DE69727899T2

DE69727899T2 - Tangentiale Brennstoffeintrittsdüse

Info

Publication number: DE69727899T2
Application number: DE1997627899
Authority: DE
Inventors: Timothy S. South windsor Snyder; William A. Simsbury Sowa; Stephen K. Stuart Kramer
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2017-12-23
Also published as: EP0849529A2; EP0849529A3; DE69727899D1; EP0849529B1

Description

Die Erfindung betrifft Niedrig-NOx-Vormisch-Brennstoffdüsen und insbesondere derartige Düsen zur Verwendung in Gasturbinenmaschinen.
Die Erzeugung von Stickoxiden (nachfolgend "NOx") erfolgt als Ergebnis der Verbrennung bei hohen Temperaturen. NOx ist ein bekannter Schadstoff, und infolgedessen sind Verbrennungsgeräte, die NOx erzeugen, immer stringenteren Standards für die Emission derartiger Schadstoffe unterworfen. Folglich wird viel Aufwand betrieben, um die Bildung von NOx in Verbrennungsgeräten zu reduzieren.
Eine Lösung war es, den Brennstoff mit einem Luftüberschuss vorzumischen, so dass die Verbrennung mit lokal hoher Überschussluft erfolgt und zu einer relativ niedrigen Verbrennungstemperatur führt und so die Bildung von NOx minimiert. Eine Tangential-Eintritts-Brennstoffdüse, die so arbeitet, ist in US-Pat. Nr. 5 307 634 gezeigt, das einen Schneckendrallerzeuger mit einem konischen Zentralkörper beschreibt. Der Schneckendrallerzeuger weist zwei versetzte Zylinderbogenschnecken auf, die mit zwei Abschlussplatten verbunden sind. Verbrennungsluft gelangt in den Drallerzeuger durch zwei rechtwinklige Schlitze, die durch die versetzten Schnecken gebildet sind, und tritt durch einen Brennkammereinlass in einer Endplatte aus und strömt in die Brennkammer. Eine lineare Anordnung von Öffnungen, die an der äußeren Schnecke dem inneren hinteren Rand gegenüber angeordnet ist, injiziert Brennstoff in die Luftströmung an jedem Einlassschlitz aus einer Verteilereinrichtung, um eine gleichförmige Brennstoffluftmischung vor dem Austreten in die Brennkammer zu erzeugen.
Weitere Beispiele einer Tangential-Eintritts-Brennstoffdüse sind in WO 96/19699 und WO 95/23316 gezeigt.
Vormisch-Brennstoffdüsen dieses Typs haben niedrige Emissionen von NOx relativ zu Brennstoffdüsen des Stands der Technik gezeigt. Leider erfahren die Düsen Haltbarkeitsprobleme, die mit einem starken Verschleiß des Zentralkörpers als Ergebnis des Anhaftens der Flamme an dem Zentralkörper einher gehen. In der Folge ist die Betriebslebensdauer derartiger Düsen, wenn sie in Gasturbinenmaschinen verwendet werden, eingeschränkt.
Benötigt wird ein Verfahren zum Verbrennen und eine Tangential-Eintrittsdüse, welche signifikant die Tendenz des Anhaftens der Verbrennungsflamme an dem Zentralkörper einer Tangential-Eintrittsdüse verringern und tendenziell die Flamme auswerfen, wenn sie daran anhaftet.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbrennung bereitzustellen, welches signifikant die Tendenz des Anhaftens der Verbrennungsflamme an dem Zentralkörper einer Tangential-Eintrittsdüse verringert.
Gemäß einem ersten Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in der Brennkammer einer Gasturbinenmaschine, wie in Anspruch 1 beansprucht.
Gemäß einem zweiten Aspekt liefert die Erfindung eine Brennstoffdüse, wie in Anspruch 3 beansprucht.
Entsprechend ist ein Verfahren zum Verbrennen, welches die Tendenz des Stabilisierens der Verbrennungsflamme in einer Tangential-Eintrittsdüse verhindert oder reduziert, ist beschrieben, welches die folgenden Schritte aufweist: Mischen von Brennstoff und Luft in einer Mischzone in einer Brennstoffdüsenanordnung und Verbrennen der Mischung strömungsabwärts von der Einschnürung einer Brennkammer-Einlassöffnung, und dabei Isolieren der Verbrennungsprodukte von vermischtem Brennstoff und Luft in der Düse bei allen Betriebsbedingungen der Maschine.
Ferner ist eine Tangential-Lufteintritts-Brennstoffdüse beschrieben, die eine Längsachse und zwei zylinderbogenförmige Schnecken hat, wobei die Mittellinie einer jeden von der der anderen versetzt ist. Überlappende Enden dieser Schnecken bilden einen Lufteinlassschlitz dazwischen für das Einbringen einer Luft/Brennstoffmischung in die Brennstoffdüse. Eine Brennkammerende-Abschlussplatte hat eine zentrale Öffnung, um das Austreten von Luft und Brennstoff in eine Brennkammer zuzulassen, während an dem entgegengesetzten Ende eine andere Endplatte den Düsenströmungsquerschnitt blockiert. Die Schnecken sind zwischen diesen Endplatten befestigt. Ein Stumpfförmiger Zentralkörper ist zwischen den Schnecken koaxial zu der Achse angeordnet. Der Zentralkörper hat eine Basis, die mindestens eine sich durch diese erstreckende Luftzuführöffnung aufweist, und ein erstes und ein zweites zylinderförmiges Element, die einen internen Kanal haben. Das Stumpfförmige Element verjüngt sich in Richtung zu einer Abgabeöffnung an dem Kanal des ersten zylinderförmigen Elements und endet dort. Der Kanal des zweiten zylinderförmigen Elements ist in dem Stumpfförmigen Element angeordnet und hat einen Durchmesser, der größer ist als die Abgabeöffnung. In bevorzugten Ausführungsformen liefert eine Brennstofflanze, die koaxial zur Achse ist und sich durch. die Basis erstreckt und in dem zweiten Kanal endet, Brennstoff zu der Luftströmung in dem Zentralkörper.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine Schnittansicht der Brennstoffdüse der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie 1-1 von 2 genommen ist.
2 ist eine Schnittansicht in Blickrichtung abwärts der Längsachse der Düse der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Schnittansicht der Brennstoffdüse der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie 3-3 von 2 genommen ist.
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Niedrig-NOx-Vormisch-Brennstoffdüse 10, welche die vorliegende Erfindung realisiert, weist einen Zentralkörper 12 in einem Schneckendrallerzeuger 14 auf. Der Schneckendrallerzeuger 14 weist eine erste und eine zweite Endplatte 16, 18 auf, und die erste Endplatte ist mit dem Zentralkörper 12 verbunden und befindet sich in beabstandeter Relation zu der zweiten Endplatte 18, die eine hindurch gehende Brennkammer-Einlassöffnung 20 aufweist. Eine Mehrzahl und vorzugsweise zwei zylinderbogenförmige Schneckenelemente 22, 24 erstreckt sich von der ersten Endplatte 16 zu der zweiten Endplatte 18.
Die Schneckenelemente 22, 24 sind gleichförmig um die Längsachse 26 der Düse 10 beabstandet und definieren dazwischen, wie in 2 gezeigt, eine Mischzone 28. Jedes Schneckenelement 22, 24 hat eine radial innere Oberfläche, die auf die Längsachse 26 gerichtet ist und definiert eine Teilrotationsfläche um eine Mittellinie 32, 34. So wie er hier verwendet wird, bedeutet der Begriff "Teilrotationsfläche" eine Oberfläche, die durch Rotieren einer Linie um weniger als eine vollständige Umdrehung um eine der Mittellinien 32, 34 gebildet ist.
Jedes Schneckenelement 22 befindet sich in beabstandeter Relation zu dem anderen Schneckenelement 24, und die Mittellinie 32, 34 eines jeden der Schneckenelemente 22, 24 ist, wie in 2 gezeigt, in der Mischzone 28 angeordnet. Es wird auf 3 Bezug genommen. Jede der Mittellinien 32, 34 ist parallel und in beabstandeter Relation zu der Längsachse 26, und alle Mittellinien 32, 34 sind mit gleichem Abstand von der Längsachse 26 angeordnet und definieren so Einlassschlitze 36, 38, die parallel zu der Längsachse 26 zwischen jedem Paar von benachbarten Schneckenelementen 22, 24 verlaufen, zum Einführen von Verbrennungsluft 40 in die Mischzone 28. Eine die Verbrennung unterstützende Luft 42 aus dem Verdichter (nicht gezeigt) tritt durch die Einlassschlitze 36, 38, die durch die überlappenden Enden 40, 50, 48, 46 der Schneckenelemente 22, 24 mit versetzten Mittellinien 32, 34 gebildet sind.
Jedes der Schneckenelemente 22, 24 weist ferner eine Brennstoffleitung 52, 54 zum Einbringen von Brennstoff in die Verbrennungsluft 40 auf, wenn diese in die Mischzone 28 durch einen der Einlassschlitze 36, 38 eingebracht wird. Eine erste Brennstoffzuführleitung (nicht gezeigt), die entweder flüssigen oder gasförmigen Brennstoff zuführen kann, jedoch vorzugsweise Gas zuführt, ist mit jeder der Brennstoffleitungen 52, 54 verbunden. Die Brennkammer-Einlassöffnung 20, die koaxial zur Längsachse 26 ist, ist der Brennkammer 56 unmittelbar benachbart angeordnet, um den Brennstoff und die Verbrennungsluft der vorliegenden Erfindung in die Brennkammer 56 abzugeben, wo die Verbrennung des Brennstoffs und der Luft erfolgt.
Es wird wieder auf 1 Bezug genommen. Der Zentralkörper 12 hat eine Basis 58, durch die sich mindestens eine und vorzugsweise eine Mehrzahl von Luftzufuhröffnungen 60, 62 erstreckt, und die Basis 58 ist rechtwinklig zur Längsachse 26 und erstreckt sich durch diese. Der Zentralkörper 12 hat auch einen internen Kanal 64, der koaxial zur Längsachse 26 ist und in die Brennkammer-Einlassöffnung 20 abgibt. Die durch den internen Kanal 64 strömende Luft, die vorzugsweise mit der durch die Einlassschlitze 36, 38 einströmenden Verbrennungsluft gleichsinnig rotiert, jedoch auch gegensinnig rotieren kann, kann mit Brennstoff versehen werden oder nicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (insbesondere wo das Versehen des Zentralkörpers mit Brennstoff erwünscht ist) weist der interne Kanal 64 eine erste zylinderförmige Passage 66 mit einem ersten Ende 68 und einem zweiten Ende 70 und eine zweite zylinderförmige Passage 72 mit größerem Durchmesser als die erste zylinderförmige Passage 66 und entsprechend mit einem ersten Ende 74 und einem zweiten Ende 76 auf. Die zweite zylinderförmige Passage 72 kommuniziert mit der ersten zylinderförmigen Passage 66 durch eine sich verjüngende Passage 78 mit einem ersten Ende 80, welches einen Durchmesser gleich dem Durchmesser der ersten zylinderförmigen Passage 66 hat, und einem zweiten Ende 82, welches einen Durchmesser gleich dem Durchmesser der zweiten zylinderförmigen Passage 72 hat. Jede der Passagen 66, 72, 78 ist koaxial zur Längsachse 26, und das erste Ende 80 der sich verjüngenden Passage 78 ist integral mit dem zweiten Ende 70 der ersten zylinderförmigen Passage 66, während das zweite Ende 82 der sich verjüngenden Passage 78 integral mit dem ersten Ende 74 der zweiten zylinderförmigen Passage 72 ist. Die erste zylinderförmige Passage 66 weist eine Abgabeöffnung 68 auf, die kreisförmig ist und koaxial zu der Längsachse 26, und sie ist an dem ersten Ende 68 der ersten zylinderförmigen Passage 66 angeordnet. Wie vorangehend angegeben, kann die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen mit einem Zentralkörper verwendet werden, der entweder Brennstoff, Verbrennungsluft oder weder Brennstoff noch Luft leitet, obwohl in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowohl Brennstoff als auch Verbrennungsluft durch den Zentralkörper 12 strömen.
Es wird auf 3 Bezug genommen. Die radial äußere Oberfläche 84 des Zentralkörpers 12 weist einen Stumpfbereich 86 auf, der die äußere Oberfläche eines Stumpfs definiert, der zur Längsachse 26 koaxial ist und in Richtung zur Basis 58 aufgeweitet ist, und einen gekrümmten Bereich 88, der mit dem Stumpfbereich 86 integral ist und vorzugsweise einen Teil der Oberfläche definiert, die durch das Rotieren eines Kreises um die Längsachse 26 ist, der tangential zum Stumpfbereich 86 ist und einen Mittelpunkt hat, der radial außerhalb davon liegt. In der bevorzugten Ausführungsform endet der Stumpfbereich 86 an der Ebene, in der die Abgabeöffnung 68 angeordnet ist, wobei der Durchmesser der Basis (nicht mit der Basis 58 des Zentralkörpers zu verwechseln) des Stumpfbereichs 86 2,65 Mal größer als der Durchmesser des Stumpfbereichs 68 an dessen Spitze ist, und wobei die Höhe 90 des Stumpfbereichs 86 (der Abstand zwischen der Ebene, in der die Basis des Stumpfbereichs 86 angeordnet ist, und der Ebene, in der die Spitze des Stumpfbereichs 86 angeordnet ist) beträgt etwa 1,9 Mal den Durchmesser des Stumpfbereichs 86 an dessen Basis. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird, schafft der gekrümmte Bereich 88, der zwischen der Basis 58 und dem Stumpfbereich 86 angeordnet ist, eine glatte Übergangsoberfläche, die Verbrennungsluft 40, welche der Basis 58 benachbart in die Tangential-Eintrittsdüse 10 eintritt, lenkt und sie axial dreht. Wie in 3 gezeigt, ist der interne Kanal 64 radial innerhalb von der radial äußeren Oberfläche 84 des Zentralkörpers 12 angeordnet, wobei der Stumpfbereich 86 zur Längsachse 26 axial ist, und der Zentralkörper 12 ist mit der Basis 58 verbunden, so dass der Stumpfbereich 86 sich in Richtung zur Abgabeöffnung 68 der ersten zylinderförmigen Passage 66 verjüngt und dort endet.
Wie in 2 gezeigt, passt die Basis des Stumpfbereichs 86 in einen Kreis 92, der in die Mischzone 28 eingeschrieben ist und seinen Mittelpunkt 94 an der Längsachse 26 hat. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass der gekrümmte Bereich 88 abgeschnitten sein muss, um dort hinein zu passen, da die Mischzone 28 keinen kreisförmigen Querschnitt hat. Ein Rampenbereich 96, 98 befindet sich links von dem gekrümmten Bereich 88, wo der gekrümmte Bereich in jeden Einlassschlitz 36, 38 ragt, und dieser Bereich ist maschinell bearbeitet, um eine aerodynamisch geformte Rampe 96, 98 zu bilden, welche die in den Einlassschlitz 36, 38 gelangende Luft weg von der Basis 58 und in Richtung zu dem gekrümmten Bereich 88 in der Mischzone 28 lenkt.
Es wird auf 1 Bezug genommen. In der bevorzugten Ausführungsform ist, insbesondere wenn der Zentralkörper mit Brennstoff versorgt ist, eine Innenkammer 100 in dem Zentralkörper 12 zwischen der Basis 58 und dem zweiten Ende 76 der zweiten zylinderförmigen Passage 72, welche an der Kammer 100 endet, angeordnet. Luft 102 wird in die Kammer 100 durch die Luftzufuhröffnungen 60, 62 in der Basis 58 zugeführt, die damit kommunizieren, und die Kammer 100 wiederum liefert Luft an den internen Kanal 64 durch das zweite Ende 76 der zweiten zylinderförmigen Passage 72. Die erste Endplatte 16 hat Öffnungen 104, 106 darin, die mit den Luftzufuhröffnungen 60, 62 der Basis 58 ausgerichtet sind, um nicht die Strömung der Verbrennungsluft 102 von dem Verdichter der Gasturbinenmaschine zu stören. Ein Drallerzeuger 108, vorzugsweise des Typs mit radialer Einströmung, der im Technikgebiet bekannt ist, ist koaxial zur Längsachse 26 und ist in der Kammer 100 dem zweiten Ende 76 der zweiten zylinderförmigen Passage 72 unmittelbar benachbart, so dass die gesamte Luft, die in den internen Kanal 64 aus der Kammer 100 gelangt, durch den Drallerzeuger 108 strömen muss.
Die bevorzugte Ausführungsform weist auch eine Brennstofflanze 110 auf, die ähnlich koaxial zur Längsachse 26 ist und sich durch die Basis 58, die Kammer 100 und den Drallerzeuger 108 und in die zweite zylinderförmige Passage 72 des internen Kanals 64 erstreckt. Der größere Durchmesser der zweiten zylinderförmigen Passage 72 nimmt den Strömungsquerschnitt der Brennstofflanze 110 auf, so dass der Strömungsquerschnitt in der zweiten zylinderförmigen Passage 72 im wesentlichen gleich zu dem Strömungsquerschnitt der ersten zylinderförmigen Passage 66 ist. Eine zweite Brennstoffzuführleitung (nicht gezeigt), die entweder einen flüssigen oder einen gasförmigen Brennstoff zuführen kann, ist mit der Brennstofflanze 110 verbunden, um Brennstoff zu einer inneren Passage 112 in der Brennstofflanze 110 zuzuführen. Brennstoffstrahldüsen 114 sind in der Brennstofflanze 110 angeordnet und schaffen einen Weg zum Austreten von Brennstoff aus der Brennstofflanze 110 in den internen Kanal 64.
Es wird auf die 3 Bezug genommen. Die Brennkammer-Einlassöffnung 20 ist koaxial zur Längsachse 26 und weist eine konvergente Oberfläche 116 und eine divergente Oberfläche 118 und eine Einschnürung 117 zwischen diesen auf. Die Abgabeoberfläche 118 erstreckt sich zur Austrittsebene 124 der Düse und kontrolliert das Ausmaß der Isolation zwischen vorgemischtem Brennstoff und Luft und den Verbrennungsprodukten davon. Die konvergente Oberfläche 116 und die divergente Oberfläche 118 sind koaxial zur Längsachse 26, und die konvergente Oberfläche 116 ist zwischen der ersten Endplatte 16 und der divergenten Oberfläche 118 angeordnet. Die konvergente Oberfläche 116 hat eine im wesentlichen konische Gestalt und schafft eine Verjüngung in Richtung zur divergenten Oberfläche 118. Die divergente Oberfläche 118 erstreckt sich zwischen der Zwischen- oder Einschnürungsebene 112 und der Brennkammeroberfläche 122 der Brennkammer-Einlassöffnung 20, die rechtwinklig zur Längsachse 26 ist, und definiert die Austrittsebene 124 der Brennstoffdüse 10 der vorliegenden Erfindung. Um die gewünschte axiale Position der zentralen Brennstoff-Rezirkulationszone relativ zur Austrittsebene zu erreichen und die Brennstoffdüsen-Luftströmungskapazität beizubehalten, kann die Abgabeoberfläche von zylinderförmig, konvergent oder divergent optimiert werden, d. h. sie kann zylinderförmig, konvergent oder divergent sein.
Die konvergente Oberfläche 116 endet an der Zwischen- oder Einschnürungsebene 120, wo der Durchmesser der konvergenten Oberfläche 116 gleich dem Durchmesser der divergenten Oberfläche 118 ist. Wie in 3 gezeigt, ist die Zwischen- oder Einschnürrungsebene 120 zwischen der Austrittsebene 124 und der Abgabeöffnung 68 des internen Kanals 64 angeordnet, und die konvergente Oberfläche 116 ist zwischen der divergenten Oberfläche 118 und der ersten Abschlussplatte 16 angeordnet.
Im Betrieb strömt Verbrennungsluft von dem Verdichter der Gasturbinenmaschine durch die Öffnungen 104, 106, und die Luftzuführöffnungen 60, 62 in der Basis 58 und in die Kammer 100 des Zentralkörpers 12. Die Verbrennungsluft verlässt die Kammer 100 durch den Radial-Einströmung-Drallerzeuger 108 und gelangt in den internen Kanal 64 mit einer im wesentlichen tangentialen Geschwindigkeit oder Drall, relativ zur Längsachse 26. Wenn diese wirbelnde Verbrennungsluft an der Brennstofflanze 110 vorbei strömt, wird Brennstoff (wenn der Zentralkörper mit Brennstoff versorgt ist) vorzugsweise in gasförmiger Form von der Brennstofflanze 110 in den internen Kanal 64 gesprüht und vermischt sich mit der wirbelnden Verbrennungsluft. Die Mischung aus Brennstoff und Verbrennungsluft strömt dann von der zweiten zylinderförmigen Passage 72 in die erste zylinderförmige Passage 66 durch die sich verjüngende Passage 76. Die Mischung gelangt dann weiter der Länge der ersten zylinderförmigen Passage 66 abwärts, verlässt die erste zylinderförmige Passage 66 kurz vor oder an der Einschnürungsebene 120 der Brennkammer-Einlassöffnung 20 und liefert einen zentralen Strom einer Brennstoffluftmischung.
Zusätzliche Verbrennungsluft von dem Verdichter der Gasturbinenmaschine gelangt in die Mischzone 28 durch jeden der Einlassschlitze 36, 38. In die Einlassschlitze 36, 38 unmittelbar der Basis 58 benachbart eintretende Luft wird von den Rampen 96, 98 auf den gekrümmten Bereich 88 in der Mischzone 28 des Schneckendrallerzeugers 14 gelenkt. Brennstoff, vorzugsweise gasförmiger Brennstoff, der den Brennstoffleitungen 52, 54 zugeführt wird, wird in die Verbrennungsluft gesprüht, die durch die Einlassschlitze 36, 38 tritt und beginnt, sich mit dieser zu vermischen. Infolge der Form der Schneckenelemente 22, 24 bildet diese Mischung eine ringförmige Strömung, die um den Zentralkörper 12 wirbelt, und die Brennstoffluftmischung vermischt sich weiter, wenn sie darum wirbelt und sich dabei entlang der Längsachse 26 in Richtung zu der Brennkammer-Einlassöffnung weiter bewegt.
Der Drall oder Wirbel der ringförmigen Strömung, der durch den Schneckendrallerzeuger 14 erzeugt wird, rotiert vorzugsweise gleichsinnig mit dem Wirbel der Brennstoffluftmischung in der ersten zylinderförmigen Passage 66 und hat vorzugsweise eine Winkelgeschwindigkeit, die mindestens so groß ist wie die Winkelgeschwindigkeit der Brennstoffluftmischung in der ersten zylinderförmigen Passage 66. Infolge der Gestalt des Zentralkörpers 12 wird die Axialgeschwindigkeit der ringförmigen Strömung bei Geschwindigkeiten beibehalten, die ein Wandern der Brennkammerflamme in den Schneckendrallerzeuger 14 und ein Anhaften an der äußeren Oberfläche 84 des Zentralkörpers 12 verhindern. Beim Verlassen der ersten zylinderförmigen Passage 66 ist die wirbelnde Brennstoffluftmischung der zentralen Strömung von der ringförmigen Strömung von dem Schneckendrallerzeuger 14 umgeben, und die zwei Strömungen gelangen in die Einschnürung 117 der Brennkammer-Einlassöffnung 20 und strömen radial einwärts der konvergenten Oberfläche 116 und der divergenten Oberfläche 118, bis sie die Austrittsebene 124 der Brennkammer-Einlassöffnung 20 strömungsabwärts von der Mischzone 28 erreichen und strömen dann in die der divergenten Oberfläche 118 der Brennkammer-Einlassöffnung 20 benachbarte Flammenzone.
Die vorliegende Erfindung erhöht signifikant die Nutzungslebensdauer des Zentralkörpers 12, indem sie signifikant die Axialgeschwindigkeit der um den Zentralkörper 12 wirbelnden Brennstoffluftmischung erhöht. Die erhöhte Axialgeschwindigkeit ergibt sich aus dem gekrümmten Bereich 88, der ein Rezirkulieren der durch die der Basis 58 unmittelbar benachbarten Einlassschlitze 36, 38 in die Mischzone 18 eintretende Luft mit wenig oder keiner Axialgeschwindigkeit verhindert, und dem Stumpfbereich 86, der die Axialgeschwindigkeit der ringförmigen Strömung auf Geschwindigkeiten beibehält, die ein Anhaften der Flamme an den Zentralkörper 12 verhindert und tendenziell die Flamme auswirft, wenn sie daran anhaftet.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf eine detaillierte Ausführungsform davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen. So kann es beispielsweise bei bestimmten Ausführungsformen möglich sein, die äußere Oberfläche 84 des Zentralkörpers 12 um den inneren Teil des Zentralkörpers wegzulassen.

Claims

Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in der Brennkammer einer Gasturbinenmaschine mit einem Vormischverbrennungstyp, aufweisend: Bereitstellen eines Schneckendrallerzeugers (14) mit einer ersten und einer zweiten Abschlussplatte (16, 18), wobei die erste Abschlussplatte (16) in beabstandeter Relation zu der zweiten Endplatte (18) eine Mischzone (28) dazwischen definiert, wobei die zweite Endplatte (18) eine Brennkammer-Einlassöffnung (20) hat, die sich dort hindurch erstreckt; Bereitstellen eines Zentralkörpers (12), der in der Mischzone (28) angeordnet ist und eine radial äußere Oberfläche (84) hat, der sich in Richtung zu der Brennkammer-Einlassöffnung (20) verjüngt und sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Mischzone (28) erstreckt; Einbringen eines ersten Teils von Verbrennungsluft tangential in die Mischzone (28) im wesentlichen kontinuierlich entlang deren Länge; Einbringen eines ersten Teils von Brennstoff in die Verbrennungsluft, wenn die Verbrennungsluft in die Mischzone (28) eingebracht wird; Mischen der Verbrennungsluft und des Brennstoffs durch Wirbeln der Verbrennungsluft und des Brennstoffs um den Zentralkörper (12) und dabei Strömenlassen der Verbrennungsluft und des Brennstoffs in Richtung zu dem Brennkammereinlass (20); Einbringen eines zweiten Teils von Verbrennungsluft in den ersten Teil von Verbrennungsluft radial innerhalb davon an der Brennkammer-Einlassöffnung (20); Einbringen eines zweiten Teil von Verbrennungsluft in den ersten Teil von Verbrennungsluft radial innerhalb davon an der Brenkammer-Einlassöffnung (20), wobei der Schritt des Einbringens des zweiten Teils von Verbrennungsluft in den ersten Teil radial innerhalb davon an dem Brennkammereinlass (20) das Einbringen eines zweiten Teils von Verbrennungsluft in den Zentralkörper (12) aufweist; und Verbrennen des Brennstoffs außerhalb der Mischzone, gekennzeichnet durch Einbringen eines zweiten Teils von Brennstoff in den zweiten Teil von Verbrennungsluft in den Zentralkörper (12), und Mischen des zweiten Teils von Brennstoff in dem zweiten Teil von Verbrennungsluft in dem Zentralkörper (12).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dem Schritt des Einbringens eines zweiten Teils von Verbrennungsluft in den ersten Teil radial innerhalb davon an der Brennkammer-Einlassöffnung (20) der folgende Schritt voran geht: Wirbeln des zweiten Teils von Verbrennungsluft in dem Zentralkörper (12) mit einer Winkelgeschwindigkeit, die im wesentlichen gleich der Winkelgeschwindigkeit des ersten Teils ist.
Brennstoffdüsenanordnung zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine, aufweisend einen Zentralkörper (12), aufweisend: eine Längsachse (26), eine Basis (58), und eine radial äußere Oberfläche, die einen Stumpfbereich aufweist, der die äußere Oberfläche eines Stumpfes definiert, der koaxial zur Längsachse ist und sich in Richtung zur Basis aufweitet; einen Schneckendrallerzeuger (14) mit einer ersten und einer zweiten Abschlussplatte (16, 18) hat, wobei die erste Abschlussplatte in beabstandeter Relation zu der zweiten Abschlussplatte ist, wobei die zweite Abschlussplatte eine sich durch diese erstreckende Brennkammer-Einlassöffnung (20) hat; mindestens zwei zylinderbogenförmige Schneckenelemente (22, 24), wobei jedes Schneckenelement einen Teilrotationskörper um eine Mittellinie (32, 34) definiert, wobei jedes der Schneckenelemente von der ersten Endplatte zu der zweiten Endplatte ragt und gleichförmig um die Achse beabstandet ist, und so eine Mischzone (28) dazwischen definiert, wobei jedes der Schneckenelemente in beabstandeter Relation zu jedem der anderen Schneckenelemente ist, wobei jede der Mittellinien in der Mischzone angeordnet ist, wobei jede der Mittellinien in beabstandeter Relation zu der Achse mit gleichem Abstand von dieser und parallel zu dieser ist, und so Einlassschlitze (36, 38) definiert, die sich parallel zu der Achse zwischen diesem Paar von benachbarten Schneckenelementen erstrecken zum Einbringen von Verbrennungsluft in die Mischzone, wobei jedes der Schneckenelemente eine Brennstoffleitung (52, 54) zum Einbringen von Brennstoff in die durch einen der Einlassschlitze eingebrachte Verbrennungsluft aufweist; wobei die Basis (58) mit der ersten Abschlussplatte (16) verbunden ist und dadurch gekennzeichnet, dass der Stumpfbereich (84) in die Brennkammer-Einlassöffnung (20) ragt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 3, wobei der Zentralkörper (12) einen gekrümmten Bereich (88) hat, der integral mit dem Stumpfbereich (86) ist.
Brennstoffdüse nach Anspruch 4, wobei der gekrümmte Bereich (88) einen Teil der Oberfläche definiert, die durch ein Rotieren eines Kreises um die Längsachse (26) erzeugt wird, der tangential zu dem Stumpfbereich ist und einen Mittelpunkt hat, der radial außerhalb davon liegt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei die Basis (58) mindestens eine durch diese durchgehende Luftversorgungsöffnung (60, 62) hat, und wobei der Zentralkörper (12) ferner einen internen Kanal (64) aufweist, der koaxial zur Längsachse (26) ist und mit der Luftzufuhröffnung kommuniziert, wobei der interne Kanal eine Abgabeöffnung (68) aufweist, die kreisförmig und koaxial zu der Achse ist und in der Brennkammer-Einlassöffnung (20) angeordnet ist.
Brennstoffdüse nach Anspruch 6, wobei der Zentralkörper (12) ferner eine interne Kammer (100) aufweist, die zwischen der Basis (58) und dem internen Kanal (64) angeordnet ist, wobei die Luftzuführöffnungen (60, 62) mit dem internen Kanal durch die Kammer kommunizieren.
Brennstoffdüse nach Anspruch 7, wobei der interne Kanal (64) eine erste zylinderförmige Passage (66), eine zweite zylinderförmige Passage (72) und eine sich verjüngende Passage (78) aufweist, wobei jede Passage ein erstes Ende (68, 74, 80) und ein zweites Ende (70, 76, 82) hat, wobei die zweite zylinderförmige Passage einen Durchmesser hat, der größer ist als der der ersten zylinderförmigen Passage, wobei die zweite zylinderförmige Passage mit der ersten zylinderförmigen Passage durch die sich verjüngende Passage kommuniziert, wobei das erste Ende der sich verjüngenden Passage integral mit dem zweiten Ende der ersten zylinderförmigen Passage ist, wobei das zweite Ende der sich verjüngenden Passage integral mit dem ersten Ende der zweiten zylinderförmigen Passage ist, wobei das erste Ende der sich verjüngenden Passage einen Durchmesser hat, der gleich dem Durchmesser der ersten zylinderförmigen Passage ist, und wobei das zweite Ende der sich verjüngenden Passage einen Durchmesser hat, der gleich dem Durchmesser der zweiten zylinderförmigen Passage ist, wobei jede der Passagen koaxial zu der Längsachse (26) ist, wobei die erste zylinderförmige Passage die an dem ersten Ende der ersten zylinderförmigen Passage angeordnete Abgabeöffnung aufweist.
Brennstoffdüse nach Anspruch 8, wobei der Zentralkörper (12) ferner einen Drallerzeuger (108) koaxial zur Achse (26) und in der Kammer (100) unmittelbar dem zweiten Ende (76) der zweiten zylinderförmigen Passage (72) benachbart angeordnet, und eine Brennstofflanze (110) aufweist, die koaxial zur Achse (26) ist und sich durch die Basis (58), die interne Kammer und den Drallerzeuger (108) erstreckt und in der zweiten zylinderförmigen Passage geendet.