einer Zone vorgesehen ist, welche von Luftstrom geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung einen Wirbler aufweist und die geschützte Zone durch eine Wand des Wirblers geschützt ist.
  • Der Wirbler kann von mehreren Leitschaufeln geformt sein, wobei der Wirbler ringförmig um die Längsachse eines Turbinenkombustors angeordnet ist und jede Leitschaufel einen Luftstrom erzeugt. Die Leitschaufeln können durch Schlitzwände im Körper des Wirblers gebildet sein, wobei die Schlitze in Bezug auf einen Vorkammerbereich des Kombustors tangential gerichtet sein können.
  • Eine weitere Einspritzeinrichtung kann zum Einspritzen von Brennstoff direkt in der Vorkammer vorgesehen sein.
  • Die zuerst erwähnte Einspritzeinrichtung kann mehrere erste Düsen und die weitere Einspritzeinrichtung mehrere zweite Düsen aufweisen. Die ersten und zweiten Düsen können in einem Block als jeweilige Rundanordnungen um die Längsachse gebildet sein, wobei die ersten Düsen radial außerhalb der zweiten Düsen vorgesehen sind.
  • Der Wirbler kann mehrere Einrichtungen aufweisen, um die jeweiligen Luftströme zu bilden, welche nach innen in Richtung auf die Vorkammer aus einem Bereich fließen, der den Wirbler umgibt. Jede der Luftstrom bildenden Einrichtung kann mit einer getrennten Brennstoffeinspritzdüse verbunden und mit einer Schranke versehen sein, die radial außerhalb der Düse zum Schlitz der Zone liegt. Die Schranke kann die Stirnwand der tangential gerichteten Schlitze bilden, und die Schrankentiefe kann kleiner als die axiale Tiefe der Schlitze sein.
  • Der Wirbler kann einen axialen runden Vorsprung aufweisen, der sich von der Stirnwand erstreckt, wobei die Stirnwand einen größeren Durchmesser als der runde Vorsprung hat.
  • Die Brennstoffeinspritzeinrichtung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 einen Axialschnitt einer Verbrennungskammer mit ihrer begleitenden Brennstoffeinspritzanordnung;
  • Fig. 2 einen Teil von Fig. 1 in einem vergrößerten Maßstab und
  • Fig. 3 eine Stirnansicht des Kombustors von Fig. 1 längs der Linie III-III.
  • Fig. 1 zeigt einen Kombustor 1 einer Gasturbine. Der Kombustor 1 umfasst eine zylindrische Aussenwand 2 und eine zylindrische Innenwand 3 (gezeigt in der Außenansicht in der unteren Hälfte), die dazwischen einen Runddurchgang 4 für Luft bildet, welcher, abgesehen von der Sauerstoffzufuhr für die Verbrennung, ebenfalls tätig ist, um die Hauptverbrennungskammer 5 zu kühlen, die durch die Innenwand 3 definiert ist.
  • Die Hauptverbrennungskammer 5 selbst umfasst eine primäre Verbrennungszone 6, eine Zwischenverbrennungszone 7 und eine Verdünnungszone B. Öffnungen 9 in der Innenwand 3 lassen vom Runddurchgang 4 Luft in die Verbrennungskammer 5. Die zylindrische Wand 3 des Kombustors 1 hat einen konischen Bereich 10, der an einer Kegelstumpfwand 11 angebracht ist und in eine zylindrische Wand 12 einer weiteren Komponente führt, und die Wände 11, 12 eine Vorkammer 13 links von der Hauptverbrennungskammer 5 bilden, wie die Fig. 1 zeigt.
  • Am Stromaufwärtsende der Vorkammer 13, d. h. links von Fig. 1, ist eine Brennstoffeinspritzeinrichtung 14 vorgesehen. Dies umfasst einen Brennstoffeinspritzblock 15 und einen Wirbler 16, wo sich eine Zwischenplatte 17 befindet, die zwischen dem Block 15 und dem Wirbler 16, wie die Fig. 1 und 2 zeigen, angeordnet ist.
  • Der Wirbler 16 leitet Luft radial nach innen in Luftströme, die durch Pfeile 18 in Fig. 2 angegeben sind, und mischt die Luft mit eingespritztem Brennstoff durch Düsen im Block 15, je nach Brennstoffdruck, in einem Ausmaß und in einer nachfolgend beschriebenen Art und Weise.
  • Der in Fig. 2 gezeigte Wirbler 16 umfasst einen runden Vorsprung 29, der sich von einer Rückwand oder einem Kranz 26 mit größerem Durchmesser erstreckt, sowie eine Axialbohrung 30 hat, die sich durch den Kranz 26 und den runden Vorsprung 29 erstreckt. Schlitze 31, die tangential zur Bohrung 30 liegen, sind in der Fläche des Kranzes 26 gerändelt vorgesehen, wobei sich die Schlitze radial über den runden Vorsprung 29 erstrecken, der in Fig. 3 durch die Schlitze 31 gesehen werden kann. Die Tiefe der Schlitze 31 ist größer als die Stärke der Platte 26 und legt auf diese Weise die Außenenden der Schlitze für den Luftstrom 18 frei, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Luft, die in die Schlitze auf diese Weise von einem Bereich eintritt, der den Wirbler bis zur Bohrung 30 umgibt, geht durch die Bohrung 30 und tritt tangential in die Bohrung ein, um eine Rund- oder Wirbelbewegung in der Bohrung zu erzeugen.
  • Der Block 15 umfasst eine radiale Außenanordnung der Düsen 20, eine zentrale Einspritzbohrung 21 und eine runde Zwischenbrennstoffkammer 22 (beaufschlagt durch eine nicht gezeigte Einrichtung), die selbst mit Düsen 23 versehen ist, wobei jede Düse in der Bahn eines Wirblerschlitzes positioniert ist, so dass jeder Luftstrom mit der jeweiligen Düse verbunden ist.
  • Die Bohrung 21 kann für einen Zünder oder zur Lieferung zusätzlicher Luft oder für eine Luftbrennstoffmischung oder für einen alternativen Brennstoff benutzt werden. Da dies jedoch nicht kritisch für die Erfindung ist, wird dies hier nicht weiter beschrieben.
  • Die Zufuhr von Brennstoff in den Wirbler 16 über die Düsen 20 umfasst die Hauptbrennstoffzufuhr für den Kombustor 1, wenn im unteren bis oberen Kraftbereich gearbeitet wird.
  • Wie die Fig. 1 wieder zeigt, ist eine direkte Brennstoffzufuhr durch die Düsen 23 vorgesehen.
  • Diese direkte Brennstoffeinspritzung ist nützlich zur Ergänzung der Luftbrennstoffmischung, um die Flammenstabilität bei den niedrigsten Krafteinstellungen und beim Maschinenstart zu verbessern. Wenn Krafteinstellungen erhöht werden, wird der Anteil der direkten Brennstoffeinspritzung proportional reduziert. In einigen Konfigurationen kann es möglich sein, auf die direkte Brennstoffeinspritzung zu verzichten und sich ganz auf die Hauptbrennstoffzufuhr durch die Düsen 20 zu verlassen.
  • Bei voller Kraft ist der Brennstoffdruck derartig stark, dass Brennstoff durch eine Öffnung 25 in der Zwischenplatte 17 und axial durch eine Zone 32 am Schlitzende (auch in Fig. 3 gezeigt) eingespritzt wird. Über diese Zone 32 hinaus ist der Brennstoffstrahl den radialen/tangentialen Luftströmen 18 ausgesetzt und wird in den Schlitz 31 geführt und somit eine vorgemischte Brennstoff/Luftzufuhr vorgesehen. Wenn der Brennstoffdruck jedoch bei niedrigerer Kraft reduziert wird, tritt der Brennstoff in den Bereich 32 ein, erreicht aber nicht den Hauptluftstrom 18, wird aber relativ ungemischt längs des Schlitzes gegen die Wand 28 der Platte 17 getragen, wobei der Schlitz und von da ab der Vorkammerbereich geschlossen wird. Wie zu sehen ist, handelt die Aussenwand 26 des Wirblers 16 (d. h. die Stirnwand des Schlitzes radial außerhalb der Düse 20) als eine Schranke, um den Brennstoffstrom gegen den radialen Luftstrom zu schützen, wobei die Schranke mindestens bei niedrigen Brennstoffdrucken effektiv ist. Bereiche innerhalb des Schlitzes 31 neben der Platte 17 und durch die Zahl 27 angezeigt, betätigen sich als weitere Schutzzonen, in welchen brennstoffreiche Gastaschen gebildet sind. Man kann sich vorstellen, dass unter bestimmten Belastungsbedingungen im wesentlichen sauberer Brennstoff als ein Film radial nach innen längs der Fläche 28 von Platte 17 fließt. Die zuvor genannten Gastaschen bleiben in der Tendenz bestehen, wenn sie in die Vorkammer 13 und von da ab in die Hauptverbrennungskammer 5 gezogen werden. Während insgesamt gesehen die Brennstoff/Luftmischung bei niedriger Kraftkondition mager sein kann, sind diese reichen Taschen auch tätig, um bei der Aufrechterhaltung der Flammenstabilität zumindest bei niedrigen Krafteinstellungen mitzuwirken.
  • Wie gezeigt, ist die axiale Tiefe der Wand 26 kleiner als die Hälfte der axialen Tiefe der Schlitze 31.
  • Da der Brennstoffdruck bei höheren Krafteinstellungen zunimmt, wird der Brennstoffstrahl aus den Düsen 20 mehr und mehr in den Hauptluftstrom im Wirbler 16 projiziert, was dazu führt, dass eine einheitliche, magere Brennstoffmischung erhalten und eine niedrige NOx-Bildung garantiert wird.
  • Es wird erwartet, dass Brennstoffzuführungen in Bohrungen 24 und in die Rundkammer 22 unabhängig oder allgemein kontrolliert werden können.

Claims (16)

1. Brennstoffeinspritzeinrichtung, angepasst zum Einspritzen einer vorgemischten Brennstoffluftmischung in einen Gasturbinenkombustor, wobei die Brennstoffluftmischung brennstoffreiche Teile darin hat und die Brennstoffeinspritzeinrichtung eine Mischeinrichtung (16) zum Erzeugen der Brennstoffluftmischung aufweist, wobei die Mischeinrichtung eine Lufteinlasseinrichtung zum Erzeugen von mindestens einem Luftstrom (18) und eine Brennstoffeinspritzeinrichtung (20) hat, die sich in einer Zone (27, 32) befindet, welche vom Luftstrom geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung (16) einen Wirbler (16) aufweist und die geschützte Zone durch eine Wand (26) des Wirblers definiert ist.
2. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbler (16) mit mehreren Leitschaufeln gebildet ist und der Wirbler (16) ringförmig um die Längsachse des Kombustors angeordnet ist und jede Leitschaufel zum Erzeugen eines Luftstroms (18) tätig ist.
3. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln durch Schlitzwände (31) im Körper des Wirblers (16) gebildet sind.
4. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (31) in Bezug auf einen Vorkammerbereich (13) des Kombustors tangential ausgerichtet sind.
5. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Brennstoff direkt in der Vorkammer (13) vorgesehen ist.
6. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zuerst erwähnte Einspritzeinrichtung mehrere erste Düsen (20) aufweist.
7. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Einspritzeinrichtung mehrere zweite Düsen (23) aufweist.
8. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Düsen (20) in einem Block (15) als eine runde Anordnung um die Längsachse gebildet sind.
9. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Düsen (23) im Block (15) als eine runde Anordnung um die Längsachse gebildet sind.
10. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Düsen (20) radial ausserhalb der zweiten Düsen (23) gebildet sind.
11. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbler (16) mehrere Einrichtungen aufweist, um die jeweiligen Luftströme zu bilden, die nach innen, in Richtung auf die Vorkammer (13) von einem Bereich fließen, der den Wirbler (16) umgibt.
12. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Luftstrom eine Einrichtung bildet, die mit einer getrennten Brennstoffeinspritzdüse verbunden ist.
13. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede luftstrombildende Einrichtung mit einer Schranke (26) versehen ist, die radial außerhalb der Düsen positioniert ist, um die Zone zu schützen.
14. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schranke (26) die Stirnwand der tangential gerichteten Schlitze (31) bildet.
15. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Tiefe der Schranke (26) kleiner als die Hälfte der axialen Tiefe der Schlitze (31) ist.
16. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbler (16) einen axialen runden Vorsprung (29) aufweist, der sich von der Stirnwand (26) erstreckt, wobei die Stirnwand (26) einen größeren Durchmesser als der runde Vorsprung (29) hat.
DE69525920T 1995-01-13 1995-12-06 Brennstoffeinspritzeinrictung für mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff betriebene Turbine Expired - Lifetime DE69525920T2 (de)

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