DE60037850T2

DE60037850T2 - Flüssigbrennstoffeinspritzdüse für Gasturbinenbrenner

Info

Publication number: DE60037850T2
Application number: DE60037850T
Authority: DE
Inventors: Anthony Scotia Dean; Alessio 50024 Impruneta Miliani; Luciano 50019 Sesto Fiorentino Mei
Original assignee: Nuovo Pignone Holding SpA; Nuovo Pignone SpA
Current assignee: Nuovo Pignone Holding SpA; Nuovo Pignone SpA
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: MXPA00005371A; ES2300247T3; EG22570A; US6334309B1; NO330494B1; ITMI991204A0; NO20002764L; DZ3084A1; BR0002534A; EP1058063A1; NO20002764D0; EP1058063B1; RU2224953C2; ITMI991204A1; AR024165A1; DE60037850D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Flüssigbrennstoffeinspritzdüsen für Brenner in Gasturbinen.
Bekanntermaßen sind Gasturbinen Maschinen, die aus einem Verdichter und einer Turbine mit einer oder mehreren Stufen bestehen, wobei diese Komponenten miteinander über eine drehbare Welle verbunden sind, und wobei eine Brennkammer zwischen dem Verdichter und der Turbine vorgesehen ist.
Um den Verdichter unter Druck zu setzen, wird er mit Luft aus der Außenumgebung versorgt.
Die komprimierte Luft passiert eine Reihe von Vormischkammern, die in einer Düse oder einem zusammenlaufenden Abschnitt enden, wovon in jeden eine Einspritzdüse Brennstoff liefert, um ein zu verbrennendes Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen.
Der Brennkammer wird der Brennstoff eingeführt, die erforderlich ist, um die Verbrennung zu erzeugen, die so ausgelegt ist, dass sie zu einer Erhöhung der Temperatur und Enthalpie des Gases führt.
Anschließend erreicht das Hochtemperatur-, Hochdruckgas über entsprechende Kanäle die Turbine, die die Enthalpie des Gases in für einen Benutzer verfügbare mechanische Energie umwandelt.
Zwischen dem Verdichter und der Brennkammer ist eine Reihe von Brennereinheiten vorgesehen, deren Funktion die Zuführung des von einem entfernten Tank erhaltenen flüssigen Brennstoffs zu der Brennkammer beinhaltet. Eine derartige Einheit ist in US-A-5 778 676 dargestellt.
Bekannte Brennereinheiten haben einen komplexen Aufbau, in dessen Inneren eine Einspritzdüse vorhanden ist, die in einem zusammenlaufenden Körper enthalten ist, der im technischen Sprachgebrauch allgemein als der Mantel bekannt ist.
Die Einspritzdüse, die, wie man erkennt, wiederum mit einem Zuführungskanal für den Flüssigbrennstoff verbunden ist, weist im Wesentlichen einen Körper auf, der mit einem zylindrischen Abschnitt und einem spitz zulaufenden Endabschnitt versehen ist.
Die Flüssigbrennstoffeinspritzdüsen für Brenner in bekannten Gasturbinen haben einen Kanal, der dazu genutzt wird, den Durchtritt des Brennstoffs zu ermöglichen, und sind mit Kanälen für den Eintritt komprimierter Luft aus dem Verdichter der Turbine versehen.
Sowohl der Kanal für den Brennstoff als auch die Kanäle für die Druckluft enden in entsprechenden Auslasslöchern, wobei die aus der Einspritzdüse ausgegebene Luft dazu genutzt wird, den Brennstoff zu verdampfen, um die Eigenschaften der Verbrennung zu verbessern.
Zusätzlich ist dem zusammenlaufenden Körper ein Element zugeordnet, das im Wesentlichen gemäß im Fachgebiet als der Verwirbler bekannt ist, der dazu verwendet wird, die aus dem Verdichter erhaltene Luftströmung abzufangen und eine komplexe Form hat, die aus zwei Reihen von in ent gegengesetzten Richtungen ausgerichteten Schaufeln besteht, die dafür ausgelegt sind, eine turbulente Strömung der aus dem Verdichter erhaltenen komprimierten Luft zu erzeugen, um somit eine entsprechende Vermischung der Luft selbst mit dem aus der Einspritzdüse in die Vormischkammer eingespritzten Flüssigbrennstoff zu ermöglichen.
Probleme, die insbesondere auf dem technischen Gebiet von Brennern auftreten, betreffen die Notwendigkeit, eine optimale Zerstäubung des Flüssigbrennstoffes zu erzielen, sowie eine Vermischung, die für die unterschiedlichen Eigenschaften der verwendeten Brennstoffe geeignet ist.
Zusätzlich ist es erwünscht, einen ungewollten Rückschlag der Flamme zu dem Brenner zu vermeiden, der zu einem Abschalten der Maschine führt.
Schließlich ist es erwünscht, optimale Bedingungen für die Turbulenz der in dem Vormischbereich vorhandenen Fluide zu erzielen, und die Emission von Nebenprodukten der Verbrennung und von insbesondere Schadstoffen, wie z. B. Stickoxyden, zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung versucht somit, eine Flüssigbrennstoffeinspritzdüse für Brenner in Gasturbinen bereitzustellen, die einen extrem einfachen und kompakten Aufbau aufweist, während sie gleichzeitig optimale fluiddynamische Eigenschaften wie vorstehend beschrieben beibehält.
Die Erfindung versucht ferner, eine Flüssigbrennstoffeinspritzdüse für Brenner in Gasturbinen bereitzustellen, die eine optimale Einsatzzuverlässigkeit der Maschine ermöglicht.
Die Erfindung versucht ferner, eine Flüssigbrennstoffeinspritzdüse für Brenner in Gasturbinen bereitzustellen, die mit geringen Kosten hergestellt werden kann und aus einer reduzierten Anzahl von Komponententeilen besteht.
Erfindungsgemäß wird ein Gasturbinenbrenner bereitgestellt, der aufweist: eine Vormischkammer mit einem zylindrischen Abschnitt und einem stromabwärts zusammenlaufenden Abschnitt und einem Element stromaufwärts von dem zusammenlaufenden Abschnitt, um eine Turbulenz in dem Strom der aus dem Verdichter der Gasturbine erhaltenen Druckluft zu erzeugen, und eine Einspritzdüse mit einem Körper, der in einer Spitze endet und mit wenigstens einem Kanal für den Durchtritt von Flüssigbrennstoff, und Kanälen für den Einstrom von Druckluft aus dem Verdichter versehen ist, wobei der Kanal für den Flüssigbrennstoff und die Kanäle für die Druckluft in entsprechenden Auslasslöchern enden, in welchen die Spitze der Einspritzdüse an dem mittigen Teil des zusammenlaufenden Abschnitts der Vormischkammer endet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befinden sich die Löcher für die seitliche Ausgabe der Druckluft stromabwärts von den Löchern, aus welchen der Flüssigbrennstoff ausgegeben wird.
Zusätzlich befindet sich die Mitte jedes Loches für die seitliche Ausgabe der Druckluft auf einer Linie parallel zur Achse der Einspritzdüse in Bezug auf das entsprechende Loch für die Ausgabe des flüssigen Brennstoffs
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befinden sich die Löcher für die seitliche Ausgabe der Druckluft und die Löcher für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs stromabwärts von dem Element für die Turbulenz und in einer Position, die deutlich von der letzteren getrennt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Körper der Einspritzdüse mehrere Einlasskanäle auf, um einen Einlass der Druckluft aus dem Verdichter zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Einspritzdüse im Inneren ihrer eigenen Spitze einen Kanal auf, der mit den Kanälen für den Durchtritt der Druckluft in Verbindung steht, und in einem Loch endet von dessen Vorderseite die Druckluft ausgeben wird.
Zusätzlich ist die Einspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Rohr versehen, das sich außerhalb dem für die Zuführung des Flüssigbrennstoffes befindet und als ein thermischer Isolator fungiert. Die zwei Rohre werden voneinander mittels einer entsprechenden Feder auf gleichen Abstand gehalten.
Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, eines Brenners von Gasturbinen darstellt, der mit einer Einspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist;
2 eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer Einspritzdüse für Gasturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 eine Ansicht der Einspritzdüse in den 1 und 2 im Querschnitt entlang einer Ebene darstellt, die zu der Ebene der Einspritzdüse rechtwinklig ist; und
4 eine Seitenansicht eines Details der Einspritzdüse für Gasturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt
Gemäß spezieller Bezugnahme auf die fraglichen Figuren, wird die Flüssigbrennstoffeinspritzdüse für Brenner in Gasturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Insbesondere ist, wie man in 1 sehen kann, die Flüssigbrennstoffeinspritzdüse 10 für Brenner in Gasturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung ein Typ, der in Brennern eingesetzt wird, die mit einer Vormischkammer 62 und einem Element, das allgemein als Verwirbler bekannt ist, versehen ist, der dazu verwendet wird, um eine geeignete Turbulenz in der Strömung der aus dem Verdichter der Gasturbine erhaltenen Druckluft zu erzeugen.
Die Vormischkammer 62 weist einen ersten Abschnitt 60 auf, der im Wesentlichen zylindrisch ist und einen zusammenlaufenden Endabschnitt 61, der im Fachgebiet als der Mantel bekannt ist.
1 stellt auch die Trennungslinien 63 zwischen dem zylindrischen Abschnitt 60 und dem zusammenlaufenden Endabschnitt 61 dar.
Die Einspritzdüse 10 ist mit einem Rohr 14 verbunden, durch das der flüssige Brennstoff zugeführt wird, wohingegen der Vormischkammer 62 ein primärer Gaskanal 70 und ein Kanal 71 zugeordnet sind, die zu dem Zündkreis der Flamme gehören.
Die Einspritzdüse 10 weist einen Körper 11 auf, der in einer Spitze 12 endet, und der mit einem Kanal 25 für den Durchtritt des aus dem Rohr 21 erhaltenen Brennstoffs versehen ist.
Der Kanal 25 für den Flüssigbrennstoff erstreckt sich im Inneren des Aufbaus 26, der hierin nachstehend detaillierter beschrieben wird, und steht mit Auslasslöchern 22 und 23 für den Brennstoff in Verbindung.
Wie man in 1 sehen kann, ist die Einspritzdüse 10 zentral in Bezug auf den Verwirbler 13 über einen Abschnitt eingesetzt, der teilweise der Länge des Körpers 11 entspricht.
Zusätzlich endet die Spitze 12 der Einspritzdüse 10 bei dem mittigen Teil des zusammenlaufenden Abschnittes 61 der Vormischkammer 62, und lässt einen erheblichen Raum vor dem Auslass 64 des zusammenlaufenden Abschnittes 61 frei.
Wenn nun der Innenaufbau der Einspritzdüse 10, der im Querschnitt in 2 zu sehen ist, untersucht wird, kann man sehen, dass die Einspritzdüse ebenfalls mit durch die Bezugszeichen 48 und 58 bezeichneten Kanälen versehen ist, welche, die den Einstrom von aus dem (nicht dargestellten) Verdichter der Gasturbine erhaltener Druckluft ermöglichen.
Die Kanäle 48 und 58 stehen mit Auslasslöchern 20 und 21 für die Druckluft in Verbindung.
Wenn die Anordnung der Löcher 20, 21, 22 und 23 untersucht wird, kann man sehen, dass die Löcher 20 und 21 für die seitliche Ausgabe der Druckluft stromabwärts von den Löchern 22 und 23 angeordnet sind, aus welchen der Flüssigbrennstoff ausgegeben wird.
Bevorzugt befindet sich der Mittelpunkt von jedem dieser Löcher 20 und 21 für die seitliche Ausgabe der Druckluft auf einer Linie, die sich parallel zu der Achse der Einspritzdüse 10 in Bezug auf die entsprechenden Löcher 22 und 23 für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs befindet.
Eine wichtige Eigenschaft der Einspritzdüse gemäß der Erfindung besteht in dem Umstand, dass die Löcher 20 und 21 für die seitliche Ausgabe der Druckluft und die Löcher 22 und 23 für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs stromabwärts von dem Verwirbler 13 und in einer Position angeordnet sind, die von der letzteren deutlich getrennt ist.
4 stellt auch im Detail den Umstand dar, dass die Löcher 20, 21 für die seitliche Ausgabe der Druckluft und die Löcher 22 und 23 für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs sich innerhalb des zylindrischen Abschnittes 60 der Vormischkammer 62 des Brenners befinden.
Insbesondere sind sowohl die Löcher 20 und 21 für die seitliche Ausgabe der Drucklöcher als auch die Löcher 22 und 23 für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs mit ihren eigenen Achsen radial in Bezug auf den Körper 11 der Einspritzdüse 10 ausgerichtet.
Insbesondere haben sowohl die Löcher 20 und 21 für die seitliche Ausgabe der Druckluft als auch die Löcher 22 und 23 für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs einen ovalen Querschnitt.
Insbesondere sind die Löcher 22 und 23 bevorzugt kleiner als die Löcher 20 und 21.
Wie vorstehend festgestellt, weist der Körper 11 der Einspritzdüse 10 ein zentrales Loch auf, in das das Rohr 14 für die Zuführung des Flüssigbrennstoffs eingeführt ist.
Wie man in 3 sehen kann, weist der Körper 11 der Einspritzdüse 10 ferner mehrere Einlasskanäle 18, 28, 38 auf, um den Einlass von Druckluft aus dem Verdichter zu ermöglichen.
Im Übrigen wird angemerkt, dass drei Kanäle 18, 28 und 38 für den Einlass der Druckluft in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhanden sind, die nur im Rahmen eines nicht-einschränkenden Beispiels dargestellt wird.
Im Inneren der Spitze 12 weist die Einspritzdüse 10 auch einen Kanal 19 auf, der mit den Kanälen 48 und 58 in Verbindung steht und in einem Loch 17 endet, von dessen Vorderseite die Druckluft ausgegeben wird.
Im Inneren der Spitze 12 und in Verbindung mit dem Kanal 19 ist auch ein Luftspalt 40 vorhanden.
Das Rohr 14 für die Zuführung des Flüssigbrennstoffs besitzt einen Isolationsabstand 16, der so vorgesehen ist, dass er zusammen mit einer Feder 15 ein Innenrohr 20 umgibt, das den Kanal 25 für den Flüssigbrennstoff definiert.
Im Inneren der Einspritzdüse 10 ist der vorstehend erwähnte gebohrte Aufbau 26 vorgesehen, dessen Funktion die Verbindung des Endabschnittes des Rohres 14 für die Zuführung des Flüssigbrennstoffs ist, um so einen einzigen Kanal 25 für den Durchtritt des Flüssigbrennstoffs zu erzeugen.
Zusätzlich steht der gebohrte Aufbau 26 mit den Löchern 22 und 23 in Verbindung, aus denen der Flüssigbrennstoff ausgegeben wird.
Die Funktionsweise der Flüssigbrennstoffeinspritzdüse 10 für Brenner in Gasturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung wird hierin nachstehend kurz beschrieben.
Der Flüssigbrennstoff wird von einem entfernten Tank mittels des Rohres 14 der Einspritzdüse 10 so zugeführt, dass er der Hauptflamme des Brenners zugeführt wird.
Gleichzeitig wird die aus dem Brenner erhaltene Druckluft stromaufwärts von der Einspritzdüse 10 eingelassen und kommt mit dem Verwirbler 13 in Kontakt, so dass eine Turbulenz in dem Strom der Druckluft erzeugt wird, und dieses ermöglicht es, die Flamme stromabwärts von der Einspritzdüse 10 zu stabilisieren.
Der Flüssigbrennstoff wandert den Kanal 25 entlang und wird aus den Löchern 22 und 23 ausgegeben, die radial entlang des Körpers 11 der Einspritzdüse 10 angeordnet sind.
Gleichzeitig wandert die aus dem Verdichter erhaltene Druckluft den Leitungen 48 und 58 entlang und wird aus den Auslasslöchern 20 und 21 ausgegeben.
Aufgrund des Umstandes, dass sich die Löcher 20 und 21 für die seitliche Ausgabe der Druckluft stromabwärts von den Löchern 22 und 23 befinden, aus welchen der Flüssigbrennstoff ausgegeben wird, wird ein Luftfilm auf der Spitze 12 der Einspritzdüse 10 erzeugt, und somit die Abscheidung von Flüssigbrennstoff auf der Einspritzdüse selbst verhindert.
Dieser Effekt wird durch den Umstand verstärkt, dass sich der Mittelpunkt der Löcher 20 und 21 für die Druckluft sich auf Linien befindet, die parallel zu der Achse der Einspritzdüse 10 in Bezug auf die entsprechenden Löcher 22 und 23 für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs liegen.
Zusätzlich zu ihrem eigenen Pfad in der Einspritzdüse 10 folgt die Druckluft auch dem Kanal 19, der wiederum mit den Kanälen 48 und 58 beispielsweise für die Ausgabe vor dem Loch 17 in Verbindung steht.
Dieser Effekt ermöglicht es, die Temperatur der Spitze der Einspritzdüse 10 zufrieden stellend zu steuern.
Es sollte auch angemerkt werden, dass die Spitze 12 der Einspritzdüse 10 an dem mittigen Teil des zusammenlaufenden Abschnittes 61 der Vormischkammer 62 endet. Diese Eigenschaft in Verbindung mit der zusammenlaufenden Form des Abschnittes 61 ermöglicht optimale Eigenschaften der Flamme.
Zusätzlich macht der Umstand, dass die Löcher 20 und 21 für die seitliche Ausgabe der Druckluft und die Löcher 22 und 23 für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs sich in einer Position befinden, die deutlich von dem Verwirbler 13 getrennt ist, es möglich, eine ideale Vermischung des Brennstoffs zu erzielen.
Die gebotene Beschreibung macht die Eigenschaften und Vorteile der Flüssigbrennstoff-Einspritzdüse für Brenner in Gasturbinen ersichtlich, was die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist.

Claims

Gasturbinenbrenner, aufweisend: eine Vormischkammer (62) mit einem zylindrischen Abschnitt (60) und einem stromabwärts zusammenlaufenden Abschnitt (61) und einem Element (13) stromaufwärts von dem zusammenlaufenden Abschnitt (61), um eine Turbulenz in dem Strom der aus dem Verdichter der Gasturbine erhaltenen Druckluft zu erzeugen, und eine Einspritzdüse (10) mit einem Körper (11), der in einer Spitze (12) endet und mit wenigstens einem Kanal (25) für den Durchtritt von Flüssigbrennstoff, und Kanälen (48, 58) für den Einstrom von Druckluft aus dem Verdichter versehen ist, wobei der Kanal (25) für den Flüssigbrennstoff und die Kanäle für die Druckluft in entsprechenden Auslasslöchern (20, 21, 22, 23) enden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (12) der Einspritzdüse (10) an dem mittigen Teil des zusammenlaufenden Abschnitts (61) der Vormischkammer (62) endet.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (20, 21) für die seitliche Ausgabe der Druckluft stromabwärts von den Löchern (22, 23), aus welchen der Flüssigbrennstoff ausgegeben wird, angeordnet sind.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes von den Löchern (20, 21) für die seitliche Ausgabe der Druckluft zu dem entsprechenden Loch (22, 23) für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs ausgerichtet ist.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (20, 21) für die seitliche Ausgabe der Druckluft und die Löcher (22, 23) für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs stromabwärts von dem Element (13) für die Turbulenz und in einer Position angeordnet sind, die deutlich von der letzteren getrennt ist.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (20, 21) für die seitliche Ausgabe der Druckluft und die Löcher (22, 23) für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs in dem zylindrischen Abschnitt (60) der Vormischkammer (62) angeordnet sind.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Löcher (20, 21) für die seitliche Ausgabe der Druckluft als auch die Löcher (22, 23) für die Ausgabe des Flüssigbrennstoffs ihre eigene in Bezug auf den Körper (11) der Einspritzdüse (10) ausgerichtete Achse haben.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (11) der Einspritzdüse (10) ein mittiges Loch hat, in das ein Rohr (14) für die Zuführung des Flüssigbrennstoffs eingesetzt ist.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (11) der Einspritzdüse (10) mehrere Einlasskanäle (18, 28, 38) hat, um einen Einlass der Druckluft aus dem Verdichter zu ermöglichen.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er in der Spitze (12) einen Kanal (19) hat, wobei der Kanal (19) mit den Kanälen (48, 58) in Ver bindung steht, und in einem Loch (17) endet, von dessen Vorderseite die Druckluft ausgeben wird.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Luftspalt (40) in der Spitze (12) und in Verbindung mit dem Kanal (19) aufweist.