DE69820183T2

DE69820183T2 - Gasturbinenbrennkammer mit verwundenen Drallschaufeln

Info

Publication number: DE69820183T2
Application number: DE69820183T
Authority: DE
Inventors: Shigemi Arai-cho Mandai; Masataka Arai-cho Ohta; Mitsuru Arai-cho Inada; Shinji Arai-cho Akamatsu
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-09-10
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: EP0902237A3; JPH1183016A; CA2246219C; CA2246219A1; EP0902237A2; DE69820183D1; EP0902237B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verwirbelungselement zum Bilden eines Vorgemischs bei einem Combustor vom Vorgemischflammentyp mit niedrigem NO_x einer Gasturbine.
Beschreibung des Standes der Technik
Der oben genannte Combustortyp nach dem Stand der Technik wird nachstehend mit Bezug auf die 2 bis 5 erläutert. 4 ist eine Gesamt-Aufbauansicht eines Beispiels eines Combustors vom Vorgemischflammentyp mit niedrigem NO_x nach dem Stand der Technik, und 5 ist eine Schnittansicht einer Hauptbrennstoffdüse als Teil des Combustors von 4.
Was als Brennstoffzuführdüse zum Zuführen von Brennstoff und Luft oder eines Gemischs derselben in einem Combustor bezeichnet wird, besteht aus einer Pilot-Brennstoffdüse 204 zum Bilden eines Flammenabschnitts in einem Querschnittszentrum des Combustors, und mehreren Hauptbrennstoffdüsen 202, von denen jede ein äußeres Gehäuse 206 aufweist und die um die Pilot-Brennstoffdüse 204 herum angeordnet sind, um ein Vorgemischgas aus Brennstoff und Luft etc. zu bilden.
An einem stromaufseitigen Abschnitt jeder der Hauptbrennstoffdüsen 202 ist ein Hauptverwirbelungselement 201 um die Hauptbrennstoffdüse 202 herum angeordnet und erstreckt sich zu einer Position des äußeren Gehäuses 206.
Ferner sind in einer Wand des Körpers der Hauptbrennstoffdüse 202 an der stromabwärtigen Seite des Hauptverwirbelungselements 201 mehrere Düsenlöcher 205 längs einer Umfangsrichtung der Hauptbrennstoffdüse 202 gebohrt.
Bei dem nach obiger Beschreibung konstruierten, vorbekannten Combustor sind die Hauptverwirbelungselemente 201 in mehreren Einheiten vorgesehen, und ein Pilot-Verwirbelungselement 203 in einer einzigen Einheit im Zentrum des Combustors, wobei die Verbrennungsluft durch die mehreren Hauptverwirbelungselemente 201 und das Pilot-Verwirbelungselement 203 zugeführt wird, und Brennstoff aus den mehreren Hauptbrennstoffdüsen 202 und der Pilot-Brennstoffdüse 204 zugeführt wird.
In der Hauptbrennstoffdüse 202 gemäß 5 wird der Brennstoff von den in die Wand des Körpers der Hauptbrennstoffdüse 202 gebohrten Düsenlöchern 205 eingespritzt und mit der an einem Außenumfang der Düse über das Hauptverwirbelungselement 201 strömenden Luft gemischt, um ein Vorgemischgas zu bilden.
Wenn die Luft durch das Hauptverwirbelungselement 201 strömt, wird ihr ein Verwirbelungswinkel durch das Hauptverwirbelungselement 201 vermittelt, und dieser Winkel wird durch einen Einsetzwinkel gesteuert, mit dem ein Verwirbelungsflügel in einen Nabenabschnitt desselben relativ zu einer Mittelachse der Brennstoffdüse eingesetzt ist.
Bei dem vorbekannten Verwirbelungselement ist zwar ein Beispiel dargestellt, bei dem der Einsetzwinkel des Verwirbelungsflügels verändert und zur Änderung des Verwirbelungswinkels angepaßt ist, das Verwirbelungselement im tatsächlichen Einsatz verbleibt jedoch so, daß der Einsetzwinkel am Nabenabschnitt, wenn der Einsetzwinkel des Verwirbelungsflügels am Nabenabschnitt verändert und angepaßt wird (Nabenabschnitt-Einsetzwinkel), bis zum Spitzen- bzw. Endabschnitt des Verwirbelungsflügels gleich beibehalten wird, und es gibt kein weiteres Beispiel einer Winkelveränderung mehr.
Als konkrete Beispiele der Änderung des Nabenabschnitt-Einsetzwinkels des Verwirbelungsflügels dienen die in den 2 und 3 dargestellten.
In einem Beispiel beträgt der Nabenabschnitt-Einsetzwinkel eines Verwirbelungsflügels 201 in bezug auf eine Mittelachse C der Hauptbrennstoffdüse 202 25°, wie in 2 gezeigt ist, wobei 2(a) eine Ansicht ist, die eine Anordnung eines Verwirbelungselements relativ zu der Brennstoffdüse zeigt, und 2(b) eine Abwicklung der Anordnung von Verwirbelungsflügeln ist.
Ferner beträgt in einem weiteren Beispiel der Nabenabschnitt-Einsetzwinkel eines Verwirbelungsflügels 201b relativ zur Mittelachse C der Hauptbrennstoffdüse 202 45°, wie in 3 gezeigt ist, wobei 3(a) eine Ansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Verwirbelungselements relativ zur Brennstoffdüse ist, und 3(b) eine Abwicklung einer Anordnung von Verwirbelungsflügeln ist.
Sowohl in 2 als auch in 3 strömt Luft A, die stromauf zugeführt wird, in die Verwirbelungsflügel 201a oder 201b, um eine auswärtsgerichtete Verwirbelungsströmung zu bilden, und Brennstoff F aus Erdgas und dgl. wird dieser Verwirbelungsströmung von Luft über Düsenlöcher 205 der Hauptbrennstoffdüse 202 zugeführt, um ein Vorgemisch des Brennstoffs F und der Luft A zu bilden.
Bei dem vorbekannten Verwirbelungselement, bei dem der Nabenabschnitt-Einsetzwinkel des in 3 gezeigten Verwirbelungsflügels 201b 45° beträgt, ist die Scherströmung der Luft A stark, da der Winkel nicht weniger als 45° beträgt, so daß eine Durchmischung des Brennstoffs F und der Luft A sehr günstig beschleunigt wird.
Infolge der starken Scherströmung jedoch wird ein starker Stagnationspunkt P am Spitzenabschnitt der Hauptbrennstoffdüse 202 gebildet, wie durch einen schraffierten Abschnitt in 3(a) gezeigt ist, und wenn einmal ein Rückzündphänomen auftritt, stagniert die Flamme am Stagnationspunkt P, so daß das Problem entsteht, daß die Hauptbrennstoffdüse 202 nicht verbrennen kann.
Andererseits ist bei dem vorbekannten Verwirbelungselement, bei dem der Nabenabschnitt-Einsetzwinkel des Verwirbelungsflügels 201a gemäß 2 25° beträgt, da der Winkel von 25° relativ klein ist, eine Scherströmung der Luft A nicht so stark, und der Stagnationspunkt P, der sich am oberen Abschnitt der Hauptbrennstoffdüse 202 bildet, wie durch einen schraffierten Abschnitt in 2(a) gezeigt ist, ist klein, und folglich stagniert selbst dann, wenn es zu einer Rückzündungserscheinung kommt, die Flamme dort nicht merklich.
Diese Wirkung wird jedoch durch die Scherströmung der Luft A erhalten, die nicht sehr stark ist, und umgekehrt wird als Ergebnis eine Durchmischung des Brennstoffs F und der Luft A, die eine für einen Combustor vom Vorgemischtyp erforderliche Funktion ist, schlechter, wie klar aus dem Vergleich mit dem Verwirbelungselement der 3 hervorgeht, bei dem der Nabenabschnitt-Einsetzwinkel des Verwirbelungsflügels 201b 45° beträgt, und es ergibt sich ein Problem, dass ein enger Bereich eines Zustands auftritt, innerhalb dem eine Verbrennung mit niedrigem NO_x erhalten wird.
Die WO 89/06307A (D1) offenbart eine Gasturbine mit einer erzwungenen Wirbelstrom-Brennstoffeinspritzung. Das Dokument zeigt qualitativ, daß sich die Verwirbelungselementflügel relativ axial an ihren radialen inneren Kanten erstrecken, und relativ nicht-axial an ihren radialen Außenkanten. Die Brennstoffeinspritzdüse von D1 ist jedoch offensichtlich von anderer Art, mit nur einer einzigen zentralen Einspritzdüse. Ferner besteht der Injektor aus drei allgemein konzentrischen zylindrischen Rohren, wobei der Brennstoff axial vom zentralen Rohr eingespritzt wird und konzentriertes Oxidationsmittel koaxial durch die umgebende Zwischenröhre ausgestoßen wird. Bei diesem Typ von Injektor ist das spezifische Problem eines starken Stagnationspunkts am oberen Abschnitt der Hauptbrennstoffdüse nicht vorhanden.
ABRISS DER ERFINDUNG
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasturbinen-Combustor mit einem Verwirbelungselement bereitzustellen, das in der Lage ist, eine Durchmischung von Brennstoff und Luft zu beschleunigen sowie einen am oberen Abschnitt einer Hauptbrennstoffdüse gebildeten Stagnationspunkt kleiner zu machen, und dadurch das Auftreten einer Flammenstagnation und das Verbrennen von Komponenten zu verhindern, um so die Probleme des Standes der Technik zu lösen.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung einen Gasturbinen-Combustor mit den in dem Anspruch definierten Merkmalen bereit. Ein um eine Brennstoffdüse herum eingesetzter Verwirbelungsflügel ist von seiner Nabenseite bis zu seiner Spitzenseite hin verdreht, so daß ein Einsetzwinkel der Spitzenseite relativ zu einer Mittelachse der Brennstoffdüse größer ist als der der Nabenseite.
Das heißt, daß bei den um die Brennstoffdüse herum eingesetzten Verwirbelungsflügel der Verwirbelungsflügel von der Nabenseite zur Spitzenseite so verdreht ist, daß der Einsetzwinkel relativ zur Mittelachse der Brennstoffdüse verändert ist und der Winkel der Spitzenseite größer als der der Nabenseite gestaltet ist. Während der Winkel der Nabenseite auf einen kleineren Winkel eingestellt ist, so daß eine Flammenstagnation und ein Verbrennen von Komponenten, das sich daraus ergibt, verhindert werden kann, ist der Verwirbelungsflügel so verdreht, daß der Winkel der Spitzenseite auf einen Winkel eingestellt werden kann, bei dem die Scherströmung, die für eine angemessene Durchmischung von Brennstoff und Luft notwendig ist, erhalten wird, wodurch ein dreidimensionales Verwirbelungselement erhalten wird, das in der Lage ist, eine günstige Vormischung zu erstellen, um eine Verkürzung der Nutzungsdauer infolge des Verbrennungsvorgangs zu verhindern und einen Wirkungsgrad der Verbrennung zu verbessern.
Ferner beträgt bei dem Combustor der vorliegenden Erfindung der Einsetzwinkel des Verwirbelungsflügels auf der Nabenseite relativ zur Mittelachse der Brennstoffdüse 25°, und der auf der Spitzenseite 45°.
Das heißt, der Einsetzwinkel der Nabenseite relativ zur Mittelachse der Brennstoffdüse ist auf 25° eingestellt, wobei eine Flammenstagnation und ein Verbrennen von Komponenten nicht auftreten, und der Winkel an der Spitzenseite ist auf 45° eingestellt, wobei eine Scherströmung stark wird und dadurch ein Auftreten des Problems einer Flammenstagnation und eines Verbrennens auf der Nabenseite eingeschränkt wird und eine starke Scherströmung an der Spitzenseite gewährleistet wird, wodurch ein solches dreidimensionales Verwirbelungselement in der Lage ist, ein günstiges Vorgemisch von Brennstoff und Luft zu erstellen, um eine Verkürzung der Nutzungsdauer infolge des Brennvorgangs etc. zu verhindern und eine Verbesserung des Wirkungsgrad der Verbrennung zu erhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine Ansicht zur Darstellung einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 1(a) eine Ansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Verwirbelungselements relativ zu einer Brennstoffdüse ist, 1(b) eine Abwicklung einer Anordnung von Verwirbelungsflügeln ist, und 1(c) eine perspektivische Ansicht eines der Verwirbelungsflügel ist,
2 eine Ansicht eines Beispiels eines Verwirbelungselements nach dem Stand der Technik, wobei 2(a) eine Ansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Verwirbelungselements relativ zu einer Brennstoffdüse ist, und 2(b) eine Abwicklung einer Anordnung von Verwirbelungsflügeln ist,
3 eine Ansicht eines weiteren Beispiels eines Verwirbelungselements nach dem Stand der Technik, wobei 3(a) eine Ansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Verwirbelungselements relativ zu einer Brennstoffdüse ist, und 3(b) eine Abwicklung einer Anordnung von Verwirbelungsflügeln ist,
4 eine Gesamt-Aufbauansicht zur Darstellung eines Beispiels eines Combustors vom Vorgemischflammentyp mit niedrigem NO_x, nach dem Stand der Technik, und
5 eine Schnittansicht einer Hauptbrennstoffdüse als Teil des Combustors der 4.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 zeigt ein dreidimensionales Verwirbelungselement einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 1(a) eine Anordnung eines Verwirbelungselements relativ zu einer Brennstoffdüse zeigt, 1(b) eine Abwicklung einer Anordnung von Verwirbelungsflügeln ist, und 1(c) eine perspektivische Ansicht eines der Verwirbelungsflügel ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Hauptverwirbelungselement 101 um eine Hauptbrennstoffdüse 102 herum vorgesehen, und in eine Wand der Hauptbrennstoffdüse 102 entlang deren Umfangsrichtung an einer Position stromab vom Hauptverwirbelungselement 101 sind mehrere Düsenlöcher 105 gebohrt, so daß von den Düsenlöchern 105 eingespritzter Brennstoff F sich mit Luft A vermischt, welche das Hauptverwirbelungselement 101 durchströmt hat, um ein sogenanntes Vorgemisch zu bilden, wobei dieses grundlegende Konzept und diese grundlegende Struktur des Verwirbelungselements die gleichen sind wie die im Stand der Technik beschriebenen.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptverwirbelungselement 101 in einer spezifischen Form wie folgt aufgebaut ist:
Gemäß den 1(b) und (c) beträgt ein Einsetzwinkel α eines Verwirbelungsflügels 101a an dessen Nabenseite 25° relativ zu einer Mittelachse C der Hauptbrennstoffdüse 102, und ein Einsetzwinkel β des Verwirbelungsflügels 101a an einer Spitzenseite desselben beträgt 45°, ebenfalls relativ zur Mittelachse C der Hauptbrennstoffdüse 102.
Wie aus 1(c) hervorgeht, ist somit der Verwirbelungsflügel 101a von der Nabenseite zur Spitzenseite um einen Differentialwinkel zwischen dem nabenseitigen Winkel α = 25° und dem spitzenseitigen Winkel β = 45° verdreht.
Bei der vorliegenden Ausführungsform nach obigem Aufbau, bei der die Strömungsrichtung der Luft A in ihrer durch den Verwirbelungsflügel 101a des Hauptverwirbelungselements 101 geändert ist, ist ein Stagnationspunkt P, wenn er gebildet wird, am Spitzenabschnitt der Hauptbrennstoffdüse 102 nicht so groß, da der Einsetzwinkel an der Nabenseite des Verwirbelungsflügels 101a nur 25° beträgt.
Ferner ist der Verwirbelungsflügel 101a von der Nabenseite zur Spitzenseite verdreht, und der Einsetzwinkel β an der Spitzenseite des Verwirbelungsflügels 101a beträgt 45°, womit dort eine starke Scherströmung gebildet werden kann.
Ferner wird der Brennstoff F aus Erdgas und dgl. einer Verwirbelungsströmung der Luft A zugeführt, die so über die in die Hauptbrennstoffdüse 102 gebohrten Düsenlöcher 105 gebildet wird, und ein Vorgemisch des Brennstoffs F und der Luft A wird gebildet.
Somit ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Einsetzwinkel auf der Nabenseite des Verwirbelungsflügels 101a auf 25° eingestellt, so daß der Stagnationspunkt am Spitzenabschnitt der Hauptbrennstoffdüse 102 klein ist und dort keine wesentliche Flammenstagnation auftritt, selbst wenn es zu einer Rückzündung kommt, womit ferner keine Gefahr besteht, daß Komponenten verbrennen.
Des weiteren ist der Einsetzwinkel an der Spitzenseite des Verwirbelungsflügels 101a auf 45° eingestellt, so daß die Scherströmung der Luft A an einer Außenseite in einer Radialrichtung des Verwirbelungselements stark ist und eine Durchmischung des Brennstoffs F und der Luft A beschleunigt wird, womit ein ausgezeichnetes Vorgemisch erhalten werden kann.

Claims

Gasturbinen-Combustor mit: einer Pilot-Brennstoffdüse, die einen Flammenabschnitt in einem zentralen Teil des Gasturbinen-Combustors zu bilden vermag, mehreren Hauptbrennstoffdüsen (102), die so angeordnet sind, dass sie die Pilot-Brennstoffdüse umgeben, um ein vorgemischtes Gas aus Brennstoff und Luft zu bilden, wobei jede der mehreren Hauptbrennstoffdüsen (102) ein äußeres Gehäuse, das die Hauptbrennstoffdüse (102) umgibt, und mehrere Düsenlöcher (105), die in die Hauptbrennstoffdüse (102) entlang einer Umfangsrichtung derselben gebohrt sind, umfasst, und mehreren Hauptverwirbelungselementen (101), wobei jedes der Hauptverwirbelungselemente (101) so angeordnet ist, dass es jeweils eine der mehreren Hauptbrennstoffdüsen (102) stromauf der mehreren Düsenlöcher (105) derselben umgibt, wobei jedes der Hauptverwirbelungselemente (101) eine um die jeweilige Hauptbrennstoffdüse (102) herum eingesetzte Nabe und mehrere fest mit der Nabe verbundene und sich radial von der Nabe nach außen zu dem äußeren Gehäuse erstreckende Verwirbelungsflügel (101a) umfasst, wobei jeder der mehreren Verwirbelungsflügel (101a) von seiner Nabenseite zu seiner Außenseite verdreht ist, wobei jeder der mehreren Verwirbelungsflügel (101a) einen Einsetzwinkel (β) an der Außenseite von 45° relativ zu einer Mittelachse (C) der jeweiligen Hauptbrennstoffdüse (102) aufweist, und einen Einsetzwinkel (α) an der Nabenseite von 25° relativ zu der Mittelachse (C) der betreffenden Hauptbrennstoffdüse (102).