NO166340B - Kombinert diffusjons- og forblandestyredyse. - Google Patents

Description

Oppfinnelse angår en kombinert diffusjons- og forblandedyse ifølge kravinnledningen.

Som et forsøk på å redusere mengden av NOx i avgassen fra en gassturbin har oppfinnerne Wilkes og Hilt utarbeidet en totrinns, dobbeltvirkende brenner som er vist i US 4 292 801, 6.oktober 1981 til en felles ansøker av denne oppfinnelse. I den tidligere nevnte patent som er tatt med her for referansens skyld blir det oppdaget av mengden av avgass NOx kunne reduseres betydelig sammenliknet med en konvensjonell enkelttrinn, enkeltbrennstof fdysebrenner hvis det var to forbrenningskammere, slik at under normale driftsbelastninger virket oppstrøms, primærforbrenningskammeret som et forblandingskammer mens den faktiske forbrenning fant sted i nedstrøms, andre forbren-ningskammer. Under denne beskrevne virkemåte ville det ikke være noen flamme i primærkammeret, noe som førte til minskning av dannelsen av NOx. Ved en slik drift utgjør den sekundære eller sentrumsdysen flammekilden for driften av brenneren. Den spesielle utforming av oppfinnelsen omfatter en ringformet rekke primærdyser som hver tømmes i primærforbrenningskammeret og en sentrums, sekundærdyse som tømmes inn i det andre brennkammer. Disse dyser kan alle bli beskrevet som diffusjonsdyser ved at hver dyse har et aksialt brennstofforsyningsrør og er omgitt ved dens tømmeende ved en luftvirvel som tilveiebringer luft for forbrenning ved brennstoffdysens uttømming. Oppfinnerne har oppdaget at ytterligere reduksjon av NOx kan oppnås ved å endre utførelsen av den sentrale eller sekundære dyse slik at den kan bli beskrevet som en kombinert forblandings- og diffusjonsdyse. Ved drift brukes en relativt liten mengde brennstoff for å holde et diffusjonstennbluss mens en forblandingsdel av dysen tilveiebringer ekstra brennstoff for antennelse av hovedbrennstof-forsyningen fra oppstrømsprimærdyser rettet inn i primærbrennkam-meret.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en stabil og fullstendig varmekilde for å antenne en primær, forblandet strøm under en rekke driftforhold. Det er videre et formål med oppfinnelsen å minske bidraget fra flammekilden til NOx-avgasser. Det er videre et formål med oppfinnelsen å minske mengde av brennstoff som brukes for å tilveiebringe et diffu-sj onstennbluss.

De nye egenskaper som er antatt å være karakteristisk for oppfinnelsen er fremsatt i de vedføyde krav. Selve oppfinnelsen sammen med andre formål og fordeler vil imidlertid best kunne forstås med henvisning til den følgende beskrivelse og tegninger.

Denne oppfinnelse passer spesielt for gassturbinbren-nere av den type som omfatter to brennerkammer adskilt av et venturistrupeområde. En ringformet rekke primærdyser tømmer brennstoff inn i et oppstrøms eller primærbrennkammer mens en enkelt sentrumsdyse tømmer brennstoff inn i et nedstrøms eller andre brennkammer. Virkemåten er at under basisbelastning flammer primærdysene opp mens den ene sentrums- eller andre dyser underholder forbrenning av forblandet brennstoff fra primærdysene. Ifølge oppfinnelsen blir den ene sentrale, andre dyse som har blitt karakterisert som en diffusjonsdyse, erstattet av en kombinert diffusjons- og forblandingsdyse som reduserer brennstof f strømmen til sentrumsdiffusjonsflammen fra omtrent 20% av den totale brennstoffstrøm til omtrent 2% av den totale brennstof fstrøm for hele brenneren. Dette blir gjort ved å installere et luftforsyningsrør rundt et minste brennstofforsyningsrør for å underholde diffusjonsflammeforbrenningen mens dén maksimale brennstofforsyning inn i den sekundære dyse oppstår ved hjelp av radialt brennstoffordelingsrør som hvert tømmer brennstoff inn i et forblandingskammer som omslutter diffusjonstennblusset som omfatter det aksiale brennstofforsyningsrør og dets omsluttende luftforsyningsrør. På denne måte kan en relativt minimal mengde brennstoff, i en diffusjonsflamme, brukes for å antenne strømmen fra sentrumsdysens forblandingskammer mén den nødvendige mengde er betydelig mindre enn hva som vilié behøves for å antenne hovedforblandingsstrømmen fra de gjenværende omsluttende primærdyser. Konstruksjonen minimerer således samtidig andelen av den totale brennstoffstrøm i brenneren som brenner som én diffusjonsflamme (med NOx-avgasser) men gjør det mulig for å tilføre tilstrekkelig varme for å antenne hovedforblan-dingsstrømmen ved å bruke den forblandete strøm fra tennblusset (som har lite NOx-avgasser). De foran nevnte fordeler oppnås med brenneren ifølge foreliggende oppfinnelse slik den er beskrevet med de i kravene anførte trekk.

På tegningen viser fig. 1 et sideriss av en gassturbin-motor delvis i tverrsnitt, fig. 2 er et forstørret, detaljert sideriss av en brennerdel av gassturbinmotoren, fig. 3 er et skjematisk riss av den kombinerte diffusjons- og forblandingsdyse ifølge oppfinnelsen.

Med henvisning til fig. 1 omfatter en gassturbin 12 en kompressor 14, en brenner 16 og en turbin 18 vist med et enkelt blad. Selv om det ikke er spesielt vist er det kjent at turbinen drives tilkoplet kompressoren langs en felles akse. Kompressoren komprimerer luft som så blir snudd eller sendt i motsatt retning til brenneren for det brukes for å kjøle brenneren og også å tilveiebringe luft til forbrenningsprossen. Gassturbinen omfatter flere brennere (en vist) som er plassert rundt gassturbinens omkrets. I en særlig gassturbinmodell er det fjorten slike brennere anbrakt rundt gassturbinens omkrets. En overgangskanal 20 sammenkopler utløpsenden av denne særlige brenner med innløpsenden for turbinen for å tilføre varmeprodukter fra brennerprosessen til turbinen.

Oppfinnelsen som skal beskrives er især brukbar i en totrinns, dobbel brenner med lite NOx, av den type som er beskrevet i US 4 292 801. Som beskrevet i den patenten og som er vist på fig. 2 her, omfatter hver brenner et primært eller oppstrømsbrennkammer 24 og et andre nedstrømsbrennkammer 26 adskilt av et venturistrupeområde 28. Brenneren er omsluttet av en brennerstrømhylse 30 som kanaliserer kompressorluftstrømmen til brenneren. Brenneren er videre omgitt av et ytre hus 31 som er boltet til turbinhuset 32.

Primærdyser 36 forsyner brennstoff til opp-strømsbrenneren 24 og er anordnet i en ringformet rekke rundt en sentral sekundærdyse 38. I en gassturbinmodell kan hver brenner inkludere seks primærdyser og en sekundærdyse. For å fullføre beskrivelsen av brenneren blir brennstoff levert til dysene gjennom rørene 42 på en velkjent måte og er fullstendig beskrevet i den tidligere nevnte patent. Antennelse i primærbrenneren forårsakes av en tennplugg 48 ikke vist på fig. 2 og i nærliggende brennere ved hjelp av krysstenningsrør 50 som også er

kjent.

I US 4 292 801 er det fremhevet at brennstoffdysene, både primære og sekundære, er identiske med hverandre, dvs. at dysene alle er av diffusjonstypen. Med henvisning til nærværende fig. 2, omfatter en diffusjonsdyse 36 en brennstofforsyningsdyse 54 og en ringformet virvelanordning 56. Dysen 54 leverer bare brennstoff som så etterpå blir blandet med virvelluft for forbrenning. Ifølge patentbeskrivelsen blir altså sekundærdysen også en diffusjonsdyse som vil bli beskrevet ytterligere.

Under basisbelastningsdriften er totrinns, dobbelbren-neren ment å virke i en forblandingsstilling slik at alle primærdysene ganske enkelt blander brennstoff og luft som skal antennes av diffusjonsflammen som underholdes av den andre eller sentrumsdiffusjonsdysen. Denne forblanding av primærdysebrenn-stoffet og antennelse av den sekundære diffusjonsdyse fører til mindre NOx-utslipp i brenneren. Imidlertid var det én hovedulempe med det beskrevne system. For eksempel avslørte laboratorieprøver at selv om det ble brukt minst mulig brennstoff i sekundærdysen for å minske NOx-avgassene under noen driftsforhold, ville den samme brennstoffmengde i sekundærdysen ikke tilveiebringe tilstrekkelig varme for å tilfredsstille å brenne hovedforblan-dingsstrømmen under andre driftsforhold.

Søkerne har oppdaget at et tilfredsstillende tennbluss for hovedforblandingsstrømmen fra oppstrømsforbiandings (primær) dysene kan opprettholdes ved å bruke minimal diffusjonstennbluss i kombinasjon med et sentralt, dyseforblandingskammer. Således minsker oppfinnelsen andelen av det totale brennstoff i brenneren som brenner som en dif fusjonsf lamme (med store NOx-avgasser) mens den tillater tilstrekkelig varmeforsyning for å antenne behovet for blandingsstrømmen ved å bruke den forblandede, sekundære eller styrestrøm.

Derfor er det ifølge oppfinnelsen og med henvisning til fig. 2 og 3 vist en kombinert diffusjons- og forblandingsdyse 100. Den kombinerte dyse omfatter en diffusjonsstyredel 62 med en brennstofforsyningsrør 64. Brennstofforsyningsrøret har et aksialt rør 66 og flere radiale, lukkede brennstoffordelingsrør 68 som strekker seg radialt utover fra aksialrøret. I den foretrukne utførelse kan det være seks slike brennstoffor-delingsrør. Som det fremgår fra fig. 3 omfatter hvert brennstof f ordelingsrør flere brennstoffutløpshull 70 som er rettet nedstrøms mot utløpsenden av den kombinerte dyse. Brennstoffor-delingshullene har en slik størrelse at den ønskede brennstoffan-del strømmer inn i forblandingskammeret som heretter skal bli beskrevet.

Diffusjonsstyredelen 62 omfatter videre et luftfor-syningsrør 74 koaksialt med og omsluttende brennstofforsynings-aksialrøret 66. Lufttilførselen inn i luftforsyningsrøret er utløpsluft fra kompressoren som blir snudd andre veien rundt brenneren inn i rommet 76 som dannes av strømhylsen 30 og brennkammerforingen 78. Diffusjonsstyredelen omfatter ved utløpsenden en første virvelåpning eller diffusjonsstyre-virvelanordning 82 som skal rette utløpsluften fra luftfor-syningsrøret mot diffusjonstennblusset.

Et forblandingskammer 84 er dannet av en hylse som likner avskåret kjegle 85 som omslutter diffusjonsstyredelen og omfatter et utløpsende (se strømpilene) og som avsluttes nærliggende diffusjonsstyredelens utløpsende. Utløpsluft fra kompressoren blir også ført tilbake til forblandingskammeret fra rommet 76 som for luftforsyningsrøret. De radiale brennstoffor-delingsrør 68 strekker seg gjennom luftforsyningsrøret 74 og inn i forblandingskammerets ringformede åpning slik at brennstoff og luft blir blandet og levert til en annen virvelanordning eller forblandingskammervirvelanordning 86 mellom dif fusjonsstyredelen og forblandingskammerets avkortede kjegle 85.

En tredje virvelanordning eller sentral, dyse-virvelanordning 90 er anordnet nedstrøms fra utløpsenden for den kombinerte diffusjons- og forblandingsdyse. Denne virvelanordning er plassert mellom en forlengelse eller skål 92 ved utløpsenden av styredelen og sentrumslegemets vegg 95 for primærbrennkam-meret. Kompressorluft blir også ført i motsatt retning mot denne virvelanordning fra rommet 76 som omslutter brennkammerets foringer. Hensikten med denne tredje virvelanordning er å oppnå stabilitet i diffusjons- og forblandingsdyseflammen i kombinasjon med primærforblandingsstrømmen fra primærbrenneren.

Den nødvendige utforming av virvelanordningene 82, 86 og 90 vil være kjent fra praksis i forbrenningsteknikk <p>g nødvendiggjør derfor ikke noen ytterligere beskrivelse. Forblandingskammeret eller den avkortede kjegle er dannet av et passende metallforbruk med gassturbiner. Under oppstartingsfasen blir brennstoffstrømmen og forbrenningen igangsatt i primærbrenneren opptil en bestemt middelsbelastning. Ved dette tidspunkt blir brennstof f strømmen delt mellom primærdysene og den sekundære dyse for å oppnå en ønsket belastning mens antennelse av sekundærdysen etableres. Brennstof f strømmen til primærdysene blir så avsluttet for å slukke brenning i primærbrenneren. Brennstoff-strømmen blir så reetablert i primærdysene som så virker som hovedf orblandingskammeret for brennstof f strømmen fra primærdysene mens den andre eller sentrumsdysen forblir antent og således blir et tennbluss for den primære hovedforblandingsstrøm. Ved dette tidspunkt ville en diffusjonsflamme som bruker omtrent 20% av den totale brennstoffstrøm, alene frembringe relativt store NOx-avgasser.

Med den kombinerte diffusjons- og forblandingsdyse installert ifølge oppfinnelsen, blir bare omtrent 2% av den totale brennstrøm brukt for å underholde diffusjonsflammen, noe som fører til en vesentlig reduksjon i utslippet av NOx. Den gjenværende del av brennstoffet for styredelen eller den andre dyse forblandes i forblandingskammeret og avgir således meget mindre NOx. Oppfinnelsen i sum produserer således mindre NOx mens det samtidig gjøres muligheter for å øke brennstoffstrømmen gjennom den sekundære dyse på grunn av mindre NOx-utslipp, mens avvisningsforholdet eller evnen til å drives under varierende forhold blir betydelig utvidet på grunn av at dif-fus jonsstyredelen tilføres forblandingsstrømmen for styredelen snarere enn den totale forblandingsstrøm fra omliggende primærdyser .

Claims (4)

1. Kombinert diffusjons- og forblandedyse (100), omfattende en diffusjonsstyredyse (62) med et brennstoff-tilførselsrør (64) som omfatter et aksialt rør (66) med en inntaksende og en uttaksende, et lufttilførselsrør (74) er anordnet koaksialt med og omkring det aksiale rør slik at et første virveldannende ringrom (82) er dannet mellom disse, KARAKTERISERT VED at brennstofftilførselsrøret (64) omfatter flere radiale brennstoffordelingsrør (68) som rager utad fra det aksiale rør (66), strekker seg bak lufttilførselsrørets (74) omkrets og er anordnet mot det aksiale rørs inntaksende, at et forblandekammer (84) omgir diffusjonsstyredysen (62) og omfatter en inntaksende og en uttaksende, idet de radiale brennstoffor-delingsrør (68) strekker seg inn i forblandekammeret (84), at minst ett brennstoffuttakshull (70) er anordnet i minst ett radialt brennstoffordelingsrør (68) og er rettet mot for-bi andekammere ts (84) uttaksende, og at en andre ringformet virvelanordning (86) er anordnet ved forblandekammerets uttaksende, mellom lufttilførselsrøret og forblandekammeret (84).

2. Dyse ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at forblandekammeret har konisk form.

3. Kombinerte diffusjons- og forblandedyse (100) ifølge krav 1-2, anordnet i sentrum av en ringformet fordeling av flere primærdyser (36), KARAKTERISERT VED AT den omfatter en tredje virvelanordning (90) anordnet mellom den kombinerte dyse (100) og en omgivende sentervegg (95).

4. Dyse ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at en skål (92) er anordnet nedstrøms for den kombinerte dyse (199) og senterveggen (95) og at den tredje virvelanordning (90) er anordnet mellom senterveggen (95) og skålen (92).