-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft eine Vormischeinrichtung zur Verwendung bei einer Gasturbinenbrennkammer.
-
In Gasturbinen wird ein Vorgemisch aus Luft und Brennstoff in Brennkammern verbrannt, die stromaufwärts von Turbinen angeordnet sind, in denen mechanische Energie aus den durch die Verbrennung erzeugten Hochtemperaturfluiden gewonnen wird. Aus der mechanischen Energie wird anschließend elektrische Energie erzeugt, die zu elektrischen Schaltungen übertragen wird. Die Brennkammern enthalten gewöhnlich Brennstoffdüsen mit Vormischkanälen, in denen die Luft und der Brennstoff miteinander vermischt werden. Diese Vormischung verstärkt die Neigung der brennbaren Materialien, vollständig zu verbrennen, was zu Verringerungen der durch die Maschine erzeugten Emissionsmengen führt. An sich entspricht ein vergrößertes Maß an Vormischung einer Verringerung einer Menge der Emissionen.
-
Eine derart verstärkte Vormischung ist durch die Verwendung großer Wirbelbleche und/oder großer Anzahl von Wirbelblechen in Verwirblern, die an den stromaufwärtigen Enden der Vormischkanäle oder in der Nähe derselben angeordnet sind, erreicht worden. Die Wirbelbleche lenken die Strömung der brennbaren Materialien um, um eine Vermischung von Brennstoff und Luft zu unterstützen. Jedoch erhöhen die großen Wirbelbleche und/oder die große Anzahl von Wirbelblechen zusätzlich das Gesamtgewicht und die gesamten Kosten der Brennstoffdüsen, und trotz ihres Einsatzes kann der Fall eintreten, dass wenigstens der Lufteintritt in den Vormischkanal axial oder radial erfolgt, jedoch keine Mischung von Axial- und Radialströmungen ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Brennkammervormischeinrichtung geschaffen, die ein Brennerrohr, das eine glockenförmige Öffnung aufweist, mehrere rohrförmige Körper, die in dem Brennerrohr teleskopartig angeordnet sind, um brennbare Materialien zu einem Vormischkanal zu liefern, der zwischen dem Brennerrohr und einem äußersten der mehreren Rohrkörper definiert ist, und mehrere Verwirblerschaufeln enthält, die in der Öffnung längs des Umfangs angeordnet sind, wobei jede einzelne der mehreren Verwirblerschaufeln einen Körper, der sich entlang einer radialen Dimension von dem Brennerrohr zu dem äußersten Rohrkörper erstreckt, und eine Vorderkante enthält, die stromaufwärts von der Öffnung vorragt.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Brennkammervormischeinrichtung geschaffen, die einen ringförmigen Mantel, eine ringförmige Wand, die in dem Mantel angeordnet ist, um Vormisch- und Brennstoffkanäle zu definieren, wobei sich der Vormischkanal von einem stromaufwärtigen Ende des Mantels stromabwärts und radial nach innen von einer divergierenden Stelle an dem stromaufwärtigen Ende des Mantels bis zu einer konvergierenden Stelle erstreckt, wobei der Brennstoffkanal konfiguriert ist, um Brennstoff zu dem Vormischkanal in der Nähe der divergierenden Stelle zu liefern, und einen Mittelkörper enthält, der ein innerstes Rohr aufweist, um einen inneren Kanal zu definieren, und innerhalb der Wand aufnehmbar ist, um einen dazwischenliegenden Kanal zu definieren, wobei der Zwischenkanal mit dem inneren Kanal über erste Löcher, die in dem innersten Rohr ausgebildet sind, mit dem Brennstoffkanal über zweite Löcher, die in der Wand stromabwärts von den ersten Löchern ausgebildet sind, und mit dem Vormischkanal über dritte Löcher strömungsmäßig verbunden ist, die in der Wand stromabwärts von den zweiten Löchern und in der Nähe der konvergierenden Stelle ausgebildet sind.
-
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Brennkammervormischeinrichtung geschaffen, die ein ringförmiges Brennerrohr, eine ringförmige innere Wand, die geformt ist, um einen Brennstoffkanal zu definieren, und einen Mittelkörper enthält, der geformt ist, um einen Innenraum zu definieren, wobei das Brennerrohr, die innere Wand und der Mittelkörper derart teleskopartig angeordnet sind, dass das Brennerrohr und die innere Wand einen Vormischkanal mit einem konvergierenden stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Abschnitt definieren, wobei der Vormischkanal mit dem Brennstoffkanal an dem stromaufwärtigen Ende strömungsmäßig verbunden ist, wobei die innere Wand und der Mittelkörper einen Zwischenkanal definieren, der ein stromaufwärtiges Ende und einen divergierenden stromabwärtigen Abschnitt aufweist, wobei der Zwischenkanal mit dem Brennstoffkanal und dem Innenraum an dem stromaufwärtigen Ende und mit dem Vormischkanal an jeweiligen Grenzen zwischen den entsprechenden stromaufwärtigen Enden und stromabwärtigen Abschnitten strömungsmäßig verbunden ist, und wobei die Brennkammervormischeinrichtung ferner mehrere Verwirblerschaufeln aufweist, die in dem Vormischkanal längs des Umfangs angeordnet sind, wobei jede einzelne der mehreren Verwirblerschaufeln einen Körper, der sich entlang einer radialen Dimension von dem Brennerrohr bis zu der inneren Wand erstreckt, und eine Vorderkante enthält, die von einer Öffnung des Vormischkanals stromaufwärts vorragt.
-
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offenkundiger.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Das Vorstehende sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
-
1 zeigt eine Seitenschnittansicht einer Vormischeinrichtung zur Verwendung bei einer Gasturbinenbrennkammer.
-
2 zeigt eine Perspektivansicht der Vormischeinrichtung nach 1.
-
3 zeigt eine Perspektivansicht der Gasturbinenbrennkammer nach 1.
-
Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam mit Vorteilen und Merkmalen anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Unter Bezugnahme auf die 1–3 ist eine Brennkammervormischeinrichtung 10 geschaffen, die einen geringen Druckabfall für eintretende Luft bei gesteigerter Vermischung ohne wesentliche Gewichtserhöhungen erhält, wobei brennbare Materialien geleitet werden, um in die Vormischeinrichtungen mit einer axialen und einer radialen Strömungsrichtungskomponente einzuströmen. Die Brennkammervormischeinrichtung 10 enthält ein Brennerrohr 20, mehrere rohrförmige Körper 30 und mehrere Verwirblerschaufeln 40.
-
Das Brennerrohr 20 enthält einen ringförmigen Mantel 21, der sich von einem stromaufwärtigen Ende 22 in einer stromabwärtigen Richtung durch einen rohrförmigen Abschnitt 23 hindurch erstreckt. Der rohrförmige Mantel 21 wölbt sich an dem stromaufwärtigen Ende 22, um eine glockenförmige Öffnung 25 mit einer domartigen Konstruktion zu bilden. Im Betrieb strömt Verdichteraustrittsluft, die z. B. aus einem Verdichter einer Gasturbine ausgegeben wird, zu einem Kopfende der Gasturbine in der stromaufwärtigen Richtung hin, und wenn sich die Verdichteraustrittsluft der glockenförmigen Öffnung 25 nähert, strömt sie radial nach innen zu den mehreren Rohrkörpern 30 hin, wobei sie infolge der glockenförmigen Öffnung 25 mit der domartigen Konstruktion sanft zu der axialen Richtung hin dreht und anschließend axial stromabwärts an den mehreren Verwirblerschaufeln 40 vorbei strömt. Die mehreren Verwirblerschaufeln 40 verleihen der in die glockenförmige Öffnung 25 eintretenden Luft einen Drehimpuls, so dass die Luft unter einem vordefinierten Winkel herumwirbelt, der festgelegt ist, um eine hinreichende axiale Bewegung der Luft zu ermöglichen und um eine vollständige Vorvermischung der Luft mit dem Brennstoff zu fördern.
-
Die Verdichteraustrittsluft kann ferner durch seitliche Mantellöcher 26 strömen, die in dem ringförmigen Mantel 21 ausgebildet sind. Die seitlichen Mantellöcher 26 können stromabwärts von den mehreren Verwirblerschaufeln 40 ausgebildet sein und können in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen in der Nähe deren Hinterkanten 23 ausgebildet sein. Die seitlichen Mantellöcher 26 reduzieren die Anzahl und Auswirkungen von Bereichen mit geringer Geschwindigkeit, die z. B. durch eine Grenzschichtverdichtung hervorgerufen sind.
-
Die mehreren rohrförmigen Körper 30 sind innerhalb des ringförmigen Mantels 21 des Brennerrohrs 20 teleskopartig angeordnet und ausgebildet, um brennbare Materialien zu einem Vormischkanal 31 zu liefern. Der Vormischkanal 31 ist zwischen dem ringförmigen Mantel 21 und einer Außenfläche 32 eines äußersten Rohrkörpers 33 der mehreren Rohrkörper 30 definiert. Die Luft, die in die glockenförmige Öffnung 25 eintritt und durch die Verwirblerschaufeln 40 strömt, schreitet voran durch den Vormischkanal 31, wo sie mit dem durch die mehreren Rohrkörper 30 gelieferten Brennstoff vorgemischt wird. Die Positionierung der Verwirblerschaufeln 40 stromaufwärts von dem Vormischkanal 31 sorgt für eine vergrößerte Vormischstrecke. Außerdem wird ein Druck entlang des Vormischkanals 31 auf einem im Wesentlichen gleichmäßigen Niveau gehalten.
-
Die mehreren Verwirblerschaufeln 40 sind in der glockenförmigen Öffnung 25 längs des Umfangs angereiht. Jede der mehreren Verwirblerschaufeln 40 enthält einen relativ dünnen Körper 41 im Vergleich zu der Umfangslänge der glockenförmigen Öffnung, um Gewicht zu verringern, eine Vorderkante 42 und eine Hinterkante 43. Der Körper 41 jeder einzelnen der mehreren Verwirblerschaufeln 40 erstreckt sich entlang einer radialen Dimension von der Vorderkante und dem Innenumfang des ringförmigen Mantels 21 zu der Außenfläche 32 des äußersten Rohrkörpers 33. Die Vorderkante 42 ragt stromaufwärts von der glockenförmigen Öffnung vor, und die Hinterkante 43 ist geneigt, um die Drallströmung der Luft zu fördern. Das Vorragen der Vorderkante 42 sorgt für einen relativ leichten axialen/radialen bis zu tangentialen Impuls an dem stromaufwärtigen Ende 22 und dadurch für einen relativ sanften Lufteintritt. Gemäß Ausführungsformen ist jede der mehreren Verwirblerschaufeln 40 entlang der radialen Dimension im Wesentlichen spiralförmig gestaltet. Bei diesem Aufbau weisen die Querschnitte des rohrförmigen Mantels 21 und der mehreren Verwirblerschaufeln 40 eine domförmige Konfiguration 44 oder irgendeine andere ähnliche Konfiguration auf.
-
Wie in 1 veranschaulicht, divergiert der äußerste Rohrkörper 33 in der stromaufwärtigen Richtung zu dem Montageflansch 34 hin, wobei dort, wo der ringförmige Mantel 21 die glockenförmige Öffnung 25 bildet und den divergierenden äußersten Rohrkörper 33 axial überlappt, der Vormischkanal 31 in der stromaufwärtigen Richtung divergent ist, um die Divergenz des äußersten Rohrkörpers 33 nachzuahmen. Die mehreren Rohrkörper 33 liefern brennbare Materialien an einer ersten Stelle 50 an der glockenförmigen Öffnung 25, wo der Vormischkanal 31 divergiert, und an einer zweiten Stelle 51 stromabwärts von der glockenförmigen Öffnung 25, wo der Vormischkanal 31 zu einer Nabe 60 hin konvergiert ist. Die erste Stelle 50 kann stromaufwärts oder stromabwärts verlagert oder in Umfangsrichtung zwischen den Verwirblerschaufeln 40 definiert werden, so dass der Brennstoff zu Regionen mit relativ hoher Geschwindigkeit geliefert werden kann. Die Konvergenz von Fluiden wird durch die vorstehend erläuterte divergierende Konstruktion bewirkt und sorgt für eine Beschleunigung an der Nabe und eine verringerte Gefahr eines Flammenhaltens.
-
In die glockenförmige Öffnung 25 eintretende Luft vermischt sich mit dem Brennstoff, der in den Vormischkanal 31 an der ersten und der zweiten Stelle 50, 51 eintritt, und diese Vermischung wird gefördert und unterstützt, wenn die brennbaren Materialen zu der Nabe 60 hin zusammenströmen. Außerdem verengt sich der Vormischkanal 31 radial in der stromabwärtigen Richtung von der sekundären Stelle 51 aus, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Somit wird eine Vorvermischung gefördert, während die brennbaren Materialien von dem stromaufwärtigen Ende 22 aus in Richtung auf die Nabe 60 zusammenströmen, und ein Druckabfall wird vermieden, während die brennbaren Materialien entlang einer Länge des enger werdenden Rohrabschnitts 23 strömen.
-
Die mehreren Rohrkörper 30 enthalten ferner einen Mittelkörper 35. Der Mittelkörper 35 lässt sich in eine Lücke einbringen, die im Inneren der mehreren Rohrkörper 30 definiert ist, um einen Zwischenkanal 36 zu definieren, und enthält ein innerstes Rohr 37. Das innerste Rohr 37 ist ausgebildet, um einen inneren Kanal 38 zu definieren, der zur Aufnahme einer Spülluftversorgung fähig ist.
-
Die Außenfläche 32 des äußersten Rohrkörpers 33 bildet die Nabe 60 als eine ringförmige innere Wand 61, die teleskopartig teilweise innerhalb des rohrförmigen Mantels 21 angeordnet ist, um einen stromaufwärtigen Abschnitt des Vormischkanals 31 zu definieren. Die ringförmige innere Wand 61 enthält ferner einen äußeren Wandabschnitt 321 und einen inneren Wandabschnitt 322, die an einer Teilungsstelle an einem stromabwärtigen Rand von dieser auseinanderlaufen, die sich in der Nähe des stromaufwärtigen Endes 22 befindet, um einen Brennstoffkanal 62 zu definieren. Wie oben erwähnt, erstreckt sich der Vormischkanal 31 stromabwärts von dem stromaufwärtigen Ende 22 und konvergiert radial nach innen von einer divergierenden Stelle in der Nähe der ersten Stelle 50 an dem stromaufwärtigen Ende 22 bis zu einer konvergierenden Stelle in der Nähe der zweiten Stelle 51, die axial zwischen dem stromaufwärtigen Ende 22 und dem stromabwärtigen, sich verengenden rohrförmigen Abschnitt 23 eingefügt ist.
-
Der Brennstoffkanal 62 ist konfiguriert, um Brennstoff zu dem Vormischkanal 31 in der Nähe der divergierenden Stelle an dem stromaufwärtigen Ende 22 über Brennstofflöcher 63 zu liefern. Der Zwischenkanal 36 ist mit dem inneren Kanal 38 über erste Löcher 70 strömungsmäßig verbunden, die in dem innersten Rohr 37 ausgebildet sind. Außerdem ist der Zwischenkanal 36 mit dem Brennstoffkanal 62 über zweite Löcher 71 strömungsmäßig verbunden, die in der ringförmigen inneren Wand 61 an einer axialen Stelle ausgebildet sind, die sich stromabwärts von derjenigen der ersten Löcher 70 befindet. Der Zwischenkanal 36 ist ferner mit dem Vormischkanal 31 über dritte Löcher 72 strömungsmäßig verbunden, die in der ringförmigen inneren Wand 61 an einer axialen Stelle ausgebildet sind, die sich stromabwärts von den zweiten Löchern 71 und in der Nähe der konvergierenden Stelle sowie der sekundären Stelle 51 befindet. Die ersten Löcher 70, die zweiten Löcher 71 und die dritten Löcher 72 können verteilt und schräggestellt sein, um die Dynamik abzuschwächen und eine Rezirkulation hinter den Strahlen zu verringern.
-
Somit strömt Spülluft, die eine Vermischung verstärkt und die dem Zwischenkanal 36 und dem inneren Kanal 38 zugeführt wird, durch die ersten Löcher 70, und sie vermischt sich mit einem Brennstoff, der von dem Brennstoffkanal 62 aus durch die zweiten Löcher 71 strömt, in dem Zwischenkanal 36. Dieses Brennstoff- und Luft-Gemisch strömt anschließend über die dritten Löcher 72 in den Vormischkanal 31 hinein, wo es sich mit den brennbaren Materialien vermischt, die bereits in dem Vormischkanal 31 vorhanden sind. Das endgültige Brennstoff- und Luft-Gemisch strömt weiter durch den stromabwärtigen, sich verengenden Rohrabschnitt 23, wobei es aufgrund der radialen Verengung des Vormischkanals 31 in der stromabwärtigen Richtung den Druck aufrechterhält. Die radiale Verengung kann gemeinsam mit der ringförmigen inneren Wand 61 definiert sein, die von der sekundären Stelle 51 aus in stromabwärtiger Richtung divergiert.
-
Die Brennstofflöcher 63, die ersten Löcher 70, die zweiten Löcher 71 und die dritten Löcher 72 können längs des Umfangs an ihren jeweiligen Wänden/Rohren angeordnet und in im Wesentlichen gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Abständen voneinander beabstandet sein.
-
Während die Erfindung im Einzelnen in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte ohne weiteres verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Veränderungen, Modifizierungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Umfang der Erfindung entsprechen. Außerdem ist es zu verstehen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
-
Es ist eine Brennkammervormischeinrichtung 10 geschaffen, die ein Brennerrohr 20 mit einer glockenförmigen Öffnung 25, mehrere Rohrkörper 30, die im Inneren des Brennerrohrs 20 teleskopartig angeordnet sind, um brennbare Materialien zu einem Vormischkanal 31 zu liefern, der zwischen dem Brennerrohr 20 und einem äußersten 33 der mehreren Rohrkörper 30 definiert ist, und mehrere Verwirblerschaufeln 40 enthält, die längs des Umfangs in der Öffnung 25 angeordnet sind, wobei jede einzelne der mehreren Verwirblerschaufeln 40 einen Körper 41, der sich entlang einer radialen Dimension von dem Brennerrohr 20 zu dem äußersten Rohrkörper 33 erstreckt, und eine Vorderkante 41 enthält, die stromaufwärts von der Öffnung 25 vorragt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Brennkammervormischeinrichtung
- 20
- Brennerrohr
- 21
- Ringförmiger Mantel
- 22
- Stromaufwärtiges Ende
- 23
- Rohrförmiger Abschnitt
- 25
- Glockenförmige Öffnung
- 26
- Seitliche Mantellöcher
- 30
- Mehrere Rohrkörper
- 31
- Vormischkanal
- 32
- Außenfläche
- 33
- Äußerster Rohrkörper
- 34
- Montageflansch
- 34
- Mittelkörper
- 36
- Zwischenkanal
- 37
- Innerstes Rohr
- 38
- Innerer Kanal
- 40
- Mehrere Verwirblerschaufeln
- 41
- Körper
- 42
- Vorderkanten
- 43
- Hinterkanten
- 44
- Domförmige Konfiguration
- 50
- Erste Stelle
- 51
- Zweite Stelle
- 60
- Nabe
- 61
- Ringförmige innere Wand
- 62
- Brennstoffkanal
- 63
- Brennstofflöcher
- 70
- Erste Löcher
- 71
- zweite Löcher
- 72
- Dritte Löcher
- 321
- Äußerer Wandabschnitt
- 322
- Innerer Wandabschnitt