DE69832427T2

DE69832427T2 - Brennstoffeinspritzdüse mit Staukörper und Verfahren zur Vormischung von Brennstoff und Luft

Info

Publication number: DE69832427T2
Application number: DE69832427T
Authority: DE
Inventors: Timothy S. Glastonbury Synder; Stephen A. Marlborough Morford; William A. Simsbury Sowa; Kevin J. Palm Beach Gardens van Dyke
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: DE69822102T2; DE69822102D1; CN1129733C; CA2255549A1; EP0924463A3; JPH11237048A; EP0924463B1; US6176087B1; EP1340942A3; DE69832427D1; CA2255549C; EP1340942A2; US6513329B1; CN1222660A; RU2215243C2; EP0924463A2; EP1340942B1

Description

Die Erfindung betrifft Vorvermisch-Brennstoffinjektoren für Gasturbinenmaschinen und Verfahren zum Vorvermischen von Brennstoff und Luft vor dem Verbrennen des Brennstoffs in einer Brennkammer. Insbesondere ist die Erfindung ein Brennstoffinjektor und ein Verfahren zum Mischen, welche saubere Verbrennung fördern und dabei die Haltbarkeit von Brennstoffinjektor und Brennkammer sichern.
Das Verbrennen von fossilen Brennstoffen erzeugt eine Anzahl von unerwünschten Schadstoffen, einschließlich Stickoxiden (NOx). Umweltverschlechterung, die NOx zuweisbar ist, wurde eine Angelegenheit zunehmender Aufmerksamkeit, und deshalb besteht ein intensives Interesse am Unterdrücken von NOx-Bildung in Brennstoff-verbrennenden Vorrichtungen.
Eine der Hauptstrategien zum Unterbinden von NOx-Bildung ist es, eine Brennstoff-Luftmischung zu verbrennen, die sowohl stöchiometrisch mager als auch vollständig vermischt ist. Eine magere stöchiometrische Mischung und eine vollständige Vermischung halten die Verbrennungsflammentemperatur gleichförmig niedrig – eine Voraussetzung zum Unterbinden von NOx-Bildung. Ein Brennstoffinjektortyp, der eine magere, vollständig vermischte Brennstoff-Luftmischung erzeugt, ist ein Tangential-Eintrittsinjektor. Beispiele von Tangential-Eintrittsbrennstoffinjektoren für Gasturbinenmaschinen findet man in den US-Patenten 5 307 643, 5 402 633, 5 461 865 und 5 479 773, die alle auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurden. Diese Brennstoffinjektoren haben eine Mischkammer, die radial nach außen von einem Paar von zylinderbogenförmigen, versetzten Schnecken begrenzt sind. Benachbarte Enden der Schnecken definieren Lufteinlassschlitze zum Einlassen von Luft tangential in die Mischkammer. Eine lineare Anordnung von gleichmäßig beabstandeten Brenntoffinjektionspassagen erstreckt sich entlang der Länge eines jeden Schlitzes. Ein Brennstoffinjektorzentralkörper erstreckt sich von dem vorderen Ende des Injektors nach hinten, um die radial innere Grenze der Mischkammer zu definieren. Der Zentralkörper kann Vorrichtungen zum Einbringen zusätzlichen Brennstoffs oder einer Brennstoff-Luftmischung in die Mischkammer aufweisen. Während des Maschinenbetriebs gelangt Verbrennungsluft in die Mischkammer tangential durch die Lufteinlassschlitze, wobei gleiche Mengen an Brennstoff in den Luftstrom durch jede der gleichmäßig beabstandeten Brennstoffinjektionspassagen injiziert werden. Der Brennstoff und die Luft wirbeln um den Zentralkörper und werden in der Mischkammer innig miteinander vermischt. Die Brennstoff-Luftmischung strömt in Längsrichtung nach hinten und wird in eine Maschinenbrennkammer abgegeben, wo die Mischung entzündet und verbrannt wird. Das innige Vorvermischen des Brennstoffs und der Luft in der Mischkammer unterbindet eine NOx-Bildung, indem eine gleichförmig niedrige Verbrennungsflammentemperatur sichergestellt wird.
Trotz der vielen Verdienste der Tangential-Eintrittsinjektoren, die vorangehend erwähnt wurden, sind sie nicht ohne Nachteile, die sie für manche Anwendungen unbefriedigend werden lassen. Ein Nachteil ist, dass die Brennstoffmischung in der Mischkammer ein Wandern der Verbrennungsflamme in die Mischkammer fördern kann, wo die Flamme die Schnecken und den Zentralkörper schnell beschädigen kann. Ein zweiter Nachteil betrifft die Tendenz der Flamme, räumlich instabil zu sein, selbst wenn sie außerhalb der Mischkammer bleibt. Die räumliche Instabilität drückt sich durch Fluktuation in der Position der Flamme und begleitende niederfrequente akustische (d.h. Druck-) Schwingungen aus. Obwohl die akustischen Schwingungen möglicherweise nicht störend hörbar sind, kann deren wiederholende Eigenschaft die Verbrennungskammer belasten und deren Nutzungslebensdauer verringern. Die vorangehend in Bezug genommenen Injektoren sind ineffektiv für das Stabilisieren der Verbrennungsflamme und können deshalb zur einer schlechten Brennkammerhaltbarkeit beitragen.
Das Problem des Aufnehmens der Flamme in die Mischkammer kann durch einen speziell konturierten Mittelkörper abgeschwächt werden, wie er in den ebenfalls anhängigen Patentanmeldungen der gleichen Anmelderin US 08/771 408 und US 08/771 409 beschrieben ist, die beide am 20. Dezember 1996 eingereicht wurden. Der beschriebene Zentralkörper ist aerodynamisch derart konturiert, dass die Brennstoff-Luftmischung in Längsrichtung mit einer Geschwindigkeit strömt, die hoch genug ist, um einer Flammenaufnahme entgegenzustehen und ein Auswerfen einer Flamme zu fördern, die aufgenommen wurde. Ungünstigerweise können diese wünschenswerten Eigenschaften des konturierten Zentralkörpers durch die niedrige Geschwindigkeit des Fluids in der an dem Zentralkörper anhaftenden Grenzschicht beeinträchtigt sein. Das trifft insbesondere zu, wenn das sich langsam bewegende Fluid der Grenzschicht Brennstoff und Luft aufweist. Außerdem hat man festgestellt, dass der konturierte Zentralkörper das Fluidströmungsfeld in der Mischkammer in einer Weise beeinträchtigt, welche die Gleichförmigkeit der in die Brennkammer abgegebenen Brennstoff-Luftmischung stört. In der Folge ist eine möglicherweise schädigende räumliche Instabilität der Verbrennungsflamme verschärft, und das Gesamtpotenzial des Injektors zum Unterbinden von NOx-Bildung kann beeinträchtigt sein.
US 5 307 634 , welches den Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche bildet, beschreibt eine Vorvermisch-Gas-Brennstoffdüse mit einem Zentralkörper mit einer runden Spitze, die in der Brennstoffdüse angeordnet ist.
EP 0 849 530 , die Teil des Stands der Technik nach Artikel 54(3) EPC bildet, beschreibt eine Tangentialeintritts-Brennstoffdüse, aufweisend eine Wirbeleinrichtung, die koaxial zu der Längsachse der Brennstoffdüse ist, und einen Zentralkörper mit einer in der Brennstoffdüse positionierten Lippe.
Benötigt wird ein Vorvermisch-Brennstoffinjektor, der NOx-Bildung unterbindet, die Verbrennungsflamme außerhalb des Injektors räumlich stabilisiert und effizient einer Flammenaufnahme entgegenwirkt und zuverlässig ist.
Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, einen Tangentialeintritts-Vorvermisch-Brennstoffinjektor und ein korrespondierendes Verfahren zum Brennstoff-Luft-Vermischen bereitzustellen, die NOx-Bildung unterbinden, räumlich die Verbrennungsflamme stabilisieren, einer Flammenaufnahme entgegenwirken und zuverlässiges Flammenauswerfen fördern.
Es ist ein weiteres Ziel, einen Injektor bereitzustellen, dessen körperliche Merkmale in Harmonie arbeiten, so dass den Merkmalen zuweisbare Vorteile nicht durch begleitende Nachteile aufgewogen werden oder durch irgendwelche der anderen Merkmale beeinträchtigt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffinjektor gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff gemäß Anspruch 10 bereitgestellt.
Der Zentralkörper der Brennstoffdüse ist Flammen-auswerfend und Flammenstabilisierend und zeigt eine stumpfe Spitze, die mit der Abgabeebene des Injektors ausgerichtet ist und mindestens eine Abgabeöffnung zum Abgeben eines brennbaren Fluids in die Brennkammer an der Injektorabgabeebene hat.
Das brennbare Fluid kann ein sekundärer Brennstoff, vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff, sein, oder es kann eine Mischung aus sekundärem Brennstoff und sekundärer Luft sein.
In einer Ausführungsform des Brennstoffinjektors weist die primäre Brennstoffpassagenanordnung Passagen von mindestens zwei unterschiedlichen Typen auf, wobei sich jeder Passagentyp von den anderen Passagentypen durch seine Fähigkeit zum Injizieren von Brennstoff unterscheidet. Die Passagen sind entlang der Länge des Eintrittsschlitzes verteilt, so dass die Verteilung von Passagentypen im Wesentlichen periodisch ist. Bei einer detaillierten Ausführungsform sind die Passagentypen so ausgewählt und die Passagen so verteilt, dass primärer Brennstoff nicht in die sich langsam bewegende Grenzschicht, die an dem Zentralkörper anhaftet, eindringt.
Die stumpfe Zentralkörperspitze, die mit der Abgabeebene ausgerichtet ist und die Öffnungen zum Abgeben von sekundärem Brennstoff oder Brennstoff und Luft hat, verankert die Verbrennungsflamme an der Brennstoffinjektor-Abgabeebene, so dass die Verbrennungsflamme außerhalb des Injektors bleibt, wo eine Beschädigung des Zentralkörpers oder der Schnecken unwahrscheinlich ist. Die Fähigkeit des stumpfen Zentralkörpers zum Verankern stabilisiert auch räumlich die Flamme, um akustische Schwingungen zu unterdrücken. Die in Längsrichtung ungleichförmige Injektion von primärem Brennstoff kompensiert die Tendenz des speziell kontrollierten, Flammen auswerfenden Zentralkörpers, die Gleichförmigkeit der in die Brennkammer abgegebenen Brennstoff-Luft-Mischung zu stören. Folglich verstärken die Auswahl und die Verteilung von Passagentypen die Schallunterdrückung, die durch die stumpfe Zentralkörperspitze geleistet wird, tragen dazu bei, die NOx-Bildung zu unterdrücken und, indem sie ein Eindringen von Brennstoff in die Zentralkörpergrenzschicht verhindern, fördern sie die Widerstandsfähigkeit des Brennstoffinjektors gegen die Flammenaufnahme und die Fähigkeit zum Auswerfen derselben.
Ein Vorteil, der dem beschriebenen Brennstoffinjektor und dem Verfahren zum Brennstoff-Luft-Vermischen zuweisbar ist, ist die verbesserte Brennstoffinjektor-Haltbarkeit infolge der verbesserten Flammenaufnahmebeständigkeit und Flammenauswurfsfähigkeit. Ein weiterer Vorteil ist die verbesserte Brennkammerhaltbarkeit infolge der unterdrückten akustischen Schwingungen.
Ein Vorvermisch-Brennstoffinjektor ist ferner beschrieben, aufweisend eine Anordnung von Brennstoffinjektionspassagen zum Injizieren von primären Brennstoff ungleichförmig entlang der Länge eines tangentialen Lufteintrittsschlitzes.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine Schnitt-Seitenansicht eines Brennstoffinjektors einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Ansicht in Richtung 2-2 von 1.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 1 und zeigt eine Anordnung von Brennstoffinjektionspassagen, benachbart zu einem Tangentiallufteintrittsschlitz.
4 ist eine Ansicht, die einen Zentralkörper ähnlich dem von 1 zeigt, er weist jedoch Einrichtungen zum Einbringen von Sekundärluft in eine Sekundärbrennstoffleitung auf.
Es wird auf die 1 bis 3 Bezug genommen. Ein Vorvermisch-Brennstoffinjektor 10 mit einer in Längsrichtung verlaufenden Brennstoffinjektorachse 12 weist eine vordere Endplatte 14, eine hintere Endplatte 16 und mindestens zwei zylinderbogenförmige Schnecken 18 auf, die sich in Längsrichtung zwischen den Endplatten erstrecken. Eine Brenntoffinjektorabgabeöffnung 20 geht durch die hintere Endplatte, und der hintere Extrembereich der Abgabeöffnung definiert eine Brennstoffinjektor-Abgabeebene 22. Der Außenumfang der Öffnung 20 ist durch einen abgeschrägten Einsatz 24 definiert, der an der hinteren Endplatte mit Verriegelungsstiften 26 befestigt ist. Die Schnecken und die Endplatten begrenzen eine Mischkammer 28, die in Längsrichtung zu der Abgabeebene geht und in der Brennstoff und Luft vor dem Verbrennen in einer Brennkammer 30 hinter der Abgabeebene 22 vorvermischt werden.
Die Schnecken 18 sind gleichförmig um die Brennstoffinjektorachse 12 beabstandet, und jede Schnecke hat eine radial innere Oberfläche 32, die zur Brennstoffinjektorachse gerichtet ist. Jede innere Oberfläche ist eine Teilrotationsfläche um eine entsprechende Schneckenmittellinie 34a, 34b, die in der Mischkammer positioniert ist. So wie der Begriff "Teilrotationsoberfläche" hier verwendet wird, bedeutet er eine Oberfläche, die durch das Rotieren einer Linie um weniger als eine vollständige Umdrehung um eine der Mittellinien 34a, 34b erzeugt wurde. Die Schraubenmittellinien sind parallel zu der Brennstoffinjektorachse und mit gleichem Abstand von dieser versetzt, so dass jedes benachbarte Paar von Schnecken einen zu der Injektorachse parallelen Eintrittsschlitz 36 definiert zum Einlassen eines Stroms primärer Verbrennungsluft in die Mischkammer. Der Eintrittsschlitz erstreckt sich radial von der scharfen Kante 38 einer Schnecke zu der inneren Oberfläche 32 der benachbarten Schnecke. Jede scharfe Kante hat eine Dicke t, die ausreichend dünn ist, eine Flamme davon abzuhalten, an der Kante anzuhaften. Eine typische Dicke beträgt etwa 0,02 bis 0,04 Inch (0,5 bis 1 mm).
Mindestens eine und vorzugsweise alle Schnecken weisen eine Brennstoffzuführ-Verzweigungseinrichtung 40 und eine in Längsrichtung verteilte Anordnung von im Wesentlichen radial gerichteten Brennstoffinjektionspassagen 42 zum Injizieren eines primären Brennstoffs (vorzugsweise eines gasförmigen Brennstoffs) in dem primären Verbrennungsluftstrom auf, während dieser in die Mischkammer strömt. Zum Maximieren der zum Vermischen von Brennstoff und Luft verfügbaren Zeit ist die Passagenanordnung dem Eintrittsschlitz benachbart. Vorzugsweise ist die Passagenanordnung umfangsmäßig mit der scharfen Kante 38 der gegenüber liegenden Schnecke ausgerichtet, sie kann jedoch um einen Winkel σ versetzt sein. Der Versatzwinkel σ kann bis zu 10° weg von der Mischkammer (im Uhrzeigersinn in der Darstellung der 2) oder 20° in Richtung der Mischkammer (Gegenuhrzeigersinn, wie man in 2 erkennt) betragen.
Der Brennstoffinjektor weist auch einen Zentralkörper 48 auf, der von der vorderen Endplatte nach hinten geht. Der Zentralkörper hat eine Achse 50, eine Basis 52, eine Spitze 54 und eine Schale 60, deren radial äußere Oberfläche 62 von der Basis zu der Spitze geht. Der Zentralkörper ist koaxial zur Brennstoffinjektorachse, so dass die Oberfläche 62 eine radial innere Grenzfläche der Mischkammer 28 definiert. Die Basis 52 weist eine Reihe von Sekundärluft-Zufuhröffnungen 64 auf, von denen jede umfangsmäßig mit einer Passage 66 in der vorderen Endplatte ausgerichtet ist, so dass Sekundärluft in dass Innere des Zentralkörpers strömen kann. Die Spitze 54 des Zentralkörpers ist stumpf, d.h. ist breit und hat eine flache oder schwach gerundete Fläche. Die Spitze ist im Wesentlichen in Längsrichtung mit der Abgabeebene 22 ausgerichtet.
Die radial äußere Oberfläche 62 der Zentralkörperschale 60 weist einen gekrümmten Bereich 70 auf, der von der Basis 52 nach hinten geht, und weist einen Kegelstumpfbereich 72 auf, der von dem gekrümmten Bereich in Richtung zu der Spitze geht. Der Kegelstumpfbereich kann ein zusammengesetzter Kegelstumpf, wie in 1 gezeigt, sein. Der Kegelstumpfwinkel θ₁, und der Einsatzwinkel θ₂ sind derart gewählt, dass die ringförmige Querschnittsfläche Ap der Abgabeöffnung 20 in einer Richtung nach hinten abnimmt oder zumindest nicht zunimmt, um ein Ablösen von Fluid von dem Einsatz 24 oder dem Kegelstumpf 20 zu verhindern. Der gekrümmte Bereich der Zentralkörperoberfläche ist vorzugsweise eine Oberfläche, die durch Rotieren eines Kreisbogens A, der tangential zu dem Kegelstumpfbereich 72 ist, und einen Mittelpunkt hat, der radial außerhalb von dem Kegelstumpf liegt, um die Zentralkörperachse 50 gebildet wurde.
Das vordere Ende des Kegelstumpfbereichs 72 passt in einen Kreis C (2), der in die Mischkammer 28 eingeschrieben ist und dessen Mittelpunkt 74 an der Brennstoffinjektorachse 12 ist. Da die Mischkammer jedoch keinen kreisförmigen Querschnitt hat, muss der gekrümmte Bereich 70, der radial größer ist als der Kegelstumpf zugearbeitet werden, um in die Kammer zu passen. Teile des Zentralkörpers ragen deshalb in jeden Eintrittsschlitz 36, und diese Teile werden maschinell bearbeitet, um aerodynamisch geformte Rampen 76 zu schaffen. Die Rampen lenken das in die Schlitze 36 in der Nähe der Zentralkörperbasis 52 gelangende Fluid weg von der Basis und in Richtung zu dem gekrümmten Bereich 70 des Zentralkörpers in der Mischkammer 28.
Eine Sekundärbrennstoffleitung 80 erstreckt sich in Längsrichtung durch den Zentralkörper und endet in einer Reihe von Zweigleitungen 82, von denen jede zu einer Brenntoffabgabeöffnung 84 in der Zentralkörperspitze führt zum Injizieren eines sekundären brennbaren Fluids in die Brennkammer 30. Das brennbare Fluid kann ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff sein, oder er kann in der alternativen nachfolgend beschriebenen Ausführungsform eine Mischung aus Brennstoff und Luft sein. In der bevorzugten Ausführungsform ist das brennbare Fluid gasförmiger Brennstoff. Der Zentralkörper weist auch ein Sekundärluftrohr 86 auf, welches die Brennstoffleitung 80 umgibt und eine kontinuierliche Zufuhr von sekundärer Verbrennungsluft durch die Passagen 66 und Luftzufuhröffnungen 64 erhält. Eine oder mehrere innere Luftleitung(en) 88, die umfangsmäßig von den Zweigbrennstoffleitungen 82 versetzt sind, verbinden das Luftrohr mit einem Spitzenhohlraum 90. Eine Mehrzahl von Luftabgabeöffnungen 62 geht von dem Hohlraum durch die stumpfe Spitze, so dass Sekundärluft in die Brennkammer abgegeben werden kann.
Bei einer alternativen Ausführung des Zentralkörpers, wie in 4 gezeigt, weist die sekundäre Brennstoffleitung 80' eine Brennstofflanze 81 auf, die in einen Stab 83 ragt. Die Brennstofflanze weist eine Reihe von Brennstoffabgabeöffnungen 85 auf und der Stab weist einen Satz von Lufteinlässen 87 zum Einlassen der meisten der Sekundärluft in das Innere des Stabs auf. Durch die Brennstofflanze zugeführter Brennstoff und durch die Einlässe gelangende Luft vermischen sich in dem Stab, so dass das durch die Öffnungen 84' abgegebene brennbare Fluid eine Mischung aus sekundärem Brennstoff und sekundärer Luft ist. Zum Kühlen der Spitze strömt ein Bruchteil der sekundären Luft durch innere Luftleitungen 88' und Luftabgabeöffnungen 92'.
Die Anordnung von primären Brennstoffinjektionspassagen ist derart konfiguriert, dass der primäre Brennstoff nicht gleichförmig entlang der Länge L des Eintrittsschlitzes injiziert wird. Um eine in Längsrichtung ungleichförmige Brennstoffinjektion zu erzielen, weist die Passagenanordnung Passagen von mindestens zwei unterschiedlichen Typen auf. Jeder Typ unterscheidet sich von den anderen Typen durch seine Fähigkeit zum Injizieren von primärem Brennstoff in den primären Verbrennungsluftstrom. Beispielsweise können sich die Typen durch die Strömungszumessquerschnittsfläche der Passagen unterscheiden. Ein anderer Weg zum Unterscheiden der Passagentypen voneinander ist über die Brennstoff eindringtiefe, die, wie man am besten in 3 erkennt, die radiale Tiefe d ist, welche Brennstoff, der durch die Passagen injiziert wird, in den Tangentialeintritts-Primärluftstrom eindringt. Unterschiede der Brennstoffeindringtiefe können erzielt werden, indem man Passagen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnittsflächen hat, wobei in diesem Fall die Unterschiede Strömungsquerschnitt und Eindringtiefe austauschbar sind. Unterschiedliche Brennstoffeindringtiefen kann man auch auf anderen Wegen erzielen, beispielsweise indem man Passagen mit gleichem Querschnitt verwendet, die mit Brennstoffversorgungen verbunden sind, die unterschiedliche Drücke haben.
Passagen, die zu unterschiedlichen Typen gehören, sind entlang der Länge L des Eintrittsschlitzes 36 verteilt, dass sie den primären Brennstoff ungleichförmig entlang der Länge der Schlitze injizieren. Eine mögliche Verteilung von Passagentypen ist eine, die über mindestens einen Teil der Länge des Eintrittsschlitzes im Wesentlichen periodisch ist. Für den Fall, dass lediglich zwei Passagen verwendet werden, kann die Verteilung von Typen über mindestens einen Teil des Eintrittsschlitzes bipolar sein. So wie er hier verwendet wird, bezeichnet "bipolar" eine Zwei-Typen-Verteilung, wobei jeder Passage eine Passage entweder des gleichen Typs oder des entgegengesetzten Typs benachbart ist. Die bipolare Verteilung kann periodisch oder unperiodisch sein. Eine spezielle bipolare Verteilung ist eine alternierende Verteilung, bei der jede Passage Passagen des anderen Typs zum Nachbarn hat. Spezielle Beispiele von periodischen, bipolaren und alternierenden Verteilungen von Passagentypen sind nachfolgend gezeigt, wobei die unterschiedlichen Passagentypen mit den Buchstaben "A", "B" und "C" bezeichnet sind:

periodisch (drei Typen) A-B-C-A-B-C-A-B-C-A-B-C-A-B-C; oder
bipolar (unperiodisch) A-A-B-B-B-A-A-B-A-B-B-A-A-A-A-;
bipolar (periodisch) A-A-A-B-B-B-A-A-A-B-B-B-A-A-A;
alternierend A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A.

Indem man eine Mehrtypen-Passageanordnung verwendet, welche Brennstoff ungleichförmig entlang der Länge des Eintrittsschlitzes 36 injiziert, kann die räum liche Gleichförmigkeit der primären Brennstoff-Luftmischung, die von dem Brennstoffinjektor abgegeben wird, eingestellt werden. Deshalb können wünschenswerte Merkmale so wie der Flammen auswerfende Zentralkörper, der vorangehend und in den ebenfalls anhängigen Anmeldungen 08/771 408 und 08/771 409 beschrieben ist, verwendet werden, und sämtliche begleitenden, unerwünschten Störungen des Fluidströmungsfelds in der Mischkammer können durch ungleichförmiges Injizieren von Primärbrennstoff entlang der Länge des Eintrittsschlitzes abgeschwächt sein.
Bei dem gezeigten Brennstoffinjektor unterscheiden sich die Passagentypen entweder durch die Brennstoffeindringtiefe d oder korrespondierend durch den Strömungszumessquerschnitt, da die Unterschiede der Eindringtiefe durch die Verwendung von Passagen erzeugt werden können, indem man Passagen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnittsflächen hat. Die Passagen sind in Längsrichtung derart verteilt, dass die Verteilung von Passagentypen entlang einem hinteren Abschnitt 94 des Eintrittsschlitzes (d.h. des Teils des Eintrittsschlitzes, welcher sich in Längsrichtung gemeinsam mit mindestens einem Teil des Zentralkörperkegelstumpfes 72 erstreckt) im Wesentlichen periodisch ist. Insbesondere verwendet der gezeigte Injektor zwei Typen von Passagen. Ein Typ c₁ zeichnet sich durch eine kleine Strömungszumessfläche und eine niedrige Brennstoffeindringtiefe aus, während der andere Typ c₂ sich durch eine große Zumessfläche und eine tiefe Brennstoffeindringtiefe auszeichnet. Jede der acht Typ-c,-Passagen injiziert etwa 3,4% des primären Brennstoffs, und jede der sieben Typ-c₂-Passagen injiziert etwa 10,4% des primären Brennstoffs. Die Verteilung von Passagentypen entlang des hinteren Abschnitts des Eintrittsschlitzes ist eine bipolare Verteilung und insbesondere eine alternierende Verteilung.
Die Passagentypen sind nicht lediglich zum Verbessern der räumlichen Gleichförmigkeit der Brennstoff-Luftmischung, die von dem Brennstoffinjektor abgegeben wird, ausgewählt und verteilt, sondern auch um primären Brennstoff am Eindringen in die an den Zentralkörper anhaftende Fluidgrenzschicht zu hindern. Das Verhindern von Brennstoff-Eindringen in die sich langsam bewegende Brennstoffgrenzschicht bessert die Widerstandsfähigkeit des Brennstoffinjektors gegen ein Flammen-Aufnehmen eine Flammenaufnahme und erleichtert dessen Fähigkeit, aufgenommene Flammen auszuwerfen. Generell ist die maximale Brennstoffeindringtiefe der Passagenanordnung gering genug, um Eindringen von primärem Brennstoff in die an deM Zentralkörper anhaftende Fluidgrenzschicht zu verhindern. Primärer Brennstoff dringt am wahrscheinlichsten in die Grenzschicht entlang dem gekrümmten Bereich 70 des Zentralkörpers und nicht entlang dem Kegelstumpfbereich 72 ein, weil der gekrümmte Bereich radial enger an den Brennstoffinjektionspassagen ist. Deshalb sind die Passagen mit dem größten Strömungszumessquerschnitt und der tiefsten Eindringtiefe entlang einem vorderen Abschnitt 96 des Eintrittsschlitzes (d.h. dem Bereich des Eintrittsschlitzes, der sich in Längsrichtung gemeinsam mit dem gekrümmten Bereich 70 des Zentralkörpers erstreckt) ausgeschlossen. Folglich sind für die spezielle gezeigte Ausführungsform mit zwei Typen lediglich die Passagen, die zu dem Typ c, mit kleinem Querschnitt/niedriger Eindringtiefe gehören, entlang dem vorderen Abschnitt 96 des Eintrittsschlitzes 36 beabstandet.
Um eine vollständige Fluidvermischung zu erzielen und um Brennstoff-Eindringen in die Zentralkörpergrenzschicht zu vermeiden, ist die Eindringtiefe d des primären Brennstoffs mindestens 30%, aber nicht größer als 80%, der Eintrittsschlitzhöhe N und bevorzugter mindestens 40%, aber nicht mehr als 70%, der Schlitzhöhe. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass, wenn das Eindringen von Brennstoff auf den Bereich von 45% bis 60% der Passagenhöhe begrenzt wird, die Gleichförmigkeit der von dem Injektor abgegebenen Brennstoff-Luftmischung akzeptabel, aber weniger als optimal ist. Folglich ist die empfohlene Mindestbrennstoffeindringtiefe mindestens 40%, jedoch nicht größer als 45% der Schlitzhöhe, und die empfohlene maximale Brennstoffeindringtiefe beträgt mindestens 60%, aber nicht mehr als 70% der Schlitzhöhe.
Bei Betrieb gelangt primäre Verbrennungsluft von dem Verdichter der Gasturbinenmaschine in die Mischkammer 28 durch die Eintrittsschlitze 36. Primärer Brennstoff wird ungleichförmig entlang der Länge des Eintrittsschlitzes durch die Injektionspassagen 42 injiziert und beginnt, sich mit der primären Verbrennungsluft zu vermischen. Die Brennstoff-Luftmischung, die der Zentralkörperbasis 52 unmittelbar benachbart ist, wird durch die Rampen 76 gegen den gekrümmten Bereich 70 des Zentralkörpers in der Mischkammer 28 des Injektors gelenkt. Der gekrümmte Bereich dient als eine allmähliche Übergangsoberfläche, welche die tangential eintretende Mischung in Längsrichtung in Richtung zu dem Kegelstumpf 72 umlenkt. Infolge der Gestalt der Schnecken 18 bildet die primäre Brennstoff-Luftmischung einen Ringstrom, der um den Zentralkörper 48 wirbelt, so dass sich die Mischung aus Luft und Brennstoff weiterhin mischt, wenn der ringförmige Strom weiter in Längsrichtung in Richtung der Brennstoffinjektor-Abgabeöffnung 20 fortschreitet. Infolge der Gestalt des Zentralkörpers bleibt die Längsgeschwindigkeit des ringförmigen Brennstoffluftstroms hoch genug, um ein Wandern der Verbrennungsflamme in die Mischkammer 28 und ein Anhaften an der Außenoberfläche 62 des Zentralkörpers zu verhindern.
Zwischenzeitlich wird bei der Ausführungsform von 1 sekundärer Brennstoff durch die Brennstoffleitung 80 zugeführt und verlässt den Brennstoffinjektor durch die Brennstofföffnungen 84 in der stumpfen Zentralkörperspitze. Luft von dem Maschinenverdichter strömt durch die Passagen 66 und die Luftzufuhröffnungen 64 und in das Sekundärluftrohr 86. Die Sekundärluft verlässt den Brennstoffinjektor durch die Luftabgabeöffnungen 92 in der stumpfen Zentralkörperspitze. In der alternativen Ausführungsform von 4 gelangt Sekundärbrennstoff von der Brennstofflanze 81 in den Stabbereich 83 der Brennstoffleitung 80', während Sekundärluft in den Stab durch Einlässe 87 gelangt. Der Brennstoff und die Luft vermischen sich in dem Stab, so dass eine Brennstoff-Luftmischung durch die Öffnungen 84' abgegeben wird. Ein Teil der sekundären Luft strömt durch die internen Luftleitungen 88' und Luftabgabeöffnungen 92'. In beiden Ausführungsformen der Erfindung ist die Spitze stumpf und so definitionsgemäß in der Lage, die Verbrennungsflamme zu verankern. Das Einbringen von Brennstoff und Luft durch die Öffnungen in der stumpfen Spitze fördert ein Verankern der Flamme an der Spitze. Da die stumpfe Spitze in Längsrichtung im Wesentlichen mit der Injektorabgabeebene ausgerichtet ist, kommt es zu einer Verbrennung hinter der Abgabeebene und bevorzugt in einer Flamme, die im Wesentlichen an der Abgabeebene und nicht an dem Inneren des Injektors verankert ist, wo die Flamme schnell den Injektor beschädigen würde. Die räumliche Stabilität der verankerten Flamme trägt merklich zu der verbesserten Brennkammerakustik bei.
In ihren bevorzugten Ausführungsformen erhöht die vorliegende Erfindung die Nutzlebensdauer des Zentralkörpers 48, indem sie die Axialgeschwindigkeit der um den Zentralkörper wirbelnden Brennstoff-Luftmischung signifikant erhöht und sicherstellt, das Brennstoff nicht in die sich langsam bewegende Zentralkörpergrenzschicht gelangt. Die erhöhte Axialgeschwindigkeit ergibt sich durch den gekrümmten Bereich 70, der verhindert, das Luft, die in die Mischkammer 28 durch die Eintrittsschlitze 36 der Basis 52 unmittelbar benachbart gelangt, mit wenig oder keiner Geschwindigkeit in Längsrichtung rezirkuliert, und durch den Kegelstumpfbereich 70, der die Längsgeschwindigkeit der Ringströmung bei Geschwindigkeiten hält, welche ein Anhaften einer Flamme an dem Zentralkörper 48 verhindern und tendenziell die Flamme auswirft, wenn sie an den Zentralkörper anhaftet. Die Fähigkeit zum Auswerfen der Flamme und die Aufnahmewiderstandsfähigkeit werden durch die Auswahl und die Verteilung der Brennstoff-Injektionspassagentypen verstärkt, um ein Brennstoffeindringen in die Grenzschicht des Zentralkörpers zu verhindern.
Verbesserungen bei der Injektorlebensdauer sind auch dem stumpfen Zentralkörper zuweisbar, der in Längsrichtung mit der Abgabeebene 22 ausgerichtet ist und Brennstoffabgabeöffnungen zum Abgeben von Brennstoff in die Brennkammer hat. Der stumpfe Zentralkörper dient als eine Oberfläche, die zum Verankern der Flamme in der Lage ist, so dass die Verbrennung außerhalb stattfindet und nicht innerhalb des Injektors. Der stumpfe Zentralkörper fördert auch die Haltbarkeit der Brennkammer, indem er ein Verankern der Flamme an der Spitze fördert, so dass akustische Schwingungen der Brennkammer verringert sind. Die Brennkammerhaltbarkeit ist auch verbessert durch ein in Längsrichtung ungleichförmiges Injizieren von primärem Brennstoff, was die Gleichförmigkeit der primären Brennstoff-Luftmischung verbessert, die durch die Injektorabgabeöffnung abgegeben wird und deshalb zur Flammenstabilität und abgeschwächten akustischen Schwingungen beiträgt.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf eine detaillierte Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung, wie sie in den begleitenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Brennstoffinjektor (10) für eine Gasturbinenmaschinenbrennkammer, aufweisend: eine vordere Endplatte (14) und eine hintere Endplatte (16), die von der vorderen Endplatte in Längsrichtung beabstandet ist, wobei die hintere Endplatte eine Brennstoffinjektor-Abgabeöffnung (20) aufweist, die dort hindurch geht, wobei die Abgabeöffnung einen hinteren Extrembereich hat, der eine Brennstoffinjektor-Abgabeebene (22) definiert; mindestens zwei zylinderbogenförmige Schnecken (18), die sich in Längsrichtung zwischen der vorderen Endplatte (14) und der hinteren Endplatte (16) erstrecken und mit den Endplatten kooperieren, um eine Mischkammer (28) zu begrenzen, wobei jede Schnecke eine Teilrotationsoberfläche um eine entsprechende Schneckenmittellinie (34a, 34b) definiert, wobei die Schneckenmittellinien parallel zu einer in Längsrichtung verlaufenden Brennstoffinjektorachse (12) sind und mit gleichem Abstand von dieser versetzt sind, so dass jedes benachbarte Paar von Schnecken einen Eintrittsschlitz (36) parallel zur Achse definiert zum Einlassen eines Stroms von primärer Verbrennungsluft in die Mischkammer (28), wobei mindestens eine der Schnecken eine in Längsrichtung verteilte Anordnung von Brennstoffinjektionspassagen (42) zum Injizieren eines Primärbrennstoffs in den primären Verbrennungsluftstrom aufweist; und einen Zentralkörper (48) mit einer in Längsrichtung verlaufenden Zentralkörperachse (50), einer Basis (52), einer Spitze (54) und einer Schale (60) mit einer radial äußeren Oberfläche (62), die in Längsrichtung von der Basis zu der Spitze geht, wobei der Zentralkörper zu der Brennstoffinjektorachse (12) koaxial ist und eine radial innere Begrenzung der Mischkammer (28) definiert, wobei der Zentralkörper eine Brennstoffleitung (80; 80') aufweist, die dort hin durch geht und in Verbindung mit mindestens einer Brennstoffabgabeöffnung (84; 84') in der Spitze zum Injizieren eines brennbaren Fluids in die Brennkammer (30) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze eine stumpfe Spitze (54) ist, die in Längsrichtung mit der Abgabeebene (22) ausgerichtet ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei die Zentralkörperschalenoberfläche (60) einen gekrümmten Bereich (70), der von der Basis (52) nach hinten geht, und einen Kegelstumpfbereich (72) aufweist, der sich von dem gekrümmten Bereich nach hinten in Richtung zu der Spitze (54) erstreckt.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 2, wobei der gekrümmte Bereich (70) der Schalenoberfläche (62) ein Teil einer Oberfläche ist, die durch Rotieren eines Kreises um die Brennstoffinjektorachse (12) erzeugt wurde, wobei der Kreis tangential zu dem Kegelstumpfbereich (72) der Schalenoberfläche ist und einen Mittelpunkt radial außerhalb von dem Kegelstumpfbereich (72) hat.
Brennstoffinjektor für eine Gasturbinenmaschinenbrennkammer nach Anspruch 2, wobei der Brennstoffinjektor auch ein Sekundärluftrohr (80; 80') zum Einlassen von sekundärer Verbrennungsluft in das Innere des Zentralkörpers (48) und mindestens eine Luftabgabeöffnung (84; 84') an der Zentralkörperspitze (54) zum Abgeben der sekundären Verbrennungsluft in die Brennkammer (30) aufweist; wobei der Eintrittsschlitz (36) einen vorderen Abschnitt (96) in Längsrichtung sich gemeinsam erstreckend mit dem gekrümmten Bereich (70) des Zentralkörpers (48) und einen hinteren Abschnitt (94) in Längsrichtung sich gemeinsam erstreckend mit dem Kegelstumpfbereich (72) des Zentralkörpers hat, wobei die Passagenanordnung Passagen (42) mit einem kleinen Fluidströmungs-Zumessquerschnitt und andere Passagen (42) mit einem großen Zumessquerschnitt aufweist, wobei die Passagen mit großem und mit kleinem Querschnitt entlang dem hinteren Abschnitt 94 des Eintrittsschlitzes (36) alternieren und wobei lediglich Passagen mit kleinem Querschnitt entlang dem vorderen Abschnitt (96) des Eintrittsschlitzes verteilt sind.
Brennstoffinjektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die maximale Brennstoffeindringtiefe (d) der Passagenanordnung derart ausgelegt ist, dass sie ausschließt, dass primärer Brennstoff in die Fluidgrenzschicht gelangt, die an dem Zentralkörper (48) anhaftet.
Brennstoffinjektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffinjektionspassagen (42) dem Eintrittsschlitz (36) benachbart sind.
Brennstoffinjektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das brennbare Fluid ein gasförmiger Brennstoff ist.
Brennstoffinjektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Brennstoffinjektor ein Sekundärluftrohr (80) zum Strömen von sekundärer Verbrennungsluft durch das Innere des Zentralkörpers (48) und mindestens eine Luftabgabeöffnung (84) in der Zentralkörperspitze zum Abgeben der sekundären Verbrennungsluft in die Brennkammer (30) aufweist.
Brennstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Brennstoffinjektor eine Sekundärluftleitung (80') zum Strömen von sekundärer Verbrennungsluft durch das Innere des Zentralkörpers (48) und eine Einrichtung zum Einbringen der sekundären Luft in die Brennstoffleitung derart, dass das brennbare Fluid eine Mischung von sekundärem Brennstoff und Luft ist, aufweist.
Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in der Brennkammer (30) einer Gasturbinenmaschine, aufweisend: Bereitstellen eines Brennstoffinjektors (10) mit einer in Längsrichtung verlaufenden Brennstoffinjektorachse (12), wobei der Brennstoffinjektor aufweist: – eine vordere Endplatte (14) und eine hintere Endplatte (16), die in Längsrichtung von der vorderen Endplatte beabstandet ist, wobei die hintere Endplatte eine Brennstoffinjektor-Abgabeöffnung (20) hat, die durch diese hindurch geht, wobei die Abgabeöffnung einen hinteren Extrembereich hat, der eine Brennstoffinjektor-Abgabeebene (22) definiert; – mindestens zwei zylinderbogenförmige Schnecken (18), die sich in Längsrichtung zwischen der vorderen Endplatte (14) und der hinteren Endplatte (16) erstrecken und mit den Endplatten kooperieren, um eine Mischkammer (28) zu begrenzen, wobei jedes benachbarte Paar von Schnecken einen Eintrittsschlitz (36) parallel zu der Brennstoffinjektorachse (12) zum Einlassen eines Stroms von primärer Verbrennungsluft in die Mischkammer (28) definiert, wobei mindestens eine der Schnecken eine Einrichtung zum Injizieren eines primären Brennstoffs in den primären Verbrennungsluftstrom aufweist; und – einen Zentralkörper (48) mit einer in Längsrichtung verlaufenden Zentralkörperachse (50), einer Basis (52), einer Spitze (54) und einer Schale (60) mit einer radialen äußeren Oberfläche (62), welche in Längsrichtung von der Basis zu der Spitze geht, wobei der Zentralkörper zu der Brennstoffinjektorachse (12) koaxial ist und eine radial innere Begrenzung der Mischkammer (28) definiert; Einlassen von primärer Verbrennungsluft tangential in die Mischkammer mittels des Eintrittsschlitzes (36); Injizieren von primärem Brennstoff in die primäre Luft gleichzeitig mit dem Einbringen von der primären Luft; und Wirbeln-Lassen der primären Luft des primären Brennstoffs um den Zentralkörper (48) und dabei Strömen-Lassen der primären Luft und des primären Brennstoffs in Richtung zur Abgabeebene (22); wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Verbrennen des primären Brennstoffs in einer an der Abgabeebene (22) verankerten Flamme.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Flamme an der Abgabeebene (22) mindestens zum Teil durch Strömen-Lassen eines brennbaren Fluids durch den Zentralkörper (48) und Injizieren des brennbaren Fluids in die Brennkammer (30) im Wesentlichen an der Abgabeebene (22) verankert ist, so dass das brennbare Fluid mit dem primären Brennstoff brennt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der primäre Brennstoff hinter der Abgabeebene (22) verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei der Schritt des Wirbeln-Lassens der primären Luft und des primären Brennstoffs das Strömen der primären Luft und des primären Brennstoffs in Richtung der Abgabeebene (22) mit einer Längsgeschwindigkeit beinhaltet, die ein Verweilen der Flamme in der Mischkammer (28) verhindert.