EP1512912A2 - Homogeneous mixture formation by swirled injection of the fuel - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a fuel injection device for a gas turbine according to the features of the preamble of the main claim.
- the invention relates to a fuel injector for a gas turbine with a flow channel for the air flow, at the flow walls more Fuel holes for injecting fuel into the Air flow are formed.
- the stabilization of the combustion takes place almost exclusively with air swirl, which is a recirculation of partially combusted gases allows.
- the fuel is often centrally through a nozzle introduced, which mounted on the center axis of the atomizer is.
- the fuel is often with considerable Overpressure injected into the air flow enough to Penetration to achieve and as much air with fuel to be able to premix.
- These pressure atomizers have to one the function to directly atomize fuel. For some Designs of an injector but should the fuel sprayed as completely as possible on a nebulizer lip become. The fuel gets through the air on a nebulizer lip accelerated and at the downstream end of this lip Torn into small drops and mixed with the air.
- Another way of keeping the fuel as intense as possible to mix with a large part of the air consists in one decentralized injection from the outer boundary of the flow channel, which carries the majority of the air. This can from a nebulizer lip or even from the outer nozzle contour out. This injection is characterized that unlike a filmmaker's fuel experience a defined penetration into the main air flow should.
- the invention is based on the object, a fuel injection device to create the type mentioned, which with a simple structure and reliable applicability avoids the disadvantages of the prior art and optimized Mixing of fuel and air ensures.
- the central axes the fuel openings inclined at least in the circumferential direction are arranged.
- the invention eliminates on the one hand the disadvantages of a small number of fuel holes occur. These disadvantages the prior art are in the circumferential direction of Fuel nozzle uneven fuel distribution and one too large penetration of the fuel into the mainstream. To the others do not need the high number of fuel holes which are therefore very small and prone to clogging. This corresponds to a technically feasible fuel supply with few fuel openings at the same time good homogeneity of the air-fuel mixing process.
- the invention thus provides, by a few in the circumferential direction Employed openings fuel from the outer boundary in to introduce the air flow.
- the coiled and counter-rotating principle to the twisted Air flow can be introduced, it is ensured that through relatively large openings of the fuel with a by the swirl defined penetration depth into the regions of the Air penetrate and cause as homogeneous a mixture as possible can.
- Both the number of fuel holes is reduced, as well as the penetration depth is controlled as the Regions of high airspeed and thus high local Air mass flows in the near wall region of the outer wall of the twisted air flow occur.
- the center axes of the fuel ports may also be additional be axially inclined.
- the advantage of the invention is a practice-relevant solution of Problematic, premixing fuel homogeneously with air and here with as few, relatively large fuel holes a defined and not too large penetration depth of the Fuel into the air flow to achieve.
- Overall goal is the reduction of nitrogen oxide emissions of the gas turbine combustor with a robust and technically feasible force material injection configuration.
- a fuel nozzle according to the invention which comprises a flow channel 1, the one in Single airflow, not shown, over a Swirler, the the air flow is applied a twist, is supplied.
- One centric cone is used to align the air flow and could additionally at least one additional injector for Have fuel.
- About at least one fuel line 9 is Fuel performed a fuel ring channel 8.
- a Flow wall 2 (see enlarged view of FIG. 1) has a plurality of fuel openings 3, the central axis of the fourth each turned against the air flow in the flow channel 1 is, as this results from Fig. 1.
- FIGS. 2 and 3 show variants of the arrangement according to the invention the center axes 4 of the fuel ports 3. These are arranged inclined in the circumferential direction, so that they tangential extend to a centric circle, not shown.
- Fig. 2 shows an arrangement in which the fuel injection in the same direction to a twisting 5 of the Air flow takes place while
- Fig. 3 shows an embodiment shows, in which the center axes 4 of the fuel openings arranged in the counter-rotation to the swirl direction 5 of the air flow are.
- the invention is not limited to the embodiments shown limited, but the inclination angle of the central axes is 4th the fuel ports 3 within the scope of the invention variable. The same applies to the number and diameter of the fuel ports 3 and the associated fuel channels. in the Under the invention, it is also possible in axial staggering a plurality of fuel injection assemblies according to the invention provide, which also to each other in the opposite direction of the injection can be combined. Furthermore, the invention with various other embodiments of fuel injections combined.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Gasturbine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.The invention relates to a fuel injection device for a gas turbine according to the features of the preamble of the main claim.
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Gasturbine mit einem Strömungskanal für die Luftströmung, an dessen Strömungswänden mehrere Kraftstofföffnungen zum Einspritzen von Kraftstoff in die Luftströmung ausgebildet sind.More particularly, the invention relates to a fuel injector for a gas turbine with a flow channel for the air flow, at the flow walls more Fuel holes for injecting fuel into the Air flow are formed.
Die Gemischaufbereitung von Kraftstoff und Luft in Gasturbinenbrennkammern erfolgt auf sehr unterschiedliche Weise und lässt sich grundsätzlich bezüglich ihrer Anwendung auf stationäre Gasturbinen oder Fluggasturbinen und somit hinsichtlich der unterschiedlichen Anforderungen unterscheiden. Zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes vornehmlich der Stickoxidemissionen muss jedoch generell der Kraftstoff mit möglichst viel Luft vorgemischt werden, um einen mageren durch Luftüberschuss gekennzeichneten Verbrennungszustand einzustellen. Diese Mischung ist problematisch, da sie die Verbrennung stabilisierende Mechanismen beeinträchtigen kann.Mixture preparation of fuel and air in gas turbine combustion chambers takes place in very different ways and can be basically with regard to their application to stationary Gas turbines or aircraft gas turbines and thus in terms differentiate the different requirements. To reduce pollutant emissions, mainly nitrogen oxide emissions However, the fuel needs to be as much as possible Air are premixed to a lean by excess air to set the indicated combustion state. This mixture is problematic because it stabilizes the combustion May affect mechanisms.
Die Stabilisierung der Verbrennung erfolgt fast ausschließlich mit Luftdrall, der eine Rezirkulation von teilverbrannten Gasen ermöglicht. Der Kraftstoff wird oft zentral durch eine Düse eingebracht, die auf der Mittelachse des Zerstäubers angebracht ist. Der Kraftstoff wird hierbei oftmals mit erheblichem Überdruck in die Luftströmung eingespritzt, um genügend Durchdringung zu erzielen und möglichst viel Luft mit Kraftstoff vormischen zu können. Diese Druckzerstäuber haben zum einen die Funktion, Kraftstoff direkt zu zerstäuben. Bei manchen Bauformen einer Einspritzdüse soll jedoch der Kraftstoff möglichst vollständig auf eine Zerstäuberlippe aufgesprüht werden. Der Kraftstoff wird durch die Luft auf einer Zerstäuberlippe beschleunigt und am stromabwärtigen Ende dieser Lippe in kleine Tropfen zerrissen und mit der Luft gemischt.The stabilization of the combustion takes place almost exclusively with air swirl, which is a recirculation of partially combusted gases allows. The fuel is often centrally through a nozzle introduced, which mounted on the center axis of the atomizer is. The fuel is often with considerable Overpressure injected into the air flow enough to Penetration to achieve and as much air with fuel to be able to premix. These pressure atomizers have to one the function to directly atomize fuel. For some Designs of an injector but should the fuel sprayed as completely as possible on a nebulizer lip become. The fuel gets through the air on a nebulizer lip accelerated and at the downstream end of this lip Torn into small drops and mixed with the air.
Eine andere Möglichkeit, den Kraftstoff auf diese Zerstäuberlippe aufzubringen, besteht mit einem so genannten Filmleger, wobei Kraftstoff möglichst gleichförmig in einem Film verteilt wird.Another way to get the fuel on this nebulizer lip to raise, consists with a so-called filmmaker, where fuel is distributed as uniformly as possible in a film becomes.
Eine weitere Möglichkeit, den Kraftstoff möglichst intensiv mit einem großen Teil der Luft zu mischen, besteht in einer dezentralen Einspritzung von der äußeren Berandung des Strömungskanals, welcher den Großteil der Luft führt. Dies kann von einer Zerstäuberlippe oder aber auch von der äußeren Düsenkontur aus erfolgen. Diese Einspritzung ist dadurch gekennzeichnet, dass anders als bei einem Filmleger der Kraftstoff eine definierte Eindringung in die Hauptluftströmung erfahren soll.Another way of keeping the fuel as intense as possible to mix with a large part of the air, consists in one decentralized injection from the outer boundary of the flow channel, which carries the majority of the air. This can from a nebulizer lip or even from the outer nozzle contour out. This injection is characterized that unlike a filmmaker's fuel experience a defined penetration into the main air flow should.
Sowohl die Kraftstoffeinspritzung mit zentraler Düse bzw. Druckzerstäuber, als auch eine Ausbringung als Film auf einem Filmleger sind derart zu optimieren, dass möglichst die gesamte den Zerstäuber durchströmende Luft homogen mit Kraftstoff vor der Verbrennung durchmischt wird. Kennzeichnend für die schadstoffarme, speziell stickoxidarme, Verbrennung ist eine magere, mit Luftüberschuss vorgemischte Kraftstoffaufbereitung. Die Konsequenz sind Kraftstoffdüsen, die große Strömungsquerschnitte besitzen, um den hohen Luftanteil mit Kraftstoff vormischen zu können. Aufgrund der Baugröße dieser Kraftstoffdüsen und des begrenzten Vermögens der Kraftstoffstrahlen und -sprays, bei einer zentralen Einspritzung die immer größer werdenden Luftkanäle zu durchdringen und damit eine homogene Verteilung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu erreichen, sind neuartige Konzepte der Kraftstoffeinspritzung und -vormischung erforderlich.Both the fuel injection with central nozzle or Druckzerstäuber, as well as a application as a film on one Film layers are to be optimized in such a way that as far as possible the whole The air flowing through the atomizer homogeneous with fuel is mixed before combustion. Characteristic of the Low-emission, low NOx, combustion is one lean, with excess air premixed fuel treatment. The consequence is fuel nozzles, the large flow cross sections possess to fuel the high proportion of air to be able to premix. Due to the size of this Fuel nozzles and the limited fortune of fuel jets and sprays, at a central injection to penetrate the ever-increasing air channels and thus a homogeneous distribution of the fuel-air mixture to are novel concepts of fuel injection and premonition required.
Die homogene Verteilung und Einbringung des Kraftstoffes in große Luftströmungskanäle erfordert eine dezentrale Einspritzung aus möglichst vielen Kraftstofföffnungen, die an den Strömungswänden der Luftströmung angeordnet werden müssen. Eine hohe Anzahl hat zur Konsequenz, dass diese Öffnungen sehr klein sind, was zu Verblockungen bzw. Verstopfungen durch Kraftstoffverunreinigungen führen kann. Da diese Brenner bei höheren Lasten des Triebwerks oft zugeschaltet werden, kann eine Verblockung auch durch Zersetzungsprodukte des Kraftstoffes hervorgerufen werden, wenn nach zuvor erfolgtem Mitteloder Hochlastbetrieb der Brennerbetrieb durch diese Kraftstofföffnungen abgeschaltet wird und der in der Kraftstoffdüse verbleibende Kraftstoff sich erhitzt und zersetzt. Die Kraftstoffdüsen sind oft durch eine in radialer Richtung sehr ungleichmäßige Geschwindigkeits- und Massenstromverteilung gekennzeichnet. Aufgrund des Dralles der Luft, welcher zur Stabilisierung der nachfolgenden Verbrennung benötigt wird, sind die lokalen Luftmassenströme im Bereich der radial äußeren Begrenzungswand am größten. Wird der Kraftstoff aus wenigen Öffnungen in die Strömung eingebracht, wird zum einen die Homogenität des Kraftstoffes in der Luft in Umfangsrichtung beeinträchtigt, zum anderen aber kann der Kraftstoff sehr tief in die Strömung eindringen und somit unbeabsichtigt in Regionen mischen und verdampfen, in denen nicht ausreichend Luft zur Verfügung steht. Dies kann vor allem bei einer dezentralen Einspritzung, wie oben beschrieben, auftreten.The homogeneous distribution and introduction of the fuel in large air flow channels require a decentralized injection from as many fuel holes as possible to the Flow walls of the air flow must be arranged. A high number has the consequence that these openings very are small, resulting in blockages or blockages by Can lead to fuel contamination. Because these burners at higher loads of the engine can often be switched on a blockage also by decomposition products of the fuel be caused, if after previous medium or High load operation of burner operation through these fuel ports is turned off and in the fuel nozzle remaining fuel heats up and decomposes. The fuel nozzles are often very uneven due to a radial direction Velocity and mass flow distribution marked. Due to the swirl of the air, which stabilizes the subsequent combustion is needed are the local air mass flows in the region of the radially outer boundary wall the biggest. If the fuel from a few openings introduced into the flow, on the one hand, the homogeneity of the fuel in the air in the circumferential direction, on the other hand, the fuel can be very deep in the flow penetrate and thus unintentionally in regions mix and evaporate, where not enough air to Available. This can be especially true of a decentralized one Injection, as described above, occur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und betriebssicherer Anwendbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine optimierte Vermischung von Kraftstoff und Luft sicherstellt.The invention is based on the object, a fuel injection device to create the type mentioned, which with a simple structure and reliable applicability avoids the disadvantages of the prior art and optimized Mixing of fuel and air ensures.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention, the object is achieved by the feature combination of the main claim, the dependent claims show further advantageous embodiments of the invention.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Mittelachsen der Kraftstofföffnungen zumindest in Umfangsrichtung geneigt angeordnet sind.According to the invention it is thus provided that the central axes the fuel openings inclined at least in the circumferential direction are arranged.
Die Erfindung beseitigt zum einen die Nachteile, die bei einer geringen Anzahl an Kraftstofföffnungen auftreten. Diese Nachteile des Standes der Technik sind die in Umfangsrichtung der Kraftstoffdüse ungleichmäßige Kraftstoffverteilung und eine zu große Eindringtiefe des Kraftstoffs in die Hauptströmung. Zum anderen wird nicht die hohe Anzahl an Kraftstofföffnungen notwendig, die somit sehr klein sind und zu einem Verstopfen neigen. Dies entspricht einer technisch realisierbaren Kraftstoffzufuhr mit wenigen Kraftstofföffnungen bei gleichzeitig guter Homogenität des Luft-Kraftstoff-Mischungsprozesses.The invention eliminates on the one hand the disadvantages of a small number of fuel holes occur. These disadvantages the prior art are in the circumferential direction of Fuel nozzle uneven fuel distribution and one too large penetration of the fuel into the mainstream. To the others do not need the high number of fuel holes which are therefore very small and prone to clogging. This corresponds to a technically feasible fuel supply with few fuel openings at the same time good homogeneity of the air-fuel mixing process.
Die Erfindung sieht somit vor, durch wenige in Umfangsrichtung angestellte Öffnungen Kraftstoff von der äußeren Berandung in die Luftströmung einzubringen. Durch den Drall des Kraftstoffs, der im Gleich- und im Gegendrallprinzip zur verdrallten Luftströmung eingebracht werden kann, wird gewährleistet, dass durch relativ große Öffnungen der Kraftstoff mit einer durch den Drall definierten Eindringtiefe in die Regionen der Luft vordringen und eine möglichst homogene Mischung hervorrufen kann. Sowohl die Anzahl der Kraftstofföffnungen wird reduziert, als auch die Eindringtiefe wird kontrolliert, da die Regionen hoher Luftgeschwindigkeit und somit hoher lokaler Luftmassenströme im wandnahen Bereich der äußeren Wand des verdrallten Luftstromes auftreten.The invention thus provides, by a few in the circumferential direction Employed openings fuel from the outer boundary in to introduce the air flow. By the spin of the fuel, the coiled and counter-rotating principle to the twisted Air flow can be introduced, it is ensured that through relatively large openings of the fuel with a by the swirl defined penetration depth into the regions of the Air penetrate and cause as homogeneous a mixture as possible can. Both the number of fuel holes is reduced, as well as the penetration depth is controlled as the Regions of high airspeed and thus high local Air mass flows in the near wall region of the outer wall of the twisted air flow occur.
Die Mittelachsen der Kraftstofföffnungen können auch zusätzlich axial geneigt sein.The center axes of the fuel ports may also be additional be axially inclined.
Der Vorteil der Erfindung ist eine praxisrelevante Lösung der Problematik, Kraftstoff mit Luft homogen vorzumischen und hierbei mit möglichst wenigen, relativ großen Kraftstofföffnungen eine definierte und nicht zu große Eindringtiefe des Kraftstoffs in die Luftströmung zu erzielen. Gesamtziel ist die Reduzierung des Stickoxidausstoßes der Gasturbinenbrennkammer mit einer robusten und technisch umsetzbaren Kraft stoffeinspritzkonfiguration.The advantage of the invention is a practice-relevant solution of Problematic, premixing fuel homogeneously with air and here with as few, relatively large fuel holes a defined and not too large penetration depth of the Fuel into the air flow to achieve. Overall goal is the reduction of nitrogen oxide emissions of the gas turbine combustor with a robust and technically feasible force material injection configuration.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Teil-Ansicht inklusive einer vergrößerten Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffdüse mit dezentraler Einspritzung,
- Fig. 2
- eine Teil-Schnittansicht durch die in Fig. 1 gezeigte Anordnung, wobei die Schnittrichtung eine konusförmige Gestalt längs der jeweiligen Mittelachsen der Kraftstofföffnungen hat, und
- Fig. 3
- eine Schnittansicht, analog Fig. 2, eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
- Fig. 1
- a schematic partial view including an enlarged view of a fuel nozzle according to the invention with decentralized injection,
- Fig. 2
- a partial sectional view through the arrangement shown in Figure 1, wherein the cutting direction has a conical shape along the respective center axes of the fuel ports, and
- Fig. 3
- a sectional view, analogous to FIG. 2, a modified embodiment of the invention.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Kraftstoffdüse dargestellt,
welche einen Strömungskanal 1 umfasst, dem eine im
Einzelnen nicht gezeigte Luftströmung über einen Swirler, der
der Luftströmung einen Drall auferlegt, zugeführt wird. Ein
zentrischer Konus dient zur Ausrichtung der Luftströmung und
könnte zusätzlich zumindest eine weitere Einspritzdüse für
Kraftstoff haben. Über zumindest eine Kraftstoffleitung 9 wird
Kraftstoff einem Kraftstoff-Ringkanal 8 durchgeführt. Eine
Strömungswandung 2 (siehe vergrößerte Darstellung der Fig. 1)
weist mehrere Kraftstofföffnungen 3 auf, deren Mittelachse 4
jeweils gegen die Luftströmung in dem Strömungskanal 1 angestellt
ist, so wie sich dies aus Fig. 1 ergibt.In Fig. 1, a fuel nozzle according to the invention is shown,
which comprises a flow channel 1, the one in
Single airflow, not shown, over a Swirler, the
the air flow is applied a twist, is supplied. One
centric cone is used to align the air flow and
could additionally at least one additional injector for
Have fuel. About at least one fuel line 9 is
Fuel performed a
Die Fig. 2 und 3 zeigen erfindungsgemäße Varianten der Anordnung
der Mittelachsen 4 der Kraftstofföffnungen 3. Diese sind
in Umfangsrichtung geneigt angeordnet, so dass sie tangential
zu einem nicht weiter dargestellten zentrischen Kreis verlaufen.
Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Kraftstoffeinspritzung
im Gleichdrall zu einer Drallrichtung 5 der
Luftströmung erfolgt, während die Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel
zeigt, bei welchem die Mittelachsen 4 der Kraftstofföffnungen
im Gegendrall zur Drallrichtung 5 der Luftströmung angeordnet
sind.FIGS. 2 and 3 show variants of the arrangement according to the invention
the
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele
beschränkt, vielmehr ist der Neigungswinkel der Mittelachsen 4
der Kraftstofföffnungen 3 im Rahmen der Erfindung variierbar.
Gleiches gilt für die Anzahl und die Durchmesser der Kraftstofföffnungen
3 sowie der zugehörigen Kraftstoffkanäle. Im
Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, in axialer Staffelung
mehrere erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzanordnungen
vorzusehen, die auch zueinander in Gegenrichtung der Einspritzung
kombiniert sein können. Weiterhin ist die Erfindung mit
unterschiedlichsten weiteren Ausgestaltungen von Kraftstoffeinspritzungen
kombinierbar. The invention is not limited to the embodiments shown
limited, but the inclination angle of the central axes is 4th
the
- 11
- Strömungskanalflow channel
- 22
- Strömungswandflow wall
- 33
- KraftstofföffnungFuel opening
- 44
-
Mittelachse der Kraftstofföffnung 3Center axis of the
fuel opening 3 - 55
- Drallrichtung der LuftströmungTwisting direction of the air flow
- 66
- Drallkörperswirler
- 77
- Konuscone
- 88th
- Kraftstoff-RingkammerFuel annular chamber
- 99
- Kraftstoff-LeitungFuel line
Claims (4)
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