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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zweibrennstoffdüsen für Gasturbinenbrenner,
die flüssigen
Brennstoff bei Temperaturen und Drucken verbrennen, die zum Brennstoff-Cracken
und der nachfolgenden Bildung von festem Kohlenstoffharz auf den
Brenner-Brennstoffinjektions-Einrichtungen führen, die
vor der Verdampfung und Verbrennung flüssigem Brennstoff ausgesetzt
sind und sie bezieht sich besonders auf eine Zweibrennstoffdüse, die
die Abscheidung von Kohlenstoff auf Brennstoffgas-Luftzuführungs-Oberflächen hemmt,
wenn in einem Flüssigbrennstoff-Verbrennungsmodus
gearbeitet wird.
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In
Zweibrennstoff-Verbrennungssystemen für Gasturbinen werden gasförmiger und
flüssiger Brennstoff
separat zum Befeuern der Gasturbine eingesetzt. Aus einer Anzahl
von Gründen,
einschließlich
dem Ziel des Betriebes mit geringem NOx,
lag die Betonung bei der Entwicklung auf dem wirksamen Gebrauch
von Gasbrennstoff-Düsen,
und die Flüssigbrennstoff-Düse wurde
typischerweise nur als eine Reserve und nur sporadisch benutzt.
Es wurde jedoch kürzlich
gezeigt, dass der Einsatz von Flüssigbrennstoff
im Gasturbinen-Brenner anstelle von gasförmigem Brennstoff eine Neigung
zum Abscheiden von Kohlenstoffrest auf verschiedenen Durchgängen in
der Gas/Luft-Brennstoffdüse hat,
was die Rückkehr
zum Gasbrennstoff-Turbinenbetrieb hindern kann.
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Mehr
im Besonderen hat ein katastrophenartiges Brennerversagen aus dem
raschen Aufbau von Kohlenstoff-Abscheidungen in der Nähe der Flüssigbrennstoff-Injektion
resultiert. Kohlenstoff-Abscheidungen,
die sich während
des Betriebes mit Flüssigbrennstoff
entwickelt haben, neigen zum Blockieren des beabsichtigten Gas-
oder Flüssigbrennstoff-Einlasses
zum Brenner, was ein Zurückfließen des Brennstoffs
verursacht. Dies resultiert in einer Zündung und Flamme außerhalb
der Brennerauskleidung, was zu einem thermischen Versagen führen kann.
Da das Versagen nicht in einem Flammenverlust resultiert und keine
signifikanten Austritts-Temperaturänderungen vor dem Brechen des
Brenner-Druckgefäßes mit
sich zu bringen braucht, können
diese Fehler vor dem Regelsystem-Nachweis unerkannt bleiben. Es
wurden so ernste Sicherheitsbedenken erzeugt und Lastbeschränkungen
gefordert, um den Betrieb der Turbine und somit der Brenner in Lastregionen
zu begrenzen, in denen signifikante Abscheidungsraten bekannt sind.
So wurden, z. B., einige Ausfälle
nach nur 12 Stunden des Betriebes bei nachteiligen Bedingungen für eine hohe
Kohlenstoff-Bildungsrate
berichtet.
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Verschiedene
Anstrengungen zum Beseitigen des oder Anpassen an das Kohlenstoff-Abscheidungsproblem
wurden vorgeschlagen. So erwies sich das aerodynamische Spülen von
Oberflächen, bei
denen der Aufprall von Flüssigbrennstoff
vorhergesehen wurde, wirksam, wo es genügend Brennerleitungs-Druckabfall
gibt, um genug Luftspül-Geschwindigkeit
zu erzeugen, um die Abscheidung zu verhindern. Brenneroberflächen-Metalltemperaturen von
mehr als, z. B., 426,66°C
(800°F)
können
ebenfalls die Kohlenstoffbildung verhindern. Diese beiden Systeme
haben jedoch ihre jeweiligen Nachteile, einschließlich beträchtlichen
Verbrauchs von Einlassluft, die vorteilhafterweise woanders benutzt
werden könnte,
ebenso wie Metallkühlprobleme.
Folglich gab es einen demonstrierten Bedarf an der Bereitstellung eines
Zweibrennstoff-Düsensystems
mit Brennstoff-Sprühverteilung
und aerodynamischen Brenner-Charakteristika, die die Einleitung
der Kohlenstoff-Abscheidung auf Luft-, Flüssigbrennstoff- und gasförmigen Brennstoff-Düsenoberflächen verhindern.
Ein solches Zweibrennstoff-Düsensystem
ist in der
US-PS 5,833,141 (Anwaltsakte
839-437), eingereicht
30. Mai 1997, der vorliegenden Anmelderin offenbart. Die vorliegende
Offenbarung stellt eine Verbesserung und Variation des in diesem
früheren
Patent offenbarten Systems dar. Verwandte Düsen sind in der
US 5,288,021A und
EP 0 455 459A offenbart.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Zweibrennstoffdüse bereitgestellt, die eine
Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse aufweist,
umfassend eine Gasdüse,
die eine zentral axial angeordnete Flüssigbrennstoff-Düse umgibt,
die in einer Spitze endet. Im Flüssigbrennstoff-Betriebsmodus
werden zerstäubte Luft
und Flüssigbrennstoff
kombiniert und in einem allgemein konischen Flüssigbrennstofftröpfchen-Sprühmuster
stromabwärts
der Flüssigbrennstoff-Düsenspitze
zur Flammenstabilisierungszone injiziert. Eine konvergierende Hülse der
Zweibrennstoffdüse
umgibt mindestens einen stromabwärts
gelegenen Abashhnitt der Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse. Einlassluft,
z. B. vom Kompressor, strömt
durch einen stromaufwärts
gelegenen Abschnitt des konvergierenden Strömungsdurchganges oder Kanales, der
durch die Hülse
um die Gas/Flüssigkeits-Düse gebildet
ist, um stromabwärts
an einem Halsbereich der Hülse
und um einen hervortretenden Flüssigbrennstoff-Sprühkegel während des
Flüssigbrennstoff-Brennerbetriebes
zu fliessen. Gasförmiger Brennstoff
wird durch eine Reihe auf dem Umfang beabstandeter Öffnungen
in den konvergierenden Luftströmungsdurchgang
oder -kanal geleitet.
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Ein
erster oder innerer Verwirbeler ist in dem stromaufwärts gelegenen
Abschnitt des Luftströmungs-Durchganges
oder -Kanales zum Verwirbeln der Luft, die durch den Kanal strömt, vorhanden
und um ein verwirbeltes Luftmuster am stromabwärts gelegenen Hals der Hülse zu bilden.
Außerhalb
des stromabwärts
gelegenen Abschnittes der Hülse
befindet sich ein äußerer oder
zweiter Verwirbeler zum Verwirbeln von Einlassluft vom Kompressor
und zur Lieferung von verwirbelter Luft stromabwärts der Flüssigbrennstoff-Düse und um
die verwirbelte Luft herum, die aus dem Hals der Hülse austritt.
Die Hülse bildet
somit eine Grenze zwischen den Luftströmungen, d. h., einem konvergierenden
Luftstrom durch den inneren Verwirbeler und Kanal, der durch die zentralen
Gas- und Flüssigbrennstoff-Düsen begrenzt
ist und einer Strömung
außerhalb
der Hülse, die
durch den äußeren Verwirbeler
hindurchgeht. Der Kanal trennt somit die Luftströmung zwischen den Verwirbelern.
Die Austrittsebene des inneren Verwirbelers ist vorzugsweise axial
vor, d. h., stromaufwärts,
der Flüssigbrennstoff-Injektionsebene
angeordnet und sie endet in dem konvergierenden Ring, der durch
die Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse und die
konvergierende Hülse
gebildet wird. Luft strömt somit
durch den Kanal und wird in diesem Kanal zum Kanalausgang hin kontinuierlich
beschleunigt, d. h., dem stromabwärts gelegenen Ende der Hülse. Dies verhindert
Rezirkulationszonen, die im Kanal Flüssigbrennstoff mitreißen und
Kohlenstoff-Abscheidungen bilden können. Ein Konvergenz-Verhältnis von
mindestens 5% wird dem Kanal gegeben, d. h., die stromabwärts gelegene
Fläche
benachbart dem Kanalausgang sollte um 5% kleiner sein als der stromaufwärts gelegenen
Bereich. Der aerodynamische Halsaustritt am Ende der Hülse bietet
auch eine starke Sperre gegen Rückschlagen
in die Hülse
während des
Gasbrennstoff Betriebs.
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Der
zweite oder äußere Verwirbeler
bildet eine andere aerodynamische Sperre für Flüssigbrennstoff-Tröpfchen,
die auf Metalloberflächen
der Zweibrennstoffdüse
abgeschieden werden, da der Flüssigbrennstoff
in der Austrittsverwirbelung verdampft. Der Druckabfall durch den
zweiten Verwirbeler verhindert auch die Berührung von Flüssigbrennstoff
mit den Oberflächen
der Hülse.
Weiter erzeugt die Aerodynamik der Verwirbeler eine Rezirkulation entlang
der Mittellinie des Flüssigbrennstoff-Durchganges
für eine
wirksame Zündung
und Flamenstabilität
stromabwärts
der Düsen.
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In
der vorliegenden Erfindung wird eine Zweibrennstoffdüse für einen
Gasturbinenbrenner bereitgestellt, umfassend eine Gas/Flüssig-Brennstoffdüse, die
eine Achse bildet und eine Flüssigbrennstoff-Düse einschließt, die
in einer Flüssigbrennstoffspitze
endet, um Flüssigbrennstoff
in einem Sprühmuster
zu einer Flammenzone stromabwärts
der Düse
zu injizieren, eine Vorrichtung, die mindestens einen Teil der Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse umgibt
und teilweise einen sich allgemein axial erstreckenden Luftströmungs-Durchgang
bildet, der in einer Richtung stromabwärts zur Achse hin konvergiert,
wobei der Strömungsdurchgang
eine Vorrichtung bildet, die in einer axialen Ebene nicht weiter
stromaufwärts
als die Flüssigbrennstoffspitze endet,
der Luftströmungsdurchgang
teilweise zwischen der den Strömungskanal
bildenden Vorrichtung und den Außenwänden der Flüssigbrennstoff Düse gebildet
ist, die Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse eine
Brennstoffgasdüse
einschließt,
die aus einem rohrförmigen
Teil zwischen der den Strömungsdurchgang
bildenden Vorrichtung und der Flüssigbrennstoff-Düse zusammengesetzt
ist, einen ringförmigen Durchgang
um die Flüssigbrennstoff-Düse und mehrere Öffnungen
in dem rohrförmigen
Teil im Abstand stromaufwärts
von der Flüssigbrennstoffspitze
und der Öffnung
durch das rohrförmige
Teil bildet, das dafür
vorgesehen ist, Brennstoffgas in den konvergierenden Strömungsdurchgang
fließen
zu lassen, einen ersten Luftverwirbeler stromaufwärts der
Brennstoffspitze zum Verwirbeln von Luft, die in den Luftströmungsdurchgang
eingeführt
ist und zum Liefern der verwirbelten Luft um das Flüssigbrennstoff-Sprühmuster
und einen zweiten Luftverwirbeler um die den Strömungskanal bildende Vorrichtung
herum, die axial stromabwärts
vom ersten Luftverwirbeler angeordnet ist, um Luft zu verwirbeln,
die extern um die den Strömungsdurchgang
bildende Vorrichtung herum aufzunehmen und verwirbelte Luft um das
Flüssigbrennstoff-Sprühmuster
herum strömen zu
lassen, wodurch der Aufprall von Flüssigbrennstoff auf die Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse im Wesentlichen
vermieden wird.
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Es
ist demgemäß eine primäre Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Zweibrennstoffdüse für einen Gasturbinenbrenner
bereitzustellen, der die Kohlenstoff-Abscheidung auf den Luft-,
gasförmigen Brennstoff-
und Flüssigbrennstoff-Düsenoberflächen durch
Beseitigen des Aufpralls von Flüssigbrennstoff auf
den Brenner-Metalloberflächen über den
gesamten Gasturbinen-Betriebsbereich verhindert. Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
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1 eine
Teilquerschnittsansicht einer Zweibrennstoffdüse, die gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruiert ist,
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2 eine
vergrößerte Querschnittsansicht einer
Hülse und
eines Paares von Verwirbelern, die Teil der Zweibrennstoffdüse von 1 bilden,
und
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3 eine
perspektivische Ansicht der Hülse
und der Düsen,
die in 2 gezeigt sind. In 2 ist eine
Zweibrennstoffdüse
gemäß der vorliegenden Erfindung
allgemein mit 10 bezeichnet und sie schließt eine
Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse, allgemein
N bezeichnet, ein, umfassend eine Flüssigbrennstoff-Düse 12 und
eine Gasbrennstoff-Düse 14, die
Teil einer integrierten Struktur mit einer einen Strömungsdurchgang
bildenden Vorrichtung, wie Hülse 16,
bilden. Hülse 16 trägt erste
oder innere Verwirbeler 18 und zweite oder äußere Verwirbeler 20 innerhalb
eines Brennergehäuses 22.
Die Flüssigbrennstoff-Düse 12 und
die Gasbrennstoff-Düse 16 sind
an sich konventionell. Die Flüssigbrennstoff
(z. B. Öl)-Düse schließt konzentrische
Zwischen- und Innnenrohre 24 und 26 ein, die einen
ringförmigen Durchgang 28 dazwischen
bilden, um zerstäubte
Luft durch Öffnungen
in der Spitze 30 der Flüssigbrennstoff-Düse 12 strömen zu lassen.
Das innere Rohr 26 bildet einen zentralen axialen Durchgang
zum Liefern von Flüssigbrennstoff
zur Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30.
Das Zwischenrohr 20 wird von einem äußeren rohrförmigen Teil oder Rohr 34 umgeben,
das einen ringförmigen
Durchgang 36 zum Leiten von Gasbrennstoff durch Öffnungen 38 in
einen Kanal oder Luftströmungs-Durchgang
D bildet, der unten beschrieben wird. Während der Hauptteil des Betriebes
des Brenners in einem Gasbrennstoffmodus stattfindet, wurde festgestellt,
dass Flüssigkeits-
oder Öltröpfchen vom
konischen Sprühmuster
der aus der Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30 austretenden
Flüssigkeit
oder des Öls
auf verschiedene Metalloberflächen
der Brennstoffdüsen-Ausgänge und
dazugehörige
Strukturen auftreffen und eine nachteilige Kohlenstoff-Abscheidung
bilden, die in der Lage ist, die Brennstoffströmung abzublocken, ein Zurückfließen des
Brennstoffes und ein sich daraus ergebendes potentielles thermisches
Versagen, wie oben erläutert, zu
verursachen. Folglich gab es einen Bedarf, die Abscheidung von Kohlenstoff
auf der Zweibrennstoffdüse
zu beseitigen, um thermisches Versagen zu verhindern und auch um
sicherzustellen, dass sich die Flamme nicht innerhalb irgendwelcher Luft/Gas-Durchgänge stabilisiert,
um weiter ein Brennstoff/Luft-Vermischen zu fördern und den effizienten Betrieb
der Zweibrennstoffdüse über eine
lange Zeitdauer sicherzustellen.
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Um
das Vorstehende zu bewerkstelligen, stellt die vorliegende Erfindung
eine Hülse
bereit, die allgemein coaxial mit und folglich allgemein konzentrisch
um die Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse N angeordnet
ist. Insbesondere hat die den Strömungsdurchgang bildende Vorrichtung,
wie Hülse 16,
vorzugsweise einen ersten stromaufwärts gelegenen Ringabschnitt 40,
der von der Außenwand 34 der Düse N beabstandet
ist, und einen konvergierenden Abschnitt 42, der gleichermaßen von
den konvergierenden Wänden 44 der
Düse N
beabstandet ist. Wie deutlich werden wird, bildet die Hülse 16 einen
ringförmigen
Luftströmungs-Durchgang
oder Kanal D zwischen diesem und den äußeren Wandungen der Gas- und
Flüssigkeits-Düse zum Strömenlassen
von Luft, z. B. von einem Brenner, der nicht gezeigt ist, konvergent
zu der Achse der Düse
N in einer stromabwärts
gelegenen Richtung. Mehr im Besonderen konvergiert die Hülse 16 um
die konvergierenden Außenwandungen 44 der
Düse N,
um eine verringerte Querschnittsfläche in einer Stromabwärts richtung
zu liefern. Diese verringerte Querschnitts-Konfiguration beschleunigt
die Luftströmung
durch den Durchgang. Während 1 eine
Divergenz der Hülse 16 und
der Wandungen 44 der Düse
N mit Bezug aufeinander in einer stromabwärts gelegenen Richtung zeigt,
beschleunigt die Nettoverringerung der Querschnittsfläche in dem
Kanal die Luftströmung
in Richtung stromabwärts
durch den Kanal D. Vorzugsweise hat die Querschnittsfläche des
Kanales ein Konvergenzverhältnis
von mindestens 5, d. h., die stromabwärts gelegene Fläche sollte
um 5% oder mehr kleiner sein als die stromaufwärts gelegene Fläche. Es
sollte klar sein, dass der Kanal D anders als eine Hülse ausgebildet
sein kann, z. B. als ein integraler Teil des Brennergehäuses.
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Wie
in den Figuren dargestellt, trägt
das stromaufwärts
gelegene Ende der Hülse 16,
d. h., der ringförmige
Abschnitt 40, einen inneren Verwirbeler 18, der
aus mehreren Schaufeln 44 gebildet ist, die der durch die
Schaufeln und durch den Kanal zwischen der Hülse 16 und den Wandungen 44 strömenden Luft
eine Rotation verleiht. Am stromabwärts gelegenen Ende der Hülse 16 ist
ein äußerer oder
zweiter Verwirbeler 20 vorgesehen, der ebenfalls mehrere Schaufeln 46 aufweist,
um Luft, die außen
um die Hülse 16 strömt, in Richtung
stromabwärts
zu verwirbeln. Die Schaufeln 44 und 46 des inneren
und äußeren Verwirbelers 18 und 20 setzen
die Luft in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen
in Rotation.
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Aus
einer Betrachtung der 1 wird deutlich, dass der innere
Verwirbeler 18 vorn, d. h., stromaufwärts der Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30 und der
Gasbrennstoff-Öffnungen 38,
angeordnet ist. Die Hülse 16 endet
an ihrem stromabwärts
gelegenen Ende in einer Ebene, die vorzugsweise stromabwärts der
Spitze 30 der Flüssigbrennstoff-Düse liegt,
aber in axialer Koinzidenz mit der Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30 enden
kann.
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Es
wird klar sein, dass die Verwirbeler 18 und 20 eine
starke Rezirkulationszone für
die Flammen-Stabilisierung stromabwärts der Verwirbeler und stromabwärts der
Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30 erzeugen.
Hülse 16 bildet
eine Grenze zwischen den Verwirbeler-Strömungen, die sich vom Mantel
des inneren Verwirbelers zur Nabe des äußeren Verwirbelers erstrecken.
Der so gebildete Kanal trennt und konditioniert die Strömung, d.
h., durch Konvergieren und Beschleunigen der Luftströmung in
Richtung stromabwärts,
um die Trennung des Luftstromes von den Wandungen des Kanals zu
verhindern. Die konvergierende und sich beschleunigende Luftströmung durch
den Kanal ist somit stromabwärts
und radial nach innen zur Achse des konischen Ölsprüh-Verteilungsmusters gerichtet, das aus
der Flüssigbrennstoffspitze 30 austritt,
wenn man einen Flüssigbrennstoff-Betriebsmodus
benutzt. Diese Beschleunigung und Konvergenz im Kanal hilft, Rezirkulationszonen zu
verhindern, die Flüssigbrennstoff
in den Kanal mitreißen
und Kohlenstoff Abscheidungen auf den Metalloberflächen bilden
würden.
Der aerodynamische Hals am Ausgang des Kanales liefert eine starke Sperre
gegen Rückschlagen
in den Kanal. Die Konvergenz der Hülse und die Beschleunigung
der Luftströmung
verhindert die Flammenzündung
im konvergierenden Kanal. Die Flamme kann nicht im Kanal gehalten
werden. Anders ausgedrückt,
die Flammenstabilisierung wird nach stromabwärts der Ausgangsebene der Hülse 16 gedrückt. Es
wird auch klar sein, dass der Druckabfall über den äußeren Verwirbeler 20 den
Kontakt von Flüssigbrennstoff
Tröpfchen
mit den Oberflächen
des äußeren Verwirbelers 20 verhindert.
Allgemein erzeugt die Luftströmung, die
durch die Verwirbeler verursacht wird, seien sie gemeinsam oder
gegenläufig rotierend,
eine Rezirkulationszone entlang der Achse der Düse 12 zur ausgezeichneten
Zündung
und Flammenstabilität
stromabwärts
der Düse.
Ohne einen äußeren Verwirbeler müsste das
Metall in dieser Region, das außer
für den
Verwirbeler erreichbar ist, notwendigerweise gekühlt werden müssen, was
die Wahrscheinlichkeit der Kohlenstoff Abscheidung auf den Metalloberflächen erhöht, die
die Flüssigbrennstoff-Düse umgeben.