-
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
NOx, 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 NOx Grenze beträgt 25 Teile pro Million (ppm).
Demgegenüber
beträgt
für flüssigen Brennstoff
die niedrige NOx Grenze etwa 42 ppm, da
flüssige
Brennstoffe nicht so sauber verbrennen.
-
Um
den niedrigen NOx 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 NOx 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 NOx 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 NOx kleiner als etwa
25 ppm bis runter auf etwa 15 ppm erhalten. Die signifikant niedrigen
NOx 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 NOx-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.