EP2314923A2 - Drallerzeuger - Google Patents
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- EP2314923A2 EP2314923A2 EP10171361A EP10171361A EP2314923A2 EP 2314923 A2 EP2314923 A2 EP 2314923A2 EP 10171361 A EP10171361 A EP 10171361A EP 10171361 A EP10171361 A EP 10171361A EP 2314923 A2 EP2314923 A2 EP 2314923A2
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
Definitions
- the present invention relates to a swirl generator and a method for injecting fuel into a gas turbine.
- the WO 2004/057236 A2 for this purpose shows fuel outlets in an upstream cover of the swirl generator, the EP 1 890 083 A1 in a downstream bottom of the swirl generator.
- the fuel outlets are formed in side channel walls of the swirler segments, the WO 2007/131818 A1 frontal fuel outlets in axial shoulders of the swirler segments.
- a swirl generator according to the preamble of claim 1 with a plurality of pie-shaped swirl generator segments known, in each of which fuel-supplying and parallel air-supplying axial bores are formed.
- the air supply hole communicates with a right-angled opening in this bore in a side wall of the channel defined by the swirler segment for injecting additional combustion air therein.
- Into this larger bore is inserted a smaller diameter hollow tube which meets the fuel feeding axial bore at right angles so that fuel is injected into the channel through this fuel injector insert inside the annular supplemental air supply.
- the fuel injection through the fuel outlets is always constructively determined.
- the fuel injection and combustion air mixing dependent on the fuel injection is very sensitive, in particular with regard to the properties of the fuel gas, for example its composition, its density and its calorific value, as well as with regard to the air throughput which varies with different power outputs of the gas turbine.
- the object of the present invention is therefore to improve the mixing of fuel with combustion air in a swirl generator of a gas turbine.
- a swirl generator according to the preamble of claim 1 is further developed by its characterizing feature.
- Claim 20 provides a method for injecting fuel by means of such a swirl generator into a gas turbine, claim 19, the gas turbine, the claims 15, 17 elements of a swirl generator according to the invention under protection.
- the subclaims relate to advantageous developments.
- the injection of fuel into a channel of a swirl generator of a gas turbine by the variable arrangement of fuel injector inserts in air-conducting swirler segments of the swirl generator is proposed.
- the fuel injection can thus be adapted to different fuel properties or air flow rates.
- a swirl generator segment optionally arranged in a swirl generator segment various types of fuel injector inserts which have different fuel outlets.
- two fuel injector inserts that may alternatively be disposed in a swirler segment may differ in number, shape, size, location, and / or direction of one or more fuel outlets.
- a plurality of fuel outlets of a fuel injector insert may be identical or different, spaced equidistantly or differently from one another in the direction of the channel height, and / or may be angularly offset from one another or disposed one upon the other on the shell surface of the fuel injector insert.
- the fuel injector inserts with a predetermined orientation in the swirler segments receivable.
- the fuel injector inserts in particular rotatably, preferably be received positively in the swirl generator segments.
- fuel injection into the passage may also be dictated by the placement of the fuel injector insert in the swirler segment.
- the fuel injector insert for example, rotationally symmetrical and arranged in a corresponding cavity of the swirl generator, where it can be fixed permanently or detachably, for example frictionally or cohesively, for example by welding, in any orientation or angular position about its axis of symmetry.
- the fuel injector insert also have a rotationally symmetry-breaking geometry, so that it can be used only in one or more selected angular positions in the swirl generator segment.
- Both aspects may be advantageously combined with one another by alternatively employing one of several different fuel injector inserts in one of several possible orientations in a swirler segment.
- a fuel injector insert is disposed in one or more leading edges of a swirler segment.
- a fuel injector insert can in particular be positively inserted into a recess, which is open towards the channel, in the leading edge of the swirl generator segment, so that the inlet contour of the channel or the leading edge of the swirl generator segment is at least partially formed by the fuel injector insert used.
- the inlet contour of the channel can also be adapted to changed boundary conditions.
- this leading edge may be made in a different material, namely that of the fuel injector insert, than the remainder of the swirler segment whose walls define the side surfaces of the channel.
- a fuel injector insert is only partially, ie not taken over its entire lateral surface, in the swirl generator segment, wherein remaining areas of its lateral surface have fuel outlets and / or at least partially form an inlet edge of the swirl generator segment.
- a fuel injector insert accommodated in a swirl generator segment is understood to mean, in particular, a fuel injector insert which is only partially accommodated in the swirl generator segment.
- a fuel injector insert is interchangeably received in a swirler segment so as to dictate fuel injection into a conduit by reorientation or replacement with another fuel injector insert.
- the replaceable fuel injector can be frictionally, for example, by screwing a lid on the swirl generator segment, or cohesively, for example, by welding the fuel injector with the swirl generator segment defined, the interchangeability is advantageously ensured in this case by forming predetermined breaking points of cohesive connection.
- a fuel injector can be compared to him receiving swirler segment and / or a lid are sealed, in which a fuel supply line may be formed to the fuel injector insert.
- a swirl generator for injecting fuel into a gas turbine comprises a plurality of swirler segments, between which channels for supplying swirling air to a combustion chamber Gas turbine are formed, wherein the swirler segments are arranged interchangeable in the swirl generator.
- the swirl generator are adapted to different properties of the fuel gas or varying with different power outputs of the gas turbine air flow.
- the present invention finds particular application in stationary gas turbines, radial swirl generators, and / or gaseous fuel injection.
- Fig. 1 . 2 show one half of a radial swirl generator according to an embodiment of the present invention in transverse or axial section.
- each rotationally symmetrical, outwardly open bores are formed.
- the insert body can also be arranged deeper within the swirler segment, so that a larger part of its lateral surface is received in the complementary bore, which can then extend over more than a three-quarter circle.
- the insert body may also be less deep be arranged in the swirl generator segment, so that a smaller part of its lateral surface is received in the complementary bore, which then extends correspondingly over less than a three-quarter circle.
- a cover ring 10 in which the swirl generator segments 1.1, 1.2, 1.3 are integrally formed or materially or frictionally fixed in a modification, not shown, complementary circular recesses are formed with a flattened chord, so that the fuel injector inserts 2, 2 'only in one through the flat side 2.3 or 2.3 'predetermined orientation in the swirler segments 1.1, 1.2, 1.3 can be used. In this they are tacked by means of a detachable weld and are additionally sealed by metallic C-rings 60 against the cover ring 10.
- a lid 20 of the swirl generator is screwed, in which an annular fuel feed line 50 is formed, which is to the insert heads 2.1 and 2.1 '(see. Fig. 3 ) is open to the fuel injector inserts.
- screws 40 pass through the cover 20, the cover ring 10 and the swirl generator segments 1.1, 1.2, 1.3, and are screwed into a swirl generator floor 30, which together with the cover ring 10 and the side walls of the swirler segments 1.1, 1.2, 1.3 defines the air supply channels K, and in which the insert body 2.2 or 2.2 'of the fuel injector inserts 2 and 2' are inserted frontally (see. Fig. 2 ).
- the lid 20 also secures the fuel injector inserts positively and frictionally.
- the fuel injector inserts have an axial bore open towards the insert head (cf. Fig. 2 ) communicate with which radial bores 3.
- Gaseous fuel which is supplied to the fuel injector inserts 2 via the fuel supply line 50, flows through the axial or axial bore in the insert head and is injected into the channel K through the radial bores 3 functioning as fuel outlets.
- the position of the fuel outlets 3 relative to the flattening 2.3 or 2.3 'of the insert head 2.1 or 2.1' determines a Eindüsraum in cross-section, ie relative to the air flow L, when the fuel injector inserted into the swirler segment is.
- the fuel outlets 3 are arranged relative to the flattening 2.3 of the insert head 2.1 such that the fuel B, as in Fig. 1 indicated, is injected with inserted fuel injector insert 2 substantially perpendicular to the air flow L.
- the fuel outlets 3 ' are offset relative to the flattening 2.3' of the insert head 2.1 'in such a way that the injection direction of the fuel into the channel has a component which is oriented counter to the flow direction, ie radially outwards, if the fuel injector insert 2' instead of the Fuelsindüs tenues 2 with the predetermined by the flattening 2.3 'orientation in a swirler segment rotatably inserted and attached by welding.
- This injection against the air flow of the combustion air can improve the mixing with the injected fuel, in particular with a lower air throughput by blocking points formed in the flow of the combustion air L upstream of the fuel outlets 3 '.
- the fuel outlets 3, 3 ' differ not only in their angular position to the flattening 2.3 and 2.3', but also in their height, in which they are arranged in the channel K.
- the fuel injection can be predetermined and adapted to changed properties of the fuel gas or a varying air throughput.
- further fuel injector inserts may be inserted, which have fuel outlets of a different shape, number and / or outflow direction, and thus, for example, an in Fig. 2 implement non-horizontal Eindüsraum by the Brennstoffauslassachse forms with the longitudinal axis of the fuel injector insert a different angle from 90 °.
- the recesses in the cover ring 10 for receiving the insert heads of the fuel injector inserts are completely rotationally symmetrical and thus allow a recording of the fuel injector inserts in the swirler segments with arbitrarily specifiable orientation relative to its longitudinal or symmetry axis.
- the fuel injector inserts are rotated during or after insertion into the swirler segments so that their fuel outlets 3 and 3 'convey a desired Eindüsraum, and then, for example by welding with the cover ring 10 rotatably fixed in this angular position, the fuel injection can also in the desired Be given way.
- the insert heads 2.1 and 2.1 'of the fuel injector inserts 2 and / or 2' and the receiving recesses in the cover ring 10 are formed so as to receive the fuel injector inserts in the swirler segments at various discrete angles from each other at an angle to allow orientation about its longitudinal axis.
- the insert heads and they receiving recesses have a cross-section in the form of a regular polyhedron, such as a regular 36-corner, which allows each offset by 10 ° rotatable recordings.
- the fuel injector inserts are disposed in the radially outer leading edges of the swirler segments. This advantageously combines a rounded channel inlet through the cylindrical insert body 2.2 or 2.2 'of the fuel injector inserts, a protection of the inserts against mechanical environmental influences, a favorable thermal loading of the inserts and a beneficial injection of the fuel on or - depending on the angular position - before the channel inlet , so that the entire channel is used as a mixing section.
- the fuel injector inserts disposed in the entrance edges of a swirler segment thus advantageously form part of the surface of the swirler segment and thus equally allow compact integration of the fuel injector inserts into the swirler segments and the variation of their outer contour.
- the insert body of a not shown further fuel injector insert as well as the insert head have a flattening in which the fuel outlets are formed.
- swirler segments 1.1, 1.2, 1.3 screwed another cover ring with the cover 20 and the swirl generator floor 30, whose swirl generator segments are in the form of the channel side surfaces, the channel height, the arrangement of fuel injector inserts or the like of the in Fig. 1 . 2
- the swirl generator segments 1.1, 1.2, 1.3 shown differ, the channel shape, height and / or number of the swirl generator can be varied as well as the fuel injection.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drallerzeuger und ein Verfahren zur Eindüsung von Brennstoff in eine Gasturbine.
- Insbesondere für die schadstoffarme Verbrennung gasförmiger Brennstoffe mit Luft ist es bekannt, der zugeführten Verbrennungsluft durch einen Drallerzeuger einen Drehimpuls zu vermitteln und in diesem Drallerzeuger Brennstoff in den Luftstrom einzudüsen, um eine optimale Vormischung von Brennstoff und Luft zu erzielen.
- Die
WO 2004/057236 A2 zeigt hierzu Brennstoffauslässe in einem stromaufwärtigen Deckel des Drallerzeugers, dieEP 1 890 083 A1 in einem stromabwärtigen Boden des Drallerzeugers. - Um den Brennstoff über der gesamten Kanalhöhe des Drallerzeugers eindüsen zu können, schlagen die
EP 0 728 989 B1 undEP 0 718 550 B1 freistehende Brennstofflanzen vor, die in den Kanälen zwischen Drallerzeugersegmenten bzw. Leitschaufeln des Drallerzeugers angeordnet sind. - Zur Verminderung von Strömungsverlusten ist es beispielsweise aus der
WO 2007/093248 A1 ,WO 2008/141955 A1 ,WO 2007/033876 A1 undEP 0 870 989 B1 auch bekannt, Brennstoffzuleitungen und -auslässe durch Bohrungen in den Drallerzeugersegmenten auszubilden. - Während in diesen Drallerzeugern die Brennstoffauslässe in seitlichen Kanalwänden der Drallerzeugersegmente ausgebildet sind, schlägt die
WO 2007/131818 A1 stirnseitige Brennstoffauslässe in axialen Absätzen der Drallerzeugersegmente vor. - Schließlich ist aus der
EP 1 892 469 A1 ein Drallerzeuger nach dem Obergriff des Anspruchs 1 mit einer Mehrzahl von tortenstückförmigen Drallerzeugersegmenten bekannt, in denen jeweils brennstoffzuführende und hierzu parallele luftzuführende Axialbohrungen ausgebildet sind. Die luftzuführende Bohrung kommuniziert mit einer rechtwinklig in diese einmündende Bohrung in einer Seitenwand des durch das Drallerzeugersegment definierten Kanals, um in diesen zusätzliche Verbrennungsluft einzudüsen. In diese größere Bohrung ist ein hohles Röhrchen mit kleinerem Durchmesser eingesteckt, welches die brennstoffzuführende Axialbohrung im rechten Winkel trifft, so dass Brennstoff durch diesen Brennstoffeindüseinsatz im Inneren der ringförmigen Zusatzluftzufuhr in den Kanal eingedüst wird. - Im vorgenannten Stand der Technik ist die Brennstoffeindüsung durch die Brennstoffauslässe stets konstruktiv festgelegt. Die von der Brennstoffeindüsung abhängige Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft ist jedoch sehr sensitiv, insbesondere hinsichtlich der Eigenschaften des Brenngases, beispielsweise seiner Zusammensetzung, seiner Dichte und seines Heizwertes, sowie bezüglich des Luftdurchsatzes, der mit unterschiedlichen Leistungsabgaben der Gasturbine variiert. Die vorgenannten Lösungen, deren Brennstoffeindüsungen konstruktiv für bestimmte Randbedingungen optimiert und dann konstruktiv festgelegt wurden, arbeiten daher bei veränderten Randbedingungen, beispielsweise einer Veränderung von Brennstoff oder Luftdurchsatz, nur suboptimal.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Vermischung von Brennstoff mit Verbrennungsluft in einem Drallerzeuger einer Gasturbine zu verbessern.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Drallerzeuger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnendes Merkmal weitergebildet. Anspruch 20 stellt ein Verfahren zur Eindüsung von Brennstoff mittels eines solchen Drallerzeugers in eine Gasturbine, Anspruch 19 die Gasturbine, die Ansprüche 15, 17 Elemente eines erfindungsgemäßen Drallerzeugers unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
- Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Eindüsung von Brennstoff in einen Kanal eines Drallerzeugers einer Gasturbine durch die variable Anordnung von Brennstoffeindüseinsätzen in luftleitenden Drallerzeugersegmenten des Drallerzeugers vorzugeben. Durch Änderung der Anordnung von Brennstoffeindüseinsätzen in den Drallerzeugersegmenten kann die Brennstoffeindüsung somit an unterschiedliche Brennstoffeigenschaften oder Luftdurchsätze angepasst werden.
- Hierzu können nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung in einem Drallerzeugersegment wahlweise verschiedenartige Brennstoffeindüseinsätze angeordnet werden, die unterschiedliche Brennstoffauslässe aufweisen. Beispielsweise können zwei Brennstoffeindüseinsätze, die alternativ in einem Drallerzeugersegment angeordnet werden können, sich durch die Anzahl, Form, Größe, Lage und/oder Richtung einer oder mehrer Brennstoffauslässe unterscheiden. Mehrere Brennstoffauslässe eines Brennstoffeindüseinsatzes können identisch oder unterschiedlich ausgebildet, voneinander in Richtung der Kanalhöhe äquidistant oder unterschiedlich beabstandet, und/oder auf der Mantelfläche des Brennstoffeindüseinsatzes gegeneinader um einen Winkel versetzt oder untereinander angeordnet sein.
- Um eine Eindüsrichtung des Brennstoffes, in der dieser aus dem Brennstoffeindüseinsatz in den Kanal austritt, vorzugeben, die mit einer Längsachse des Drallerzeugers und/oder einer Luftströmung im Kanal, d. h. im Axial- bzw. Querschnitt einen vorgegebenen Winkel aufweist und in einer bevorzugten Ausführung im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse und/oder der Luftströmung orientiert ist, jedoch auch eine entgegen einer Durchströmungsrichtung des Kanals orientierte Komponente aufweisen kann, um durch Staupunktbildung und daraus resultierender Luftverwirbelung eine bessere Vermischung des eingedüsten Brennstoffes mit der verwirbelten Luft zu bewirken, sind in einer bevorzugten Ausführung die Brennstoffeindüseinsätze mit einer vorgegebenen Orientierung in den Drallerzeugersegmenten aufnehmbar. Hierzu können die Brennstoffeindüseinsätze insbesondere drehfest, vorzugsweise formschlüssig in den Drallerzeugersegmenten aufgenommen sein.
- Indem derselbe Brennstoffeindüseinsatz mit verschiedenen vorgebbaren Orientierungen in einem Drallerzeugersegment aufnehmbar ist, kann nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ebenfalls die Brennstoffeindüsung in den Kanal durch die Anordnung des Brennstoffeindüseinsatzes im Drallerzeugersegment vorgegeben werden.
- Hierzu kann der Brennstoffeindüseinsatz beispielsweise rotationssymmetrisch ausgebildet und in einem entsprechenden Hohlraum des Drallerzeugers angeordnet sein, wo er dauerhaft oder lösbar, beispielsweise reib- oder stoffschlüssig, etwa durch Verschweißen, in einer beliebigen Orientierung bzw. Winkellage um seine Symmetrieachse festgelegt werden kann. Gleichermaßen kann der Brennstoffeindüseinsatz auch eine rotationssymmetrie-brechende Geometrie aufweisen, so dass er nur in einer oder mehreren ausgewählten Winkellagen in das Drallerzeugersegment eingesetzt werden kann.
- Beide Aspekte können vorteilhaft miteinander kombiniert sein, indem alternativ einer von mehreren verschiedenartigen Brennstoffeindüseinsätze wahlweise in einer von mehreren möglichen Orientierungen in ein Drallerzeugersegment eingesetzt wird.
- In einer bevorzugten Ausführung ist in einer oder mehreren Eintrittskanten eines Drallerzeugersegmentes ein Brennstoffeindüseinsatz angeordnet. Hierdurch wird es insbesondere vorteilhaft möglich, Brennstoffauslässe in der Nähe eines Kanaleintrittes anzuordnen, um durch die dort auftretende Verwirbelung der Luft und die Nutzung des gesamten Kanals des Drallerzeugers als Mischstrecke die Mischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu verbessern. Ein Brennstoffeindüseinsatz kann dazu insbesondere formschlüssig in eine nach außen, zum Kanal hin offene Aussparung in der Eintrittskante des Drallerzeugersegmentes eingesetzt sein, so dass die Einlaufkontur des Kanals bzw. die Eintrittskante des Drallerzeugersegmentes wenigstens teilweise durch den eingesetzten Brennstoffeindüseinsatz gebildet wird. Durch Variation von dessen Orientierung bzw. Austausch durch einen andersartigen Brennstoffeindüseinsatz gemäß des vorstehend erläuterten ersten bzw. zweiten Aspektes kann so auch die Einlaufkontur des Kanals an geänderte Randbedingungen angepasst werden. Zudem kann durch einen in einer Eintrittskante eines Drallerzeugersegmentes angeordneten Brennstoffeindüseinsatz diese Eintrittskante in einem anderen Material, nämlich demjenigen des Brennstoffeindüseinsatzes, ausgeführt werden als das übrige Drallerzeugersegment, dessen Wände die Seitenflächen des Kanals definieren.
- Vorzugsweise ist ein Brennstoffeindüseinsatz nur teilweise, d.h. nicht über seine gesamte Mantelfläche, in dem Drallerzeugersegment aufgenommen, wobei freibleibende Bereiche seiner Mantelfläche Brennstoffauslässe aufweisen und/oder wenigstens teilweise eine Eintrittskante des Drallerzeugersegmentes bilden. Insofern wird unter einem in einem Drallerzeugersegment aufgenommenen Brennstoffeindüseinsatz insbesondere auch ein nur teilweise in dem Drallerzeugersegment aufgenommer Brennstoffeindüseinsatz verstanden.
- In einer bevorzugten Ausführung ist ein Brennstoffeindüseinsatz in einem Drallerzeugersegment austauschbar aufgenommen, um so durch Umorientierung oder Austausch mit einem anderen Brennstoffeindüseinsatz die Brennstoffeindüsung in einen Kanal vorzugeben. Der austauschbare Brennstoffeindüseinsatz kann beispielsweise reibschlüssig, etwa durch Aufschrauben eines Deckels auf das Drallerzeugersegment, oder auch stoffschlüssig, beispielsweise durch Verschweißen des Brennstoffeindüseinsatzes mit dem Drallerzeugersegment festgelegt werden, wobei die Austauschbarkeit in diesem Falle vorteilhafterweise durch Ausbildung von Sollbruchstellen der stoffschlüssigen Verbindung gewährleistet wird.
- Insbesondere durch eine solche stoffschlüssige Verbindung, zusätzlich oder alternativ auch durch elastische Dichtmittel, beispielsweise C-Ringe, die aufgrund der Temperaturen, denen ein Drallerzeuger im Betrieb der Gasturbine ausgesetzt ist, in einer bevorzugten Ausführung aus Metall hergestellt sind, kann ein Brennstoffeindüseinsatz gegenüber dem ihn aufnehmenden Drallerzeugersegment und/oder einem Deckel abgedichtet werden, in dem eine Brennstoffzuleitung zu dem Brennstoffeindüseinsatz ausgebildet sein kann.
- Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der bevorzugt mit dem ersten und/oder zweiten Aspekt kombiniert sein kann, weist ein Drallerzeuger zur Eindüsung von Brennstoff in eine Gasturbine eine Mehrzahl von Drallerzeugersegmenten auf, zwischen denen Kanäle zur Zufuhr von drallbehafteter Luft zu einer Brennkammer der Gasturbine ausgebildet sind, wobei die Drallerzeugersegmente austauschbar in dem Drallerzeuger angeordnet sind.
- Wie vorstehend mit Bezug auf den ersten Aspekt erläutert, kann so durch wahlweisen Einsatz verschiedenartiger Drallerzeugersegmente, die sich beispielsweise in Höhe, Breite und/oder Form der durch sie definierten Kanäle des Drallerzeugers, Anzahl, Form, Größe und/oder Anordnung von in ihnen vorgesehenen Brennstoffauslässen oder in ihnen aufgenommenen Brennstoffeindüseinsätzen unterscheiden können, der Drallerzeuger an unterschiedliche Eigenschaften des Brenngases oder einen mit unterschiedlichen Leistungsabgaben der Gasturbine variierenden Luftdurchsatz angepasst werden.
- Die vorliegende Erfindung findet mit besonderem Vorteil Anwendung bei stationären Gasturbinen, radialen Drallerzeugern und/oder der Eindüsung von gasförmigem Brennstoff.
- Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert
- Fig.1:
- einen halbseitigen Querschnitt eines Drallerzeugers nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung gemäß der Schnittlinie I-I in
Fig. 2 ; - Fig. 2:
- einen halbseitigen Axialschnitt des Drallerzeugers nach
Fig. 1 ge- mäß der dortigen Schnittlinie II-II; und - Fig. 3A, 3B:
- zwei verschiedene Brennstoffeindüseinsätze für den Drallerzeuger nach
Fig. 1 . -
Fig. 1 ,2 zeigen eine Hälfte eines radialen Drallerzeugers nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung im Quer- bzw. Axialschnitt. - Tortenstückförmige Drallerzeugersegmente 1.1, 1.2, 1.3 mit im Wesentlichen dreieckigem Querschnitt bilden zwischen sich Kanäle K zur Zufuhr von Verbrennungsluft L zu einer radial innenliegenden, axial dem Drallerzeuger stromabwärtig nachgelagerten (unten in
Fig. 2 ) Brennkammer einer stationären Gasturbine (nicht dargestellt). Durch die Umlenkung wird die Verbrennungsluft, deren Strömungslinie inFig. 1 ,2 mit fett ausgezogenen Pfeilen angedeutet ist, mit einem Drehimpuls beaufschlagt. - In den beiden radial außenliegenden Ecken der Drallerzeugersegmente 1.1, 1.2, 1.3 sind jeweils rotationssymmetrische, nach außen offene Bohrungen ausgebildet. In diese ist ein zylinderförmiger Einsatzkörper 2.2 bzw. 2.2' (vgl.
Fig. 3 ) eines Brennstoffeindüseinsatzes 2 bzw. 2'formschlüssig eingesetzt, so dass er mit etwa drei Viertel seiner Mantelfläche in der komplementären Dreiviertelkreisbohrung aufgenommen ist. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann der Einsatzkörper auch tiefer innerhalb des Drallerzeugersegmentes angeordnet sein, so dass ein größerer Teil seiner Mantelfläche in der komplementären Bohrung aufgenommen ist, die sich dann über mehr als einen Dreiviertelkreis erstrecken kann. In einer anderen nicht dargestellten Abwandlung kann der Einsatzkörper auch weniger tief in dem Drallerzeugersegment angeordnet sein, so dass ein kleinerer Teil seiner Mantelfläche in der komplementären Bohrung aufgenommen ist, die sich dann entsprechend über weniger als einen Dreiviertelkreis erstreckt. - An den zylinderförmigen Einsatzkörper 2.2, 2.2' schließt sich ein im Wesentlichen kreisscheibenförmiger Einsatzkopf 2.1 bzw. 2.1' an, wobei die Kreisscheibe auf einer Flachseite 2.3 bzw. 2.3' abgeflacht ist (
Fig. 3 ). - In einem Deckring 10 (vgl.
Fig. 2 ), an dem die Drallerzeugersegmente 1.1, 1.2, 1.3 einstückig angeformt oder in einer nicht dargestellten Abwandlung stoff- oder reibschlüssig festgelegt sind, sind komplementäre kreisförmige Aussparungen mit einer abgeflachten Kreissehne ausgebildet, so dass die Brennstoffeindüseinsätze 2, 2' nur in einer durch die Flachseite 2.3 bzw. 2.3' vorgegebenen Orientierung in die Drallerzeugersegmente 1.1, 1.2, 1.3 eingesetzt werden können. In diesen werden sie mittels einer wieder lösbaren Schweißnaht angeheftet und sind durch metallische C-Ringe 60 zusätzlich gegen den Deckring 10 abgedichtet. - Auf den Deckring 10 ist ein Deckel 20 des Drallerzeugers aufgeschraubt, in dem eine ringförmige Brennstoffzuleitung 50 ausgebildet ist, die zu den Einsatzköpfen 2.1 bzw. 2.1' (vgl.
Fig. 3 ) der Brennstoffeindüseinsätze hin offen ist. Hierzu durchgreifen Schrauben 40 den Deckel 20, den Deckring 10 und die Drallerzeugersegmente 1.1, 1.2, 1.3, und sind in einen Drallerzeugerboden 30 eingeschraubt, der zusammen mit dem Deckring 10 und den Seitenwänden der Drallerzeugersegmente 1.1, 1.2, 1.3 die Luftzufuhrkanäle K definiert, und in den die Einsatzkörper 2.2 bzw. 2.2' der Brennstoffeindüseinsätze 2 bzw. 2' stirnseitig eingesteckt sind (vgl.Fig. 2 ). Der Deckel 20 sichert die Brennstoffeindüseinsätze auch form- und reibschlüssig. - Die Brennstoffeindüseinsätze weisen eine zum Einsatzkopf hin offene Axialbohrung (vgl.
Fig. 2 ) auf, mit denen Radialbohrungen 3 kommunizieren. Gasförmiger Brennstoff, der den Brennstoffeindüseinsätzen 2 über die Brennstoffzuleitung 50 zugeführt wird, strömt durch die Längs- bzw. Axialbohrung im Einsatzkopf und wird durch die als Brennstoffauslässe fungierenden Radialbohrungen 3 in den Kanal K eingedüst. - Da der eingesetzte Brennstoffeindüseinsatz aufgrund der Abflachung des Einsatzkopfes und der entsprechend komplementären Aussparung im Deckring 10 der Drallerzeugersegmente mit vorgegebener Orientierung in dem jeweiligen Drallerzeugersegment drehfestgelegt ist, bestimmt die Lage der Brennstoffauslässe 3 relativ zur Abflachung 2.3 bzw. 2.3' des Einsatzkopfes 2.1 bzw. 2.1' eine Eindüsrichtung im Querschnitt, d. h. relativ zur Luftströmung L, wenn der Brennstoffeindüseinsatz in das Drallerzeugersegment eingesteckt ist. Bei den Brennstoffeindüseinsätzen 2 (
Fig. 3A ) sind die Brennstoffauslässe 3 relativ zur Abflachung 2.3 des Einsatzkopfes 2.1 derart angeordnet, dass der Brennstoff B, wie inFig. 1 angedeutet, bei eingesetztem Brennstoffeindüseinsatz 2 im Wesentlichen senkrecht zur Luftströmung L eingedüst wird. - Bei dem Brennstoffeindüseinsatz 2' (
Fig. 3B ) sind die Brennstoffauslässe 3' hingegen relativ zur Abflachung 2.3' des Einsatzkopfes 2.1' derart versetzt, dass die Eindüsrichtung des Brennstoffes in den Kanal eine Komponente aufweist, die entgegen der Durchströmungsrichtung, d. h. radial nach außen orientiert ist, wenn der Brennstoffeindüseinsatz 2' anstelle des Brennstoffeindüseinsatzes 2 mit der durch die Abflachung 2.3' vorgegebenen Orientierung in einem Drallerzeugersegment drehfest eingesteckt und durch Schweißen angeheftet ist. Diese Eindüsung entgegen der Luftströmung der Verbrennungsluft kann insbesondere bei geringerem Luftdurchsatz durch vor den Brennstoffauslässen 3' gebildete Staupunkte in der Strömung der Verbrennungsluft L die Vermischung mit dem eingedüsten Brennstoff verbessern. - Wie der Vergleich der
Fig. 3A und 3B zeigt, unterscheiden sich die Brennstoffauslässe 3, 3' nicht nur in ihrer Winkellage zur Abflachung 2.3 bzw. 2.3', sondern auch in ihrer Höhe, in der sie im Kanal K angeordnet sind. - Durch Austausch bzw. wahlweisen Einsatz der Brennstoffeindüseinsätze 2 oder 2' kann so die Brennstoffeindüsung vorgegeben und an veränderte Eigenschaften des Brenngases oder einen variierenden Luftdurchsatz angepasst werden. Anstelle der gezeigten Brennstoffeindüseinsätze 2 und 2' können weitere nicht gezeigte Brennstoffeindüseinsätze eingesteckt werden, die Brennstoffauslässe anderer Form, Anzahl und/oder Ausströmrichtung aufweisen und so beispielsweise eine in
Fig. 2 nicht waagrechte Eindüsrichtung realisieren, indem die Brennstoffauslassachse mit der Längsachse des Brennstoffeindüseinsatzes einen vom 90° verschiedenen Winkel bildet. - In einer nicht dargestellten Abwandlung sind die Aussparungen im Deckring 10 zur Aufnahme der Einsatzköpfe der Brennstoffeindüseinsätze vollständig rotationssymmetrisch ausgebildet und gestatten so eine Aufnahme der Brennstoffeindüseinsätze in den Drallerzeugersegmenten mit beliebig vorgebbarer Orientierung relativ zu ihrer Längs- bzw. Symmetrieachse. Indem die Brennstoffeindüseinsätze beim oder nach dem Einstecken in die Drallerzeugersegmente so gedreht werden, dass ihre Brennstoffauslässe 3 bzw. 3' eine gewünschte Eindüsrichtung vermitteln, und anschließend, beispielsweise durch Verschweißen mit dem Deckring 10 in dieser Winkellage drehfestgelegt werden, kann die Brennstoffeindüsung ebenfalls in gewünschter Weise vorgegeben werden.
- In einer weiteren nicht dargestellten Abwandlung sind die Einsatzköpfe 2.1 bzw. 2.1' der Brennstoffeindüseinsätze 2 und/oder 2'sowie die sie aufnehmenden Aussparungen im Deckring 10 derart ausgebildet, dass sie eine Aufnahme der Brennstoffeindüseinsätze in den Drallerzeugersegmenten mit verschiedenen diskreten, gegeneinander um einen Winkel um ihre Längsachse versetzen Orientierung gestatten. Beispielsweise können hierzu die Einsatzköpfe sowie die sie aufnehmenden Aussparungen einen Querschnitt in Form eines regelmäßigen Polyeders aufweisen, etwa eines regelmäßigen 36-Ecks, das um jeweils 10° versetze drehfeste Aufnahmen ermöglicht.
- In der gezeigten bevorzugten Ausführung sind die Brennstoffeindüseinsätze in den radial außenliegenden Eintrittskanten der Drallerzeugersegmente angeordnet. Dies verbindet in vorteilhafter Weise einen abgerundeten Kanaleinlauf durch die zylinderförmigen Einsatzkörper 2.2 bzw. 2.2' der Brennstoffeindüseinsätze, einen Schutz der Einsätze gegen mechanische Umwelteinflüsse, eine günstige thermische Beaufschlagung der Einsätze und eine vorteilhafte Eindüsung des Brennstoffes am oder -je nach Winkellage - vor dem Kanaleintritt, so dass der gesamte Kanal als Mischstrecke genutzt wird.
- Die in den Eintrittskanten eines Drallerzeugersegmentes angeordneten Brennstoffeindüseinsätze bilden somit vorteilhaft einen Teil der Oberfläche des Drallerzeugersegmentes und ermöglichen so gleichermaßen eine kompakte Integration der Brennstoffeindüseinsätze in die Drallerzeugersegmente und die Variation von deren Außenkontur. Beispielsweise kann der Einsatzkörper eines nicht dargestellten weiteren Brennstoffeindüseinsatzes ebenso wie der Einsatzkopf eine Abflachung aufweisen, in der die Brennstoffauslässe ausgebildet sind. Durch Einsetzen dieser Brennstoffeindüseinsätze anstelle der in
Fig. 3A, 3B gezeigten Einsätze mit zylinderförmigen Einsatzkörpern 2.2 bzw. 2.2' können so die Eintrittskanten der Drallerzeugersegmente mit einer Einlauffase dargestellt werden, die durch die Abflachung des Einsatzkörpers ausgebildet ist und an die Stelle des Einlaufradius tritt, der durch die Mantefläche des zylinderförmigen Einsatzkörpers 2.2 bzw. 2.2' gebildet wird. - Wird an Stelle des Deckringes 10 und der mit ihm urgeformten, beispielsweise gegossenen, Drallerzeugersegmente 1.1, 1.2, 1.3 ein anderer Deckring mit dem Deckel 20 und dem Drallerzeugerboden 30 verschraubt, dessen Drallerzeugersegmente sich in der Form der Kanalseitenflächen, der Kanalhöhe, der Anordnung von Brennstoffeindüseinsätzen oder dergleichen von den in
Fig. 1 ,2 gezeigten Drallerzeugersegmenten 1.1, 1.2, 1.3 unterscheiden, kann die Kanalform, -höhe und/oder -anzahl des Drallerzeugers ebenso wie die Brennstoffeindüsung variiert werden. -
- 1.1, 1.2, 1.3
- Drallerzeugersegment
- 2; 2'
- Brennstoffeindüseinsatz
- 2.1; 2.1'
- Einsatzkopf
- 2.2; 2.2'
- Einsatzkörper
- 2.3; 2.3'
- Abflachung
- 3; 3'
- Brennstoffauslass
- 10
- Deckring
- 20
- Deckel
- 30
- Drallerzeugerboden
- 40
- Schraube
- 50
- Brennstoffzuleitung
- 60
- C-Ring
Claims (20)
- Drallerzeuger, insbesondere radialer Drallerzeuger, zur Eindüsung von Brennstoff (B) in eine Gasturbine,
mit einer Mehrzahl von Drallerzeugersegmenten (1.1, 1.2, 1.3), zwischen denen Kanäle (K) zur Zufuhr von drallbehafteter Luft (L) zu einer Brennkammer der Gasturbine ausgebildet sind,
und Brennstoffeindüseinsätzen (2; 2') zum Eindüsen von Brennstoff in die Kanäle, um Luft und Brennstoff vorzumischen, wobei diese Einsätze (2; 2') in Drallerzeugersegmenten aufgenommen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Brennstoffeindüsung in einen Kanal durch die Anordnung eines Brennstoffeindüseinsatzes im Drallerzeugersegment vorgebbar ist. - Drallerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eindüsrichtung des Brennstoffs in einen Kanal in einem vorgegebenen Winkel, insbesondere im Wesentlichen senkrecht, zu einer Längsachse (A) des Drallerzeugers und/oder einer Luftströmung (L) orientiert ist.
- Drallerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsrichtung des Brennstoffs in den Kanal eine entgegen einer Durchströmungsrichtung des Kanals orientierte Komponente aufweist.
- Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Drallerzeugersegment verschiedenartige Brennstoffeindüseinsätze (2; 2') aufnehmbar sind, die unterschiedliche Brennstoffauslässe (3; 3') aufweisen.
- Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffeindüseinsatz (2; 2') Brennstoffauslässe (3; 3') in einer vorgegebenen Höhe und/oder mit einer vorgegebenen Düsenöffnung aufweist.
- Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffeindüseinsatz (2; 2') in einem Drallerzeugersegment mit wenigstens einer vorgegebenen Orientierung aufnehmbar ist.
- Drallerzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffeindüseinsatz in einem Drallerzeugersegment mit verschiedenen Orientierungen aufnehmbar ist.
- Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffeindüseinsatz drehfest, insbesondere formschlüssig, in einem Drallerzeugersegment aufgenommen ist.
- Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Deckel (20), in welchem eine Brennstoffzuleitung (50) zu Brennstoffeindüseinsätzen (2) vorgesehen ist, wobei ein Brennstoffeindüseinsatz gegenüber diesem Deckel (20) und/oder dem ihn aufnehmenden Drallerzeugersegment (1.1, 1.2, 1.3) abgedichtet ist.
- Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffeindüseinsatz in einer Eintrittskante eines Drallerzeugersegmentes angeordnet ist.
- Drallerzeuger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeindüseinsatz wenigstens teilweise die Eintrittskante des Drallerzeugersegmentes bildet.
- Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffauslässe (3; 3') vor oder an einem Kanaleintritt angeordnet sind.
- Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffeindüseinsatz in einem Drallerzeugersegment austauschbar aufgenommen ist.
- Drallerzeuger, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallerzeugersegmente (1.1, 1.2, 1.3) austauschbar in dem Drallerzeuger angeordnet sind.
- Brennstoffeindüseinsatz (2; 2') für einen Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem, insbesondere rotationssymmetrischen, Einsatzkörper (2.2; 2.2') zur Aufnahme in einem zum Kanal hin offenen Hohlraum eines Drallerzeugersegmentes (1.1, 1.2, 1.3), wobei der Einsatzkörper eine Längsbohrung sowie wenigstens einen damit kommunizierenden Brennstoffauslass (3; 3') aufweist.
- Brennstoffeindüseinsatz nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Einsatzkopf (2.1; 2.1') zur formschlüssigen, insbesondere drehfesten Aufnahme in dem Drallerzeuger.
- Drallerzeugersegment (1.1, 1.2, 1.3) für einen Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, mit einem zum Kanal hin offenen Hohlraum zur Aufnahme eines Brennstoffeindüseinsatz (2; 2'), wobei eine Eindüsung des Brennstoffs (B) von einem Brennstoffeindüseinsatz in einen Kanal durch die Anordnung des Brennstoffeindüseinsatzes im Drallerzeugersegment vorgebbar ist.
- Drallerzeugersegment nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweist, wobei zwei Ecken Eintrittskanten bilden.
- Gasturbine, insbesondere stationäre Gasturbine, mit einem Drallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14.
- Verfahren zur Eindüsung von Brennstoff (B) in eine Gasturbine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eindüsung des Brennstoffs in einen Kanal (K) des Drallerzeugers der Gasturbine durch die Anordnung eines Brennstoffeindüseinsatzes (2; 2') in einem Drallerzeugersegment (1.1, 1.2, 1.3) vorgegeben wird.
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