DE69632111T2

DE69632111T2 - Vormischbrenner für eine Gasturbinen-Brennkammer mit niedriger Schadstoffemission

Info

Publication number: DE69632111T2
Application number: DE69632111T
Authority: DE
Inventors: Anthony John Scotia Dean
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-10-19
Filing date: 1996-10-14
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: EP0769657A3; EP0769657B1; EP0769657A2; DE69632111D1; US5822992A; US6070410A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Gasturbinentriebwerke mit geringen Abgasemissionen zur industriellen Energieerzeugung.
Ein Gasturbinentriebwerk zur industriellen Energieerzeugung enthält üblicherweise eine einzelne Rotorwelle, die einen Verdichter mit einer Turbine verbindet, wobei die Turbine sowohl den Verdichter als auch eine externe Last antreibt, die üblicherweise die Form von einem elektrischen Generator hat. Das Triebwerk ist üblicherweise für einen effizienten Betrieb über einem Bereich von Ausgangsleistungen ausgelegt, die auch als Lastpunkte bekannt sind. Der effizienteste Betrieb ist bei einer maximalen Nennleistung oder der Basislast bevorzugt, während der das Triebwerk üblicherweise für einen größten Teil seiner Betriebszeit betrieben wird. Der Betrieb mit voller Drehzahl und ohne Last gestattet dem elektrischen Generator, mit dem elektrischen Netz verbunden und von diesem getrennt zu werden. Weiterhin bestehen dazwischen Teillast-Betriebspunkte.
Es bestehen Bestimmungen der Federal Environmental Protection Agency (EPA), um sicherzustellen dass Abgasemissionen aus dem Betrieb des Triebwerkes unterhalb spezifizierter Werte liegen. Übliche Emissionen umfassen NO_x, CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC). Da Turbinen unter Verwendung von entweder einem gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, oder einem flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Brennstofföl Nr. 2, betrieben werden können, sind getrennte Emissions-Richtlinien erlassen worden aufgrund ihres von Natur aus unterschiedlichen Betriebes. Beispielsweise ist Erdgas ein viel sauberer verbrennender Brennstoff, und die dafür spezifizierte niedrige NO_x Grenze beträgt 25 Teile pro Million (ppm). Demgegenüber beträgt für flüssigen Brennstoff die niedrige NO_x Grenze etwa 42 ppm, da flüssige Brennstoffe nicht so sauber verbrennen.
Um den niedrigen NO_x Wert für flüssigen Brennstoff zu erzielen, erfordern gegenwärtige Gasturbinentriebwerke die Verwendung von Wasserinjektion entweder in seiner Flüssigkeits- oder Dampfphase in das Brennstoff- und Luftgemisch, bevor es eine Verbrennung durchläuft. Wasserinjektion vergrößert dementsprechend die Kosten und die Komplexität des Gasturbinentriebwerkes.
Ein emissionsarmer Brenner, wie er beispielsweise in US 4 967 561 A gezeigt ist, enthält einen Vormischer zum Vormischen von flüssigem Brennstoff und verdichteter Luft zum Erzielen niedriger NO_x Emissionen ohne Wasser- oder Dampfinjektion. Der Vormischer enthält einen Mittelkörper, der in einem Mantel angeordnet ist, der einen ringförmigen Strömungskanal bildet, der sich zwischen einem Einlass und Auslass des Mantels erstreckt. Mehrere Brennstoffinjektionsöffnungen sind auf dem Umfang im Abstand um den Mittelkörper herum angeordnet, wobei jede einen Auslass hat, der mit einer äußeren Oberfläche von dem Mittelkörper im wesentlichen bündig ist. Die Brennstoffinjektionsöffnungen injizieren flüssigen Brennstoff in den Strömungskanal, wo er durch verdichtete Luft zerstäubt wird, die durch den Manteleinlass geleitet wird. Die Brennstoffinjektionsöffnungen sind unter einem spitzen Winkel geneigt zum Injizieren des Brennstoffes in Richtung auf den Manteleinlass, um die unterschiedliche Mischgeschwindigkeit mit der verdichteten Luft zu vergrößern.
Gemäß der Erfindung wird ein Vormischer bereitgestellt zum Vormischen von flüssigem Brennstoff und verdichteter Luft für eine Strömung zu einer NO_x armen Brennkammer von einem Gasturbinentriebwerk, enthaltend:

einen rohrförmigen Mantel mit einem Einlass an seinem einen Ende zum Empfangen der verdichteten Luft und einem Auslass an seinem gegenüber liegenden Ende,
einen Mittelkörper, der eine Aussenfläche aufweist und koaxial in dem Mantel angeordnet ist und radial innen davon angeordnet ist, um einen Strömungskanal von dem Manteleinlass zum Mantelauslass zu bilden,
mehrere Brennstoff-Einspritzlöcher, die auf dem Umfang im Abstand um den Mittelkörper herum angeordnet sind und jeweils einen Auslass haben, der im wesentlichen bündig mit der Aussenfläche von dem Mittelkörper ist,
einen Brennstoff-Versorgungskreis, der sich in dem Mittelkörper in Strömungsverbindung mit den Brennstoff-Einspritzlöchern erstreckt zum Zuführen von flüssigem Brennstoff zu den Löchern für einen Austritt daraus in den Strömungskanal zum Vormischen der Luft vor dem Austritt aus dem Mantelauslass,
wobei die Brennstoff-Einspritzlöcher axial zwischen dem Manteleinlass und dem Mantelauslass angeordnet sind zum Bilden eines Vormischbereiches in dem Strömungskanal, der sich zum Mantelauslass erstreckt, wobei der Vormischbereich unbehindert ist,
wobei die Brennstoff-Einspritzlöcher in einem spitzen Winkel in bezug auf die Aussenfläche des Mittelkörpers angeordnet sind zum Einspritzen des Brennstoffes in Richtung auf den Manteleinlass, um die mischende Geschwindigkeitsdifferenz mit der verdichteten Luft zu vergrössern,
wobei der Vormischer in Kombination mit dem Verdichter des Gasturbinentriebwerks in Strömungsverbindungen mit dem Manteleinlass angeordnet ist zum Leiten verdichteter Austrittsluft in den Manteleinlass, wobei die Brennkammer in Strömungsverbindung mit dem Mantelauslass angeordnet ist und die Brennstoff-Auslässe im Abstand axial stromaufwärts von dem Mantelauslass angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennstoff-Versorgungskreis einen ringförmigen Verteiler aufweist, der in dem Mittelkörper in Strömungsverbindung mit den Brennstoff-Öffnungen angeordnet ist, eine Mittelbohrung in dem Mittelkörper verläuft zum Leiten des Brennstoffes, und mehrere Brennstoff-Speichen sich von der Mittelbohrung radial nach aussen zum Verteiler erstrecken zum Verteilen des Brennstoffes auf den Verteiler.

Die Erfindung gemäss bevorzugten Ausführungsbeispielen wird zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen ausführlicher in der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine teilweise geschnittene schematische Darstellung von einem industriellen Energieerzeugungs-Gasturbinentriebwerk mit einem emissionsarmen Brenner ist, der mehrere damit verbundene Flüssigbrennstoff- und Luft-Vormischer aufweist;
2 eine teilweise geschnittene axiale Ansicht von einem Mittelkörper und einem umgebenden Luftverwirbler ist, der sich in dem in 1 dargestellten Vormischer befindet;
3 eine radiale, teilweise geschnittene Ansicht durch den in 2 dargestellten Mittelkörper entlang der Linie 3-3 ist;
4 eine vergrösserte axiale Ansicht von einem Abschnitt des in 2 dargestellten Mittelkörpers ist und mit mehr Einzelheiten ein Ausführungsbeispiel von einem von mehreren auf dem Umfang im Abstand angeordneten Brennstoff-Einspitzlöchern zeigt zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff in den Vormischer stromabwärts von dem Verwirbler darin.
In 1 ist schematisch ein Abschnitt von einem Beispiel von einem industriellen Energieerzeugungs-Gasturbinentriebwerk 10 dargestellt. Das Triebwerk 10 enthält einen üblichen Axialverdichter 12, der mit einer üblichen Turbine 14 durch eine Rotorwelle 16 verbunden ist und durch diese angetrieben wird, die sich dazwischen erstreckt. Die Welle 16 ist auch mit einer Last verbunden, wie beispielsweise einem elektrischen Generator (nicht gezeigt) zum Erzeugen elektrischer Energie für beispielsweise ein Verbrauchsnetz, das die Energie nutzt, die durch das Triebwerk 10 erzeugt wird. Das Triebwerk 10 wird deshalb in üblicher Weise bei verschiedenen Arbeitspunkten einschließlich Grundlast, Volldrehzahl-Leerlauf und Teillast dazwischen betrieben.
Energie wird dadurch erzeugt, dass verdichtete Luft 18, die aus der letzten Stufe des Verdichters 12 bei Verdichter-Ausgangsdruck abgegeben wird, mit einem üblichen flüssigem Brennstoff 20, beispielsweise Nr.2 Brennstofföl, gemischt wird, und das Gemisch in üblicher Weise gezündet wird, um Verbrennungsgase 22 innerhalb eines emissionsarmen Brenners 24 gemäss der Erfindung zu erzeugen. Die Verbrennungsgase 22 werden in üblicher Weise zur Turbine 14 geleitet, die daraus Energie entzieht zum Drehen der Welle 16 und um sowohl den Verdichter 12 als auch die externe Last oder den Generator anzutreiben.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Brenner 24 mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Brennerbecher, die jeweils eine entsprechende Brennkammer 26 bilden, in der das Brennstoff/Luft-Gemisch in üblicher Weise gezündet wird zum Erzeugen der Verbrennungsase 22. Jeder Brennerbecher enthält üblicherweise mehrere einzelne Vormischer 28, die mit den stromaufwärtigen Enden davon verbunden sind und in denen der Brennstoff und die Luft vorgemischt und vorverdampft werden gemäss der Erfindung zur Lieferung des entsprechenden Gemisches an die Kammer 26 zum Durchlaufen einer emissionsarmen Verbrennung. 1 stellt schematisch ein Beispiel von einem der Vormischer 28 dar, die mit der Brennkammer 26 verbunden sind, wobei üblicherweise viele Vormischer 28 für jeden Brennerbecher verwendet werden.
Jeder Vormischer 28 enthält ein ringförmigen Aussengehäuse oder rohrförmigen Mantel 30 mit einem Einlass 30a an einem stromaufwärtigen Ende, das in Strömungsverbindung mit dem Verdichter 12 angeordnet ist, um von diesem die verdichtete Luft 18 zu empfangen. Der Mantel 30 hat einen Auslass 30b an einem gegenüberliegenden, stromabwärtigen Ende, das in geeigneter Weise fest mit der Brennkammer 26 verbunden ist. Innerhalb des Mantels 30 ist ein ringförmiger Mittelkörper 32 angeordnet, der koaxial mit dem Mantel 30 um eine gemeinsame axiale Mittelachse 34 herum angeordnet ist, die im Abstand radial außen von und parallel zu der axialen Mittelachse des Triebwerkes angeordnet ist, die durch die Welle 16 verläuft. Der Mittelkörper 32 hat eine glatte Außenfläche 32a, die sich axial zwischen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden 32b und 32c des Mittelkörpers 32 erstreckt. Die Außenfläche 32a von dem Mittelkörper ist radial innen im Abstand von der Innenfläche des Mantels 30 angeordnet, um einen ringförmigen Mantelströmungskanal 36 zu bilden, der sich in axialer Richtung von dem Manteleinlass 30a zu dem Mantelauslass 30b erstreckt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind mehrere Brennstoffinjektionsöffnungen bzw. -bohrungen 38 auf dem Umfang im Abstand um die Außenfläche 32a von dem Mittelkörper 32 herum angeordnet, und jede Öffnung bzw. Bohrung 38 hat einen Auslass 38a, der im wesentlichen bündig oder koextensiv mit der Außenfläche 32a des Mittelkörpers ist, um jede Strömungsstörung durch den Kanal 36 zu verhindern.
Die Öffnungen 38 sind axial zwischen dem Manteleinlass 30a und dem Mantelauslass 30b und axial zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden 32b, c des Mittelkörpers 32 angeordnet, um einen ringförmigen Vormischbereich in dem Strömungskanal 36 zu bilden, der von dem Mantelauslass 30b ausgeht und eine vorgewählte axiale Länge L hat. Der Vormischbereich des Strömungskanals 36 ist unbehindert, um ein Flammhaltevermögen innerhalb des Mantels 30 zu verhindern, wobei die Außenfläche 32a des Mittelkörpers 32 und die Innenfläche von dem Mantel 30 glatt sind.
Der Vormischbereich des Strömungskanals 36 kann irgendeine übliche Konfiguration einschließlich der in 1 dargestellten konvergenten Konfiguration haben, wobei das hintere Ende von dem Mittelkörper 32 relativ zu seinem zylindrischen stromaufwärtigen Abschnitt, in dem die Einspritzöffnungen bzw. -bohrungen 38 angeordnet sind, konvergiert und wobei die Innenfläche von dem hinteren Ende des Mantels 30 in ähnlicher Weise zum Mantelauslass 30b konvergiert. Das stromabwärtige Ende 32c des Mittelkörpers ist vorzugsweise eben oder steil bzw. stumpf, um für eine steile Körperrezirkulation stromabwärts davon und neben dem Mantelauslass 30b zu sorgen, um für ein Flammenhalten der Verbrennungsgase 32 in der Brennkammer 26 zu sorgen. Die Brennkammer 26 vergrößert auch abrupt ihre Größe am Mantelauslass 30b, um für gewünschte Rezirkulationszonen innerhalb der Kammer 26 selbst in einer üblichen, bekannten Art zu sorgen.
Die Brennstoffauslässe 38a sind im Abstand axial stromaufwärts von dem Mantelauslass 30b und der Brennkammer 26 angeordnet, so dass die Länge L des Vormischbereiches des Strömungskanals 36 wirksam ist, um die in üblicher Weise bekannte Zündverzögerungszeit zu maximieren, um eine Selbstzündung von dem vorgemischten Brennstoff und der Luft in dem Mantel 30 zu verhindern, während das Vormischen und Vorverdampfen des flüssigen Brennstoffes 20 maximiert wird. Dementsprechend wird die Länge L des Vormischbereiches so groß wie möglich gemacht, um das Vormischen und Vorverdampfen zu maximieren, aber nicht zu groß, dass eine Selbstzündung in dem Mantel 30 auftreten könnte, was zu einer wesentlichen Verkürzung der Lebensdauer des Vormischers 28 führen könnte.
2 stellt den Mittelkörper 32 im axialen Schnitt dar; 3 stellt eine radiale Schnittansicht durch den Mittelkörper 32 an der Einlassebene von den mehreren Öffnungen bzw. Bohrungen 38 dar; und 4 ist eine vergrößerte axiale Schnittansicht durch ein Beispiel von einer der Öffnungen bzw. Bohrungen 38. Der bündige Bohrungsauslass 38a ist in 4 deutlich als koextensiv mit der Außenfläche 32a des Mittelkörpers gezeigt. Jede der Bohrungen 38 enthält auch einen Einlass 38b an einem gegenüberliegenden Ende von der Bohrung 38, das radial innerhalb des Mittelkörpers 32 unter der Außenfläche 32a angeordnet ist.
Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, erstrecken sich geeignete Mittel beispielsweise in der Form von einem Brennstoffversorgungskreis 40 innerhalb und teilweise durch den Mittelkörper 32 hindurch in Strömungsverbindung mit den Brennstoffinjektionsöffnungen 38, um den Öffnungen 38 den flüssigen Brennstoff 20 zuzuführen für eine Abgabe oder Ejektion daraus in den in 1 dargestellten Strömungskanal 36 hinein zum Vormischen mit der verdichteten Luft 18 und zum Vorverdampfen vor dem Austritt aus dem Mantelauslass 30b in die Brennkammer 26 hinein. In dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel leitet der Brennstoffversorgungskreis 40 nur den flüssigen Brennstoff 20, ohne irgendwelche zusätzlichen Zerstäubungsluft, zu den Öffnungen 38. Er enthält einen ringförmigen Verteiler 40a, der koaxial in dem Mittelkörper 32 unter der Außenfläche 32a in Strömungsverbindung mit den entsprechenden Einlässen 38b der mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen 38 angeordnet ist.
Der Kreis 40 enthält ferner einen zentralen koaxialen Kanal oder eine Bohrung 40b, die sich teilweise in dem Mittelkörper 32 erstreckt zum Leiten des Brennstoffes 20 darin von einer bekannten Einrichtung 42, die in 1 gezeigt ist, zum Zuführen des Brennstoffes 20. Die Brennstoffversorgung 42 enthält einen geeigneten Brennstofftank, Leitungen und Regelventile, wie es für die Zufuhr des Brennstoffes 20 unter geeignetem Druck und bei geeigneten Strömungsraten in jeden der Mittelkörper 32 nötig ist. Der Kreis 40 enthält ferner mehrere Brennstoffspeichen 40c, wie es in den 2–4 dargestellt ist, die zylindrische Bohrungen sind, die von der Mittelbohrung 40b radial nach außen verlaufen in eine Strömungsverbindung mit dem Verteiler 40a zum Verteilen des Brennstoffes 20 auf den Verteiler 40a und von dort durch die mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen 38. Der Brennstoffversorgungskreis 40 leitet nicht nur den flüssigen Brennstoff 20 durch den Mittelkörper 32, sondern sorgt auch für eine Kühlung des Mittelkörpers 32 unter Verwendung des Brennstoffes 20 als eine Wärmesenke.
Die Brennstoffinjektionsöffnungen bzw. -bohrungen 38, die beispielsweise in 4 dargestellt sind, sind sehr einfach und schlicht in der Konstruktion, da sie einfach Löcher sind, die sich in den Mittelkörper 32 erstrecken, wobei die Öffnungsauslässe 32a mit der Außenfläche 32a des Mittelkörpers bündig sind. Die Öffnungen 38 erstrecken sich nicht radial nach außen in den Strömungskanal 36 hinein, um ei ne Strömungsstörung darin zu verhindern, und sie eliminieren jede Strömungsblockade, die anderenfalls als ein Flammhalter innerhalb des Vormischers 28 wirken könnte. Demzufolge wird die Gefahr einer Schädigung an dem Vormischer 28 aufgrund einer spontanen oder Selbstzündung des flüssigen Brennstoffes 20 während eines Betriebs bei hoher Temperatur minimiert oder eliminiert, da die Brennstoffinjektionsöffnungen 38 keine Struktur bilden, um eine Verbrennungsflamme innerhalb des Mantels 30 festzuhalten. In einem üblichen Vormischer mit radial vorstehenden Brennstoffinjektoren ist Wasser- oder Dampfinjektion erforderlich, um eine unerwünschte Selbstzündung in dem Vormischer selbst zu verhindern und um geeignet niedrige Emissionen aus dem Brenner zu erhalten, um die EPA Anforderungen zu erfüllen.
Ferner verwenden bekannte Flüssigbrennstoff-Injektoren üblicherweise auch eine getrennte Quelle für Zerstäubungsluft, um Tröpfchen des flüssigen Brennstoffes zu genügend kleinen Tröpfchen zu verteilen oder zu zerstäuben, die vollständiger verbrannt werden können, um unerwünschte Abgasemissionen zu verringern. In der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine getrennte Quelle für Zerstäubungsluft nicht zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 20 erforderlich, der durch die Öffnungen 38 abgegeben wird. Der Manteleinlass 30a ist in Strömungsverbindung mit der einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden verdichteten Luft 18 angeordnet, die aus dem Verdichter 12 abgegeben wird, wobei diese Luft selbst verwendet wird zum Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes 20, der aus den Öffnungen 38 abgegeben wird. Die Verwendung der Verdichter-Ausgangsluft selbst sorgt für ein gutes Zurückfahrvermögen des Triebwerkes 10, da die Verdichter-Ausgangsluft eine relativ konstante Geschwindigkeit über dem Lastbereich des Triebwerkes 10 hat, wobei die verdichtete Luft 18 für die erforderliche Scherkraft zum effektiven Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes 20 sorgt. Die Zerstäubung des Brennstoffes 20 wird weiter verbessert, indem zusätzlich ein üblicher Luftverwirbler 44 bereitgestellt wird, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist und der sich radial zwischen dem Mittelkörper 32 und dem Mantel 30 erstreckt und der axial zwischen dem Manteleinlass 30a und den Brennstoffinjektionsöffnungen 38 angeordnet ist. Der Verwirbler 44 enthält mehrere auf den Umfang im Abstand und im Winkel angeordnete Schaufeln, die der dazwischen geleiteten verdichteten Luft 18 eine Wirbel- oder Wendelströmung erteilen, bevor sie sich mit dem eingespritzten Brennstoff 20 mischt, der aus den Öffnungen 38 abgegeben wird.
Um die Tröpfchengröße des flüssigen Brennstoffes 20 zu verkleinern, der aus den Öffnungen 38 ausgestoßen wird, ist es vorteilhaft, dass eine geeignete Anzahl von einen relativ kleinen Durchmesser aufweisenden Öffnungen 38 um den Umfang der Außenfläche 32a des Mittelkörpers herum verteilt wird. In einem untersuchten Ausführungsbeispiel waren zwölf Öffnungen 38 vorgesehen, die im gleichen Abstand um den Umfang des Mittelkörpers 32 herum angeordnet waren, wobei jede Öffnung 38 einen Durchmesser von etwa 20 Mils hatte. Weiterhin ist durch Einspritzen des flüssigen Brennstoffes 20 in die eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Strömung der Verdichterausgangsluft 18, die durch den Mantel 20 geleitet wird, die relative Geschwindigkeit zwischen dem eingespritzten Brennstoff und der Luftströmung sehr hoch und sorgt für eine Scherbeanspruchung, um die Tröpfchengröße des Brennstoffes 20 weiter zu verkleinern. Auf diese Weise kann die Tröpfchengröße ohne Verwendung einer getrennten Quelle für Zerstäubungsluft, wie sie im Stand der Technik zu finden ist, verringert werden, wobei eine derartige getrennte Zerstäubungsluft üblicherweise auch bei einem höheren Druck als demjenigen der Verdichterausgangsluft geliefert wird. In einem in üblicher Weise mit flüssigem Brennstoff versorgten Gasturbinentriebwerk zur industriellen Energieerzeugung ist üblicherweise ein Hilfsverdichter erforderlich, um die Verdichterausgangsluft zu verstärken, um höhere Drucke zur Verwendung in einer zerstäubenden Brennstoffeinspritzdüse zu unterstützen. Diese zusätzliche Komplexität und Einrichtung können deshalb durch Verwendung der ebenen Öffnungen 38, wie sie offenbart sind, eliminiert werden.
Um die Tröpfchengröße des Brennstoffes 20, der aus den Öffnungen 38 abgegeben wird, weiter zu verkleinern, sind die Öffnungen 38 vorzugsweise geneigt oder im Winkel angeordnet in der stromaufwärtigen Luftrichtung unter einem spitzen Winkel A in Richtung auf das stromaufwärtige Ende 32b des Mittelkörpers, wie es in 4 gezeigt ist. Auf diese Weise sind die gezeigten Öffnungen 38 wirksam zum Injizieren des Brennstoffes 20 in Richtung auf den Manteleinlass 30a, wie es in 1 gezeigt ist, um die differentielle oder relative Mischgeschwindigkeit zwischen dem Brennstoff 20 und der Luft 18 zu vergrößern. Der spitze Neigungswinkel A kann innerhalb des Bereiches von 15° bis 90° relativ zu der Mittelkörperachse 34 variieren, wobei ein Winkel von 30° besonders wirksam ist zum Verkleinern der Tröpfchengröße. Dementsprechend wird der Brennstoff 20 beim Austritt aus den Öffnungen 38 stark zerstäubt und durchläuft ein Vormischen mit der verdichteten Luft 18 in dem Vormischbereich des Strömungskanals 36, wobei eine Vorverdampfung des Brennstoffes in diesem eine erhöhte Temperatur aufweisenden Bereich ebenfalls auftritt. Das entstehende vorgemischte und vorverdampfte Brennstoff- und Luftgemisch, das in die Brennkammer 26 geleitet wird, wird dann in üblicher Weise gezündet, um die Verbrennungsgase 22 zu bilden, die in signifikanter Weise geringe Emissionen haben.
In einem untersuchten Ausführungsbeispiel betrug die Länge L des Vormischbereiches des Strömungskanals 36 etwa sieben Zoll. Der Außendurchmesser des Mittelkörpers 32 an den Öffnungen 38 betrug etwa zwei Zoll und der Innendurchmesser des Mantels 30 über den Öffnungen betrug vier Zoll. Die Öffnungen 38 waren stromaufwärts in Richtung auf die Luftströmung unter einem Winkel A von etwa 30° geneigt. Der Druckabfall über den Brennstoffinjektionsöffnungen 38 betrug etwa 70 psi mit einer üblichen Strömungszahl von etwa 26. Mit der Verwendung des Verwirblers 44 betrug die relative oder differentielle Geschwindigkeit zwischen dem eingespritzten Brennstoff 20 und der verdichteten Luft 18 in dem Strömungskanal etwa 200 Fuß pro Sekunde, was zerstäubte Brennstofftropfen ähnlich denjenigen erzeugte, die aus einem üblichen Luftzerstäubungs-Brennstoffinjektor erhalten werden. Der relativ kleine 30° Winkel der Öffnungen 38 hält zunächst den eingespritzten Brennstoff nahe an dem Mittelkörper 32, wobei die Tröpfchen dann gleichförmig durch die verwirbelnde Luftströmung verteilt werden.
Versuche mit und ohne einen stromaufwärtigen Verwirbler zeigen, dass die Zerstäubung und Brennstoffverteilung besser ist mit einer Verwirbelung in der Strömung für diese Kombination von Brennstoffeinspritzwinkel und axialer Luftgeschwindigkeit. Im Labor durchgeführte Verbrennungsexperimente des Vormischens und Vorverdampfens von flüssigem Brennstoff unter Verwendung der ebenen Öffnungen 38 in dem Vormischer 28 zeigen niedrige NO_x Werte, die kleiner als der EPA Schwellenwert von etwa 42 ppm ist, korrigiert auf 15% überschüssigen Sauerstoff. Für ein Äquivalenzverhältnis zwischen etwa 0,42 und 0,54, was ein mageres Brennstoff- und Luftgemisch ist, wurden niedrige NO_x kleiner als etwa 25 ppm bis runter auf etwa 15 ppm erhalten. Die signifikant niedrigen NO_x Werte wurden unter Verwendung von flüssigem Brennstoff erhalten, und was am signifikantesten ist, sie waren gekennzeichnet durch das Fehlen von jeder Wasser- oder Dampfinjektion in das Brennstoff- und Luftgemisch, wie es in konventionellen NO_x-armen, mit flüssigem Brennstoff arbeitenden Brennern erforderlich ist. Weiterhin wurden auch signifikant kleine Kohlenmonoxidwerte kleiner als etwa 25 ppm, korrigiert bei 15% Sauerstoff, für diesen Bereich des Äquivalenzverhältnisses erhalten. Weiterhin wurde auch ein Verbrennungs-Wirkungsgrad von mehr als etwa 99,99% für diesen Äquivalenzbereich erhalten, was einen im wesentlichen niedrigen Wert von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) anzeigt.
Ein weiterer signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Vormischer 29 nun einen dualen Brennstoffbetrieb gestattet, weil die Brennstoffinjektionsöffnungen 38 keine Fähigkeiten haben, eine Flamme zu halten, wenn Erdgas stromaufwärts davon eingespritzt wird. Wie in 1 gezeigt ist, können optionale Mittel 46 vorgesehen sein zum Einspritzen eines zweiten, gasförmigen Brennstoffes, wie beispielsweise Erdgas 48, in den Mantelströmungskanal 36 an irgendeiner geeigneten Stelle stromaufwärts von den Brennstoffinjektionsöffnungen 38, um einen dualen Brennstoffbetrieb des Brenners 24 zu erhalten ohne ein un- erwünschtes Flammenhalten neben den Brennstoffinjektionsöffnungen 38. Die stumpfen Öffnungen 38 sind beständig gegenüber Selbstzünden oder Flammenrückschlag. Die Gaseinspritzmittel 46 können irgendeine konventionelle Form haben, einschließlich einer geeigneten Gasversorgung, Leitungen, Ventilen und geeigneten Injektoren, die nahe dem Luftverwirbler 44 angeordnet sein oder integral innerhalb seiner einzelnen Schaufeln ausgebildet sein können, wie es gewünscht wird. Der gasförmige Brennstoff 48 liefert ein brennbares Brennstoff- und Luftgemisch stromaufwärts von den Flüssigbrennstoff-Injektoren 38, wobei dieses Gemisch deshalb einer Verbrennung unterliegt. Da die Öffnungen 38 stumpf bzw. eben sind, sorgen sie nicht für ein Flammhaltevermögen, und deshalb ist die Gefahr der Beschädigung an dem Vormischer 28 aufgrund eines Flammenrückschlages oder einer Selbstzündung von entweder dem flüssigen Brennstoff 20 oder dem gasförmigen Brennstoff 48 minimiert.

Claims

Vormischer zum Vormischen von flüssigem Brennstoff (20) und verdichteter Luft (18) für eine Strömung zu einer NOx-armen Brennkammer (26) von einem Gasturbinentriebwerk, enthaltend: einen rohrförmigen Mantel (30) mit einem Einlass (30a) an seinem einen Ende zum Empfangen der verdichteten Luft und einem Auslass (30b) an seinem gegenüber liegenden Ende, einen Mittelkörper (32), der eine Aussenfläche (32a) aufweist und koaxial in dem Mantel (30) angeordnet ist und radial innen davon angeordnet ist, um einen Strömungskanal (36) von dem Manteleinlass (30a) zum Mantelauslass (30b) zu bilden, mehrere Brennstoff-Einspritzöffnungen bzw. -bohrungen (38), die auf dem Umfang im Abstand um den Mittelkörper (32) herum angeordnet sind und jeweils einen Auslass haben, der im wesentlichen bündig mit der Aussenfläche (32a) von dem Mittelkörper ist, einen Brennstoff-Versorgungskreis (40), der sich in dem Mittelkörper (32) in Strömungsverbindung mit den Brennstoff-Einspritzöffnungen (38) erstreckt zum Zuführen von flüssigem Brennstoff zu den Öffnungen bzw. Bohrungen (38) für einen Austritt daraus in den Strömungskanal (36) zum Vormischen der Luft vor dem Austritt aus dem Mantelauslass (30b), wobei die Brennstoff-Einspritzöffnungen (38) axial zwischen dem Manteleinlass (30a) und dem Mantelauslass (30b) angeordnet sind zum Bilden eines Vormischbereiches in dem Strömungskanal (36), der sich zum Mantelauslass (30b) erstreckt, wobei der Vormischbereich unbehindert ist, wobei die Brennstoff-Einspritzöffnungen (38) in einem spitzen Winkel (A) in bezug auf die Aussenfläche (32a) des Mittelkörpers angeordnet sind zum Einspritzen des Brennstoffes in Richtung auf den Manteleinlass (30a), um die mischende Geschwindigkeitsdifferenz mit der verdichteten Luft zu vergrössern, wobei der Vormischer in Kombination mit dem Verdichter des Gasturbinentriebwerks in Strömungsverbindung mit dem Manteleinlass (30a) angeordnet ist zum Leiten verdichteter Austrittsluft in den Manteleinlass (30a), wobei die Brennkammer (26) in Strömungsverbindung mit dem Mantelauslass (30b) angeordnet ist und die Brennstoff-Auslässe im Abstand axial stromaufwärts von dem Mantelauslass (30b) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff-Versorgungskreis (40) einen ringförmigen Verteiler (40a) aufweist, der in dem Mittelkörper (32) in Strömungsverbindung mit den Brennstoff-Öffnungen (38) angeordnet sind, eine Mittelbohrung (40b) in dem Mittelkörper (32) zum Leiten des Brennstoffes verläuft und mehrere Brennstoff-Speichen (40c) sich von der Mittelbohrung (40b) radial nach aussen zum Verteiler (40a) erstrecken zum Verteilen des Brennstoffes auf den Verteiler.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Neigungswinkel etwa 30° beträgt.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mittelkörper (32) ein stumpfes stromabwärtiges Ende (32c) neben dem Mantelauslass (30B) aufweist für eine flammhaltende Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches in der Brennkammer (26).
Einrichtung nach Anspruch 1, ferner enthaltend: eine Einrichtung (46) zum Einspritzen eines zweiten gasförmigen Brennstoffes (48) in den Mantelströmungskanal (36) stromaufwärts von den Brennstoff-Einspritzöffnungen (38) für einen dualen Brennstoffbetrieb der Brennkammer (26) ohne Flammhalterung neben den Brennstoff-Einspritzöffnungen (38).