DE69822984T2

DE69822984T2 - Kraftstoffleitung

Info

Publication number: DE69822984T2
Application number: DE1998622984
Authority: DE
Inventors: Frederic James Hudson Heights Allan
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: EP0924411B1; US6240732B1; CA2225263A1; DE69822984D1; EP0924411A2; EP0924411A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffleitung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Die US-A-4 492 563 beschreibt die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Industrielle Gasturbinen müssen strenge Emissionspegel einhalten. Es ist bekannt, dass die Erzeugung von NOx und CO eine Funktion der Verbrennungsflammentemperatur ist, die wiederum von der Lufteinlasstemperatur der Verbrennungseinrichtung, von dem Temperaturanstieg des Kraftstoff/Luftgemisches und dem Lufteinlassdruck abhängt. Um die Erzeugung von NOx und CO zu begrenzen, sollte die Temperatur und Verweilzeit eingestellt werden.
Eine in Reihe gestufte Verbrennung steuert die Erzeugung der Pegel von NOx und CO. Bei reihengestuften Verbrennungen wird eine Zahl getrennter Verbrennungszonen benutzt und jede wird durch die vorherige Stufe gespeist. Durch die aufeinanderfolgende Natur der Stufenbildung werden die Verbrennungsprodukte der stromaufwärtigen Flammen mit stromabwärtigen Flammen gemischt, und dies ergibt den zusätzlichen Vorteil im Hinblick auf Emissionen, da die unerwünschten Verbrennungsemissionen der stromaufwärtigen Flammen eine Möglichkeit haben, in die gewünschten Verbrennungsprodukte in der stromabwärtigen Flamme umgesetzt zu werden. Je höher die Zahl der Stufen, desto kleiner ist der Temperaturbereich, der für jede Stufe erforderlich ist, und dies führt zu der niedrigsten maximalen Temperatur, die von jeder Stufe eingenommen wird, und demgemäß ergibt sich ein Minimum von NOx. Jede Stufe schafft eine magere Verbrennung, d. h. die Verbrennung von Kraftstoff in Luft, wobei das Verhältnis Kraftstoff/Luft gering ist.
Bei mehrfach gestuften Brennkammern wird der Kraftstoff mit Luft in getrennten Vormischkanälen für jede Stufe vorgemischt. Die Kraftstoffleitungen können benutzt werden, um den Kraftstoff in die Vormischkanäle einzuführen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffleitung zu schaffen, die einen Kraftstoff gleichförmig verteilt und den Kraftstoff mit einer Geschwindigkeit zuführt, was eine Verbesserung der Vermischung des Kraftstoffs mit Luft stromab der Kraftstoffleitungen bewirkt, wobei die Kraftstoffleitung in der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks benutzt werden soll.
Gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Kraftstoffleitung mit mehreren in Strömungsrichtung hintereinander geschalteten Ringkammern, zwischen denen Barrieren angeordnet sind, wobei Mittel vorgesehen sind, um den Kraftstoff in eine erste der Ringkammern derart einzuführen, dass der Kraftstoff hindurchströmt, bevor er durch eine solche Barriere in die nächste Kammer gelangt und wobei der Kraftstoff durch jede Ringkammer strömt, bevor er durch eine Endbarriere ausgegeben wird, die die Geschwindigkeit des ausströmenden Kraftstoffes ändert, wodurch die Kraftstoffleitung zur Benutzung in einer Gasturbinenbrennkammer geeignet ist und wobei die Mittel zur Zuführung von Kraftstoff in die erste Ringkammer wenigstens ein Rohr aufweisen, das unter einem Winkel von nicht mehr als 45° relativ zur Tangente des Kreises an einem Punkt der Rohrbefestigung mit der ersten Ringkammer derart angeordnet ist, dass der Kraftstoff in Umfangsrichtung durch die erste Ringkammer 4 bis 8 mal strömt, um eine zirkulare Strömung durch die erste Kammer zu erzeugen, bevor der Kraftstoff durch die Barriere nach der nächsten Ringkammer gelangt und wobei jede Barriere eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, um Kraftstoff in die nächste Ringkammer zu überführen und diese Vielzahl von Öffnungen unter einem Winkel gegenüber der nächsten Ringkammer derart angeordnet ist, dass der Kraftstoff in Umfangsrichtung durch diese nächste Ringkammer strömt, um eine zirkulare Strömung durch die nächste Ringkammer zu erzeugen, bevor der Kraftstoff durch die Endbarriere austritt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt die Kraftstoffleitung zwei Ringkammern in Strömungsrichtung hintereinander, wobei die erste Ringkammer größer ist als die zweite Ringkammer. Die Kraftstoffströmung in der ersten Ringkammer zirkuliert in Gegenrichtung zu der Kraftstoffströmung in der zweiten Ringkammer.
Die Barriere zwischen der ersten und zweiten Ringkammer besitzt eine Vielzahl von Öffnungen. Die Öffnungen in der Barriere zwischen der ersten und zweiten Ringkammer sind im Winkel angestellt, um den Widerstand für den Durchtritt des Kraftstoffes von der ersten Ringkammer nach der zweiten Ringkammer zu erhöhen.
Die Endbarriere, durch die der Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung ausgegeben wird, besitzt eine Vielzahl kleiner Öffnungen, die die Kraftstoffströmung verzögern. Die Öffnungen können im Winkel radial angestellt sein, um eine Verwirbelung aus dem Kraftstoff zu entfernen, der aus der Leitung ausgegeben wird.
Vorzugsweise kann die Kraftstoffleitung mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff beschickt werden.
Eine Kraftstoffleitung gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks benutzt. Insbesondere ist die Kraftstoffleitung geeignet zur Benutzung in einer Brennkammer, die in Strömungsrichtung hintereinander mehrere Teilbrennkammern aufweist. Jede Kraftstoffleitung ist in einem Vormischkanal einer Stufe einer mehrfach gestuften Brennkammer angeordnet. Die Kraftstoffleitung wird durch Wirbelschaufeln im Vormischkanal angeordnet, wodurch die Luft verwirbelt wird und die verwirbelte Luft mit dem Kraftstoff vermischt wird, der aus der Kraftstoffleitung im Vormischkanal ausströmt.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer und Kraftstoffleitungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht durch die Brennkammer gemäß 1;
3 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine Schnittansicht durch eine der Kraftstoffleitungen gemäß 2;
4 ist eine Schnittansicht eines Teils einer Kraftstoffleitung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein industrielles Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 weist in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen Einlass 12, einen Kompressor 14, einen Brennkammeraufbau 16, einen Turbinenteil 18, eine Nutzleistungsturbine 20 und einen Auslass 22 auf. Der Turbinenteil 18 treibt den Kompressor 14 über eine Welle oder mehrere Wellen (nicht dargestellt). Die Nutzleistungsturbine 20 treibt über eine Welle 24 einen elektrischen Generator 26.
Der Brennkammeraufbau 16 ist deutlicher in 2 dargestellt und dieser weist mehrere rohrförmige Brennkammern 30 auf. Die Achsen der rohrförmigen Brennkammern 30 erstrecken sich allgemein in Radialrichtung. Die Einlässe der rohrförmigen Brennkammern 30 befinden sich an ihren radial äußersten Enden, und die Auslässe 60 befinden sich an ihren radial innersten Enden.
Die Verbrennung des Kraftstoffes erfolgt stufenweise in drei Zonen A, B und C, die in Strömungsrichtung hintereinander liegen. Um die Temperatur der Brennflamme zu steuern und um demgemäß den Gehalt an NOx und CO einzustellen, wird der Kraftstoff mit Luft in getrennten Vormischkanälen 32, 36 und 38 für jede Stufe vorgemischt.
In der Primärverbrennungszone wird Kraftstoff und Luft in einem Primärvormischkanal 32 gemischt. Der Kraftstoff wird auch aus einem zentralen Injektor 33 in der stromaufwärtigen Wand 31 jeder rohrförmigen Brennkammer 30 ein wenig stromauf des Austritts des Primärvormischkanals 32 injiziert. Verschiedene Kraftstofföffnungen (nicht dargestellt) sind um den Injektor 33 verteilt. Die Zahl, Größe und Anordnung der Öffnungen wird so bestimmt, dass die beste Stabilität und der beste Wirkungsgrad der Verbrennung zustandekommt. Ein Fackelzünder 34, der durch zwei nicht dargestellte Zündkerzen gezündet wird, ist in der Mitte des zentralen Injektors 33 jeder rohrförmigen Brennkammer 30 angeordnet. Eine Diffusionsflamme, die ursprünglich durch den Fackelzünder 34 gezündet wurde, wird durch den zentralen Injektor 33 mit Kraftstoff versorgt. Die Flamme wird in der Primärzone A gehalten und durch eine Rezirkulationsströmung stabilisiert, die durch die Primärvormischkanäle 32 erzeugt wird. Die Diffusionsflamme soll nur für Startzwecke und Situationen mit minimaler Leistung wirksam sein, d. h. bei Leistungseinstellungen unter 30% der maximalen Last.
Für Leistungseinstellungen zwischen 30% bis 50% der maximalen Last wird Kraftstoff ebenfalls in die Sekundärvormischkanäle 36 eingespritzt, die eine gleichförmige Mischung erzeugen, die in der Sekundärzone B zu brennen beginnt.
Schließlich wird Kraftstoff bei Leistungseinstellungen zwischen 55% und 80% der maximalen Last auch in Tertiärvormischkanäle 38 eingespritzt, die eine gleichförmige Mischung erzeugen, die in der Tertiärzone C zu brennen beginnt.
Die Sekundärvormischkanäle und die Tertiärvormischkanäle 36 und 38 führen jeweils ein Kraftstoff/Luftgemisch dem Brenner in einem Ring von Strahlen zu, die in die Mischung mit den Gasen aus den stromaufwärtigen Stufen eintreten. Um die diskreten Strahlen zu erzeugen, endet jeder Vormischkanal 36, 38 mit aerodynamischen Wänden 39 in Gestalt von Keilen, deren Basis einen Teil der Auskleidung der Verbrennungseinrichtung bildet.
Im Einlass der Sekundärkanäle 36 und der Tertiärkanäle 38 sind Wirbelvorrichtungen 40 angeordnet. Die Wirbelvorrichtungen 40 haben eine aerodynamische Ausbildung derart, dass die hindurchtretende Luft beschleunigt wird. Die Wirbelvorrichtungen 40 haben eine Gegenverwirbelungskonfiguration, so dass sie eine Scherschicht erzeugen, die eine gute Vermischung von Luft und Kraftstoff bewirkt.
Der Einlass nach den Sekundärkanälen 36 und den Tertiärkanälen 38 hat einen großen Radius von der Brennermittellinie. Um die Länge der Kanäle 36 und 38 zu vermindern, wurde das wirksamste Verfahren gesucht, um Vormischgas mit der Luft zu vermischen. Eine kräftige Vermischung wird dadurch erreicht, dass Kraftstoff mit einer geringen Geschwindigkeit in die Scherschicht eingespritzt wird, die zwischen den Luftströmungen aus den im Gegensinn rotierenden Wirbelvorrichtungen 40 eingespritzt wird.
Die Aufteilung zwischen den in Gegenrichtung rotierenden Wirbelvorrichtungen 40 ist eine Leitung 41, der vorgemischter Kraftstoff zugeführt wird. Das äußere Profil der Leitung 41 wurde optimiert, um der darüber hinwegstreifenden Luft das beste aerodynamische Verhalten aufzuprägen. Die innere Ausbildung der Leitung 41 ist so gestaltet, dass Ungleichförmigkeiten in der Kraftstoffströmung ausgeglichen werden und der Kraftstoff gleichförmig in den Vormischkanal 36 gelangt.
Die innere Ausbildung der Kraftstoffleitung 41 gemäß der Erfindung ist im Einzelnen in den 3 und 4 dargestellt. Jede Leitung 41 besteht aus einer großen Ringkammer 42, die durch ein Zuführungsrohr 43 oder mehrere Zuführungsrohre gespeist wird. Die Zuführungsrohre 43 sind über den Umfang der Leitung 41 unter einem Winkel angestellt. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind drei Zuführungsrohre 43 über den Umfang der Leitung 41 verteilt. Jedes Zuführungsrohr 43 ist unter dem gleichen Winkel relativ zur Tangente des Kreises an der Stelle der Befestigung angeordnet, und die Zuführungsrohre 43 sind über den Umfang im gleichen Abstand angeordnet. Auf diese Weise wird auf die Kraftstoffströmung innerhalb der Ringkammer 42 eine heftige Umfangsbewegung aufgeprägt. Jedes Zuführungsrohr hat einen Winkel von nicht mehr als 45%, so dass der Hauptteil des Fluidmomentes in die Kreisbewegung gelangt, statt den örtlichen statischen Druck anzuheben.
Die Dimensionen der Ringkammer 42 sind derart, dass relativ zur Geschwindigkeit der zirkularen Strömung die Verweilzeit des Kraftstoffes mehrfach größer ist als die Zeit, die das durchschnittliche Kraftstoffelement benötigen würde, um in der Kammer 42 umzulaufen. Der Kraftstoff wird über den Umfang der großen Ringkammer 42 vierundachtzig mal verwirbelt.
Auf einer Innenwand 45 der Leitung gegenüber der Befestigung der Zuführungsrohre 43 befinden sich zahlreiche identische und im gleichen Abstand angeordnete Austrittslöcher 44. Die Löcher 44 sind unter einem Winkel derart orientiert, dass die Strömung, die in eines der Löcher 44 eintritt, eine Wendung von etwa 135° durchführt. Infolge dieser scharfen, spitzen Windung hat der Locheintritt 44 eine wirksame Strömungsfläche, die sehr viel kleiner ist als seine geometrische Gestalt. Auf diese Weise wird das Problem der Herstellung von zahlreichen Löchern mit sehr kleinen identischen Strömungsflächen vermindert. Außerdem macht diese Orientierung die Löcher weniger empfindlich gegenüber ihrer Anordnung in der Nähe des Zuführungsrohres 43, da jedes Moment, das ein Loch von einem in der Nähe befindlichen Zuführungsrohres 43 trifft, senkrecht zur Lochrichtung verläuft.
Der Kraftstoff strömt von der großen Ringkammer 42 durch die Löcher 44 in der Innenwand 45 nach einer kleineren Ringkammer 46, wo der Kraftstoff im Gegensinn zirkuliert. Dann tritt der Kraftstoff durch kleine radiale Löcher 47 in einer Wand 48 in eine Mehrzahl getrennter Hohlräume 50 ein. Der Kraftstoff wird von den Hohlräumen 50 nach geätzten Diffusoren 51 geleitet und von der Hinterkante der Kraftstoffleitung 41 in den Vormischkanal 36 eingegeben.
Der größte Druckabfall in der Kraftstoffleitung 41 findet zwischen den beiden Kammern 42 und 46 statt, und die radialen Löcher 47 in der Wand 48 unterbinden eine Verwirbelung am Eintritt in die Diffusor 51. Die Schlitze 49 verzögern den Kraftstoff, und dieser wird von der Hinterkante der Kraftstoffleitung 41 in die Vormischkanäle abgegeben.
Der Kraftstoff wird von der Hinterkante der Leitung 41 abgegeben und mit der im Gegensinn verwirbelten Strömung von Luft aus den Wirbelvorrichtungen 40 vermischt, die im Einlass der Vormischkanäle 36 und 38 angeordnet sind.
Das Kraftstoff/Luftgemisch aus den Vormischkanälen 36 und 38 tritt in die Gase der stromaufwärtigen Verbrennungsstufen ein und vermischt sich mit diesen.
Durch die stufenweise Aufeinanderfolge werden die Verbrennungsprodukte der stromaufwärtigen Flammen mit den stromabwärtigen Flammen vermischt, was den weiteren Vorteil im Hinblick auf Emissionen ergibt, da die unerwünschten Verbrennungsemissionen von stromauf die Möglichkeit haben, in die gewünschten Verbrennungsprodukte der stromabwärtigen Flamme umgewandelt zu werden.
Für den Fachmann ist es weiter klar, dass die Leitung 41 gemäß der Erfindung irgendeine Zahl von Ringkammern 44 und 46 aufweisen kann, vorausgesetzt, dass eine gleichförmige umfangsmäßige Verteilung des Kraftstoffes erreicht wird. Wenn mehrere Ringkammern vorgesehen werden, um die erwünschte Gleichförmigkeit zu erzielen, dann sollten die Löcher 44 und 47 in ihrer Größe verringert und in ihrer Zahl in jeder Stufe erhöht werden. Die Verweilzeit in der Leitung und der Druckabfall sollten mit jeder Stufe abfallen. Die Umfangsströmung wird in der letzten Stufe eliminiert, indem die Zuführungslöcher radial angeordnet werden. In gleicher Weise könnte die Leitung 41 den durchströmenden Kraftstoff verzögern oder beschleunigen.

Claims

Kraftstoffleitung (41) mit mehreren Ringkammern (42, 46), die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und dazwischen Barrieren (45) aufweisen, mit Mitteln zur Zuführung des Kraftstoffes (43) in eine erste der Ringkammern (42) derart, dass der Kraftstoff hindurchströmt, bevor er durch die Barriere (45) nach der nächsten Ringkammer (46) gelangt, wobei der Kraftstoff durch jede Ringkammer (42, 46) strömt, bevor er durch eine Endbarriere (48) ausströmt, die die Geschwindigkeit des hindurchströmenden Kraftstoffes ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffleitung zur Benutzung in einer Gasturbinenbrennkammer angeordnet ist, wobei die Mittel zur Zuführung des Kraftstoffes in die erste Ringkammer (42) wenigstens ein Rohr (43) aufweisen, das in einem Winkel von nicht mehr als 45° relativ zur Tangente an den Kreis an der Stelle der Rohrbefestigung gegenüber der ersten Ringkammer (42) derart angeordnet ist, dass der Kraftstoff in Umfangsrichtung durch die erste Ringkammer (42) 4 bis 8 mal hindurchströmt, um eine Ringströmung durch die erste Ringkammer (42) zu erzeugen, bevor er durch die Barriere (45) nach der nächsten Ringkammer (46) strömt, wobei jede Barriere (45) eine Vielzahl von Öffnungen (44) aufweist, um Kraftstoff in die nächste Ringkammer (46) einzuleiten und wobei die Vielzahl der Öffnungen unter einem Winkel gegenüber der nächsten Ringkammer (46) derart angeordnet ist, dass der Kraftstoff in Umfangsrichtung durch die nächste Ringkammer (46) strömt und eine Ringströmung durch die nächste Ringkammer (46) erzeugt, bevor der Kraftstoff durch die Endbarriere (48) ausströmt.
Kraftstoffleitung nach Anspruch 1, welche zwei Ringkammern (42, 46) in Strömungsrichtung hintereinander aufweist, wobei die erste Ringkammer (42) größer als die zweite Ringkammer (46) ist.
Kraftstoffleitung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher der Kraftstoff in der ersten Ringkammer (42) im Gegensinn zu dem Kraftstoff in der zweiten Ringkammer (46) zirkuliert.
Kraftstoffleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Barriere (45) zwischen der ersten und zweiten Ringkammer (42, 46) mehrere darin befindliche Öffnungen (44) aufweist.
Kraftstoffleitung nach Anspruch 4, bei welcher die Öffnungen (44) in der Barriere (45) zwischen der ersten und zweiten Ringkammer (42, 46) im Winkel angestellt sind, um den Widerstand für den Durchtritt des Kraftstoffes von der ersten Ringkammer (42) nach der zweiten Ringkammer (46) zu erhöhen.
Kraftstoffleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Endbarriere (48), durch die der Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung (41) austritt, eine Vielzahl von kleinen Öffnungen (47, 50) aufweist, die die Kraftstoffströmung verzögern.
Kraftstoffleitung nach Anspruch 6, bei welcher die Öffnungen (47) radial im Winkel angestellt sind, um Verwirbelungen aus dem Kraftstoff zu entfernen, der aus der Leitung (41) abgegeben wird.
Kraftstoffleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Benutzung mit einem flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff.
Kraftstoffleitung nach Anspruch 8 zur Benutzung in einer Brennkammer (16) eines Gasturbinentriebwerks (10).
Kraftstoffleitung nach Anspruch 9, bei welcher die Brennkammer (16) eine Primärverbrennungszone (A), eine Sekundärverbrennungszone (B) und eine Tertiärverbrennungszone (C) aufweist, die in Strömungsrichtung hintereinander geschaltet sind.
Kraftstoffleitung nach Anspruch 10, bei welcher die Brennkammer (16) einen Primärvormischkanal (32) aufweist, um ein Kraftstoff/Luftgemisch der Primärverbrennungszone (A) zuzuführen und die Brennkammer einen Sekundärvormischkanal (36) aufweist, um ein Kraftstoff/Luftgemisch der Sekundärverbrennungszone (B) zuzuführen und die Brennkammer einen Tertiärvormischkanal (38) aufweist, um ein Kraftstoff/Luftgemisch der Tertiärverbrennungszone (C) zuzuführen.
Kraftstoffleitung nach Anspruch 11, bei welcher die Kraftstoffleitung (41) Kraftstoff dem Sekundärvormischkanal (36) oder dem Tertiärvormischkanal (38) liefert.
Kraftstoffleitung nach Anspruch 12, bei welcher die Kraftstoffleitung (41) zwischen einer ersten Wirbelvorrichtung (40A) und einer zweiten Wirbelvorrichtung (40B) angeordnet ist, wobei erste und zweite Wirbelvorrichtung (40A, 40B) eine Verwirbelung in Gegenrichtung bewirken.
Kraftstoffleitung nach Anspruch 13, bei welcher die Kraftstoffleitung (41) zwischen einer ersten radialen Wirbelvorrichtung (40A) und einer zweiten radialen Wirbelvorrichtung (40B) angeordnet ist und die Kraftstoffleitung (41) den Kraftstoff in radialer Richtung abgibt.
Kraftstoffleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welcher das Rohr (43) unter einem Winkel von nicht mehr als 45° angestellt ist und die Öffnungen (44) in der Barriere (45) unter einem Winkel von etwa 135° angeordnet sind.